(57)【要約】  振動子１は、保持部材３と最小の接触面積で接触し、保持部材３によって保持される。チップ２は、振動子１の一方端に接着される。保持部材３は、支持部材７によって支持され、磁石８は、支持部材７に接着される。アンテナ４〜６は、保持部材３の外周に巻かれる。樹脂部材９は、保持部材３、アンテナ４〜６、支持部材７および磁石８を覆う。そして、保持部材３、アンテナ４〜６、支持部材７、磁石８および支持部材９は、振動子１の一方端がケース１１の開口部１１１から外部へ突出するように配置され、振動子１の長さ方向に一体的に移動可能である。天板１２は、ケース１１に接着される。磁石１３は、磁石３と同じ極性を有し、ケース内１４において天板１２に接して配置される。
2012153739.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
棒状形状を有し、圧電体からなる振動子と、
被測定物側における前記振動子の一方端に接着され、前記被測定物よりも硬度が大きいチップと、
前記振動子の周方向において最小の接触面積で前記振動子と接触し、前記振動子の振動の節部に相当する前記振動子の一部分を保持する保持具と、
前記振動子の他方端側に配置され、前記保持具を支持する支持部材に接着された第１の磁石と、
前記振動子の長さ方向において前記第１の磁石と所望の距離を隔てて配置され、前記第１の磁石と同じ極性を有する第２の磁石と、
接地電位に接続された第１のアンテナと、
前記振動子の振動を励起するための励起電圧を前記第１のアンテナと協働して前記振動子に印加する第２のアンテナと、
前記励起電圧が振動子に印加されたことに起因して前記振動子に発生した電場を前記第１のアンテナと協働して電圧として受信する第３のアンテナとを備え、
前記第１から第３のアンテナは、前記振動子の一部分の近傍に配置されており、
前記チップは、前記振動子から前記被測定物へ向かう方向に突出した円弧状の形状を有する、プローブ。
【請求項２】
前記振動子、前記チップ、前記第１の磁石および前記保持具を収容するケースと、
前記振動子、前記第１の磁石および前記保持具と前記ケースとの間に充填され、前記振動子、前記チップ、前記第１の磁石および前記保持具とともに前記振動子の長さ方向に移動可能である樹脂部材とを更に備え、
前記振動子の一方端および前記チップは、前記チップが前記被測定物に接触していないとき、前記ケースの開口部から外部へ突出しており、
前記振動子、前記チップ、前記第１の磁石、前記保持具および前記樹脂部材は、前記ケースの端部が前記被測定物に接触することに伴って、前記第１の磁石から前記第２の磁石の方向へ移動する、請求項１に記載のプローブ。
【請求項３】
前記保持具は、リング状の二トリルゴムからなる、請求項１に記載のプローブ。
【請求項４】
前記チップは、タングステンカーバイトからなる、請求項３に記載のプローブ。
【請求項５】
前記振動子、前記チップ、前記第１の磁石および前記保持具を収容するケースと、
前記振動子、前記第１の磁石および前記保持具と前記ケースとの間に充填され、前記振動子、前記チップ、前記第１の磁石および前記保持具とともに前記振動子の長さ方向に移動可能である樹脂部材とを更に備え、
前記振動子の一方端および前記チップは、前記チップが前記被測定物に接触していないとき、前記ケースの開口部から外部へ突出しており、
前記振動子、前記チップ、前記第１の磁石、前記保持具および前記樹脂部材は、前記ケースの端部が前記被測定物に接触することに伴って、前記第１の磁石から前記第２の磁石の方向へ移動する、請求項４に記載のプローブ。
【請求項６】
前記振動子、前記チップ、前記第１の磁石および前記保持具を収容するケースと、
前記振動子、前記第１の磁石および前記保持具と前記ケースとの間に充填され、前記振動子、前記チップ、前記第１の磁石および前記保持具とともに前記振動子の長さ方向に移動可能である樹脂部材とを更に備え、
前記振動子の一方端および前記チップは、前記チップが前記被測定物に接触していないとき、前記ケースの開口部から外部へ突出しており、
前記振動子、前記チップ、前記第１の磁石、前記保持具および前記樹脂部材は、前記ケースの端部が前記被測定物に接触することに伴って、前記第１の磁石から前記第２の磁石の方向へ移動する、請求項３に記載のプローブ。
【請求項７】
前記チップは、タングステンカーバイトからなる、請求項１に記載のプローブ。
【請求項８】
前記振動子、前記チップ、前記第１の磁石および前記保持具を収容するケースと、
前記振動子、前記第１の磁石および前記保持具と前記ケースとの間に充填され、前記振動子、前記チップ、前記第１の磁石および前記保持具とともに前記振動子の長さ方向に移動可能である樹脂部材とを更に備え、
前記振動子の一方端および前記チップは、前記チップが前記被測定物に接触していないとき、前記ケースの開口部から外部へ突出しており、
前記振動子、前記チップ、前記第１の磁石、前記保持具および前記樹脂部材は、前記ケースの端部が前記被測定物に接触することに伴って、前記第１の磁石から前記第２の磁石の方向へ移動する、請求項７に記載のプローブ。
【請求項９】
請求項１に記載のプローブと、
前記励起電圧を前記第２のアンテナへ出力する電圧源と、
前記第３のアンテナによって受信された受信電圧に基づいて前記振動子の共振周波数を検出し、その検出した共振周波数に基づいて前記被測定物のヤング率を算出する検出器とを備える測定装置。
【請求項１０】
請求項１に記載のプローブと、
前記励起電圧を前記第２のアンテナへ出力する電圧源と、
前記第３のアンテナによって受信された受信電圧に基づいて前記振動子の共振周波数を有するピークの半値幅を検出し、または前記第３のアンテナによって受信された受信電圧に基づいて前記振動子が減衰するときの減衰定数を検出する検出器とを備える測定装置。
【請求項１１】
請求項１に記載のプローブと、
前記振動子の共振周波数をｎ（ｎは２以上の整数）倍した周波数、または前記振動子の共振周波数を１／ｎ倍した周波数を有する電圧を前記励起電圧として前記第２のアンテナへ出力する電圧源と、
前記第３のアンテナによって受信された受信電圧に基づいて前記振動子の共振周波数が検出されたか否かを判定する判定器とを備える測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、プローブおよびそれを備えた測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、振動子をバネによって天板に固定して試料の弾性定数を測定する弾性定数測定装置が知られている（特許文献１）。【０００３】
この弾性定数測定装置においては、ボールベアリングが振動子の天板側と反対側の端部に固定されている。また、振動子を収納するケースの周囲には、ソレノイドコイルが巻かれており、ソレノイドコイルによって、振動子を振動させるための電場を振動子に印加する構造になっている。
【特許文献１】特開２００５−２０１８１６号公報
【非特許文献１】Stephen R. Swanson, International Journal of Solids and Structures, 41, 1945(2004).
【非特許文献２】J. R. Willis, J. Mech, Phys. Solids, 14, 163(1966).
