JPH0394109A - 超音波計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野］ この発明は，超音波を利用した距離測定や物体の形状測
定，寸法測定装置の改良に関するものである。例えば産
業分野で使用される各種素材の片面から空中を介して超
音波を照射し，素材面で反射されて帰ってくるまでのｌ
Ｌｌ７間から素材までの距離を知ることができる。した
がって，その２ｐ＠から素材の形状を測定したり，両面
から照射することによって厚さなどの寸法を測定するこ
とができる。また，谷杆部品の１？粍坩の測定にも利用
されている。

ｒ従来の技術］ 超音波を金属などの固体中へ入射し，固体内部の欠陥の
有無を検査する技術は超音波探傷と呼ばれ，製品検査や
保守検査の有効な手段として広く利用されている。また
，この超音波を空中や液体中へ照射し，物体のイ了無を
検知したり物体までの距離を測定する装置もすでに実用
化されている。

第７図は空中に存在する物体の有無や物体までの距離を
超音波によって検出する方法の説明図であり，（１）は
送信回路，　（２Ｔ）は超音波送信探触子，（２Ｒ）は
超合波受信探触了，（３）は受仏１！』１路，（４）は
時間検出回路，（５）は距離演算回路，（６）は計測対
象物体であり，さらにＵ８は空中を伝搬する超音波，　
Ｉ．，．．は超音波探触子と計測対象物体間の距離を示
している。いま送信回路（１）からの送信電気パルスを
受けて超音波送信探肘子（２丁）から窄中へ超音波Ｕ，
．が送出されると，超音波は計ｉ１１１１対象物体（６
）の表面で反射して帰ってくる（１　＋ｌｊっできた超
音波は超音波受信探触了（２Ｒ）によって再び電気信号
に変換され，受信回弗（３）で所定の信号レベルまて増
幅された後，時間検出回路（４）で対象物体（６）まで
の超１′９波４ｔ＜搬時間′１゛５を検出，さらに距離
演算■路（５）で超音波伝搬時間と超音波音速とから距
離を演算し出力される。

なお第７図においては，超音波送信探触子と超音波受信
探触子とが別々に分れている場合について述べたが，第
８図のＺ５に示すように超音波送信振動子と受信振動子
とが一体になっているものもあり，その場合も動作は全
く同様である。

以−１ユ説明した例において，空中の超音波速度を■９
，超音波探触子が超音波を送信した時刻から計測対象物
体で反射して帰ってくるまでの超音波伝搬時間をＴｑと
すると，超音波探触子（２）から計測対象物体（６）ま
での距離Ｉ，ｑは下式で求めることができる。

ＬＳ−（ＶＡ−Ｔ８）／２　　　　　−−−　（ｔ）こ
のようにして求められた距離Ｌｑの測定精度は上式から
も解るように超音波の速度■いの変動と，Ｍｉ音波の伝
搬時間′■゛８の計測誤差に左右されるこの内１伝搬Ｉ
Ｉ！７間′１′、の計Δｌ１目＋’１度は迭ｆ１；同縮
（１）や受信回路（３），時間検出ｌｉｊＩ路（４），
距離演算回路（５）での信シ３゛処理で決まり＋　ｈＫ
近の挾術においてはかなり高い精度を確保することがで
きる。一方，超音波の音速ＶＡは超音波の伝搬経路てあ
る窄中の環境条件に大きく影響され，その中でも温度に
よる変動が最も起こりやすい。この超音波の音速■４の
温度特性は（２）式で与えられ，？「ｉ離１，．．のス
１測１ｔ！７における超音波の伝搬縁路の温度が２０℃
近辺である場合，その変動する割合は約０．１８％／’
Ｃとなる。

