JPH0440309A - 超音波計測装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、超音波を用いて試料の厚さを測定することの
できる超音波計測装置に関する。

〔従来の技術〕

従来より、超音波によって試料の厚さを測定する超音波
厚み計測装置が知られており、第８図に従来の超音波厚
み計測装置の構成例を示す。この超音波厚み計測装置は
、周波数を可変可能な発振器１からの出力電圧が超音波
探触子２に印加され、この印加電圧か超音波探触子２で
電気音響変換される。そして、超音波探触子２で音響変
換された超音波がカブラ液体３を通って試料４へ入射さ
れる。試料４からの反射波はカブラ液体３を通って超音
波探触子２に逆入射し、反射波強度に応じた電圧に変換
されて、発振器１の電流に変化が現れる。

ここで、発振器１の周波数ｆを変化させてゆくと、試料
４中の超音波の波長λが変化する。試料４の厚さｄと半
波長の整数倍（ｎ）が等しくなるとき、つまり ｎλ／２−ｄ　　　　　　　　　　　・・・（１）とい
った条件が成立するときに、試料４の中で定常波が生じ
、共振する。この共振時に生じた超音　２λ 波振動エネルギーは、探触子牛で電気に変換され、。

仁 発振器１の電流が増加する。この発振器１の電流は増幅
器５で増幅されてオシロスコープ６に表示される。よっ
て、発振器１の周波数を変化させると、オシロスコープ
６のブラウン管には第９図のような波形が表示される。

山の部分が共振を生じている周波数である。山の部分の
周波数をｆｌ＋ｆ２．・・・、　　ｆｆｆｉ＋　　ｆｆ
ｆｉｅ＋・・・と表わせば（１）式より ｄ−ｎＶ／２　　ｆ、　　　　　　　　　　　　　　　
　　−（２）Ｖ：音速 となるので、ｎとＶがわかれば、試料４の厚さｄを求め
ることができる。

また、ｎが不明でも、隣の共振周波数との差を求めると
、次式より試料４の厚さを求めることができる。

ｄ−Ｖ／２　（ｆ、ヤ、−ｆ、）　　　　　　　　・・
・　（３）一方、送信波に単発パルスを使用し、試料４
からの反射波を取り出して反射波のパワースペクトルか
ら試料の厚さを求める方法もある。

試料からの反射波のパワースペクトルは、第１０図のよ
うに、試料の上面および下面からの両反射波の干渉によ
って山や谷を生じる。この谷の時の周波数ｆＩ、ｆ２．
ｆｓ、・・・を抽出し、それぞれの周波数が、 ｆｌの整数倍のときは ｄ　＝　Ｖ／　２　ｆ　１−　（４） 奇数倍のときは ｄ　＝Ｖ／４　ｆ　ｓ　　　　　　　　　　　・”　（
５）となり、（４）、（５）式より試料の厚さｄ算出す
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、上述した周波数を可変させる超音波厚み
計測装置は、試料の厚さを計測するのに長時間を要し、
高速な計測を行うことができないという問題がある。す
なわち、周波数として連続波を使用しており、共振の起
こる周波を見つけるために連続的に周波数を変化させる
必要があるため、−回の測定に時間がかかってしまう。

また、送信波として単発パルスを使用する超音波厚み計
測装置は、低周波数領域では雑音による影響によって正
確な測定を行うことができないという問題がある。すな
わち、パワースペクトルの谷の周波数の並びがｆｌの整
数倍か奇数倍かで判定を行ない、ｆｌから厚さｄを求め
るため、試料が厚くなるほどｆｌの周波数は低くなり、
低い周波数ではパワースペクトルの強度も小さいため、
雑音で生じる谷とパワースペクトルの強度による谷との
区別がつかなくなる。例えば、送信側の周波数が５０Ｍ
Ｈｚの場合には、パワースペクトルは１０ＭＨｚ程度、
送信側が１０ＭＨｚではパワースペクトルは４　Ｍ　Ｈ
ｚ程度が下限となる。従って数ｍｍ程度の厚゛さになる
と試料の厚さの計測は不可能であった。

