JP2014194358A - Non-contact thickness measuring device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、非接触で厚さを測定する測定方法に関する。 The present invention relates to a measuring method for measuring thickness without contact.
工業的製品の厚さを測定し管理することは重要である。そして、工場では高速で生産工程を流れているため、非接触かつ自動的な測定方法によることが望ましい。対象物が透明であれば、レーザー光を用いた厚さ測定が可能であり、非接触法として設備は比較的安価であり精度も優れている。 It is important to measure and control the thickness of industrial products. And since the production process flows at high speed in the factory, it is desirable to use a non-contact and automatic measurement method. If the object is transparent, it is possible to measure the thickness using laser light, and the equipment is relatively inexpensive and has excellent accuracy as a non-contact method.
しかし不透明の場合にはレーザー光による方法は難しく、β線や超音波による方法が用いられていた。β線による厚さ測定法は、機器が高価でありかつ放射線使用に伴う管理が必要である等、簡便な測定法とは言い難い。 However, when opaque, the method using a laser beam is difficult, and a method using β rays or ultrasonic waves has been used. The thickness measurement method using β rays is not a simple measurement method because the equipment is expensive and management associated with radiation use is necessary.
超音波による厚さ特定法は簡便であり、対象物が透明でなくても測定できるが、対象物と超音波発信プローブとの間に空気層が存在すると、超音波は、対象物と空気との界面で大半が反射されるため接触式でないと膜厚の測定は難しかった（特許文献１）。 The thickness identification method using ultrasound is simple and can be measured even if the object is not transparent, but if there is an air layer between the object and the ultrasound transmission probe, the ultrasound will be separated from the object and air. Since most of the light is reflected at the interface, it is difficult to measure the film thickness unless it is a contact type (Patent Document 1).
空気を介して対象物に超音波を透過させた非接触の厚さ測定計は、原理的には可能であるが、超音波の減衰が大きいため発信プローブとの距離を３〜２０ｍｍｍ程度と近接させた上でベルト上を自動搬送されている対象物が重なっていることを判定するなど、精度が低くても実用化できるような用途に用いられていた（特許文献３）。 A non-contact thickness meter that allows ultrasonic waves to pass through an object through air is possible in principle, but because the attenuation of ultrasonic waves is large, the distance from the transmitting probe is as close as 3 to 20 mm. It is used for applications that can be put into practical use even if the accuracy is low, such as determining that the objects automatically conveyed on the belt overlap each other (Patent Document 3).
一般に対象物を透過した超音波は、受信プローブで検出されると同時に反対方向に反射し、これがさらに対象物表面で反射し再度受信プローブで検出される。このような反射波の伝播する行程が短いと、透過波に重なってとらえられる。反射波は、対象物表面の平滑状態などに大きく影響されるため、これが重なると透過波を正確にとらえることはできない。 In general, an ultrasonic wave transmitted through an object is reflected in the opposite direction at the same time as it is detected by the receiving probe, and this is further reflected by the surface of the object and detected again by the receiving probe. When the process of propagation of such reflected waves is short, it can be captured overlapping the transmitted waves. Since the reflected wave is greatly affected by the smooth state of the surface of the object, the transmitted wave cannot be accurately captured if they overlap.
パルス波による超音波を空中で伝播させサンプル膜に透過させる場合、超音波の減衰が大きく、ある程度以上距離をはなすと測定に十分な強度の透過波が得られないため、反射波と重なるリスクを冒して送信装置や受信装置と膜との距離を短くしている（特許文献２）。その結果、精度のよい測定は難しい。したがって、膜厚を非接触で測定する精度よく扱いやすい測定方法の開発が待たれていた。 When ultrasonic waves generated by pulse waves are propagated in the air and transmitted through the sample film, the attenuation of the ultrasonic waves is large, and if a distance of a certain distance is exceeded, a transmitted wave of sufficient strength for measurement cannot be obtained. As a result, the distance between the transmission device and the reception device and the film is shortened (Patent Document 2). As a result, accurate measurement is difficult. Therefore, it has been awaited to develop a measurement method that can measure the film thickness without contact with high accuracy.
本発明の目的は、厚さを非接触で計測する測定方法を提供することにある。 The objective of this invention is providing the measuring method which measures thickness non-contactingly.
本発明は、厚さを非接触により測定する方法に係るものである。
すなわち本発明は、以下の構成を有するものである。
The present invention relates to a method for measuring thickness without contact.
That is, the present invention has the following configuration.
