JP2006084454A - Method for measuring original waveform of elastic wave and apparatus for measuring original waveform of elastic wave - Google Patents

Method for measuring original waveform of elastic wave and apparatus for measuring original waveform of elastic wave Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method and apparatus for measuring original waveform of elastic wave capable of accurately measuring and analyzing the original waveform of a minute elastic wave. <P>SOLUTION: A reference object is collided to a predetermined position of a measuring object in a condition such that a minimum point of frequency area of power spectrum of the original waveform of a reference elastic wave generated by this collision is located in a desired frequency, and a response function of a propagation system is determined by use of the original waveform of the reference elastic wave generated by the collision and a measured waveform of the reference elastic wave obtained by measuring the original waveform of the reference elastic wave through the propagation system. The original waveform of a minute elastic wave generated by applying a minute impact force to the predetermined position of the measuring object is determined by use of a measured waveform of the minute elastic wave obtained by measuring the original waveform of the minute elastic wave through the propagation system and the response function. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、微小な弾性波の原波形を高精度で測定するための原波形測定方法に関し、特に、インクジェットヘッドチップにおける発泡現象による弾性波の原波形を定量的に測定するための弾性波の原波形測定方法及び弾性波の原波形測定装置に関する。   The present invention relates to an original waveform measurement method for measuring an original waveform of a minute elastic wave with high accuracy, and in particular, an elastic wave for quantitatively measuring an original waveform of an elastic wave due to a foaming phenomenon in an inkjet head chip. The present invention relates to an original waveform measuring method and an elastic wave original waveform measuring apparatus.

アコースティック・エミッション(Acoustic Emission、以下「AE」という)は、材料中の微視的な割れの発生や成長などの不連続現象に伴い、物体内部の局所に蓄えられた歪エネルギーが瞬時に解放される現象である。このAEに伴い、材料においてAE波と呼ばれる弾性波が発生する。このAE波を測定し解析することにより測定対象物の状態を知ることができるので、AE波は材料の非破壊検査など様々な用途に利用される。   In acoustic emission (hereinafter referred to as “AE”), the strain energy stored locally in an object is released instantly due to discontinuous phenomena such as microcracking and growth in the material. It is a phenomenon. Accompanying this AE, elastic waves called AE waves are generated in the material. Since the state of the measurement object can be known by measuring and analyzing this AE wave, the AE wave is used for various purposes such as non-destructive inspection of materials.

一般にAE波は周波数の高い弾性波であり、そのような高い周波数の弾性波を検出するために従来からAEセンサーが用いられている。   In general, an AE wave is an elastic wave having a high frequency, and an AE sensor has been conventionally used to detect such a high frequency elastic wave.

AEセンサーは、測定対象物に直接ではなく、伝播媒体を介して取り付けられる場合があり、その場合、AEセンサーで検出される波形(検出波形)は、伝播媒体の周波数特性の影響を受ける。また、AEセンサー自体も一定の周波数特性を有しているため、AEセンサーの検出波形は、AEセンサー自身の周波数特性の影響をも受ける。また、センサーからオシロスコープ等の計測装置までの間においても、周波数特性の影響を受ける。その結果、オシロスコープ等の計測装置で計測された計測波形は、発生源での波形(原波形)とは全く異なったものとなる。   In some cases, the AE sensor is attached not directly to the measurement object but via the propagation medium. In this case, the waveform (detection waveform) detected by the AE sensor is affected by the frequency characteristics of the propagation medium. Also, since the AE sensor itself has a certain frequency characteristic, the detection waveform of the AE sensor is also affected by the frequency characteristic of the AE sensor itself. Further, the frequency characteristics are also affected between the sensor and the measuring device such as an oscilloscope. As a result, the measurement waveform measured by a measurement device such as an oscilloscope is completely different from the waveform (original waveform) at the generation source.

材料評価を良好に行うためには、測定により測定対象物の所定の位置で生じた弾性波の原波形を得ることが好ましい。そのために、測定対象物や、伝播媒体、AEセンサー、計測装置等、弾性波が検出されるまでに弾性波の周波数特性に影響を及ぼす伝播系全体の周波数特性(応答関数)を定量的に求めておき、この応答関数を用いて計測波形を逆コンボリューションすることによって、伝播系の影響を計測波形から取り除くことにより原波形を算出するという解析手法が採られる。これが「原波形解析」と呼ばれるものである。   In order to satisfactorily evaluate the material, it is preferable to obtain an original waveform of an elastic wave generated at a predetermined position of the measurement object by measurement. For this purpose, the frequency characteristic (response function) of the entire propagation system that affects the frequency characteristic of the elastic wave, such as the measurement object, propagation medium, AE sensor, measuring device, etc., is detected quantitatively before the elastic wave is detected. An analysis method is adopted in which the original waveform is calculated by removing the influence of the propagation system from the measurement waveform by deconvolution of the measurement waveform using this response function. This is called “original waveform analysis”.

従来、応答関数を求める際に用いる基準音源として、ペンシル芯またはガラス細管を圧折したときの荷重の解放が用いられてきた。しかし、この方法では各々のペンシル芯およびガラス細管によって開放される荷重にばらつきが生じるため、再現性および定量性に問題がある為、基準音源として、自由落下した鋼球の衝突による衝撃力を用いた実験の報告もなされている(例えば、非特許文献1参照)。非特許文献1のような鋼球の自由落下衝突による衝撃力は再現性がよいため、それを基準音源として用いることにより定量的な原波形解析が可能である。
ANALYSIS OF BUBBLE PRESSURE IN JET PRINTING TECHNOLOGY,K.Tsuchii et.al.,Japan Hardcopy,P235−236,1993
Conventionally, release of a load when a pencil core or a glass capillary tube is crushed has been used as a reference sound source used for obtaining a response function. However, in this method, since the load released by each pencil lead and glass capillary tube varies, there is a problem in reproducibility and quantification. Therefore, the impact force caused by the collision of a free-falling steel ball is used as a reference sound source. Have been reported (for example, see Non-Patent Document 1). Since the impact force caused by the free-fall collision of a steel ball as in Non-Patent Document 1 has good reproducibility, quantitative waveform analysis can be performed by using it as a reference sound source.
ANALYSIS OF BUBBLE PRESURE IN JET PRINTING TECHNOLOGY, K.K. Tsuchii et. al. , Japan Hardcopy, P235-236, 1993.

非特許文献1に示されたような鋼球による基準音源を用いれば、定量的な原波形解析が可能ではあるが、そこに示されたものは全体的にノイズレベルが高く、270KHzでS/N比が約4.7となるようなノイズが見られる。そのため、非特許文献1に示された構成ではマイクロ秒オーダーの微小な衝撃力の測定に利用可能な、広い周波数帯域で精度の高い応答関数を得ることができなかった。これは、基準音源の周波数帯域が狭く、270KHz程度までしかカバーしていないためであると考えられる。   If a reference sound source using a steel ball as shown in Non-Patent Document 1 is used, a quantitative original waveform analysis is possible, but the one shown therein has a high noise level as a whole, and S / S at 270 KHz. Noise with an N ratio of about 4.7 can be seen. For this reason, the configuration shown in Non-Patent Document 1 cannot obtain a highly accurate response function in a wide frequency band that can be used for measuring a micro impact force on the order of microseconds. This is probably because the frequency band of the reference sound source is narrow and covers only up to about 270 KHz.

また、非特許文献1に示された基準音源では、衝突面が球面である物体が衝突するときに生じる衝撃力のパワースペクトルに基づく問題もあった。図28は、衝突面が球面の物体が衝突するときに生じる衝撃力のパワースペクトルを示すグラフである。図28を参照すると、衝突面が球面である物体の衝突では、衝撃力の強度が0付近の極小となる周波数の極小点(以下「節」という)が存在する。この「節」では、基準音源の計測波における、原波形に対するノイズの割合が高いため、ノイズが応答関数の算出に大きく影響することとなる。そのため節の付近では、応答関数の誤差が大きくなり、十分な精度で原波形解析を行うことができなかった。   Further, the reference sound source disclosed in Non-Patent Document 1 has a problem based on the power spectrum of impact force generated when an object having a spherical collision surface collides. FIG. 28 is a graph showing a power spectrum of impact force generated when an object having a spherical impact surface collides. Referring to FIG. 28, in the collision of an object whose collision surface is a spherical surface, there exists a minimum point (hereinafter referred to as “node”) at a frequency at which the intensity of impact force becomes a minimum near zero. In this “section”, since the ratio of noise to the original waveform in the measurement wave of the reference sound source is high, the noise greatly affects the calculation of the response function. Therefore, the error of the response function becomes large near the node, and the original waveform analysis cannot be performed with sufficient accuracy.

本発明の目的は、マイクロ秒オーダーの微小な衝撃力の測定に利用可能な、広い周波数帯域で精度の高い応答関数が得られるように、上述した節を所望に位置になるように調整することで、節の影響によるノイズの影響を少なくし、所望の周波数帯域で精度の高い原波形解析を行うことのできる微小弾性波の原波形測定方法及び原波形測定装置を提供することである。   The object of the present invention is to adjust the above-mentioned nodes to a desired position so that an accurate response function can be obtained in a wide frequency band, which can be used for measuring a micro impact force on the order of microseconds. Thus, it is an object to provide a method and an apparatus for measuring an original waveform of a minute elastic wave capable of reducing the influence of noise due to the influence of a node and performing an original waveform analysis with high accuracy in a desired frequency band.

本願発明は微小弾性波の原波形測定方法に関するもので、測定対象物の所定の位置に基準物体を衝突させることで発生した基準弾性波の原波形を伝播系を介して計測した基準弾性波の計測波形と、前記測定対象物の前記所定の位置に微小な衝撃力を加えることによって発生した微小弾性波の原波形を前記伝播系を介して計測した微小弾性波の計測波形と、を得るステップと、前記基準弾性波の原波形と前記基準弾性波の計測波形とを用いて前記伝播系の応答関数を求めるステップと、前記微小弾性波の計測波形と、前記応答関数と、を用いて前記微小弾性波の原波形を求めるステップと、を有し、前記基準弾性波の原波形のパワースペクトルの周波数領域の極小点が650KHz以上の周波数に位置する条件で、前記基準物体を前記所定の位置に衝突させることを特徴とする。   The present invention relates to a method for measuring an original waveform of a minute elastic wave, and a reference elastic wave obtained by measuring an original waveform of a reference elastic wave generated by colliding a reference object with a predetermined position of an object to be measured through a propagation system. A step of obtaining a measurement waveform and a measurement waveform of a minute elastic wave obtained by measuring an original waveform of a minute elastic wave generated by applying a minute impact force to the predetermined position of the measurement object through the propagation system. Using the original waveform of the reference elastic wave and the measurement waveform of the reference elastic wave to obtain a response function of the propagation system, the measurement waveform of the minute elastic wave, and the response function, Obtaining the original waveform of the minute elastic wave, and the reference object is moved to the predetermined position under the condition that the minimum point in the frequency region of the power spectrum of the original waveform of the reference elastic wave is located at a frequency of 650 KHz or more. And wherein the impinging on.

また、測定対象物と、前記測定対象物の所定の位置で発生した弾性波を計測する計測手段と、を含む伝播系を有する弾性波の原波形測定装置であって、前記測定対象物の前記所定の位置に基準物体を衝突させることで発生する基準弾性波の原波形のパワースペクトルの周波数領域における極小点が、650KHz以上の周波数に位置するように、前記測定対象物の前記所定の位置に前記基準物体を衝突させることで、前記基準弾性波の原波形を発生させる手段を有することを特徴とする微小弾性波の原波形測定装置に関するものである。   An apparatus for measuring an original waveform of an elastic wave having a propagation system including a measurement object and a measurement unit that measures an elastic wave generated at a predetermined position of the measurement object, The minimum point in the frequency region of the power spectrum of the original waveform of the reference elastic wave generated when the reference object collides with the predetermined position is located at the predetermined position of the measurement object so that the minimum point is located at a frequency of 650 KHz or higher. The present invention relates to an apparatus for measuring an original waveform of a minute elastic wave, comprising means for generating an original waveform of the reference elastic wave by colliding the reference object.

