JPH03262909A - 超音波計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は超音波によって試料の厚さを測定する超音波計
測装置に関する。

〔従来の技術〕

従来、試料に超音波を入射させ、その試料からの反射波
を電気信号に変換した後、その電気信号に含まれる試料
からの反射波成分を抽出し、その反射波成分に基づいて
試料の厚さを計測する超音波計測装置が考えられている
。

第７図は従来の超音波計測装置の構成例を示す図である
。この超音波計測装置は、周波数を可変可能な発振器１
の出力電圧が超音波探触子２へ印加され、そこで電気音
響変換された送信波がカブラ液体３を通って試料４に伝
播される。一方、試料４からの反射波は再びカプラ液体
３を通って超音波探触子２へ入射し、反射波の強度に応
じた電気信号に変換される。

ところで、発振器１の周波数ｆを連続的に変化させるこ
とにより、試料４中の超音波の波長λが変化する。試料
４の厚さｄと前記波長λの半波長の正数倍（ｎ）が等し
くなるとき、すなわち、ｎλ／２−ｄ　　　　　　　　
　　・・・（１）となるときに、試料４の中で定常波が
生じ共振する。この共振によって生じる振動エネルギー
は超音波探触子２で電気信号に変換される。その結果、
共振時には発振器１の電流が増加する。これを増幅器５
で増幅し、オシロスコープ６に表示したものが、第８図
に示す波形である。同図に示すように、この波形は所定
の周期でピークを示す波形であり、山の部分が共振を生
じている周波数である。

この周波数をｆｉｎ　　ｆ２＋　・・・ｆｍ＋ｆ１１０
１・・・と表すと、（１）式より、試料の厚さｄは、ｄ
　−ｎ　Ｖ　／　２　ｆ　、　　　　　　　　　　＝　
（２）Ｖ：伝播速度 と表す事ができる。したがって、ｎ、Ｖとｆｌがわかれ
ば、試料４の厚さを求めることができる。

また、ｎがわからない場合には、ｆ、、、ｆ、、。１゜
ｆ、＋２・・・のように隣接する共振周波数の差を求め
れば、その差は基本共振周波数に等しくなるので、試料
の厚さｄは、 ｄ−Ｖ／２（ｆ、、ｌ−ｆ、）　　　　−（３）として
求められる。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら上述した超音波計測装置は、送信波として
連続波を使用しており、共振の起こる周波数を見つける
ために連続的に周波数を変化させる必要があることから
、−回の測定に長時間を要し、作業能率が悪いという問
題がある。また、送信波が試料の全体または所定の幅を
もった領域に照射されることから、試料の一部分のみの
厚さは測定することができず、試料に凹凸がある場合に
はその厚さを測定することができないという問題があっ
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
料の厚さを高速に測定することができ、試料の特定部分
の厚さを測定することができ、凹凸のある試料の厚さも
測定することができる超音波計測装置を提供することを
目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は上記課題を解決するために、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電気信号に
変換する超音波送受信手段と、この超音波送受信手段に
よって変換された前記電気信号に含まれている試料から
の反射波成分を抽出する抽出手段と、この抽出手段によ
って抽出された前記反射波成分をデジタル信号に変換す
るＡ／Ｄ変換手段と、このＡ／Ｄ変換手段の出力を前記
反射波成分の波形データとして記憶する記憶手段と、こ
の記憶手段に記憶されている波形データをフーリエ変換
して前記反射波成分のパワースペクトルを算出する演算
手段と、この演算手段で算出されたパワースペクトルの
周波数特性を求める手段と、この手段で求めた周波数特
性から前記試料の厚さを算出する手段とを備える構成と
した。

また、前記超音波送受信手段から微小スポットに集束す
る超音波パルスを送波して試料に入射させるようにした
。

〔作用〕

本発明は以上のような手段を講じたことにより、超音波
送受信手段から単発パルスである超音波パルスが試料に
入射され、試料からの反射波成分が抽出手段で抽出され
る。この抽出された反射波成分はフーリエ変換されて、
そのパワースペクトルが算出される。このパワースペク
トルは共振周波数に応じた山および谷が周期的に表れる
周波数特性を有しており、山または谷の周波数が選ばれ
て、その周波数に基づいて試料の厚さが算出される。

よって、試料に対して一回超音波パルスを入射させるこ
とにより、試料の厚さが計測され、測定時間が短縮され
る。

また、微小スポットに集束する超音波パルスが試料に入
射されることから、試料の一点のみの厚さを測定する事
ができ、よって凹凸のある試料または試料の一部分のみ
の厚さを測定する事ができるものとなる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例について説明する。

第１図は本発明の第１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
スを発生するパルス波送信部１０と、発生させた送信パ
ルスを超音波パルスに変換するトランスジューサ１１と
、トランスジューサ１１で変換され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とから構成されて
いる。

