JPS59170731A - 自動音速測定装置 - 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】 本発明は超音波を用いた自動音速測定装置に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

従来、電子部品材料等を通過する音速を求めるには、超
音波を試料に注入し、そのとき試料底［川からの反射波
を検知して音速を求める方法が知られている。そして、
とくに精度よく音速を求める音速測定装置として超音波
の干渉を利用した超音波位相比較法によるものがある。

かかる装置は、一定のパルス幅を有するバースト信号に
より、試料の一端に直接又はバッファーロードを介して
張シ付けた超音波振動子を励振してバースト状の超音波
（入射波）を発信させ、この入射波を試料の底面で反射
させて超音波振動子で受信する。そして、バースト信号
のパルス幅を適宜床げることによ多試料底面から得らｎ
る複数の反射波を次々に重ね合わせて干渉をおこし、試
料に當ま几るバースト１ｇ号の搬送波の波数を決めるこ
とによ多試料の音速を求める。詳述すれば、反射波が多
重に重ね合わされた部分の振幅は、搬送波の周波数とと
もに変動し、試料中の波数が整数倍（ｎｌ、　ｎ）にな
ると振幅は最小値をとシ、これに対応するバースト１ｇ
号の搬送波の周波数を！、、−１．Ｉｎ　　とすると、
試料の音速υは試料の厚みを一〇として、υ＝２−６（
，７’ニー！、−１）　　・・・・・・・・・（１）で
あられさ才しる。

従来の音速測定装置は、オシロスコープ上に描かれた合
成波を目視することにより、その合成波の重なり部分の
振幅を読みと９、振幅が最小となるときの周波数を求め
て音速υを計算する構造であるため、目視による誤差が
生じる。

そこで本発明者らは、先に自動音速測定装置を提案した
。

との二自動音速測定装置を第１図に下す。この装置は従
来の音速測定装置の超音波撮動子（５）とゲート増幅器
（３）とシンセサ・イザからなる発振回路（１）のゲー
ト増幅器（３）に接続され、該振動子で愛他した反射波
を検頻する包絡肋）検出器（８）を設け、この包路線検
出器（８）に接続されＡｉｌ記反射波の振幅の変化状態
を検出する波高検出器（９）を設け、この波高検出器（
９）に接続すると共にシンセサイザ（２）、ゲート増幅
器（２）に夫々接続するように該シンセサイザ（２）の
周波数並びにゲート増幅器（３）のパルス幅を制御する
発振回路制御器部な設け、この発振回路制御器（１０に
接続されシンセサイザ（２）に出力する周波数変換信号
を記憶する記憶回路圓を設け、この記憶回路圓に接続さ
れ記憶回路（１１）に記憶される所定の周波数変換信号
に基づいて試料の音速を求める音速解析器（１２）を設
けた構造を有する。その特徴とする京は、波高検出器で
検出される反射波の振幅の変化状態が漸減する場合は、
その最後の振幅が最小値をとるような信号を波高検出器
（９）から発振回路１ｔｔｌＪ　Ｈ器ｌＪ〔に送シ、前
記信号に基づいて記憶回路ｑＩ）で前記信号に対応する
周波数変換１６号を読み出させて音速解訴器圓で試料の
音速を求め、かつ反射波の振幅が漸減しない１合は、発
振回路制御器（１（２）によりシンセサイザ（２）に周
波数を、ゲート増幅器（３）にパルス幅を制御する信号
を送って、＋ｉＪ記振幅が漸減するまで繰９返し操作を
行なうことにより音速を求めることにある。

この装置では、振幅が極小値を示す際の周波数Ｉｎ’−
１，ｊ’。）　八＋　１　＋　”’を記憶回路にて記憶
し、晋庸は次式にて求めているっ υ＝＝２看・＜ｆ、−ｆ、−ｓ　　＞ ！：試料の厚み ＜Ｉｎ−ｆ、−１ン：振幅が極小値を示す際の周波数の
間隔の平均値 このように周波数の間隔の平均値をとるため、できるだ
け広い周波数領域での測定を行なえば測定精度を上げる
ことができる。しかしながら、超音波振動子は、固有の
共振周波数を有しており、その近傍の周波数領域では、
送受信感度にすぐれているが、共振周波数からはず扛る
に従い、感度か低下しＣしまう。従って、音速測定で使
用可能な周波数領域が限られ、得られる行速の測定誤差
の減少に限界があった。