本発明によれば、基準音源となる基準物体を伝播媒体に所定の衝突条件で衝突させることにより、伝播系の応答関数の算出に用いる基準弾性波の周波数領域での極小点(節)の位置を良好に選択することで節の影響を減らし、かつ、基準音源の再現性及び定量性が良好であるため、従来よりも広い所望の周波数帯域においてノイズの影響を低減して高い精度で応答関数を算出し、高い精度の応答関数を用いて高い精度で原波形の算出が可能である。   According to the present invention, the position of the minimum point (node) in the frequency domain of the reference elastic wave used for calculating the response function of the propagation system by colliding the reference object serving as the reference sound source with the propagation medium under a predetermined collision condition. By selecting a good value, the influence of the clause is reduced, and the reproducibility and quantification of the reference sound source are good, so the effect of noise is reduced in the desired frequency band wider than before and the response function is highly accurate. And the original waveform can be calculated with high accuracy using a response function with high accuracy.

図1は、本発明の微小な衝撃力の原波形を求める為に、基準音源を測定対象物に付与する測定装置系の構成を示す模式図である。基準音源としては、例えば基準物体であるジルコニアボール9を所定の位置に落下させたときの衝撃を用いる。原波形解析を行う微小な衝撃力として、例えば、インクジェットプリンタ用のヘッドのヒーター上で起こる発泡現象によるキャビテーション力があげられる。キャビテーションとは、液体にヒーター等により熱エネルギーを付与することで、液体に気泡が発生する発泡現象が生じ、この泡が消滅する時(以下「消泡時」という)に発生する力である。ここでは、ヒーター(不図示)を備えたチップであるインクジェットヘッドチップ7を測定対象物とし、ヘッドチップのヒーター上で起こる発泡現象による微小な衝撃力の弾性波(AE波)の原波形の測定を精度良くを行う例を示す。   FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a measurement apparatus system that applies a reference sound source to a measurement object in order to obtain an original waveform of a minute impact force according to the present invention. As the reference sound source, for example, an impact when the zirconia ball 9 as a reference object is dropped at a predetermined position is used. As a minute impact force for performing the original waveform analysis, for example, a cavitation force due to a foaming phenomenon that occurs on a heater of a head for an ink jet printer can be cited. Cavitation is a force generated when bubbles are generated in a liquid by applying thermal energy to the liquid with a heater or the like, and the bubbles disappear (hereinafter referred to as “defoaming”). Here, an inkjet head chip 7 which is a chip provided with a heater (not shown) is used as an object to be measured, and an original waveform of an elastic wave (AE wave) of a minute impact force due to a foaming phenomenon that occurs on the heater of the head chip is measured. An example of performing with high accuracy is shown.

測定装置系は、高い周波数の弾性波の検出に優れているAEセンサー1(一例として富士セラッミックス社製のM6W)、伝播媒体2、反射防止部材3、プリアンプ4、ディスクリミネータ5、ディジタルオシロスコープ6、および基準物体落下装置8を有している。   The measuring device system includes an AE sensor 1 (for example, M6W manufactured by Fuji Ceramics Co., Ltd.), a propagation medium 2, an antireflection member 3, a preamplifier 4, a discriminator 5, and a digital oscilloscope 6 that are excellent in detecting high-frequency elastic waves. And a reference object dropping device 8.

基準物体落下装置8は、伝播媒体上の測定対象物の所定の位置に基準物体を落下させるための装置であり、測定対象物の上の垂直方向のZ軸ステージにピンセットを備えている。   The reference object dropping device 8 is a device for dropping the reference object at a predetermined position of the measurement object on the propagation medium, and includes tweezers on the Z-axis stage in the vertical direction on the measurement object.

基準音源の弾性波や発泡現象による衝撃力がAEセンサーに検出されてオシロスコープ6に測定されるまでの経路にあって弾性波に影響を及ぼすものを伝播系と呼ぶ。例えば、インクジェットヘッドチップ7、伝播媒体2、およびAEセンサー1、更にはAEセンサー1を伝播媒体2に接着しているシリコーン接着剤、プリアンプ4およびディスクリミネータ5等も伝播系に含まれる。   A propagation system that influences the elastic wave in the path from the detection of the elastic force of the reference sound source or the impact force caused by the foaming phenomenon by the AE sensor to the oscilloscope 6 is called a propagation system. For example, the inkjet head chip 7, the propagation medium 2, and the AE sensor 1, as well as the silicone adhesive that bonds the AE sensor 1 to the propagation medium 2, the preamplifier 4, the discriminator 5, and the like are also included in the propagation system.

伝播媒体2は、インクジェットヘッドチップ7で発生する弾性波をAEセンサー1に伝える媒体である。インクジェットヘッドチップ7の基板がシリコンウェハーなので、伝播媒体2とインクジェットヘッドチップ7の音響インピーダンスを等しくするために、伝播媒体2の材料には、弾性波を伝播させる単結晶シリコンインゴットが用いられている。また、結晶粒界を持たない単結晶の部材を用いることで、高い周波数の弾性波の減衰が低減され、原波形解析を良好に行うことができる。測定対象物であるヘッドチップが小さいものである為、媒体の上にヘッドチップを用いて測定を行ったが、媒体が無くても測定が可能であるならば、媒体を用いなくても構わない。   The propagation medium 2 is a medium that transmits elastic waves generated by the ink jet head chip 7 to the AE sensor 1. Since the substrate of the inkjet head chip 7 is a silicon wafer, in order to make the acoustic impedance of the propagation medium 2 and the inkjet head chip 7 equal, a single crystal silicon ingot that propagates an elastic wave is used as the material of the propagation medium 2. . Further, by using a single crystal member having no crystal grain boundary, attenuation of high-frequency elastic waves is reduced, and original waveform analysis can be performed satisfactorily. Since the head chip that is the object to be measured is small, the measurement was performed using the head chip on the medium. However, if the measurement is possible without the medium, the medium may not be used. .

反射防止部材3は、ブチルゴムからなり、伝播媒体2の端面に備えられている。そして、反射防止部材3は、伝播媒体2の端面における弾性波の反射を防止する。   The antireflection member 3 is made of butyl rubber and is provided on the end surface of the propagation medium 2. The antireflection member 3 prevents reflection of elastic waves at the end face of the propagation medium 2.

基準物体落下装置8から基準物体であるジルコニアボール9を落下させ、測定対象物の所定の位置に衝突させたときに生じた基準弾性波がAEセンサー1で検出され、プリアンプ4によって、AEセンサー1で検出された信号を増幅する。ディスクリミネータ5は、メインアンプ(不図示)およびフィルタ(不図示)からなり、プリアンプ4によって増幅された信号をメインアンプでさらに増幅し、フィルタでフィルタリングする。ディジタルオシロスコープ6は、ディスクリミネータ5を通過した信号の計測波形を測定する。ここでは一例として、プリアンプとしてNF回路設計ブロック社製のAE−912を、ディスクリミネータとしてNF回路設計ブロック社製のAE9922を、ディジタルオシロスコープとして横河電機社製のDL7200を用いている。   The reference elastic wave generated when the zirconia ball 9 as the reference object is dropped from the reference object dropping device 8 and collided with a predetermined position of the measurement object is detected by the AE sensor 1, and the AE sensor 1 is detected by the preamplifier 4. Amplifies the signal detected in step 1. The discriminator 5 includes a main amplifier (not shown) and a filter (not shown). The signal amplified by the preamplifier 4 is further amplified by the main amplifier and filtered by the filter. The digital oscilloscope 6 measures the measurement waveform of the signal that has passed through the discriminator 5. Here, as an example, AE-912 manufactured by NF Circuit Design Block, Inc. is used as a preamplifier, AE9922 manufactured by NF Circuit Design Block, Inc. is used as a discriminator, and DL7200 manufactured by Yokogawa Electric is used as a digital oscilloscope.

図1に示した測定装置系を用いて伝播系の応答関数を求める手順について説明する。   A procedure for obtaining the response function of the propagation system using the measurement apparatus system shown in FIG. 1 will be described.

図27は、一般的な原波形解析の流れの概略を示すフローチャートである。図27を参照すると、基準音源を測定対象物の所定の位置に印加したときに発生する基準弾性波の(時間プロファイル)の原波形である理論値P(t)が予め計算あるいは測定により得られている。P(t)をFFT(Fast Fourier Transform)によりフーリエ変換した周波数プロファイルがP(ω)である。   FIG. 27 is a flowchart showing an outline of a general flow of original waveform analysis. Referring to FIG. 27, a theoretical value P (t) that is an original waveform of a (time profile) of a reference elastic wave generated when a reference sound source is applied to a predetermined position of a measurement object is obtained in advance by calculation or measurement. ing. A frequency profile obtained by performing a Fourier transform on P (t) using FFT (Fast Fourier Transform) is P (ω).

まず、基準音源を用いて基準弾性波を発生させ、伝播媒体を介してAEセンサーで検出波形を検出し、オシロスコープで得られた基準弾性波の計測波形V(t)を、それをFFTでフーリエ変換してV(ω)を算出する(ステップ901)。次に、数式(1)に従って、V(ω)を、P(ω)で除算することにより、伝播系の周波数特性である応答関数G(ω)を求める(ステップ902)。   First, a reference elastic wave is generated using a reference sound source, a detection waveform is detected by an AE sensor through a propagation medium, and a measurement waveform V (t) of the reference elastic wave obtained by an oscilloscope is converted into an Fourier by FFT. Conversion is performed to calculate V (ω) (step 901). Next, according to Equation (1), V (ω) is divided by P (ω) to obtain a response function G (ω) that is a frequency characteristic of the propagation system (step 902).

Figure 2006084454
Figure 2006084454

次に、測定対象物の基準音源を加えた位置と同じ位置に、微小な衝撃力を加えて弾性波を発生させ、伝播系を介して微小な弾性波の計測波形V′(t)を計測する。そして、V′(t)をFFTでフーリエ変換してV′(ω)を算出する(ステップ903)。ここで、微小な衝撃力である、ヘッドチップの発泡現象による弾性波を測定するための測定装置系の構成を図3に示す。図3を参照すると、図1の状態から、基準物体落下装置8が取り除かれ、測定対象物であるインクジェットヘッドチップ7に発泡ドライバ10が接続されている。また、インクジェットヘッドチップ7上には、ヒーターを十分に覆うようにインク11が滴下されている。発泡ドライバ10は、インクジェットヘッドチップ7を駆動し、微小な衝撃力となる発泡現象を発生させるための駆動回路である。まず、発泡ドライバ10を駆動させ、インクジェットヘッドチップ7のヒーター上に発泡現象を発生させる。その衝撃力によって生じる弾性波を伝播系を介してディジタルオシロスコープ6で測定される。これを弾性波の計測波形V′(t)とし、そのV′(t)をフーリエ変換したものをV′(ω)とする。   Next, an elastic wave is generated by applying a minute impact force at the same position as the position where the reference sound source of the measurement object is added, and a measurement waveform V ′ (t) of the minute elastic wave is measured through the propagation system. To do. Then, V ′ (t) is Fourier transformed by FFT to calculate V ′ (ω) (step 903). Here, FIG. 3 shows a configuration of a measuring apparatus system for measuring an elastic wave due to a foaming phenomenon of the head chip, which is a minute impact force. Referring to FIG. 3, the reference object dropping device 8 is removed from the state of FIG. 1, and the foam driver 10 is connected to the inkjet head chip 7 that is a measurement object. Ink 11 is dropped on the inkjet head chip 7 so as to sufficiently cover the heater. The foam driver 10 is a drive circuit for driving the ink jet head chip 7 to generate a foaming phenomenon with a minute impact force. First, the foam driver 10 is driven to generate a foaming phenomenon on the heater of the inkjet head chip 7. The elastic wave generated by the impact force is measured by the digital oscilloscope 6 through the propagation system. This is an elastic wave measurement waveform V ′ (t), and V ′ (ω) is a result of Fourier transform of the V ′ (t).

次に、数式(2)に従って、弾性波の計測波形V′(ω)を上述の方法で求めた応答関数G(ω)で除算することにより、微小な衝撃力である発泡現象による弾性波の原波形P′(ω)を求める。   Next, by dividing the measurement waveform V ′ (ω) of the elastic wave by the response function G (ω) obtained by the above method according to the equation (2), the elastic wave of the foaming phenomenon which is a minute impact force is obtained. An original waveform P ′ (ω) is obtained.

