JP3639906B2

JP3639906B2 - キャビティーとそのキャビティーを使用した共鳴超音波スペクトロスコピー装置

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Publication number: JP3639906B2
Application number: JP2003017293A
Authority: JP
Inventors: 健一東崎; 卓哉岡崎
Original assignee: 国立大学法人千葉大学
Priority date: 2003-01-27
Filing date: 2003-01-27
Publication date: 2005-04-20
Anticipated expiration: 2023-01-27
Also published as: US20040194547A1; JP2004226352A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、キャビティーとそのキャビティーを使用した共鳴超音波スペクトロスコピー装置に係り、特に、新素材を開発及び評価する際に試料の弾性率を測定するために使用するキャビティーとそのキャビティーを使用した共鳴超音波スペクトロスコピー装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の共鳴超音波スペクトロスコピー装置には、試料を２個の圧電トランスデューサーで挟むタイプ（以下Ｐ型と略す）がある（例えば、特許文献１参照）。他に、従来の共鳴超音波スペクトロスコピー装置には、誘導渦電流に働くローレンツ力を励振に用い、渦電流の誘導起電力を振動の検出に用いる電磁超音波法（以下ＥＭ型と略す）もある。
【０００３】
【特許文献１】
特許公表平１０−５０５４０８号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
物体の弾性定数をより高確度で測定するには測定試料の温度安定度を良くすることが不可欠である。しかし、Ｐ型では試料が空間にオープンな状態で設置されていて温度制御が難しく、ＥＭ型では渦電流によるジュール発熱が絶えず試料を加熱して温度の不均一を生じさせるという問題がある。
【０００５】
そこで、本発明は、試料温度を安定に保ち高精度の弾性率測定が可能なキャビティーとそのキャビティーを使用した共鳴超音波スペクトロスコピー装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の共鳴超音波スペクトロスコピー装置は、少なくとも表面が導体である試料の性質を検出するための共鳴超音波スペクトロスコピー装置において、試料を振動させると共に、試料と組み合わせてＬＣ回路と等価になるキャビティーと、試料とキャビティーの間に配置されて、試料とキャビティーを電気的に絶縁状態にする絶縁手段と、試料と組み合わせたキャビティーをＬＣ回路の等価回路として作用させる周波数を有する第１周波数信号をキャビティーに出力する第１出力手段と、試料を振動させる周波数を有する第２周波数信号を試料及びキャビティーに出力する第２出力手段と、第２周波数信号に基づいて、キャビティーから出力される第１周波数信号の反射信号の振幅を検出する振幅検出手段を備えている。
【０００７】
また、本発明のキャビティーは、少なくとも表面が導体である試料に絶縁物質を介して接するように配置されていて、所定の周波数信号を入力するキャビティーにおいて、試料との間で容量結合する第１突部と、試料との間で容量結合する第２突部と、第１突部と第２突部とを当該キャビティー内に空洞ができるように接続している接続部を備え、第１突部と第２突部はそれぞれの一端同士が電気的に接続されていて、それぞれの他端は互いに電気的に絶縁状態であり、第１突部の他端と第２突部の他端との結合容量は、試料と第１突部との結合容量及び試料と第２突部との結合容量のいずれよりも小さく、周波数信号を入力すると接続部が等価回路としてコイルになる。
