JPH0518361B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、特開昭61−79157号公報記載の原理
に基づいて、円柱体、あるいは線状体等の被験体
表面に形成された膜の膜厚測定を、被験体の各部
にわたつて連続的に測定する際に適した超音波顕
微鏡レンズである。

〔従来の技術〕

近年開発された超音波顕微鏡は、圧電体に高周
波電気パルスを印加して超音波を発生させ、それ
を音響レンズによつて収束させて試料表面に照射
しながら音響レンズあるいは試料をＸ−Ｙ走査し
て、その時の試料面からの反射超音波あるいは試
料を透過した透過超音波の強度あるいは位相を音
響レンズと圧電体で受信しＸ−Ｙ走査と同期して
記録することにより、試料表面および試料の表面
直下の弾性的情報を画像として得るものである。
ここで音響レンズの役割は圧電体によつて発生さ
れた超音波ビームを試料表面上の微小領域に収束
させて超音波顕微鏡画像の分離能を向上させるこ
とにある。この目的のために用いられる音響レン
ズとしては、代表的にはサフアイア、石英ガラス
などの円柱上の一方の端面に圧電体を密着させ、
他方の端面に凹球面を設けたものがあり、ここで
は圧電体によつて発生した超音波は円柱内を平面
波として進行し、凹球面に達するとそこで屈折し
て試料表面の微小領域に収束する。また同様の円
柱の一端面に凹球面を設け、更にその面にそつて
圧電体を密着させて凹球面の圧電体を作り、これ
によつて直接に収束球面波を発生させることを目
的とした超音波顕微鏡レンズも発表されている。
これらはいずれも超音波ビームを試料表面の微小
領域に収束させて高分解能を得ることを目的とし
ているが、超音波顕微鏡による測定方法の一つで
あるいわゆるＶ(Z)曲線法の際にも用いられる。こ
れは、試料あるいは音響レンズをＸ−Ｙ走査せず
に試料面上の一定位置に固定したまま試料面と音
響レンズとの距離を変化させてその時の試料面か
らの反射超音波の強度変化を記録すると、試料の
材料に特有の周期で強度が周期的に変化すること
が観察されることから、同方法によつて得られた
記録の周期から試料表面および表面直下の弾性的
特徴を測定するものである。この反射強度の周期
的な変化は、凹球面レンズから発生した収束超音
波のうち、垂直入射成分といわゆるレーリー角度
で試料面に入射した成分との干渉によつて生ずる
ものであり、その周期は試料表面近傍のレーリー
波の音速に依存する。

この様に、従来用いられてきた超音波顕微鏡用
の音響レンズは、球面収束超音波を発生させて試
料表面に収束させることに特徴があるものがほと
んどである。

また、同一出願人に係る特開昭61−79157号公
報、特開昭61−79158号公報があるが、これは特
開昭61−20803号公報に記載した膜厚測定法に基
づいて、基板上に形成された膜の厚さを測る場
合、基板、液体、および膜の物質によつて決定さ
れるある一定の角度で超音波を試料に入射し、か
つ、同一レンズでその反射波を採取する事を目的
として発明されたものであり、特徴として、レン
ズの一端の平板状の圧電体から平行超音波を発生
させ、レンズの他端のＶ字溝あるいは円錐状の凹
みによつて屈折させる事で被験体に対して、一定
の入射角をもつた超音波を発生させるものであ
る。また、特開昭58−166258号公報記載の超音波
レンズがあるが、これは、円柱状遅延材一端の底
面に圧電体を張り、他端の底面に円錐形の溝をつ
くることで、圧電体と垂直方向に直線状に収束さ
せる事によつて、超音波探傷などにおいて、焦点
深度を深く取る事を目的としている。

この様に、これらの超音波レンズは、平面構成
の被験体に対して、垂直にレンズを位置させ、自
ら発振した超音波を、同一の圧電体で受信する様
設計されているものがほとんどである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

