JPH0252213A - 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１７めはは、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Ｉ］盛Ａをレンズの凸面側頂点に合致さ
セ、次いで、測定子によりレンズをレンズ台から持ち」
二げて移動させて、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や
厚みを求めるものである。この方法は、水中で測定する
ので、レンズを変形さゼることはないが、限られた情報
（レンズ台の有効径、焦点板の目盛＾、Ｂ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め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則し、被Ｗｉｌｌ足動表
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則波の減衰の程度か
ら被測定物の厚めを測定する方法（例えば、特開昭６０
−１２０２０４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４ノ′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Ｍｅ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） 」二連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ゼ、前記円弧上の各測定点毎に超
音波トランスジューυ−から前記回転中心に向けて超音
波を発則し、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、前記超音波ｌ−ランスジューサの超音波発射面と
回転中心間の基準距離を測定し、前記被測定物に代えて
、表面形状およびその曲率半径が既知の校正用物体を所
定位置に設置し、超音波ｌ・ランスジユーザを前記円弧
上を移動させながら各測定点での校正用物体の表面位置
座標を測定し、測定した表面位置座標から校正用物体の
表面の曲率半径を演算し、該演算した曲率半径が前記既
知の曲率半径に略一致するように前記ＪＪ　ｔ４％距離
を修正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
ある円弧上の各測定点から１一記回転中心に向けて発射
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、求められた被測定物の表
面位置座標は、超音波トランスジコ、−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ｊ−−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、この基準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、校正用物体の表面形状およびその曲率半径が
既知であるから、この校正物体の表面位置座標を予め測
定した基準距離を用いて上述の方法により求め、このよ
うにして求めた表面位置座標から表面の曲率半径を演算
し、演算した曲率半径と既知のものとを比較し、演算し
た曲率半径が既知の値に略一致するように基準距離を修
正すると、基準距離が正しい値に校正されることになる
。

（実施例） まず、本発明方法による物体の形状、厚み、曲率半径等
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回
において、超音波１〜ランスジユーザ（以下これを［超
音波ＴＤＪという）１ば、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ＴＤＩ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ＴＤＩ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３
ａに略直交することになる。超音波ＴＤＩ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ＴＤ１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１゛Ｄ１およびレンズ３ば、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ＴＤｌの位置、すな
わち、スタート位置Ｎｏにおける超音波］゛Ｄ１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宛移動さセた回数を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１゛、超音波パルス１ｂが超音波ＴＤ］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（×、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　−ＲＩ　Ｘｃｏｓ（βＸｎ　＋　ａ）　　　　　　
−−（１１ｙ　＝　ＲＩ　Ｘ５ｉｎ（β×ｎ→−α）　
　　　　　−・・−（２）ここに、 Ｒ１−ＲＯ−■×Ｌ／２　　　　　　　　・・・・・（
３）−Ｒｏ−ＶＸＣｏＸＴ　　　　　　　　−（４）」
二弐〇）〜（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Ｔ
ＤＩ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（
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。この裏面から反則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３ｈ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（χ２ｙｚ）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。

Ｘ２−１で２ＸＣＯＳ（β×ｎ十α）　　　　−・・（
５）ｙ２＝Ｒ２Ｘ５ｉｎ（βＸｎ　＋　ａ）　　　　　
−−（Ｇ）Ｒ２−Ｒｏ　　　（ＶＸ　ｔ／２　１−Ｖｚ
Ｘ　ｈ／２）　　　−−４７）そして、超音波ＴＤＩの
スクート位置ＮＯから計測終了位置Ｎ２までの各１測位
置におりるレンズ裏面３ｂの位置座標（Ｘ２．ｙ２）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、」二連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３１〕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３ｂｌのＡ、＋３．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、ｙ
ｂ）、（ＸＣ，Ｙ（：）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）（
ｂｌｃｍａ）（ｂ−ｃ＋ａ））　””・・・・・・（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）で与えられる。

