JPH022921A - 超音波でサンプルを調査する装置 - Google Patents

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。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は超音波でサンプルを調査する装置に関する。

〔従来の技術〕

例えばレーザーからの放射の高周波数パルスを材料の表
面に投射せしめることによってその材料に超音波信号を
生成させることは公知である。また、レーザーを使用し
て材料内の超音波挙動を検出し、よって例えば異なる層
の存在や欠点等による材料の振動を検出することも公知
である。

〔発明が解決しようとする課題〕

概して、そのような公知のシステムはミラーやレンズ等
の光学系を使用してレーザーの放射を材料上で焦点を結
ばせるようにしたものであるが、これによるとレーザー
や光学部品の大きさが使用すべき光学経路を制限するた
めに調査のための超音波プローブの形状が大きな制限を
受ける。それでも、短い継続時間のレーザーパルスはサ
ンプルに非常に高い周波数成分をもつ超音波を生成する
ことができ、これに対して標準的なセラミックピエゾ変
換器ではそのような高周波数の超音波を生成できない。

〔課題を解決するための手段〕

本発明においては、例えばレーザーからの放射がサンプ
ルの表面に案内される。これは超音波を生成し、この超
音波がサンプルの表面に例えば適切な伝達媒体によって
音響的に連結されたピエゾ変換器エレメントを有するピ
エゾ変換器によって検出される。

光ファイバーの放射がピエゾ変換器に影響するのを防止
するために光ファイバーとピエゾ変換器とを物理的に分
離することが必要であると考えられていた。この問題は
ピエゾ変換器エレメントとして圧電性のプラスチック材
料が使用される場合にもっとも深刻になると心配されて
いた。圧電性のプラスチック材料が加熱されると、それ
は蒸発するであろう。圧電性のプラスチック材料がＰＶ
ＤＦである場合には、これはフッ素成分を脱離して健康
を冒す問題を生じる。しかしながら、光ファイバーは放
射を完全に拘束し、よって圧電性のプラスチック材料は
影響されないということが分かった。そこで高周波数信
号の検出に優れた性質を有する（何となれば圧電性の変
換器エレメントを非常に薄いフィルムとして作ることが
できるので）圧電性のプラスチック材料を使用すること
が可能となり、実現できたのである。

本発明によれば、ピエゾ変換器は圧電性のプラスチック
材料によって作られたものであり、ピエゾ変換器及び（
放射パルスを発射する）光放射源がケーシングに収容さ
れ、よって一体のプローブヘッドを形成する。好ましく
は、光放射源は光ファイバーの一端部によって形成され
る。光ファイバーはその一端部からケーシングの外部の
レーザー等の放射生成手段へ延びる。或いは、小さな半
導体レーザーがケーシング内に設けられる。プローブの
残りの部分は例えば放射パルスを生成するために光ファ
イバーに連結されたレーザーとピエゾ変換器で生成した
信号を処理するための電子処理装置を含むことができる
。

ケーシング内での変換器エレメントと光ファイバーとの
正確なジオメトリは本発明にとって重要ではない。光フ
ァイバーはレーザーの放射を集中させるためにサンプル
に近接する点まで延びることができる。しかしながら、
或いは、光ファイバーの一端部はサンプルの大きな領域
が影響されるようにサンプルの表面からさらに離れて位
置することもできる。レーザー光線の発散の角度は標準
的な光ファイバーから通常約１５度である。しかし、光
ファイバーの端部にさらに光学エレメントを設けること
によってこの角度を修正することもでき、これについて
はさらに後で詳述する。

光ファイバーはケーシング内で変換器エレメントの回り
を通されることができる。しかし、光ファイバーを変換
器エレメントを貫通させ、変換器エレメントが放射の入
射点の直上にあって入射方向がサンプルの表面と直角に
なるようにすることが可能であり、これが好ましい。或
いは、特に光ファイバーが変換器エレメントの回りを通
される場合に、放射の入射角度はサンプルの表面に対し
て傾斜することができる。

