JP3002082B2 - 超音波探触子 - Google Patents
超音波探触子Info
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- JP3002082B2 JP3002082B2 JP5332614A JP33261493A JP3002082B2 JP 3002082 B2 JP3002082 B2 JP 3002082B2 JP 5332614 A JP5332614 A JP 5332614A JP 33261493 A JP33261493 A JP 33261493A JP 3002082 B2 JP3002082 B2 JP 3002082B2
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- Japan
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- lens
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- piezoelectric transducer
- ultrasonic
- acoustic lens
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- Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
- Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、超音波顕微鏡に係り、
被検体の弾性的性質を観察するセンサである超音波探触
子に関する。
被検体の弾性的性質を観察するセンサである超音波探触
子に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年超音波工学の進展につれてコンパク
トな超音波送受信用の圧電トランスデューサが開発さ
れ、又、超音波伝搬媒体の加工技術や超音波計測技術の
進歩もあいまって、超音波顕微鏡が実用化されてきた。
超音波顕微鏡は、超音波ビームを細く絞って固体被検体
に照射し、走査しながら反射波を電気信号に変換するこ
とによって光学顕微鏡や電子顕微鏡では観察できない物
質の弾性的性質を映像として表示する装置である。
トな超音波送受信用の圧電トランスデューサが開発さ
れ、又、超音波伝搬媒体の加工技術や超音波計測技術の
進歩もあいまって、超音波顕微鏡が実用化されてきた。
超音波顕微鏡は、超音波ビームを細く絞って固体被検体
に照射し、走査しながら反射波を電気信号に変換するこ
とによって光学顕微鏡や電子顕微鏡では観察できない物
質の弾性的性質を映像として表示する装置である。
【０００３】電気パルスを超音波に変換し且つその逆変
換を行う圧電トランスデューサと、超音波ビームを絞り
込み対象被検体に焦点を合わせて放射する音響レンズと
から成る超音波探触子は、超音波顕微鏡のセンサであ
り、極めて重要な部品である。
換を行う圧電トランスデューサと、超音波ビームを絞り
込み対象被検体に焦点を合わせて放射する音響レンズと
から成る超音波探触子は、超音波顕微鏡のセンサであ
り、極めて重要な部品である。
【０００４】等方性被検体の観察に用いられる超音波探
触子は、通常円錐状の超音波集束ビームを被検体に照射
するため、円筒形状を有している。図５は、その一般的
形状をに示した。図５（Ａ）が斜視図、図５（Ｂ）が底
面図である。
触子は、通常円錐状の超音波集束ビームを被検体に照射
するため、円筒形状を有している。図５は、その一般的
形状をに示した。図５（Ａ）が斜視図、図５（Ｂ）が底
面図である。
【０００５】図５によれば、超音波探触子は、音響レン
ズ１０と圧電トランスデューサ１１とから成る。音響レ
ンズ１０は円筒形状を有するが、下端面には超音波ビー
ムを集束するためのテーパ領域部１７と集束用凹レンズ
１８とが設けられている。圧電トランスデューサ１１
は、音響レンズ１０の円筒軸Ｚ−Ｚ′に垂直な上端面に
接触して構成されている。圧電トランスデューサ１１
は、上面電極１２、圧電体１３、下面電極１４及びリー
ド線１５、１６から成り、上面電極１２及び圧電体１３
は、Ｚ−Ｚ′軸まわりに音響レンズ１０上端面上で、同
心円状に配置されている。
ズ１０と圧電トランスデューサ１１とから成る。音響レ
ンズ１０は円筒形状を有するが、下端面には超音波ビー
ムを集束するためのテーパ領域部１７と集束用凹レンズ
１８とが設けられている。圧電トランスデューサ１１
は、音響レンズ１０の円筒軸Ｚ−Ｚ′に垂直な上端面に
接触して構成されている。圧電トランスデューサ１１
は、上面電極１２、圧電体１３、下面電極１４及びリー
ド線１５、１６から成り、上面電極１２及び圧電体１３
は、Ｚ−Ｚ′軸まわりに音響レンズ１０上端面上で、同
心円状に配置されている。
【０００６】一方、音響レンズ１０の下端面中央部に設
けられた集束用凹レンズ１８もＺ−Ｚ′軸をレンズ軸と
して配置されている。
