JPH0252212A - 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非破壊・非
接触で測定する超音波測定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返信した状
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、水中に浸漬させ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ｌにはなり得ないと
いう問題があり、さらに、水分がレンズから茎発してレ
ンズが変形するので、正確なｄｌＱ定かできない。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ｔこ、レンズをその凸面を上にしてＭ
、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へをレンズの凸面側頂点に合致
させ、次いて、測定子によりレンズをレンズ台がら肴ち
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セでいる基体表面か
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め情報しか得ること
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、
超音波により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、非破壊で測定
するに際し、基準となる超音波トランスジューサとその
回転中心間の距離を正確に測定できる、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トラ
ンスジューサを移動さ一已、前記円弧上の各測定点毎に
超音波トランスジュサから前記所定回転中心に向りて超
音波を発射し、被測定物の表面での反射波を検出するご
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することにより超音
波トランスジュー・す゛と基準測定治具間の距離を測定
し、この測定した距離に前記基準測定治具の前記回転中
心から表面までの距離を加算して超音波トランスジユー
サの回転半径を測定す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、所定回転中心から等距離に
ある円弧」二の各測定点から」二記回転中心に向Ｊｌで
発射させた超音波は、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ｌ・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、求められた被測定
物の表面位置座標は、超音波トランスジューサの超音波
発射面位置との相対位置関係を示すに過ぎず、各測定点
での超音波トランスジューサの位置が明確でなければ、
被測定物の形状や厚みを正確に測定できない。すなわち
、超音波トランスジューサと回転中心間の距離は測定の
基準であり、この距離を正確に測定しなければ、求めた
被測定物の形状や厚みの測定精度に悪影響を及ぼずこと
になる。

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既知の表面
位置座標を与える。従って、超音波トランスジューサに
よりこの基準測定治具の表面位置座標を求めると、超音
波トランスジューサと基準測定治具間の距離が測定され
、この測定した距離に前記基準測定治具の回転中心から
表面までの距離を加算すると超音波トランスジューサと
回転中心間の基準の距離、すなわち、超音波トランスジ
ューサの回転半径が求まることになる。

（実施例） まず、本発明方法による物体の形状や厚めの測定原理を
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リ°（以下これ
をＣ超音波ＴＤＪという）Ｉは、点Ｏを回転中心として
、円弧５」二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１ｂが回転中心０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ＴＤ１に向け、超音波′
ＦＤｌと回転中心０間に、より具体的にはレンズ３のり
４間面３ａの曲率（フロントカーブの曲率）中心が上述
の回転中心Ｏ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１’　Ｄｌは、レンズ
３を臨み、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。超音波Ｔ
Ｄ１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ＴＤ＋の
超音波発射面と回転中心Ｏ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゛Ｉ″Ｄ１と回
転中心Ｏを結ぶ直線が基準水平軸χとなす角度をα、超
音波ＴＤＩをスターＩ・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Ｔ　Ｉ）　
１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′Ｆ、超音波パルスｌｂ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Ｔ　Ｉ）　１により受信され
る時点までの時間を１２、超音波パルスｉｂがその発射
時点からレンズ３０対向面３ａに到達する時点間の、」
−述のサンプ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（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ｙ１４−以下に示ず式（１）オよび（２）により求
められる。

χ−ＲＩ　Ｘｃｏｓ（β×ｎ十α）　　　　・・・・（
１）ｙ　−ＲＩ　Ｘ５ｉｎ（βＸｎ　十α）　　　　　
−−（２）ここに、 Ｒ１−Ｒｏ−Ｖｘｔ／２　　　　　　　　　・・・・・
・（３）−Ｒｏ−ＶＸＣｏＸＴ　　　　　−（４）」二
式（］）−（／ｌ）において、Ｔ、Ｊｉｏ、シ、α２お
よびβＬＪ、いずれも予め測定ないしは測定可能な値で
あるから、ｒｌおよびＣｏを与えるとレンズ対向面３ａ
の位置座標（χ、ｙ）を求めることが出来る。そして、
超音波ＴＤＩをスター１−位置Ｎｏから計測終了位置Ｎ
２まで走査して各１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（Ｘ２ｙ２）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（Ｘ２ｙｚ）と回
転中心０間の距離をＲ２とすると、χ２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＝Ｒ２Ｘ（、ｏｓ（ｃｘ　ｎ　−＋　ｃｘ　）　　
　　　・−−（５）ｙ２　＝Ｒ２Ｘ５ｉｎ（βＸｎ　　
−１−α）　　　　　　−−（６）Ｒ２−Ｒｏ　　（Ｖ
Ｘｔ／２　＋ＶｚＸｔ２／２）　　　−・・・（７）そ
して、超音波１’Ｄｌのスタート位ｉＮｏ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（ｘ２．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−ｃ＋ａ）］　　””・・・・・
（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。

