JPH04286954A - 超音波ｖ（ｚ）特性測定装置 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、超音波Ｖ（Ｚ）特性
測定装置に関し、詳しくは、より高精度なＶ（Ｚ）特性
を得ることができるような超音波Ｖ（Ｚ）特性測定装置
のゲート設定方式の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】図５は、超音波Ｖ（Ｚ）特性測定装置に
おける音響プローブの部分拡大断面図である。音響プロ
ーブ８は、超音波顕微鏡と同様な構成である。この種の
測定装置は、測定機構系のＺ走査軸（高さ軸）に固定さ
れた音響プローブ（圧電薄膜＋レンズを主体とするもの
）、この音響プローブを電気的に駆動して試料からの反
射波としての測定信号を得る超音波測定部、そして制御
部等とを備えている。音響プローブ８は、測定部からバ
ースト信号で間欠的に一定時間間隔で駆動され、これに
より図５において音響プローブ８から試料（被測定物体
）１１の表面へとバースト波（超音波）が照射される。 照射されたバースト波のうち、経路Ｇを経てＡからＢへ
至り、試料１１の表面へ臨界角で入射したものの一部は
、表面弾性波に変換され、さらにその一部が試料１１の
表面Ｃにおいて同じく臨界角で音響プローブ８のＤに向
かって射出され、プローブ内の往路と平行な復路をたど
り、他端の圧電素子に戻る。この経路ＧＡＢＣＤＨと進
む音波および、その経路をプローブ軸回りに回転した位
置にある経路を進む音波とは別に試料１１の表面に垂直
に照射されるバースト波２４は、経路ＥＦＥと進み、他
端の圧電素子に戻るのでこれらの間に行程差に基づく位
相差を生じ、それらが干渉して干渉波の受信信号が得ら
れる。

【０００３】したがって、経路ＥＦの距離を変化させる
とそれに応じて行程差に基づく位相差が２つのバースト
波２３，２４の間で変化し、受信信号上、相互干渉の変
動として現れ、図６に示すような、いわゆるＶ（Ｚ）特
性を得ることができる。その曲線の周期Δｚによって試
料表面ＢＣ間の表面弾性波の音速Ｖｒを算出することが
できることは知られている。

【０００４】従来技術では、図４の（Ａ），（Ｂ）に示
すように、バースト波としての送信波Ｔ（図はその包絡
線外形を示す。）とこれに対して音響プローブ８の表面
からの反射波Ｌ、そして試料１１からの反射波Ｓとが音
響プローブ８により受信される。なお、反射波Ｓのうち
のＳ１　は、中心を通るバースト波２４による反射波で
あり、Ｓ２　は、臨界角を通るバースト波２３による反
射波である。（Ａ）における反射波Ｓは、これら反射波
の位相が同相に作用して強調しあった場合であり、（Ｂ
）のそれは、これら反射波の位相が逆相に作用して打消
しあった場合である。なお、これらの波形は、電気信号
として観測されるもの（その包絡線）を示していて、そ
の反射波Ｓにおけるそれぞれの反射波の重なり幅や位置
は、試料１１と音響プローブ８との位置関係（Ｚ方向の
位置）で変化する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】反射波Ｓ１　，Ｓ２　
の干渉波を含む反射波Ｓを送信波Ｔや表面からの反射波
Ｌと区別するためにゲートを設定するが、従来は、Ｚ方
向の移動に応じて距離が変化する経路ＥＦＥ自体の行程
所要時間の変化や経路ＧＡＢＣＤＨとの行程所要時間の
差を吸収し、対応するために、図４の（Ｃ）に示すよう
に、十分に幅広いゲート２５を設定してこのゲート内で
受信信号のピーク値を検出し、それをピークホールドす
ることで測定値を得ている。なお、図４（Ｃ）における
ゲート２５は、送信波Ｔの発生から所定のタイミングＴ
ｂ　を基準として遅れ時間Ｔｃ　後にその幅Ｔｇ　を以
て発生する。

【０００６】このような従来の測定方式では、ゲート２
５のパルスの幅Ｔｇ　が広いものとなっているので必然
的に試料からの反射波全体についてのピーク検出方式と
なる。そこで、同図（Ａ）に示すような反射波Ｓの測定
にあってはある程度の精度で測定値を得ることができる
。 しかし、同図（Ｂ）のように相互に反射波が打消し合う
ような干渉状態の反射波Ｓ１　，Ｓ２　を含む場合には
、干渉前の波形部分のピーク値が検出され、正確な測定
値が得られない。そこで、図６に示すＶ（Ｚ）特性の特
に谷の部分の測定精度が低下する。

