JPS5944567B2 - 薄板状材料の厚み測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は自動検査のために音響振動を使用することに関
し、更に詳しくいえば、音響振動を用いて薄板状材料を
測定する装置に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

本発明は鉄と非鉄金属の冶金において圧延機の自動制御
装置と、機械の組立、高分子工業とパルス工業および製
紙工業において薄板材料（厚みが０．５〜１ｍｍ以下）
および薄膜材料の厚みを非接触で自動的に検査するため
の装置に応用できる。

薄板材料の厚みを自動的に測定する方法は公知である（
Ｖ．Ｉ．Ｆｅｉｇｈｉｎ著「冶金工業における電子およ
び半導体機器」（ＥｌｅｃｔｒＯｎｎｙｅｉｐＯｌｕｐ
ｒＯｖＯｄｎｉｋＯｖｙｅｐｒｉｂＯｒｙｖｍｅｔａｌ
ｌｕｒｇｈｉｉ））モスクワ所在のＭｅｔａｌｌｕｒｇ
ｈｉｙａ出版社発行、参照）。この方法によれば、検査
される薄板状材料に侵透する輻射線を照射し、その薄板
状材料を通過した輻射線の減衰度を測定する。このよう
にして得られた値は測定された材料の厚みを示す。しか
し、この方法は輻射線の減衰度が材料の厚みに指数関数
的に関係するから、狭い厚み範囲にしか応用できない。

また、この方法は薄い材料の厚み測定に際してかなりの
誤差が生ずる。

その理由は、薄い材料中の輻射線の減衰度が小さく、輻
射線源の保護スクリーンによる減衰度に匹敵するからで
ある。上記方法を実施する厚み計も知られている（情報
誌「ＮＴＹ−４９５およびＮＴＹ−４９６型厚み計］（
ＩｚｍｅｒｉｔｅｌｌｔＯｌｓｈｉｎＮＴＹ−４９５１
ＮＴＹ−４９６）、アイソトープ出版社、（モスクワ）
１９６３年発行、参照）。この厚み計は放射性同位体放
射線源と、放射性同位体の放射線検出器と、この検出器
に接続される測定ユニツトとを備え、放射線源と放射線
検出器は検査される材料の両側に置かれる。たとえば、
圧延される鋼板の厚みを検査するための厚み計を使用す
る際には、安全上の見地から、圧延機のロールの次に放
射線同位体源を置くことは禁市される。

そのために、検査される材料の厚みについての情報を自
動圧延機制御装置へ入れるのにかなりの遅延時間が生じ
、その結果として圧延された薄板の品質に悪影響を及ぼ
すことになる。

また、このような厚み計の使用には保護装置の使用と、
修理中または調整中に測定器すなわち放射性同位体輻射
線源を保管するための特殊な保管庫とを必要とする。

この種の厚み計に使用される放射性同位体輻射線源は高
価であり、放射性同位体の半減期が短いから使用寿命も
短い。

そのために放射性同位体の定期的な交換が必要となるが
、交換作業は面倒であるから、そのような厚み計の使用
には経費がかさむことになる。音響振動を用いて薄板状
の材料の厚みを検査する方法も知られている（Ｖ．Ｓ．
Ｇｒｅｂｅｎｎｉｋ著「超音波厚み測定の物理的原理」
（ＰｈｙｚｉｃｈｅｓｋｉｙｅＯｓｎＯｖｙｕｌｔｒａ
ｚｖｕｋＯｖｙｋｈｍｅｔｄＯｖｉｚｍｅｒｅｎｉｙａ
ｔＯｌｓｈｅｈｉｎｙ）１１〜１２ページ、マシノノス
トロエニエ（ＭａｃｈｉｎＯｓｔｒＯｙｅｎｉｙｅ）出
版社（モスクワ）１９６８年発行、参照）。

この方法によれば、液体の流れのような音響を伝える媒
質中に置かれた音響振動源が、検査される薄板状材料中
に音響振動を周期的に送り込む。

音響振動は材料の表面にほぼ垂直に送り込まれる。音響
振動が媒質と材料の中を通り抜ける時間をたとえば位相
計で測定し、その測定結果から材料の厚みを決定する。
しかし、非常に薄い板状材料の厚みを測定する場合には
、この方法もかなりの測定誤差を生ずる。

その理由は、非常に薄い材料を通過する音響振動の絶体
通過時間が極めて短い（１０−８秒台）からである。ま
た、この方法では音響振動受信器（以下、音響受信器と
いう）の表面と、音響振動受信器（以下、音響受信器と
いう）の表面と、検査される材料の表面によつて音響振
動が反射され、反射された音響振動が材料を通過した音
響振動に重畳されるために定在数が生じて誤差が生ずる
。

この誤差を小さくするために、厚みを測定される材料を
振動の節点上に置かねばならない。これは材料に対して
音響発生器と受信器とを自動的に移動させる特殊な装置
により行われる。そのために精巧で高価な装置が必要と
なる。それと同時に、厚み測定に伴うかなりの誤差は液
体の流れの中における音響振動の伝播速度、したがつて
伝播時間がその液体流の温度に依存することである。

液体流の温度の変化により音響振動の伝播速度が変化し
、そのために厚み測定に誤差が生ずる。その理由は、製
造上の要求に合致するように選択された動作問隙（音響
発生器と受信器間の距離）に対して、液体中における音
響振動の伝播時間が、厚みを検査される非常に薄い材料
すなわち薄膜材料を通過する音響振動の記録された時間
の２倍だからである。