好ましくは、ピエゾ変換器は光ファイバーからの放射の
入射点に対応するサンプルの表面に、又はこの表面に近
接して、又は調査中のサンプル内の点に有効に焦点を結
ばせる構成を含むことができる。概して、この焦点を結
ばせる構成がジオメトリによって、即ち変換器エレメン
トの形状を適切に形成することによってなされるように
すると最も簡単である。圧電性のポリマー材料を使用す
れば、これは比較的に簡単である。しかし、変換器エレ
メントを同調アレイの形体で形成して電子的に焦点を結
ばせる構成を使用することも可能である。この構成にお
いては、複数のアクティブな変換領域（例えば、同心円
状領域）を設け、変換器に接続された解析回路手段が各
変換領域の信号を検出し、その際変換領域の検出時間の
間に調節可能なデイレ−をもって信号を検出する。特定
の点からの放射のみが解析回路手段によって設定された
デイレ−に相当するそれらの間のデイレ−でアクティブ
な変換領域に到達するので、デイレ−時間は適切に調節
されたときにアレイに焦点を与える。この構成の利点は
デイレ−時間の調節が同調アレイの焦点を例えばサンプ
ルの異なった深度に変化させることにある。

変換器エレメントが焦点を結ぶようになっている場合（
これがどのようにして達成されたとしても）、光線の入
射点は変換器の焦点と一致、若しくは少なくとも同軸に
あるのが望ましい。ある場合には、変換器の焦点がサン
プルの表面よりもむしろサンプル内にあるようにするの
が好ましく、これはサンプルの内部の特徴の研究を向上
させる。

概して、物質の主な関心は単に表面にあるのではなく、
表面の下部組織にある。従って、例えば、多層構造を分
析したり、又は物質内の欠点を検出したりするのは利点
のあることである。研究すべき物質と、その物質と変換
器の間にある結合媒体との間の境界における拡散は音波
を音響媒体を通して変換器へ通過せしめる。

上記したように、レーザーからの放射のパルスは高周波
数成分を含む音波を導くために短い持続時間のものであ
る必要がある。高周波数成分の音波は物質の調査すべき
特徴のよりよい分解能を与えるので、これは特に重要で
ある。パルスの持続時間の上限は２００ｎｓで、好まし
い上限は１００ｎｓである。代表的には、パルスは２０
ｎｓの持続時間をもつ、変換器エレメントの周波数応答
性はその厚さに依存するので、高周波数信号を検出する
ためには非常に薄いエレメントが必要である０通常、２
５ミクロンメートル、又はそれ以下が必要である。圧電
性のポリマーは非常に薄く作られるので、変換器エレメ
ントを形成するために圧電性のポリマーを使用すること
はこの要求を満足する。本発明を利用する音否的プロー
ブをスキャニングアコスティックマイクロスコープで使
用するならば、これは特に有効である。現在では、その
ようなマイクロスコープは非常に薄いサンプル、例えば
ミクロンの１９分の１の厚さでの使用に限定されている
が、本発明を利用する超音波プローブを高周波数レーザ
ーパルス及び薄い圧電性のポリマー変換器エレメントと
ともに使用することは、より厚いサンプルの調査を可能
にするものである。これはサンプルがバイオロジカルな
物質の場合に特に重要である。

本発明を利用する超音波プローブはサンプルの表面上に
手で載置して簡単なテストを行うことができ、或いは適
切な機械システムを使用してプローブを表面に走査させ
ることもできる。この後者はフィルム等の材料の非破壊
検査に特に有用であり、半導体ウェファやセラミックの
研究に応用されることができる。

以下本発明の“実施例について図面を参照して説明する
。

〔実施例〕

第１図に示す第１実施例は一端部が開口した円筒ケーシ
ング４を有する装置を堤供するものである。ケーシング
４はサンプル１００の表面に載置され、このサンプル１
００がケーシング４の開口端部をサンプル１００と接触
させて検査されるべきものである。サンプル１００の表
面とケーシング４との間の良好な接触のために、シール
５がケーシング４の開口端部のリムに設けられる。