【０００７】この発明は、このような従来技術の問題点
を解決するものであって、高精度にＶ（Ｚ）特性の測定
ができる超音波Ｖ（Ｚ）特性測定装置を提供することを
目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るためのこの発明の超音波Ｖ（Ｚ）特性測定装置の構成
は、音響プローブを測定試料の表面からの高さ方向の測
定初期位置に設定した状態で設定したゲートの所定の基
準時間位置からの遅延期間と、音響プローブの高さ方向
の移動に応じて初期位置を基準として得られる音響プロ
ーブの移動量とから基準時間位置からの遅延時間量を算
出し、この遅延時間に応じてゲートを測定試料から得ら
れる反射波の位置に追従するように設定するものである
。

【０００９】

【作用】このように、初期位置で設定されたゲートの遅
延時間を基準にして音響プローブの移動量に応じてゲー
トの位置を追従させるように設定することで、ゲート幅
を狭く設定しても干渉波部分を抽出できる。したがって
、正確に干渉波を取出すことができ、その範囲での測定
ピーク値も正確なものを得ることができる。

【００１０】

【実施例】図１は、この発明の超音波Ｖ（Ｚ）特性測定
装置を適用した一実施例のブロック図、図２は、そのゲ
ート発生のタイミングとゲート幅の説明図、図３は、そ
の測定処理のフローチャートである。

【００１１】図１において、２０は、超音波Ｖ（Ｚ）特
性測定装置であって、１は、バースト波信号及びゲート
信号を発生する発信器であって、送受信状態の切換回路
２を介してバースト波信号を音響プローブ８に送出する
。音響プローブ８は、このバースト波信号で駆動され、
超音波バースト波を手動高さ調整機能付き試料台１０（
以下試料台１０）に載置された試料１１の表面に照射す
る。その結果、試料１１で反射されたバースト波が音響
プローブ８で電気信号に変換されて切換回路２を経て高
周波増幅器を有する受信回路１２に送出される。受信回
路１２の出力は、それぞれ検波回路Ａ１３と検波回路Ｂ
１６に入力され、それぞれ検波される。検波回路Ａ１３
は、ゲート幅設定回路５からゲート信号を受けてゲート
期間中の受信信号検波出力をピークホールド回路１４に
入力する。そこで、そのピーク値がここで検出される。 また、検波回路Ｂ１６の出力は、いわゆるＡスコープ波
形の検波出力となり、図４に示すような波形がオシロス
コープ１７において表示される。

【００１２】ピークホールド回路１４で検出されたピー
ク値は、サンプルホールド回路１５でサンプルホールド
され、そのＡ／Ｄ変換値がデジタル値として画像処理制
御装置６に入力される。画像処理制御装置６は、コント
ローラ７を制御し、これを介してスキャナ９のＸＹ方向
の位置決めを行い、Ｚ方向で音響プローブ８により試料
１１をスキャンする。また、画像処理制御装置６は、発
信回路１に音響プローブ８の駆動タイミング信号を送出
するとともに、遅延回路Ａ３に遅延時間の設定を行う。 ゲート信号は、発信回路１に与えられるこの駆動タイミ
ング信号に応じて発信回路１から遅延回路Ａ３に送出さ
れる。そして、ここで第１の遅延が行われ、その出力が
さらに遅延回路Ｂ４に入力されて第２の遅延が行われた
後、ゲート幅設定回路５により外部から設定されたパル
ス幅のゲート信号に整形されて検波回路１３Ａに加えら
れる。

【００１３】画像処理制御装置６は、マイクロプロセッ
サ（ＭＰＵ）６１とメモリ６２、操作パネル６３，ディ
スプレイ６４、インタフェース６５等から構成され、こ
れらが相互にバス６６を介して接続されている。サンプ
ルホールド回路１５からのデジタル信号は、インタフェ
ース６５を介して内部に取込まれ、メモリ６２に記憶さ
れる。そこで、試料１１を音響プローブ８でＺ方向に走
査した各測定点ごとにピークホールド回路１４でピーク
値が検出され、それがサンプルホールド回路１５を介し
てＭＰＵ６１に渡され、ＭＰＵ６１がピーク値のデータ
を各測定点対応に順次メモリ６２に記憶していく。