けられた集束用凹レンズ１８もＺ−Ｚ′軸をレンズ軸と
して配置されている。
【０００７】圧電体１３の上面、下面電極１２、１４間
にパルス電圧を印加すると、圧電体１３に圧電歪が誘起
されて平面超音波が発生する。この超音波ビームは音響
レンズ１０の円筒部に伝搬し、テーパ領域１７で集束さ
れ、更に集束用凹レンズ１８によって円錐状ビームに集
束されれて外部に放出される仕組みである。この様子を
図６に示す。
にパルス電圧を印加すると、圧電体１３に圧電歪が誘起
されて平面超音波が発生する。この超音波ビームは音響
レンズ１０の円筒部に伝搬し、テーパ領域１７で集束さ
れ、更に集束用凹レンズ１８によって円錐状ビームに集
束されれて外部に放出される仕組みである。この様子を
図６に示す。
【０００８】図６は縦断面図を示している。尚、図では
簡単のために、圧電トランスデューサ１１の上、下面電
極１２、１４及びリード線１５、１６は省略している。
集束用凹レンズ１８によって円錐状に絞られた超音波ビ
ームは、減衰を避けるために音響レンズ１０と固体被検
体１９の間に配置された液状音波伝搬媒体（液体カプラ
ー）２０の中に放射される。図６の場合、集束用凹レン
ズ１８の焦点は、固体被検体１９の表面にあわされてい
る。被検体内部を探査する場合には、音響レンズ１０
を、より固体被検体１９に近づけて内部に焦点を合わせ
る。
簡単のために、圧電トランスデューサ１１の上、下面電
極１２、１４及びリード線１５、１６は省略している。
集束用凹レンズ１８によって円錐状に絞られた超音波ビ
ームは、減衰を避けるために音響レンズ１０と固体被検
体１９の間に配置された液状音波伝搬媒体（液体カプラ
ー）２０の中に放射される。図６の場合、集束用凹レン
ズ１８の焦点は、固体被検体１９の表面にあわされてい
る。被検体内部を探査する場合には、音響レンズ１０
を、より固体被検体１９に近づけて内部に焦点を合わせ
る。
【０００９】図５、図６に示したような超音波探触子か
ら放射されて被検体で一部吸収又は散乱された後再び超
音波探触子に戻った超音波ビームは、再び圧電トランス
デューサ１１で電気信号（パルス）に変換される。この
電気信号は被検体の弾性的性質に関する情報を含んでい
るので、固体被検体をＸ−Ｙ平面内で走査することによ
って被検体に関する平面像が得られる。この像は、被検
体の形状やキズ、或は組成不均一に関する情報を含んで
いる。
ら放射されて被検体で一部吸収又は散乱された後再び超
音波探触子に戻った超音波ビームは、再び圧電トランス
デューサ１１で電気信号（パルス）に変換される。この
電気信号は被検体の弾性的性質に関する情報を含んでい
るので、固体被検体をＸ−Ｙ平面内で走査することによ
って被検体に関する平面像が得られる。この像は、被検
体の形状やキズ、或は組成不均一に関する情報を含んで
いる。
【００１０】画像の分解能は、超音波の波長程度で、例
えば１ＧＨｚの場合液状超音波伝搬媒体として水を用い
ると、約１μｍとなる。音速の遅い液状超音波伝搬媒体
を用いる程、又、超音波周波数を高める程、分解能は高
まる。液体Ｈｅ媒体を用い、４．２ＧＨｚの超音波を使
用した場合、５００Ａの分解能が報告されている。
えば１ＧＨｚの場合液状超音波伝搬媒体として水を用い
ると、約１μｍとなる。音速の遅い液状超音波伝搬媒体
を用いる程、又、超音波周波数を高める程、分解能は高
まる。液体Ｈｅ媒体を用い、４．２ＧＨｚの超音波を使
用した場合、５００Ａの分解能が報告されている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】前記した超音波探触子
を用いて反射してくる超音波ビームを圧電トランスデュ
ーサで受信すると、その電気信号には、被検体からの情
報以外に多数の音響レンズ内反射波成分（雑音成分）が
含まれている。圧電トランスデューサで受信した電気信
号（パルス）の例を、図３に示す。図３のＢ0が固体被
検体から反射されてきたパルスであるが図示したように
多数の非情報パルス群（雑音パルス）の中に混在してお
り、弁別しにくい。各非情報パルスの源は、各々図６に
示されている。
を用いて反射してくる超音波ビームを圧電トランスデュ
ーサで受信すると、その電気信号には、被検体からの情
報以外に多数の音響レンズ内反射波成分（雑音成分）が
含まれている。圧電トランスデューサで受信した電気信
号（パルス）の例を、図３に示す。図３のＢ0が固体被
検体から反射されてきたパルスであるが図示したように
多数の非情報パルス群（雑音パルス）の中に混在してお
り、弁別しにくい。各非情報パルスの源は、各々図６に
示されている。
【００１２】即ち、Ｂのパルスは送信用超音波の励起に
用いたパルス（圧電体の下面電極で反射されたパルス）
であり、Ｂ1、Ｂ2及びＢ3は図示したように音響レンズ
の集束用凹レンズ面で多重反射されてくる垂直エコーで
ある。これらは反射回数と共に減衰していく。一方、Ｂ
2、Ｂ0の両側に多数散在する不規則パルスＢnは、テー
パ領域部で反射された超音波ビーム雑音である。図６で
示すように、Ｂnは圧電トランスデューサ→テーパ領域
