JPH0252208A - 物体の形状測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、水中にある物体の形状を、超音波によって
非接触、非破壊で精度よく測定する方法に関するもので
ある。

（従来の技術およびその解決すべき課題）ソフトコンタ
クトレンズ（以下、本明細書において「レンズ」という
）のように親水性軟質物質で、かつ、濡れた状態で使用
される物質の形状は、その物質の使用状態に近僚した状
態で測定する必要がある。従来、レンズの形状は、水中
より取り出し切断してその縦断面を投影機で拡大して測
定するか、水中に浸漬さゼたまま光学機械で測定する方
法が採用されていた。

前者の、水中から取り出して測定する方法は、レンズを
切断してしまうため、そのレンズは商品にはなり得ない
という問題があり、さらに、水分がレンズから蒸発して
レンズが変形するので、正確な測定ができない。さらに
、この方法は、切断や測定作業を人手によるため、個人
差による測定誤差が大きいという問題がある。

一方、後者の、水中で光学機械により測定する方法とし
ては、特開昭５２−１０８４９号公報に開示されるもの
が知られている。この方法は、水槽内の、所定の有効径
を有するレンズ台に、レンズをその凸面を上にして載置
し、水槽の側壁に設けた窓から、観察用光学系により、
レンズの凸面側の頂点を観察しながら焦点板を移動して
それに刻まれた目盛Ａをレンズの凸面側頂点に合致させ
、次いで、測定子によりレンズをレンズ台から持ち上げ
て移動さセて、焦点板の目盛Ｂに凸面側頂点を合致させ
、このときの測定子の移動距離からレンズの形状を求め
るものである。この方法は、水中で測定するので、レン
ズを変形させることはないが、限られた情報（レンズ台
の有効径、焦点板の目盛４８間の距離、および測定子の
移動距離の３つのブタ）を利用するのでレンズの全体形
状を測定することはできない。

また、超音波トランスジューサから超音波を発射してこ
の反射波を検出することにより被測定物の形状を測定す
る場合には、ノイズ等と分離して反射波を確実に検出す
る必要がある。このため、収束型の超音波トランスジュ
ーサを用いてＳＮ比の向上が図られるが被測定物の表面
形状が凹凸のある複雑な形状のものや超音波トランスジ
ユーザの音軸に対して大きく傾いている場合には反射波
信号が散逸してＳＮ比が悪化し、かかる形状のものに対
しては正確な形状測定が困難であった。

本発明は、かかる課題を解決するためになされたもので
、レンズのような軟質の物体や、これに限らず水中にあ
る物体の形状を非接触、非破壊で正確に測定することが
出来る、物体の形状測定方法を提供することを目的とす
る。

（課題を解決する手段） 上述の目的を達成するために本発明によれば、水中の所
定位置に被測定物を設置し、この被測定物を臨み、かつ
所定の回転中心から等距離にある円弧上を超音波トラン
スジューサを移動させ、前記円弧上の各測定点において
超音波トランスジューサから被測定物に向けて超音波を
発射し、被測定物の表面での反射波の強度を検出しなが
ら超音波トランスジューサをその超音波発射面中心回り
に回動させ、反射波強度が最大になる回動角度位置での
表面反射波を受信して各測定点での被６１１１定物の表
面位置座標を求め、もって、被測定物の形状を求めるこ
とを特徴とする物体の形状測定方法が提供される。

（作用） 円弧が所定回転中心位置から等距離にあり、この円弧上
を、例えば、所定角度毎に超音波トランスジューサを移
動させ、この移動位置を各測定点位置とすれば円弧上の
各測定点における超音波トランスジューサの位置は一義
的に決定される。そして、超音波トランスジューサの超
音波発射面中心に関する回動角度位置も既知であるから
超音波トランスジューサから発射される超音波の方向も
定まり、このように位置決めされた超音波トランスジュ
ーサから発射された超音波パルスの表面反射波を検出す
れば、その反射位置を特定でき、結局被測定物の表面位
置座標が求められる。そして、超音波ｌ・ランスジュー
サを円弧」二に沿って移動させ各測定点位置で被測定物
の表面位置座標を求めると、これらの表面位置座標に基
づき被測定物の形状を測定できる。

（実施例） まず、本発明方法による物体の形状測定原理を第１図お
よび第２図を参照して、水中にあるレンズの形状を測定
するものを例に説明する。第１図において、超音波トラ
ンスジューサ（以下ごれを「超音波ＴＤＪという）１は
、点Ｏを回転中心として、円弧５上をパルスモータ等の
駆動装置により測定点間を間歇的に移動可能であり、所
定の微小測定角度（走査角度）βを移動する毎に超音波
ＴＤＩから超音波パルス】ｂが回転中心Ｏに向りて発射
される。被測定物であるレンズ３は、その凸形状をなす
対向面（超音波ＴＤＩに対向する表面）３ａを超音波Ｔ
ＤＩに向け、超音波ＴＤＩと回転中心０間に、より具体
的にはレンズ３の対向面３ａの曲率（フロントカーブの
曲率）中心が」−述の回転中心Ｏに略合致する位置（回
転中心Ｏの近傍位置）に配置される。従って、超音波Ｔ
ＤＩは、レンズ３をＶＮＮ　’ｊ、超音波ＴＤＩと回転
中心○を結ぶ線が常にレンズ３の対向面３ａに略直交す
ることになる。超音波ＴＤ＋としては、収束型のものが
好適に使用される。従って、超音波ＴＤＩは、超音波Ｔ
ＤＩの超音波発射面と対向面３ａ間の距離が超音波ＴＤ
１の焦点距離に略等しくなる円弧５上に配設される。な
お、超音波ＴＤＩおよびレンズ３は、いずれも水中に浸
漬した状態で計測が行われる。

