(57)【要約】【課題】たとえ大型な測定対象物であっても、これの内部を伝播する超音波の速度を短時間で精確に測定することができるようにする。【解決手段】本発明は、一定の厚みを有する測定対象物Ｐ内に超音波を送波する超音波送波器１０と、当該測定対象物Ｐ内を伝播する超音波を受波しかつ既定の配列間隔Ｌにした複数の超音波受波器２０，２１，２２とを有する超音波測定装置であって、上記超音波送器１０と各超音波受波器２０，２１，２２との間で送受波される超音波のタイミングに基づき、測定対象物Ｐ内を伝播する超音波の伝播時間を計測する伝播時間計測手段３ａと、上記各伝播時間と各超音波受波器２０，２１，２２の配列間隔Ｌに基づき、測定対象物Ｐ内を伝播する超音波の伝播速度を平均化して算出する伝播速度算出手段３２Ｂとを有している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一定の厚みを有する測定対象物内に超音波を送波する超音波送波器と、当該測定対象物内を伝播する超音波を受波しかつ既定の配列間隔にした複数の超音波受波器とを有する超音波測定装置であって、
上記超音波送波器と各超音波受波器との間で送受波される超音波のタイミングに基づき、測定対象物内を伝播する超音波の伝播時間を計測する伝播時間計測手段と、
上記各伝播時間と各超音波受波器の配列間隔に基づき、測定対象物内を伝播する超音波の伝播速度を平均化して算出する伝播速度算出手段とを有することを特徴とする超音波測定装置。
【請求項２】
測定対象物の厚みをなす２つの表面の一方に超音波送波器を配し、かつ、他方に複数の超音波受波器を配列したことを特徴とする請求項１に記載の超音波測定装置。
【請求項３】
測定対象物の厚みをなす２つの表面の一方又は他方に超音波送波器と複数の超音波受波器を配列したことを特徴とする請求項１に記載の超音波測定装置。
【請求項４】
複数の超音波受波器を既定の配列間隔に保持するための冶具を有していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の超音波測定装置。
【請求項５】
超音波送波器を所定の間隔で複数配列しているとともに、
それら超音波送波器のうち、駆動する超音波送波器を択一的に順次切り替える送波器切替え手段を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の超音波測定装置。
【請求項６】
超音波送波器から一定の厚みを有する測定対象物内に超音波を送波し、当該測定対象物内を伝播する超音波を既定の配列間隔にした複数の超音波受波器により受波することより超音波の測定を行う超音波測定方法であって、
上記超音波送波器と各超音波受波器との間で送受波される超音波のタイミングに基づき、測定対象物内を伝播する超音波の伝播時間を計測し、
上記各伝播時間と各超音波受波器の配列間隔に基づき、測定対象物内を伝播する超音波の伝播速度を平均化して算出することを特徴とする超音波測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばロケットモータのモータケース内を伝播する超音波の速度を測定するための超音波測定装置と超音波測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ロケットモータのモータケース（壁）の非破壊検査を、例えば超音波を利用して行うものが知られている。
上記超音波を利用した非破壊検査は、モータケース内を伝播する超音波の速度Ｖ（ｍ／ｓ）を算出することによるものであるが、それは、キャリパゲージ等によって予め測定したモータケースの測定部位の厚みと、その測定部位内での超音波の伝播時間とに基づき、次式により算出している。
Ｖ＝（２Ｔ×１０００）/ｔ
なお、「ｔ」はモータケース内を伝播する超音波の伝播時間（ｓ）、「Ｔ」はモータケースの測定部位の厚み（ｍｍ）である。
【０００３】
しかし、モータケースが大型化すると、市販のキャリパゲージが届かない測定部位が生じ、さらには、そのモータケースが繊維強化プラスチックで形成されているときには、温度変化によって測定部位の厚みが大きく変化するために、精確な伝播速度を測定することができないという問題がある。
【０００４】
一方、上記の問題点を解決しようとして、特許文献１に開示された構成からなる超音波測定装置がある。