音響レンズ１２の焦点付近には試料１３が配置されてい
る。音響レンズ１２と試料１３との間は超音波を伝播さ
せるためのカブラ液体１４で満たされている。試料１３
に入射した超音波は試料１３の表面および裏面で反射し
、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、「反射信号」と呼称する）に変換されて
前置増幅器１５に入力される。前置増幅器１５の出力端
子にはゲート部１６が接続されている。前置増幅器１５
で増幅された反射信号はゲート部１６に入力される。こ
のゲート部１６は、反射信号に対して所定幅のゲートを
かけて、試料からの反射波成分を抽出する。このゲート
部１６にはサンプリング部１７が接続されていて、この
サンプリング部１７においてゲート部１６で抽出された
反射波成分がサンプリングされる。サンプリング部１７
でサンプリングされた反射波成分は、Ａ／Ｄ変換部１８
でＡ／Ｄ変換される。なお、パルス波送信部１０．ゲー
ト部１６．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、パルス波送
信部１０には送信パルスを発生させるタイミングとなる
送信トリガ信号が出力され、ゲート部１６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はパルス制御部２０からの制御信号によ
りサンプリング周波数が制御される。

Ａ／Ｄ変換部１つの出力となるデジタル化された反射波
成分はコンピュータ２１のメモリに記憶される。コンピ
ュータ２１は、フーリエ変換機能。

パワースペクトルを計算する機能、パワースペクトルの
周波数特性を計算する機能、その求めた周波数特性から
試料の厚さを計算する機能を有している。このコンピュ
ータ２１には、計算結果を表示するためのデイスプレィ
２２が接続されている。

次に、試料の厚さを測定するときの動作について説明す
る。

パルス波送信部１０にパルス制御部２０から出力された
送信トリガ信号が入力すると、パルス波送信部１０は単
発パルスを発生し、このパルス波がトランスジューサ１
１で音響信号に変換されて、音響レンズ１２を通して試
料１３に入射する。試料１３の反射波は再び音響レンズ
１２を通り、トランスジューサ１１で電気信号に変換さ
れる。この反射信号は、第２図（ａ）に示すように、送
信もれ、レンズ内反対、試料反射等の成分を含んでいる
。そこで、第２図（ｂ）に示すようなゲート信号により
ゲートをかけることにより、試料１３からの反射波成分
のみが抽出される。この様にして抽出された反射波成分
はサンプリング部１８゜Ａ／Ｄ変換部１つを介してデジ
タル信号に変換された後、コンピュータ２１のメモリに
記憶される。

なお、このときのサンプリング周波数は反射波成分が持
つ周波数成分の２倍以上に設定する。

ところで、実際に送信される送信波は単発パルスである
が、試料表面からの反射波のパワースペクトルは、トラ
ンスジューサ１１の帯域や、音響ンズ１２．カプラ液体
１４の吸収等により、第３図に示すような波形となる。

ここで、例えば試料１３の構造が第４図に示すように、
物質Ｅと物質Ｇの間に、所定の厚さｄの物質Ｆが存在し
ているとする。物質Ｆに入射する超音波パルスの経路と
しては、物質Ｆの表面で反射する経路Ａと裏面で反射す
る経路Ｂの２つがある。経路Ａの波ＣＡ（ｔ）は次式で
表す事ができる。

Ｃ＾（ｔ）−ＲＪ’Ａ（ｆ’）ｓｉｎ（２πｆｔ）ｄｆ
　　　　　　　　　　−（４）なお、ｆは周波数、　Ａ
　（ｆ）は各周波数における波の強度、Ｒは反射係数を
示す。一方、経路Ｂを通る波ＣＢ（ｔ）は、経路Ａを通
る波よりも物質Ｆの厚さｄの往復性だけ長くなるから、
この分だけ位相がずれることになる。このことから、物
質Ｆの減衰係数をα（ｆ〉、透過係数をＳとすると、経
路Ｂを通る波Ｃ５（ｔ）は次式で表される。

・・・　（５） 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Ｚｙｔ、Ｚｐ、Ｚａとすると、（５）式の正
負の符号のとりかたは、次の２通りがある。

