DE69204917T2

DE69204917T2 - Messverfahren und -vorrichtung.

Info

Publication number: DE69204917T2
Application number: DE69204917T
Authority: DE
Inventors: Kiyoshi Kaneko; Katsuyuki Kobayashi; Atsushi Tanaka; Masaki Tokioka; Yuichiro Yoshimura
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1991-06-21
Filing date: 1992-06-19
Publication date: 1996-03-14
Anticipated expiration: 2012-06-20
Also published as: US5438872A; EP0519476A1; DE69204917D1; EP0519476B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Meßverfahren und eine Vorrichtung zum Messen der Dicke eines Plattenmaterials wie einer Glasplatte, einer Eisenplatte, einer Aluminiumplatte oder dergleichen.

Beschreibung des verwandten Standes der Technik

Bislang sind als Vorrichtungen zum Messen der Dicke eines Plattenmaterials eine einfache Meßvorrichtung zum tatsächlichen Messen einer Dicke durch Verwendung eines Mikrometers, eines Kalibers oder dergleichen, eine Meßvorrichtung zum optischen Messen einer Dicke durch Verwendung eines Laserstrahls oder dergleichen, eine Vorrichtung zum Messen einer Dicke durch Verwendung einer Ultraschallwelle oder dergleichen und dergleichen bekannt.
Die vorstehend erwähnten herkömmlichen Meßvorrichtungen sind jedoch mit den nachstehend aufgeführten Nachteilen behaftet.
Zunächst kann bei der Vorrichtung zum Messen durch Verwendung eines Mikrometers, eines Kalibers oder dergleichen nur der Abschnitt um die Platte herum als zu messendes Objekt bzw. Meßobjekt genau gemessen werden, und beispielsweise in dein Fall eines Plattenmaterials mit einer großen Fläche wird die Messung der Plattendicke des mittleren Abschnitts unweigerlich zu einer relativen Messung. Mit anderen Worten wird bei einer derartigen Messung durch das Mikrometer oder dergleichen zunächst eine Bezugsoberfläche bestimmt, ein Plattenmaterial als Meßobjekt auf die Bezugsoberfläche gelegt und ein Abstand zwischen der oberen Oberfläche der Platte und der Bezugsoberfläche gemessen, wodurch die Dicke des Plattenmaterials gemessen wird. In einem solchen Fall tritt, wenn das Plattenmaterial als Meßobjekt verzogen oder deformiert ist, ein Spalt zwischen der unteren Oberfläche des Plattenmaterials und der Bezugsoberfläche in Abhängigkeit von dem Ort des Plattenmaterials auf. Wenn ein solcher Spalt auftritt, unterscheidet sich die gemessene Plattendicke von der tatsächlichen Plattendicke, so daß die Zuverlässigkeit zu wünschen übrig läßt.
Demgegenüber ist in dein Fall der optischen Meßvorrichtung unter Verwendung des Laserstrahls oder dergleichen die Vorrichtung selbst teuer und ihre Handhabung außerdem kompliziert. In dem Fall der Vorrichtung zum Berechnen der Plattendicke durch einen Pfadunterschied der reflektierten Lichtstrahlen zwischen der oberen Oberfläche und der unteren Oberfläche der Platte durch Verwendung eines Laserstrahls muß daß Meßobjekt offensichtlich eine transparente Platte sein, so daß die Anwendbarkeit einer solchen Vorrichtung beschränkt ist. Demgegenüber gibt es ein Verfahren, bei dem ein Laserstrahl eine Platte bestrahlt, die an jeder der oberen und unteren Oberflächen nicht transparent ist, und die Plattendicke wird auf der Grundlage der von den oberen und unteren Oberflächen reflektierten Lichtstrahlen gemessen. Ein derartiges Verfahren weist jedoch ein Problem dahingehend auf, daß die Vorgänge wie eine Einstellung der optischen Achse und dergleichen kompliziert sind und die Plattendicke nicht leicht gemessen werden kann.
Gemäß dem Verfahren zum Messen einer Plattendicke durch Verwendung einer Ultraschallwelle wird eine Zeit von einem Zeitpunkt, bei dem eine Schallwelle von einer Signalgeneratorquelle erzeugt wird und das Plattenmaterial als Meßobjekt erreicht, bis zu einem Zeitpunkt gemessen, bei dem die Schallquelle durch die untere Oberfläche der Platte reflektiert wird und zurückkehrt, wodurch die Plattendicke gemessen wird. Wenn jedoch die Plattendicke abnimmt, wird gemäß einem derartigen Verfahren ein Zeitunterschied verringert, der verursacht wird, bis das ausgestrahlte Ultraschallwellensignal durch die untere Oberfläche reflektiert wird und zurückkehrt, so daß, wenn die Dicke einer dünnen Platte gemessen wird, es schwierig ist, eine derartige Rückkehrzeit genau zu messen. Zum Lösen des vorstehend beschriebenen Problems wird ein Verfahren zum Erhöhen einer Auflösung durch ausreichendes Erhöhen einer Freguenz des Ultraschallwellensignals verwendet, das die Platte oder dergleichen erreicht. Jedes dieser Verfahren ist jedoch mit dem Nachteil behaftet, daß es einer Beschränkung unterliegt und daß außerdem die Kosten der Vorrichtung selbst hoch sind.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die Erfindung ist in Anbetracht der vorstehend beschriebenen herkömmlichen Beispiele gemacht worden, und ihr liegt die Aufgabe zugrunde, ein Meßverfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die die Dicke eines Plattenmaterials kostengünstig messen können.
Eine andere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, bei denen eine einem Plattenmaterial zugeführte Plattenwelle erfaßt wird, unterschiedliche Freguenzkomponenten der Schwingung entnommen werden und die Dicke eines Plattenmaterials von einer Ankunftszeit bei einem Sensor des Signals jeder Freguenzkomponente gemessen wird.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, bei denen Plattenwellen mit unterschiedlichen Frqeuenzen erfaßt werden, die zeitlich seguentiell bzw. nacheinander einem Plattenmaterial zugeführt worden sind, und die Dicke eines Plattenmaterials von der Ankunftszeit bei einem Sensor des Signals jeder Freguenzkomponente gemessen wird.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild, das einen schematischen Aufbau einer Plattendicken-Meßvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel darstellt.
Fig. 2 zeigt eine Abbildung, die ein Beispiel eines Steuer- Kurvenverlaufs eines Schwingungserzeugers gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel darstellt.
Fig. 3 ist eine Abbildung, die ein Beispiel eines erfaßten Signal-Kurvenverlaufs eines Schwingungssensors gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel darstellt.
Fig. 4 ist ein Diagramm, das ein Beispiel eines Signalspektrums eines durch den Schwingungssensor gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel erfaßten Erfassungssignals darstellt.
Fig. 5 ist eine Abbildung zum Erläutern von allgemeinen Eigenschaften einer Platten- bzw. Lambwelle.
Fig. 6 ist ein Diagramm, das den Zusammenhang zwischen der Mittenfrequenz eines Bandpaßfilters und der Gruppengeschwindigkeit einer Plattenwelle gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel darstellt.
Fig. 7 zeigt Zeitverläufe, die Signalverarbeitungen in einer Kurvenverlauf-Erfassungsschaltung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel darstellen.
Fig. 8 ist ein Flußdiagramm, das ein Plattendicken-Meßverfahren darstellt, das durch eine Steuereinrichtung der Plattendicken-Meßvorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ausgeführt wird.
Fig. 9 zeigt ein Blockschaltbild, das einen schematischen Aufbau einer Plattendicken-Meßvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel darstellt.
Fig. 10 zeigt ein Blockschaltbild, das einen Aufbau einer Treiberschaltung eines Schwingungserzeugers gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel darstellt.
Fig. 11 ist eine Abbildung, die ein Beispiel eines erfaßten Signal-Kurvenverlaufs bei jedem Teil der Treiberschaltung gemäß Fig. 10 darstellt.
Fig. 12 zeigt Zeitverläufe, die Signalverarbeitungen in einer Kurvenverlauf-Erfassungsschaltung auf der Grundlage des Zusammenhangs zwischen den Steuersignal-Kurvenverläufen mit unterschiedlichen Frequenzen und den Gruppengeschwindigkeiten der diesen entsprechenden Plattenwelle gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel darstellen.
Fig. 13 ist ein Flußdiagramm, das Plattendicken-Meßverarbeitungsschritte darstellt, die durch eine Steuereinrichtung der Plattendicken-Meßvorrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ausgeführt werden.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

