JPH074945A - 超音波干渉計 - Google Patents
超音波干渉計Info
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- JPH074945A JPH074945A JP6008935A JP893594A JPH074945A JP H074945 A JPH074945 A JP H074945A JP 6008935 A JP6008935 A JP 6008935A JP 893594 A JP893594 A JP 893594A JP H074945 A JPH074945 A JP H074945A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 ２−１５ MHz の周波数範囲内の超音波の干
渉を用いて、材料の薄膜の性質を測定するための超音波
干渉計を提供する。 【構成】 超音波干渉計は干渉「縞」を生じ、それから
薄膜の厚さを正確に決定することが出来る。薄膜は、既
知の音の性質並びに音の波長程度の厚さを持つ任意の固
体材料で構成することが出来る。干渉計は狭帯域超音波
源８及び導波管１４ａ−１４ｄによる伝搬を利用して、
干渉を生ずる超音波の光路を正確に限定する。この干渉
計は、薄膜サンプルの材料の性質を測定する為にも役立
ち、材料を局部的に特徴づけることが出来る。
渉を用いて、材料の薄膜の性質を測定するための超音波
干渉計を提供する。 【構成】 超音波干渉計は干渉「縞」を生じ、それから
薄膜の厚さを正確に決定することが出来る。薄膜は、既
知の音の性質並びに音の波長程度の厚さを持つ任意の固
体材料で構成することが出来る。干渉計は狭帯域超音波
源８及び導波管１４ａ−１４ｄによる伝搬を利用して、
干渉を生ずる超音波の光路を正確に限定する。この干渉
計は、薄膜サンプルの材料の性質を測定する為にも役立
ち、材料を局部的に特徴づけることが出来る。
Description
【０００１】
【発明の分野】この発明は全般的に材料の局部的な性質
の非破壊測定に関する。特にこの発明は、薄膜の厚さ及
びその他の材料の性質を決定するのに役立つ干渉計に関
する。
の非破壊測定に関する。特にこの発明は、薄膜の厚さ及
びその他の材料の性質を決定するのに役立つ干渉計に関
する。
【０００２】
【発明の背景】超音波は、材料のきず及び構造的な完全
さを非破壊的に検査する普通の手段である。鉄鋼では、
検査並びにきずの寸法測定に使われる好ましい周波数は
１−１０ MHz の範囲内であり、２．２５−５ MHz が
好ましい。非破壊検査（ＮＤＥ）の分野で普通のパルス
式超音波変換器及びその電子回路は、比較的広帯域であ
るのが典型的であり、大まかに云うと帯域幅は公称動作
周波数の４０％である。従って、この様な変換器及び電
子回路は、狭帯域又は「単色性」の連続波「バースト」
を必要とする干渉計技術との相性が悪い。更に、ＮＤＥ
の音響通路は、金属に於ける長い通路が減衰の為に信号
強度を減少することを別とすると、検査精度に対して臨
界的な関係を持たない。これと対照的に、干渉計技術で
は、正確な長さを持つ明確に限定された通路を必要とす
る。従って、ＮＤＥに普通用いられる標準的な方法は、
直接的に干渉計技術に応用することが出来ない。
さを非破壊的に検査する普通の手段である。鉄鋼では、
検査並びにきずの寸法測定に使われる好ましい周波数は
１−１０ MHz の範囲内であり、２．２５−５ MHz が
好ましい。非破壊検査（ＮＤＥ）の分野で普通のパルス
式超音波変換器及びその電子回路は、比較的広帯域であ
るのが典型的であり、大まかに云うと帯域幅は公称動作
周波数の４０％である。従って、この様な変換器及び電
子回路は、狭帯域又は「単色性」の連続波「バースト」
を必要とする干渉計技術との相性が悪い。更に、ＮＤＥ
の音響通路は、金属に於ける長い通路が減衰の為に信号
強度を減少することを別とすると、検査精度に対して臨
界的な関係を持たない。これと対照的に、干渉計技術で
は、正確な長さを持つ明確に限定された通路を必要とす
る。従って、ＮＤＥに普通用いられる標準的な方法は、
直接的に干渉計技術に応用することが出来ない。
【０００３】音響式でも光学式でも又はマイクロ波形で
あっても、どんな干渉計でも、その背後の原理は波の線
形の重畳、即ち、２つ又は更に多くの部分的な波が代数
的に相加わって、合計の波の振幅を作ると云うことであ
る。全ての部分的な波が略同じ周波数を持つ時、これは
特に簡単である。この為、干渉計の性能を最適にする為
には、単色性の源が特に望ましい。
あっても、どんな干渉計でも、その背後の原理は波の線
形の重畳、即ち、２つ又は更に多くの部分的な波が代数
的に相加わって、合計の波の振幅を作ると云うことであ
る。全ての部分的な波が略同じ周波数を持つ時、これは
特に簡単である。この為、干渉計の性能を最適にする為
には、単色性の源が特に望ましい。
【０００４】
【発明の要約】この発明は、２−１５ MHz の周波数範
囲の超音波の干渉を利用して、材料の薄膜の厚さを正確
に測定する方法である。この発明の超音波干渉計が作る
干渉「縞」は、膜の厚さの関数であり、この縞を使って
厚さを決定する。膜は既知の音響的な性質並びに音の波
長程度の厚さを持つ金属又は非金属の任意の固体材料で
構成することが出来る。周波数の選択は、膜の厚さの予
想される範囲によって定まり、使われる超音波の任意所
定の周波数では測定し得る固有の最小の厚さがある。