したがづて、温度変化のために液体流内における音響振
動の相対的な伝播時間が少し変化しても、検査される薄
膜材料内を通過する音響振動の記録された通過時間に匹
敵する全伝播時間の絶対値が大幅に変化することになる
。たとえば、厚みが０．０６ｍｍの箔の場合に、動作問
隙を６０ｍｍとすると、液体中の音響振動の伝播時間は
４０ミリ秒であるのに対して、箔中の音響振動の記録さ
れる伝播時間は０．０３ミリ秒である。１．５ＣＴｎ／
Ｓｅｃ／℃に等しい水の中の超音波の速度の温度の温度
変化率により、液体中の音響振動の伝播時間がＯ、０４
のＭｃｓｅｃ／℃の割合で増加するが、これは１℃当り
１３０％の誤差に達する。

温度補償により誤差を小さくできるが、液体ジニットの
長手方向に沿う温度の非均一分布のために要求された確
度を得ることは不可能である。

この非均一な分布は時間の経過につれて変化する。その
結果、この方法は周囲の空気温度の変化が小さい場合に
のみ用いることができることになる。この方法に従つて
薄板状材料の厚みを測定する装置も知られている（ソ連
邦発明者証第２７０２６１号）。この装置は音響発生器
と音響受信器とを備え、検査される材料は両者の間に置
かれる。

発生器と受信器との動作面は材料の表面にほぼ平行であ
る。音響発生器には励振電圧発生器が接続される。この
装置は測定ユニツトも含み、この測定ユニツトは受信機
に接続される増幅器と、オツシログラフ形または位相計
形の時間測定ユニツトと、記録器とを有する。測定ユニ
ツトのこれらの構成要素は互いに直列接続される。この
装置は測定ユニツトと励振電圧発生器とに接続される遅
延ユニツトも含む。しかし、この装置は長手方向にかな
り曲つている薄板状材料の厚み測定には使用できない。

その理由は、音響発生器と受信器間の距離である動作問
隙が狭いからである。動作問隙が広くなると、測定ユニ
ツトが発生器と受信器の間の全伝播時間の変化を記録す
るから、厚み測定の誤差が急に大きくなる。そのような
伝播時間の変化は検査される材料の厚みと、動作問隙と
が変化するからである。その結果、測定中に間隙の幅が
無視できるほど僅かに変化しても、大きな測定誤差が生
ずることになる。たとえば、間隙が６０ｍｍの場合に、
その１００００分の１すなわち０．００６ｍｍだけ間隙
が変化しても、０．０６ｍｍ厚の箔の厚みの測定値に約
１００／）の誤差が生ずることになる。〔発明の目的〕 したがって、本発明の目的は音響振動を用いて薄板状材
料の厚みを検査する方法と、広い範囲で厚み測定を可能
とする装置とを提供することである。

本発明の他の目的は、薄板状材料の厚み測定確度を高め
ることである。

本発明の別の目的は、長さ方向にかなり曲つている薄板
状材料の厚みを正確に測定することである。

本発明の更に別の目的は、薄板状材料の厚みを検査する
装置の保守を容易にすることである。

〔発明の概要〕本発明の目的は、音響発生器と、一群の
音響振動を周期的に発生する発振器と、音響受信器と、
この音響受信器に接続される測定ユニツトとを備え、検
査される薄板状材料は音響発生器と音響受信器の間に置
かれ、音響発生器と音響受信器との動作面は前記材料の
表面にほぼ平行である音響振動を用いて薄板状材料の厚
みを検査する方法を実施する装置において、音響発生器
と音響受信器との動作面の間隙は１回の測定あたりにお
ける進行波の持続時間中に当該進行波が進行する距離、
すなわち、検査されている薄板状材料をとり囲む媒体中
の音響振動の伝播速度と放射された一群の音響振動の持
続時間との積で与えられる放射された音響振動の長さを
これるように選択され、またこのような距離関係から生
ずる進行波の波長が薄板状材料の板厚の４倍を超えるよ
うにし、測定ユニツトは増幅器と、尖頭値検出器と、基
準信号設定器と、検査される材料の厚みにっいての情報
を有する信号と基準信号とを比較するユニツトと、この
比較ユニツトの出力端子に接続される記録器とを含み、
増幅器の人力端子は音響受信器の出力端子に接続され、
尖頭値検出器の入力端子は増幅器の出力端子に接続され
、比較ユニツトの一方の入力端子は尖頭値検出器の出力
端子に接続され、他方の入力端子は基準信号設定器に接
続されることを特徴とする音響信号を用いて薄板状材料
の厚みを測定する装置によつて達成される。

所定の厚みを有する薄板状材料を通つた進行波により機
能が実行される基準信号の設定器は、可変直流電源とし
て構成すると便利である。

また、比較ユニツトは減算器として構成し、可変直流電
源に直結すると便利である。所定の厚みを有する薄板状
材料中に音響振動を送り込むために別の音響発生器を設
けるとよい。

所定の厚みを持つ薄板状材料中を通った進行波により機
能が実行される基準信号設定器は、その材料を通った音
響振動を受ける別の音響受信器として構成し、その材料
を前記別の音響発生器と前記別の音響受信器との間に、
その材料の表面が発生器と受信器との動作面にほぼ平行
となるように配置し、発生器と受信器との動作面の間隔
を主発生器と主受信器との動作面の間隔に等しくすると
便利である。比較ユニロトは割算器として構成し、その
割算器を直列接続された別の受信器と別の尖頭値検出器
とを介して前記別の受信器に接続すると便利である。検
査される薄板状材料中に送られた進行波により機能が実
行される基準信号の設定器は、その材料中を通づて主音
響受信器に達する進行波のある部分が別の受信機を側路
するように、音響発生器と検査される材料の間でその進
行波の進路を横切つて配置される別の音響受信器として
構成でき、比較ユニツトは割算ユニツトとして構成され
る。

