JP3104283B2

JP3104283B2 - 超音波トランスジューサ及び超音波センサー並びにホール壁の膜厚測定方法及びその装置

Info

Publication number: JP3104283B2
Application number: JP03108211A
Authority: JP
Inventors: 教尊中曽; 雅雄斎藤
Original assignee: Toppan Inc
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 1991-04-15
Filing date: 1991-04-15
Publication date: 2000-10-30
Anticipated expiration: 2015-10-30
Also published as: JPH04315910A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超音波探査に用いられ
る超音波トランスジューサに関する。更に、この超音波
トランスジューサを用いて、断面環状の壁面の超音波探
査、例えばプリント配線基盤の電子部品装着用のスルー
ホールの内周壁面上に形成されたコーティング層等の膜
厚測定や欠陥検出のために使用される超音波センサーに
関する。また、この超音波センサーを用いたホール壁の
膜厚測定方法及びその装置が本発明の技術分野に含まれ
る。

【０００２】

【従来の技術】基盤の表面上に形成された膜の厚さを超
音波により測定する一つの方法として、特開昭６１−２
０８０３号公報に開示された方法が知られている。この
方法は、基盤上の膜に対して、基盤、膜、超音波伝播媒
体からなる組合せ体に特有の入射角θにて超音波を入射
した場合、超音波の周波数と膜厚との積が上記組合せ体
に特有の値Ｃとなったときに超音波の反射率が極めて小
さくなるという現象に基づいている。この方法では、超
音波センサーとしての一対の超音波トランスジューサ
が、基盤の上方に配置される。この一対のトランスジュ
ーサのうちの一方から超音波伝播媒体を通じて基盤に対
して斜めに超音波を入射させ、その反射波を超音波伝播
媒体を通じて他方で受信し、電気信号に変換する。次
に、その電気信号の各周波数成分の関数として反射波の
強度分布を示したスペクトラム強度分布を形成し、この
反射波の強度が極小となる周波数ｆ_cを検出する。そし
て周波数ｆ_cと上記値Ｃとから、膜厚ｄが、ｄ＝Ｃ／ｆ
_cとして算出される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】この方法は、膜厚を測
定すべき膜が基盤の表面上に形成されていること、即ち
膜が基盤の平面方向に対してほぼ平行に形成されている
ことを想定したものであり、基盤を貫く微小な径のスル
ーホールの内周壁に形成された膜の膜厚測定（以下、ホ
ール壁の膜厚測定と称す）には適用できない。超音波顕
微鏡に用いられる超音波センサーは、基盤の上方に配置
される形式であり、ホール内に挿通可能な構造の超音波
トランスジューサまたは超音波センサーは特に知られて
いない。

【０００４】また、超音波を用いないホール壁の膜厚測
定としては、膜の電導率の測定により膜厚を求めること
が知られている。但し、この方法では、膜の電導率を測
定するために、膜の貫通された基盤は不導体である必要
がある。更に、被検体としての基盤に、一つよりも多く
のホールが存在する場合には適用できない。従って測定
対象に制約を受ける。

【０００５】このように従来では、ホール壁の膜厚を物
理的に測定する方法は特に知られていないため、一般に
はホールの径方向に沿って基盤を切断し、その断面を顕
微鏡で観察して膜厚を測定する破壊試験が採られてい
る。しかしながら、これは製品を損う上に時間も要する
ので、工業的には好ましい方法ではない。

【０００６】本発明は係る状況に鑑みてなされたもので
あり、その目的とするところは、円筒形状の空間に挿通
可能であり、その空間の側周面の壁に対して超音波を入
射させると共に、その反射波を受信可能な超音波トラン
スジューサ及び超音波センサーを提供することである。
また、本発明の他の目的は、この超音波センサーを用い
ることにより、ホール壁の膜厚を測定可能なホール壁の
膜厚測定方法及び装置を提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】

【０００８】本発明の請求項１記載の超音波トランスジ
ューサは、導電性材料からなる第１の電極としての基体
を備え、この基体の先端部における側周面の少なくとも
一部には、この基体の外周側から先端側に向かって所定
の鋭角をなすように断面テーパー状の面が形成され、こ
のテーパー面の外表面には薄膜状の圧電体が形成され、
この圧電体の上表面には、上記基体に対して電気的に絶
縁された薄膜状の第２の電極が形成されており、第１の
電極としての上記基体と第２の電極との間に電圧が印加
された場合には、この電圧を機械的振動に変換して上記
基体のテーパー面の法線方向へ超音波を発信し、上記テ
ーパー面に超音波が受信された場合には、この受信波を
電気信号に変換することを特徴とする。

【０００９】本発明の請求項２記載の超音波トランスジ
ューサは、絶縁性材料からなる基体を備え、この基体の
先端部における側周面の少なくとも一部には、この基体
の外周側から先端側に向かって所定の曲率をなすように
断面が円弧状の凹面が形成され、この凹面の外表面には
薄膜状の第１の電極が形成され、この第１の電極の上表
面には薄膜状の圧電体が形成され、この圧電体の上表面
には、薄膜状の第２の電極が形成されており、第１と第
２の電極の間に電圧が印加された場合には、この電圧を
機械的振動に変換して上記円弧状凹面の曲率中心方向へ
収束波としての超音波を発信し、上記円弧状凹面に超音
波が受信された場合には、この受信波を電気信号に変換
することを特徴とする。

【００１０】本発明の請求項３記載の超音波トランスジ
ューサは、導電性材料からなる第１の電極としての基体
を備え、この基体の先端部における側周面の少なくとも
一部には、この基体の外周側から先端側に向かって所定
の曲率をなすように断面が円弧状の凹面が形成され、こ
の凹面の外表面には薄膜状の圧電体が形成され、この圧
電体の上表面には、薄膜状の第２の電極が形成されてお
り、第１の電極としての上記基体と第２の電極との間に
電圧が印加された場合には、この電圧を機械的振動に変
換して上記円弧状凹面の曲率中心方向へ収束波としての
超音波を発信し、上記円弧状凹面に超音波が受信された
場合には、この受信波を電気信号に変換することを特徴
とする。

【００１１】また、本発明の請求項４記載の超音波セン
サーは、円筒形状の空間の側周面を包囲するように形成
された断面環状の壁面と上記空間内に満たされた超音波
伝搬媒体とを有する被検体に対し、上記壁面の超音波探
査に用いられるものであって、第１と第２の超音波トラ
ンスジューサを備え、第１の超音波トランスジューサ
は、請求項１に記載の超音波トランスジューサであり、
第２の超音波トランスジューサは、請求項１に記載の超
音波トランスジューサであり、これら第１と第２の超音
波トランスジューサが、その各々の上記基体の先端側が
互いに対向し、且つ各々の上記テーパー面が互いに対向
する配置関係で配置されており、上記超音波探査に際し
ては、上記円筒形状空間と同軸に上記円筒形状空間に挿
通されると共に、第１と第２の超音波トランスジューサ
のうち、少なくとも何れか一方の上記テーパー面の法線
方向へ発信された超音波を、上記伝搬媒体を通して上記
壁面に対して上記所定の鋭角で定まる入射角にて入射さ
せ、この入射波に対する上記壁面からの反射波を上記伝
搬媒体を通して上記所定の鋭角で定まる受信角にて他方
の超音波トランスジューサの上記テーパー面で受信する
ことを特徴とする。