特開昭61−20803号公報記載の膜厚測定原理に
基づいて、試料膜の表面に一定角度で超音波を入
射し、反射波を採取することで、膜厚を測定する
膜厚測定方法において、被験体が、円柱状あるい
は線状である場合、今までの超音波顕微鏡レンズ
では、被験体側面に直角以外の一定の入射角で超
音波を入射させる事が出来ず、さらに、被験体の
断面半径が小さい場合は、超音波の被照射面が小
さく、十分な照射強度とその反射強度を得ること
が困難であり、かつ、その反射波の位相が乱され
るため、円柱状の被験体側面に形成された膜の厚
さを前記の測定原理にもとづいて測定することが
困難であつた。

〔問題を解決する為の手段〕

本発明は、以上の如き問題点を解決する為、特
開昭61−20803号公報で定義された角度の二倍の
2θを円錐の頂角にし、円錐底面以外の曲面状に圧
電位を位置させ、かつ、その円錐中心線に円筒あ
るいは直線状体の被験体の中心線を一致させた場
合、圧電体によつて発振された超音波が、被験体
表面に向つて高エネルギー密度に収束され、か
つ、被験体表面で一定の入射角で超音波を入射さ
せる事が出来る事を利用し、同様のレンズを発振
側レンズに相対する様位置させることで、これら
レンズの中心線にあいた空洞を通して被験体を通
過あるいは挿入させることで、連続的に試料表面
からの反射波を広い面積で、かつ、位相のずれに
起因する受信された信号のの周波数分布を観測し
た時の干渉による極小現象をおこすこと無く、受
信し、膜厚測定に十分な出力を得ることが出来る
レンズを提供するものである。

〔発明の詳述〕

本発明においては、特開昭61−20803号公報記
載の測定法を円柱状体あるいは線状体の側面の膜
厚測定に応用するに際し、超音波伝搬用の液体か
ら、被験体の芯材に入射する超音波の入射角が芯
材、膜、液体の物質に固有の値（θ）でかつ、超
音波の波長と膜厚(d)の比が、芯材、膜、および液
体の物質に固有の値(H)の時、超音波の反射率が低
下する事を利用して、反射波の強度が低下する超
音波の波長（λ）を測定し、第６図参照下記(A)式 ｄ＝λ・Ｈ ……(A) によつて膜厚を求める場合に使用する超音波顕微
鏡レンズを圧電体を、頂角2θの円錐表面状に位置
させ、その円錐中心線に円柱あるいは線状の被験
体の中心線が一致する様に位置させる事により、
被験体表面に、高エネルギー密度で、かつ、上記
固有の入射角θで超音波を入射させる事を可能と
し、かつ、被験体が長い場合もそれらレンズ中心
線近傍に空洞を設け通過させる事で連続的に、そ
の膜厚を測定する事を可とする超音波顕微鏡レン
ズである。

頂角2θの円錐形では、同じ高ｖをもつ円上から
の法線は第２図に示す様に常に、中心線上ｖ−
ltanθで収束する。この為、円錐形側面に圧電体
を任意の広さで張つた場合も超音波は必らず円錐
中心線上に収束し、かつ、中心線に対して常にθ
の入射角をもつ。

次に、円錐中心に沿つて半径ｍの円柱体を設置
した場合も第３図に示す様に円錐表面の圧電体か
ら発した超音波はこの円柱体表面に収束し、この
時の超音波のエネルギー密度は円錐形の側面での
エネルギー密度に対してｍ／ｌ倍となる事がわか
る。

以上円錐形測面状に圧電体を配した場合におい
て、一定の入射角θで収束超音波を入射でき、か
つ、高エネルギー密度を得ることは遅延材を用い
た場合も同様に成り立つ。このとき、中心線を含
んだ断面に於いては、中心線をｘ軸とすると、圧
電体の位置に相当する面は、 ｙ＝−tanθ・ｘ＋ｈ ０≦ｘ ０≦ｙ …… で表わされる。又、遅延材の対物面２６は、 ｙ＝−tanθ・ｘ＋ｋ ０≦ｘ、０≦ｙ …… で表わされる。ここで、円錐形の中心線に沿つて
被験体１０が通過できるよう貫通した空洞部をも
たせた場合、空洞部は、 ｘ＝ｔ、０≠ｔ＜ｋ …… によつて表わされる（第４図参照）。このように
レンズ２０，３０を構成した場合、これと同様の
レンズを相対して位置させた場合、第１図に示す
ように発信用の圧電体２２上のＰ点から発信され
た超音波はＰ→Ｒ→Ｓ→Ｔ→Ｕの経路を通り反射
波を受信用圧電体３２により受信することがで
き、空洞部に通された被験体１０を移動すること
で、連続的に円筒表面各部の膜厚を測定できる。
さらに、受信用圧電体３２を第５図に示すように
分割して張れば円筒表面の円周方向の各部分の膜
の厚さの分布も測定が可能である。