前記別の受信器は別の増幅器と別の尖頭値検出器とを直
列に介して、前記割算ユニツトに接続される。〔発明の
効果〕本発明の音響振動を用いて薄板材料の厚みを検査
する方法と装置は、従来のものよりも優れたいくつかの
利点を有する。

まず第１に、本発明の方法と装置は音響発生器の表面と
、受信器の表面と、検査される材料の表面とから反射さ
れた音響振動と、その材料を通過した音響振動との重量
により定在波が形成されるために生ずる測定誤差が完全
になくなる。

これは、検査される材料中へ音響振動が進行波の形で送
り込まれるからである。本発明の装置では、音響発生器
の動作面と受信器の動作面との間の距離が、１回の測定
当りにおける進行波の持続時間中に当該進行波が進む距
離、すなわち、検査されている薄板状材料をとり囲む媒
体中の音響振動の伝播速度と放射された一群の音響振動
の持続時間との積で与えられる放射された音響振動の長
さ以上となるように選択されるために、進行波が発生さ
れる。ここで、本発明において用いられる進行波の例を
第５図に示す。第５図において、Ｔ，，Ｔ２，Ｔ３は各
測定周期を示しており、ａは音響振動発生器から出力さ
れる進行波を示している。このａにおいて、ＬＯは上述
した［１回の測定当りにおける進行波の持続時間中に当
該進行波が進行する距離」、ＡＯは薄板材料を通過する
前の進行波の振幅、λ。は当該進行波の波長をそれぞれ
示している。ｂは当該進行波が薄板材料を通過した後の
進行波を示す波形図で、Ａはその振幅、λｏは波長、Ｈ
は音響振動発生器と受信器の動作面相互の間隔である。
Ｃ，ｄはＡ，ｂのそれぞれについて指数関数的に減衰す
る状態を示している。なお、距離Ｌ。と進行波の波長λ
。との間には、ＬＯ＝ｎλ。／２（ｎは整数）が成立す
る。上述のように進行波を用いる結果、検査される材料
の表面と受信器の温作面とから反射される音響振動は、
その材料を通過した音響振動には重畳されないから定在
波は生じない。

このような利点のために、本発明の装置は定在波の節点
に被検査材料を置くために、その材料に相対的に音響発
生器と受信器とを自動的に動かすための特殊な装置を必
要としない。このために本発明の装置の保守が簡単とな
る。第２に、本発明の装置は動作問隔の幅の変化により
生ずる誤差と、音響伝導媒質中における音響振動の伝播
速度の変化、したがづて伝播時間がその媒質の温度に依
存することから生ずる誤差を大幅に減少させる。

そのような誤差を小さくすることは非常に薄い材料や薄
膜の厚みの測定においては重要である。第２の利点は、
本発明によつて材料の厚みを表すパラメータが、薄板材
料の中に送り込まれた音響振動の本発明の装置により測
定された振幅であることに基づく。

この振幅は動作問隙の幅の変化とは独立しており、音響
伝播媒質中における音響振動の伝播速度だけに依存する
。その結果、音響伝播媒質中の音響振動の伝播速度の変
化に基づく誤差は５分の１から１０分の１に減少する。

このことは次の式によつて説明できる。ここに、δＤ，
は被検査材料の厚さＤ。

の、音響伝播媒質中における音響振動の伝播速度Ｃ。が
ΔＣだけ変化したために生じた従来の方法で測定した時
の測定誤差、Ｈは動作問隔の幅、ＫＯは定数である。本
発明を用いた場合には、伝播速度Ｃ。

がΔＣだけ変化したために生ずる厚めＤ。の測定誤差δ
Ｄ２は次式により求められる。更に、被検査材料中の進
行波の波長がその材料の厚みの４倍以上となるように音
響振動の周波数を選択することにより、薄板状材料の厚
み測定確度が高くなつた。

これは、薄板状材料の中を通される進行波の振幅の材料
の厚みに対する依存性が、最初の部分だけ直線的だから
である。

薄板材料の厚みが増してその材料中の進行波の波長の４
分の１の値に近づくと、前記依存性は非直線的になる。
更に、その値をこえると上記依存性はもはや単一の値で
はなくなる。被検査材料の最大厚みがその材料中の進行
波の波長の４分の１をこえるように周波数を選択すると
、前記単一値依存性の直線部分にわたつて材料の厚みが
変化する時の振幅を測定可能である。これにより測定確
度が高くなる。本発明の装置は測定感度が高いから、薄
い厚み領域内の薄板材料の厚み測定範囲を拡張できる。

その理由は、被検査材料の厚みを示すパラメータが音響
振動の振幅だからである。被検査材料の中を通った音響
振動の振幅はその材料の厚みに逆比例し、事実上は動作
問隙の幅とは独立している。その結果、非常に薄い材料
中を通過した音響振動の振幅の変化の大きさは、本発明
の装置の前記測定ユニツトにより測定されるのに通常は
十分である。基準信号が所定の厚みの薄板状材料を通過
した進行波であり、かつ基準信号設定器が可変直流電源
である本発明の装置により、所定の厚みの２０〜４０％
の厚み範囲の材料の厚みを簡単カリ＋分正確に測定でき
る。