【００１２】この場合、本発明の一実施例によれば、第
１と第２の超音波トランスジューサが、上記配置関係で
一体的に形成されている。

【００１３】本発明の請求項６記載の超音波センサー
は、円筒形状の空間の側周面を包囲するように形成され
た断面環状の壁面と上記空間内に満たされた超音波伝搬
媒体とを有する被検体に対し、上記壁面の超音波探査に
用いられるものであって、第１と第２の超音波トランス
ジューサを備え、第１の超音波トランスジューサは、請
求項１に記載の超音波トランスジューサであり、第２の
超音波トランスジューサは、請求項２または３に記載の
超音波トランスジューサであり、これら第１と第２の超
音波トランスジューサが、その各々の上記基体の先端側
が互いに対向し、第１の超音波トランスジューサの上記
テーパー面と第２の超音波トランスジューサの上記円弧
状凹面とが互いに対向する配置関係で配置されており、
上記超音波探査に際しては、上記円筒形状空間と同軸に
上記円筒形状空間に挿通されると共に、第１の超音波ト
ランスジューサの上記テーパー面の法線方向へ超音波が
発信された場合には、この超音波を上記伝搬媒体を通し
て上記壁面に対して上記所定の鋭角で定まる入射角にて
入射させ、この入射波に対する上記壁面からの反射波を
上記伝搬媒体を通して第２の超音波トランスジューサの
上記円弧状凹面で受信し、第２の超音波トランスジュー
サの上記円弧状凹面の曲率中心方向へ上記収束波が発信
された場合には、この超音波を上記伝搬媒体を通して上
記壁面に入射させ、この入射波に対する上記壁面からの
反射波を上記伝搬媒体を通して上記所定の鋭角で定まる
受信角にて第１の超音波トランスジューサの上記テーパ
ー面で受信することを特徴とする。

【００１４】この場合、第１と第２の超音波トランスジ
ューサが、上記配置関係で一体的に形成されていてもよ
い。

【００１５】また、本発明の請求項８記載のホール壁の
膜厚測定方法は、円筒形状のホールが貫通された基盤
と、上記ホールの内周面上に形成された膜と、上記ホー
ル内に満たされた超音波伝搬媒体と、を有する被検体に
対し、請求項４乃至７の何れか１項に記載の超音波セン
サーを用いて上記膜の膜厚を測定する方法であって、上
記超音波センサーが、上記ホール状空間と同軸に上記ホ
ール状空間に挿通された状態で、この超音波センサーの
第１と第２の超音波トランスジューサのうちの少なくと
も一方から、上記伝搬媒体を通して上記ホール内周面上
の膜に対して斜めに超音波を入射させる行程と、上記入
射超音波に対する反射超音波を他方の超音波トランスジ
ューサにより受信して電気信号に変換する行程と、この
電気信号に基づいて、反射超音波の強度分布を上記電気
信号の各周波数成分の関数として示したスペクトラム強
度分布を形成する行程と、上記スペクトラム強度分布か
ら上記反射超音波の強度の極小部の周波数を検出する行
程と、この検出された周波数に基づき、予め与えられた
反射超音波のスペクトラム強度分布と膜厚との関係に従
って、上記ホール壁面の膜の膜厚を算出する行程と、を
備えることを特徴とする。

【００１６】この膜厚測定方法を実施するための本発明
のホール壁の膜厚測定方法は、請求項４乃至７の何れか
１項に記載の超音波センサーと、この超音波センサーの
第１と第２のトランスジューサのうちの少なくとも一方
に超音波を発信させるように電圧を印加する電圧印加手
段と、他方の超音波トランスジューサにより、上記ホー
ルの壁面に形成された膜からの反射超音波を受信して変
換して得られた電気信号に基づいて、反射超音波の強度
分布を上記電気信号の各周波数成分の関数として示した
スペクトラム強度分布を形成するスペクトラム形成手段
と、上記スペクトラム強度分布から上記反射超音波の強
度の極小部の周波数を検出する周波数検出手段と、上記
検出された周波数から、予め与えられた反射超音波のス
ペクトラムと膜厚との関係に従って、上記ホールの壁面
に形成された膜の膜厚を算出する演算手段と、を備える
ことを特徴とする。

【００１７】本発明の請求項１０記載のホール壁の膜厚
測定方法は、円筒形状のホールが貫通された基盤と、上
記ホールの内周面上に形成された膜と、上記ホール内に
満たされた超音波伝搬媒体と、を有する被検体に対し、
請求項４乃至７の何れか１項に記載の超音波センサーを
用いて上記膜の膜厚を測定する方法であって、上記超音
波センサーが、上記ホール状空間と同軸に上記ホール状
空間に挿通された状態で、この超音波センサーの第１と
第２の超音波トランスジューサのうちの少なくとも一方
から、上記伝搬媒体を通して上記ホール内周面上の膜に
対して斜めに超音波を入射させる行程と、上記入射超音
波に対する反射超音波を他方の超音波トランスジューサ
により受信して電気信号に変換する行程と、この電気信
号に基づいて、反射超音波の位相分布を上記電気信号の
各周波数成分についての関数として示したスペクトラム
位相分布を形成する行程と、上記規格化されたスペクト
ラム位相分布から位相が変化を起こす周波数を検出する
行程と、この検出された周波数に基づき、予め与えられ
た周波数と位相と膜厚との関係に従って、上記ホールの
壁面の膜の膜厚を算出する行程と、を備えることを特徴
とする。

【００１８】この膜厚測定方法を実施するための本発明
のホール壁の膜厚測定装置は、請求項４乃至７の何れか
１項に記載の超音波センサーと、この超音波センサーの
第１と第２の超音波トランスジューサの何れか一方に超
音波を発信させるように電圧を印加する電圧印加手段
と、他方の超音波トランスジューサにより、上記ホール
の壁面に形成された膜からの反射超音波を受信して変換
して得られた電気信号に基づいて、反射超音波の位相分
布を上記電気信号の各周波数成分の関数として示したス
ペクトラム位相分布を形成するスペクトラム形成手段
と、上記スペクトラム位相分布から位相の変化を起こす
周波数を検出する周波数検出手段と、上記検出された周
波数から、予め与えられた位相分布と膜厚との関係に従
って、上記ホールの壁面に形成された膜の膜厚を算出す
る演算手段と、を備えることを特徴とする。

【００１９】また、本発明の請求項１２記載のホール壁
の膜厚測定装置は、円筒形状のホールが貫通された基盤
と、上記ホールの内周面上に形成された膜と、を有する
被検体に対し、上記膜の膜厚を測定する装置であって、
請求項４乃至７の何れか１項に記載の超音波センサー
と、この超音波センサーの第１と第２の超音波トランス
ジューサの何れか一方に超音波を発信させるように電圧
を印加する電圧印加手段と、他方の超音波トランスジュ
ーサにより、上記ホールの壁面に形成された膜からの反
射超音波を受信して変換して得られた電気信号に基づい
て、上記電気信号の各周波数成分の関数として反射超音
波の強度分布を示したスペクトラム強度分布と上記電気
信号の各周波数成分の関数として反射超音波の位相分布
を示したスペクトラム位相分布とを形成するスペクトラ
ム形成手段と、上記スペクトラム強度分布から強度の極
小部の周波数ｆ_cを検出すると共に、上記スペクトラム
位相分布から位相の変化を起こす周波数ｆ_fを検出する
周波数検出手段と、上記周波数ｆ_cと周波数ｆ_fのうち
の少なくとも一方を選択し、周波数ｆ_cについては、予
め与えられたスペクトラム強度分布と膜厚との関係に従
って、周波数ｆ_fについては、予め与えられたスペクト
ラム位相分布と膜厚との関係に従って、上記膜の膜厚を
算出する演算手段と、を備えることを特徴とする。

【００２０】

【作用】請求項１記載の超音波トランスジューサによれ
ば、基体の先端部における側周面の少なくとも一部に断
面テーパ状の面を形成し、このテーパ面を超音波の発信
・受信面としている。このような構造では、請求項４記
載の超音波センサーのように、一対の超音波トランスジ
ューサの一方を発信側、他方を受信側として、各々のテ
ーパ面側で対向するように円筒形状の空間に挿通するこ
とができ、その円筒形状空間の側周壁に対して斜めに超
音波を入射及び反射させることができる。

【００２１】請求項２または３記載の超音波トランスジ
ューサによれば、上記テーパ面に代えて、断面円弧状の
凹面を超音波発信・受信面としている。このような構造
のトランスジューサは、請求項１記載の超音波トランス
ジューサと組み合わせることにより、請求項６記載の超
音波センサーのように、円筒形状空間の側周壁に対して
斜めに超音波を入射及び反射させることができる。この
場合、凹面を有するトランスジューサを発信側として用
いると、凹面がレンズ作用をなすことにより、超音波が
収束されて微小な焦点を結ぶ。従って、テーパ面から発
信される超音波が平面波であり、円筒形状空間の側周壁
の比較的に広い領域で入射・反射されるのに対し、凹面
から発信される超音波は側周壁の或る微小な領域へ収束
させることができる。例えば、上記の凹面を基体の全周
に亘って形成し、超音波を基体の全周方向へ発信するよ
うにすると、円筒形状空間の側周壁内周の或る円周線上
に超音波を収束させることができる。また、凹面を有す
るトランスジューサを受信側として用いると、上記円周
線上からの反射波を高効率で受信できる。