〔発明の目的〕

不発明は以上の点を考慮してなさｒしたもので、試料の
音速を自動的（−かつ梢麗よ←リリ定し得る自動音速測
定装置を提供することを目的とする。

〔発明の概要〕

本発明は、シンセサイザ及びこのシンセサイザに接続さ
れるゲート増幅器からなる発振回路と、前記ゲート増幅
器に接続され、試料にバースト信号を送出する超音波振
動子と、この超音波振動子に接続され、超音波撮動子で
愛他される反射波を増幅する反射波増幅器と、この反射
波増幅器に接続され、反射波を検出する包路線検出器と
、この包路線検出器に接続され、反射波の振幅の変化状
態を検出する波高検出器と、この波高検出器に接続され
、この波高検出器によｐ検出された波高によシ前記反射
波増幅器の増幅率を制御する増幅率制御器と、前記波高
検出器からの出力によシ、前記シンセサイザの周波数並
びにゲート増幅器のパルス幅を制御ｌ＠ｌする発振回路
＊ｌＪ　呻器と、この発振回路制御器に接続され、前記
シンセサイザに出力する周波数変換１ば号を記憶する記
憶回路と、この記憶回路に接続され、該記憶回路に記憶
される所定の周波数変換１＠号に基づいて試料の音速を
求める音速解析器とを具備することを時槙とする自動音
速測定装置である。

本発明においては、増幅率制御器を設けたことが特ぷで
ある。波高検出器で検出される反射波群のうちの最初の
振幅（Ｈｏ）が設定値（Ｈ，、）よす小さい場合、増幅
率制御器により、とのＨｌをＨ８以上どなるように反射
波増幅器の増幅率を変化させる。

Ｈｌ、Ｅ；ｆ（。であれば、反射波増幅器の増幅率を変
化させず、例えば増幅率を１として、七〇ま１次の動作
に移行する。第２図（ａ）にこのような増幅率の制ｓ中
を行なった場合の周波数による振幅Ｈ１の変化を示す４
、振幅Ｈ３が設定１１ｉ　Ｈ０以上の場合は、反射波増
幅器がない場合と同様であり、Ｈ，（Ｈ８の場合は、Ｈ
，は■（。に保付される。なお図中美称は本発明による
Ｈ、の変化、値付は反射波増幅器を設けない場合のＨ，
の変化である。Ｆｏは超音波振動子の共振周波数である
。また第２図（ｂ）に反射波群中第Ｎ番目の反射波の波
高値１１Ｎの、極小値を示す周波数ＦＮ　（弗２図（ａ
）中でＨｌ（ｌ−１ｏの範囲）の近傍での変化を示す。

不発明においてはＨＮの変化拭を大きくとることかでさ
るため、ＦＩＮの極小値を求める場合の効率、精度共に
向上する。なお図中実線は本発明の場合のＨＮの変化を
示し、増幅率制御器を設けない場合を点勝で示す。

このように反射波の増幅率を変化させることにより、従
来に比べ広い周波数領域での音速測定が可能となり、音
速測定の誤差を減少することかでさる。また、Ｈｏ＜Ｈ
＋以下の場合にのみ反射波を増幅することにより、広い
周波数領域において均一の誤差を維持することかでさ、
装置さらに測定精度が白土する。すなわち、従来法では
、超音波振動子の共振周波数近傍での精度は良好でるる
か、この共保周改数か７らはなれるに従い、？＃度が低
下していたため、測定された振幅を極小（−する周波数
の中でも、誤差の含み方が変化するため、全体としての
画定誤差が犬さくなってしまった　しかしながら本発明
においてはＨ６＜　ＨＩの時に反射波の増幅率を上げて
精度を向上させるため、広い周波数領域において均一の
誤差を保つことかでさ、全体としてのバラツキも少なく
な）、音速測定の精度が同上する、 〔発明の効果〕 以上説明したように本発明によれば、広い周波数領域で
旨速測定を低い誤差範囲で画定することができるため、
試料の音速測定を精度よく、自動的に測定することがで
きる。

