(57)【要約】【課題】内径の小さい被計測物においても、非接触で正確に計測することができる超音波計測方法及び超音波計測装置を提供することを目的としている。【解決手段】超音波計測装置１は、超音波発生器２と、超音波ビーム３を直角方向に偏向させる反射鏡４と、これら超音波発生器２と反射鏡４から構成された計測プローブ５と、計測プローブ５を上下させる上下機構７と、架台８上に設けられ円筒状の被計測物９を回転させる回転台１０と、超音波発生器２へ送信信号を送り、また、反射された超音波ビーム３の受信信号を受ける送受信機１１と、送受信機１１の制御および受信信号を解析する信号処理装置１２と、により構成されている。これにより、内径の小さな被計測物に対しても正確に計測することができる。【選択図】図１
2014137252.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
送受信機から送出された送信信号に基づいて超音波発生器から発生された超音波ビームを、反射鏡により筒状の被計測物の内壁に対して垂直方向に偏向させ照射させるとともに、前記被計測物あるいは前記反射鏡のいずれか一方を前記被計測物の長手方向を回転軸として回転させ、前記被計測物の内壁から反射された前記超音波ビームを前記送受信機で受信し、その受信信号に基づいて信号処理装置により前記超音波発生器と前記被計測物の内壁との距離を算出し、前記被計測物の内径を算出することを特徴とする超音波計測方法。
【請求項２】
前記超音波発生器は前記超音波ビームを前記被計測物の内壁に収束させる機能を有することを特徴とする請求項１に記載の超音波計測方法。
【請求項３】
前記反射鏡は、前記超音波発生器からの前記超音波ビームを前記被計測物の内壁に垂直に照射させるように反射角が調整できることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超音波計測方法。
【請求項４】
前記信号処理装置は、前記被計測物の内壁の全周に亘って算出された前記超音波発生器から前記被計測物の内壁までの距離の平均値から前記被計測物の中心軸と前記回転軸とのずれ量を算出し、前記算出された距離を補正することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の超音波計測方法。
【請求項５】
超音波ビームを発生させる超音波発生器、
前記超音波ビームを筒状の被計測物の内壁に対して垂直方向に偏向させて照射させる反射鏡、
前記被計測物あるいは前記反射鏡のいずれか一方を前記被計測物の長手方向を回転軸として回転させる手段、
前記超音波発生器から前記超音波ビームを発生させるための送信信号の送出と、前記被計測物の内壁から反射された前記超音波ビームの受信信号の受入とを行う送受信機、
前記受信信号に基づき前記超音波発生器と前記被計測物の内壁との距離を算出し、前記被計測物の内径を算出する信号処理装置、
を備えたことを特徴とする超音波計測装置。
【請求項６】
前記超音波発生器は、前記超音波ビームを前記被計測物の内壁に収束させる機能を有することを特徴とする請求項５に記載の超音波計測装置。
【請求項７】
前記反射鏡は、超音波発生器からの前記超音波ビームを前記被計測物の内壁に垂直に照射させるように反射角が調整できることを特徴とする請求項５または請求項６に記載の超音波計測装置。
【請求項８】
前記信号処理装置は、前記被計測物の内壁の全周に亘って算出された前記超音波発生器から前記被計測物の内壁までの距離の平均値から前記被計測物の中心軸と前記回転軸とのずれ量を算出し、前記算出された前記被計測物の内径を補正することを特徴とする請求項５から請求項７のいずれか１項に記載の超音波計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、筒状の被計測物の内径を計測する方法及び装置に関し、特に、内径の小さい被計測物に対して超音波ビームを用いて非接触で計測する超音波計測方法及び超音波計測装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
