JPH06221842A - 音響ファイバを備えた超音波トランスデューサ - Google Patents
音響ファイバを備えた超音波トランスデューサInfo
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- JPH06221842A JPH06221842A JP5032615A JP3261593A JPH06221842A JP H06221842 A JPH06221842 A JP H06221842A JP 5032615 A JP5032615 A JP 5032615A JP 3261593 A JP3261593 A JP 3261593A JP H06221842 A JPH06221842 A JP H06221842A
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- acoustic
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- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
- G01N29/04—Analysing solids
- G01N29/12—Analysing solids by measuring frequency or resonance of acoustic waves
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
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- G—PHYSICS
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- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
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- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 超音波測定において超音波トランスデューサ
を設置するのが難しい場所にある物体に対して測定を可
能にする。 【構成】 ２つの電極１，２と、それらに挟まれた圧電
体３とによって構成された圧電体ユニットに音響ファイ
バ５を接続する。電極１，２へのパルス印加によって圧
電体３に生じた超音波は音響ファイバ５内を伝搬して音
波入出用先端５ａから薄膜１３へ照射される。薄膜１３
で反射した反射波は、再び入出用先端５ａを通してファ
イバ５内へ取り込まれ、その内部を伝搬して圧電体３へ
送られ、そこで電気信号に変換される。得られた電気信
号は、例えば周波数解析され、その解析結果に基づいて
薄膜１３の膜厚が求められる。ファイバ５の音波入出用
先端５ａは狭い場所や、形状の複雑な物体の近傍にも設
置できる。
を設置するのが難しい場所にある物体に対して測定を可
能にする。 【構成】 ２つの電極１，２と、それらに挟まれた圧電
体３とによって構成された圧電体ユニットに音響ファイ
バ５を接続する。電極１，２へのパルス印加によって圧
電体３に生じた超音波は音響ファイバ５内を伝搬して音
波入出用先端５ａから薄膜１３へ照射される。薄膜１３
で反射した反射波は、再び入出用先端５ａを通してファ
イバ５内へ取り込まれ、その内部を伝搬して圧電体３へ
送られ、そこで電気信号に変換される。得られた電気信
号は、例えば周波数解析され、その解析結果に基づいて
薄膜１３の膜厚が求められる。ファイバ５の音波入出用
先端５ａは狭い場所や、形状の複雑な物体の近傍にも設
置できる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、電気信号を超音波に変
換してその超音波を測定対象物へ照射し、その測定対象
物で反射した超音波を受波して電気信号に変換する超音
波トランスデューサに関する。この超音波トランスデュ
ーサは、例えば超音波を利用した膜厚測定に利用され
る。
