(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
平行な対向する二端面を有する被測定物を液体中に浸漬し、この被測定物の二端面間の寸法を測定する装置であって、
被測定物に平面波を送信し、被測定物の表面に弾性表面波を生じさせるとともに、上記平面波の送信方向の被測定物表面への投影線が上記被測定物の対向する二端面に対して垂直方向とされた超音波送信器と、
被測定物の表面の所定点で反射した反射超音波と、被測定物の表面を伝播する弾性表面波が被測定物の対向する二端面で反射した後、上記所定点から放射される放射超音波とを受信する超音波受信器と、
上記反射超音波と放射超音波との受信時間差から被測定物の二端面間の寸法を求める手段と、を備えたことを特徴とする超音波寸法測定装置。
【請求項２】
平行な対向する二端面を有する被測定物を液体中に浸漬し、この被測定物の二端面間の寸法を測定する装置であって、
被測定物に平面波Ｕ１を送信し、被測定物の表面に弾性表面波Ｅ１を生じさせるとともに、上記平面波の送信方向の被測定物表面への投影線が上記被測定物の対向する二端面に対して垂直方向とされた超音波送信器と、
上記平面波Ｕ１の入射により、被測定物の表面を伝播する弾性表面波Ｅ１が被測定物の対向する二端面で反射した後、被測定物の表面の所定点から放射される放射超音波Ｕ３を受信する超音波受信器と、
上記平面波Ｕ１と放射超音波Ｕ３とから被測定物の二端面間の寸法を求める手段とを備え、
上記送信器から平面波Ｕ１を連続的に送信するとともに、送信する平面波Ｕ１の波長λを変化させて入射された弾性表面波Ｅ１と反射した弾性表面波Ｅ２とを干渉させ、最も強度の大きい放射超音波Ｕ３が発生するときの平面波Ｕ１の波長λから被測定物の二端面間の寸法を求めることを特徴とする超音波寸法測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は超音波を用いた寸法測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
セラミック基板などの表面に溝を加工したり、細幅にカットする場合、その溝と溝の間の幅やカット幅を高精度に測定する必要が生じることがある。従来ではこのような寸法測定を光学顕微鏡を用いて行なっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、光学顕微鏡では高精度な寸法測定は難しく、例えば１μｍ以下の寸法測定は不可能である。そのため、電子部品などの寸法測定では、その寸法に依存した電気特性をみることで良否を判定していたが、この方法では、寸法測定に手間がかかるため、加工中に寸法を測定して加工幅を修正することができなかった。
【０００４】
そこで、本発明の目的は、被測定物の寸法を高精度に測定でき、かつ加工中でも瞬時に測定が可能な超音波寸法測定装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、平行な対向する二端面を有する被測定物を液体中に浸漬し、この被測定物の二端面間の寸法を測定する装置であって、被測定物に平面波を送信し、被測定物の表面に弾性表面波を生じさせるとともに、上記平面波の送信方向の被測定物表面への投影線が上記被測定物の対向する二端面に対して垂直方向とされた超音波送信器と、被測定物の表面の所定点で反射した反射超音波と、被測定物の表面を伝播する弾性表面波が被測定物の対向する二端面で反射した後、上記所定点から放射される放射超音波とを受信する超音波受信器と、上記反射超音波と放射超音波との受信時間差から被測定物の二端面間の寸法を求める手段と、を備えたものである。
【０００６】
超音波送信器から平面波を液体中に浸漬された被測定物に対して斜め方向より送信する。超音波送信器としては、例えば圧電素子と平面レンズとの組み合わせで構成できる。被測定物を液体中に浸漬するのは、送信器から被測定物へ超音波を伝えるためであり、粘性係数の比較的小さい液体（例えば水）が用いられる。送信器から平面波を被測定物の表面に入射させると、平面波の一部が表面で反射して超音波受信器で受信される。これが反射超音波である。一方、平面波の入射角を所定の臨界角に設定すると、弾性表面波が励起され、この弾性表面波が被測定物の表面を伝播する。平面波の送信方向の被測定物表面への投影線が被測定物の対向する二端面に対して垂直方向に設定されているので、弾性表面波は被測定物の一方の端面で反射した後、対向する端面でも反射し、平面波が入射した所定点まで戻ってくる。この弾性表面波は液中に超音波を放射しつつ被測定物の表面を伝播する。そして、超音波受信器の焦点を平面波が入射された所定点に合わせておくことで、所定点まで戻ってきた弾性表面波から放射される放射超音波を正確に受信できる。超音波受信器としては、例えば圧電素子と球面レンズとの組み合わせで構成できる。