（Ｘ−ａ、）２−１−　（Ｙ−ｂ＋）２＝Ｒ３”　””
”（９）ここに、ａ＋、ｂｌ　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０．の位置座標（ａｌ、ｂ＋）を求めることが
できる。このとき、例えば中心Ｏ８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（
Ｘｃｌ、Ｙｄ）を求める。そして、点Ｂおよび点りの座
標データから距１［１１１ＢＤを演算するとレンズ３の
厚みが求められる。このような厚めの演算をレンズ３の
一端から他端に亘り所定の間隔で行うと厚の分布が得ら
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ＩＪ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ＴＩ）の回転中心に関して超音波Ｔ
Ｄと反対側に配置される。すなわち、レンズの対向面（
凹形状の面）を超音波ＴＤ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Ｔｌｌと回転
中心を結ぶ綿が常にレンズの対向面に略直交することに
なり、Ｉ／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　　　　　　−００）また、レン
ズ裏面の位置座標（ｘ２．ｙｚ）ど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）
と同し式により求められる。ただし、Ｒ２は次式（ＩＩ
）により求める。

Ｒ２−（Ｖｘｔ／２＋Ｖ２ＸＬｚ／２）−Ｒｏ　　−−
−−・−（１１）なお、以」二の説明は、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。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、±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３０Ｍｌ１ｚ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。この要求を満足さセるためには、
例えば高分子圧電膜を備えた超音波’Ｔ”　Ｄの使用が
好適である。また、分解能は反耐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
隔でリーンプリングする必要があり、結局、反射波を少
なくとも６０Ｍｌ１ｚ程度のナ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ＩＩの裏面（水槽３０の後面壁と
対向する而）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１．１　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ポスｌｉｄ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、ＲＯＡ１Ｍ整ねし１４によって上述の回転中心軸
２に対づ−る距離ＲＯが調整される。ＲＯ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。

ずなわら、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４］ａを備えたＭ、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の口ｙ　ト’　４１　ａ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をトラハス装置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ＲＯ８１
１整ねし１４によってスライダ１２を上下させるとスラ
イダ】２の相対移動量を測定するごとができる。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１３．１を介して
揺動自在に取り（＝ｆ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
、調整ねし］６に刻設したウオーム１６ａがト記ウオー
ムギア１３ｂに噛合しており、この調整ねし】６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Ｔ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ＴＤＩを取り付けるホルダ１５が
固着されており、このボルダ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−に１ｉｌ
ｅの回転中心軸２に向かって発射されるごとになる。そ
して、超音波ＴＩ）１はリード線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
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１１Ｃが固
設され、パルスモーク１８の駆動軸に取り付しノられた
ウオーム１８．３がウオームギアｌｌｃに噛合している
。パルスモークＩ８の回転はこのつオーム１８ａおよび
ウオームギアｌｌｃ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１］、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１．９ｃ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＋
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ｍ　１９　ｃ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
４ノ１９ｅおよび右旋回リミットセンリ−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、Ｉ−センサ１９ｅ、１９
ｆは後込する制御装置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Ｗ
２０は、被測定物３の設置位置をｘ、ＹＺＺ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′ｕ、置固足固定、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Ｘ
マイクロメータ２３を備えるＸ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、Ｘ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７　ｌ・２２はＸ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
、Ｘ軸方向スライドステージ２４は断面１７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
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
Ｚ軸方向スライドステージ２ＧはＸ軸方向スライドステ
ージ２８に対してＺ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
詳細を示す。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、ホルダ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」一端面にはレン
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
１ｅの底面２１［は播林状に断面Ｖ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
射する反則波が散逸し、同し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＋ｊ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だり深く、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２１．６によってレンズ３のへヘ
ル部（エツジ部）の形状の測定を可能にする。また、溝
深さに＋　２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
より下方の構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人きけれ
ばよい。

レンズ３はホルダ２１に載置されるだりであるから、超
音波ＴＤ］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
るザンプリングハノファメモリ部６３およびパルスモー
タ駆動部６５、サンプリングハソファメモリ部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
回リミットセンサ］、　９　ｅ　　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ＴＤ＋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。

まず、トラバース装Ｔｔ、　１０のパルスモータ１８を
駆動して超音波ＴＤｌ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１
０の円板１１の中心に取り付けたポスｌｉｄにＲＯ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７４
ａ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
ｌｌｄ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ができる。Ｒ
Ｏ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の超音波発射面をＲＯ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４２の目盛りを記録
しておく。

次に、ＲＯ調整ねし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せ（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（ｂ）参照）を演
算する。かくして、距離Ｒｏは次式（Ｂ１）がら求めら
れる。

ＲＯ＝Ｒ４＋Ｒ５”””（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＃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
。