【００２２】請求項２記載の超音波トランスジューサで
は、絶縁性基体上に第１の電極、圧電体、第２の電極が
順に形成されているが、請求項１及び３記載の超音波ト
ランスジューサでは、基体が導電体からなることによ
り、基体が第１の電極を兼ねることになる。

【００２３】上記のような各超音波センサーをホールに
挿通し、ホール壁に超音波を入射させる場合の入射角
は、テーパ面の鋭角または凹面の曲率で定まる。従っ
て、各超音波センサーは、被検体の基盤と膜と超音波伝
播媒体との弾性により定まる特定の入射角に設定して形
成することができる。この特定の入射角でホール壁に超
音波を入射させると、ホール壁表面に弾性表面波が励起
される。この弾性表面波はホール壁表面方向に伝播され
るため、入射波に対する反射波を測定すると、強度の減
少や位相の変化が起きる。この現象に基づき、本発明の
ホール壁の膜厚測定方法及びその装置では、次のように
ホール壁の膜厚測定を可能としている。

【００２４】本発明のホール壁の膜厚測定方法及びその
装置では、上記の超音波センサーをホールに挿通するこ
とにより、ホール壁の膜からの反射波の電気信号を得て
いる。そして、この反射波の電気信号に基づいて、反射
波のスペクトラム強度分布またはスペクトラム位相分布
を求めている。ここでスペクトラム強度分布上の反射強
度が極小となる周波数、またはスペクトラム位相分布上
における位相の変化を起こす周波数は、膜厚に関係して
いる。従って、これら周波数を検出することにより、反
射超音波のスペクトラム強度分布と膜厚との関係、また
はスペクトラム位相分布と膜厚との関係に従って、ホー
ルの壁面に形成された膜の膜厚が算出される。

【００２５】

【実施例】以下、添付図面を参照して本発明の実施例に
ついて説明する。

【００２６】図１は本発明の超音波トランスジューサを
示す。この超音波トランスジューサ１は、発信側と受信
側との一対から超音波センサーを構成するが、その一対
の各々は基本的に同一の構造であるため、図１にはトラ
ンスジューサ１を一体のみ示す。

【００２７】トランスジューサ１の本体をなす絶縁性基
体１２は、全体的に概ね円筒形状であるが、その先端部
１２ａは円錐形状をなしている。この基体１２は、絶縁
材料、例えば軟質プラスチック等から形成され、その寸
法は一例として直径が１．９ｍｍ、全高が３０ｍｍであ
る。また、円錐形状部（先端部）１２ａの母線と高さ軸
線とがなす角度θは、トランスジューサ１の発信する超
音波の被検体に対する入射角に等しい。この角度θは、
被検体の基盤と膜と超音波伝播媒体との弾性により定ま
る特定の入射角に設定される。この円錐形状部１２ａの
側面には、薄膜状の下部電極１４が形成されている。こ
の下部電極１４の上表面には、薄膜状の圧電体１６が形
成され、更に圧電体１６の上表面には、薄膜状の上部電
極１８が形成されている。ここで下部及び上部電極１
４，１８は、例えば金フィルムからなり、その厚さは５
０００オングストローム以下であり、その幅は下部電極
１４が１．０ｍｍ、上部電極１８が０．７ｍｍである。
また、圧電体１６は例えば酸化亜鉛フィルムであり、そ
の厚さは２０μｍ、その幅は０．８ｍｍである。これら
下部電極１４、圧電体１６及び上部電極１８は、円錐形
状部１２ａの側面に順次に真空蒸着或いはスパッタリン
グすることにより形成できる。更に、下部及び上部電極
１４，１８の下端には、リード線１４ａ，１８ａが基体
１２の基部へ向かって延出されている。これらリード線
１４ａ，１８ａは、対応する電極１４，１８と一体的に
成形できる。また、トランスジューサ１の外表面全体
は、リード線１４ａ，１８ａの入力端部を除いて、例え
ば有機材からなる絶縁性保護膜１０で被覆することが好
ましい。

【００２８】このようなトランスジューサ１の超音波の
発信・受信面は、下部電極１４、圧電体１６、上部電極
１８が順次に形成された円錐形状部１２ａの側面であ
り、その発信及び受信方向は、円錐形状部１２ａの全周
（３６０°方向）に亘る。

【００２９】図２は本発明のホール壁の膜厚測定装置を
示す。この膜厚測定装置２１０で使用されている本発明
の第１の超音波センサー１１０は、二体のトランスジュ
ーサ１を円錐形状部１２ａ側で対向するように配置して
なるが、説明の便宜上、発信側のトランスジューサを符
号１ａ、受信側のトランスジューサを符号１ｂで示す。
また、これらトランスジューサ１ａ，１ｂは図２におい
ては模式的に描かれている。

【００３０】被検体１１は、例えば４２合金からなる基
盤１３に円筒形状のスルーホール１５が貫通され、この
スルーホール１５の内周壁に金の薄膜１７が形成されて
なる。ここでスルーホール１５内には、超音波伝播媒体
としての水Ｗが満たされている。

【００３１】超音波トランスジューサ１ａ，１ｂは、各
々の円錐形状部１２ａがスルーホール１５内に挿通され
ている。この状態では、超音波トランスジューサ１ａ，
１ｂはスルーホール１５とほぼ同軸であり、その円錐形
状部１２ａの側面は水Ｗに接触している。

【００３２】発信側トランスジューサ１ａには、高周波
発振器（電圧印加手段）４０が接続されている。この高
周波発振器４０は、例えばインパルス信号源或いはバー
スト信号源であり、高周波パルス電圧を発振して発信側
トランスジューサ１ａの下部電極１４と上部電極１８
（共に図２には図示しない）との間に印加する。これに
より、発信側トランスジューサ１ａは円錐形状部１２ａ
の側面の法線方向へ超音波を発信する。この超音波は、
円錐形状部１２ａの縦断面でみると平面波と見做せる。
更に、この超音波は、高周波発振器４０がインパルス信
号源の場合には広帯域インパルス波であり、高周波発振
器４０がバースト信号源の場合には特定周波数のバース
ト波である。このような超音波は水Ｗを介してスルーホ
ール１５の内周壁の薄膜１７に入射される。

【００３３】一方、受信側トランスジューサ１ｂは、発
信側トランスジューサ１ａから発信されてスルーホール
１５の薄膜１７で反射した超音波を反射角θで受信し、
この受信波を電気信号に変換する。

【００３４】ここでトランスジューサ１ａ，１ｂの円錐
形状部１２ａの縦断面で見ると、図３に示すように、ト
ランスジューサ１ａ，１ｂの超音波の発信・受信面は、
基体１２の外周側から先端側へ向かって鋭角をなすテー
パー面である。このテーパー面から発信される超音波の
発信方向及び薄膜１７からの反射波の受信方向は、テー
パー面の法線方向である。従って、超音波センサー１１
０とホール１５の壁面との間で定義される超音波の入射
角及び検出角は、テーパー面の鋭角、換言すれば円錐形
状部の上記角度θで定まる。

【００３５】受信側トランスジューサ１ｂには、増幅器
４２、Ａ／Ｄ変換器４４、波形検出器４６、スペクトラ
ム分析装置４８、コントローラ５０、ディスプレィ５２
が順に接続されている。

【００３６】波形検出器４６としては、デジタイザーま
たはデジタルオシロスコープ等が使用される。また、高
周波発振器４０がインパルス信号源の場合には、スペク
トラム分析装置（スペクトラム形成手段、周波数検出手
段）４８としては、例えばマイクロコンピュータ等の高
速フーリエ変換を実行可能なＦＦＴ演算器が使用され、
高周波発振器４０がバースト信号源の場合には、スペク
トラム分析装置４８としては、例えばスペクトラムアナ
ライザーとトラッキングジェネレータとを組み合わせた
形式の装置が使用される。