Figure 2006084454
Figure 2006084454

最後に、このP′(ω)を逆フーリエ変換することにより、発泡現象による微小な衝撃力による時間領域の原波形P′(t)を定量的に求めることができる。(ステップ904)
この結果、例えば、発泡現象による衝撃力がヘッドチップのキャビテーション膜に対してどのように負荷されているのかを、従来に比べて精密に算出することが可能となる。なお、ここでは周波数領域において原波形解析の演算を行う例を示したが、この演算が周波数領域に限定されることはない。周波数領域と時間領域はフーリエ変換を仲介として数学的に等価なので、時間領域で逆たたみ込み積分を行うことにより原波形解析を行うこともできる。
Finally, by performing inverse Fourier transform on this P ′ (ω), the original waveform P ′ (t) in the time domain due to the minute impact force caused by the foaming phenomenon can be obtained quantitatively. (Step 904)
As a result, for example, it is possible to accurately calculate how the impact force due to the foaming phenomenon is applied to the cavitation film of the head chip as compared with the conventional case. Although an example in which the calculation of the original waveform analysis is performed in the frequency domain is shown here, this calculation is not limited to the frequency domain. Since the frequency domain and the time domain are mathematically equivalent through Fourier transformation, the original waveform analysis can also be performed by performing deconvolution integration in the time domain.

[第1の実施形態]
まず、図1において、基準物体であるジルコニアボール9として、直径0.5mmのジルコニア製のボールを用い、測定対象物であるヘッドチップ7に高さ97.0mmから自由落下させた第1の実施例を示す。本実施例においては、ジルコニアボールは、ボールミル用のものを用いているが、より好ましくはベアリング用のボールを基準物体として用いてもよい。
[First Embodiment]
First, in FIG. 1, a zirconia ball having a diameter of 0.5 mm is used as a zirconia ball 9 as a reference object, and the head chip 7 as a measurement object is freely dropped from a height of 97.0 mm in a first embodiment. An example is shown. In this embodiment, the zirconia ball is used for a ball mill, but more preferably a bearing ball may be used as a reference object.

応答関数を求める手順は、基本的には図27に示したものと同様である。基準音源による基準弾性波の原波形の理論値P(t)は予め計算により得られているものとする。このP(t)をフーリエ変換してP(ω)を算出しておく。   The procedure for obtaining the response function is basically the same as that shown in FIG. It is assumed that the theoretical value P (t) of the original waveform of the reference elastic wave by the reference sound source is obtained in advance by calculation. This P (t) is Fourier transformed to calculate P (ω).

基準物体落下装置8から基準物体であるジルコニアボール9を自由落下させ、測定対象物であるヘッドチップの所定の位置に衝突させ、このとき生じた基準弾性波をAEセンサー1で検出し、伝播系を介してディジタルオシロスコープ6で計測されたものを、基準弾性波の計測波形V(t)とし、基準弾性波の計測波形V(t)をフーリエ変換してV(ω)を算出する。   A zirconia ball 9 which is a reference object is freely dropped from a reference object dropping device 8 and is made to collide with a predetermined position of a head chip which is a measurement object. A reference elastic wave generated at this time is detected by the AE sensor 1, and a propagation system The measurement waveform V (t) of the reference elastic wave is measured by the digital oscilloscope 6 through V, and V (ω) is calculated by Fourier transforming the measurement waveform V (t) of the reference elastic wave.

次に、数式(1)に従って、基準音源の基準弾性波の計測波形であるV(ω)を、理論値である基準音源の基準弾性波の原波形P(ω)で除算することにより、AEセンサーが感知する全周波数帯域における伝播系の応答関数G(ω)を求める。   Next, by dividing V (ω), which is the measurement waveform of the reference elastic wave of the reference sound source, by the original waveform P (ω) of the reference sound wave of the reference sound source, which is a theoretical value, according to Equation (1), AE A response function G (ω) of the propagation system in the entire frequency band sensed by the sensor is obtained.

発泡ドライバ10を駆動させ、インクジェットヘッドチップ7のヒーター上に発泡現象を発生さ、ディジタルオシロスコープ6で測定された、発泡現象による弾性波を弾性波の計測波形V′(t)とし、そのV′(t)をフーリエ変換してV′(ω)を求める。   The foaming driver 10 is driven to generate a foaming phenomenon on the heater of the inkjet head chip 7, and an elastic wave due to the foaming phenomenon measured by the digital oscilloscope 6 is used as an elastic wave measurement waveform V ′ (t). (T) is Fourier transformed to obtain V ′ (ω).

最後に、数式(2)に従って、弾性波の計測波形V′(ω)を上述の応答関数G(ω)で除算することにより、微小な衝撃力である発泡現象による弾性波の周波数領域の原波形P′(ω)を求め、このP′(ω)を逆フーリエ変換することにより、発泡現象による微小な衝撃力による時間領域の原波形P′(t)を定量的に求め、これを図5に示す。   Finally, by dividing the measurement waveform V ′ (ω) of the elastic wave by the above-mentioned response function G (ω) according to the equation (2), the original frequency domain of the elastic wave due to the foaming phenomenon which is a minute impact force is obtained. The waveform P ′ (ω) is obtained, and by performing inverse Fourier transform on the P ′ (ω), the original waveform P ′ (t) in the time domain due to the minute impact force caused by the foaming phenomenon is quantitatively obtained, and this is shown in FIG. As shown in FIG.

ここで、比較例として図4に、従来の直径0.8mmのボールベアリング用の軸受鋼球を97.0mmの高さから自由落下させて得られた基準音源を用いた場合の、発泡現象による微小な衝撃力の弾性波の原波形を示す。   Here, as a comparative example, FIG. 4 shows a foaming phenomenon in a case where a reference sound source obtained by freely dropping a conventional steel ball for ball bearing having a diameter of 0.8 mm from a height of 97.0 mm is used. The original waveform of the elastic wave of minute impact force is shown.

図4、5において、発泡現象による微小な衝撃力の弾性波の原波形は、楕円で囲まれた部分であり、他の部分はノイズ成分である。従来の手法である図4を参照すると、衝撃の時間幅が数μsで衝撃の強度が0.05N程度の衝撃力を測定したとき、衝撃力とほぼ等しい強度のノイズが全体的に現れており、測定精度は非常に悪いと言える。一方、本実施形態である図5を参照すると、図4と比べて全体的にノイズが減り、かつ高周波まで測定されていることが分かる。   4 and 5, the original waveform of the elastic wave having a minute impact force due to the foaming phenomenon is a portion surrounded by an ellipse, and the other portion is a noise component. Referring to FIG. 4, which is a conventional method, when an impact force with an impact time width of several μs and an impact strength of about 0.05 N is measured, noise having an intensity substantially equal to the impact force appears as a whole. It can be said that the measurement accuracy is very bad. On the other hand, referring to FIG. 5 which is the present embodiment, it can be seen that noise is reduced as a whole compared to FIG.

また、従来例である直径0.8mmのボールベアリング用の軸受鋼球を用いた場合に、計算により求められる基準弾性波の原波形のパワースペクトルは、最初の極小点(節)がある周波数は約650KHzであるのに対して、本実施例の直径0.5mmのボールミル用ジルコニアボールを用いた場合の、計算により求められる基準弾性波の原波形のパワースペクトルの最初の極小点(節)は、図2に示すように周波数が約950KHzであった。つまり、印加されている時間が短い微小力の周波数成分は高周波まで及ぶため、広い周波数帯域での応答関数を求める必要性がある。その為には、本実施例のように、パワースペクトルの最初の極小点(節)の位置を、高周波数領域になるように、基準物体を適切に選択することで、従来、節の影響によって応答関数として用いることが出来なかった高い周波数帯域においても、定量的な応答関数を得ることができるようになり、微小な力による弾性波の原波形解析の精度が向上したものである。   In addition, when a conventional steel ball for a ball bearing with a diameter of 0.8 mm is used, the power spectrum of the original waveform of the reference elastic wave obtained by calculation is the frequency at which the first minimum point (node) is Whereas it is about 650 KHz, the first minimum point (node) of the power spectrum of the original waveform of the reference elastic wave obtained by calculation when using the zirconia ball for a ball mill having a diameter of 0.5 mm of this embodiment is As shown in FIG. 2, the frequency was about 950 KHz. That is, since the frequency component of the minute force that is applied for a short time extends to a high frequency, it is necessary to obtain a response function in a wide frequency band. For this purpose, as in the present embodiment, the position of the first local minimum point (node) of the power spectrum is appropriately selected so as to be in the high frequency region. Even in a high frequency band that could not be used as a response function, a quantitative response function can be obtained, and the accuracy of the original elastic wave analysis by a minute force is improved.

[第2の実施形態]
原波形解析において、基準物体の衝突速度を変化させれば、基準音源の基準弾性波のパワースペクトルの極小点を変化させることができる。
[Second Embodiment]
In the original waveform analysis, if the collision speed of the reference object is changed, the minimum point of the power spectrum of the reference elastic wave of the reference sound source can be changed.

そこで、第2の実施形態は、極小点を高周波数領域にするように、基準物体であるジルコニアボール9をインクジェットヘッドチップ7に衝突させる速度を第1の実施形態よりも速くすることにより、良好な精度で原波形解析が可能な周波数帯域を広げた例を示す。   Therefore, the second embodiment is good by making the speed at which the zirconia ball 9 as the reference object collides with the inkjet head chip 7 faster than the first embodiment so that the minimum point is in the high frequency region. An example of expanding the frequency band in which the original waveform analysis can be performed with high accuracy is shown.

第1の実施形態では、ジルコニアボール9を97.0mmの高さから自由落下させることにより衝突速度1.4m/sを得ていた。これに対して第2の実施形態では衝突速度を第1の実施形態の2倍にしている。   In the first embodiment, the collision speed of 1.4 m / s was obtained by allowing the zirconia ball 9 to freely drop from a height of 97.0 mm. On the other hand, in the second embodiment, the collision speed is twice that of the first embodiment.

自由落下で衝突速度を2倍にするためには、落下高さを4倍にする必要があり、基準物体落下装置8の機構や室内環境を考えると容易ではない。また、自由落下の高さを高くすると空気抵抗などの影響が大きくなり、計算によって求めた衝突速度と、実際の衝突速度との誤差が大きくなる。さらに、弾性波の原波形解析では、測定対象物あるいは伝播媒体の衝突面に垂直な方向から基準物体を衝突させるのが好ましいが、自由落下では、衝突面の方向が鉛直上向きに限定されることとなる。   In order to double the collision speed in free fall, the drop height needs to be quadrupled, which is not easy considering the mechanism of the reference object dropping device 8 and the indoor environment. Further, if the height of free fall is increased, the effect of air resistance and the like increases, and the error between the collision speed obtained by calculation and the actual collision speed increases. Furthermore, in the original waveform analysis of elastic waves, it is preferable to collide the reference object from the direction perpendicular to the collision surface of the object to be measured or the propagation medium, but in free fall, the direction of the collision surface is limited to the vertically upward direction. It becomes.

そこで、第2の実施形態では、図1における基準物体落下装置8の代わりに、基準物体を任意の速度で任意の方向に発射することのできる基準物体発射装置を用いる。本実施形態の基準物体発射装置は、バネ、圧縮空気、磁場、電場などの力で強制的に初速度をつけて基準物体を発射する。これを用いれば、衝突面の法線を任意に選択することができ、測定装置系の構成や測定対象物の自由度が上がる。また、例えばバネ定数を選択することにより衝突速度を変更することも可能である。   Therefore, in the second embodiment, instead of the reference object dropping device 8 in FIG. 1, a reference object launching device that can launch a reference object in an arbitrary direction at an arbitrary speed is used. The reference object launching apparatus of the present embodiment forcibly applies an initial velocity with a force such as a spring, compressed air, a magnetic field, and an electric field, and fires the reference object. If this is used, the normal of the collision surface can be arbitrarily selected, and the configuration of the measurement apparatus system and the degree of freedom of the measurement object are increased. It is also possible to change the collision speed, for example, by selecting a spring constant.