部→音響レンズ側壁→圧電トランスデューサの径路を辿
るパルスと、音響レンズ側壁から一旦音響レンズ上端面
で反射されて再びテーパ領域部、側壁経由で圧電トラン
スデューサに入射するパルスとがあり、間隔共に不規則
となる。
用いたパルス（圧電体の下面電極で反射されたパルス）
であり、Ｂ1、Ｂ2及びＢ3は図示したように音響レンズ
の集束用凹レンズ面で多重反射されてくる垂直エコーで
ある。これらは反射回数と共に減衰していく。一方、Ｂ
2、Ｂ0の両側に多数散在する不規則パルスＢnは、テー
パ領域部で反射された超音波ビーム雑音である。図６で
示すように、Ｂnは圧電トランスデューサ→テーパ領域
部→音響レンズ側壁→圧電トランスデューサの径路を辿
るパルスと、音響レンズ側壁から一旦音響レンズ上端面
で反射されて再びテーパ領域部、側壁経由で圧電トラン
スデューサに入射するパルスとがあり、間隔共に不規則
となる。
【００１３】図６のＢ0につけられた矢印は、音響レン
ズ１０を固体被検体１９に近づけ、被検体内部で結像さ
せた場合に情報パルスＢ0の現れる位置が移動する方向
を示す。この場合には、音速の小さな液状音波伝搬媒体
の径路長が短くなり、その分音速の大きな固体被検体の
径路長が長くなるので、超音波誘起の電気パルスを発信
後Ｂ0を受信する迄の時間が短くなるためである。この
結果、情報パルスＢ0は更に多重反射不規則パルスＢnと
重畳するケースが増え、一層Ｂ0の弁別化が困難にな
る。
ズ１０を固体被検体１９に近づけ、被検体内部で結像さ
せた場合に情報パルスＢ0の現れる位置が移動する方向
を示す。この場合には、音速の小さな液状音波伝搬媒体
の径路長が短くなり、その分音速の大きな固体被検体の
径路長が長くなるので、超音波誘起の電気パルスを発信
後Ｂ0を受信する迄の時間が短くなるためである。この
結果、情報パルスＢ0は更に多重反射不規則パルスＢnと
重畳するケースが増え、一層Ｂ0の弁別化が困難にな
る。
【００１４】Ｂ0の弁別化を容易にする方策として、例
えば特開昭６２−９５４６０号公報には音響レンズ全体
を円錐形状とし、上端面の圧電トランスデューサのサイ
ズを下端面の集束用凹レンズと同じにする方法が開示さ
れている。この技術によれば、テーパ領域（円錐面）か
らの反射エコーが円錐部の端で多重反射して上端面の圧
電トランスデューサに入射する割合が減ずる。しかし、
この場合には、超音波探触子の幅が広くなって操作性が
低下する上に音響レンズ軸長が短いために送信した超音
波パルスのうちで集束用凹レンズ面で反射される成分
（図３のＢ1、Ｂ2、Ｂ3）が多数発生し、情報パルスが
弁別しにくくなるという問題点がある。
えば特開昭６２−９５４６０号公報には音響レンズ全体
を円錐形状とし、上端面の圧電トランスデューサのサイ
ズを下端面の集束用凹レンズと同じにする方法が開示さ
れている。この技術によれば、テーパ領域（円錐面）か
らの反射エコーが円錐部の端で多重反射して上端面の圧
電トランスデューサに入射する割合が減ずる。しかし、
この場合には、超音波探触子の幅が広くなって操作性が
低下する上に音響レンズ軸長が短いために送信した超音
波パルスのうちで集束用凹レンズ面で反射される成分
（図３のＢ1、Ｂ2、Ｂ3）が多数発生し、情報パルスが
弁別しにくくなるという問題点がある。
【００１５】本発明の目的は、被検体表面或は内部から
の情報パルスを音響レンズ内での反射雑音パルスと弁別
しやすく且つ操作性も低下しない寸法設計の超音波探触
子を提供することである。
の情報パルスを音響レンズ内での反射雑音パルスと弁別
しやすく且つ操作性も低下しない寸法設計の超音波探触
子を提供することである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】本発明では円筒状音響レ
ンズと、その円筒軸に垂直な平面を有する上端面に同心
円状に設けられた圧電トランスデューサと、前記音響レ
ンズの下端面に設けられ且つ前記平面に対して下方に傾
きをなすテーパ領域部と、該テーパ領域部の中心部にあ
って前記円筒軸まわりに開口部を有する焦点距離Ｆの集
束用凹レンズとを有し、液状超音波伝搬媒体を介して固
体被検体の表面及び／又は内部の弾性的性質を観察する
機能を可能にする超音波探触子において、前記上端面か
ら前記集束用凹レンズの底部までの前記円筒軸上の距離
Ｌ′と焦点距離Ｆとが
ンズと、その円筒軸に垂直な平面を有する上端面に同心
円状に設けられた圧電トランスデューサと、前記音響レ
ンズの下端面に設けられ且つ前記平面に対して下方に傾
きをなすテーパ領域部と、該テーパ領域部の中心部にあ
って前記円筒軸まわりに開口部を有する焦点距離Ｆの集
束用凹レンズとを有し、液状超音波伝搬媒体を介して固
体被検体の表面及び／又は内部の弾性的性質を観察する
機能を可能にする超音波探触子において、前記上端面か
ら前記集束用凹レンズの底部までの前記円筒軸上の距離
Ｌ′と焦点距離Ｆとが
【数４】 但し、ここにＶL、Ｖ0は各々音響レンズ、液状音波伝搬
媒体中の音速、を満足するようにしたことを特徴とする
