JP3505757B2 - 超音波スペクトラム顕微鏡 - Google Patents
超音波スペクトラム顕微鏡Info
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- JP3505757B2 JP3505757B2 JP33392593A JP33392593A JP3505757B2 JP 3505757 B2 JP3505757 B2 JP 3505757B2 JP 33392593 A JP33392593 A JP 33392593A JP 33392593 A JP33392593 A JP 33392593A JP 3505757 B2 JP3505757 B2 JP 3505757B2
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- Length Measuring Devices Characterised By Use Of Acoustic Means (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、試料の反射係数の入射
角依存性を測定して試料の膜厚や特性を測定する超音波
スペクトラム顕微鏡に係り、特に、測定入射角の小さい
試料の測定に好適な超音波スペクトラム顕微鏡に関す
る。 【０００２】 【従来の技術】例えば試料の全体膜厚分布や密着性およ
び材質等を正確に測定，評価する測定手段として超音波
スペクトラム顕微鏡が使用されている。超音波スペクト
ラム顕微鏡には図３に示すようなＳＰＰレンズが使用さ
れる。このＳＰＰレンズは超音波を集束させる球面レン
ズ１９と試料７から反射する超音波の中の特定入射角成
分のみを受信する平面レンズ２０を有する。図示のよう
に、球面レンズ１９と平面レンズ２０は互いに傾斜して
配設され、ホルダ２１に一体的に固定される。球面レン
ズ１９の試料７側には凹球面２２が形成され、平面レン
ズ２０の試料７側には平坦面２３がそれぞれ形成され
る。また、球面レンズ１９および平面レンズ２０にはト
ランスデューサ２４が固着される。球面レンズ１９から
の超音波は伝達媒体（例えば水）９を通り試料７に集束
されるべく発信され、試料７の表面からの反射波の内、
平坦面２３と直交する入射角成分の超音波が平面レンズ
２０により選択的に受信される。ＳＰＰレンズは入射角
を変えることにより反射係数が変化する入射角依存性を
有する試料７の各特性を測定するものに好適である。こ
の場合、入射角θが臨界角に相当する値になると試料７
の表面に表面波が生じ前記臨界角およびそのときの周波
数等から試料７の膜厚等の測定，特性評価が行われる。 【０００３】 【発明が解決しようとする課題】図３に示すように、球
面レンズ１９と平面レンズ２０は互いに傾斜してホルダ
２１に固定されると共に、トランスデューサ２４を配設
するための遅延材２５が設けられている。一方、試料７
によっては臨界角が小さいものがあり、この場合には測
定入射角を小さくする必要がある。そのため、球面レン
ズ１９および平面レンズ２０の傾斜角を小さくする必要
があるが、傾斜角を小さくすると遅延材２５の断面積が
小さくなり、トランスデューサ２４の電極面積も小さく
なる。スペクトラム顕微鏡では受信側に入射される超音
波の周波数成分は大小さまざまであり、遅延材２５内で
屈折，干渉する。そのため、トランスデューサ２４が小
さいと受信出来ない周波数成分が増加し、所謂周波数分
散（周波数によって強度が変ること）が大となる問題点
が生じる。特に、セラミックコーティングなどの音速の
速い層状物質の場合には低入射角が必要なため従来のＳ
ＰＰレンズでは精密な測定，特性評価が困難となる問題
点があった。更に、伝達媒体９内において音波は周波数
の２乗に比例して減衰するため、高周波帯のＳＰＰレン
ズは低周波帯のものに比べて減衰が大きく音波強度が低
くなり、大きな面積のトランスデューサ２４が必要とな
るが、前記理由によりトランスデューサ２４の面積が小
さくなるため周波数分散が大となる。そのため、薄い膜
状物質の定量的測定が困難となる。 【０００４】図３に示したＳＰＰＳレンズにおいて平面
レンズ２０側のトランスデューサ２４の面積を大きくす
る手段として平面レンズ２０の遅延材２５中心線より右
側にトランスデューサ２４を広げることは可能である。
しかしながら、トランスデューサ２４の中心が前記中心
線よりずれると測定結果に悪影響を及ぼすことが計算お
よび実験上明らかにされている。 【０００５】本発明は、以上の事情に鑑みて創案された