（χ−ａ　、）２＋（Ｙ　−ｂ　＋）２＝　Ｒｉ”　・
・−・（９）ここに、ａｌ＋ｌ）Ｉ　はヘースカーブの
曲率中心Ｏ１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Ｏ１の位置座標（ａｚｔｚ）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１ｉｉ１１ＢＤ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Ｒ
３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Ｔ　Ｄ
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」二連
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ＴＯ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
ｑ山により求める。

Ｒ１−Ｖｘｔ／２−Ｒ。

−ＶＸＣｏ　ｘＴ−Ｒｏ　　　　　　−−（１０）また
、レンズ裏面の位置座標（Ｘ２．ｙ２）と回転中心間の
距離をＲ２とすると、ｘ２およびｙ２は式（５）ないし
く７）と同じ弐により求められる。ただし、Ｒ２は次式
（１１）により求める。

Ｒ２−（ｖｘｔ／２　＋ｖ２×ｔ２／２）−Ｒｏ　　・
・・・・・（１１）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
通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、±ｌＯ°）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ＴＤＩとしては周
波数３０　Ｍ　Ｉｔ　ｚ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、分解能は反側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ザンブリング間
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６０ＭＩＩＺ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］゛
Ｄ１を移動さ−Ｕるｌ・ラハース装置１０、被測定物を
支持し、被４（す足動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）　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］、　１　ｂ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
　１ｌｌｌｌ定治具７４を嵌合固定する円筒状ボスｌｉ
ｄが、スライダ１２の下部において円板１１に取りイ」
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によって上述の回転中心軸２に
対する距離Ｒｏが調整される。Ｒ。

調整ねし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、
回動自在かつ昇降可能なロッド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が上下方向に伸縮し、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４２
の測子４２ａをトラバース装置１０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を上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、この調整ねし１６はスライダ１
２側に回転自在に支持されている。調整ねじ１６は、後
述する超音波ＴＤＩのＴ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ＴＤｌ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ｌｅａがウオームギアｌｌｃに噛合している。パ
ルスモータ１８の回転はこのつオーム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４Ｊ、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］９ａ、原点セン！Ｊ−１９ｂ等から構成さ
れ、目盛板１９ａの所定位置にはＪＪ　ｆｉｔ線１．９
ｃがマーキングされている（第５Ｖ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°］、　９　ｂが目盛板１９ａの
基準線］、９ｃを検出したときの超音波ＴＤＩの回動角
度位置は、前述したスター１−位置Ｎｏに対応しており
、原点センナ］　９　ｂが基１′＃線１９ｃを検出する
までパルスモータ１８を駆動するごとにより、超音波Ｔ
Ｄ＋をスタート位置Ｎｏに移動させることができる。支
持板１．９ｄ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および右旋回りミノＩ・セ
ンリ用９［が取り石１げられており、ごれらのセンサ１
９ｃ、１．９ｆ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］、　９　ｂ、左右のり
ミントセンサ］、９ｅ、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、ＹＺＸ軸方向微調
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１１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」三方に延び、その延出端がＹマ
イクロメーク２３を備えるＸ軸方向スライドステージ２
４の水槽側壁面に摺動可能に取り付けられている。ずな
わら、Ｙマイクロメータ２３の微調整ねし部を回動さ一
已るとブラケ７１・２２はＸ軸方向スライドステージ２
４に対してＹ軸方向（」−下方向、ずなわら、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）ステージ２４は断面り字状のＺ軸方
向スライトステジ２６に摺動可能に取り付けられている
。ごの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Ｚマ・イクロメータ２５の微
調整ねし部を回動させるとＹ軸方向スライ１−ステージ
２４はＺ軸方向スライ］′ステージ２Ｇに対してＸ軸方
向（第３図において左右方向、すなわち、回転中心軸２
と同し方向）にのみ移動可能である。さらに、Ｚ軸方向
スライ１ステージ２６はＸマイクエコメータ２フを備え
たＸ軸方向スライＩステージ２８に摺動可能に取りイτ
１りられ、Ｘマイクロメータ２５の微調整ねし部を回動
さ−１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）にのめ移動
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２２８よ、Ｙ軸方向スライＩ・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
環状鰐部２１ａ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
嵌合させるごとによりホルダ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２１ｃ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２］
ｅの底面２１ｆは播林状に断面■形状を有している。凹
陥部２１ｃの７朶さ１］１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、移動するごとが
ない値に設定されている。また、穴２１ｃの底面２］ｆ
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、同し経路を逆に辿って超音波
ＴＤＩ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ｉノが極力超音波１゛Ｄ１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Ｇノ深く、溝幅Ｗの７Ｍ２］ｄが穴２
］ｅ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２］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射信号と、レンズ３よ
り下方の溝２］ｄ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番ノ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、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
センサ６１、このマイクロプロセンサ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、す゛ンブリングパンファメモリ部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
旋すリミッＩ・センサ１９ｅ、および右旋回りミツトセ
ンサ１９ｆがそれぞれ接続され、マイクロプロセンサ６
１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Ｔ　Ｄ　１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
の距離Ｒｏの測定方法を第９図および第１０図を参照し
て説明する。

