JPS5951344A - 振動姿態観察装置 - Google Patents
振動姿態観察装置Info
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- JPS5951344A JPS5951344A JP58137535A JP13753583A JPS5951344A JP S5951344 A JPS5951344 A JP S5951344A JP 58137535 A JP58137535 A JP 58137535A JP 13753583 A JP13753583 A JP 13753583A JP S5951344 A JPS5951344 A JP S5951344A
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- Japan
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- vibration
- wave
- signal
- specimen
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-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- 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
- G01N29/06—Visualisation of the interior, e.g. acoustic microscopy
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- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
- Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
本発明は圧電体の振動姿態の観察装置、とくに超音波エ
ネルギーを用いた観察装置に関する。
ネルギーを用いた観察装置に関する。
最近、１〜１０ＭＨｚの超音波探触子は医用撮像装置や
非破壊検査技術の進歩に伴ない増々高性能化が要求され
ている。探触子の感度や帯域、過渡応答については盛ん
に研究されているのであるが、これ等の研究においては
、探触子の構成要素の一つである圧電振動子の振動形態
、すなわち厚み振動でピストン運動をしている事の確認
が肝要である。
非破壊検査技術の進歩に伴ない増々高性能化が要求され
ている。探触子の感度や帯域、過渡応答については盛ん
に研究されているのであるが、これ等の研究においては
、探触子の構成要素の一つである圧電振動子の振動形態
、すなわち厚み振動でピストン運動をしている事の確認
が肝要である。
即ち、該振動板がピストン運動をしないと、探触子のビ
ーム指向特性は著るしく乱れ、集束、位相制御等の技術
が達成されなくなるのである。
ーム指向特性は著るしく乱れ、集束、位相制御等の技術
が達成されなくなるのである。
例えば、近年開発されている電子走査形超音波装置では
、タンザク状のエレメントｉ動板を配列して、これ等の
駆動に位相制御信号を用いてビームステアリングや電子
集束を行なっているのであるが、これ等は各エレメント
板がピストン運動していないと、到てい達成不能になる
のである。
、タンザク状のエレメントｉ動板を配列して、これ等の
駆動に位相制御信号を用いてビームステアリングや電子
集束を行なっているのであるが、これ等は各エレメント
板がピストン運動していないと、到てい達成不能になる
のである。
圧電振動板がピストン運動している事の確認は、当探触
子の自然な音響負荷である水の中で行なわれる必要があ
るのであるが、従来音響的に直接振動板の振動姿態を観
察する事が不可能であった為に、下記の２つの手段によ
って間接的に検討されてきた。
子の自然な音響負荷である水の中で行なわれる必要があ
るのであるが、従来音響的に直接振動板の振動姿態を観
察する事が不可能であった為に、下記の２つの手段によ