【００３７】受信側トランスジューサ１ｂで反射波から
変換された電気信号は、増幅器４２で増幅され、Ａ／Ｄ
変換器４４にてディジタル信号に変換された後、波形検
出器４６へ与えられる。波形検出器４６は与えられた電
気信号から所望の反射波の時間波形を取り出してスペク
トラム分析装置４８へ与える。スペクトラム分析装置４
８は入力された波形についてスペクトラム強度分布とス
ペクトラム位相分布とを形成する。例えば高周波発振器
４０としてインパルス信号源、スペクトラム分析装置４
８としてＦＦＴ演算器を用いた場合は、スペクトラム分
析装置４８は入力された波形を高速フーリエ変換し、ス
ペクトラム強度分布とスペクトラム位相分布とを形成す
る。或いは、高周波発振器４０としてバースト信号源、
スペクトラム分析装置４８としてスペクトラムアナライ
ザーとトラッキングジェネレータとを組み合わせた形式
の装置が使用された場合には、スペクトラム分析装置４
８は波形検出器４６から与えられる反射波の時間波形か
らスペクトラムアナライザーにてスペクトラム強度分布
が分析されると共に、トラッキングジェネレータにてス
ペクトラム位相分布が解析される。

【００３８】このスペクトラム分析装置４８には、スペ
クトラム強度分布とスペクトラム位相分布とを規格化す
るための基準スペクトラム強度分布と基準スペクトラム
位相分布、及び薄膜１７の膜厚ｄを算出するための膜厚
ｄの関数が記憶されている。

【００３９】そして、スペクトラム分析装置４８は、コ
ントローラ５０の規格化指令により、時間波形から形成
されたスペクトラム強度分布、スペクトラム位相分布を
それぞれ基準スペクトラム強度分布、基準スペクトラム
位相分布を用いて規格化する。

【００４０】次に、コントローラ（演算手段）５０は、
スペクトラム分析装置４８の検索機能を機能させ、上記
規格化されたスペクトラム強度分布から反射強度の極小
部の周波数、即ちディップ周波数ｆ_cを検出させると共
に、上記規格化されたスペクトラム位相分布から位相の
回転が起きる周波数ｆ_rを検出させる。コントローラ５
０は、検出された周波数ｆ_cと周波数ｆ_rとの何れかに
より薄膜１７の膜厚ｄを算出し、ディスプレィ５２に表
示させる。

【００４１】このような膜厚測定装置により、ホール壁
の膜厚を測定する方法について説明する。

【００４２】先ず、被検体１１のホール壁の膜厚測定に
先立ち、薄膜１７の種々の膜厚についての既知のスペク
トラム強度分布及びスペクトラム位相分布を用意する。
これらのスペクトラム強度分布及びスペクトラム位相分
布から反射波強度が極小部の周波数ｆ_cを変数とする膜
厚ｄの関数ｄ＝Ｃ／ｆ_cと、位相の回転を起こす周波数
ｆ_rを変数とする膜厚ｄの関数ｄ＝Ｃ／ｆ_rとをそれぞ
れ求める。ここでＣは、薄膜及び基盤の弾性定数と、超
音波伝播媒体としての水Ｗにおける音速及び水Ｗの密度
とによって定まる定数である。この定数Ｃをコントロー
ラ５０に記憶させる。勿論、定数Ｃ自体が既知の場合に
は、この既知の定数Ｃをコントローラ５０に記憶させて
もよい。

【００４３】また、図４（Ａ）及び図５（Ａ）に示すよ
うに、上記の反射波強度の極小部及び位相の回転を示さ
ない基準試料についての既知の基準スペクトラム強度分
布Ｓ_R（ｆ）及び基準スペクトラム位相分布Ｐ_R（ｆ）
を用意し、これらＳ_R（ｆ）及びＰ_R（ｆ）をスペクト
ラム分析装置４８に記憶させる。

【００４４】尚、コントローラ５０及びスペクトラム分
析装置４８に記憶させるべきデータが未知の場合には、
下記の被検体１１についての測定と同様な測定を適宜な
基準試料に実施して実験的にデータを求めてもよい。

【００４５】その後、被検体１１についての測定が開始
される。先ず、コントローラ４２からスペクトラム分析
装置４８に初期化信号が与えられ、スペクトラム分析装
置４８が初期化される。次に、上記のようにスルーホー
ル１５に挿通された超音波センサー１１０の発信側トラ
ンスジューサ１ａから、スルーホール１５の壁面の薄膜
１７に超音波が入射される。これに対する反射波が受信
側トランスジューサ１ｂで受信されて変換されてなる電
気信号に基づいて、スペクトラム分析装置４８が図４
（Ｂ）及び図５（Ｂ）に示すようなスペクトラム強度分
布Ｓ_T（ｆ）及びスペクトラム位相分布Ｐ_T（ｆ）を形
成する。これらスペクトラム強度分布Ｓ_T（ｆ）及びス
ペクトラム位相分布Ｐ_T（ｆ）はスペクトラム分析装置
４８に記憶される。ここでコントローラ４２の規格化指
令により、スペクトラム分析装置４８がスペクトラム強
度分布Ｓ_T（ｆ）、スペクトラム位相分布Ｐ_T（ｆ）を
規格化し、図４（Ｃ）及び図７に示すような規格化スペ
クトラム強度分布Ｓ_N（ｆ）及び規格化スペクトラム強
度分布Ｓ_N（ｆ）を形成する。この規格化の具体的な方
法については後述する。

【００４６】続いてスペクトラム分析装置４８は、コン
トローラ５０からの指令により、規格化スペクトラム強
度分布Ｓ_N（ｆ）を検索し、そのディップ周波数ｆ_cを
検出すると共に、規格化スペクトラム位相分布Ｐ
_N（ｆ）を検索し、その位相の回転を起こす周波数ｆ_r
を検出する。次に、コントローラ５０は、検出された周
波数ｆ_c，ｆ_r及び予め記憶されている関数ｄ＝Ｃ／ｆ
_c，ｄ＝Ｃ／ｆ_rに従って薄膜１７の膜厚ｄを算出す
る。算出された膜厚ｄはディスプレィ５２に表示され
る。

【００４７】ここで上記規格化の方法について説明す
る。

【００４８】先ずスペクトラム強度分布Ｓ_T（ｆ）の規
格化について説明する。

【００４９】スペクトラム分析装置４８は、スペクトラ
ム強度分布Ｓ_T（ｆ）から基準スペクトラムＳ_R（ｆ）
を減算することにより、図４（Ｃ）に示すような規格化
スペクトラム強度分布Ｓ_N（ｆ）を形成し、これを記憶
する。図４（Ｂ）及び図４（Ｃ）から明らかなように、
規格化スペクトラムＳ_N（ｆ）はスペクトラム強度分布
Ｓ_T（ｆ）に比して強度極小部を強調して示すことがで
きる。尚、強度がデシベル表示であれば規格化は上記の
ように減算であるが、強度がリニア表示であれば規格化
は除算である。

