JPS63221211A - 層状物体の超音波厚さ計測方法 - 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】 〔産業上の利用分離〕 この発明は超音波による厚さ計測方法に関し、とくに層
状物体の表層物質の厚さを測定する超音波計測方法に関
するものである。

（従来の技術〕 超音波を異なる物質で構成される層状物体に照射すると
、この物賞間に音響インピーダンスの差がある場合は眉
間の境界面から超音波が１部反射される。ここで、音響
インピーダンスは通常次式％式％ 音響インピーダンス（Ｚ）−物賞内の音速（ｃ）×質量
（ρ） 以上はすでに実用化されている超音波厚さ計といわれて
いるものの原理である。

また、層状物体でなくとも、物体に内部欠陥がある場合
にも、欠陥検出は同じ原理で検知され、欠陥部の位置そ
の他を知ることができる。一般にはこの原理による計測
装置を超音波探傷装置と呼び広く実用化されている。

第６図は、従来から行われている上記のような　一層状
物体の厚さ計測において、・とくに表面層の厚さ等を測
定する場合の超音波の透過と反射のプロセスを説明する
模式原理図である。

第６図において、１はプローブであり、０．５〜１０Ｍ
Ｈｚの短い超音波パルスを送信して、さらに反射されて
くるエコーを受傷する超音波の発・受信器の機能をもっ
ている。２は例えば層状物体の表層をなす表面層、３は
同じく内部層を示している。４は送信される超音波、５
は反射エコーを示す反射波である。また、Ｚｔ　＝　　
Ｚｚ及び２．はそれぞれ大気１表面層物質及び内部層物
質の音響インピーダンスであり、Ｌはプローブ１と表面
層の表面までの距離、Ｔｔ　は表面層２の厚さ、Ｔ。

は内部層３の厚さである。

第６図に示されるように、プローブ１より発信された超
音波４は層状物体の内部に行くに従って弱められるが、
各層の境界面で反射波５がエコーして戻ってくることに
より、プローブ１に再び受信されて検出されるようにな
っている。

第７図は第６図のプローブ１で受信した反射波５の強度
を図示しないオシロスコープ上に表示した波形を示す線
図である０図において、横軸は時間であり、縦軸は反射
波５の強度を示すものである゛が、中央の横線が信号の
θレベルを表わしている。以下記載するいくつかの波形
線図についてもすべて同様の表示を用いたから、縦軸及
び横軸の説明と同様説明を省略する。

第７図にみられるように、送信パルスＡを基点（０時間
軸）として、ｔｌの時間軸に表面エコーＳ１による反射
波パルスＳ＋　、ｊ＋　”　ｔｘの時間軸に境界エコー
Ｂの反射波パルスＢ　ｓ−Ｌ　ｌ”　ｔｔ＋１．時間軸
に底面工２Ｓｚの反射波パルスＳ２が観測される。した
がって、時間ｔ、ｌ　　”を及びｔ、が、第６図の距離
りと、厚さＴｔ及びＴ、に対応するものである。

このようにして、長さまたは厚さの計測が行わＴｓ−−
〇ｓｒｓとなり、各層の厚さＴ２及びＴ。

を求めることができる。ここでＣＩ＋Ｃ！及びＣ３はそ
れぞれ大気２表゛薗層２及び内部層３における超音波の
速度である６以上が超音波により厚さを測定する場合の
一般的手法である。

しかし、実際には反射面が平滑でなく凹凸面である場合
があり、例えば第８図に示すように表面が凹凸状の面に
おける超音波の反射波は乱反射の状態となり、第９Ｈに
示したように、平滑面からのエコーＤに比べて乱れた幅
広いエコーＣとなって観測されるようになる。

また、物体に異物が混入して、第１０図の符号６で示す
ような中間層を形成したような状態の場合は、この中間
層からも反射波が生ずるために、第１１図に示したよう
に、表面エコーＳと境界層エコーＢの中間に反鮮明な中
間層エコーＭが現出するようになる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記のように超音波による層状物体の厚さ計測において
は、と（に表面及び境界面とも凹凸であるような物体の
場合は、上記のように反射エコーの厚さ方向の分解能が
わるくなり、例えば正確な厚さ情報を見誤る危険性があ
るとともに、測定精度を看るしく低下せしめるという問
題があった。