ものであり、トランスデューサの面積を広くし周波数分
散を小さくし得ると共に、試料の内容に合わせて入射角
を任意に変化させることが出来、高精度な測定，評価が
可能になる超音波スペクトラム顕微鏡を提供することを
目的とする。 【０００６】 【課題を解決するための手段】本発明は、以上の目的を
達成するために、バッキング材に超音波を集束させる機
能をもつ球面トランスデューサと前記試料から反射した
超音波の中の特定の入射角成分のみを受信する機能をも
つ平面トランスデューサを設けてなる超音波スペクトラ
ム顕微鏡を構成するものであって、前記バッキング材が
試料側を向いて形成される平坦な一面と球面状の他面を
形成するものからなり、前記一面に平面トランスデュー
サが設けられ前記他面に球面トランスデューサが設けら
れることを特徴とする。 【０００７】 【作用】本発明のＳＰＰレンズは従来のそれぞれ独立の
球面レンズおよび平面レンズを有するものと異なり一体
的構造のものからなる。すなわち、単一のバッキング材
の一面および他面に超音波の集束用の球面トランスデュ
ーサと受信用の平面トランスデューサを設けたものから
なる。そのため、バッキング材のトランスデューサ取り
付け面積を増大させることにより周波数分散の抑制され
たトランスデューサを形成することが出来る。また、バ
ッキング材を傾斜させることにより任意の入射角の超音
波を発信，受信させることが出来る。以上により、低入
射角の薄い膜状物質の測定，特性評価を高精度に行うこ
とが出来る。 【０００８】 【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づき説明す
る。図１は別体の球面トランスデューサと平面トランス
デューサを用いた本発明の一実施例の構造を説明するた
めの断面図、図２は図１の測定方法を説明するための線
図である。 【０００９】図１に示すように、この超音波スペクトラ
ム顕微鏡１は、バッキング材３と球面トランスデューサ
４および平面トランスデューサ５からなるＳＰＰレンズ
２と、発信側の球面トランスデューサ４に連結する電気
インパルス手段６と、受信側の平面トランスデューサ５
に連結し試料７の測定，特性評価を行う画像処理手段８
等から構成される。なお、ＳＰＰレンズ２は伝達媒体の
水９を介して試料７と相対向する位置に配設される。Ｓ
ＰＰレンズ２のバッキング材３は試料７側を向く一面に
平坦面１０を形成すると共に、前記一面と相対向する他
面に球状面１１を形成する透明体からなる。なお、バッ
キング材３は従来のＳＰＰレンズの遅延材に相当するも
のである。バッキング材３の平坦面１０には平面トラン
スデューサ５が固定され、球状面１１には球面トランス
デューサ４が固定される。また、バッキング材３は図略
の回動機構部に回動可能に支持される。更に、試料面に
沿って２次元的に走査される。 【００１０】電気インパルス手段６から発信される所定
周波数帯の超音波は球面トランスデューサ４により球面
波となり、矢印Ａのようにバッキング材３内を進み、バ
ッキング材３と水９の界面で屈折し、試料７上の焦点Ｐ
に集束する。この発信波は焦点Ｐで反射する。反射波の
内、焦点Ｐから垂直に矢印Ｂのように反射した超音波成
分のみが選択的に平面トランスデューサ５に入射し受信
される。一方、バッキング材３を適宜回動することによ
り、入射角を任意に変えることが出来、例えば臨界角に
おける反射係数等を求めることが出来る。図示のよう
に、バッキング材３の平坦面１０および球状面１１は任
意の面積にすることが可能であり、球面トランスデュー
サ４および平面トランスデューサ５の電極面積を増大す
ることが出来る。これにより周波数分散を小さくするこ
とが出来る。 【００１１】図１のＳＰＰレンズ２の場合、図示のよう
に球面トランスデューサ４から発信される入射波が平面
トランスデューサ５を通過してから試料７側に入射され
る。そのため、平面トランスデューサ５は入射波の影響
を受ける。平面トランスデューサ５が受信する超音波は
試料７からの反射波に限定することが必要なため次のよ
うな方法で入射波と反射波を分離する。図２は横軸に経
過時間ｔをとり、縦軸に平面トランスデューサ５が受信
する超音波の振幅を示したものである。時間ｔｉは球面
トランスデューサ４から発信された入射波がバッキング
材３を通過し平面トランスデューサ５に到達するまでの
時間を示し、時間ｔｒは前記入射波が水９内を通し試料
７で反射し、その反射波が平面トランスデューサ５に到
達するまでの遅延時間を示す。平面トランスデューサ５