（ａ）　　ＺＨ＞ｚＦ＞ｚａまたは２Ｅ＜２．＜２０の
とき、 ＣＡ（１）とＣＢ（ｔ）は同位相 Ｃｍ（ｔ）の符号は正 （ｂ）　　Ｚｗ　＞Ｚｐ　、ＺＦ　＜Ｚａ−またはｚＩ
ｌくＺＦ、ＺＰ＞ＺＧのとき ＣＡ（ｔ）とＣｍ（ｔ）は逆位相 Ｃ５（ｔ）の符号は負 （４）、（５）式から物質Ｆの反射波Ｃｐ（ｔ）は、 Ｃｐ（ｔ）＝ＣＡ（ｔ）＋Ｃｉ＋（ｔ）・・・　（６） 上記（６）式の第２項のｓｉｎの位相が、第１項のｓｉ
ｎの位相と同位相ならばパワースペクトルに山が生じ、
逆位相ならば谷が生じる。以上のことから、 （ａ）のとき、 （６）式の第２項の符号は正なので、 山を生じる　４７ｒ　（ｒ／Ｖ）　ｄ　−２ｎ　ｘ（ｎ
＝１．２・・・）　　　・・・（７）谷を生じル４　π
（ｆ／Ｖ）　ｄ　−（２ｎ　＋１　）　ｙｒ（ｎ＝０．
１．２・・・）　・・・（８）例として、例えば谷の場
合を考えると、（８）式から谷の生じる周波数は ｆ＝　（２ｎ＋１）Ｖ／４ｄ （ｎ−０＋　　１．２・・・）　　　　　　・・・（９
）ｎ＝０の周波数をｆ５とすると、谷の生じる周波数は
次のようになる。

ｆｓ　、　　３　ｆｓ　、　　５　ｆｓ　、　−−・（
２ｎ＋１）ｆｓ　、　−・・・（ｌＯ） （９）式より、試料の厚さｄは次式で表される。

ｄ　＝Ｖ／４　ｆ　ｓ　　　　　　　　　　　−（１１
）（ｂ）のとき、 （６）式の第２項の符号は正なので、 山を生じる　４　ｙｒ　（ｆ／Ｖ）　ｄ　−（２ｎ　＋
１　）　ｙｒ（ｎ−０，１，２−）　　−（１２） 谷を生じる　４　ｙｒ　（ｆ／Ｖ）　ｄ　−２ｎ　π（
ｎ−１，２・・・）　　　・・・（１３）例として谷の
場合を考えると、（１３）式より、ｆ−ｎＶ／２ｄ　　
　（ｎ＝１．２＝１・・・（１４） ｎ−１の周波数をｆ５とすると、谷の生じる周波数は次
のようになる。

ｆ　ｓ　、　　２　ｆ　５　、　３　ｆ　５　、−　ｎ
　ｆ　５　。

・・・　（１５） （１４）式から試料の厚さｄは次式で表される。

ｄ　＝　Ｖ／　２　ｆ　ｓ　　　　　　　　　　　−（
１Ｂ）本実施例では、第４図に示す構造をなす試料１３
の物質Ｆからの反射波にゲートをかけて、その反射波成
分をコンピュータ２１のメモリに記憶する。この様にし
てコンピュータ２１のメモリに記憶された反射波成分は
読出されて高速フーリエ変換され、パワースペクトルが
算出される。このパワースペクトルは、第５図に示す波
形となる。

このパワースペクトルの周波数特性として谷の周波数ｆ
＋、ｆ２．ｆ３．ｆ４を求める。谷の周波数を求める方
法としては、各周波数の強度を順次比較していき、その
強度が前後の強度よりも小さい所を検出して求める方法
や、第５図に示すパワースペクトルの波形を微分して傾
きか負から正に変化する周波数を検出する方法がある。

そして、この様にして求められた周波数ｆ１゜ｆ２．ｆ
３．ｆ４を、各周波数よりも大きな周波数で除算して、
その除算値が整数値となる周波数を選択する。なお、こ
の整数値は誤差を数％みこんでおく。

なお、物質の膜厚が薄く音速が速いときは、周波数ｆ、
Ｌかパワースペクトルに表れない。この様な場合には、
周波数の選択ができず、ノイズと区別できないので、次
のような評価値で判断する。

すなわち、各周波数ｆ＋、ｆ２．ｆ３・・・について、
その周波数の前後でその微分値の極大と極小の絶封鎖の
和を各周波数の評価値とする。上記除算値が整数ならば
、除算の際に分母となる周波数の評価値に、分子となる
周波数の評価値を加えていく。

この様な計算を、除算値が整数になったとき、その除算
値が偶数か奇数かで別に行い、偶数が無いときは（１１
）式を、その他のときは（１６）式を用いて演算する。

さらに整数倍の周波数が存在する時は、周波数の誤差を
小さくするために、次のような平均化を行う。例えば％
　ｆ２＋　　ｆ３＋ｆ４がｆｌの整数倍の周波数ならば
、 なお、ＮＩＮＴは４捨５人を示す。

