JP2008076055A - 超音波伝播時間測定装置および超音波伝播時間測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 測定者の熟練や負担を要することなく、簡易に正確な測定が可能な超音波伝播時間測定装置および超音波伝播時間測定方法を提供する。
【解決手段】 超音波探触子と、
被測定物を超音波探触子に押圧するための押圧手段を有し、
前記押圧手段は前記超音波探触子と対になって被測定物を押圧する押圧部材を含み、
前記超音波探触子と前記押圧部材によって、被測定物を保持すると共に超音波探触子に押圧する超音波伝播時間測定装置。
超音波探触子と、
被測定物を超音波探触子に押圧するための押圧手段を用い、
超音波探触子と被測定物の間に接触媒質を介在させ、
前記超音波探触子と前記押圧手段によって被測定物を挟んで押圧し、押圧してから一定時間の後に測定する超音波伝播時間測定方法。
【選択図】図１

Description

本発明は被測定物の厚さやヤング率等を測定するための超音波伝播時間測定装置および超音波伝播時間測定方法に関し、特に超音波探触子と被測定物との位置関係を安定して保持する装置および方法に関するものである。

被測定物の厚さやヤング率等を測定する為に、超音波伝播時間測定装置を用いた測定が行われている。
これは超音波探触子から被測定物の被測定面上に向けて発射された超音波が、被測定物のもう一方の面で反射し、再度超音波探触子に到達するまでの時間を測定し、その値を利用して厚さやヤング率を導きだしている。
このような超音波伝播時間測定においては、超音波探触子をゲル状や液状の接触媒質を介して被測定物に押し当て測定を実施する。
正確な測定値を得るためには、超音波探触子は被測定物に対し一定圧力で垂直に押し当て、かつ接触媒質による被膜が均一になるまで一定時間保持してから測定する必要がある。

従来の測定は、超音波探触子を保持手段に保持させ、当該保持手段を測定者が手で被測定物に押し当てることによって行われていた。
この保持手段はバネ等の作用により所定の圧力、および角度で超音波探触子を押付けることが出来るように構成されている。（例えば特許文献１および特許文献２参照）
しかしながら、この様な保持具を用いても測定者の保持の仕方によって角度、圧力が一定にならない場合が多く、正確な測定を行うためには測定者に熟練が必要であった。
また、接触媒質による被膜が均一になるまで、測定者が保持手段を一定時間保持し続ける必要があるため、測定者に多大な負担が要求されていた。
特許文献３にはハンドリング装置により超音波探触子を被測定物に対して固定する超音波厚さ計が開示されている。
この超音波厚さ計は超音波探触子の押圧力に対して動かないような大型の被測定物の場合は問題ないが、小さな測定物の場合は被測定物の固定が必要であるため、装置が煩雑となり、被測定物を固定するための工程が別途必要となる。
実開平７−３４３０９号公報 特開平７−２１８２４４号公報 特開平６−１１３２９号公報

本発明は、上記の問題を解決し、測定者の熟練や負担を要することなく、簡易に正確な測定が可能な超音波伝播時間測定装置および超音波伝播時間測定方法を提供するものである。

