JP5599335B2

JP5599335B2 - 厚さ測定装置

Info

Publication number: JP5599335B2
Application number: JP2011023364A
Authority: JP
Inventors: 政光西川; 博明佐藤; 賢一森
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2011-02-04
Filing date: 2011-02-04
Publication date: 2014-10-01
Anticipated expiration: 2031-02-04
Also published as: JP2012163419A

Description

本発明は、搬送中の鋼板などの厚さを、レーザ光線を用いた距離検出器を使用して測定する厚さ測定装置に関する。

鋼板などの各種素材の形状や製品などの厚さ測定装置として、レーザビームによる距離検出器を使用したものが普及している。この装置は搬送されている測定対象材の厚さを自動的に、且つ、連続して測定できる。

しかもγ線等を使用した厚さ計の様な特別の安全管理が不要で、更に、放射線のビーム径に比べて小さいビーム径であるので、厚さ変化を高分解能で測定することが可能である。そのため、測定対象物の端部近傍の急激な形状変化を精度良く計測したいとする分野でも、実用化が進んでいる。

この構成例を図７に示す。図において、１、２は、測定対象物７を挟んで、Ｃ形フレーム３の互いに対向する上部、下部の夫々に置かれたレーザ発信器１ａ、２ａを用いた三角測量の原理の基づく距離検出器で、距離検出器１と測定対象物７の間の距離Ｌａ、及び、距離検出器２と測定対象物７との距離Ｌｂを夫々求め、厚さ演算部２５に、夫々の距離検出器１、２との間の設定距離Ｌを予め入力して置き、この設定距離Ｌ、及び求めた距離Ｌａ、Ｌｂから測定対象物７の厚さｔを、ｔ＝Ｌ−Ｌａ−Ｌｂとして、演算により求める厚さ演算部２５とを備える。

尚、夫々の距離検出器１、２は、レーザ発振器１ａ、２ａ、図示しないＣＣＤカメラ等の位置センサを備える受光器１ｂ、２ｂ、及び図示しない距離演算器で構成されている。

このような厚さ測定装置の用途の中に、例えば、厚板等の大きな形状の鋼板の厚さ測定が有る。長い腕部を備えるＣ形フレームの場合、周囲温度の変化によって、設定距離Ｌがドリフトする問題が有った。

そこで、このドリフトを除くために鋼板の測定インターバル間のアイドルタイムを利用して、校正基準サンプルをＣ形フレームの空間に高速度で設定して、校正する機械的校正装置が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。

特許第３８８０９０９号公報（図１、第１頁）

特許文献１に開示された方法は、機械的な構造であることから、校正に必要な時間は少なくとも数秒を要するので、アイドルタイムがこれ以下の場合には、校正が出来なくなる問題があった。

本発明は上記問題点を解決するためになされたもので、機械的な校正装置を使用せず、Ｃ形フレームの機械的なドリフトによる距離検出器間の距離の変位を瞬時に測定し、厚さ測定誤差を補正する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、実施例の厚さ測定装置は、測定対象物を挟むＣ形フレームの上下の互いに対向する腕部の上部に配置され、該測定対象物の表面に対して垂直方向から第１のレーザビームを照射して該測定対象物との距離を求める第１の距離検出器と、前記測定対象物を挟む前記Ｃ形フレームの上下の互いに対向する腕部の下部に配置され、該測定対象物の裏面に対して垂直方向から第２のレーザビームを照射して該測定対象物との距離を求める第２の距離検出器と、前記第１の距離検出器の出力及び前記第２の距離検出器の出力から厚さを求める厚さ演算部と、を備える厚さ測定装置であって、前記腕部の下部に設けられ、前記Ｃ形フレーム腕部空間内に、前記測定対象物が存在しない期間において、前記第１のレーザビームの光路にハーフミラーを設けて、当該ハーフミラーの反射した前記第１のレーザビームの位置の変化を検出する第１のビーム位置変位検出器と、当該第１のビーム位置変位検出器の出力から前記第１のレーザビームの入射角度の変位と、前記第１の距離検出器と前記第２の距離検出器間の距離検出器間の距離の変位と、を求める第１のビーム位置変位処理部と、を備え、前記第１のビーム位置変位検出器は、前記レーザビームの光路に設けられ、当該レーザビームの光路を水平方向に偏向する第１のハーフミラーと、当該第１のハーフミラーで反射した前記レーザビームを透過及び反射させる当該第１のハーフミラーと平行に設ける第２のハーフミラーと、前記第２のハーフミラーを透過した前記レーザビームの位置を検出する第１の位置センサと、前記第２のハーフミラーを反射した前記レーザビームの位置を検出する第２の位置センサと、を備え、前記第１のハーフミラーと前記第１の位置センサとの間の光路長と、前記第１のハーフミラーと前記第２の位置センサとの間の光路長とを異なる値に設定して、前記第１のビーム位置変位処理部は、前記第１の位置センサ及び前記第２の位置センサで検出した前記第１のレーザビーム位置の変位から、前記入射角度の変位と、前記距離検出器間の距離の変位と、を求め、求めた前記入射角度の変位と、前記距離検出器間の距離の変位とに基づいて、前記厚さ測定部で求めた厚さ測定値を自動的に補正するようにしたことを特徴とする。

