JP3019510B2 - 超音波による被検体の厚み測定方法およびその装置 - Google Patents

超音波による被検体の厚み測定方法およびその装置

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JP3019510B2 JP3206012A JP20601291A JP3019510B2 JP 3019510 B2 JP3019510 B2 JP 3019510B2 JP 3206012 A JP3206012 A JP 3206012A JP 20601291 A JP20601291 A JP 20601291A JP 3019510 B2 JP3019510 B2 JP 3019510B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、超音波を用いて被検体
の厚みを測定する方法およびその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】超音波を用いて被検体の厚みを測定する
方法として、共振法（前者）と呼ばれる方法とパルス反
射法（後者）と呼ばれる方法がある。前者の方法は、例
えば特公昭５２−１８５９１号公報に示されているよう
に、超音波探触子を被検体に接触させて超音波を連続的
に被検体に入射し、超音波の波長と被検体の厚さとで決
まる共振周波数にて探触子の電気的インピーダンスが変
化することを利用して共振周波数を求め、この共振周波
数を被検体の厚みに換算する方法である。
【０００３】また、後者の方法は超音波探触子からパル
ス状の超音波を被検体に入射し、被検体から反射してき
た超音波パルスを同一の探触子で受信し、超音波が被検
体を往復した時間から被検体の厚みを求める方法であ
る。
【０００４】どちらの方法も超音波を用いた被検体の厚
み測定方法としては、例えば丹羽登著、超音波計測（昭
昇堂出版）Ｐ．７０．にも記載されているように良く知
られている技術である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記い
ずれの方法においても次のような問題点があった。
【０００６】すなわち、前者の共振法では、共振周波数
を求めるために被検体に対して連続的に入射する超音波
の周波数を掃引しなければならないため、測定時間が長
くなる。さらには、超音波探触子と被検体とを直接接触
しなければならないので、自動測定には適していない。
【０００７】また、後者のパルス反射法は、超音波が被
検体を往復する時間から厚みを求めているため、被検体
の厚みが薄い場合には往復する時間が極めて短く（数１
０ｎｓｅｃ）、また往復した超音波パルスが重なり合っ
て測定精度が悪くなる。
【０００８】そこで、この測定精度を上げる方法として
は、複数回の測定を行なってその平均値から被検体の厚
みを求める方法が知られているが、この方法を用いても
超音波パルスは幅を持っているので、被検体の厚みが特
に薄いものに対しては測定できない。
【０００９】本発明は、短時間で被検体の厚みを高精度
に測定することができる超音波による被検体の厚み測定
方法およびその装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明による超音波による被検体の厚み測定方法
は、被検体に超音波パルスを送信し、前記被検体にて反
射した超音波信号の共振から被検体の厚みを測定する方
法において、被検体を透過して反射体より反射された二
重透過波を周波数解析して前記被検体の厚みを求めてい
る。また、本発明の他の厚み測定方法は、被検体に超音
波パルスを送信し、前記被検体にて反射した超音波信号
の共振から被検体の厚みを測定する方法において、受信
信号から表面反射波を除いて多重反射波だけを抽出する
ようにし、この多重反射波を周波数解析して前記被検体
の厚みを求めている。
【００１１】超音波を用いて被検体の厚みを測定する方
法において、超音波探触子から超音波パルスを被検体に
送信することにより、前記被検体から反射される超音波
パルスを再度前記超音波探触子で受信し、この受信信号
に定周波の搬送信号を重畳し、これを周波数解析して前
記被検体の厚みを求めている。
【００１２】本発明による超音波による被検体の厚み測
定装置は、被検体に超音波パルスを送信し、且つ前記被
検体から反射される超音波パルスを受信するとこれを電
気信号に変換する超音波探触子と、前記被検体を透過す
る超音波パルスを再度前記被検体を通して前記超音波探
触子に反射させる反射体と、前記超音波探触子で受信さ
れた二重透過波の電気信号の周波数スペクトルを解析す
る周波数解析手段と、この周波数解析手段により解析さ
れた周波数スペクトルのピーク周波数を検出するピーク
周波数検出手段と、このピーク周波数検出手段で検出さ
れた周波数スペクトルのピーク周波数から被検体の厚み
に換算する厚み換算手段とを備えた構成としている。
【００１３】また、被検体に超音波パルスを送信し、且
つ前記被検体から反射される超音波パルスを受信すると
これを電気信号に変換する超音波探触子と、前記前記超
音波探触子で受信された電気信号の内、表面反射波を除
いて多重反射波だけを抽出するゲートと、このゲートに
より抽出された多重反射波のスペクトルを解析する周波
数解析手段と、この周波数解析手段により解析された周
波数スペクトルのピーク周波数を検出するピーク周波数
検出手段と、このピーク周波数検出手段で検出された周
波数スペクトルのピーク周波数から被検体の厚みに換算
する厚み換算手段とを備えた構成としている。
【００１４】さらに、被検体に超音波パルスを送信し、
且つ前記被検体から反射される超音波パルスを受信する
とこれを電気信号に変換する超音波探触子と、前記被検
体を透過する超音波パルスを再度前記被検体を通して前
記超音波探触子に反射させる反射体と、定周波の連続信
号を発生する定周波発生手段と、前記超音波探触子で受
信された二重透過波の電気信号に前記定周波発生手段よ
り発生する定周波の連続信号を乗算して電気信号を周波
数変換する周波数変換手段と、この周波数変換手段によ
り変換された周波数スペクトルのピーク周波数を検出す
るピーク周波数検出手段と、このピーク周波数検出手段
で検出された周波数スペクトルのピーク周波数から被検
体の厚みに換算する厚み換算手段とを備えた構成として
いる。
【００１５】被検体に超音波パルスを送信し、且つ前記
被検体から反射される超音波パルスを受信するとこれを
電気信号に変換する超音波探触子と、前記被検体を透過
する超音波パルスを再度前記被検体を通して前記超音波
探触子に反射させる反射体と、定周波の連続信号を発生
する定周波発生手段と、前記超音波探触子で受信された
多重透過波の電気信号に前記定周波発生手段より発生す
る定周波の連続信号を乗算して電気信号を周波数変換す
る周波数変換手段と、この周波数変換手段により変換さ
れた周波数スペクトルのピーク周波数を検出するピーク
周波数検出手段と、このピーク周波数検出手段で検出さ
れた周波数スペクトルのピーク周波数から被検体の厚み
に換算する厚み換算手段とを備えた構成としている。
【００１６】一方、レーザ光を用いて超音波を送受信
し、前記被検体にて反射した超音波信号の共振から被検
体の厚みを測定する装置において、被検体中で多重反射
した超音波信号を取出すゲート機能と、このゲート機能
により取出された多重反射波を周波数解析してスペクト
ルを求める周波数解析器と、この周波数解析器で求めら
れたスペクトルのピーク周波数から板厚を求める板厚算
出器とを設けた構成としている。また、レーザ光を用い
て超音波を送受信し、前記被検体にて反射した超音波信
号の共振から被検体の厚みを測定する装置において、被
検体中で多重反射した超音波信号を取出すゲート機能
と、定周波信号を連続的に発生する信号発生器と、この