って間接的に検討されてきた。
第１に、圧電（鼓動板から放射される音波の形成するビ
ームパターンを計測し、圧電振動板が正しくピストン運
動しているとして計算した理論ビームパターンとの差異
から圧電振動板の振動姿態を類推する方法である。この
方法は複雑な形状の圧電振動板では計算自身が極めて困
難であるという難点の他に、計算を実行する為に必要な
種々の仮定それ自身があいまいさを残すという本質的な
難点を有している。
ームパターンを計測し、圧電振動板が正しくピストン運
動しているとして計算した理論ビームパターンとの差異
から圧電振動板の振動姿態を類推する方法である。この
方法は複雑な形状の圧電振動板では計算自身が極めて困
難であるという難点の他に、計算を実行する為に必要な
種々の仮定それ自身があいまいさを残すという本質的な
難点を有している。
第２に、圧電振動板の圧電幼果を利用し、機械共振の電
気端子側へのフィードバック、即ち電気端子間のインピ
ーダンス及びアドミッタンスの周波数依存性の測定より
機械振動姿態を類推する方法である。この方法は圧電振
動板の物理的モデル、換ｄすれば等価回路の正しさに依
存しており、第１の方法と同様の難点がある。以上はい
ずれも間接的に振動姿態を類推する手段であるが、直接
振動板の振動姿態を観察する手段にはとうてい及ばない
事は明らかであろう。
気端子側へのフィードバック、即ち電気端子間のインピ
ーダンス及びアドミッタンスの周波数依存性の測定より
機械振動姿態を類推する方法である。この方法は圧電振
動板の物理的モデル、換ｄすれば等価回路の正しさに依
存しており、第１の方法と同様の難点がある。以上はい
ずれも間接的に振動姿態を類推する手段であるが、直接
振動板の振動姿態を観察する手段にはとうてい及ばない
事は明らかであろう。
しかるに、圧電振動板の振動振巾の２次元的な直接観察
測定には従来は光を用いた多重反射干渉法がある。しか
しながらこの方法では、圧電振動板の音響負荷である水
の中での様子を得る事が出来ない。
測定には従来は光を用いた多重反射干渉法がある。しか
しながらこの方法では、圧電振動板の音響負荷である水
の中での様子を得る事が出来ない。
本発明は上述の点に鑑みてなされたものであり、ＤＣ〜
３０ＭＨｚの機械振動を行う物体面の振巾の２次元分布
を観察すると共に、ＤＣ−３０ＭＨｚの機械振動を行な
う物体面の速度の２次元分布をも観察するのである。
３０ＭＨｚの機械振動を行う物体面の振巾の２次元分布
を観察すると共に、ＤＣ−３０ＭＨｚの機械振動を行な
う物体面の速度の２次元分布をも観察するのである。
本発明は、振動せる物体面の一点をこ超高周波音波エネ
ルギーを集束照射しその反射音波に重畳せる物体振動を
周波数変調とみなして復調検出するか、或は反射音波の
帰還時間を計数する事を特徴とする。以下図面を用いて
本発明の詳細な説明する。
ルギーを集束照射しその反射音波に重畳せる物体振動を
周波数変調とみなして復調検出するか、或は反射音波の
帰還時間を計数する事を特徴とする。以下図面を用いて
本発明の詳細な説明する。
第１図は本発明の一実施例の要部を説明する図で、物体
面上に超高周波音波エネルギーを集束する部分である。
面上に超高周波音波エネルギーを集束する部分である。
サファイア等の円柱状の結晶２０の一面に厚みが１μ程
度の圧電薄膜１０（ＺｎＯ等）がスパッタリングでつけ
られ、他面には半球面の凹穴３０が形成しである。半球
面の凹穴３０と試料物体５０との間には流体（水等）４
０が満されている。今、ＲＦ発振器１００よりサーキユ
レータ１１０を介して、圧電薄膜１０にＲＦ電気信号を
印加すると、圧電門換により薄膜１０より結晶２０中に
ＲＦ平面音波が放射される。この平面波は球面弁面３０
において結晶と水によって構成される正のレンズにより
集音され、その焦点領域にある試料上に集束照射される
。この集束音波は試料５０によって反射されるが、反射
音波は前述のレンズにより集音され、圧電薄膜ｌＯによ
りＲ，Ｆ電気信号に変換されサーキーレータ１１０を介
して受信器１２０により増巾検出される。
度の圧電薄膜１０（ＺｎＯ等）がスパッタリングでつけ