上記構成の厚さ測定装置によれば、機械的な校正装置を使用せず、Ｃ形フレームの機械的なドリフトによる距離検出器間の距離の変位を瞬時に測定し、厚さ測定誤差を補正する厚さ測定装置を提供することができる。

実施例１の厚さ測定装置の構成図。実施例１の厚さ測定装置の測定原理を説明する光学設定図。実施例２の厚さ測定装置の構成図。実施例２の厚さ測定装置の測定原理を説明する光学設定図。実施例３の厚さ測定装置の構成図。実施例３の厚さ測定装置の測定原理を説明する光学設定図。従来の厚さ測定装置の構成図。

以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。

図１及び図２を参照して、実施例１の厚さ測定装置１００について説明する。図１は、実施例１の構成図を示し、図２は図１の構成で設定する光学寸法図を示す。

本補正の原理は、Ｃ形フレーム３の腕部の上部の第１の距離検出器１のビーム位置の変位が大きいことに着目し、変位の少ない腕部の下部の第２の距離検出器２の光学基盤上に第１のレーザビーム変位を検出する位置センサを備えて微小な変位を検出し、厚さ演算部２０で検出した変位を補正するものでる。

図１に示す厚さ測定装置１００は、検出部１０と厚さ演算部２０とを備える。検出部１０は、測定対象物７を挟むＣ形フレーム３の上下の互いに対向する腕部の上部に配置され、測定対象物７の表面に対して垂直方向から、レーザ発信器１ａから第１のレーザビームを照射して該測定対象物７との距離を求める第１の距離検出器１と、測定対象物７を挟むＣ形フレーム３の上下の互いに対向する腕部の下部に配置され、該測定対象物７の裏面に対して垂直方向から、レーザ発信器２ａから第２のレーザビームを照射して該測定対象物７との距離を求める第２の距離検出器２とを備える。

さらに、腕部の下部に設けられ、Ｃ形フレーム３の腕部空間内に、測定対象物７が存在しない期間において、第１のレーザビームの光路にハーフミラーを設けて、当該ハーフミラーの反射した一方の第１のレーザビームの位置の変化を検出する第１のビーム位置変位検出器４ａと、第１のビーム位置検出器４ａの出力から第１のレーザビームの入射角度の変位と、第１の距離検出器１と第２の距離検出器２間の距離検出器間の距離の変位とを求める第１のビーム位置変位処理部４ｂと、を備える。

そして、厚さ演算部２０は、第１の距離検出器１の出力及び第２の距離検出器２の出力から厚さを求めるとともに、さらに、求めた入射角度の変位と、距離検出器間の距離の変位とに基づいて、求めた厚さ測定値を補正する。

次に、第１のビーム位置変位検出器４ａと第１のビーム位置変位処理部４ｂの詳細について説明する。第１のビーム位置変位検出器４ａは、ｘ軸方向に照射される第１のレーザビームの光路に設けられ、当該第１のレーザビームの光路をｙ軸左の水平方向に偏向する第１のハーフミラーＭ１と、第１のハーフミラーＭ１で反射した第１のレーザビームを透過及び反射させ、第１のハーフミラーＭ１と平行に設ける第２のハーフミラーＭ２とを備える。

さらに、第２のハーフミラーＭ２を透過した第１のレーザビームの位置を検出する第１の位置センサＤ１と、第２のハーフミラーＭ２を反射した第１のレーザビームの位置を検出する第２の位置センサＤ２とを備える。

この時、第１のハーフミラーＭ１と第１の位置センサＤ１との間の光路長ｂと、第１のハーフミラーＭ１と第２の位置センサとの間の光路長（ｃ＋ｄ）を異なる位置に設定する。

このように設定された厚さ測定装置１００の光学系を図２に示す。図２は、点Ｐ０からｘ軸方向に照射された第１のレーザビームが、ｘ軸方向（光軸方向）に光路長（距離検出器間の距離）の変位ｍが減少し、ｙ軸方向にｎシフトし、点Ｐ１を中心にして光軸が微小角∠θ回転した位置にドリフトした場合を図示したものである。