信号発生器の出力信号を前記ゲート機能により取出され
た多重反射波に乗算する乗算器と、この乗算器の出力信
号から低周波成分を取出す低域通過フィルタと、この低
域通過フィルタの出力信号の周波数を解析してスペクト
ルを求める周波数解析器と、この周波数解析器で求めら
れたスペクトルのピーク周波数と信号発生器の発振周波
数から板厚を求める板厚算出器とを備えた構成としてい
る。
【００１７】
【作用】このような本発明方法および装置にあっては、
超音波探触子から被検体に送信された超音波パルスの反
射波が再度超音波探触子で受信されると、その受信信号
の周波数を解析して超音波波長と被検体の厚みとで決ま
る共振周波数を求めているので、従来のように超音波周
波数を掃引しながら共振周波数を求める必要がなくな
り、測定時間を短縮することが可能となる。
【００１８】本発明装置にあっては、被検体を透過した
超音波パルスは反射体により反射させて超音波探触子で
独立して受信することができるので、被検体の厚さが薄
くても超音波パルスが重なるようなことがなく、高い測
定精度を得ることが可能となる。
【００１９】また、本発明装置にあっては、超音波探触
子で受信された電気信号の内、多重反射波に相当する信
号の周波数スペクトルを解析してその周波数スペクトル
のピーク周波数から被検体の厚みを求めることにより、
反射体を用いなくても被検体の厚みを高精度で測定する
ことが可能となる。
【００２０】さらに、本発明装置にあっては、超音波探
触子で受信された電気信号に定周波発生手段より発生す
る定周波の連続波を乗算することにより周波数変換して
ピーク周波数を検出することで被検体の厚みが測定可能
となる。
【００２１】なお、本発明にあっては、超音波探触子と
被検体とを直接接触させる場合は勿論、直接接触させな
い場合であっても、水などの伝搬媒質を用いれば、被検
体が動くものに対しても適用が可能である。
【００２２】一方、本発明のレーザ超音波法による被検
体の厚み測定装置にあっては、パルスレーザ光源より発
光時間の短いパルス状のレーザ光を被検体に照射すると
被検体に超音波パルスが励起し、また干渉計の連続レー
ザ光源より連続レーザ光を被検体に照射すると超音波パ
ルスの多重反射による被検体表面の変位により変調され
た連続レーザ光の反射光から表面変位の時間変化を検出
することにより、その出力信号から被検体の板厚を求め
ることができるので、超音波パルス共振法による板厚測
定装置のように接触媒質が必要なく、非接触で超音波の
送受が可能となり、圧延製造ラインのように被検体が高
速に移動する場合でも容易に板厚を測定すること可能と
なる。
【００２３】
【実施例】以下本発明の実施例を図面を参照して説明す
る。
【００２４】図１は本発明による被検体の厚み測定方法
およびその装置を説明するための第１の実施例を示すブ
ロック回路である。図１において、１ａ，１ｂは被検体
として例えば板２の上下面を挟んで設けられた水等の超
音波伝搬媒質で、この超音波伝搬媒質１ａ，１ｂは超音
波を伝搬させるためのものである。３は超音波伝搬媒質
１ｂの下面に接触させて設けられた金属、プラスチッ
ク、ゴム等の反射板、４は超音波伝搬媒質１ａに接触さ
せて設けられた圧電素子からなる超音波探触子で、この
超音波探触子４はパルス発生器５からパルス信号が入力
されると超音波パルスを出力し、またその反射波を受け
るとこれを電気信号に変換する機能を有している。また
６はパルス発生器５にトリガ信号を加えてパルス信号を
発生させるトリガ回路、７は超音波探触子４により受信
された超音波パルスの反射波の電気信号が入力される広
帯域増幅器、８はこの広帯域増幅器７で増幅された電気
信号をトリガ回路６より出されるトリガ信号に同期して
ゲートを開くゲート回路である。さらに、９はゲート回
路８を通して入力される電気信号の周波数を解析する周
波数解析器、１０は周波数解析器９により解析された周
波数のピーク周波数を検出するピーク周波数検出器、１
１はこのピーク周波数検出器１０で検出されたピーク周
波数から板厚に換算する板厚換算器である。
【００２５】次に上記のように構成された被検体の厚み
測定回路の作用を述べる。
【００２６】いま、トリガ回路６より発生するトリガ信
号に同期してパルス発生器５から超音波探触子４にパル
ス信号が加えられると、超音波探触子４より超音波パル
スが超音波伝搬媒質１ａを通して板２に伝送される。こ
の超音波パルスは広帯域な周波数成分を有しており、板
２に伝送された超音波パルスの一部は板２を透過し超音
波伝搬媒質１ｂを経て反射板３に到達し、この反射板３
にて反射した後同じ経路を辿って超音波探触子４に到達
する。以下このようにして得られる超音波パルスを二重
透過波と呼ぶ。この超音波探触子４により超音波パルス
の反射波が受信されると、その反射波は電気信号に変換
されて広帯域増幅器７に加えられる。広帯域増幅器７で
は超音波探触子４より入力される電気信号を増幅し、ゲ
ート回路８に与える。ゲート回路８ではトリガ回路６か
ら入力されるトリガ信号によってパルス発生器５と同期
してゲートを開き、二重透過波の電気信号を選択して周
波数解析器９に与える。この周波数解析器９ではゲート
回路８により選択された二重透過波の電気信号より周波
数スペクトルを求め、これをピーク周波数検出器１０に
入力する。ピーク周波数検出器１０では周波数スペクト
ルからピーク周波数を求めて板厚換算器１１に与え、こ
の板厚換算器１１により最終的に板厚に換算される。
【００２７】さて、超音波が板２を透過するときの周波
数特性Ｇ（ω）は次式で表される。
【００２８】 Ｇ（ω）＝2/{2Cos(ωd/c)+J(Z/Zd+Zd/Z)Sin( ωd/c)} …（１） 但し、ωは角周波数、d は被検体の厚さ、c は被検体の
音速、Zdは被検体の音響インピーダンス、Z は超音波伝
搬媒質の音響インピーダンスである。
【００２９】上記（１）式は次の（２）式の周波数でピ
ークを持つことを意味する。
【００３０】fn＝nc/(2d) …（２） 但し、n は整数である。
【００３１】超音波探触子４より送出される超音波パル
スの周波数スペクトルは、Ｇ（ω）に比べるとほぼ平坦
であり、反射板３での周波数スペクトルの変化はないの
で、二重透過波は上記（２）式の周波数でピークを持
つ。そこで、二重透過波の超音波パルスのピーク周波数
と板２の音速を用いて上記（２）式を逆算することで、
板厚を求めることができる。
【００３２】図２は公称周波数５０MHz の超音波探触子
を０．２mmの厚さを持つアルミニュウム板である被検体
と２５mm離して配置し、被検体と反射板の距離を５mmと
したときの超音波受信波形である。第２図において、１
２は被検体の表面で反射した超音波パルスであり、１３
は被検体を透過し反射板で反射後再度被検体を透過した
二重透過波である。
【００３３】また、図３は図２中二重透過波１３を周波
数解析した結果であり、上記（２）式で表される周波数
にピークが表れている。このピークが出ている周波数は
１５MHZ であり、板の音速が6250m/s なので、板厚は上
記（２）式より208 μm と換算できる。
【００３４】このように本実施例では、超音波探触子４
から超音波パルスが被検体として用いられた板２の板厚
方向に超音波伝搬媒質１ａを介して送信されると、超音
波探触子４で受信された二重透過波の超音波パルスの受
信信号が選択されて周波数解析器９により周波数スペク
トルを解析し、さらにピーク検出器１０により周波数ス
ペクトルのピーク周波数を検出すると共に、板厚換算器
１１により板厚を求めるようにしたものである。
【００３５】したがって、超音波探触子４から水等の超
音波伝搬媒質１ａを介して板２に超音波パルスを入射す
ることができるので、超音波探触子４を板２に接触させ
なくても測定精度を上げることができる。また、板２を