[Erstes Ausführungsbeispiel]
Nachstehend wird das erste bevorzugte Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben.
Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild, das einen schematischen Aufbau einer Plattendicken-Meßvorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel darstellt.
In Fig. 1 bezeichnet Bezugszeichen 1 eine Steuereinrichtung zum Steuern der gesamten Meßvorrichtung und zum Messen der Dicke eines Plattenmaterials 7 als Meßobjekt. Bezugszeichen 2 bezeichnet eine Treiberschaltung zum Aufnehmen eines Steuersignals aus der Steuereinrichtung 1 und zum Steuern eines Schwingungs-Ausgangs-Stellglieds 3 eines Schwingungsstifts 10. Das Stellglied 3 weist darin einen Schwingungserzeuger 4 mit einem piezoelektrischen Wandler oder dergleichen auf, und ein elektrisches Steuersignal, das aus der Treiberschaltung 2 zugeführt wird, wird durch den Schwingungserzeuger 4 in eine mechanische Ultraschallschwingung umgewandelt. Die Ultraschallschwingung wird über einen Hornabschnitt 5 mit einer scharfen Spitze zu dem Plattenmaterial 7 als Meßobjekt übertragen. Infolgedessen wird die Ultraschallschwingung, die sich auf dem Plattenmaterial 7 ausgebreitet hat, durch einen Schwingungssensor 6 mit einem mechanisch-elektrischen Wandlerelement wie einem piezoelektrischen Element oder dergleichen erfaßt. Ein Ausgangssignal des Schwingungssensors 6 wird einer Kurvenverlauf-Erfassungsschaltung 8 zugeführt und in ein Erfassungssignal umgewandelt, das durch die Steuereinrichtung 1 verarbeitet werden kann. Die Steuereinrichtung 1 verarbeitet die Dicke eines Plattenmaterials 7 auf der Grundlage des Ergebnisses der Verarbeitung durch die Kurvenverlauf-Erfassungsschaltung 8. Bezugszeichen 9 bezeichnet eine Ausgabeeinheit zum Anzeigen oder Ausdrucken und zum Erzeugen des Ergebnisses der vorstehnd beschriebenen Messung.
Nachstehend wird ein Verfahren zum Erhalten der Plattendicke ausführlich beschrieben.
Fig. 2 zeigt einen Schwingungserzeuger-Steuerungs-Kurvenverlauf zum Steuern des Schwingungserzeugers 4 bei dem Schwingungsstift 3.
Gemäß Fig. 2 nimmt die Schwingungserzeuger-Treiberschaltung 2 gemäß dem Ausführungsbeispiel eine rechteckförmige Impulsfolge mit einer vorbestimmten Länge durch den Schwingungserzeuger 4 mit einer vorbestimmten Periode auf. Der Schwingungserzeuger 4 schwingt durch das Steuersignal, und das elektrische Steuersignal wird in mechanische Energie umgewandelt. Die Schwingung wird als elastische Wellenschwingung auf das Plattenmaterial 7 übertragen und durch den auf ähnliche Weise auf dem Plattenmaterial 7 vorgesehenen Schwingungssensor 6 erfaßt. Die wie vorstehend beschrieben dem Schwingungserzeuger 4 durch die Treiberschaltung 2 zugeführte elektrische Energie wird durch den Schwingungserzeuger 4 in mechanische Energie umgewandelt und wiederum durch den Schwingungssensor 6 über das Plattenmaterial 7 in elektrische Energie umgewandelt. Fig. 3 zeigt ein Beispiel eines durch den Schwingungssensor 6 erfaßten Signal-Kurvenverlaufs.
Das Signal, das von dem elektrischen Signal in mechanische Energie und daraufhin von der mechanischen Energie in das elektrische Signal umgewandelt worden ist, nämlich das Signal, das durch den Schwingungssensor 6 erfaßt wird, weist gemäß Fig. 4 kein Spektrum mit einer einzelnen Frequenz auf. Dies ist dadurch bedingt, daß jeder Teil des Schwingungsstifts 10 einschließlich des Schwingungserzeugers 4, des Hornabschnitts 5 und dergleichen eine bestimmte Schwingfrequenz verglichen mit der Frequenz des dem Schwingungserzeuger 4 zugeführten elektrischen Steuersignals aufweist, so daß ein mechanisches Ansprechen keine einzelne Frequenz aufweist und diese Abschnitte in verschiedenen Schwingmodi ansprechen. Bei dem Schwingungserzeuger 4 wird, da der Hornabschnitt 5 und dergleichen als Last wirken, die Schwingung des Schwingungserzeugers 4 gedämpft und die mechanische Energie eines breiten Bandes als Ganzes von der Spitze des Schwingungsstiftes 4 erzeugt. Deswegen weist das elektrische Signal, das durch den Schwingungssensor 6 erfaßt und erzeugt wird, eine synthetische bzw. zusammengesetzte Welle auf, in der verschiedene Frequenzkomponenten gemischt sind.
In Fig. 4 bezeichnet die Abszissenachse die Frequenz (kHz) und die Ordinatenachse die Verstärkung (3 dB). Ein Maximum ist bei 250 khz gleich -40,83 dBV.
