(57)【要約】【課題】  コンクリート構造体内の鉄筋や人体組織内の血管等の線状体の外径等を超音波を用いて非破壊又は非浸襲で簡単且つ高精度で計測できるようにする。【解決手段】  線状体へ向けて超音波を発すると共に反射超音波を検出する超音波プローブと、超音波プローブとの間で電気信号を入・出力する超音波パルサレシーバと、超音波パルサレシーバからの反射超音波信号を記録する超音波探傷装置と、超音波探傷装置からの反射超音波に係る情報から波形微量を抽出する波形特徴量抽出装置と、抽出した波形特徴量から線状体外径を演算する外径演算装置と、演算した外径及び波形特徴量の表示構造とから線状体外径測定装置を構成する。【選択図】      図１
2014010130.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気信号の入力により線状体へ向けて超音波を発すると共に反射超音波を検出して対応する電気信号を出力する超音波プローブと、超音波プローブとの間で電気信号の入・出力を行う超音波パルサレシーバと、超音波パルサレシーバから入力された反射超音波に関する電気信号を記録する超音波探傷装置と、超音波探傷装置に記録した反射超音波に関する情報からその波形特徴量を抽出する波形特徴量抽出装置と、波形特徴量抽出装置で抽出した波形特徴量から線状体の外径を演算する外径演算装置と、演算した外径及び波形特徴量の表示装置とを備えた超音波を用いた線状体の外径測定装置に於いて、超音波探傷装置を反射超音波に関する電気信号のＡ／Ｄ変換機構と、Ａ／Ｄ変換機構からのディジタル信号の演算保持機構を具備する装置とすると共に、前記波形特徴量抽出装置を反射超音波の波形特徴量として周波数スペクトルのピーク値に対応する周波数を抽出する装置としたことを特徴とする超音波を用いた線状体の外径測定装置。
【請求項２】
波形特徴量抽出装置を、反射超音波形を高速フーリエ変換することにより反射超音波の周波数帯域を算出すると共に、第１高周波における最大周波数成分を有する周波数をピーク値に対応する周波数とする構成とした請求項１に記載の超音波を用いた線状体の外径測定装置。
【請求項３】
超音波プローブを、ケース内に上方より順に吸音材と−電極と圧電素子と＋電極と整合層とを配設した構成とすると共に、前記ケースの下方を、内部に線状体を支持し且つ底面に反射板を設けた水槽の水内に位置せしめ、超音波の発信及び受信を行う超音波プローブとした請求項１に記載の線状体の外径測定装置。
【請求項４】
外径演算装置を、線状体と同材質で外径の異なる複数の線状体の予め測定した、前記ピーク値に対応する周波数と外形との相関関係を用い、被測定線状体の外形を演算する構成とした請求項１に記載の線状体の外径測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波を用いた人体内の血管やコンクリート構造物内の鉄筋等の外径測定装置の改良に係り、測定装置の構造の簡素化、取扱性の向上、測定精度の向上及び製造コストの引下げ等を可能にした超音波による線状体の外径測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
超音波を用いて人体組織内の血管径や構造物内の鉄筋径等を非侵襲で測定するようにした技術は、従前から多方面で開発されており、実用化も図られている。
【０００３】
図７はその一例を示すものであり、水層Ａ内に配置した線材Ｂの軸線の両側に、距離ｌをおいてトランジューサＣ１、Ｃ２を対向状に配設し、トランジューサＣ１、Ｃ２から発信した超音波Ｐが水Ｗと線材Ｂとの境界面から反射して受信されるまでの時間ｔ１、ｔ２を測定して、この時間ｔ１、ｔ２と超音波の伝播速度υとから距離ｌ１、ｌ２を演算し、線材Ｂの外径ｄをｌ−（ｌ１＋ｌ２）として演算するものである。尚、Ｄは距離ｌの調整測定装置である（特開昭５３−２５４５１号等）。
【０００４】
しかし、図７の方式は、２台のトランジューサＣ１、Ｃ２を必要とするうえ、トランジューサＣ１、Ｃ２と境界面間の超音波伝播時間ｔ１、ｔ２を高精度で測定することが困難なため、距離ｌ１、ｌ２の測定制度、即ち線材Ｂの外径ｄの測定精度が低いと云う難点がある。
【０００５】