透過した超音波パルスの周波数スペクトルを解析して超
音波波長と板厚とで決まる共振周波数を求めるようにし
ているので、超音波周波数を掃引しながら共振周波数を
求める必要がなく、測定時間を短縮することができる。
さらに、板２を透過した超音波パルスを独立して受信す
ることができるので、パルスの重なりが生じるようなこ
とがなく、薄い板厚の板であっても高精度に測定するこ
とができる。
【００３６】なお、上記実施例では超音波探触子４にト
リガ回路６によりトリガされるパルス発生器５、超音波
探触子４で受信された超音波パルスの受信信号を増幅す
る広帯域増幅器７およびトリガ回路６によりパルス発生
器５と同期させてゲート開され、広帯域増幅器７で増幅
された受信信号を周波数解析器９に入力するゲート回路
８を用いたが、これらの部分を超音波探傷器で代用させ
るようにしてもよい。この場合、超音波探傷器の受信出
力波形をＡ／Ｄ変換した後、メモリに格納しておき、必
要な波形を読み出し可能とすることにより、ゲート回路
８と同様の機能を持たせることができる。さらに、上記
実施例では周波数解析器９により受信信号の周波数スペ
クトルを解析するようにしたが、受信信号をＡ／Ｄ変換
した波形からＦＦＴ等のディジタル処理で周波数を求め
るようにしても良い。
【００３７】次にこのＦＦＴ等のディジタル処理で周波
数を求める方式で、厚さ約100 μmの黄銅からなる材料
の板厚を実際に測定した場合の具体例について述べる
に、まずその測定条件について考察する。
【００３８】（ａ）超音波探触子 超音波探触子としては、集束型探触子の場合、超音波の
向きが一旦絞られる方向に集束する傾向にあるため、超
音波探触子４と板２との間に存する超音波伝搬媒質１ａ
の距離ｗ1 と板２と反射板３との間に存する超音波伝搬
媒質１ａの距離ｗ2 を変えると、板の測定厚が変化する
傾向があることから非集束型探触子を用いることにし
た。そして、検出特性としては、予め板厚ｄが分かって
いる場合には共振周波数ｆp ＝c/2dに中心周波数を持つ
探触子を選ぶことにより、エコー強度を強めることが可
能である。また板厚が分からない場合にはできる限り広
帯域な探触子を選ぶことにより、どの周波数域にピーク
が出ても検出できる。さらに、探触子の測定角度として
はその超音波の送受面を板に対して平行にした方がよ
い。これは探触子の送受面が板に対してΘだけ傾いてい
ると、板厚をｄ／cos Θとして測定しなければならない
ためである。
【００３９】（ｂ）超音波伝搬媒質 超音波伝搬媒質としては粘性減衰の少ない水が良いが、
金属が錆びるという問題があるため、アルコールが適当
である。
【００４０】因みに、減衰定数は 水 αｆ2 ＝25.3×10-17 sec 2 ／cm （20度Ｃにて） エチルアルコール αｆ2 ＝46.7×10-17 sec 2 ／cm （22度Ｃにて） シリコーンオイル αｆ2 ＝580 ×10-17 sec 2 ／cm （20.5度Ｃにて） である。
【００４１】（ｃ）反射板 反射板としては超音波伝搬媒質（水など）と音響インピ
ーダンスに差があればある程良い。これは差がないと反
射量が減って弱くなるためである。
【００４２】ここで、縦波垂直入射時の音圧反射率ｒに
ついて示すと図４に示す通りである。例えば、アクリル
と銅とを比較して見ると、音圧反射率からも明らかなよ
うに銅の方がよく反射するので、二重透過波は強くな
り、ノイズの影響を受けにくく測定再現性が良くなる。
【００４３】（ｄ）超音波伝搬媒質（水など）１ａ，１
ｂの距離ｗ1 ，ｗ2 距離ｗ1 ，ｗ2 としては、二重透過法の場合、板表面か
ら直接反射される表面反射エコーＳｎ（Ｓｎ＝２ｗ1 ・
ｎ／Ｃｗ）と、板を透過して反射板より反射され、さら
に板を透過する二重透過エコーＴｎ（Ｔｎ＝Ｓｎ＋２ｗ
2 ／Ｃｗ）と、板と反射板との間を２往復以上する多重
反射エコー（Ｔ１ｎ＝Ｓ1 ＋２ｗ2 ・ｎ／Ｃｗ）があ
り、これらのエコーの内板厚測定に寄与するエコーは、
Ｓ1 とＳ2との中間に存在するＴ11を捕らえればよい。
したがって、Ｔ11＝（Ｓ1 ＋Ｓ2 ）／２より、ｗ1 ＝２
ｗ2 の関係にする。この場合、Ｗ1 が近いとエコーが強
くなってノイズに対して良いが、エコーは間延びしてい
るので近過ぎはよくない。このエコーの間延びは材料に
よって違うので、その都度調整する必要がある。
【００４４】（ｅ）Ａ／Ｄ変換器 Ａ／Ｄ変換器としては、共振ピーク周波数がfp＝10MHZ
の場合、サンプリング周波数が2fp (2×10MHZ)より少し
高め（2.5fp 程度）に選ぶ。仮に2fp より低いと、サン
プリング定理を満たさないので、エイリアシリング（折
り返し）が発生し、ＦＦＴ後のスペクトル解析が難しく
なる。例えばfp＝10MHZ を15MHZ でサンプリングし、Ｆ
ＦＴするとfpとして5MHZと10MHZ の２つが出てしまう。
【００４５】また、共振ピーク周波数fpが１次、２次、
３次として現れる場合には、２次、３次の共振ピーク周
波数をローパスフィルタで取除けば良い。
【００４６】なお、超音波探触子に代えて超音波探傷器
を用いる場合には送信パルスの周波数スペクトルが十分
広く、板の共振周波数を含んでいること、また受信アン
プの周波数帯域も板の共振周波数を含んでいることが必
要である。
【００４７】このような測定条件を考慮して厚さ約100
μm の黄銅（Ｌ＝4640ｍ）を測定したところ次のような
結果が得られた。この場合、共振周波数ｆp1は4640/2・
100=約２３MHz である。そこで、中心周波数20MHZ の非
集束型の超音波探触子を選択し、また水距離をｗ1 ＝１
０mm、ｗ2 ＝５mmとした。
【００４８】まず、板をセットしない状態での反射板か
らのエコーのスペクトルは図５のようになり、板をセッ
トすると図６（ａ）に示すような二重透過波が得られ、
そのスペクトルは図６（ｂ）となった。図６（ｂ）に示
すスペクトルからも分かるようにピークが３つあり、そ
の内一番大きいピークの周波数と右側のピークの周波数
はおよそ１：２なので、このピーク周波数が板厚の共振
ピークであると考えられる。そこで、板厚は１次の共振
周波数より、4640/2・22.27MHZ＝104.18μm と計算され
る。図示左側で一番大きいピークはノイズの影響と思わ
れる。
【００４９】なお、超音波探傷器を用いて、その受信信
号をＡ／Ｄ変換した波形からＦＦＴ等のディジタル処理
で周波数を求める場合、Ａ／Ｄのサンプリング周波数を
100MHZ、ＦＦＴ点数は4096点とすることにより、板厚の
分解能は約0.11％で、約0.11μm である。
【００５０】因みに、この結果を市販の最高性能の板厚
計と比較すると、市販；100 μm が測れるぎりぎりの薄
さであり、分解能は１μm である。
【００５１】本例；少なくとも50μm 位まで測ることが
可能であり、分解能は１μm 以下である。
【００５２】次に本発明の他の実施例について説明す
る。
【００５３】第１の実施例では、図１に示すように被検
体として例えば板２の上下面を挟んで水等の超音波伝搬
媒質１ａ，１ｂを設け、さらに超音波伝搬媒質１ｂの下
面に反射板３を設けるようにしたが、例えば圧延鋼板の
ように走行移動する被検体２の板厚を測定する場合には
被検体２、反射板３の全てを水中に浸し、且つ反射板３
を被検体２の走行移動方向に沿って平行に配設する以外
は困難である。
【００５４】そこで、第２の実施例ではかかる走行移動
する被検体に対して反射体の構成を次のようにするもの
である。すなわち、図７に示すように図示矢印方向に走
行移動する被検体、例えば圧延鋼板２１の裏面側にゴム
からなるタイヤ３１を反射体として設けると共に、この
タイヤ３１を圧延鋼板２１の走行に応じて転動可能に図
示しない支持体に支持させる構成とするものである。
【００５５】このように反射体としてタイヤ３１を用い