ケーシング４は変換器６を収容しており、この変換器６
はほぼ球面の皿として形成された圧電性の変換器エレメ
ント７を有し、この変換器エレメント７の焦点はサンプ
ルＩ００の表面上の点にある。変換器６の残りは通常圧
電性の変換器エレメント７を支持する裏材を含む。変換
器エレメント７は所望のようにして所定の形状に形成さ
れ且つ薄くて高周波数の超音波に応答することができる
圧電性のポリマー（例えばＰＶＤＦ）で作られる。

代表的な厚さはレーザーからの放射のｐｓ又はｎＳの単
位のパルスに対して約１ミクロンメートルである。この
光ファイバー１は変換器エレメント７の極を通され、光
ファイバー１の自由端部２がサンプル１００の表面の平
面に実質的に直角に延びるようになっている。第１図に
示されるように、光ファイバー１の自由端部２はサンプ
ル１００の表面に近接しているが、これは後の説明から
分かるように本発明にとって重要ではない。

変換器エレメント７とサンプル１００の表面との間のケ
ーシング４の容積は音響的結合媒体８で充填される。音
響的結合媒体８はサンプル１００に悪影響せず且つ良好
な音響的伝達性能を有するものとして選択される。音響
的結合媒体８は通常は液体が使用され、代表的な音響的
結合媒体８は水であってシール５をサンプル１００の表
面に接触させることによってケーシング４内に保持され
る。しかし、（超音波を通す）ゲル媒体、又は適切な固
体を使用することもできる。

光ファイバー１の自由端部２から遠い端部はレーザー９
へ接続され、レーザー９は例えばタイプ■レーザーとし
て公知のものであり、例えば２００ｎｓよりも小さな短
い継続時間の放射パルスを生成する。パルスの長さは好
ましくは１００ｎｓよりも小さく、代表的なパルスは５
０ｎｓである。

これは約２０　Ｍ　Ｈｚの中心周波数を与える。パルス
のエネルギーは代表的には１０マイクロジユールから１
ミリジユールの範囲にあるが、所望に応じてこの範囲外
のエネルギーを使用することもできる。光ファイバー１
の直径はレーザー放射の良好な伝達を与えるほどに十分
に大きくすべきであるが、ファイバーに十分な可撓性を
与える必要性から制限される。光ファイバー１の直径は
約０．６から１ＩＩＩＩｌが満足できると分かっており
、これは他の実施例についてもあてはまる。このように
して、例えば、光ファイバー１は６００ミクロンメート
ルの光学コアに標準的なアウタクラツデイングを設けた
ものとすることができる。このようにして、ケーシング
４、変換器６、及び光ファイバー１の自由端部２がプロ
ーブへラド１０を形成し、これは光ファイバー１の可撓
性によってレーザー９に対して相対的に移動されること
ができる。レーザー９のスイッチがオンにされると、放
射のパルスが光ファイバー１を通って伝達され、サンプ
ル１００に超音波周波数の振動、即ぢ超音波を生じさせ
る。超音波はサンプル１００内を伝播し、成るものはプ
ローブＩＯに向かって反射され、音響的結合媒体８を伝
播してＰＶＤＦ変換器６に電気信号を生ぜしめ、この電
気信号は信号処理装置（図示せず）へ送られる。ある場
合には、変換器エレメント７の焦点と光ファイバー１か
らのレーザー放射のサンプル１００への通過点とが一致
する場合に最強の電子信号が生成されるようにすること
ができる。このようにして、プローブが最強の信号を受
けるためにジオメトリ的に焦点を合わせると言うことが
できる。他の応用においては、球面形状の変換器エレメ
ント７の焦点は光ファイバー１からのレーザー放射のサ
ンプル１００への通過点とは一致せず、その代わりにサ
ンプル１００内のある点で焦点を結ばせ、その深度が関
心をもつ領域にあり、例えばその深度が接着分解欠点の
存在する深度にある。

変換器エレメント７は代表的にはサンプル１００の表面
から５から５０間の間に配置される。

ある目的では、ブローフ゛ヘッドｌＯはサンプル１００
に手で取りつけられる。しかし、工業上の目的では、フ
゛ローフ゛ヘッドＩＯをサンプル１００の表面上で例え
ばロボットアームを使用して動かすことが必要であろう
。さらに、サンプル１００が連続工程の一部として生産
されるところでは、サンプル１００の方が固定のプロー
ブ、又は往復移動するプローブの下で動くかもしれない
。

