JPH07117401B2 - 超音波トランスデューサ - Google Patents
超音波トランスデューサInfo
- Publication number
- JPH07117401B2 JPH07117401B2 JP1295484A JP29548489A JPH07117401B2 JP H07117401 B2 JPH07117401 B2 JP H07117401B2 JP 1295484 A JP1295484 A JP 1295484A JP 29548489 A JP29548489 A JP 29548489A JP H07117401 B2 JPH07117401 B2 JP H07117401B2
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- JP
- Japan
- Prior art keywords
- ultrasonic
- wave
- transducer
- film thickness
- film
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- Expired - Fee Related
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- Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
- Length Measuring Devices Characterised By Use Of Acoustic Means (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 ＜産業上の利用分野＞ 本発明は、基板上に形成された膜、たとえばメッキ、コ
ーティング、塗装等により形成された膜の膜厚を測定す
る超音波膜厚計に使用されるトランスデューサに関し、
その目的とするところは測定対象物の微小域を測定で
き、測定対象物とトランスデューサの相対的な角度調整
に余裕のある集束超音波トランスデューサを提供するこ
とにある。
ーティング、塗装等により形成された膜の膜厚を測定す
る超音波膜厚計に使用されるトランスデューサに関し、
その目的とするところは測定対象物の微小域を測定で
き、測定対象物とトランスデューサの相対的な角度調整
に余裕のある集束超音波トランスデューサを提供するこ
とにある。
＜従来技術＞ 超音波を用いて膜厚を測定する１つの方法として、特開
昭61−20803号公報に開示された方法が知られている。
この方法は、基板上の膜に対して、基板、膜、超音波伝
達媒体から成る組合せ（以下、本願明細書中において、
組合せ体と称する）特有の入射角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
体特有の値Ｈとなった時に超音波の反射率が極めて小さ
くなるという現象を利用している。また同一出願人の特
願昭62−271375で延べられている方法によると反射波ス
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に、極小周波数fdから膜厚ｄ
が求められる。
昭61−20803号公報に開示された方法が知られている。
この方法は、基板上の膜に対して、基板、膜、超音波伝
達媒体から成る組合せ（以下、本願明細書中において、
組合せ体と称する）特有の入射角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
体特有の値Ｈとなった時に超音波の反射率が極めて小さ
くなるという現象を利用している。また同一出願人の特
願昭62−271375で延べられている方法によると反射波ス
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に、極小周波数fdから膜厚ｄ
が求められる。
この方法を具現化する装置として第３図の測定系を用い
る。高周波発振器（１）から高周波パルスを送波部のト
ランスデューサ（11）の圧電部（３）に印加すると平面
波超音波パルスが発生し、超音波は遅延材（６）を通っ
て音場媒体（５）に入って測定対象物（８）にある入射
角で到達する。その反射波を別の受波部のトランスデュ
ーサ（12）でとらえ超音波を電気信号に変換し、スペク
トルアナライザなどの周波数解析装置（２）に入力す
る。
る。高周波発振器（１）から高周波パルスを送波部のト
ランスデューサ（11）の圧電部（３）に印加すると平面
波超音波パルスが発生し、超音波は遅延材（６）を通っ
て音場媒体（５）に入って測定対象物（８）にある入射
角で到達する。その反射波を別の受波部のトランスデュ
ーサ（12）でとらえ超音波を電気信号に変換し、スペク
トルアナライザなどの周波数解析装置（２）に入力す
る。
＜発明が解決しようとする課題＞ 第３図のような従来の平面トランスデューサ（平面波超
音波を使っている）では、測定対象物における超音波の
ビーム幅（面積）はトランスデューサの電極の面積にほ
ぼ等しく、測定対象物においてその面積以下の面積の部
分の膜厚が測ることができなかった。すなわち、測定対
象物における微小部の膜厚が測定できなかった。
