(57)【要約】【課題】被測定物の寸法を正確に計測できる超音波計測装置を提供する。【解決手段】接触媒質５を介して被測定物１に超音波を発信する超音波センサ２１と、超音波センサ２１に隣り合う位置で被測定物１に接触し、被測定物１の温度を測定する温度センサ３１と、温度センサ３１の検出温度に基づき、超音波センサ２１の音速を設定する音速設定部６２と、音速設定部で設定された音速と超音波の反射時間とに基づき、被測定物１の寸法Ａ１を算出する演算部６３と、を備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
接触媒質を介して被測定物に超音波を発信する超音波センサと、
前記超音波センサに隣り合う位置で前記被測定物に接触し、前記被測定物の温度を測定する温度センサと、
前記温度センサの検出温度に基づき、前記超音波センサの音速を設定する音速設定部と、
前記音速設定部で設定された前記音速と前記超音波の反射時間とに基づき、前記被測定物の寸法を算出する演算部と、を備えている超音波計測装置。
【請求項２】
前記温度センサを前記被測定物に向かって付勢する付勢部材を備えている請求項１に記載の超音波計測装置。
【請求項３】
前記温度センサが複数設けられ、
前記音速設定部は、夫々の前記温度センサにおける前記検出温度の中央値に基づいて、前記音速を設定する請求項１又は２に記載の超音波計測装置。
【請求項４】
前記被測定物に対する前記温度センサの当接力に基づいて信号を出力する歪みゲージが、前記超音波センサの周囲に複数設けられている請求項１から３のいずれか一項に記載の超音波計測装置。
【請求項５】
前記温度センサを前記被測定物に向かって付勢する付勢部材を備え、
前記歪みゲージは、前記付勢部材の付勢力を受けるよう構成してある請求項４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、超音波センサにより被測定物の寸法を計測する超音波計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、被測定物としての鋼管の被膜厚みを計測する超音波計測装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この超音波計測装置は、被膜に向かう噴出水の内部に超音波を発信させる超音波センサと、超音波センサとは鋼管を挟んで反対側にある被膜の温度を測定する非接触式の温度センサとを備えている。
【０００３】
特許文献１の超音波計測装置は、温度センサによって測定された被膜温度に基づいて超音波の音速変化量を算出し、超音波センサで計測された被膜厚みを補正するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭５８−１８６０１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一般的に、超音波の音速は、温度によって変化することが知られている。このため、特許文献１の超音波計測装置は、被膜温度に基づいて超音波の音速変化量を算出し、超音波センサの計測値を補正している。
【０００６】
しかしながら、特許文献１の超音波計測装置は、超音波発信方向とは反対方向から被膜温度を測定しているので、被膜のうち、超音波センサが計測する部位と、温度センサが測定する部位とで温度差が生じるおそれがある。
【０００７】
特に、超音波の接触媒質としての水を被膜表面に噴出しているので、超音波が通過する被膜の温度が局部的に低下し、該温度差が大きくなってしまう。しかも、温度センサは非接触式なので、超音波センサが計測する部位と温度センサが測定する部位とで表面形状等が異なれば、放射率が変動して測定誤差が生じてしまう。その結果、超音波センサに計測値に補正誤差が生じ、被膜厚さを正確に計測することができない。
【０００８】
そこで、被測定物の寸法を正確に計測できる超音波計測装置が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
超音波計測装置の特徴構成は、接触媒質を介して被測定物に超音波を発信する超音波センサと、前記超音波センサに隣り合う位置で前記被測定物に接触し、前記被測定物の温度を測定する温度センサと、前記温度センサの検出温度に基づき、前記超音波センサの音速を設定する音速設定部と、前記音速設定部で設定された前記音速と前記超音波の反射時間とに基づき、前記被測定物の寸法を算出する演算部と、を備えている点にある。