特許文献１に開示された超音波測定装置は、複数の超音波送受波器の間隔を少しずつ変えて測定することによって反射波エコーデータを取得し、バルク波音速をパラメータとして変化させながら、得られた反射エコーデータに反射エコーのピーク位置が同相となるようにマイグレーション処理を施し、その反射エコーのピーク値が最大となるときのバルク波音速の値を媒体のバルク波音速とするものである。
【特許文献１】特開平９−３１８６０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に開示された従来の超音波測定装置は、測定対象物の測定部位の厚みを予め測定する必要がないものの、反射波エコーデータを取得するために、超音波送受波器の互いの間隔を少しずつ変化させながら測定しなければならないものであり、それら超音波送受波器の間隔の確認や移動が面倒であるとともに時間を要する。
そこで本発明は、たとえ大型な測定対象物であっても、これの内部を伝播する超音波の速度を短時間で精確に測定することができる超音波測定装置を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１に記載した超音波測定装置は、一定の厚みを有する測定対象物内に超音波を送波する超音波送波器と、当該測定対象物内を伝播する超音波を受波しかつ既定の配列間隔にした複数の超音波受波器とを有する構成のものであり、上記超音波送波器と各超音波受波器との間で送受波される超音波のタイミングに基づき、測定対象物内を伝播する超音波の伝播時間を計測する伝播時間計測手段と、上記各伝播時間と各超音波受波器の配列間隔に基づき、測定対象物内を伝播する超音波の伝播速度を平均化して算出する伝播速度算出手段とを有することを特徴としている。
【０００７】
請求項２に記載した超音波測定装置は、請求項１に記載した測定対象物の厚みをなす２つの表面の一方に超音波送波器を配し、かつ、他方に複数の超音波受波器を配列したことを特徴としている。
【０００８】
請求項３に記載した超音波測定装置は、請求項１に記載した測定対象物の厚みをなす２つの表面の一方又は他方に超音波送波器と複数の超音波受波器を配列したことを特徴としている。
【０００９】
請求項４に記載した超音波測定装置は、請求項１〜３のいずれか１項に記載した複数の超音波受波器を既定の配列間隔に保持するための冶具を有していることを特徴としている。
【００１０】
請求項５に記載した超音波測定装置は、請求項１〜４のいずれか１項に記載した超音波送波器を所定の間隔で複数配列しているとともに、それら超音波送波器のうち、駆動する超音波送波器を択一的に順次切り替える送波器切替え手段を有することを特徴としている。
【００１１】
請求項６に記載した超音波測定方法は、超音波送波器から一定の厚みを有する測定対象物内に超音波を送波し、当該測定対象物内を伝播する超音波を既定の配列間隔にした複数の超音波受波器により受波することより超音波の測定を行うものであり、上記超音波送波器と各超音波受波器との間で送受波される超音波のタイミングに基づき、測定対象物内を伝播する超音波の伝播時間を計測し、上記各伝播時間と各超音波受波器の配列間隔に基づき、測定対象物内を伝播する超音波の伝播速度を平均化して算出することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１に記載した発明によれば、複数の超音波受波器で受波した超音波の伝播時間を計測するとともに、それら計測した各伝播時間と各超音波受波器の配列間隔に基づき、一定の厚みを有する測定対象物内を伝播する超音波の伝播速度を平均化して算出しているので、たとえ大型な測定対象物であっても、測定対象物内を伝播する超音波の音速を短時間で精確に測定することができる。
また、製造コストの低減化を図ることができるとともに、測定対象物を例えば繊維強化プラスチックで形成している場合にも、層間剥離等の成形不良を発見することができる。
【００１３】
請求項１に記載の発明で得られる上記の効果に加え、各請求項記載の発明によれば次の各効果を得ることができる。
請求項２に記載した発明によれば、厚みをなす一面に配した超音波送波器から送波された超音波は測定対象物内を伝播し、他面に配列されている複数の超音波受波器で受波されるので、測定対象物内を伝播する超音波の音速を精確に測定することができる。
【００１４】
請求項３に記載した発明によれば、厚みをなす一面に配した超音波送波器から送波された超音波は測定対象物内を伝播し、他側面で反射された後に超音波送波器と同じ一面に配列した複数の超音波受波器で受波されるので、測定対象物の片面のみで測定対象物内を伝播する超音波の音速を精確に測定することができる。