ｖ，＝ｖ．（１＋１Ｖｏ３）”２　　　−−−−−−−
（２）ここで■。はＯ０Ｃにおける空中の超音波音速で
あり，Ｔは測定時の空中の温度（゜Ｃ）である。

［発明が解決しようとする課題１ いま測定距離１，　ｓが５０ｍｍ程度の場合，温度′Ｆ
が２０℃から２１℃の間で１゜Ｃ変化したとすると音連
Ｖ　Ａは−１二記のように０．１８％変動し，その結果
距離Ｌ５は５０Ｘ　０．　００１ｇ＝　０．　０９ｍｍ
変化することになる。　一般的に，材料の厚さ測定にお
いては数十μｍ程度の粕度を要求されるため，１゜Ｃの
変化も許されないこ（７） とになる。特に計測対象が高温物体の場合は空中潟度へ
の影響か大きく，超音波による距離の測定では精度の確
保が困難となる。

以トは窄中での測定について述べたが，液体中において
も温度変化がある場合は超音波音速の変動を伴い，超音
波による高精度の距離の測定が難しくなることは同様で
ある。

この発明はかかる課題を解決するためになされたもので
あり，超音波計測装置において空中または液体中での超
音波の速度■いを変動させる要因である温度や湿度など
の超音波伝搬経路における環境条件による影響を少なく
シ，超音波による対象物体までの２１離やＰ′／．さの
測定粘度を向上させることにある。

［課題を解決するための手段］ この発明に係る超音波計測装置は，測定用超音波探触子
の前方の一定の距離において超音波ビームの一部分を遮
蔽するように超音波反射体を設けその測定用超音波探触
子と超音波反射体間で測定した超音波伝搬時間およびそ
の間の距離と，測定（８） 用超音波探触子と対象物体間で得られた超音波伝搬時間
とを使用して，測定用超音波探触子から対象物体までの
距離を算出するようにしたものである。

またこの発四の別の発明に係る超音波計測装置では，測
定用超音波探触子と計測対象物体間の空中または液体中
の超音波ビームの伝搬経路に温度検出器を設置し，」二
記の測定用超音波探触子と３１測対象物体間で得られた
超音波伝搬時間と温度検出器で得られた空中または液体
中の温度を使用して，測定用超音波探触子から計測対象
物体までの距離を算出するようにしたものである。

さらにまたこの発明の別の発明に係る超音波計測装置は
，超音波探触子内に測定用超音波振動子とは別に校正用
超音波振動子を持ち，その校正用超音波振動子の前方の
一定の距離において超音波ビームを遮蔽するように超音
波反射体を設け，校疋用超音波振動子と超音波反射体間
で測定した超音波伝搬時間およびその間の距離と，測定
用超音波振動子と対象物体間で得られた超音波伝搬時間
とを使用して，測定用超音波振動子から対象物体までの
距離を算出するようにしたものである。

［作用］ この発明においては．測定用超音波探触子の萌方の一定
距離の拉置に超音波ビームの一部分を遮蔽するように超
音波反射体が配置され，測定用超音波探触子で求めた超
音波伝搬時間から距離を算出する際に，測定用超音波探
触子と超音波反射体間で求めた超音波伝搬時間およびそ
の間の距離を使用することによって，超音波伝搬経路の
環境条件の変化が常に反映され，結果として測定値の精
度を向」二させることができるものである。

またこの発明の別の発明においては，測定用超音波探触
子と計測対象物体間の空中または液体中の超音波ビーム
の伝搬経路に温度検出器が配置され，測定用超音波探触
子で求めた超音波伝搬時間から距離を算出する際に，Ｌ
記の温度検出器で得られた温度を加味することによって
，超音波伝搬時間経路の環境温度の変化が常に反映され
，結果として測定値の精度を向上させることができるも
のである。

さらにこの発明の別の発明においては，校正用超音波振
動子の前方の一定距離の｛ｉ’／置に超音波ビ−ｌ，を
遮敵するように超；：ｒ１波反射体が設ｉｔ”ｘされ測
定用超音波振Ｊψ了から求めた超音波伝搬時間から距離
を算出する際に，校正用超音波振動子と超音波反射体間
で求めた超音波伝搬時間およびその間の距離を使用する
ことによって，超音波伝搬経路の環境条件の変化が常に
反映され，結果として測定値の精度を向−１ニさせるこ
とができるものである。