【０００８】
さらに、本発明のキャビティーは、少なくとも表面が導体であり第２周波数信号が入力される試料に絶縁物質を介して接するように配置されているキャビティーにおいて、第１周波数信号を入力する第１入力手段と、第２周波数信号を入力する第２入力手段と、当該キャビティー内に空洞ができるように形成され、導体から構成されていて、第１入力手段及び第２入力手段と接続している接続部を備え、第２周波数信号に基づいて試料を振動させ、第１周波数信号に基づいて試料との組合せでＬＣ回路の等価回路として作用する。
【０００９】
以上の構成によれば、発熱のほとんどない静電気力によって試料を励振することができ、さらに従来の装置と比べて測定部を小型にすることができるため、試料温度を非常に安定に保つことが可能になる。
また、本発明は、試料表面の振動状態を検出する場合に、試料表面とそれに対向させた電極（コンデンサーに等価）との間の電気容量変化の検出によって実行する。このようにコンデンサーによる電気容量の変化は高周波の共振回路を利用することにより、高感度で検出することが可能になる。
その結果、試料に大きな温度変化を生じさせることなく、試料の弾性率を高精度で測定することが可能になる。
【００１０】
また、本発明の装置は、従来の装置と比べ測定時の試料にかかる応力が少ない、測定データーの解析にあたり共振モードの特定がしやすい等の長所がある。本発明は、現在製品化されて使用されている共鳴超音波スペストロスコピー測定装置に対し超音波の発生方法及び検出法が異なる新しい方法である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態に係るキャビティーとそのキャビティーを使用した共鳴超音波スペクトロスコピー装置を説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る共鳴超音波スペクトロスコピー装置のブロック図である。
発振器１１は、所定の周波数ｆ_０の周波数信号を発振する。試料１４を測定している間、周波数ｆ_０は一定値に保たれている。試料１４を測定する前に、周波数ｆ_０が設定される。さらに、発振器１１は、発振した周波数信号を方向性ブリッジ１２を介してキャビティー１３に出力する。
方向性ブリッジ１２は、キャビティー１３に周波数ｆ_０の周波数信号を出力すると共にキャビティー１３からの反射信号を検波器１７に出力する。
【００１２】
一方、発振器１６は周波数ｆ／２の周波数信号を発振する。この周波数ｆはコンピュータ１９の指示により決定される。また、周波数ｆはコンピュータ１９の指示により所定の周波数帯を掃引される。発振器１６は、発振した周波数信号を電力増幅器１５及びロックインアンプ１８に出力する。ロックインアンプ１８は、発振器１６から出力された周波数信号を参照して検波を行う。
【００１３】
電力増幅器１５は、発振器１６の出力である周波数信号の電力を増幅する。そして、電力増幅器１５は、増幅された周波数信号を試料１４及びキャビティー１３に出力する。周波数信号の電力の増幅率は、スペーサー２１が絶縁破壊しない程度に設定する。この周波数信号の電力が大きいほど、試料１４が振動する振幅が大きくなり、ロックインアンプ１８が振幅を検出しやすくなる。
【００１４】
キャビティー１３は、金属で構成されており、発振器１１からの周波数信号により試料１４も含めてＬＣ回路になるような構造をしている。キャビティー１３がＬＣ回路として作用するためには、キャビティー１３の大きさ、キャビティー１３の材質によって発振器１１が出力する信号の周波数を調整する必要がある。さらに、キャビティー１３は、増幅された周波数信号を入力して、同様に増幅された周波数信号を入力した試料１４との間で等価回路としてコンデンサーを形成する。コンデンサーは、電極間に電圧が印可されると、その電極間で引力が発生する。本実施形態では試料１４とキャビティー１３とに周波数ｆ／２の交流電圧が印可されるので、試料１４はコンデンサーの対向電極の方向に向かって面に垂直に働く電気力によって振動する。本実施形態では、図１に示されている試料１４とキャビティー１３の配置において、試料１４は上下に振動する。したがって、試料１４の内部に生じる主な共振モードは縦波である。