換してその超音波を測定対象物へ照射し、その測定対象
物で反射した超音波を受波して電気信号に変換する超音
波トランスデューサに関する。この超音波トランスデュ
ーサは、例えば超音波を利用した膜厚測定に利用され
る。
【０００２】
【従来の技術】超音波を利用した膜厚測定は、メッキ、
コーティング、塗装等によって基盤上に形成された膜の
膜厚を測定するものであり、例えば特開昭６１−２０８
０３号公報に開示された方法が知られている。この膜厚
測定は、基盤上に形成された膜に対して、基盤、膜、そ
して超音波伝達媒体から成る組合せ体に固有の入射角θ
にて超音波を照射した場合、超音波の周波数ｆと膜厚ｄ
との積が上記組合せ体に固有の値Ｈとなったときに、超
音波の反射率がきわめて小さくなるという現象を利用し
ている。
コーティング、塗装等によって基盤上に形成された膜の
膜厚を測定するものであり、例えば特開昭６１−２０８
０３号公報に開示された方法が知られている。この膜厚
測定は、基盤上に形成された膜に対して、基盤、膜、そ
して超音波伝達媒体から成る組合せ体に固有の入射角θ
にて超音波を照射した場合、超音波の周波数ｆと膜厚ｄ
との積が上記組合せ体に固有の値Ｈとなったときに、超
音波の反射率がきわめて小さくなるという現象を利用し
ている。
【０００３】また、同一出願人による特開平１−１１３
６０６号公報に開示された膜厚測定方法によれば、反射
波スペクトルにおいて反射率が極小となる周波数ｆd と
膜厚ｄが ｄ＝ｇ（ｆd） となる関数関係がある場合、極小周波数ｆd から膜厚ｄ
が求められる。
６０６号公報に開示された膜厚測定方法によれば、反射
波スペクトルにおいて反射率が極小となる周波数ｆd と
膜厚ｄが ｄ＝ｇ（ｆd） となる関数関係がある場合、極小周波数ｆd から膜厚ｄ
が求められる。
【０００４】さらに、同一出願人による特開平３−１５
６３０８号公報には、測定対象物の微小領域の膜厚測定
を可能とするために、超音波送波部及び超音波受波部を
球面状且つ輪帯状に形成して超音波を測定対象物の微小
領域に集束させて照射するようにした測定方法が開示さ
れている。
６３０８号公報には、測定対象物の微小領域の膜厚測定
を可能とするために、超音波送波部及び超音波受波部を
球面状且つ輪帯状に形成して超音波を測定対象物の微小
領域に集束させて照射するようにした測定方法が開示さ
れている。
【０００５】上述した各超音波測定においては、測定対
象物に超音波を照射する超音波送波手段及び測定対象物
からの反射波を受け取ってそれを電気信号に変換する超
音波受波手段として、互いに対向する２つの電極と、そ
れらの電極間に配置された圧電体とから成る圧電体ユニ
ットが用いられている。上記の各超音波測定では、超音
波送波用の圧電体ユニットと超音波受波用の圧電体ユニ
ットとをそれぞれ個別に設けたり、あるいは１つの圧電
体ユニットでその両方を兼用したりしている。
象物に超音波を照射する超音波送波手段及び測定対象物
からの反射波を受け取ってそれを電気信号に変換する超
音波受波手段として、互いに対向する２つの電極と、そ
れらの電極間に配置された圧電体とから成る圧電体ユニ
ットが用いられている。上記の各超音波測定では、超音
波送波用の圧電体ユニットと超音波受波用の圧電体ユニ
ットとをそれぞれ個別に設けたり、あるいは１つの圧電
体ユニットでその両方を兼用したりしている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】ところで、２つの電極
と、それらに挟まれる圧電体とによって構成される圧電
体ユニットは、その外観形状がかなり大きい。従って、
測定対象物のまわりに広い空間がある場合は問題がない
ものの、そのような予備的な空間がない場合には、実質
的に超音波を用いた測定ができなかった。
と、それらに挟まれる圧電体とによって構成される圧電
体ユニットは、その外観形状がかなり大きい。従って、
測定対象物のまわりに広い空間がある場合は問題がない
ものの、そのような予備的な空間がない場合には、実質
的に超音波を用いた測定ができなかった。
【０００７】本発明は、その問題点を解消するためにな
されたものであって、測定対象物のまわりに広い空間が