超音波探触子を開示する。
媒体中の音速、を満足するようにしたことを特徴とする
超音波探触子を開示する。
【００１７】本発明では、上端面から開口部までの円筒
軸上の距離がＬで且つ直径Ｗの円筒状音響レンズと、そ
の円筒軸に垂直な平面を有する上端面に同心円状に設け
られた直径Ｄの圧電トランスデューサと、前記音響レン
ズの下端面に設けられ且つ前記平面に対して下方に傾き
θをなすテーパ領域と、該テーパ領域部の中心部にあっ
て前記円筒軸まわりに直径Ａの開口部を有する焦点距離
Ｆの集束用凹レンズとを有し、液状超音波伝搬媒体を介
して固体被検体の表面及び／又は内部の弾性的性質を観
察する機能を可能にする超音波探触子において、前記
Ｌ、Ｗ、Ｄ、Ａ、θ及びＦ間に
軸上の距離がＬで且つ直径Ｗの円筒状音響レンズと、そ
の円筒軸に垂直な平面を有する上端面に同心円状に設け
られた直径Ｄの圧電トランスデューサと、前記音響レン
ズの下端面に設けられ且つ前記平面に対して下方に傾き
θをなすテーパ領域と、該テーパ領域部の中心部にあっ
て前記円筒軸まわりに直径Ａの開口部を有する焦点距離
Ｆの集束用凹レンズとを有し、液状超音波伝搬媒体を介
して固体被検体の表面及び／又は内部の弾性的性質を観
察する機能を可能にする超音波探触子において、前記
Ｌ、Ｗ、Ｄ、Ａ、θ及びＦ間に
【数５】
【数６】 なる不等式が同時に成立するようにしたことを特徴とす
る超音波探触子を開示する。
る超音波探触子を開示する。
【００１８】
【作用】焦点距離Ｆの集束用凹レンズを下端面中央部に
備えた音響レンズの深さに関する寸法Ｌ′（上端面／凹
レンズ底部距離即ち、レンズ軸長）を（数４）の如く選
ぶことによって、情報パルスＢ0を集束用凹レンズエコ
ーＢ1とＢ2の間に配置することができる。
備えた音響レンズの深さに関する寸法Ｌ′（上端面／凹
レンズ底部距離即ち、レンズ軸長）を（数４）の如く選
ぶことによって、情報パルスＢ0を集束用凹レンズエコ
ーＢ1とＢ2の間に配置することができる。
【００１９】又、音響レンズの寸法ＬＷ（幅）、Ａ（凹
レンズ開口部直径）、Ｆ、θ（テーパ領域傾き角）及び
圧電トランスデューサ直径Ｄ間に（数５）、（数６）が
共に成立するようにすることによって、テーパ領域から
の反射雑音Ｂnが集束用凹レンズエコーのＢ2以降に現れ
るようにすることができる。
レンズ開口部直径）、Ｆ、θ（テーパ領域傾き角）及び
圧電トランスデューサ直径Ｄ間に（数５）、（数６）が
共に成立するようにすることによって、テーパ領域から
の反射雑音Ｂnが集束用凹レンズエコーのＢ2以降に現れ
るようにすることができる。
【００２０】
【実施例】以下本発明を実施例に基づいて、より詳しく
述べる。図１は、実施例による超音波探触子と固体被検
体の縦断面図である。詳細を簡単にするために、図５で
示したような圧電トランスデューサの構造上の詳細は省
いてある。
述べる。図１は、実施例による超音波探触子と固体被検
体の縦断面図である。詳細を簡単にするために、図５で
示したような圧電トランスデューサの構造上の詳細は省
いてある。
【００２１】１は音響レンズであり、サファイアのよう
な固体音波伝搬媒体を整形した円筒形状（直径Ｗ）のブ
ロックから成る。音響レンズ１の円筒軸に垂直な上端面
には、中央部に直径Ｄの圧電トランスデューサ２が設け
られている。圧電トランスデューサ２は、電気パルスと
超音波パルスの相互変換を行う機能を有し、上下電極
（図示せず）と圧電体とから成る。圧電体は、例えばＺ
nＯなどが利用される。上下電極と共に通常電子ビーム
蒸着又はスパリッタリングで薄膜状に形成される。
な固体音波伝搬媒体を整形した円筒形状（直径Ｗ）のブ
ロックから成る。音響レンズ１の円筒軸に垂直な上端面
には、中央部に直径Ｄの圧電トランスデューサ２が設け
られている。圧電トランスデューサ２は、電気パルスと
超音波パルスの相互変換を行う機能を有し、上下電極
（図示せず）と圧電体とから成る。圧電体は、例えばＺ
nＯなどが利用される。上下電極と共に通常電子ビーム
蒸着又はスパリッタリングで薄膜状に形成される。
【００２２】一方、音響レンズ１の下端面には、円筒軸
に垂直な面からの傾き角度θでテーパ領域３が形成され
れている。テーパ領域３の中央部には、開口部直径Ａ、
焦点距離Ｆの集束用凹レンズ４が設けられている。圧電
トランスデューサ２で発生した超音波平面波ビームは下
方へ伝搬し、テーパ領域３で絞られた上に、集束用凹レ
ンズ４で円錐状ビームに集束されて液状音波伝搬媒体６
中へ放射される。図の場合、レンズ焦点は被検体５の表
面に合わされている。液状音波伝搬媒体６としては、水
がよく用いられる。
に垂直な面からの傾き角度θでテーパ領域３が形成され
れている。テーパ領域３の中央部には、開口部直径Ａ、
焦点距離Ｆの集束用凹レンズ４が設けられている。圧電
トランスデューサ２で発生した超音波平面波ビームは下
方へ伝搬し、テーパ領域３で絞られた上に、集束用凹レ
ンズ４で円錐状ビームに集束されて液状音波伝搬媒体６
中へ放射される。図の場合、レンズ焦点は被検体５の表