【００１５】
試料１４は、上記の記載からもわかるように、金属を含むように構成される。測定したい物質が金属でない場合は、試料１４の表面に金属を付着させておく。例えば、測定前に試料１４の表面に金蒸着膜を形成させておく。試料１４は、通常固体であるが、液体や気体でも測定可能である。試料１４が液体や気体の場合は、試料１４を容器に封入してキャビティー１３の上に配置する。
【００１６】
検波器１７は、キャビティー１３からの出力である反射信号をモニターしている。ロックインアンプ１８は、発振器１６からの周波数ｆ／２を参照して周波数ｆの信号を基準として、検波器１７の出力信号から周波数ｆの信号成分を抽出する。すなわち、ロックインアンプ１８と発振器１６の基準クロックは同期している。そして、ロックインアンプ１８は、抽出した信号成分の振幅値をコンピュータ１９に出力する。ロックインアンプ１８は、入力した検波器１７の出力信号のＳＮ比を改善する。
【００１７】
コンピュータ１９は、発振器１６にある周波数帯を掃引する周波数、すなわち周波数ｆを指定して、その周波数に基づいて発振するように発振器１６に指示信号を出力する。さらに、コンピュータ１９は、ロックインアンプ１８から出力される振幅値を入力して記憶してゆく。ロックインアンプ１８からの出力データーは、コンピュータ１９が発振器１６に指示した周波数ｆ／２の２倍の周波数の成分である。コンピュータ１９は発振器１６とロックインアンプ１８を制御し、周波数掃引の自動測定を行う。
【００１８】
発振器１１、方向性ブリッジ１２、キャビティー１３、試料１４、検波器１７、ロックインアンプ１８、電力増幅器１５、発振器１６の接続は、同軸ケーブルが使用されている。ただし、検波器１７とロックインアンプ１８の間、試料１４及びキャビティー１３と電力増幅器１５の間、電力増幅器１５と発振器１６の間、発振器１６とロックインアンプ１８の間は、通常の２芯ケーブルを使用してもよい。
【００１９】
また、コンピュータ１９と発振器１６及びロックインアンプ１８はＧＰＩＢ（general purpose interface bus）で接続されている。もちろん、これらの接続は、ＧＰＩＢに限定されない。コンピュータ１９が発振器１６及びロックインアンプ１８をコントロールすることができるようにそれぞれが接続されていればよい。例えば、ＲＳ−２３２Ｃ、ＵＳＢ（universal serial bus）等でそれぞれが接続されていてもよい。
【００２０】
図２（Ａ）は、図１のキャビティー１３及び試料１４の断面図である。図２（Ｂ）は、図１のキャビティー１３の斜視図である。図２（Ｃ）は、図２（Ａ）の点線Ａで囲まれた部分の拡大図である。
キャビティー１３の上部にスペーサー２１が配置される。スペーサー２１は、絶縁体から構成されている。スペーサー２１は電気的に絶縁することができればどんなものでも構わない。試料１４はキャビティー１３の上にスペーサー２１を介して積載されている。
【００２１】
図２（Ａ）及び図２（Ｂ）に示すようにキャビティー１３は、円柱状の形状を有し、その内部はドーナツ状に空洞部分が設けてある。また、キャビティー１３には、唯一上部に環状帯の孔が形成されている。この環状帯の孔はドーナツ状の空洞部分と繋がっている。スペーサー２１は、この環状帯の孔を塞ぎつつ試料１４を積載するために十分な面積を有していて、キャビティー１３の上に配置されている。本実施形態では、スペーサー２１は、キャビティー１３の上部を被う円盤状の形状である。
【００２２】
発振器１６及び電力増幅器１５と接続している同軸ケーブルは内側中心の導線と外側の金属管からの導線の一方が試料１４に接続して、他方がキャビティー１３に接続している。図２（Ａ）及び図２（Ｂ）では、内側中心の導線が試料１４に接続し、金属管からの導線がキャビティー１３に接続している。