〔発明の夷）地側〕

本発明の実施例を第８図に基づいて説明する。

同図＋１】、第１図と同様のものは同−命号を用いた。

図中の１は発振回路であり、安定した周波数を有する連
続波をつくシ出すシンセサイザ２と、このシンセサイザ
２に接続され、前記連続波を一疋のパルス幅を有するバ
ースト１５号に増幅するゲート増幅器３とから構成さ八
ている。前記ゲート増幅器３には、試料４にバースト信
号を送出する超音波振動子５が愛読され、かつ該超音波
振動子５は前記試料４上の超音波パンファーロード６上
に埃府剤で固定されている。また、前記ゲート振幅器３
及び超音波振動子５には、超音波振動子５で受１ｇされ
る反射波の波形を描くオシロスコープ１８が接続されて
いる。オンロスコープは波形観察のために設けたもので
あり、本発明ＡＡ置において符に設ける必要はない。

さらに超音波振動子５で愛情した反射波（合成波）を検
知する包絡線検出器８が、反射波増幅器７ａを介してゲ
ート増幅器３と超音波振動子５に受続するように設けら
れている。前記包絡ｉ−検出器８には、前記合成波の部
幅の変化状態を検出する波高検出器９が接続さ７してい
る。この波高検出器９には増幅率、ｔｌｌＪｌ＋Ｉ４１
器７ｂを介して発振回路側神器１０が接続され、該発振
回路１６１１両器１０には合成波の振幅が漸減する場合
にその最後の振幅が最小直となる信号及びその他の振幅
に対応する１百号が送られてくる。また、この発振回路
’ｉ！ｉｌｌ仰器１０には、シンセサイザ２．ゲート増
幅器３及び該発振回路市’Ｊ’ｌＪ器１０からシンセサ
イザ２に出力する周波数変換信号を記憶する記憶回路１
１が夫々接続されている。前記発振回路ｔｔｊｌｌ　Ｈ
器１０は前記波高検出器９から合成波の振幅が漸減して
その最後の振幅が最小値とならない信号が入力された場
合、前記シンセサイザ２に周波数変換１Ｓ号を、ゲート
増幅器３にパルス幅変換信号を送るものである。

また、前記発振回路制御器１０は前記波高検出器９から
合成波の振幅が漸減してその菫の振幅が最小となる１ぎ
号が入力された場合、その信号に対応して予め記憶回路
１１に記憶さ２”している周波数変換１ｇ号の読み出し
を行うものである。前記記憶回路１１には、試料４の音
速を測定する音速解析器１２が接続されている。この音
速解析器１２は、前記発振回路１ＩＩＩＩＪ御器１０よ
シ音速解析器１２に読み出される周波数変換信号によ！
ｌｌ読み出すものである。また増幅率制御器７ｂは設定
値Ｈ６と反射波の第１番目の波高値Ｈ１とを比較し、Ｈ
ｌ〈Ｈｏならば反射波増幅器７ａにＨ１上Ｈｏとなるよ
うに増幅率を変化させる信号を送る。Ｈ８上Ｈｏの場合
は増幅率は１に保持される。