【００１０】
本構成では、温度センサを、超音波センサに隣り合う位置に配置している。つまり、被測定物のうち、超音波が発信される部位と温度が測定される部位とが近接している。このため、被測定物のうち、超音波が伝播する部位の温度を直接的に測定することができる。その結果、超音波の音速設定精度が高まり、演算部における被測定物の寸法計測精度を高めることができる。また、超音波センサと温度センサとは隣り合っているので、装置をコンパクトなものとすることができる。
【００１１】
また、超音波の伝播効率を高めるために、超音波センサと被測定物との間に水や油などの接触媒質を配置しているが、接触媒質の温度と被測定物の温度とは異なる。このため、温度センサが接触媒質の温度を誤検出してしまうおそれがある。しかしながら、本構成のように温度センサを被測定物に接触させれば、被測定物の温度が直接的に測定される。しかも、被測定物の温度が接触媒質によって変動した場合でも、音速設定部は、被測定物の温度変動を考慮することができる。その結果、被測定物の寸法を正確に計測することができる。
【００１２】
他の特徴構成は、前記温度センサを前記被測定物に向かって付勢する付勢部材を備えている点にある。
【００１３】
本構成のように、温度センサを被測定物に向かって付勢する付勢部材を設ければ、温度センサと被測定物との間に接触媒質が侵入した場合でも、該接触媒質を押し退けることができる。その結果、温度センサが接触媒質の温度を誤検出してしまうといった不都合を解消できる。
【００１４】
他の特徴構成は、前記温度センサは複数設けられ、前記音速設定部は、夫々の前記温度センサにおける前記検出温度の中央値に基づいて、前記音速を設定する点にある。
【００１５】
本構成では、複数の温度センサにおける検出温度の中央値に基づいて音速を設定している。つまり、検出温度を小さい順に並べたときに中央に位置する値を用いて音速を設定する。例えば、温度センサが奇数個の場合は、中央に位置する検出温度、温度センサが偶数の場合は、中央に位置する２つの検出温度の平均値となる。このため、複数の温度センサのうちの１つが故障した場合でも、検出温度を正確に測定することが可能となり、被測定物の寸法計測精度を高めることができる。
【００１６】
他の特徴構成は、前記被測定物に対する前記温度センサの当接力に基づいて信号を出力する歪みゲージが、前記超音波センサの周囲に複数設けられている点にある。
【００１７】
本構成のように超音波センサの周囲に複数の歪みゲージを備えることで、夫々の歪みゲージの歪み量の差に基づいて、二次元座標で被測定物の反り量が計測可能である。つまり、被測定物の厚みに加えて被測定物の反り量も計測することができる。しかも、被測定物に対する温度センサの当接力に基づいて信号を出力させるので、歪みゲージを被測定物に直接、接着する必要がなく効率的である。よって、例えば被測定物の不良品を判定する際に本超音波計測装置を用いた場合、簡便な構成で様々な寸法指標を用いることができる。
【００１８】
他の特徴構成は、前記温度センサを前記被測定物に向かって付勢する付勢部材を備え、  前記歪みゲージは、前記付勢部材の付勢力を受けるよう構成してある点にある。
【００１９】
付勢部材の付勢力は、被測定物の反り量によって異なる。つまり、被測定物の反り量が大きな部位では、反り量が小さな部位より付勢部材の付勢力が小さくなる。本構成では、この原理を活用して、温度センサを被測定物に向かって押し付ける付勢部材の付勢力を歪みゲージに作用させるので、被測定物の反り量を感度よく計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】超音波計測装置が被測定物に装着された状態を示す側面図である。
【図２】超音波計測装置の斜視図である。
【図３】超音波計測装置のブロック図である。
【図４】温度と音速との関係を示すグラフである。
【図５】超音波計測装置が被測定物の歪みを計測する状態を示す側面図である。