筒状の被計測物の内径を計測するため、２点接触で内径を計測するボアゲージ等の計測器を用いて計測する方法が広く用いられている。しかし、被計測物がゴムなどの柔軟物である場合においては、計測時に接触子の圧力により被計測物の形状が変化し、正確な内径を測ることが困難であるため、超音波を利用して非接触で内径を計測する方法が用いられる。
【０００３】
例えば、特許文献１の超音波を用いた管内計測装置では、プローブに超音波を発信することができる発信素子としての機能と超音波を受信することができる受信素子としての機能を有する素子を設け、超音波を発信する時刻と管の複数の内壁から反射された超音波を受信した時刻とから管の内径を計測している。これにより、非接触で管の内径を計測することができる。
【０００４】
また、特許文献２の超音波内径測定装置では、超音波受波素子を二枚の振動子を背中合わせに配置した構造として、内孔面に向かって相互に１８０°方向の異なる超音波ビームを伝播させ、それぞれ内孔面の手前の超音波ビーム内に基準反射体と校正反射体を置き二つの反射体間の距離と、基準反射体と内孔面との距離を同時に測定できるようにしている。これにより、送受波子の位置の変動の影響を受けずに、精度の向上を図ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−９７５１４２号公報
【特許文献２】特開平４−２０４００５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１の管内計測装置においては、一つの発信素子と複数の受信素子の組み合わせで構成されており、発信素子から放射された超音波は内壁で多数の反射を繰り返すため、複数の受信素子で受信した反射波の中から信号を抽出しなければならず、被計測物によっては、正確に計測できない可能性があるといった問題があった。また、複数の発信素子と複数の受信素子の組み合わせの場合についても、他の発信素子からの超音波を識別する必要があるといった問題があった。さらに、発信素子や受信素子を多数、プローブに収容する必要があるため、プローブが大きくなり、内径の小さい管には適用できないといった問題もあった。
【０００７】
また、特許文献２の超音波内径測定装置においては、二枚の振動子を背中合わせに配置し、内孔面の手前の超音波ビーム内に基準反射体と校正反射体を２個ずつ置き、反射体の相互の位置関係を予め正確に測定しておく手法を用いているため、内径の大きな管の計測は可能であるが、内径の小さい管には用いることができないといった問題があった。
【０００８】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、内径の小さい管においても、非接触で正確に計測することができる超音波計測方法及び超音波計測装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明の超音波計測方法は、送受信機から送出された送信信号に基づいて超音波発生器から発生された超音波ビームを、反射鏡により筒状の被計測物の内壁に対して垂直方向に偏向させ照射させるとともに、前記被計測物あるいは前記反射鏡のいずれか一方を前記被計測物の長手方向を回転軸として回転させ、前記被計測物の内壁から反射された前記超音波ビームを前記送受信機で受信し、前記受信信号に基づいて信号処理装置により前記超音波発生器と前記被計測物の内壁との距離を算出し、前記被計測物の内径を算出することを特徴とするものである。
【００１０】
また、本発明の超音波計測装置は、超音波ビームを発生させる超音波発生器、前記超音波ビームを筒状の被計測物の内壁に対して垂直方向に偏向させて照射させる反射鏡、前記被計測物あるいは前記反射鏡のいずれか一方を前記被計測物の長手方向を回転軸として回転させる手段、前記超音波発生器から前記超音波ビームを発生させるための送信信号の送出と、前記被計測物の内壁から反射された前記超音波ビームの受信信号の受入とを行う送受信機、前記受信信号に基づき前記超音波発生器と前記被計測物の内壁との距離を算出し、前記被計測物の内径を算出する信号処理装置、を備えたことを特徴とすることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の超音波計測方法及び超音波計測装置によれば、超音波ビームを筒状の被計測物の内壁に対して垂直方向に偏向させて照射させる反射鏡を備え、反射鏡あるいは被計測物を回転させて、被計測物の内壁までの距離を計測することにより、内径の小さい被計測物に対しても、正確に内径を計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施の形態１に係る超音波計測装置の概略の構成を示す断面図である。