ることにより、反射体の配置が簡単になると共に圧延鋼
板２１および反射体を全没水浸状態にしなくても、局部
水浸状態だけで板厚の測定が可能となる。また、タイヤ
３１は圧延鋼板２１の走行に応じて転動するので、圧延
工程が実施されているオンラインの状態でも使用するこ
とができる。
【００５６】ここで、圧延鋼板３１の板厚測定は図１と
同様に行われる。つまり、超音波探触子４から出力され
た超音波パルスは超音波伝搬媒質として用いられる水１
１を通り、鋼板２１を透過してタイヤ３１に到達する。
このタイヤ３１に到達した超音波パルスはその内面で反
射し、その反射波（二重透過波）は圧延鋼板３１、水１
１の順で超音波探触子４に戻り、この超音波探触子４で
二重透過波を受信後前記実施例と同様に信号処理されて
板厚が計測される。
【００５７】因みに、いま超音波探触子４として公称周
波数１５MHZ の広帯域探触子を用い、水１１と圧延鋼板
３１との間隔を３０mm、圧延鋼板３１の板厚０．２mmと
し、タイヤ３１の肉厚５mmで直径３０mmのゴム製を用い
て板厚を測定したところ、二重透過波のスペクトルのピ
ークは、１４．８MHZ となり、これを板厚に換算する
と、 ｄ＝５１９０／２・１４．８×１０6 ＝０．２０１mm が得られた。
【００５８】なお、上記第２の実施例ではタイヤ３１と
してゴム製のものを用いたが、木、鉄、合成樹脂（例え
ばアクリル）等、超音波が透過し且つ反射するものであ
れば、何れの材質であっても良い。また、上記第２の実
施例では反射体としてタイヤの場合について述べたが、
ローラ、その他の回転体として構成したものであっても
良い。さらに、上記実施例では被検体の走行に応じて転
動するタイヤを反射体として用いたが、シュー構造の反
射体であっても良い。
【００５９】図８は本発明の第３の実施例を示すブロッ
ク回路図で、第１図と同一部分には同一記号を付して示
す。図８において、１は被検体として例えば板２の上面
部に設けられた超音波伝搬媒質で、この超音波伝搬媒質
１に接触させて超音波探触子４が設けられている。この
超音波探触子４は圧電素子からなり、パルス発生器５か
らパルス信号が入力されると超音波パルスを出力し、ま
たその反射波を受けるとこれを電気信号に変換する機能
を有している。また、６はパルス発生器５にトリガ信号
を加えてパルス信号を発生させるトリガ回路、７は超音
波探触子４により受信された板２からの反射波の電気信
号が入力される広帯域増幅器である。さらに、１２はこ
の広帯域増幅器７で増幅された反射波に相当するアナロ
グ信号をトリガ回路６より出されるトリガ信号に同期し
てディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器、１３はその
ディジタル信号を記憶する波形メモリ、１４はこの波形
メモリ１３に記憶されたディジタル信号の内、被検体内
部の多重反射波に相当するディジタル信号を読み出して
記憶する波形メモリ、１５は波形メモリ１４に記憶され
た被検体内部の多重反射波に相当するディジタル信号を
演算処理して周波数スペクトルを解析する演算処理部で
ある。そして、１０はこの演算処理部１５により解析さ
れた周波数のピーク周波数を検出するピーク周波数検出
器、１１はこのピーク周波数検出器１０で検出されたピ
ーク周波数から板厚に換算する板厚換算器である。
【００６０】次にこのように構成された板の厚み測定回
路の作用を述べる。
【００６１】いま、トリガ回路６より発生するトリガ信
号に同期してパルス発生器５から超音波探触子４にパル
ス信号が加えられると、この超音波探触子４より超音波
パルスが超音波伝搬媒質１を通して板２に伝送される。
この板２に伝送された超音波パルスは図９に示すように
板表面で反射したエコーと被検体内部の多重反射波を含
むエコーＳ1 と、板２と超音波探触子４との間を反射し
て２往復したエコーＳ2 などが超音波探触子４に到達す
る。このような超音波パルスの反射波が超音波探触子４
により受信されると、その反射波は電気信号に変換され
て広帯域増幅器７に加えられる。広帯域増幅器７では超
音波探触子４から入力される電気信号を増幅し、そのア
ナログ信号をＡ／Ｄ変換器１２に与える。このＡ／Ｄ変
換器１２ではトリガ回路６から入力されるトリガー信号
に同期してアナログ信号をディジタル信号に変換し、波
形メモリ１３に記憶される。そして、波形メモリ１３に
記憶されたディジタル信号の内、被検体内部の多重反射
波に相当するディジタル信号が読み出され、波形メモリ
１４に記憶される。この波形メモリ１４に記憶された被
検体内部の多重反射波に相当するディジタル信号は演算
処理部１５に取込まれ、この演算処理部１５でその周波
数スペクトルを求めてピーク周波数検出器１０に入力す
る。このピーク周波数検出器１０では図１０に示す周波
数スペクトルからピーク周波数ｆ1 を求めて板厚換算器
１１に与え、この板厚換算器１１により最終的に板厚に
換算される。
【００６２】ここで、板２から反射される多重反射波を
ｙ(t) とし、入射波をｘ(t) とすると、 ｙ(t) ＝ａｘ(t) −（１−ａ2 ）ｘ（ｔ−2d/c）−ａ（１−ａ2 ）ｘ（ｔ− 2 ・2d/c）−ａ2 （１−ａ2 ）ｘ(t−3 ・2d/c) −…… として表される。但し、ａは音圧反射率であり、超音波
伝搬媒質の音響インピーダンスＺ1 と被検体の音響イン
ピーダンスＺ2 より次式で求められる。
【００６３】ａ＝（Ｚ2 −Ｚ1 ）／（Ｚ1 ＋Ｚ2 ） 例えば、超音波伝搬媒質が水、被検体が鋼板とすると、 Ｚ1 ＝1.48×106 kg/m2 ｓより、Ｚ2 ＝45.4×106 kg/m
2 ｓより、 ａ＝0.93686 である。
【００６４】この実施例では、被検体表面の反射波ａｘ
(t) を除いた被検体内部の多重反射波ｙ' (t) を周波数
解析の対象とする。
【００６５】 ｙ'(t)＝−（１−ａ2 ）・ｘ（ｔ−2d/c）−ａ（１−ａ2 ）・ｘ（ｔ2 ・− 2d/c）−ａ2 （１−ａ2 ）・ｘ(t−3 ・2d/c) −…… 波形メモリ１３に記憶されたディジタル信号からｙ'(t)
を取出すためには次の手順による。
【００６６】図１１は多重反射波ｙ(t) である。ｙ(t)
の式で導かれているように表面反射の反射強度ａは、被
検体内部の第１反射波（１−ａ2 ）に比べてａ／（１−
ａ2 ）倍大きい。そこで、図１１において、きわだって
大きいＡの部分を外したＢの部分を取出せば、被検体内
部の多重反射波ｙ'(t)を取出すことができる。なお、こ
の時必ずしも被検体内部の第１反射波から取出せなくて
もピーク周波数は変化しないので、ｙ'(t)を取出すにあ
たって正確さは必要としない。
【００６７】さて、ｙ'(t)をフーリエ変換すると、 ｜ｙ'(ω )｜＝｜−（１−ａ2 ）・X ( ω )・１／（１−ａ2 ｅ-Jωd/c ｜ となる。ただし、ω＝２πｆである。
【００６８】上式は、 fn ＝n ・c/(2d) 但しn ＝整数
の周波数でピークを持つことを示している。
【００６９】例えば、公称周波数５０ＭＨｚ、φ＝３m
m、非収束型の超音波探触子を厚さ約５０μm のモリブ
デン板に対して１０mm離し、接触触媒に水を用いて被検
体の反射波を測定したところ、図１２のような波形を得
た。図１２の内被検体内部の多重反射波であるＢの部分
をフーリエ変換したところ図１３のようになり、そのピ
ーク周波数ｆ１は67.32 ＭＨｚであった。ここで、板の
音速がｃ＝6750m/s とすると、 d ＝6750/2・1/67.32 ×106 ＝50.13 ×10-6＝50.13 μ
m となり、実際の値に近似した測定値が得られた。
【００７０】このように第３の実施例では超音波探触子
４から板２に超音波パルスを入射し、その反射波を超音
波探触子４で受信してその電気信号をＡ／Ｄ変換器１２
によりディジタル信号に変換して波形メモリ１３に記憶
し、この波形メモリ１３の記憶信号の内、被検体内部の