【００５０】次に、スペクトラム位相分布Ｐ_T（ｆ）の
規格化について説明する。上記のスペクトラム位相分布
Ｐ_T（ｆ）も基準スペクトラム位相分布Ｐ_R（ｆ）も非
連続的に表示されているため、先ずこれらをフェイズア
ンラップ(Phase unwrap)により、それぞれ図６（Ａ）及
び図６（Ｂ）に示すような連続的な表示Ｐ_UT（ｆ），Ｐ
_UR（ｆ）に変換する。ここでフェイズアンラップを行う
一つの方法としては、周波数の低いほうから前のスペク
トラム位相の値との大小を判断して、スペクトラム位相
が１回転（２π）しているか否かを判断する手法であ
る。例えば、図５（Ａ）の基準スペクトラム位相分布Ｐ
_R（ｆ）において、周波数の低い側から順にａ，ｂ，ｃ
点を考える。このうち、ｂ点のスペクトラム位相はａ点
から大きく変化していないため、図６（Ａ）の連続的な
表示Ｐ_UR（ｆ）のａ，ｂ点においては、Ｐ_R（ｆ）にお
けるａ，ｂ点の値をそのまま表示する。しかしＰ
_R（ｆ）におけるｃ点は、その見掛け上の値は小さい
が、ｂ点の値とは大きく異なっている。このことはｃ点
の値は−π〜＋πの間に制限されているために、２πだ
け小さく表現されていると見なせる。従って、連続的な
表示Ｐ_UR（ｆ）のｃ点は、Ｐ_R（ｆ）におけるｃ点の値
に２πを加算して表示する。このような操作によりＰ_R
（ｆ）を連続的な表示Ｐ_UR（ｆ）に変換できる。同じ
く、スペクトラム位相分布Ｐ_T（ｆ）も連続的な表示Ｐ
_UT（ｆ）に変換できる。ここでＰ_UT（ｆ）からＰ
_UR（ｆ）を差し引くことにより、図７に示すような規格
化されたスペクトラム位相分布Ｐ_N（ｆ）が得られる。
図５（Ｂ）及び図７から明らかなように、非連続なスペ
クトラム位相分布Ｐ_T（ｆ）に対し、規格化スペクトラ
ム位相分布Ｐ_N（ｆ）は連続値として示すことができ
る。

【００５１】尚、上記の説明では、スペクトラム位相分
布の規格化の際にＰ_R（ｆ），Ｐ_T（ｆ）をフェイズア
ンラップ処理するものとしたが、基準スペクトラム位相
分布、スペクトラム位相分布をスペクトラム分析装置４
８に記憶させる際にフェイズアンラップ処理をしてもよ
い。即ち、Ｐ_R（ｆ）をフェイズアンラップ処理したＰ
_UR（ｆ）を基準スペクトラム位相分布として記憶させ、
同じく、Ｐ_T（ｆ）をフェイズアンラップ処理したＰ_UT
（ｆ）をスペクトラム位相分布として記憶させてもよ
い。

【００５２】また、スペクトラム強度分布及び位相分布
の規格化は、周波数ｆ_c、ｆ_rを強調して示すための便
宜的な手段であり、本発明に必須のものではない。例え
ばスペクトラム強度分布Ｓ_T（ｆ）やスペクトラム位相
分布Ｐ_T（ｆ）として、平坦な波形、周波数ｆ_c、ｆ_r
が明確に現れる特徴的な波形が得られたのなら、特に規
格化する必要はない。

【００５３】上記図２の測定装置２１０による二つの膜
厚測定例を示す。それぞれ入射角は３０°とする。第１
の測定例では、ガラスエポキシ複合材料のプリント配線
基盤のスルーホール（半径１ｍｍ）の内周壁に形成され
た銅膜を測定対象とした。膜厚の算出にはスペクトラム
強度分布に現れる複数の極小現象のうち、最も周波数が
低いところに出現するもののディップ周波数を用いた。
また、定数Ｃの値は膜厚が既知の試料により１８００と
した。測定の結果、ディップ周波数ｆ_cは６５ＭＨｚと
検出され、膜厚ｄは、ｄ＝Ｃ／ｆ_c＝１８００／６５＝２７．５μｍと算出された。

【００５４】第２の実験例では、銅製基盤のスルーホー
ル（半径１ｍｍ）の内周壁に形成されたクロムの薄膜を
測定対象とした。この場合、高周波発振器４０にはイン
パルス信号源を用い、スペクトラム分析装置４８にはＦ
ＦＴ演算器を用いた。ＦＦＴ演算器４８による高速フー
リエ変換の結果、図８及び図９（Ａ）に示すようなスペ
クトラム強度分布Ｓ_T（ｆ）及びスペクトラム位相分布
Ｐ_T（ｆ）が得られた。銅においてはスペクトラム強度
分布Ｓ_T（ｆ）に強度の変化が見られないため、膜厚の
算出にはスペクトラム位相分布Ｐ_T（ｆ）を用いること
とした。また、基準スペクトラム位相分布Ｐ_R（ｆ）と
しては、図９（Ｂ）に示すようなクロム膜のない試料か
ら測定されたものを用いた。これらＰ_T（ｆ）及びＰ_R
（ｆ）をフェイズアンラップ処理して連続化した結果、
図１０（Ａ）及び図１０（Ｂ）に示すＰ_UT（ｆ）及びＰ
_UR（ｆ）を得た。Ｐ_UT（ｆ）からＰ_UR（ｆ）を減算して
規格化したところ、図１１に示す規格化スペクトラム位
相分布Ｐ_N（ｆ）を得た。このＰ_N（ｆ）から、位相の
回転を起こす周波数ｆ_rは７０ＭＨｚと検出された。一
方、定数Ｃとしては弾性力学に基づき算出された値３５
０を用いた。従って、膜厚ｄは、ｄ＝Ｃ／ｆ_r＝３５０／７０＝５μｍと算出された。

【００５５】図１２は、本発明の第２の超音波センサー
を示す。この超音波センサー１２０は、二体の超音波ト
ランスジューサ２ａ，２ｂを各々の円錐形状部１２ａ側
で対向させ、且つ一体的に形成してなる。各トランスジ
ューサ２ａ，２ｂは何れも発信側と受信側とを兼ねる。
各トランスジューサ２ａ，２ｂは、上記トランスジュー
サ１（図１）が絶縁性材料から形成された基体１２を用
いるのに対し、導電性材料（例えば銅線）から形成され
た基体２２ａ，２２ｂを用いている。つまり、基体２２
ａ，２２ｂは、トランスジューサ１の下部電極１４のよ
うな下部電極としての役割をも果たす。各々の基体２２
ａ，２２ｂの円錐形状部１２ａの外表面には、薄膜状の
圧電体２６が形成され、この圧電体２６の外表面には、
薄膜状の上部電極２８が形成されている。各々の導電性
基体１２ａ，１２ｂの形状及び寸法は、上記図１の絶縁
性基体１２と同様である。従って、超音波センサー１２
０とホール１５の壁面との間で定義される超音波の入射
角及び検出角は、超音波センサー１１０と同様である。
また、圧電体２６、上部電極２８の材質及び厚さも、そ
れぞれ超音波センサー１１０の圧電体１６、上部電極１
８と同様である。但し、図１２においては、基体１２
ａ，１２ｂ、圧電体２６、上部電極２８が、発信側と受
信側とで一体的に形成された例を示している。上部電極
２８の下縁からは基体２２ａの基部へ向かってリード線
２８ａが延出されているが、このリード線２８ａと基体
２２ａとの間には、これらを電気的に絶縁する絶縁層２
０が配置されている。各トランスジューサ２ａ，２ｂ
は、トランスジューサ１と同様に絶縁保護膜１０で被覆
されていることが好ましい。

【００５６】図１３は、第２の超音波センサー１２０を
用いたホール壁の膜厚測定装置を示す。この測定装置２
２０において、高周波発振器４０、増幅器４２、Ａ／Ｄ
変換器４４、波形検出器４６、スペクトラム分析装置４
８、コントローラ５０、ディスプレィ５２については、
測定装置２１０（図２）におけるものと同様である。但
し、発信側と受信側とが一体的なセンサー１２０の発信
信号と受信信号との分離のために、サーキュレータ５４
が用いられている。

【００５７】高周波発振器４０の発信する高周波パルス
電圧は、サーキュレータ５４を通じてセンサー１２０に
加えられる。これにより、各トランスジューサ２ａ，２
ｂは円錐形状部１２ａの円錐面の法線方向へ、高周波発
振器４０の種類に応じて広帯域インパルス波または特定
周波数のバースト波としての平面波超音波を発信する。
この平面波超音波は水Ｗを介してスルーホール１５の内
周壁の薄膜１７に入射角θで入射される。トランスジュ
ーサ２ａの発信波に対する反射波はトランスジューサ２
ｂに、トランスジューサ２ｂの発信波に対する反射波は
でトランスジューサ２ａにそれぞれ反射角θで受信され
る。これら入射角θ及び反射角θは、各トランスジュー
サ２ａ，２ｂの円錐形状部１２ａの角度θに等しい。