微小走査角度β毎に発射された超音波パルス１ｂは、レ
ンズ対向面３ａおよび裏面３ｂで反射され、反射波が超
音波ＴＤＩにより受信される。この時、超音波ＴＤＩの
超音波発射面と回転中心０までの距離をＲｏ、レンズ３
の形状測定を開始するときの超音波ＴＤＩの位置、すな
わち、スタート位置Ｎｏにおける超音波ＴＤＩと回転中
心Ｏを結ぶ直線が基準水平軸Ｘとなす角度をα、超音波
ＴＤＩをスタート位置Ｎｏから計測位置Ｎまで微小走査
角度β宛移動させた回数をｎ、超音波ＴＤＩが超音波信
号を発射した時点から反射信号を受信するまでの間に超
音波ＴＤＩが受信した信号をサンプリングするパルスの
発生周期をＴ、超音波パルスＩｂが超音波ＴＤＩから発
射された時点からレンズ対向面３ａで反射し、水中を戻
って超音波ＴＤＩにより受信される時点までの時間をし
、超音波パルス１ｂがその発射時点からレンズ３の対向
面３ａに到達する時点間の、上述のザンブリングパルス
の発生数をＣｏ、水中の音速を■、計測位置Ｎにおいて
計測されるレンズ対向面３ａの位置座標を（χ、ｙ）、
レンズ対向面３ａの位置座標（ｘ、ｙ）と回転中心０間
の距離をＲ１とすると、Ｘおよびｙは以下に示す式（１
）および（２）により求められる。

Ｘ　＝　Ｒ］　Ｘｃｏｓ（β×ｎ」−α’）　　　　　
　・・−・−（１）ｙ−ＲＩ　Ｘ５ｉｎ（βＸｎ　＋　
α）　　　　　　−−（２）ここに、 Ｒ１＝Ｒｏ−ＶＸ　ｔ／２　　　　　　−（３）＝Ｒｏ
−ＶＸＣｏＸＴ　　　　　　　−・−（４）上式（］）
　〜（４）において、Ｔ、　Ｒｏ、　Ｖ、　ａ　、およ
びβは、いずれも予め測定ないしは測定可能な値である
から、ｎおよびＣｏを与えるとレンズ対向面３ａの位置
座標（ｘ、ｙ）を求めることが出来る。そして、超音波
ＴＤＩをスタート位置Ｎｏから計測終了位ｆｆ　Ｎ　２
まで走査して各計測位置におけるレンズ対向面３ａの位
置座標（ｘ、ｙ）を求めると、レンズ３の対向面形状が
測定できる。

水中にあるレンズのように、音響インピーダンスが水と
レンズ対向面間およびレンズ裏面と水量で変化する場合
には、超音波パルスはレンズ対向面のみならず裏面から
も反射し、この反射信号も超音波ＴＤＩにより受信する
ことが出来る。この裏面から反射する超音波パルスを検
出することにより、以下の演算式により裏面３ｂの位置
座標（Ｘ！。

ｙｚ）を求めることが出来る。この場合、レンズ３内を
伝播する超音波の音速を■２、レンズ対向面３ａと裏面
３ｂで反射した超音波パルス信号の受信時間差をＬ２、
レンズ裏面３ｂの位置座標（χ２゜ｙｚ）と回転中心０
間の距離をＲ２とすると、Ｘ２およびｙ２は以下に示す
式（５）ないしく７）により求められる。

Ｘ２　＝Ｒ２Ｘｃｏｓ（β×ｎ＋α）・・・・・・（５
）Ｙ２＝Ｒ２Ｘ５ｉｎ（βｘ　ｎ　＋　ａ）　　　　　
−−（６）Ｒ２−Ｒｏ　　（ＶＸｔ／２　＋ＶｚＸｔｚ
／２）　　　−−（７）そして、超音波ＴＤＩのスター
ト位置Ｎｏから計測終了位置Ｎ２までの各計測位置にお
けるレンズ裏面３ｂの位置座標（ｘｚ、ｙｉを求めると
、レンズ３の裏面形状が測定できる。

次に、第２図を参照し、上述のようにして求めた位置デ
ータを用いて、厚さおよびその分布、並びにレンズを球
体の一部と考えた場合のヘースヵーブの曲率半径の各算
出方法を説明する。