多重反射波に相当する信号を取出して演算処理部１４に
より周波数スペクトルを解析し、さらにこの周波数スペ
クトルのピーク周波数をピーク検出器１０で検出して板
厚換算器１１により板厚を求めるようにしたものであ
る。
【００７１】したがって、前述した第１の実施例と同様
に超音波探触子４を板２に接触させなくても測定精度を
上げることができ、また超音波周波数を掃引しながら共
振周波数を求める必要がないので、測定時間を短縮する
ことができる。さらにパルスが重なりあっていても、そ
の重なりあった被検体内部の多重反射波に相当する信号
を周波数解析することで、薄い板の厚みを高精度に測定
することができる。
【００７２】特に本実施例では多重反射波から板厚を測
定しているので、反射板が不要になり、それだけ構成が
簡単になると共に反射板の設定位置を求める必要もない
ことから、例えば圧延鋼板のようなオンラインでの板厚
測定に適したものとなる。
【００７３】次に前記実施例同様の測定条件下のもとで
ＦＦＴ等のディジタル処理により周波数を求める方式
で、厚さ約100 μm の黄銅からなる材料の板厚を実際に
測定した場合の具体例について述べる。なお、被検体内
部の多重反射波の場合には超音波伝搬媒質（水など）１
ａの測定条件としては、エコーＳ1 とＳ2 とが重ならな
い位まで近付けた方がよい。
【００７４】ここで、前述したように厚さ約100 μm の
黄銅（Ｌ＝4640ｍ）を測定したところ次のような結果が
得られた。この場合、共振周波数ｆp1は4640/2・100=約
２３MHz である。そこで、中心周波数20MHZ の非集束型
の超音波探触子を選択し、また水距離をｗ1 ＝１０mmと
した。
【００７５】前記第３の実施例と同様の測定手順で、被
検体からの反射波を測定したところ、図１４（ａ）に示
すような多重反射波が得られ、そのスペクトルは図１４
（ｂ）となった。図１４（ｂ）に示すスペクトルからも
分かるように一番大きいピークの周波数と右側のピーク
の周波数はおよそ１：２なので、このピーク周波数が板
厚の共振ピークであると考えられる。そこで、板厚は１
次の共振周波数より、4640/2・22.27MHZ＝104.18μmと
計算される。
【００７６】次に本発明の第４の実施例について述べ
る。
【００７７】第３の実施例において、ＦＦＴのスペクト
ル推定精度は（周波数分解能）はΔｆ(HZ)＝Fs/Nで決ま
る。ただし、Fs：サンプリング周波数、N ：点数であ
る。
【００７８】ここで、板厚の測定分解能（％）は Δｆ／Δp ＝(2d/c)・Fs/N となる。
【００７９】したがって、Fsは低い程良く、またN は多
い程良い。しかし、Fsが低すぎるとエイリアシングの問
題があり、またN が多すぎると計算時間がかかるという
問題がある。
【００８０】そこで、第４の実施例では板厚測定分解能
を細かくすると計算時間が長くなるという問題点を解決
し、さらにＡ／Ｄ変換器も低いサンプリング周波数で済
むようにしたものである。
【００８１】図１５は本発明の第４の実施例を示すブロ
ック回路図である。このブロック図は二重透過波に限ら
ず、多重反射波を利用する場合にも適用できるので、両
者を図示しておいた。図１５において、４１ａ，４１ｂ
は被検体として例えば板４２の上下面を挟んで設けられ
た超音波伝搬媒質、４３は超音波伝搬媒質４１ｂの下面
に接触させて設けられた反射板、４４は超音波伝搬媒質
４１ａの上面に接触させて設けられた超音波探触子であ
る。この超音波探触子４４は圧電素子からなり、超音波
探傷器４５からパルス信号が入力されると超音波パルス
を出力し、またその反射波を受けるとこれを電気信号に
変換して超音波探傷器４４に伝送する機能を有してい
る。超音波探傷器４４は超音波探触子４３から電気信号
が加えられると、その反射波に相当するアナログ信号を
ダイオード・バランスド・ミキサー（ＤＢＭ）又は差動
アンプによる平衡変調器等からなる乗算器４６に加えら
れ、正弦波発振器４７から発生する定周波の連続信号と
乗算されてローパスフィルタ４８に入力される。このロ
ーパスフィルタ４８は乗算器により周波数変換された被
解析信号のうち、低い周波数例に変換されたアナログ信
号のみを取り出してＡ／Ｄ変換器４９に加えられる。こ
のＡ／Ｄ変換器４９では低い周波数に変換された被解析
信号をディジタル信号に変換し、これをＦＦＴ等のディ
ジタル信号処理部５０に入力する。このディジタル信号
処理部４９では入力信号をフーリエ変換処理して中心周
波数を求め、これを板厚に換算した後表示器５１に与え
て表示させる。
【００８２】次にこのように構成された被検体の厚み測
定回路の作用について第１の実施例に加えて実施した結
果について述べる。
【００８３】いま、超音波探触子４４で受信された反射
波の電気信号が超音波探傷器４５に入力され、この超音
波探傷器４５の出力信号が乗算器４６に与えられている
ものとする。このとき正弦波発振器４７の発振周波数が
２０MHZ とすれば、乗算器４６の出力は超音波探傷器４
５の出力が基準正弦波（キャリア信号）に重畳されるこ
とにより、周波数変調が起こり、入力±２０MHZ となる
ので、出力のスペクトルは図１６に示すようになる。こ
のようなスペクトルを持つ出力はローパスフィルタ４８
に入力され、二重透過波を取出してＡ／Ｄ変換器４９に
入力される。この場合、ローパスフィルタ４８は−３ｄ
Ｂの周波数が３MHZ のものを使用し、またＡ／Ｄ変換器
４９としては５MHZ でＡ／Ｄ変換するものが用いられて
いる。このＡ／Ｄ変換器４９でＡ／Ｄ変換されて出力さ
れるディジタル信号はＦＦＴ等のディジタル信号処理部
５０に入力され、フーリエ変換処理して中心周波数が求
められ、これを板厚に換算した後表示器５１に表示され
る。
【００８４】この場合、第１の実施例で具体的な数値を
挙げたのと同じ周波数分解能（約0.024MHZ) を得るた
め、点数 N を２５６点位にすると、周波数分解能Δｆ
はΔｆ＝5/256 で、約0.02MHZ となり、板厚分解能は約
0.1 μm となる。
【００８５】このように正弦波発振器４６の発振周波数
を２０MHZ とし、ローパスフィルタ４７の出力をＡ／Ｄ
変換してＦＦＴしたところ、2.27MHZ のところにピーク
があった。そこで、本来のピークは2.27＋20＝22.27 MH
Z であり、板厚はｄ＝4640／2 ・22.27MHZ＝104.18μm
と計算された。
【００８６】ここで、第１の実施例の具体的数値による
板厚測定手順と第４の実施例の具体的数値による板厚測
定手順について対比してみると次の通りである。
【００８７】 （イ）サンプリング周波数：第１の実施例の場合、100 MHZ 第４の実施例の場合、 5 MHZ （ロ）ＦＦＴ点数 ：第１の実施例の場合、4096 第４の実施例の場合、 256 （ハ）周波数分解能 ：第１の実施例の場合、0.024 MHZ 第４の実施例の場合、0.020 MHZ （ニ）その他 ：第１の実施例の場合、無し 第４の実施例の場合、正弦波と乗算後、ＬＰＦを通 過させる。
【００８８】このように第４の実施例では、板厚測定分
解能が細かくても計算時間が短くでき、またＡ／Ｄ変換
器も低いサンプリング周波数で済むという効果が得られ
る。なお、前述した各実施例では被検体として板２の厚
みを測定する場合について述べたが、これに限定される
ものではなく、他の被検体の厚みを測定する場合にも同
様に適用することができる。
【００８９】以上述べた各実施例は超音波パルス共振法
による板厚測定装置であるが、次にレーザ−超音波法に
よる板厚測定装置について説明する。図１７は本発明の
レーザ−超音波法による板厚測定装置の構成例を示すブ
ロック回路図である。図１７において、６１はパルスレ
ーザ光源で、このパルスレーザ光源６１はトリガー回路
６２より発生するトリガー信号に同期して発光時間の短