囲の超音波の干渉を利用して、材料の薄膜の厚さを正確
に測定する方法である。この発明の超音波干渉計が作る
干渉「縞」は、膜の厚さの関数であり、この縞を使って
厚さを決定する。膜は既知の音響的な性質並びに音の波
長程度の厚さを持つ金属又は非金属の任意の固体材料で
構成することが出来る。周波数の選択は、膜の厚さの予
想される範囲によって定まり、使われる超音波の任意所
定の周波数では測定し得る固有の最小の厚さがある。
【０００５】干渉効果は、また、厚さ以外の薄膜材料の
性質、例えば、音速、音響インピーダンス、密度、弾性
係数、粒度及び減衰係数の目安でもあり、これらの性質
は調製されたサンプルから正確に再現性を持って決める
ことが出来る。この為、材料を局部的に特徴づけること
が出来る。粒度及び結合の完全さの様な材料の構造は、
干渉計によって収集されたデータから推測することが出
来る。
性質、例えば、音速、音響インピーダンス、密度、弾性
係数、粒度及び減衰係数の目安でもあり、これらの性質
は調製されたサンプルから正確に再現性を持って決める
ことが出来る。この為、材料を局部的に特徴づけること
が出来る。粒度及び結合の完全さの様な材料の構造は、
干渉計によって収集されたデータから推測することが出
来る。
【０００６】この発明は超音波導波管を特定の幾何学的
な関係で用いて、干渉する波の音響通路を限定すると共
に制御し、こうして定量的な精度及び高い分解能を持つ
測定器を作る。更にこの発明は、信号音バースト電気回
路によって励振される延長した狭帯域超音波源を用い
て、明確に限定され且つ制御された音響通路に沿って差
向けられた時に測定可能な干渉効果を生ずることの出来
る単色性に近いエネルギの波束を発生する。狭帯域超音
波源を被きょう導波伝搬（guided-wave propagation ）
と組合せて用いて、干渉を生ずる超音波の音響通路を正
確に限定することにより、装置の効果並びに効用が高め
られる。これによって、広帯域のパルス式装置を用いる
従来技術で可能であったよりも一層高い測定精度が得ら
れる。
な関係で用いて、干渉する波の音響通路を限定すると共
に制御し、こうして定量的な精度及び高い分解能を持つ
測定器を作る。更にこの発明は、信号音バースト電気回
路によって励振される延長した狭帯域超音波源を用い
て、明確に限定され且つ制御された音響通路に沿って差
向けられた時に測定可能な干渉効果を生ずることの出来
る単色性に近いエネルギの波束を発生する。狭帯域超音
波源を被きょう導波伝搬（guided-wave propagation ）
と組合せて用いて、干渉を生ずる超音波の音響通路を正
確に限定することにより、装置の効果並びに効用が高め
られる。これによって、広帯域のパルス式装置を用いる
従来技術で可能であったよりも一層高い測定精度が得ら
れる。
【０００７】この発明の干渉計は多重通路及び多重反射
の原理を利用して、材料の性質の測定に関して曖昧でな
い形で解釈することの出来る様な音響強度信号を発生す
る。正しく選ばれた材料（例えばルーサイト）の薄い円
板を使って、超音波を屈折させると共に部分的に反射さ
せ、こうして波を分割して、複合導波管の種々の枝路に
通すと共に、源の異なる周波数（波長）に対して音響通
路長の違いを補償する手段とする。
の原理を利用して、材料の性質の測定に関して曖昧でな
い形で解釈することの出来る様な音響強度信号を発生す
る。正しく選ばれた材料（例えばルーサイト）の薄い円
板を使って、超音波を屈折させると共に部分的に反射さ
せ、こうして波を分割して、複合導波管の種々の枝路に
通すと共に、源の異なる周波数（波長）に対して音響通
路長の違いを補償する手段とする。
【０００８】更に一定温度の環境を維持して、較正ドリ
フトの様な温度効果を制御し、こうしてデータの精度及
び再現性を保証する。
フトの様な温度効果を制御し、こうしてデータの精度及
び再現性を保証する。
【０００９】
【好ましい実施例の説明】この発明による超音波干渉計
の動作原理を理解する為、次の式で表わす様な振幅を持
つ周波数ωの２つの波が同じ方向に伝搬すると考える。 ｙ1 ＝ａ1 sin ［ωｔ−α1 ］； ｙ2 ＝ａ2 sin ［ωｔ−α2 ］ （１） 位相角α1 及びα2 は、夫々の伝搬（音響）通路の長さ
に関係する。夫々の振幅ａ1 及びａ2 は各々の通路にあ
る屈折媒質によって決定される。光学式干渉計の場合、
こう云う振幅は殆んど相等しい。超音波干渉計の場合に
はそうならない。
の動作原理を理解する為、次の式で表わす様な振幅を持
つ周波数ωの２つの波が同じ方向に伝搬すると考える。 ｙ1 ＝ａ1 sin ［ωｔ−α1 ］； ｙ2 ＝ａ2 sin ［ωｔ−α2 ］ （１） 位相角α1 及びα2 は、夫々の伝搬（音響）通路の長さ
に関係する。夫々の振幅ａ1 及びａ2 は各々の通路にあ
る屈折媒質によって決定される。光学式干渉計の場合、
こう云う振幅は殆んど相等しい。超音波干渉計の場合に
はそうならない。
【００１０】合計の波の振幅は次の様になる。 ｙ＝ｙ1 ＋ｙ2 ＝ａ1 sin ［ωｔ−α1 ］＋ａ2 sin ［ωｔ−α2 ］ ＝Ａ cos［θ］ sin［ωｔ］−Ａ sin［θ］ cos［ωｔ］ ＝Ａ sin［ωｔ−θ］ （２） こゝで Ａ=(ａ1 2 ＋ａ2 2 ＋２ａ1 ａ2 cos[α1 −α2 ])1/2 （３） θ=tan-1 (ａ1 sin[α1 ]+ａ2 sin[α2 ])/(ａ1 cos[α1 ]+ａ2 cos[α2 ]) （４） 従って、合計の波は同じ周波数を持つが、その振幅及び