［実施例］ 第１図はこの発明による−実施例を示したものであり，
本図において（１），　（２Ｔ），　（２Ｒ），　（３
），　（４），　（５）（６）は第７図と同一のもの，
（７）は測定用超音波送信探触子（２丁）から出た超音
波ビームの一部を反射する超音波反則体，Ｕ８は測定用
の超音波送受信探触子（２Ｔ），　（２Ｒ）と超音波反
射体（７）間の空中を伝搬する超音波，ＬＫはその間の
距離である。

いま，測定用超音波送信探触子（２丁）には，前記（１
１） 第７図と同様に送信回路（１）からの電気パルスが供給
され超音波Ｕ５およびＵＫが発生する。空中を伝搬した
超音波Ｕ８は対象物体（６）で反射し，超音波Ｕえは，
対向して配置されている超音波反射体（７）で反射した
後，測定用超音波受信探触子（２Ｒ）で受信される。測
定用超音波受信探触子（２Ｒ）で受信された超音波は電
気信号に変換され，受信回路（３）へ送られた後，時間
検出回路（４）で処理され超ａ波伝］般時間が求められ
る。この発明においては，一．つの時間検出回路を具備
しており，第１の時間検出回路（４Ｓ）では対象物体（
６）との間の超音波伝搬時間Ｔｓが，第２の時間検出回
路（４Ｋ）では超音波反射体（７）との間の超音波伝搬
時間ＴＫが検出される。ここで，超音波送受信探触子（
２）と超音波反射体（７）との間の距離ＬＫは既知の一
定値であるから，超音波ＵＫの伝搬経路での音速ＶＫは
次の（３）式によって求められる。

ＶＫ−２　ＬＫ／ＴＫ　　　　　　・・・・・・・・・
（３）−１二式で求めたＶ１は超音波Ｕ８の伝搬経路に
おける音速にほぼ等しいと考えられ，この値を（＋）式
（Ｉ２） の■いの代わりとすることによって対象物体までの計測
ｉ！１離が下式で算出される。

Ｌ．一（Ｌ．・Ｔ．）／′ＦＫ　　　　・・・・・・・
（４）したがって，時間検出回路（４Ｓ），　（４Ｋ）
で求めた超音波伝搬時間Ｔ　ｓ，　Ｔ　Ｋを距離演算回
路（５）へ送りＬ記の（３），　（４）式を使って釘ｉ
離Ｌ．の４１ｆｊを知ることができる。（４）式におい
て＋−Ｋは一定植で”Ｉ’　ｓ，　　Ｉ．　Ｋは伝搬１
時間であり，温度変化に人き＜Ａ二右される音速などを
含まないため，常１：　Ｌ’１度のａ’５　Ｌ　’　３
１’　Ｉｌｌ’ｌ　Ｌ’ｉ果を得ることが可能となる。

以」二の第１図における実施例では，第３図と同様に超
音波送信探触子と超音波受信探触子とが別々に分かれて
いる場合について述べたが，両者は−・体になっている
こともあり，その場合も動作は全く同様である。

第２図はこの発明による第１図の実施例における超音波
の受信波形と超音波伝搬時間との関係を示したもので，
図中（ａ）においてＴは送信バルスＵＫは超音波反射体
（７）からの反射エコー，Ｕ８は対象物体（６）からの
反射エコーである。また図中（ｌ））は反射エコーＵＫ
を取り１１１すための検出ゲート，（ｃ）は反射エコー
Ｕ９を取り出すための検出ゲートである。第１図の実施
例における時間検出回路（４Ｋ），　（４３）では，そ
れぞれ第２図の（ｂ），　（ｃ）に示すような検出ゲー
トによって反射エコーを取り出し例えば送信パルスとの
間の時間を算出することで超音波伝搬時間ＴＫおよび′
Ｉ′５を得ることができるなお第１図では，対象物体（
６）までの距離を測定するｒ段について説明したもので
あるが，測定川Ｍｉ　ｒ’＋’波探触Ｊ’−を対象物体
（６）の両側に対向するように配置することによって，
対象物体（６）の厚さを測定する場合についても同様に
適用できるものである。