【００２３】
発振器１１及び方向性ブリッジ１２と接続している同軸ケーブルは内側中心の導線と外側の金属管からの導線の一方がキャビティー１３内の空洞中に面積を形成するように設置し、他方がキャビティー１３に接続している。図２（Ａ）及び図２（Ｂ）では、内側中心の導線がキャビティー１３内の空洞中に面積を形成し、金属管からの導線がキャビティー１３に接続している。図２（Ａ）及び図２（Ｂ）では、内側中心の導線は、キャビティー１３内の空洞中に半円形に配置されている。
【００２４】
環状帯の孔１３１の内側キャビティー部分と試料１４、環状帯の孔１３１の外側キャビティー部分と試料１４それぞれでコンデンサーを形成する。発振器１６が出力する周波数信号が試料１４とキャビティー１３に印加されて、これらのコンデンサーが作動する。
【００２５】
コンデンサーの構造は、試料表面と、内側及び外側キャビティー部分とを電極とする平行平板コンデンサーと同等である。電極間物質の誘電率がεで電極面積Ｓ、電極間隔ｄである平行平板コンデンサーの両極間に電位差Ｖをかけた時、電極はお互いにＦ＝εＳ（Ｖ／ｄ）^２／２の電気力で引き合う。本実施形態では、発振器１６が周波数ｆ／２の交流電圧を印加電圧として両電極間に印可するので、電極間には周波数ｆの割合で引力が働く。その結果、試料表面に働く電気力は対向電極の方向に向かって面に垂直に働き、試料１４は振動する。試料１４が直方体である場合、その内部に生じる主な共振モードは縦波である。
【００２６】
また、環状帯の孔１３１を挟んで外側キャビティー部分と内側キャビティー部分でもそれぞれが容量結合してコンデンサーが形成され得る。しかし、図２（Ｃ）に示すように、スペーサー２１の厚さｄ_１に比較してキャビティー１３の上部に形成されている環状帯の孔の幅ｄ_２は大きく設定されて、さらに環状帯の孔１３１の内側又は外側キャビティー部分のうちのコンデンサーの電気容量を決める面積も小さく設定されているので、環状帯の孔１３１を挟んで外側キャビティー部分と内側キャビティー部分で形成されるコンデンサーの作用は、環状帯の孔１３１の内側又は外側キャビティー部分と試料１４で形成されるコンデンサーの作用に比較して小さくなり、その作用は無視できる程度になる。
【００２７】
逆に述べれば、環状帯の孔１３１を挟んで外側キャビティー部分と内側キャビティー部分で形成されるコンデンサーの作用が環状帯の孔１３１の内側又は外側キャビティー部分と試料１４で形成されるコンデンサーの作用に比較して小さくなる程度にスペーサー２１の厚さｄ_１及び環状帯の孔の幅ｄ_２、環状帯の孔１３１の内側又は外側キャビティー部分のうちのコンデンサーの電気容量を決める面積を設定する。
換言すれば、環状帯の孔１３１を挟んで外側キャビティー部分と内側キャビティー部分との結合容量が環状帯の孔１３１の内側又は外側キャビティー部分と試料１４との結合容量よりも無視できる程度に小さくなるようにキャビティーの形状を設定する。
【００２８】
図３（Ａ）は、図１のキャビティー１３に流れる電流とキャビティー１３内の空洞に生じる磁場の向きを示す図である。図３（Ｂ）は、図１の発振器１１からの周波数信号での図１のキャビティーの等価回路図である。
発振器１１から周波数信号がキャビティー１３に入力されると、図３（Ａ）の矢印に示すようにキャビティー１３の内部では電流がその向きを周期的に変化して流れる。電流の向きが変化する周期は、発振器１１から出力される周波数信号の周波数ｆ_０に対応する。このようにキャビティー１３内に電流が流れると図３（Ａ）に示すように磁場が発生し、その磁場の向きも周波数ｆ_０に対応して変化する。この磁場は、キャビティー１３内の空洞中に同心円状に形成され、その向きが時間１／ｆ_０ごとに変化する。
【００２９】
