JP3821035B2 - 材料の厚さ測定方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波の伝搬時間を利用して材料の厚さを測定する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
金属やセラミックスなどの材料の厚さを測定する方法として、材料中の超音波の伝搬時間を利用する方法が知られている（ＪＩＳ Ｚ ２３５５）。図１に反射型測定装置の構成例を、また図２に超音波受信波形をそれぞれ模式的に示す。以下図１および図２に基づいて、超音波を利用した典型的な材料厚さ測定方法について説明する。
【０００３】
図１に示す如く、圧電振動子などで構成される超音波発生手段２０により材料１０の厚さ方向に超音波２２を発生させるとともに、圧電振動子などで構成される超音波検出手段３０により材料底面からの超音波反射波２８を検出する。
【０００４】
このとき検出される超音波信号には、図２に示すように、材料の厚さ方向に複数回往復した超音波反射波（多重底面エコー）がほぼ等間隔で現れる。図２で、パルスＴは超音波送信信号あるいは超音波送信に同期したトリガー信号を、またＢ２、Ｂ４、Ｂ６はそれぞれ材料中を１、２、および３往復した底面エコー（それぞれＢ２エコー、Ｂ４エコー、Ｂ６エコーと称する）を表す。このようにして検出された超音波信号は、超音波伝搬時間計測手段３２に送られる。
【０００５】
超音波伝搬時間計測手段３２は、材料１０中の超音波伝搬時間、例えば図２に示すｔ2およびｔ4を計測する。演算手段３４は、計測された超音波伝搬時間、および予め求めておいた被測定材料１０中の超音波音速Ｖに基づいて、材料の厚さｄを（１）式によって算出する。
【０００６】
d=V・(t4−t2)/2 …（１）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
超音波発生手段２０と超音波検出手段３０を同一の超音波探触子で兼用する、いわゆる一探触子法では、上記の方法で精度良く材料厚さを求められる。しかしながら、超音波発生手段２０と超音波検出手段３０に別個の超音波探触子を使用する、いわゆる二探触子法では、図１に示すように超音波送・受信位置間の距離（オフセット量と呼ぶことにする）ｓがゼロにならないため、このオフセット量によって材料厚さ測定精度が低下する問題があった。即ち、図１から容易に分かるように、オフセット量ｓがゼロでない場合、超音波検出手段３０で検出される超音波エコーは、材料１０の厚さ方向に対して斜め方向に伝搬することになり、この結果、Ｂ４エコーの材料中の伝搬路程は、Ｂ２エコーの材料中の伝搬路程の２倍よりも短くなる。従って、（１）式を用いて材料厚さを算出した場合、実際の厚さより小さく評価してしまうことになる。例えば、ｓ＝４ｍｍの場合、２０ｍｍの厚さの材料を（１）式によって求めると、約１９．１ｍｍとなり、約５％の測定誤差を生じてしまう。
【０００８】
このような測定誤差を低減する方法として、材料厚さ方向にほぼ平行に伝搬する高次のエコー（たとえばＢ１０エコーやＢ１２エコーなど）を用いる方法も考えられるが、一般に高次の底面エコーは、低次の底面エコーに比べ超音波の底面での反射損失や材料中の減衰によりＳ／Ｎが低下するため、伝搬時間の計測精度が不十分になる問題が生ずる。
【０００９】
本発明は、以上のような問題を解決し、材料の厚さを高精度で測定する方法を提供することを目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、超音波を材料の厚さ方向に伝搬させ、該超音波の材料底面からの多重底面エコーを検出し、該検出信号から相異なる少なくとも３個の底面エコーの伝搬時間を計測し、該伝搬時間から超音波送・受信位置間の距離と材料の厚さの比に関係する量を求め、この比に関係する量と超音波送・受信位置間の距離の値を用いて材料の厚さを算出するようにして、上記の問題を解決したものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００１２】
本実施形態による材料厚さ測定の手順を図３に示す。
【００１３】
まず、図１に示す如く、材料１０の厚さ方向に超音波を発生させ（ステップ１０１）、オフセット量ｓの位置にて、その多重底面エコーを検出する（ステップ１０２）。ここまでは従来法と同様であり、超音波の発生法には、圧電探触子、電磁超音波探触子、あるいはパルスレーザーなどを用いることができる。また、超音波の検出には、圧電探触子、電磁超音波探触子、あるいは光干渉計などを用いることができる。
