JP6412735B2 - 光学式距離検出器を用いた厚さ測定装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、光学式距離検出器を用いた厚さ測定装置に関する。

従来、鋼板の製造ラインにおいては、搬送される鋼板の厚さを測定する装置として、光学式距離検出器を用いた厚さ測定装置が知られている。

このような光学式距離検出器を用いた厚さ測定装置には、被測定物の両面にそれぞれ光を照射して、その反射光を受光して基準位置からの変位を検出する一対の光学式変位センサ（距離検出器）と、この距離検出器を被測定物に対して移動させる走査機構と、を備え、被測定物の厚さ分布を測定する厚さ測定装置がある（例えば、特許文献１参照。)。

また、鋼板などの厚さ測定の場合には、Ｃ型フレームの腕部に光学式距離検出器を対向して設けた厚さ測定装置がある（例えば、特許文献２参照。）。

一般に、光学式距離検出器を備えた厚さ測定装置においては、一対の光学式距離検出器と基準位置との間の距離を一定に制御するために種々の工夫がなされている。

例えば、特許文献１に開示された光学式厚さ測定装置においては、距離検出器を移動させるレールの曲りや撓みによる、基準位置間距離の変動を抑制するため、予め移動方向に各位置における厚さ基準板での厚さを測定して、厚さ基準板との偏差を記憶しておき、測定値時の値を補正するようにしている。

また、特許文献２に開示された厚さ測定装置においては、距離検出器間の設定距離の変動を抑制するために、距離検出器を内装するＣ型フレームの内面に断熱材を内張りし、さらに、Ｃ型フレーム内の温度が一様になるようＣ型フレームの内部を空調するようにしている。

特開平４−３６９４０９号公報 特開２００９−１２８３２２号公報

厚板などの鋼板の厚さ測定は、予め設定された鋼板の幅方向位置で、または、幅方向の厚さ分布を、連続して測定することが要求される。

また、被測定物が赤熱された鋼板の場合、外気温の変化だけでなく、鋼板の輻射熱の状態により、装置が設置される周囲温度の変化パターンが多用に変化する。

このような温度環境下に置かれる厚さ測定装置の場合において、要求される測定精度を満たすためには、特許文献１に開示されたような距離検出器の移動機構を適用する場合では、基準位置との間の距離を設定する移動機構であるレールの曲りや、撓みの再現性が必要となる。また、特許文献２に開示されたような、外気温や輻射熱などに対し測定装置を断熱、及び距離検出器が固定される厚さ測定装置内の空調も必要となる。

しかしながら、特許文献１に開示された手法では、多様な温度変化パターンに対して、その基準位置との間の距離を学習して記憶することは難しく、また、手間がかかる問題がある。

