JPH0252209A - 超音波測定方法 - 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や厚みを超音波によ
って非破壊、非接触で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
される物質の形状や厚みはは、その物質の使用状態に近
似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５２−７０８４９　”Ｑ分轄に開示される
ものが知られている。この方法は、水槽内の、所定の有
効径を存するレンズ台に、レンズをその凸面を上にして
載置し、水槽の側壁に設Ｌ−また窓から、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
持ち上げて移動させて、焦点板の目盛Ｂに凸面側頂点を
合致させ、このときのＩＩＩ定子の移動距離からレンズ
の形状や厚みを求めるものである。ごの方法は、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、焦点板の目盛へ、１３間
の距離、および測定子の移動距離の３つのデータ）を利
用するのでレンズの全体形状や厚みを測定することはで
きない。 また、超音波を被測定物物に照射し、被測定物表面から
の反射波の反射信号と被測定物を乗せている基体表面か
らの反射波の反射信号との時間差を利用して被測定物の
厚みを測定するもの、超音波を被測定物に臨界角で入射
させ、入射エネルギにより被測定物表面を伝播する弾性
表面波から漏洩して生じる反射波の減衰の程度から被測
定物の厚めを測定する方法（例えば、特開昭６０−１２
０２０４号公報）等が知られているが、これらはいずれ
も超音波トランスジューサが被測定物に対して所定の位
置に固定され、被測定物の一点の厚み情報しか得ること
ができず、被測定物の全体形状や厚み分布を得ることが
出来なかった。 本発明はかかる問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
物体の形状や厚みを非接触、非破壊で正確に測定する超
音波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ｌ・ラ
ンスジューサを移動さ−Ｕ、１ｒＩ記円弧」−の各測定
点毎に超音波トランスジューサから前記所定回転中心に
向けて超音波を発射し、被測定物の表面での反射波を検
出することにより各測定点での被測定物の表面位置座標
を求めるに際し、基準測定治具を前記回転中心と同心に
配置し、前記超音波Ｉ・ランスジューサから超音波を発
射し、該基準測定治具の表面での反射波を検出しながら
超音波１−ランスジューサ°の超音波発射面中心口りに
該超音波トランスジｊ、−ザを回りｊさせ、超音波トラ
ンスジュー→ノにより検出される反射波強度が最大にな
るか、または、反射波が検出されるまでの超音波の伝播
距離が最小になる回動位置に超音波トランスジューサを
固定することにより、超音波トランスジューサから発射
される超音波の進行方向を前記回転中心に合致さ−Ｕる
ことを特徴とする超音波測定方法が提供される。 （作用） 本発明の超音波測定方法は、所定回転中心位置から等距
離にある円弧上の各測定点から上記回転中心に向Ｉ′Ｉ
て発射さ−ｌた超音波は、水中を伝播して被測定物の表
面で反射し、この反射波を検出することにより被測定物
の表面位置座標が求り、超音波トランスジューサを円弧
上を移動させ、各測定点での表面位置座標を求め、求め
た表面位置座標から被測定物の形状や厚みが測定できる
ことに着目してなされたものであるが、各測定点におい
て超音波トランスジューサから発射される超音波の進行
方向（音軸）が所定回転中心に正確に合致しなければ被
測定物の形状や厚めを正確に測定できない。本発明の超
音波測定方法は、かかる認識に基づくもので、回転中心
と同心に配置された基準測定治具は、例えば円柱形状を
有する。超音波トランスジューサから発射された超音波
の音軸が回転中心に合致しない場合には、基準測定治具
の表面で反射する反射波の進行方向は超音波トランスジ
ューサの中心に向かわず超音波トランスンユ→ノが受信
する反射波強度は小さく、また、超音波の伝播距離が大
きくなる。超音波トランスノコーザの超音波発射面中心
回りに該超音波トランスジューサを回動さゼ、超音波Ｉ
−ランスジユーザにより最大の反射波強度または反射波
が検出されるまでの超音波の最小の伝播距離が検出され
る回動位置は、超音波トランスジュー→ノ゛の音軸が基

【壮測定治具の表面で重直に交わり、反射波が逆の経路
を辿って超音波トランスジューサに受信されることを意
味し、この回動位置に超音波トランスジューサを固定す
ると、超音波トランスジューサから発射される超音波の
進行方向が回転中心に略合致しているごとになる。 （実施例） まず、本発明方法による物体の形状や厚めを測定する原
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′９　（以下こ
れを「超音波Ｔ　Ｄ　Ｊという）１は、点０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１゛Ｄ１から超音