図6は、衝突速度1.4m/sの場合の、基準音源の弾性波の原波形のパワースペクトルを示すグラフである。図7は、衝突速度2.8m/sの場合の基準音源の弾性波の原波形のパワースペクトルを示すグラフである。衝突速度1.4m/sは高さ約100mmからの自由落下に相当し、衝突速度2.8m/sは高さ約400mmからの自由落下に相当する。なお、図6および図7におけるジルコニアボールの質量は共に0.4gである。   FIG. 6 is a graph showing the power spectrum of the original waveform of the elastic wave of the reference sound source when the collision speed is 1.4 m / s. FIG. 7 is a graph showing the power spectrum of the original waveform of the elastic wave of the reference sound source when the collision speed is 2.8 m / s. The collision speed of 1.4 m / s corresponds to free fall from a height of about 100 mm, and the collision speed of 2.8 m / s corresponds to free fall from a height of about 400 mm. The mass of the zirconia balls in FIGS. 6 and 7 is 0.4 g.

図6では最初の極小点(節)が1.1MHz程度であるのに対して、図7では最初の極小点が1.4MHz近くになっている。このことから、衝突速度を速くすることは周波数帯域を拡大するのに非常に有効であることが分かる。   In FIG. 6, the first minimum point (node) is about 1.1 MHz, whereas in FIG. 7, the first minimum point is close to 1.4 MHz. From this, it can be seen that increasing the collision speed is very effective in expanding the frequency band.

本実施形態によれば、基準音源であるジルコニアボール9を測定対象物の所定の位置に衝突させる速度を選択することにより衝突条件を適切に選択することで、精度の高い原波形解析に用いられる周波数帯域を容易に選択することが可能となり、実施例1と同様に応答関数を求めることで、精度の高い、微小弾性波の原波形解析が可能となる。   According to the present embodiment, the collision condition is appropriately selected by selecting the speed at which the zirconia ball 9 that is the reference sound source collides with a predetermined position of the measurement object, thereby being used for highly accurate original waveform analysis. It becomes possible to easily select the frequency band, and by obtaining the response function in the same manner as in the first embodiment, it is possible to analyze the original waveform of the minute elastic wave with high accuracy.

[第3の実施形態]
第3の実施形態は、基準物体を用いた伝播系の応答関数の算出において、周波数帯域の選択を可能とする衝突条件のパラメータを一般化した例である。測定装置系の構成は、第1あるいは第2の実施形態と同様である。
[Third Embodiment]
The third embodiment is an example in which parameters of a collision condition that enable selection of a frequency band are generalized in calculating a response function of a propagation system using a reference object. The configuration of the measuring apparatus system is the same as that of the first or second embodiment.

周波数領域で波形を広げるためには時間領域で波形を狭めればよく、すなわち、基準音源のパワースペクトルの最初の節までの周波数領域である周波数帯域は、基準物体が伝播媒体に衝突している時間(以下、「衝突時間」という)を短くすれば広がることとなる。基準物体の伝播媒体への衝突時間tは式(3)で表すことができる。   To widen the waveform in the frequency domain, it is only necessary to narrow the waveform in the time domain, that is, in the frequency band that is the frequency domain up to the first node of the power spectrum of the reference sound source, the reference object collides with the propagation medium. If the time (hereinafter referred to as “collision time”) is shortened, the time will increase. The collision time t of the reference object to the propagation medium can be expressed by Equation (3).

Figure 2006084454
Figure 2006084454

ここで、Cは比例定数である。E1はシリコンインゴットからなる伝播媒体2のヤング率であり、E2はジルコニアボール9のヤング率である。υ1は伝播媒体2のポアソン比、υ2はジルコニアボール9のポアソン比である。m2はジルコニアボールの質量である。vは衝突速度である。R2はジルコニアボールの半径である。 Here, C is a proportionality constant. E 1 is the Young's modulus of the propagation medium 2 made of silicon ingot, and E 2 is the Young's modulus of the zirconia ball 9. υ 1 is the Poisson ratio of the propagation medium 2, and υ 2 is the Poisson ratio of the zirconia ball 9. m 2 is the mass of the zirconia ball. v is the collision speed. R 2 is the radius of the zirconia ball.

式(3)から分かるように、質量mを小さくすることにより衝突時間を短くすることができる。   As can be seen from Equation (3), the collision time can be shortened by reducing the mass m.

図8は、質量を小さくした基準物体の形状を示す図である。図9は、質量をさらに小さくした基準物体の形状を示す図である。   FIG. 8 is a diagram showing the shape of a reference object with a reduced mass. FIG. 9 is a diagram showing the shape of a reference object with a further reduced mass.

図8の基準物体91は、第1の実施形態の基準物体9から上半分(図中の除去部分91B)を除去した形状である。これにより質量mは低減される。また、図9の基準物体92は、第1の実施形態の基準物体9から、上半分および中心部分(図中の除去部分92B)を除去した形状である。これによれば、質量mはさらに低減される。   The reference object 91 in FIG. 8 has a shape obtained by removing the upper half (removed portion 91B in the drawing) from the reference object 9 of the first embodiment. Thereby, the mass m is reduced. Further, the reference object 92 in FIG. 9 has a shape obtained by removing the upper half and the central portion (removal portion 92B in the drawing) from the reference object 9 of the first embodiment. According to this, the mass m is further reduced.

基準物体91、92の材質は共に、第1の実施形態と同じジルコニアなのでヤング率およびポアソン比に変更は無い。また、ジルコニアボール91、92の衝突面91A、92Aの曲率半径は第1の実施形態と同じである。なお、図8、9においてハッチングされた部分は、衝突時に変位する部分を示している。除去部分91B、92Bは、衝突面91A、92Aの変位に影響の無い範囲内とすべきである。   Since the materials of the reference objects 91 and 92 are both the same zirconia as in the first embodiment, the Young's modulus and Poisson's ratio are not changed. Further, the radii of curvature of the collision surfaces 91A and 92A of the zirconia balls 91 and 92 are the same as those in the first embodiment. The hatched portions in FIGS. 8 and 9 indicate portions that are displaced at the time of collision. The removal portions 91B and 92B should be within a range that does not affect the displacement of the collision surfaces 91A and 92A.

基準物体91、92は、ヤング率E2、ポアソン比υ2、および衝突面の曲率半径R2を変化させずに、質量mを小さくしている。これにより、式(3)で示される衝突時間tを短くすることができ、その結果、広い周波数帯域で精度の高い応答関数を求めることができる。 The reference objects 91 and 92 have a small mass m without changing the Young's modulus E 2 , Poisson's ratio υ 2 , and the radius of curvature R 2 of the collision surface. Thereby, the collision time t shown by Formula (3) can be shortened, As a result, a highly accurate response function can be obtained in a wide frequency band.

なお、本実施形態では、任意の速度および方向に基準物体を発射可能な基準物体発射装置を用いたが、第1の実施形態と同様に基準物体落下装置8を用いてもよい。その場合、基準物体91、92は、第1の実施形態と同様に自由落下により伝播媒体2に衝突させるので、衝突速度は落下高さにより変化させることとなる。   In the present embodiment, the reference object launching device that can launch the reference object at an arbitrary speed and direction is used. However, the reference object dropping device 8 may be used as in the first embodiment. In that case, since the reference objects 91 and 92 collide with the propagation medium 2 by free fall as in the first embodiment, the collision speed is changed by the drop height.

また、基準物体91、92が球体でないため、自由落下によって基準物体91、92が伝播媒体2に衝突するとき、必ずしも衝突面91A、92Bで衝突するとは限らない。しかし、衝突面91A、92Aでない部分で伝播媒体2と衝突した場合、衝突面91A、92Bで衝突したときとは、跳ね返りの挙動や計測波形が異なったものとなるため、そのデータを容易に排除することができる。   Further, since the reference objects 91 and 92 are not spheres, when the reference objects 91 and 92 collide with the propagation medium 2 due to free fall, they do not necessarily collide with the collision surfaces 91A and 92B. However, when colliding with the propagation medium 2 at a portion other than the collision surfaces 91A and 92A, the rebound behavior and measurement waveform are different from those when colliding with the collision surfaces 91A and 92B. can do.

一方、バネなどの力で衝突速度を決める基準物体発射装置を用いれば、基準物体91、92を近距離から伝播媒体2に衝突させることができるので、衝突面で衝突させることが比較的容易である。   On the other hand, if the reference object launching device that determines the collision speed by the force of a spring or the like is used, the reference objects 91 and 92 can be made to collide with the propagation medium 2 from a short distance, and therefore it is relatively easy to make the collision on the collision surface. is there.

上述したように、図6に示した基準弾性波の原波形のパワースペクトルは、質量0.4gのジルコニアボール9を用いて測定したグラフである。図10は、本実施形態により質量0.2gの基準物体を用いた場合の基準音源の基準弾性波の原波形のパワースペクトルを示すグラフである。図6の基準物体と図10の基準物体は、質量mが異なるがヤング率E2およびポアソン比υ2、衝突面の曲率半径R2は同じである。 As described above, the power spectrum of the original waveform of the reference elastic wave shown in FIG. 6 is a graph measured using a zirconia ball 9 having a mass of 0.4 g. FIG. 10 is a graph showing the power spectrum of the original waveform of the reference elastic wave of the reference sound source when a reference object having a mass of 0.2 g is used according to this embodiment. The reference object of FIG. 6 and the reference object of FIG. 10 are different in mass m, but have the same Young's modulus E 2, Poisson's ratio υ 2 , and the radius of curvature R 2 of the collision surface.

図6と図10を比較すると、図6では最初の極小点(節)が1.1MHz程度なのに対して、図10では最初の極小点が1.6MHz近くになっており、基準音源の周波数帯域が拡大している。したがって、本実施形態によれば、広い周波数帯域で精度の高い応答関数を求めることができる。   Comparing FIG. 6 and FIG. 10, in FIG. 6, the first minimum point (node) is about 1.1 MHz, whereas in FIG. 10, the first minimum point is close to 1.6 MHz, and the frequency band of the reference sound source Is expanding. Therefore, according to the present embodiment, a highly accurate response function can be obtained in a wide frequency band.

本実施形態によれば、ジルコニアボール9のような基準物体の衝突速度、基準物体自体のヤング率、ポアソン比、質量、または衝突面の曲率半径をパラメータとして理論的に節の周波数を選択することができるので、異なる衝突条件により得られた複数の結果を用いた応答関数を容易かつ確実に取得することができる。   According to the present embodiment, the frequency of the node is theoretically selected using the collision speed of the reference object such as the zirconia ball 9, the Young's modulus of the reference object itself, the Poisson's ratio, the mass, or the radius of curvature of the collision surface as parameters. Therefore, it is possible to easily and reliably obtain a response function using a plurality of results obtained under different collision conditions.

また、球体の衝突面以外の部分の一部を除去した形状の基準物体を用いることにより、基準物体の材質や衝突面の曲率半径を変更することなく、質量を変更することができるので、衝突条件の選択の自由度をより向上させることができる。   In addition, by using a reference object with a shape that removes a part of the sphere other than the collision surface, the mass can be changed without changing the material of the reference object or the radius of curvature of the collision surface. The degree of freedom in selecting conditions can be further improved.

[第4の実施形態]
第4の実施形態は、基準物体を用いた伝播系の応答関数の算出において、基準物体を伝播媒体に複数回衝突させ、平均化により応答関数を算出するものである。
[Fourth Embodiment]
In the fourth embodiment, in calculating the response function of the propagation system using the reference object, the reference object is collided with the propagation medium a plurality of times, and the response function is calculated by averaging.

また、その際、基準物体の自由落下の高さを変更することにより衝突速度を変えて複数回衝突を行い、さらにそれぞれの高さにおける測定を複数回行って平均化することで、応答関数を算出する。この結果、複数回の測定の結果を用いて応答関数を算出しているので、衝突位置など様々な要因による算出結果のバラツキを低減することができ、精度の高い原波形解析を行うことができる。また、極小点の位置が異なる複数の衝突条件により求まった値を用いているので、各衝突条件により求まった値における極小点の影響を相殺し、極小点の影響による高周波ノイズを低減した平均化応答関数を求めることができる。   In addition, at that time, by changing the height of the free fall of the reference object, the collision speed is changed and the collision is performed multiple times, and further, the measurement at each height is performed multiple times and the response function is obtained by averaging. calculate. As a result, since the response function is calculated using the results of multiple measurements, variations in the calculation result due to various factors such as the collision position can be reduced, and highly accurate original waveform analysis can be performed. . In addition, since the values obtained by multiple collision conditions with different positions of the local minimum points are used, the effect of the local minimum points in the values determined by each collision condition is offset and high frequency noise due to the local minimum point is reduced. A response function can be obtained.