具体的には、深海８００〜２５００ｍの海底岩盤（主と
して玄武岩）の表面に沈積した厚さ数ｉｔ＋ｗから数１
０ｍｍ（実際には５ｍｍから６０ｍｍ位）で平均厚さが
２０〜３０ｍｍと考えられるコバルトクラストは表面及
び境界面がともに凹凸性の強い層状物体に相当するもの
である。このコバルトクラストを超音波で厚さ計測を行
った実験結果によると、表面層の厚さが１５ｍｍ以上で
ないと表面エコーと境界面エコーが重なり合つで判別で
きず、厚さ計測ができない、このように従来の方法では
コバルトクラストのようなものの軍さ計測においてその
実用性が着るしく減する問題があり、その最小測定可能
厚さを下げる計測方法の確立が要望されていた。

この発明はか・る問題点を解決するためになされたもの
で、層状物体である被計測物質の表面及び境界面が凹凸
状のある場合であり、かつ表層物質の厚さが薄い場合で
あっても、精度よく表層厚さを計測する超音波計測方法
を得ることを目的とするものである。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明に係る層状物体の超音波厚さ計測方法は、複数
の異なる周波数をもつ超音波を層状物体の同一個所に照
射し、この層状物体を構成する物質固有の透過率の差に
よって得られた複数個のエコーデータを比較し、各デー
タを検波、整形及び帯域選定したのち、演算処理により
重塁した反射エコーを分離抽出することにより層状物体
の表層物質の厚さ計測を行って上記問題点を解決したも
のである。

〔作　用〕

ここで、この発明の計測方法の原理手法をエコー図によ
り説明する。

一般に超音波の周波数が高くなる程、物質への透過の程
度が小さくなり、周波数が低くなる程透過の程度が大き
くなることが知られている。この現象を利用して、高周
波域と低周波域の２つの超音波を表層部へ照射すれば、
２個の厚さ方法に関する異った情報をもつエコー図かえ
られる。

第１図は周波数を変えた場合の反射波の形状を比較した
エコー図であり、第１図（ａ）は高周波域（７〜１０　
Ｍ　Ｈｚ　）の超音波の反射波、（ｂ）は低周波域の反
射波の波形を示すものである。すなわち、図に示したよ
うに、第１図（ａ）の反射波は表面エコーＳ１のみが観
測される。一方、低周波域の超音波（鉱物資源を対象に
した場合は０、５〜１．０　Ｍ　Ｈｚ　）は、被計測物
体の内部まで入り、第１図（ｂ）のように表面エコーＳ
、と境界面エコーＢを得る。なお、第１図（ａ）のエコ
一時間軸はｔ、とする。

第１図において、（ｂ）のエコーは前記コバルトクラス
トの場合の表面層の厚さが１５ｍｍ以下の場合に相当す
るもので、このエコーの波形からは境界層エコーＢの時
間軸（ｔ、）を明確に判別できないものとなっている。

そこで、この発明の方法においては、データ処理の手法
を用いて、第１図（ｂ）の波形から（ａ）の波形を減算
処理して、第２図に示すような波形の差のエコー図を得
る。このようにして境界面エコーＢのみを分離抽出する
ことによりＢエコーの時間軸１．を求めて表面層の厚さ
を測定するものである。すなわち、Ｃを表面層の音速と
すれば、厚さＴは Ｔｍｃ　　（ｔｌ　　−ｔｌ　　） の式から求めることができる。なお、ｔ■＋　　１゜は
基準点（送信パルスのエコーなど）からの各エコー波形
までの時間である。以下、実施例を図について説明する
。

〔実施例〕

第３図はこの発明の方法による超音波計測装置の一実施
例を示すブロック説明図である０図において、ｌａは高
周波域の超音波プローブ、１ｂは低周波域の超音波プロ
ーブである。７はパルサーレシーバで、図示しない反射
波の検波を行う、８はパルサーレシーバ７の出力を受け
て波形整形。

帯域選定及び演算処理を行うデータ処理装置である。１
０はプローブ１ａ及び１ｂを切替えるだめのスイッチン
グ回路であり、データ処理装置８とともに′Ｍ御雑器９
よって制御されて自動的に高周波域及び低周波域の超音
波による計測操作が行われるようになっている。

第３図の構成において、初めに、７〜１０ＭＨｚの超音
波４がプローブｌａから発信され、被験体の層状物体（
コバルトクラスト面）に照射して、反射してくる高周波
域の超音波の反射波を受信する。この反射波５（第６図
参照）がパルサーレシーバ７で検波される０次いで、制
御器９の指令でスイッチ回路９を駆動してプローブ１ｂ
の０．５〜ＩＭＨｚの超音波に切替えて低周波域の超音
波の反射波５を同じくパルサーレシーバ７で検波する。