さらに、試料の一部分の厚みや、試料の上面や下面に凹
凸があるものの厚さは測定不可能であつた。

本発明は、以上のような実情に鑑みてなされたもので、
試料の厚さ計測を高速化でき、しがち計測可能な範囲を
拡大できる超音波計測装置を提供することを目的とする
。

また、本発明の他の目的は、試料の厚さ計測を高速化で
き計測可能な範囲を拡大できる他に、凹凸のある試料や
、試料の一部分の厚さも測定可能な超音波計測装置を提
供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

第１の発明として超音波計測装置を、超音波パルスを試
料に入射させ、試料からの反射波を受信して受信信号に
変換する超音波送受信手段と、前記受信信号から前記試
料からの反射波成分を抽出する手段と、この手段で抽出
された反射波成分の波形データをフーリエ変換すること
によってパワースペクトルを算出する手段と、この手段
によって算出されたパワースペクトルデータを再びフー
リエ変換することによって前記パワースペクトルの強度
の強弱の周期を求める手段と、この手段によって求めら
れた周波数に基づいて前記試料の厚さを算出する手段と
を備えて構成し、 第２の発明として超音波計測装置を、前記超音波送受信
手段に、前記試料に対して超音波パルスを微小スポット
に集束する音響レンズを備えて構成した。

〔作用〕

第１の発明によれば、送信波として単発パルスを使用す
るため、周波数を連続に変化させる必要がなく非常に高
速に測定可能となり、しかもパワースペクトルの強弱の
周期をフーリエ変換によって求めるため、厚い試料も測
定可能となる。

第２の発明によれば、超音波を集束させる音響レンズを
使用することで、超音波パルスを試料の微小スポットに
集束させることができるものとなり、凹凸のある試料や
試料の一部分の厚みが測定可能となる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例について説明する。

第１図は本発明の実施例となる超音波計測装置を示す図
である。

この装置の超音波送受信手段は、送信パルスを発生させ
るパルス送信部１０、パルス送信部１０で発生する送信
パルスを超音波に変換するトランスジューサ１１、トラ
ンスジューサ１１で発生した超音波パルスを微小スポッ
トに集束する音響レンズ１２で構成されている。音響レ
ンズ１２から送波される超音波の焦点付近には試料１３
が試料載置容器１４内に載置されている。この試料載置
容器１４内にはカプラ液体１５が入れられており、音響
レンズ１２と試料１３との間を満たしている。

試料１３に入射した超音波は試料１３の上面および下面
で反射し再び音響レンズ１２を通り、トランスジューサ
１１で電気信号（以下、「反射波信号」と呼称する）に
変換されて、前置増幅器１６に入力される。前置増幅器
１６の出力側にはゲート部１７が接続され、ゲート部１
７で試料１３の表面、裏面からの反射波（以下、「試料
反射波」と呼称する）を抽出する。このゲート部１７の
出力にはサンプリング部１８が接続されており、抽出さ
れた反射波をサンプリングする。このサンプリングされ
た反射波は、Ａ／Ｄ変換部１９でディジタル信号に変換
される。パルス送信部１０．ゲート部１７．サンプリン
グ部１８．Ａ／Ｄ変換部１９はそれぞれパルス制御部２
０に接続されていて、このパルス制御部２０からパルス
送信部１０に対しては送信タイミングとなる送信トリガ
信号が出力され一ゲート部１７にはゲートトリガ信号が
出力される。また、サンプリング部１８゜Ａ／Ｄ変換部
１９には、サンプリングタイミング信号が出力されサン
プリング周波数が制御される。

Ａ／Ｄ変換部１９から出力されるディジタル信号はコン
ピュータ２１中のメモリに格納される。コンピュータ２
１は、後述する厚さ演算処理によって試料の厚さを求め
、その演算結果を接続されているデイスプレィ２２に表
示する。