測定範囲を拡げるためには直流電源を再調整せねばなら
ない。基準信号の機能が予め選択した厚みを有する材料
を通過した進行波にたり実行され、基準信号設定器の機
能がその材料を通過した音響振動を受ける別の受信器に
より実行され、かつ比較ユニツトの機能が割算ユニツト
により実行されるために、基準信号設定器を再調整する
ことなしに厚みを広い範囲で測定することが可能となる
。

いま、被検査材料中の音響振動の伝達係数が不安定であ
るために生ずる誤差が、本発明と装置により小さくなる
。

その理由は、たとえば、周囲の空気の密度すなわち温度
あるいは大気圧の変化を原因とする前記係数の不安定さ
が、互いに近接している被検査材料と所定の厚みを有す
る材料について同じであるからである。更に、本発明の
装置の上記実施例により、割算ユニツトの出力信号の被
検査材料の厚みに対する依存性を直線的および正比例的
にすることにより、測定確度を高くすることが可能であ
る。

これは被検査材料の中を通づた音響振動の振幅がその厚
みに逆比例するからである。したがづて、それが除数と
して使用される場合には商は厚みに正比例する。基準信
号の機能が被検査材料の中を通される進行波により実行
され、基準信号設定器の機能が別の受信器により実行さ
れるから、音響発振器の出力の不安定さに基づく測定誤
差と、音響発生器の不安定さに基づく測定誤差がなくな
る。

この場合には、それらの不安定さは被検査材料の中を通
される音響振動と、その材料を既に通つた音響振動とに
等しく影響する。本発明の装置のこのような実施例によ
り、割算ユニツトの出力信号は被検査材料の厚みに正比
例するようになる。

〔発明の実施例〕

以下、図面を参照して本発明を詳細に説明する。

第１図に示す本発明の、薄板状の材料の厚みを測定する
装置は音響発生器１と音響受信器３とを有する。この音
響発生器１には発振器２が接続される。音響発生器１は
公知の圧電トランスデユーサである。発振器２は公知の
シヨツク発振器を用いて構成される。受信器３も公知で
あつて、音響発生器１に類似する。発生器１と受信器３
の間には検査される薄板状材料４が置かれる。

材料４は音響伝導媒質５の中に置かれる。ここで説明し
ている場合には、媒質５は７０〜８０℃の温度に加熱さ
れた水である。この水は矢印Ｌで示す向きに流れる流れ
の形で供給される。音響発生器１と音響受信器３との動
作面は薄板状材料４の表面にほぼ平行である。

これにより材料４の表面にほぼ垂直となるように、媒質
５を通じて材料４の中に音響信号を送り込むことが可能
となる。発生器１と受信器３の動作面の間隔は、１回の
測定当りにおける進行波の持続時間中に当該進行波が進
む距離以上となるように選択される（第５図参照）。

こうすることによつて発生器１から材料４の中へ音響振
動を進行波の形で送り込むことが可能となる。その結果
、定在波の発生を防止できる。したがつて、定在波の存
在に起因する厚み測定誤差をなくすことができる。それ
と同時に、材料４を定在波の節点上に置くために、発生
器１と受信器３とを材料４に対して自動的に移動させる
ための特殊な装置を用いずにすむことが可能となる。そ
の結果として本発明の装置は保守が簡単となる。音響受
信器３には測定ユニツト６が接続される。

測定ユニツト６はトランジスタを用いて構成された増幅
器７と、この増幅器７の出力端子に接続される尖頭値検
出器８と、この検出器の出力端子に一方の入力端子が接
続される比較ユニツト９と、このユニツト９の他方の入
力端子に接続される可変直流電源として構成される基準
信号設定器１１と、比較ユニツト９の出力端子に接続さ
れる公知の記録器（米国特許第３，３４５，８６１号参
照）１２とを含む。増幅器７の入力端子は受信器３の出
力端子に接続される。

尖頭値検出器８は公知のトランジスターダイオード回路
で構成され、その検出定数は発生される音響振動の周期
よりも１桁以上大きい。尖頭値検出器８によつて発生器
１の表面と、受信器１の表面と、材料４の表面とから繰
り返えし反射されて、材料４の中を通過した音響振動の
振幅よりも小さい振幅を有する音響振動を記録すること
を防ぐことが可能となるから、薄板状の材料の厚みを測
定する従来の装置に用いられる振幅検出器または振幅一
位相検出器でなく、尖頭値検出器を用いることが好まし
い。比較ユニツト９は、被検査材料４の厚みにっいての
情報を含む信号を基準信号と比較するユニツトであつて
、ここで説明している実施例では減算ユニツトとして構
成される。

減算ユニツト９は公知の弁別回路を用いて構成される。
材料４の厚みについての情報を含む信号はその材料を通
過した進行波である。

この実施例によれば、基準信号は所定の厚みの材料１０
（第２図）を通過した進行波である。材料４の厚みの測
定に先立つて、材料４を置くのと同じようにして、材料
４を発生器１３と受信器１４の間に置く。発生器１から
発生された音響振動は、進行波の形で材料１０の中に送
り込まれ、それからその振幅が測定される。可変直流電
源１１の出力電圧は、所定の厚みを有する材料１０を通
過した進行波の測定された振幅に正比例する。

記録器１２の目盛は厚さの単位で目盛られる。以上説明
した実施例は最も簡単なものであるが、予め設定された
厚みの２０〜４０％の比較的狭い範囲内でだけ厚みを測
定できる。