また、線材Ｂの長さ方向の複数点の外径を測定する場合には、トランジューサＣ１、Ｃ２を線材Ｂの軸線方向へ移動させて距離ｌを再調整するか、若しくは、線材Ｂ自体を軸芯方向へ移動させる必要があり、外径測定装置の小型化や操作性、測定時間、測定精度等の点で様々な問題が存在する。
【０００６】
更に、図８の（ａ）に示す様に線材Ｂが円管状の場合には、図８の（ｂ）の如く超音波反射パルスＰ１の強度は、線材Ｂの外径ｄに比例すると想定できる。そのため、この現象を利用して、超音波反射パルスＰ１の強度から線材Ｂの外径ｄを演算する方法が開発されている（特開２００６−２０４７２２号）。
しかし、図８の方法では、超音波送受信素子Ｃの特性や超音波伝播媒質Ｅの状態（物質の種類、深さ等）よって外径ｄの演算値が大きく変動することになり、結果として、媒質Ｅの厚さ寸法ｌeが不明若しくは大きく変化する場合には、この測定方法を適用することができないという問題がある。
【０００７】
一方、超音波を用いた鋼板等の厚み測定に於いては、図9に示すように、超音波探触子Ｃを資料Ｂ１の表面に対接させ、超音波Ｐの周波数を変化させることにより、試料Ｂ１の厚みに対応した共振周波数ｆｎが、ｆｎ＝Ｃｎ／２ｌbとして得られることが知られており、この共振周波数ｆｎから試料Ｂ１の厚さｌｂが、ｌｂ＝v／２（ｆｎ+1−ｆｎ）として求められている。
尚、vは試料Ｂ中の音速、ｌｂは試料Ｂ１の厚み、ｎは次数、ｆｎはｎ次の共振周波数である（特公昭５２−１８５９１号、特開平５−１９１０号）。
【０００８】
即ち、この共振法と呼ばれる厚み測定技術は、図９（a）に示す如く、試料Ｂ１を透過した超音波Ｐが反射板Ｒで反射され、試料Ｂ１を再度透過して超音波探触子Ｃへ入射される。
図９（ｂ）は、超音波探触子Ｃへの入射超音波の強度と時間の関係を示すものであり、Ａ１２は試料Ｂ１から反射超音波、Ａ１３は反射板Ｒからの反射超音波を示すものであり、試料Ｂ１内を２回に亘って透過した超音波（２重透過波）である。
図９（ｃ）は、この２重透過波Ａ１３の波形を周波数解析したものであり、特定の共振周波数ｆ０を有するものである。
従って、この２重透過波Ａ１３の共振周波数を用いることにより、前記試料Ｂ１の厚さｌｂを演算することが出来る。
【０００９】
しかし、上記図９の方法は、板状の試料Ｂ１の厚さ検出を主目的とするものであり、断面円形の線状体の外径測定に適用できないという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開昭５３−２５４５１号公報
【特許文献２】特開２００６−２０４７２２号公報
【特許文献３】特開平５−１９１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、従前の超音波を用いた線状体の外径測定装置に於ける上述の如き問題、即ち、２基の超音波送受器を対向状に配設する方式の外径測定装置や、射超音波の走行時間の検出値から試料外径を演算する方式の外径測定装置にあっては、装置の小型、軽量化を図れないうえ、高精度な計測が困難なこと、また、試料内を透過する超音波の固有共振周波数ｆPを求め、当該固有共振周波数ｆPから試料厚さを演算する方式は、線状体の外径測定にこれを直接そのまま適用することは困難であり、高精度な線状体の外径測定が出来ないこと等の問題を解決せんとするものであり、物質内に存在する線状体からの超音波反射波を周波数解析することにより、棒状或いは円管状の線状体の外径を高精度で、しかも、簡単且つ容易に計測できるようにした、超音波を用いた線状体の外径測定装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本願発明者等は、２重透過超音波の共振周波数f０を用いて、平板状試料の厚みを比較的高精度で計測できることに着目し、水層中に配置した試験体である線状体からの反射超音波を解析し、当該反射超音波のピーク周波数を求めると共に、ピーク周波数と線状体外径との関係を、線状体外径、線状体材質及び超音波周波数等をパラメータにして数多く演算し、測定する試験を実施した。
【００１３】