第３図はこの発明による他の実施例を示したものであり
，本図において（１），　（２Ｔ），　（２Ｒ），　（
３），　（４），（５），　（６）は第７図と同一のも
の，（８）は測定用超音波送信探触子（２Ｔ）から出た
超音波ビームの伝搬経路に配置された温度検出儒である
。

いま，測定用超音波送信探触子（２Ｔ）には，前記第７
図と同様に送信回路（１）からの電気パルスが（Ｉ３） 供給され超音波Ｕ，が発生する。窄中を伝搬した超音波
Ｕ８は計測対象物体（６）で反射した後，測定用超音波
受信探触子（２Ｒ）で受信される。測定用超音波受信探
触子（２Ｒ）で受信された超音波は電気信号に変換され
，受信回路（３）へ送られた後，時間検出回路（４）で
処理され超音波伝搬時間′ｒ５が求められる。

いま，（２）式を（１）式に代入するとド式が７Ｂ７ら
れる。

Ｌ，ｑ＝Ｖ。・′ｌ’　．（　Ｉ　ｌ−　′Ｉ’　／２
７３）　’　”／２　　・・・・　（５）従って，時間
検出回路（４）で求めた超音波伝搬時間Ｔ８および温度
検出器（８）で求めた温度Ｔを距離演算回路（５）へ送
り，上記の（５）式を使って距離Ｌｑの値を知ることが
できる。（５）式においてＶ。は−定値で′ｒｓは伝搬
時間であり，温度変化に左右される音速などを含まない
ため，常にｉｆＪ度の高い計測結果を得ることが可能と
なる。

以−１二の第３図における実施例では，第７因と同様に
超音波送信探触子と超音波受信探触子とが別々に分かれ
ている場合について述べたが，両省は（１５） 一体になっていることもあり，その場合も動作は全く同
様である。

第４図はこの発明による第３図の実施例における超音波
の受信波形と超音波伝搬時間との関係を示したもので，
因中（ａ）においてＴｐは送信パルス，Ｕ．．は計測対
象物体（６）からの反射エコーである。

また図中（ｂ）は反射エコーＵ８を取り出すための検出
ゲートである。第３図の実施例における時間検出回路（
４）では，第４因の（ｈ）に示すような検出ゲートによ
って反射エコーを取り出し，例えば送信パルスとの間の
時間を算出することで超音波伝搬時間Ｔ８を得ることが
できる。

なお第３図では，計測対象物体（６）までの距離を測定
する手段について説明したものであるが，測定用超音波
探触子を計測対象物体（６）の両側に対向するように配
置することによって計測対象物体（６）の厚さを測定す
る場合についても同様に適用できるものである。

第５図はこの発明によるさらに他の実施例を示したもの
であり，本図において（１），　（２），　（３），　
（４），（ｌ６） （５１　（６）は第８図と同−のちの，（７）は校正用
超音波振動子ＺＸから出た超音波ビームを反射する超音
波反射体，Ｕ１は校正用の超音波振動子Ｚ８と超音波反
射体（７）間の空中を伝搬する超音波，ＬＫはその間の
距離である。

いま，測定用超音波振動子Ｚｑには，前記第８図と同様
に送信回路（１）からの電気パルスが供給され超音波Ｕ
８が発生するが，校正用超音波振動子ＺＫにも送信回路
（１）からの電気パルスで超音波ＵＫが発／ＩＥする。