測定範囲を拡げるためには直流電源の出力電圧を変える
ことが必要である。そのために、この実施例は、検査さ
れる薄板状材料の厚みの所定の厚さに対する変化につい
ての情報だけを必要とする製造工程を制御する自動装置
に採用できる。

検査の信頼性を高めるためには、音響伝達媒質５の性質
を安定にし、安定な音響を発生することが必要である。
この目的は媒質５として温度調節される液体、たとえば
水、を用いることと、非常に高安定の音響発生器１を使
用することにより達成される。本発明の装置の別の実施
例を第２図に示す。

この実施例により、薄板状材料の厚み測定範囲を拡張し
、音響伝達媒質５の性質変化と、発生器１の不安定性が
測定結果に及ぼす影響を小さくできる。前記した構成要
素１，２，３，７，８，１２，１３の他に、第２図に示
す実施例は、所定の厚みを有する薄板状材料１０の中に
音響振動を送り込む別の音響発生器１３を含む。この発
生器１３は発振器２に接続される。この別の発生器１３
により発生器１の不安定性に基づく誤差を減少させるこ
とが可能である。第２図に示す実施例では、予め選択し
た厚みを持つ材料１０を通過した進行波である基準信号
の設定器は、別の受信器１４である。

受信器１４は受信器３と同様に公知のものである。材料
１０は検査される材料４に十分近接させて別の発生器１
３と別の受信器１４の間に置かれる。その結果、音響伝
達媒質５（この場合には空気）の温度、圧力および密度
は、発生器１，１３と主受信器３，１４とによりはさま
れた部分内の空気のそれと同一または極めて類似する。
そのために媒質５の性質の変化に基づく誤差が減少する
。発生器１３と受信器１４との動作面は材料１０の表面
にほぼ平行である。

発生器１３と受信器１４との動作面の間隔は、主発生器
１３と主受信器１４との動作面の間隔に近い。その結果
、発生器１３により発生される音響振動は進行波の形で
材料１０の中に送り込まれる。第２図に示す実施例では
、材料４の厚みについての情報を含む信号と基準信号と
を比較するユニツトは、公知の割算ユニツト１５として
作られる。

別の受信器１４は別の増幅器１６と尖頭値検査器１７を
直列に介して割算ユニツト１５の一方の入力端子に接続
される。ユニツト１５の他方の入力端子は尖頭値検査器
８の出力端子に接続され、割算ユニツト１５の出力端子
は記録器１２に接続される。別の増幅器１６は主増幅器
７に類似し、尖頭値検査器１７は主尖頭値検査器８に類
似する。第２図に示す実施例は安定な音響伝達媒質と、
精密で安定度の高い音響発生器１とを用いることなしに
動作できる。その結果、音響伝達媒質はガス状の媒質と
することができるが、なるべくなら液状媒質を使用する
ようにする。ガス状媒質中では発生器１，１３と受信器
３，１４との表面から反射される音響振動の減衰が加速
されるから、ガス状゛媒質を用いると装置の応答速度が
高くなる。また、ガス状媒質は発生器１，１３および受
信器３，１４と、検査される材料４および所定の厚みを
有する材料１０との間の音響的接触の不安定さを除去す
る。このことは液体の流れがなくなると接触状態が失わ
れることを思い出せばよい。更に、ガス状媒質を使用す
ることにより、測定範囲を十分に拡張できる。その理由
は、薄板状材料４の密度がガス状媒質の密度の数倍高い
からである。それと同時に、ガス状媒質中の音響振動の
伝播速度が液状媒質中のそれよりも１桁低いから、進行
波を生じさせるためには発生器１，１３と受信器３，１
４間のそれぞれの距離を短くする必要がある。また、ガ
ス状媒質を使用することにより、制御される装置、たと
えば圧延機、の部品の腐食も防止できる。本発明の装置
は基準信号設定器を再調節することなしに、薄板材料の
製造工程中にその絶対厚みを測定するために採用できる
。

この実施例では、検査される薄板材料の厚みについての
情報を含む信号と基準信号とを比較するユニツトは、割
算ユニツト１５と同様に尖頭値検波器８，１７に接続さ
れる減算ユニツト（図示せず）として作ることもできる
。

この場合には、この装置は製造工程を自動的に制御する
装置に採用でき、その装置のアクチユエータに検査され
る材料の厚みの指定された値からのずれに比例する制御
信号を与えることができる。第３図に示す実施例では、
検査される材料４の中を通つた進行波により機能が実行
される基準信号の設定器は、別の受信器１８として構成
できる。

この受信器１８は小型の圧電マイクロホンである（米国
特許第３，１０９，１１１号参照）。受信器１８は音響
発生器１と検査される材料４との間で、進行波の大部分
が検査される材料４の中を通つて主受信器３に到達する
ような位置に、進行波の進路を横切つて置かれる。検査
される材料４の厚みについての情報を有する信号と基準
信号を比較するユニツトは、割算ユニツト１５として構
成される。