本実施形態において、応答関数を求めるための測定装置系の構成は、図1に示した第1の実施形態のものと同様である。また、微小な衝撃力の計測波を測定するための測定装置系の構成も図3に示した第1の実施形態のものと同様である。さらに、ジルコニアボール9およびインクジェットヘッドチップ7も第1の実施形態と同様のものを用いた。   In the present embodiment, the configuration of the measurement apparatus system for obtaining the response function is the same as that of the first embodiment shown in FIG. Further, the configuration of the measuring apparatus system for measuring a measurement wave of a minute impact force is the same as that of the first embodiment shown in FIG. Further, the zirconia balls 9 and the ink jet head chip 7 are the same as those in the first embodiment.

本実施形態において伝播系の応答関数を求める手順について説明する。   A procedure for obtaining the response function of the propagation system in the present embodiment will be described.

まず、基準物体落下装置8を用いてジルコニアボール9を伝播媒体上の測定対象物の所定の位置へ自由落下衝突させる。そして、この自由落下を、落下高さを変えることにより衝突速度を変えて、複数回行う。また、それぞれの高さで複数回測定を行い、平均化した値を用いた。   First, the zirconia ball 9 is caused to freely fall and collide with a predetermined position of the measurement object on the propagation medium using the reference object dropping device 8. And this free fall is performed several times by changing the collision speed by changing the drop height. Moreover, it measured several times in each height, and used the averaged value.

ここでは、表1に示すように、衝突速度をそれぞれ変えた、条件1〜5の計5パターンにおける、基準物体の自由落下を行った。伝播系の応答関数G1(ω)〜G5(ω)は数式(4)に従って求めた。 Here, as shown in Table 1, the reference object was free-falled in a total of five patterns of conditions 1 to 5 with different collision velocities. The response functions G 1 (ω) to G 5 (ω) of the propagation system were obtained according to Equation (4).

Figure 2006084454
Figure 2006084454

Figure 2006084454
Figure 2006084454

そして、得られた5つの応答関数G1(ω)〜G5(ω)について、数式(5)に従って平均化を行う。平均化により得られた応答関数Gave(ω)を、以下「平均化応答関数」という。 Then, the obtained five response functions G 1 (ω) to G 5 (ω) are averaged according to Equation (5). The response function G ave (ω) obtained by averaging is hereinafter referred to as “averaged response function”.

Figure 2006084454
Figure 2006084454

図11は、条件5により求めた応答関数G5(ω)のパワースペクトルを示すグラフである。図12は、条件1〜5を平均化して求めた平均化応答関数Gave(ω)のパワースペクトルを示すグラフである。 FIG. 11 is a graph showing the power spectrum of the response function G 5 (ω) obtained under condition 5. FIG. 12 is a graph showing the power spectrum of the averaged response function G ave (ω) obtained by averaging the conditions 1 to 5.

図11を参照すると、応答関数G5(ω)は複数の急峻なピークを有している。衝突面が球面の基準物体の衝突による原波形P5(ω)には極小点(節)があり、その影響で、応答関数には節の周波数にピークが現れる。これは節の周波数ではノイズの影響が大きく、応答関数を正確に求めることができないことによる。したがって、このピークは本来の応答関数を示すものではなく、ノイズによるものである。 Referring to FIG. 11, the response function G 5 (ω) has a plurality of steep peaks. There is a minimum point (node) in the original waveform P 5 (ω) resulting from the collision of a reference object with a spherical collision surface, and as a result, a peak appears in the frequency of the node in the response function. This is because the influence of noise is large at the node frequency, and the response function cannot be obtained accurately. Therefore, this peak does not show the original response function, but is due to noise.

上述の数式(3)によれば、衝突時間tは衝突速度vによって変化する。また、パワースペクトルにおける極小点の周波数は衝突時間tによって変化する。したがって、条件1〜5のパワースペクトルは、互いに異なる周波数に極小点を有することとなる。したがって、各条件によって求めた応答関数G1(ω)〜G5(ω)を平均化することにより、図12に示したように、節の影響を低減してピークを取り除くことができる。その結果、応答関数の算出の精度を高めることができる。 According to the above equation (3), the collision time t varies with the collision speed v. Further, the frequency of the minimum point in the power spectrum varies depending on the collision time t. Therefore, the power spectra of conditions 1 to 5 have local minimum points at different frequencies. Therefore, by averaging the response functions G 1 (ω) to G 5 (ω) obtained according to each condition, as shown in FIG. 12, the influence of the nodes can be reduced and the peak can be removed. As a result, the accuracy of calculating the response function can be increased.

図11と図12を比較すると、応答関数のパワースペクトル中に見出される、節の影響によるピークは、平均化により約1/3に低減されている。   Comparing FIG. 11 and FIG. 12, the peak due to nodal influence found in the power spectrum of the response function is reduced to about 1/3 by averaging.

本実施形態において、微小な衝撃力の計測波形を測定し、その計測波形から原波形を求める手順は、第1の実施形態における手順と同様である。発泡ドライバ10によりインクジェットヘッドチップ7のヒーター上に発泡現象を発生させ、その衝撃力による弾性波を伝播系を介してオシロスコープ6で測定する。そして、オシロスコープ6で測定された計測波形V′(t)をフーリエ変換により周波数領域のV′(ω)に変換し、数式(6)に従って平均化応答関数Gave(ω)で除算した後に逆フーリエ変換することにより、微小な衝撃力の原波形P′(t)を求めることができる。 In this embodiment, a procedure for measuring a measurement waveform of a minute impact force and obtaining an original waveform from the measurement waveform is the same as the procedure in the first embodiment. A foaming phenomenon is generated on the heater of the inkjet head chip 7 by the foaming driver 10, and an elastic wave due to the impact force is measured by the oscilloscope 6 through the propagation system. Then, the measurement waveform V ′ (t) measured by the oscilloscope 6 is converted into V ′ (ω) in the frequency domain by Fourier transform, and after being divided by the average response function G ave (ω) according to Equation (6), the inverse is performed. The original waveform P ′ (t) of a minute impact force can be obtained by performing Fourier transform.

Figure 2006084454
Figure 2006084454

図13は、条件5のみから算出した応答関数G5(ω)を用いて求めた、発泡現象による衝撃力の原波形を示すグラフである。図14は、条件1〜5から算出した平均化応答関数Gave(ω)を用いて求めた、発泡現象による衝撃力の原波形を示すグラフである。 FIG. 13 is a graph showing the original waveform of the impact force due to the foaming phenomenon, obtained using the response function G 5 (ω) calculated from only condition 5. FIG. 14 is a graph showing the original waveform of the impact force due to the foaming phenomenon, obtained using the averaged response function G ave (ω) calculated from Conditions 1 to 5.

図13および図14のどちらを見ても、発泡現象による短い時間の衝撃力が測定されていることが分かる。しかし、図13に比べて図14はノイズの影響が低減され、より正確に原波形が測定されている。   It can be seen from FIG. 13 and FIG. 14 that a short time impact force due to the foaming phenomenon is measured. However, compared to FIG. 13, the influence of noise is reduced in FIG. 14, and the original waveform is measured more accurately.

図13中の実線で囲んだ部分を見るとMHzオーダーの高周波ノイズが現れている。このMHzオーダーの高周波ノイズは節の影響であるが、図14中の実線で囲んだ部分にはMHzオーダーの高周波ノイズが現れていない。このことから、平均化応答関数を用いることにより、節の影響が低減されていることが分かる。つまり、本実施形態によれば、節の位置が異なる複数の基準音源により求まった値を平均化しているので、各基準音源により求まった値における節の影響を相殺し、節の影響による高周波ノイズを低減した平均化応答関数を求めることができる。   When the portion surrounded by the solid line in FIG. 13 is viewed, high-frequency noise on the order of MHz appears. The high-frequency noise of the MHz order is a node effect, but the high-frequency noise of the MHz order does not appear in the portion surrounded by the solid line in FIG. From this, it can be seen that the influence of the node is reduced by using the averaged response function. That is, according to the present embodiment, the values obtained by a plurality of reference sound sources having different node positions are averaged, so that the influence of the nodes in the values obtained by the respective reference sound sources is canceled out, and the high frequency noise due to the effect of the nodes is canceled out. An averaged response function with reduced can be obtained.

図13および図14において実線で囲んだ部分を比較すると、図14の方がよりフラットな波形を示している。実線で囲んだ部分は発泡現象の発生する前の時点なので、本来であれば(理想的には)、完全にフラットな波形となるはずの部分である。このことから、平均化応答関数を用いることにより、ノイズの影響が低減されていることが分かる。   Comparing the portions surrounded by solid lines in FIGS. 13 and 14, FIG. 14 shows a flatter waveform. Since the portion surrounded by the solid line is a point before the occurrence of the foaming phenomenon, if it is (ideally), it should be a completely flat waveform. From this, it can be seen that the influence of noise is reduced by using the averaged response function.

本実施形態によれば、複数回の応答関数の算出の結果を平均化しているので、衝突位置など様々な要因による算出結果のバラツキを平均化により低減することができ、精度の高い原波形解析を行うことができる。この効果は、本実施形態のように複数の異なる衝突条件の算出結果を平均化する場合だけでなく、同じ衝突条件の算出結果を平均化することによっても得ることができる。   According to the present embodiment, since the results of calculation of the response function for a plurality of times are averaged, variations in the calculation results due to various factors such as the collision position can be reduced by averaging, and a highly accurate original waveform analysis It can be performed. This effect can be obtained not only by averaging the calculation results of a plurality of different collision conditions as in the present embodiment, but also by averaging the calculation results of the same collision conditions.

[第5の実施形態]
衝突面が球面である基準物体の衝突による衝撃力の原波形に存在する節の周波数を変化させるパラメータは、第2の実施形態に示した衝突速度に限られるものではない。第3の実施形態において式(3)に示したヤング率、ポアソン比、質量、および衝突面の曲率半径も節の周波数を変化させるパラメータとして用いることができる。また、さらに基準物体自体の密度も節の周波数を適切に変化させるためのパラメータとして用いることができる。
[Fifth Embodiment]
The parameter for changing the frequency of the node existing in the original waveform of the impact force due to the collision of the reference object having a spherical collision surface is not limited to the collision speed shown in the second embodiment. In the third embodiment, the Young's modulus, Poisson's ratio, mass, and radius of curvature of the collision surface shown in Expression (3) can also be used as parameters for changing the frequency of the node. Further, the density of the reference object itself can also be used as a parameter for appropriately changing the node frequency.

図15は、ヤング率が3×1011N/m2、密度が3000kg/m3、曲率半径が0.5mm、衝突速度が1.0m/sという衝突条件における、衝突面が球面である物体の衝突による衝撃力のパワースペクトルを示すグラフである。図15を参照すると、最初の節の周波数は約1.5MHzとなっている。以下、図15に示したグラフを基準として、各パラメータを変化させたときのパワースペクトルの変化について考察する。 FIG. 15 shows an object in which the collision surface is a spherical surface under a collision condition in which the Young's modulus is 3 × 10 11 N / m 2 , the density is 3000 kg / m 3 , the radius of curvature is 0.5 mm, and the collision speed is 1.0 m / s. It is a graph which shows the power spectrum of the impact force by a collision. Referring to FIG. 15, the frequency of the first node is about 1.5 MHz. Hereinafter, the change of the power spectrum when each parameter is changed will be considered with reference to the graph shown in FIG.

図16は、衝突速度を0.5m/sにしたときのパワースペクトルを示すグラフである。図16を参照すると、最初の節の周波数は約1.3MHzに変化している。図17は、ヤング率を2×1011N/m2にしたときのパワースペクトルを示すグラフである。図17を参照すると、最初の節の周波数は約1.4MHzに変化している。図18は、密度を8000kg/m3にしたときのパワースペクトルを示すグラフである。図18を参照すると、最初の節の周波数は約1.0MHzに変化している。図19は、曲率半径を1.0mmとしたときのパワースペクトルを示すグラフである。図19を参照すると、最初の節の周波数は約0.7MHzに変化している。 FIG. 16 is a graph showing a power spectrum when the collision speed is 0.5 m / s. Referring to FIG. 16, the frequency of the first node has changed to about 1.3 MHz. FIG. 17 is a graph showing a power spectrum when the Young's modulus is 2 × 10 11 N / m 2 . Referring to FIG. 17, the frequency of the first node has changed to about 1.4 MHz. FIG. 18 is a graph showing a power spectrum when the density is 8000 kg / m 3 . Referring to FIG. 18, the frequency of the first node has changed to about 1.0 MHz. FIG. 19 is a graph showing a power spectrum when the radius of curvature is 1.0 mm. Referring to FIG. 19, the frequency of the first node has changed to about 0.7 MHz.