【００１４】メモリ６２には、初期設定／Ｚ走査プログ
ラム６２ａ、遅延時間算出プログラム６２ｂ、周期算出
プログラム６２ｃ、音速算出プログラム６２ｄ，表示処
理プログラム等とが格納されている。また、パラメータ
記憶領域６２ｅには、測定時に入力されたＺ走査（プロ
ーブの高さ方向走査）のためのＺ方向の測定ピッチのデ
ータ等、各種のパラメータが記憶されている。初期設定
／Ｚ走査プログラム６２ａは、ＭＰＵ６１により実行さ
れ、これを実行することでＭＰＵ６１は、まず、音響プ
ローブ８の初期位置決め処理をする。この処理は、あら
かじめ操作パネル６３から入力された音響プローブ８の
焦点距離と試料１１との位置関係に応じて、試料１１の
表面直下に焦点が位置付けられるように音響プローブ８
のＺ座標位置（図５の高さｚ０　参照）を算出して音響
プローブ８がこの高さ（ｚ０　）になるように位置決め
する処理である。そしてこの位置が通常のＺ走査の初期
位置となる。なお、この原点位置は、この位置決め後に
後述するマニュアル操作による焦点合わせにより微少調
整された後の位置として決定される。さらに、ＭＰＵ６
１によるこの処理プログラムの実行によって測定開始と
ともにＺ方向の走査がなされる。ここでのこの走査は、
等間隔のピッチ送りである。また、このピッチ送りとと
もに、Ｚ方向の各測定点対応に音響プローブ８に対する
駆動制御信号を発信回路１に送出する。

【００１５】図２の（Ｃ）に示されるゲート２６は、こ
の発明を適用した場合に設定されるものである。図２は
、図４に対応しているが、その（Ｃ）に示すゲート２６
は、この発明による。ゲート２６は、（Ｃ）に示すよう
な関係の遅延時間により発生する。すなわち、この遅延
時間は、遅延時間ＴＡ　＋ＴＢ　の和で決定される。こ
のうち遅延時間ＴＡ　が遅延時間算出プログラム６２ｂ
により算出され、これが遅延回路Ａ３に音響プローブ８
の高さ（図５の高さｚｉ　参照，これはＺ走査に応じて
変化する）に合わせて設定される。また、遅延時間のう
ち設定時間ＴＢ　は、初期設定時（図５の高さｚ０　参
照，合焦点状態）にマニュアル設定により焦点合わせを
した時点で得られる。さらに、ゲート２６の幅ＴＧ　は
、Ｚ方向の走査範囲において反射波Ｓ１　と反射波Ｓ２
　とが強調しあって干渉する範囲及び打消し合って干渉
する範囲との両者のみの反射波が採取できる狭い範囲に
設定されている。 周期算出プログラム６２ｃは、図３のΔｚの幅を算出す
る処理プログラムであって、メモリ６２に上に採取され
た測定データに基づいて図６に示すように最初の山を越
えたところの谷のピーク値から次の谷のピーク値までの
幅を算出する。これは、この間の間隔がより精度の高い
表面弾性波速度を与えると考えられるからである。また
、測定対象によっては、山側のピークからピークまでの
幅と谷側のピークからピークまでの幅とを算出してこれ
らの平均値を採り、より精度の高い測定値を得てもよい
。