この場合第１の位置センサＤ１は、第２の位置センサＤ２は夫々Ｙ１、Ｙ２なる変位を測定する。この変位は、
Ｙ１＝ｎ＋ｔａｎθ・（ａ＋ｂ） −ｍ・ｔａｎθ （１）
Ｙ２＝ｎ＋ｔａｎθ・（ａ＋ｃ＋ｄ）−ｍ・ｔａｎθ （２）
なる値を示す。

したがって、ビーム位置変位処理部４ｂは、レーザビームの入射角の変位∠θを、下記式で求める。
∠θ＝ｔａｎ^−１（Ｙ２−Ｙ１）／（ｃ＋ｄ−ｂ）（３）
厚さ演算部２０では、補正前の厚さｔ０に対して、補正された厚さｔを、下記式から求める。
ｔ＝ｔ０−Ｌ（１／ｃｏｓθ−１）（４）
ｍも、上記（１）、（２）式から求めることが出来るが、一般にｍは、厚さ測定装置１００の構成においては、ｍ≪ａ、ｍ≪ｂ、ｍ≪ｃであるので無視できる。

即ち、第１のビーム位置変位処理部４ａは、第１の位置センサＤ１及び第２の位置センサＤ２で検出したビーム位置の変位（Ｙ１、Ｙ２）から、入射角度の変位∠θと、距離検出器間の距離の変位ｍとを機械的な設定時間を要することなく演算により瞬時に求めることが出来る。

本実施例の説明では、ビーム位置の変位は、図１に示すように、紙面に平行なｘ−ｙ平面での変位として説明したが、紙面に直交する方向の変位がある場合には、位置センサＤ１、及び位置センサＤ２を２次元の位置センサとすることで、３次元的な変位の補正も可能であることは言うまでも無い。

図３、図４を参照して、実施例２について説明する。実施例２が実施例１と異なる点は、実施例１においては、距離検出器間の距離の変位ｍが微小であるので、無視できるとしたが、実施例２は、距離検出器間の距離の変位ｍは、高分解能でこの値を測定する構成としたことにある。

図３に示すように、実施例１に示す構成において、さらに、Ｃ形フレーム３の腕部の上部に設けられ、Ｃ形フレーム３の腕部空間内に、測定対象物７が存在しない期間において、第１のレーザビームの光路に設けられ、第１のレーザビームを異なる入射角度で設定する一対のハーフミラー（Ｍ３、Ｍ４）を備えるビーム偏向部４ｃと、腕部の下部に設けられ、異なる入射角度で照射された前記レーザビームの位置を検出する第３の位置センサＤ３とを備え、第３の位置センサＤ３の出力に基づいて、第２のビーム位置変位処理部４ｂによって距離検出器間の距離ｍの変位を求める。

第３の位置センサは、距離検出器２の基盤とは、異なる基盤に設けることも可能であるが、同一の基盤上に設けるのが好ましい。

図４は、図３の構成における第１のレーザビームの光学系を図示したものである。一対の第３、第４のハーフミラーＭ３、Ｍ４によって、第１のレーザビームを入射角∠θ２に偏向する。第３の位置センサの出力Ｄ３では、この場合の変位（Ｙ３−Ｙ０）として、変位を高分解能で測定できるように拡大できるので微小な距離検出器間の距離ｍであっても、高精度で測定可能である。

ビーム位置変位処理部４ｂでは、下記（５）式からｍを求めることが出きる。
ｍ＝（Ｙ３−Ｙ０）・ｓｉｎθ2 （５）

図５、図６を参照して、実施例３について説明する。実施例３が実施例１と異なる点は、実施例１においては、２つの異なる光路長に２つの位置センサを設けて、２つのビーム位置の変位から、入射角度の変位∠θと、距離検出器間の距離の変位ｍとを演算により求めたが、実施例３においては、第１のレーザビームの光路に一対のハーフミラーＭ５、Ｍ６を備えて、異なる光路長の信号を１つの位置センサで検出するようにし、構成をシンプルにしたことにある。

詳細には、前記第１のビーム位置変位検出器Ｄ１は、第１のレーザビームの光路に設け、光路を水平方向に偏向する第１のハーフミラーＭ１と、第１のハーフミラーＭ１で反射した第１のレーザビームを透過させ、第１のハーフミラーと平行に、さらに、予め設定される距離ｆで設ける第５、第６のハーフミラー（Ｍ５、Ｍ６）と、第３、第４のハーフミラー（Ｍ５、Ｍ６）を透過した第１のレーザビームの位置を検出する第１の位置センサＤ１を備え、１つの第１の位置センサＤ１で異なる光路長の位置信号を同時に検出する。

第１のビーム位置変位処理部４ｂは、第１の位置センサで検出した２つのビーム位置の変位から、入射角度の変位を求めるようにしたことにある。

このように構成された、光学系を図６に示す。この図に示すように、異なる位置で検出される減少された出力の第１のレーザビームの出力Ｙ２は、下記（６）式で求めることが出来る。