られ、他面には半球面の凹穴３０が形成しである。半球
面の凹穴３０と試料物体５０との間には流体（水等）４
０が満されている。今、ＲＦ発振器１００よりサーキユ
レータ１１０を介して、圧電薄膜１０にＲＦ電気信号を
印加すると、圧電門換により薄膜１０より結晶２０中に
ＲＦ平面音波が放射される。この平面波は球面弁面３０
において結晶と水によって構成される正のレンズにより
集音され、その焦点領域にある試料上に集束照射される
。この集束音波は試料５０によって反射されるが、反射
音波は前述のレンズにより集音され、圧電薄膜ｌＯによ
りＲ，Ｆ電気信号に変換されサーキーレータ１１０を介
して受信器１２０により増巾検出される。
今、試料としてＰＺＴ等の圧電振動板を用いこれを金属
ステージ６０に導電接着剤で接着しこれにΩなる周波数
（１〜３０Ｍ！（ｚ）の正弦波を発振器１４０より印加
すると、ＰＺＴ板はＺ方向に該周波数の厚み振動を行な
う。靜止せるとき、ＰＺＴ板を焦点面に配置しておけば
この感動に伴ない板面は焦点からはずれるから受信電気
信号Ｚは周波数Ωで変調される事は明らかであろう。即
ちＲＦ周波数をＷとすると、受信信号Ｚは Ｚ（ｘ、’ｙ；ｔ）：Ａ（ｘ、ｙ）ｅｌ〔Ω重子〇（舅
）１ｅｊｖＮ （１１Ａ（ｘ、ｙ）；受信振巾 θ（ｘｌ、ｙ）；受信信号の機械駆動 、信号に対す
る位相 と表わされる。この信号は、試料の場所（ｘ、ｙ）によ
るのであるが、この装置ではステージ６０をｘ；ｙ軸方
向に１３０なる機械並進系で移動させＸ、ｙと対にＺ信
号を表示もしくは記録するようになっている。
ステージ６０に導電接着剤で接着しこれにΩなる周波数
（１〜３０Ｍ！（ｚ）の正弦波を発振器１４０より印加
すると、ＰＺＴ板はＺ方向に該周波数の厚み振動を行な
う。靜止せるとき、ＰＺＴ板を焦点面に配置しておけば
この感動に伴ない板面は焦点からはずれるから受信電気
信号Ｚは周波数Ωで変調される事は明らかであろう。即
ちＲＦ周波数をＷとすると、受信信号Ｚは Ｚ（ｘ、’ｙ；ｔ）：Ａ（ｘ、ｙ）ｅｌ〔Ω重子〇（舅
）１ｅｊｖＮ （１１Ａ（ｘ、ｙ）；受信振巾 θ（ｘｌ、ｙ）；受信信号の機械駆動 、信号に対す
る位相 と表わされる。この信号は、試料の場所（ｘ、ｙ）によ
るのであるが、この装置ではステージ６０をｘ；ｙ軸方
向に１３０なる機械並進系で移動させＸ、ｙと対にＺ信
号を表示もしくは記録するようになっている。
第２図に示すようにｅｊＷｔなる発信器１００を用いて
復調器２００で復調し、第１に低域フィルター２１０（
カットオフ周波数２Ω）を通した後、検波器２３０を通
せば振巾Ａ（ｘ、ｙ）が得られ、又、第２にｅｌｏｔな
１発振器１４０を用いて復調器２２０で復調し、低域フ
ィルター２４０（カットオフ周波数〜ステージ移動周波
数）を通せばｃｏｓθ（ｘ、ｙ）が検出される。かくし
て、振動板の面の撮動振巾と駆動人力ｅ ４ Ｑ ｔに
対する遅延が検出出来た事になる。
復調器２００で復調し、第１に低域フィルター２１０（
カットオフ周波数２Ω）を通した後、検波器２３０を通
せば振巾Ａ（ｘ、ｙ）が得られ、又、第２にｅｌｏｔな
１発振器１４０を用いて復調器２２０で復調し、低域フ
ィルター２４０（カットオフ周波数〜ステージ移動周波
数）を通せばｃｏｓθ（ｘ、ｙ）が検出される。かくし
て、振動板の面の撮動振巾と駆動人力ｅ ４ Ｑ ｔに
対する遅延が検出出来た事になる。
得られたＡ（Ｘ ＋ ｙ ）は、あらかじめ静的に得ら
れたＺ方向の面移動とＡ（ｘ ； ｙ ）との関係から
Ｚ方向の面板の変位量に換算される。
れたＺ方向の面移動とＡ（ｘ ； ｙ ）との関係から
Ｚ方向の面板の変位量に換算される。
なお、振動板の゛振動周波数（例えばＩ ＭＨｚ ）に
比ベステージの移動周波数（〜１０ＫＨｚ）ははるかに
低いからこのままでは振動板の振動の瞬時の様子をみる
事が出来ない。本発明では、駆動周波数Ωなる周期駆動
（正弦を含む）の場合、いわゆるサンプリングの手法を
用いている。即ち、第３図及び第４図に示すように、機
械駆動用発振器１４０の信号を遅延器３００でΔτだけ
遅らせ、コンパレータ３１０とマルチバイブレータ３２