本発明は以下の手段により上記の課題を解決する。
（構成１）
超音波探触子と、
被測定物を超音波探触子に押圧するための押圧手段を有し、
前記押圧手段は前記超音波探触子と対になって被測定物を押圧する押圧部材を含み、
前記超音波探触子と前記押圧部材によって、被測定物を保持すると共に超音波探触子に押圧する超音波伝播時間測定装置。
（構成２）
前記押圧手段は、重力、弾性力、磁力、電磁力、もしくは気体の膨張力を利用したもの、またはそれらうちの２以上を利用したものである構成１に記載の超音波伝播時間測定装置。
（構成３）
前記押圧手段は、超音波探触子の上方に位置し、
鉛直方向に自由に動くように保持されている押圧部材を含み、
押圧部材の自重によって被測定物を押圧する構成１に記載の超音波伝播時間測定装置。
（構成４）
前記押圧手段は、押圧方向に動くように保持されている押圧部材と、
押圧部材を押圧する弾性体とを含み、
弾性体の弾性力、又は弾性体の弾性力と押圧部材の自重によって被測定物を押圧する構成１に記載の超音波伝播時間測定装置。
（構成５）
前記押圧部材は弾性体を含む構成１〜４のいずれかに記載の超音波伝播時間測定装置。
（構成６）
超音波探触子と、被測定物を超音波探触子に押圧するための押圧手段を用い、
超音波探触子と被測定物の間に接触媒質を介在させ、
前記超音波探触子と前記押圧手段によって被測定物を挟んで押圧し、押圧してから一定時間の後に測定する超音波伝播時間測定方法。
（構成７）
前記押圧手段は、重力、弾性力、磁力、電磁力、もしくは気体の膨張力を利用したもの、またはそれらうちの２以上を利用したものである構成６に記載の超音波伝播時間測定方法。
（構成８）
前記押圧手段は、超音波探触子の上に位置し、
鉛直方向に自由に動くように保持されている押圧部材を含み、
押圧部材の自重によって被測定物を押圧する構成６に記載の超音波伝播時間測定方法。
（構成９）
前記押圧手段は、押圧方向に動くように保持されている押圧部材と、
押圧部材を押圧する弾性体とを含み、
弾性体の弾性力及び／又は押圧部材の自重によって被測定物を押圧する構成６に記載の超音波伝播時間測定方法。
（構成１０）
前記押圧部材に含まれる弾性体によって、被測定物及び／又は超音波探触子の微小な傾き及び／又はずれを吸収する構成６〜９のいずれかに記載の超音波伝播時間測定方法。

本発明によれば、測定者の熟練や負担を要することなく、垂直にかつ一定の圧力で超音波探触子を被測定物に押し当てることが可能となる。
また、超音波探触子及び被測定物を測定者が保持していなくても、接触媒質による被膜が均一になるまでの一定時間、超音波探触子と被測定物の位置関係を保持することが可能となり、測定者の負担が軽減される。

本発明を詳細に説明する。
本発明の超音波伝播時間測定装置は、超音波探触子と押圧手段を有している。
この押圧手段は被測定物を超音波探触子に一定の圧力で押圧するために備えられている。
また、押圧手段は被測定物に直接接触して押圧する押圧部材を含んでいる。
この構成によって、押圧手段の作用により、超音波探触子と押圧部材とが対になって被測定物を挟んで保持するとともに、押圧部材が超音波探触子に被測定物を一定の圧力で押圧する。
このため、測定者は被測定物を保持する必要がなく、また被測定物を押圧する押圧力は測定者の保持によらず一定とすることができる。
超音波探触子は本発明の装置構成部材に連結してその位置が一定の範囲に規制されているかまたは固定されている。そのため、板状体の被測定物が押圧部材によって超音波探触子の測定面に押圧されると、被測定物の面が超音波探触子の測定面に沿うことになり、必然的に被測定物の面に対して超音波探触子が垂直に押し当てられることとなる。

超音波探触子は市販のものを使用できるが、例えばパナメトリクス社のウルトラソニックトランスデュウサを使用できる。

前記押圧手段は、重力、弾性力、磁力、電磁力、もしくは気体の膨張力を利用したもの、またはそれらうちの２以上を利用したもので構成することが出来る。
重力を利用したものは押圧部材の自重による押圧、弾性力を利用したものはゴム、バネ等の弾性体、磁力を利用したものは磁石、電磁力を利用したものはソレノイドやモーター、気体の膨張力を利用したものはエアシリンダ等が例示される。
前記押圧手段はこれらの力を単独で、または組み合わせて利用し、必要に応じて公知の機構を利用して、直線方向の押圧力に転換するものであれば良い。
これらの押圧手段を用いることにより一定の押圧力を発生することが可能であり、本発明の超音波伝播時間測定装置に適用できる。
さらに、以下に記載する押圧手段を有する場合は装置の構成が単純であり、装置のメンテナンスが容易になり、製造や維持のコストも低減されるため好ましい。

