JP4945412B2

JP4945412B2 - 厚さ測定装置

Info

Publication number: JP4945412B2
Application number: JP2007306532A
Authority: JP
Inventors: 武史林; 哲夫古田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2007-11-27
Filing date: 2007-11-27
Publication date: 2012-06-06
Anticipated expiration: 2027-11-27
Also published as: JP2009128322A

Description

本発明は、距離検出器を用いた厚さ測定装置に係わり、特に、被測定物が一方向に移動する鋼板などの厚さ形状を測定する距離検出器を用いた厚さ測定装置に関する。

三角測量方式の距離検出器は、非接触、高精度で距離を測定できることから被測定物の表面形状の測定に使用されているが、高速で移動する鋼板などの厚さ形状の測定にも応用されている。

従来、厚板製造プロセスにおいては、γ線による厚さ測定を行っていたが、光学式の距離検出器を用いた厚さ測定装置よれば、特別の安全管理が不要であることから、その用途が拡大している。

この厚板等の厚さ測定装置について、図４を参照して説明する。Ｃ型フレーム１の互いに離間して対向する夫々の腕部の空間部に厚さｔの被測定物８が配置され、夫々の腕部に所定の間隔Ｌｄを持って配置されたレーザビーム等の光源部３２とカメラ３３を用いた距離検器３０と、該距離検出器３０の出力Ｌａ及びＬｂから厚さｔを演算（ｔ＝Ｌｄ−Ｌａ−Ｌｂ）して求める厚さ演算部１７とを備える。

距離検出器３０には、被測定物８の表面に鉛直方向に複数のレーザビームを投射する光源部と、被測定物８に投射された複数のレーザビームの反射光を鉛直平面上において対称な受光角で受光するように配置された２台の多分割光検出手段と、多分割光検出手段の出力信号の積分値を一定にする夫々の受光光量制御手段と、受光光量制御手段で制御された多分割光検出手段の出力信号の複数のレーザビームにおけるパターンの谷部の形状の変化から被測定物と距離検出装置間の距離を演算により求める距離演算手段とを備え、Ｃ型フレーム一方に配置された距離検出装置の出力及びＣ型フレームの他方に配置された距離検出装置の出力とから被測定物の厚さを厚さ演算手段で求めるようにしているものがある（例えば、特許文献１参照。）。
特許第３９６６８０４号公報

図４に示した光学式の距離検出器を用いた厚板等の厚さ測定装置の場合、被測定物８との接触を避けるため、Ｃ型フレーム１１の互いに離間して対向する夫々の腕部の空間の設定距離Ｌｄは、１０００ｍｍ程度の比較的大きな寸法の装置となっていた。

そのため、特許文献１に示す厚さ測定装置では、レーザビームの投光光軸位置の位置ずれによる測定誤差を軽減するため、投光光軸に対して対称な位置に２つの多分割光検出手段を配置し、投光光軸位置のずれをキャンセルするようにしていた。

また、距離検出器３０の設定距離Ｌｄの変動は、厚さ測定の精度に直接影響を与える誤差要因となることから、距離検出器３０を固定するＣ型フレーム１１は、線膨張率の小さなアンバー材等の高価な金属を使用して支持していた。

このような厚板の厚さ測定に要求される精度は、５．０〜１００．０ｍｍの測定範囲に対して、±５０μのレベルであったが、薄板の場合には１．０〜５．０ｍｍの測定範囲に対して、±１μレベルの高精度が要求されるため、アンバー材等の特殊な金属を使用しただけではこの要求が満足されず、また、このような特殊な金属が入手難である事からも問題があった。

例えば、薄板の厚さ測定の場合、厚板の場合に比べて狭い空間で許容できることから設定距離Ｌｄ（＝２００ｍｍ）とし、装置が使用される通常の周囲温度の変化（Δｔ）を２５℃±２５℃、設定距離Ｌｄを支持する金属の線膨張係数αとすると、この時の設定距離の変動ΔＬｄは、下記式で示される。
ΔＬｄ＝α・Ｌｄ・Δｔ
したがって、金属の線膨張係数αを１×１０^−６／℃のアンバー材を採用したとすると、ΔＬｄ＝±５．０×１０^−６（ｍ）となる。