位相は、重畳される部分的な波の振幅及び位相の関数で
ある。
位相は、重畳される部分的な波の振幅及び位相の関数で
ある。
【００１１】波の強度Ｉはｙ2 に比例し、従って式
（３）から
（３）から
【００１２】
【数１】
【００１３】こゝで位相差δφ及び波数ｋは音響通路長
の変化に関係する。
の変化に関係する。
【００１４】
【数２】
【００１５】膜の厚さはδｘであり、膜材料内の超音波
の位相速度がｖp である。干渉計の出力に於ける超音波
強度の測定により、式（５）の余弦項により、δｘ又は
ｖp の何れかゞが決定出来るが、両方は決定出来ない。
厚さが判っている材料の膜では、材料内の位相速度を測
定することが出来る。これは体積弾性係数の様な材料の
性質の関数であるから、干渉計は、この材料の性質を膜
サンプル内で非常に正確に局部的に決める手段になる。
更にａ2 はサンプル内の減衰（これは周波数と共に変化
する）並びに既知の屈折及びモード変換比の関数であ
る。原理的には、この測定器を用いて周波数の関数とし
て減衰係数を推定することが可能であるが、一層厚手の
膜が必要であり、純粋に厚さを測定する場合よりも精度
が低くなる。これは、以下説明する装置に考えられる数
多くの用途の若干の例に過ぎない。
の位相速度がｖp である。干渉計の出力に於ける超音波
強度の測定により、式（５）の余弦項により、δｘ又は
ｖp の何れかゞが決定出来るが、両方は決定出来ない。
厚さが判っている材料の膜では、材料内の位相速度を測
定することが出来る。これは体積弾性係数の様な材料の
性質の関数であるから、干渉計は、この材料の性質を膜
サンプル内で非常に正確に局部的に決める手段になる。
更にａ2 はサンプル内の減衰（これは周波数と共に変化
する）並びに既知の屈折及びモード変換比の関数であ
る。原理的には、この測定器を用いて周波数の関数とし
て減衰係数を推定することが可能であるが、一層厚手の
膜が必要であり、純粋に厚さを測定する場合よりも精度
が低くなる。これは、以下説明する装置に考えられる数
多くの用途の若干の例に過ぎない。
【００１６】この発明の好ましい実施例の超音波干渉計
は、狭帯域超音波源８によって駆動されるもので、超音
波導波管１４ａ−１４ｄによって限定された音響通路を
持っている。導波管は、特定の周波数の波の伝搬用に設
計された粘性の圧縮性流体４、例えば水で充填された管
で構成されている。熱膨張の影響によって音響通路長が
変化し得るから、この測定器は、やはり流体４を充填し
たケーシング２を含む。ケーシングは充填ポート６を介
して充填される。普通の温度制御手段（図に示してな
い）により、流体４は一定の温度に保たれる。
は、狭帯域超音波源８によって駆動されるもので、超音
波導波管１４ａ−１４ｄによって限定された音響通路を
持っている。導波管は、特定の周波数の波の伝搬用に設
計された粘性の圧縮性流体４、例えば水で充填された管
で構成されている。熱膨張の影響によって音響通路長が
変化し得るから、この測定器は、やはり流体４を充填し
たケーシング２を含む。ケーシングは充填ポート６を介
して充填される。普通の温度制御手段（図に示してな
い）により、流体４は一定の温度に保たれる。
【００１７】「信号音バースト」電子回路（図に示して
ない）によって駆動される狭帯域超音波源８が、予定の
長さ及び狭い帯域幅を持つ波束を発生し、それが結合剤
１０の中を伝搬する。レンズ装置１２が入射した波束を
導波管１４ａの中心線に集束する。入射した波束が導波
管１４ａ内を分割器１６まで伝搬し、そこで前側の界面
で最初に屈折され、その後一部分が反射され、一部分が
後側の界面を透過する。
ない）によって駆動される狭帯域超音波源８が、予定の
長さ及び狭い帯域幅を持つ波束を発生し、それが結合剤
１０の中を伝搬する。レンズ装置１２が入射した波束を
導波管１４ａの中心線に集束する。入射した波束が導波
管１４ａ内を分割器１６まで伝搬し、そこで前側の界面
で最初に屈折され、その後一部分が反射され、一部分が
後側の界面を透過する。
【００１８】部分的に反射された部分が基準波を形成
し、それが導波管１４ｃの中を可動の反射器１８まで伝
搬する。反射器１８が基準波を分割器１６へと反射し、
若干の基準波は分割器１６を透過して超音波検出器２０
に向う。反射器１８はトラック２４に沿って摺動する往
復台２２に取付けられている。往復台２２は、電子式駆
動装置２６によって駆動される位置ぎめねじ２８の回転
に応答して変位する。干渉計は、反射器を正確に位置ぎ
めすると共に、その相対位置を電子的に読出す普通の手
段（図面に示してない）をも有する。
し、それが導波管１４ｃの中を可動の反射器１８まで伝
搬する。反射器１８が基準波を分割器１６へと反射し、
若干の基準波は分割器１６を透過して超音波検出器２０
に向う。反射器１８はトラック２４に沿って摺動する往
復台２２に取付けられている。往復台２２は、電子式駆
動装置２６によって駆動される位置ぎめねじ２８の回転
に応答して変位する。干渉計は、反射器を正確に位置ぎ
めすると共に、その相対位置を電子的に読出す普通の手
段（図面に示してない）をも有する。
【００１９】入射波の内、分割器１６を透過した部分が
導波管１４ｂによって補償器３０に誘導される。分割器
も補償器もプラスチック板である。補償器３０の目的
は、２つの超音波のプラスチック内での音響通路を等し
くすることである。補償器３０は、超音波源が完全に単
色性ではない場合にも補正を行う。これは、所望の周波