このようにして求めた反射超音波と放射超音波との到達時間差から被測定物の二端面間の寸法を求めることができる。つまり、反射超音波の到達時間をｔ1 、放射超音波の到達時間をｔ2 、弾性表面波の速度をＶとすると、被測定物の寸法Ｌ（対向する二端面の距離）は次式で求めることができる。
Ｌ＝Ｖ×（ｔ2 −ｔ1 ）／２
【０００７】
また、請求項２のように、上記送信器から平面波を連続的に送信するとともに、送信する平面波の波長を変化させて入射された弾性表面波と反射した弾性表面波とを干渉させ、最も強度の大きい放射超音波が発生する超音波の波長から被測定物の二端面間の寸法を求めてもよい。この場合には、超音波一波長分の違いを検出できるので、分解能を一波長以内まで高めることができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１は本発明にかかる超音波寸法測定装置の原理説明図である。
図において、１は貯留槽であり、その中には例えば粘度が４．０×１０-3Ｐａ・Ｓ（４ＣＰ）以下の液体２が貯留され、この液体２の中に被測定物３が浸漬されている。この実施例では、被測定物３として例えば方形の圧電セラミック基板が用いられている。
【０００９】
４は超音波送信器であり、一部が液体２に浸漬された平面レンズよりなる圧電素子５とパルスジェネレータ６とで構成されている。パルスジェネレータ６から出力されるパルスによって圧電素子５が励振され、平面波（数十ＭＨｚ以上の超音波）Ｕ1 が被測定物３に向かって発せられる。また、７は超音波受信器であり、一部が液体２に浸漬された球面レンズよりなる圧電素子８とオシロスコープ９とで構成され、被測定物３で反射した超音波を受信する。
【００１０】
上記平面レンズ５と球面レンズ８は、レンズホルダ１０によって所定の向きで保持されている。すなわち、平面レンズ５は平面波Ｕ1 を被測定物３の入射点Ｐを含む所定の領域に照射できるようになっており、入射点Ｐからの反射波が球面レンズ８で最も強く受信されるように、球面レンズ８の焦点が調整されている。レンズホルダ１０は入射点Ｐを中心として矢印Ａ方向に角度調整可能となっており、平面レンズ５から被測定物３の表面に入射される平面波Ｕ1 の入射角θを可変としている。なお、平面波Ｕ1 の送信方向の被測定物３表面への投影線が、被測定物３の対向する二端面３ａ，３ｂに対して常に垂直方向となるように、平面レンズ５の向きが設定されている。また、この実施例では、受信器７の受信方向の被測定物３表面への投影線も、被測定物３の対向する２端面に対して垂直に設定されている。
【００１１】
ここで、上記構成の超音波寸法測定装置の測定方法について説明する。
まず、レンズホルダ１０を回動させて、平面レンズ５から被測定物３の表面に入射される平面波Ｕ1 の入射角θを可変する。そして、入射角θがある臨界角に到達すると、平面波Ｕ1 によって被測定物３の表面に弾性表面波が生じるが、この表面波が生じる角度でレンズホルダ１０を位置決めする。平面レンズ５から照射された平面波Ｕ1 の一部は、被測定物３の表面で反射し（反射超音波Ｕ2 ）、球面レンズ８で受信される。一方、平面波Ｕ1 によって励起された弾性表面波Ｅ1 は、図２に示すように被測定物３の表面に沿って一方の端面３ａ方向に伝搬し、端面３ａで反射した後、他方の端面３ｂ方向へ伝播する。この弾性表面波は液中に超音波を放射しながら被測定物３の表面を伝播するレーリー波である。端面３ｂで反射した弾性表面波Ｅ2 が照射点Ｐに戻ってくると、ここで液中に放射された超音波（放射超音波Ｕ3 ）が球面レンズ８で受信される。
【００１２】
図２は反射超音波Ｕ2 と放射超音波Ｕ3 の受信波形を示したものであり、反射超音波Ｕ2 の到達時刻はｔ1 、放射超音波Ｕ3 の到達時刻はｔ2 である。
両波Ｕ2 ，Ｕ3 の時間差ｔ2 −ｔ1 は、弾性表面波Ｅ1 ，Ｅ2 が伝播した距離２Ｌに比例し、弾性表面波Ｅ1 ，Ｅ2 の伝播速度Ｖに反比例する。したがって、被測定物３の端面３ａ，３ｂ間の距離Ｌは次式によって求められる。
Ｌ＝Ｖ×（ｔ2 −ｔ1 ）／２
【００１３】
また、弾性表面波Ｅ1 ，Ｅ2 の伝播速度Ｖは、被測定物３の弾性定数Ｍと密度ρとによって次式で与えられる。
Ｖ＝√（Ｍ／ρ）
【００１４】
上記測定方法に加えて、あるいは上記測定方法とは別個に、次のような測定方法を実施してもよい。
