JPH0235353A - 超音波顕微鏡 - 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】

この発明は、物質の弾性的な性質を計測する超音波顕微
鏡に関する。

【従来の技術】

近年、光や電子ビームに代わって数十ＭＨｚ以上の超音
波を利用した超音波顕微鏡が開発されている。そのうち
、機械走査型反射型超音波顕微鏡は、１つあるいは２つ
の集束超音波１−ランスジューサを用い、物質の各点に
おける弾性的性質の差異等によって生しる超音波の反射
波を利用して画像を得たり、物質の微視的部分の弾性的
性質を定量的に計測したりするものである。 第８図は、従来の機械走査型反射型超音波顕微鏡の一例
をブロック図で示したものである。第８図において、高
周波パルス発振器１で発生したパルス変調波は、サーキ
ュレータ２を経て集束超音波トランスジューサ３により
集束超音波ビームとなり、音波伝搬液体４を介して試料
保持台５上の試料６に照射される。試料保持台５は、Ｘ
Ｙ方向移動装置７によって、図示Ｘ及びＹ方向に移動さ
れる。ｘｙ方向移動装置７は、走査制御回路８によって
制御される。試料保持台５を移動させる代わりに、集束
超音波トランスジューサ３をＸＹ力方向移動させること
もできる。 試料６によって反射された反則波は、再び集束超音波ト
ランスジューサ３で集音されて電気信号に変換され、ザ
ーキュレータ２を経て表示装置９に供給され、超音波顕
微鏡像が得られる。 次に、試料表面上の音速を測定するだめの構成を第９図
に示す。第９図においては、図示Ｚ方向の移動装置１０
によって、試料保持台５上に載置された試料６を集束超
音波１−ランスジユーザ３に近づくように移動させなか
らから、集束超音波トランスジュー＋１３の出力をオシ
ロスコープ１１で観察するようになっている。集束超音
波トランスジューサ３の出力をＺ方向の移動距離に対し
て記録すると、第１０図に示すような曲線が得られる。 この曲線は、Ｖ　（Ｚ）曲線と呼ばれている。 第８図及び第９図に示した構成は、同じ装置内に同時に
組み入れることが可能である。第８図の構成によれば、
表面凹凸や多結晶金属、セラミックなどの観察に対し高
いコントラストの画像を得ることができるが、これは第
１０図のＶ　（Ｚ）曲線が得られる理由と同じで、これ
が反則型顕微鏡の大きな特徴である。 第１０図のＶ　（Ｚ）曲線が得られる原理を第１１図に
示す。第１１図において、試料６ばその表面を集束超音
波トランスジューサ３に近づレツだ配置になっており、
集束超音波Ｉ・ランスジユーザ３から照射した超音波の
うち試料表面から戻ってくる成分は、Ｚ軸（第９図）近
傍からの反射波（以下、垂直反射波と呼ぶ。）１２と、
臨界角δで入射した超音波１３によって励振された漏洩
弾性表面波の再放射波（以下、漏洩放射波と呼ぶ。）１
４だけである。これら２つの成分の干渉によって■（Ｚ
）曲線が得られる。 第８図の構成で画像を表示する場合、試料６の表面を焦
点面から集束超音波トランスジューサ３の方向に少し近
づけた状態で測定することにより高いコン１−ラストが
得られるが、これは第１０図に示したＶ　（Ｚ）曲線の
特性を利用しているためである。 次に、漏洩放射波１４を第１２図で説明する。 試料表面に物質固有の角度、すなわち、臨界角δｊ（ で入射した超音波１３ば、エネルギを音波伝搬液体４中
に放出しながら試料表面を伝搬する漏洩弾性表面波１５
を励振する。放出されるエネルギは具体的には縦波の音
波であり、漏洩放射波１４と呼ばれ、第１１図に示すよ
うに超音波１３の入射角に対して線対称な方向、すなわ
ち臨界角δの方向に伝搬する。そして、第１１図に示す
ように、集束超音波トランスジューサ３からのビーム中
心に対し入射位置と対称な位置から放出された漏洩放射
波１４の成分ののが集音される。つまり、入射超音波１
３がモード変換し、表面波として試料表面を伝搬したの
ちに再び縦波音波に変換したものが集音されるわけで、
この漏洩放射波１４の成分は試料表面の弾性的性質の変
化によって著しく位相変化を生じたり、減衰したりする
。 したがって、漏洩放射波１４と垂直反射波１２（第１１
図）の成分との干渉によって得られる■（Ｚ）曲線の周
期性は、物質表面の弾性的性質に依存し、第１０図に示
した周期ΔＺを測定することにより、物質の漏洩弾性表
面波１５の音速を計算により求めることができる。この
周期ΔＺと音速との関係は、近似的に次式で与えられる
。 ΔＺ−Ｖｔ　／　（２ｆ　（１−ｃｏｓθ））θ−５ｉ
ｎ−’　（Ｖ　ｔ／　Ｖ　ｓ）ここで、■５は音波伝搬
液体４の縦波音速、■１ば漏洩弾性表面波１５の音速、
ｆは使用超音波周波数である。