すなわち、キャビティー１３、スペーサー２１、及び試料１４は、図３（Ｂ）に示すようなＬＣ回路に等価である。ＬＣ回路は、周波数ｆ_ｒ＝（２π）^−１（ＬＣ）^−０．５で共振する特徴がある。ここでＬは図３（Ｂ）に示した等価回路のコイルのインダクタンスであり、Ｃは図３（Ｂ）に示した等価回路の２つのコンデンサーの合成電気容量である。このようなリエントラント型キャビティーの例としては例えば、C. T. Van. Degrift, Rev. Sci. Instrum., Vol. 45 (1974)
１１７１に記載されているものがある。
【００３０】
図４は、図１の発振器１１からの周波数信号の周波数に対する図１のキャビティー１３からの反射波の振幅を示すグラフである。
図４に示すように、キャビティー１３からの反射波は、共振周波数ｆ_ｒで最小となり共振周波数から離れるほどその強度はローレンツ型曲線にしたがって増加する。また、本実施形態では、試料１４が振動するため、コンデンサーの電気容量が周波数ｆで変動する。したがって、共振周波数ｆ_ｒは、ｆ_ｒより小さい値であるｆ_ｒ−とｆ_ｒより大きい値であるｆ_ｒ＋との間で変動する。共振周波数が変動するに伴い、周波数に対する反射波の振幅値も変動する。すなわち、共振周波数がｆ_ｒ＋である場合は反射波の特性は図４の右側の点線の曲線のようになり、共振周波数がｆ_ｒ−である場合は反射波の特性は図４の左側の点線の曲線のようになる。反射波の特性曲線は、共振周波数がｆ_ｒ−である場合の曲線と共振周波数がｆ_ｒ＋である場合の曲線の間を変動する。
【００３１】
共振周波数が変動することに伴う反射特性の変動は周波数ｆで変動するため、試料１４の表面の振幅に比例した振幅をもつ周波数ｆの信号を取り出すことができる。この振幅の比例程度が大きいほど振幅を検出する感度が大きくなるので、可能な限り、表面の振幅に比例した振幅の値は大きい方が好ましい。そのために、図４に示した反射波の特性曲線で最も傾きが大きくなる周波数にキャビティー１３から反射される周波数を設定する。すなわち、図４に示すように反射波の特性曲線で最も傾きが大きくなる周波数に発振器１１の出力信号の周波数ｆ_０を設定する。
試料１４の表面が振動し、電気容量Ｃが増えると共振周波数が減少してキャビティーからの反射波振幅は図４の点Ａの値に増加し、電気容量Ｃが減ると共振周波数が増加して図４の点Ｂの値に減少する。よって試料表面が周波数ｆで振動している場合、キャビティーから反射された周波数ｆ_０の波は周波数ｆでＡＭ変調される。検波器１７はこの信号を検波し試料１４の表面に発生した振幅に比例した振幅をもつ周波数ｆの信号を取り出すことができる。
【００３２】
図４に示すように反射波の特性曲線で最も傾きが大きくなる周波数ｆ_０を探すためには、加振器（図示せず）によってキャビティー１３を直接振動させて試料１４を振動させることにより共振周波数をずらし、反射波の振幅が最も変動する周波数を探し出し、その探し出された周波数を周波数ｆ_０として発振器１１の発振周波数に設定するとよい。
【００３３】
図５は、図１の検波器１７からの出力信号の時間に対する振幅を示すグラフである。
検波器１７は、周波数ｆ_０での図４に示したＡとＢの間で振動する振幅値を検出する。
【００３４】
図６は、図１のロックインアンプ１８の出力信号の周波数に対する振幅を示すグラフである。横軸の周波数は、発振器１６が出力する周波数であり、コンピュータ１９が発振器１６に指示したものである。
コンピュータ１９は、周波数ｆを変化させ、ある周波数帯を掃引する。コンピュータ１９が指示した周波数が試料１４に縦波の基本モードに対応する周波数ｆ_１に一致した場合、共鳴現象が発生して図６に示すようなピークが現れる。そのピークが現れた周波数が基本モードに対応する周波数ｆ_１である。この基本モードの周波数ｆ_１から試料１４の弾性定数を求めることができることが知られており、弾性定数Ｃ_１１とするとＣ_１１＝ρ（λｆ_１）^２と求まる。ここでρは試料１４の密度、λは試料１４中に伝わる超音波の波長である。
【００３５】
図６に示したグラフでは、ｆ_１＝４２５．６ｋＨｚに鋭いスペクトルがある。図６に対応する実験では、ρ＝６．０２ｇ／ｃｍ^３、λ＝１６．１８ｍｍである。したがって、Ｃ_１１＝２．８５７×１０^１１Ｎ／ｍ^２となり、文献値（２．７５×１０¹¹Ｎ／ｍ^２、浜口智尋著「固体物理」丸善）とよく一致する。