今、レンズ３の裏面３ｂの形状が球面であると仮定し、
上述のようにして求めた任意の測定データから図のよう
に裏面３ｂ上のＡ、Ｂ、Ｃの３点の位置データを取り出
し、これらの位置座標を（ＸａＹａ）、（ｘｂ、ｙｂ）
、（Ｘｃ、Ｙｃ）とすると、これらの位置データから、
距離ＢＣ（−ａ）、距離ＡＣ（＝ｂ）、距離ＡＢ　（−
ｃ）は既知なる値であるから、値ａ、ｂ、ｃから曲率半
径Ｒ３が次式（８）により求められる。

Ｒ３＝ａｂｃ　／　（（ａ＋ｂ＋ｃ）　（ａ−ｂ＋ｃ）
　（ｂ＋ｃ−ａ）　（ｂ−ｃｌａ）　ｌ　”’・・・（
８） また、この裏面３ｂのヘースカーブ」二の任意の位置座
標（ｘ、ｙ）は次の一般式（９）でｊｊえられる。

（χ−ａｌ）２＋　（Ｙ−ｂｌ）２＝Ｒ３２−・・・（
９）ここに、ａ　ｌ　＋　ｂ　Ｉ　はヘースカーブの曲
率中心０の座標である。裏面３ｂの位置データから任意
の２点を選んでそれぞれを式（９）のＸ、Ｙに代入する
と、曲率中心０１の位置座標（ａ　ｌ＋　ｂ　＋）を求
めることができる。このとき、例えば中心０１　と点Ｂ
とを結ぶ延長線が対向面３ａと交わる点をＤとし、点り
の位置座標（Ｘｄ、Ｙｄ）を求める。そして、点Ｂおよ
び点りの座標データから距離ＢＤを演算するとレンズ３
の厚みが求められる。このような厚みの演算をレンズ３
の一端から他端に亘り所定の間隔で行うと厚み分布が得
られる。さらに、式（８）から得られる曲率半径Ｒ３は
ヘースカーブの曲率の測定になる。

レンズを、その凹形状の面を対向面として超音波ＴＤに
向けて配置し、そのレンズの形状を測定する場合には、
第３図に示す方法によるのが好ましい。第３図において
も、第１図と同一の要素には同じ符号ないしは記号をイ
」シである。

第３図に示す方法によりレンズの形状を測定する場合、
レンズ３は、超音波ＴＤの回転中心０に関して超音波Ｔ
Ｄと反対側に配置される。すなわち、レンズ３の対向面
（凹形状の面）３ａ゛を超音波ＴＤＩに向け、且つ、超
音波ＴＤＩの回転中心０に関して超音波ＴＤＩと反対側
の位置、より具体的には対向面３ａ’の曲率（ヘースカ
ーブの曲率）中心が」二連の回転中心０に略合致する位
置（回転中心Ｏの近傍位置）に配置される。従って、超
音波ＴＤＩはレンズ３を臨の、超音波ＴＤＩと回転中心
０を結ぶ線が常にレンズ３の対向面３ａ’に略直交する
ことになる。

この場合にもレンズ対向面３ａ’の位置座標（Ｘ、Ｙ）
と回転中心０間の距離をＲ１とすると、Ｘおよびｙは式
（１）および（２）と同し弐により求められる。ただし
、Ｒ１は次式〇〇）により求める。

Ｒ］＝Ｖｘｔ／２−Ｒ。

−ＶＸＣｏ　ＸＴ−Ｒｏ　　　　　　−０Ｏ）レンズ裏
面３ｂ’の位置座標（ｘｚ、ｙｚ）と回転中心０間の距
離をＲ２とすると、ｘ２およびｙ２は式（５）ないしく
力と同し式により求められる。ただし、Ｒ２は次式（１
１）により求める。

Ｒ２−（ＶＸｔ／２＋Ｖ２Ｘｔｚ／２）　　Ｒｏ　　−
−（Ｉｔ）なお、第１図および第３図は水中にある物体
の形状を計測する場合の一般的な好ましい態様を示すも
のであるが、本発明方法は、例えば、超音波ＴＯとその
回転中心間に、超音波ＴＤに向けて凹形状の対向面を有
する物体の形状を計測する場合にでも適用が可能な場合
がある。この場合、被測定物が、超音波ＴＯと回転中心
とを結ぶ線に対して、超音波パルスの、被測定物の対向
面および裏面で反射する方向が所定の角度範囲（例えば
、±１０°）であるような形状であれば測定可能である
。もっとも、測定可能な被測定物の形状は、使用する超
音波ＴＤの性能や反射してくる超音波パルスを検出する
回路能ノｊに依って影響される。

第４図は、超音波ゴＤと回転中心とを結ぶ線に対して、
被測定物の対向面および裏面で超音波の反ｎ＝Ｉする方
向が上述の所定の角度範囲を外れている場合にでも、被
測定物の形状測定を可能にする方法を説明するもので、
例えばレンズ３のエツジ部３Ｃの形状測定に適用される
。