【００５８】各トランスジューサ２ａ，２ｂは受信波を
電気信号に変換し、この電気信号はサーキュレータ５４
を通じて増幅器４２へ与えられ増幅される。以後、Ａ／
Ｄ変換器４４、波形検出器４６、スペクトラム分析装置
４８、コントローラ５０にて、測定装置２１０（図２）
の例と同様の処理が実行され、膜厚ｄが算出されてディ
スプレィ５２に表示される。

【００５９】この図１３の測定装置２２０による膜厚測
定例を示す。測定対象は、４２合金の基盤のスルーホー
ル（半径１ｍｍ）の内周壁に形成された金の薄膜とし、
入射角θは３０°とした。膜厚の算出にはスペクトラム
強度分布を用い、定数Ｃの値は膜厚が既知の試料により
３００とした。測定の結果、ディップ周波数ｆ_cは１０
０ＭＨｚと検出され、膜厚ｄは、ｄ＝Ｃ／ｆ_c＝３００／１００＝３．０μｍと算出された。

【００６０】図１４は本発明の第３の超音波センサーを
示す。この超音波センサー１３０でにおいて、一方のト
ランスジューサ１は、上記トランスジューサ１（図１）
と全く同一である。但し、他方のトランスジューサ３
は、その先端部３ａが円錐形状部の側周面に断面円弧状
の凹面を形成した形状とされている。これは後述のよう
に、トランスジューサ３から放射される超音波を収束
し、高い空間分解能を与えるためである。この凹面を除
くトランスジューサ３の構造は、上記トランスジューサ
１と同様である。即ち、絶縁性基体３２の凹面が形成さ
れた先端部３ａの側周面上に、それぞれ薄膜状の下部電
極３４、圧電体３６、上部電極３８が順次に形成されて
なる。このトランスジューサ３の焦点は凹面の曲率中心
と一致する。以下、トランスジューサ３を凹面収束トラ
ンスジューサ３と称し、トランスジューサ１を平面非収
束トランスジューサ１と称する。

【００６１】この第３の超音波センサー１３０は、上記
超音波センサー１１０，１２０と同様に、各トランスジ
ューサ１，３の外表面を絶縁性保護膜（図１４には図示
せず）で被覆することが好ましい。

【００６２】この第３の超音波センサー１３０を上記の
ホール壁の膜厚測定装置２１０，２２０において各超音
波センサー１１０，１２０と置き換えることにより、ホ
ール壁の膜厚測定装置を構成することができる。

【００６３】このような第３の超音波センサー１３０に
おいて、凹面収束トランスジューサ３を発信側、平面非
収束トランスジューサ１を受信側に用いたとする。この
場合、超音波センサー１３０の縦断面で見ると、図１５
に示すように先端部３ａから放射される広帯域インパル
ス波または特定周波数のバースト波の波面は、凹面から
放射されるため、図示のように曲面である。この超音波
は、スルーホール１５の内壁上の膜１７の表面の点（凹
面の曲率中心に等しい）Ｐ₁，Ｐ₂に収束される。そし
て円錐形トランスジューサ１が受信する反射波も曲面波
である。このトランスジューサ１が受信する反射波は、
点Ｐ₁，Ｐ₂から反射したものであるが、図示のように
波面の方向が相違する複数の平面波の成分Ｅ，Ｆ，Ｇ等
の組み合わせである。このうち、成分Ｅ，Ｇにより示す
方向へ反射した超音波成分は、圧電体１６上での位相干
渉により電気信号への変換効率が低く、成分Ｆで示す波
面を有する超音波のみが平面非収束トランスジューサ１
に高効率で受信される。このことは、平面非収束トラン
スジューサ１とホール１５の壁面との間で定義される反
射角で反射された成分のみが出力されることを意味す
る。ここで反射角は、円錐形トランスジューサ１を発信
側に用いた場合の入射角である。従って、円錐形トラン
スジューサ１のテーパ面なす角度と凹面収束トランスジ
ューサ３の凹面のなす曲率とを適宜に定め、ホール１５
の内壁の円周線上に焦点を設定することにより、膜１７
の表面上の微小な領域に対して超音波を入射させ、その
反射波の特定の成分を高効率で受信することができる。

【００６４】また、超音波センサー１３０の全周で見る
と、凹面収束トランスジューサ３が発信した超音波は、
膜１７の表面の点Ｐ₁，Ｐ₂を通る円周線（スルーホー
ル１５の横断面）に沿って収束されることになる。つま
り、第１及び第２の超音波センサー１１０，１２０で
は、膜１７の表面上における超音波の照射領域が比較的
に広いので、この広い領域の膜厚分布の平均が測定され
るのに対し、第３の超音波センサー１３０を用いた膜厚
測定では、スルーホール１５の内壁の或る円周線上の膜
厚を測定することができる。

【００６５】逆に、凹面収束トランスジューサ３を受信
側に用いたとすると、上記円周線上からの反射波が先端
部３ａの凹面に高効率で受信されるため、トランスジュ
ーサ３を発信側に用いた場合と同様に、この円周線上の
膜厚を測定できる。また、第３の超音波センサー１３０
をスルーホール１５の軸方向へ移動させながら膜厚測定
を行うと、ホール壁の膜厚分布を高空間分解能で測定で
きる。

【００６６】尚、特に図示しないが、凹面収束トランス
ジューサ３の絶縁性基体３２に代えて、これと同様な形
状の導電性基体（下部電極を兼ねる）を用い、その凹面
上に、それぞれ薄膜状の圧電体、上部電極を順次に形成
しても凹面収束トランスジューサを構成することができ
る。このような導電性基体を有する凹面収束トランスジ
ューサを、トランスジューサ１，２ａ（または２ｂ）の
何れかと組み合わせることにより、第３の超音波センサ
ー１３０と同様な効果を有する超音波センサーを構成す
ることができる。この場合には、第２の超音波センサー
１２０（図１２）と同様に、導電性基体と上部電極とを
絶縁する絶縁層が必要である。

【００６７】以上に説明した超音波トランスジューサ及
び超音波センサーの形状は、上記実施例に限定されるも
のではない。例えば、テーパー面や凹面の超音波発信・
受信面は、必ずしも全周面に形成する必要はなく、周面
の少なくとも一部に形成すればホール壁の膜厚測定に使
用可能である。この場合、一対のトランスジューサの発
信・受信面を対向させた状態でスルーホール内に配置す
ることにより、発信・受信面が対面するホール壁の或る
特定個所についての膜厚を測定できる。また、このよう
な配置の一対のトランスジューサをスルーホールの軸芯
回りに回転させながら測定を行うと、ホール壁の全周面
に沿った膜厚分布を測定できる。

【００６８】また、各超音波センサーにおいて、その超
音波トランスジューサは、発信側と受信側との二体を一
体的に形成してもよい。即ち、二体の超音波トランスジ
ューサの絶縁性基体（または下部電極を兼ねる導電性基
体）、圧電体、上部電極の少なくとも何れかを一体的に
形成し、発信側と受信側とのトランスジューサが一体的
な超音波センサーを構成してもよい。この場合、発信側
と受信側とにおける上部電極を一体的に形成する場合に
は、上部電極のリード線は発信側と受信側との何れか一
方の側のトランスジューサに設ければよい。また、二体
の超音波トランスジューサの上記各構成要素の全てを一
体的に形成した場合は、二体の超音波トランスジューサ
の各々が発信側と受信側とを同時に兼ねることになる
が、この場合は反射波の電気信号を分離することにより
膜厚測定が可能である。

【００６９】一方、上記実施例におけるホール壁の膜厚
測定方法及び装置における膜厚の算出は、スペクトラム
強度分布とスペクトラム位相分布とのうち、何れか一方
のみに基づいてもよく、双方に基づいてもよい。例え
ば、強度の周波数依存性を有する被検体に対しては、ス
ペクトラム強度分布のみから膜厚を算出するものとして
もよい。或いは、図８乃至図１１の測定例のように、強
度の周波数依存性がない被検体に対しては、スペクトラ
ム強度分布から膜厚を算出することができないので、ス
ペクトラム位相分布に基づいて膜厚を算出する。