押圧手段は、例えばある質量をもつ押圧部材と、それを鉛直方向に自由に動くように支持する押圧部材支持部材を含む。この押圧手段は超音波探触子の上方に位置している。
この時、超音波探触子の中心軸と押圧部材の中心軸が一致していると被測定物の面が超音波探触子の測定面に沿いやすくなるため好ましい。
この構成では押圧部材に作用する重力、換言すれば押圧部材の自重が、押圧部材を介して被測定物を超音波探触子に押圧する。
押圧部材は略鉛直方向に自由に動く事が可能であるが、自由に動く長さは測定する板厚を超える長さであればよい。
すなわち、超音波探触子に接している押圧部材を持ち上げ、板状体を挟むことが出来る長さである。
押圧部材はこの長さを略鉛直方向に自由に動くことが出来、所定の質量を有するものであればどのような形でも良い。このように押圧部材の質量を所定の値とすることによって、一定の力で被測定物を超音波探触子に押圧することが可能となる。
押圧部材の形としては円柱状、楕円柱状、四角柱状などが例示される。
例示されたこれらの形は市販の材料を用いて少ない加工で押圧部材とすることができるため好ましい。

押圧部材の質量は被測定物の形状や質量により適宜設定すれば良い。
例えば直径６５ｍｍから９５ｍｍ程度、質量5ｇから３０ｇ程度のハードディスク基板用のガラス材料又は結晶化ガラス材料を被測定物とする場合、押圧部材の質量の下限は２００ｇ以上が好ましく、３００ｇ以上がより好ましく、４００ｇ以上が最も好ましい。
同様に押圧部材の質量の上限は６００ｇ以下が好ましく、７００ｇ以下がより好ましく、８００ｇが最も好ましい。
また、押圧部材に作用する重力を利用できれば良いので、押圧部材が動く方向は鉛直方向でなくとも良く、傾きがあってもよい。
押圧部材が動く方向が鉛直方向であれば押圧部材に作用する重力が被測定物を押圧する押圧力とほぼ等しくなるため、装置の設計が容易となるので好ましい。

また押圧手段の第２形態として、押圧手段は押圧部材を押圧する弾性体と、押圧部材が押圧方向に動くように保持する押圧部材支持部材を含む。
弾性体は一端が押圧部材を押圧し、他端の伸張は規制されている。弾性体の端部は他の部材に固定していなくとも良いが、一端または両端が他の部材に固定されていても良い。 超音波探触子と押圧手段の位置関係は特に制限されないが、超音波探触子の中心軸と押圧部材の中心軸が一致していると被測定物の面が超音波探触子の測定面に沿いやすくなるため好ましい。
この構成では押圧部材に作用する弾性体の弾性力が、押圧部材を介して被測定物を超音波探触子に押圧する。
押圧部材が動く方向によっては、押圧部材や弾性体に作用する重力と弾性体の弾性力の合力が押圧部材を介して被測定物を超音波探触子に押圧する。
押圧部材が動く方向はどの様な方向でも良く、特に制限されない。
弾性体は特に制限されないが、コイルバネ、板バネ、密封された気体、天然ゴム、又はブタジエンゴム、ブチルゴム、エチレン−プロピレンゴム、シリコーンゴム、ニトリルゴム、クロロプレンゴム、フッ素ゴム、シリコーンゴム、若しくはウレタンゴム等のエラストマーが使用できる。
押圧力は弾性体の長さをあらかじめ設定するか、弾性体の一端を固定する固定部分の位置を調整することによって、被測定物を挟んだ時の弾性体の圧縮量を変えることで調整することができる。

重力のみを利用した押圧手段は被測定物の板厚によらず常に一定の力で押圧できる点で弾性体を利用した押圧手段よりも好ましい。

本発明の超音波伝播時間測定装置は定盤を基礎として装置全体を支える構造とすれば、装置が安定し、被測定物を安定して保持することが出来るため好ましい。
例えばハードディスク基板用のガラス材料または結晶化ガラス材料を測定する用途で本発明の測定装置を使用する場合、被測定物を安定して保持するため定盤の質量の下限は４００ｇが好ましく、５００ｇがより好ましく、６００ｇが最も好ましい。
また、装置が不要に大きくなら無いために、定盤の質量の上限は１０００ｇが好ましく、９００ｇがより好ましく、８００ｇが最も好ましい。