窄中を伝搬した超．゛゜？波Ｕ９は対象物体（６）で反
射し，超，′Ｘ１；．波Ｕｘは対向して配置されている
超音波反射体（７）で反射した後，それぞれの超音波振
動子２．．２Ｋで受信される。測定用および校正用超ｆ
′ｉ波振動子で受信された超１゜′１゛波は宙気信号に
変換され，受信回路（３）へ送られた後，時間検出回路
（４）で処理され超音波伝搬時間が求められる。この発
明においては，二つの時間検出回路を具備しており，第
１の時間検出回路（４Ｓ）ではでは対象物体（６）との
間の超音波伝搬時間Ｔ９が第２の時間検出回路（４Ｋ）
では超音波反射体（７）との間の超音波伝搬時間Ｔえが
検出される。ここで校正用超音波振動子ｚＫと超音波反
射体（７）との間の距離ＬＸは既知の一定値であるから
，超音波Ｕ８の伝搬経路での音速ＶＫは前述の（３）式
によって求められる。

（３）式で求めた■、は超音波Ｕｓの伝搬経路における
音速にほぼ等しいと考えられ，この値を（１）式のＶＡ
の代わりとすることによって対象物体までの計測距離が
前述の（４）式で算出される。

従って，時間検出回路（４Ｓ），　（４Ｋ）で求めた超
音波伝搬時間Ｔ　ｓ，　ＴＫを距離演算回路（５）へ送
り，上記の（３），　（４）式を使って距離Ｉ７８の値
を知ることができる。（４）式においてＬＫは一定植で
ゴ５，　′ｌ’、は伝搬時間であり，温度変化に大きく
左右される音速などを含まないため，常に精度の高い計
測結果を得ることが可能となる。

第６図はこの発明による第５図の実施例における超音波
の受信波形と超音波伝搬時間との関係を示したもので，
図中（ａ）においてＴは送信パルス，ＵＫは超音波反射
体（７）からの反射エコー，Ｕ５は対ｒ１７） （１８） 象物体（６）からの反射エコーである。また図中（ｂ）
は反射エコーＵｋを取り出すための検出ゲート（ｃ）は
反射エコーＵ８を取り出すための検出ゲートである。第
１図の実施例における時間検出回路（４Ｋ）（４Ｓ）で
は，それぞれ第６図の（ｂ），　（Ｃ）に示すような検
出ゲートによって反射エコーを取り出し，例えば送信パ
ルスとの間の時間を算出することで超音波伝搬時間ＴＸ
およびＴｑを得ることができる。

なお第５図では，対象物体（６）までの距離を測定する
手段について説明したものであるが，超音波探触子（２
）を対象物体（６）の両側に対向するように配置するこ
とによって対象物体（６）の厚さを測定する場合につい
ても同様に適用できるものであるまた第５図では，測定
用超音波振動子Ｚｓと校正用超ｊ′？波振動子ｌＫとが
Ｊ（通の送受信１１１１路に接統されているものとして
説明したが，両者は別々の送受信回路に接続されること
もあり，その場合も動作は全く同様である。