なくて圧電体ユニットを設置できない場合や、測定対象
物の形状の関係で圧電体ユニットを設置し難い場合で
も、支障なく超音波測定を行えるようにすることを目的
とする。
されたものであって、測定対象物のまわりに広い空間が
なくて圧電体ユニットを設置できない場合や、測定対象
物の形状の関係で圧電体ユニットを設置し難い場合で
も、支障なく超音波測定を行えるようにすることを目的
とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め本発明に係る超音波トランスデューサは、互いに対向
する２つの電極と、それらの電極間に配置された圧電体
とを有する超音波トランスデューサにおいて、圧電体に
対して超音波を伝搬する音響ファイバを設けたことを特
徴としている。
め本発明に係る超音波トランスデューサは、互いに対向
する２つの電極と、それらの電極間に配置された圧電体
とを有する超音波トランスデューサにおいて、圧電体に
対して超音波を伝搬する音響ファイバを設けたことを特
徴としている。
【０００９】音響ファイバというのは、中心部コアとそ
のまわりに被覆された周辺部クラッドとによって構成さ
れた光ファイバと同様な中実管であり、コアを音の伝搬
速度が遅い材料によって形成し、クラッドを音の伝搬速
度が速い材料によって形成することによって構成され
る。音波は、音の伝搬速度が遅いコアに集中した状態で
ファイバ内を伝搬してゆく。この音響ファイバに関して
は、例えばＣ．Ｋ．Ｊｅｎ， Ｃ．Ｎｅｒｏｎ， Ｊ．
Ｆ．Ｂｕｓｓｉｅｒｅ， Ｌ．Ｌｉ， Ｒ．Ｌｏｗｅ
ａｎｄ Ｊ．Ｋｕｓｈｉｂｉｋｉ：Ｊｏｕｒｎａｌ ｏ
ｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ ５５（２４），
１１ Ｄｅｃｅｍｂｅｒ １９８９，Ｐ２４８５ に
示されており、この文献によれば例えば、コア材として
三酸化二ホウ素（Ｂ2Ｏ3）を用い、クラッド材として二
酸化ケイ素（ＳｉＯ2 ）を用いることで上記の機能を奏
する音響ファイバが得られることが報告されている。
のまわりに被覆された周辺部クラッドとによって構成さ
れた光ファイバと同様な中実管であり、コアを音の伝搬
速度が遅い材料によって形成し、クラッドを音の伝搬速
度が速い材料によって形成することによって構成され
る。音波は、音の伝搬速度が遅いコアに集中した状態で
ファイバ内を伝搬してゆく。この音響ファイバに関して
は、例えばＣ．Ｋ．Ｊｅｎ， Ｃ．Ｎｅｒｏｎ， Ｊ．
Ｆ．Ｂｕｓｓｉｅｒｅ， Ｌ．Ｌｉ， Ｒ．Ｌｏｗｅ
ａｎｄ Ｊ．Ｋｕｓｈｉｂｉｋｉ：Ｊｏｕｒｎａｌ ｏ
ｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ ５５（２４），
１１ Ｄｅｃｅｍｂｅｒ １９８９，Ｐ２４８５ に
示されており、この文献によれば例えば、コア材として
三酸化二ホウ素（Ｂ2Ｏ3）を用い、クラッド材として二
酸化ケイ素（ＳｉＯ2 ）を用いることで上記の機能を奏
する音響ファイバが得られることが報告されている。
【００１０】
【作用】２つの電極間に高周波電気パルスを印加するこ
とにより、それらに挟まれた圧電体から超音波が発生す
る。発生した超音波は音響ファイバ内に取り込まれてそ
の内部を伝搬し、音響ファイバの音波入出用先端から測
定対象物上の薄膜表面へ照射される。照射された音波は
その測定対象物で反射し、その反射波は音波入出用先端
から再び音響ファイバ内へ取り込まれ、その内部を伝搬
して圧電体に到達する。圧電体は、到達した音波を電気
信号に変換して電極から出力する。この出力信号は例え
ば周波数分析され、その測定結果より薄膜の膜厚が測定
される。音響ファイバはその断面径、すなわち太さをき
わめて細くすることができ、また狭い空間内を自由に配
回すことができる。従って、電極と圧電体とによって構
成される圧電ユニットを配置できないような狭い空間内
に超音波を導くことができる。
とにより、それらに挟まれた圧電体から超音波が発生す
る。発生した超音波は音響ファイバ内に取り込まれてそ
の内部を伝搬し、音響ファイバの音波入出用先端から測
定対象物上の薄膜表面へ照射される。照射された音波は