超音波探触子および押圧部材は、前記定盤上又は定盤に支持される装置構成部材に連結又は固定されている事が好ましい。
この様に装置を構成する事で、超音波探触子と押圧部材が対になって安定して被測定物を保持し易くなるためである。
また、超音波伝播時間測定装置にＸＹステージを設け、そのＸＹステージ上に超音波探触子又は押圧部材を固定すれば、ＸＹステージによって押圧部材と超音波探触子の相対位置を微調整することが可能となり、押圧部材の中心軸と超音波探触子の中心軸を一致させやすくなるためより好ましい。
被測定物のヤング率を測定する場合、縦波と横波についてそれぞれ測定する必要があり、その度に超音波探触子を変更する必要がある。そのため、超音波探触子は脱着可能に固定されていることがより好ましい。

押圧手段が弾性力、又は気体の膨張力を利用するものである場合、超音波探触子と押圧部材は装置を構成する機構によってその位置関係が規制されている事が好ましい。
これらの位置関係が全く規制されていないと被測定物を保持する事が出来ないからである。

押圧部材の材質は特に制限されず、金属、樹脂等を用いることができる。
重力を利用した押圧手段の場合は比重が大きい材料であれば押圧部材をコンパクトにすることができる。
ステンレス材であれば樹脂等に比較して比重も大きく、錆びにくいため好ましい。
また、押圧部材は単一の材質でなくとも良く、例えば被測定物と接する部分を弾性体としてもよい。
このように被測定物と接する部分を弾性体とすることにより、被測定物や超音波探触子の微妙な傾きやずれを弾性体の弾性によって吸収し、被測定物を超音波探触子に対して垂直に押圧することができる。
押圧部材に使用する弾性体はコイルバネ、板バネ、密封された気体、天然ゴム、ブタジエンゴム、ブチルゴム、エチレン−プロピレンゴム、シリコーンゴム、ニトリルゴム、クロロプレンゴム、フッ素ゴム、シリコーンゴム、ウレタンゴム等を使用できるが、化学的耐久性が高く、傾きやずれを吸収するために適度な弾性を有する点からシリコーンゴムが好ましい。

本発明の板圧測定方法は、本発明の板圧測定装置を用い、超音波探触子の測定面に液状またはゲル状の接触媒質を塗布し、押圧部材と超音波探触子で被測定物を挟み、一定時間（３０秒〜５分）経過後に測定することによって行われる。
被測定物は押圧部材と超音波探触子で挟まれることによって一定の圧力で垂直に超音波探触子に押圧され、安定して保持される。
接触媒質は被測定物と超音波探触子との間で被膜状になっているが、被測定物を挟んだ後に一定時間を置く事によって被膜の状態が安定し正確な測定が可能となる。
測定前にはＸＹステージを調整し、超音波探触子の中心軸と押圧部材との中心軸を揃えておく事が好ましい。

接触媒質としては、市販のものを使用できるが、例えば、水、パナメトリクス社製カプラントＡまたはＳＷＣ−２２Ｊ、東芝タンガロイ社製タンソニックオイルＳＨ−Ｌ等が挙げられる

本発明の超音波伝播時間測定装置および板厚測定方法は、板状の材料の測定に広く適用できるが、人間が手で扱える様な比較的小型のもの、特にハードディスク用のガラス基板、結晶化ガラス基板の測定に好適である。

