JPH04283660A - 超音波顕微鏡装置 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超音波により試料の物
性を評価する超音波顕微鏡装置に関し、特に試料の任意
の点の異方性を測定するのに好適な超音波顕微鏡装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】超音波顕微鏡装置は、検査対象物（試料
）の表層の物性や、試料内部の欠陥の有無等を検査する
装置として用いられる。このような超音波顕微鏡装置を
図９により説明する。図９は従来の超音波顕微鏡装置の
ブロック図である。図中、１は超音波探触子であり、レ
ンズの上面に超音波振動子が載置され、下端にレンズ凹
面が形成されている。２は超音波の媒体（例えば水）、
３は試料、４は試料台である。５は送信機であり、バー
スト状の電気信号を出力する、６は受信機であり、後述
する方向性結合器７を介して超音波探触子１から送られ
てくる電気信号を受信し、適宜増幅する。前記方向性結
合器７は送信機からのバースト波信号を超音波探触子１
に送る一方、超音波探触子１からの電気信号を受信機６
に送るように切換え機能する。８はピーク検出器であり
、受信機６の出力信号のピーク値を検出する。 ９はＡ／Ｄ変換器であり、ピーク検出器８が検出したピ
ーク値を基に受信機６が受信した電気信号をＡ／Ｄ変換
する。１０はマイクロコンピュータで構成される演算制
御器であり、前記超音波探触子１からの信号に基づいて
所要の演算、制御を行なうとともに当該超音波探触子１
のＺ軸方向移動の指令信号を出力する。駆動制御器１１
は前記指令信号に基づいてＺ軸移動装置１２を駆動させ
る。Ｚ軸駆動装置１２は駆動制御器１１の指令信号によ
り超音波探触子１をＺ軸方向、つまり試料３と垂直方向
に移動させる。１３は例えばＣＲＴディスプレイであり
、超音波測定結果を画面表示する。このような超音波顕
微鏡においては、まず送信機５からのバースト電圧が方
向性結合器７を介して探触子１に印加され、これにより
発生された超音波は媒体２を介して試料台４上の試料３
へと照射されるとともに、当該試料３から反射した反射
波は同一経路を経て探触子１で電気信号に変換され、こ
の電気信号は方向性結合器７を介して受信機６で受信さ
れる。受信機６は受信した電気信号を適宜増幅してピー
ク検出器８に送り、ここで検出されたピーク値はＡ／Ｄ
変換器９でデジタル信号に変換され、演算制御器１０に
より所要の処理がなされ、その結果がＣＲＴディスプレ
イ１３上に画面表示される。またこの間演算制御器１０
では探触子１の試料３からの距離の制御がなされる。

【０００３】図１０は超音波ビームが試料３の表面に対
してデフォーカス状態で超音波を照射したときの反射の
態様を示す拡大説明図である。図１０に示すように探触
子１から試料３へと超音波が照射された際には、試料３
表面からの垂直反射波と試料３の表面を伝播する弾性表
面波とが探触子１に反射されるが、それら反射波は図１
１の波形図に示すように垂直反射波ａが先に検出された
後、伝播経路の長い弾性表面波ｂが遅れて検出される。 これらの反射波は探触子１で干渉し干渉波として検出さ
れる。両波が同相の場合にはその干渉波は波形ｃで示す
ように振幅が大きくなり、逆相の場合には波形ｄで示す
ように振幅が小さくなる。両波の位相のずれは試料３に
対する探触子１の位置により異なる。そして探触子１と
試料３との間の距離の変化に応じて位相の同相と逆相が
順に繰り返される。すなわち、Ｚ軸移動装置１２の駆動
により垂直反射波と弾性表面波との位相変化がおきて受
信機６の出力信号の振幅が変化する。このような電気信
号をＡ／Ｄ変換器９を介して演算制御器１０により処理
し、ディスプレイ１３上に表示すると、図１２に示すよ
うに一定周期を持った曲線が得られる。この曲線がいわ
ゆるＶ（Ｚ）曲線であり、横軸に探触子１の位置が、縦
軸に干渉波の受信信号レベルがとってあり、図示のよう
にある一定の周期を有し、この周期および信号レベルが
前記弾性表面波の伝播速度および減衰と所定の関係にあ
る。したがって、当該周期および信号レベルを計測する
ことにより伝播速度および減衰が判り、これらにより試
料３の物性を評価することができる。