【発明の開示】
【０００４】
しかし、従来の弾性定数測定装置においては、振動子がバネによって天板に固定されているために、振動子の安定した振動を確保することが困難であるという問題がある。
【０００５】
また、従来の弾性定数測定装置においては、振動子が試料に接触するときのバイアス力を重力によって試料に印加する構成になっているので、重力の方向と異なる方向からバイアス力を試料に印加する場合には、弾性定数を正確に測定することが困難であるという問題がある。
【０００６】
そこで、この発明は、かかる問題を解決するためになされたものであり、その目的は、振動子の安定した振動を確保し、バイアス力を任意の方向から試料に印加して弾性定数を測定可能なプローブを提供することである。
【０００７】
また、この発明の別の目的は、振動子の安定した振動を確保し、バイアス力を任意の方向から試料に印加して弾性定数を測定可能なプローブを備えた測定装置を提供することである。
【０００８】
この発明の実施の形態によれば、プローブは、振動子と、チップと、保持具と、第１および第２の磁石と、第１から第３のアンテナとを備える。振動子は、棒状形状を有し、圧電体からなる。チップは、被測定物側における振動子の一方端に接着され、被測定物よりも硬度が大きい。保持具は、振動子の周方向において最小の接触面積で振動子と接触し、振動子の振動の節部に相当する振動子の一部分を保持する。第１の磁石は、振動子の他方端側に配置され、保持具を支持する支持部材に接着される。第２の磁石は、振動子の長さ方向において第１の磁石と所望の距離を隔てて配置され、第１の磁石と同じ極性を有する。第１のアンテナは、接地電位に接続される。第２のアンテナは、振動子の振動を励起するための励起電圧を第１のアンテナと協働して振動子に印加する。第３のアンテナは、励起電圧が振動子に印加されたことに起因して振動子に発生した電場を第１のアンテナと協働して電圧として受信する。そして、第１から第３のアンテナは、振動子の一部分の近傍に配置されており、チップは、振動子から被測定物へ向かう方向に突出した円弧状の形状を有する。
【０００９】
また、この発明の実施の形態による測定装置は、プローブと、電圧源と、検出器とを備える。プローブは、請求項１に記載のプローブからなる。電圧源は、励起電圧を第２のアンテナへ出力する。検出器は、第３のアンテナによって受信された受信電圧に基づいて振動子の共振周波数を検出し、その検出した共振周波数に基づいて被測定物のヤング率を算出する。
【００１０】
更に、この発明の実施の形態による測定装置は、プローブと、電圧源と、検出器とを備える。プローブは、請求項１に記載のプローブからなる。電圧源は、励起電圧を第２のアンテナへ出力する。検出器は、第３のアンテナによって受信された受信電圧に基づいて振動子の共振周波数を有するピークの半値幅を検出し、または第３のアンテナによって受信された受信電圧に基づいて振動子が減衰するときの減衰定数を検出する。
【００１１】
更に、この発明の実施の形態による測定装置は、プローブと、電圧源と、判定器とを備える。プローブは、請求項１に記載のプローブからなる。電圧源は、振動子の共振周波数をｎ（ｎは２以上の整数）倍した周波数、または振動子の共振周波数を１／ｎ倍した周波数を有する電圧を励起電圧として第２のアンテナへ出力する。判定器は、第３のアンテナによって受信された受信電圧に基づいて振動子の共振周波数が検出されたか否かを判定する。
【００１２】
この発明の実施の形態によるプローブにおいては、振動子は、振動子の振動の節部に相当する位置において最小の接触面積で保持具によって保持される。また、振動子は、同じ極性を有する第１および第２の磁石が発生する斥力によって被測定物にバイアス力を印加する。その結果、振動子は、自由に振動するとともに、被測定物が鉛直方向に対して任意の角度を成すように配置されていても、被測定物に印加されるバイアス力は、一定になる。
【００１３】
従って、振動子の安定した振動を確保できるとともに、バイアス力を任意の方向から被測定物に印加して弾性定数を測定できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】この発明の実施の形態によるプローブの構成を示す断面図である。
【図２】図１に示す磁石側から見た振動子、保持部材およびアンテナの平面図である。
【図３】図１に示す振動子およびチップの拡大図である。
【図４】図１に示す振動子、チップ、保持部材、支持部材、磁石および樹脂部材の斜視図である。
【図５】図１に示すプローブを製造する製造方法を示す第１の工程図である。
【図６】図１に示すプローブを製造する製造方法を示す第２の工程図である。
【図７】図１に示すプローブを製造する製造方法を示す第３の工程図である。
【図８】図１に示すプローブを製造する製造方法を示す第４の工程図である。
【図９】図１に示すプローブの動作を説明するための概念図である。
【図１０】振動子の振動をモデル化するための第１の概念図である。
【図１１】振動子の振動をモデル化するための第２の概念図である。
【図１２】この発明の実施の形態による弾性定数測定装置の構成図である。
【図１３】バースト波およびトリガー信号のタイミングチャートである。
【図１４】ヤング率の測定方法を説明するためのフローチャートである。
【図１５】振幅と周波数との関係を示す図である。
【図１６】測定されたヤング率と、報告されているヤング率との関係を示す図である。
【図１７】振動子の減衰特性を示す図である。
【図１８】被測定物の具体例を示す断面図である。
【図１９】共振周波数を有するピークの半値幅を用いて欠陥を検出するときの動作を説明するためのフローチャートである。
【図２０】減衰定数を用いて欠陥を検出するときの動作を説明するためのフローチャートである。
【図２１】被測定物に欠陥が形成されている場合のバースト波および欠陥の変位を示す概念図である。
【図２２】振幅と周波数との関係を示す図である。
【図２３】倍波を用いて欠陥を検出する動作を説明するためのフローチャートである。
【図２４】この発明の実施の形態における他の振動子の断面図である。
【図２５】アンテナの他の装着方法を示す断面図である。
【図２６】振動子の保持方法を示す断面図である。
【図２７】振動子の別の保持方法を示す断面図である。
【図２８】測定深さとチップの半径との関係を示す図である。
【図２９】複数のチップを振動子に装着した例を示す断面図である。
【図３０】この発明の実施の形態による別のプローブの構成を示す断面図である。
【図３１】図１に示すプローブの応用例を示す概念図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。【００１６】
図１は、この発明の実施の形態によるプローブの構成を示す断面図である。図１を参照して、この発明の実施の形態によるプローブ１０は、振動子１と、チップ２と、保持部材３と、アンテナ４〜６と、支持部材７と、磁石８，１３と、樹脂部材９と、ケース１１，１４と、天板１２とを備える。【００１７】
振動子１は、四角柱の形状を有し、例えば、ランガサイト（Ｌａ３Ｇａ５ＳｉＯ１４）の単結晶、または水晶からなる。即ち、振動子１は、圧電体からなる。そして、振動子１は、保持部材３によって保持され、その一方端がケース１１の開口部１１１を介して外部へ突出し、その他方端側が支持部材７内の空間７Ａに配置されている。この場合、振動子１の一方端は、例えば、ケース１１の底面１１Ａから５ｍｍ程度、外部へ突出している。【００１８】
また、振動子１は、２．０ｍｍ×２．０ｍｍ×２０．０ｍｍのサイズを有する。更に、振動子１がランガサイトからなる場合、ランガサイトの［１００］の方向が振動子１の長手方向になる。【００１９】
チップ２は、例えば、タングステンカーバイトからなり、振動子１の一方端に接着剤によって接着される。そして、チップ２は、被測定物よりも硬度が大きい。【００２０】
保持部材３は、略円形の平面形状を有し、後述する方法によって、振動子１の長さ方向において振動子１の略中央部を保持する。この振動子１の略中央部は、振動の基本モードの節が存在する位置である。従って、保持部材３は、振動子１の振動の節部に相当する振動子１の一部分を保持する。【００２１】
アンテナ４は、一方端側が保持部材３の周囲に巻回されるとともに、樹脂部材９およびケース１１，１４を介して外部へ引き出され、他方端が接地電位に接続される。【００２２】
アンテナ５は、一方端側が振動子１の長さ方向におけるアンテナ４の一方側に配置されるとともに保持部材３の周囲に巻回される。そして、アンテナ５は、樹脂部材９およびケース１１，１４を介して外部へ引き出される。【００２３】
アンテナ６は、一方端側が振動子１の長さ方向におけるアンテナ４の他方側に配置されるとともに保持部材３の周囲に巻回される。そして、アンテナ６は、樹脂部材９およびケース１１，１４を介して外部へ引き出される。【００２４】
なお、アンテナ４〜６の各々は、例えば、１ｍｍの直径を有し、１回だけ保持部材３の周囲に巻回される。【００２５】
支持部材７は、中空の円柱形状を有し、磁石８に固定されるとともに保持部材３を支持する。磁石８は、支持部材７に接着される。【００２６】