Fig. 5 ist eine Abbildung, die allgemeine Eigenschaften einer elastischen Welle (Plattenwelle) darstellt, die sich auf dem Plattenmaterial ausbreitet. Bezugszeichen 51 bezeichnet Vp (Phasengeschwindigkeit) und 52 Vg (Gruppengeschwindigkeit).
Wie aus Fig. 5 ersichtlich ist hinreichend bekannt, daß, wenn die Qualität des Plattenmaterials gleichmäßig ist, die Phasengeschwindigkeit Vp und die Gruppengeschwindigkeit Vg der Plattenwelle von dem Produkt einer Dicke d des Plattenmaterials und einer Frequenz F der Welle abhängen.
Da wie vorstehend beschrieben die Plattenwelle, die sich auf dem Plattenmaterial 7 ausbreitet, gedämpft wird, weist ihr Plattenwellen-Signal ein Frequenzband auf, das breiter als das des elektrischen Steuersignals ist (Fig. 2). Deswegen ist der Signal-Kurvenverlauf, der durch den Schwingungssensor 6 erfaßt wird, wie in Fig. 4 dargestellt, d.h. bei einem Vergleich der Zeitbasis ist der vordere Abschnitt des Signal- Kurvenverlaufs durch eine Welle mit einer hohen Ausbreitungsgeschwindigkeit und einer relativ hohen Frequenz gebildet, und die Plattenwelle mit einer niedrigen Frequenz erreicht allmählich den Schwingungssensor 6 und wird mit dem Ablauf der Zeit in das elektrische Signal umgewandelt und in eine bereits angekommene Welle mit einer hohen Frequenz gemultiplext, und das sich ergebende gemultiplexte Signal wird erzeugt.
Dadurch wird unter Berücksichtigung eines Unterschieds zwischen den Frequenzen der Plattenwellen der Kurvenverlauf des durch den Schwingungssensor 6 erfaßten Erfassungssignals durch Bandpaßfilter mit unterschiedlichen Mittenfrequenzen verarbeitet, wodurch die Dicke eines Plattenmaterials erhalten wird. Nachstehend folgt eine ausführliche Beschreibung.
Das in dem Fall einer vorbestimmten Plattendicke aus dem Schwingungssensor 6 erzeugte gleiche elektrische Signal wird über Bandpaßfilter (BPF) mit unterschiedlichen Mittenfrequenzen übertragen und verarbeitet. Die Gruppengeschwindigkeiten Vg (in tausend m/s) in den entsprechenden Fällen werden aus den Zusammenhängen zwischen den Ankunfts-Verzögerungszeiten der Wellen und dem Abstand zwischen dem Schwingungsstift 4 und dein Schwingungssensor 6 erhalten. Die Ergebnisse sind in Fig. 6 dargestellt.
Wie aus Fig. 6 ersichtlich ist, ist, wenn die Mittenfrequenz des Bandpaßfilters hoch ist, die Gruppengeschwindigkeit Vg hoch. Wenn die Mittenfrequenz des Bandpaßfilters gering ist, ist die Gruppengeschwindigkeit Vg gering. Deswegen kann selbst dann, wenn die Signale gleich sind, die durch den Schwingungssensor 6 erfaßt und erzeugt werden, durch Übertragen und Verarbeiten eines derart gleichen Signals über die Bandpaßfilter mit unterschiedlichen Mittenfrequenzen die Plattenwelle mit einer bestimmten Geschwindigkeit erfaßt werden, die der Mittenfrequenz entspricht.
Nachstehend wird ein Aufbau der Kurvenverlauf-Erfassungsschaltung 8 zum Erfassen solcher Gruppengeschwindigkeiten und zum Messen der Plattendicke beschrieben.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 verwendet die Meß- Vorrichtung einen Bandpaßfilter 82 und einen Bandpaßfilter 83, dessen Mittenfrequenz sich von dem das Bandpaßfilters 82 unterscheidet, und verarbeitet das Signal, das von dem Schwingungssensor 6 erzeugt wird. Nachdem das Ausgangssignal aus dem Schwingungssensor 6 durch einen Vorverstärker 81 verstärkt wurde, wird es den Bandpaßfiltern 82 und 83 zugeführt. Nachstehend sei angenommen, daß eine Gruppengeschwindigkeit und eine Frequenz der Welle, die durch den durch Verwendung des Bandpaßfilters 82 verarbeiteten Signal-Kurvenverlauf berechnet werden, auf Vg1 bzw. f&sub1; eingestellt werden, und daß eine Gruppengeschwindigkeit und eine Frequenz der Welle, die durch den durch den Bandpaßfilter 83 verarbeiteten Signal- Kurvenverlauf berechnet werden, auf Vg2 bzw. f&sub2; eingestellt werden.
Nachstehend sei angenommen, daß eine Gruppenverzögerungszeit, die verursacht wird, bis die Ultraschallschwingung, die von dem Stellglied 3 erzeugt worden ist und sich auf dem Plattenmaterial 7 ausbreitet, den Schwingungssensor 6 erreicht und durch den Bandpaßfilter 82 verarbeitet und erfaßt wird, auf Tg1 eingestellt ist, und daß eine Gruppengeschwindigkeit, die durch den Bandpaßfilter 83 erfaßt wird, auf Tg2 eingestellt ist. Wenn die Gruppengeschwindigkeiten gemäß Fig. 6 angenähert werden, gilt:
