JP2818615B2

JP2818615B2 - 超音波計測装置

Info

Publication number: JP2818615B2
Application number: JP2146311A
Authority: JP
Inventors: 富男遠藤; 雅弘青木; 毅山岸
Original assignee: Olympus Optic Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1990-06-06
Filing date: 1990-06-06
Publication date: 1998-10-30
Anticipated expiration: 2013-10-30
Also published as: JPH0440309A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、超音波を用いて試料の厚さを測定すること
のできる超音波計測装置に関する。

〔従来の技術〕

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

ここで、発振器１の周波数ｆを変化させてゆくと、試
料４中の超音波の波長λが変化する。試料４の厚さｄと
半波長の整数倍（ｎ）が等しくなるとき、つまりｎλ/2＝ｄ …（１）といった条件が成立するときに、試料４の中で正常波が
生じ、共振する。この共振時に生じた超音波振動エネル
ギーは、探触子２で電気に変換され、発振器１の電流が
増加する。この発振器１の電流は増幅器５で増幅されて
オシロスコープ６に表示される。よって、発振器１の周
波数を変化させると、オシロスコープ６のブラウン管に
は第９図のような波形が表示される。山の部分が共振を
生じている周波数である。山の部分の周波数をf₁,f₂,
…,f_n,f_n+1…と表わせば（１）式よりｄ＝nV/2f_n …（２） V:音速となるので、ｎとＶがわかれば、試料４の厚さｄを求め
ることができる。

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

ｄ＝V/2（f_n+1−f_n） …（３）一方、送信波に単発パルスを使用し、試料４からの反
射波を取り出して反射波のパワースペクトルから試料の
厚さを求める方法もある。

試料からの反射波のパワースペクトルは、第10図のよ
うに、試料の上面および下面からの両反射波の干渉によ
って山や谷を生じる。この谷の時の周波数f₁,f₂,f₃,…
を抽出し、それぞれの周波数が、 f₁の整数倍のときはｄ＝V/2f₁ …（４）奇数倍のときはｄ＝V/4f₁ …（５）となり、（４），（５）式より試料の厚さｄ算出するこ
とができる。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、上述した周波数を可変させる超音波厚
み計測装置は、試料の厚さを計測するのに長時間を要
し、高速な計測を行うことができないという問題があ
る。すなわち、周波数として連続波を使用しており、共
振の起こる周波を見つけるために連続的に周波数を変化
させる必要があるため、一回の測定に時間がかかってし
まう。

また、送信波として単発パルスを使用する超音波厚み
計測装置は、低周波数領域では雑音による影響によって
正確な測定を行うことができないという問題がある。す
なわち、パワースペクトルの谷の周波数の並びがf₁の整
数倍か奇数倍かで判定を行ない、f₁から厚さｄを求める
ため、試料が厚くなるほどf₁の周波数は低くなり、低い
周波数ではパワースペクトルの強度も小さいため、雑音
で生じる谷とパワースペクトルの強度による谷との区別
がつかなくなる。例えば、送信側の周波数が50MHzの場
合には、パワースペクトルは10MHz程度、送信側が10MHz
ではパワースペクトルは4MHz程度が下限となる。従って
数mm程度の厚さになると試料の厚さの計測は不可能であ
った。