以下添付図面を参照して、本発明の実施の態様について説明する。
本発明はこれらの実施例によって限定されるものではない。

〔実施例１〕
図１及び図２を参照して本発明の超音波伝播時間測定装置の一態様を説明する。
図１は本実施例の装置の正面図であり、図２は上面図である。
この超音波伝播時間測定装置は定盤３にＸＹステージ５及び支柱４が固定されている。
定盤３は縦１５２ｍｍ、横１５２ｍｍ、高さ１３ｍｍであり、質量は７００ｇである。
ＸＹステージ５の上部には超音波探触子１が固定され、ＸＹステージ５を調整することによって、超音波探触子１の位置を微調整できるようになっている。
支柱４には板状の押圧部材支持部材２２が固定され、さらに直径１９．９ｍｍ、長さ２００ｍｍの円柱状のステンレス棒２１が押圧部材支持部材２２に設けられた貫通穴を貫通して、超音波探触子１の上方に位置している。
この貫通穴の直径は２０．０ｍｍであり、直径１９．９ｍｍのステンレス棒２１の直径よりわずかに大きいため、ステンレス棒２１は鉛直方向には自由に動くことができるが、水平方向には動かない様に押圧部材支持部材２２によって支持されている。
ステンレス棒２１の下端にはシリコーンゴム２３が取り付けられており、被測定物が無い場合、押圧部材の自重によってシリコーンゴム２３は超音波探触子１の測定面を押圧している。
本実施例においてはステンレス棒２１とシリコーンゴム２３が押圧部材を構成しており、この押圧部材と押圧部材支持部材２２によって押圧手段を構成している。
ステンレス棒２１とシリコーンゴム２３の合計の質量は５００ｇである。
超音波探触子１には信号を演算する演算し、測定結果を表示する超音波伝播時間測定計６が接続されている。
超音波伝播時間測定計６を除いた本装置の重量は２１００ｇ、寸法は縦１５２ｍｍ、横152ｍｍ、高さ２９０ｍｍである。

本実施例の装置による測定は以下の様に行う。
まず、ＸＹステージ５により、超音波探触子１と押圧部材の中心軸が一致するように調整をする。 この調整は測定の度に行う必要は無い。
次に超音波探触子１の測定面に接触媒質を塗布し、超音波探触子１と押圧部材の間に被測定物９を挟み込む。（図３参照）
押圧部材の自重によって、被測定物は超音波探触子に一定の圧力で押圧されると共に保持される。
その後、接触媒質による被膜が均一になるまで一定時間保持をした後に超音波伝播時間測定計６によって測定するのであるが、被測定物は当該装置によって一定の圧力で押圧されると共に保持されているため、測定者は被測定物及び超音波探触子を保持する必要が無く、正確な測定が可能となる。

〔実施例２〕
次に図４、図５、図６を参照して本発明の超音波伝播時間測定装置の他の態様を説明する。
図４は本実施例の装置の正面図であり、図５、図６は本実施例の装置の押圧手段の断面図である。
この超音波伝播時間測定装置は定盤３にＸＹステージ５及び支柱４が固定されている。
定盤３は縦１５２ｍｍ、横１５２ｍｍ、高さ１３ｍｍであり、質量は７００ｇである。
ＸＹステージ５の上部には超音波探触子１が固定され、ＸＹステージ５を調整することによって、超音波探触子１の位置を微調整できるようになっている。
支柱４には連結部材８を介して押圧部材支持部材２２が固定されている。
押圧部材支持部材２２は一端が開口する内径２０ｍｍの円筒状になっており、内部にはコイルバネ７１と直径１９．９ｍｍのステンレス棒２１が挿入されている。
ステンレス棒２１は鉛直方向には動くことができるが、水平方向には動かない様に押圧部材支持部材２２によって支持されている。
コイルバネ７１の上端は押圧部材支持部材２２の上部に設けられた調整ネジ２４の下端に固定され、コイルバネ７１の下端はステンレス棒の上端を押圧している。
ステンレス棒２１の下端にはシリコーンゴム２３が取り付けられており、被測定物が無い場合、コイルバネ７１の弾性力とステンレス棒２１、シリコーンゴム２３の自重によって、シリコーンゴム２３は超音波探触子１の測定面を押圧している。
本実施例においてはステンレス棒２１とシリコーンゴム２３が押圧部材を構成しており、この押圧部材と押圧部材支持部材２２とコイルバネ７１と調整ネジ２４によって押圧手段を構成している。
また、調整ネジ２４を調整し、コイルバネ７１の圧縮量を変えることによって、押圧力を調整できるようになっている。
本実施例の変形例としては、コイルバネ７１に代えて、図６の様に円柱状のエラストマー７２でも良い。
超音波探触子１には信号を演算し、測定結果を表示する表示部を備えた超音波伝播時間測定計６が接続されている。