また、この値は、厚さ測定軸方向の伸縮以外に、Ｃ型フレームの構造物の熱歪みによる他の軸方向の変動もある。例えば、Ｃ型フレームを一枚の金属板から形成した場合でも、その内周部と外周部とでは温度変化に対する線膨張率が異なり、その熱歪みによって初期の設定距離Ｌｄが３次元的に変動する。即ち、光源部３２とカメラとを支持する機構構造の熱歪みにより誤差が大きくなり、ミクロンレベルの厚さ測定装置を実現するには問題があった。

本発明は上記問題点を解決するためになされたもので、特殊な金属を使用することなく、距離検出器間の設定距離の変動による測定誤差を軽減することが可能な高精度な厚さ測定装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の厚さ測定装置は、移動する被測定物との間の距離を求め、厚さを測定する厚さ測定装置であって、前記厚さ測定装置は、前記被測定物を挟み、対向する位置で距離を測定する一対の距離検出器を備える検出部と、前記検出部の内気温度を一定に制御する空調器と、夫々の前記距離検出器の出力から厚さを求める厚さ演算部とから成り、前記検出部は、一対の前記距離検出器をその腕部に固定するＣ型ベースと、前記Ｃ型ベースを囲むように設けられる、断熱材を内張りしたＣ型フレームと、前記Ｃ型ベースを前記Ｃ型フレームに固定する固定部材と、前記Ｃ型ベースの腕部の先端部から内気を排出する一対のダクトと前記Ｃ型フレームの先端部の内気温度を検出する温度検出器とを備え、前記空調器は、前記温度検出器の信号を内気温度として受信し、前記Ｃ型フレームの内気を循環・強制対流させ、前記Ｃ型ベースの周囲温度を一定に制御するようにしたことを特徴とする。

本発明によれば、特殊な金属を使用することなく、距離検出器間の設定距離の変動による測定誤差を軽減することが可能な高精度な厚さ測定装置を提供するが出来る。

以下、本発明による実施例を図１乃至図３を参照して説明する。本発明の厚さ測定装置の構成を、図１を参照して説明する。図１は、Ｃ型フレームの空間部をｚ軸方向に走行する被測定物８の厚さｔを測定する厚さ測定装置の斜視透視図である。

厚さ測定装置は、被測定物８を挟み、対向する位置でｘ-ｙ平面上で距離を測定する一対の距離検出器３ａ、３ｂを備える検出部１０と、検出部１０のＣ型フレーム１の内気温度を一定に制御する空調器７と、距離検出器３ａ及び距離検出器３ｂの出力から厚さを求める図示しない厚さ演算部とから成る。

三角測量方式の測定原理に基づいて測定する一対の距離検出器３ａ及び距離検出器３ｂは、予め、所定の設定距離Ｌｄで設定されているので、夫々の距離検出器の出力Ｌａ及び出力Ｌｂから、Ｌｄ-（Ｌａ＋Ｌｄ）なる演算を厚さ演算部で行って厚さｔを求める。

次に、各部の構造について説明する。検出部１０は、一対の距離検出器３ａ、３ｂをその腕部に固定するＣ型ベース２と、Ｃ型ベース２を囲むように設けられ、断熱材を内面に内張りしたＣ型フレーム１と、Ｃ型ベース２をＣ型フレーム１に固定する固定部材６と、Ｃ型ベース２の腕部の先端部から内気を排出する一対のダクト４ａ、４ｂとＣ型フレーム１の先端部の内気温度を検出する温度検出器５とを備える。

また、Ｃ型フレーム１の詳細構造について、同じく図１を参照して説明する。Ｃ型フレーム１の腕部を連結する支柱の後部面Ｒには、Ｃ型ベース２の夫々の腕部の空間に送風する送風口１及び送風口１Ｂと、Ｃ型ベース２の夫々の腕部の先端部の空間の内気を排出する排出口１Ｃ及び排出口１Ｄとを備える。