いパルス状のレーザ光を板または管等の被検体６３に照
射するものである。被検体６３はパルスレーザ光源６１
よりレーザ光が照射されると超音波パルスを励起し、こ
の超音波パルスは被検体６３の表面と裏面間で多重反射
し、それに伴って被検体６３の表面が変位する。６４は
連続レーザ光源を用いたレーザ干渉計で、このレーザ干
渉計６４は被検体３の表面変位の時間変化を検出し、こ
れを電気信号として出力するものである。６５はゲート
回路で、このゲート回路６５はトリガー回路６２よりト
リガー信号が入力されるとゲートを開いてレーザ干渉計
６４より電気信号として出力される被検体６３における
多重反射波を取出すものである。
【００９０】また、６６はこのゲート回路６５より取出
される多重反射波と発振器６７の発振出力信号（低周波
の連続信号）とが入力される乗算器で、この乗算器６６
は多重反射波と発振出力信号とを乗算し、多重反射波を
±ｆだけ周波数変換するものである。６８は乗算器６６
で周波数変換された出力信号が入力される低域通過フィ
ルタで、この低域通過フィルタ６８は乗算器６６の出力
信号のうち、低周波成分の出力信号を取出すものであ
る。
【００９１】さらに、６９は周波数解析器で、この周波
数解析器６９は低域通過フィルタ６８により取出された
出力信号を周波数解析して多重反射波のスペクトルを求
めるものである。７０は周波数解析器で求められた多重
反射波のスペクトルが入力される板厚算出器で、この板
厚算出器７０はスペクトルのピーク周波数を求め、これ
と被検体６３の音速から板厚を算出するものである。
【００９２】なお、発振器６７の出力信号がｆ＝０、す
なわち直流の場合には低域通過フィルタ６８をバイパス
して周波数解析器６９に直接入力される。
【００９３】次に上記のような構成のレーザ−超音波法
による板厚測定装置の作用について述べる。いま、トリ
ガー回路６２よりパルスレーザ光源６１にトリガー信号
が発せられると、パルスレーザ光が被検体６３に照射さ
れ、被検体６３に超音波パルスが励起される。この超音
波パルスは被検体６３の表面から裏面に伝搬され、裏面
にて反射すると表面に戻り、再び表面で反射されるとい
う多重反射が超音波パルスが減衰して消滅するまで行わ
れる。
【００９４】このとき超音波パルスが被検体６３の表面
に達する毎に、被検体６３の表面は僅かに変位する。こ
の被検体６３の表面変位は、連続レーザ光源を用いたレ
ーザ干渉計６４によりその時間変化として検出され、こ
れを電気信号としてゲート回路６５を通して乗算器６６
に与える。この場合、ゲート回路６５はトリガー回路６
２のトリガー信号に基づいて多重反射波に相当する部分
が取出される。乗算器６６では多重反射波と発振器６７
の発振出力信号とを乗算して多重反射波を±ｆだけ周波
数変換する。
【００９５】ここで、ｆ＝０、即ち直流の場合は低域通
過フィルタ８をバイパスして周波数解析器９に加えら
れ、この周波数解析器９で多重反射波のスペクトルが求
められて板厚算出器７０に入力される。この板厚算出器
７０ではスペクトルのピーク周波数ｆn を求め、このｆ
n と被検体６３の音速ｃからｄ＝ｃ／２ｆn ・n （n=1,
2,3 …）の関係より板厚ｄを算出する。
【００９６】また、ｆ＞０の時は、乗算器６６の出力の
内、低周波成分が低域通過フィルタ６８により取出され
て周波数解析器６６に与えられ、この周波数解析器９で
多重反射波のスペクトルが求められて板厚算出器７０に
入力される。この板厚算出器７０ではスペクトルのピー
ク周波数ｆm (m=1,2,3…）と発振器６７の周波数ｆから
真のピーク周波数ｆn （ｆn = ｆm +f) を求め、このｆ
n と被検体６３の音速ｃからｄ＝ｃ／２ｆn ・n ( n=1,
2,3 …）の関係より板厚ｄを算出する。
【００９７】図１８は上記構成のレーザ超音波法による
板厚測定装置の具体的な実施例を示す回路構成図で、図
１７と同一部品には同一記号を付して示す。図１８にお
いて、パルスレーザ光源６１としてはQ SWitch YAGレー
ザ光源が用いられ、トリガー回路６２より発生するトリ
ガー信号に同期してパルス幅10nsの高出力レーザ光を板
または管等の被検体６３に照射する機能を有している。
【００９８】また、レーザ干渉計６４はHe-Ne レーザ光
源６４ａ、このレーザ光源６４ａから発せられる連続レ
ーザ光をレンズ６４ｂを通して被検体６３の表面に導く
方向性ビームスプリッタ６４ｃ、被検体６３で反射した
連続レーザ光が方向性ビームスプリッタ６４ｃを通して
導かれ、その共振周波数とその近傍の周波数のみを通す
ファブリペロー共振器６４ｄ、このファブリペロー共振
器６４ｄの出力光を電気信号に変換する光検出器６４ｅ
およびこの光検出器６４ｅの出力信号を増幅する増幅器
６４ｆから構成されている。
【００９９】ゲート回路６５はトリガー回路６２よりト
リガー信号が入力されるとレーザ干渉計６４の増幅器６
４ｆで増幅された出力信号から超音波多重反射波に相当
する部分を取出して乗算器６６に与える。乗算器６６は
多重反射波と発振器６７の発振出力信号とを乗算し、多
重反射波を±ｆだけ周波数変換して低域通過フィルタ６
８に入力する。この低周波通過フィルタ６８は乗算器６
６の出力信号のうち、低周波成分のみを取出してこれを
Ａ／Ｄ変換器７１を介して計算機７２に入力する。
【０１００】この計算機７２はＡ／Ｄ変換器７１を介し
て取込まれた乗算器６６の低周波成分の出力信号を周波
数解析して多重反射波のスペクトルを求める周波数解析
機能と、このスペクトルのピーク周波数を検出して板厚
を算出する板厚算出機能を有している。そして、この計
算機７２で求められた板厚は表示器７３に表示されるよ
うになっている。
【０１０１】次にこのように構成されたレーザ超音波法
による板厚測定装置の作用について述べる。いま、トリ
ガー回路６２よりトリガー信号が発せられると、Q SWit
ch YAGレーザ光源６１からパルス幅10nsの高出力レーザ
光が被検体６３に照射され、被検体６３に超音波パルス
を励起する。この超音波パルスは、被検体６３の表面か
ら裏面に伝搬し、裏面にて反射すると表面に戻り、再び
表面で反射するので、超音波パルスが減衰して消滅する
まで被検体中を多重反射する。この場合、超音波パルス
が被検体６３の表面に達する毎に被検体表面は僅かに変
位する。
【０１０２】一方、He-Ne レーザ光源６４ａより連続レ
ーザ光が方向性ビームスプリッタ６４ｃおよびレンズ６
４ｂを通して被検体６３の表面に照射される。すると、
被検体６３の表面で反射した連続レーザ光は、方向性ビ
ームスプリッタ６４ｃを通り、ファブリペロー共振器６
４ｄに導かれる。このファブリペロー共振器６４ｄで
は、共振周波数とその近傍の周波数のみを選択的に出力
する。したがって、被検体６３の表面が変位して連続レ
ーザ光の周波数がドップラーシフトすると、ファブリペ
ロー共振器６４ｄの出力光の強度が変化する。このファ
ブリペロー共振器６４ｄの出力光は光検出器６４ｄにて
電気信号に変換されるが、この電気信号の強弱は被検体
表面の変位を表している。
【０１０３】光検出器６４ｄの出力電気信号は、増幅器
６４ｆで増幅された後、トリガー信号に基づいて超音波
多重反射波に相当する部分がゲート回路６５により取出
され、乗算器６６にて発振器６７の発振出力信号と乗算
される。この乗算器６６の出力信号は、低域通過フィル
タ６８を通過してＡ／Ｄ変換器７１にてディジタル信号
に変換され、計算機７２に取込まれる。この計算機７２
では超音波多重反射波のスペクトルをFFT で求め、さら
にこのスペクトルのピーク周波数を検出して板厚を算出
する。
【０１０４】図１９は、被検体６３として厚さ10mmの鋼
板を用いた場合のゲート回路６５の出力を観察した波形
である。この波形からも分かるように第１底面エコーと
第２底面エコーが完全に分離されており、その時間差か
ら容易に板厚を求めることができる。