Ｙ２＝ｎ＋ｔａｎθ（ａ＋ｂ＋２ｆ）−ｍ・ｔａｎθ （６）
第１の位置センサＤ１におけるＹ２の出力はＹ１の出力に比べてハーフミラー間で減衰される分その出力は小さくなるが、第１のレーザビームのパワーを適宜調整することで最適な検出とすることが可能である。

尚、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施することが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明と均等の範囲に含まれる。

１、２距離検出器
１ａ、２ａレーザ発信器
１ｂ、２ｂ受光器
３Ｃ形フレーム
４ａ第１のビーム変位検出器
４ｂビーム位置変位処理部
４ｃビーム偏向部
４ｄ第２のビーム変位検出器
７測定対象物
１０、１５検出部
２０、２５厚さ演算部
１００厚さ測定装置
Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４ハーフミラー
Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４，位置センサ

Claims

測定対象物を挟むＣ形フレームの上下の互いに対向する腕部の上部に配置され、該測定対象物の表面に対して垂直方向から第１のレーザビームを照射して該測定対象物との距離を求める第１の距離検出器と、
前記測定対象物を挟む前記Ｃ形フレームの上下の互いに対向する腕部の下部に配置され、該測定対象物の裏面に対して垂直方向から第２のレーザビームを照射して該測定対象物との距離を求める第２の距離検出器と、
前記第１の距離検出器の出力及び前記第２の距離検出器の出力から厚さを求める厚さ演算部と、
を備える厚さ測定装置であって、
前記腕部の下部に設けられ、前記Ｃ形フレーム腕部空間内に、前記測定対象物が存在しない期間において、前記第１のレーザビームの光路にハーフミラーを設けて、当該ハーフミラーの反射した前記第１のレーザビームの位置の変化を検出する第１のビーム位置変位検出器と、
当該第１のビーム位置変位検出器の出力から前記第１のレーザビームの入射角度の変位と、前記第１の距離検出器と前記第２の距離検出器間の距離検出器間の距離の変位と、を求める第１のビーム位置変位処理部と、
を備え、
前記第１のビーム位置変位検出器は、前記レーザビームの光路に設けられ、当該レーザビームの光路を水平方向に偏向する第１のハーフミラーと、
当該第１のハーフミラーで反射した前記レーザビームを透過及び反射させる当該第１のハーフミラーと平行に設ける第２のハーフミラーと、
前記第２のハーフミラーを透過した前記レーザビームの位置を検出する第１の位置センサと、前記第２のハーフミラーを反射した前記レーザビームの位置を検出する第２の位置センサと、
を備え、
前記第１のハーフミラーと前記第１の位置センサとの間の光路長と、前記第１のハーフミラーと前記第２の位置センサとの間の光路長とを異なる値に設定して、
前記第１のビーム位置変位処理部は、前記第１の位置センサ及び前記第２の位置センサで検出した前記第１のレーザビーム位置の変位から、前記入射角度の変位と、前記距離検出器間の距離の変位と、を求め、
求めた前記入射角度の変位と、前記距離検出器間の距離の変位とに基づいて、前記厚さ測定部で求めた厚さ測定値を自動的に補正するようにしたことを特徴とする厚さ測定装置。
さらに、前記腕部の上部に設けられ、前記第１のレーザビームの光路に設けられ、当該第１のレーザビームを異なる入射角度で設定する一対の第３、第４のハーフミラーを備えるビーム偏向部と、
前記腕部の下部に設けられ、異なる入射角度で照射された前記第１のレーザビームの位置を検出する第３の位置センサと、
を備え、
前記第３の位置センサの出力に基づいて、前記距離検出器間の距離の変位を求める前記第２のビーム位置変位処理部と、を備えた請求項１記載の厚さ測定装置。
前記第１のビーム位置変位検出器は、前記レーザビームの光路に設け、当該レーザビームの光路を水平方向に偏向する第１のハーフミラーと、
当該第１のハーフミラーで反射した前記レーザビームを透過させる当該第１のハーフミラーと平行に、予め設定される距離で設ける第５、第６のハーフミラーと、
前記第５、第６のハーフミラーを透過した前記レーザビームの位置を検出する第１の位置センサと、
を備え、
当該第１の位置センサは、前記第５、第６のハーフミラーを透過した前記レーザビームと、当該第５のハーフミラーを透過し、当該第６ハーフミラーの表面を反射し、さらに、当該第５のハーフミラーの裏面で反射して、当該第６ハーフミラーを透過した前記レーザビームと、を検出し、
前記第１のビーム位置変位処理部は、前記第１の位置センサで検出した異なる２つの前記ビーム位置の変位から、前記入射角度の変位を求めるようにした請求項１記載の厚さ測定装置。