JP6261699B1 - 超音波エンコーダとこれを用いた位置検出方法 - Google Patents
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Abstract
Description
しかし、従来の位置検出エンコーダは、精密に形成されたパターンを有するスケールと、このパターンを光学的又は磁気的に検出するヘッドとを備え、スケールに沿ってヘッドを正確に移動させる必要がある。
そのため、これらの位置検出エンコーダは、スケールに対してヘッドを正確に移動させるガイド機構を備えた機器として構成されている。
このような位置検出エンコーダを用いて、対象物の位置を検出する場合、スケールを含むガイド機構を固定部分に固定し、対象物の移動をヘッドの移動に変換する位置変換装置を準備する必要がある。
また、このような位置変換装置は、通常大型であり、例えば小口径管の周方向溶接部を超音波により検査するよう場合には、適用が困難、又は実質的に不可能な場合がある。
しかし、この手段では、多数のトランスデューサー配列素子を同時駆動するため駆動負荷が大きく、かつ同時処理するデータが重いため演算負荷が大きく、演算時間が長くなる。また、取得できる範囲が探触子の有効範囲のみで広い範囲はカバーできない。広い範囲の画層取得を行うにはエンコーダ等による対象物の移動量に合わせたデータ取得が必要である。
前記対象物の移動方向に沿って延びる検出面と、該検出面から所定深さに位置決めされた超音波反射源とを有するガイドレールと、
前記対象物に固定され前記検出面に接触して移動可能な複数の超音波素子と、
複数の前記超音波素子による垂直探傷により前記超音波反射源からの反射エコーをそれぞれ受信し、前記反射エコーの複数のハーフパスから前記対象物の位置を演算する演算装置と、を備え、
複数の前記超音波反射源が、前記移動方向に第1間隔を隔てて位置決めされており、
複数の前記超音波素子は、前記移動方向に沿って前記第1間隔を超える第2距離の範囲に配置され、かつ前記第1間隔より1桁以上小さいピッチを互いに隔てている、超音波エンコーダが提供される。
複数の前記反射エコーの開口合成により前記対象物の位置を演算する。
(A)複数の前記超音波素子を前記ガイドレールの前記検出面に接触させて位置決めし、
(B)複数の前記超音波素子による垂直探傷により前記超音波反射源からの反射エコーをそれぞれ受信し、
(C)前記反射エコーから各超音波素子の複数の前記ハーフパスを検出し、
各超音波素子の超音波入射点を中心とし、前記ハーフパスを半径とする複数の円の交点座標を計算し、
計算された交点座標のうち最も多い前記移動方向の座標を検出して前記対象物の位置を演算する、位置検出方法が提供される。
前記(C)において、複数の前記反射エコーの開口合成により前記対象物の位置を演算する。
前記反射エコーから各超音波素子の複数の前記ハーフパスを検出し、
各超音波素子の超音波入射点を中心とし、前記ハーフパスを半径とする複数の円の交点座標を計算し、
計算された交点座標のうち最も多い前記移動方向の座標を検出する。
従って、複数の超音波素子が対象物に固定されているので、対象物の移動を複数の超音波素子の移動に変換する位置変換装置(例えば歯車列)が不要であり、この位置変換装置による誤差を無くすことができる。
従って、演算装置は、複数の超音波素子を順に駆動して反射エコーをそれぞれ受信するので、演算負荷を低減して演算時間を短縮することができる。
本発明の超音波エンコーダ10は、超音波を用いて対象物Wの位置を検出する位置検出エンコーダである。
以下、対象物Wの移動方向AをX軸、図1(A)においてX軸に直交する厚さ方向をY軸とする。
また、本発明の超音波反射源13は複数に限定されず、単一であってもよい。
ガイドレール12は、予め設定された移動方向Aの原点Oを有し、各超音波反射源13の原点Oからの位置(X座標)は、予め正確に設定されている。
超音波アレイ素子15は、対象物Wに固定されガイドレール12の検出面12aに接触して移動可能に構成されている。
また、検出ホルダ18は、予め設定された移動方向Aの基準位置Gを有し、この基準位置Gに対し、対象物W及び超音波アレイ素子15が予め正確に位置決めされている。
この図において、複数の超音波素子14(以下、エレメント14と呼ぶ)は、移動方向Aに沿って第1間隔L1を超える第2距離L2の範囲に配置され、かつ第1間隔L1より1桁以上小さいピッチPを互いに隔てている。
この構成により、第2距離L2>第1間隔L1であることから、複数のエレメント14のうち、少なくとも1つのエレメント14が、超音波反射源13の1つに最も近く位置する。
この図において、ガイドレール12の厚さT(例えば10mm)と超音波反射源13の検出面12aからの距離y1(例えば6mm)は既知である。
以下、説明の都合上、この図で7つのエレメント14を、左から順にa,b,c,d,e,f,gとする。
垂直探傷とは、検出面12aに対して垂直に超音波を入射して探傷を行う方法である。垂直探傷により、ガイドレール12の検出面12aから入射した超音波は、厚さ方向に拡がりながら伝播し、超音波反射源13及びガイドレール12の底面12bで反射して、反射エコーとして同じエレメント14により検出される。
「ハーフパス」とは、超音波の入射から反射エコーを取得するまでの取得時間を音速で計算した伝播距離を表す。すなわち、ハーフパスZは、超音波の入射点から超音波の反射点までの往復時間(取得時間)から反射を考慮して入射点から反射点までの距離を求めたものである。
この場合、反射点は、超音波反射源13及びガイドレール12の底面12bである。
従って、この範囲において、反射エコーの強度が最大となる位置(矢印Bで示す)のハーフパスZが、エレメント14と超音波反射源13との距離に相当する。
この図では、エレメントbが左側の超音波反射源13に最も近接しており、その次にエレメントa,cが近くに位置する。