本実施例の装置による測定は以下の様に行う。
まず、ＸＹステージ５により、超音波探触子１と押圧部材の中心軸が一致するように調整をする。
この調整は測定の度に行う必要は無い。
次に超音波探触子１の測定面に接触媒質を塗布し、超音波探触子１と押圧部材の間に被測定物９を挟み込む。
押圧部材の自重とコイルバネの弾性力によって、被測定物は超音波探触子に一定の圧力で押圧されると共に保持される。
その後、接触媒質による被膜が均一になるまで一定時間保持をした後に超音波伝播時間測定計６によって測定するのであるが、被測定物は当該装置によって一定の圧力で押圧されると共に保持されているため、測定者は被測定物及び超音波探触子を保持する必要が無く、正確な測定が可能となる。

〔実施例３〕
次に図７を参照して、実施例２の変形例である本発明の超音波伝播時間測定装の他の態様を説明する。
図７は本実施例の正面図である。
本実施例の押圧手段は実施例２の押圧手段を９０度回転しており、押圧部材が水平方向に押圧する構成となっている。
この構成によれば、押圧力はコイルバネ７１の弾性力のみによって得られる。

実施例１の超音波伝播時間測定装置の正面図である。 実施例１の超音波伝播時間測定装置の側面図である。 被測定物を保持した状態を表わす実施例１の超音波伝播時間測定装置の正面図である。 実施例２の超音波伝播時間測定装置の正面図である。 実施例２の超音波伝播時間測定装置の押圧手段の断面図である。 実施例２の超音波伝播時間測定装置の押圧手段の変形例の断面図である。 実施例３の超音波伝播時間測定装置の正面図である。

符号の説明

１ 超音波探触子
２１ ステンレス棒
２２ 押圧部材支持部材
２３ シリコーンゴム
３ 定盤
４ 支柱
５ ＸＹステージ
６ 超音波伝播時間測定計
７１ コイルバネ
７２ エラストマー

Claims (10)

1. 超音波探触子と、
   被測定物を超音波探触子に押圧するための押圧手段を有し、
   前記押圧手段は前記超音波探触子と対になって被測定物を押圧する押圧部材を含み、
   前記超音波探触子と前記押圧部材によって、被測定物を保持すると共に超音波探触子に押圧する超音波伝播時間測定装置。
2. 前記押圧手段は、重力、弾性力、磁力、電磁力、もしくは気体の膨張力を利用したもの、またはそれらうちの２以上を利用したものである請求項１に記載の超音波伝播時間測定装置。
3. 前記押圧手段は、超音波探触子の上方に位置し、
   鉛直方向に自由に動くように保持されている押圧部材を含み、
   押圧部材の自重によって被測定物を押圧する請求項１に記載の超音波伝播時間測定装置。
4. 前記押圧手段は、押圧方向に動くように保持されている押圧部材と、
   押圧部材を押圧する弾性体とを含み、
   弾性体の弾性力、又は弾性体の弾性力と押圧部材の自重によって被測定物を押圧する請求項１に記載の超音波伝播時間測定装置。
5. 前記押圧部材は弾性体を含む請求項１〜４のいずれかに記載の超音波伝播時間測定装置。
6. 超音波探触子と、被測定物を超音波探触子に押圧するための押圧手段を用い、
   超音波探触子と被測定物の間に接触媒質を介在させ、
   前記超音波探触子と前記押圧手段によって被測定物を挟んで押圧し、押圧してから一定時間の後に測定する超音波伝播時間測定方法。
7. 前記押圧手段は、重力、弾性力、磁力、電磁力、もしくは気体の膨張力を利用したもの、またはそれらうちの２以上を利用したものである請求項６に記載の超音波伝播時間測定方法。
8. 前記押圧手段は、超音波探触子の上に位置し、
   鉛直方向に自由に動くように保持されている押圧部材を含み、
   押圧部材の自重によって被測定物を押圧する請求項６に記載の超音波伝播時間測定方法。
9. 前記押圧手段は、押圧方向に動くように保持されている押圧部材と、
   押圧部材を押圧する弾性体とを含み、
   弾性体の弾性力及び／又は押圧部材の自重によって被測定物を押圧する請求項６に記載の超音波伝播時間測定方法。
10. 前記押圧部材に含まれる弾性体によって、被測定物及び／又は超音波探触子の微小な傾き及び／又はずれを吸収する請求項６〜９のいずれかに記載の超音波伝播時間測定方法。
    
    
    
    
    
    
    
    

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