JPH06323838A - 超音波トランスデューサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 超音波を利用した膜厚測定において、測定対
象物のどの場所に超音波が照射されているかを正確に確
認できるようにする。 【構成】 超音波照射領域Ｐの光像を凸レンズ１０を通
して光ファイバ９内に取り込み、光電変換及び画像処理
してテレビモニタ１２上に映し出す。測定者は、その映
像を見ながら希望の測定場所を選択してそこに超音波ト
ランスデューサを静止する。電極２と表面電極７との間
に高電圧を印加して分極を生じさせることによって形成
された圧電部８に、さらに高周波信号を印加して超音波
を発生し、それを測定対象物１６に照射する。測定対象
物１６からの反射波を再び圧電部８で受けて光電変換
し、さらに信号解析器１５で周波数分析する。例えば、
出力信号を極小値とする周波数より薄膜１８の厚さを演
算する。

Description

【発明の詳細な説明】

【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。

【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。この膜厚測定においては、超音波送波用の圧電
トランスデューサ及び超音波受波用の圧電トランスデュ
ーサの２個のトランスデューサを互いに対向して配置す
ることによって形成された超音波トランスデューサが用
いられている。

【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ｆ_d と
膜厚ｄが ｄ＝ｇ（ｆ_d） となる関数関係がある場合、極小周波数ｆ_d から膜厚ｄ
が求められる。この測定方法においても、特開昭６１−
２０８０３号公報の場合と同じ超音波トランスデューサ
が用いられている。

【０００４】また、同一出願人による特開平３−１５６
３０８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、いわゆるアニュラ
ー型の超音波トランスデューサが開示されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上述した
各超音波トランスデューサに関しては、測定対象物に対
して膜厚測定を行っている際、その測定が測定対象物の
どの場所について行われているのかを直接的に知ること
ができなかった。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、測定対象物のどの場所に超音波
が照射されているかを正確に確認できるようにすること
を目的とする。

【０００６】

【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、超音波を発
生しそれを測定対象物へ照射する超音波送波手段と、測
定対象物で反射した反射波を受ける超音波受波手段とを
有する超音波トランスデューサにおいて、測定対象物の
超音波照射位置の光像を測定対象物の外部へ伝搬する光
ファイバを超音波送波手段及び超音波受波手段と一体に
設けたことを特徴としている。

【０００７】

【作用】超音波送波手段及び超音波受波手段は測定対象
物の測定個所に向けて一体となって移動し、その測定個
所に到達すると停止して超音波の送波及び受波が行われ
る。光ファイバの受光端は超音波送波手段及び超音波受
波手段と一体に移動し、常に測定対象物上の超音波入射
位置の光像を外部へ導く。外部へ導かれた光像は、例え
ば、適宜の光電変換手段によって電気信号に変換され、
さらに画像処理されてテレビモニタ上に映し出される。
測定者は、モニタ上の映像を見ることにより、測定個所
すなわち超音波が照射されている個所を目視により正確
に確認できる。

【０００８】

【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の構
成を製造工程順に説明すれば、以下の通りである。ま
ず、絶縁材料、例えばベークライトによって円筒状に形
成された中空の内部絶縁管１を用意する。そして、その
内部絶縁管１の外周に、導電性材料例えば真鍮によって
円筒状に形成された中空の内側電極２をきつく嵌合す
る。そしてさらにその内側電極２の外周に、絶縁材料例
えばベークライトによって円筒状に形成された中空の外
部絶縁管３をきつく嵌合し、さらにその外部絶縁管３の
外周に導電性材料例えば真鍮によって円筒状に形成され
た中空の外側電極４をきつく嵌合する。以上により、４
つの円筒管によって一体に形成された円筒体が得られ
る。