超音波ＴＤＩを回転中心０の回りに半径ＲＯの円弧５上
を移動させたとき、第４図の仮想線で示すように超音波
ＴＤＩの超音波発射面が常に回転中心０に向かっている
ため、回に示すようなレンズ３のエツジ部３Ｃの対向面
３ｄの形状を測定する場合には、超音波ＴＤＩの中心Ｃ
ＴＤから発射された超音波パルスは対向面３ｄの点Ｅで
反則して図示Ｆ方向に向かい、反射波が超音波ＴＤＩの
中心ＣＴＤに向かわないために、超音波ＴＤＩが受信す
る反射波強度が小さく形状測定ができなくなる。

そこで、エツジ部対向面３ｄに超音波ＴＤＩの音軸が垂
直に交わるように、中心ＣＴＤを中心に超音波ＴＤＩを
角度ｊだけ回動さゼると、超音波ＴＤｌから発射された
超音波パルスは対向面３ｄ上の点Ｇで反射し、同じ経路
を逆に辿って超音波ＴＤＩに戻ることができる。実際に
は、超音波Ｔ１１１から超音波パルスを連続して発射さ
ゼながら超音波ＴＤｌを点ＣＴＤ回りに回動させ、反射
波強度が最大あるいは超音波パルスの伝播時間（超音波
パルスを発射した時点から反射波を受信するまでの時間
）が最小となるような角度ｊを見つけ出せばよい。この
ときの点Ｇの位置座標（Ｘ、Ｙ）は以下の式（１１）な
いし式側から求めることができる。

Ｘ　−ｒ　Ｘｃｏｓ（Ｋ　＋　Ｐ　）　　　　　　　−
−（ＩＩ）Ｙ　＝　ｒ　Ｘ５ｉｎ（Ｋ　＋　Ｐ　）　　
　　　　　−−０２）ｒ　＝　ｒ　、　　Ｘ５ｉｎ　ｊ
／　ｓｉｎ　ｋ　　　　　　　　−・・・−（１４）こ
こに、Ｐは超音波ＴＤＩの中心ＣＴＤと回転中心０を結
ぶ線と基準線（Ｘ軸）とがなず角度、Ｋは中心ＣＴＤと
回転中心０を結ぶ線と、点Ｇと回転中心０を結ぶ線とが
なす角度、ｒｌは超音波ＴＤＩにより測定され、中心Ｃ
ＴＤと点Ｇ間の距離である。

なお、レンズの形状の測定では±１０μｍ以下の測定精
度が要求されるので、使用する超音波ＴＤＩとしては周
波数３０ＭＩＩｚ以上の超音波を発生させることができ
るものが要求される。この要求を満足させるためには、
例えば高分子圧電膜を備えた超音波ＴＤの使用が好適で
ある。また、分解能は反射波の半波長相当が限界であり
、この分解能を実現させるには反射波の半波長相当距離
を伝播するに要する時間より短いサンプリング間隔でサ
ンプリングする必要があり、結局、反射波を少なくとも
６０Ｍ１ｌｚ程度のサンプリング周波数でサンプリング
する必要がある。

第５図ないし第１０図は本発明方法が適用された測定装
置の構成を示し、この測定装置は、超音波ＴＤＩを支持
し、回転中心軸２から所定距離にある円弧上を超音波Ｔ
ＤＩを移動させるトラバス装置１０、被測定物を支持し
、被測定物の設置位置を割り出す被測定物支持装Ｗ２０
、水槽３０、超音波ＴＤＩの超音波発射面と回転中心軸
２間の距離ＲＯを測定するＲｏ測定装置４０等を備えて
構成され、ごれらは基台５０に載置固定されている。

まず、ｌ・ラハース装置１０の構成を説明すると、水槽
３０内に、その後面壁の中央位置に略密着して円板１１
が配置されており、円板１１の裏面（水槽３０の後面壁
と対向する面）中心位置に垂直にこれと一体的に形成さ
れる回転軸（走査軸）ｌｌａが、水槽３０の後面壁を液
密に、かつ、回動自在に貫通して、水槽３０より外方に
突出している。

円板１１は回転軸１　］、　ａの軸線を回転中心軸２と
してこの軸回りに回動可能である。円板１１の表面（後
述する被測定物に対向する面）の直径方向全域に亘って
所定幅の溝１］、ｂが形成されている。

ごの溝１１ｂに、スライダ１２が嵌装される。円板１１
の上述の回転中心軸２と同心に、後述するＲ　ｏ測定治
具７４を嵌合固定する円筒状ボスＩｌｄが、スライダ１
２の下部において円板１１に取り付けられている。

スライダ１２は溝１１ｂに沿って摺動自在に支持されて
おり、ＲＯＩｌｌ整ねし１４によって上述の回転中心軸
２に対する距離Ｒｏが調整される。ＲＯ調整ねじ１４に
よって調整される距離ＲｏはＲＯ測定装置４０によって
読み取られる。

ずなわち、Ｒｏ測定装置４０は、基台５０に立設され、
回動自在かつ昇腎可能なロッド４１ａを備えた昇降装置
４１と、ダイヤルゲージ４２と、一端が昇降装置４１の
ロッド４１ａに固設され、他端がダイヤルゲージ４２の
下端を支持し、略水平方向に延びるアーム４３とを備え
て構成される。