の解析範囲を時間ｔｒの部位に限定して行うようにフィ
ルタがけをすることにより時間ｔｉにおける入射波の影
響を取り除くことが出来る。 【００１２】 【発明の効果】本発明によれば、次のような顕著な効果
を奏する。 １）超音波を集束させる機能をもつ球面トランスデュー
サと特定の入射角成分だけを選択受信する機能を有する
平面トランスデューサを一体化する構造を採用すること
により試料の材質，形状等に対応し得る面積化されたト
ランスデューサを形成することが出来る。 ２）トランスデューサが有限である事に起因する周波数
分散が大になる欠点を低減することが出来、試料の高精
度な測定，特性評価が出来る。 ３）セラミックコーティングなどの音速の速い層状物質
で測定入射角が小さい物質の定量的測定が可能になり使
用範囲が拡大する。 ４）全体構造がコンパクトにまとめられる。
角依存性を測定して試料の膜厚や特性を測定する超音波
スペクトラム顕微鏡に係り、特に、測定入射角の小さい
試料の測定に好適な超音波スペクトラム顕微鏡に関す
る。 【０００２】 【従来の技術】例えば試料の全体膜厚分布や密着性およ
び材質等を正確に測定，評価する測定手段として超音波
スペクトラム顕微鏡が使用されている。超音波スペクト
ラム顕微鏡には図３に示すようなＳＰＰレンズが使用さ
れる。このＳＰＰレンズは超音波を集束させる球面レン
ズ１９と試料７から反射する超音波の中の特定入射角成
分のみを受信する平面レンズ２０を有する。図示のよう
に、球面レンズ１９と平面レンズ２０は互いに傾斜して
配設され、ホルダ２１に一体的に固定される。球面レン
ズ１９の試料７側には凹球面２２が形成され、平面レン
ズ２０の試料７側には平坦面２３がそれぞれ形成され
る。また、球面レンズ１９および平面レンズ２０にはト
ランスデューサ２４が固着される。球面レンズ１９から
の超音波は伝達媒体（例えば水）９を通り試料７に集束
されるべく発信され、試料７の表面からの反射波の内、
平坦面２３と直交する入射角成分の超音波が平面レンズ
２０により選択的に受信される。ＳＰＰレンズは入射角
を変えることにより反射係数が変化する入射角依存性を
有する試料７の各特性を測定するものに好適である。こ
の場合、入射角θが臨界角に相当する値になると試料７
の表面に表面波が生じ前記臨界角およびそのときの周波
数等から試料７の膜厚等の測定，特性評価が行われる。 【０００３】 【発明が解決しようとする課題】図３に示すように、球
面レンズ１９と平面レンズ２０は互いに傾斜してホルダ
２１に固定されると共に、トランスデューサ２４を配設
するための遅延材２５が設けられている。一方、試料７
によっては臨界角が小さいものがあり、この場合には測
定入射角を小さくする必要がある。そのため、球面レン
ズ１９および平面レンズ２０の傾斜角を小さくする必要
があるが、傾斜角を小さくすると遅延材２５の断面積が
小さくなり、トランスデューサ２４の電極面積も小さく
なる。スペクトラム顕微鏡では受信側に入射される超音
波の周波数成分は大小さまざまであり、遅延材２５内で
屈折，干渉する。そのため、トランスデューサ２４が小
さいと受信出来ない周波数成分が増加し、所謂周波数分
散（周波数によって強度が変ること）が大となる問題点
が生じる。特に、セラミックコーティングなどの音速の
速い層状物質の場合には低入射角が必要なため従来のＳ
ＰＰレンズでは精密な測定，特性評価が困難となる問題
点があった。更に、伝達媒体９内において音波は周波数
の２乗に比例して減衰するため、高周波帯のＳＰＰレン
ズは低周波帯のものに比べて減衰が大きく音波強度が低
くなり、大きな面積のトランスデューサ２４が必要とな
るが、前記理由によりトランスデューサ２４の面積が小
さくなるため周波数分散が大となる。そのため、薄い膜
状物質の定量的測定が困難となる。 【０００４】図３に示したＳＰＰＳレンズにおいて平面
レンズ２０側のトランスデューサ２４の面積を大きくす
る手段として平面レンズ２０の遅延材２５中心線より右
側にトランスデューサ２４を広げることは可能である。
しかしながら、トランスデューサ２４の中心が前記中心
線よりずれると測定結果に悪影響を及ぼすことが計算お
よび実験上明らかにされている。 【０００５】本発明は、以上の事情に鑑みて創案された
ものであり、トランスデューサの面積を広くし周波数分
散を小さくし得ると共に、試料の内容に合わせて入射角
を任意に変化させることが出来、高精度な測定，評価が
可能になる超音波スペクトラム顕微鏡を提供することを
目的とする。 【０００６】 【課題を解決するための手段】本発明は、以上の目的を