【００７０】また、各測定装置においては、スペクトラ
ム分析装置４８とコントローラ５０とを別個の構成要素
として図示したが、両者の機能を兼ね備える１台の装
置、例えばＦＦＴ演算用ボードを内臓したマイクロコン
ピュータを用いてもよい。

【００７１】更に、本発明における超音波センサーは、
ホール壁の膜に対し、その厚さ測定のみならず膜の剥離
の検出にも使用可能である。また、本発明の超音波セン
サーを適用可能な対象はホール壁に限定されるものでは
なく、円筒形状の空間を包囲する断面環状の壁面、例え
ば細管パイプにも適用可能であり、その超音波探傷にも
使用可能である。

【００７２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の超音波ト
ランスジューサ及び超音波センサーによれば、超音波セ
ンサーを円筒形状の空間に挿通させることにより、その
側周壁に対して超音波を斜めに入反射させることができ
るので、円筒形状空間側周壁における膜厚測定等の超音
波探査に使用することができる。

【００７３】また、本発明のホール壁の膜厚測定方法及
び装置によれば、従来は破壊試験によらなければ測定不
可能であったホール壁の膜厚測定が、上記の超音波セン
サーの使用により可能となる。従って、例えば電子部品
装着用基盤のスルーホールにおけるコーティング層の厚
さを定量的に検出することができるから、その厚さ精度
の管理やコーティング不良の検出が実現可能となる。

【００７４】更に、スペクトラム位相分布に基づいて膜
厚を測定するホール壁の膜厚測定方法及び装置によれ
ば、強度の周波数依存性がない被検体についてもホール
壁の膜厚を測定することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の超音波トランスジューサを示す斜視図
である。

【図２】図１の超音波トランスジューサを一対組み合わ
せてなる超音波センサーを使用したホール壁の膜厚測定
装置を示すブロック図である。

【図３】図２の超音波センサーの作用を説明するための
図であって、スルーホールに挿通された超音波センサー
の先端部分をその軸芯に沿って断面した部分断面図。

【図４】（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）を含み、（Ａ）は基準
スペクトラム強度分布を示す線図、（Ｂ）は測定された
スペクトラム強度分布を示す線図、（Ｃ）は規格化され
たスペクトラム強度分布を示す線図である。

【図５】（Ａ），（Ｂ）を含み、（Ａ）は基準スペクト
ラム位相分布を示す線図、（Ｂ）は測定されたスペクト
ラム位相分布を示す線図である。

【図６】（Ａ），（Ｂ）を含み、（Ａ）はフェイズアン
ラップ処理された基準スペクトラム位相分布を示す線
図、（Ｂ）はフェイズアンラップ処理された測定スペク
トラム位相分布を示す線図である。

【図７】規格化されたスペクトラム位相分布を示す線図
である。

【図８】図２の測定装置による膜厚測定例におけるスペ
クトラム強度分布を示す線図である。

【図９】図２の測定装置による膜厚測定例におけるスペ
クトラム位相分布を示す図であって、（Ａ），（Ｂ）を
含み、（Ａ）は測定スペクトラム位相分布を示す線図、
（Ｂ）は基準スペクトラム位相分布を示す線図である。

【図１０】図２の測定装置による膜厚測定例におけるス
ペクトラム位相分布を示す図であって、（Ａ），（Ｂ）
を含み、（Ａ）はフェイズアンラップ処理された測定ス
ペクトラム位相分布を示す線図、（Ｂ）はフェイズアン
ラップ処理された基準スペクトラム位相分布を示す線図
である。

【図１１】図２の測定装置による膜厚測定例におけるス
ペクトラム位相分布を示す図であって、規格化されたス
ペクトラム位相分布を示す線図である。

【図１２】本発明の第２の超音波センサーを示す斜視図
である。

【図１３】第２の超音波センサーを使用したホール壁の
膜厚測定装置を示すブロック図である。

【図１４】本発明の第３の超音波センサーを示す斜視図
である。

【図１５】第３の超音波センサーの作用を説明するため
の図であり、スルーホールに挿通された超音波センサー
の先端部分をその軸芯に沿って断面した部分断面図であ
る。

【符号の説明】

１，１ａ，１ｂ，２ａ，２ｂ，３…超音波トランスジュ
ーサ、１２，３２…絶縁性基体、２２ａ，２２ｂ…導電
性基体、１４，３４…下部電極（第１の電極）、１６，
２６，３６…圧電体、１８，２８，３８…上部電極（第
２の電極）、４０…高周波発振器（電圧印加手段）、４
８…スペクトラム分析装置（スペクトラム形成手段、周
波数検出手段）、５０…コントローラ（演算手段）、１
１０，１２０，１３０…超音波センサー。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01B 17/00 - 17/08 G01N 29/00 - 29/28