この割算ユニツト１５は尖頭値検出器８と記録器１２に
接続されるとともに、別の受信器１８に、直列接続され
た増幅器１９と尖頭値検出器１７を介して、接続される
。増幅器１９には利得を調節する温度調節器（図示せず
）が設けられる。この温度調整器は、この実施例では音
響伝達媒質５である空気の温度変化に起因する誤差を減
少させる助けをする。第３図に示す実施例により、発振
器２の出力の不安定さと、音響発生器１の不安定さとに
起因する、検査される薄板状材料４の厚み測定誤差をな
くすことができる。この場合には、それらの不安定さは
材料４を通過する音響振動と、材料４を既に通過した音
響振動とに等しく影響するから、割算ユニツト１５の出
力電圧には何の影響も及ぼさない。その結果、材料４の
厚み測定確度が非常に高くなる。この装置は基準信号設
定器の再調整を行うことなしに、全製造工程中に薄板状
材料の広い範囲の厚みを測定するために用いることがで
きる。

第４図は本発明の方法における、材料の中を通される音
響振動の振幅Ａとその材料の中を通つた音響振動の振幅
Ａ。との比と、材料４（第１図）の厚みｄと音響振動の
周波数ｆとの積との間の関係を示すグラフである。カー
ブＩ，ｌ，はそれぞれアルミニウム、銅およびタングス
テンに対するそれらの比を示す。振幅Ａ．：５Ａ０の比
は次式で表すことができる。

〜 − ＶＶここに、ρｏとＣ。

はそれぞれ音響伝達媒質５の密度と、その媒質中の音響
振動の伝達速度、ρとＣはそれぞれ検査される薄板状材
料４の密度と、その中における音響振動の伝播速度であ
る。（１）式と第４図のグラフから、材料４の中を通つ
た音響振動の振幅Ａが材料４の厚みｄに逆比例すること
は明らかである。本発明の厚み測定方法は以上説明した
装置によつて下記のように実施される。

７０〜８０℃に加熱された水の中に置かれた音響発生器
１と受信器３の間に検査される薄板状材料４を置く。

発振器２は電気的パルスを発生し、このパルスは一定の
操返えし周期で発生器１に加えられる。

このパルス繰返えし周期は、単位時間当りの測定回数に
依存する所要の厚み測定確度に応じて選択される。発生
器１は発生器２から与えられたパルスにより励振され、
進行波の形で短くて狭いスペクトラムの音響振動パルス
を水の中に送り込む。

音響振動を進行波の形で用いることにより、定在波の発
生に起因する厚み測定誤差を完全になくすことができる
。この定在波動作条件は、発生器１と受信器３との間の
距離を１回の測定当りにおける進行波の持続時間中に当
該進行波が進む距離以上に選択することにより、確保さ
れる。

音響振動の周波数は、薄板材料４内の進行波の波長がそ
の材料の厚みの４倍以上となるように選択される。

これにより、材料４を通過した音響振動の進行波振幅と
材料４の厚みとが直線的に関連するようになり、そのた
めに狭い厚み範囲内の測定範囲を拡げることができる。
進行波の波長と検査される薄板状材料の最大厚みとの前
記比は、薄膜材料の厚み（この場合の厚みは数十分の１
１Ｌ１Ｌである）を測定するために超音波振動と、超音
波周波数範囲の下側部分と可聴周波数の上側部分との間
の周波数を有する音響振動とを用いることにより確保さ
れる。可聴音周波数は厚い材料の厚みを測定するために
用いられる。検査される薄板材料４の中を通過する音響
振動パルスの進行波は材料４の表面にほぼ垂直であり、
前記（１）式に示すように減衰された振幅のパルスとし
て材料４の両側で水の中に入る。

検査される材料４を通る進行波は材料４の表面に垂直に
入る。

その理由は、発生器１と受信器３との動作面が材料４の
表面に平行たからである。検査される薄板状材料４を通
過した進行波パルスは受信器３に加えられる。この受信
器３はそれらのパルスを音響振動の周波数に等しい搬送
周波数を有する電気的パルスに変換する。それらの電気
的パルスは検査される材料４の厚みについての情報を含
み、増幅器７を介して尖頭値検査器８に加えられる。尖
頭器検出器８はその入力端子に加えられたパルスの包絡
線の振幅に等しい電圧を発生する。尖頭値検出器８の出
力端子からは減算ユニツト９の一方の入力端子に、検査
される材料の厚みに逆比例する電圧が加えられる。

減算ユニツト９の他方の入力端子には直流電源１１の出
力端子から一定の電圧が加えられる。この電圧は薄板材
料１０の予め選択された厚みに逆比例する。減算ユニツ
ト９の出力端子には、その２つの入力端子に加えられて
、薄板材料１０の予め選択された厚みと検査される材料
の厚みとの差に逆比例する電圧の査に等しい電圧が現わ
れる。減算ユニツト９の出力電圧は記録器１２に加えら
れる。

この出力電圧は検査される材料４の厚みの、材料１０の
予め選択された厚みからの偏移の値を示す。第１図に示
す装置の動作の開始前に、基準信号設定器として機能す
る直流電源１１が適切に調整される。

この目的のために、検査される材料４の代りに、所定の
厚みを持つ材料１０を発生器１と受信器３の間に置く。
この材料１０の中を音響振動進行波が通り、直流電源１
１の出力電圧を調節，して記録器１２が零を示すように
する。通常は予め選択された値は測定帯の初めにある。

動作中は直流電源１１の出力電圧は一定である。以上説
明した方法は簡単ではあるが、所定の厚みの２０〜４０
％という比較的狭い範囲内で測定を行うことが可能であ
る。測定される厚みが更に厚くなると、記録器１２の指
示の材料の厚みに対する関係が非直線的となるから、直
流電源１１は異なる測定帯のために再調整せねばならな
い。測定すべき厚みの範囲は、第２図に示す装置を用い
て行われる薄板状材料の厚みを検査する方法を用いて拡
張することもできる。この方法によれば、検査すべき薄
板状材料４を、音響伝達媒質（この場合には空気）５の
中に置かれている発生器１と受信器３の間に置く。