波パルス１ｂが回転中心○に向けて発射される。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ＴＤＩに向け、超
音波ＴＤ１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）中心が上
述の回転中心０に略合致する位置（回転中心０の近傍位
置）に配置される。従って、超音波ＴＤＩは、レンズ３
を臨み、超音波ＴＤＩと回転中心Ｏ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
Ｉ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ＴＤＩの超音波発射面と対向
面３ａ間の距離が超音波ＴＤＩ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則測が行われ
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１゛Ｄ１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１゛Ｄ１の位置、
ずなわら、スターＩ・位置ＮＯにおける超音波１゛Ｄ１
と回転中心０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ＴＤ１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１ｂが超音波ＴＤ
Ｉ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１゛Ｄ１により受信される時点まで
の時間をも、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、上述のサンプリ
ングパルスの発生数をＣＯ１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（
ｘ、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
に示ず式（１）および（２）により求められる。 Ｘ　−Ｒ］　Ｘｃｏｓ（βＸｎ　＋ａ’）　　　　　−
−（１）ｙ　−ＲＩ　Ｘ５ｉｎ（β×ｎ→−ａ　）　　
　　　　−−（２）ここに、 Ｒ１＝Ｒｏ−Ｖｘｔ／２　　　　　　　　−−（３）＝
Ｒｏ−ＶＸＣｏＸＴ　　　　　　−（４）上式（１）〜
（４）において、Ｔ、Ｒｏ、シ、α、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から計測終了位置Ｎ２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（χ、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めならず裏面から
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
出するごとにより、以下の演算式により裏面３ｂの位置
座標（ｘｚｙ２）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Ｒ２、レンズ裏面３ｂの位置座標（ＸＺｙｚ）と回
転中心０間の距離をＲ２とすると、Ｘ２およびｙ２は以
下に示ず式（５）ないしく７）により求められる。 Ｘｚ　＝Ｒ２Ｘｃｏｓ（βＸｎ　＋ｒｘ）　　　　−−
４５）’／ｚ　＝Ｒ２Ｘ５ｉｎ（βＸｎ　＋　α）　　
　　　−・−（６）Ｒ２＝　Ｒｏ　　（ＶＸ　ｔ／２　
＋ｖ２ｘ　ｔｚ／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Ｎ
２までの各計測位置におけるレンズ裏面３ｂの位置座標
（χｚ、ｙｚ）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カ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３ｂＪ二の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ｊｉ［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　／　ｆ（ａ＋ｂ＋ｃ）（ａ−ｂ＋ｃ）（
ｂ＋ｃ−ａ）（ｂ−ｃ＋ａ）ｌ　”２・・・・・・（８
） また、この裏面３ｂのベースカーブ上の任意の位置座標
（Ｘ、Ｙ）は次の一般式（９）で与えられる。 （Ｘ−ａ＋）”　＋　（Ｙ−ｂ＋）２＝Ｒｉ”　・−・
・−（９）ここに、ａｌ＋ｌ）ｌ　は、ヘースカーブの
曲率中心Ｏ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（ａｚｂ＋）を求めるこ
とができる。このとき、例えば中心０１　と点Ｂ】　２ 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、
レンズを、超音波ＴＤの回転中心に関して超音波ＴＤと
反対側に配置される。すなわち、レンズの対向面（凹形
状の面）を超音波ＴＯに向け、且つ、超音波ＴＤの回転
中心に関して超音波ＴＤと反対側の位置、より具体的に