図15〜19の比較から、これらの各パラメータを変化させることにより、節の周波数が変化することが分かる。したがって、第4の実施形態に示した平均化応答関数を求める際に、これら各パラメータを変化させて得た複数の応答関数を用いることができる。   From the comparison of FIGS. 15 to 19, it can be seen that the frequency of the node changes by changing each of these parameters. Accordingly, when obtaining the averaged response function shown in the fourth embodiment, a plurality of response functions obtained by changing these parameters can be used.

以上、各実施例で説明したように、基準物体の各パラメータを変化させることで、従来の650KHz以上の高周波数領域に第1の節がくるように、基準物体を測定対象物に衝突させることが可能となり、微小な弾性波の原形波を精度良く計測することが可能となる。   As described above, by changing each parameter of the reference object, the reference object is made to collide with the measurement object so that the first node comes in the conventional high frequency region of 650 KHz or higher as described in each embodiment. Therefore, it becomes possible to accurately measure the original wave of a minute elastic wave.

[第6の実施形態]
第6の実施形態は、基準物体を用いた伝播系の応答関数の算出において、第4の実施形態と同様に、基準物体を伝播媒体に異なる衝突条件で複数回衝突させ、平均化により応答関数を算出するものである。ここでは、基準物体として異なる材質の基準音源用ボールを複数用いることで、その材質により衝突条件を変化させるものとする。本実施形態においても、好ましくは、基準弾性波の原波形のパワースペクトルの周波数領域における極小点が650KHz以上の周波数に位置するような衝突条件に設定される。
[Sixth Embodiment]
In the sixth embodiment, in calculating the response function of the propagation system using the reference object, as in the fourth embodiment, the reference object is caused to collide with the propagation medium a plurality of times under different collision conditions, and the response function is obtained by averaging. Is calculated. Here, by using a plurality of reference sound source balls made of different materials as the reference object, the collision condition is changed depending on the material. Also in the present embodiment, preferably, the collision condition is set such that the minimum point in the frequency region of the power spectrum of the original waveform of the reference elastic wave is located at a frequency of 650 KHz or higher.

図1に示した測定装置系では、キャビテーション力測定におけるインクの状態変化(例えば蒸発によるインク量や粘度の変化など)を考慮していない為、測定条件が変化する可能性がある。そこで、更なる測定精度の向上と、安定したキャビテーション力を繰り返し発生させることができる測定装置系を下記に示す。   Since the measurement apparatus system shown in FIG. 1 does not consider ink state changes (for example, changes in ink amount or viscosity due to evaporation) in cavitation force measurement, measurement conditions may change. Therefore, a measurement apparatus system that can further improve measurement accuracy and repeatedly generate a stable cavitation force is shown below.

種々の検討により、インクジェットヘッドチップ上で生じるキャビテーション力は、インクジェットヘッドチップ上の液量(インク量)によって変化することがわかった。これは、発泡現象において泡が消滅する消泡時の液体(インク)の流れ込む量によりキャビテーション力が変化するためと考えられる。つまり、安定したキャビテーション力を得る為には、インクジェットヘッドチップ上のインク量を一定に保つ構成が必要となる。   Through various studies, it has been found that the cavitation force generated on the ink jet head chip varies depending on the amount of liquid (ink amount) on the ink jet head chip. This is presumably because the cavitation force changes depending on the amount of liquid (ink) that flows during the defoaming when bubbles disappear in the foaming phenomenon. That is, in order to obtain a stable cavitation force, it is necessary to maintain a constant amount of ink on the inkjet head chip.

具体的には、インクジェットヘッドチップ上に壁、天板、およびスペーサーを備えることにより、インクジェットヘッドチップ上のインク量を一定に保つことができる。これにより消泡時のインクの流れ込み量が一定になり、所望のキャビテーション力に保つことができる。   Specifically, by providing a wall, a top plate, and a spacer on the inkjet head chip, the amount of ink on the inkjet head chip can be kept constant. As a result, the amount of ink flowing during defoaming becomes constant, and a desired cavitation force can be maintained.

図20は、第6の実施形態における平均化応答関数を求めるための測定装置系の構成を示す模式図である。本実施形態では基準音源として様々な材質のセラミックボール93を所定の位置(キャビテーションが発生する位置)に自由落下させたときの衝撃を用いる。ここではセラミックボール93として、直径φ0.5mmの窒化珪素ボール、直径φ0.5mmのジルコニアボール、および直径φ0.6mmのアルミナボールを用いた場合について例示する。なお、これは衝突条件の異なる複数の応答関数から平均化応答関数を求めるために行うものである。基準物体の材質により原波形のパワースペクトルの周波数領域の極小点を650KHz以上とすることもできる。   FIG. 20 is a schematic diagram showing a configuration of a measurement apparatus system for obtaining an averaged response function in the sixth embodiment. In this embodiment, an impact when a ceramic ball 93 made of various materials is freely dropped to a predetermined position (a position where cavitation occurs) is used as a reference sound source. Here, a case where a silicon nitride ball having a diameter of 0.5 mm, a zirconia ball having a diameter of 0.5 mm, and an alumina ball having a diameter of 0.6 mm is used as the ceramic ball 93 will be described. This is performed in order to obtain an averaged response function from a plurality of response functions with different collision conditions. Depending on the material of the reference object, the minimum point in the frequency region of the power spectrum of the original waveform can be set to 650 KHz or more.

本実施形態では、液体に熱エネルギーを付与するヒーターを有する、BJ(bubble jet)インクジェットヘッドチップ7Bを測定対象物とし、その上で起こる発泡現象によるキャビテーション力の弾性波の原波形を精度良く測定する例を示す。また、測定装置系は、AEセンサー1、伝播媒体2、反射防止部材3、プリアンプ4、ディスクリミネータ5、ディジタルオシロスコープ6、基準物体落下装置8、およびキャビテーション力制御装置100を有している。   In the present embodiment, a BJ (bubble jet) inkjet head chip 7B having a heater for applying thermal energy to a liquid is used as a measurement object, and an original waveform of an elastic wave of a cavitation force due to a foaming phenomenon occurring thereon is accurately measured. An example is shown. The measuring apparatus system includes an AE sensor 1, a propagation medium 2, an antireflection member 3, a preamplifier 4, a discriminator 5, a digital oscilloscope 6, a reference object dropping device 8, and a cavitation force control device 100.

AEセンサー1、伝播媒体2、反射防止部材3、プリアンプ4、ディスクリミネータ5、ディジタルオシロスコープ6、および基準物体落下装置8は図1に示したものと同じものである。   The AE sensor 1, the propagation medium 2, the antireflection member 3, the preamplifier 4, the discriminator 5, the digital oscilloscope 6, and the reference object dropping device 8 are the same as those shown in FIG.

図21は、図20に示したキャビテーション力制御装置の構成を示す模式図である。図21を参照すると、キャビテーション力制御装置100は、壁101およびスペーサー102を有している。   FIG. 21 is a schematic diagram showing a configuration of the cavitation force control device shown in FIG. Referring to FIG. 21, the cavitation force control device 100 includes a wall 101 and a spacer 102.

壁101はインクジェットヘッドチップ7B上のヒーターに対応する、液体に気泡が発生する発泡領域を囲んでおり、エポキシ接着剤で伝播媒体2に接着されている。壁101の内部にはインクを充填でき、また、インクを充填した上に天板を備えることができる。ただし、平均化応答関数を求めるときには、インクは充填されず、また天板を取り付けない状態とされる。   The wall 101 surrounds a foaming region corresponding to the heater on the ink jet head chip 7B where bubbles are generated in the liquid, and is adhered to the propagation medium 2 with an epoxy adhesive. The wall 101 can be filled with ink, and a top plate can be provided on the wall 101. However, when obtaining the average response function, the ink is not filled and the top plate is not attached.

インクジェットヘッドチップ7B上の発泡現象により発生したキャビテーション力がインクジェットヘッドチップ7B上に印加されるので、図20の測定装置系では、インクジェットヘッドチップ7B、伝播媒体2、反射防止部材3、AEセンサー1、AEセンサー1を伝播媒体2に接着しているシリコーン接着剤、プリアンプ4、およびディスクリミネータ5の他に、キャビテーション力制御装置100も伝播系に含まれる。   Since the cavitation force generated by the foaming phenomenon on the ink jet head chip 7B is applied to the ink jet head chip 7B, the ink jet head chip 7B, the propagation medium 2, the antireflection member 3, and the AE sensor 1 are used in the measuring apparatus system of FIG. In addition to the silicone adhesive that bonds the AE sensor 1 to the propagation medium 2, the preamplifier 4, and the discriminator 5, a cavitation force control device 100 is also included in the propagation system.

また、インクジェットヘッドチップ7Bの基板がシリコンウェハーなので、伝播媒体2とインクジェットヘッドチップ7Bの音響インピーダンスを等しくするため、また結晶粒界を持たない単結晶の部材を用いることにより周波数の高い弾性波の減衰を減らすために、伝播媒体2の材質として上述と同様にシリコンインゴットが用いられている。   In addition, since the substrate of the inkjet head chip 7B is a silicon wafer, the acoustic wave of the high frequency is generated by making the acoustic impedance of the propagation medium 2 and the inkjet head chip 7B equal, and by using a single crystal member having no crystal grain boundary. In order to reduce attenuation, a silicon ingot is used as the material of the propagation medium 2 as described above.

本実施形態においても原波形解析は図27に示した一般的な流れにより行われる。   Also in this embodiment, the original waveform analysis is performed according to the general flow shown in FIG.

伝播系全体の平均化応答関数を求める手順について説明する。   A procedure for obtaining an average response function of the entire propagation system will be described.

まず、基準物体落下装置8を用いて、各種材質のセラミックボール93をインクジェットヘッドチップ7B上に自由落下衝突させる。本実施形態では、セラミックボール93の材質により衝突条件を変化させており、落下高さは22.5mmに統一してある。ここでは、窒化珪素を条件1、ジルコニアを条件2、アルミナを条件3とする。   First, using the reference object dropping device 8, the ceramic balls 93 made of various materials are allowed to freely fall and collide with the ink jet head chip 7B. In this embodiment, the collision condition is changed depending on the material of the ceramic ball 93, and the drop height is unified to 22.5 mm. Here, condition 1 is silicon nitride, condition 2 is zirconia, and condition 3 is alumina.

予め計算により求められた、条件1〜3における基準音源の原波形をP1(t)〜P3(t)とする。原波形P1(t)〜P3(t)をフーリエ変換した周波数プロファイルをそれぞれP1(ω)〜P3(ω)とする。 Let P 1 (t) to P 3 (t) be the original waveforms of the reference sound source in conditions 1 to 3 obtained in advance by calculation. The frequency profiles obtained by Fourier transforming the original waveforms P 1 (t) to P 3 (t) are defined as P 1 (ω) to P 3 (ω), respectively.

条件1〜3における基準音源の計測波形をV1(t)〜V3(t)とし、その計測波形V1(t)〜V3(t)をフーリエ変換したものをそれぞれV1(ω)〜V3(ω)とする。 The measurement waveform of the reference sound source in conditions 1 to 3 is V 1 (t) to V 3 (t), and V 1 (ω) is obtained by Fourier transforming the measurement waveforms V 1 (t) to V 3 (t). ˜V 3 (ω).

伝播系の応答関数G1(ω)〜G3(ω)は数式(7)に従って求めることができる。 The response functions G 1 (ω) to G 3 (ω) of the propagation system can be obtained according to Equation (7).

Figure 2006084454
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そして、得られた3つの応答関数G1(ω)〜G3(ω)について、数式(8)に従って平均化を行う。平均化により平均化応答関数Gave(ω)が得られる。 Then, the obtained three response functions G 1 (ω) to G 3 (ω) are averaged according to Expression (8). An averaging response function G ave (ω) is obtained by averaging.