固定ねし４１ｂを緩めて調整ねし４１ｃを回動させると
昇降装置４１のロッド４１ａが」−下方向に伸縮し、ダ
イＡ・ルゲージ４２を適宜の高さに移動さゼ゛ることが
でき・る。そして、アーム４３を回動させてダイヤルゲ
ージ４２の測子４２ａをトラバース装置ＩＯの直立さゼ
たスライダ１２の上端面に当接させた後、上述のＲｏ　
ｇｆ％整ねし１４によってスライダ１２を」−下させる
とスライダ１２の相対移動量を測定することができる。

これにより、超音波ＴＤＩの後述する距離Ｒｏが測定さ
れる。

なお、ダイヤルゲージ４２の不使用時にはアーム４３を
トラバース装置１０と離反する方向に回Ｖ」させてダイ
ヤルゲージ４２をトラバース装置１０と干渉しない位置
に移動させておく。

スライダ１２には揺動板１３がピン軸１３ａを介して揺
動自在に取り付けられている。揺動板１３の上端面はピ
ン軸１３ａを中心とする円弧を成しており、その上端面
にウオームギア１３ｂが形成されている。そして、調整
ねじ１６に刻設したウオーム１６ａが上記ウオームギア
１３ｂに噛合しており、この調整ねじ１６はスライダ１
２側に回転自在に支持されている。調整ねし１６は、後
述する超音波ＴＤＩのγ角を調整するものであり、調整
ねじ１６を螺進させることにより揺動板１３をピン軸１
３ａの回りに揺動させることができる。

揺動板１３には超音波ＴＤＩを取り付けるホルダ１５が
固着されており、このホルダ１５に超音波ＴＤＩを取り
付けたとき、超音波ＴＤＩの超音波パルスが上述の回転
中心軸２に向かって発射されることになる。そして、超
音波ＴＤＩはリード線１ａを介して後述する制御装置６
０に電気的に接続され、リード線１ａは円板１１、回転
軸１１ａに埋め込まれて制御装置６０側に引き出される
。

前記回転軸１１ａの突出端にはウオームギアｌｌｃが固
設され、パルスモータ１８の駆動軸に取り付けられたウ
オーム１８ａがウオームギアＩｌｃに噛合している。パ
ルスモータ１８の回転はこのウオーム１８ａおよびウオ
ームギアＩｌｃにより所定の減速比で減速されて円板１
１に伝達される。

そして、円板１１の回動位置は回動基準位置検出装置１
９によって検出される。より具体的には、回動基準位置
検出装置１９は、ウオームギアＩｌｃの背面に固着され
た目盛板１９ａ、原点セン４３１．９　ｂ等から構成さ
れ、目盛板１９ａの所定位置には基〈Ｖ線１９ｃがマー
キングされている（第７図参照）。

一方、原点センサ１９ｂは目盛板１９ａの後方に、基台
５０に立設された支持板１９ｄにより所定位置に支持さ
れている。原点センナ１９ｂが目盛板１９ａの基準線１
．９ｃを検出したときの超音波ＴＤＩＯ回動角度位置は
、前述したスタート位置Ｎｏに対応しており、原点セン
サ１９ｂが基準線１９ｃを検出するまでパルスモータ１
８を駆動することにより、超音波ＴＤＩをスタート位置
Ｎｏに移動させることができる。支持板１９ｄにはその
中心を挟んで左右対称所定位置に左旋回リミットセン′
す１９ｅおよび右旋回リミットセンサ１９ｆが取り伺け
られており、これらのセンサ１９ｅ、１９ｆが前述の基
準線１９ｃを検出したとき、パルスモータ１８の作動を
停止して円板１１、従って、超音波ＴＤＩが許容回動範
囲を超えて旋回することを防止している。なお、原点セ
ンサ１９ｂ、左右のリミットセンサ１９ｅ、１９ｆは後
述する制御装置６０に電気的に接続されている。

次に、被測定物支持装置２０の構成を説明すると、装置
２０は、被測定物３の設置位置をＸ、Ｙ。

Ｘ軸方向に微調整するものである。すなわち、被測定物
、例えばレンズ３はホルダ２１に支持されて水槽３０内
に設置される。そして、ホルダ２１は断面１５字状のブ
ラケット２２の水平部２２ａに載置固定され、ブラケッ
ト２２の垂直壁部２２ｂは水槽３０の上方に延び、その
延出端がＹマイクロメータ２３を備えるＹ軸方向スライ
ドステージ２４の水槽側壁面に摺動可能に取り付けられ
ている。すなわち、Ｙマイクロメータ２３の微調整ねし
部を回動させるとブラケット２２はＹ軸方向スライドス
テージ２４に対してＹ軸方向（上下方向、すなわち、前
記回転中心軸２に直交する方向）にのみ移動可能である
。一方、Ｙ軸方向スライドステージ２４は断面り字状の
Ｘ軸方向スライドステージ２６に摺動可能に取り付けら
れている。このＸ軸方向スライドステージ２６はＸマイ
クロメータ２５を備えており、このＸマイクロメータ２
５の微調整ねじ部を回動させるとＹ軸方向スライドステ
ージ２４はＸ軸方向スライドステージ２６に対してＸ軸
方向（第５図において左右方向、すなわち、回転中心軸
２と同じ方向）にのみ移動可能である。さらに、Ｘ軸方
向スライドステージ２６はＸマイクロメータ２７を備え
たＸ軸方向スライドステージ２８に摺動可能に取り付け
られ、Ｘマイクロメータ２５の微調整ねし部を回動させ
るとＸ軸方向スライドステージ２６はＸ軸方向スライド
ステージ２８に対してＸ軸方向（Ｙ軸方向およびＸ軸方
向のいずれの方向にも直交する方向）にのみ移動可能で
ある。Ｘ軸方向スライドステージ２８は基台５０に立設
される支持台２９に載置固定されている。第５図から明
らかなように、水槽３０内に配置されるブラケット２２
は、Ｘ軸方向スライドステージ２Ｂを介して水槽３０外
に配置されるＺ軸方向スライドステージ２６．Ｘ軸方向
スライドステージ２Ｂおよび支持台２９に連絡している
。