は対向面の曲率（ヘースカーブの曲率）中心が上述の回
転中心に略合致する位置（回転中心の近傍位置）に配置
することが好ましい。レンズをこのように配置すると、
超音波ＴＤはレンズを臨み、超音波ＴＤと回転中心を結
ぶ線が常にレンズの対向面に略直交することになり、レ
ンズの形状を正確に測定することができる。この場合に
もレンズ対向面の位置座標（ｘ、ｙ）と回転中心間の距
離をＲ１とすると、Ｘおよびｙは弐（１）および（２）
と同じ式により求められる。ただし、Ｒ１は次式〇〇）
により求める。 Ｒ１−Ｖｘｔ／２−Ｒ。 ＝ＶＸＣｏＸＴ−Ｒｏ　　　　　　−ＱＯ）また、レン
ズ裏面の位置座標（ｘｚ、ｙ２）と回転中心間の距離を
Ｒ２とすると、χ２およびｙ２は式（５）ないしく７）
と同し式により求められる。ただし、Ｒ２は次式（１１
）により求める。 Ｒ２＝（ＶＸｔ／２＋ＶｚＸｔｚ／２）　　Ｒｏ　　−
−（Ｉｆ）なお、以上の説明は、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例示するもの
であるが、上述した測定方法は、例えば、超音波ＴＤと
その回転中心との間に、超音波ＴＯ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。被測定物が、超音波ＴＤ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、
±〕０°）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
路能力に依って影響される。 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ＴＩ〕１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
ザンブ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ザンプリン
グする必要がある。 第３図ないし第８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ＴＤ
Ｉを移動させるトラバース装置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置２０
、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、これらは基台５０に載置固定されている。 まず、トラバース装置１０の構成を説明すると、水槽３
０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）１１ａ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１１ａ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１１ｂが形成されている。 この溝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Ｒｏ測定治具
７４を嵌合固定する円筒状ボスＩ’ｄが、スライダ１２
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、Ｒｏ調整ねし１４によって」二連の回転中心軸２
に対する距離Ｒｏが調整される。Ｒ０調整ねし１４によ
って調整される距離ＲｏはＲ。 測定装置４０によって読み取られる。 すなわち、ＲＯ測定装置４０は、基台５ｏに立設され、
回動自在かつ昇降可能なロッ）”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」１下方向に伸縮し、ダ
イヤルゲージ４２を適宜の高さに移動させることができ
る。そして、アーム４３を回動させてダイヤルゲージ４
２の測子４２ａをトラハス装Ｗ１０の直立させたスライ
ダ１２の上端面に当接させた後、上述のＲｏ調整ねじ１
４によってスライダ１２を」１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動させてダイヤ
ルゲージ４２をトラバース装置ｌＯ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」一端面は
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」１記ウオーム
ギア１３ｂに噛合しており、この調整ねし１６はスライ
ダ１２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、
調整ねし１６を螺進させることにより揺動板１３をピン
軸１３ａの回りに揺動させることができる。 揺動板１３には超音波１’　Ｄ　Ｉを取りイ・］けるホ
ルダ１５が固着されており、このホルダ１５に超音波Ｔ
ＤＩ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はり一１線１ａを介して後述する
制御装置６０に電気的に接続され、リード線１ａは円板
１】、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１１（が固