数の定在波が補償器と分割器との間の導波管空洞内に発
生する様に選ばれた距離だけ補償器３０を分割器１６か
ら離して配置することによって達成される。こうして、
補償器及び分割器が協働して、光学的な干渉フィルタと
似た非常に選択性のある周波数フィルタとして作用す
る。
導波管１４ｂによって補償器３０に誘導される。分割器
も補償器もプラスチック板である。補償器３０の目的
は、２つの超音波のプラスチック内での音響通路を等し
くすることである。補償器３０は、超音波源が完全に単
色性ではない場合にも補正を行う。これは、所望の周波
数の定在波が補償器と分割器との間の導波管空洞内に発
生する様に選ばれた距離だけ補償器３０を分割器１６か
ら離して配置することによって達成される。こうして、
補償器及び分割器が協働して、光学的な干渉フィルタと
似た非常に選択性のある周波数フィルタとして作用す
る。
【００２０】このフィルタ作用にかけられた超音波が、
この後、その前面に薄膜サンプル３４を沈積した基板３
２へ伝搬する。基板３２は、超音波の非常に効率のよい
反射器を形成する様に特別に加工された非常に幅の狭い
ガスすき間４２（図２参照）を持っている。薄膜に当た
った波は一部が膜の表面で反射される。残りの波は薄膜
中を伝搬し、薄膜とガスすき間の界面で全反射される。
反射された部分（「エコー」）が最終的に分割器１６に
よって部分的に反射され、導波管１４ｄによって検出器
２０へ導かれる。
この後、その前面に薄膜サンプル３４を沈積した基板３
２へ伝搬する。基板３２は、超音波の非常に効率のよい
反射器を形成する様に特別に加工された非常に幅の狭い
ガスすき間４２（図２参照）を持っている。薄膜に当た
った波は一部が膜の表面で反射される。残りの波は薄膜
中を伝搬し、薄膜とガスすき間の界面で全反射される。
反射された部分（「エコー」）が最終的に分割器１６に
よって部分的に反射され、導波管１４ｄによって検出器
２０へ導かれる。
【００２１】従って、薄膜によって分割器１６に戻され
た第１及び第２のエコーは、薄膜表面の位置及び薄膜の
厚さの関数である位相を持っている。測定器は、水準ね
じ４０及び摺動位置ぎめねじ２８を用いて、導波管の音
響通路により検出器の所で弱め合う干渉が生ずる様に注
意深く較正する。検出器２０は振幅検出器であってもよ
いし、あるいは普通の設計の強度検出器であってもよ
い。
た第１及び第２のエコーは、薄膜表面の位置及び薄膜の
厚さの関数である位相を持っている。測定器は、水準ね
じ４０及び摺動位置ぎめねじ２８を用いて、導波管の音
響通路により検出器の所で弱め合う干渉が生ずる様に注
意深く較正する。検出器２０は振幅検出器であってもよ
いし、あるいは普通の設計の強度検出器であってもよ
い。
【００２２】導波管１４ｃによって形成された干渉計の
枝路の長さが往復台２２の増分的な動きによって調節さ
れる。薄膜サンプルの代りに較正用反射器（図に示して
ない）を取付け、その後、往復台２２のどう云う設定並
びに較正用反射器のどう云う向きによって、検出器２０
がゼロになるかを決定することにより、測定器の較正が
出来る。較正用反射器（並びに薄膜サンプル）の向き
は、水準ねじ４０を使って調節することが出来る。その
後、較正用反射器を薄膜サンプルに置換え、薄膜の表面
から検出器２０へ反射される超音波が、反射器１８から
反射される波と１８０°位相がずれる様に、その位置を
調節する。較正用反射器及び薄膜サンプルは、キャップ
３８を取外すことにより、又は較正用反射器及び薄膜サ
ンプルを夫々の角度位置に取付けた回転ヘッドを取付け
ることによって、交換することが出来る。
枝路の長さが往復台２２の増分的な動きによって調節さ
れる。薄膜サンプルの代りに較正用反射器（図に示して
ない）を取付け、その後、往復台２２のどう云う設定並
びに較正用反射器のどう云う向きによって、検出器２０
がゼロになるかを決定することにより、測定器の較正が
出来る。較正用反射器（並びに薄膜サンプル）の向き
は、水準ねじ４０を使って調節することが出来る。その
後、較正用反射器を薄膜サンプルに置換え、薄膜の表面
から検出器２０へ反射される超音波が、反射器１８から
反射される波と１８０°位相がずれる様に、その位置を
調節する。較正用反射器及び薄膜サンプルは、キャップ
３８を取外すことにより、又は較正用反射器及び薄膜サ
ンプルを夫々の角度位置に取付けた回転ヘッドを取付け
ることによって、交換することが出来る。
【００２３】弱め合う干渉の場合、検出器２０で検出さ
れる唯一の波は、波が薄膜を透過し、その後薄膜とガス
すき間の界面で反射されたことによるものであり、この
結果、関心のある波の位相変化が生ずる。薄膜の厚さ
は、薄膜表面で反射された超音波の飛行時間と組合せ
て、この位相変化から決定することが出来る。反射器１
８からのエコーと薄膜からの第１のエコーとの間に所望
の干渉パターンが発生される反射器１８の位置は、実効
的に後者の通過時間を定める。その時、反射器１８から
のエコーと薄膜からの第２のエコーとの間に所望の干渉
パターンが発生されるまで、反射器１８の位置を精密に
調節する。薄膜の厚さは、反射器１８を調節する間、検
出器２０の視野の中心を横切る単色性超音波の縞の数を
計数することによって決定される。
れる唯一の波は、波が薄膜を透過し、その後薄膜とガス
すき間の界面で反射されたことによるものであり、この
結果、関心のある波の位相変化が生ずる。薄膜の厚さ
は、薄膜表面で反射された超音波の飛行時間と組合せ