また、別の発生器１３と別の受信器１４の間に予め選択
された厚みの薄板状材料１０を材料４に近接させて置く
。こうすることにより音響伝達媒質の性質の変化に起因
する誤差が小さくなる。発振器２は電気的パルスを発生
して、それらのパルスを一定の繰返えし周期で主発生器
１と別の発生器１３に加える。

主発生器１は音響振動パルスを進行波の形で空気中に送
り込む。

これらのパルスは検査される材料４の中を通る。通つた
後のそれらのパルスの振幅は前記（６）式に従づて減少
する。音響伝播媒質である空気の密度ρ。が、検査され
る材料４の密度ρよりも４桁ほど小さいことを考えると
、であることがわかる。

更に、音響振動の振幅Ａが過大に減衰させられることを
防ぐために、２πＦｄ／Ｃがπ／２よりも大幅に小さい
ように音響振動の周波数ｆを選択する。

したがつて、（６）式は次式のように表すご走ができる
。λｏを空気中の進行波の波長とするとＣ。

／ｆ＝λｏであるから、（８）式は次式のように表すこ
とができる。ここに、Ｋ＝ＡＯρ。

λｏ／πρである。この（代）式から検査される材料４
を通つた音響振動の振幅は、その材料４の厚みと正比例
関係にあり、これは実際上どのような範囲の厚みにも適
用できることがわかる。

検査される材料４を通過した音響振動は受信器３に入り
、それにより電気的パルスに変換される。

それらの電気的パルスは増幅器７で増幅されてから尖頭
値検出器８に加えられる。そうすると、この尖頭値検出
器８はその入力端子に加えられた電気的パルスの包絡線
の振幅に等しい一定の電圧を発生する。この一定電圧は
割算ユニツト１５の１つの入力端子に加えられる。一方
、補助発生器１３は音響振動パルスを進行波の形で空気
中に送り込む。

それらのパルスは所定の厚みを有する薄板状材料１０の
中を通り、そのためにそれらのパルスの振幅はという関
係に従つて減衰させられる。

ここに、Ａ，は所定の厚みの材料１０を通つた音響振動
の振幅である。受信器１４は弱められたパルスを受けて
、それらのパルスを音響振動の周波数に等しい搬送波周
波数を持つ電気的パルスに変換し、それらの電気的パル
スを増幅器１６で増幅してから尖頭値検出器１７に加え
る。

パルスを受けた尖頭値検出器１７はそれらのパルスの包
絡線の振幅に等しい一定の電圧を発生する。この一定電
圧は割算ユニツト１５の第２入力端子に加えられる。そ
の結果、この割算ユニツト１５の出力端子には、尖頭値
検波器１７の出力端子からその第２入力端子に加えられ
た電圧と、尖頭値検出器８の出力端子から割算ユニツト
１５の第１入力端子に加えられた電圧との比に等しい電
圧が現われる。割算ユニツト１５の出力端子に現われる
出力電圧は検査される材料４の厚みに比例する。この出
力電圧は記録器１２に加えられ、記録器１２は検査され
る材料４の厚みを指示する。第２図に示す装置は動作開
始に先立つて調整される。

この目的のために、検査される材料４の代りに、発生器
１と受信器３の間に既知の厚みを持っ材料４の見本（図
示せず）が置かれる。この見本と材料１０を通じて進行
波の形の音響振動が送り込まれる。そして、割算ユニツ
ト１５の出力端子に前記見本の既知の厚みに正比例する
電圧が現われ、記録器１２の指示がその厚みに一致する
ように、補助増幅器１６の利得を調節する。この厚み測
定法では割算ユニツト１５の出力信号が検査される材料
の厚みに正比例するから、厚み測定確度を広い範囲で高
くできる。

それと同時に、この方法により音響振動が検査される材
料の中を通過する時のそれらの振動の伝達係数が不安定
なためと、発振器２の出力が不安定なため、および発生
器１，１３が不安定なために生ずる誤差を小さくするこ
とができる。しかし、この方法はその実施のために精密
な装置を必要とする。これは第３図に示す装置を用いる
ことにより簡単にできる。この場合には、音響振動が検
査される薄板状材料４に送り込まれ、その材料を通過し
た振動は受信器３により受信されて電気的パルスに変換
され、その電気的パルスは増幅器７で増幅されてから尖
頭値検出器８に加えられ、その出力が割算ユニツト５の
入力端子に加えられる。

同時に、発生器１により空気中に送り込まれた、この場
合には基準信号として機能する。

音響振動の進行波が別の受信機１８により受けられる。
受信器１８はそれらのパルスを、音響振動の周波数に等
しい繰り返えし周波数を有する電気的パルスに変換する
。それらの電気的パルスは増幅器１９により増幅される
。利得を温度により調節される増幅器１９を設けること
により、空気温度の変化に起因する誤差が減少する。増
幅された電気的パルスは尖頭値検出器１７に加えられ、
検出器１７は割算ユニツト１５の入力端子に加えられた
電気的パルスの包絡線の振幅に等しい電圧を発生する。
その結果、割算ユニツト１５の一方の入力端子には、検
査される材料４を通じて送られた音響振動の進行波の振
幅Ａ。