樹脂部材９は、例えば、アクリルからなり、保持部材３、支持部材７および磁石８とケース１１との間に配置され、保持部材３、アンテナ４〜６、支持部材７および磁石８を覆う。そして、磁石８および樹脂部材９と天板１２との間には、空間１５が形成されており、振動子１、チップ２、保持部材３、アンテナ４〜６、支持部材７、磁石８および樹脂部材９は、振動子１の長さ方向に一体的に移動可能である。この場合、アンテナ４〜６のうち、空間１５内に配置された部分は、実際には、螺旋状に形成されており、振動子１、チップ２、保持部材３、アンテナ４〜６、支持部材７、磁石８および樹脂部材９が振動子１の長さ方向に移動可能な構造になっている。【００２７】
また、保持部材３の下側において、振動子１と樹脂部材９との間には、空間１６が形成されており、空間１６は、ケース１１の開口部１１１に連通している。【００２８】
ケース１１は、中空の円柱形状のテフロン（登録商標）からなり、開口部１１１を有する。そして、ケース１１は、開口部１１１と反対側が天板１２に固定される。【００２９】
天板１２は、例えば、アクリルからなり、ケース１４内に固定される。磁石１３は、磁石８と同じ極性を有する。そして、磁石１３は、天板１２に接してケース１４内に固定される。【００３０】
ケース１４は、例えば、アクリルからなり、ケース１１の一部、天板１２および磁石１３を覆う。【００３１】
図２は、図１に示す磁石８側から見た振動子１、保持部材３およびアンテナ４〜６の平面図である。【００３２】
図２を参照して、保持部材３は、Ｏリング３１と、固定具３２とからなる。Ｏリング３１は、例えば、ニトリルゴムからなる。ニトリルゴムは、アクリロニトリルと、１，３−ブタジエンとの共重合体である。【００３３】
振動子１は、略正方形の断面形状を有する。そして、Ｏリング３１は、振動子１の正方形の４個の頂点に接するように振動子１の周囲に配置される。このように、Ｏリング３１は、振動子１の長さ方向に直交する方向に振動子１を切断したときの振動子１の断面形状の周方向において最小の接触面積で振動子１に接触する。この場合、振動子１とＯリング３１とは、４個の頂点で点接触する場合もあれば、４隅で面接触する場合もある。そして、点接触するか面接触するかは、Ｏリング３１の硬さに依存し、Ｏリング３１が硬くなればなるほど、振動子１とＯリング３１とは、点接触し易く、Ｏリング３１が柔らかくなればなるほど、振動子１とＯリング３１とは、面接触し易い。【００３４】
固定具３２は、ドーナツ状の平面形状を有し、例えば、アクリル樹脂からなる。そして、固定具３２は、Ｏリング３１の周囲に配置される。【００３５】
アンテナ４〜６は、固定具３２の周囲に１回だけ巻回されている。【００３６】
図３は、図１に示す振動子１およびチップ２の拡大図である。図３を参照して、チップ２は、薄い球片の断面形状を有する。そして、チップ２は、例えば、１〜２ｍｍの直径および約０．３ｍｍの厚さを有する。【００３７】
図４は、図１に示す振動子１、チップ２、保持部材３、支持部材７、磁石８および樹脂部材９の斜視図である。なお、図４においては、アンテナ４〜６が省略されている。【００３８】
図４を参照して、振動子１は、保持部材３によって保持されており、保持部材３は、支持部材７によって磁石８と連結されている。樹脂部材９は、振動子１に接せず、保持部材３、支持部材７および磁石８に接して保持部材３、支持部材７および磁石８を覆うように略円柱形状に成形されている。そして、樹脂部材９は、チップ２側に底面９Ａを有し、振動子１との間に空間１６を有する。その結果、保持部材３、支持部材７、磁石８および樹脂部材９は、一体物を構成し、振動子１は、その一体物の保持部材３中のＯリング３１（図４では図示せず）のみによって保持されている。【００３９】
従って、振動子１、チップ２、保持部材３、支持部材７、磁石８および樹脂部材９は、振動子１の長さ方向に一体的に移動可能である。【００４０】
図５から図８は、それぞれ、図１に示すプローブ１０を製造する製造方法を示す第１から第４の工程図である。【００４１】
図５を参照して、プローブ１０の製造が開始されると、ランガサイトの単結晶の塊から四角柱の形状を有するランガサイトを切り出し、振動子１を作製する（工程（ａ））。この場合、長さ方向が［１００］の方向になるようにランガサイトを切り出す。【００４２】
そして、Ｏリング３１を振動子１の略中央部に装着し（工程（ｂ））、ドーナツ形状を有する固定具３２をＯリング３１の周囲に装着する（工程（ｃ））。【００４３】
その後、薄い球片（厚さ約０．３ｍｍ）のチップ２を作製し、その作製したチップ２を振動子１の一方端に接着剤によって接着する。また、振動子１の他方端側を中空の円柱形状からなる支持部材７の中へ入れ、保持部材３（Ｏリング３１および固定具３２）を接着剤によって支持部材７に接着する。更に、磁石８を接着剤によって支持部材７に接着する（工程（ｄ））。このように、磁石８は、Ｏリング３１を支持する支持部材７に接着される。【００４４】
引き続いて、アンテナ４〜６を固定具３２の周囲に１回だけ巻回する（工程（ｅ））。【００４５】
図６を参照して、工程（ｅ）の後、振動子１、チップ２、保持部材３、アンテナ４〜６の一部、支持部材７および磁石８を容器２０の中に入れ（工程（ｆ））、アクリルからなる樹脂を容器２０内に充填する。そして、充填した樹脂を乾燥する。これによって、保持部材３、アンテナ４〜６の一部、支持部材７および磁石８に接して円柱形状に成形された樹脂部材９が作製される（工程（ｇ））。【００４６】
その後、振動子１、チップ２、保持部材３、アンテナ４〜６、支持部材７、磁石８および樹脂部材９をケース１１内に装着する（工程（ｈ））。【００４７】
図７を参照して、工程（ｈ）の後、ケース１１に穴を開け、その開けた穴にアンテナ４〜６を通してアンテナ４〜６をケース１１外へ取り出す（工程（ｉ））。【００４８】
そして、天板１２を接着剤によってケース１１に接着する（工程（ｊ））。その後、射出形成によってケース１４を作製する（工程（ｋ））。ケース１４は、凹部１４１，１４２を有する。凹部１４１は、略正方形の平面形状を有し、凹部１４２は、略円形の平面形状を有する。【００４９】
図８を参照して、工程（ｋ）の後、磁石１３をケース１４の凹部１４１内に装着する（工程（ｌ））。【００５０】
そして、ケース１４に穴を開け、その開けた穴にアンテナ４〜６を通すとともに、ケース１１の一部および天板１２を凹部１４２内に入れ、ケース１１の一部および天板１２をケース１４に装着する。これによって、プローブ１０が完成する（工程（ｍ））。【００５１】
図９は、図１に示すプローブ１０の動作を説明するための概念図である。図９の（ａ）を参照して、磁石１３は、磁石８と同じ極性を有するため、磁石８，１３間には、斥力が作用する。そして、プローブ１０は、被測定物３０に接触していないので、樹脂部材９は、磁石８が磁石１３から受ける斥力ＲＦによってケース１１の開口部１１１の方向へ押され、樹脂部材９の底面９Ａは、ケース１１に接触している。また、振動子１の一方端およびチップ２は、ケース１１の外部へ出ている。【００５２】
一方、プローブ１０を被測定物３０の上面３０Ａに接触させた場合、プローブ１０に印加される重力Ｇと斥力ＲＦとの合計の力Ｆａｌｌで被測定物３０を押すことになる。但し、斥力ＲＦは、重力Ｇよりも十分に大きいため、重力の影響は、殆ど、力Ｆａｌｌに関与しない。力Ｆａｌｌにより、振動子１、チップ２、保持部材３、アンテナ４〜６、支持部材７、磁石８および樹脂部材９は、被測定物３０から力Ｆａｌｌと同じ大きさの力Ｆｒｅｖを斥力ＲＦと反対方向へ受ける。その結果、振動子１、チップ２、保持部材３、アンテナ４〜６、支持部材７、磁石８および樹脂部材９は、斥力ＲＦと反対方向へδだけ移動する（図９の（ｂ）参照）。この移動した距離δは、振動子１およびチップ２を押し込む押し込み量に相当する。【００５３】
図９においては、被測定物３０が水平面内に配置されており、プローブ１０を被測定物３０の上面３０Ａに接触させた場合について示した。しかし、被測定物３０が鉛直方向に対して任意の角度を有するように配置された場合においても、プローブ１０は、ケース１１の底面１１Ａが被測定物３０に接触するまで斥力ＲＦにより被測定物３０の方向へ押される。重力Ｇは、斥力ＲＦよりも十分に小さいため、この場合も、同じ力でチップ２を被測定物３０へ押し込むことができる。このように、磁石１３は、磁石８に作用する斥力ＲＦが同じになる所望の距離だけ磁石８から離れた位置に配置されている。その結果、振動子１、チップ２、保持部材３、アンテナ４〜６、支持部材７、磁石８および樹脂部材９は、斥力ＲＦと反対方向へδだけ移動する。【００５４】
このように、この発明の実施の形態においては、振動子１がＯリング３１によって保持されているため、プローブ１０が被測定物３０に押し付けられても、振動子１は、被測定物３０の面内方向へ移動することはなく、振動子１、チップ２、保持部材３、アンテナ４〜６、支持部材７、磁石８および樹脂部材９は、斥力ＲＦと反対方向へδだけ移動する。従って、被測定物３０が鉛直方向と任意の角度を成すように配置されていても、押し込み量を一定に保持できる。【００５５】
プローブ１０を用いて被測定物３０のヤング率を測定する方法について説明する。【００５６】