本願発明は、上記着目に基づく各種試験の結果を基に創作されたものであり、請求項１の発明は、電気信号の入力により線状体へ向けて超音波を発すると共に、反射超音波を検出して対応する電気信号を出力する超音波プローブと、超音波プローブとの間で電気信号の入・出力を行う超音波パルサレシーバと、超音波パルサレシーバから入力された反射超音波に関する電気信号を記録する超音波探傷装置と、超音波探傷装置に記録した反射超音波に関する情報からその波形特徴量を抽出する波形特徴量抽出装置と、波形特徴量抽出装置で抽出した波形特徴量から線状体の外径を演算する外径演算装置と、演算した外径及び波形特徴量の表示装置とを備えた超音波を用いた線状体の外径測定装置に於いて、超音波探傷装置を、反射超音波に関する電気信号のＡ／Ｄ変換機構と、Ａ／Ｄ変換機構からのディジタル信号の演算保持機構を具備する装置とすると共に、前記波形特徴量抽出装置を、反射超音波の波形特徴量として周波数スペクトルのピーク値に対応する周波数を抽出する装置としたことを発明の基本構成とするものである。
【００１４】
請求項２の発明は、請求項１の発明に於いて、波形特徴量抽出装置を、反射超音波形を高速フーリエ変換することにより反射超音波の周波数帯域を算出すると共に、第１高周波における最大周波数成分を有する周波数をピーク値に対応する周波数とするようにしたものである。
【００１５】
請求項３の発明は、請求項１の発明に於いて、超音波プローブを、ケース内に上方より順に吸音材と−電極と圧電素子と＋電極と整合層とを配設した構成とすると共に、前記ケースの下方を、内部に線状体を支持し且つ底面に反射板を設けた水槽の水内に位置せしめ、超音波の発信及び受信を行う超音波プローブとしたものである。
【００１６】
請求項４の発明は、外径演算装置を、線状体と同材質で外径の異なる複数の線状体の予め測定した、前記ピーク値に対応する周波数と外形との相関関係を用いて、被測定線状体の外形を演算するようにしたものである。
【発明の効果】
【００１７】
本願発明に係る超音波を用いた線状体の外径測定装置では、波形特徴量抽出装置及び外径演算装置を設け、前者の波形特徴量抽出装置に於いて、線状体からの反射超音波を高速フーリエ変換することにより反射超音波のピーク周波数を波形特徴量として抽出すると共に、後者の外径演算装置に於いて、同材質の異径線状体について予め求めたピーク周波数と外径との相関関係を用いて、被試験線状体の外径を算出する構成としている。
【００１８】
その結果、構造物や人体組織内に存在する線状体の外径を非破壊若しくは非侵襲の状態下で、検査対象に負荷を掛けることなく簡単且つ高精度で、計測することができる。
また、使用する超音波プローブは構造が簡単で小型であるため、小さな線状体の部位にも適用することができると共に、操作も簡便で、容易に運搬することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施形態に係る線状体の外径測定装置のブロック構成図である。
【図２】本発明で使用する超音波プローブの構成図である。
【図３】超音波プローブの別の適用例を示す概要図である。
【図４】波形特徴量抽出器に於ける波形処理の一例を示す説明図であり、（ａ）は線形状の試料体から取得した反射超音波の波形、（ｂ）は超音波反射波の周波数スペクトルの一例を示すものである。
【図５】波形特徴量抽出器に於いて抽出した反射超音波のピーク周波数ｆｐの一例を示すものである。
【図６】試験体の直径（外径）φの逆数とピーク周波数ｆＰの関係を示す線図であり、（ａ）はナイロン製線形状試験体の場合、（ｂ）は銅製線形状試験体の場合を示すものである。
【図７】従前の線材用外径測定装置の構成図である。
【図８】従前のチューブ用外径測定装置の説明図であり、（ａ）は測定装置の構成説明図、（ｂ）はチューブ外径と超音波プローブの出力電圧との関係を示す線図である。
【図９】従前の超音波プローブを用いた薄鋼板の厚み測定装置の説明図であり、（ａ）は超音波プローブの構成図、（ｂ）は反射超音波の波形図、（ｃ）    は反射超音波の周波数スペクトル図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図面に基づいて本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る線状体の外径測定装置のブロック構成図であり、図２は本発明で使用する超音波プローブの構成図である。
【００２１】