【００１６】図３は、全体的な測定処理の説明図であっ
て、ステップ１００で初期設定／Ｚ走査プログラム６２
ａが起動されて、ＭＰＵ６１は、まず、初期化処理に入
る。これにより画像処理制御装置６がコントローラ７を
制御して音響プローブ８を試料１１に対して所定の初期
位置高さ（ｚ０　）に設定する。後述するようにこの位
置で焦点合わせが行われ、合焦点処理の後の位置が測定
時の音響プローブ８の原点となる。次にステップ１０１
で、遅延回路Ａ３の遅延時間ＴＭ　を設定する。このと
きの遅延時間ＴＭ　は、合焦点時におけるゲート２６の
送信波Ｔを基準としての遅延時間ＴＡ　＋ＴＢ　に対し
て遅延回路Ａ３における最大遅延時間を与えたものとな
る。これは、あらかじめ適切なものが選択され、決定さ
れている。次のステップ１０２では、マニュアル処理に
て焦点合わせを行う。これは、オシロスコープ１７の映
像を観察して手動ステージ処理でマニュアルにて試料１
１の高さを調整することで焦点合わせを行う。合焦点位
置は、試料１１からの反射波が最大となる位置であり、
図５に示すように、試料１１の表面に音響プローブ８の
焦点が合ったとき（ｚ０　）である。なお、この点は、
オシロスコープ１７の観測像により得ることができる。 ステップ１０３では、ゲート２６の位置をマニュアル設
定する。 このときに遅延回路Ｂ４に設定される遅延時間ＴＢ　が
このマニュアル操作に応じて変更され、適切な値の遅延
時間ＴＢ　が選択される。なお、これが設定されると測
定終了に至るまで固定値になる。この設定値は、操作パ
ネル上のキー操作に応じて画像処理制御装置６を介して
設定するようにしてもよく、また、その他の設定の仕方
でもよい。以上の処理により図２の（Ｃ）に示す遅延時
間ＴＢ　が得られ、それに応じて同図（Ａ），（Ｂ）に
示す反射波Ｓの映像が適切な状態で得られる。また、こ
のとき同時にゲート幅ＴＧ　をキー操作（あるいは外部
つまみ）に応じて調整し、強調する干渉波と打消し合っ
た干渉波が入るような狭い幅に設定する。

【００１７】次のステップ１０４で操作パネル上の所定
の測定開始キーが押されると、ステップ１０５，１０６
，１０７，１０８のループ処理に入る。まず、ステップ
１０５で初期設定／Ｚ走査プログラム６２ａに従ってＭ
ＰＵ６１は、測定処理を行い、メモリ６にその位置で測
定されるピーク値のデータを採取し、それをメモリ６２
の所定の位置に記憶する。そして、ステップ１０６で遅
延時間算出プログラム６２ｂを起動して１ピッチ接近し
た次の測定位置でのゲート遅延時間ＴＡ　の算出をする
。ＴＡ　＝ＴＭ　（最大値）−ＴＳ　（ＴＳ　は、初期
位置を基準としてここからのピッチ送り量（ピッチ×送
り回数，ピッチはパラメータ記憶領域６２ｅの設定ピッ
チデータを参照）に応じて算出される音響プローブ８の
高さに応じた遅延時間）を得て、遅延回路Ａ３に算出し
た時間値ＴＡ　に相当する遅延データを設定する。次の
ステップ１０７では、再び初期設定／Ｚ走査プログラム
６２ａに戻り、ＭＰＵ６１は、パラメータ記憶領域６２
ｅの設定ピッチデータに従って試料１１に接近する方向
に音響プローブ８を１ピッチ分送る。そして、ステップ
１０８で測定終了かを送りピッチ回数最大値Ｍを越えた
か否かにより判定し、最大値Ｍを越えていないときには
、ステップ１０５へと戻り、その送られた位置決め位置
において発信回路１に制御信号を発生して音響プローブ
８を駆動し、その位置で測定を行い、ピーク値の測定デ
ータを得る。

【００１８】このようにして、あらかじめ設定され、測
定条件等のパラメータ記憶領域６２ｅに記憶されている
所定のピッチデータに従って音響プローブ８を−Ｚ方向
（試料１１の表面側）へと移動して試料１１側に順次接
近させて測定していく。

【００１９】以上のようなピッチ送りにより等間隔で設
定されたＺ方向の各測定点での測定が終了すると、ステ
ップ１０９で周期算出プログラム６２ｃが起動されて、
ＭＰＵ６１は、先に述べたように、谷から谷のピーク値
のＺ方向の距離Δｚを周期として算出する。次に算出し
た周期Δｚに基づきステップ１１０で音速算出プログラ
ム６２ｄを起動し、ＭＰＵ６１は、所定の算出式とパラ
メータ記憶領域６２ｅのパラメータとに従って試料１１
における表面弾性波Ｖｒ　を算出する。

【００２０】なお、ＭＰＵ６１により算出されたΔｚは
、図６のＶ（Ｚ）特性、そして音速Ｖｒ　等は、適宜、
表示処理プログラムにより画像処理制御装置６のディス
プレイ６４の画面上に表示される。また、音響プローブ
８の移動量を決めるピッチ量のその送り制御は、ループ
カウンタを用いて算出することができ、これにより効率
よく制御できる。これは、先の算出遅延時間ＴＳ　につ
いても同様であり、ループカウンタを用いてピッチ移動
量に対応する遅延量ＴＳを設定しておき、ピッチ送りを
重ねるたびに結果値を算出する。さらに、測定データを
記憶するメモリ６２上の測定データ記憶アドレスもこの
ループカウンタの値を参照して決定することができる。