設され、パルスモータ］８の駆動軸に取りイ・１けられ
たウオーム１８ａがウオームギア１１〔７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］、　１．　ｃにより所定の減速比で減
速されて円板１１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、ウオームギア月Ｃの背面に固着された
目盛板１９ａ、原点センサ１９ｂ等から構成され、目盛
板１９ａの所定位置には基準線１９ｃがマーキングされ
ている（第５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。原点センサ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１８
を駆動することにより、超音波ＴＤＩをスター］・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サ
１９ｅおよび右旋回リミットセンサ１９ｆが取り付けら
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ＴＩ）１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、左右のリミノトセンザ１９ｅ、＋９１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ｘｙＺ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
はボルダ２１に支持されて水槽３０内に設置される。そ
して、ホルダ２１は断面り字状のブラケット２２の水平
部２２ａに載置固定され、ブラケット２２の垂直壁部２
２ｂは水槽３０の上方に延び、その延出端がＹマイクロ
メーク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イ」りられている。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ば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（＝Ｉりられている。こ
のＸ軸方向スライドステージ２６はＸマイクロメーク２
５を備えており、このＸマイクロメーク２５の微調整ね
し部を回動させると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Ｚ軸方向（第３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に摺動可能に取りイ］けられ、Ｘマ
イクロメーク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２
８に対してＸ軸方向（Ｙ軸方向およびＺ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３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、Ｙ軸方
向スライドステージ２６を介して水槽３０外に配置され
るＸ軸方向スライドステージ２６．Ｘ軸方向スライドス
テージ２８および支持台２９に連絡している。 第６図および第７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２１ａはホルダ２１をブラケット２２に安定よ
く載置するためのもので、ホルダ２１の底面中心位置に
下方に向けて突没させた小径の突起２１ｂを、ブラケン
）・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２　］、　ｅが穿設されている。こ
の穴２　］、　ｅの底面２１ｆは乱鉢状に断面■形状を
存している。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′ＦＤ１から発射され、レンズ３を透過して伝播し、
ボルダ２］で反射する反射波が散逸し、同し経路を逆に
辿って超音波ＴＩ）１に戻らないようにされている。こ
れにより被測定物３からの形状情報だけが極力超音波Ｔ
ＤＩに受信されるようになっている。 ボルダ２１の一１二端面には中心を通り、凹陥部２１ｃ
の深さｈｌよりｈ２だり深く、溝幅Ｗの溝２１ｄが穴２
１ｅ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２１．　ｄ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則信号と、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はボルダ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
に水揺れが生し、この水揺れによってレンズ３がボルダ
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３図および第４図に示すよう
に、水槽３０内に水揺れ防止板３］、３２．３３が設置
され、超音波′「Ｄｌの移動による水揺れが防止される
。 第８図は制御装置６０の概略構成を示し、制御装置６０