面に合わされている。液状音波伝搬媒体６としては、水
がよく用いられる。
【００２３】尚、図示していないが、テーパ領域３表面
には、反射防止膜が設けられることがある。
には、反射防止膜が設けられることがある。
【００２４】集束用凹レンズを経て放射され、被検体５
の表面或は内部の焦点位置で反射される情報パルスＡ0
は、同じ経路を辿って再び圧電トランスデューサ２で電
気信号に変換され外部に取り出される。
の表面或は内部の焦点位置で反射される情報パルスＡ0
は、同じ経路を辿って再び圧電トランスデューサ２で電
気信号に変換され外部に取り出される。
【００２５】すでに図６を用いて説明したように、圧電
トランスデューサ２から音響レンズ１内に伝搬する超音
波ビームには、情報パルスＡ0以外に、音響レンズ１内
で反射されて再び圧電トランスデューサ２に雑音として
受信されるエコーパルスが多くある。図のＡ1（Ａ2）
は、集束用凹レンズ４で反射されて戻ってくる多重垂直
波である。又、Ａnは、テーパ領域３で反射され、音響
レンズ側壁を経由するか或は直接圧電トランスデューサ
に戻ってくる不規則パルスである。
トランスデューサ２から音響レンズ１内に伝搬する超音
波ビームには、情報パルスＡ0以外に、音響レンズ１内
で反射されて再び圧電トランスデューサ２に雑音として
受信されるエコーパルスが多くある。図のＡ1（Ａ2）
は、集束用凹レンズ４で反射されて戻ってくる多重垂直
波である。又、Ａnは、テーパ領域３で反射され、音響
レンズ側壁を経由するか或は直接圧電トランスデューサ
に戻ってくる不規則パルスである。
【００２６】図３を用いて説明したように、Ａnは情報
パルスＡ0の弁別を困難にする。そこで、本実施例で
は、情報パルスＡ0が不規則パルスＡnの密度が比較的低
い凹レンズ垂直反射波の第２波Ａ2より前に受信パルス
列に出現するように音響レンズ１の寸法設計を行う。
パルスＡ0の弁別を困難にする。そこで、本実施例で
は、情報パルスＡ0が不規則パルスＡnの密度が比較的低
い凹レンズ垂直反射波の第２波Ａ2より前に受信パルス
列に出現するように音響レンズ１の寸法設計を行う。
【００２７】図示したように、音響レンズ１の円筒軸方
向に上端面から集束用凹レンズ４の開口部までの長さを
Ｌ、上端面から集束用凹レンズ４の底までの長さをＬ′
とする。又、音響レンズ１中での音速をＶL、液状音波
伝搬媒体６での音速をＶ0とする。
向に上端面から集束用凹レンズ４の開口部までの長さを
Ｌ、上端面から集束用凹レンズ４の底までの長さをＬ′
とする。又、音響レンズ１中での音速をＶL、液状音波
伝搬媒体６での音速をＶ0とする。
【００２８】集束用凹レンズ４から液状音波伝搬媒体６
へ放射される円錐状超音波ビームは、図示したように材
料の屈折率に基づき、界面で屈折して入射し、被検体５
の表面で焦点を結ぶ。この点を考慮して上記した条件、
即ち、Ａ0がＡ2より早く受信パルス列に現れるという条
件を数式化すると、（数７）のようになる。
へ放射される円錐状超音波ビームは、図示したように材
料の屈折率に基づき、界面で屈折して入射し、被検体５
の表面で焦点を結ぶ。この点を考慮して上記した条件、
即ち、Ａ0がＡ2より早く受信パルス列に現れるという条
件を数式化すると、（数７）のようになる。
【数７】 図１では超音波ビームが被検体５表面で焦点を結んでい
るが、被検体５の内部を探傷する場合には、超音波探触
子をより被検体５に近接させ、その内部で結像するよう
な配置をとる。しかし、この場合は固体である被検体中
の音速は液状音波伝搬媒体中の音速Ｖ0より大きいので
Ｌ′が（数７）の条件を満足していれば、Ａ0は表面観
察時のＡ2より更に早く受信パルス列に現れる。例え
ば、被検体５が鉄材であるとすれば、音速は５５００ｍ
／ｓｅｃとなり、液状音波伝搬媒体６（水）の１５００
ｍ／ｓｅｃより数倍大きい。
るが、被検体５の内部を探傷する場合には、超音波探触
子をより被検体５に近接させ、その内部で結像するよう
な配置をとる。しかし、この場合は固体である被検体中
の音速は液状音波伝搬媒体中の音速Ｖ0より大きいので
Ｌ′が（数７）の条件を満足していれば、Ａ0は表面観
察時のＡ2より更に早く受信パルス列に現れる。例え
ば、被検体５が鉄材であるとすれば、音速は５５００ｍ
／ｓｅｃとなり、液状音波伝搬媒体６（水）の１５００
ｍ／ｓｅｃより数倍大きい。
【００２９】次に、本発明の別の実施例として、不規則
パルスＡnが全て凹レンズ垂直反射波の第２波Ａ2より後
に受信パルス列に現れるような音響レンズ１の寸法設計
を行う。
パルスＡnが全て凹レンズ垂直反射波の第２波Ａ2より後
に受信パルス列に現れるような音響レンズ１の寸法設計
を行う。
【００３０】図４は別の実施例を説明するために超音波
多を含む超音波ビームの進行をモデリックに示した図で
ある。但し、図４の構成は、基本的に図１と同じであ
る。音響レンズ長Ｌが図１の場合に比べて短いために、
テーパ領域３に侵入して反射される超音波ビーム（不規
則パルス雑音Ａnを構成）が音響レンズ１の上端面で
は、圧電トランスデューサ２の右側に達する点が異なっ