【００１４】
次に、図２に示すような、検出した超音波信号の中から、相異なる３つの底面エコーの伝搬時間を計測する（ステップ１０３）。伝搬時間計測法としては、従来の超音波厚さ計などで用いられている周知の方法を用いることができる。
【００１５】
次に、計測した３つの伝搬時間からｓ／ｄを求める（ステップ１０４）。ここでｄは材料の厚さである。オフセット量ｓを予め求めておくか、あるいは別途測定することにより、ｓ／ｄからｄが求められる（ステップ１０５）。
【００１６】
以下、ステップ１０４におけるｓ／ｄの算出手順について詳細に説明する。
【００１７】
図１に示す幾何学的な関係から、各伝搬時間ｔ2、ｔ4、ｔ6と超音波音速Ｖ、材料厚さｄ、オフセット量ｓの間には、次式のような関係がある。
【００１８】
【数１】
【００１９】
ここでδｔは、伝搬時間計測におけるトリガー信号と超音波発生時刻との間の時間差である。
【００２０】
（２）式からわかるように、３つの底面エコーの伝搬時間ｔ2、ｔ4、ｔ6を測定しても、材料厚さｄを解析的に求めることはできない。しかしながら、本発明者が鋭意検討を行った結果、ｒ≡ｓ／ｄとおいて（２）式を変形すると、
【数２】
となり、（３）式におけるＴｒとｒの関係を図示した図４からわかるように、ｓ／ｄとＴｒが１対１の関係になる。即ち、３つの底面エコーの伝搬時間ｔ2、ｔ4、ｔ6を測定してＴｒを算出することにより、ｓ／ｄの値を一意に求めることができるのである。
【００２１】
以上の説明では、超音波の発生と超音波の検出を被測定材料の同一の面において行う反射型測定装置の場合を示したが、図５に示す透過型測定装置のように、超音波の発生と検出を被測定材料１０の反対側で行うことも可能である。
【００２２】
この場合、超音波検出信号は図６のようになる。図６において、Ｂ１、Ｂ３、Ｂ５はそれぞれ材料中を０．５、１．５、および２．５往復した底面エコーを表す。この場合も、相異なる３つの底面エコーの伝搬時間から材料厚さｄを求めることができる。
【００２３】
前記と同様に、各伝搬時間ｔ1、ｔ3、ｔ5と超音波音速Ｖ、材料厚さｄ、オフセット量ｓの間には、次式のような関係がある。
【００２４】
【数３】
【００２５】
（４）式から次式で定義されるＴｒ’を求める。
【００２６】
【数４】
【００２７】
（５）式におけるＴｒ’とｒの関係は、図７に示すように１対１の関係になるので、３つの底面エコーの伝搬時間ｔ1、ｔ3、ｔ5を測定してＴｒ’を算出することにより、ｓ／ｄの値を一意に求めることができる。
【００２８】
以上の説明では、３つの底面エコーとして、Ｂ２，Ｂ４，Ｂ６エコー、あるいはＢ１，Ｂ３，Ｂ５エコーを用いる場合について述べたが、例えばＢ４，Ｂ６，Ｂ８エコーやＢ３、Ｂ５、Ｂ７エコーを用いるようにしてもよい。また、パルス状の超音波を発生させる場合について述べたが、バースト状の超音波を用いても差し支えない。
【００２９】
また、３つの底面エコーの伝搬時間から材料厚さｄを求める際、Ｔｒ（あるいはＴｒ’）とｓ／ｄの関係式に基づいて計算する場合について述べたが、例えばｓ／ｄの代わりに、図８に示す超音波の入射角θなどを用いるようにしても構わない。なぜならば、tanθ＝ｓ／２ｄであり、０≦θ＜９０°においてθとｓ／ｄは１対１に対応するからである。これに限らず、相異なる少なくとも３つの底面エコーの伝搬時間と、ｓ／ｄに関係する量との間の関係式を用いて材料厚さｄを決定する、という本発明の主旨に沿う方法であれば、差し支えない。
【００３０】
【実施例】
以下、本発明による厚さ測定の実施例について述べる。厚さの異なる５種類の鋼板の厚さを従来法および本発明による方法でそれぞれ測定した結果を表１に示す。
【００３１】
【表１】
【００３２】
本測定は、図１に示す反射型の配置で測定を行ったものであり、超音波はパルスレーザー照射によって発生させ、その発生位置からオフセット量ｓ＝２．０ｍｍの位置で光干渉計によって超音波を検出した。本発明法による測定結果は、Ｂ２，Ｂ４，Ｂ６エコーの伝搬時間ｔ2、ｔ4、ｔ6から、図４に示すＴｒとｓ／ｄの関係を用いて板厚ｄを算出したものである。また従来法による測定結果は、Ｂ２およびＢ４エコーの伝搬時間ｔ2、ｔ4から、（１）式を用いて板厚ｄを算出したものである。
【００３３】
表１より、本発明による方法は、従来法に比べ、非常に高精度で板厚を測定できることが確認された。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明を用いれば、少なくとも３個の底面エコーの伝搬時間を用いることにより、材料の厚さを極めて高精度で測定することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】材料厚さ測定における第一の装置構成例を示す模式図