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、詳細は後述するように、Ｉ−
ラハース装置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
ロセノザ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
パルスモータ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、
左旋回リミソ１〜センサ１９ｅ、および右旋回リミソＩ
・センナ１９ｆがそれぞれ接続され、マイクロプロセン
ザ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Ｖ２を測
定しておく。また、超音波ＴＤＩの超音波パルスの発生
面と回転中心線２間の距離Ｒｏを測定しておく。この距
ｉ！ｆｌｌＲＯの測定方法を第９図および第１０図を参
照して説明する。 まず、ｌ・ラハース装置１０のパルスモーク１８を駆動
して超音波ＴＤＩの音軸がＹ軸方向と同し方向、すなわ
ち、鉛直方向下方の回転中心軸２に向かうように超音波
ＴＤＩを移動させておく。次に、トラバース装置１０の
円板１１の中心に取りイマ］りたボスｌ］、ｄにＲＯ測
定治具（基準測定治具）７４を取り付げる。このＲＯ測
定治具７４は、その半径Ｒ４（第９図（ｂ）参照）が極
めて精度よく加工された円柱状の本体部７４ａと、本体
部７４ａの一端面に垂直に、これと一体に突設させた嵌
合部７４ｂとからなり、嵌合部７４ｂをボスｌａｄの嵌
金穴に嵌合させることにより本体部７４ａを前記回転中
心軸２に同心に取り付けることができる。 Ｒｏ測定治具７４の上述の半径Ｒ４は予めノギス等によ
り測定しておく。次いで、Ｒｏ副調整じ１１を回動させ
て超音波ＴＤＩの超音波光Ｍ＝１面をＲＯ測定治具７４
の本体部７４ａの側壁に密着させる（第９１１ｉ６（ａ
）参照）。そして、この状態でダイヤルゲージ４２の目
盛りを記録しておく。 次に、ＲＯ副調整し１４を逆転させて超音波ＴＤＩを上
方の所望の測定位置に移動さ−Ｉ！（第１０図（ａ）参
照）、このときのダイヤルゲージ４２の目盛りを記録し
、先に記録したダイヤルゲージ４２の目盛りと今回記録
した目盛りから超音波ＴＤＩとＲ。 測定治具７４間の距離Ｒ５（第１０図（＋３）参照）を
演算する。かくして、距離Ｒｏは次式（旧）から求めら
れる。 ＲＯ＝　Ｒ４＋　ＲＳ　　　　　　　−−（旧）この方
法は、距離Ｒｏを簡易に求められる点で優れるが、トラ
バース装置１０の機構部の組立精度が距離Ｒ５に大きく
影響する他、Ｒｏ測定装置４０のダイヤルゲージ４２が
その組付上、上下方向（Ｙ軸方向）の距離しか測定でき
ないので、超音波ＴＤＩのトラバース方向に一箇所しか
測定できないと云う欠点がある。さらに、超音波ＴＤＩ
として収束型のものを使用するので、その超音波発射面
は被測定物に向かって凹面を有しており、発射面の中心
がＲｏ測定治具７４の側壁に密着できず、その分誤差が
生しると云う不都合がある。 これらの不都合を解消するためには、以下に説明する別
の測定方法によって距離Ｒｏを測定することが望ましい
。 ずなわら、先の測定方法においてＲＯ測定治具７４を円
板１１に取り付けた後、超音波ＴＤＩを治具７４に密着
させたが、好ましい方法ば、密着さ−けずに第１０図（
ａ）に示す所望の測定位置に移動させておく。そして、
この治具７４から離間した超音波ＴＤＩから超音波パル
スを発射して距１ｉｉｌＩＲ１の測定が行われる。より
詳細には、超音波ＴＤＩから超音波パルスを発射した時
点からＲＯ測定冶具７４の本体部側壁で反射し、再び超
音波Ｔ１．）］により受信される時点までの伝播時間を
測定することによって距離Ｒ５が演算される。この時、
水中を伝播する超音波パルスの音速■は前述した方法に
より求めた値を用いることは勿論のことである。 このようにして測定した距離Ｒ６とノギス等で測定した
治具７４の半径Ｒ４を用いて上記式（Ｂ１）から距離Ｒ
ｏが求められる。 この方法は、前述のダイヤルゲージ４２を用いて距離Ｒ
１を測定した場合に生しる誤差が発生ずる心配がなく、
測定者による読み取り誤差が生しることもない。また、
使用するＲｏ測定治具７４が円柱形状をしているので、
パルスモータ１８を駆動して超音波ＴＤＩを回転中心線
２の回り、すなわち、Ｒｏ測定治具７４の回りに回動さ
せ、複数箇所の回動位置で距１１ｆＲｏを測定すること
ができ、これらの測定点の平均値から最終的に距離Ｒｏ
の値を求めると一層精度の高い値を得ることが出来る。 超音波ＴＤＩの音軸が超音波ＴＤＩの回転中心軸２に合
致しない場合には上述の距ｊｄｆＲｏが正しく測定でき
ないばかりか、被測定物の形状や厚み測定に誤差を生し
させる。超音波ＴＤＩの音軸を回転中心軸２に合致させ
るには以下の方法によればよい。 すなわち、パルスモータ１８を作動させて超音波ＴＤＩ
をＸ軸に対して９０°回動した位置に移動させ、この位
置で超音波ＴＤＩから連続的に超音波パルスを発射させ
る。そして、超音波パルスの反射波強度および伝播時間
をリアルタイムで測定する。第１１図の仮想線で示すよ
うに、今仮に超音波ＴＤＩの音軸が回転中心軸２と交わ