に正比例する電圧が加えられ、他方の入力端子には検査
される材料４の中を通つた音響振動の進行波の振幅Ａに
正比例する電圧が加えられる。割算ユニツト１５の出力
端子には材料４の中を通る進行波の振幅Ａ。に正比例す
る電圧と、材料４を通つた進行波の振幅Ａに正比例する
電圧との比に等しい電圧が現われる。（８）式に従つて
、割算ユニツト１５の出力端子には検査される材料４の
厚みに正比例する電圧が現われる。この電圧は記録器１
２に加えられる。この記録器１２は検査される材料の厚
みを指示する。第３図に示す装置は動作に先立つて第２
図に示す装置と同様にして調節される。

第１，２，３図に示す装置により実施される薄板状材料
の厚みを検査するための本発明の方法により、冶金工業
、化学工業、パルプおよび製紙工業における製造ライン
において薄板材料の厚みと表面密度を非接触で自動的に
測定できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は薄板状材料の厚みを検査する本発明の方法を実
施するための装置のプロツク図、第２図は本発明の装置
の別の実施例のプロツク図、第３図は本発明の装置の更
に別の実施例のプロツク図、第４図は検査される材料を
通過した音響振動の振幅とその材料を通過する音響振動
の振幅との、その材料の厚みと音響振動の周波数との積
に対する依存性を示すグラフ、第５図ａ−ｄは本発明に
用いられる進行波の態様例を示した波形図である。 １，１３・・・・・・音響発生器、２・・・・・・発振
器、３，１４・・・・・・音響受信器、４・・・・・・
検査される薄板状材料、５・・・・・・音響伝達媒体、
６・・・・・・測定ユニツト、７，１６・・・・・・増
幅器、８，１７・・・・・・尖頭値検出器、１２・・・
・・・記録器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 音響振動発生器と、一群の音響振動を周期的に発生
   する発振器と、音響振動受信器と、この音響振動受信器
   に接続された測定ユニットとを備え、前記音響振動発生
   器と前記音響振動受信器の間に厚みを検査すべき薄板状
   材料が置かれ、前記音響振動発生器の動作面および前記
   音響振動受信器の動作面が前記薄板状材料の表面にほぼ
   平行である薄板状材料の厚み測定装置において、前記音
   響振動発生器の動作面と前記音響振動受信器の動作面と
   の間の距離は、検査されている薄板状材料をとり囲む媒
   体中の音響振動の伝播速度と放射された一群の音響振動
   の持続時間との積で与えられる放射された音響振動の長
   さよりも大きく、このような距離関係から生ずる進行波
   の波長が前記薄板状材洋の板厚の４倍を超えるようにし
   、前記測定ユニットは増幅器と、尖頭値検出器と、基準
   信号設定器と、基準信号を検査される薄板状材料の厚み
   にづいての情報を有する信号と比較する比較ユニットと
   、この比較器の出力端子に接続される記録器とを含み、
   増幅器の入力端子は音響振動受信器の出力端子に接続さ
   れ、前記尖頭値検出器の入力端子は前記増幅器の出力端
   子に接続され、前記比較ユニットの一方の入力端子は前
   記尖頭値検出器の出力端子に接続され、他方の入力端子
   は前記基準信号設定器に接続されていることを特徴とす
   る薄板状材料の厚みを測定する装置。 ２ 特許請求の範囲第１項に記載の装置において、所定
   の厚みを有する薄板状材料の中を通過した進行波である
   基準信号の設定器は可変直流電源として作られ、基準信
   号を検査される薄板状材料の厚みについての情報を有す
   る信号と比較するユニットは減算ユニットとして構成さ
   れ、かつ可変直流電源に直結されていることを特徴とす
   る薄板状材料の厚み測定装置。 ３ 特許請求の範囲の第１項に記載の装置において、所
   定の厚みの中を通される音響振動を発生する別の音響振
   動発生器が設けられ、所定の厚みを有する薄板状材料の
   中を通された進行波により実行される機能を有する基準
   信号設定器は、所定の厚みを有する薄板状材料の中を通
   された別の音響振動設定器として作られ、この材料は前
   記別の音響振動発生器と前記別の受信器との間に配置さ
   れ、これらの別の音響振動発生器の動作面と別の受信器
   の動作面とは所定の厚みを有する薄板状材料のつ表面に
   ほぼ平行であり、それらの距離は主音響振動発生器と主
   受信器との動作面の間の距離にほぼ等しく、基準信号を
   検査される材料の厚みについての情報を有する信号と比
   較するユニットに割算ユニットとして作られ、この割算
   ユニットは別の増幅器と別の尖頭値検出器を介して前記
   別の受信器に接続され、別の増幅器と別の尖頭値検出器
   は別の受信器に直列に接続されることを特徴とする薄板
   状材料の厚み測定装置。 ４ 特許請求の範囲の第１項に記載の装置において、検
   査される薄板状材料の中を通される進行波である基準信
   号の設定器は別の音響振動受信器として構成され、この
   受信器は主音響振動発生器と検査される薄板状材料の間
   に、検査される材料を通つて主受信器へ到達する進行波
   の一部が別の受信器を側路するように、進行波の進路を
   横切つて配置され、基準信号を検査される薄板状材料の
   厚みについての情報を有する信号と比較するユニットは
   割算ユニットとして作られ、この割算ユニットは別の増
   幅器と別の尖頭値検出器を介して前記別の受信器に結合
   され、別の増幅器と別の尖頭値検出器とは別の受信器に
   直列に接続されることを特徴とする薄板状材料の厚み測
   定装置。