そして、試料の音速Ｖがわかれば、上記（ａ）。

（ｂ）の区別により、（１１）式または（１６）式から
、その厚さｄを求めることができる。

この様に本実施例によれば、単発パルスである超音波パ
ルスを音響レンズ１２を通して微小スポットに集束させ
て試料１３に入射させ、試料からの反射波成分をフーリ
エ変換してそのパワースペクトルを求め、そのパワース
ペクトルの強度の山または谷の周波数を用いて（１１）
式または（１６）式から試料の厚さを求めるようにした
ので、１回の送信で試料の厚さを測定でき、従来に比べ
て測定時間を大幅に短縮でき、しかも試料内に存在する
物質の厚さを測定できる。また、音響レンズ１２によっ
て微小スポットに集束させた超音波パルスを試料１３の
所定部位に一入射させることができるので、試料に凹凸
がある場合や極めて狭い部位の厚さを測定したい場合に
は、その部位だけに超音波パルスを入射させることがで
き、よってその様な場合であっても正確に試料の厚さを
測定できる。

なお、上記第１実施例では、ゲート部１６で予め試料１
３からの反射波成分を抽出しているが、特にゲート部を
設けないで、広い範囲の波形データをデジタル信号とし
てコンピュータ２１に入力した後、コンピュータ２１内
で反射波成分だけを抽出する構成とすることもできる。

また、ゲート部１６による抽出やコンピュータ２１での
窓関数による抽出により求められるパワースペクトルに
は、ノイズが含まれて谷の周波数を選択することが難し
い場合がある。そこで、この様な場合にはパワースペク
トルを高速フーリエ変換して高周波成分をカットした後
に、逆フーリエ変換を施して、元に戻す構成とすれば、
ノイズ成分をカットすることができる。

次に、本発明の第２実施例について説明する。

第６図は第２実施例の部分的な構成を示す図であり、超
音波送受信手段を除く部分が示されている。本実施例は
、第１図に示す装置のゲート部１３とサンプリング部１
８と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。なお、第１図に示す装置と同一機能を有する部
分には同一の符号を付し詳しい説明は省略する。

この実施例では、ゲート部１６で抽出された反射波成分
はスペクトラムアナライザ３０に入力し、そこで反射波
成分のパワースペクトルが検出される。このパワースペ
クトルはサンプリング部１８゜Ａ／Ｄ変換部１９を介し
てデジタル信号に変換されてコンピュータ２１のメモリ
に記憶される。コンピュータ２１では、上記第１実施例
で説明した動作と同様の動作（なお、パワースペクトル
の検出に関する動作は省略される）が実行されて試料１
３の厚さが測定される。

この様な実施例によれば、第１実施例と同様の効果が得
られ、しかもコンピュータ２１における高速フーリエ変
換が省略されることからさらに高速の厚さ測定が可能に
なる。

なお、上記第１実施例および第２実施例ではいずれも音
響レンズ１２を備えた構成のものを示しているが、試料
が平面の時や凹凸部分の面積が大きいときには、集束型
でない超音波探触子を用いた構成としても本発明の測定
時間を短くできる効果を得ることができる。

また、波形またはパワースペクトルの測定を複数回行い
、コンピュータで平均化することにより、ノイズによる
影響を抑制でき、測定精度を上げることができる。

また、試料の深部観察用として使用されるパルスモード
超音波顕微鏡や超音波探傷機にデジタルストレージオシ
ロやＦＦＴアナライザを付けて本発明装置のソフトを移
植することにより、厚さ測定機能を容易に実現できる。

〔発明の効果〕

以上詳記したように本発明によれば、試料の厚さを高速
に測定することができ、試料の特定部分の厚さを測定す
ることができ、凹凸のある試料の厚さも測定することが
できる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実施例の構成図、第２図は反射信号とゲー
ト信号との関係を示す図、第３図は実測されるパワース
ペクトルの波形図、ｉ４図は試料の構造を示す図、第５
図は試料反射波を高速フーリエ変換して得たパワースペ
クトルの波形図、第６図は第２実施例の部分的な構成を
示す図、第７図は従来の超音波計測装置の構成図、第８
図は共振による波形を説明するための図である。 １０・・・パルス波送信部、１１・・・トランスジュー
サ、１２・・・音響レンズ、１３・・・試料、１６・・
・ゲート部、２０・・・パルス制御部、２１・・・コン
ピュータ。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）超音波パルスを試料に入射させ、試料からの反射
   波を受信して電気信号に変換する超音波送受信手段と、
   この超音波送受信手段によって変換された前記電気信号
   に含まれている試料からの反射波成分を抽出する抽出手
   段と、この抽出手段によって抽出された試料からの反射
   波成分をパワースペクトルに変換する変換手段と、この
   変換手段で算出されたパワースペクトルの周波数特性を
   求める手段と、この手段で求めた周波数特性から前記試
   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。
2. （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
   を特徴とする請求項１記載の超音波計測装置。