JP2664443B2 - 超音波でサンプルを調査する装置 - Google Patents

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
止するための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ィレー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
たディレーに相当するそれらの間のディレーでアクティ
ブな変換領域に到達するので、ディレー時間は適切に調
節されたときにアレイに焦点を与える。この構成の利点
はディレー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20ns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。通常、25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響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、半導体ウエファやセラミック
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を有する装置を提供するものである。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100
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100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IV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50nsであ
る。これは約20MHz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マイクロジュールから１ミリジ
ュ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1mm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
なアクタクラッディ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がプローブヘッド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、即ち超音波を生じさせる。超音波はサンプル10
0内を伝播し、或るものはプローブ10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10
0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50mmの間に配置される。

ある目的では、プローブヘッド10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、プロー
ブヘッド10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１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の或る形体においては、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100
の表面へ強く発散する。これはサンプル100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10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。或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10
0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10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、プローブヘッド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100の表
面へ向かって延びていず、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100
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100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。

【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。

フロントページの続き (72)発明者 リチャード ジェイムズ デューハース ト イギリス国，マンチェスター エム６オ ー １キューディー，ピー．オー．ボッ クス 88，ザ ユニバーシティー オブ マンチェスター インスティテュート オブ サイエンス アンド テクノロ ジー，シー／オー デパートメント オ ブ インストルメンテーション アンド アナリティカル サイエンス (56)参考文献 特開 昭62−81550（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−46838（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−123751（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−127665（ＪＰ，Ａ)

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】超音波でサンプルを調査する装置であっ
   て、 高周波数のパルスの光放射を生成するための光放射源
   と、 前記光放射源からの光放射をその第一端部から前記サン
   プルへ伝達するための光ファイバー手段と、 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
   検出す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、該変換器エレメントは前記光ファイ
   バー手段の前記第一端部から前記サンプルへの光放射の
   入射点に関係する点に焦点を有するように配置され、 該変換器エレメントと光ファイバー手段の前記第一端部
   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する音響的結
   合媒体とを備えた超音波でサンプルを調査する装置。
2. 【請求項２】該変換器エレメントが焦点を結ぶように配
   置される点は前記サンプルへの光放射の入射点と一致す
   るかあるいは同軸上にある請求項１に記載の超音波でサ
   ンプルを調査する装置。
3. 【請求項３】前記変換器エレメントが前記サンプルへの
   光放射の入射点に関係する点に焦点を有する形状に形成
   されている請求項１又は２に記載の超音波でサンプルを
   調査する装置。
4. 【請求項４】前記変換器エレメントが電子的に焦点を結
   ぶ同調アレイの形体に形成されている請求項１又は２に
   記載の超音波でサンプルを調査する装置。
5. 【請求項５】前記光放射源がレーザーからなる請求項１
   から４のいずれかに記載の超音波でサンプルを調査する
   装置。
6. 【請求項６】前記レーザーが前記ケーシングから離れた
   位置にある請求項５に記載の超音波でサンプルを調査す
   る装置。
7. 【請求項７】前記光ファイバー手段の前記第一端部にマ
   イクロレンズを有し、該マイクロレンズが前記光放射源
   からの光放射の発散を修正するためのものである請求項
   １から６のいずれかに記載の超音波でサンプルを調査す
   る装置。