【図２】実施の形態１のフォーカス型超音波発生器を示す図である。
【図３】実施の形態１の計測プローブの全体を示す概略図である。
【図４】実施の形態１における超音波の計測波形の例を示す図である。
【図５】実施の形態１における計測系の校正方法を説明する図である。
【図６】実施の形態１の計測結果（ｒθ座標系）の例を示す図である。
【図７】実施の形態１の図６の計測結果がｘｙ座標系に変換された例を示す図である。
【図８】実施の形態１の基準位置からのずれ量の例を示す図である。
【図９】実施の形態１の他の実施態様を示す計測プローブを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態における超音波計測装置について図１〜図９を参照して説明する。
【００１４】
実施の形態１．
図１は、実施の形態１における超音波計測装置の概略の構成を示す断面図であり、図２は、フォーカス型超音波発生器を示す図であり、図３は、計測プローブの全体を示す概略図である。また、図４は、超音波ビームの計測波形の例を示す図である。図５は、計測系の校正方法を説明する図である。図６は、計測結果（ｒθ座標系）の例を示す図、図７は、図６の計測結果がｘｙ座標系に変換された例を示す図、図８は、基準位置からのずれ量の例を示す図である。
【００１５】
図１に示すように、超音波計測装置１は、超音波発生器２と、超音波発生器２から出射された超音波ビーム３を直角方向に偏向させる反射鏡４と、これら超音波発生器２と反射鏡４から構成された計測プローブ５と、計測プローブ５を保持する保持機構６と、保持機構６より保持された計測プローブ５を上下させる上下機構７と、上下機構７を支える架台８と、架台８上に設けられ円筒状の被計測物９を回転させる回転台１０と、超音波発生器２へ送信信号を送り、また超音波発生器２からの受信信号を受ける送受信機１１と、送受信機１１の制御および受信信号を解析する信号処理装置１２と、により構成されている。
【００１６】
なお、図２に示すように本実施の形態では、超音波発生器２として、フォーカス型超音波発生器が用いられ、焦点距離ｆで超音波ビームが収束されるように構成されており、狭小領域に超音波ビームを照射することが可能となっている。また、超音波発生器２の出射面２ｓは、焦点距離ｆを半径とする球面状になっており、超音波発生器２の外形は円筒状となっている。超音波発生器２から出射される超音波ビーム３は焦点距離ｆに向かって収束するため、反射鏡４の反射面４ｓは超音波発生器２の出射面よりも小さなもので十分である。図３は、計測プローブ５の外観を示すもので、図３（ａ）は正面図を、図３（ｂ）は側面図を示すものである。図３に示すように超音波発生器２と反射鏡４は同じ円筒形状とし、反射鏡４は、円筒形状を斜め４５度の角度で切断した形状とすることで、計測プローブ５内に収容しやすくなり、小型化を図ることが可能となる。
【００１７】
次に、実施の形態１による超音波計測装置の動作、計測結果について図１から図８を用いて説明する。まず、図１に示すように保持機構６に取り付けられた計測プローブ５は、上下機構７により回転台１０に設置された円筒状の被計測物９内に挿入される。超音波ビーム３は、送受信機１１からのパルス信号により超音波発生器２を駆動させることで発生され、超音波発生器２から出射された超音波ビーム３は、反射鏡４を介して被計測物９の内壁面９ｓに照射される。超音波ビーム３は、被計測物９の内壁面９ｓで反射され、再び反射鏡４を介して超音波発生器２で受信される。
【００１８】