【００１５】
請求項４に記載した発明によれば、複数の超音波受波器を冶具に保持するだけで、各超音波受波器を短時間で既定の配列間隔にすることができる。
【００１６】
請求項５に記載した発明によれば、複数の超音波送波器を所定の間隔で配列しているとともに、それらの超音波送波器のうち、駆動する超音波送波器を択一的に順次切り替えられるので、測定対象物の測定部位内を伝播する超音波の音速をより精確に平均化して測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の超音波測定装置について図面を参照して説明する。図１は、第一の実施形態に係る超音波測定装置の全体構成を示す概略ブロック図である。
【００１８】
第一の実施形態に係る超音波測定装置Ａは、測定対象物Ｐ内を伝播する超音波の速度を測定するものであり、単一の超音波送波器１０、３つの超音波受波器２０，２１，２２、それら超音波受波器２０，２１，２２を接続したリレーボックス３０、パルサ・レシーバ３１及びコントローラ３２を有して構成されている。
【００１９】
測定対象物Ｐは、一定の厚みＴを有する繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）等の平板状体であるが、曲成されているものであってもよい。
【００２０】
超音波送波器１０は、測定対象物Ｐの厚みをなす両表面（図示上下面）Ｐ１，Ｐ２のうち、一面Ｐ１に密着して配され、また、３つの超音波受波器２０，２１，２２を他面Ｐ２に密着させて配列している。
超音波送波器１０と超音波受波器２０，２１，２２との相対的な位置関係は、超音波送波器１０から送波された超音波を、超音波受波器２０，２１，２２でそれぞれ受波できる程度に対向していればよい。
なお、図１においては、超音波送波器１０を測定対象物Ｐの一面Ｐ１に、また、３つの超音波受波器２０，２１，２２を他面Ｐ２に配しているが、それらを逆側に配してもよいことは勿論である。
【００２１】
３つの超音波受波器２０，２１，２２は、互いに既定の配列間隔Ｌにしている。すなわち、本実施形態においては等間隔にした例について示しているが、互いに異なる配列間隔にしてもよい。
【００２２】
リレーボックス３０は、後述するコントローラ３２から送出される制御信号に従って、超音波送波器１０と超音波受波器２０，２１，２２とをそれぞれオン／オフするリレー（図示しない）を収納したものである。
【００２３】
パルサ・レシーバ３１は、超音波送波器１０に駆動信号を出力するパルサとしての機能と、超音波受波器２０，２１，２２から入力した受信信号を処理するレシーバとしての機能を併有したものである。
【００２４】
コントローラ３２は、本装置Ａ全体の制御中枢となるＣＰＵ、所要のプログラムや上記した超音波受波器２０，２１，２２の互いの既定の配列間隔Ｌを記憶しているメモリ（いずれも図示しない）により構成されており、上記所要のプログラムを実行することにより次の機能を実現している。
（１）超音波送波器１０と各超音波受波器２０，２１，２２との間で送受波される超音波のタイミングに基づき、測定対象物Ｐ内を伝播する超音波の伝播時間ｔａ，ｔｂ，ｔｃを計測する機能（伝播時間計測手段３２Ａ）。
具体的には、送受波される超音波パルスに基づいて、測定対象物Ｐ内を伝播する超音波の伝播時間ｔａ，ｔｂ，ｔｃを計測している。
「ｔａ」は、超音波受波器２０で受波した超音波の伝播時間、「ｔｂ」は、超音波受波器２１で受波した超音波の伝播時間、「ｔｃ」は、超音波受波器２２で受波した超音波の伝播時間である。
【００２５】
（２）各伝播時間ｔａ，ｔｂ，ｔｃと、超音波受波器２０，２１，２２の配列間隔Ｌに基づき、測定対象物Ｐ内を伝播する超音波の伝播速度Ｖ（ｍ／ｓ）を平均化して算出する機能（伝播速度算出手段３２Ｂ）。
超音波の伝播速度Ｖ（ｍ／ｓ）は、次式によって平均化して算出することができる。
【数１】
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【００２６】
上記の構成からなる超音波測定装置Ａを用いた超音波測定方法は次のとおりである。
上記超音波送波器１０と各超音波受波器２０，２１，２２との間で送受波される超音波のタイミングに基づき、測定対象物Ｐ内を伝播する超音波の伝播時間を計測し、上記各伝播時間と各超音波受波器２０，２１，２２の配列間隔に基づき、測定対象物Ｐ内を伝播する超音波の伝播速度を平均化して算出する。