この実施例においては、光ファイバーｌは変換器エレメ
ント７を貫通してサンプル１００に近接する点へ延びて
いる。これに代わって、光ファイバー１は変換器エレメ
ント７に近いところで終端することができる。この場合
には、光ファイバー１の端部が異なった空間強度断面で
レーザー光線を生成する付加の光学エレメントとともに
修正されることができる。例えば、凸のマイクロレンズ
を光ファイバー１の端部２に配置し、レーザー光線がサ
ンプル１００の表面上のスポットで焦点を結ぶようにす
る。プローブヘッド１０の成る形体においては、このス
ポットは変換器エレメント７の焦点と一致する。もう１
つの例においては、マイクロレンズが凹レンズであり、
レーザー光線が光ファイバー１の端部２からサンプル１
００の表面へ強く発散する。これはサンプルｌＯＯの表
面に直角な方向でサンプル１００に入射する基本的に平
面波である超音波を生成する。

第２図に示す本発明の第２実施例においては、光ファイ
バー１はケーシング４の側部を通される。

この実施例は、光ファイバー１は変換器エレメント７を
通らないので、容易且つ安価に製造することができる。

プローブヘッドｌＯのその他の部分は第１図に示す第１
実施例と同様であり、同じ参照番号が対応する特徴を表
すために使用されている。

第３実施例においては、プローブヘッド１０の焦点を結
ぶことは、ジオメトリの方法によってではなく、同調ア
レイエレメントを使用して電子的に達成される。第３図
はプローブヘッド１０の一部の斜視図であり、ケーシン
グ、音響的結合媒体、及びシール（簡便化のためにこれ
らは図示されていない）及び寸法は上述した実施例と同
様である。

変換器６の変換器エレメント７（変換器６の他の部分は
図示されていない）は、平坦で円形形状をしており、且
つアクティブなピエゾの同心円状領域３０を有している
。この形状は同調アレイとして知られており、同心円状
領域３０は適切な処理装置（図示せず）に接続される。

処理装置は通常レーザーパルスが発火されるときにアク
ティブにされ、所定の時間間隔の後で所定の同心円状領
域で超音波信号を検出する。成る同心円状領域と次の同
心円状領域の間の時間間隔は、音波がサンプル１００上
の選択された変換器エレメント７の焦点となる点からこ
れらの同心円状領域への距離に対応する進路長だけ移動
するのに必要な時間の差と等しくなるように計算される
。この構成は同心円状領域の間の時間間隔を変えること
ができるという利点があり、よって変換器６をサンプル
１００の異なった焦点深度に対応する異なった進路長に
セットすることができる。これはプローブヘッドＩＯの
単一の位置に対してサンプル１００のより多くの領域の
検査を行うことができ、よって検査を短い時間で行うこ
とができる。

第４図に示す第４実施例について説明する。この実施例
は現時点ではもっとも好ましいものである。

概して、この実施例の部品は第１図に示す第１実施例の
部品と対応し、同様の参照番号が使用されている。変換
器６はケーシング４内に収容され、光ファイバー１はレ
ーザー９からそのケーシング４内へ延びている。このよ
うにして、この場合にも、プローブヘッド１０は変換器
６、ケーシング４及び光ファイバー１の端部２によって
形成される。

しかし、第４図に示す第４実施例においては、変換器６
の変換器エレメント７はケーシング４内に拘束されてい
ない音響的結合媒体８によってサンプル１００の表面に
結合される。その代わりに、変換器６内の音響的結合媒
体（これは好ましくは液体である）が表面の上方で浴を
形成し、プローブへラド１０は少なくとも部分的に音響
的結合媒体８内に延びている。この理由によって、ケー
シング４は変換器エレメント７を越えてサンプル１ＯＯ
の表面へ向かって延びていす、この実施例においては、
光ファイバー１の端部２がサンプル１００の表面に近接
するよりもむしろ変換器エレメント７の近くで終端する
。