【図６】歪み差と反り量との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下に、本発明に係る超音波計測装置の実施形態について、図面に基づいて説明する。本実施形態では、超音波計測装置Ｘの一例として、発泡樹脂成形品１（被測定物の一例）の未発泡領域１１の厚みＡ１を計測する装置として説明する。ただし、以下の実施形態に限定されることなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の変形が可能である。
【００２２】
図１および図２に示すように、超音波計測装置Ｘで寸法が計測される発泡樹脂成形品１は、平板状に形成されており、樹脂で構成される未発泡領域１１と、発泡材によって発泡されて樹脂の内部に気泡が存在する発泡領域１２とを備えている。これら未発泡領域１１と発泡領域１２とは厚み方向に交互に配置されており、発泡領域１２が未発泡領域１１に挟まれた状態となっている。本実施形態では、超音波計測装置Ｘから発信される超音波が、未発泡領域１１と発泡領域１２との界面で反射する反射波を利用して、未発泡領域１１の厚みＡ１（寸法の一例）を計測するものである。
【００２３】
超音波計測装置Ｘは、発泡樹脂成形品１に超音波を発信する超音波センサ２１と、発泡樹脂成形品１の温度を測定する接触式の温度センサ３１と、制御部６とを備えている。また、超音波センサ２１は、円筒状の第一ハウジング２に収容されており、温度センサ３１は、第一ハウジング２の周囲に接続された円筒状の第二ハウジング３に収容されている。本実施形態では、第一ハウジング２と第二ハウジング３とを接着等で固定されているが、第一ハウジング２と第二ハウジング３とを一体で形成しても良い。また、第一ハウジング２や第二ハウジング３の形状も円筒状に限定されず、角筒状に形成しても良い。
【００２４】
超音波センサ２１は、超音波振動子が発泡樹脂成形品１に向けて超音波を発信すると共に、反射波を受信する圧電セラミック２１ａを有している。超音波は、電磁波などに比べて波長が短く、分解能が高いことから未発泡領域１１の厚みＡ１を精度よく計測することができる。また、発泡樹脂成形品１の表面には水層５（接触媒質の一例）が塗布されており、超音波センサ２１は、水層５を介して発泡樹脂成形品１に超音波を発信する。この超音波センサ２１から発信された超音波（送波）は、水層５を伝播し、水層５と発泡樹脂成形品１との界面で反射される第一反射波や、未発泡領域１１と発泡領域１２との界面で反射される第二反射波となって受信される。未発泡領域１１の厚みＡ１は、第一反射波と第二反射波との反射時間の差の半分に音速を乗算して算出される。なお、接触媒質は水に限定されず、油などを用いても良い。
【００２５】
温度センサ３１は、サーミスタや測温抵抗体などで構成され、水層５が位置する発泡樹脂成形品１の表面に検温部３１ａが接触している。つまり、温度センサ３１は、超音波センサ２１に隣り合う位置で発泡樹脂成形品１に接触している。本実施形態では、温度センサ３１を超音波センサ２１の周方向に沿って等間隔に複数（一例として４箇所）設けている。詳細は後述するが、温度センサ３１を複数設けて検出温度の中央値を出力値とすることで、複数の温度センサ３１のうちの一つが故障した場合でも検温精度が低下しない。なお、温度センサ３１を等間隔に複数設けているが、不等間隔に複数設けても良いし、１つであっても構わない。
【００２６】
また、温度センサ３１は、第二ハウジング３に固定された付勢部材３２によって発泡樹脂成形品１に向かって付勢されている。これにより、図２に示すように、発泡樹脂成形品１に超音波計測装置Ｘを装着する前において、温度センサ３１の先端が超音波センサ２１の先端より距離Ｌ（例えば、３〜５ｍｍ）だけ突出している。なお、付勢部材３２としてコイルスプリングを想定しているが、付勢力を発揮できるものであれば、特に限定されない。
【００２７】
図１に示すように、超音波計測装置Ｘを発泡樹脂成形品１に装着した状態では、付勢部材３２が短縮されて、温度センサ３１の検温部３１ａが発泡樹脂成形品１の表面に押し付けられる。これによって、温度センサ３１と発泡樹脂成形品１との間に水層５が侵入した場合でも、水層５が押し退けられる。よって、温度センサ３１が水層５の温度を誤検出してしまう不都合が解消され、超音波が伝播する発泡樹脂成形品１の温度を正確に測定できる。
【００２８】
また、本実施形態の超音波計測装置Ｘは、発泡樹脂成形品１に対する温度センサ３１の当接力に基づいて、後述する歪み管理部６１Ｃに信号を出力する歪みゲージ４を備えている。この歪みゲージ４は、温度センサ３１の当接力に基づいて変形することによって電気抵抗が変化する金属歪みゲージや半導体歪みゲージなどで構成される。