【０００９】次いで、上記円筒体の下端を球状の研磨部
材で研磨することにより球面状の凹部５を形成する。こ
の凹部５の表面にＰ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）（ポリフッ化
ビニリデン・トリフルオロエチレン）を塗布してスピン
コートする。すなわち、円筒体を回転して遠心力の作用
によりＰ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）を薄く延ばし、さらに熱
処理、例えばアニーリングを施して、薄くて均一な圧電
層６を形成する。この圧電層６の表面にグラウンドのた
めの電極として導電層、例えばアルミニウム層７を蒸着
し、このアルミニウム層７を外側電極４と接続する。

【００１０】内側電極２とアルミニウム層７との間に高
電圧を印加すると、圧電層６において内側電極２とアル
ミニウム層７とで挟まれる部分が分極して、圧電作用を
奏する圧電部８が形成される。この圧電部８は、図２に
示すように、無端の輪帯状に形成されると共にその断面
が円弧状になっている。

【００１１】最後に、内部絶縁管１の中空部分に光ファ
イバ９をきつく嵌合して両者を一体とする。光ファイバ
９の先端（図の下端）には光を集束するための凸レンズ
１０が固着され、他端には光学画像処理装置１１が接続
される。光学画像処理装置１１は、光ファイバ９へ向け
て発光する光源部と、光ファイバ９によって伝搬された
光信号を入力してその光信号をモニタ画像信号、すなわ
ち電気信号に変換する光電変換部とを有している。光フ
ァイバ９は、光学画像処理装置１１で発光した光を凸レ
ンズ１０へ導く照明光伝搬光路及び凸レンズ１０によっ
て取り込んだ光信号を光学画像処理装置１１へ導く光像
伝搬光路の少なくとも２つの光路を内蔵している。

【００１２】光学画像処理装置１１にはテレビモニタ１
２が接続されている。また、内側電極２には方向性結合
器１３が接続され、その方向性結合器１３の一方の端子
に高周波発振器１４が接続され、他方の端子に信号解析
器１５が接続されている。高周波発振器１４は広帯域パ
ルス信号を発生する任意の構造の電気回路である。信号
解析器１５は、いわゆるスペクトルアナライザ等のよう
な、入力した電気信号をスペクトル変換する任意の構造
の電気回路である。方向性結合器１３は、高周波発振器
１４からの高周波パルス信号を内側電極２へ導入し、一
方、内側電極２に発生した出力信号を信号解析器１５へ
導入するように作用する。このような信号分離作用は、
方向性結合器１３以外にも、ブリッジ、サーキュレータ
等といった信号分離用機器によって達成することもでき
る。

【００１３】以下、上記構成より成る超音波トランスデ
ューサの動作について説明する。

【００１４】超音波トランスデューサの圧電層６に対向
して測定対象物１６を配置する。この測定対象物は基盤
１７と、その基盤上に形成された薄膜１８とによって構
成されている。光学画像処理装置１１から発せられる光
を光ファイバ９によって測定対象物１６の表面上まで導
いてそれを照明し、その部分の光像を光ファイバ９によ
って光学画像処理装置１１まで導き、その処理装置１１
でテレビ画像信号に変換し、その変換された画像信号を
テレビモニタ１２上に映像として映し出す。

【００１５】測定者は、その映像を見ながら超音波トラ
ンスデューサを測定対象物１６に対して平行に移動し
て、希望する測定位置を探し出して超音波トランスデュ
ーサをそこに停止する。凸レンズ１０は、照明光を測定
対象物１６の微小領域に集束し、さらにその微小領域を
拡大した状態の光像を光ファイバ９に入射する。

【００１６】この状態で、内側電極２とアルミニウム層
７との間に高周波パルスを印加すると、圧電部８が超音
波を発生する。発生した超音波は音場媒体１９の中を進
行して測定対象物１６の表面に入射する。この場合、圧
電部８は無端の輪帯状でしかもその断面が円弧状に形成
されているので、超音波は、角度にある幅δをもった入
射角で、且つ測定対象物１６の微小領域Ｐに集束しなが
ら入射する。その超音波は測定対象物１６の表面で反射
し、その反射波が再び圧電部８によって受け取られる。
圧電部８は、受け取った超音波反射波を電気信号に変換
し、その信号が方向性結合器１３を介して信号解析器１
５に送られる。信号解析器１５は送られた信号を周波数
分析して出力を極小値とする周波数を検出し、その周波
数に基づいて薄膜１８の膜厚を演算する。