Vgn = α (fn x d) + β (1),
wobei n = 1, 2 gilt,
d die Dicke des Plattenmaterials 7 angibt und
α sowie β Konstanten sind.
Nimmt man an, daß ein Abstand zwischen dem Schwingungs-Ausgangs-Stellglied 3 und dem Schwingungssensor 6 auf L eingestellt ist, wird L durch Verwendung der Gruppenverzögerungszeiten (Tg) und der Gruppengeschwindigkeiten (Vg) erhalten, die gemessen werden.
L = Vg1 tg1 = Vg2 tg2 (2)
Aus dem Zusammenhang gemäß Gleichung (1) wird erhalten:
{α(f&sub1; x d) + β}tgl = {α(f&sub2; x d) + β}tg2 (3)
Durch Auflösem der Gleichung (3) nach der Plattendicke d erhält man:
d = (β/α) x {(tg2 - tg2)/(f&sub1; tgl - f&sub2; tg2)} (4)
Indem jeweils die Gruppenverzögerungszeiten der Plattenwellen mit verschiedenen Geschwindigkeiten durch Verwendung eines Prinzips derart erfaßt werden, daß die Geschwindigkeit der Welle (Plattenwelle), die sich auf der Platte ausbreitet, von der Schwingfrequenz abhängt, kann die Plattendicke leicht gemessen werden.
Zusätzlich zu der Steuerung der Meßvorrichtung kann die Steuereinrichtung 1 auch die Plattendicke des Meßobjektes durch Ausführen der vorstehenden Berechnungen berechnen und das Ergebnis an der Ausgabeeinheit 9 anzeigen oder ausdrucken sowie außerdem das Ergebnis für eine externe Vorrichtung erzeugen.
Fig. 7 zeigt Zeitverläufe von Signalverarbeitungen, die in der Signal-Erfassungsschaltung 8 ausgeführt werden.
In der Abbildung bezeichnet Bezugszeichen 41 einen Steuer- Zeitverlauf zum Steuern des Schwingungserzeugers 4 bei dem Schwingungsstift 10 und 42 einen erfaßten Signal-Kurvenverlauf, wenn die Schwingung, die sich auf dem Plattenmaterial 7 als Meßobjekt aufgebreitet hat, durch den Schwingungssensor 6 erfaßt wird. Bezugszeichen 42-A und 42-B bezeichnen Signal- Kurvenverläufe, nachdem die erfaßten Signal-Kurvenverläufe durch die Bandpaßfilter 82 bzw. 83 verarbeitet worden sind; 43-A und 43-B bezeichnen Hüllkurven der erfaßten Signal-Kurvenverläufe und 44-A und 44-B differenzierte bzw. abgeleitete Kurvenverläufe der Hüllkurven 43-A bzw. 43-B. Die Hüllkurven werden abgeleitet bzw. differenziert, damit die Verzögerungszeiten der durch den Schwingungssensor 6 erfaßten Schwingungswellen bestimmt werden. Das Maximum jeder Hüllkurve wird durch das Nulldurchgangs-Signal erfaßt (entsprechend dem Maximum der Hüllkurve). Die vorstehend beschriebenen Verarbeitungsschritte werden durch Signalverarbeitungsschaltungen 84 und 85 ausgeführt. Wenn jede Signalverarbeitungsschaltung das Maximum der Hüllkurve erfaßt, erzeugt es ein Zähl-Stoppignal für einen Zähler 86.
Der Zähler 86 ist aus zwei Zählern aufgebaut. Der Zähler 86 beginnt den Zählvorgang bei einem Zeitpunkt, bei dem die Steuereinrichtung 1 ein Treiber- bzw. Steuersignal für die Treiberschaltung 2 erzeugt und die Steuerung des Schwingungserzeugers 4 beginnt. Der Zähler beendet den Zählvorgang durch Maximum-Erfassungssignale aus den Signalverarbeitungsschaltungen 84 und 85. Deswegen kann durch Lesen eines Zählwerts des Zählers 86 durch die Steuereinrichtung 1 die Zeit von einein Zeitpunkt, an dem die Schwingung durch den Schwingungsstift 10 erzeugt wird, bis zu einem Zeitpunkt erhalten werden, bei dem der Schwingungssensor 6 die Schwingung erfaßt.
Wie vorstehend beschrieben führt die Kurvenverlauf-Erfassungsschaltung 8 auf der Grundlage des Maximumsignals der Hüllkurven der Erfassungssignal-Kurvenverläufe die Gruppenverzögerungszeiten tgn der Steuereinrichtung 1 als Zählwerte des Zählers 86 zu.
Fig. 8 zeigt ein Flußdiagramm, das Plattendicken-Meßverfahren bei der Steuereinrichtung 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel darstellt. Ein Steuerprogramm zum Ausführen derartiger Verfahren ist in einem (nicht dargestellten) Festspeicher bzw. ROM oder dergleichen in der Steuereinrichtung 1 gespeichert.
Bei dem Plattendicken-Meßverfahren-Unterprogramm wird zunächst das Steuersignal zum Steuern des Schwingungserzeugers 4 bei einem Schritt S1 der Treiberschaltung 2 zugeführt. Bei einem Schritt S2 wird der Zähler 86 ebenfalls aktiviert und der Zählvorgang begonnen. Bei einem Schritt S3 erwartet die Vorrichtung das Ende des Zählvorgangs des Zählers 86. Wenn der Zähler 86 den Zählvorgang beendet, folgt ein Schritt S4 und der Zählwert zu dieser Zeit wird gelesen. Die Zählwerte, die wie vorstehend beschrieben gelesen werden, entsprechen den Zeiten, die erforderlich sind, bis die Maxima der Signale, die über die Bandpaßfilter 82 und 83 übertragen worden sind, erfaßt werden, und werden durch tg1 bzw. tg2 ausgedrückt.