【００２９】
歪みゲージ４は、温度センサ３１が発泡樹脂成形品１に接触する方向に沿って配置されている。本実施形態では、温度センサ３１が収容される第二ハウジング３の天面に設置されて、超音波センサ２１の周囲に複数設けられている（図２参照）。つまり、温度センサ３１が移動することで付勢部材３２が伸縮し、歪みゲージ４が、第二ハウジング３を介して付勢部材３２の付勢力を受けるよう構成してある。この付勢力によって、歪みゲージ４に歪みが発生する。このため、歪みゲージ４を発泡樹脂成形品１に直接、接着したり、歪みゲージ４を別途装着するケースを設けたりする必要が無く、超音波計測装置Ｘをコンパクトなものとすることができる。なお、歪みゲージ４を付勢部材３２と直接、接触させても良く、付勢部材３２の付勢力を受ける構成であれば特に限定されない。
【００３０】
図５に示すように、例えば右側に反りが発生している場合、右側の温度センサ３１Ａは左側の温度センサ３１Ｂに比べて、発泡樹脂成形品１に向かって突出する。つまり、右側の付勢部材３２Ａは、左側の付勢部材３２Ｂに比べて伸長しており付勢力が小さくなっている。その結果、右側の歪みゲージ４Ａの歪み量は、左側の歪みゲージ４Ｂの歪み量に比べて小さく出力される。これら右側の歪みゲージ４Ａの歪み量と左側の歪みゲージ４Ｂの歪み量との差分（歪み差）に基づいて、発泡樹脂成形品１の反り量Ａ２（寸法の一例）が算出される。このように、本実施形態では、温度センサ３１を発泡樹脂成形品１に向かって押し付ける付勢部材３２の付勢力を歪みゲージ４に作用させているので、発泡樹脂成形品１の反り量Ａ２を感度よく計測することができる。
【００３１】
本実施形態では、温度センサ３１を超音波センサ２１の周方向に沿って等間隔に複数設けているので、発泡樹脂成形品１の表面の２次元座標で発泡樹脂成形品１の反り量Ａ２を求めることができ、効率的である。また、未発泡領域１１の厚みＡ１だけでなく、発泡樹脂成形品１の反り量Ａ２も同時に計測できるので、例えば発泡樹脂成形品１の不良品判定に際し、様々な寸法指標を用いることができる。
【００３２】
図３に示すように、制御部６は、測定管理部６１と、音速設定部６２と、演算部６３と、判定部６４とを備えている。各機能部はＣＰＵを中核部材として、ハードウェア又はソフトウェア或いはその両方で構築されている。
【００３３】
測定管理部６１は、超音波センサ２１の測定を管理する超音波管理部６１Ａと、温度センサ３１の測定を管理する温度管理部６１Ｂと、歪みゲージ４の測定を管理する歪み管理部６１Ｃとを備えている。測定管理部６１は、アナログ信号をデジタル信号に変換する機能や、信号を増幅する機能も兼ね備えている。
【００３４】
超音波管理部６１Ａは、超音波を発信するための信号を超音波センサ２１に出力し、超音波センサ２１が測定した反射時間が入力される。この反射時間は、水層５と発泡樹脂成形品１との界面で反射される第一反射波の反射時間や、未発泡領域１１と発泡領域１２との界面で反射される第二反射波の反射時間である。
【００３５】
温度管理部６１Ｂは、温度センサ３１の電気抵抗の変化値が入力され、検出温度に換算する。この温度管理部６１Ｂでは、超音波管理部６１Ａが超音波センサ２１に超音波を発信させる信号を出力するタイミングで、温度センサ３１の検出温度を測定する。これによって、発泡樹脂成形品１の表面温度が水層５によって変動する環境下においても、超音波を発信した時点での表面温度をリアルタイムで測定することができる。
【００３６】
歪み管理部６１Ｃは、歪みゲージ４の電気抵抗の変化値が入力され、夫々の歪みゲージ４の歪み量に換算する。上述したように、この歪みゲージ４は、温度センサ３１Ａの発泡樹脂成形品１への押付け反力に対抗する付勢部材３２の付勢力によって変位するので、感度よく歪みを検出できる。
【００３７】
音速設定部６２は、温度管理部６１Ｂから検出温度が入力される。そして、図４に示すように、材料ごとに予め定められた音速と検出温度との関係を示すマップを用いて、超音波の音速を設定する。このとき、複数の温度センサ３１における検出温度のうち、中央値を用いて音速を設定する。つまり、複数の検出温度を小さい順に並べたときに中央に位置する値を用いて音速を設定する。例えば、温度センサ３１が奇数個の場合は、中央に位置する検出温度、温度センサ３１が偶数の場合は、中央に位置する２つの検出温度の平均値となる。このため、複数の温度センサ３１のうちの１つが故障した場合でも、検出温度を正確に測定することが可能となり、音速設定精度を高めることができる。