第８図および第９図はレンズ３を支持するホルダ２１の
詳細を示ず。ホルダ２１は略円柱状をなし、その基端に
は同心状に環状鍔部２１ａが一体に形成さている。この
環状鍔部２］ａはボルダ２１をブラケット２２に安定よ
く載置するためのもので、ボルダ２１の底面中心位置に
下方に向けて突設させた小径の突起２１ｂを、ブラケッ
ト２２の水平部２２ａの所定位置に穿設した穴２２ｃに
嵌合させることによりホルダ２１をブラケット２２の所
定位置に固定している。ホルダ２１の上端面にはレンズ
３より僅かに大径、かつ、深さｈｌの凹陥部２１ｃが形
成され、この凹陥部２］ｃと同心に、かつ、レンズ３よ
り小径の有底の穴２１ｅが穿設されている。この穴２１
ｅの底面２１［は播鉢状乙こ断面■形状を有している。

凹陥部２１ｃの深さｈｌはレンズ３が水槽３０内の僅か
な水の流れに対して浮き上がったり、移動することがな
い値に設定されている。また、穴２１ｅの底面２１ｆを
断面■形状に傾斜させることにより、超音波ＴＤ１から
発射され、レンズ３を透過して伝播し、ボルダ２１で反
射する反射波が散逸し、同じ経路を逆に辿って超音波Ｔ
ＤＩに戻らないようにされている。これにより被測定物
３からの形状情報だりが極力超音波ＴＤＩに受信される
ようになっている。

ホルダ２１の上端面には中心を通り、凹陥部２１ｃの深
さｈｌよりｈ２だけ深く、溝幅Ｗの溝２１ｄが穴２１ｅ
を横断して超音波ＴＤＩのトラバース方向（Ｘ軸方向）
に形成されている。溝２１ｄによってレンズ３のヘヘル
部（エツジ部）の形状の測定を可能にする。また、溝深
さｈ２は、超音波ＴＤＩから発射された超音波パルスが
レンズ３の表面で反射する反射信号と、レンズ３より下
方の溝２１ｄの溝底で反射する反射信号とを分離識別で
きるに充分な距離だけ確保される値に設定され、溝幅Ｗ
は収束された超音波パルスの収束径より大きければよい
。

レンズ３はホルダ２１に載置されるだけであるから、超
音波ＴＤＩを水中でトラバースさせたとき、水槽３０内
に水揺れが生じ、この水揺れによってレンズ３がホルダ
２１から浮き上がったり移動することがないようにする
必要がある。このため、第５図および第６図に示すよう
に、水槽３０内に水揺れ防止板３１．３２．３３が設置
され、超音波ＴＤＩの移動による水揺れが防止される。

第１０図は制御装置６０の概略構成を示し、制御装置６
０は、図示しない記憶装置に記憶された所定のプログラ
ムを実行することによって、詳細は後ｊホするように、
トラバース装置１０の作動制御、超音波ＴＤＩによる超
音波パルス信号の発射および受信制御等を行うマイクロ
プロセッサ６１、このマイクロプロセッサ６１にハスケ
ーブル等で接続され、入出力データの授受を行うインタ
ーフェイス部６２、このインターフェイス部６２に接続
されるサンプリングバッファメモリ部６３およびパルス
モータ駆動部６５、サンプリングバッファメモリ部６３
に接続される超音波送受信部６４等で構成されている。

超音波送受信部６４には超音波ＴＤＩがリード線１ａを
介して接続され、パルスモータ駆動部６５の出力側には
パルスモーク１８が接続されている。また、インターフ
ェイス部６２の入力側には前述した原点センサ１９ｂ左
旋回リミントセンサ１９ｅ、および右旋回リミットセン
サ１９ｆがそれぞれ接続され、マイクロプロセッサ６１
には直接ＣＲＴ表示部６６が接続されている。

このように構成される測定装置によりレンズ３の表面形
状が以下の手順によって測定される。

レンズ３の形状を測定するに当り、予め水中およびレン
ズ３内を超音波パルスが伝達する音速■および■２を測
定しておく。また、超音波ＴＤＩの超音波発射面と回転
中心線２間の距ｉ！１ｌｆＲｏを適宜の方法で測定して
おくとともに、超音波ＴＤＩの回転中心軸２に合致する
ように調整しておく。