音波を使っている）では、測定対象物における超音波の
ビーム幅（面積）はトランスデューサの電極の面積にほ
ぼ等しく、測定対象物においてその面積以下の面積の部
分の膜厚が測ることができなかった。すなわち、測定対
象物における微小部の膜厚が測定できなかった。
また第２図で示されるように、従来の平面トランスデュ
ーサでは送波部のトランスデューサ（11）の軸（超音波
が進む方向）と受波部のトランスデューサ（12）の軸
（超音波が進んでくる方向）が測定対象物平面に対して
垂直な平面内にあり、またその平面内において送波部の
トランスデューサの軸が測定対象物に対する角度θ１と
送波部のトランスデューサの軸と測定対象物を対する角
度θ２が正確に等しくないと膜厚を測定することは不可
能であった。すなわちトランスデューサ部と測定対象物
平面の相対的傾きを正確に一定にしないと測定できな
く、実用上角度調整には多大の労力を必要とした。
ーサでは送波部のトランスデューサ（11）の軸（超音波
が進む方向）と受波部のトランスデューサ（12）の軸
（超音波が進んでくる方向）が測定対象物平面に対して
垂直な平面内にあり、またその平面内において送波部の
トランスデューサの軸が測定対象物に対する角度θ１と
送波部のトランスデューサの軸と測定対象物を対する角
度θ２が正確に等しくないと膜厚を測定することは不可
能であった。すなわちトランスデューサ部と測定対象物
平面の相対的傾きを正確に一定にしないと測定できな
く、実用上角度調整には多大の労力を必要とした。
＜課題を解決するための手段＞ 第１図（ａ）は、本発明におけるトランスデューサを側
面から見た断面説明図であり、下から見た構造説明図が
第１図（ｂ）である。
面から見た断面説明図であり、下から見た構造説明図が
第１図（ｂ）である。
この球面上の凹部にアニュラー型に送波部（31）と受波
部（32）の圧電部を形成し、送波部の電極（（４），
（34）と（35））に高周波パルスを印加し超音波を発生
させる。超音波は音場媒体（５）上を進行しながら集束
する。集束点近傍上に測定対象物（８）を置くと測定対
象物にある幅をもちながらほぼ一定の入射角で入射す
る。超音波は対照表面で反射され、その反射波を超音波
を受波部（32）でとらえるようにする。このようにする
と対象物表面（８）には超音波が集束しながら到達する
のでビームは絞られることになり、微小な面積の部分の
膜厚を測定できる。
部（32）の圧電部を形成し、送波部の電極（（４），
（34）と（35））に高周波パルスを印加し超音波を発生
させる。超音波は音場媒体（５）上を進行しながら集束
する。集束点近傍上に測定対象物（８）を置くと測定対
象物にある幅をもちながらほぼ一定の入射角で入射す
る。超音波は対照表面で反射され、その反射波を超音波
を受波部（32）でとらえるようにする。このようにする
と対象物表面（８）には超音波が集束しながら到達する
のでビームは絞られることになり、微小な面積の部分の
膜厚を測定できる。
また、送波部から発生する超音波は球面波であり、反射
する超音波も球面波であるためそれを凹部の受波部でと
らえるため、測定対象面に対しトランスデューサ部を少
々傾けても膜厚を測定できる。
する超音波も球面波であるためそれを凹部の受波部でと
らえるため、測定対象面に対しトランスデューサ部を少
々傾けても膜厚を測定できる。
＜実施例＞ 以下、第１図を用いて本発明をより詳細に説明する。
ベークライトの円柱状のものを用意し（そのベークライ
トは絶縁物（33）である）の中に真鍮の円筒状のものを
縦に半分に割ったものを挿入し電極（４）とする。また
このベークライトの外側に真鍮の円筒状のもの（35）を
かぶせこれらを一体にする。この下部を球状のものの上
で研磨し凹部を形成する。Ｐ（VDF−TrFE）（ポリフッ
化ビニリデン・トリフルオロエチレン）を塗布しスピン
コートし熱処理する。さらに圧電体のグラウンドの電極
としてアルミニウム（34）を蒸着し外側の真鍮部分と接
続する。電極に高圧の電気を印加することにより、Ｐ
（VDF−TrFE）がある部分で内側の真鍮の部分と外側の
アルミニウム蒸着してある部分が分極して圧電作用を持
つようになり圧電体（３）が形成される。
トは絶縁物（33）である）の中に真鍮の円筒状のものを
縦に半分に割ったものを挿入し電極（４）とする。また
このベークライトの外側に真鍮の円筒状のもの（35）を
かぶせこれらを一体にする。この下部を球状のものの上
で研磨し凹部を形成する。Ｐ（VDF−TrFE）（ポリフッ
化ビニリデン・トリフルオロエチレン）を塗布しスピン
コートし熱処理する。さらに圧電体のグラウンドの電極
としてアルミニウム（34）を蒸着し外側の真鍮部分と接
続する。電極に高圧の電気を印加することにより、Ｐ
（VDF−TrFE）がある部分で内側の真鍮の部分と外側の
アルミニウム蒸着してある部分が分極して圧電作用を持
つようになり圧電体（３）が形成される。
音場媒体（５）として水を使う。（８）は測定対象物と
しての試料である。
しての試料である。
上述のような構成で、圧電体の幅が1.2mm、入射角が25
゜から35゜、帯域が10〜100MHzであるようなトランスデ
ューサを製作して、42合金の板の上に5.2μｍの厚さで