【００３６】
また、実験では、試料として一辺４．０４５±０．００１ｍｍの立方体型のＢａＴｉＯ_３単結晶（Germany、Matech社製）を用いた。本試料には導電性がないので表面に導電性をもたせるため、全表面に金蒸着膜を付けた。試料表面への通電のため表面隅に直径４６μｍのリード線を少量の銀ペーストで取り付けた。
キャビティー１３の直径は１０ｍｍ、シリコン樹脂でできたスペーサー２１の厚さは約１０μｍである。
試料１４の表面は０．１〜３ＭＨｚの周波数で振動している。キャビティー１３の共振周波数ｆ_ｒは約２．６ＧＨｚである。このように、本実験では発振器１１の発振周波数ｆ_０は発振器１６の発振周波数ｆの約１万倍である。試料１４とキャビティー１３で形成されるコンデンサーに印加される印加電圧は１４０Ｖppである。
【００３７】
発振器１１はネットワークアナライザ（型番：ＨＰ８７５３Ｃ）、方向性ブリッジ１２は型番ＨＰ８６２０５Ａ、検波器１７は型番ＨＰ８４７２Ｂ、ロックインアンプ１８はネットワークアナライザ（型番ＨＰ８７５３Ｅ（時定数１０ｓ））、発振器１６は型番ＨＰ３３１２０Ａ、電力増幅器１５は型番ＮＦ４００５、コンピュータ１９はＮＥＣのＰＣ９８０１を使用した。
【００３８】
この実験で試料表面に働いている電気力のオーダーは０．０１Ｎである。観測されたスペクトルの振動振幅のオーダーは本キャビティーの特性（Ｑ値は約３００）から推定すると１Ａである。よって本装置の振幅検出限界は約０．１ｐｍと推定できる。
【００３９】
本実施形態では試料の励振を発熱のほとんどない静電気力によって行い、試料表面の振動状態の検出を試料表面とそれに対向させた電極との間の電気容量変化の検出によって行う。従来用いられているブリッジ回路による測定に代えて高周波の共振を利用することにより、電気容量変化を高感度で検出することができる。
これらの結果、容積１００ｍｍ^３以下の小型の装置で、測定中の試料に大きな発熱を生じさせることなく、高感度で測定することが可能になる。
【００４０】
また、キャビティー１３が小型であるので、高精度の温度コントロールができる。試料１４とキャビティー１３の小型化について原理上の制約はない。よってマイクロ加工技術の発達によって小型キャビティーの製作が可能となればマイクロメートルサイズの試料についての測定が可能である。さらに、熱流センサーを取り付けることにより熱分析との同時測定が可能である。高温での使用はキャビティーの材質を選ぶことにより可能である。
【００４１】
本実施形態の共鳴超音波スペクトロスコピー装置は、試料１４の表面に直接電気力が働くため、試料１４はキャビティーの上に置くだけでよく、圧電トランスデューサーを用いるＰ型のように機械的に試料を挟んだり接着剤等を用いて固定する必要がない。このため本実施形態の共鳴超音波スペクトロスコピー装置は、試料は外部からの静的な応力を受け歪むということがなく、高精度な弾性率測定が可能になる。
【００４２】
（第２の実施形態）
図７は、本発明の第２の実施形態に係る共鳴超音波スペクトロスコピー装置のブロック図である。
本実施形態は、第１の実施形態の構成とは温度コントローラ２２が追加されていることのみ異なる。温度コントローラ２２は、試料１４とキャビティー１３の温度を所望の温度に保つためのものである。温度コントローラ２２は、試料１４とキャビティー１３を囲うように配置される。
【００４３】
温度コントローラ２２は、Ａ. Kojima, C. Ishii, K. Tozaki, S. Matsuda, T. Nakayama, N. Tsuda, Y. Yoshimura, H. Iwasaki, Rev. Sci. Instrum. Vol. 68 (1997) 2301に記載されている温度スタビライザー（恒温容器ともいう）を使用する。
【００４４】
第１の実施形態で説明した試料１４とキャビティー１３を温度コントローラ２２内に設置することによって１ｍＫの温度安定度が得られ、安定したスペクトル特性が得られる。