振動子１は、上述したように、ランガサイトからなり、ランガサイトは、三方晶系の結晶構造を有し、独立な６個の弾性定数Ｃ１１，Ｃ１２，Ｃ１３，Ｃ１４，Ｃ３３，Ｃ４４、２つの圧電定数ｅ１１，ｅ１４、および２つの誘電率ε１１，ε３３を有する。【００５７】
ランガサイトの弾性定数Ｃ１１，Ｃ１２，Ｃ１３，Ｃ１４，Ｃ３３，Ｃ４４、圧電定数ｅ１１，ｅ１４、誘電率ε１１，ε３３および密度ρを表１に示す。【００５８】
【表１】
2012153739.tif 000003
【００５９】
なお、表１において、弾性定数Ｃ１１，Ｃ１２，Ｃ１３，Ｃ１４，Ｃ３３，Ｃ４４の単位は、［ＧＰａ］であり、圧電定数ｅ１１，ｅ１４の単位は、［Ｃ／ｍ２］であり、誘電率ε１１，ε３３の単位は、［１０−２２Ｆ／ｍ２］であり、密度ρの単位は、［ｋｇ／ｍ２］である。【００６０】
図１０および図１１は、それぞれ、振動子１の振動をモデル化するための第１および第２の概念図である。【００６１】
振動の減衰がないものと仮定し、振動子１は、縦振動と十分に仮定できる程の細長い構造からなると仮定する。 【００６２】
空間軸として、図１０の（ａ）に示すように、振動子１の長手方向をＺ軸とし、振動子１の長さをＬとし、Ｚ軸方向のヤング率をＥとし、振動子１の断面積をＡとし、振動子１の密度をρとし、位置Ｚ＝ＺにおけるＺ方向の変異をｕｚ＝ｕ（ｚ，ｔ）とする。この場合、振動子１の振動の運動方程式は、次式によって表される。【００６３】
【数１】
2012153739.tif 000004
【００６４】
そして、式（１）の一般解は、次式によって表される。【００６５】
【数２】
2012153739.tif 000005
【００６６】
なお、式（２）において、ωは、振動子１の角振動数であり、ｋは、振動の波数であり、Ｃ１およびＣ２は、定数である。【００６７】
角振動数と波数とは、振動数ｆと音速ｖとを用いて次式によって表される。【００６８】
【数３】
2012153739.tif 000006
【００６９】
式（３）において、ρは、振動子１の密度であり、Ｅは、振動子１のヤングの弾性率である。【００７０】
次に、図１０の（ｂ）に示すように、振動子１が被測定物３０に接触した状態を考える。ここで、バネ定数Ｋは、チップ２と被測定物３０との間の接触剛性を表す。この場合、境界条件は、Ｚ＝０でσ（０）＝０であり、一方、Ｚ＝Ｌでは、バネの復元力を考慮して、図１１に示すように、振動子１の内部に発生する圧縮応力σとバネの弾性力とがつり合う。これによって、Ｚ＝Ｌでは、Ａσ＋Ｋｕｚ＝０が成立する。これらの条件から次式が導かれる。【００７１】
【数４】
2012153739.tif 000007
【００７２】
以上を代入して計算すると、次式が得られる。 【００７３】
【数５】
2012153739.tif 000008
【００７４】
なお、式（５）において、Ｋｏｓｃは、振動子１の縦方向の静荷重におけるバネ定数に相当する。従って、式（５）の右辺は、振動子１の剛性と接触剛性との比を表し、プローブ１０の感度を上昇させるためには、右辺の値を大きく、即ち、Ｋｏｓｃ＝ＥＡ／Ｌを小さくすればよい。そのために、振動子１の長手方向のヤング率Ｅが小さくなるように結晶方位を決定する。【００７５】
ここで、接触剛性Ｋは、Hertzの接触理論（非特許文献１，２参照）により、次式によって表される。【００７６】
【数６】
2012153739.tif 000009
【００７７】
式（６）において、Ｆは、バイアス力であり、Ｒは、チップ２の半径であり、Ｅ＊は、有効ヤング率である。【００７８】
また、有効ヤング率Ｅ＊は、次式によって表される。【００７９】
【数７】
2012153739.tif 000010
【００８０】
式（７）において、Ｅｓｐｅは、被測定物３０のヤング率であり、Ｅｔｉｐは、チップ２のヤング率であり、νｓｐｅは、被測定物３０のポアソン比であり、νｔｉｐは、チップ２のポアソン比である。【００８１】
従って、式（５）の左辺は、式（３）より共振周波数を含み、式（５）の右辺は、式（６），（７）より被測定物３０のヤング率Ｅｓｐｅを含む。よって、振動子１の共振周波数ｆを測定することによって、被測定物３０のヤング率Ｅｓｐｅを求めることができる。【００８２】
即ち、バイアス力Ｆ、チップ２の半径、振動子１の長さＬ、波数ｋ、被測定物３０のポアソン比νｓｐｅ、およびチップ２のポアソン比νｔｉｐは、既知であるので、共振周波数ｆ＝ｆｏｓｃを後述する方法によって求めることによって、被測定物３０のヤング率Ｅｓｐｅを算出できる。【００８３】
図１２は、この発明の実施の形態による弾性定数測定装置の構成図である。図１２を参照して、この発明の実施の形態による弾性定数測定装置１００は、プローブ１０と、電圧源４０と、検出器５０とを備える。【００８４】
プローブ１０については、上述したとおりである。電圧源４０は、プローブ１０のアンテナ５の他方端に接続される。また、電圧源４０は、例えば、シンセサイザー（ＮＦ回路設計ブロック、ＷＦ１９７４）からなる。そして、電圧源４０は、振動子１を振動させたい周波数成分ｆ（約０．１ＭＨｚ）を有する電圧Ｖｖのバースト波（約１０ｍｓ）をアンテナ５に送信するとともに、トリガー信号を検出器５０へ出力する。この場合、電圧Ｖｖは、例えば、最大値と最小値との差が５０Ｖである電圧からなる。【００８５】
検出器５０は、アンテナ６の他方端に接続され、例えば、デジタイザー（National Instruments, NIUSB-5133）からなる。また、検出器５０は、電圧源４０からトリガー信号を受ける。そして、検出器５０は、トリガー信号の立ち上がりから一定後（例えば、１０μｓ）に、振動子１が振動したことに伴って発生した分極電場の受信信号をアンテナ６から受ける。その後、検出器５０は、その受けた受信信号をフーリエ変換し、振動周波数ｆに対応する振幅Ａを求める。【００８６】
検出器５０は、振動周波数ｆが変えられたときの振動周波数ｆと振幅Ａとの関係に基づいて、振動子１の共振周波数ｆｏｓｃを求め、共振周波数ｆｏｓｃ、および式（３），（５）〜（７）を用いて被測定物３０のヤング率Ｅｓｐｅを算出する。【００８７】
フーリエ変換の詳細は、次のとおりである。検出器５０のレコード長を２５００（Sampling）とし、サンプルレートを２．０×１０５（Sampling/s）とする。そして、検出器５０は、アンテナ６から受けた受信信号の波形と周波数ｆとに合わせて三角関数（ｃｏｓ（２πｆ・ｔ），ｓｉｎ（２πｆ・ｔ））のデジタルデータを作成し、その作成した三角関数を積算してフーリエ変換を行う。より具体的には、検出器５０は、次の方法によってフーリエ変換を行う。【００８８】
受信信号の波形をｆ（ｔ）とすると、検出器５０は、次式によって三角関数を積分する。【００８９】
【数８】
2012153739.tif 000011
【００９０】
実際には、積算の区間は、有限区間であり、受信信号は、デジタル信号であるので、検出器５０は、次式によって三角関数を積分してＩ１とＩ２とを取得する。【００９１】
【数９】
2012153739.tif 000012
【００９２】
そして、検出器５０は、次式によって振幅Ａを求める。【００９３】
【数１０】
2012153739.tif 000013
【００９４】
図１３は、バースト波およびトリガー信号のタイミングチャートである。図１３を参照して、バースト波ＢＷ１，ＢＷ２の各々は、例えば、１０００サイクル数および１０ｍｓの長さを有する。また、バースト波ＢＷ１，ＢＷ２の各々は、最大値と最小値との差が５０Ｖであり、振動子１を振動させたい周波数ｆ（＝０．１ＭＨｚ）を有する。更に、バースト波ＢＷ１とバースト波ＢＷ２との間隔ｄは、例えば、１０ｍｓである。【００９５】
トリガー信号ＴＲＧは、バースト波ＢＷ１の立上りであるタイミングｔ１でＬ（論理ロー）レベルになり、バースト波ＢＷ１の立下りであるタイミングｔ２でＨ（論理ハイ）レベルになり、バースト波ＢＷ２の立上りであるタイミングｔ３でＬレベルになり、バースト波ＢＷ２の立下りであるタイミングｔ４でＨレベルになる。そして、検出器５０は、タイミングｔ２からタイミングｔ３までの間にアンテナ６から受信信号を受ける。従って、検出器５０は、バースト波ＢＷ１が振動子１に印加されたタイミングｔ１から一定後のタイミングｔ２で受信信号をアンテナ６から受け始める。【００９６】
図１４は、ヤング率の測定方法を説明するためのフローチャートである。なお、以下においては、プローブ１０が被測定物３０に押し付けられ、チップ２が被測定物３０に接触していることを前提としてヤング率の測定方法を説明する。【００９７】
図１４を参照して、ヤング率の測定が開始されると、周波数の測定範囲、周波数を変える間隔、バースト波のマーク数、およびバースト波の間隔が電圧源４０に設定される（ステップＳ１）。【００９８】
そして、電圧源４０は、周波数の測定範囲内において、振動子１を振動させたい周波数成分を決定し、その決定した周波数成分と、ステップＳ１において設定されたマーク数とを有する電圧Ｖｖからなるバースト波を生成し、その生成したバースト波を、ステップＳ１において設定されたバースト波の間隔でアンテナ５へ送信する。また、電圧源４０は、同時に、トリガー信号ＴＲＧを検出器５０へ出力する（ステップＳ２）。【００９９】
