JPH0252225A - 物体中の音速測定方法 - 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、物体中の音速測定方法に関し、特に、水中
にある物体の形状、厚み等を超音波によって非接触、非
破壊で測定する際に必要とする、被測定物中を伝播する
超音波の音速を精度よく測定する方法に関する。

（従来の技術） 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を測定する場合、
超音波を利用し、その物質の使用状態に近似した状態で
測定を行うことが望ましい。被測定物の厚み等を超音波
で測定する場合、被測定物中を伝播する超音波の音速を
予め測定しておく必要がある。

従来の、被測定物中の音速測定方法としては、第１１図
に示す方法が、竹原等の発表による「生体組織の音速の
ｉｎ　ｖｉν０計測」、日本超音波医学学会講演論文集
（昭和６０年６月）により知られている。

この計測方法は、超音波トランスジューサ付のノギス８
２で被測定物８０内を伝播する超音波の音速を測定する
もので、被測定物８０の厚み計測に使用されるノギス８
２の、対向する各測定面８２ａ８２ｂに超音波トランス
ジューサの発信器８３と受信器８４とが取り付けられ、
ノギス８２は測定した被測定物の厚みを表示するメータ
８２ｃを備えている。発信器８３はパルス発生器８６に
接続されると共に、シンクロスコープ８６の入力端子Ｃ
ＨＩに接続され、受信器８４はシンクロスコープ８６の
入力端子ＣＨ２に接続されている。このような測定器具
を使用すると、ノギス８２のメータ８２ｃからは被測定
物８０の厚みＤが、シンクロスコープ８６からは被測定
物８０内を伝播する超音波の伝播時間もがそれぞれ測定
でき、測定された厚みＤを伝播時間ｔて割ることにより
被測定物８０の音速■２　（−Ｄ／ｌ）を求めることが
できる。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、上述の方法では、レンズ等の柔らかい被
測定物をノギス８２で挟むと、被測定物８０に対する、
ノギス８２の測定面８２ａ、８２ｂの力の掛は具合によ
って厚みの測定誤差が大きい。又、シンクロスコープ８
６の画面を見て伝播時間を読み取るため、測定者による
測定誤差も生じ、又、分解能も小さい（数百ｎｓの程度
）。

本発明は斯かる課題を解決するためになされたもので、
被測定物がレンズのように軟質物体であっても、その中
を伝播する超音波の音速を精度よ（測定できる、物体中
の音速測定方法を提供することを目的とする。

（課題を解決するだめの手段） 上述の目的を達成するために本発明によれば、超音波ト
ランスジューサノ゛の超音波発射面から既知の距離だけ
離間した基準面上に被測定物を載置し、この被測定物に
向かって超音波トランスジューサから超音波を発射し、
被測定物の、超音波トランスジューサに対向する表面お
よび背面での反射波を検出することにより被測定物の厚
み、及び被測定物中の超音波の伝播時間を求め、求めた
厚みおよび伝播時間から音速を演算することを特徴とす
る、物体中の音速測定方法が提供される。

（作用） 超音波トランスジューサから既知の距離だけ離間した基
準面に被測定物を載置し、被測定物の表面での反則波を
検出することにより、超音波トランスジューサから被測
定物の表面までの距離が求まり、上記既知の距離から測
定した距離を減ずれば被測定物の厚みが求まる。一方、
超音波トランスジューサが受信する、表面および背面で
の反射波の時間差から被測定物中の超音波の伝播時間が
求まる。求めた厚みを伝播時間で除すると被測定物中の
音速が求まる。