Bei einem Schritt S5 wird eine Differenz (tg2 - tg1) zwischen diesen Zeitdaten berechnet. Bei einem Schritt 56 werden die Mittenfrequenzen (f&sub1;, f&sub2;) der Bandpaßfilter 82 und 83 mit den diesen entsprechenden abgelaufenen Zeiten (tg1, tg2) multipliziert, wodurch die Gruppengeschwindigkeiten (f&sub1; tg1, f&sub2; tg2) erhalten werden, die den Frequenzen entsprechen. Durch Einsetzen der Zeiten und der wie vorstehend beschrieben erhaltenen Gruppengeschwindigkeiten in die Gleichung (4) wird die Dicke des Plattenmaterials 7 als Meßobjekt erhalten. Das Verarbeitungs-Unterprogramm fährt mit einem Schritt S8 fort, und die berechnete Plattendicke wird der Ausgabeeinheit 9 zugeführt und angezeigt oder ausgedruckt.
Die Erfindung kann bei einem System, das aus einer Vielzahl von Vorrichtungen aufgebaut ist, oder bei einem Gerät init einer Vorrichtung angewandt werden. Die Erfindung kann natürlich auch bei dein Fall angewandt werden, bei dem die Erfindung durch Zuführen eines Programms zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens zu einem System oder einem Gerät umgesetzt wird.
Da gemäß dem vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel der Abstand zwischen dem Stellglied 3 und dem Schwingungssensor 6 ohne Berechnen der Plattendicke gemessen werden kann, muß der Abstand zwischen diesen nicht genau eingestellt werden. Da das Stellglied 3 und der Schwingungssensor 6 an willkürlichen Stellen des Meßobjekts aufgestellt werden können, ist die Erfindung infolgedessen allgemein einsetzbar, und es werden auch Wirkungen derart erhalten, daß der Aufbau der Vorrichtung einfach ist und mit geringen Kosten verwirklicht werden kann.
{Zweites Ausführungsbeispiel}
Nachstehend wird das zweite bevorzugte Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben.
Fig. 9 zeigt ein Blockschaltbild, das einen schematischen Aufbau einer Plattendicken-Meßvorrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel darstellt.
In Fig. 9 bezeichnet Bezugszeichen 11 eine Steuereinrichtung zum Steuern der gesamten Meßvorrichtung und zum Messen einer Dicke eines Plattenmaterials 17 als zu messendes Objekt bzw. Meßobjekt. Bezugszeichen 12 bezeichnet eine Treiberschaltung zum Aufnehmen eines Treiber- bzw. Steuersignals aus der Steuereinrichtung 11 und zum Steuern eines Schwingungs-Ausgangs-Stellglieds 13 eines Schwingungsstifts 20. Das Stellglied 13 weist darin einen Schwingungserzeuger 14 mit einem piezoelektrischen Wandler oder dergleichen auf, und das elektrische Steuersignal, das aus der Treiberschaltung 12 zugeführt wird, wird durch den Schwingungserzeuger 14 in die mechanische Ultraschallschwingung umgewandelt. Die Ultraschallschwingung wird über einen Hornabschnitt 15 mit einer scharfen Spitze zu dem Plattenmaterial 17 als Meßobjekt übertragen. Deswegen wird die Ultraschallschwingung, die sich auf dem Plattenmaterial 17 ausgebreitet hat, durch einen Schwingungssensor 16 mit einem mechanisch-elektrischen Wandlerelement wie einem piezoelektrischen Element und dergleichen erfaßt. Ein Ausgangssignal des Schwingungssensors 16 wird einer Kurvenverlauf-Erfassungsschaltung 18 zugeführt und in ein Erfassungssignal umgewandelt, das durch die Steuereinrichtung 11 verarbeitet werden kann. Auf der Grundlage des durch die Kurvenverlauf-Erfassungsschaltung 18 verarbeiteten Ergebnisses berechnet die Steuereinrichtung 11 die Dicke des Plattenmaterials 17. Bezugszeichen 19 bezeichnet eine Ausgabeeinheit lo zum Anzeigen oder Ausdrucken und zum Erzeugen des Ergebnisses der Messung.
Nachstehend wird ein Verfahren zum Erhalten der Plattendicke ausführlich beschrieben.
Fig. 10 zeigt ein Blockschaltbild, das einen praktischen Aufbau der Schwingungserzeuger-Treiberschaltung 12 zum Steuern des Schwingungserzeugers 14 in dem Schwingungsstift 13 darstellt. Fig. 12 zeigt Zeitverläufe.