１）．対象物の一方の面にバースト波もしくはチャープ波超音波発信プローブを配置し、他方の面にバースト波もしくはチャープ波超音波の受信プローブを配置し、発信プローブから発せられ、対象物を透過し受信プローブで受信されるバースト波もしくはチャープ波超音波の受信波の強度または強度の逆数から対象物の厚さを測定する厚さの非接触測定方法。 1). A burst wave or chirp wave ultrasonic wave transmission probe is placed on one side of the object, and a burst wave or chirp wave ultrasonic wave reception probe is placed on the other side. A non-contact measurement method for measuring the thickness of an object from the intensity of a received wave of a burst wave or chirp wave received by a probe or the inverse of the intensity.
２）．発信プローブ及び受信プローブと対象物との間に空気を介する１）に記載の非接触厚さ測定方法。 2). The non-contact thickness measuring method according to 1), wherein air is interposed between the transmitting probe and the receiving probe and the object.
３）．対象物と発信プローブ及び受信プローブとの距離が５０ｍｍ以上である１）または２）に記載の非接触厚さ測定方法。 3). The non-contact thickness measuring method according to 1) or 2), wherein the distance between the object and the transmitting probe and the receiving probe is 50 mm or more.
４）．発信する超音波の周波数が２０kHzから６０kHzである１）〜３）のいずれかに記載の非接触厚さ測定方法。 4). The non-contact thickness measurement method according to any one of 1) to 3), wherein the frequency of ultrasonic waves to be transmitted is 20 kHz to 60 kHz.
５）．対象物が厚さ１μｍから１３０μｍの膜状物である１）〜４）のいずれかに記載の非接触厚さ測定方法。 5). The non-contact thickness measurement method according to any one of 1) to 4), wherein the object is a film-like object having a thickness of 1 μm to 130 μm.
非接触で対象物の厚さを自動的に計測する測定方法を提供する。従来のレーザー光を用いた方法は対象物が光を透過する場合に限って測定できたが、本法は光が透過しない場合でもなんら問題なく測定が可能である。また、β線による測定方法のように放射線被爆の対策をとる必要もなく設備も安価であり工場への応用も容易である。 Provided is a measurement method for automatically measuring the thickness of an object without contact. The conventional method using laser light can be measured only when the object transmits light, but the present method can measure without any problem even when light does not transmit. Moreover, there is no need to take measures against radiation exposure unlike the measurement method using β-rays, and the equipment is inexpensive and the application to the factory is easy.
本発明の厚さの測定方法は、測定対象の一方の面にバースト波もしくはチャープ波超音波発信プローブを配置し、他方の面に、超音波の受信プローブを配置し、発信プローブから発せられ、対象物の略反対側に設けられた受信プローブで受信されるバースト波もしくはチャープ波超音波の受信波の強度または強度の逆数を計算し非接触で厚さを測定することを特徴とする測定方法である。 The thickness measuring method of the present invention is arranged by placing a burst wave or chirp wave ultrasonic wave transmission probe on one surface of a measurement object and placing an ultrasonic wave reception probe on the other surface, emitted from the transmission probe, A measurement method characterized by calculating the intensity of a received wave of a burst wave or chirp wave ultrasonic wave received by a receiving probe provided on substantially the opposite side of the object or the inverse of the intensity and measuring the thickness in a non-contact manner. It is.
発信プローブから発せられた超音波は対象物を透過し、略反対側の受信プローブで受信される。得られた受信波の強度、すなわち超音波振動のピーク高さと膜厚とは負の相関関係があるので、この関係を利用して受信されたピーク高さから膜厚を計算するか、もしくはピーク高さの逆数と膜厚は直線関係にあるので、この関係を用いるものである。 The ultrasonic wave emitted from the transmission probe passes through the object and is received by the reception probe on the substantially opposite side. Since there is a negative correlation between the intensity of the received wave, that is, the peak height of ultrasonic vibration and the film thickness, the film thickness is calculated from the received peak height using this relationship, or the peak Since the reciprocal of the height and the film thickness are in a linear relationship, this relationship is used.
発信プローブ及び又は受信プローブは対象物を除けば直接受信できるような位置関係、すなわち対象物を境に互いに相対するように設けることが望ましいが、超音波発信装置、受信装置は、超音波を実質的に減衰なく導くことができる導波路等を設けることにより任意に設置することができる。その場合、導波路等は対象物を境に相対するように設けることが好ましい。 It is desirable that the transmitting probe and / or the receiving probe be provided so as to be directly received except for the object, that is, to be opposed to each other with the object as a boundary. It can be arbitrarily installed by providing a waveguide or the like that can be guided without attenuation. In that case, the waveguide or the like is preferably provided so as to face the object.