また、特許文献２に開示された空調設備は設けることは、大掛かりで装置が複雑となり、一定の温度環境を維持するための保守にも手間が掛かる問題がある。

本発明は、光学式距離検出器を用いた厚さ測定装置において、外部温度の変化による光学式距離検出器の基準位置との間の距離の変位を検出して、簡易な断熱対策で、厚さ測定誤差を容易に補正することが可能な光学式距離検出器を用いた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、本実施形態の光学式距離検出器を用いた厚さ測定装置は、被測定物との距離を求める一対の光学式距離検出器を、水平方向に移動する被測定物の鉛直方向に対向して設けて、前記被測定物の表面及び裏面と、予め設定される前記光学式距離検出器の鉛直方向の夫々の基準位置との間の距離を求めて前記被測定物の厚さを求める光学式距離検出器を用いた厚さ測定装置であって、前記光学式距離検出器を用いた厚さ測定装置は、検出部と制御部とを備え、前記検出部は、前記被測定物に跨り、当該被測定物の幅方向の厚さ測定位置で、前記光学式距離検出器を鉛直方向に対向して支持する門型フレームと、両端部を前記門型フレームの支柱に固定し、表面側に設ける前記光学式距離検出器を、前記被測定物の幅方向の前記厚さ測定位置に移動する上部ガイドレールと、両端部を前記門型フレームの支柱に固定し、裏面側に設ける前記光学式距離検出器を、前記厚さ測定位置に移動する下部ガイドレールと、前記上部ガイドレールに固定され、レーザビームを前記被測定物の表面に照射してその反射光の位置から距離を求める表面側の前記光学式距離検出器と、前記下部ガイドレールに固定され、レーザビームを前記被測定物の裏面に照射してその反射光の位置から距離を求める裏面側の前記光学式距離検出器と、表面側の前記光学式距離検出器の光学基盤と一体で固定されるレーザビーム投光器と、前記門型フレームの左右の支柱に固定され、当該レーザビーム投光器から水平軸方向に照射されたレーザビームを当該レーザビームと直交する平面上で受光し、当該レーザビームの受光位置を検出する一対のレーザビーム位置検出器と、を備え、前記制御部は、表面側の前記光学式距離検出器、及び裏面側の前記光学式距離検出器の出力、から、予め設定された前記基準位置との間の距離を求め、予め作成された厚さ校正テーブルを参照して厚さを求める厚さ演算部と、前記一対のレーザビーム位置検出器の出力から、表面側の前記光学式距離検出器の前記基準位置との間の距離変位と、鉛直方向に対する角度変位による前記基準位置との間の距離変位とを、予め校正された位置校正テーブルを参照して求める位置演算部と、前記上部及び下部のガイドレールを駆動して表面側の前記光学式距離検出器と、裏面側の前記光学式距離検出器と、を前記厚さ測定位置に移動する厚さ測定位置制御部と、前記位置演算部で求めた前記光学式距離検出器の基準位置に対する距離変位を参照して前記厚さ演算部が求めた厚さ出力を補正する厚さ補正演算部と、を備えるようにしたことを特徴とする

実施形態の厚さ測定装置の検出部の構成図。 実施形態の厚さ測定装置の制御部の構成図。 レーザビーム投光器の構成図。 測定誤差の説明図。 撓み発生時の測定誤差の説明図。

以下、本実施形態の光学式距離検出器を用いた厚さ測定装置について、図面を参照して説明する。

図１は、本実施形態の光学式距離検出器を用いた厚さ測定装置（以下、厚さ測定装置と称す。）の検出部５０の構成図である。

図１（ａ）は、ｙ軸方向に搬送基準面ＰＬ（ｘ−ｙ平面）となる搬送テーブル上を搬送される被測定物３０をその正面から見た断面図で、図１（ｂ）は、図１（ａ）に示すＡ−Ａ’から見た部分断面図である。

厚さ測定装置１００は、被測定物３０との距離を求める一対の光学式距離検出器１Ｔ、１Ｂを、水平方向に移動する被測定物３０の鉛直方向（ｚ軸）に対向して設けて、被測定物３０の表面及び裏面と、予め設定される光学式距離検出器の鉛直方向の夫々の基準位置Ｐｔ、Ｐｂとの間の距離（ｄｔ、ｄｂ）を求めて被測定物３０の厚さを求める。

図１において、厚さ測定装置１００は、図１に示す検出部５０と図２に示す制御部６０とを備える。

検出部５０は、被測定物３０に跨り、被測定物３０の幅方向(ｘ軸方向)の厚さ測定位置で、光学式距離検出器１Ｔ及び光学式距離検出器１Ｂを鉛直方向に対向して支持する門型フレーム２０と、両端部を門型フレーム２０の支柱に固定し、表面側に設ける光学式距離検出器１Ｔを、被測定物をの幅方向の厚さ測定位置に移動する上部ガイドレール２Ｔと、両端部を門型フレーム２０の支柱に固定し、裏面側に設ける光学式距離検出器１Ｂを、厚さ測定位置に移動する下部ガイドレール２Ｂとを備える。

さらに、上部ガイドレール２Ｔに固定され、レーザビームを被測定物３０の表面に照射してその反射光の位置から距離を求める表面側の光学式距離検出器１Ｔと、下部ガイドレール２Ｂに固定され、レーザビームを被測定物３０の裏面に照射してその反射光の位置から距離を求める裏面側の光学式距離検出器１Ｂと、を備える。