【０００４】ところで、このような超音波検査に使用さ
れる探触子としては、一般に図１３〜図１５に示すよう
な点集束型探触子が用いられる。図１３は点集束型探触
子の上面図、図１４はその側面図、図１５はその底面図
である。すなわちこの点集束型探触子は図１３に示すよ
うに音響レンズ２０の上面の中心にリード線２１が接続
された円形状の振動子２２が装着され、かつ図１４およ
び図１５に示すようにこの音響レンズ２０の下端面に半
球面状の凹面２３を形成して構成されている。この点集
束型探触子を用いて例えば図１６の顕微鏡写真に示すよ
うな金属粒子組織を持つ試料３を観察する手法としては
、焦点位置での反射率の違いを測定する手法と、前記Ｖ
（Ｚ）曲線を用いる手法とがあるが、後者の方がより鋭
敏に反応するので、後者すなわち弾性表面波速度の違い
を測定して観察を行なう方が多い。このようにして試料
３の全体の組織観察を行った後に、さらに各組織の物性
を定量的に把握する場合には、試料３上の任意の位置の
組織をＶ（Ｚ）曲線により測定するが、組織の異方性を
把握する場合には、点集束型探触子によっては充分な把
握ができない。その理由は図１７に符号Ａで示す試料面
３の弾性表面波伝播領域の矢印のように点集束型探触子
によって励起される弾性表面波は平面内の全方向成分を
有しており、異方性組織の全方向の弾性表面波速度の混
じり合ったＶ（Ｚ）曲線を得ることになり、解析を困難
にしているからである。そこで、組織の異方性を把握す
る場合には、点集束型探触子を装置から取り外し、放射
される超音波が方向性を持つ線集束型探触子と交換して
試料への超音波照射を行っている。図１８〜図２０は線
集束型探触子の上面図、側面図および底面図、図２１は
図１９の線Ｄ’−Ｄ’に沿う断面図である。この線集束
型探触子は図１８に示すように例えば音響レンズ３０の
上面の中心にリード線３１が接続された方形状の振動子
３２を装着し、図１９、図２０および図２１に示すよう
にこの音響レンズ３０の下端面に半円筒状の凹面３３を
形成して構成されている。この線集束型探触子によって
励起される弾性表面波は図２２に符号Ｂで示す試料の弾
性表面波伝播領域の矢印のように音響レンズ３０の下端
面の凹面３２が半円筒状であるから特定方向（当該半円
筒の径方向）にのみ伝播されるので異方性組織の各方向
毎の弾性表面波速度を測定することが可能である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の超音波顕微
鏡装置においては、試料の物性を評価するとき、全体画
像観察には点集束型探触子を使用し、組織の異方性を観
察する場合には当該点集束型探触子を取り外して線集束
型探触子と交換する手段が採られている。しかし実際の
測定対象組織はμｍオーダの微小領域であるので、探触
子交換時の取付け誤差により、真に得たい位置での異方
性計測が困難であるという問題があった。またこれを避
けるため、最初から線集束型探触子を用いると次のよう
な不具合が生じる。すなわち、線集束型探触子からの超
音波は方向性を有するので、試料３の組織の全体画像観
察をする場合、図２３に示すように弾性表面波伝播領域
Ｂの弾性表面波伝播方向がＸ方向であると、この方向の
弾性表面波速度の違いを表現した画像が得られることに
なるが、矩形領域Ｂは相当範囲を有し、組織の境界にま
たがることになるので、結局、得られる像は図２５に示
すようにＸ方向の組織の境界が明瞭に表れない画像とな
る。逆に領域Ｂの弾性表面波伝播方向が図２４に示すよ
うにＹ方向であると、得られる像は図２６に示すように
Ｙ方向の組織の境界が明瞭に表れない画像となる。いず
れにしろ、線集束型探触子を用いたのでは本来得たい全
体組織画像とは異なった組織画像となってしまう。本発
明の目的は、上記従来技術の課題を解決し、探触子を交
換することなく、１つの探触子で点集束、および線集束
を行うことができる超音波顕微鏡装置を提供することに
ある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は音響レンズおよび振動子よりなる探触子と
、前記振動子を励振させる送信機と、前記振動子の励振
により生じた超音波の反射波を受信する受信機とを備え
た超音波顕微鏡装置において、前記音響レンズを、中心
周囲レンズ面を球状凹面に構成した第１のレンズ、およ
び中心レンズ面を円筒状凹面に構成した第２の音響レン
ズで構成するとともに、前記探触子を、前記第１のレン
ズのレンズ面に設けられて点集束する超音波を発生する
第１の振動子、および前記第２のレンズのレンズ面に対
向する位置に設けられ線集束する超音波を発生する第２
の振動子で構成し、かつ、前記受信機の出力信号と所定
の発信信号とを合成する合成手段を設けたことを特徴と
する。

【０００７】

【作用】試料の物性を評価するときの全体画像観察を行
うときには、第１の振動子に電圧を印加し、ここで変換
された超音波を直接に試料へと照射する。そして試料か
らの反射波を同じ第１の振動子で電気信号に変換し、こ
の電気信号と所定の発信信号を合成手段で合成し、ここ
で得られた干渉波からＶ（Ｚ）曲線を得る。一方、試料
の異方性を測定するときには、第２の振動子に電圧を印
加し、ここで変換された超音波を円筒状凹面から試料へ
と照射する。そして試料からの反射波を同じ第２の振動
子で電気信号に変換し、この電気信号中の垂直反射波と
弾性表面波とを干渉させてＶ（Ｚ）曲線を得る。

【０００８】

【実施例】以下、本発明を図示の実施例に基づいて説明
する。図１〜図４は本発明の実施例に係る超音波顕微鏡
装置に用いられる超音波探触子の構成を示す図であり、
図１は上面図、図２側面図、図３は底面図、図４は図１
に示す線Ｄ−Ｄに沿う断面図である。図中、４０は超音
波探触子を示す。４１は第１の音響レンズ、４２は音響
レンズ４１の下端面に形成された球状凹面、４３はその
球状凹面４２に設けられ、リード線４４が接続されたリ
ング形状の第１の振動子、４５は球状凹面４２の中心に
垂直方向に貫通形成された開孔である。４６は前記球状
凹面４２の中心、つまり開孔４５内に組込まれた第２の
音響レンズ、４７は第２の音響レンズ４６の下端面に形
成された円筒状凹面、４８は第２の音響レンズ４６の上
面の前記円筒状凹面４７に対向する位置に設けられ、リ
ード線４９が接続された方形状の第２の振動子である。 なお、音響レンズ４１の開孔４５内に第２の音響レンズ
４６を組込む方法としては、螺合方式、嵌合方式、ある
いは接着方式等が考えられるが、初めから一体成形とす
ることもできる。

【０００９】図５は上記第１の振動子４３から超音波が
発信されたときの状態を説明する説明図である。図５で
、図１と同一部分には同一符号を付して説明を省略する
。図５に示す第１の振動子４３にリード線４４を介して
電圧が印加された場合、第１の振動子４３から発信され
る超音波ビーム５０は図５に示すように試料３へ向けて
集束されながら放射される。

【００１０】図６は図５の二点鎖線Ｃ内、つまり試料３
上に対してデフォーカス状態で超音波を照射したときの
反射の態様を示す拡大説明図である。図６で、図５に示
す部分と同一部分には同一符号が付してある。図６に示
すように第１の振動子４３により得られる超音波ビーム
５０は、デフォーカス時にリング形状の超音波ビーム５
１として試料３に入射する。このとき、超音波ビーム５
０の照射範囲内には弾性表面波５２が励起されるが、音
響レンズ４０の中心近傍の垂直反射波が無いためにこの
ままでは干渉が起こらず、Ｖ（Ｚ）曲線が得られない。 そこで、本実施例では後述する基準信号源と合成回路と
を用いて電気的に干渉を起こさせてＶ（Ｚ）曲線を得る
ようにする。なお、第１の音響レンズ４６の上面の中心
に配置された第２の振動子４８から超音波が発信された
場合には、図１８、図２２に示す探触子と同様、その超
音波は円筒状凹面４７に向けて伝播し、さらに当該円筒
状凹面４７により試料３上へと線集束されることになる
。

【００１１】図７は本実施例の超音波顕微鏡装置のブロ
ック図である。図中、図１および図９に示した部材、機
構等と同一のものには同一の符号を付して説明を省略す
る。６０は基準信号源であり、基準信号、例えば所定周
波数の正弦波信号を発信する。６１は合成回路であり、
基準信号源６０からの基準信号と、受信機６が受信した
電気信号、つまり探触子４０が試料３からの反射波を変
換した電気信号とを合成する。送信機５から出力された
バースト電圧が方向性結合器７を介して第１の振動子４
３に印加された場合、第１の振動子４３は超音波を放射
し、この超音波は直接に媒体２中を伝播して試料台４上
の試料３へと照射される。そして第１の振動子４３は当
該試料３から反射してくる反射波、つまり弾性表面波を
電気信号に変換し、変換された電気信号は方向性結合器
７を介して受信機６に受信される。次いで受信機６で受
信した電気信号は合成回路６１に送られ、ここで基準信
号源６０から発信される基準信号と合成されて干渉波が
得られる。この干渉波はピーク検出器８に送られてその
ピーク値が検出され、このピーク値はさらにＡ／Ｄ変換
器９でデジタル信号に変換された後に、演算制御器１０
に入力される。探触子４０のＺ軸方向の移動に伴い、受
信機６の出力信号の位相は当該移動に応じて変化するが
、基準信号は同一位相を維持しているので、合成回路６
１からの干渉波信号は同位相と逆位相の間で干渉が繰返
され、その干渉波信号レベルが徐々に変化した信号とな
る。このようにして得られた信号に基づいて演算制御器
１０が所定の演算、制御を行ない、その結果がＣＲＴデ
ィスプレイ１３上に画面表示される。これにより組織の
物性を評価することができる。また、送信機５から出力
されたバースト電圧が方向性結合器７を介して第２の振
動子４８に印加された場合、第２の振動子４８は超音波
を放射し、この超音波は第２の音響レンズ４６、および
媒体２を介して試料台４上の試料３へと照射される。 そして第２の振動子４４は当該試料３から反射してくる
反射波、つまり垂直反射波と弾性表面波とを干渉した干
渉波を電気信号に変換し、変換された電気信号は方向性
結合器７を介して受信機６に受信される。次いで受信機
６で受信した電気信号は合成回路６１を介してピーク検
出器８に送られてそのピーク値が検出される。この場合
、基準信号源６０の発振は停止され、その出力は０とな
っている。検出されたピーク値はさらにＡ／Ｄ変換器９
でデジタル信号に変換された後に、演算制御器１０に入
力される。ここで演算制御器１０が所定の演算、制御を
行ない、その結果がＣＲＴディスプレイ１３上に画面表
示される。これにより組織の異方性を把握することがで
きる。したがって本実施例では、点集束機能を必要とす
る場合にはリング状の第１の振動子４３に対してバース
ト電圧を印加し、試料３から反射してくる反射波（つま
り弾性表面波）を電気信号に変換し、これを合成回路６
１により基準信号源６０からの基準信号と合成して干渉
波を得るようにするとともに、その干渉波を制御演算器
１０により処理する一方、線集束機能を必要とする場合
には方形状の第２の振動子４８を励振させ、円筒状凹面
４７を介して得られる反射波を電気信号に変換し、これ
をそのまま制御演算器１０により処理するようにしたの
で、探触子の交換をすることなく点集束と線集束を行な
うことができ、ひいては試料３の物性を正確に評価する
ことが可能となる。

【００１２】図８は本発明の他の実施例に係る超音波顕
微鏡装置のブロック図であり、図中、図１および図４に
示した部材、機構等と同一のものには同一の符号を付し
て詳細な説明を省略する。７０は連続発信器であり、連
続的に基準信号、例えば所定周波数の正弦波信号を発信
する。７１は波形切出器であり、連続発信器７０から発
信される基準信号から所要のバースト電圧を取り出して
出力する。連続発信器７０と波形切出器７１で送信機が
構成される。波形切出器７１から出力されたバースト電
圧が方向性結合器７を介して第１の振動子４３に印加さ
れ、この振動子４３が試料３から反射してくる反射波を
電気信号に変換し、変換された電気信号は方向性結合器
７を介して受信機６に受信され、受信機６の出力信号は
合成回路６１において連続発信器７０からの基準信号と
合成され、合成回路６１から干渉波信号が出力される。 以後の動作は先の実施例と同じである。このように本実
施例では、送信機を構成する連続発信器７０から基準信
号を得るようにしたので、先の実施例の効果に加えて、
別途基準信号源を設ける必要をなくすことができるとい
う効果を奏する。

【００１３】

【発明の効果】以上、本発明によれば、超音波探触子の
第１のレンズの下端には球状凹面を形成するとともに、
当該第１のレンズに円筒状凹面を有した第２の音響レン
ズを組込み、さらに球状凹面に第１の振動子を設け、第
２の音響レンズの円筒状凹面に対向する位置に第２の振
動子を設け、第１の振動子で試料からの反射波を測定す
る際には当該反射波を基準信号と合成回路で合成するよ
うにしたので、探触子を交換することなく、１つの探触
子で点集束および線集束を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係る超音波顕微鏡装置に用い
られる超音波探触子の上面図である。