本発明に係る線状体の外径測定装置１は、線形状の試験体（線状体）２と対向状に配設した超音波プローブ３と、超音波プローブ３に接続した超音波パルサレシーバ４と、超音波パルサレシーバ４からの出力が入力される超音波探傷装置５と、超音波探傷装置５からの出力波形を処理する波形特徴量抽出器６と、波形特徴量抽出器６の出力から試験体（線状体）２の外径を演算する外径演算装置７と、外径演算値等の表示装置８とから構成されている。
【００２２】
前記試験体（線状体）２は、外径０．０１〜５０ｍｍφ程度の断面形状が円形の中実又は中空状の線状体であり、線状体を形成する材質は金属、合成樹脂、植物、生体組織等の如何なる物質であっても良い。
尚、本実施形態に於いては、宜の長さに切断した外径０．０３〜０．１ｍｍφの銅線状体やナイロン線状体が使用されている。
【００２３】
前記超音波プローブ３は、図２に示す如く、直径１５〜２０ｍｍφ、高さ４０〜５０ｍｍの円筒形ケース３ａ内に、電気信号の入力により振動して超音波を発生すると共に反射超音波の入力によって電気信号を発生する圧電素子３ｂと、圧電素子３ｂの上面に設けた−電極３ｃ及び下面に設けた＋電極３ｄと、−電極３ｃの上方に設けた吸音材３ｅと、＋電極３ｄの下方に設けた整合層３ｆと、リード３ｇ及びコネクタ３ｈ等から形成されている。
【００２４】
前記吸音材３ｅは、発生した超音波の後方進行部分を吸収すると同時に、圧電素子３ｂの自由振動を抑制して送信波の指向性を高めると共に、送信波の帯域を調整する機能を果すものである。また、整合属３ｆは試験体２へ効率よく超音波を伝達させる機能を果すものであり、試験体２が水や超音波伝播媒体Ｗが水の場合にはエポキシ樹脂膜等が、また、試験体２が金属や超音波伝播体Ｗがコンクリート構造物等の場合には、セラミックス板やＳＵＳ板等が使用される。
尚、超音波プローブ３自体は公知であるため、ここではその詳細な説明は省略する。
【００２５】
図３は、本発明に係る超音波プローブ３の他の適用例を示すものであり、図１のように、超音波プローブ３を試験体２へ直接に対向させるのではなしに、試験体２を、超音波伝播媒体Ｗとして水を満たした水槽９内に配置する構成としたものである。
【００２６】
図３の実施例に於いては、水槽９は合成樹脂材により横幅８００ｍｍ×縦幅８００ｍｍ×高さ５００ｍｍの外形寸法に形成されており、その内部には超音波の伝播媒体Ｗである水（水道水）が充満されている。
また、水槽９の底面には、試験体２の支持片９ａ及びアクリル平板製の超音波反射板１０が配設されている。
【００２７】
尚、本実施例では、水内に試験体２を浸漬した状態としているが、コンクリート構造物内の鉄筋等の場合には、コンクリート構造物そのものが超音波の伝播媒体Ｗになる。
【００２８】
超音波パルサレシーバ４は、超音波プローブ３へ電気信号を出力して圧電素子３ａから超音波を発生させると共に、反射超音波により圧電素子３ａに生じた電気信号を入力として受け入れ、この反射超音波に対応する電気信号を超音波探傷装置５へ出力するものである。
【００２９】
前記超音波探傷装置５は、超音波プローブ３により計測された反射波Ｖ（ｔ）を超音波パルサレシーバ４から取得し、反射波Ｖ（ｔ）をディジタル信号として出力するＡ／Ｄ変換５ａと、Ａ／Ｄ変換されたデータの演算及び保持機構５ｂとを具備するものであり、反射波の電気信号Ｖ（ｔ）の電圧値がＡ／Ｄ変換部５ａに於いて４０９６諧調のディジタル値に変換されると共に、サンプリング間隔４０ＰＳでもって取得したデータの時間軸情報及び電圧値情報が、データ保持機構５ｂに保持される。
【００３０】
尚、本実施形態に於いては、超音波探傷装置５として、ディジタルオシロスコープ等の演算器を使用しているが、超音波探傷装置５自体は公知であるため、詳細な説明は省略する。
【００３１】
前記波形特徴量抽出器６は、超音波探傷装置５に保持されている反射超音波Ｖ（ｔ）のデータの解析処理を行って、反射超音波Ｖ（ｔ）の超音波特徴量であるピーク周波数ｆＰを抽出するものである。
【００３２】
即ち、波形特徴量抽出器６では、３段階の動作を行うことにより前記ピーク周波数ｆＰの抽出を行う。