（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サ（以下これを
「超音波ＴＤＪ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ＴＤＩから超音波パルス１
ｂが回転中心Ｏ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３
ａ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Ｏの近傍位置）に配置
される。従って、超音波ＴＤ１は、レンズ３を臨み、超
音波ＴＤ＋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Ｔ
Ｄ１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ＴＤＩ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ｉＮ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１ｂ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Ｖ、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　＝　ＲＩ　Ｘｃｏｓ（β×ｎ＋α）　　　　　　−
・・・（＋）Ｖ　＝　Ｒ］　Ｘ５ｉｎ（βＸｎ　＋　α
＞　　　　　　−−（２）ここに、 Ｒ１−Ｒｏ−ＶＸｔ／２　　　　　　　　−−（３）−
Ｒｏ−ＶＸＣｏＸＴ　　　　　　　　・・・・・４４）
上式（］）−（４）において、Ｔ、　Ｒｏ、　Ｖ、　ｔ
ｘ　、　オ、に、　ヒＢ　ハ、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Ｇｏ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（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Ｖ２、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［２、レンズ裏面３ｂの位置座＋ＭＣｘ２ｙｚ）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）ないしく力により求められる。

ｘ　ｚ　＝　Ｒ２Ｘｃｏｓ（β×ｎ十α）　　　　・＝
−（５）Ｖｚ　＝Ｒ２Ｘ５ｉｎ（βＸｎ　＋　ａ＞　　
　　　−・＝（６）Ｒ２＝Ｒｏ　　（ＶＸｔ／２　＋Ｖ
ｚＸｈ／２）　　　・・・・・１７）そして、超音波Ｔ
ＤＩのスタート位ｑＮｏから計ＩＩＩ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
．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、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がら、
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））　　”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。

（χ−ａ＋）２＋　（Ｙ−ｂ＋）２＝Ｒ３”　”””（
９）ここに、ａｌ＋ｌ）Ｉ　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、
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０ωに
より求める。

Ｒ１＝Ｖｘｔ／２−Ｒ。

−ＶＸＣｏ　ＸＴ−Ｒｏ　　　　　　−００）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、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（Ｉ
Ｉ）により求める。

Ｒ２＝（ＶＸｔ／２＋ＶｚＸｔｚ／２）　−Ｒｏ　　”
””（Ｉｔ）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
６０ＭＨｚ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」二連の回転中心軸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１１ｄ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１１．ｂに沿って摺動自在に支持され
ており、ＲＯ調整ねじ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」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
１４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ＴＤ］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〕０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Ｊ３がビン軸１３ａを介して揺
動自在に取り付けられている。揺動板１３の上端面はビ
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をビン軸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
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Ｉｌｃが固
設され、パルスモータ１８の駆動軸に取り（すけられた
ウオーム１８ａがウオームギア１　］、　ｃ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ｌｌｃ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＋９ｄ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Ｔｒ）１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
ンサ１９ｂが基準線１９ｃを検出するまでパルスモータ
〕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〕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１．９　ｂ、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、　ＹＺ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、ボルダ２１ば断面Ｉ−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１−２２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の微調整ねじ部を回動さ
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２５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はホルダ２１をブラケット２２に安定よ
く載置するだめのもので、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。ボルダ２１の」二端面にはレン
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と同心番こ、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
２１ｅの底面２１ｆは播鉢状に断面■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ＴＤ］か
ら発射され、レンズ３を透過して伝播し、ホルダ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からの形状情報だけが極力超音波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２１６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（エンジ部）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
に水揺れが生し、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
センサ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がリート線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の入力端には前述した原点センサ１９ｂ、左旋
回リミットセンサ１９ｅ、および右旋回りミントセンサ
１９ｆがそれぞれ接続され、マイクロプロセンサ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
状や厚み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
定しておく必要がある。この音速Ｖおよび■２の測定方
法を第９図および第１０図を参照して説明する。