【図２】第一の装置構成例における超音波検出波形の模式図
【図３】本発明の実施形態による材料厚さ測定の手順を示すフローチャート
【図４】第一の装置構成例におけるＴｒとｓ／ｄの関係を示す特性図
【図５】材料厚さ測定における第二の装置構成例を示す模式図
【図６】第二の装置構成例における超音波検出波形の模式図
【図７】第二の装置構成例におけるＴｒ’とｓ／ｄの関係を示す特性図
【図８】ｓ／ｄの代りに用いることが可能な超音波入射角度θを説明する模式図
【符号の説明】
１０…材料
２０…超音波発生手段
２２…超音波
２８…超音波反射波
３０…超音波検出手段
３２…超音波伝搬時間検出手段
３４…演算手段
Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４、Ｂ５、Ｂ６…底面エコー
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波の伝搬時間を利用して材料の厚さを測定する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
金属やセラミックスなどの材料の厚さを測定する方法として、材料中の超音波の伝搬時間を利用する方法が知られている（ＪＩＳ Ｚ ２３５５）。図１に反射型測定装置の構成例を、また図２に超音波受信波形をそれぞれ模式的に示す。以下図１および図２に基づいて、超音波を利用した典型的な材料厚さ測定方法について説明する。
【０００３】
図１に示す如く、圧電振動子などで構成される超音波発生手段２０により材料１０の厚さ方向に超音波２２を発生させるとともに、圧電振動子などで構成される超音波検出手段３０により材料底面からの超音波反射波２８を検出する。
【０００４】
このとき検出される超音波信号には、図２に示すように、材料の厚さ方向に複数回往復した超音波反射波（多重底面エコー）がほぼ等間隔で現れる。図２で、パルスＴは超音波送信信号あるいは超音波送信に同期したトリガー信号を、またＢ２、Ｂ４、Ｂ６はそれぞれ材料中を１、２、および３往復した底面エコー（それぞれＢ２エコー、Ｂ４エコー、Ｂ６エコーと称する）を表す。このようにして検出された超音波信号は、超音波伝搬時間計測手段３２に送られる。
【０００５】
超音波伝搬時間計測手段３２は、材料１０中の超音波伝搬時間、例えば図２に示すｔ2およびｔ4を計測する。演算手段３４は、計測された超音波伝搬時間、および予め求めておいた被測定材料１０中の超音波音速Ｖに基づいて、材料の厚さｄを（１）式によって算出する。
【０００６】
d=V・(t4−t2)/2 …（１）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
超音波発生手段２０と超音波検出手段３０を同一の超音波探触子で兼用する、いわゆる一探触子法では、上記の方法で精度良く材料厚さを求められる。しかしながら、超音波発生手段２０と超音波検出手段３０に別個の超音波探触子を使用する、いわゆる二探触子法では、図１に示すように超音波送・受信位置間の距離（オフセット量と呼ぶことにする）ｓがゼロにならないため、このオフセット量によって材料厚さ測定精度が低下する問題があった。即ち、図１から容易に分かるように、オフセット量ｓがゼロでない場合、超音波検出手段３０で検出される超音波エコーは、材料１０の厚さ方向に対して斜め方向に伝搬することになり、この結果、Ｂ４エコーの材料中の伝搬路程は、Ｂ２エコーの材料中の伝搬路程の２倍よりも短くなる。従って、（１）式を用いて材料厚さを算出した場合、実際の厚さより小さく評価してしまうことになる。例えば、ｓ＝４ｍｍの場合、２０ｍｍの厚さの材料を（１）式によって求めると、約１９．１ｍｍとなり、約５％の測定誤差を生じてしまう。
【０００８】
このような測定誤差を低減する方法として、材料厚さ方向にほぼ平行に伝搬する高次のエコー（たとえばＢ１０エコーやＢ１２エコーなど）を用いる方法も考えられるが、一般に高次の底面エコーは、低次の底面エコーに比べ超音波の底面での反射損失や材料中の減衰によりＳ／Ｎが低下するため、伝搬時間の計測精度が不十分になる問題が生ずる。
【０００９】