【００１７】（実験例）音場媒体１９として水を用い
た。水中パスＬを７ｍｍ、超音波の中心入射角θが３０
゜、帯域が１４〜１４０ＭＨｚとなるように超音波トラ
ンスデューサを製作した。測定対象物として、ガラスエ
ポキシ層の上に銅層があるプリント配線基板のパターン
を選んだ。幅が２００μｍで銅厚が５０μｍであるパタ
ーンの測定において、銅パターンをテレビモニタで観察
して測定場所を明らかにして測定を行った。このとき、
反射波のスペクトルにおいて３７ＭＨｚの所にディップ
があり、測定が正常に行われたことがわかった。

【００１８】以上、好ましい実施例をあげて本発明説明
したが、本発明はその実施例に限定されるものではな
い。例えば、光ファイバ９内の照明光伝搬光路を省略
し、光ファイバ９以外の別の所から測定対象物へ照明光
を送り込むようにすることもできる。また、光ファイバ
９の受光端に凸レンズ１０を設けなくても良い。

【００１９】さらに、超音波送波手段及び超音波受波手
段の構造は、図１に示したような無端の輪帯状に形成さ
れた円弧状断面を有する圧電体によって構成されるもの
に限られない。例えば、両手段がそれぞれ独立した構造
のものとすることもできる。

【００２０】

【発明の効果】本発明によれば、測定対象物の表面の画
像を光ファイバを通じて外部へ取り出し、テレビモニタ
等に映像として映し出し、それを測定者が観察すること
により、測定対象物のどの場所に超音波が照射されてい
るかを正確に確認できる。請求項２記載の超音波トラン
スデューサによれば、超音波トランスデューサと別個に
特別な照明装置を設けることなく測定対象位置の画像を
明瞭に観察できる。請求項３記載の超音波トランスデュ
ーサによれば、測定対象位置の微小領域を拡大して観察
できる。請求項４記載の超音波トランスデューサによれ
ば、測定対象物の微小領域に集束して照射される超音波
によってその微小領域について超音波測定をする場合
に、その測定場所を正確に確認できる。

【００２１】

【図面の簡単な説明】

【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。

【図２】同超音波トランスデューサの底面図である。

【符号の説明】

１ 内部絶縁管 ２ 内側電極 ３ 外部絶縁管 ４ 外側電極 ５ 凹部 ６ 圧電層 ７ アルミニウム層 ８ 圧電部（超音波送波手段、超音波受波手段） ９ 光ファイバ １０ 凸レンズ １６ 測定対象物 １７ 基盤 １８ 薄膜 １９ 音場媒体用の水

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 超音波を発生しそれを測定対象物へ照射
   する超音波送波手段と、測定対象物で反射した反射波を
   受ける超音波受波手段とを有する超音波トランスデュー
   サにおいて、測定対象物の超音波照射位置の光像をその
   測定対象物の外部へ伝搬する光ファイバを超音波送波手
   段及び超音波受波手段と一体に設けたことを特徴とする
   超音波トランスデューサ。
2. 【請求項２】 光ファイバは、測定対象物の超音波照射
   位置の光像を測定対象物の外部へ伝搬する光像伝搬光路
   及び測定対象物を照明するための照明光を測定対象物へ
   向けて伝搬する照明光伝搬光路を一体に有することを特
   徴とする請求項１記載の超音波トランスデューサ。
3. 【請求項３】 上記光ファイバの先端に光集束用のレン
   ズを設けた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。
4. 【請求項４】 超音波送波手段及び超音波受波手段の両
   方として作用する無端の輪帯状に形成された円弧状断面
   を有する圧電体を有し、光ファイバの光像受光端がその
   圧電体の中心に位置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。