また、Ｃ型フレーム１には、距離検出器３ａ及び距離検出器３ｂから照射される光ビームの光路を確保するため、ガラス製の投受光窓１Ｅ及び投受光窓１Ｆを備える。

そして、空調器７は、温度検出器５の検出温度が所定の値になるように送風口１Ａ及び送風口１Ｂから送風される空気の温度を制御するとともに、排気口１Ｃ及び排気口１Ｄから排出される空気を一対のダクト４ａ及びダクト４ｂを介して循環させる。このＣ型フレーム１Ｃ内の空気の流れと内気温度の制御については後述する。

また、Ｃ型ベース２は、距離検出器３ａ及び距離検出器３ｂをその腕部で支持するための所定の機械的強度を備えた所定厚さ以上の１枚の金属板で成形し、複数の固定箇所のいずれか一つを嵌合構造し、Ｃ型フレーム１の底部に絶縁して固定する固定部材６を備える。また、距離検出器３ａ及距離検出器３ｂは、複数の固定箇所のいずれか一つを嵌合構造とする固定座３ｃで、Ｃ型ベース２に絶縁して固定する。

次に、空調器７について図２及び図３を参照して説明する。空調器７は、Ｃ型フレーム１の内気を強制対流させ、Ｃ型ベース２の周囲温度を高精度で均一に一定の温度に制御するものである。

図２（ａ）は、この空調器７から送風する空気による検出部１０の対流伝熱を説明するためのモデル図で、図２（ｂ）は、この温度制御系のブロック図である。

図２（ｂ）に示すように、空調器７は、一般的にはエアーコンディショナーとも称され、制御対象のＣ型フレーム１の内気温度Ｔｉｄが、目標温度Ｔｔとなるように送風する空気Ｑｉの温度を変えて制御する。この、内気温度Ｔｉｄは、距離検出器３ａまたは距離検出器３ｂのいずれか一方の近傍に設けられる半導体温度センサ等の温度検出器５で検出される。

空調器７は、外気温度Ｔｅｄの変化に対して内気温度の変化を制御できる風量Ｑｉｍ^３／ｍｉｎと、温度制御分解能（Δｔ）を備えた応答性のものであれば良く、外気温度Ｔｅｄが内気温度Ｔｉｄの比べて高いときは、冷気を、逆の場合は、温気を送風する。

通常、外気温の時間変化率は、１０℃／８ｈと比較的ゆっくりと変化し、また、内部の発熱量はほぼ一定とみなされるので、図２（ａ）に示すように、Ｃ型フレーム１の内面をポリウレタン等の低熱伝導率の材料で断熱し、外乱となる外気温の変化の影響を軽減しておくことで、空調器７から送風する対流伝熱による内気の温度制御を高精度で行えるようにしておく。

また、循環させる空気量は、送風量Ｑｉ＞排出量Ｑｏとして、外気が内部に入らない程度に内圧を高めておく。

さらに、Ｃ型ベース２を固定する固定部材６ａは、ベーク等の低熱伝導率の絶縁物を使用し、この固定箇所のいずれか一箇所を嵌め合い構造としてＣ型フレーム１の底面に断熱して固定する。

同様に、距離検出器３ａ及び３ｂの固定座３ｃは、ベーク等の低熱伝導率の絶縁物を使用し、この固定箇所のいずれか一箇所を嵌め合い構造としてＣ型ベース１に断熱して固定する。

このような構造とすることで、距離検出器３ａ及び距離検出器３ｂを支持するＣ型ベース２を外気と断熱し、固定箇所の一つを嵌合構造として、Ｃ型ベース２の固定箇所での熱歪を軽減して固定し、距離検出器３ａ及び３ｂ間の設定距離の変動による測定誤差を軽減することが可能となる。

次に、図３を参照して、Ｃ型ベース２の周囲を一定の温度になるように制御する空調器７から送風される空気の流れについて説明する。

図３（ｂ）及び図３（ｃ）は、夫々、図３（ａ）の矢印Ａ及び矢印Ｂ方向から見た図で、Ｃ型フレーム１の支柱部の後面Ｒの送風口１Ａ及び送風口１Ｂから送風された空気は、図３（ｂ）の破線矢印し示すように、Ｃ型ベース２の夫々の腕部表面に沿って流れ、その先端部分の空間に設けられるダクト４ａ（４ｂ）から排出される。