その測定対象物で反射し、その反射波は音波入出用先端
から再び音響ファイバ内へ取り込まれ、その内部を伝搬
して圧電体に到達する。圧電体は、到達した音波を電気
信号に変換して電極から出力する。この出力信号は例え
ば周波数分析され、その測定結果より薄膜の膜厚が測定
される。音響ファイバはその断面径、すなわち太さをき
わめて細くすることができ、また狭い空間内を自由に配
回すことができる。従って、電極と圧電体とによって構
成される圧電ユニットを配置できないような狭い空間内
に超音波を導くことができる。
【００１１】
【実施例】図１は、本発明に係る超音波トランスデュー
サの一実施例を示している。このトランスデューサは、
アース電極１とその電極１に対向する電極２と、両電極
間に配置された圧電体３と、アース電極１に接続された
遅延材４と、そして遅延材４に接続された音響ファイバ
５とを有している。音響ファイバ５は、図２に示すよう
に、中心部コア６と、それに被覆された周辺部クラッド
７とによって構成されている。実施例の場合、音響ファ
イバ５の上端部すなわち遅延材４に接続された端部の断
面径が大きく、下側先端部すなわち超音波を出射及び入
射するための音波入出用先端５ａの断面径が小さくなっ
ている。また、入出用先端５ａは９０゜の角度で側方へ
曲げられている。
サの一実施例を示している。このトランスデューサは、
アース電極１とその電極１に対向する電極２と、両電極
間に配置された圧電体３と、アース電極１に接続された
遅延材４と、そして遅延材４に接続された音響ファイバ
５とを有している。音響ファイバ５は、図２に示すよう
に、中心部コア６と、それに被覆された周辺部クラッド
７とによって構成されている。実施例の場合、音響ファ
イバ５の上端部すなわち遅延材４に接続された端部の断
面径が大きく、下側先端部すなわち超音波を出射及び入
射するための音波入出用先端５ａの断面径が小さくなっ
ている。また、入出用先端５ａは９０゜の角度で側方へ
曲げられている。
【００１２】２つの電極１，２の間には方向性結合器８
を介して高周波発振器９及び周波数解析装置すなわちス
ペクトルアナライザ１０が接続されている。高周波発振
器９は、広帯域の高周波パルス信号を出力する。方向性
結合器８は、高周波発振器９とスペクトルアナライザ１
０との間で電気信号の分離作用を行う。すなわち方向性
結合器８は、高周波発振器９からの高周波パルス信号を
電極１，２間へ導き、一方、電極１，２間に発生した出
力電気信号をスペクトルアナライザ１０へ導く。なお、
このような電気信号の分離作用は、方向性結合器８以外
にも、ブリッジ、サーキュレータ等といった周知の信号
分離用機器によって達成することもできる。
を介して高周波発振器９及び周波数解析装置すなわちス
ペクトルアナライザ１０が接続されている。高周波発振
器９は、広帯域の高周波パルス信号を出力する。方向性
結合器８は、高周波発振器９とスペクトルアナライザ１
０との間で電気信号の分離作用を行う。すなわち方向性
結合器８は、高周波発振器９からの高周波パルス信号を
電極１，２間へ導き、一方、電極１，２間に発生した出
力電気信号をスペクトルアナライザ１０へ導く。なお、
このような電気信号の分離作用は、方向性結合器８以外
にも、ブリッジ、サーキュレータ等といった周知の信号
分離用機器によって達成することもできる。
【００１３】以下、上記構成よりなる超音波トランスデ
ューサについてその動作を説明する。
ューサについてその動作を説明する。
【００１４】本実施例では、測定対象物として多層プリ
ント配線盤１１の適所に形成される断面円形状のスルー
ホール１２の表面に形成された導電薄膜層１３を考え
る。周知のように多層プリント配線盤１１とは、複数の
プリント配線盤を重ね合わせ、それらの配線盤を貫通す
るスルーホール１２を形成し、そのスルーホール１２の
表面にメッキ、コーティング、塗装等によって導電薄膜
層１３を形成することによって各配線盤間の電気的導通
を達成したものである。通常、スルーホール１２は内径
３００μｍ〜５ｍｍ程度に形成される。各配線盤が正常
に機能するためには、この導電薄膜層１３が適正な厚さ