らず、超音波パルスがＲｏ測定治具（基準測定治具）７
４の表面Ｃ１で反射して開示Ｄ１方向に進行するとすれ
ば、超音波ＴＤＩに受信される反射波の強度は極めて小
さいものとなり、また、図から明らかなように測定され
る距離（図において点ＣＴＤと点０１間の距離）は測定
すべき距離（点ＣＴＤと点Ｂ１間の距ｉｉｉ［）より大
きくなってしまう。そこで、リアルタイムに得られるデ
ータから反射波強度が最大、かつ、演算される距１１Ｒ
ｏの値が最小になるように、前ｉホしたトラバース装置
】０の調整ねし１６（第４図）を調節して超音波ＴＤＩ
をビン軸１３ａの回りに回動させ、最適のＴ角度を得る
。このとき、超音波ＴＤＩから発射された超音波パルス
は第１１図の実線で示すように点ＣＴ　Ｄから回転中心
軸２に向かって進み、ＲＯ測定治具７４の表面Ｂ１で反
則して再び点ＣＴＤに戻る経路を辿ることになる。 かくして、超音波ＴＤＩの音軸が超音波ＴＤＩの回転中
心軸２と交わる方向に正しく設定され、超音波ＴＤＩの
本体の製作時に音軸ずれが生じても、これを簡単かつ精
度よく校正することができる。なお、この音軸校正に使
用する治具７４は実施例のように円柱形のものが望まし
い。また、調整ねし１６は反射波強度が最大、かつ、演
算される距離Ｒｏの値が最小になるように調整すること
もできるが、最大の反射波強度および最小のＲ＋ｉ　Ｆ
ｉｌｌＲｏの少なくとも何れか一方が得られるように調
整すればよい。 上述のようにして求めた距離Ｒｏを、予め曲率が分かっ
ている精密ガラス球を使用して校正するごとができる。 より具体的には、第１２図（Ａ）に示すように、光学的
方法等により校正され、予め直径（曲率）が分かってい
る精密ガラス球７６からボルダ２１の凹陥部２　］、　
ｃに嵌合可能な大きさのレンズ体７６ａを切り出し、こ
れをボルダ２１に載置しく第１２図（Ｂ）参照）、詳細
は後述するようにして本測定装置によりレンズ体７６ａ
の凸面の位置座標を測定する。このとき、位置座標の演
算には上述した方法により測定した基準距離Ｒ。 が使用される。そして、前述した式（８）から演算した
曲率がレンズ体７６ａの既知の曲率と合致するように、
基準距離Ｒｏの値を修正するのである。 なお、基準距離Ｒｏをより正確に求めるためには、演算
した曲率と既知の曲率との偏差が所定値以下になるまで
、修正した距離Ｒｏを用いてレンズ体７６ａの凸面の位
置座標、および曲率を繰り返し演算すればよい。 かくして、距離Ｒｏの値を簡単に校正することができ、
このように校正した距離Ｒｏの値を用いて被測定物の形
状を測定すると、絶対値として曲率の値が分かっている
ガラス球に対し、被測定物の相対的な曲率の値が求めら
れるので、被測定物の測定値の精度を著しく向上さ一已
ることが出来る。 なお、上述の校正用の精密ガラス球に代えて鋼球、セラ
ミンク球、プラスチ、り球等、温度膨張係数の小さいも
のであれば種々の球体を距離ＲＯの校正に用いることが
できる。 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２Ｉ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に静かに水を満たす。 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のマイクロプロセン→ノロ１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。 先ず、マイクロプロセッサ６１はパルスモータ１８を作
動させて超音波ＴＤＩをスタート位置Ｎ。 （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ＴＤＩ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、ピークホ
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ッサ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バッファメ
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乙
こ十分な期間の経過後、その出力が停止される。また、
サンプリングバッファメモリ６３は所定円）υｊ（例え
ば、６０ＭＨｚ）のクロンクパルスのハイレヘルが入力
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ｑＮｏでのサンプリングが終了するとマイク
ロプロセッサ６１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タ１８を作動させ、超音波ＴＤＩ
を前述の円弧５−Ｊ二を所定の微小角度β（例えば、０
．７２°）だＬ−１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ｎ＝１および受信を実行させ、
サンプリングバッファメモリ６３に超音波送受信部６４
が受信した信号状態を記憶させる。このようにり゛ンブ
リングハノファメモリ６３は超音波ＴＤＩがスフ−１−
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