本発明は、以上のような問題を解決し、材料の厚さを高精度で測定する方法を提供することを目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、超音波を材料の厚さ方向に伝搬させ、該超音波の材料底面からの多重底面エコーを検出し、該検出信号から相異なる少なくとも３個の底面エコーの伝搬時間を計測し、該伝搬時間から超音波送・受信位置間の距離と材料の厚さの比に関係する量を求め、この比に関係する量と超音波送・受信位置間の距離の値を用いて材料の厚さを算出するようにして、上記の問題を解決したものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００１２】
本実施形態による材料厚さ測定の手順を図３に示す。
【００１３】
まず、図１に示す如く、材料１０の厚さ方向に超音波を発生させ（ステップ１０１）、オフセット量ｓの位置にて、その多重底面エコーを検出する（ステップ１０２）。ここまでは従来法と同様であり、超音波の発生法には、圧電探触子、電磁超音波探触子、あるいはパルスレーザーなどを用いることができる。また、超音波の検出には、圧電探触子、電磁超音波探触子、あるいは光干渉計などを用いることができる。
【００１４】
次に、図２に示すような、検出した超音波信号の中から、相異なる３つの底面エコーの伝搬時間を計測する（ステップ１０３）。伝搬時間計測法としては、従来の超音波厚さ計などで用いられている周知の方法を用いることができる。
【００１５】
次に、計測した３つの伝搬時間からｓ／ｄを求める（ステップ１０４）。ここでｄは材料の厚さである。オフセット量ｓを予め求めておくか、あるいは別途測定することにより、ｓ／ｄからｄが求められる（ステップ１０５）。
【００１６】
以下、ステップ１０４におけるｓ／ｄの算出手順について詳細に説明する。
【００１７】
図１に示す幾何学的な関係から、各伝搬時間ｔ2、ｔ4、ｔ6と超音波音速Ｖ、材料厚さｄ、オフセット量ｓの間には、次式のような関係がある。
【００１８】
【数１】
ここでδｔは、伝搬時間計測におけるトリガー信号と超音波発生時刻との間の時間差である。
【００２０】
（２）式からわかるように、３つの底面エコーの伝搬時間ｔ2、ｔ4、ｔ6を測定しても、材料厚さｄを解析的に求めることはできない。しかしながら、本発明者が鋭意検討を行った結果、ｒ≡ｓ／ｄとおいて（２）式を変形すると、
【数２】
【００２１】
以上の説明では、超音波の発生と超音波の検出を被測定材料の同一の面において行う反射型測定装置の場合を示したが、図５に示す透過型測定装置のように、超音波の発生と検出を被測定材料１０の反対側で行うことも可能である。
【００２２】
この場合、超音波検出信号は図６のようになる。図６において、Ｂ１、Ｂ３、Ｂ５はそれぞれ材料中を０．５、１．５、および２．５往復した底面エコーを表す。この場合も、相異なる３つの底面エコーの伝搬時間から材料厚さｄを求めることができる。
【００２３】
前記と同様に、各伝搬時間ｔ1、ｔ3、ｔ5と超音波音速Ｖ、材料厚さｄ、オフセット量ｓの間には、次式のような関係がある。
【００２４】
【数３】
（４）式から次式で定義されるＴｒ’を求める。
【００２６】
【数４】
（５）式におけるＴｒ’とｒの関係は、図７に示すように１対１の関係になるので、３つの底面エコーの伝搬時間ｔ1、ｔ3、ｔ5を測定してＴｒ’を算出することにより、ｓ／ｄの値を一意に求めることができる。
【００２８】
以上の説明では、３つの底面エコーとして、Ｂ２，Ｂ４，Ｂ６エコー、あるいはＢ１，Ｂ３，Ｂ５エコーを用いる場合について述べたが、例えばＢ４，Ｂ６，Ｂ８エコーやＢ３、Ｂ５、Ｂ７エコーを用いるようにしてもよい。また、パルス状の超音波を発生させる場合について述べたが、バースト状の超音波を用いても差し支えない。
【００２９】
また、３つの底面エコーの伝搬時間から材料厚さｄを求める際、Ｔｒ（あるいはＴｒ’）とｓ／ｄの関係式に基づいて計算する場合について述べたが、例えばｓ／ｄの代わりに、図８に示す超音波の入射角θなどを用いるようにしても構わない。なぜならば、tanθ＝ｓ／２ｄであり、０≦θ＜９０°においてθとｓ／ｄは１対１に対応するからである。これに限らず、相異なる少なくとも３つの底面エコーの伝搬時間と、ｓ／ｄに関係する量との間の関係式を用いて材料厚さｄを決定する、という本発明の主旨に沿う方法であれば、差し支えない。
【００３０】
【実施例】
以下、本発明による厚さ測定の実施例について述べる。厚さの異なる５種類の鋼板の厚さを従来法および本発明による方法でそれぞれ測定した結果を表１に示す。
【００３１】
【表１】