マス、トラバース装置１０のパルスモータ１８を駆動し
て超音波ＴＤＩの音軸（超音波ＴＤＩから発射される超
音波パルスの進む方向）がＹ軸方向と同し方向、すなわ
ち、Ｘ軸に対して超音波ＴＤＩを９０°回動した位置に
移動させる。そして、被測定物支持装置２０のブラケッ
ト２２に基準ブロック７０を載置し、水面調整装置の水
槽３５を上方に移動させ、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。この状態で超音波
ＴＤＩから超音波パルスを発射させ、この超音波パルス
が発射時点からブロック７０の基準面（超音波ＴＤＩと
対向する面）７０ａで反射し再び超音波ＴＤＩにより受
信されるまでの伝播時間り、を測定する（第９図（ａ）
）。次に、被測定物支持装置２０のＹマイクロメータ２
３の微調整ねし部を回動させて基準面７０ａを適当な距
離だけ移動させ、この時の移動距離１１をＹマイクロメ
ータ２３の目盛りから読み取っておく。再び超音波ＴＤ
１から超音波パルスを発射して伝播時間Ｌ２を計測する
（第９図（ｂ））。そして、次式（Ａ１）から水の音速
Ｖを演算する。

■−１℃＋　　ｌ／ｌ　ｔ＋　−ｔｚ　　ｌ／２・・・
・・・（ＡＩ）次に、被測定物であるレンズ３内を伝播
する超音波パルスの音速の測定にあたり、上述と同じ方
法により、まず、被測定物を基準ブロック７０に載置し
ない状態で超音波ＴＤＩより超音波パルスを発射して伝
播時間ｔ３を計測し、上述のようにして求めた水中の音
速■から超音波ＴＤＩと基準面７０ａ間の距ｉ！１ＩＩ
１３を演算する（第１２図（ａ））。

ｐ、　　−ＶＸ　　ｔ３　　／２　　　　　　　　　　
　　　・・・・・・（八２）次いで、厚み１〜３ｍｍ程
度の、レンズ３と同じ材質の試験片７２を基準面７０ａ
の上に載置し、超音波ＴＤＩから超音波パルスを発射し
て試験片７２の超音波ＴＤＩに対向する面７２ａで反射
する超音波パルス信号の伝播時間ｔ４、および試験片７
２の裏面７２ｂで反射する超音波パルス信号の伝播時間
ｔ５をそれぞれ測定し、以下の弐（Ａ３）〜（Ａ６）か
らレンズ内を伝播する超音波の音速■２を演算する。

ｐ、ａ　　＝ｖｘ　ｔａ　　／　２ Δｔ５＝　　（ｔｓ　　　ｔａ　　）　／　２Ｖ２　＝
Ｎ、／Δｔ。

−［（ｔ３−ｔａ）／（ｔ５ ・・・・（Ａ３） ・・・・・・（Ａ４） ・・・・・（Ａ５） ｔａ））ｘＶ ・・・・・・（Ａ６） ここに、Δｔ５は厚み乏、の試験片７２内を超音波パル
スが伝播するに要した時間である。

このように、被測定物内を伝播する超音波の音速を被測
定物に非接触で測定することができ、また、超音波パル
スの伝播時間を前述の高周波（例えば、６０ＭＨ２）の
サンプリング周期で検出すれば、分解能がよ＜　（１６
ｎｓ程度）、高精度で被測定物の音速■を測定すること
ができる。

なお、上述の音速の測定において、基準面７０ａの移動
は上下方向いずれの方向であってもよい。

また、基準面７０ａを移動させる代わりに、超音波ＴＤ
Ｉを移動させ、その移動量をダイヤルゲージ４２で測定
するようにしてもよい。

又、音速測定に供される試験片の形状は、基準面７０ａ
に対して試験片７２の面７２ｂが密着すればよく、超音
波ＴＤの対向面は多少凹凸があっても差し支えなく、超
音波パルスが当たる部分が平面であればよい。

次に、超音波ＴＤＩの超音波パルスを発生させる圧電膜
と回転中心線２間の距離Ｒｏを適宜な方法により予め測
定しておくと共に、超音波ＴＤＩＯ音軸が回転中心軸２
に正しく交わるようにトラバース装置１０により調整し
ておく。そして、被測定物支持装置２０を調整して被測
定物であるレンズ３を所定位置に設置する。