ている。図１、図４を用いて別の実施例の説明を行う。
多を含む超音波ビームの進行をモデリックに示した図で
ある。但し、図４の構成は、基本的に図１と同じであ
る。音響レンズ長Ｌが図１の場合に比べて短いために、
テーパ領域３に侵入して反射される超音波ビーム（不規
則パルス雑音Ａnを構成）が音響レンズ１の上端面で
は、圧電トランスデューサ２の右側に達する点が異なっ
ている。図１、図４を用いて別の実施例の説明を行う。
【００３１】圧電トランスデューサ２から発してテーパ
領域３で一旦反射され、再び圧電トランスデューサ２に
戻って不規則パルス雑音Ａnを構成する超音波ビームに
は、テーパ領域で反射後直接圧電トランスデューサに戻
るものと、テーパ領域で反射後音響レンズ側壁を経由し
て圧電トランスデューサに戻るものが考えられる。前者
が起こりうるケースとしては、図の圧電トランスデュー
サ２のａ点からのものを考えておけばよい。ａ点は圧電
トランスデューサ２の右端である（音響レンズ１は円筒
軸まわりに左右対象なので、ａ点のケースは左端から発
して右上端に向かうテーパ領域反射波にも適用できる。
簡単のために、左側テーパ領域で反射される超音波の経
由は省略してある）。一方、後者が起こるケースとし
て、図の圧電トランスデューサ２のｂ点から発する超音
波ビームの経路が示されている（この場合も左側テーパ
領域で反射される経路は省略されている）。尚、テーパ
領域３における反射が１回だけで圧電トランスデューサ
２に戻らない超音波ビームについては、前記凹レンズ垂
直反射波の第２波Ａ2より後の受信パルス列に現れるこ
とは自明なため、考慮しない。
領域３で一旦反射され、再び圧電トランスデューサ２に
戻って不規則パルス雑音Ａnを構成する超音波ビームに
は、テーパ領域で反射後直接圧電トランスデューサに戻
るものと、テーパ領域で反射後音響レンズ側壁を経由し
て圧電トランスデューサに戻るものが考えられる。前者
が起こりうるケースとしては、図の圧電トランスデュー
サ２のａ点からのものを考えておけばよい。ａ点は圧電
トランスデューサ２の右端である（音響レンズ１は円筒
軸まわりに左右対象なので、ａ点のケースは左端から発
して右上端に向かうテーパ領域反射波にも適用できる。
簡単のために、左側テーパ領域で反射される超音波の経
由は省略してある）。一方、後者が起こるケースとし
て、図の圧電トランスデューサ２のｂ点から発する超音
波ビームの経路が示されている（この場合も左側テーパ
領域で反射される経路は省略されている）。尚、テーパ
領域３における反射が１回だけで圧電トランスデューサ
２に戻らない超音波ビームについては、前記凹レンズ垂
直反射波の第２波Ａ2より後の受信パルス列に現れるこ
とは自明なため、考慮しない。
【００３２】さて、テーパ領域の傾き角度θをゼロに近
い値から大きくしていくと、先ず図１に示すようなテー
パ領域３での反射が生ずる。そこで、ａ点から出射した
超音波ビームが、音響レンズ１の上端面に達した時圧電
トランスデューサ２に入射しないためには、下記の条件
を満足する必要がある。
い値から大きくしていくと、先ず図１に示すようなテー
パ領域３での反射が生ずる。そこで、ａ点から出射した
超音波ビームが、音響レンズ１の上端面に達した時圧電
トランスデューサ２に入射しないためには、下記の条件
を満足する必要がある。
【数８】
【００３３】更に、図１のｂ点から出射した超音波ビー
ムが、音響レンズ１の上端面に達した時圧電トランスデ
ューサ２に入射しないためには、以下の条件を満たす必
要がある。
ムが、音響レンズ１の上端面に達した時圧電トランスデ
ューサ２に入射しないためには、以下の条件を満たす必
要がある。
【数９】 （数８）、（数９）が同時に満たされるような寸法設計
であれば、ＡnはＡ2より後の受信パルス列に現れる。
であれば、ＡnはＡ2より後の受信パルス列に現れる。
【００３４】テーパ領域３の角度θを更に深くしていく
と、次に図４のケースが生ずることがわかる。即ち、右
側テーパ領域で反射された超音波ビームが右側上端面に
反射されてくるケースである。尚、この図においても左
側テーパ領域での反射は省略されている。図４のケース
で、圧電トランスデューサ２のａ点及びｂ点から出射し
た超音波ビームが圧電トランスデューサ２に入射しない
ためには、各々以下の条件を満たす必要がある。
と、次に図４のケースが生ずることがわかる。即ち、右
側テーパ領域で反射された超音波ビームが右側上端面に
反射されてくるケースである。尚、この図においても左
側テーパ領域での反射は省略されている。図４のケース
で、圧電トランスデューサ２のａ点及びｂ点から出射し
た超音波ビームが圧電トランスデューサ２に入射しない
ためには、各々以下の条件を満たす必要がある。
【数１０】
【数１１】
【００３５】テーパ領域３の角度θをもっと深くしてい
くと、再び図１のようなケース、更には、図４のような
ケースになる場合がある。
くと、再び図１のようなケース、更には、図４のような
ケースになる場合がある。
【００３６】以上のケースを総合的に取り扱う条件式