図４に、計測された超音波ビーム３の送受信波形を示す。図４に示すようにパルス状の超音波ビーム３が送信された時間ｔ１と受信された時間ｔ２との差Δｔを信号処理装置１２により計測することで、超音波発生器２から被計測物９の内壁面９ｓまでの距離ｄを計測することができる。信号処理装置１２は、演算処理装置および送受信機１１との通信伝送をおこなう伝送線とで構成される。
【００１９】
ここで、超音波ビームが空気中を伝播する場合、１気圧中での空気中の音速Ｖ（Ｔ）は、摂氏温度をＴとすると、
Ｖ（Ｔ）＝３３１．５＋０．６１Ｔ  （ｍ／秒）                （１）
で表されるため、距離ｄは、
ｄ＝（３３１．５＋０．６１Ｔ）×Δｔ  （ｍ）                （２）
となる。
このように、音速Ｖ（Ｔ）は、温度によって変化するため、温度Ｔを測定して距離ｄを補正するか、もしくは、一定の温度環境下で計測することが望ましい。
【００２０】
また、超音波発生器２の焦点距離ｆは、被計測物９の円筒方向に出射されて反射鏡４で９０°方向が偏向されるため、保持機構６と被計測物９の内壁面９ｓまでの間隙を考慮し、被計測物９の内径Ｄ（直径）よりも少し大きな値（ｆ＞Ｄ）としておくことが望ましい。例えば、２５ｍｍ程度の内径のものを計測したい場合には、３０mm程度とする。
【００２１】
さらに、回転台１０を用いて、被計測物９または計測プローブ５を３６０°回転させることにより、被計測物９の内径全方向の距離を計測することができる。ただし、本方式で
計測することができる距離ｄは、上述したように、超音波発生器２から被計測物９の内壁面９ｓまでの距離である。
【００２２】
ここで、正確な内径Ｄｓを持つ基準となる円筒体２０を用いて計測された距離ｄを用いて超音波発生器２と反射鏡４までの距離を校正する方法について、図５により説明する。図５（ａ）は、回転台１０の回転角度θが０°の場合を、図５（ｂ）は、回転台１０の回転角度θが１８０°の場合をそれぞれ示す。ここで、ｄ１は、超音波発生器２から反射鏡４までの距離を、ｄ２は角度θが０°の場合の、ｄ３は角度θが１８０°の場合の反射鏡４から円筒体２０の内壁面２０ｓまでの距離をそれぞれ示すものとする。
従って、回転台１０の回転角度θが０°における計測された距離ｄは、
ｄ＝ｄ１＋ｄ２                                              （３）
また、回転台１０の回転角度θが１８０°における計測された距離ｄは、
ｄ＝ｄ１＋ｄ３                                              （４）
とそれぞれ表される。
【００２３】
すなわち、超音波発生器２から反射鏡４までの距離ｄ１は、計測されたｄ１＋ｄ２とｄ１＋ｄ３を加算した値から基準の円筒体２０の内径Ｄｓを減算し、１／２倍とすることにより得られる。従って、求める被計測物９の内径Ｄは、計測された距離ｄの値からｄ１を減算することにより算出することができる。
【００２４】
しかし、回転台１０の回転軸１０ｃと被計測物９の中心軸９ｃとが一致していることは稀であるため、この中心軸９ｃのずれを補正する必要がある。上述したように、被計測物９の内径Ｄは、回転台１０の回転角度θと内径計測値Ｒとで得られるため、ｒθ座標系をｘｙ座標系に変換する必要がある。下記に示すように、三角関数を用いてｒθ座標系からｘｙ座標系へ変換することができる。
ｘ＝Ｒ・ｃｏｓ（θ）                                        （５）
ｙ＝Ｒ・ｓｉｎ（θ）                                        （６）
ｘｙ座標系へ変換されたそれぞれの計測値の平均値を被計測物９の中心軸９ｃとして補正して内径を算出することで、正確に被計測物９の内径Ｄを求めることが可能となる。
【００２５】
図６に、回転角度θに対する内径計測値Ｒの計測結果の例を示す。図６から判るように、回転角度θが約２００°付近で計測値に歪がみられる箇所がある。ただし、回転台１０の回転軸１０ｃが被計測物９の中心軸９ｃと合っていないため、回転角度θによって計測値が変化していることが判る。
【００２６】