本測定は、図１に示す反射型の配置で測定を行ったものであり、超音波はパルスレーザー照射によって発生させ、その発生位置からオフセット量ｓ＝２．０ｍｍの位置で光干渉計によって超音波を検出した。本発明法による測定結果は、Ｂ２，Ｂ４，Ｂ６エコーの伝搬時間ｔ2、ｔ4、ｔ6から、図４に示すＴｒとｓ／ｄの関係を用いて板厚ｄを算出したものである。また従来法による測定結果は、Ｂ２およびＢ４エコーの伝搬時間ｔ2、ｔ4から、（１）式を用いて板厚ｄを算出したものである。
【００３３】
表１より、本発明による方法は、従来法に比べ、非常に高精度で板厚を測定できることが確認された。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明を用いれば、少なくとも３個の底面エコーの伝搬時間を用いることにより、材料の厚さを極めて高精度で測定することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】材料厚さ測定における第一の装置構成例を示す模式図
【図２】第一の装置構成例における超音波検出波形の模式図
【図３】本発明の実施形態による材料厚さ測定の手順を示すフローチャート
【図４】第一の装置構成例におけるＴｒとｓ／ｄの関係を示す特性図
【図５】材料厚さ測定における第二の装置構成例を示す模式図
【図６】第二の装置構成例における超音波検出波形の模式図
【図７】第二の装置構成例におけるＴｒ’とｓ／ｄの関係を示す特性図
【図８】ｓ／ｄの代りに用いることが可能な超音波入射角度θを説明する模式図
【符号の説明】
１０…材料
２０…超音波発生手段
２２…超音波
２８…超音波反射波
３０…超音波検出手段
３２…超音波伝搬時間検出手段
３４…演算手段
Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４、Ｂ５、Ｂ６…底面エコー
Claims (1)
- 超音波を材料の厚さ方向に伝搬させ、該超音波の材料底面からの多重底面エコーを検出し、該検出信号から相異なる少なくとも３個の底面エコーの伝搬時間を計測し、該伝搬時間から超音波送・受信位置間の距離と材料の厚さの比に関係する量を求め、この比に関係する量と超音波送・受信位置間の距離の値を用いて材料の厚さを算出することを特徴とする材料の厚さ測定方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002087031A JP3821035B2 (ja) | 2002-03-26 | 2002-03-26 | 材料の厚さ測定方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002087031A JP3821035B2 (ja) | 2002-03-26 | 2002-03-26 | 材料の厚さ測定方法 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003279340A JP2003279340A (ja) | 2003-10-02 |
| JP3821035B2 true JP3821035B2 (ja) | 2006-09-13 |
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ID=29233412
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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|---|---|---|---|---|
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| JP5157610B2 (ja) * | 2008-04-17 | 2013-03-06 | Ｊｆｅスチール株式会社 | 薄肉鋼管の肉厚測定方法 |
| JP5595105B2 (ja) * | 2010-04-27 | 2014-09-24 | 日野自動車株式会社 | 油圧式トルクレンチの締付力の制御装置における締結部材の長さの測定方法 |
| JP6071756B2 (ja) * | 2013-05-29 | 2017-02-01 | 株式会社クボタ | 厚さ測定方法 |
-
2002
- 2002-03-26 JP JP2002087031A patent/JP3821035B2/ja not_active Expired - Fee Related
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