そうすると、アンテナ５は、アンテナ４と協働して電圧Ｖｖを振動子１に印加し、振動電場が振動子１に発生する。その結果、その発生した振動電場によって圧電現象が振動子１に起こり、振動子１が振動する（ステップＳ３）。【０１００】
アンテナ６は、アンテナ４と協働して、振動子１の振動に伴って発生した分極電場を電圧として検出する（ステップＳ４）。【０１０１】
そして、検出器５０は、アンテナ６から受信信号（＝電圧）を受ける（ステップＳ５）。この場合、検出器５０は、図１３に示すタイミングｔ２からタイミングｔ３までの間で受信信号をアンテナ６から受ける。【０１０２】
その後、検出器５０は、上述した方法によって、受信信号をフーリエ変換し、振動周波数ｆに対する振幅Ａを求める（ステップＳ６）。【０１０３】
そうすると、電圧源４０は、測定範囲内の全てで周波数ｆを変えたか否かを判定する（ステップＳ７）。【０１０４】
ステップＳ７において、測定範囲内の全てで周波数ｆを変えていないと判定されたとき、電圧源４０は、測定範囲内で周波数ｆを変更する（ステップＳ８）。この場合、電圧源４０は、ステップＳ１において設定された、周波数を変える間隔を元の周波数に加算することによって周波数ｆを変更する。【０１０５】
その後、一連の動作は、ステップＳ２へ戻り、ステップＳ７において、測定範囲内の全てで周波数ｆを変えたと判定されるまで、上述したステップＳ２〜ステップＳ８が繰り返し実行される。【０１０６】
そして、ステップＳ７において、測定範囲内の全てで周波数ｆを変えたと判定されると、検出器５０は、周波数ｆと振幅Ａとの関係をプロットし、振幅Ａが最大である周波数を共振周波数ｆｏｓｃとして検出する（ステップＳ９）。【０１０７】
その後、検出器５０は、その検出した共振周波数ｆｏｓｃおよび式（３），（５）〜（７）を用いて被測定物３０のヤング率Ｅｓｐｅを算出する（ステップＳ１０）。これによって、ヤング率の測定が終了する。【０１０８】
図１５は、振幅と周波数との関係を示す図である。図１５の（ａ），（ｂ）において、縦軸は、振幅を表し、横軸は、周波数を表す。【０１０９】
また、曲線ｋ１は、この発明の実施の形態によるプローブ１０の振動子１にＯリングを装着した場合における振幅と周波数との関係を示し、曲線ｋ２は、特許文献１に開示された弾性定数測定装置の振動子にＯリングを装着した場合における振幅と周波数との関係を示す。【０１１０】
更に、曲線ｋ３は、この発明の実施の形態によるプローブ１０の振動子１にＯリングを装着しない場合における振幅と周波数との関係を示し、曲線ｋ４は、特許文献１に開示された弾性定数測定装置の振動子にＯリングを装着しない場合における振幅と周波数との関係を示す。【０１１１】
図１５を参照して、振動子１にＯリングを装着した場合も、装着しない場合も、プローブ１０の振動子１の振動は、１つの周波数においてピークを有する（曲線ｋ１，ｋ３参照）。これに対し、特許文献１に開示された振動子の振動は、複数の周波数においてピークを有する（曲線ｋ２，ｋ４参照）。特に、Ｏリングを装着した場合、特許文献１に開示された振動子の振動は、０．１１１（ＭＨｚ）を中心として複数の周波数においてピークを有する（曲線ｋ２参照）。【０１１２】
共振周波数の測定時における入力電圧、積分区間長およびバースト波の長さを表２に示す。また、共振周波数およびＱ値を表３に示す。【０１１３】
【表２】
2012153739.tif 000014
【０１１４】
【表３】
2012153739.tif 000015
【０１１５】
本発明においては、入力電圧は、１０Ｖ（最大値と最小値との差）であり、積分区間長が１２．５ｍｓであり、バースト波の長さが１０ｍｓである。一方、従来例（特許文献１）においては、入力電圧は、２００Ｖ（最大値と最小値との差）であり、積分区間長が０．４ｍｓであり、バースト波の長さが０．２ｍｓである。【０１１６】
このように、本発明では、積分区間長およびバースト波の長さを従来よりも大幅に長くし、入力電圧を大幅に小さくしている。【０１１７】
また、表３に示すように、本発明において、Ｑ値は、振動子１にＯリングを装着しない場合、１８５５であり、Ｏリングを装着した場合、１５８７である。一方、従来例（特許文献１）において、Ｑ値は、振動子にＯリングを装着しない場合、４９６．５であり、Ｏリングを装着した場合、２８３．３である。【０１１８】
このように、従来例においては、バースト波の長さが０．２ｍｓと短いため、十分に共振状態を作ることができず、大きな電圧（〜２００Ｖ）を使用しても信号強度は、大きくならない。【０１１９】
一方、本発明においては、振動子１が振動し易いので、バースト波の長さを１０ｍｓと長くすることができるため、低い電圧（１０Ｖ）でも、高いＱ値を得ることができた。【０１２０】
ランガサイトからなる振動子の振動を単純な棒の一次元縦振動であると想定して、プローブ１０を用いて得られた共振周波数ｆｏｓｃからヤング率を算出すると、１１３．５１ＧＰａであった。【０１２１】
ランガサイトの弾性定数から求めた［１００］方向のヤング率は、１１４．０３ＧＰａであり、実測値（＝１１３．５１ＧＰａ）との差は、０．４％程度であり、十分に小さい。従って、上述したヤング率を求める方法は、ヤング率の測定に好適である。【０１２２】
図１６は、測定されたヤング率と、報告されているヤング率との関係を示す図である。【０１２３】
図１６において、縦軸は、上述した方法によって測定されたヤング率（＝測定値）を表し、横軸は、報告されているヤング率（＝報告値）を表す。また、チップ２の半径は、２ｍｍであり、バイアス力Ｆは、０．４５５Ｎである。更に、振動子１を構成するランガサイトは、結晶のＸ軸方向が長手方向に一致し、サイズは、２ｍｍ×２ｍｍ×２０ｍｍである。【０１２４】
図１６を参照して、測定値は、報告値と良い一致を示す。また、図１６に示す直線は、測定値が報告値と１対１に対応することを表す。【０１２５】
このように、この発明の実施の形態によるプローブ１０を用いることによって、被測定物３０のヤング率をフィッティングパラメータを一切用いずに被測定物３０に触れるだけで正確に求めることができる。【０１２６】
上記においては、検出器５０は、振動子１の共振周波数を検出し、その検出した共振周波数に基づいて被測定物３０のヤング率を算出すると説明したが、この発明の実施の形態においては、これに限らず、検出器５０は、振動子１の共振周波数を有するピークの半値幅ＦＷＨＭを検出してもよい。この場合、検出器５０は、図１５の曲線ｋ１，ｋ３によって示されるピークの半値幅ＦＷＨＭを検出する。【０１２７】
また、検出器５０は、振動子１が減衰するときの減衰定数αを検出してもよい。図１７は、振動子１の減衰特性を示す図である。検出器５０は、図１３に示すタイミングｔ２からタイミングｔ３までの間にアンテナ６から受信信号を受ける。タイミングｔ２からタイミングｔ３までの間、バースト波が振動子１に印加されていないため、振動子１の振動は、図１７に示す振動曲線ＤＣＹのように減衰する。【０１２８】
そこで、検出器５０は、振動曲線ＤＣＹを検出し、その検出した振動曲線ＤＣＹの包絡線ＥＶＬを検出する。包絡線ＥＶＬは、通常、ｅ−αｔ（α：減衰定数、ｔ：時間）に表される。【０１２９】
従って、検出器５０は、包絡線ＥＶＬを検出すると、その検出した包絡線ＥＶＬをｅ−αｔによってフィッティングし、減衰定数αを検出する。【０１３０】
図１８は、被測定物３０の具体例を示す断面図である。図１８を参照して、被測定物３０は、本体部３０１と、コーティング層３０２とを含む。コーティング層３０２は、本体部３０１の表面３０１Ａを覆うように本体部３０１上に配置されている。そして、剥離部３０３，３０４が本体部３０１とコーティング層３０２との間に形成されている。【０１３１】
このような被測定物３０のコーティング層３０２の表面３０２Ａにプローブ１０のチップ２を接触させて振動子１の減衰定数αｈを検出する。ここで、剥離部３０３，３０４が形成されていないときの振動子１の減衰定数をα０とすると、減衰定数αｈは、減衰定数α０よりも大きくなる。その理由は、次のとおりである。【０１３２】
プローブ１０のチップ２をコーティング層３０２の表面３０２Ａに接触させて振動子１を振動させた場合、振動子１の振動がコーティング層３０２に伝搬し、コーティング層３０２も振動するが、剥離部３０３，３０４は、コーティング層３０２の振動を吸収するので、コーティング層３０２の振動が減衰し易くなる。その結果、振動子１の振動も減衰し易くなり、被測定物３０に剥離部３０３，３０４が形成されている場合の振動子１の減衰定数αｈは、剥離部３０３，３０４が形成されていない場合の減衰定数α０よりも大きくなるからである。【０１３３】
従って、検出器５０が上述した方法によって振動子１の減衰定数αを測定することによって、被測定物３０に剥離部３０３，３０４（＝欠陥）が形成されているか否かを検出できる。この場合、検出器５０は、検出した減衰定数αが減衰定数α０よりも大きければ、剥離部３０３，３０４が形成されていることを検出し、検出した減衰定数αが減衰定数α０に略等しければ、剥離部３０３，３０４が形成されていないことを検出する。【０１３４】