金めっきされていた試料を用いて膜厚を測定した。
゜から35゜、帯域が10〜100MHzであるようなトランスデ
ューサを製作して、42合金の板の上に5.2μｍの厚さで
金めっきされていた試料を用いて膜厚を測定した。
試料からの反射波のスペクトルは第４図のようであっ
た。擬セザワ波が試料で励起されていることによるディ
ップが40.1MHzに現われている。ディップ周波数から膜
厚が測れることが確かめられた。
た。擬セザワ波が試料で励起されていることによるディ
ップが40.1MHzに現われている。ディップ周波数から膜
厚が測れることが確かめられた。
また、横から見てステップ関数状のようなエッジのある
試料を集束点面状に置き、ビームを照射させながらトラ
ンスデューサを、試料面と平行でかつエッジと垂直な方
向に移動させ、その反射波の出力の空間的変化の観察に
よってビームが集束していることがわかった。
試料を集束点面状に置き、ビームを照射させながらトラ
ンスデューサを、試料面と平行でかつエッジと垂直な方
向に移動させ、その反射波の出力の空間的変化の観察に
よってビームが集束していることがわかった。
つまり、反射波の出力が、最大の反射波電圧の90％から
10％に落ちるまでの距離が600μｍであったので、圧電
体の幅＝1.2mmより小さい事から、（擬似的にではある
が）ビームが集束している事がわかり、微小部の測定が
できることがわかった。
10％に落ちるまでの距離が600μｍであったので、圧電
体の幅＝1.2mmより小さい事から、（擬似的にではある
が）ビームが集束している事がわかり、微小部の測定が
できることがわかった。
また42合金の板の上に5.2μｍの厚さで金めっきされて
いた試料面とトランスデューサの相対的角度θ（第５
図）を−５゜から＋５゜（０゜が中心）まで変えていっ
たときの試料面からの反射波のスペクトルを第６図に示
す。角度を変えてもディップ周波数は変わらず、角度変
化による影響はないことがわかった。
いた試料面とトランスデューサの相対的角度θ（第５
図）を−５゜から＋５゜（０゜が中心）まで変えていっ
たときの試料面からの反射波のスペクトルを第６図に示
す。角度を変えてもディップ周波数は変わらず、角度変
化による影響はないことがわかった。
また、以上は発信部と受信部がわかれていたが、発信部
と受信部が一体になった第７図に示すようなトランスデ
ューサも考えられる。受波部と送波部は同一の場所（7
2）になるが高周波発生器からトランスデューサにパル
スを印加するのと、反射してきた超音波をトランスデュ
ーサがとらえその変換された信号を信号周波数解析装置
（２）に入力する信号とは方向性結合器（71）で分離す
ればよい。
と受信部が一体になった第７図に示すようなトランスデ
ューサも考えられる。受波部と送波部は同一の場所（7
2）になるが高周波発生器からトランスデューサにパル
スを印加するのと、反射してきた超音波をトランスデュ
ーサがとらえその変換された信号を信号周波数解析装置
（２）に入力する信号とは方向性結合器（71）で分離す
ればよい。
また第８図のように従来の超音波膜厚計のレンズの凹部
の中央に超音波吸収体（81）を貼りつけるタイプのもの
も考えられる。
の中央に超音波吸収体（81）を貼りつけるタイプのもの
も考えられる。
また第９図ののように従来の超音波膜厚計のレンズで上
部電極（４）をドーナッツ状のものにしてもよい。
部電極（４）をドーナッツ状のものにしてもよい。
また同一出願人が提出した特願昭63−202570号のスペク
トラム超音波顕微鏡にこのトランスデューサを使用すれ
ば解像度の高い面的な表面の膜厚分布が得られる。
トラム超音波顕微鏡にこのトランスデューサを使用すれ
ば解像度の高い面的な表面の膜厚分布が得られる。
＜発明の効果＞ 上述のとおり凹面部に送波部と受波部の圧電部を輪帯状
（アニュラー型）に設けることで、超音波を集束しなが
ら測定対象物に斜めに照射することにより、その反射波
のスペクトラムから測定対象物の微小部の膜厚が測れ、
また測定対象物とトランスデューサの相対的角度調整に
余裕がもてるようになったため、超音波膜厚測定の実用
上効果は大きい。
（アニュラー型）に設けることで、超音波を集束しなが
ら測定対象物に斜めに照射することにより、その反射波
のスペクトラムから測定対象物の微小部の膜厚が測れ、
また測定対象物とトランスデューサの相対的角度調整に
余裕がもてるようになったため、超音波膜厚測定の実用
上効果は大きい。
第１図は、本発明による集束型斜め入射トランスデュー
サの基本構成を示す説明図であり、（ａ）は断面図、
（ｂ）は凹面部を下から見たとき、送波部と受波部の位
置を示す説明図、 第２図は従来の超音波膜厚計のトランスデューサの配置
を示す説明図、 第３図は、従来の超音波膜厚計のトランスデューサ部の
基本構成図、 第４図は測定結果の一例、 第５図は集束型斜め入射トランスデューサの配置を示す
説明図、 第６図は測定結果の一例、 第７図は、送波部と受波部が一体になった場合の説明図
であり、（ａ）は基本構成を示す断面図、（ｂ）は凹面
部を下から見たとき、圧電部の位置を示す説明図、 第８図および第９図は集束型斜め入射トランスデューサ