［発明の効果］ この発明においては，測定用超音波探触子と３１（１９
） 測対象物体間の空気の温度変動の影響を極力小さく押さ
えることができるため，窄中の超音波ｆ？速などの変化
による測定稍度低下を防止する効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明による実施例を示す図，第２図は第１
図の実施例における超音波エコーと超音波伝搬時間との
関係を説明するための図，第３図はこの発明による他の
実施例を示す因，第４口は第３図の実施例における超音
波エコーと超音波伝搬時１１｝ｊとの関係を説明するた
めの図，第５図はこの発明によるさらに他の実施例を示
す｛沼，第６図は第５図の実施例における超音波エコー
と超音波伝搬時間との関係を説明するための図，第７図
および第８図は従来の技林１を説明するための図である
。 図において，（１）は送信１回路，（２］”）は超と？
波送信探触子，　（２Ｒ）は超音波受信探触子，（３）
は受信回路（４）は時間検出回路，（５）はｋ’ｌｉ離
演算ｒＭＩ路，（６）は計測対象物体，（７）は超音波
反射体，（８）は温度検出器（２０） ＺＫは校正用の超音波振動子，ＺＳは測定用の超旨・波
振動子である。 なお，図中同一符号は同一または相当部分を示す。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）超音波を対象物体に向けて送信したり対象物体か
   ら反射してきた超音波を受信するための１個または複数
   個の測定用超音波探触子と、前記測定用超音波探触子の
   前方の一定の距離において超音波ビームの一部分を遮蔽
   するように設けられた超音波反射体と、前記測定用超音
   波探触子に送信用電気パルスを供給する送信回路と前記
   測定用超音波探触子から受信した電気信号を増幅する受
   信回路と、前記受信回路から得られた信号により対象物
   体から反射してきたエコーまでの超音波伝搬時間を取り
   出す第１の時間検出回路と、前記受信回路から得られた
   信号により前記の超音波反射体から反射してきたエコー
   までの超音波伝搬時間を取り出す第２の時間検出回路と
   、前記第１、第２の時間検出回路の出力信号を入力し、
   前記測定用超音波探触子と超音波反射体間の距離および
   超音波伝搬時間と前記の測定用超音波探触子と対象物体
   間の超音波伝搬時間とを使用して、前記の測定用超音波
   探触子から対象物体までの距離を算出する距離演算回路
   とを具備したことを特徴とする超音波計測装置。
2. （２）超音波を計測対象物体に向けて送信したり計測対
   象物体から反射してきた超音波を受信するための１個ま
   たは複数個の測定用超音波探触子と、前記測定用超音波
   探触子と計測対象物体間の空中または液体中の超音波ビ
   ームの伝搬経路に配置された温度検出器と、前記測定用
   超音波探触子に送信用電気パルスを供給する送信回路と
   、前記測定用超音波探触子から受信した電気信号を増幅
   する受信回路と、前記受信回路から得られた信号により
   計測対象物体から反射してきたエコーまでの超音波伝搬
   時間を取り出す時間検出回路と、前記時間検出回路およ
   び温度検出器の出力信号を入力し、前記温度検出器で得
   られた温度と、前記の時間検出回路で得られた超音波伝
   搬時間とを使用して、前記の測定用超音波探触子から計
   測対象物体までの距離を算出する距離演算回路とを具備
   したことを特徴とする超音波計測装置。
3. （３）超音波を対象物体に向けて送信し、かつ対象物体
   から反射してきた超音波を受信するための測定用超音波
   振動子と、前記測定用超音波振動子に隣接し同一のケー
   ス内に収納された校正用超音波振動子と、前記校正用超
   音波振動子の前方の一定の距離において校正用超音波振
   動子が送信した超音波ビームを遮蔽するように設けられ
   た超音波反射体と、前記測定用超音波振動子および校正
   用超音波振動子に送信用電気パルスを供給する送信回路
   と、前記測定用超音波振動子および校正用超音波振動子
   から受信した電気信号を増幅する受信回路と、前記受信
   回路から得られた信号により対象物体から反射してきた
   エコーまでの超音波伝搬時間を取り出す第１の時間検出
   回路と、前記受信回路から得られた信号により前記超音
   波反射体から反射してきたエコーまでの超音波伝搬時間
   を取り出す第２の時間検出回路と、前記第１、第２の時
   間検出回路の出力信号を入力し、前記校正用超音波振動
   子と超音波反射体間の距離および超音波伝搬時間と、前
   記測定用超音波振動子と対象物体間の超音波伝搬時間と
   を使用して、前記測定用超音波振動子から対象物体まで
   の距離を算出する距離演算回路とを具備したことを特徴
   とする超音波計測装置。