【発明が解決しようとする課題】

ところが、これら従来の方法では以下に示すような問題
点がある。 （１）垂直反射波１２の成分が、漏洩放射波１４と干渉
させるのに十分な強度が得られない場合がある。試料が
層状構造や高分子材料、生体組織などの場合である。こ
の場合、画像のコン１−ラス１〜は低下し、Ｖ　（Ｚ）
曲線も周期性を示さない。 （２）　　Ｖ（Ｚ）曲線の周期ΔＺから漏洩弾性表面波
の音速を求めるような従来の方法では、複数の漏洩弾性
波モードが存在する試料でばＶ　（Ｚ）曲線の波形に乱
れが生じ、フーリエ変換などの波形解析手法を用いない
と、漏洩弾性表面波の音速を測定することができない。 （３）高周波パルス発振器で発生させるパルス変調波の
パルス幅は、干渉させるためには長い方がよいが、その
パルス幅には集束超音波１〜ランスジユーザ内で生じる
不要のエコー等からの分離の関係から制限が生じ、その
ため使用するパルス幅では所要の干渉効果が生しない場
合がある。 この発明は、垂直反則波の成分が漏洩放射波と干渉する
のに十分な出力か得られないような試料でも高いコント
ラスト リエ変換などの複雑な信号処理を行う装置を用いなくて
も物質の音速を１つあるいは複数個同時に正賄に求める
ことができ、更に集束超音波１〜ランスジユーザ内で生
じる不要なエコーの影響を排除できる超音波顕微鏡を提
供することを目的とするものである。

【課題を解決するための手段】

」−層目的を達成するために、この発明の超音波顕微鏡
は、試料表面に漏洩弾性表面波を励振させる送波用集束
超音波トランスジューサと、前記試料表面に対して所定
の角度で傾斜して配置されこの試料表面を伝搬する前記
漏洩弾性表面波から放射される漏洩放射波を受波する受
波用平面超音波トランスジューサとを備えるものとする
。 その場合、」二記受波用平面超音波Ｉ−ランスジューサ
は、前記試料表面」二の一点を回転中心として、この試
料表面に垂直な平面内で回転できるように支持されるの
がよい。

【作　用】

この発明は、漏洩放射波の試料からの放射角が物質によ
り固有であることに着目したもので、試料表面に漏洩弾
性表面波を励振するための送波用集束超音波１〜ランス
ジユーザと分離して、前記漏洩弾性表面波からの漏洩放
射波を受波する受波用超音波トランスジューサを設り、
かっこの受波用超音波トランスジューサは、所要の放射
角の漏洩放射波のみを選択的に検出できるように、平面
超音波トランスジューサを試料表面に対して所定の角度
に傾斜させて配置したものである。これにより、垂直反
射波の影響を排除し、また物質の弾性的性質の変化を臨
界角の変化として直接的に検出することができる。 −１−記受波用平面超音波トランスシコ，−ザの出力は
、その端面が漏洩放射波の伝搬方向に対して垂直になる
傾斜角のときにピークを示す。そごで、受波用平面超音
波トランスジコ，−サを試料表面に垂直な平面内で回転
できるように支持し、上記出力がピークを示すように傾
斜角を制御する。その場合にこの発明は、受波用平面超
音波トランスジューサの回転中心を試料表面上の一点に
位置させる。これにより、受波用平面超音波トランスジ
ューサの傾斜角を変化させてもその検出領域がほとんど
変位しないので、傾斜角の変化を検出強度の変化として
直接的に捉えることができ、傾斜角の変化による音波の
減衰を避けることができる。