さらに、表面側の光学式距離検出器１Ｔの光学基盤と一体で固定されるレーザビーム投光器４と、門型フレーム２０の左右の支柱に固定され、当該レーザビーム投光器４から水平軸（ｘ軸）方向に照射されたレーザビームを当該レーザビームと直交する平面上（ｙ−ｚ平面）で受光し、当該レーザビームの受光位置を検出する一対のレーザビーム位置検出器５Ｒ、５Ｌと、を備える。

次に、図２を参照して制御部６０の構成を説明する。制御部６０は、表面側の光学式距離検出器１Ｔ、及び裏面側の光学式距離検出器１Ｂの出力、から、予め設定された基準位置（Ｐｔ、Ｐｂ）との間の距離を求め、予め作成された厚さ校正テーブルを参照して厚さを求める厚さ演算部１１と、一対のレーザビーム位置検出器５Ｒ、５Ｌの出力から、表面側の光学式距離検出器１Ｔの基準位置との間の距離変位（Δｄ）と、鉛直方向に対する角度変位（θ）による基準位置との間の距離変位（Δｄθ）とを、予め校正された位置校正テーブルを参照して求める位置演算部１５と、を備える。

さらに、上部及び下部のガイドレール２Ｔ、２Ｂを駆動して表面側の光学式距離検出器１Ｔと、裏面側の光学式距離検出器１Ｂと、を厚さ測定位置に移動する厚さ測定位置制御部１３と、前記位置演算部１５が求めて距離変位（Δｄ、Δｄθ）出力を参照して厚さ演算部１１が求めた厚さ出力を補正する厚さ補正演算部１６と、を備える。

次に、検出部５０の各部の構成について説明する。光学式距離検出器１Ｔ、１Ｂは、図示しない１枚の剛体からなる光学基板上に、レーザビームの投光部と受光部とを備え、要求される距離測定範囲と、測定精度から、適時その構成が選択される。

また、レーザビームの投光部と受光部とは、この光学基盤上に設けられ、投光角度、受光角度が固定される。また、光学基盤は、夫々、ボールネジのガイドレール２Ｔ、２Ｂに固定され、鉛直方向の厚さ基準位置が要求された精度を満たすように固定される。

また、上部のガイドレール２Ｔ及び下部のガイドレール２Ｂは、夫々、これを駆動するガイドレール駆動部３Ｔ、ガイドレール駆動部３Ｂを備え、ガイドレールをその両端部で軸支するとともに、厚さ測定位置制御部１３は、ガイドレールを駆動して、被測定物３０毎に要求される幅方向での厚さ測定位置に、光学式距離検出器１Ｔ、１Ｂを同期して設定する。

ガイドレール駆動部３Ｔ、ガイドレール駆動部３Ｂは、図１に示すように、門型フレーム２０の左右の支柱に固定する。

また、光学式距離検出器１Ｔの光学基盤上に一体で設けられるレーザビーム投光器４は、図３に示すように、レーザビームコリメータ４ａと、レーザビームスプリッタ４ｂとを備え、レーザビームコリメータ４ａは、レーザビームを鉛直方向から、1本、または、２本を生成し、レーザビームスプリッタ４ｂは三角柱のミラーとし、レーザビームを水平軸（ｘ軸）上の異なる方向に照射する。

このレーザビームの位置を検出する位置変位検出器５Ｒ、５Ｌは、ラインスキャン型ＣＣＤカメラ、または、エリアスキャン型ＣＣＤカメラとし、門型フレーム２０の左右の支柱に対向して固定され、上部ガイドレール２Ｔに固定される光学式距離検出器１Ｔの光学基盤の基準位置の変位を検出する。

門型フレーム２０は、変位を検出する一対の位置変位検出器５Ｒ、５Ｌの固定位置精度が、基準測定面ＰＬに対する要求精度を満たすような材料と、その構造が要求される。

被測定物３０が赤熱された鋼板の場合は、検出部５０と被測定物３０との光学空間を除く、被測定物３０の周囲を断熱する断熱カバー２２で覆うようにするとともに、前記門型フレームの周囲を含む検出部の周囲を、外気に対して断熱する断熱カバー２１で覆うようにしておく。