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ＴＤＩを治具７４に密着
さゼたが、好ましい方法は、密着させずに第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
を発射して距離Ｒ３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
５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、ずなわち、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離Ｒｏ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ＲｏＯ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ＴＤ＋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」二連の距離Ｒｏが正しく測定できな
いばかりか、被測定物の形状や厚め測定に誤差を生しさ
せる。超音波′「Ｄｌ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７４の表面ＣＩで反
射して図示ＤＩ力方向進行するとすれば、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Ｃ１間の距離）は測定すべき距離（点Ｃ
ＴＤと点Ｂ１間の距離）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、がっ、演算される距離ＲＯの値が最小になるように
、前述したトラバース装置１０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ＣＴＤから回転中心軸２に向かって進み、Ｒｏ　１
４（ｌｊ定定置具７４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］゛Ｄ１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。

上述のようにして求めた距ＮＲｏに基づいて前述の式（
］）ないし式００）により被測定物の形状や曲率を演算
した場合、レンズの製作時の鋳型のそれと太き（異なる
ことがある。この誤差は主として基準距離Ｒｏの測定誤
差に起因するものであり、他のパラメータによる誤差は
小さい。従って、距離ＲＯを極力正確に校正する必要が
ある。距離Ｒ。

の校正は予め曲率が分かっでいる精密ガラス球を使用し
て校正することができる。より具体的には、第１２図（
八）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２１ｃに嵌合可能な大きさのレンズ体（
校正用物体）７６ａを切り出し、これをホルダ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」−述した方
法により測定した基準距離ＲＯ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ＲＯＯ値を用いて被測定物の形
状や厚めを測定すると、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
させることが出来る。

なお、上述の校正用の精密ガラス球に代えて鋼球、セラ
ミック球、プラスチック球等、温度膨張係数の小さいも
のであれば種々の球体を距離Ｒ。

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］゛Ｄ１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ンチを操作する
と、制御装置６０のマイクロプロセフ’Ｊ６１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Ｔ’　Ｄ　ｌに超音波パルス
を発生さセ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１
９ｂ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ＴＤｌ
に超音波パルスを発射させるとともに、超音波”Ｆｌ）
Ｉ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
ンプリングバッファメモリ６３は所定周期（例エバ、６
０ＭＩＩｚ）のクロッ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、ザンプリングハ
ノファメモリ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７メ
モリ６３は超音波ＴＩ）ｌがスタート位置Ｎｏがらｔｌ
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、ずなゎぢ、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、マイクロブじ１セノリ。

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、
求めた位置座標がら式（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Ｃ
ＲＴ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のブラケント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３ｈの位置座標の演算に、弐〇〇）な
いし式（ＩＩ）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、セラミックス、プラ
スチック等の形状や厚み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
、表面形状およびその曲率半径が既知の校正用物体を水
中の所定位置に設置し、超音波トランスジューサを所定
の回転中心から等距離にあ４゜ る円弧上を移動させながら各測定点での校正用物体の表
面位置座標を測定し、測定した表面位置座標から校正用
物体の表面の曲率半径を演算し、演算した曲率半径が既
知の曲率半径に略一致するように前記測定した基準距離
を修正するので、基準距離Ｒｏが簡単かつ正確に校正で
き、被測定物の形状や曲率の測定精度が向」ニする。

【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
明するだめの図であり、超音波ト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−線断面背面図
、第６図は、第３図に示す被測定物ボルダ２１の−Ｊ−
面図、第７図は同縦断面ば、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サの回転中心
を通るように調整する方法を説明するためのレイアウト
図、第１２［ｆｆｌ　（Ａ）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１２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・・ソフトコンタクトレン
ズ（被測定物）、１０川トラバース装置、２０・・・被
測定物支持装置、２１・・・ホルダ、３ｏ・・・水槽、
４０・・・Ｒｏ測定装置、６０・・制御装置、６１・・
・マイクＩコブロセンザ、６３・・サンプリングハノフ
ァメモリ、７４ ・・Ｒｏ測定治具、 ７６ａ・・レン ズ体（校正用物体）。

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、前記超音波トランスジューサの超音波発射面
   と回転中心間の基準距離を測定し、前記被測定物に代え
   て、表面形状およびその曲率半径が既知の校正用物体を
   所定位置に設置し、超音波トランスジューサを前記円弧
   上を移動させながら各測定点での校正用物体の表面位置
   座標を測定し、測定した表面位置座標から校正用物体の
   表面の曲率半径を演算し、該演算した曲率半径が前記既
   知の曲率半径に略一致するように前記基準距離を修正す
   ることを特徴とする超音波測定方法。