て、この位相変化から決定することが出来る。反射器１
８からのエコーと薄膜からの第１のエコーとの間に所望
の干渉パターンが発生される反射器１８の位置は、実効
的に後者の通過時間を定める。その時、反射器１８から
のエコーと薄膜からの第２のエコーとの間に所望の干渉
パターンが発生されるまで、反射器１８の位置を精密に
調節する。薄膜の厚さは、反射器１８を調節する間、検
出器２０の視野の中心を横切る単色性超音波の縞の数を
計数することによって決定される。
【００２４】この代りに、鏡すなわち反射器１８及び薄
膜３４の表面の位置を調節して、強め合う干渉を生じさ
せることが出来る。即ち、検出器２０で受取る超音波
が、夫々の音響通路に沿った損失を無視して、超音波源
から入力されたものと略同じになるようにする。検出さ
れる強度の幾つかの典型的な例が、２−１５ MHz の範
囲内の周波数に対し、図３−６に示されている。ピーク
間の減衰は、薄膜の厚さを通過する時の超音波の減衰の
結果である。この減衰は周波数と共に増加し、高次の干
渉効果を実質的に減衰によって除く。
膜３４の表面の位置を調節して、強め合う干渉を生じさ
せることが出来る。即ち、検出器２０で受取る超音波
が、夫々の音響通路に沿った損失を無視して、超音波源
から入力されたものと略同じになるようにする。検出さ
れる強度の幾つかの典型的な例が、２−１５ MHz の範
囲内の周波数に対し、図３−６に示されている。ピーク
間の減衰は、薄膜の厚さを通過する時の超音波の減衰の
結果である。この減衰は周波数と共に増加し、高次の干
渉効果を実質的に減衰によって除く。
【００２５】超音波放射の周波数が増加するにつれて、
強度の振動すなわち「干渉縞」が一層密になる。この
為、周波数の増加と共に分解能がよくなり、精度を高め
ることが出来る。これは、この発明に適用される干渉計
技術の周知の特性であり、この場合、 ２ｋδｘ＝ｍπ （７） が任意の正の整数ｍに対して充たされる。ｍが偶数の場
合、ピークが生じ、ｍが奇数の場合、谷が生ずる。λを
薄膜に於ける超音波の波長として、ｋ＝２π／λである
から、式（７）は次の様になる。
強度の振動すなわち「干渉縞」が一層密になる。この
為、周波数の増加と共に分解能がよくなり、精度を高め
ることが出来る。これは、この発明に適用される干渉計
技術の周知の特性であり、この場合、 ２ｋδｘ＝ｍπ （７） が任意の正の整数ｍに対して充たされる。ｍが偶数の場
合、ピークが生じ、ｍが奇数の場合、谷が生ずる。λを
薄膜に於ける超音波の波長として、ｋ＝２π／λである
から、式（７）は次の様になる。
【００２６】 δｘ＝ｍδ／２ （８） これがピーク間の縞の測定に用いられる。例えば、図５
では、約０．２７ mm（１０．７ミル）の薄膜の厚さで
は、１次の干渉が起こる。この後の各々のピークは、こ
の値の整数倍である。従って、分解能は１０ MHz の周
波数で０．２７mmである。縞は、超音波の波長の半整数
倍だけ隔たっており、これは他の干渉計で公知の性質で
ある。
では、約０．２７ mm（１０．７ミル）の薄膜の厚さで
は、１次の干渉が起こる。この後の各々のピークは、こ
の値の整数倍である。従って、分解能は１０ MHz の周
波数で０．２７mmである。縞は、超音波の波長の半整数
倍だけ隔たっており、これは他の干渉計で公知の性質で
ある。
【００２７】図７に詳しく示した単色性の超音波変換器
８は、結合剤１０と略等しい屈折率を持つ材料で作った
ブロック４６（以下「シュー」と云う）の面７２に取付
けられた圧電結晶４４で構成される。面７２はシューの
外面６２及びすき間５２と平行である。好ましい材料は
ルーサイトの様なアクリル樹脂である。収斂レンズ４８
が圧電結晶４４とシュー４６の間に配置される。
８は、結合剤１０と略等しい屈折率を持つ材料で作った
ブロック４６（以下「シュー」と云う）の面７２に取付
けられた圧電結晶４４で構成される。面７２はシューの
外面６２及びすき間５２と平行である。好ましい材料は
ルーサイトの様なアクリル樹脂である。収斂レンズ４８
が圧電結晶４４とシュー４６の間に配置される。
【００２８】圧電結晶４４は、外部の駆動電子回路（図
に示してない）により、その設計周波数で普通の結晶駆
動手段６０に加えられた電気駆動信号によって振動する
様に励振される。この駆動信号に応答して、圧電結晶が
圧縮波（Ｌ−波）ビームを発生する。このビームが収斂
レンズ４８によって集束され、シュー４６内を伝搬する
収斂する線束５０を形成する。
に示してない）により、その設計周波数で普通の結晶駆
動手段６０に加えられた電気駆動信号によって振動する
様に励振される。この駆動信号に応答して、圧電結晶が
圧縮波（Ｌ−波）ビームを発生する。このビームが収斂
レンズ４８によって集束され、シュー４６内を伝搬する
収斂する線束５０を形成する。
【００２９】シュー４６は、その中に高さが一様な非常
に幅の狭い円板形のすき間５２を形成する様に加工され
る。必要ではないが、すき間５２がシューの外面６２と
平行であることが、屈折効果を除く為に望ましい。円板
形のセルを脱ガスし、小さいポート６８及びピンチオフ
管７０を介して純粋な流体５４で充填し直す。好ましい
流体は水である。
に幅の狭い円板形のすき間５２を形成する様に加工され
る。必要ではないが、すき間５２がシューの外面６２と
平行であることが、屈折効果を除く為に望ましい。円板
形のセルを脱ガスし、小さいポート６８及びピンチオフ
管７０を介して純粋な流体５４で充填し直す。好ましい