本発明の厚さの測定方法においては、バースト波超音波やチャープ波超音波は、図１に示すように、超音波発信・受信装置２において電気信号として発せられ、発信プローブ３から超音波となって空気中へ発信される。次に、サンプル１を透過した超音波は受信プローブ４にて受信され電気信号に変換され、プリアンプ５で増幅され、超音波発信・受信装置２に入力され、必要な信号処理を施されて、受信波として表示装置６に表示される。プリアンプ５は設けても設けなくても良い。設ける場合、図１に示すように別に設ける場合、受信プローブ内、超音波発信・受信装置内に設けても構わない。
In the thickness measuring method of the present invention, burst wave ultrasonic waves and chirp wave ultrasonic waves are emitted as electrical signals in the ultrasonic wave transmitting / receiving
発信する超音波は、３０kHzから１００kHzの周波数が好ましく、４０kHzから５０kHzの範囲の周波数がより好ましい。本発明はパルス波よりもバースト波あるいはチャープ波はの方が測定の精度が高いことを見いだし、それを厚さ特定に用いることが特徴である。バースト波とは、パルス波を繰り返すものでありその波数は３から６波程度のパルス波を繰り返すのが望ましい。さらに、条件によってはバースト波よりも周波数を変調させるチャープ波が効果的であることがある。 The transmitted ultrasonic wave preferably has a frequency of 30 kHz to 100 kHz, and more preferably a frequency in the range of 40 kHz to 50 kHz. The present invention is characterized in that a burst wave or a chirp wave has a higher measurement accuracy than a pulse wave, and is used for specifying the thickness. The burst wave repeats a pulse wave, and it is desirable to repeat a pulse wave having a wave number of about 3 to 6. Further, depending on conditions, a chirp wave that modulates the frequency may be more effective than a burst wave.
対象物と発信プローブ及び受信プローブとの間の距離は、それぞれある程度の間隔を設けておくことが好ましい。ある程度の間隔とはそれぞれ１５ｍｍ以上であることが好ましく、４０ｍｍ、１００ｍｍ、さらには１５０ｍｍ以上がより好ましい。また、それぞれ、５００ｍｍ以下、さらには４５０ｍｍ以下、特には３００ｍｍ以下が好ましい。対象物と発信プローブ及び受信プローブとの間の距離は同じでなくても構わない。 It is preferable that the distance between the object and the transmitting probe and the receiving probe is set at a certain distance. Each of the certain intervals is preferably 15 mm or more, more preferably 40 mm, 100 mm, and even more preferably 150 mm or more. Moreover, 500 mm or less, respectively 450 mm or less, and especially 300 mm or less are preferable respectively. The distance between the object and the transmission probe and the reception probe may not be the same.
このように、各プローブと膜との距離を離すことにより、対象物を透過し、受信プローブに到達した透過波とプローブと対象物との間で発生する反射波が重なることを防ぎ、精度よく透過波の強度を測定することができる。対本発明の測定方法は常温の大気圧雰囲気下で行うことができ、特定温度、減圧あるいは特定気体雰囲気下等の特定条件下で行わなくてもかまわない。また、対象とプローブの間には特定の物質例えば、気体、物質（液体、ゲル状物等）、固体、器具等、特別なものを介在させなくてもかまわない。 In this way, by separating the distance between each probe and the membrane, it is possible to prevent the transmitted wave that has passed through the object and has reached the reception probe from overlapping with the reflected wave generated between the probe and the object, with high accuracy. The intensity of the transmitted wave can be measured. The measurement method of the present invention can be performed in an atmospheric pressure atmosphere at room temperature, and may not be performed under specific conditions such as a specific temperature, reduced pressure, or a specific gas atmosphere. Further, a specific substance such as a gas, a substance (liquid, gel, etc.), a solid, or an instrument may not be interposed between the object and the probe.
本発明に係る厚さ測定方法で測定できる対象物は、バースト波あるいはチャープ波の超音波が透過するものであれば特に限定はないが、膜状物が好ましい。膜状物の場合、膜厚は、厚さの下限は０．５μｍ、さらには１μｍ、特には５μｍを好ましい例としてあげることができる。また、上限としては５００μｍが好ましく、より好ましくは２５０μｍ、さらには１３０μｍ、特には９０μｍが好ましく、最も好ましいものは６０μｍをあげることができる。対象物の表面は平滑であることが好ましいが、対象物の平均厚さの±２５％の略連続的な凹凸が設けられたあるいは凹凸が存在するものでも構わない。 The object that can be measured by the thickness measuring method according to the present invention is not particularly limited as long as it can transmit burst wave or chirp wave ultrasonic waves, but a film-like object is preferable. In the case of a film-like material, the preferred lower limit of the thickness is 0.5 μm, further 1 μm, especially 5 μm. The upper limit is preferably 500 μm, more preferably 250 μm, further 130 μm, particularly preferably 90 μm, and most preferably 60 μm. The surface of the object is preferably smooth, but it may be provided with substantially continuous unevenness of ± 25% of the average thickness of the object or with unevenness.