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

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

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

〔課題を解決するための手段〕

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

〔作用〕

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

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

〔実施例〕

以下、本発明の実施例について説明する。

第１図は本発明の実施例となる超音波計測装置を示す
図である。

この装置の超音波送受信手段は、送信パルスを発生さ
せるパルス送信部10、パルス送信部10で発生する送信パ
ルスを超音波に変換するトランスジューサ11、トランス
ジューサ11で発生した超音波パルスを微小スポットに集
束する音響レンズ12で構成されている。音響レンズ12か
ら送波される超音波の焦点付近には試料13が試料載置容
器14内に載置されている。この試料載置容器14内にはカ
プラ液体15が入れられており、音響レンズ12と試料13と
の間を満たしている。試料13に入射した超音波は試料13
の上面および下面で反射し再び音響レンズ12を通り、ト
ランスジューサ11で電気信号（以下、「反射波信号」と
呼称する）に変換されて、前置増幅器16に入力される。
前置増幅器16の出力側にはゲート部17が接続され、ゲー
ト部17で試料13の上面，下面からの反射波（以下、「試
料反射波」と呼称する）を抽出する。このゲート部17の
出力にはサンプリング部18が接続されており、抽出され
た反射波をサンプリングする。このサンプリングされた
反射波は、A/D変換部19でディジタル信号に変換され
る。パルス送信部10,ゲート部17,サンプリング部18,A/D
変換部19はそれぞれパルス制御部20に接続されていて、
このパルス制御部20からパルス送信部10に対しては送信
タイミングとなる送信トリガ信号が出力され、ゲート部
17にはゲートトリガ信号が出力される。また、サンプリ
ング部18,A/D変換部19には、サンプリングタイミング信
号が出力されサンプリング周波数が制御される。A/D変
換部19から出力されるディジタル信号はコンピュータ21
中のメモリに格納される。コンピュータ21は、後述する
厚さ演算処理によって試料の厚さを求め、その演算結果
を接続されているディスプレイ22に表示する。

次に、本実施例の動作について説明する。

厚さ測定時の動作は、パルス制御部20からパルス送信
部10に対して送信トリガが出力されると、パルス送信部
10は単発パルスを発生する。このパルス波はトランスジ
ューサ11で電気音響変換されて超音波パルスとなり、音
響レンズ12を通り、カプラ液体15中を伝播して試料13に
入射する。試料13からの反射波は再びカプラ液体15中を
伝播し音響レンズ12を通ってトランスジューサ11で反射
波信号に変換される。この反射波信号は前置増幅器16で
増幅される。前置増幅器16で増幅された反射波信号は、
第２図（ａ）に示すように、送信もれ、レンズ内反射、
の他に試料上面反射、試料下面反射等の試料反射波を含
んでいる。ゲート部17では反射波信号に対して第２図
（ｂ）に示すタイミングでゲートがかけられて、試料反
射波が抽出される。ゲート部17で抽出された試料反射波
はサンプリング周波数が反射波の含む周波数の２倍以上
に調整されたサンプリング部18、A/D変換部19でディジ
タル信号に変換されコンピュータ21に入力される。

以下、コンピュータ21における厚さ演算処理について
詳しく説明する。

まず、測定原理を説明する。第３図のように物質Ｅと
物質Ｇの間に存在する厚さｄの物質Ｆに、第３図の上方
から超音波が入射する場合を考える。このとき、入射さ
れる超音波は、物質Ｆの上面で反射する経路Ａと物質Ｆ
の下面で反射する経路Ｂの２つが存在する。経路Ａの波
をC_A（ｔ）とすると、この波C_A（ｔ）は次式で現され
る。

C_A（ｔ）＝Ｒ∫ａ（ｔ）ｅ^i2πftdf …（６）（６）式において、Ｒは物質Ｅと物質Ｆの界面の反射
率、ａ（ｆ）は入射波の各周波数における強度、ｆは周
波数をそれぞれ表わしている。また、経路Ｂを通る波を
C_B（ｔ）とすると、この波C_B（ｔ）は物質Ｆの厚さｄの
往復分だけ音路長が長いので、この分位相がずれる、物
質Ｆの減衰係数をα（ｆ）、物質Ｅと物質Ｆの界面の透
過係数をＳ、物質Ｆと物質Ｇの界面の反射係数をＲ′で
表わせば、C_B（ｔ）は次式のようになる。

ここで、物質Ｅ、物質Ｆ、物質Ｇの音響インピーダン
スをそれぞれZ_E,Z_F,Z_Gとおくと、（７）式の符号は次の
ようになる。

（ａ）Z_E＞Z_F＞Z_G又は Z_E＜Z_F＜Z_Gのとき符号は正（ｂ）Z_E＞Z_F,Z_F＜Z_G又は Z_E＜Z_F,Z_F＞Z_Gのとき符号は負（６）式および（７）式より、経路ＡおよびＢの反射
波が互いに干渉し合って生成された試料反射波をＣ
（ｔ）とすればとなる。（８）式をフーリエ変換すれば（Ｃ（ｔ）のフ
ーリエ変換をC_F（ｆ）とする）となる。