具体的には、超音波送波器１０から送波された超音波パルスが超音波受波器２０，２１，２２で受波されると、対応する受信信号がリレーボックス３０，パルサ・レシーバ３１を介してコントローラ３２に入力される。
【００２７】
コントローラ３２では、超音波送波器１０と各超音波受波器２０，２１，２２との間で送受波される超音波パルスのタイミング、従ってまた対応する送受信信号に基づいて、伝播時間ｔａ，ｔｂ，ｔｃを計測するとともに、それら伝播時間ｔａ，ｔｂ，ｔｃと超音波受波器２０，２１，２２の互いの配列間隔Ｌに基づき、超音波の伝播速度Ｖ（ｍ／ｓ）を上記のように平均化して算出する。
【００２８】
図２は、本発明の第二の実施形態に係る超音波測定装置の全体構成を示す概略ブロック図である。なお、図１において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略し、ここでは相違点について詳細に説明する。
【００２９】
第二の実施形態に係る超音波測定装置Ｂは、超音波送波器１０と超音波受波器２０，２１，２２を上記の実施形態のものとは異なる配置にしたものであり、図２に示すように、超音波送波器１０と超音波受波器２０，２１，２２とを、測定部位Ｐの一側面（上面）Ｐ１に密着させて一列に並設している。
この構成においては、超音波送波器１０から送波された超音波パルスが他側面Ｐ２で反射され、その反射パルスが超音波受波器２０，２１，２２で受波される。
反射パルスが超音波受波器２０，２１，２２で受波されると、対応する受信信号がリレーボックス３０，パルサ・レシーバ３１を介してコントローラ３２に入力される。
コントローラ３２では、超音波送波器１０と各超音波受波器２０，２１，２２との間で送受波される超音波パルスのタイミング、従ってまた対応する送受信信号に基づいて、伝播時間ｔａ，ｔｂ，ｔｃを計測するとともに、メモリに記憶されている超音波受波器２０，２１，２２の互いの配列間隔Ｌに基づき、超音波の伝播速度を上記したように平均化して算出する。
【００３０】
図３は、本発明の第三の実施形態に係る超音波測定装置の全体構成を示す概略ブロック図、図４は、冶具の一例を示す分解斜視図である。なお、本実施形態においても、図１において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略し、ここでは相違点について詳細に説明する。
【００３１】
本発明の第三の実施形態に係る超音波測定装置Ｃは、冶具４０によって一定の配列間隔に保持された３つの超音波送波器１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ、冶具４５によって既定の配列間隔Ｌに保持された３つの超音波受波器２０，２１，２２、これら超音波受波器２０，２１，２２を接続したリレーボックス３０、パルサ・レシーバ３１及びコントローラ３２を有して構成されている。
【００３２】
冶具４５は、図４にも示すように、直方体形に形成した本体４１に、上記超音波受波器２０，２１，２２を保持するための３つの保持孔４２…を配列間隔Ｌで形成したものであり、それらの保持孔４２…に超音波受波器２０，２１，２２を挿入するだけで、それらの間隔Ｌを容易に揃えることができるものである。
なお、超音波送波器１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃを保持するための冶具４０は、上記冶具４５と同等の構成のものであるので、その詳細な説明を省略する。また、超音波受波器２０，２１，２２や超音波送波器１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの互いの配列間隔は、本実施形態においては同一の値としているが、異なる値としてもよいことは勿論である。
【００３３】
コントローラ３２は、本装置Ｃ全体の制御中枢となるＣＰＵ、所要のプログラム、上記した超音波受波器２０，２１，２２や超音波送波器１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃのそれぞれの配列間隔Ｌを記憶しているメモリ（いずれも図示しない）等により構成されており、所要のプログラムを実行することにより、上記伝播時間計測手段３２Ａ、伝播速度算出手段３２Ｂとしての機能の他、次の機能を実現している。
【００３４】
（３）駆動する超音波送波器１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃを択一的に順次切り替える機能（送波器切替え手段３２Ｃ）。