次に、本実施例の動作について説明する。

厚さ測定時の動作は、パルス制御部２０からパルス送信
部１０に対して送信トリガが出力されると、パルス送信
部１０は単発パルスを発生する。

このパルス波はトランスジューサ１１で電気音響変換さ
れて超音波パルスとなり、音響レンズ１２を通り、カブ
ラ液体１５中を伝播して試料１３に入射する。試料１３
からの反射波は再びカブラ液体１５中を伝播し音響レン
ズ１２を通ってトランスジューサ１１で反射波信号に変
換される。この反射波信号は前置増幅器１６で増幅され
る。前置増幅器１６で増幅された反射波信号は、第２図
（ａ）に示すように、送信もれ、レンズ内反射、の他に
試料上面反射、試料下面反射等の試料反射波を含んでい
る。ゲート部１７では反射波信号に対して第２図（ｂ）
に示すタイミングでゲートがかけられて、試料反射波が
抽出される。ゲート部１７で抽出された試料反射波はサ
ンプリング周波数が反射波の含む周波数の２倍以上に調
整されたサンプリング部１８、Ａ／Ｄ変換部１９でディ
ジタル信号に変換されコンピュータ２１に入力される。

以下、コンピュータ２１における厚さ演算処理について
詳しく説明する。

先ず、測定原理を説明する。第３図のように物質Ｅと物
質Ｇの間に存在する厚さｄの物質Ｆに、第３図の上方か
ら超音波が入射する場合を考える。

このとき、入射される超音波は、物質Ｆの上面で反射す
る経路Ａと物質Ｆの下面で反射する経路Ｂの２つが存在
する。経路Ａの波をＣＡ　（１）とすると、この波ＣＡ
　（ｔ）は次式で現される。

ＣＡ　（ｔ）　−ＲＪ’ａ　（ｆ）　ｅ””’　ｄｆ　
　　　　−（６）（６）式において、Ｒは物質Ｅと物質
Ｆの界面の反射率、ａ　（ｆ）は入射波の各周波数にお
ける強度、ｆは周波数をそれぞれ表わしている。また、
経路Ｂを通る波をＣＢ　（ｔ）とすると、この波ＣＢ　
　（ｔ）は物質Ｆの厚さｄの往復分だけ音路長が長いの
で、この分位相がずれる。物質Ｆの減衰係数をα（ｆ）
、物質Ｅと物質Ｆの界面の透過係数をＳ、物質Ｆと物質
Ｇの界面の反射係数をＲ′で表わせば、ＣＢ　（ｔ）は
次式のようになる。

ＣＢ（ｔ）−±ＲＺ　５Ｊ’ａ（ｆ）　ｅ−ｆｆｉ＋１
１−２４．　ｅＩＩ２ＭＮ　−７２ｍ＋・・・　（７） ここで、物質Ｅ１物質Ｆ１物質Ｇの音響インピーダンス
をそれぞれＺＥ、ＺＰ、Ｚｃとおくと、（７）式の符号
は次のようになる。

（ａ）ＺＥ　＞Ｚ、＞Ｚｃ又は Ｚ、＜Ｚｐ　＜２６（１）とｅ！ 符号は正 （ｂ）Ｚ、＞Ｚ、、ｚ、＜Ｚｃ又は ｚＥ＜Ｚｐ　、Ｚ、＞Ｚｏ　（７）とき符号は負 （６）式および（７）式より、経路ＡおよびＢの反射波
が互いに干渉し合って生成された試料反射波をＣ（ｔ）
とすれば ・・・　（８） となる。（８）式をフーリエ変換すれば（Ｃ（ｔ）のフ
ーリエ変換をＣＦ　　（ｆ）とする）Ｃｐ　　（ｆ）　
＝ａ　（ｆ）　　（Ｒ±ＳＲ＃　　ｅ−ａｌｌｌ°２ｄ
、　ｅ−１７つ　　・　（９）となる。