０で第３図ｔｂ）の如きパルス例を作り、Ｚ信号に対し
てゲート３３０をこのパルスが“１”のときのみ開けば
得られた２′信号はいつもｅｊＱ＋のある位相における
値を反映し低速のステージ移動によってもある瞬時の板
の２次元の振動姿態をみる事が出来る事になる。
比ベステージの移動周波数（〜１０ＫＨｚ）ははるかに
低いからこのままでは振動板の振動の瞬時の様子をみる
事が出来ない。本発明では、駆動周波数Ωなる周期駆動
（正弦を含む）の場合、いわゆるサンプリングの手法を
用いている。即ち、第３図及び第４図に示すように、機
械駆動用発振器１４０の信号を遅延器３００でΔτだけ
遅らせ、コンパレータ３１０とマルチバイブレータ３２
０で第３図ｔｂ）の如きパルス例を作り、Ｚ信号に対し
てゲート３３０をこのパルスが“１”のときのみ開けば
得られた２′信号はいつもｅｊＱ＋のある位相における
値を反映し低速のステージ移動によってもある瞬時の板
の２次元の振動姿態をみる事が出来る事になる。
以上述べた他に、既に開示されている変調信号の振巾と
位相を検出する諸回路が利用出来ることは云うまでもな
い。
位相を検出する諸回路が利用出来ることは云うまでもな
い。
本発明の第２の実施例を説明する。
本実施例は、振動板がＺ方向に変化している事から反射
波のドツプラシフトを検出し、以って振動板の２次元の
速度分布をみようとするものである。周知の如く、レン
ズ系に対しＺ方向にＶなる速度で移動する物体からの反
射音波の周波数シフトΔｆは Δｔ ＝＝ ２ヱＬ（２） ｆ ； ＲＦ周波数 Ｃ；媒質音速度 で与えられる。従って第２図でＺ信号をＲＦ周波数で復
調後、低域フィルター（カットオフ周波数１０Ω）２５
０を通すと、Ωなる周波数を中心とした±Δｆの帯域信
号が得られるからこの信号を）ゞ−■変換（周波数電圧
変換）器２６０で変換してΔｆ従ってＶを求める事がで
きるわけである。勿論、１度ｅ ｊ ｒｌｔで復調した
信号をＦ’−Ｖ変換してもよい。
波のドツプラシフトを検出し、以って振動板の２次元の
速度分布をみようとするものである。周知の如く、レン
ズ系に対しＺ方向にＶなる速度で移動する物体からの反
射音波の周波数シフトΔｆは Δｔ ＝＝ ２ヱＬ（２） ｆ ； ＲＦ周波数 Ｃ；媒質音速度 で与えられる。従って第２図でＺ信号をＲＦ周波数で復
調後、低域フィルター（カットオフ周波数１０Ω）２５
０を通すと、Ωなる周波数を中心とした±Δｆの帯域信
号が得られるからこの信号を）ゞ−■変換（周波数電圧
変換）器２６０で変換してΔｆ従ってＶを求める事がで
きるわけである。勿論、１度ｅ ｊ ｒｌｔで復調した
信号をＦ’−Ｖ変換してもよい。
本発明の第３の実施例を第５図を用いて説明する。ステ
ージ系及び板の駆動系は前述の実施例と同様なので図面
からは省略しである。圧電薄膜１０とレンズ系２０から
なるトランスデユーサにデー１４Ｆ発振器４００よりバ
ースト波の１１（、Ｆ’倍信号サーキュレータ４１０を
介して印加すると、試料からのいわゆるエコーが得られ
る。ゲート４２０でこのエコーのみを選択し、このエコ
ー信号をＡＧＯ増巾器４３０で定レベルまで増巾、これ
をコンパレータ４４０及びマルチバイブレータ４５０を
通してパルス化整形する。このパルスは再びゲート発振
器４００を励起する。このようなパルスが一巡する時間
は試料とトランスデー−サ間の距りが一定なら一定にな
りこの系はある繰り返し周期を有する事になる。この周
期をカウンタ４６０で計数しＦ’−Ｖ変換器４７０で電
圧信号にかえる。今、板面が振動ずれば試料板とトラン
スデユーサ間の距りが変化するから上記繰り返し周期が
変化する事になる。即ち繰り返し周期を計測する事によ
って逆ζζ板面の振動変位振巾が検出された事になるわ
けである。
ージ系及び板の駆動系は前述の実施例と同様なので図面
からは省略しである。圧電薄膜１０とレンズ系２０から
なるトランスデユーサにデー１４Ｆ発振器４００よりバ
ースト波の１１（、Ｆ’倍信号サーキュレータ４１０を
介して印加すると、試料からのいわゆるエコーが得られ
る。ゲート４２０でこのエコーのみを選択し、このエコ
ー信号をＡＧＯ増巾器４３０で定レベルまで増巾、これ