流体は水である。
【００３０】すき間５２内の流体５４は、加熱棒５６に
よって一定の温度に保たれる。加熱棒５６の熱出力を熱
電対５８によって監視する。制御装置（図に示してな
い）を使って、熱電対から受取った信号に応じて、加熱
素子に供給される電流を調整する。制御装置は、流体を
一定の高い温度に保つ様に普通の方法でプログラムされ
る。
よって一定の温度に保たれる。加熱棒５６の熱出力を熱
電対５８によって監視する。制御装置（図に示してな
い）を使って、熱電対から受取った信号に応じて、加熱
素子に供給される電流を調整する。制御装置は、流体を
一定の高い温度に保つ様に普通の方法でプログラムされ
る。
【００３１】音の速度及びすき間の幅は、すき間５２内
で所望の周波数で単一モードの定在波が共振によって励
振される様に選び、超音波ビーム６４が乱れなくすき間
を透過して、シューの外面６２に入射する様にする。超
音波ビーム６４がシューの外面６２に透過して来て、線
６６の方向に伝搬する。この透過ビームは、すき間の周
波数選択性の為、高度に単色性のエネルギを持ってい
る。
で所望の周波数で単一モードの定在波が共振によって励
振される様に選び、超音波ビーム６４が乱れなくすき間
を透過して、シューの外面６２に入射する様にする。超
音波ビーム６４がシューの外面６２に透過して来て、線
６６の方向に伝搬する。この透過ビームは、すき間の周
波数選択性の為、高度に単色性のエネルギを持ってい
る。
【００３２】すき間５２に入射する収斂線束５０が界面
で一部分は透過し、一部分は反射される。この部分的な
透過及び部分的な反射は、すき間５２の寸法、その中に
ある流体の種類及び音の周波数によって変化する。流体
５４内での音の周波数が正しいと、すき間５２の一方の
界面に於ける部分的な透過が、すき間の反対側の界面で
の部分的な反射と強め合うように干渉し、流体で充填さ
れたすき間内に定在波を作る。この効果が起こるのは、
すき間の幅が波長の半整数個である時である。従って、
すき間５２の幅寸法が重要である。典型的には、すき間
の幅は、選ばれる周波数に応じて、０．００２乃至０．
０１２吋の範囲内である。流体で充填されたすき間が、
光学的な干渉フィルタと似た非常に選択性の強い周波数
フィルタとして作用する。
で一部分は透過し、一部分は反射される。この部分的な
透過及び部分的な反射は、すき間５２の寸法、その中に
ある流体の種類及び音の周波数によって変化する。流体
５４内での音の周波数が正しいと、すき間５２の一方の
界面に於ける部分的な透過が、すき間の反対側の界面で
の部分的な反射と強め合うように干渉し、流体で充填さ
れたすき間内に定在波を作る。この効果が起こるのは、
すき間の幅が波長の半整数個である時である。従って、
すき間５２の幅寸法が重要である。典型的には、すき間
の幅は、選ばれる周波数に応じて、０．００２乃至０．
０１２吋の範囲内である。流体で充填されたすき間が、
光学的な干渉フィルタと似た非常に選択性の強い周波数
フィルタとして作用する。
【００３３】上に述べた単色性の超音波変換器は、米国
特許出願通し番号第０７／９６４，９９８号、発明の名
称「単色性の超音波変換器」に記載されている。更に、
超音波導波管１４ａ−１４ｄは何れも粘性の圧縮性流体
を充填した可撓性の管で構成される。狭帯域の超音波源
８からの超音波圧縮波が流体内を軸方向に伝搬する。管
は、軸対称で一定断面である内面を持つ壁を有する。管
は金属、プラスチック又は金属／プラスチック複合材料
で作ることが出来る。この様な超音波導波管は米国特許
出願通し番号第０７／９６５，５９５号、発明の名称
「超音波導波管」に記載されている。
特許出願通し番号第０７／９６４，９９８号、発明の名
称「単色性の超音波変換器」に記載されている。更に、
超音波導波管１４ａ−１４ｄは何れも粘性の圧縮性流体
を充填した可撓性の管で構成される。狭帯域の超音波源
８からの超音波圧縮波が流体内を軸方向に伝搬する。管
は、軸対称で一定断面である内面を持つ壁を有する。管
は金属、プラスチック又は金属／プラスチック複合材料
で作ることが出来る。この様な超音波導波管は米国特許
出願通し番号第０７／９６５，５９５号、発明の名称
「超音波導波管」に記載されている。
【００３４】以上好ましい実施例を説明したのは、この
発明の広義の考えを例示する為に過ぎない。こゝに説明
した好ましい実施例の種々の変更は、超音波検出又は干
渉計技術の当業者であれば容易に考えられよう。例え
ば、干渉計の「枝路」が図１では直角であるとして示さ
れているが、これは特別な場合である。枝路は任意の便
利な角度にすることが出来、設計によって定められる。
この様な全ての変更は特許請求の範囲に含まれることを
承知されたい。
発明の広義の考えを例示する為に過ぎない。こゝに説明
した好ましい実施例の種々の変更は、超音波検出又は干
渉計技術の当業者であれば容易に考えられよう。例え
ば、干渉計の「枝路」が図１では直角であるとして示さ
れているが、これは特別な場合である。枝路は任意の便
利な角度にすることが出来、設計によって定められる。
この様な全ての変更は特許請求の範囲に含まれることを
承知されたい。
【図１】この発明の好ましい実施例の超音波干渉計を示
す概略断面図。
す概略断面図。
【図２】図１の好ましい実施例に用いられる薄膜サンプ
ルの簡略拡大図。
ルの簡略拡大図。
【図３】特定の周波数における検出された超音波の相対
強度を薄膜の厚さに対して示すグラフ。
強度を薄膜の厚さに対して示すグラフ。