【００３８】
演算部６３は、未発泡領域１１の厚みＡ１を算出する厚み演算部６３Ａと、発泡樹脂成形品１の反り量Ａ２を算出する反り量演算部６３Ｂとを備えている。
【００３９】
厚み演算部６３Ａには、超音波管理部６１Ａから超音波の反射時間が入力されると共に、音速設定部６２から超音波の音速が入力される。そして、水層５と発泡樹脂成形品１との界面で反射される第一反射波の反射時間と、未発泡領域１１と発泡領域１２との界面で反射される第二反射波の反射時間との差分を求め、この差分の半分の値に音速を乗算する。これによって、未発泡領域１１の厚みＡ１が算出される。
【００４０】
反り量演算部６３Ｂは、歪み管理部６１Ｃから夫々の歪みゲージ４の歪み量が入力される。そして、夫々の歪みゲージ４の歪み量の差（歪み差）を算出し、図６に示すように、予め定められた歪み差と反り量Ａ２との関係を示すマップを用いて、歪みゲージ４の歪み差から発泡樹脂成形品１の反り量Ａ２を算出する。上述したように、歪み差とは、例えば、右側の歪みゲージ４Ａの歪み量と左側の歪みゲージ４Ｂの歪み量との差分である。
【００４１】
判定部６４は、未発泡領域１１の厚みＡ１が所定範囲内に入っているか否かを判定すると共に、発泡樹脂成形品１の反り量Ａ２が所定値以下か否かを判定する。そして、未発泡領域１１の厚みＡ１および反り量Ａ２が、基準をクリアした場合に良品として判定する。逆に、未発泡領域１１の厚みＡ１および反り量Ａ２の少なくとも一方が、基準をクリアしない場合は不良品として判定する。
【００４２】
［その他の実施形態］
（１）上述した実施形態では、歪みゲージ４を温度センサ３１が収容される第二ハウジング３の天面に設置したが、発泡樹脂成形品１の反り量Ａ２を計測できる構成であればどのような形態であっても良い。例えば、歪みゲージ４を温度センサ３１の先端に設けて、発泡樹脂成形品１に対する温度センサ３１の当接力に基づいて信号を出力しても良い。この場合、温度センサ３１を付勢する付勢部材３２を省略して、温度センサ３１を第二ハウジング３に固定しても良い。このとき、発泡樹脂成形品１に対する温度センサ３１の当接力は、付勢部材３２の付勢力ではなく、温度センサ３１の発泡樹脂成形品１に対する押付力となる。
【００４３】
（２）上述した実施形態では、複数の温度センサ３１における検出温度のうち、中央値を用いて音速を設定した。これに代えて、複数の温度センサ３１における検出温度のうち、異常値を除いた検出温度の平均値を用いて音速を設定するなどしても良い。
【００４４】
（３）上述した実施形態では、温度センサ３１の検出温度に基づいて超音波の音速を補正した後に、該音速と反射時間とを乗算して発泡樹脂成形品１の厚みＡ１を決定した。これに代えて、補正する前の音速と反射時間とを乗算して演算される発泡樹脂成形品１の厚みＡ１に対して、温度センサ３１の検出温度で補正を行っても良い。
【００４５】
（４）発泡樹脂成形品１の厚みＡ１を決定する際、歪みゲージ４の歪み差に基づく補正を行っても良い。これによって、発泡樹脂成形品１の表面に対して垂直方向の厚みＡ１を正確に計測することができる。
【００４６】
（５）歪みゲージ４を省略して、発泡樹脂成形品１の厚みＡ１のみで発泡樹脂成形品１の不良品判定を行っても良い。
【００４７】
（６）超音波計測装置Ｘの被測定物は、発泡樹脂成形品１に代えて、未発泡領域１１のみで構成される樹脂成形品や、金属加工品であっても良く、特に限定されない。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明は、超音波による寸法計測が可能な種々の被測定物を対象とする超音波計測装置に利用可能である。
【符号の説明】
【００４９】
１    発泡樹脂成形品（被測定物）
４    歪みゲージ
５    水層（接触媒質）
２１  超音波センサ
３１  温度センサ
３２  付勢部材
６２  音速設定部
６３  演算部
Ａ１  厚み（寸法）
Ｘ    超音波計測装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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