次に、被測定物であるレンズ３を被測定物支持装置２０
のホルダ２１に、凸面を超音波ＴＤＩに向けて載置し、
ｘ、ｙ、ｚマイクロメータ２７２３．２５を調整して所
定位置に設置する。そして、超音波ＴＤＩが完全に水没
するまで水槽３０に静かに水を満たず。

制御装置６０の図示しない操作盤のスイッチを操作する
と、制御装置６０のマイクロプロセッサ６】は記憶装置
に記憶された所定のプログラムを実行することにより以
下に説明する所定の手順でレンズ３の形状の測定を開始
する。

先ス、マイクロプロセッサ６１はパルスモータ１８を作
動さ−ｌて超音波ＴＤＩをスタート位置ＮＯ（第１図参
照）に移動させた後、超音波送受信部６４に駆動信号を
供給して超音波ＴＤＩに超音波パルスを発生させるとと
もに受信を行わせる。超音波ＴＤ＋のスタート位置Ｎｏ
の検出は前述した通り、原点センサ１９ｂにより基準線
１９ｃを検出することにより行われる。超音波送受信部
６４は、上述したように超音波ＴＤＩに超音波パルスを
発射させるとともに、超音波ＴＤＩにより受信した反射
波を増幅、フィルタリング、検波、ピクホールド等の所
謂アナログ処理を行うものである。超音波送受信部６４
で受信した信号はサンプリングバッファメモリ６３によ
り高速でサンプリングされる。

サンプリングバッファメモリ６３は、ゲート開信号が入
力している間だけ超音波送受信部６４からの信号を取り
込むことができ、ゲート開信号はマイクロプロセンサ６
１から超音波送受信部６４に上述の駆動信号が供給した
時点から所定の時間の経過後にサンプリングパンツアメ
モリ６３に出力され、その後被測定物であるレンズ３の
前記対向面および裏面からの反射波信号を取り込めるに
十分な期間の経過後、その出力が停止される。また、サ
ンプリングパンツアメモリ６３は所定周期（例エバ、６
０Ｍ１ｌｚ）のクロンクパルスのハイレヘルが人力して
いる間に超音波送受信部６４が受信した信号状態を順次
取り込み記憶するもので、ハイレヘルの信号状態が記憶
されているアドレスから反射波信号が入力した時点が判
る。

スタート位置Ｎｏでのサンプリングが終了するとマイク
ロプロセッサ６】はパルスモータ駆動部６５に駆動信号
を供給してパルスモーク１８を作動させ、超音波ＴＤＩ
を前述の円弧５上を所定の微小角度β（例えば、０．７
２°）だけ移動させた後、再び超音波送受信部６４に超
音波パルスの発射および受信を実行させ、サンプリング
バッファメモＩＪ６３に超音波送受信部６４が受信した
信号状態を記憶させる。このようにサンプリングパンツ
アメモリ６３は超音波ＴＤＩがスタート位置Ｎｏから計
測終了位置Ｎ２まで移動する間に所定角度βだけ回転中
心０回りを旋回する毎に、すなわち、各測定点毎に被測
定物３の対向面３ａおよび裏面３ｂの位置情報を記憶し
ている。

スタート位置Ｎｏから計測終了位置Ｎ２までの被測定物
３の対向面３ａおよび裏面３ｂの位置情報の読み込みが
終了すると、マイクロプロセッサ６１は前述した演算式
（１）ないしく７）に基づきレンズ３の対向面３ａおよ
び裏面３ｂの位置座標を演算し、求めた位置座標から弐
（８）等によりレンズ３の表面形状、ヘースカーブの曲
率等を演算し、その演算結果をＣＲＴ表示部６６に表示
する。

レンズ３のエツジ部のように、エツジ部の形状がフロン
トカーブの延長上になく、超音波１’　Ｉ）　１の音軸
が計測面に垂直に交わらない場合、エツジ部の表面で反
射される超音波パルスの反射波強瓜か弱く、ＳＮ比が悪
化し、エツジ部の形状測定が困難となる。かかる場合に
は、トラバース装置１０の調整ねじ１６を調整して揺動
板１３を揺動させ、超音波ＴＤＩをピン軸１３２回りに
、ずなわら、超音波ＴＤＩの超音波発射面中心ＣＴＤ回
りに回動させて前述のγ角度を調節する。そして、前述
した通りに反射波強度が最大あるいは超音波パルスの伝
播時間が最小となるときの回動角ｊを読め取り、これを
操作盤からマイクロブ１コセンザ６１にキーインする。

マイクロプロセッサ６１は入力された回動角ｊに基づき
前記式（ｌ　ｌ）〜θ４）により凹凸面の表面位置座標
を演算し、上述と同様にエツジ部の形状等を演算し、そ
の演算結果をＣＲＴ表示部６６に表示させる。