本実施形態においては、超音波送波器１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃを一定の時間間隔で自動的に切り替えているが、それらを異なる時間間隔で切り替えるようにしてもよく、また、手動により切り替えるようにしてもよい。
【００３５】
上記の構成からなる超音波測定装置Ｃの動作は、次のとおりである。
まず、超音波送波器１０Ａから送波された超音波パルスが超音波受波器２０，２１，２２で受波されると、対応する受信信号がリレーボックス３０，パルサ・レシーバ３１を介してコントローラ３２に入力される。
コントローラ３２では、まず、超音波送波器１０Ａに対応する伝播時間ｔａ，ｔｂ，ｔｃを計測する。
【００３６】
伝播時間ｔａ，ｔｂ，ｔｃを計測した後、換言すると一定時間が経過した後に、超音波送波器１０Ａから超音波送波器１０Ｂに切り替えられる。
そして、超音波送波器１０Ｂから送波した超音波パルスが超音波受波器２０，２１，２２で受波されると、対応する受信信号がリレーボックス３０，パルサ・レシーバ３１を介してコントローラ３２に入力される。
コントローラ３２では、超音波送波器１０Ｂに対応する伝播時間ｔａ′，ｔｂ′，ｔｃ′を計測する。
【００３７】
そして、さらに一定時間が経過した後に、超音波送波器１０Ｂから超音波送波器１０Ｃに切り替えられ、超音波送波器１０Ｃから送波した超音波パルスが超音波受波器２０，２１，２２で受波されると、上記と同様にして、対応する受信信号がリレーボックス３０，パルサ・レシーバ３１を介してコントローラ３２に入力されて、超音波送波器１０Ｃに対応する伝播時間ｔａ″，ｔｂ″，ｔｃ″を計測する。
上記計測された伝播時間ｔａ，ｔｂ，ｔｃ、ｔａ′，ｔｂ′，ｔｃ′、ｔａ″，ｔｂ″，ｔｃ″と、超音波受波器２０，２１，２２の配列間隔Ｌに基づき、上記と同様にして測定対象物Ｐ内を伝播する超音波の伝播速度Ｖ（ｍ／ｓ）を平均化して算出する。これにより、さらに精確な超音波の伝播速度を算出することができる。
【００３８】
なお、本発明は前述した実施形態に限るものではなく、次のように変形実施が可能である。
上記した各実施形態においては、３つの超音波受波器２０，２１，２２を設けた例について説明したが、２つ若しくは４つ以上の超音波受波器を設けた構成にしてもよい。この場合にも、上記３つの超音波受波器２０，２１，２２を用いて超音波の伝播速度を平均化して算出するときと同様の手法により、超音波の伝播速度を平均化して算出することができる。
【００３９】
上記した各実施形態においては、超音波受波器２０，２１，２２の互いの配列間隔を一定の値に設定しているが、それは伝播速度算出手段３２Ｂにおける超音波の伝播速度Ｖ（ｍ／ｓ）の算出を容易に行うためであり、従って互いの間隔を異なる値としてもよい。
【００４０】
上記した各実施形態において、伝播速度算出手段３２Ｂで算出した超音波の伝播速度に基づいて、測定対象物Ｐの厚みを算出する厚み算出手段３２Ｄ（図３参照）を設けてもよい。
具体的には、伝播速度Ｖが求められていれば、測定対象物Ｐの厚みＴは、例えば反射波の場合にはＴ＝Ｖｔ／２で算出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の第一の実施形態に係る超音波測定装置の全体構成を示す概略ブロック図である。
【図２】他の配置例にした超音波送波器と超音波受波器を含む本発明の第一の実施形態に係る超音波測定装置の全体構成を示す概略ブロック図である。
【図３】本発明の第二の実施形態に係る超音波測定装置の全体構成を示す概略ブロック図である。
【図４】冶具の一例を示す分解斜視図である。
【符号の説明】
【００４２】
１０                    超音波送波器
１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ  超音波送波器
２０，２１，２２        超音波受波器
３２Ａ                  伝播時間計測手段
３２Ｂ                  伝播速度算出手段
４０，４５              冶具
Ｐ                      測定対象物
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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