また、剥離部３０３，３０４が形成されている場合の共振周波数を有するピークの半値幅ＦＷＨＭｈは、剥離部３０３，３０４が形成されていない場合の共振周波数を有するピークの半値幅ＦＷＨＭ０よりも大きくなる。その理由は、剥離部３０３，３０４が形成されている場合の振動子１の減衰定数αｈが、剥離部３０３，３０４が形成されていない場合の減衰定数α０よりも大きくなる理由と同じである。【０１３５】
従って、検出器５０が共振周波数を有するピークの半値幅ＦＷＨＭを検出することによっても、被測定物３０に剥離部３０３，３０４（＝欠陥）が形成されているか否かを検出できる。この場合、剥離部３０３，３０４が形成されていない場合の半値幅をＦＷＨＭ０とすると、検出器５０は、検出した半値幅ＦＷＨＭが半値幅ＦＷＨＭ０よりも大きければ、剥離部３０３，３０４が形成されていることを検出し、検出した半値幅ＦＷＨＭが半値幅ＦＷＨＭ０に略等しければ、剥離部３０３，３０４が形成されていないことを検出する。【０１３６】
このように、共振周波数を有するピークの半値幅ＦＷＨＭ、または振動子１の減衰定数αを検出することによって、被測定物３０における欠陥の有無を検出できる。【０１３７】
検出器５０が複数種類の被測定物３０の減衰定数αを検出する場合、減衰定数αの大小を比較することによって目的に適合する被測定物３０を選択することができる。【０１３８】
例えば、防振または防音を目的とする場合、減衰定数αがより大きい被測定物３０を選択すればよい。また、携帯電話機の共振デバイスに用いる材料を選択する場合、減衰定数αがより小さい被測定物３０を選択すればよい。【０１３９】
また、被測定物３０が破断する場合、その破断の直前に減衰定数αが急激に大きくなるタイミングがあるので、被測定物３０の減衰定数αの経時変化を測定し、減衰定数αが急激に大きくなれば、被測定物３０が破断する虞があると判定し、その被測定物３０を交換するようにしてもよい。例えば、飛行機では、翼と本体との境界に最も荷重が印加され、翼の付け根が最も破断し易いので、翼の付け根の部分における減衰定数αの経時変化をプローブ１０を用いて測定し、減衰定数αが急激に大きくなれば、翼が破断すると判定し、翼を交換する。【０１４０】
このように、プローブ１０は、被測定物３０のヤング率の計測のみならず、被測定物３０の欠陥の検出、材料選択および非破壊検査等に使用可能である。【０１４１】
図１９は、共振周波数を有するピークの半値幅を用いて欠陥を検出するときの動作を説明するためのフローチャートである。なお、図１９においては、検出器５０は、欠陥（剥離部３０３，３０４）が被測定物３０に形成されていないときの共振周波数を有するピークの半値幅ＦＷＨＭ０を予め保持していることを前提として欠陥を検出する動作を説明する。【０１４２】
図１９に示すフローチャートは、図１４に示すフローチャートのステップＳ１０をステップＳ１１〜ステップＳ１４に代えたものであり、その他は、図１４に示すフローチャートと同じである。【０１４３】
図１９を参照して、欠陥を検出する動作が開始されると、上述したステップＳ１〜ステップＳ９が順次実行される。そして、ステップＳ９の後、検出器５０は、共振周波数ｆｏｓｃを有するピークの半値幅ＦＷＨＭを検出する（ステップＳ１１）。【０１４４】
その後、検出器５０は、半値幅ＦＷＨＭが半値幅ＦＷＨＭ０よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ１２）。【０１４５】
ステップＳ１２において、半値幅ＦＷＨＭが半値幅ＦＷＨＭ０よりも大きいと判定されたとき、検出器５０は、被測定物３０に欠陥が形成されていることを検出する（ステップＳ１３）。【０１４６】
一方、ステップＳ１２において、半値幅ＦＷＨＭが半値幅ＦＷＨＭ０よりも大きくないと判定されたたとき（即ち、半値幅ＦＷＨＭが半値幅ＦＷＨＭ０に略等しいと判定されたとき）、検出器５０は、被測定物３０に欠陥が形成されていないことを検出する（ステップＳ１４）。【０１４７】
そして、ステップＳ１３またはステップＳ１４の後、欠陥を検出する動作が終了する。【０１４８】
図２０は、減衰定数を用いて欠陥を検出するときの動作を説明するためのフローチャートである。なお、図２０においては、検出器５０は、欠陥（剥離部３０３，３０４）が被測定物３０に形成されていないときの減衰定数α０を予め保持していることを前提として欠陥を検出する動作を説明する。【０１４９】
図２０に示すフローチャートは、図１４に示すフローチャートのステップＳ６〜ステップＳ１０をステップＳ１５〜ステップＳ１９に代えたものであり、その他は、図１４に示すフローチャートと同じである。【０１５０】
図２０を参照して、欠陥を検出する動作が開始されると、上述したステップＳ１〜ステップＳ５が順次実行される。そして、ステップＳ５の後、検出器５０は、アンテナ６から受けた受信信号（＝減衰曲線ＤＣＹ）の包絡線ＥＶＬを検出する（ステップＳ１５）。【０１５１】
その後、検出器５０は、その検出した包絡線ＥＶＬをｅ−αｔによってフィッティングし、減衰定数αを検出する（ステップＳ１６）。【０１５２】
そして、検出器５０は、減衰定数αが減衰定数α０よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ１７）。【０１５３】
ステップＳ１７において、減衰定数αが減衰定数α０よりも大きいと判定されたとき、検出器５０は、被測定物３０に欠陥が形成されていることを検出する（ステップＳ１８）。【０１５４】
一方、ステップＳ１７において、減衰定数αが減衰定数α０よりも大きくないと判定されたとき（即ち、減衰定数αが減衰定数α０に略等しいと判定されたとき）、検出器５０は、被測定物３０に欠陥が形成されていないことを検出する（ステップＳ１９）。【０１５５】
そして、ステップＳ１８またはステップＳ１９の後、欠陥を検出する動作が終了する。【０１５６】
この発明の実施の形態においては、電圧源４０は、共振周波数の半分の周波数を有するバースト波ＢＷｈを励起電圧としてアンテナ５に送信してもよい。この場合、バースト波ＢＷｈは、例えば、５０ｋＨｚの周波数を有するｓｉｎ波からなる。【０１５７】
図２１は、被測定物３０に欠陥が形成されている場合のバースト波ＢＷｈおよび欠陥の変位を示す概念図である。また、図２２は、振幅と周波数との関係を示す図である。【０１５８】
図２１を参照して、電圧源４０は、ｓｉｎ波からなるバースト波ＢＷｈをアンテナ５に送信する。この場合、バースト波ＢＷｈの成分ＳＳ１は、振動子１を被測定物３０側へ移動させる成分であり、成分ＳＳ２は、振動子１を被測定物３０側と反対側へ移動させる成分である。【０１５９】
プローブ１０のチップ２を被測定物３０に接触させた状態でバースト波ＢＷｈによって振動子１の振動を励起した場合、振動子１は、共振しないが、強制振動するので、その強制振動が被測定物３０に伝搬される。そして、被測定物３０の剥離部３０３，３０４は、成分ＳＳ１がアンテナ５に送信される周期では、変位せず、成分ＳＳ２がアンテナ５に送信される周期で変位する。従って、剥離部３０３，３０４は、周期的に変位し、チップ２と被測定物３０との接触部から倍波（＝共振周波数を有する波）が発生する。そうすると、その発生した倍波が振動子１に伝搬され、振動子１は、倍波で共振する。【０１６０】
その結果、検出器５０は、アンテナ６によって受信された受信電圧に基づいて共振周波数ｆｏｓｃを検出する（図２２参照）。【０１６１】
剥離部３０３，３０４が被測定物３０に形成されていない場合に、バースト波ＢＷｈによって振動子１の振動を励起しても、振動子１は、倍波で共振しないので、検出器５０は、共振周波数ｆｏｓｃを検出しない。【０１６２】
従って、検出器５０は、共振周波数ｆｏｓｃの半分の周波数を有するバースト波ＢＷｈによって振動子１の振動を励起した場合に、共振周波数ｆｏｓｃを検出すれば、被測定物３０に剥離部３０３，３０４が形成されていることを検出し、共振周波数ｆｏｓｃを検出しなければ、被測定物３０に剥離部３０３，３０４が形成されていないことを検出する。【０１６３】
なお、バースト波ＢＷｈの周波数は、共振周波数の半分の周波数に限らず、共振周波数の１／３倍の周波数、および共振周波数の１／４倍の周波数等であってもよく、一般的には、共振周波数の１／ｎ（ｎは２以上の整数）倍の周波数であってもよい。この場合も、検出器５０は、共振周波数ｆｏｓｃを検出すれば、被測定物３０に剥離部３０３，３０４が形成されていることを検出し、共振周波数ｆｏｓｃを検出しなければ、被測定物３０に剥離部３０３，３０４が形成されていないことを検出する。【０１６４】
また、バースト波ＢＷｈの周波数は、共振周波数の２倍の周波数、および共振周波数の３倍の周波数等であってもよく、一般的には、共振周波数のｎ倍の周波数であってもよい。この場合、振動子１は、上述した機構によって、１／ｎ倍波で共振する。従って、検出器５０は、振動子１の振動が共振周波数のｎ倍の周波数を有するバースト波ＢＷｈによって励起された場合も、共振周波数ｆｏｓｃを検出すれば、被測定物３０に剥離部３０３，３０４が形成されていることを検出し、共振周波数ｆｏｓｃを検出しなければ、被測定物３０に剥離部３０３，３０４が形成されていないことを検出する。【０１６５】