複数のエレメント14(この例ではエレメントa,b,c)による垂直探傷により、エレメントa,b,cから超音波反射源13までのハーフパスa’,b’,c’(すなわち距離)をそれぞれ算出することができる。
2つの円の中心と2つのエレメント14のY座標は同じであり、これを0(基準)とすると、2つの円の交点のX座標は、式(3)で表すことができる。
従って、2つのエレメント14のX座標と、ハーフパスZ1,Z2から、式(3)により、エレメント14に対する超音波反射源13のX座標を求めることができる。
また、この例では、移動方向Aにおいて、超音波反射源13の1つとエレメント位置6mmのエレメント14が一致している。
すなわち、図6に示すように、各エレメント14のハーフパスZを半径とする複数の円の交点座標を計算し、計算された交点座標のうち最も多い移動方向Aの座標(図中に白丸(○)で示す)を検出することで、超音波アレイ素子15の位置を演算することができる。
この例において、ガイドレール12は、中空円筒形であり、中空管1の外周面1aに同軸かつ着脱可能に固定されている。すなわちガイドレール12は、移動方向A(中空管1の周方向)に円弧状に延びる円弧部材である。
複数の超音波反射源13は、移動方向Aに直交する平面内(半径方向の平面内)において、検出面12aに平行に延びる線状反射源である。
また、超音波アレイ素子15は、検出ホルダ18を介して対象物W(フェーズドアレイ探触子)に固定され、ガイドレール12の検出面12aに接触して移動可能に構成されている。
その他の構成は、第1実施形態と同様である。
従って、フェーズドアレイ探触子による検査と同時に超音波エンコーダ10により位置情報を取得し、検査結果と位置情報を1対1に対応させることができる。
この図において、本発明の位置検出方法は、S1〜S3の各ステップ(工程)からなる。
ステップS1において、複数の超音波素子14(エレメント14)をガイドレール12の検出面12aに接触させて位置決めする。
ステップS2において、複数のエレメント14による垂直探傷により超音波反射源13からの反射エコーをそれぞれ受信する。
ステップS3において、複数の反射エコーの複数のハーフパスZから対象物Wの位置を演算する。
ステップT1において、反射エコーから各エレメント14の複数のハーフパスZを検出する。
ステップT2において、各エレメント14の超音波入射点を中心とし、ハーフパスZを半径とする複数の円の交点座標を計算する。
ステップT3において、計算された交点座標のうち最も多い移動方向Aの座標を検出する。
従って、複数の超音波素子14が対象物Wに固定されているので、対象物Wの移動を複数の超音波素子14の移動に変換する位置変換装置(例えば歯車列)が不要であり、この位置変換装置による誤差を無くすことができる。
従って、演算装置16は、複数の超音波素子14を順に駆動して反射エコーをそれぞれ受信するので、演算負荷を低減して演算時間を短縮することができる。
W 対象物、y1 深さ、Z,Z1,Z2 ハーフパス、
10 超音波エンコーダ、12 ガイドレール、12a 検出面、
12b 底面、13 超音波反射源(線状反射源)、
14 超音波素子(エレメント)、15 超音波アレイ素子、
16 演算装置(コンピュータ)、18 検出ホルダ、18a 案内面、
19,19a,19b 制御ケーブル
Claims (7)
- 超音波を用いて対象物の位置を検出する超音波エンコーダであって、
前記対象物の移動方向に沿って延びる検出面と、該検出面から所定深さに位置決めされた超音波反射源とを有するガイドレールと、
前記対象物に固定され前記検出面に接触して移動可能な複数の超音波素子と、
複数の前記超音波素子による垂直探傷により前記超音波反射源からの反射エコーをそれぞれ受信し、前記反射エコーの複数のハーフパスから前記対象物の位置を演算する演算装置と、を備え、
複数の前記超音波反射源が、前記移動方向に第1間隔を隔てて位置決めされており、
複数の前記超音波素子は、前記移動方向に沿って前記第1間隔を超える第2距離の範囲に配置され、かつ前記第1間隔より1桁以上小さいピッチを互いに隔てている、超音波エンコーダ。 - 複数の前記超音波素子を有する超音波アレイ素子を備え、
複数の前記反射エコーの開口合成により前記対象物の位置を演算する、請求項1に記載の超音波エンコーダ。 - 前記対象物に固定され、前記超音波アレイ素子を保持し、前記ガイドレールに沿って移動可能な検出ホルダを備える、請求項2に記載の超音波エンコーダ。
- 複数の前記超音波反射源は、前記移動方向に直交する平面内において、前記検出面に平行に延びる線状反射源である、請求項1に記載の超音波エンコーダ。
- 前記ガイドレールは、前記移動方向に直線状に延びる直線部材である、請求項1に記載の超音波エンコーダ。
- 前記ガイドレールは、前記移動方向に円弧状に延びる円弧部材である、請求項1に記載の超音波エンコーダ。
- 請求項1に記載の超音波エンコーダを用い、前記対象物の位置を検出する位置検出方法であって、
(A)複数の前記超音波素子を前記ガイドレールの前記検出面に接触させて位置決めし、
(B)複数の前記超音波素子による垂直探傷により前記超音波反射源からの反射エコーをそれぞれ受信し、
(C)前記反射エコーから各超音波素子の複数の前記ハーフパスを検出し、
各超音波素子の超音波入射点を中心とし、前記ハーフパスを半径とする複数の円の交点座標を計算し、
計算された交点座標のうち最も多い前記移動方向の座標を検出して前記対象物の位置を演算する、位置検出方法。
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JP2014092363A (ja) * | 2012-10-31 | 2014-05-19 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | 加工孔の位置測定装置 |
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