次に、制御部６０の各部の構成について説明する。厚さ演算部１１は、光学式距離検出器１Ｔ、及び光学式距離検出器１Ｂから、予め設定される距離検出器間Ｄｓの一方の基準位置Ｐｔと被測定物３０との距離ｄｔと、他方の基準位置Ｐｂと被測定物３０との距離ｄｂと、に対応する夫々の距離検出信号を受信して、予め作成された厚さ校正テーブルを参照して距離を求め、さらに、被測定物３０の厚さｔを演算（ｔ＝Ｄｓ−（ｄｔ＋ｄｂ））により求める。

また、厚さ測定位置制御部１３は、図示しない、予め上位から設定される被測定物の幅Ｗｓとその厚さ測定位置Ｘｒｓに上部ガイドレール駆動部３Ｔ及び下部ガイドレール駆動部３Ｂを駆動して、設定位置に光学式距離検出器１Ｔ及び、光学式距離検出器１Ｂを移動する。そして、移動した厚さ測定位置ｘｓ（実績値）は、位置演算部１５に送信する。

次に、位置演算部１５は、レーザビーム位置検出器５Ｒ及びレーザビーム位置検出器５Ｌから、光学式距離検出器１Ｔの基準位置Ｐｏからの変位（Δｄｒ、Δｄｌ）を受信し、この変位に対応する基準位置（Ｐｔ）の変位を、予め作成される位置校正テーブルを参照して求める。この変位に対応する基準位置（Ｐｔ）からの変位（Δｄ、Δｄθ）の求め方は、後述する。

次に、厚さ補正演算部１６は、厚さ演算部１１で求めた被測定物３０の厚さｔに対して、位置演算部１５で求めた変位（Δｄ、Δｄθ）を補正し、補正された厚さを出力する。

尚、位置演算部１５、厚さ補正演算部１６は、厚さ演算部１１と一体で構成することも可能である。

次に、このように構成された、厚さ測定装置１００の光学設定と、光学式距離検出器１Ｔ、及び光学式距離検出器２Ｔの基準位置に対応する変位の求め方について、図４及び図５を参照して説明する。

図４は、厚さ測定装置１００の光学設定図である。被測定物３０の上部の光学距離検出器１Ｔと被測定物３０の下部光学距離検出器１Ｂとの間の基準位置Ｐｔ、Ｐｂとその間の距離Ｄｓと、夫々の光学距離検出器１Ｔ、１Ｂの基準位置からの距離ｄｔ及びｄｂとすると、厚さ演算部１１は下記演算式に基づいて、被測定物３０の厚さｔが求められる。
ｔ＝Ｄｓ−（ｄｔ＋ｄｂ） ・・・・・・（１）

ここで、上部の光学式距離検出器１Ｔの基準位置Ｐｏが、上部ガイドレール２Ｔの長さ方向の中央部での撓みで、Ｐｖ点にΔｄ変位したとすると、その時の厚さ演算部１３の出力ｔ’は、
ｔ’＝Ｄｓ-（ｄｔ-Δｄ＋ｄｂ） ・・・・・（２）
となる。

この撓みによる変位Δｄは、左右のレーザビーム位置変位検出器５Ｒの出力Δｄｒと、レーザビーム位置変位検出器５Ｌの出力Δｄｌとで、夫々同じ値が検出されるので、位置演算部１５ではこの変位を、左右のレーザビーム位置検出器５Ｒ，５Ｌの出力から、下記式に基づいて求めることが出来る。
Δｄ＝（Δｄｒ＋Δｄｌ）／２ ・・・・・（３）