【図４】特定の周波数における検出された超音波の相対
強度を薄膜の厚さに対して示すグラフ。
強度を薄膜の厚さに対して示すグラフ。
【図５】特定の周波数における検出された超音波の相対
強度を薄膜の厚さに対して示すグラフ。
強度を薄膜の厚さに対して示すグラフ。
【図６】特定の周波数における検出された超音波の相対
強度を薄膜の厚さに対して示すグラフ。
強度を薄膜の厚さに対して示すグラフ。
【図７】図１の好ましい実施例に用いられる単色性の超
音波変換器の概略構成図。
音波変換器の概略構成図。
４ 流体 ８ 超音波源 １４ａ−１４ｄ 導波管 １６ 分割器 １８ 反射器 ２０ 検出器 ３２ 基板 ３４ 薄膜サンプル ４２ ガスすき間
Claims (10)
- 【請求項１】 実質的に単色性の超音波放射の源（８）
と、該超音波放射を反射される第１の波部分及び透過す
る第２の波部分に分割する分割手段（１６）と、前記第
１の波部分を前記分割手段へ戻すように反射する向きに
配置された第１の反射手段（１８）と、前記第２の波部
分を前記分割手段へ戻すように反射する向きに位置ぎめ
された第２の反射手段（３４）と、入射する超音波放射
の振幅の関数である特性を検出する検出手段であって、
前記第１の反射手段によって反射され、その後前記分割
手段を透過した前記第１の波部分の一部分、並びに前記
第２の反射手段によって反射され、その後前記分割手段
によって反射された前記第２の波部分の一部分がそれぞ
れ入射する様に位置ぎめされた検出手段（２０）と、粘
性の圧縮性流体媒質で充填されていて、前記分割手段に
伝搬し又は前記分割手段から伝搬する超音波放射を案内
する導波管手段（１４ａ−１４ｄ）とを有する超音波干
渉計。 - 【請求項２】 前記導波管手段が前記分割手段を夫々前
記源、前記第１の反射手段、前記第２の反射手段及び前
記検出手段と超音波結合する第１乃至第４の導波管を有
し、該第１乃至第４の導波管の各々は粘性の圧縮性流体
で充填された実質的に一定の横断面を持つ流路を有する
管状壁手段で構成されている請求項１記載の超音波干渉
計。 - 【請求項３】 前記第１及び第３の導波管（１４ａ，１
４ｂ）が互いに平行であり、前記第２及び第４の導波管
（１４ｂ，１４ｃ）が互いに平行であり、前記第１及び
第３の導波管が前記第２及び第４の導波管に対して直角
である請求項２記載の超音波干渉計。 - 【請求項４】 更に、異なる超音波周波数に対する音響
通路長の違いを補償する補償手段（３０）が前記分割手
段及び前記第２の反射手段の間に配置されている請求項
１記載の超音波干渉計。 - 【請求項５】 前記第１の反射手段が、前記分割手段に
よって反射された前記第１の波部分の伝搬方向と平行な
方向に摺動自在に変位し得る第１の支持手段（２２）に
取付けられている請求項１記載の超音波干渉計。 - 【請求項６】 配置の向きが調節自在な第２の支持手段
（３２）が前記第３の導波管（１４ｂ）の端に取付けら
れている請求項２記載の超音波干渉計。 - 【請求項７】 前記第２の支持手段によって材料の薄膜
（３４）が支持され、前記第１の反射手段は鏡であり、
前記第２の反射手段が該薄膜の界面である請求項６記載
の超音波干渉計。 - 【請求項８】 前記第２の支持手段の薄膜の方を向いた
面に凹部（４２）が形成されており、該凹部及び前記薄
膜が気密な、ガスで充填されたすき間を形成し、前記第
２の反射手段は前記薄膜とガスで充填された前記すき間
との界面によって形成されている請求項７記載の超音波
干渉計。 - 【請求項９】 前記源が、圧電結晶（４４）と、一定の
高さを持ち、かつ内部に流体で充填されたすき間（５
２）が形成されている固体媒質（４６）と、前記圧電結
晶からの超音波放射を前記固体媒質の中に結合する手段
（４８）とで構成されている請求項２記載の超音波干渉
計。 - 【請求項１０】 前記導波管手段がそれとの間に空所を
置いてケーシング（２）内に収容され、前記空所及び前
記導波管手段が粘性の圧縮性流体（４）で充填されてい
る請求項１記載の超音波干渉計。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US08/011,560 US5373742A (en) | 1993-02-01 | 1993-02-01 | Ultrasonic interferometer |
| US011560 | 1993-02-01 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH074945A true JPH074945A (ja) | 1995-01-10 |
Family
ID=21750932
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6008935A Withdrawn JPH074945A (ja) | 1993-02-01 | 1994-01-31 | 超音波干渉計 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5373742A (ja) |
| EP (1) | EP0610043A1 (ja) |
| JP (1) | JPH074945A (ja) |