以上のことから反射波のパワースペクトルは次のように
なる。

Ｃｐ　　（ｆ）１２＝ｌａ　（ｆ）１２　（Ｒ２＋Ｓ２
Ｒ”　ｅ−”””±２　ＲＲ’　　ｅ−２ａｕ）ａ　　
、ｃｏＳ（ａｎｔす）・・・　（１０） （１０）式の１ａ（ｆ’）１２は入射した超音波の周波
数強度であり、第４図に示すような波形となる。すなわ
ち、ある周波数にピークを持ち、その前後の周波数でゆ
るやかに減少する関数となる。また、ｅ−′。°６につ
いては、α（ｆ）”１／ｆ２が成り立つので、周波数が
大きくなるに従って単調減少する関数となる。また、（
１０）式の最後の項は、周期ｆ。−Ｖ／２ｄで増減する
ことを表わしている。これらから、経路Ａ、Ｂの互いの
反射波が干渉し合って生成された反射波のパワースペク
トルは、第５図に示すように、第４図に示す波形に周期
関数が重畳した波形となる。

第５図のパワースペクトルを再びフーリエ変換してスペ
クトルを求めると、第６図に示す波形となる。第６図に
おいて、強いピークを持つ周期をＳとする。ディジタル
フーリエ変換では必ず周波数帯域が制限されるので、パ
ワースペクトルのフーリエ変換時の帯域をｆｍとすると
、第５図における強弱の周波数周期ｆ。は次式のように
なる。

ｆｏ−ｆｍ／Ｓ　　　　　　　　　　−（１１）また（
１０）式より、強弱の周期ｆ。はｆ、−Ｖ／２ｄ　　　
　　　　　　　−（１２）であるから、物質Ｆの厚さｄ
は ｄ−Ｖ／２　ｆ　、　　　　　　　　　　　−（１３）
となる。従って、音速Ｖがわかれば、厚さｄを求めるこ
とができる。

よって、コンピュータ２１では、試料反射波をフーリエ
変換して第５図に示す試料反射波のパワースペクトルを
求め、さらにこのパワースペクトルをフーリエ変換して
、第６図に示す周期Ｓを算出する。そして、この求めた
周期Ｓとフーリエ変換時の帯域ｆｍとから第５図におけ
る周期ｆ。を求める。次に、この求めた周期ｆ。と予め
わかっている音速■とから、（１３）式より厚さｄが算
出される。この算出結果はデイスプレィ２２に表示され
る。

なお、薄い試料の厚さを測定するときは、試料反射波の
パワースペクトルの周期ｆ。が大きな値をとるため、パ
ワースペクトルの強弱の周期の幅も大きくなり、パワー
スペクトルをフーリエ変換したときの周期が小さくなる
。ディジタルフーリエ変換（Ｄ　Ｆ　Ｔ）では、整数の
周期しか求められないため、薄い試料はど精度が悪くな
る。

そこで、このような時は、第６図に示すスペクトルがピ
ークを示す周期の近傍の値から、Ｇａｕｓｓ関数や５ｉ
ｎｃ関数で補間を行ない、ピーク周期を求めたり、最大
エントロピー法でピーク周期を求めることが望ましい。

この様に本実施例によれば、送信波として単発パルスを
使用したので、−回の超音波送波によるデータサンプリ
ングで試料の厚さを測定することができ、試料の厚さ測
定を高速化できる。

また、試料反射波に対して２回のフーリエ変換を施すよ
うにしたので、試料反射波のパワースペクトルの周期Ｓ
を極めて容易かつ高速に求めることができ、また従来の
単発パルスを用いた厚さ計測ではノイズの影響によって
測定不可能であった厚さの試料に関しても測定可能にな
った。

さらに、音響レンズ１２を使用することによって、試料
１３の任意の点に超音波パルスを集束させることができ
、よって凹凸のある試料の厚さや試料の一部分の厚さを
測定できる。また、超音波を利用して、試料反射の必要
部分をゲート部１７で抽出するため、試料内部にある物
質の厚さも測定可能である。

なお、上記実施例ではゲート部１７で試料反射波を抽出
しているが、広い範囲の波形をディジタル信号に変換し
てコンピュータ２１に入力し、その後コンピュータ２１
内で試料反射を抽出するようにすれば、ゲート部１７を
削除した構成にすることができる。