なお、トラバース装置１０の調整ねじ１６は、上述のよ
うに測定者が手で操作して調整し、調整ねし１６に刻ま
れた目盛りから回動角Ｔを読み取り、これをマイクロプ
ロセツサ６１にキー人力するようにしてもよいし、調整
ねじ１６に小型のパルスモータを取り付け、これを制御
装置６０に接続し、回動角度の調整、読み取りをマイク
ロプロセッサ６１により自動的に行うようにしてもよく
、この場合、測定時間が短縮され、また、測定者の読取
誤差がなく、測定精度が向上する。さらに、パルスモー
タを制御装置で制御するので、ウオーム１．６ａおよび
ウオームギア１３ａのバックラッシュを考慮した制御プ
ログラムにより調整ねし１６を作動させることができ、
この場合には測定精度が更に向上する。

ソフトコンタクトレンズ３の凹面を超音波ＴＤＩに曲り
でレンズ形状を測定する場合には、被測定物支持装置２
０のブラケノＩ・２２を下方に移動させて、被測定物３
を第３図に示すように回転中心軸２に対して超音波ＴＤ
Ｉと反対側に設置し、被測定物３の対向面３ａおよび裏
面３ｂの位置座標の演算に式００）ないし式（１１）を
用いる点を除けば、」二連と同しようにして測定できる
のでその詳細な説明は省略する。

なお、本発明に係る物体の形状測定方法は、水中に設置
したレンズに適用されるだけでなく、水中に設置しであ
る種々の物体、例えば、金属、ガラス、セラミックス、
プラスチック等の形状の測定にも適用できることは勿論
のことである。

（発明の効果） 以上説明したように本発明の物体の形状測定方法に依れ
ば、被測定物を水中に設置し、超音波により被測定物の
形状を検出するので、水を含んでいて、空気中に取り出
すと水分の蒸発により形状変化を来す物体の形状を正確
に測定することができる。また、各測定点において、被
測定物の表面での反射波の強度を検出しながら超音波ト
ランスジユーザをその超音波発射面中心回りに回ｖＪさ
せ、反射波強度が最大になる回動角度位置での表面反射
波を受信して各測定点での被測定物の表面位置４゜ 座標を求めるために、凹凸のある複雑な形状の物体であ
ってもその形状を精度よく測定することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係る物体の厚み測定方法の測定原理
を説明するだめの図であり、超音波トランスジユーザに
向けて凸の表面を有する被測定物と超音波トランスジュ
ーサとの位置関係を示すレイアウト図、第２図は、被測
定物の得られた表面位置座標から曲率半径、厚み等を演
算するための位置関係を示すレイアウト図、第３図は、
第１図と類似の測定原理を説明するための図であり、超
音波Ｉ・ランスジユーザに向ｉＪて凹の表面を有する被
測定物と超音波トランスジューサとの位置関係を示すレ
イアウト図、第４図は、ソフトコンタクトレンズのエツ
ジ部形状を測定する場合の超音波Ｉ・ランスジューサと
ソフトコンタクトレンズの位置関係を示すレイアうト図
、第５図は、本発明方法が適用された測定装置の構成を
示す断面側面図、第６図は同一部断面正面図、第７図は
同一部断面背面図、第８図は、第５図に示す被測定物ホ
ルダ２１の上面図、第９図は同縦断面図、第１０図は、
第５図に示す測定装置の作動を制御する制御装置の構成
を示すブロック図である。 １・・・超音波トランスジユーザ、２・・・超音波トラ
ンスジユーザの回転中心軸、３・・・ソフトコンタク！
・レンズ（被測定物）、１０・・・トラバ−ス装置、２
０・・・被測定物支持装置、２１・・・ホルダ、３０・
・・水槽、６０・・・制御装置、６１・・・マイクロプ
ロセツサ、６３・・・ザンプリングハッファメモリ。 出願人　　　東　　し　株　式　会　社代理人　　弁理
士　　長　門　侃 脈 ンンＣ ２ンＯ 手 続 補 正 書 （自 発） ６゜ 補正の内容 平成元年 ９月２８日 ■、明細書の発明の詳細な説明の欄 特 許 庁 長 官 殿 明細書第８頁第１４行目の式（７Ｉ）及び第１２頁第１
６行ｔ”Ｉ〜第１゜ 事件の表示 １７行目の式（１０）にそれぞれ記載の「１゛Ｊとある
をｒ”ｌ’／２１昭和６３年 特許側梁２０３３６４号 に訂正する。 ２゜ 発明の名称 Ｉｌ、図面 物体の形状測定方法 図面の第１図を別紙の通り訂正する。 ３゜ 補正をする者 ４゜ 代 理 人

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 水中の所定位置に被測定物を設置し、この被測定物を臨
   み、かつ所定の回転中心から等距離にある円弧上を超音
   波トランスジューサを移動させ、前記円弧上の各測定点
   において超音波トランスジューサから被測定物に向けて
   超音波を発射し、被測定物の表面での反射波の強度を検
   出しながら超音波トランスジューサをその超音波発射面
   中心回りに回動させ、反射波強度が最大になる回動角度
   位置での表面反射波を受信して各測定点での被測定物の
   表面位置座標を求め、もって、被測定物の形状を求める
   ことを特徴とする物体の形状測定方法。