に形成されていなければならず、その膜厚を検査するた
めに本実施例の超音波トランスデューサが用いられる。
ント配線盤１１の適所に形成される断面円形状のスルー
ホール１２の表面に形成された導電薄膜層１３を考え
る。周知のように多層プリント配線盤１１とは、複数の
プリント配線盤を重ね合わせ、それらの配線盤を貫通す
るスルーホール１２を形成し、そのスルーホール１２の
表面にメッキ、コーティング、塗装等によって導電薄膜
層１３を形成することによって各配線盤間の電気的導通
を達成したものである。通常、スルーホール１２は内径
３００μｍ〜５ｍｍ程度に形成される。各配線盤が正常
に機能するためには、この導電薄膜層１３が適正な厚さ
に形成されていなければならず、その膜厚を検査するた
めに本実施例の超音波トランスデューサが用いられる。
【００１５】検査にあたり、まず、音響ファイバ５の音
波入出用先端５ａをスルーホール１２の中へ挿入し、ス
ルーホール１２の軸方向の適宜の位置に静止させる。そ
して、先端５ａと薄膜１３との間に音場媒体としての水
１４を注入する。この状態で、高周波発振器９によって
電極１，２間に広帯域の高周波パルス信号を印加して圧
電体３に広帯域周波数の超音波を発生する。発生した超
音波は、遅延材４を通って音響ファイバ５内へ入り、そ
のファイバ５内を伝搬し、そして音波入出用先端５ａか
らスルーホール１２の内壁面、すなわち薄膜層１３へ照
射される。
波入出用先端５ａをスルーホール１２の中へ挿入し、ス
ルーホール１２の軸方向の適宜の位置に静止させる。そ
して、先端５ａと薄膜１３との間に音場媒体としての水
１４を注入する。この状態で、高周波発振器９によって
電極１，２間に広帯域の高周波パルス信号を印加して圧
電体３に広帯域周波数の超音波を発生する。発生した超
音波は、遅延材４を通って音響ファイバ５内へ入り、そ
のファイバ５内を伝搬し、そして音波入出用先端５ａか
らスルーホール１２の内壁面、すなわち薄膜層１３へ照
射される。
【００１６】照射された超音波は、図３に概念的に示す
ように、薄膜層１３の表面及び薄膜層１３の底面でそれ
ぞれ反射し、それら両反射波が干渉して形成された干渉
波が音波入出用先端５ａに取り込まれる。取り込まれた
音波は音響ファイバ５内を伝搬して圧電体３に到達し、
そこで電気信号に変換されて電極１，２間に取り出され
る。この出力信号は方向性結合器８を通ってスペクトル
アナライザ１０へ送られて周波数分析され、その分析の
結果、例えば図４に示すようなスペクトル図が得られ
る。このスペクトル図に現れるディップ部分Ｄに対応す
る周波数を測定することにより薄膜１３の膜厚が求めら
れる。
ように、薄膜層１３の表面及び薄膜層１３の底面でそれ
ぞれ反射し、それら両反射波が干渉して形成された干渉
波が音波入出用先端５ａに取り込まれる。取り込まれた
音波は音響ファイバ５内を伝搬して圧電体３に到達し、
そこで電気信号に変換されて電極１，２間に取り出され
る。この出力信号は方向性結合器８を通ってスペクトル
アナライザ１０へ送られて周波数分析され、その分析の
結果、例えば図４に示すようなスペクトル図が得られ
る。このスペクトル図に現れるディップ部分Ｄに対応す
る周波数を測定することにより薄膜１３の膜厚が求めら
れる。
【００１７】以上、１つの実施例をあげて本発明を説明
したが、本発明はその実施例に限定されるものではな
い。
したが、本発明はその実施例に限定されるものではな
い。
【００１８】例えば、圧電体３を挟む電極１，２に付設
される高周波パルスの印加及び出力信号処理のための電
気回路は図１に示した回路構成に限定されない。また、
音響ファイバ５の先端形状は、図１に示したような９０
゜に折れ曲がった形状に限られず、測定対象物の形状に
合わせて種々の形状とすることができる。また、スルー
ホール１２のような細孔以外の任意の部材を測定対象物
とすることができる。
される高周波パルスの印加及び出力信号処理のための電
気回路は図１に示した回路構成に限定されない。また、
音響ファイバ５の先端形状は、図１に示したような９０
゜に折れ曲がった形状に限られず、測定対象物の形状に
合わせて種々の形状とすることができる。また、スルー