Gemäß Fig. 10 wird ein von einem Oszillator (OSC) 201 erzeugtes Taktsignal durch eine Frequenzteilerschaltung 202 frequenzgeteilt und in ein Frequenzsignal mit einer Frequenz fb (211 bei dem Zeitverlauf gemäß Fig. 11) umgewandelt. Danach wird es einer Umschalt-Schaltung 204 zugeführt, um zwischen Frequenzsignalen fb (211) und fc (212) umzuschalten. Das durch den Oszillator 201 erzeugte Taktsignal fb wird durch eine andere Frequenzteilerschaltung 203 frequenzgeteilt und in ein Taktsignal umgewandelt, das in dem Zeitverlauf gemäß Fig. 11 mit 213 bezeichnet ist. Die Umschalt-Schaltung 204 wird durch das Taktsignal 213 umgeschaltet. Die Taktsignale mit den Frequenzen fb und fc werden abwechselnd ausgewählt und einem Schieberegister 205 zugeführt. Das Schieberegister 205 ist derart aufgebaut, daß es eine Impulsfolge in der Anzahl von wenigen Perioden (fünf Perioden in dem Fall gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel) erzeugt, genau nachdem sich das Taktsignal 213 verändert hat. Die Frequenz einer derartigen Impulsfolge 214 hängt von den Frequenzen fb und fc ab.
Gemäß dem Zeitverlauf gemäß Fig. 11 werden infolgedessen Takte mit den Frequenzen f&sub1; und f&sub2;, die durch das Taktsignal 214 dargestellt sind, von dem Schieberegister 205 abwechselnd erzeugt, genau nachdem sich das Taktsignal 213 verändert hat. Eine Treiberschaltung 206 wandelt das von dem Schieberegister 205 erzeugte Taktsignal 214 in den elektrischen Signalpegel um, der zum Steuern des Schwingungserzeugers 14 optimal ist. In dem Fall gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel steuert das Taktsignal 214 den Schwingungserzeuger 14 als rechteckförmige Impulsfolge. Es tritt jedoch kein Problem auf, selbst wenn eine Welle oder dergleichen als Kurvenform eines derartigen Steuersignals verwendet wird.
Der Oszillator 211 beginnt die Schwingung bzw. Oszillation durch ein Signal 21, das aus der Steuereinrichtung 11 zugeführt wird. Das Signal 213, das von der Frequenzteilerschaltung 203 erzeugt wird, wird zu der Steuereinrichtung 11 übertragen. Auf diese Weise kann die Steuereinrichtung 11 den Ausgabe-Zeitpunkt des Signals auf der Treiberschaltung 206 erfassen, die in dem Zeitverlauf von Fig. 11 dargestellt ist. Auf diese Weise kann der Beginn des Zählvorgangs eines Zählers 183 der Kurvenverlauf-Erfassungsschaltung 18 befohlen werden, die nachstehend erläutert wird.
Die wie vorstehend beschrieben durch den Schwingungserzeuger 14 erzeugte Schwingung wird zu dem Plattenmaterial 17 über den Hornabschnitt 15 übertragen, breitet sich als elastische Wellenschwingung auf dem Plattenmaterial 17 aus und wird durch den Schwingungssensor 16 erfaßt. Wie vorstehend erwähnt wird die dem Schwingungserzeuger 14 zugeführte elektrische Energie durch den Schwingungserzeuger 14 in mechanische Energie und durch den Schwingungssensor 16 über das Plattenmaterial 17 als Meßobjekt wiederum in elektrische Energie umgewandelt.
Gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel werden die Ankunfts- Verzögerungszeiten der Plattenwelle mit der ersten Frequenz (f&sub1;) und der Plattenwelle mit der zweiten Frequenz (f&sub2;) gemessen, die von der ersten Frequenz verschieden ist, wodurch die Plattendicke berechnet wird.
Wie vorstehend beschrieben werden die Gruppenverzögerungszeiten der Wellen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten jeweils unter Verwendung eines Prinzips derart erfaßt, daß die Geschwindigkeiten der Wellen (Plattenwellen), die sich auf dem Plattenmaterial 17 ausbreiten, von der Frequenz abhängen, so daß die Dicke des Plattenmaterials leicht gemessen werden kann.
Zusätzlich zu der Steuerung der Meßvorrichtung berechnet die Steuereinrichtung 11 die Plattendicke durch Ausführen der vorstehend beschriebenen Berechnungen und zeigt das Ergebnis an oder erzeugt das Ergebnis für eine externe Vorrichtung.
Fig. 12 zeigt einen Zeitverlauf der Signalverarbeitungen, die in der Signalerfassungsschaltung 18 ausgeführt werden.
In Fig. 12 bezeichnet Bezugszeichen 41' einen Steuer-Kurvenverlauf (214 in Fig. 10 und 11) zum Steuern des Schwingungserzeugers 14 des Schwingungsstifts 20. Bezugszeichen 42' bezeichnet einen erfaßten Signal-Kurvenverlauf, wenn die Schwingung, die sich auf der Schwingungs-Ausbreitungsplatte ausgebreitet hat, durch den Schwingungssensor 16 erfaßt wird. Bezugszeichen 43' (A) und 43' (B) bezeichnen Hüllkurven des erfaßten Signal-Kurvenverlaufs 42', und 44' (A) und 44' (B) bezeichnen abgeleitete bzw. differenzierte Signale, die durch Differenzieren bzw. Ableiten der Hüllkurven 43' (A) und 43' (B) erhalten werden, um die Verzögerungszeiten der Wellen dieser Hüllkurven zu bestimmen. Die Signale 44' (A) sowie 44' (B) werden zum Erfassen der Nulldurchgangs-Signale verwendet (entsprechend den Maxima der Hüllkurven).