〔実施例〕

長いＮ−Fe42％合金の芯材の上に金のメツキ
膜がしてある円筒状の被験体の金メツキ膜厚を測
定するにおいて、超音波伝搬材に水を使用した時
の入射角θは31゜であつた。このため、頂角62゜の
円錐形レンズを石英で構成し、第１図に示す様に
組み合わせ、圧電体２２が超音波を発振し、圧電
体３２を受信したところ、周波数分布における極
小値は70MHzであつた（第６図参照）。これによ
りＡ式を用いて金の膜厚ｄを計算すると、ｄ＝
3.9μmであつた。

〔発明の効果〕

本発明は以上の様な構成であるので、円柱ある
いは、線状の被験体の芯材及び膜の物質の組み合
わせが定まり、さらに超音波伝搬用液体が定まつ
たら、それらのもつ固有の入射角で超音波を照射
して、その反射波の入射波に対する強度の比すな
わち、反射率が極小となる周波数を周波数計測器
で測定し周波数を求め、次にＡ式により、被測定
体の膜の膜厚を算出する測定方法に適用すれば、
円柱状体あるいは線状体測面に形成された膜の膜
厚や、その分布を被験体をレンズ中心線にそつて
移動するだけで、短時間に精度よく測定出来る様
になる。さらに受信側の圧電体を分割し、独立に
電気信号を取り出せる様に構成すれば補測定物周
囲の膜厚分布を一括して得る事が出来る。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の実施例を示すものであつて、第
１図は本発明の応用状態（液体１６は取除く）を
示す正面から見た説明図、第２図、第３図、第４
図はレンズの形状を示す説明図、第５図は本発明
の応用状態を示す斜視図、第６図は受信用圧電体
から得られる電気信号のスペクトル分布図であ
る。また、第７図は従来より知られている超音波
膜厚測定技術の原理を示す説明図である。 １０……被験体、１２……測定すべき膜、１４
……芯材（又は基板）、１６……（超音波伝搬用）
液体、２０……発信用レンズ、２２……（発信
用）圧電体、２４……（発信用の）遅延材、２６
……（遅延材の）対物面、３０……受信レンズ、
３２……（受信用）圧電体、３４……（受信用
の）遅延材、３６……圧電体。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 円筒状体あるいは線状体上に形成された膜の
   膜厚測定に際し、超音波伝搬用の液体から被験体
   表面に入射する超音波の入射角が芯材、液体およ
   び膜の物質の固有の値（θ）で、かつ、超音波の
   波長（λ）と膜厚(d)の比が芯材、液体および膜の
   物質の固有の値(H)の時、超音波の波長（λ）を測
   定し、下記(A)式 ｄ＝λ・Ｈ ……(A) によつて膜厚を求める場合に使用する超音波顕微
   鏡レンズにおいて、遅延材は直行ｘ、ｙ空間で、 ｈ＞ｋ ｙ＝−tanθ・ｘ＋ｈ ０≦ｘ ０≦ｙ …… ｙ＝−tanθ・ｘ＋ｋ ０≦ｘ ０≦ｙ …… ｘ＝ｔ ０≠ｔ＜ｋ …… 上記、、式でかこまれる面をｘ軸の回り
   に360゜回転させて出来る立体で構成されるか、あ
   るいはその一部であつて、かつ、式をｘ軸の回
   りに回転させて出来る面の表面にそつて圧電体が
   形成されており、その圧電体が形成されている面
   の法線と式をｘ軸の回りに回転させた面との交
   点がその遅延材の表面上に存在することを特徴と
   する超音波顕微鏡レンズ。