従って、この発明の実施の形態においては、倍波によって被測定物３０に欠陥が形成されているか否かを検出する場合、電圧源４０は、共振周波数のｎ倍の周波数を有するバースト波、または共振周波数の１／ｎ倍の周波数を有するバースト波を励起電圧としてアンテナ５に送信し、検出器５０は、共振周波数ｆｏｓｃを検出すれば、被測定物３０に剥離部３０３，３０４が形成されていることを検出し、共振周波数ｆｏｓｃを検出しなければ、被測定物３０に剥離部３０３，３０４が形成されていないことを検出する。【０１６６】
図２３は、倍波を用いて欠陥を検出する動作を説明するためのフローチャートである。図２３を参照して、欠陥を検出する動作が開始されると、検出器５０は、図１４に示すステップＳ１〜ステップＳ９に従って共振周波数ｆｏｓｃを検出する（ステップＳ２１）。【０１６７】
そして、電圧源４０は、振動子１の共振周波数ｆｏｓｃのｎ倍の周波数、または振動子１の共振周波数ｆｏｓｃの１／ｎ倍の周波数を有するバースト波ＢＷｈをアンテナ５に送信し、トリガー信号を検出器５０へ出力する（ステップＳ２２）。【０１６８】
その後、検出器５０は、アンテナ６から受信信号を受け（ステップＳ２３）、その受けた受信信号をフーリエ変換し、振動周波数に対応する振幅を求める（ステップＳ２４）。【０１６９】
引き続いて、検出器５０は、周波数ｆと振幅Ａとの関係をプロットする（ステップＳ２５）。【０１７０】
そして、検出器５０は、共振周波数の位置にピークが有るか否かを判定する（ステップＳ２６）。【０１７１】
ステップＳ２６において、共振周波数の位置にピークが有ると判定されたとき、検出器５０は、被測定物３０に欠陥が形成されていることを検出する（ステップＳ２７）。【０１７２】
一方、ステップＳ２６において、共振周波数の位置にピークが無いと判定されたとき、検出器５０は、被測定物３０に欠陥が形成されていないことを検出する（ステップＳ２８）。【０１７３】
そして、ステップＳ２７またはステップＳ２８の後、欠陥を検出する動作が終了する。【０１７４】
図２４は、この発明の実施の形態における他の振動子の断面図である。図２４の（ａ）を参照して、この発明の実施の形態によるプローブ１０は、振動子１に代えて振動子２１を備え、保持部材３に代えて保持部材３Ａを備えていてもよい。【０１７５】
振動子２１は、円形の断面形状を有するランガサイトまたは水晶からなる。そして、振動子２１は、例えば、３ｍｍの直径を有し、振動子１と同じ長さを有する。また、振動子２１は、ランガサイトからなる場合、結晶のＸ軸方向（＝［１００］の方向）が長手方向に一致する。【０１７６】
保持部材３Ａは、保持具３３と、固定具３４とからなる。保持具３３は、保持具３３１〜３３３からなり、保持具３３１〜３３３の各々は、例えば、ニトリルゴムからなる。そして、保持具３３１〜３３３は、振動子２１の長さ方向の略中央部において、相互に１２０度の角度を成す方向から振動子２１を保持する。この場合、保持具３３１〜３３３の各々は、振動子２１と点接触して振動子２１を保持する。固定具３４は、固定具３２と同じ材料からなり、ドーナツ形状を有する。そして、固定具３４は、保持具３３の周囲に配置され、保持具３３に接着される。【０１７７】
なお、プローブ１０が振動子２１を備える場合、樹脂部材９は、固定具３４の外周に接する。【０１７８】
図２４の（ｂ）を参照して、この発明の実施の形態によるプローブ１０は、振動子１に代えて振動子２２を備え、保持部材３に代えて保持部材３Ｂを備えていてもよい。【０１７９】
振動子２２は、正三角形の断面形状を有するランガサイトまたは水晶からなる。そして、正三角形の一辺の長さは、例えば、３ｍｍであり、振動子２２は、振動子１と同じ長さを有する。また、振動子２２は、ランガサイトからなる場合、結晶のＸ軸方向（＝［１００］の方向）が長手方向に一致する。【０１８０】
保持部材３Ｂは、Ｏリング３５と、固定具３６とからなる。Ｏリング３５は、例えば、ニトリルゴムからなり、振動子２２の長さ方向の略中央部において、振動子２２の三角形の３個の頂点に接し、振動子２２を保持する。固定具３６は、固定具３２と同じ材料からなり、ドーナツ形状を有する。そして、固定具３６は、Ｏリング３５の周囲に配置され、Ｏリング３５に接着される。【０１８１】
なお、プローブ１０が振動子２２を備える場合、樹脂部材９は、固定具３６の外周に接する。【０１８２】
このように、振動子２１は、最小の接触面積で保持具３３に接して保持具３３によって保持され、振動子２２は、最小の接触面積でＯリング３５に接してＯリング３５によって保持される。【０１８３】
プローブ１０が振動子２１または振動子２２を備える場合、振動子２１または振動子２２は、３点によって保持されるので、振動子１よりも自由に振動する。その結果、振動子２１または振動子２２が共振するときのＱ値が向上し、被測定物３０のヤング率を更に正確に測定できる。【０１８４】
プローブ１０が振動子２１または振動子２２を備える場合も、プローブ１０は、図５から図８に示す工程（ａ）〜工程（ｍ）に従って製造される。そして、工程（ｃ）において、保持具３３が振動子２１に装着されるとともに固定具３４が保持具３３に装着され、またはＯリング３５が振動子２２に装着されるとともに固定具３６がＯリング３５に装着される。また、工程（ｄ）において、支持部材７が固定具３４または固定具３６に装着される。更に、工程（ｅ）において、アンテナ４〜６が固定具３４または固定具３６の周囲に１回だけ巻回される。【０１８５】
なお、プローブ１０が振動子２１または振動子２２を備える場合も、共振周波数を有するピークの半値幅ＦＷＨＭまたは減衰定数αを検出することによって被測定物３０に欠陥が形成されているか否かを検出してもよい。【０１８６】
また、プローブ１０が振動子２１または振動子２２を備える場合も、共振周波数のｎ倍の周波数または共振周波数の１／ｎ倍の周波数を有するバースト波ＢＷｈによって振動子２１（または振動子２２）の振動を励起し、共振周波数ｆｏｓｃを検出するか否かによって被測定物３０に欠陥が形成されているか否かを検出してもよい。【０１８７】
振動子２１，２２を用いて上述した方法によって欠陥が被測定物３０に形成されているか否かを判定した場合、振動子２１，２２は、振動子１よりも振動し易いので、欠陥が被測定物３０に形成されているか否かを正確に判定できる。【０１８８】
図２５は、アンテナ４〜６の他の装着方法を示す断面図である。図２５を参照して、アンテナ４〜６は、Ｏリング３１と固定具３２との間に装着されてもよい。その結果、振動子１とアンテナ４〜６との距離が短くなり、振動子１は、アンテナ４〜６が固定具３２の外周に装着される場合よりも、より強い電圧Ｖｖをアンテナ５から受け、より振動し易くなる。また、アンテナ６は、振動子１が振動したことに伴って発生した分極電場を、より強い電圧として受信する。従って、被測定物３０のヤング率を更に正確に測定できる。また、欠陥が被測定物３０に形成されているか否かを更に正確に判定できる。【０１８９】
なお、プローブ１０が振動子２１を備える場合、アンテナ４〜６は、保持具３３と固定具３４との間に装着されてもよく、プローブ１０が振動子２２を備える場合、アンテナ４〜６は、Ｏリング３５と固定具３６との間に装着されてもよい。その結果、振動子２１または振動子２２のより自由な振動を確保できるとともに、振動子２１または振動子２２が振動したことに伴って発生した分極電場を、より強い電圧として受信できるので、被測定物３０のヤング率を更に正確に測定できる。また、欠陥が被測定物３０に形成されているか否かを更に正確に判定できる。【０１９０】
図２６は、振動子１の保持方法を示す断面図である。図２６の（ａ）を参照して、振動子１の振動の基本モードを用いて被測定物３０のヤング率を測定する場合、Ｏリング３１は、長さＬを有する振動子１の長さ方向において、振動子１の一方端からＬ／２の位置（振動子１の振動の基本モードにおける節部に相当する位置）で振動子１に装着される。即ち、Ｏリング３１は、振動子１の長さ方向において振動子１の略中央部に装着される。【０１９１】
図２６の（ｂ）を参照して、振動子１の振動の二次モードを用いて被測定物３０のヤング率を測定する場合、２つのＯリング３１Ａ，３１Ｂが振動子１に装着される。Ｏリング３１Ａ，３１Ｂの各々は、二トリルゴムからなる。そして、Ｏリング３１Ａは、長さＬを有する振動子１の長さ方向において、振動子１の一方端からＬ／４の位置（振動子１の振動の二次モードにおける節部に相当する位置）で振動子１に装着され、Ｏリング３１Ｂは、振動子１の長さ方向において、振動子１の他方端からＬ／４の位置（振動子１の振動の二次モードにおける節部に相当する位置）で振動子１に装着される。【０１９２】
なお、振動子２１または振動子２２が用いられる場合も、振動子２１または振動子２２は、振動子２１または振動子２２の長さ方向において、略中央部、または端からＬ／４の位置で保持される。【０１９３】
このように、この発明の実施の形態においては、振動子１，２１，２２の振動の基本モードおよび二次モードのいずれかを用いて被測定物３０のヤング率が測定される。また、この発明の実施の形態においては、振動子１，２１，２２の振動の基本モードおよび二次モードのいずれかを用いて、上述した方法によって被測定物３０に欠陥が形成されているか否かが検出される。【０１９４】