第１段階では、図４の（ａ）に示すように、試験体２による反射波を、波形の時間軸上で指定する。第２段階では、図４の（ｂ）に示すように、フーリエ変換により試験体２による反射波の周波数成分を算出する。第３段階では、ノイズによる周波数成分である０．５ＭＨＺ以下の低周波数帯を除き、周波数成分の最大値を１として正規化を行い、図５に示すように、周波数帯成分が閾値０．２を超え且つ最も低周波数に存在する周波数帯の最大周波数成分であるピーク周波数ｆＰを抽出する。
【００３３】
なお、試験体２の材質や線径に応じて、上記閾値等の各数値が適宜に変更されることは勿論である。
また、本実施例に於いては、波形特徴量抽出器６としてディジタル計算機などの演算器を用い、超音波探傷装置５に保持されている反射波Ｖ（ｔ）から超音波特徴量であるピーク周波数ｆＰを抽出するようにしている。
【００３４】
前記外径演算装置７は、上記の波形特徴量抽出器６により抽出されたピーク周波数ｆＰより、同材質の試験体について予め求められた外径ｄとピーク周波数ｆＰとの関係に基づいて、被試験体の外径の演算を行うものである。
【００３５】
例えば、ナイロン製の線形試験体２に対してピーク周波数ｆＰを求めた結果をプロットすると、図６の（ａ）のように、ピーク周波数ｆＰと直径φの逆数との間には比例の関係がある。また、銅製の線形試験体２の場合に於いても、図６の（ｂ）に示すように同様のことが言え、ピーク周波数ｆＰと直径φの逆数とは比例関係にある。そのため、この関係を利用して試験体２の直径φを算出する。
【００３６】
具体的には、測定対象の線形試験体２と同材質であって外径が異なる２種類以上の線形素材に対して、予めそれぞれのピーク周波数ｆＰを算出し、その後、ピーク周波数ｆＰと直径φの逆数に関して、最小二乗法により一次方程式への近似を行って、比例係数ａと切片ｂを下記の数式１、数式２を用いて算出する。
尚、下記の数式１及び数式２は、ｎ種類の異なる外径の線形状試験体２について測定した場合の比例帯数ａ及び切片ｂを示すものである。
【００３７】
【数１】
2014010130.tif 000003
【００３８】
【数２】
2014010130.tif 000004
【００３９】
測定対象の線形試験体２のピーク周波数ｆｐが求まれば、直径φを下記の数式３を用いて演算する。但し、φは試験体の直径、ａは比例定数、ｂは切片、ｆｐは試験体２のピーク周波数である。
【００４０】
【数３】
2014010130.tif 000005
【００４１】
外径演算装置７で演算された直径φは、表示装置８に出力される。尚、表示装置８に於ける表示内容は、利用目的に応じて適宜変更可能なことは勿論である。
【００４２】
また、前記外径演算装置７には、例えばディジタル計算器等の演算器が使用されており、更に、前記表示装置８としてはプリンタ又はディスプレイが使用される。
加えて、前記波形特徴量抽出器６、外径演算装置７及び表示装置８等は一体として構成するのが望ましく、パソコンやタブレット端末等の使用が最適である。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明は、例えば線状体の外径測定を必要とする産業分野、例えば金属線製造産業、製糸産業、医療機器産業、土木建築産業、電気通信産業等のあらゆる産業分野へ適用可能なものである。
【符号の説明】
【００４４】
１  線状体の外径測定装置
２  試験体（線状体）
ｄ  試験体ｎｏ外径
３  超音波プローブ
３ａ  ケース
３ｂ  圧電素子
３ｃ  −電極
３ｄ  ＋電極
３ｅ  吸音材
３ｆ  整合層
３ｇ  配線
３ｈ  コネクタ
４  超音波パルサレシーバ
５  超音波探傷装置
５ａ  Ａ／Ｄ変換機構
５ｂ  演算保持機構
６  波形特徴量抽出装置
７  外径演算装置
８    表示装置
９    水槽
９ａ  試験体支持片
１０  反射板
【図１】
2014010130.tif 000006
【図２】
2014010130.tif 000007
【図３】
2014010130.tif 000008
【図４】
2014010130.tif 000009
【図５】
2014010130.tif 000010
【図６】
2014010130.tif 000011
【図７】
2014010130.tif 000012
【図８】
2014010130.tif 000013
【図９】
2014010130.tif 000014