Deswegen erzeugt die Signal-Kurvenverlauf-Erfassungsschaltung 18 Gruppenverzögerungszeiten tgn für die Steuersignale für die Steuereinrichtung 11 als Signale, die jeweils die Maxima der Hüllkurven der erfaßten Signal-Kurvenverläufe anzeigen. Das bedeutet, daß die Kurvenverlauf-Erfassungsschaltung 18 den Zähler 183 zum Beginnen des Zählvorgangs gleichzeitig mit den Zeitpunkten aufweist, bei denen die Taktsignale mit unterschiedlichen Frequenzen, die in Fig. 13 mit 41' bezeichnet sind, von der Treiberschaltung 12 erzeugt werden. Eine Signalverarbeitungsschaltung 182 nimmt das Erfassungssignal 42' des Schwingungssensors 16 für die Taktsignale mit unterschiedlichen Frequenzen auf und erhält die Hüllkurven 43' (A) und 43' (B) der Erfassungssignale 42' und erzeugt Nulldurchgangs-Signale 44' (A) sowie 44' (B). Wenn die Nulldurchgangs- Signale empfangen bzw. aufgenommen werden, beendet der Zähler 182 den Zählvorgang und erzeugt den Zählwert für die Steuereinrichtung 11.
Fig. 13 zeigt ein Flußdiagramm, das die Plattendicken-Meßverfahren bei der Steuereinrichtung 11 gemäß dem Ausführungsbeispiel darstellt. Ein Steuerprogramm zum Ausführen dieser Verarbeitungen ist in einem (nicht dargestellten) Festspeicher bzw. ROM der Steuereinrichtung 11 oder dergleichen gespeichert worden.
Bei dem Plattendicken-Meßverarbeitungs-Unterprogramm wird das Steuersignal 21 zum Steuern des Oszillators 201 der Treiberschaltung 12 zunächst der Treiberschaltung 12 bei einem Schritt S11 zugeführt. Der Zähler 183 wird bei einem Schritt S12 eingeschaltet bzw. aktiviert und der Zählvorgang des Zählers 183 gestartet. Bei einem Schritt S13 erwartet die Vorrichtung das Ende des Zählvorgangs des Zählers 183. Wenn der Zähler 183 den Zählvorgang beendet, folgt ein Schritt S14 und der Zählwert wird gelesen. Die Zeit tg1 gemäß Fig. 12 wird als Zählwert gelesen.
Bei dem nächsten Schritt S15 wird ein Signal 22 aus der Treiberschaltung 12 aufgenommen und eine ansteigende Flanke des Signals 22 erfaßt. Wenn das Signal 22 ansteigt, folgt ein Schritt S16 und der Zählvorgang durch den Zähler 183 wird gestartet, weil es den Ausgabezeitpunkt des Taktsignals (f&sub2;) gemäß Fig. 13 anzeigt. Die Vorrichtung erwartet das Ende des Zählvorgangs des Zählers 183 bei einem Schritt S17. Wenn der Zähler 183 den Zählvorgang beendet, folgt ein Schritt S18 und der Zählwert (tg2 gemäß Fig. 13) wird gelesen.
Bei einem Schritt S19 wird eine Differenz (tg2 - tg1) zwischen den vorstehend erwähnten Zeitdaten berechnet, und die vorbestimmen Frequenzen (f&sub1;, f&sub2;) werden mit den diesen entsprechenden abgelaufenen Zeiten (tg1, tg2) multipliziert wodurch die Gruppengeschwindigkeiten (f&sub1; tgl, f&sub2; tg2) erhalten werden, die diesen Frequenzen entsprechen. Durch Einsetzen der Zeiten und der wie vorstehend beschrieben erhaltenen Gruppengeschwindigkeiten in die vorstehend angeführte Gleichung (4) wird die Dicke des Plattenmaterials 17 als Meßobjekt erhalten. In einem nächsten Schritt S20 wird die berechnete Plattendicke zu der Ausgabeeinheit 19 übertragen und angezeigt oder ausgedruckt.
Die Erfindung kann bei einem System mit einer Vielzahl von Vorrichtungen oder auch bei einem Gerät angewandt werden, das eine Vorrichtung aufweist. Natürlich kann die Erfindung auch bei dem Fall angewandt werden, bei dem die Erfindung durch Zuführen eines Programms zum Ausführen der erfindungsgemäßen Verfahren zu dem System oder dem Gerät umgesetzt wird.
Da es gemäß dem vorstehend beschriebenen zweiten Ausführungsbeispiel nicht erforderlich ist, den Abstand zwischen dem Schwingungsstift 20 und dem Schwingungssensor 16 im voraus festzulegen, können der Stift 20 und der Sensor 16 an willkürlichen Stellen des Meßobjekts angeordnet und die Plattendicke gemessen werden. Außerdem wird eine hervorragende Wirkung derart erzielt, daß die Vorrichtung mit geringen Kosten aufgebaut werden kann.