Figure 2006084454
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次に、インクジェットヘッドチップ7Bにキャビテーション力を加えて弾性波を発生させ、伝播系を介して微小な弾性波の計測波形V′(t)を計測し、それをフーリエ変換してV′(ω)を算出する。   Next, an elastic wave is generated by applying a cavitation force to the inkjet head chip 7B, and a measurement waveform V ′ (t) of a minute elastic wave is measured through a propagation system, and is subjected to Fourier transform to obtain V ′ (ω ) Is calculated.

図22は、キャビテーション力の弾性波を計測するための測定装置系の構成を示す模式図である。図23は、キャビテーション力を印加するときのキャビテーション力制御装置の構成を示す模式図である。   FIG. 22 is a schematic diagram showing a configuration of a measuring apparatus system for measuring elastic waves of cavitation force. FIG. 23 is a schematic diagram showing a configuration of a cavitation force control device when a cavitation force is applied.

図22を参照すると、図20の状態から、基準物体落下装置8が取り除かれ、測定対象物であるインクジェットヘッドチップ7Bに発泡ドライバ10が接続されている。図23を参照すると、壁101で囲まれた内部にインク104が充填され、インク104の上部にはスペーサー102に支持されて天板103が備えられている。   Referring to FIG. 22, the reference object dropping device 8 is removed from the state of FIG. 20, and the foam driver 10 is connected to the inkjet head chip 7 </ b> B that is a measurement object. Referring to FIG. 23, ink 104 is filled in the interior surrounded by the wall 101, and a top plate 103 is provided above the ink 104 by being supported by the spacer 102.

基準音源をインクジェットヘッドチップ7B上に印加するときには、図21に示したように天板103およびインク104がない状態とされるのに対して、キャビテーション力を印加するときには、図23に示したように天板103とインク104がある状態とされる。したがって、厳密には前者と後者とでは伝播経路が異なる。しかし、検討によりインク14は伝播経路に、無視できない程の影響を与えないことが分かっている。   When the reference sound source is applied onto the ink jet head chip 7B, the top plate 103 and the ink 104 are not present as shown in FIG. 21, whereas when the cavitation force is applied, as shown in FIG. In this state, the top plate 103 and the ink 104 are present. Therefore, strictly speaking, the propagation path differs between the former and the latter. However, studies have shown that ink 14 does not have a negligible effect on the propagation path.

次に、スペーサー103に関して述べると、ブロックゲージのような矩形の断面形状を有するスペーサーを用いることも考えられる。しかし、種々の検討により、矩形のスペーサーを用いると、天板103を設置した際に共振が起こり、その結果、キャビテーション力の原波形の計測が困難になることが分かった。また、伝播経路への影響を減らすためにはスペーサー102と伝播媒体2の接触面積を可能な限り小さくすることが好ましい。これらのことを考慮し、本実施形態では、好適な例として円形の断面形状を有するピンゲージをスペーサー102として用いている。   Next, regarding the spacer 103, it is conceivable to use a spacer having a rectangular cross-sectional shape such as a block gauge. However, various studies have revealed that when a rectangular spacer is used, resonance occurs when the top plate 103 is installed, and as a result, it is difficult to measure the original waveform of the cavitation force. In order to reduce the influence on the propagation path, it is preferable to make the contact area between the spacer 102 and the propagation medium 2 as small as possible. In consideration of these points, in this embodiment, a pin gauge having a circular cross-sectional shape is used as the spacer 102 as a suitable example.

さらに、天板103に関して述べると、その音響インピーダンスが空気に近ければ伝播経路に無視できない程の影響を与えることはないと考えられる。種々の検討を行った結果、天板の材料にアクリル樹脂を用いることにより、天板103による伝播経路への影響を無視できる程度まで低減させることができた。そのため、本実施形態では、アクリル板を天板103に用いた。   Further, regarding the top plate 103, it is considered that the propagation path does not have a negligible influence if the acoustic impedance is close to air. As a result of various studies, it was possible to reduce the influence of the top plate 103 on the propagation path to a level that can be ignored by using acrylic resin as the material of the top plate. Therefore, in this embodiment, an acrylic plate is used for the top plate 103.

図24は、キャビテーション力による弾性波を計測した結果を示すグラフである。図22、23の構成にてキャビテーション力による弾性波測定を10回行った結果を図24(a)に重ねて示し、10回中の任意の1回の測定結果を(b)に、10回の積算(平均化)結果を(c)に示す。   FIG. 24 is a graph showing a result of measuring an elastic wave due to a cavitation force. The result of 10 times of elastic wave measurement by cavitation force in the configuration of FIGS. 22 and 23 is shown in FIG. 24 (a), and the measurement result of any one of 10 times is shown in FIG. The result of integration (averaging) is shown in (c).

図24(a)を見ると、キャビテーション力による信号領域では毎回ほぼ同じ波形が測定されており、本実施形態ではキャビテーション力の再現性が非常によいことが分かる。また、(b)と(c)のバックグラウンドノイズを比べると、積算によってバックグラウンドのランダムなノイズ成分のみが減少することが分かる。なお、図24では、図の見易さのため、インクジェットヘッドチップ上の信号が発生する前の領域のみのバックグラウンドノイズを示しているが、実際には、このノイズが計測波全体領域に存在する。   FIG. 24A shows that almost the same waveform is measured every time in the signal region due to the cavitation force, and in this embodiment, the reproducibility of the cavitation force is very good. Further, comparing the background noises of (b) and (c), it can be seen that only random noise components of the background are reduced by the integration. Note that FIG. 24 shows background noise only in the region before the signal on the inkjet head chip is generated for easy viewing, but this noise actually exists in the entire measurement wave region. To do.

ここでは、スペーサー102に用いたピンゲージの直径を一例として1144μmとする。この場合、インクジェットヘッドチップ7Bの表面から天板103として用いたアクリル板までの距離はおよそ500μmである。   Here, the diameter of the pin gauge used for the spacer 102 is 1144 μm as an example. In this case, the distance from the surface of the inkjet head chip 7B to the acrylic plate used as the top plate 103 is about 500 μm.

発泡ドライバ10を駆動させインクジェットヘッドチップ7Bのヒーター上に発泡現象を発生させる。このときキャビテーション力によって生じる弾性波は伝播系全体を伝播し、AEセンサー1によって検出される。AEセンサー1で検出された弾性波は、伝播系を介してオシロスコープ6で計測される。その計測波形V′(t)をフーリエにより周波数領域のV′(ω)に変換し、上述した数式(6)に従って平均化応答関数Gave(ω)で除算し、その後に逆フーリエ変換することによりキャビテーション力による弾性波の原波形P′(t)を定量的に求めることができる。 The foaming driver 10 is driven to generate a foaming phenomenon on the heater of the inkjet head chip 7B. At this time, the elastic wave generated by the cavitation force propagates through the entire propagation system and is detected by the AE sensor 1. The elastic wave detected by the AE sensor 1 is measured by the oscilloscope 6 through the propagation system. The measured waveform V ′ (t) is converted into V ′ (ω) in the frequency domain by Fourier, divided by the average response function G ave (ω) according to the above formula (6), and then subjected to inverse Fourier transform. Thus, the original waveform P ′ (t) of the elastic wave due to the cavitation force can be obtained quantitatively.

図25は、本実施形態の測定装置系を用い、上述した方法により求めた、発泡現象の原波形を示すグラフである。図25を見ると、発泡時の衝撃力とキャビテーション力が確認できる。図25を参照すると、およそ0.08Nのキャビテーション力が求められている。   FIG. 25 is a graph showing an original waveform of the foaming phenomenon obtained by the above-described method using the measuring apparatus system of the present embodiment. When FIG. 25 is seen, the impact force and cavitation force at the time of foaming can be confirmed. Referring to FIG. 25, a cavitating force of approximately 0.08 N is required.

次に、スペーサー102のサイズ変更によるキャビテーション力の制御について説明する。微小な衝撃力であるキャビテーション力を制御することにより、積算によるS/N比の向上や、各種保護膜材料の耐キャビテーション性の評価などがより容易となり好ましい。上述したように、インクジェットヘッドチップ上で生じるキャビテーション力は、インクジェットヘッドチップ上の液量によって変化するので、インクジェットヘッドチップ上の液量を制御すればキャビテーション力を制御できる。具体的には、壁101で囲まれた中に備えられるスペーサー102のサイズを変更することにより液量を任意に変化させることができる。これによりキャビテーション力を任意に変化させることができる。ここでは、スペーサー102として用いるピンゲージの直径を649μm、744μm、844μm、1144μm、1644μmと変化させたときのキャビテーション力の変化を見ることとする。   Next, control of the cavitation force by changing the size of the spacer 102 will be described. By controlling the cavitation force, which is a minute impact force, it is preferable because the S / N ratio can be improved by integration and the cavitation resistance of various protective film materials can be easily evaluated. As described above, the cavitation force generated on the ink jet head chip varies depending on the amount of liquid on the ink jet head chip. Therefore, the cavitation force can be controlled by controlling the liquid amount on the ink jet head chip. Specifically, the amount of liquid can be arbitrarily changed by changing the size of the spacer 102 provided inside the wall 101. Thereby, the cavitation force can be changed arbitrarily. Here, the change in cavitation force when the diameter of the pin gauge used as the spacer 102 is changed to 649 μm, 744 μm, 844 μm, 1144 μm, and 1644 μm is observed.

図26は、インクジェットヘッドチップ表面から天板までの距離に対するキャビテーション力の変化を示すグラフである。上述した各スペーサー102(ピンゲージ)を用いた場合のインクジェットヘッドチップ7B表面から天板103までの距離はそれぞれおよそ50μm、100μm、200μm、500μm、1000μmである。図26から、インク量の増減がキャビテーション力に著しい影響を与えることが分かる。   FIG. 26 is a graph showing a change in cavitation force with respect to the distance from the surface of the inkjet head chip to the top plate. When the spacers 102 (pin gauges) described above are used, the distances from the surface of the inkjet head chip 7B to the top plate 103 are approximately 50 μm, 100 μm, 200 μm, 500 μm, and 1000 μm, respectively. From FIG. 26, it can be seen that the increase or decrease in the ink amount significantly affects the cavitation force.

以上説明したように、本実施形態のキャビテーション力制御装置が、キャビテーション力測定におけるインクの状態変化(例えば蒸発によるインク量や粘度の変化など)を抑えて一定状態に保つので、所望の条件での測定が容易となり、測定精度を向上させることができる。また、誤差の少ない積算が可能となり、測定精度を向上させることができる。また、本実施形態によれば、等しいキャビテーション力を繰り返し発生させることができるので、保護膜の耐キャビテーション性の評価が容易となり、保護膜材料の開発に対して非常に有用である。   As described above, the cavitation force control device of the present embodiment suppresses ink state changes (for example, changes in ink amount and viscosity due to evaporation) in the cavitation force measurement and keeps them in a constant state. Measurement becomes easy and measurement accuracy can be improved. In addition, integration with less error is possible, and measurement accuracy can be improved. In addition, according to the present embodiment, since the same cavitation force can be repeatedly generated, it is easy to evaluate the cavitation resistance of the protective film, which is very useful for the development of the protective film material.

さらに、本実施形態によれば、キャビテーション力に影響があるパラメータ(インクの粘度や天板103の表面エネルギーなど)の抽出が容易に可能であり、それによりヒーター周辺部の最適設計が容易となる。   Furthermore, according to the present embodiment, it is possible to easily extract parameters (such as ink viscosity and the surface energy of the top plate 103) that affect the cavitation force, thereby facilitating optimal design of the heater peripheral portion. .