ます、Ｉ・ラハースＬｉＮｏのパルスモータＩＢを駆動
して超音波′ｒＤＩ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の中心に取り付けたボスｌｉｄにＲｏ測定治
具（基準測定治具）７４を取り付ける。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７
４ａ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ｌｉｄの嵌合穴
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かできる。

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を回動さゼ
で超音波ＴＤＩの超音波発射面をＲ。

測定治具７４の本体部７４ａの側壁に密着させる（第９
図（ａ）参照）。そして、この状態でダイヤルゲージ４
２の目盛りを記録しておく。

次に、Ｒｏ　ｇｆＦ４整ねし１４を逆転さセで超音波Ｔ
Ｉ）■を上方の所望の測定位置に移動させ（第１Ｏ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ＴＩ）］とＲ０測定治具７
４間の距離Ｒ５（第１０図（ｂ）参照）を演算する。か
くして、距離Ｒｏは次式（Ｂ１）から求められる。

Ｒｏ　−Ｒ４＋Ｒ５−−（８１） この方法は、距［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がその絹イ」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４（１１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
、その分誤差が生じ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
。

すなわち、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ＴＤ＋を治具７４に密着
させたが、好ましい方法は、密着させずに第１０図（８
）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ＴＤ１から超音波パルス
を発射して距ＭＲ５の測定が行われる。より詳細には、
超音波ＴＤ１から超音波パルスを発射した時点からＲＯ
測定治具７４の本体部側壁で反射し、再び超音波ＴＤＩ
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Ｒ５とノギス等で測定した
治具７４の半径Ｒ４を用いて」−記憶（Ｂ１）から距離
Ｒｏ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
６を測定した場合に生しる誤差が発生ずる心配がなく、
測定者による読の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、ずなわち、Ｒｏ測定治具７４の回りに回動さ
−υ、複数箇所の回動位置で距離Ｒｏを測定するごとが
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ごとが出来る。

次に、被測定物であるレンズ３を被測定物支持装置２０
のボルダ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のマイクロブ１コセソ勺６１は記憶装
置に記憶された所定のプログラムを実行するごとにより
以下に説明する所定の１順でレンズ３の形状の測定を開
始する。

先ス、マイクロブロセンザ６１はパルスモータ１８を作
動さ−υて超音波Ｔｒ）Ｉをスタート位置☆置Ｎ　０（
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、ピークボー
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で受信した信号はザンブリングハソファメモ
リ６３により高速でサンプリングされる。

す゛ンブリングハンファメモリ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ブロセッ゛
す６］から超音波送受信部６４に一ヒ述の駆動信号が供
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（う３に出力され、その後被測定物であるレ
ンズ３の前記対同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、その出ツノが停止される
。また、サンプリングバッファメモリ６３は所定周期（
例工ば、６０Ｍｌ１ｚ）のクロックパルスのハイレベル
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、ハイレベルの信号
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
ロプロセツサ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］８を作動させ、超音波ＴＤＩ
を前述の円弧５」二を所定の微小角度β（例えば、０，
７２°）だけ移動さ−Ｕ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。このようにサンプリングバッ
ファメモリ６３は超音波”ＰＤ］がスター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のブラケット２
２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、ト述と同じように
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４゜ 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、本発明の超音波測定方法に依れば
、基準測定治具を超音波Ｉ・ランスジュザの所定回転中
心と同心に配置し、超音波ト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するこ
とにより超音波ｌ・ランスジブ、−ザと基準測定治具間
の距離４！：／！ｌｌＩ定し、この測定した距離に基準
測定治具の回転中心から表面までの距離を加算して超音
波１−ランスジユーザの回転半径を測定するようにした
ので、粘（１（となる超音波トランスジューサ゛の回転
半径が正確に測定でき、被測定物の形状や厚めを精度よ
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１７．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ｌ・ランスジユ
ーザに向けて断面凸形状の対向面を有ずる被測定物と超
音波トランスジューサとの位置関係を示すレイアラ）Ｉ
ｆｆｌ、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
被測定物ホルダ２１の」二面図、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ンク図、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
明するだめの、測定装置の作動状態を示す部分断面圓で
ある。 ■・・・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Ｉ・コンタク
）・レンズ（被測定物）、１０・・トラバース装置、２
０・・・被測定物支持装置、２トホルダ、３０・水槽、
４０・・・Ｒｏ測定装置、６０・制御装置、６１・マイ
クロブｉコセ、す′、６３・　リ−ンブリングハノファ
メモリ、 ７４・・・Ｒｏ測定治具（基準測定治具）。

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することに
   より超音波トランスジューサと基準測定治具間の距離を
   測定し、この測定した距離に前記基準測定治具の前記回
   転中心から表面までの距離を加算して超音波トランスジ
   ューサの回転半径を測定することを特徴とする超音波測
   定方法。