すなわち、送信器４から平面波Ｕ1 を被測定物３に連続的に送信しながら、送信する平面波Ｕ1 の波長を変化させる。図３（ａ）は入射した弾性表面波Ｅ1 と反射した弾性表面波Ｅ2 とが共振していない状態の波形であり、実際の弾性表面波は実線のようになる。送信する平面波Ｕ1 の波長がある波長になると、入射した表面波Ｅ1 と反射した表面波Ｅ2 とが共振（干渉）し、図３（ｂ）のように実際の弾性表面波は急激に大きくなる。そのため、共振した弾性表面波によって被測定物３の表面から振幅を増した超音波Ｕ3 が放射され、球面レンズ８で受信される。つまり、被測定物３の寸法２Ｌが超音波の波長λの整数倍の時に、最も強度の大きな共振が起こるので、最も強度の大きい共振が発生した時の波長λを求めることで、距離２Ｌを知ることができる。
２Ｌ＝ｎ・λ      （ｎ：正の整数）
この方法は、超音波一波長λを越える大凡の寸法が既知である場合に、分解能を一波長以内まで高めた測定が可能である。
【００１５】
図４は本発明の寸法測定装置を溝加工に応用した例を示す。
被測定物３の表面には砥石２０によって一定間隔で溝２１が加工される。液体２を貯留した貯留槽１は左右方向に移動自在なＸＹ軸可動テーブル２２上に載置されている。可動テーブル２２はモータなどの駆動装置（図示せず）によってＸＹ軸方向に駆動される。可動テーブル２２は砥石２０の加工中はＹ軸方向にのみ移動し、１本の溝２１の加工が終了すると、所定幅だけＸ軸方向に移動する。
【００１６】
パルスジェネレータ６およびオシロスコープ９はそれぞれコントローラ２３に接続され、上記駆動装置はコントローラ２３からの加工位置指令信号に基づいて駆動される。すなわち、コントローラ２３は反射超音波Ｕ2 と放射超音波Ｕ3 との時間差（ｔ2 −ｔ1 ）から上記と同様にして被測定物３の溝２１の間隔Ｄを求め、この間隔Ｄが規格範囲内であればＧ（良）、規格範囲外であればＮＧ（不良）とし、ＮＧの場合には可動テーブル２２のＸ軸方向の移動量を調整する。
【００１７】
このように加工中に被測定物３の寸法Ｄを高精度にかつ瞬時に測定できるので、一旦ＮＧが発生しても、次の加工では加工位置指令信号を修正してＧにすることができ、高精度の加工が可能になるとともに、その精度を維持することができる。
【００１８】
被測定物の形状は、少なくとも表面の一部に弾性表面波が反射する平行な二端面部分を有するものであればよく、対向する二端面全体が平行である必要はない。なお、本発明で平行とは、厳密な平行をいうだけでなく、反射波が散乱せずに反射できる程度の平行度を持つものであればよく、多少の角度バラツキは含むものである。
被測定物の材質は、弾性表面波が表面を伝播し、かつ両端面で反射しうるだけの弾性係数を有するものであばよく、表面部分は均質であるのが望ましい。
受信器の受信点は、送信器から送信される平面波が被測定物に到達する領域内であればよい。また、受信器の受信方向の被測定物表面への投影線は、必ずしも被測定物の対向する２端面に対して垂直である必要はなく、球面レンズの性能による。
【００１９】
また、本発明は被測定物の寸法だけでなく、被測定物の端部に生じているチッピングなどの表面状態を測定することも可能である。すなわち、被測定物の端部にチッピングなどがあると、反射波に乱れが生じるので、受信波形の歪みを検出することで、表面状態を検出できる。
【００２０】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明によれば、被測定物の表面で反射した反射超音波と、被測定物の表面を伝播し両端面で反射した弾性表面波による放射超音波との到達時間差から被測定物の二端面間の寸法を求めるようにしたので、被測定物の寸法を高精度に測定できる。しかも、溝加工や切断加工などの加工中でも瞬時に測定ができるので、加工誤差を修正して高精度な加工を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の超音波寸法測定装置の原理説明図である。
【図２】超音波と被測定物を伝わる弾性表面波を挙動を示す図である。
【図３】弾性表面波の非共振時および共振時の波形図である。
【図４】本発明の超音波寸法測定装置を溝加工機に適用した図である。
【符号の説明】
１          貯留槽
２          液体
３          被測定物
４          超音波送信器
５          圧電素子（平面レンズ）
６          パルスジェネレータ
７          超音波受信器
８          圧電素子（球面レンズ）
９          オシロスコープ
【図１】
0003832061.tif 000002
【図２】
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【図３】
0003832061.tif 000004
【図４】
0003832061.tif 000005