パルサーレシーバ７の出力は第５図のフローチャート図
に示す内容をもったデータ処理装置８により前記の計測
原理の測定手法に準拠する計算を行い計測データが表示
されることにより、一連の測定動作が完了する。

なお、データ処理の内容は、第４図の計測フローチャー
トに示されているが、このうちの図示した下側の点線枠
Ｅの中に示したものである。要点は高帯域と低帯域の超
音波の２つのエコーを波形整形して減算処理を行うたの
ち、表面エコーＳと境界面エコーＢの時間計測を行い、
この青時間から計算して、表面層の厚さ測定を行うもの
である。

第５図はこの発明の他の実施例を示すもので、第３図と
同様の形式で示したブロック説明図である０図において
、ＩＣは広帯域の周波数をもつ超音波プローブであり、
このプローブ１ｃで受信した反射波（第６図の反射波５
参照）は符号１１で示す周波数可変式（又は帯域フィル
タ付）のパルサーレシーバで検波され、データ処理装置
８へ出力されて、第３図の場合と同様のデータ処理が行
われて計測されるようになっている。なお、第５図の場
合には、プローブから発信する超音波が広帯域の周波数
をもつことに対応して、制御器９ａには液域整形機能を
有するものが使用され、パルサーレシーバ１１の液域選
定を制御している。すなわち、検波した信号のうち高周
波域の超音波の反射波を透過させ、次に低周波域の超音
波の反射波を透過させる。そして、これらの透過信号は
第４図に示されるものと同様に信号処理されて表面層の
厚さが測定される。

上記のこの発明の厚さ計測方法をコバルトクラスト試料
により実験した所、最小測定可能厚さは約ＩＱｍｍであ
ることが確認された。

〔発明の効果〕

この発明は以上説明したとおり、２つの帯域の超音波を
用いてそのエコー図を比較処理することにより、従来超
音波の深さ測定では計測不可能であった表面及び境界面
とも凹凸状の反射をもった薄い表面層の厚さ計測が可能
となった。また、この方法を応用することによって表面
層近傍の不純物や欠陥の検出が可能となる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の超音波による厚さ計測の原理を説明
する周波数を変えた場合の反射波を比較したエコーの模
式説明図、第２図は第１図に示した２個のエコー図の差
を示す分離されたエコー図の模式説明図、第３図はこの
発明の一実施例を示す方法を用いた計測装置のブロック
図、第４図はこの発明の計測のフローチャート図、第５
図はこの発明の他の実施例を示す計測装置のブロック図
、第６図は従来の超音波厚さ計測における超音波の透過
と反射を示す模式原理図、第７図はオシロスコープに表
示された反射波の波形説明図、第８図は凹凸面での超音
波の反射の状態を示す原理説明図、第９図は凹凸面と平
滑面からのエコーの比較説明図、第１０図は表層に中間
層がある場合の凹凸反射面を有する物体の反射説明図、
第１１図は第１０図の場合に得られる反射波のエコー図
である。 図において、１はプローブ、２は表面層、３は。 内部層、６は中間層、７はパルサーレシーバ、８はデー
タ処理装置、９は制御器、１０はスイッチング回路、１
１は周波数可変式パルサーレシーバである。 なお、図中同一符号は同−又は相当部分を示す。 代　理　人　弁理士　佐々木　宗　治 第１図 時間（１） 暗闇（１） 第３図 Ｉａ、Ｉｂニブローフ゛ ９：ｆｆ＋’ＩｆｆＶｍ １０：スイヅう一ンゲ回語 第５図 第７図 官 晴Ｆｉｔ？　（ｔ） 第８図　　第９図 第１０図　　　第１１図 町今間（１）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 複数の異なる周波数または広帯域の周波数をもつ超音波
   を異なる物質で形成された層状物体の同一個所に照射し
   、上記層状物体を構成する各々の物質に固有の透過率の
   差によって得られた複数個のエコーデータを比較し、必
   要に応じて各データを検波、整形、帯域選定したのち演
   算処理を行って重塁した反射エコーを分離抽出すること
   により、上記層状物体の表層物質の厚さを測定すること
   を特徴とする層状物体の超音波厚さ計測方法。