第７図に本発明の第２実施例を示す。

この第２実施例は、第１図に示す超音波計測装置のゲー
ト部１７とサンプリング部１８の間にスペクトラムアナ
ライザ３０を挿入した構成である。

ゲート部１７で抽出された試料反射波はスペクトルアナ
ライザ３０に入力される。スペクトルアナライザ３０で
は入力された試料反射波に対してフーリエ変換等の波形
解析によってそのスペクトルを求め、この求めたスペク
トルを出力する。出力されたスペクトルはサンプリング
部１８、Ａ／Ｄ変換部１９でディジタル信号に変換され
てコンピユー２１に入力される。コンピュータ２１では
、入力されたスペクトルを再びフーリエ変換して、第１
実施例と同様の厚さ演算処理によって試料の厚さを演算
する。なお、本実施例では、コンピュータ２］への入力
が既にスペクトルデータとなっているため、厚さ演算処
理でのフーリエ変換は１回だけでよい。

この様な第２実施例によれば、上記第１実施例と同様の
作用効果を得ることができ、さらにコンピュータ２１内
の厚さ演算処理において、上記第１実施例に比べてフー
リエ変換を一回少なくすることができるので、さらに高
速な厚み測定が可能である。

上記第１および第２実施例では、超音波を微小スポット
に集束させるために音響レンズ１２を使用しているが、
試料の一部分や、凹凸部の厚さ測定以外では、集束型で
ない超音波探触子を用いることも考えられる。この場合
でもパルス波を使用するために非常に高速に厚さ測定可
能であり、従来は測定不可能であったような厚い試料の
厚さ測定も可能である。

また、波形又はパワースペクトルの測定を複数回行なっ
て、これらのデータをコンピュータ２１り取込んで平均
値を演算し、この平均値を用いて前記厚さ演算処理を行
うようにしてもよく、このようにすることにより雑音の
影響を除去することが可能で、測定精度を向上させるこ
とができる。

また、本発明は従来より試料の深部観察用として使用さ
れている単発パルスの超音波顕微鏡や超音波探傷器にデ
ジタルストレージオシロスコープやＦＦＴアナライザを
つけて、厚さ演算処理に関するソフトを移植することで
容易に厚さ測定を可能にできる。

〔発明の効果〕

以上詳記したように第１の発明によれば、試料の厚さ計
測を高速化でき、しかも計測可能な範囲を拡大できる超
音波計測装置を提供でき、第２の発明によれば、試料の
厚さ計測を高速化でき計測可能な範囲を拡大できる他に
、凹凸のある試料や、試料の一部分の厚さも測定可能な
超音波計測装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は第１実施例となる超音波計測装置の構成図、第
２図は同実施例の試料反射波抽出動作を説明するための
図、第３図は厚さｄの物質に対する超音波の反射経路を
示す図、第４図〜第６図は同実施例の厚さ演算処理を説
明するための図、第７図は第２実施例となる超音波計測
装置の構成図、第８図は従来の超音波厚み計測装置の構
成図、第９図は試料内での超音波の共振による電圧変化
と共振周波数との関係を示す図、第１０図は反射波のパ
ワースペクトルを示す図である。 １０・・・パルス送信部、１１・・・トランスジューサ
、２・・・音響レンズ、１３・・・試料、１７・・・ゲ
ート部、８・・・サンプリング部、１９・・・Ａ／Ｄ変
換部、０・・・パルス制御部、２１・・・コンピュータ
、０・・・スペクトラムアナライザ。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）超音波パルスを試料に入射させ、試料からの反射
   波を受信して受信信号に変換する超音波送受信手段と、
   前記受信信号から前記試料からの反射波成分を抽出する
   手段と、この手段で抽出された反射波成分の波形データ
   をフーリエ変換することによってパワースペクトルを算
   出する手段と、この手段によって算出されたパワースペ
   クトルデータを再びフーリエ変換することによって前記
   パワースペクトルの強度の強弱の周期を求める手段と、
   この手段によって求められた周波数に基づいて前記試料
   の厚さを算出する手段とを具備したことを特徴とする超
   音波計測装置
2. （２）前記超音波送受信手段は、前記試料に対して超音
   波パルスを微小スポットに集束する音響レンズを含むこ
   とを特徴とする超音波計測装置。