をコンパレータ４４０及びマルチバイブレータ４５０を
通してパルス化整形する。このパルスは再びゲート発振
器４００を励起する。このようなパルスが一巡する時間
は試料とトランスデー−サ間の距りが一定なら一定にな
りこの系はある繰り返し周期を有する事になる。この周
期をカウンタ４６０で計数しＦ’−Ｖ変換器４７０で電
圧信号にかえる。今、板面が振動ずれば試料板とトラン
スデユーサ間の距りが変化するから上記繰り返し周期が
変化する事になる。即ち繰り返し周期を計測する事によ
って逆ζζ板面の振動変位振巾が検出された事になるわ
けである。
以上述べて来たように本発明によれば、流体中で振動す
る板の振動変位振巾、変位の時間遅れ、振動速度の２次
元分布を計測する事が出来るのであるが、ここで今一度
本発明の効用を述べれば、医用や非破壊検査で用いられ
る探触子の圧電振動子の水中での振動姿態の観測、とり
わけピストン運動の鑑別に極めて有効であるばかりでな
く、周期的に外力を加えられた試料の変位、速度の２次
元分布、あるいは静的の場合シリコンウェハーのそりや
たわみの検出等にも極めて有効である。
る板の振動変位振巾、変位の時間遅れ、振動速度の２次
元分布を計測する事が出来るのであるが、ここで今一度
本発明の効用を述べれば、医用や非破壊検査で用いられ
る探触子の圧電振動子の水中での振動姿態の観測、とり
わけピストン運動の鑑別に極めて有効であるばかりでな
く、周期的に外力を加えられた試料の変位、速度の２次
元分布、あるいは静的の場合シリコンウェハーのそりや
たわみの検出等にも極めて有効である。
第１図及び第２図は本発明の一実施例の構成を示す図。
第３図及び第４図はその動作を説明するための図。
第５図は本発明の他の実施例の構成を示す図である。
￥３ 区
第 ４ 図
第 ５ 目
Claims (1)
- １、超高周波音波エネルギーを集束する手段と、該集束
点面内で試料を２次元的に機械走査する手段と、該試料
からの反射音波を復調検出する手段とを具備せることを
特徴とする該試料の振動姿態を観察する装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP58137535A JPS5951344A (ja) | 1983-07-29 | 1983-07-29 | 振動姿態観察装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP58137535A JPS5951344A (ja) | 1983-07-29 | 1983-07-29 | 振動姿態観察装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS5951344A true JPS5951344A (ja) | 1984-03-24 |
Family
ID=15200952
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP58137535A Pending JPS5951344A (ja) | 1983-07-29 | 1983-07-29 | 振動姿態観察装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS5951344A (ja) |
Cited By (1)
| 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 |
-
1983
- 1983-07-29 JP JP58137535A patent/JPS5951344A/ja active Pending
Cited By (2)
| 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 |
| JP4672879B2 (ja) * | 2001-02-14 | 2011-04-20 | アロカ株式会社 | 振動計測方法及び超音波顕微鏡システム |
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