Claims

1. Meßvorrichtung zum Messen der Dicke eines Plattenmaterials (7) mit:

einer Schwingungs-Erzeugervorrichtung (10) zum Erzeugen einer Plattenwelle durch Zuführen einer Schwingung zu dem Plattenmaterial (7),

einer Erfassungsvorrichtung (6), die an einer willkürlichen Stelle auf dem Plattenmaterial angeordnet ist und die Plattenwelle erfaßt, die sich auf dem Plattenmaterial ausgebreitet hat,

einer Entnahmevorrichtung (82, 83) zum Entnehmen unterschiedlicher Frequenzkomponenten der durch die Erfassungsvorrichtung erfaßten Plattenwelle,

einer Meßeinrichtung (84, 85, 86) zum Messen von Ankunftszeiten von Signalen der durch die Entnahmevorrichtung entnommenen Frequenzkomponenten bei der Erfassungsvorrichtung und

einer Erzielungsvorrichtung (1) zum Erhalten der Dicke des Plattenmaterials auf der Grundlage der durch die Meßeinrichtung gemessenen Ankunftszeiten und der Frequenzen der den Ankunftszeiten entsprechenden Frequenzkomponenten.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Entnahmevorrichtung einen Bandpaßfilter (82, 83) aufweist.

3. Meßverfahren zum Messen der Dicke eines Plattenmaterials mit den Schritten:

eines Erzeugens einer Plattenwelle durch Zuführen einer Schwingung zu dem Plattenmaterial,

eines Erfassens einer Plattenwelle, die sich auf dem Plattenmaterial ausgebreitet hat, und eines Entnehmens von unterschiedlichen Frequenzkomponenten der erfaßten Plattenwelle,

eines Messens von Ankunftszeiten der Signale der entnommenen Frequenzkomponenten und

eines Erhaltens der Dicke des Plattenmaterials auf der Grundlage der gemessenen Ankunftszeiten und der den Ankunftszeiten entsprechenden Frequenzkomponenten.

4. Meßvorrichtung zum Messen der Dicke eines Plattenmaterials (17) mit:

einer Schwingungs-Erzeugervorrichtung (12, 20) zum Erzeugen von Plattenwellen durch zeitlich aufeinanderfolgendes Zuführen von Schwingungen mit unterschiedlichen Frequenzen zu dem Plattenmaterial (17),

einer Erfassungsvorrichtung (16), die an einer willkürlichen Stelle auf dem Plattenmaterial angeordnet ist und die Plattenwellen erfaßt, die sich auf dem Plattenmaterial ausgebreitet haben,

einer Meßeinrichtung (18) zum Messen von Ankunftszeiten der Schwingungen mit den unterschiedlichen Frequenzen der durch die Erfassungsvorrichtung erfaßten Plattenwellen und

einer Erzielungsvorrichtung (ll) zum Erhalten der Dicke des Plattenmaterials auf der Grundlage der durch die Meßeinrichtung gemessenen Ankunftszeiten und der Frequenzen der den Ankunftszeiten entsprechenden Frequenzen.

5. Meßverfahren zum Messen der Dicke eines Plattenmaterials mit den Schritten:

eines Erzeugens von Plattenwellen durch Zuführen von Schwingungen mit unterschiedlichen Frequenzen zu dem Plattenmaterial,

eines Erfassens der Plattenwellen, die sich auf dem Plattenmaterial ausgebreitet haben, und eines Messens von Ankunftszeiten, die den Schwingungen mit den unterschiedlichen Frequenzen entsprechen, und

eines Erhaltens der Dicke des Plattenmaterials auf der Grundlage der gemessenen Ankunftszeiten und der den Ankunftszeiten entsprechenden Frequenzen der Schwingungen.