【実施例】

以下、第１図〜第７図に基づいてこの発明の詳細な説明
する。なお、従来例を示す第８図〜第１２図と同一部分
には同一の符号を付けるものとする。 第１図は、この発明の超音波顕微鏡の実施例を示すブロ
ック図である。第１図において、高周波パルス発振器１
からの電気信号は、送波用集束超音波トランスジューサ
１６により築東超音波ヒームとなり、音波伝搬液体４を
介して試料６に照射され、試料６の表面に漏洩弾性表面
波を励振する。 漏洩弾性表面波から再放射される漏洩放射波は、物質固
有の角度で放射され、その方向で伝搬して受波用平面超
音波トランスジューサ１７に到達する。受波用平面超音
波トランスジューサ１７ば、傾斜角制御装置１９によっ
て制御される傾斜角可変装置１８によって試料面に対す
る角度が変化させられる。 第２図は、送波用集束超音波トランスジューサ１６と受
波用平面超音波トランスジューサ１７の配置を拡大して
示すものである。試料６０表面は、送波用集束超音波１
ヘランスジューザ１６の焦点位置か、それよりもレンズ
に近づけて配置されている。また、受波用平面超音波ト
ランスジューサ１７は、ある程度の表面波伝搬路長の距
離りだけ入射超音波スボッ）Ｓから離れた位置に検出領
域Ａが来るように配置されている。受波用平面超音波ト
ランスジューサ１７を矢印Ｐ方向に回転させて傾斜角θ
を変化させる際に、表面波伝搬路長りが変化しないよう
に、回転中心Ｒと回転軸２２が定められている。 受波用平面超音波トランスジューサ１７の端面が漏洩放
射波の伝搬方向に夕・ｊして垂直になる傾斜角０のとき
に、受波用平面超音波トランスジューサ１７の出力はピ
ークを示す。受渡用平面超音波トランスジューサ１７の
出力は、高周波増幅検波器２０（第１図）を経て、傾斜
角制御装置１９からの傾斜信号と同時にｘＹプロッタ２
１に送られる。 ｘＹプロンタ２１に描かせた傾斜角θと出力の関係の曲
線例を第３図及び第４図に示す。第３図は１つのモード
の漏洩弾性表面波しか励振されない物質の場合で、第４
図は２つのモードの漏洩弾性表面波が励振される場合で
ある。第３図及び第４図において、出力がピークを示す
ときの傾斜角θｌ−１，θ１４□、θＬ３は物質によっ
て固有の値であり、次式から漏洩弾性表面波の音速■、
が求まる。 Ｖｃ　−Ｖｓ　Ｘ５ｉｎθＬｉ ここで求まる音速は、試料表面の特定の伝搬方向の音速
であるから、試料を回転する機構を設ければ、異方性の
検出も可能である。第４図に示したように、複数のモー
ドの表面波が励振される場合、第９図に示したＶ　（Ｚ
）曲線は波形が乱れ、音速の測定にはフーリエ変換など
の信号処理技術を必要としたが、この発明では上述の単
純な構成で求めることができる。 第５図は、受波用平面超音波トランスジューサ１７の傾
斜角θを固定し、試料保持台５を図示ＸＹ力方向走査し
て超音波画像を得るための構成を示すものである。受波
用平面超音波トランスジューサ１７は、第３図あるいは
第４図でピークを示す傾斜角θで配置されている。試料
６が均質で表面凹凸など゛のないものであれば、超音波
ビームを試料表面上で走査しても受波用平面超音波トラ
ンスジューサ１７の出力に変化は現れない。しかし、表
面や表面下近傍に亀裂や欠陥が存在する試料では、その
箇所で音波のしよう乱や散乱が生じ、出力が落ちる。更
に、試料が多結晶で粒界の存在するものや、結晶粒ごと
に結晶面や弾性的性質が変化しているものでも同様であ
り、これらの受波用平面超音波トランスジューサ１７の
出力変化によって、高いコントラストの画像を得ること
ができる。この実施例では、出力がピークとなる傾斜角
θで受波用平面超音波トランスジューサ１７を配置した
が、わざとずらせて配置しても良いことは勿論である。 第６図は、弾性的性質の定量的な測定値でマツピングし
た超音波画像を得ることができる実施例を示すものであ
る。受波用平面超音波トランスジューサ１７からの出力
は、高周波増幅検波器２゜で増幅検波され、傾斜角制御
装置１９がらの傾斜角信号と共にコンピュータ２２に呼
び込まれる。 コンピュータ２２では、受波用平面超音波トランスジュ
ーサ１７の出力がピークを示すが、あるいは複数のピー
クが存在する場合は最も大きなピークを示すときの傾斜
角の傾斜信号を輝度変調し、走査制御回路からの位置情
報信号に同期させて表示装置９に送る。これによって得
られる画像は、微視的領域の表面波の音速変化をマツピ
ングしたものとなる。 第７図は、傾斜角θを変化させるための受波用平面超音
波トランスジューサ１７の支持手段の実施例を示すもの
である。第７図において、２３は試料表面上に水平に配
置された軸２４で回転可能に支持された回転ステージで
、この回転ステージ２３にはその半径方向に沿って受波
用平面超音波トランスジューサ１７が取付金具２５によ
り固定されている。すなわち、受波用平面超音波トラン
スジューサ１７は、試料表面上の一点を回転中心として
、この試料表面に垂直な平面内で回転できるように支持
されている。 上記回転中心として、一般に試料表面外の例えばＰ点を
選ぶことが考えられる。しかしながら、このように回転
中心が試料表面から離れていると、傾斜角θが大きくな
るにつれて、検出領域へが送１　　＋（ 波相集束超音波トランスシューリ”１６の入射超音波ス
ポットＳから離れてゆき、音波の伝搬路長、特に漏洩弾
性表面波の伝搬路長が長くなる。伝搬路長の伸長はこの
間での音波の減衰につながるが、音波の減衰は周波数の
２乗にほぼ比例するので、周波数が１００　Ｍ　ｌ（ｚ
以」二になるとロスの増加が無視できなくなる。そのた
め、傾斜角θが大きくなるに従い、受波用平面超音波Ｉ
・ランスジユーザを取り付けた回転ステージを送波用集
束超音波１〜ランスジユーザ側に近づける位置補正機構
が必要になってくる。しかし、このような機構を設ける
と精度の維持が面倒で、また装置全体が大型になるとい
う問題を生じる。 これに対して、回転中心を試料表面上に位置させた図示
実施例の構成によれば、受波用平面超音波トランスジュ
ーサ１７の傾斜角θを変化させても検出領域Ａがほとん
ど変位せず、音波の伝搬路長もほとんど変化しない。し
たがって、傾斜角θの変化を直接検出強度の変化として
捉えることができ、音波を減衰させることなく受波用平
面超音波ｌ−ランスジユーザ１７の出力がピークとなる
傾斜角θを得ることができる。なお、第７図の実施例で
は受波用平面超音波Ｉ・ランスジユーザの支持手段とし
て回転ステージを用いたが、試料表面上の一点を回転中
心として受波用平面超音波１ヘランスジューザを回転さ
せるられるものであれば他の手段でもよく、例えばゴニ
オステージを用いたり、円弧状の案内溝に沿って受波用
平面超音波トランスジューサを移動させたりすることも
考えられる。 また、上記実施例では、送波用集束超音波トランスジュ
ーサ１６はレンズ型であるが、四面トランスジューサで
も良い。また、受波用平面超音波トランスジューサ１７
ば柱状をしているが、受波側端面の一部（検出範囲）が
平面であれば良い。 更に、傾斜角を変化させる場合、受波用平面超音波トラ
ンスジューサ１７を回転させる代わりに試料保持台５を
傾斜させてもよい。