図７に、図６のｒθ座標系における計測結果をｘｙ座標系に変換した例を示す。図７は、各計測値の平均値を被計測物９の中心軸９ｃとして、補正したものである。ほぼ、ｘｙ座標の‘０’を中心とした円状となっている。また、回転台１０の上にＸＹ移動ステージ（図示せず）を設置し、被計測物９の中心と計測プローブ５の中心が一致するように補正して再度計測してもよい。これにより、被計測物９の内壁面９ｓが円弧形状であり、中心にずれが発生すると反射面が斜面となることで発生する超音波の減衰を低減することができる。
【００２７】
図８は、図７の各計測点を回転角度の１８０°毎に集計し、内径計測値Ｒの基準値（平均値）からのずれ量δＲを示したものである。回転角度４０°付近に０．０５ｍｍ程度の突起があることが判る。これにより、円筒状の被計測物９の内径Ｄとずれ量δＲとを、正確に求めることが可能となる。
【００２８】
本発明では、超音波ビームを用いて、非接触で円筒状の被計測物の内壁との距離を計測しているため、ゴム素材のような柔軟物であっても、その形状を変形させることなく、計
測することが可能となる。
【００２９】
このように、実施の形態１における超音波計測装置では、被計測物を回転させて、直角に偏向された超音波ビームを出射する超音波発生器により被計測物の内壁までの距離を計測することにより、内径の小さい被計測物に対しても、正確に内径を計測することができるという顕著な効果がある。
【００３０】
なお、上記実施の形態では、被計測物を回転させる場合について説明したが、被計測物が固定されていて回転させることができない等の場合には、計測プローブや反射鏡を回転させる場合であっても、適用することができ、同様の効果を発揮し得る。
【００３１】
また、上記実施の形態では、超音波発生器から出射された超音波ビ−ムを反射鏡により直角方向に偏向させて被計測物の内壁に照射させる場合について説明したが、被計測物の内壁に垂直に照射されればよく、図９に示すように、超音波発生器２からの超音波ビーム３の出射方向と被計測物９の内壁との関係に基づいて、反射鏡４の角度αを調整すればよい。反射鏡４の角度αを変更することができればよく、固定であっても回転可能であってもよい。
【００３２】
また、上記実施の形態では、円筒状の被計測物の内径を計測する場合について説明したが、断面が四角である筒状の被計測物の内径を計測する場合であっても、適用することができ、同様の効果を発揮し得る。
【００３３】
また、上記実施の形態では、反射鏡は平面鏡である場合について説明したが、凹面鏡であってもよく、この場合は、超音波発生器として、フォーカス型超音波発生器でなくてもよく、凹面鏡により超音波ビームを収束させる場合であっても、適用することができ、同様の効果を発揮し得る。
【００３４】
また、上記実施の形態では、超音波ビームが空気中を伝播する空中超音波法について説明したが、超音波ビームが伝播する材質は、水や油、樹脂等であってもよく、それぞれの材質が持つ音速を式（１）、式（２）に適用して、超音波発生器と被計測物との距離を測定することができる。
【００３５】
また、上記実施の形態では、反射された超音波ビームを超音波発生器で受信する場合について説明したが、超音波受信器を別途設けてもよく、同様の効果を発揮し得る。
【００３６】
また、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、その発明の範囲内において、実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
【００３７】
また、図において、同一符号は、同一または相当部分を示す。
【符号の説明】
【００３８】
１  超音波計測装置、２  超音波発生器、３  超音波ビーム、４  反射鏡、５  計測プローブ、６  保持機構、７  上下機構、８  架台、９  被計測物、１０  回転台、１１
送受信機、１２  信号処理装置。
【図１】
2014137252.tif 000003
【図２】
2014137252.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2014137252.tif 000009
【図８】
2014137252.tif 000010
【図９】
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