は、以下の２式となる。
は、以下の２式となる。
【数１２】
【数１３】
【００３７】つまり、音響レンズ長Ｌ、集束用凹レンズ
開口部直径Ａ及び圧電トランスデューサ直径Ｄが決めら
れている時（数１２）、（数１３）が同時に成立つよう
にテーパ面角度θ、音響レンズ直径Ｗを決めるならば、
不規則パルス群Ａnを凹レンズ垂直波の第２波Ａ2より後
にもってくることが可能となる。
開口部直径Ａ及び圧電トランスデューサ直径Ｄが決めら
れている時（数１２）、（数１３）が同時に成立つよう
にテーパ面角度θ、音響レンズ直径Ｗを決めるならば、
不規則パルス群Ａnを凹レンズ垂直波の第２波Ａ2より後
にもってくることが可能となる。
【００３８】（数７）、（数１２）、（数１３）が同時
に成立する条件下で寸法設計した超音波探触子を用いて
駆動した圧電トランスデューサ２の受信パルス信号を図
２に示した。被検体５からの情報パルスＡ0が凹レンズ
垂直反射波の第２波Ａ2より前に現れ、且つ不規則パル
ス群ＡnがＡ2より後に現れているために、極めて明瞭に
Ａ0を弁別することができる。尚、図中の矢印は、集束
用凹レンズ４の焦点を被検体５の内部にあわせた時の情
報パルスＡ0のシフトする方向を示す。深い位置に焦点
をあわせる程左方へシフトする。
に成立する条件下で寸法設計した超音波探触子を用いて
駆動した圧電トランスデューサ２の受信パルス信号を図
２に示した。被検体５からの情報パルスＡ0が凹レンズ
垂直反射波の第２波Ａ2より前に現れ、且つ不規則パル
ス群ＡnがＡ2より後に現れているために、極めて明瞭に
Ａ0を弁別することができる。尚、図中の矢印は、集束
用凹レンズ４の焦点を被検体５の内部にあわせた時の情
報パルスＡ0のシフトする方向を示す。深い位置に焦点
をあわせる程左方へシフトする。
【００３９】図２の特性を示す超音波探触子を寸法設計
するには、圧電トランスデューサ２の直径Ｄ、集束用凹
レンズ４の開口部直径Ａ及び焦点距離Ｆを先ず決め、次
に（数７）を満足するように音響レンズ軸長Ｌ、Ｌ′を
決め、更に（数１２）、（数１３）を満足するようにテ
ーパ領域３、傾き角度θ及び音響レンズ１の直径Ｗを決
めればよい。
するには、圧電トランスデューサ２の直径Ｄ、集束用凹
レンズ４の開口部直径Ａ及び焦点距離Ｆを先ず決め、次
に（数７）を満足するように音響レンズ軸長Ｌ、Ｌ′を
決め、更に（数１２）、（数１３）を満足するようにテ
ーパ領域３、傾き角度θ及び音響レンズ１の直径Ｗを決
めればよい。
【００４０】音響レンズ１の直径ＷがＬに対して大きく
なることがないため、操作性感度共に良好である。
なることがないため、操作性感度共に良好である。
【００４１】尚、（数１）、（数４）、（数７）は、音
響レンズから液体カプラー内にも垂直に入射してゆくと
仮定しての式であった。実際には、音響レンズと液体カ
プラーとの屈折率の違いで超音波はその境界面で屈折す
る。こうした屈折が無視できないような例にあっては、
凹レンズで焦点を絞っているので、液体カプラー内には
斜め入射するとも考慮することが必要である。従って、
こうした例にあっては、数式も（数１）、（数４）、
（数７）と異なったものになる。
響レンズから液体カプラー内にも垂直に入射してゆくと
仮定しての式であった。実際には、音響レンズと液体カ
プラーとの屈折率の違いで超音波はその境界面で屈折す
る。こうした屈折が無視できないような例にあっては、
凹レンズで焦点を絞っているので、液体カプラー内には
斜め入射するとも考慮することが必要である。従って、
こうした例にあっては、数式も（数１）、（数４）、
（数７）と異なったものになる。
【００４２】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
円錐状集束超音波ビームを放射する超音波探触子の被検
体からの情報パルスを操作性の低下を伴わずに音響レン
ズ内の多重反射雑音パルスと弁別して測定することが容
易となった。従って、本発明は超音波顕微鏡の分解能向
上に資することができると考えられる。
円錐状集束超音波ビームを放射する超音波探触子の被検
体からの情報パルスを操作性の低下を伴わずに音響レン
ズ内の多重反射雑音パルスと弁別して測定することが容
易となった。従って、本発明は超音波顕微鏡の分解能向
上に資することができると考えられる。
【図１】実施例による超音波探触子を用いた被検体測定
と超音波ビームの進行経路を示す縦断面図である。
と超音波ビームの進行経路を示す縦断面図である。
【図２】本発明によ超音波探触子の受信パルス列を示す
図である。
図である。
【図３】従来の超音波探触子による受信パルス列を示す
図である。
図である。
【図４】本発明の別の実施例による超音波探触子を用い
た被検体測定と超音波ビームの進行経路をモデリックに
示した縦断面図である。
た被検体測定と超音波ビームの進行経路をモデリックに
示した縦断面図である。
【図５】円錐状集束超音波ビーム用探触子の形状を示す
図である。
図である。
【図６】従来例による超音波探触子を用いた被検体測定