第1の実施形態における応答関数を求めるための測定装置系の構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the measuring apparatus system for calculating | requiring the response function in 1st Embodiment. 基準音源の原波形のパワースペクトルを示すグラフである。It is a graph which shows the power spectrum of the original waveform of a reference | standard sound source. 本実施形態における微小な衝撃力の計測波形を測定するための測定装置系の構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the measuring apparatus system for measuring the measurement waveform of the micro impact force in this embodiment. 基準音源として従来の直径0.8mmのボールベアリング用の軸受鋼球の自由落下衝突を用いて求めた、発泡現象による微小な衝撃力の原波形を示すグラフである。It is a graph which shows the original waveform of the micro impact force by the foaming phenomenon calculated | required using the free-fall collision of the conventional ball bearing steel ball bearing of 0.8 mm in diameter as a reference | standard sound source. 本実施形態の基準物体であるジルコニアボールを用いて求めた、発泡現象による微小な衝撃力の原波形を示すグラフである。It is a graph which shows the original waveform of the micro impact force by the foaming phenomenon calculated | required using the zirconia ball | bowl which is a reference | standard object of this embodiment. 衝突速度1.4m/sの場合の原波形のパワースペクトルを示すグラフである。It is a graph which shows the power spectrum of the original waveform in the case of collision speed 1.4m / s. 衝突速度2.8m/sの場合の原波形のパワースペクトルを示すグラフである。It is a graph which shows the power spectrum of the original waveform in the case of collision speed 2.8m / s. 質量を小さくした基準物体の形状を示す図である。It is a figure which shows the shape of the reference | standard object which made mass small. 質量をさらに小さくした基準物体の形状を示す図である。It is a figure which shows the shape of the reference | standard object which made mass further smaller. 質量0.2gの基準物体を用いた場合の基準音源の原波形のパワースペクトルを示すグラフである。It is a graph which shows the power spectrum of the original waveform of the reference | standard sound source at the time of using the reference | standard object of mass 0.2g. 条件5により求めた応答関数のパワースペクトルを示すグラフである。6 is a graph showing a power spectrum of a response function obtained under condition 5. 条件1〜5を平均化して求めた平均化応答関数のパワースペクトルを示すグラフである。It is a graph which shows the power spectrum of the averaged response function calculated | required by averaging conditions 1-5. 条件5のみから算出した応答関数G5(ω)を用いて求めた、発泡現象による衝撃力の原波形を示すグラフである。Was determined using the response function G 5 calculated from only the condition 5 (omega), is a graph showing the original waveform of the impact force due to foaming phenomenon. 条件1〜5から算出した平均化応答関数を用いて求めた、発泡現象による衝撃力の原波形を示すグラフである。It is a graph which shows the original waveform of the impact force by a foaming phenomenon calculated | required using the averaged response function calculated from conditions 1-5. ヤング率が3×1011N/m2、密度が3000kg/m3、曲率半径が0.5mm、衝突速度が1.0m/sという衝突条件における、衝突面が球面である物体の衝突による衝撃力のパワースペクトルを示すグラフである。Impact due to collision of an object having a spherical impact surface under a collision condition with a Young's modulus of 3 × 10 11 N / m 2 , a density of 3000 kg / m 3 , a radius of curvature of 0.5 mm, and a collision speed of 1.0 m / s It is a graph which shows the power spectrum of force. 衝突速度を0.5m/sにしたときのパワースペクトルを示すグラフである。It is a graph which shows a power spectrum when a collision speed is 0.5 m / s. ヤング率を2×1011N/m2にしたときのパワースペクトルを示すグラフである。It is a graph which shows a power spectrum when Young's modulus is 2 * 10 < 11 > N / m < 2 >. 密度を8000kg/m3にしたときのパワースペクトルを示すグラフである。It is a graph which shows a power spectrum when a density shall be 8000 kg / m < 3 >. 曲率半径を1.0mmとしたときのパワースペクトルを示すグラフである。It is a graph which shows a power spectrum when a curvature radius is 1.0 mm. 第6の実施形態における平均化応答関数を求めるための測定装置系の構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the measuring apparatus system for calculating | requiring the averaged response function in 6th Embodiment. 図20に示したキャビテーション力制御装置の構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the cavitation force control apparatus shown in FIG. キャビテーション力の弾性波を計測するための測定装置系の構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the measuring apparatus system for measuring the elastic wave of cavitation force. キャビテーション力を印加するときのキャビテーション力制御装置の構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the cavitation force control apparatus when applying a cavitation force. 第6の実施形態におけるキャビテーション力による弾性波を計測したグラフである。It is the graph which measured the elastic wave by the cavitation force in 6th Embodiment. 第6の実施形態におけるキャビテーション力の原波形を示すグラフである。It is a graph which shows the original waveform of the cavitation force in 6th Embodiment. インクジェットヘッドチップ表面から天板までの距離に対するキャビテーション力の変化を示すグラフである。It is a graph which shows the change of the cavitation force with respect to the distance from an inkjet head chip surface to a top plate. 一般的な原波形解析の流れの概略を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the outline of the flow of a general original waveform analysis. 衝突面が球面の物体が衝突するときに生じる衝撃力のパワースペクトルを示すグラフである。It is a graph which shows the power spectrum of the impact force produced when the object of which a collision surface is spherical.

符号の説明Explanation of symbols

1 AEセンサー
2 伝播媒体
7 インクジェットヘッドチップ
7B インクジェットヘッドチップ
8 基準物体落下装置
9 ジルコニアボール
91、92 基準物体
93 セラミックボール
10 発泡ドライバ
11、104 インク
100 キャビテーション力制御装置
101 壁
102 スペーサー
103 天板
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 AE sensor 2 Propagation medium 7 Inkjet head chip 7B Inkjet head chip 8 Reference object dropping device 9 Zirconia ball 91, 92 Reference object 93 Ceramic ball 10 Foaming driver 11, 104 Ink 100 Cavitation force control device 101 Wall 102 Spacer 103 Top plate

Claims (10)

測定対象物の所定の位置に基準物体を衝突させることで発生した基準弾性波の原波形を伝播系を介して計測した基準弾性波の計測波形と、前記測定対象物の前記所定の位置に微小な衝撃力を加えることによって発生した微小弾性波の原波形を前記伝播系を介して計測した微小弾性波の計測波形と、を得るステップと、
前記基準弾性波の原波形と前記基準弾性波の計測波形とを用いて前記伝播系の応答関数を求めるステップと、
前記微小弾性波の計測波形と、前記応答関数と、を用いて前記微小弾性波の原波形を求めるステップと、を有し、
前記基準弾性波の原波形のパワースペクトルの周波数領域の極小点が650KHz以上の周波数に位置する条件で、前記基準物体を前記所定の位置に衝突させることを特徴とする微小弾性波の原波形測定方法。
A reference elastic wave measurement waveform obtained by measuring the original waveform of a reference elastic wave generated by colliding a reference object with a predetermined position of the measurement object through a propagation system, and a minute amount at the predetermined position of the measurement object. Obtaining a measurement waveform of a micro elastic wave obtained by measuring an original waveform of a micro elastic wave generated by applying a simple impact force through the propagation system;
Obtaining a response function of the propagation system using an original waveform of the reference elastic wave and a measurement waveform of the reference elastic wave;
Obtaining the original waveform of the minute elastic wave using the measurement waveform of the minute elastic wave and the response function,
The original waveform measurement of a minute elastic wave characterized by causing the reference object to collide with the predetermined position under the condition that the minimum point in the frequency region of the power spectrum of the original waveform of the reference elastic wave is located at a frequency of 650 KHz or higher. Method.
前記基準物体を前記所定の位置に衝突させる条件を変えて複数回衝突させることで、前記基準弾性波の原波形のパワースペクトルの極小点がそれぞれ異なる周波数に現れるようにし、前記複数の基準弾性波の原波形と、前記複数回の衝突により計測された前記基準弾性波の計測波形と、から、前記応答関数を複数算出して平均化することを特徴とする請求項1に記載の微小弾性波の原波形測定方法。   By changing the condition for causing the reference object to collide with the predetermined position, the minimum point of the power spectrum of the original waveform of the reference elastic wave appears at different frequencies, and the plurality of reference elastic waves 2. The microelastic wave according to claim 1, wherein a plurality of the response functions are calculated and averaged from the original waveform of and a measured waveform of the reference elastic wave measured by the plurality of collisions. Original waveform measurement method. 前記基準物体の衝突面は球面を有し、該球面の曲率半径と、該基準物体のヤング率と、密度と、質量と、ポアソン比と、材質と、該基準物体を前記測定対象物に衝突させる速度と、該基準物体が前記測定対象物に衝突している時間と、
の少なくとも1つを所定の値にすることで、
前記基準弾性波の原波形のパワースペクトルの周波数領域の極小点が650KHz以上の周波数に位置することを特徴とする請求項1または2に記載の微小弾性波の原波形測定方法。
The collision surface of the reference object has a spherical surface, and the radius of curvature of the spherical surface, the Young's modulus of the reference object, the density, the mass, the Poisson's ratio, the material, and the reference object collide with the measurement object. The speed at which the reference object collides with the object to be measured, and
By setting at least one of the values to a predetermined value,
The method for measuring an original waveform of a minute elastic wave according to claim 1 or 2, wherein a minimum point in a frequency region of a power spectrum of the original waveform of the reference elastic wave is located at a frequency of 650 KHz or more.
前記測定対象物は液体に熱エネルギーを付与するヒーターを有するインクジェットヘッドチップであり、前記微小な衝撃力は前記インクジェットチップ上の液体に前記ヒーターから熱エネルギーを付与することで前記液体に生じる発泡現象による衝撃力であることを特徴とする、請求項1〜3のいずれかに記載の微小弾性波の原波形測定方法。   The object to be measured is an inkjet head chip having a heater for applying thermal energy to the liquid, and the minute impact force is generated in the liquid by applying thermal energy from the heater to the liquid on the inkjet chip. The method for measuring an original waveform of a minute elastic wave according to any one of claims 1 to 3, wherein the force is an impact force caused by the wave. 前記インクジェットヘッドチップ上に付与する前記液体の液量を制御することにより前記発泡現象による衝撃力を制御することを特徴とする、請求項4記載の微小弾性波の原波形測定方法。   The method for measuring an original waveform of a minute elastic wave according to claim 4, wherein the impact force due to the foaming phenomenon is controlled by controlling the amount of the liquid applied onto the inkjet head chip. 測定対象物と、前記測定対象物の所定の位置で発生した弾性波を計測する計測手段と、を含む伝播系を有する弾性波の原波形測定装置であって、
前記測定対象物の前記所定の位置に基準物体を衝突させることで発生する基準弾性波の原波形のパワースペクトルの周波数領域における極小点が、650KHz以上の周波数に位置するように、前記測定対象物の前記所定の位置に前記基準物体を衝突させることで、前記基準弾性波の原波形を発生させる手段を有することを特徴とする微小弾性波の原波形測定装置。
An elastic wave original waveform measuring apparatus having a propagation system including a measurement object and a measurement means for measuring an elastic wave generated at a predetermined position of the measurement object,
The measurement object so that the minimum point in the frequency region of the power spectrum of the original waveform of the reference elastic wave generated by colliding the reference object with the predetermined position of the measurement object is located at a frequency of 650 KHz or more. An apparatus for measuring an original waveform of a minute elastic wave, comprising means for generating an original waveform of the reference elastic wave by causing the reference object to collide with the predetermined position.
前記測定対象物は液体に熱エネルギーを付与するヒーターを有するインクジェットヘッドチップであり、
前記弾性波は、前記インクジェットヘッドチップ上の液体に前記ヒーターから熱エネルギーを付与することで前記液体に生じる発泡現象による衝撃力による弾性波であることを特徴とする請求項6に記載の微小弾性波の原波形測定装置。
The measurement object is an inkjet head chip having a heater for applying thermal energy to a liquid,
7. The microelasticity according to claim 6, wherein the elastic wave is an elastic wave due to an impact force caused by a foaming phenomenon generated in the liquid by applying thermal energy from the heater to the liquid on the inkjet head chip. Wave original waveform measuring device.
前記インクジェットヘッドチップ上の前記発泡現象が生じる領域を含む範囲を囲む壁と、
前記壁の内側に配置されるスペーサーと、
前記壁に囲まれた範囲に付与される前記液体の上に配置され、前記スペーサーにより支持される天板と、
を更に有することを特徴とする、請求項7に記載の微小弾性波の原波形測定装置。
A wall surrounding a range including a region where the foaming phenomenon occurs on the inkjet head chip;
A spacer disposed inside the wall;
A top plate disposed on the liquid provided in a range surrounded by the wall and supported by the spacer;
The apparatus for measuring an original waveform of a minute elastic wave according to claim 7, further comprising:
前記スペーサーは断面が円形であることを特徴とする、請求項8に記載の微小弾性波の原波形測定装置。   The apparatus of claim 8, wherein the spacer has a circular cross section. 前記天板の材料がアクリル樹脂であることを特徴とする、請求項8または9に記載の微小弾性波の原波形測定装置。   The apparatus for measuring an original waveform of minute elastic waves according to claim 8 or 9, wherein a material of the top plate is an acrylic resin.
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