式（８）等によりレンズ３の表面形状、ヘースカーブの
曲率、厚み、その分布等を演算し、その演算結果をＣＲ
７表示部６６に表示する。 レンズ３の凹面を超音波ＴＤＩに向けてレンズ形状を測
定する場合には、被測定物支持装置２０のブラケｙ　ｌ
・２２を下方に移動させて、被測定物３を回転中心軸２
に対して超音波ＴＤＩ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、弐〇〇
）ないし式（１１）を用いる点を除けば、上述と同しよ
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、本発明に係る超音波測定方法は、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、セラミンクス、プラ
スチ、り等の形状や厚めの測定にも適用できることは勿
論のごとである。 （発明の効果） 以上説明したように、本発明の超音波測定方法に依れば
、基準測定治具を所定回転中心と同心に配置し、超音波
Ｉ・ランスジューサから超音波を発射し、基準測定治具
の表面での反射波を検出しながら超音波トランスジュー
サ゛の超音波発射面中心間りに該超音波１−ランスジユ
ーリ′を回動さ−Ｕ、超音波トランスジューサにより検
出される反射波強度が最大になるか、または、反射波が
検出されるまでの超音波の伝播距離が最小になる回動位
置に超音波トランスジューサを固定するようにしたので
、簡単かつ容易に超音波ｌ・ランスジューイノ°がら発
射される超音波の進行方向を前記回転中心に合致させる
ことができ、製作時の超音波Ｉ・ランスジューイノの音
軸のずれ等も容易に校正することができ、被測定物の形
状や厚み等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、本発明に係る超音波測定方法の測定原理を説
明するための図であり、超音波ｉ・ランスジューサに向
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、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４図は同一部断面正面図、第５図は同一部断面背面
図、第６図は、第３図に示す被測定物ボルダ２１の−Ｆ
面図、第７図は同縦断面図、第８図は、第３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、第９図および第１０図は超音波トランスジューサの
超音波発射面と超音波トランスジューサの回転中心との
間の距離を測定する方法を説明するための、測定装置の
作動状態を示す部分断面図、第１１図は、超音波トラン
スジューサの音軸を超音波トランスジュー勺の回転中心
を通るように調整する方法を説明するだめのレイアウト
図、第１２図（八）および（Ｂ）は、超音波トランスジ
ューサの超音波発射面と超音波トランスジューサの回転
中心との間の距離を校正する方法を説明するための図で
あり、第１２図（Ａ）は校正用ガラス球の側面図、第１
２図（Ｂ）は同校正用ガラス球をホルダに載置して形状
測定中の状態を示す部分断面図である。 １・・・超音波トランスジューサ、２・・・超音波トラ
ンスジューサの回転中心軸、３・・・ソフトコンタクＩ
・レンズ（被測定物）、１０・・・Ｉ・ラハース装置、
２０・被測定物支持装置、２１・・・ホルダ、３０・・
・水槽、４０・・Ｒｏ測定装置、６０・・・制御装置、
６１・・・マイクロブじ」センサ、６３・・・ザンプリ
ングハッファメモリ、７４・・Ｒｏ測定治具（基準測定
治具）。 出願人　　東　し　株　式　会　社 代理人　　弁理士　　長　門　侃 ンンＣ ２Ｚａ 第９ 図 第１０図 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 殴 明細書第１０頁第８行目の式（４）及び第１４頁第６行
目〜第１゜ 事件の表示 ７行目の式（１０）にそれぞれ記載の「Ｔ」とあるをｒ
ｉ’／２Ｊ昭和６３年 特許側梁２０３３６８号 に訂正する。 ２゜ 発明の名称 Ｉｌ、図面 超 音 波 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 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
   毎に超音波トランスジューサから前記所定回転中心に向
   けて超音波を発射し、被測定物の表面での反射波を検出
   することにより各測定点での被測定物の表面位置座標を
   求めるに際し、基準測定治具を前記回転中心と同心に配
   置し、前記超音波トランスジューサから超音波を発射し
   、該基準測定治具の表面での反射波を検出しながら超音
   波トランスジューサの超音波発射面中心回りに該超音波
   トランスジューサを回動させ、超音波トランスジューサ
   により検出される反射波強度が最大になるか、または、
   反射波が検出されるまでの超音波の伝播距離が最小にな
   る回動位置に超音波トランスジューサを固定することに
   より、超音波トランスジューサから発射される超音波の
   進行方向を前記回転中心に合致させることを特徴とする
   超音波測定方法。