【００４５】
その結果、共鳴超音波スペクトル波形の高感度かつ高ＳＮ比測定が試料の温度安定度±１ｍＫの条件下で実現することができる。その他の効果は、第１の実施形態と同様である。
【００４６】
（第３の実施形態）
図８は、本発明の第３の実施形態に係る共鳴超音波スペクトロスコピー装置のブロック図である。
本実施形態は、第１の実施形態の構成とは、支持台２３が加えられ、キャビティー１３がキャビティー１３よりも大きな試料１４に横向きで振動を加える点が異なる。
【００４７】
試料１４は、キャビティー１３が振動することによりずれないように設置する。例えば、試料１４の底面は接着剤等で固定する。試料１４がずれにくいために、キャビティー１３はその上方部分を振動させるように支持台２３の上に配置する。試料１４が固定されている状態が維持されるならば、特に試料１４の上方部分を振動させるようにする必要はない。
【００４８】
本実施形態のように試料１４の横方向からキャビティー１３により振動を加えることで、試料１４の横波による弾性定数を求めることが可能になる。その他の効果は、第１の実施形態と同様である。
【００４９】
上述した実施形態で用いた機器に代えてより一般的な物を使用するとすれば、発振器１１（型番：ＨＰ８７５３Ｃ）は通常の高周波発振器に、またロックインアンプ１８（型番：ＨＰ８７５３Ｅ）は高周波帯域のロックイン増幅器に置き換えてもよい。
【００５０】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。さらに、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組合せにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題の少なくとも１つが解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果の少なくとも１つが得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。
【００５１】
【発明の効果】
本発明によれば、試料温度を安定に保ち高精度の弾性率測定が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る共鳴超音波スペクトロスコピー装置のブロック図。
【図２】（Ａ）図１のキャビティー及び試料の断面図。
（Ｂ）図１のキャビティーの斜視図。
（Ｃ）図２（Ａ）の点線Ａで囲まれた部分の拡大図。
【図３】（Ａ）図１のキャビティーに流れる電流とキャビティー内の空洞に生じる磁場の向きを示す図。
（Ｂ）図１の発振器からの周波数ｆ_０の周波数信号での図１のキャビティーの等価回路図。
【図４】図１の発振器からの周波数ｆ_０の周波数信号の周波数に対する図１のキャビティーからの反射波の振幅を示すグラフ。
【図５】図１の検波器からの出力信号の時間に対する振幅を示すグラフ。
【図６】図１のロックインアンプの出力信号の周波数に対する振幅を示すグラフ。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る共鳴超音波スペクトロスコピー装置のブロック図。
【図８】本発明の第３の実施形態に係る共鳴超音波スペクトロスコピー装置のブロック図。
【符号の説明】
１１・・・発振器、１２・・・方向性ブリッジ、１３・・・キャビティー、１４・・・試料、１５・・・電力増幅器、１６・・・発振器、１７・・・検波器、１８・・・ロックインアンプ、１９・・・コンピュータ、２１・・・スペーサー、２２・・・温度コントローラ、２３・・・支持台、１３１・・・環状帯の孔

Claims

少なくとも表面が導体である試料の性質を検出するための共鳴超音波スペクトロスコピー装置において、
前記試料を振動させると共に、前記試料と組み合わせてＬＣ回路と等価になるキャビティーと、