【０１０５】また、厚さ約55μm の鋼板について同様に
ゲート回路10の出力を観察した所、図２０に示すような
波形結果となった。しかし、この波形は底面エコーが重
合っているため、底面エコーの時間間隔が測定できず、
そのままでは板厚を求めることはできない。
【０１０６】そこで、多重反射波である図２０の枠内の
部分をゲート回路６５により取出し、発振器６７の周波
数を０、低域通過フィルタ６８をバイパスしてサンプリ
ング周波数200 MHZ のＡ／Ｄ変換器７１でディジタル変
換し、計算機７２でFFT によりスペクトルを求めた結
果、図２１に示すような波形が得られた。したがって、
図２１に示す波形からも明らかなように５３MHZ にピー
クが出ており、ｄ＝5900/( 2・53×106 ）より、板厚を
55.66 μm と算出することができた。
【０１０７】一方、多重反射波である図２０の枠内の部
分をゲート回路６５により取出し、発振器６７の発振周
波数を50MHZ にすると、多重反射波は+50MHZおよび-50M
HZで周波数変換される。いま、低域通過フィルタ６８の
カットオフ周波数を 5MHZ として、-50MHZで周波数変換
された信号のみを取出し、サンプリング周波数20MHZの
Ａ／Ｄ変換器７１でディジタル変換して計算機７２に与
え、計算機７２でFFTによりスペクトルを求めることに
より、図２２に示すような波形が得られた。
【０１０８】この波形からも明らかなように３MHZ 付近
にピークが出ていることが分かる。したがって、-50MHZ
で周波数変換をしていることから、真のピーク周波数は
５３MHZ であり、ｄ＝5900/( 2・53×106 ）より、板厚
を55.66 μm と算出することができた。
【０１０９】このように本実施例によるレーザ超音波法
による板厚測定装置においては、パルスレーザ光源６１
より発光時間の短いパルス状のレーザ光を被検体６３に
照射し、また干渉計６４の連続レーザ光源６４ａより連
続レーザ光を被検体６３に照射して被検体表面の変位で
変調された連続レーザ光の反射光から表面変位の時間変
化を検出し、その出力信号から被検体の板厚を求めるよ
うにしたので、超音波パルス共振法による板厚測定装置
のように接触媒質が必要なく、非接触で超音波の送受が
可能となり、圧延製造ラインのように被検体が高速に移
動する場合でも容易に板厚を測定することができる。
【０１１０】また、板厚の算出にあたっては干渉計６４
の出力信号の内、被検体で多重反射した超音波信号をゲ
ート回路６５で取出し、さらにこの多重反射波を周波数
解析器６９により周波数解析してスペクトルを求め、こ
のスペクトルのピーク周波数から板厚を求めているの
で、被検体の板厚が薄くて被検体の表面、裏面で多重反
射した超音波パルス列が分離できなくても、スペクトル
を求めることで周期性を容易に検出することが可能とな
り、板厚の薄い被検体でも測定することができる。ま
た、超音波パルス列の時間間隔が短くてもスペクトルの
ピーク周波数から板厚を求めていることから、サンプリ
ング周波数が低い周波数解析器６９でも板厚を分解能良
く測定することができる。
【０１１１】さらに、ゲート回路６５で取出された出力
信号は、乗算器６６により発振器６７より出力される高
周波信号と乗算してその出力信号を低域通過フィルタ６
８を通すことにより、多重反射した超音波パルス列のス
ペクトルのピーク周波数を低い周波数に周波数変換でき
るので、サンプリング周波数の低い周波数解析器６９で
もピーク周波数を求めることかでき、周波数解析の分解
能を高めて板厚を測定することができる。
【０１１２】なお、図１８に示す実施例では超音波検出
のための干渉計としてファブリペロー干渉計を用いた
が、他の干渉計を用いても前述同様に実施できることは
いうまでもない。
【０１１３】また、本発明は上記し、且つ図面に示す実
施例に限定されるものではなく、その要旨を変更しない
範囲内で種々変形して実施できるものである。
【０１１４】
【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、短時
間で被検体の厚みを高精度に測定することができる超音
波による被検体の厚み測定方法およびその装置を提供で
きる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による超音波による被検体の厚み測定方
法およびその装置を説明するための第１の実施例を示す
ブロック回路図。
【図２】同実施例において、超音波探触子から被検体に
超音波パルスを伝送した後に受信される超音波波形を示
す図。
【図３】同実施例において、超音波パルスの受信信号か
ら選択された二重透過波の周波数スペクトルを示す図。
【図４】物質と縦波垂直入射時の音圧反射率との関係の
説明図。
【図５】第１の実施例において、板をセットしない状態
での反射板からのエコーのスペクトルを示す図。
【図６】第１の実施例において、板をセットしたときの
二重透過波とそのスペクトルを示す図。
【図７】本発明の第２の実施例における反射体の構成例
を示す側面図。
【図８】本発明の第３の実施例を示すブロック回路図。
【図９】同実施例において超音波探触子から被検体に超
音波パルスを伝送した後に受信される超音波波形を示す
図。
【図１０】同じく超音波パルスの受信信号から取出され
た多重反射波の周波数スペクトルを示す図。
【図１１】第３の実施例の具体的な作用を説明するため
の多重反射波を示す図。
【図１２】同じく受信波形を示す図。
【図１３】同じく図３の受信波形のＢの部分をフーリエ
変換したときのスペクトルを示す図。
【図１４】第３の実施例において、厚さ約100 μm の黄
銅（Ｌ＝4640ｍ）を測定したときの多重反射波とスペク
トルを示す図。
【図１５】本発明の第４の実施例を示すブロック回路
図。
【図１６】同実施例における出力スペクトルを示す図。
【図１７】本発明のレーザ超音波法による板厚測定装置
の構成を示すブロック回路図。
【図１８】本発明のレーザ超音波法による板厚測定装置
の具体的な実施例を示すブロック回路図。
【図１９】同実施例において、厚さ10mmの鋼板の超音波
反射波の検出結果を示す波形図。
【図２０】同実施例において、厚さ55μm 鋼板の超音波
反射波の検出結果を示す波形図。
【図２１】同実施例において、厚さ55μm の鋼板の多重
反射波のスペクトルを示す図。
【図２２】同実施例において、周波数変換後の多重反射
波のスペクトルを示す図。
【符号の説明】
１，１ａ，１ｂ…超音波探触子、２…被検体、３…反射
板、４…超音波探触子、５…パルス発生器、６…トリガ
回路、７…広帯域増幅器、８…ゲート回路、９…周波数
解析器、１０…ピーク周波数検出器、１１…板厚換算
器、１２…Ａ／Ｄ変換器、１３，１４…波形メモリ、１
５…演算処理部、６１…パルスレーザ光源、６２…トリ
ガー回路、６３…被検体、６４…連続レーザ光源・レー
ザ干渉計、６５…ゲート回路、６６…乗算器、６７…発
振器、６８…低域通過フィルタ、６９…周波数解析器、
７０…板厚算出器。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平３−262909（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−65407（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−20803（ＪＰ，Ａ) 特開 昭46−7046（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−102408（ＪＰ，Ａ) 実開 昭63−51209（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01B 17/00 - 17/08