したがって、この場合には、厚さ補正部１５では、厚さ演算部１１の出力と位置演算部１５の出力とから、下記式に基づいて変位を補正した正しい厚さｔを求めることができる。
ｔ＝ｔ’＋Δｄ
＝Ｄｓ-（ｄｔ-Δｄ＋ｄｂ）-Δｄ
＝Ｄｓ-（ｄｔ＋ｄｂ） ・・・・・（４）

本実施例では、被測定物３０の下部の光学距離検出器１Ｂでの距離変位は少ないものとして、上部のみの変位を検出して補正するようにしたが、下部の変位も無視できない場合には、上部の変位検出と同じような構成としてその変位を検出し、両面での変位を補正するようにすることも可能である。

次に、図５を参照して、厚さ測定位置がｘ軸方向でｘｒの位置に移動して、光学式距離検出器１Ｔの基準位置Ｐｏが、上部ガイドレール２Ｔの熱歪で、Ｐｖ点に、基準位置に対して下部方向にΔｄ（＝Δｄｌ＋Δｄｘｌ）、その光軸が鉛直方向に対してΔθ右に傾斜変位したとする。

この場合、上部の光学距離検出器１Ｔの出力は、図５（ｂ）に示すｔｄ’となる。

この場合、左右のレーザビーム位置検出器５Ｒ、５Ｌは、夫々、Δｄｒ、Δｄｌを検出し、また、厚さ測定位置制御部１３の出力、予め設定される移動ストロークＷｓは既知（設定値）であるので、Ｗｓと測定位置ｘｒの値を厚さ位置演算部１５に送り、厚さ位置演算部１５でその変位を求める。

上下方向の基準位置からの距離変位は、
ｘｌ＝Ｗｓ-ｘｒ ・・・・・（５）
であるので、
Δｄｘｌ＝（Δｄｒ-Δｄｌ）×ｘｌ／（ｘｌ＋ｘｒ） ・・・・・（６）
を演算により求め、更に、上下方向の変位Δｄ（距離が減少するので厚さが増加する方向の変位）を、下記式で求める。
Δｄ＝Δｄｌ+Δｄｘｌ ・・・・・（７）

さらに、光軸の傾斜角度θは、下記式で求められる。
cosθ＝ｘｌ／（ｘｌ^２+Δｄｘｌ^２）^１／２ ・・・・・（８）

したがって、上部の光学距離検出器１Ｔの出力ｔｄ’に含まれる傾斜変位による誤差Δθ（この場合は、距離が増大するので厚さが減少する方向の変位）は、
Δｄθ＝ｔｄ’（１-cosθ） ・・・・・（９）

したがって、この場合の厚さ演算部１の出力ｔ’に対する誤差の補正量は、上下方向の変位Δｄによる誤差と、傾斜変位による誤差Δθとを加算した値となる。
ｔ＝ｔ’+（-Δｄ+Δｄθ） ・・・・・（１０）

尚、この基準位置からの変位は、ここでは、ｘ−ｚ平面上の変位を想定したが、装置の設置環境と、光学距離検出器の基準位置の設定構造によっては３次元的な変位も生じるので、適宜最適な変位検出を選択する必要がある。

本実施の形態に依れば、一対の光学式距離検出器の基準位置からの変位を、光学式距離検出器の光学基盤に設ける点光源（座標）からの変位を光学的に測定するようにしたので、光学式距離検出器を軸支するガイドレールの熱歪や、経時変化があっても、歪の再現性や応答時間に影響されず、瞬時に容易に補正することができる。

以上説明したように、光学式距離検出器を用いた厚さ測定装置において、外部温度の変化による光学式距離検出器の基準位置との間の距離の変位を検出して、簡易な断熱対策で、厚さ測定誤差を容易に補正することが可能な光学式距離検出器を用いた厚さ測定装置を提供することができる。

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され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その均等の範囲に含まれる。

１Ｔ、１Ｂ 距離検出器
２Ｔ、２Ｂ ガイドレール部
３Ｔ、３Ｂ ガイドレール駆動部
４ レーザビーム投光部
４ａ レーザビームコリメータ
４ｂ ビームスプリッタ
５Ｒ、５Ｌ 位置変位検出器
１１ 厚さ演算部
１３ 厚さ測定位置制御部
１５ 位置演算部
１６ 厚さ補正演算部
２０ 門型フレーム
２１、２２ 断熱カバー
３０ 被測定物
５０ 検出部
６０ 制御部
１００ 光学式距離検出器を用いた厚さ測定装置