前記試料と前記キャビティーの間に配置されて、前記試料と前記キャビティーを電気的に絶縁状態にする絶縁手段と、
前記試料と組み合わせた前記キャビティーをＬＣ回路の等価回路として作用させる周波数を有する第１周波数信号を前記キャビティーに出力する第１出力手段と、
前記試料を振動させる周波数を有する第２周波数信号を前記試料及び前記キャビティーに出力する第２出力手段と、
前記第２周波数信号に基づいて、前記キャビティーから出力される前記第１周波数信号の反射信号の振幅を検出する振幅検出手段を具備する共鳴超音波スペクトロスコピー装置。
前記試料の導体部分と前記キャビティーの導体部分とがコンデンサーの等価回路を形成し、この導体部分間で作用する電気力により前記試料は振動する請求項１に記載の共鳴超音波スペクトロスコピー装置。
前記キャビティーは、前記試料との間で形成される等価回路としてのコンデンサーと、当該キャビティー内に発生する等価回路としてのコイルとにより、ＬＣ回路を形成する請求項１又は請求項２に記載の共鳴超音波スペクトロスコピー装置。
前記試料の温度を安定化するための温度安定器をさらに具備し、
前記試料及び前記キャビティーは当該温度安定器内に設置される請求項１から請求項３のいずれかに記載の共鳴超音波スペクトロスコピー装置。
前記第１周波数信号が有する周波数と、前記第２周波数信号が有する周波数とは異なる周波数帯域に属する請求項１から請求項４のいずれかに記載の共鳴超音波スペクトロスコピー装置。
前記キャビティーは、リエントラント型の共振器である請求項１から請求項５のいずれかに記載の共鳴超音波スペクトロスコピー装置。
前記キャビティーは前記試料の下方から前記試料を振動する位置に配置される請求項１から請求項６のいずれかに記載の共鳴超音波スペクトロスコピー装置。
前記キャビティーは前記試料の側方から前記試料を振動する位置に配置される請求項１から請求項６のいずれかに記載の共鳴超音波スペクトロスコピー装置。
少なくとも表面が導体である試料に絶縁物質を介して接するように配置されていて、所定の周波数信号を入力するキャビティーにおいて、
前記試料との間で容量結合する第１突部と、
前記試料との間で容量結合する第２突部と、
前記第１突部と前記第２突部とを当該キャビティー内に空洞ができるように接続している接続部を具備し、
前記第１突部と前記第２突部はそれぞれの一端同士が電気的に接続されていて、それぞれの他端は互いに電気的に絶縁状態であり、前記第１突部の他端と前記第２突部の他端との結合容量は、前記試料と第１突部との結合容量及び前記試料と第２突部との結合容量のいずれよりも小さく、
前記周波数信号を入力すると前記接続部が等価回路としてコイルになるキャビティー。
前記試料の導体部分との間でコンデンサーの等価回路を形成し、この導体部分間で作用する電気力により前記試料は振動する請求項９に記載のキャビティー。
前記試料との間で形成される等価回路としてのコンデンサーと、当該キャビティー内に発生する等価回路としてのコイルとにより、ＬＣ回路を形成する請求項９又は請求項１０に記載のキャビティー。
少なくとも表面が導体であり第２周波数信号が入力される試料に絶縁物質を介して接するように配置されているキャビティーにおいて、
第１周波数信号を入力する第１入力手段と、
前記第２周波数信号を入力する第２入力手段と、
当該キャビティー内に空洞ができるように形成され、導体から構成されていて、前記第１入力手段及び前記第２入力手段と接続している接続部を具備し、
前記第２周波数信号に基づいて前記試料を振動させ、前記第１周波数信号に基づいて前記試料との組合せでＬＣ回路の等価回路として作用するキャビティー。
前記試料の下方から前記試料を振動する位置に配置される請求項９から請求項１２のいずれかに記載のキャビティー。
前記試料の側方から前記試料を振動する位置に配置される請求項９から請求項１２のいずれかに記載のキャビティー。
前記第１周波数信号が有する周波数と、前記第２周波数信号が有する周波数とは異なる周波数帯域に属する請求項１２に記載のキャビティー。