この時の内気流は、Ｃ型フレーム１の腕部の上下は対称な構造で、Ｃ型フレーム１内は、内圧が加わるようにダクト４ａ及びダクト４ｂによって夫々排出抵抗が加減され、Ｃ型フレーム１の中央部に設けられるＣ型ベース２の腕部の周囲には乱流のない緩やかな流速となり、一方の腕部の温度検出器５で、両腕部の空間温度を制御する。

温度検出器５は、夫々の腕部に設け、夫々の温度を監視して、両腕部の空間温度を個別に制御することも可能である。

このような構造の厚さ測定装置は、Ｃ型ベース２の周囲が、外気と断熱され、一様な温度で制御されるので、発明者らの実験では目標温度に対して±０．１℃制御が可能であった。

したがって、例えば、薄板の厚さ測定の場合、厚板の場合に比べて狭い空間で許容できることから設定距離Ｌｄ（＝２００ｍｍ）とし、設定距離Ｌｄを支持する鉄の線膨張係数αを１０×１０^−６／℃とすると、前述したように、この時の設定距離の変動ΔＬｄは、下記式で示されるから、
ΔＬｄ＝α・Ｌｄ・Δｔ＝０．２×１０^−６（ｍ）
となり、要求される設定距離の精度が可能となる。

本発明は、上述した実施例に何ら限定されるものではなく、１枚のＣ型ベースの周囲を断熱し、その周囲を高精度で一様に空調できる構造のものであれば良く、距離検出器の構造とその要求精度によって、そのＣ型ベースの構造及びその周囲の断熱構造は適宜変えても良く、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することが可能である。

本発明の厚さ測定装置の構成図。本発明の原理説明図。本発明の空調制御の説明図。従来の厚さ測定装置の説明図。

符号の説明

１、１１Ｃ型フレーム
１ａ断熱材
１Ａ、１Ｂ送風口
１Ｃ、１Ｄ排出口
１Ｅ、１Ｆガラス窓
２Ｃ型ベース
３（３ａ、３ｂ）距離検出器
３ｃ固定座
４ａ、４ｂダクト
５温度センサ
６固定部材
６ａ固定座
７空調器
８被測定物
１０検出部
１７厚さ演算部
３０距離検出器
３２光源部
３３カメラ

Claims

移動する被測定物との間の距離を求め、厚さを測定する厚さ測定装置であって、
前記厚さ測定装置は、前記被測定物を挟み、対向する位置で距離を測定する一対の距離検出器を備える検出部と、前記検出部の内気温度を一定に制御する空調器と、夫々の前記距離検出器の出力から厚さを求める厚さ演算部とから成り、
前記検出部は、一対の前記距離検出器をその腕部に固定するＣ型ベースと、
前記Ｃ型ベースを囲むように設けられる、断熱材を内張りしたＣ型フレームと、
前記Ｃ型ベースを前記Ｃ型フレームに固定する固定部材と、
前記Ｃ型ベースの腕部の先端部から内気を排出する一対のダクトと
前記Ｃ型フレームの先端部の内気温度を検出する温度検出器と
を備え、
前記空調器は、前記温度検出器の信号を内気温度として受信し、前記Ｃ型フレームの内気を循環・強制対流させ、前記Ｃ型ベースの周囲温度を一定に制御するようにしたことを特徴とする厚さ測定装置。
前記固定部材は、該固定箇所のいずれか一つを嵌合構造とし、前記Ｃ型フレームの底部に絶縁して固定するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の厚さ測定装置。
前記距離検出器は、固定箇所のいずれか一つを嵌合構造とし、前記Ｃ型ベースに絶縁して固定する固定座を備えたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の厚さ測定装置。
前記Ｃ型フレームの腕部を連結する後部面には、前記Ｃ型ベースの夫々の腕部の周囲に送風する送風口と、前記Ｃ型ベースの夫々の腕部の先端部の空間の内気を排出する排出口とを備え、
前記空調器は、前記温度検出器の検出温度が予め設定される目標温度になるように送風口から送風される空気の温度を制御するとともに、前記排気口から排出される空気を一対の前記ダクトを介して循環させるようにしたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の厚さ測定装置。
前記Ｃ型ベースは、１枚の金属板で成形したことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の厚さ測定装置。