以上のような構成をとる自動音速測定表置における動作
について説明する。まず、発振回路制御器１０より、シ
ンセサイザ２に所定の周波数変換信号を、ゲート増幅器
３に所定のパルス幅の１ｇ号を夫々送る。なお、これら
の信号は記憶回路１１に記憶しておく。前記イぎ号によ
シ発振回路１から所定の周波数、パルス幅を有したパー
ス）　＜ｓ号が発せられる。つづいて、このバースト信
号によシ超音波振動子５を励振してバースト状の超音波
（入射波）を発信させ、この入射波を超音波バッファー
ロード６を通って試料４の底面で反射させ合成波として
超音波振動子５で受信する。次に反射波増幅器７ａで合
成波を増幅する。ただしこの増幅率は増率制御器７ｂに
よシ１的御される。つづいて包絡線検出器８で前記合成
波を検知し、所定ノパルス幅の包絡様を描くとともに、
オシロスコープ１８によシ合成波の波形を観察する。第
４図に振幅と時間の関係を示す。ここで、前記包絡林が
第４図（、）に示す如く、前記バーストイぎ号のパルス
幅（５）が超音波の試料１往復時間２−ｅ／υ（ただし
、形は試料の厚み、υは試料の音速を示す）に対し、Ｗ
（２−６／υである場合は、発振回路制御器ｌ器１０に
よりゲート増幅器３にＷ〉２．ｅ／υとなるような）く
シス１隅の信号を送る。なお、弗４図（ａ）中のｔ。は
超Ｖ波が超音波バッファーロード２を往復する時ｔｉｌ
ｌ　ｆ示し、２！／υ毎に表われるＮ番目の反射波を第
Ｎ次反射波と呼び、その波高値をＨ，とする。

第２図（ａ）に示したようにＨｌは共振周波数Ｆ０から
はずれるに従い減少する。ここで波高検出器９によって
検出されたＨｌが設定値Ｈ８を超えた場合は増幅率制御
器７ｂが動作し、反射波増幅器７ａに信号が送られ、Ｈ
，≧Ｈｏになるまで反射数増幅器７ａの増幅率が上昇さ
れる。Ｈ１上Ｈ０であれば、増幅率制御＃器７ｂは動作
しない。

波高検出器９より包絡縁が第３図（ｂ）に示す如く反射
波（合成波）の振幅が漸減しないことを確認した場合は
、発振回路制御器１０によｐシンセサイザ２にＡｉｌ記
と異なる周波数変換信号を、包絡線が第３図（Ｃ）に下
す如く振幅が漸減するようになるまで送り続ける。この
場合もＨ１上Ｈ０となるように増幅率“ｊＭｌｊＨ器７
ｂが動作する。なお、第３図（ｂ）（ｃ）において、第
Ｎ次反射波即ちｔ。＋（χ−１）×２４３／υ時間から
ｔ。＋χ×２２／υ時：ｆｊ＋　（χ＝１．２゜３・・
・Ｎ）に表われる合成波の包絡称は、第１ｖ（から第７
次１での反射波の振幅と位相が合成されたものである。

特に、第８図（ｃ）にボず如く糸幅が漸減する場合、Ｎ
Ｘ２．、＄／υ銹目の合成波の振幅の変動幅が最も犬き
くなり、その振１陥が最小と７Ｉる。そして、周波数変
換信号により第３図（ｃ）にボすよりな包絡縁が描かれ
ると、波高検出器９より合成波の振幅が最小値となる信
号が発振回路制御器１０に送られ、この１ｓ′号によシ
予め記憶回路１１で記憶した周波数変換１６号が音速解
析器１２へ読み出さＣる。しかるに、音速解析器１２に
よシ合成波の振幅が最小値となるときの試料の斤速が求
められる。

本発明においては、第１番目の反射波の波高値Ｈ１を、
一定のレベルまで引きあげたため、広い周波数範囲で同
様の誤差レベルでの音速ｕｌｌｌ定か可能となるっ特に
波高値をデジタル鼠として検出する１合、検出する波高
値の大小の差が大きいと、小さい波高値の時、すなわち
共振周波数からず扛ている場合は誤差が大きく、共振周
波数近傍の場合は誤差が小さくなってしまう。しかしな
がら本発明のごとく、ある一定レベルまでＨｌを引きあ
げ、レベルをあわせることにより、誤差を小さく均一化
することができ、全体としての測定精度があがる。