の一例の基本構成を示す断面図、 である。 （１）……高周波発振器 （２）……信号解析器 （３）……圧電体 （４）……上部電極 （５）……音場媒体 （６）……遅延材 （７）……下部電極 （８）……測定対象物 （11）……送波トランスデューサ （12）……受波トランスデューサ （31）……送波部 （32）……受波部 （33）……絶縁物 （34）……電極層 （35……電極 （51）……トランスデューサプローブ （71）……方向性結合器 （72）……圧電部 （81）……超音波吸収体
サの基本構成を示す説明図であり、（ａ）は断面図、
（ｂ）は凹面部を下から見たとき、送波部と受波部の位
置を示す説明図、 第２図は従来の超音波膜厚計のトランスデューサの配置
を示す説明図、 第３図は、従来の超音波膜厚計のトランスデューサ部の
基本構成図、 第４図は測定結果の一例、 第５図は集束型斜め入射トランスデューサの配置を示す
説明図、 第６図は測定結果の一例、 第７図は、送波部と受波部が一体になった場合の説明図
であり、（ａ）は基本構成を示す断面図、（ｂ）は凹面
部を下から見たとき、圧電部の位置を示す説明図、 第８図および第９図は集束型斜め入射トランスデューサ
の一例の基本構成を示す断面図、 である。 （１）……高周波発振器 （２）……信号解析器 （３）……圧電体 （４）……上部電極 （５）……音場媒体 （６）……遅延材 （７）……下部電極 （８）……測定対象物 （11）……送波トランスデューサ （12）……受波トランスデューサ （31）……送波部 （32）……受波部 （33）……絶縁物 （34）……電極層 （35……電極 （51）……トランスデューサプローブ （71）……方向性結合器 （72）……圧電部 （81）……超音波吸収体
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平１−113606（ＪＰ，Ａ) 特公 昭55−24890（ＪＰ，Ｂ２)
Claims (1)
- 【請求項１】固体基板上に形成された膜の膜厚測定に際
し、超音波伝播用の液体から固体基板に入射する超音波
の入射角が基板、液体および膜の物質に固有の値で、か
つ超音波の波長（λ）と膜厚（ｄ）の比が基板、液体お
よび膜の物質に固有の値（Ｈ）のとき超音波の反射率が
低下することを利用して、反射率の強度が低下する超音
波の波長を測定し、下記（Ｉ）式 ｄ＝λ・Ｈ ……（Ｉ） によって膜厚を基める場合に使用する超音波トランスデ
ューサにおいて、凹面部に送波部と受波部が輪帯状（円
形開口の中心部が小さい円盤で塞がれているような開口
が輪帯状のもの、アニュラー型ともいう。）に形成され
た超音波トランスデューサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1295484A JPH07117401B2 (ja) | 1989-11-14 | 1989-11-14 | 超音波トランスデューサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1295484A JPH07117401B2 (ja) | 1989-11-14 | 1989-11-14 | 超音波トランスデューサ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03156308A JPH03156308A (ja) | 1991-07-04 |
| JPH07117401B2 true JPH07117401B2 (ja) | 1995-12-18 |
Family
ID=17821208
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1295484A Expired - Fee Related JPH07117401B2 (ja) | 1989-11-14 | 1989-11-14 | 超音波トランスデューサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH07117401B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0579830A (ja) * | 1991-09-25 | 1993-03-30 | Toppan Printing Co Ltd | 超音波トランスデユーサ |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB2025282A (en) * | 1978-07-17 | 1980-01-23 | Heinemann R A | Multi-purpose Machine Tool |
| JPH0613964B2 (ja) * | 1987-10-27 | 1994-02-23 | 凸版印刷株式会社 | 膜厚測定方法 |
-
1989
- 1989-11-14 JP JP1295484A patent/JPH07117401B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH03156308A (ja) | 1991-07-04 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |