JPH0668487B2 - 超音波顕微鏡用音響変換素子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は一般に超音波顕微鏡で使われる音響変換素子−
レンズ系に関し、特に横偏波音響変換素子−レンズ系に
関する。

（従来の技術） 従来の音響変換素子−レンズ系は、縦偏波音響変換素子
−レンズ系であった。これらの系はバッファロッドの一
端に装着または被着された縦偏波形圧電材料の層を含
み、バッファロッドの他端に球面レンズが形成されてい
た。球面レンズは、作像および材料の特性測定において
極めて良好に機能する。

代表的な従来の縦偏波音響変換素子−レンズ系を第１図
に示す。表面作像では、縦偏波音響変換素子から発生さ
れた縦波がバッファロッドを通って伝播し、球面レンズ
によってサンプルの表面に集束される。低いサイドロー
ブレベルを得るため、バッファロッドの長さは次式でＳ
＝１に対応するように選ばれる。

Ｓ＝λ／ａ^２ 但しλはバッファロッド内における縦波の波長、はバ
ッファロッドの長さ、およびａは変換素子の半径。

レンズをサンプルに近付けると（焦点をぼかすと）表面
波が誘起され、これが音響表面波の速度および残留応力
等材料特性に関する定量的情報を与える。材料の特性測
定では、音響表面波を効率的に励起することが重要であ
る。音響表面波励起の効率を評価するためには、時間ド
メインにおける変換素子−レンズ系のパルス応答を観測
する。

第２図は、−1.8mmだけ焦点をぼかしたときの、中心周
波数５０MHzで、Ｓ＝１に対応したバッファロッド長さ
における縦偏波音響変換素子−レンズ系の主パルス応答
の理論的結果を示す。レンズの直径は4.5mm、Ｆナンバ
ーは1.65である。計算を行ったサンプルは、熱間プレス
加工の窒化シリコンとした。受信信号は、初めにくる鏡
面反射信号と、その次に到着する音響表面波成分とから
成り、鏡面反射信号より表面波信号の方が弱い。

表面波信号の相対振幅を増大させるためには、レンズの
中心領域での音響照明を最小とするのが有効である。こ
れを行う一つの方法は、レンズを変換素子の近視野内
で、軸上の場強度が例えばＳ＝0.5等の最小値となる位
置に置くことである。

第３図は、中心周波数４０MHzおよび焦点距離−1.8mm
で、Ｓ＝0.6に対応したバッファ長さで構成された縦偏
波音響変換素子−レンズ系の、時間ドメインにおけるパ
ルス応答の理論的結果を示す。レンズの直径は3.5mm、
Ｆナンバーは1.65である。サンプルは熱間プレス加工し
た窒化シリコンである。鏡面反射波に対する表面波励起
の効率は、第２図の変換素子−レンズ系の励起効率と比
べ増大された。

（発明が解決しようとする問題点） 別種の問題として、音響計測法を用いて異方性サンプル
の異方性を測定するのが望ましい。こうした用途におい
て、球面集束された一様に照明される変換素子を用いる
ことは、サンプルの表面に直角な軸を中心とした材料の
異方性を平均化してしまうので望ましくない。このた
め、球面レンズより円筒レンズの方が好ましく、異方性
を正確に測定できるが、高価で、空間解像度が低下す
る。円筒レンズは一般に一方向に沿って集束され、他の
方向では集束外れが生じる。つまり、焦点スポットは円
筒レンズの軸に沿って非常に長く細い。

本発明の一般的な目的は、横偏波音響変換素子−レンズ
系を提供することにある。

本発明の別の目的は、結合媒体内で縦偏波が誘起される
変換素子−レンズ系を提供することにある。

本発明の更なる目的は、横偏波形圧電材料が他端にレン
ズを有するバッファロッドの一端に横偏波を励起し、該
レンズがレンズ上の選定位置におけるモード変換によっ
て結合媒体中に縦波を励起するような変換素子−レンズ
系を提供することにある。

本発明の上記およびその他の目的は、結合媒体中に浸さ
れたサンプルと該結合媒体を介して結合され、サンプル
の選択された領域において表面波を励起する超音波顕微
鏡において使用される音響変換素子−レンズ系におい
て、バッファロッドと、該バッファロッドの一端に結合
された圧電材料の横偏波層と、該横偏波層の電場を加
え、バッファロッドに沿ってその中へ進む横音響波を発
生する手段と、前記バッファロッドの他端の面を成形す
ることにより形成されたレンズとを備え、該レンズは前
記横音響波により照射され、前記レンズは、該レンズに
よりサンプルに集束されサンプルの選択領域において表
面波を励起する縦音響波を、レンズ結合媒体インタフェ
ースにおいてモード変換することにより、前記レンズの
面の選択された場所において励起を行うように成形され
ていることを特徴とする音響変換素子−レンズ系によっ
て達成される。

上記および他の目的は、添付の図面を参照した以下の説
明から明らかとなろう。

（実施例） 第４図は、本発明の一実施例に基づく横偏波変換素子−
レンズ系を示す。図示の系は、水晶、サファイヤまたは
シリコン製のバッファロッド１１と、該バッファロッド
の一端１３に被着または適切に装置された横偏波形圧電
材料１２とを含む。バッファロッドの他端１４は球面レ
ンズ１６へと研磨あるいはその他の方法で形成されてい
る。横偏波形圧電材料に電圧を加えると、矢印で示すよ
うに横偏波がバッファロッド内に励起され、これがレン
ズへと下方に進む。レンズは横偏波１８（第５図）によ
って照明される。第６図に概略的に示すように、バッフ
ァロッドとの結合媒体界面におけるモード変換が、通常
水から成る結合媒体中に縦波を励起する。モード変換は
レンズの選定地点においてだけ、縦波を結合媒体内へと
結合する。地点“ａ”では、界面に対して横波が直角入
射するため、モード変換は生じない。地点“ｂ”と
“ｃ”では、横波が結合媒体内の縦波へとエネルギーを
結合しない横水平偏波として界面に入射するので、縦波
は全くモード変換されず、バッファ内へと全反射され
る。しかし地点“ｄ”と“ｅ”では、横波が横垂直偏波
として入射し、エネルギーを結合媒体内へと結合する。
従って第６図に概略的に示すように、結合媒体内におけ
る縦波の励起パターンは、エネルギーが一軸（横偏波の
方向）に沿って優先的に励起され、直交軸に沿っては全
く存在しないように方向付けされる。このような変換素
子−レンズの組合せによれば、球面レンズによって決ま
り、バッファロッドとの結合媒体界面における横波から
縦波へのモード変換によって単一方向に与えられる焦点
スポットが生じる。かかるレンズを使えば、現在円筒レ
ンズで得られているよりもはるかに優れた空間解像度で
異方性を測定できる。

被着される圧電膜は、横偏波特性を持ち、数十ギガヘル
ツの周波数範囲で動作可能な酸化亜鉛等の膜とし得る。
つまり、本方法は低周波数に制限されず、超音波顕微鏡
で測定がなされる任意の動作周波数で使用できる。

変換素子−レンズ系の別の構成を第７図に示す。この圧
電材料は、変換素子に電圧を加えると、放射方向の矢印
で示した放射横偏波すなわち円横偏波又は楕円横偏波を
バッファロッド内に与えるように構成されている。この
ようなレンズ照明によれば、水中においてレンズの中心
で変換される縦波は全く存在しない。これは、界面の異
なる地点における入射角がｒ／Ｆで変化するからであ
る。但しｒはレンズ中心からの半径距離、Ｆはレンズの
焦点距離。この変換素子−レンズ系をサンプルの測定に
使えば、変換素子をサンプルの方に近付けると音響表面
波が励起され、サンプルからの鏡面反射が非常に弱く、
ほとんど存在しないことが認められている。かかる変換
素子の超音波顕微鏡によれば、水中における縦波の数波
長に対応した空間解像度での表面波速度の変化測定を行
うことができる。すなわち、結合媒体中に音響波ビーム
の垂直成分は全く存在しないので、（レンズをサンプル
の方へ近付けることによる）わずかな焦点外れで表面波
の励起を可能とする。この励起が第８図に示してあり、
ｘ／λ単位の距離を関数とした音響場の振巾が、＝５
０MHzで焦点距離−0.3mmの場合について示してある。ピ
ーク間の距離は約８波長で、数波長程度の小スポットサ
イズを与えることが理解されよう。

このようなレンズでの計算結果を、1.8mmだけ焦点外し
され、５０MHzに等しい周波数での横偏波音響変換素子
−レンズ系について第９図に示し、レンズの直径は２m
m、Ｆナンバーは1.65である。サンプルは熱間プレス加
工された窒化シリコンである。第９図は、表面波の成分
と比べ鏡面反射信号が無視可能なことを明らかにしてい
る。これはわずかな焦点外れで鮮明な表面波を得るのを
可能とし、この点は高い空間解像度での材料の特性測定
にとって非常に重要である。

“より鮮明な”表面波の励起および横偏波音響変換素子
−レンズ系の異方性という利点を利用すれば、膜厚や表
面下のクラック深さをはじめ、表面液の速度、残留応力
および材料の異方性等多くの新規な用途が期待される。

偏波変換素子１２は、縦および横の両波がバッファロッ
ド内で励起されるようにも作製できる。従って、サンプ
ルを分析し、異なる時間的信号を与えるのに、両種類の
音響波を使える。

（発明の効果） すなわち、高効率の表面波励起を与える横偏波音響変換
素子−レンズ系が得られる。横偏波音響変換素子−レン
ズ系の新規な構成は、結合媒体（水）中における縦波の
数波長という空間解像度で、表面波の速度変化、異方
性、残留応力、表面欠陥の定量測定を可能とする。

【図面の簡単な説明】

第１図は代表的な従来の縦偏波音響変換素子−レンズ系
の概略図；第２図は第１図のレンズ系のパルス応答を示
すグラフ；第３図はレンズ中心での音響照明を最小とし
た場合における第１図のレンズ系パルス応答を示すグラ
フ；第４図は本発明の一実施例による直線横偏波変換素
子系を示す斜視図；第５図はバッファロッド内における
レンズでの横波を示す概略図；第６図は第５図の横波に
よって励起される球面レンズの表面での結合を示す概略
図；第７図は本発明の別の実施例による放射横偏波音響
変換素子を示す斜視図；第８図は放射横偏波音響変換素
子−レンズ系に関する、焦点外れ0.3mmの平面内での偏
波方向に沿った音響場の分布を示すグラフ；および第９
図は放射横偏波音響変換素子−レンズ系のパルス応答を
示すグラフである。 １１……バッファロッド、 １２……圧電材料、 １３……一端、 １４……他端、 １６……レンズ、 １８……音響波。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 チン フー チョー アメリカ合衆国 カリフォルニア州 94306 パロ アルト ファーナンド ア ベニュー 456 (56)参考文献 特開 昭58−9063（ＪＰ，Ａ)

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】結合媒体中に浸されたサンプルと該結合媒
   体を介して結合され、サンプルの選択された領域におい
   て表面波を励起する超音波顕微鏡において使用される音
   響変換素子−レンズ系において、バッファロッドと、該
   バッファロッドの一端に結合された圧電材料の横偏波層
   と、該横偏波層の電場を加え、バッファロッドに沿って
   その中へ進む横音響波を発生する手段と、前記バッファ
   ロッドの他端の面を成形することにより形成されたレン
   ズとを備え、該レンズは前記横音響波により照射され、
   前記レンズは、該レンズによりサンプルに集束されサン
   プルの選択領域において表面波を励起する縦音響波を、
   レンズ結合媒体インタフェースにおいてモード変換する
   ことにより、前記レンズの面の選択された場所において
   励起を行うように成形されていることを特徴とする音響
   変換素子−レンズ系。
2. 【請求項２】前記圧電材料が直線偏波形で、電圧が加え
   られると直線偏波を発生する特許請求の範囲第１項記載
   の音響変換素子−レンズ系。
3. 【請求項３】前記圧電材料が放射偏波形で、電圧が加え
   られると放射偏波を発生する特許請求の範囲第１項記載
   の音響変換素子−レンズ系。
4. 【請求項４】前記レンズが対称状である特許請求の範囲
   第１項記載の音響変換素子−レンズ系。
5. 【請求項５】前記圧電材料の横偏波層に縦偏波も与えら
   れている特許請求の範囲第１項記載の音響変換素子−レ
   ンズ系。