達成するために、バッキング材に超音波を集束させる機
能をもつ球面トランスデューサと前記試料から反射した
超音波の中の特定の入射角成分のみを受信する機能をも
つ平面トランスデューサを設けてなる超音波スペクトラ
ム顕微鏡を構成するものであって、前記バッキング材が
試料側を向いて形成される平坦な一面と球面状の他面を
形成するものからなり、前記一面に平面トランスデュー
サが設けられ前記他面に球面トランスデューサが設けら
れることを特徴とする。 【０００７】 【作用】本発明のＳＰＰレンズは従来のそれぞれ独立の
球面レンズおよび平面レンズを有するものと異なり一体
的構造のものからなる。すなわち、単一のバッキング材
の一面および他面に超音波の集束用の球面トランスデュ
ーサと受信用の平面トランスデューサを設けたものから
なる。そのため、バッキング材のトランスデューサ取り
付け面積を増大させることにより周波数分散の抑制され
たトランスデューサを形成することが出来る。また、バ
ッキング材を傾斜させることにより任意の入射角の超音
波を発信，受信させることが出来る。以上により、低入
射角の薄い膜状物質の測定，特性評価を高精度に行うこ
とが出来る。 【０００８】 【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づき説明す
る。図１は別体の球面トランスデューサと平面トランス
デューサを用いた本発明の一実施例の構造を説明するた
めの断面図、図２は図１の測定方法を説明するための線
図である。 【０００９】図１に示すように、この超音波スペクトラ
ム顕微鏡１は、バッキング材３と球面トランスデューサ
４および平面トランスデューサ５からなるＳＰＰレンズ
２と、発信側の球面トランスデューサ４に連結する電気
インパルス手段６と、受信側の平面トランスデューサ５
に連結し試料７の測定，特性評価を行う画像処理手段８
等から構成される。なお、ＳＰＰレンズ２は伝達媒体の
水９を介して試料７と相対向する位置に配設される。Ｓ
ＰＰレンズ２のバッキング材３は試料７側を向く一面に
平坦面１０を形成すると共に、前記一面と相対向する他
面に球状面１１を形成する透明体からなる。なお、バッ
キング材３は従来のＳＰＰレンズの遅延材に相当するも
のである。バッキング材３の平坦面１０には平面トラン
スデューサ５が固定され、球状面１１には球面トランス
デューサ４が固定される。また、バッキング材３は図略
の回動機構部に回動可能に支持される。更に、試料面に
沿って２次元的に走査される。 【００１０】電気インパルス手段６から発信される所定
周波数帯の超音波は球面トランスデューサ４により球面
波となり、矢印Ａのようにバッキング材３内を進み、バ
ッキング材３と水９の界面で屈折し、試料７上の焦点Ｐ
に集束する。この発信波は焦点Ｐで反射する。反射波の
内、焦点Ｐから垂直に矢印Ｂのように反射した超音波成
分のみが選択的に平面トランスデューサ５に入射し受信
される。一方、バッキング材３を適宜回動することによ
り、入射角を任意に変えることが出来、例えば臨界角に
おける反射係数等を求めることが出来る。図示のよう
に、バッキング材３の平坦面１０および球状面１１は任
意の面積にすることが可能であり、球面トランスデュー
サ４および平面トランスデューサ５の電極面積を増大す
ることが出来る。これにより周波数分散を小さくするこ
とが出来る。 【００１１】図１のＳＰＰレンズ２の場合、図示のよう
に球面トランスデューサ４から発信される入射波が平面
トランスデューサ５を通過してから試料７側に入射され
る。そのため、平面トランスデューサ５は入射波の影響
を受ける。平面トランスデューサ５が受信する超音波は
試料７からの反射波に限定することが必要なため次のよ
うな方法で入射波と反射波を分離する。図２は横軸に経
過時間ｔをとり、縦軸に平面トランスデューサ５が受信
する超音波の振幅を示したものである。時間ｔｉは球面
トランスデューサ４から発信された入射波がバッキング
材３を通過し平面トランスデューサ５に到達するまでの
時間を示し、時間ｔｒは前記入射波が水９内を通し試料
７で反射し、その反射波が平面トランスデューサ５に到
達するまでの遅延時間を示す。平面トランスデューサ５
の解析範囲を時間ｔｒの部位に限定して行うようにフィ
ルタがけをすることにより時間ｔｉにおける入射波の影
響を取り除くことが出来る。 【００１２】 【発明の効果】本発明によれば、次のような顕著な効果
を奏する。 １）超音波を集束させる機能をもつ球面トランスデュー
サと特定の入射角成分だけを選択受信する機能を有する