Claims (4)

1. 被測定物との距離を求める一対の光学式距離検出器を、水平方向に移動する被測定物の鉛直方向に対向して設けて、前記被測定物の表面及び裏面と、予め設定される前記光学式距離検出器の鉛直方向の夫々の基準位置との間の距離を求めて前記被測定物の厚さを求める光学式距離検出器を用いた厚さ測定装置であって、
   前記光学式距離検出器を用いた厚さ測定装置は、検出部と制御部とを備え、
   前記検出部は、前記被測定物に跨り、当該被測定物の幅方向の厚さ測定位置で、前記光学式距離検出器を鉛直方向に対向して支持する門型フレームと、
   両端部を前記門型フレームの支柱に固定し、表面側に設ける前記光学式距離検出器を、前記被測定物の幅方向の前記厚さ測定位置に移動する上部ガイドレールと、両端部を前記門型フレームの支柱に固定し、裏面側に設ける前記光学式距離検出器を、前記厚さ測定位置に移動する下部ガイドレールと、
   前記上部ガイドレールに固定され、レーザビームを前記被測定物の表面に照射してその反射光の位置から距離を求める表面側の前記光学式距離検出器と、前記下部ガイドレールに固定され、レーザビームを前記被測定物の裏面に照射してその反射光の位置から距離を求める裏面側の前記光学式距離検出器と、
   表面側の前記光学式距離検出器の光学基盤と一体で固定されるレーザビーム投光器と、前記門型フレームの左右の支柱に固定され、当該レーザビーム投光器から水平軸方向に照射されたレーザビームを当該レーザビームと直交する平面上で受光し、当該レーザビームの受光位置を検出する一対のレーザビーム位置検出器と、を備え、
   前記制御部は、表面側の前記光学式距離検出器、及び裏面側の前記光学式距離検出器の出力、から、予め設定された前記基準位置との間の距離を求め、予め作成された厚さ校正テーブルを参照して厚さを求める厚さ演算部と、
   前記一対のレーザビーム位置検出器の出力から、表面側の前記光学式距離検出器の前記基準位置との間の距離変位と、鉛直方向に対する角度変位による前記基準位置との間の距離変位とを、予め校正された位置校正テーブルを参照して求める位置演算部と、
   前記上部及び下部のガイドレールを駆動して表面側の前記光学式距離検出器と、裏面側の前記光学式距離検出器と、を前記厚さ測定位置に移動する厚さ測定位置制御部と、
   前記位置演算部で求めた前記光学式距離検出器の基準位置に対する距離変位を参照して前記厚さ演算部が求めた厚さ出力を補正する厚さ補正演算部と、
   を備えるようにしたことを特徴とする光学式距離検出器を用いた厚さ測定装置。
2. 前記レーザビーム投光器は、レーザビームコリメータと、レーザビームスプリッタとを備え、前記レーザビームコリメータは、前記レーザビームを鉛直方向から、１本、または、２本を生成し、前記レーザビームスプリッタは、前記レーザビームを水平軸の異なる方向に照射するようにした請求項１に記載の光学式距離検出器を用いた厚さ測定装置。
3. 前記レーザビーム位置検出器は、ラインスキャン型ＣＣＤカメラ、または、エリアスキャン型ＣＣＤカメラであることを特徴とする請求項１に記載の光学式距離検出器を用いた厚さ測定装置。
   
4. 前記被測定物が赤熱された鋼板の場合は、前記検出部と前記被測定物との光学空間を除く、当該被測定物の周囲を断熱する断熱カバーで覆うようにするとともに、前記門型フレームの周囲を含む検出部の周囲を、外気に対して断熱する断熱カバーで覆うようにした請求項１に記載の光学式距離検出器を用いた厚さ測定装置。

Images