と超音波ビームの進行経路を示した縦断面図である。
と超音波ビームの進行経路を示した縦断面図である。
１、１０ 音響レンズ ２、１１ 圧電トランスデューサ ３、１７ テーパ領域 ４、１８ 集束用凹レンズ ５ 被検体 ６、２０ 液状音波伝搬媒体 １２ 上面電極 １３ 圧電体 １４ 下面電極 １５、１６ リード線 １９ 固体被検体
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−130351（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−273183（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−27646（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−95460（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−264259（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−158259（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−314460（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−6858（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01N 29/00 - 29/28
Claims (3)
- 【請求項１】 円筒状音響レンズと、その円筒軸に垂直
な平面を有する上端面に同心円状に設けられた圧電トラ
ンスデューサと、前記音響レンズの下端面に設けられ且
つ前記平面に対して下方に傾きをなすテーパ領域部と、
該テーパ領域部の中心部にあって前記円筒軸まわりに開
口部を有する焦点距離Ｆの集束用凹レンズとを有し、液
状超音波伝搬媒体を介して固体被検体の表面及び／又は
内部の弾性的性質を観察する機能を可能にする超音波探
触子において、 前記上端面から前記集束用凹レンズの底部までの前記円
筒軸上の距離Ｌ′と焦点距離Ｆとが 【数１】 但し、ここにＶL、Ｖ0は各々音響レンズ、液状音波伝搬
媒体中の音速、を満足するようにしたことを特徴とする
超音波探触子。 - 【請求項２】 上端面から開口部までの円筒軸上の距離
がＬで且つ直径Ｗの円筒状音響レンズと、その円筒軸に
垂直な平面を有する上端面に同心円状に設けられた直径
Ｄの圧電トランスデューサと、前記音響レンズの下端面
に設けられ且つ前記平面に対して下方に傾きθをなすテ
ーパ領域と、該テーパ領域部の中心部にあって前記円筒
軸まわりに直径Ａの開口部を有する焦点距離Ｆの集束用
凹レンズとを有し、液状超音波伝搬媒体を介して固体被
検体の表面及び／又は内部の弾性的性質を観察する機能
を可能にする超音波探触子において、前記Ｌ、Ｗ、Ｄ、
Ａ、θ及びＦ間に 【数２】 【数３】 なる不等式が同時に成立するようにしたことを特徴とす
る超音波探触子。 - 【請求項３】 請求項１及び２に記載された不等式が同
時に満足されるようにしたことを特徴とする超音波探触
子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5332614A JP3002082B2 (ja) | 1993-12-27 | 1993-12-27 | 超音波探触子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5332614A JP3002082B2 (ja) | 1993-12-27 | 1993-12-27 | 超音波探触子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07190999A JPH07190999A (ja) | 1995-07-28 |
| JP3002082B2 true JP3002082B2 (ja) | 2000-01-24 |
Family
ID=18256921
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5332614A Expired - Lifetime JP3002082B2 (ja) | 1993-12-27 | 1993-12-27 | 超音波探触子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3002082B2 (ja) |
-
1993
- 1993-12-27 JP JP5332614A patent/JP3002082B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH07190999A (ja) | 1995-07-28 |
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