【図２】図１の側面図である。

【図３】図１の底面図である。

【図４】図１に示す線Ｄ−Ｄに沿う断面図である。

【図５】第１の矩形状の振動子から超音波が発信された
ときの状態を説明する説明図である。

【図６】試料上に対してデフォーカス状態で超音波を照
射したときの反射の態様を示す拡大説明図である。

【図７】本発明の第１の実施例に係る超音波顕微鏡装置
のブロック図である。

【図８】本発明の第２の実施例に係る超音波顕微鏡装置
のブロック図である。

【図９】従来の超音波顕微鏡装置のブロック図である。

【図１０】従来の超音波探触子において試料に超音波を
照射したときの状態を示す拡大説明図である。

【図１１】垂直反射波、弾性表面波、および干渉波の一
例を示す図である。

【図１２】Ｖ（Ｚ）曲線の一例を示す図である。

【図１３】従来の点集束型探触子の上面図である。

【図１４】図１１の側面図である。

【図１５】図１１の底面図である。

【図１６】金属表面の顕微鏡写真の一例を示す図である
。

【図１７】従来の点集束型探触子において試料に超音波
を照射したときの反射の態様を示す拡大説明図である。

【図１８】従来の線集束型探触子の上面図である。

【図１９】図１６の側面図である。

【図２０】図１６の底面図である。

【図２１】図１７の線Ｄ’−Ｄ’に沿う断面図である。

【図２２】従来の線集束型探触子において試料に超音波
を照射したときの反射の態様を示す拡大説明図である。

【図２３】従来の線集束型探触子の弾性表面波伝播方向
がＸ方向であるときの計測の態様を説明する説明図であ
る。

【図２４】従来の線集束型探触子の弾性表面波伝播方向
がＹ方向であるときの計測の態様を説明する説明図であ
る。

【図２５】従来の線集束型探触子の弾性表面波伝播方向
がＸ方向であるときに試料の組織を観察した結果である
組織画像の具体例を示す説明図である。

【図２６】従来の線集束型探触子の弾性表面波伝播方向
がＹ方向であるときに試料の組織を観察した結果である
組織画像の具体例を示す説明図である。

【符号の説明】

４１　　第１の音響レンズ ４２　　球状凹面 ４３　　第１の振動子 ４６　　第２の音響レンズ ４７　　円筒状凹面 ４８　　第２の振動子

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　音響レンズおよび振動子よりなる探触
   子と、前記振動子を励振させる送信機と、前記振動子の
   励振により生じた超音波の反射波を受信する受信機とを
   備えた超音波顕微鏡装置において、前記音響レンズを、
   中心周囲レンズ面を球状凹面に構成した第１のレンズ、
   および中心レンズ面を円筒状凹面に構成した第２のレン
   ズで構成するとともに、前記振動子を、前記第１のレン
   ズのレンズ面に設けられて点集束する超音波を発生する
   第１の振動子、および前記第２のレンズのレンズ面に対
   向する位置に設けられ線集束する超音波を発生する第２
   の振動子で構成し、かつ、前記受信機の出力信号と所定
   の発信信号とを合成する合成手段を設けたことを特徴と
   する超音波顕微鏡装置。
2. 【請求項２】　　請求項１において、前記第１の振動子
   は、前記球状凹面に沿うリング形状であることを特徴と
   する超音波顕微鏡装置。
3. 【請求項３】　　請求項１において、前記第２の振動子
   は、方形の振動子であることを特徴とする超音波顕微鏡
   装置。
4. 【請求項４】　　請求項１において、前記第２のレンズ
   は、第１のレンズに形成した開孔に密着嵌合して一体化
   されていることを特徴とする超音波顕微鏡装置。
5. 【請求項５】　　請求項１において、前記合成手段によ
   り前記受信機の出力信号と合成される所定の発信信号は
   、基準信号源から出力される所定周波数の正弦波である
   ことを特徴とする超音波顕微鏡装置。
6. 【請求項６】　　請求項１において、前記合成手段によ
   り前記受信機の出力信号と合成される所定の発信信号は
   、前記送信機を構成する連続発信機の出力信号であるこ
   とを特徴とする超音波顕微鏡装置。