【００２１】以上説明してきたが、実施例では、遅延時
間を２つに分けて音響プローブの移動に応じて設定され
る可変設定部分（遅延時間ＴＡ　）と初期設定における
固定値調整部分（遅延時間ＴＢ　）とに分けているが、
これらは分ける必要はない。要するに初期設定時点での
遅延時間が確保されていれば、それに応じて音響プロー
ブの移動量に応じた補正量が遅延時間として算出されれ
ばよい。

【００２２】実施例では、遅延時間の算出基準位置を送
信波Ｔの発生位置としているが、これは、送信波発生位
置からゲート発生までの間の任意の基準点を決めてそこ
を基準として遅延時間を算出してもよい。また、ゲート
のパルス幅ＴＧは、音響プローブ８の移動量に応じて適
宜所定の関数で算出し、幅を可変にすることができる。 ただし、可変にする範囲は、干渉波のみが得られる範囲
内においてである。

【００２３】

【発明の効果】以上の説明のとおり、この発明にあって
は、初期位置で設定されたゲートの遅延時間を基準にし
て音響プローブの移動量に応じてゲートの位置を追従さ
せるように設定することで、ゲート幅を狭く設定しても
干渉波部分を抽出できる。したがって、正確に干渉波を
取出すことができ、その範囲での測定ピーク値も正確な
ものを得ることができる。その結果、干渉波のピーク値
の周期の測定が正確にでき、より精度の高いＶ（Ｚ）特
性を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】　　図１は、この発明の超音波Ｖ（Ｚ）特性測
定装置を適用した一実施例のブロック図である。

【図２】　　図２は、そのゲートの発生タイミングとゲ
ート幅の説明図である。

【図３】　　図３は、その測定処理のフローチャートで
ある。

【図４】　　図４は、従来のゲートの発生タイミングと
ゲート幅の説明図である。

【図５】　　図５は、超音波Ｖ（Ｚ）特性測定装置にお
ける音響プローブ部分の拡大断面図である。

【図６】　　図６は、Ｖ（Ｚ）特性の説明図である。

【符号の説明】

１…発信回路、２…切換回路、３…遅延回路Ａ、４…遅
延回路Ｂ、５…ゲート幅設定回路、６…画像処理制御装
置、７…コントローラ、８…音響プローブ、９…スキャ
ナ、１０…手動高さ調整機能付き試料台、１１…試料、
１２…受信回路、１３…検波回路Ａ、１４検波回路Ｂ、
１４…ピークホールド回路、１５…サンプルホールド回
路、１６…検波回路Ｂ、１７…オシロスコープ、６１…
ＭＰＵ、６２…メモリ、６２ａ…初期設定／Ｚ走査プロ
グラム、６２ｂ…遅延時間算出プログラム、６２ｃ…周
期算出プログラム、６２ｄ…音速算出プログラム。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　音響プローブを測定試料の表面からの
   高さ方向の測定初期位置に設定した状態で設定したゲー
   トの所定の基準時間位置からの遅延期間と、前記音響プ
   ローブの前記高さ方向の移動に応じて前記初期位置を基
   準として得られる前記音響プローブの移動量とから前記
   基準時間位置からの遅延時間量を算出し、この遅延時間
   に応じてゲートを前記測定試料から得られる反射波の位
   置に追従するように設定することを特徴とする超音波Ｖ
   （Ｚ）特性測定装置。
2. 【請求項２】　　ゲートを遅延させる第１の遅延回路と
   第２の遅延回路とを有し、外部からの操作に応じて第１
   の遅延回路の遅延時間が設定され、第２の遅延回路の遅
   延時間が音響プローブの移動量に応じて設定され、第１
   の遅延回路の遅延時間と第２の遅延回路の遅延時間との
   和が前記ゲートに対する遅延時間量になることを特徴と
   する請求項１記載の超音波Ｖ（Ｚ）特性測定装置。
3. 【請求項３】　　ゲート幅を外部からの操作に応じて調
   整できることを特徴とする請求項２記載の超音波Ｖ（Ｚ
   ）特性測定装置。