第４図に示されるように、変換器エレメント７の焦点は
その形状によって達成されるが、第３図の電子焦点シス
テムを使用することも可能である。

第４図は本発明のさらなる特徴を示しており、光ファイ
バー１の端部２に光学エレメント４０が設けられる。光
学エレメント４０はレーザー光線のパルスをサンプル１
００の表面に発散（又は収束）させるレンズとすること
ができる。よって、レーザー光線の所望の強度及び影響
を受ける表面領域を選択することができる。サンプル１
００の表面に入射するレーザー光線のスポットは本発明
にとっては重要ではない。１０ミクロンメートルよりも
小さいスポットが可能であるが、スポットが非常に小さ
くてもそのスポット内の放射の強度がサンプル１００の
表面にダメージを与えるかもしれない、さらなる可能性
はファイバーの端部にスリットのアレイを設け、干渉効
果がパルス生成の場合に通常生じるように中央の回り周
波数の領域を形成するよりもむしろある意味で単一の周
波数の超音波を生成する。

以上は本発明を単一の光ファイバー１を使用して説明し
たが、レーザー９からサンプル１００へ放射を案内する
ためにファイバーの束を使用することもできる。

以上の全ての実施例において、光学パルスは光フアイバ
ーデリバリシステムによって案内されていた。しかし、
ケーシング内に位置するレーザーダイオードや同様の半
導体レーザーを使用することもできる。そのような装置
は表面からの超音波を遮断しないように非常に小さなも
のでなければならない。この実施例が第５図に示されて
おり、レーザーダイオードが５０で示され、他の実施例
の部品と同じ部品は同じ参照番号で示されている。

ここで問題はレーザーダイオード５０を受けるために変
換器エレメント７に開口部を設けることであり、変換器
エレメント７は変換器６の裏材で適切に支持されること
は基本的なことである。そして、実際には、半導体レー
ザーを使用するときでさえ、光ファイバーがそれから変
換器エレメント７を通る放射を案内するために使用され
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例を示す図、第２図は第２実
施例を示す図、第３図は第３実施例を示す図、第４図は
第４実施例を示す図、第５図は第５実施例を示す図であ
る。 １・・・光ファイバー ４・・・ケーシング、 ５・　・　・シール、 ６・・・変換器、 ７・・・変換器エレメント、 ８・・・音響的結合媒体、 ９・・　・レーザー、 １０・　・　・プローブヘッド、 １００・・・サンプル。 図面の浄書（内容に変更なし）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、超音波でサンプルを調査する装置であって、高周波
   数のパルスを前記サンプルに印加するための光放射源と
   、前記パルスによって前記サンプルに生成された超音波
   を検出るために圧電性のプラスチック材料で作られた変
   換器エレメントと、該変換器エレメンと前記光放射源と
   を収容するケーシングと、該変換器エレメントを前記サ
   ンプルに結合る音響的結合媒体とを備えた超音波でサン
   プルを調査する装置。 ２、前記光放射源が光ファイバーの一端部からなり、該
   光ファイバーがレーザーへ延びる請求項１に記載の超音
   波でサンプルを調査する装置。 ３、前記レーザーが前記光ファイバーから遠い請求項２
   に記載の超音波でサンプルを調査する装置。 ４、前記光放射源が半導体レーザーからなる請求項１に
   記載の超音波でサンプルを調査する装置。 ５、前記光放射源が前記音響的結合媒体内に位置する請
   求項１に記載の超音波でサンプルを調査する装置。 ６、前記光放射源が光ファイバーの一端部からなり、該
   光ファイバーが前記音響的結合媒体内の該一端部から前
   記変換器エレメントを通って前記サンプルから遠い点へ
   延びる請求項５に記載の超音波でサンプルを調査する装
   置。 ７、前記変換器エレメントが前記光放射源から前記サン
   プルへの放射の入射に対応する点に焦点を有する形状に
   形成されている請求項１に記載の超音波でサンプルを調
   査する装置。 ８、前記光放射源と前記サンプルとの間にマイクロレン
   ズを有し、該マイクロレンズが前記光放射源からの放射
   の発散を修正するためのものである請求項１に記載の超
   音波でサンプルを調査する装置。