この装置を用いて、次のような測定を行なった。

超音波パンファーロード６として長さ２００ｍ１、直径
２５鰭の石英製柱状体を用意し、それぞれの端面な平坦
かつ平行に加工した。次いで、一方の端部に、その端面
の直径が１５＋＋０１で、円柱側面との角度が３０°と
なるようにテーパーを形設シ、更・ニ、テーパ一部分を
含む円柱の外周面に、１咽１…隔て、深さ１圏の環状溝
を形設した。超音波撮動子５として直径２０朋で２０　
ＭＨｚの×カットの水晶振動子を夫々用いて、厚み１０
順、直径８０謔の円柱状のＸカット水晶（試料）の音速
を周波数１６〜２４ＭＨｚの広い周波数範囲で測定した
ところ、実測値５７２０７Ｖｂｅｅに対し±５　ｍ／方
程度の誤差範囲で自動測定できることが確認できた。こ
れは反射波増幅器及び増１１１Ｍ率制陣器を設けないも
のの±１０ｙｎ／Ｓｅｃに比べ、さらに精度をあけるこ
とができた。

なお、上記実施例では試料の音速測定に際し、試料と超
音波撮動子同に超音波バッファーロードを用いた場合（
二ついて述べたが、これに限らず、超音波振動子を直接
試料に張９付けて試料の音速を測定してもよい。

また、上記実施例ではオシロスコープを用いたが、これ
は超音波撮動子で受信される合成波の波形を単に確認す
るだめのものであｐ１オシロスコープを用いなくとも前
記実施例と同様の効果を期待できる。

また超音波バッファーロードを用いると、■　超音波振
動子に直接熱が伝わらないため、広い温度頭載、例えば
室温〜９５０　Ｃ程度での音速測定が可能となる。

■　超音波撮動子は超音波パンファーロードに撤着され
るたわ、測定試料に１ｄ着した場合に比べ取扱が容易で
ある。

等の利点がある。

また超音波バッファーロードに用いる場合は、バッファ
ーロードの、ｌｌｌｊ面からの反射を防止するため、周
囲に溝を設けることが好ましい。また、試料との接着部
をテーパ状として、接着面積を小さくすることにより、
熱膨張差による試料破損等のおこる恐Ｇがない。また本
実施例のようにこのテーパ一部分にも溝を設けることが
好ましい−

【図面の簡単な説明】

第１図は本光明者の先に従来した目動音速測定装置を示
すブロック図、第２図は周阪叡−波冒値特性曲線図、λ
６３図は本発明の実施例を７１すブロック図、第４図は
振幅一時間的、録図。 １・−・発振回路、２・・・シンセサイザ、３・・・ゲ
ート増幅器、５・・・超音波振動子、７ａ・・・反射波
増幅器、７ｂ・・・増幅率制御器、８・・・包絡線検出
器、９・・・波高７演出器、１０・・・発振回路’１ｔ
ｉｉｊ−器、１１・・・記ｔη回路、１２・・・廿速解
析器。 代理人　弁理士　則　近　憲　佑　（ほか１名）（久）
　　第２図 ＴＯ −闇液数 （ｂ） Ｎ 周波数− 第３図 １８４−

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. シンセサイザ及びこのシンセサイザに接続されるゲート
   増幅器からなる発振回路と、前記ゲート増幅器に接続さ
   れ、試料にバースト信号を送出する超音波振動子と、こ
   の超音波振動子（二接続さｎ、超音波振動子で受信され
   る反射波を増幅する反射波増幅器と、この反射波増幅器
   に接続され、反射波を検出する包絡線検出器と、この包
   絡、供検出器に接続され、反射波の振幅の変化状態を検
   出する波高検出器と、この波高検出器に接続され、この
   θえ高検出器によシ、検出された波高により前記反射波
   増幅器の増幅率を制御する増１尚率ｉ１ｊ！Ｉ御器と、
   前記波高検出器からの出力によシ、前記シンセサイザの
   周波数並びにゲート増幅器のパルス幅を制御１１１する
   発振回路１間帥ｄ汁と、この発振回路制御器に接続され
   、Ａｉｌ記シンセサイザに出力する周波数液４灸１ぎ号
   を記憶する記憶回路と、この記憶回路に接続され、該記
   憶回路に記憶さ７′しる所定の周波数変換信号に基づい
   て試料の音速を求める音速解析器と