【発明の効果】

この発明は、試料表面から戻ってくる表面波の音速情報
を臨界角（伝搬方向）の変化として直接検出するので、
垂直反射波や集束超音波１ヘランスジユーザ内で生じる
不要なエコーの影響がなく、試料の欠陥や表面凹凸に敏
感で、薄膜や生体材料などこれまで反則型超音波顕微鏡
では得にくかった画像を高コントラストで得ることがで
きる。また、複数のモードの漏洩弾性表面波が励振され
る場合も、出力がピークを示ず受波用超音波トランスジ
ューサの傾斜角ごとに音速を計測することにより、複雑
な信号処理を行うことなく正確に弾性的性質を測定する
ことができる。また、試料表面」二の一点を回転中心と
して受波用平面超音波トランスジューサを回転させるこ
とにより、特別の位置補正機構を設けるごとなく、出力
がピークを示す受波用平面超音波トランスジューサの傾
斜角を精度よく求めることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例の構成を示すブロック図、第
２図は第１図における送受波超音波トランスジューサを
拡大して示す配置図、第３図は１つのモードの漏洩弾性
表面波が励振されたときの受波用超音波トランスジュー
サの傾斜角に対する出力変化を示す線図、第４図は２つ
のモードの漏洩弾性表面波が励振されたときの受波用超
音波トランスジューサの傾斜角に対する出力変化を示す
線図、第５図はこの発明の第２の実施例の構成を示すブ
ロック図、第６図はこの発明の第３の実施例の構成を示
すブロック図、第７図はこの発明の第４の実施例を示す
要部正面図、第８図は従来例の構成を示すブロック図、
第９図は従来例の別の構成を示すブロック図、第１０図
はＶ　（Ｚ）曲線を示す線図、第１１図はＶ　（Ｚ）曲
線が得られる原理を示す説明図、第１２図は第１１図に
おける漏洩放射波を示す説明図である。 ６：試料、１６：送波用集束超音波トランスジューサ、
１７：受波用平面超音波ｌ・ランスジューサ、２３・・
・回転ステージ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）試料表面に漏洩弾性表面波を励振させる送波用集束
   超音波トランスジューサと、前記試料表面に対して所定
   の角度で傾斜して配置されこの試料表面を伝搬する前記
   漏洩弾性表面波からの漏洩放射波を受波する受波用平面
   超音波トランスジューサとを備えることを特徴とする超
   音波顕微鏡。 ２）請求項１記載の超音波顕微鏡において、受波用平面
   超音波トランスジューサは、試料表面上の一点を回転中
   心として、この試料表面に垂直な平面内で回転できるよ
   うに支持されていることを特徴とする超音波顕微鏡。