Claims (15)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 被検体に超音波パルスを送信し、前記被
    検体にて反射した超音波信号の共振から被検体の厚みを
    測定する方法において、 被検体を透過して反射体より反射された二重透過波を周
    波数解析して前記被検体の厚みを求めることを特徴とす
    る被検体の厚み測定方法。
  2. 【請求項２】 被検体に超音波パルスを送信し、前記被
    検体にて反射した超音波信号の共振から被検体の厚みを
    測定する方法において、 受信信号からゲートにより表面反射波を除いて多重反射
    波だけを抽出するようにし、この多重反射波を周波数解
    析して前記被検体の厚みを求めることを特徴とする被検
    体の厚み測定方法。
  3. 【請求項３】 超音波を用いて被検体の厚みを測定する
    方法において、 超音波探触子から超音波パルスを被検体に送信すること
    により、前記被検体から反射される超音波パルスを再度
    前記超音波探触子で受信し、この受信信号に定周波の搬
    送信号を重畳し、これを周波数解析して前記被検体の厚
    みを求めることを特徴とする被検体の厚み測定方法。
  4. 【請求項４】 周波数解析は、被検体を透過して反射体
    により反射された二重透過波について行なう請求項３記
    載の超音波による被検体の厚み測定方法。
  5. 【請求項５】 周波数解析は、被検体内部から反射され
    た多重反射波について行なう請求項３記載の被検体の厚
    み測定方法。
  6. 【請求項６】 被検体に超音波パルスを送信し、且つ前
    記被検体から反射される超音波パルスを受信するとこれ
    を電気信号に変換する超音波探触子と、前記被検体を透
    過する超音波パルスを再度前記被検体を通して前記超音
    波探触子に反射させる反射体と、前記超音波探触子で受
    信された二重透過波の電気信号の周波数スペクトルを解
    析する周波数解析手段と、この周波数解析手段により解
    析された周波数スペクトルのピーク周波数を検出するピ
    ーク周波数検出手段と、このピーク周波数検出手段で検
    出された周波数スペクトルのピーク周波数から被検体の
    厚みに換算する厚み換算手段とを備えたことを特徴とす
    る超音波による被検体の厚み測定装置。
  7. 【請求項７】 超音波探触子と被検体との間に存する超
    音波伝搬媒質の距離をＷ1、被検体と反射板との間に存す
    る超音波伝搬媒質の距離をＷ2としたとき、これらの距
    離をＷ1が約２Ｗ2なる関係にした請求項６記載の超音波
    による被検体の厚み測定装置。
  8. 【請求項８】 反射体は、移動可能な被検体の移動に応
    じて転動する回転体により構成した請求項６記載の超音
    波による被検体の厚み測定装置。
  9. 【請求項９】 被検体に超音波パルスを送信し、且つ前
    記被検体から反射される超音波パルスを受信するとこれ
    を電気信号に変換する超音波探触子と、前記前記超音波
    探触子で受信された電気信号の内、表面反射波を除いて
    多重反射波だけを抽出するゲートと、このゲートにより
    抽出された多重反射波のスペクトルを解析する周波数解
    析手段と、この周波数解析手段により解析された周波数
    スペクトルのピーク周波数を検出するピーク周波数検出
    手段と、このピーク周波数検出手段で検出された周波数
    スペクトルのピーク周波数から被検体の厚みに換算する
    厚み換算手段とを備えたことを特徴とする超音波による
    被検体の厚み測定装置。
  10. 【請求項１０】 被検体に超音波パルスを送信し、且つ
    前記被検体から反射される超音波パルスを受信するとこ
    れを電気信号に変換する超音波探触子と、前記被検体を
    透過する超音波パルスを再度前記被検体を通して前記超
    音波探触子に反射させる反射体と、定周波の連続信号を
    発生する定周波発生手段と、前記超音波探触子で受信さ
    れた二重透過波の電気信号に前記定周波発生手段より発
    生する定周波の連続信号を乗算して電気信号を周波数変
    換する周波数変換手段と、この周波数変換手段により変
    換された周波数スペクトルのピーク周波数を検出するピ
    ーク周波数検出手段と、このピーク周波数検出手段で検
    出された周波数スペクトルのピーク周波数から被検体の
    厚みに換算する厚み換算手段とを備えたことを特徴とす
    る超音波による被検体の厚み測定装置。
  11. 【請求項１１】 超音波探触子と被検体との間に存する
    超音波伝搬媒質の距離をＷ1、被検体と反射板との間に存
    する超音波伝搬媒質の距離をＷ2としたとき、これらの
    距離をＷ1が約２Ｗ2なる関係にした請求項１０記載の超
    音波による被検体の厚み測定装置。
  12. 【請求項１２】 被検体に超音波パルスを送信し、且つ
    前記被検体から反射される超音波パルスを受信するとこ
    れを電気信号に変換する超音波探触子と、前記被検体を
    透過する超音波パルスを再度前記被検体を通して前記超
    音波探触子に反射させる反射体と、定周波の連続信号を
    発生する定周波発生手段と、前記超音波探触子で受信さ
    れた多重透過波の電気信号に前記定周波発生手段より発
    生する定周波の連続信号を乗算して電気信号を周波数変
    換する周波数変換手段と、この周波数変換手段により変
    換された周波数スペクトルのピーク周波数を検出するピ
    ーク周波数検出手段と、このピーク周波数検出手段で検
    出された周波数スペクトルのピーク周波数から被検体の
    厚みに換算する厚み換算手段とを備えたことを特徴とす
    る超音波による被検体の厚み測定装置。
  13. 【請求項１３】 ピーク周波数検出手段によりピーク周
    波数を検出する際、このピーク周波数の前後のエコーが
    重ならないことを条件にピーク周波数を検出するように
    した請求項１２記載の超音波による被検体の厚み測定装
    置。
  14. 【請求項１４】 レーザ光を用いて超音波を送受信し、
    前記被検体にて反射した超音波信号の共振から被検体の
    厚みを測定する装置において、 被検体中で多重反射した超音波信号を取出すゲート機能
    と、このゲート機能により取出された多重反射波を周波
    数解析してスペクトルを求める周波数解析器と、この周
    波数解析器で求められたスペクトルのピーク周波数から
    板厚を求める板厚算出器とを設けたことを特徴とする超
    音波による被検体の厚み測定装置。
  15. 【請求項１５】 レーザ光を用いて超音波を送受信し、
    前記被検体にて反射した超音波信号の共振から被検体の
    厚みを測定する装置において、 被検体中で多重反射した超音波信号を取出すゲート機能
    と、定周波信号を連続的に発生する信号発生器と、この
    信号発生器の出力信号を前記ゲート機能により取出され
    た多重反射波に乗算する乗算器と、この乗算器の出力信
    号から低周波成分を取出す低域通過フィルタと、この低
    域通過フィルタの出力信号の周波数を解析してスペクト
    ルを求める周波数解析器と、この周波数解析器で求めら
    れたスペクトルのピーク周波数と信号発生器の発振周波
    数から板厚を求める板厚算出器とを備えたことを特徴と
    する超音波による被検体の厚み測定装置。
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