ホール１２のような細孔以外の任意の部材を測定対象物
とすることができる。
【００１９】
【発明の効果】本発明によれば、測定対象物のまわりに
広い空間がなくて電極及び圧電体から成る圧電体ユニッ
トを測定対象物の近くに設置できない場合や、測定対象
物の形状の関係で圧電体ユニットを設置し難い場合で
も、音響ファイバの入出力用先端を測定対象物の近傍ま
で引き延ばしてそこに設置することにより、支障なく超
音波測定を行うことができる。請求項２記載の超音波ト
ランスデューサによれば、スルーホールのような細孔の
内表面を測定対象とすることができる。
広い空間がなくて電極及び圧電体から成る圧電体ユニッ
トを測定対象物の近くに設置できない場合や、測定対象
物の形状の関係で圧電体ユニットを設置し難い場合で
も、音響ファイバの入出力用先端を測定対象物の近傍ま
で引き延ばしてそこに設置することにより、支障なく超
音波測定を行うことができる。請求項２記載の超音波ト
ランスデューサによれば、スルーホールのような細孔の
内表面を測定対象とすることができる。
【００２０】
【図１】本発明に係る超音波トランスデューサの一実施
例を示す側面断面図である。
例を示す側面断面図である。
【図２】音響ファイバの断面構造を示す断面図である。
【図３】図１の要部を拡大して示す断面図である。
【図４】図１に示す超音波トランスデューサを用いて行
った超音波膜厚測定の測定結果の一例を示すグラフであ
る。
った超音波膜厚測定の測定結果の一例を示すグラフであ
る。
１ 電極 ２ 電極 ３ 圧電体 ４ 遅延材 ５ 音響ファイバ ６ 音響ファイバのコア ７ 音響ファイバのクラッド １２ スルーホール（測定対象物） １３ 導電薄膜層（測定対象物）
Claims (2)
- 【請求項１】 互いに対向する２つの電極と、それらの
電極間に配置された圧電体とを有する超音波トランスデ
ューサにおいて、圧電体に対して超音波を伝搬する音響
ファイバを設けたことを特徴とする超音波トランスデュ
ーサ。 - 【請求項２】 音響ファイバの音波入出用先端が曲がっ
た形状を有することを特徴とする請求項１記載の超音波
トランスデューサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5032615A JPH06221842A (ja) | 1993-01-28 | 1993-01-28 | 音響ファイバを備えた超音波トランスデューサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5032615A JPH06221842A (ja) | 1993-01-28 | 1993-01-28 | 音響ファイバを備えた超音波トランスデューサ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06221842A true JPH06221842A (ja) | 1994-08-12 |
Family
ID=12363765
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5032615A Pending JPH06221842A (ja) | 1993-01-28 | 1993-01-28 | 音響ファイバを備えた超音波トランスデューサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH06221842A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002243711A (ja) * | 2001-02-14 | 2002-08-28 | Aloka Co Ltd | 振動計測方法及び超音波顕微鏡システム |
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1993
- 1993-01-28 JP JP5032615A patent/JPH06221842A/ja active Pending
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