図２７は、振動子１の別の保持方法を示す断面図である。図２７の（ａ）を参照して、振動子１の一方端からＬ／２の位置において、振動子１の長さ方向に直交する平面形状（＝正方形）の四隅に切欠部１０１を形成する。切欠部１０１は、円弧状の断面形状を有する。【０１９５】
そして、振動子１をＯリング３１によって保持する場合、Ｏリング３１が切欠部１０１に嵌合するようにＯリング３１を振動子１に装着する（図２７の（ｂ）参照）。【０１９６】
振動子１をＯリング３１Ａ，３１Ｂによって支持する場合も、振動子１の一方端からＬ／４の位置、および振動子１の他方端からＬ／４の位置において振動子１の四隅に切欠部１０１を設け、Ｏリング３１Ａ，３１Ｂが切欠部１０１に嵌合するようにＯリング３１Ａ，３１Ｂを振動子１に装着する。振動子２２をＯリングによって支持する場合も同様である。【０１９７】
これによって、プローブ１０を用いて被測定物３０のヤング率を測定するとき、またはプローブ１０を用いて欠陥を検出するときの振動子１，２２の長さ方向への移動を正確に抑止できる。【０１９８】
図２８は、測定深さとチップの半径との関係を示す図である。図２８において、縦軸は、測定深さを表し、横軸は、チップの半径を表す。測定深さは、チップ２を被測定物３０に接触させてバースト波ＢＷ１，ＢＷ２（またはバースト波ＢＷｈ）によって振動子１の振動を励起した場合に振動が伝搬される被測定物３０の深さである。また、チップの半径は、球形のタングステンカーバイトを研磨して円弧状のチップを作製するときの元の球の半径である。【０１９９】
また、曲線ｋ５は、被測定物３０（＝アクリル樹脂）に印加するバイアス力が０．５Ｎであるときの測定深さとチップの半径との関係を示し、曲線ｋ６は、被測定物３０（＝銅）に印加するバイアス力が０．５Ｎであるときの測定深さとチップの半径との関係を示す。なお、曲線ｋ５，ｋ６によって示される測定深さとチップの半径との関係は、計算されたものである。【０２００】
図２８を参照して、被測定物３０に印加されるバイアス力が一定である場合、測定深さは、チップの半径が大きくなるとともに深くなる（曲線ｋ５，ｋ６参照）。【０２０１】
従って、プローブ１０のチップ２を接触させる被測定物３０の表面と反対側に被測定物３０と異なる材質の物体が被測定物３０に接触している場合、測定深さが被測定物３０の厚み以下になるようにチップの半径を決定し、その決定した半径を有するチップ２を作製して振動子１の端面に接着する。【０２０２】
これによって、被測定物３０に接触した物体の影響を排除して被測定物３０自体のヤング率を計測できる。また、被測定物３０に接触した物体の影響を排除して被測定物３０自体の欠陥を検出できる。更に、被測定物３０に接触した物体の影響を排除して被測定物３０自体の振動の減衰を検出できる。【０２０３】
図２８に示す測定深さとチップの半径との関係は、例示であっても、アクリル樹脂および銅以外の材料についても、同様に、測定深さは、チップの半径が大きくなるに従って深くなる。従って、各種の被測定物３０について、測定深さとチップの半径との関係を予め計算しておけば、各被測定物３０に応じて適切なチップの半径を決定できる。【０２０４】
そして、この発明の実施の形態においては、チップの半径は、０．５ｍｍ〜１０ｍｍの範囲に設定され、０．５ｍｍ〜１０ｍｍの範囲から被測定物３０に適切なチップの半径を決定してチップ２を作製する。【０２０５】
図２９は、複数のチップを振動子に装着した例を示す断面図である。図２９を参照して、チップ２Ａ，２Ｂの各々は、上述したチップ２と同じ材料からなる。そして、チップ２Ａの半径は、チップ２Ｂの半径よりも大きい。チップ２Ａは、振動子１の一方端の端面に接着され、チップ２Ｂは、振動子１の他方端の端面に接着される。【０２０６】
チップ２Ａ，２Ｂが接着された振動子１を用いる場合、チップ２Ａを被測定物３０に接触させて被測定物３０のヤング率等を測定した後、チップ２Ｂが被測定物３０に接触可能なように振動子１を保持部材３に保持し直し、チップ２Ｂを被測定物３０に接触させて被測定物３０のヤング率等を測定する。【０２０７】
これによって、同じ振動子１を用いて厚みが異なる２つの被測定物３０のヤング率等を測定できる。また、同じ振動子１を用いて１つの被測定物３０の深さ方向におけるヤング率の分布を測定できる。【０２０８】
図３０は、この発明の実施の形態による別のプローブの構成を示す断面図である。この発明の実施の形態によるプローブは、図３０に示すプローブ１０Ａであってもよい。【０２０９】
図３０を参照して、プローブ１０Ａは、図１に示すプローブ１０に針１７を追加したものであり、その他は、プローブ１０と同じである。【０２１０】
針１７は、ケース１１の底面１１Ａに固定される。針１７は、ケース１１の底面１１Ａ内において３個以上設けられる。少なくとも３個の針１７が設けられていれば、プローブ１０Ａを被測定物３０上に安定して配置できるからである。【０２１１】
針１７の直径は、プローブ１０Ａを被測定物３０上に配置した場合に、針１７が被測定物３０中に進入する直径に設定される。【０２１２】
針１７の長さは、被測定物３０の表面が平面である場合、プローブ１０Ａのケース１１の底面１１Ａが被測定物３０に接触可能な長さに設定される。また、針１７の長さは、被測定物３０が球形状である場合、針１７の先端が被測定物３０中に進入する長さに設定される。【０２１３】
このように、プローブ１０Ａを用いれば、チップ２が安定して被測定物３０に接触し、被測定物３０のヤング率等を正確に計測できる。【０２１４】
なお、プローブ１０Ａについてのその他の説明は、プローブ１０についての説明と同じである。【０２１５】
図３１は、図１に示すプローブ１０の応用例を示す概念図である。図３１を参照して、パーソナルコンピュータのマウス６０は、位置計測器７０を内蔵する。そして、プローブ１０は、マウス６０内に装着される。【０２１６】
位置計測器７０は、レーザマウスの原理によってマウス６０の位置を計測し、その計測した位置をパーソナルコンピュータのＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）へ出力する。【０２１７】
プローブ１０のアンテナ５は、電圧源４０に接続されており、アンテナ６は、パーソナルコンピュータのＣＰＵに接続されている。【０２１８】
マウス６０は、被測定物３０上に配置され、被測定物３０の各位置へ移動される。そして、位置計測器７０は、マウス６０の位置を計測し、その計測した位置をパーソナルコンピュータのＣＰＵへ出力する。また、プローブ１０の振動子１は、電圧源４０からアンテナ５を介して印加された電圧Ｖｖによって振動し、アンテナ６は、振動子１が振動することに伴って発生した分極電場を電圧として受信し、その受信した電圧（受信信号）をパーソナルコンピュータのＣＰＵへ出力する。【０２１９】
そうすると、パーソナルコンピュータのＣＰＵは、アンテナ６から受けた受信信号に基づいて、上述した方法によって被測定物３０のヤング率を算出し、その算出したヤング率を位置計測器７０から受けたマウス６０の位置に対応付けてメモリに記憶する。パーソナルコンピュータのＣＰＵは、被測定物３０の各位置におけるヤング率をマウス６０の各位置に対応付けてメモリに記憶する。【０２２０】
従って、被測定物３０のヤング率の分布を測定できる。【０２２１】
なお、プローブ１０がマウス６０内に配置される場合も、上述した各種の方法によって被測定物３０の欠陥を測定してもよく、上述した方法によって被測定物３０の非破壊検査を行なってもよい。【０２２２】
上述したように、振動子１，２１，２２は、振動子１，２１，２２の振動の節部に相当する位置において最小の接触面積でＯリング３１，３５または保持具３３によって保持される。また、振動子１，２１，２２は、同じ極性を有する磁石８，１３が発生する斥力ＲＦによって被測定物３０にバイアス力を印加する。その結果、振動子１，２１，２２は、自由に振動するとともに、被測定物３０が鉛直方向に対して任意の角度を成すように配置されていても、被測定物３０に印加されるバイアス力は、一定になる。【０２２３】
従って、振動子１，２１，２２の安定した振動を確保できるとともに、バイアス力を任意の方向から被測定物３０に印加して弾性定数を測定できる。【０２２４】
なお、この発明の実施の形態においては、Ｏリング３１，３５の各々は、「保持具」を構成する。また、この発明の実施の形態においては、磁石８は、「第１の磁石」を構成し、磁石１３は、「第２の磁石」を構成する。更に、アンテナ４は、「第１のアンテナ」を構成し、アンテナ５は、「第２のアンテナ」を構成し、アンテナ６は、「第３のアンテナ」を構成する。更に、アンテナ６から受けた受信電圧に基づいて振動子１の共振周波数が検出されたか否かを判定する検出器５０は、「判定器」を構成する。【０２２５】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【０２２６】
この発明は、プローブおよびそれを備えた測定装置に適用される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【国際調査報告】
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