対象物が膜状物である場合、発信する超音波の波長は膜の平均膜厚より小さいことが好ましく、平均膜厚の１０〜９５％、さらには２５〜８０％、特には３０〜７０％の超音波を用いることが好ましい。 When the object is a film-like object, the wavelength of the transmitted ultrasonic wave is preferably smaller than the average film thickness, and is 10 to 95%, more preferably 25 to 80%, and particularly 30 to 70% of the average film thickness. It is preferable to use ultrasonic waves.
膜状物の材質としては、合成樹脂が好ましく、透明であっても実質的に光を通さない膜状物であっても構わない。 The material of the film-like material is preferably a synthetic resin, and may be a film-like material that is transparent or substantially impermeable to light.
（実施例１）
膜の厚さ測定にかかる実施形態例である測定装置について、図１を用いて説明する。
測定対象のサンプル膜１をはさんで、片側に発信プローブ３を配置、反対側に受信プローブ４を配置する。超音波発信・受信装置２で生成されたバースト波超音波信号を発信プローブ３から超音波としてサンプル膜１に発信し、サンプル膜１を透過した超音波を受信プローブ４で受信し、プリアンプ５で増幅し超音波発信・受信装置２に入力し信号処理を施し、受信波形すなわちエコーを表示装置６に表示する。このエコー高さを読み取る。
Example 1
A measuring apparatus which is an embodiment of the film thickness measurement will be described with reference to FIG.
The transmitting probe 3 is disposed on one side and the receiving probe 4 is disposed on the opposite side across the
厚さ１２.５、２５、７５、１２５μｍである合成樹脂製膜をサンプルとした。サンプル膜１と発信プローブの距離は２００ｍｍ、膜の反対側に位置する受信プローブとの距離は２５０ｍｍである。発信する超音波の周波数は４２KHｚの５波のバースト波を用いた。受信波の強度の逆数と膜厚をプロットしたものが図２である。膜厚と透過波強度の逆数が直線関係にあることから、本発明の方法により簡便に非接触で膜の厚さを正確に測定できることがわかる。
A synthetic resin film having a thickness of 12.5, 25, 75, and 125 μm was used as a sample. The distance between the
（実施例２、比較例１）
実施例１と同じ測定装置を用い、従来技術であるパルス波超音波とバースト波超音波を比較した。両者の出力はいずれも２０Vである。またバースト波は５波である。
サンプル膜と発信プローブ、受信プローブとの距離は、同一とし、下表のとおりそれぞれその距離を２００mm、５０mm,２０mmの３水準について透過波の強度を測定した。サンプル膜は厚さ７５μｍの合成樹脂製膜である。
(Example 2, Comparative Example 1)
Using the same measurement apparatus as in Example 1, pulse wave ultrasonic waves and burst wave ultrasonic waves, which are conventional techniques, were compared. Both outputs are 20V. There are five burst waves.
The distance between the sample film, the transmitting probe, and the receiving probe was the same, and the intensity of the transmitted wave was measured at three levels of 200 mm, 50 mm, and 20 mm as shown in the table below. The sample film is a synthetic resin film having a thickness of 75 μm.
観測された透過波の波形を図３〜５にしめす。膜と送信プローブおよび受信プローブとの距離が２００mmあれば、透過波は、単純なパターンを示しているが、５０mmと膜と装置が接近すると波形が複雑になってくる様子がわかる。さらに２０mmにすると一見単純なパターンとみえるが、５０mmのとき、分離されて観測されていた複数の波が重なって一つの波の集合に合成されている。 The observed transmitted wave waveforms are shown in FIGS. If the distance between the membrane and the transmitting probe and the receiving probe is 200 mm, the transmitted wave shows a simple pattern, but it can be seen that the waveform becomes complicated when the membrane and the device approach 50 mm. Furthermore, when it is 20 mm, it seems to be a simple pattern, but when it is 50 mm, a plurality of waves that are separated and observed are overlapped and synthesized into a set of waves.
以上、バースト波においては２０ｍｍ、さらには５０ｍｍ以上はなすことにより透過波の波長重なりが少なくなり膜厚測定精度が向上することがわかる。一方、パルス波の場合には距離が大きくなると共に波長強度が小さくなり膜厚測定には適しないことがわかる。 As described above, it can be seen that when the burst wave is 20 mm or more than 50 mm, the wavelength overlap of the transmitted wave is reduced and the film thickness measurement accuracy is improved. On the other hand, in the case of a pulse wave, the distance increases and the wavelength intensity decreases, indicating that it is not suitable for film thickness measurement.
１． サンプル膜
２． 超音波発信・受信装置
３． 発信プローブ
４． 受信プローブ
５． プリアンプ
６． 表示装置
1. Sample film2. 2. Ultrasonic transmission / reception device 3. Transmitting probe 4. Reception probe Preamplifier 6. Display device
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