平面トランスデューサを一体化する構造を採用すること
により試料の材質，形状等に対応し得る面積化されたト
ランスデューサを形成することが出来る。 ２）トランスデューサが有限である事に起因する周波数
分散が大になる欠点を低減することが出来、試料の高精
度な測定，特性評価が出来る。 ３）セラミックコーティングなどの音速の速い層状物質
で測定入射角が小さい物質の定量的測定が可能になり使
用範囲が拡大する。 ４）全体構造がコンパクトにまとめられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の全体構造を示す断面図。
【図２】図１の実施例による測定方法を説明するための
線図。 【図３】従来のＳＰＰレンズの断面図。 【符号の説明】 １ 超音波スペクトラム顕微鏡 ２ ＳＰＰレンズ ３ バッキング材 ４ 球面トランスデューサ ５ 平面トランスデューサ ６ 電気インパルス手段 ７ 試料 ８ 画像処理手段 ９ 水 １０ 平坦面 １１ 球状面
線図。 【図３】従来のＳＰＰレンズの断面図。 【符号の説明】 １ 超音波スペクトラム顕微鏡 ２ ＳＰＰレンズ ３ バッキング材 ４ 球面トランスデューサ ５ 平面トランスデューサ ６ 電気インパルス手段 ７ 試料 ８ 画像処理手段 ９ 水 １０ 平坦面 １１ 球状面
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 バッキング材にトランスデューサを設
け、受信波の画像処理手段を有する超音波スペクトラム
顕微鏡において、 バッキング材に超音波を集束させる機能をもつ球面トラ
ンスデューサと前記試料から反射した超音波の中の特定
の入射角成分のみを受信する機能をもつ平面トランスデ
ューサを設けたものであって、 前記バッキング材が試料側を向いて形成される平坦な一
面と球面状の他面を形成するものからなり、前記一面に
平面トランスデューサが設けられ前記他面に球面トラン
スデューサが設けられてなる 超音波スペクトラム顕微
鏡。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP33392593A JP3505757B2 (ja) | 1993-12-28 | 1993-12-28 | 超音波スペクトラム顕微鏡 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP33392593A JP3505757B2 (ja) | 1993-12-28 | 1993-12-28 | 超音波スペクトラム顕微鏡 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07198689A JPH07198689A (ja) | 1995-08-01 |
| JP3505757B2 true JP3505757B2 (ja) | 2004-03-15 |
Family
ID=18271505
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP33392593A Expired - Fee Related JP3505757B2 (ja) | 1993-12-28 | 1993-12-28 | 超音波スペクトラム顕微鏡 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3505757B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7611465B2 (en) * | 2003-07-15 | 2009-11-03 | Board Of Regents, The University Of Texas System | Rapid and accurate detection of bone quality using ultrasound critical angle reflectometry |
-
1993
- 1993-12-28 JP JP33392593A patent/JP3505757B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH07198689A (ja) | 1995-08-01 |
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Legal Events
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