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】超音波探査における超音波の発信と受信
との少なくとも何れかに用いられるものであって、導電性材料からなる第１の電極としての基体を備え、こ
の基体の先端部における側周面の少なくとも一部には、
この基体の外周側から先端側に向かって所定の鋭角をな
すように断面テーパー状の面が形成され、このテーパー
面の外表面には薄膜状の圧電体が形成され、この圧電体
の上表面には、上記基体に対して電気的に絶縁された薄
膜状の第２の電極が形成されており、第１の電極としての上記基体と第２の電極との間に電圧
が印加された場合には、この電圧を機械的振動に変換し
て上記基体のテーパー面の法線方向へ超音波を発信し、上記テーパー面に超音波が受信された場合には、この受
信波を電気信号に変換することを特徴とする超音波トラ
ンスジューサ。
【請求項２】超音波探査における超音波の発信と受信
との少なくとも何れかに用いられるものであって、絶縁性材料からなる基体を備え、この基体の先端部にお
ける側周面の少なくとも一部には、この基体の外周側か
ら先端側に向かって所定の曲率をなすように断面が円弧
状の凹面が形成され、この凹面の外表面には薄膜状の第
１の電極が形成され、この第１の電極の上表面には薄膜
状の圧電体が形成され、この圧電体の上表面には、薄膜
状の第２の電極が形成されており、第１と第２の電極の間に電圧が印加された場合には、こ
の電圧を機械的振動に変換して上記円弧状凹面の曲率中
心方向へ収束波としての超音波を発信し、上記円弧状凹
面に超音波が受信された場合には、この受信波を電気信
号に変換することを特徴とする超音波トランスジュー
サ。
【請求項３】超音波探査における超音波の発信と受信
との少なくとも何れかに用いられるものであって、導電性材料からなる第１の電極としての基体を備え、こ
の基体の先端部における側周面の少なくとも一部には、
この基体の外周側から先端側に向かって所定の曲率をな
すように断面が円弧状の凹面が形成され、この凹面の外
表面には薄膜状の圧電体が形成され、この圧電体の上表
面には、薄膜状の第２の電極が形成されており、第１の電極としての上記基体と第２の電極との間に電圧
が印加された場合には、この電圧を機械的振動に変換し
て上記円弧状凹面の曲率中心方向へ収束波としての超音
波を発信し、上記円弧状凹面に超音波が受信された場合
には、この受信波を電気信号に変換することを特徴とす
る超音波トランスジューサ。
【請求項４】円筒形状の空間の側周面を包囲するよう
に形成された断面環状の壁面と上記空間内に満たされた
超音波伝搬媒体とを有する被検体に対し、上記壁面の超
音波探査に用いられるものであって、第１と第２の超音波トランスジューサを備え、第１の超音波トランスジューサは、請求項１に記載の超
音波トランスジューサであり、第２の超音波トランスジューサは、請求項１に記載の超
音波トランスジューサであり、これら第１と第２の超音波トランスジューサが、その各
々の上記基体の先端側が互いに対向し、且つ各々の上記
テーパー面が互いに対向する配置関係で配置されてお
り、上記超音波探査に際しては、上記円筒形状空間と同軸に
上記円筒形状空間に挿通されると共に、第１と第２の超
音波トランスジューサのうち、少なくとも何れか一方の
上記テーパー面の法線方向へ発信された超音波を、上記
伝搬媒体を通して上記壁面に対して上記所定の鋭角で定
まる入射角にて入射させ、この入射波に対する上記壁面
からの反射波を上記伝搬媒体を通して上記所定の鋭角で
定まる受信角にて他方の超音波トランスジューサの上記
テーパー面で受信することを特徴とする超音波センサ
ー。
【請求項５】第１と第２の超音波トランスジューサ
が、上記配置関係で一体的に形成されていることを特徴
とする請求項４に記載の超音波センサー。
【請求項６】円筒形状の空間の側周面を包囲するよう
に形成された断面環状の壁面と上記空間内に満たされた
超音波伝搬媒体とを有する被検体に対し、上記壁面の超
音波探査に用いられるものであって、第１と第２の超音波トランスジューサを備え、第１の超音波トランスジューサは、請求項１に記載の超
音波トランスジューサであり、第２の超音波トランスジューサは、請求項２または３に
記載の超音波トランスジューサであり、これら第１と第２の超音波トランスジューサが、その各
々の上記基体の先端側が互いに対向し、第１の超音波ト
ランスジューサの上記テーパー面と第２の超音波トラン
スジューサの上記円弧状凹面とが互いに対向する配置関
係で配置されており、上記超音波探査に際しては、上記円筒形状空間と同軸に
上記円筒形状空間に挿通されると共に、第１の超音波トランスジューサの上記テーパー面の法線
方向へ超音波が発信された場合には、この超音波を上記
伝搬媒体を通して上記壁面に対して上記所定の鋭角で定
まる入射角にて入射させ、この入射波に対する上記壁面
からの反射波を上記伝搬媒体を通して第２の超音波トラ
ンスジューサの上記円弧状凹面で受信し、第２の超音波トランスジューサの上記円弧状凹面の曲率
中心方向へ上記収束波が発信された場合には、この超音
波を上記伝搬媒体を通して上記壁面に入射させ、この入
射波に対する上記壁面からの反射波を上記伝搬媒体を通
して上記所定の鋭角で定まる受信角にて第１の超音波ト
ランスジューサの上記テーパー面で受信することを特徴
とする超音波センサー。
【請求項７】第１と第２の超音波トランスジューサ
が、上記配置関係で一体的に形成されていることを特徴
とする請求項６に記載の超音波センサー。
【請求項８】円筒形状のホールが貫通された基盤と、
上記ホールの内周面上に形成された膜と、上記ホール内
に満たされた超音波伝搬媒体と、を有する被検体に対
し、請求項４乃至７の何れか１項に記載の超音波センサ
ーを用いて上記膜の膜厚を測定する方法であって、上記超音波センサーが、上記ホール状空間と同軸に上記
ホール状空間に挿通された状態で、この超音波センサー
の第１と第２の超音波トランスジューサのうちの少なく
とも一方から、上記伝搬媒体を通して上記ホール内周面
上の膜に対して斜めに超音波を入射させる行程と、上記入射超音波に対する反射超音波を他方の超音波トラ
ンスジューサにより受信して電気信号に変換する行程
と、この電気信号に基づいて、反射超音波の強度分布を上記
電気信号の各周波数成分の関数として示したスペクトラ
ム強度分布を形成する行程と、上記スペクトラム強度分布から上記反射超音波の強度の
極小部の周波数を検出する行程と、この検出された周波数に基づき、予め与えられた反射超
音波のスペクトラム強度分布と膜厚との関係に従って、
上記ホール壁面の膜の膜厚を算出する行程と、を備えることを特徴とするホール壁の膜厚測定方法。
【請求項９】請求項８に記載のホール壁の膜厚測定方
法を実施する装置であって、請求項４乃至７の何れか１項に記載の超音波センサー
と、この超音波センサーの第１と第２のトランスジューサの
うちの少なくとも一方に超音波を発信させるように電圧
を印加する電圧印加手段と、他方の超音波トランスジューサにより、上記ホールの壁
面に形成された膜からの反射超音波を受信して変換して
得られた電気信号に基づいて、反射超音波の強度分布を
上記電気信号の各周波数成分の関数として示したスペク
トラム強度分布を形成するスペクトラム形成手段と、上記スペクトラム強度分布から上記反射超音波の強度の
極小部の周波数を検出する周波数検出手段と、上記検出された周波数から、予め与えられた反射超音波
のスペクトラムと膜厚との関係に従って、上記ホールの
壁面に形成された膜の膜厚を算出する演算手段と、を備えることを特徴とするホール壁の膜厚測定装置。
【請求項１０】円筒形状のホールが貫通された基盤
と、上記ホールの内周面上に形成された膜と、上記ホー
ル内に満たされた超音波伝搬媒体と、を有する被検体に
対し、請求項４乃至７の何れか１項に記載の超音波セン
サーを用いて上記膜の膜厚を測定する方法であって、上記超音波センサーが、上記ホール状空間と同軸に上記
ホール状空間に挿通された状態で、この超音波センサー
の第１と第２の超音波トランスジューサのうちの少なく
とも一方から、上記伝搬媒体を通して上記ホール内周面
上の膜に対して斜めに超音波を入射させる行程と、上記入射超音波に対する反射超音波を他方の超音波トラ
ンスジューサにより受信して電気信号に変換する行程
と、この電気信号に基づいて、反射超音波の位相分布を上記
電気信号の各周波数成分についての関数として示したス
ペクトラム位相分布を形成する行程と、上記規格化されたスペクトラム位相分布から位相が変化
を起こす周波数を検出する行程と、この検出された周波数に基づき、予め与えられた周波数
と位相と膜厚との関係に従って、上記ホールの壁面の膜
の膜厚を算出する行程と、を備えることを特徴とするホール壁の膜厚測定方法。
【請求項１１】請求項１０に記載のホール壁の膜厚測
定方法を実施する装置であって、請求項４乃至７の何れか１項に記載の超音波センサー
と、この超音波センサーの第１と第２の超音波トランスジュ
ーサの何れか一方に超音波を発信させるように電圧を印
加する電圧印加手段と、他方の超音波トランスジューサにより、上記ホールの壁
面に形成された膜からの反射超音波を受信して変換して
得られた電気信号に基づいて、反射超音波の位相分布を
上記電気信号の各周波数成分の関数として示したスペク
トラム位相分布を形成するスペクトラム形成手段と、上記スペクトラム位相分布から位相の変化を起こす周波
数を検出する周波数検出手段と、上記検出された周波数から、予め与えられた位相分布と
膜厚との関係に従って、上記ホールの壁面に形成された
膜の膜厚を算出する演算手段と、を備えることを特徴とするホール壁の膜厚測定装置。
【請求項１２】円筒形状のホールが貫通された基盤
と、上記ホールの内周面上に形成された膜と、を有する
被検体に対し、上記膜の膜厚を測定する装置であって、請求項４乃至７の何れか１項に記載の超音波センサー
と、この超音波センサーの第１と第２の超音波トランスジュ
ーサの何れか一方に超音波を発信させるように電圧を印
加する電圧印加手段と、他方の超音波トランスジューサ
により、上記ホールの壁面に形成された膜からの反射超
音波を受信して変換して得られた電気信号に基づいて、
上記電気信号の各周波数成分の関数として反射超音波の
強度分布を示したスペクトラム強度分布と上記電気信号
の各周波数成分の関数として反射超音波の位相分布を示
したスペクトラム位相分布とを形成するスペクトラム形
成手段と、上記スペクトラム強度分布から強度の極小部の周波数ｆ
_c を検出すると共に、上記スペクトラム位相分布から位
相の変化を起こす周波数ｆ _f を検出する周波数検出手段
と、上記周波数ｆ _c と周波数ｆ _f のうちの少なくとも一方を
選択し、周波数ｆ _c については、予め与えられたスペク
トラム強度分布と膜厚との関係に従って、周波数ｆ _f に
ついては、予め与えられたスペクトラム位相分布と膜厚
との関係に従って、上記膜の膜厚を算出する演算手段
と、を備えることを特徴とするホール壁の膜厚測定装置。