| TW (1) | TW238353B (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2006009036A1 (ja) * | 2004-07-16 | 2006-01-26 | National University Corporation Saitama University | 超音波干渉縞を用いた形状解析方法及び装置 |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2002065068A2 (en) * | 2001-01-12 | 2002-08-22 | Protune Corp. | Self-aligning ultrasonic sensor system, apparatus and method for detecting surface vibrations |
| NL1019020C2 (nl) * | 2001-09-24 | 2003-03-25 | Tno | Endfire-bundelpatroonverwerking voor akoestische interferometer. |
| US11408863B2 (en) | 2015-01-14 | 2022-08-09 | Quest Integrated, Llc | Automatic transducer operating frequency selection |
Family Cites Families (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2183387A5 (ja) * | 1972-05-05 | 1973-12-14 | Radiologie Cie Gle | |
| DE2709686C2 (de) * | 1977-03-05 | 1982-09-09 | Krautkrämer, GmbH, 5000 Köln | Optisches interferometrisches Verfahren zur berührungslosen Messung der durch Ultraschallwellen verursachten Oberflächenauslenkung eines Prüflings |
| GB2147102B (en) * | 1983-09-23 | 1987-03-25 | Texaco Development Corp | Acoustic pulse-echo wall thickness method and apparatus |
| FR2593909B1 (fr) * | 1986-02-03 | 1991-03-29 | Mtm Leader Sarl | Mesureur d'epaisseurs de revetements par interferometrie ultrasonore |
| FR2654508B1 (fr) * | 1989-11-14 | 1992-02-21 | Aerospatiale Ste Nat Indle | Dispositif et sonde pour mesurer la variation de distance separant les deux faces d'une couche de matiere au moyen d'ultrasons. |
| US5271274A (en) * | 1991-08-14 | 1993-12-21 | The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University | Thin film process monitoring techniques using acoustic waves |
-
1993
- 1993-02-01 US US08/011,560 patent/US5373742A/en not_active Expired - Fee Related
- 1993-09-29 TW TW082108006A patent/TW238353B/zh active
-
1994
- 1994-01-31 EP EP94300689A patent/EP0610043A1/en not_active Ceased
- 1994-01-31 JP JP6008935A patent/JPH074945A/ja not_active Withdrawn
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2006009036A1 (ja) * | 2004-07-16 | 2006-01-26 | National University Corporation Saitama University | 超音波干渉縞を用いた形状解析方法及び装置 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| TW238353B (ja) | 1995-01-11 |
| US5373742A (en) | 1994-12-20 |
| EP0610043A1 (en) | 1994-08-10 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A300 | Application deemed to be withdrawn because no request for examination was validly filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20010403 |