次いで、上述のように調整された測定装置のホルダ２１
にレンズ３を、凸面を超音波ＴＤＩに向けて載置した後
、超音波ＴＤＩおよびレンズ３が完全に水没するまで水
槽３０に静かに水を満たず。

制御語Ｗ６０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、マイクロプロセンサ６１はパルスモーク１８を作
動させて超音波ＴＤＩをスター１−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ＴＤＩのスターＩ・位置Ｎ
ｏ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ＴＤ＋に超音波パルス
を発射させるとともに、超音波ＴＤ］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。

→ノ“ンプ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り超音波送受信部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６１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（例えば
、６０　Ｍ　ＩＩ　ｚ　）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
ロプロセッサ６１はパルスモーク駆動部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。このようにリンプリングバッファ
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だげ回転中心
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
〇）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に向げてレンズ形状を測
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、被測定物を回転中心軸２に対し
て超音波ＴＤ＋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（１０）ない
し代用）を用いる点を除けば、上述と同じよ・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、本発明乙こ係る物体中の音速測定方法は、水中に
設置したソフトコンタクト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、プラスデック等の音速の測定にも
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中の音速測定方法に依
れば、超音波トランスジューサの超音波発射面から既知
の距離だけ離間した基準面上に被測定物を載置し、この
被測定物に向かって超音波トランスジューサから超音波
を発射し、被測定物の、超音波トランスジューサに対向
する表面および背面での反射波を検出することにより被
測定物の厚み、及び被測定物中の超音波の伝播時間を求
め、求めた厚みおよび伝播時間から音速を演算するよう
にしたので、音速測定は被測定物に非接触で行われ、測
定時に被測定物の変形が生じることがなく、正確に測定
できる。また、被測定物の厚みおよび伝播時間をともに
超音波の反射波の検出により計測しているために測定者
の読取誤差もなく、しかもこの検出を高周波サンプリン
グにより行うと分解能を極めて良好にすることができる
。

【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
を説明するための図であり、超音波トランスジューサに
向けて凸の表面を存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４Ｖ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の上
面図、第７回は同縦断面図、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図は、水中を伝播する超音波の音速を測定する
方法を説明するためのレイアウト図、第１０図は、被測
定物の内部を伝播する超音波の音速を測定する方法を説
明するためのレイアウト図、第１１図は、被測定物内の
超音波の伝播速度（音速）を測定する、従来の方法を説
明するためのブロック図である。 ■・・・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・・・ソフトコンタクト
レンズ（被測定物）、１０・・・トラバース装置、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・・・マイクロプロセッサ、６３・・・サンプリ
ングバッファメモリ、ブロック・・・７０、基準面・・
・７０ａ、７２・・・試験片。 出願人　　東　し　株　式　会　社 代理人　　弁理士　　長　門　侃　二 ■← ■ニ （ａ） 第９ 図 （ｂ） 手 続 主甫 正 書 （自 発） 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７頁第２０行目の式（４）及び第１１頁第１８
行目〜第■。 事件の表示 １９行目の式（１０）にそれぞれ記載の「Ｔ」とあるを
ｒＴ／２Ｊ昭和６３年 特許願第２０３３６６号 に訂正する。 ２゜ 発明の名称 Ｉｌ、図面 物体中の音速測定方法 図面の第１図を別紙の通り訂正する。 ３゜ 補正をする者 代表者 前 田 勝 之 助 代 理 人

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 超音波トランスジューサの超音波発射面から既知の距離
   だけ離間した基準面上に被測定物を載置し、この被測定
   物に向かって超音波トランスジューサから超音波を発射
   し、被測定物の、超音波トランスジューサに対向する表
   面および背面での反射波を検出することにより被測定物
   の厚み、及び被測定物中の超音波の伝播時間を求め、求
   めた厚みおよび伝播時間から音速を演算することを特徴
   とする、物体中の音速測定方法。