以上のことから反射波のパワースペクトルは次のよう
になる。

（10）式の|a（ｆ）|²は入射した超音波の周波数強度
であり、第４図に示すような波形となる。すなわち、あ
る周波数にピークを持ち、その前後の周波数でゆるやか
に減少する関数となる。また、ｅ^{−α（ｆ）・ｄ}につい
ては、α（ｆ）∝1/f²が成り立つので、周波数が大きく
なるに従って単調減少する関数となる。また、（10）式
の最後の項は、周期f₀＝V/2dで増減することを表わして
いる。これらから、経路A,Bの互いの反射波が干渉し合
って生成された反射波のパワースペクトルは、第５図に
示すように、第４図に示す波形に周期関数が重畳した波
形となる。

第５図のパワースペクトルを再びフーリエ変換してス
ペクトルを求めると、第６図に示す波形となる。第６図
において、強いピークを持つ周期をＳとする。ディジタ
ルフーリエ変換では必ず周波数帯域が制限されるので、
パワースペクトルのフーリエ変換時の帯域をfmとする
と、第５図における強弱の周波数周期f₀は次式のように
なる。

f₀＝fm/S …（11）また（10）式より、強弱の周期f₀は f₀＝V/2d …（12）であるから、物質Ｆの厚さｄはｄ＝V/2f₀ …（13）となる。従って、音速Ｖがわかれば、厚さｄを求めるこ
とができる。

よって、コンピュータ21では、試料反射波をフーリエ
変換して第５図に示す試料反射波のパワースペクトルを
求め、さらにこのパワースペクトルをフーリエ変換し
て、第６図に示す周期Ｓを算出する。そして、この求め
た周期Ｓとフーリエ変換時の帯域fmとから第５図におけ
る周期f₀を求める。次に、この求めた周期f₀と予めわか
っている音速Ｖとから、（13）式より厚さｄが算出され
る。この算出結果はディスプレイ22に表示される。

なお、薄い試料の厚さを測定するときは、試料反射波
のパワースペクトルの周期f₀が大きな値をとるため、パ
ワースペクトルの強弱の周期の幅も大きくなり、パワー
スペクトルをフーリエ変換したときの周期が小さくな
る。ディジタルフーリエ変換（DFT）では、整数の周期
しか求められないため、薄い試料ほど精度が悪くなる。

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

この様に本実施例によれば、送信波として単発パルス
を使用したので、一回の超音波送波によるデータサンプ
リングで試料の厚さを測定することができ、試料の厚さ
測定を高速化できる。

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

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

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

第７図に本発明の第２実施例を示す。

この第２実施例は、第１図に示す超音波計測装置のゲ
ート部17とサンプリング部18の間にスペクトラムアナラ
イザ30を挿入した構成である。ゲート部17で抽出された
試料反射波はスペクトルアナライザ30に入力される。ス
ペクトルアナライザ30では入力された試料反射波に対し
てフーリエ変換等の波形解析によってそのスペクトルを
求め、この求めたスペクトルを出力する。出力されたス
ペクトルはサンプリング部18、A/D変換部19でディジタ
ル信号に変換されてコンピュー21に入力される。コンピ
ュータ21では、入力されたスペクトルを再びフーリエ変
換して、第１実施例と同様の厚さ演算処理によって試料
の厚さを演算する。なお、本実施例では、コンピュータ
21への入力が既にスペクトルデータとなっているため、
厚さ演算処理でのフーリエ変換は１回だけでよい。

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

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

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

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

〔発明の効果〕

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

【図面の簡単な説明】

第１図は第１実施例となる超音波計測装置の構成図、第
２図は同実施例の試料反射波抽出動作を説明するための
図、第３図は厚さｄの物質に対する超音波の反射経路を
示す図、第４図〜第６図は同実施例の厚さ演算処理を説
明するための図、第７図は第２実施例となる超音波計測
装置の構成図、第８図は従来の超音波厚み計測装置の構
成図、第９図は試料内での超音波の共振による電圧変化
と共振周波数との関係を示す図、第10図は反射波のパワ
ースペクトルを示す図である。 10……パルス送信部、11……トランスジューサ、12……
音響レンズ、13……試料、17……ゲート部、18……サン
プリング部、19……A/D変換部、20……パルス制御部、2
1……コンピュータ、30……スペクトラムアナライザ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01B 17/02

Claims

(57)【特許請求の範囲】

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