JP5816781B2 - イメージング方法およびイメージング装置 - Google Patents

Description

本発明は、超音波振動を用いたイメージング技術に関し、特に、被検体の三次元形状（表面形状および／または表面または内部のクラック）等を、複雑な構造を採用することなく空気中で非接触検出することができるイメージング方法およびイメージング装置に関する。

従来、超音波を用いたイメージングは、超音波を水中に伝搬させ被検体からの反射波を受波することで行われている。このため、従来の超音波イメージングは、電子機器・電子デバイスなどに適用することができない。

超音波を用いた空中でのイメージングの一つに、レーザ走査型超音波顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｌａｓｅｒ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＳＬＡＭ）がある（ＳＬＡＭの原理については、非特許文献１を参照）。

日本機械学会論文集（Ａ編）５４巻５０８号（昭６３−１２） 日本音響学会誌、５３巻１１号、ｐｐ．８５７−８６３（１９９７）

しかし、ＳＬＡＭでは、装置が大掛かりになる。
また、ＳＬＡＭは、基本的には、被検体を伝搬媒質に浸漬して測定することを前提としている。このため、空気中で被検体を検出する場合には、被検体を伝搬媒質に浸漬する場合に比べて精度が極端に低下する。
さらにＳＬＡＭでの検出情報は、定常的に干渉縞が現れる超音波干渉像であり、画像処理が複雑となる。

本発明の目的は、被検体の三次元形状（表面形状および／または表面または内部のクラック）を、複雑な構成を採用することなく空気中で非接触検出することができるイメージング方法およびイメージング装置を提供することである。

本発明者は、圧電振動子の基本共振周期より短いパルス電圧（パルス電圧）で圧電振動子を駆動した場合に、入力波形に近い出力波形が得られるといった事実に着目した（非特許文献２等参照）。
そして、圧電振動子をパルス駆動またはステップ駆動した場合、当該圧電振動子の超音波放射面からは同位相同振幅の平面波（直接波）が発生する。さらに平面波の伝搬上に被検体を配置した場合に、音圧の差によりイメージングが可能であるとの知見を得て本発明をなすに至った。

本発明のイメージング方法は（１）から（４）を要旨とする。
（１）
上面が被検体載置面である、第１電極と第２電極を有するプレート状またはブロック状の圧電振動子に被検体を載置し、
前記圧電振動子の前記第１電極と前記第２電極との間にパルス電圧またはステップ電圧を加えることで前記圧電振動子から平面波を発生させ、
前記被検体載置面に載置した被検体からの最初の振動速度応答を光学的に検出し、
前記パルス電圧またはステップ電圧に相似する最初の振動速度応答の大きさから前記被検体の表面形状または内部構造にかかる情報を抽出する、
ことを特徴とするイメージング方法。
本発明（方法の発明、および後述する装置の発明）では、典型的には、第１電極と第２電極とは平行であり、第１電極は圧電振動子の上面に形成され、第２電極は圧電振動子の下面に形成される。
プレート状またはブロック状の圧電振動子は、通常は、上面の中央に被検体を載置する。最初に検出される振動速度応答を明瞭にするためには、プレート状またはブロック状の圧電振動子は、円板または円柱であることが好ましい。
本発明において圧電振動子から発生する振動波のうち、最初に検出される振動速度応答が直接波である。本発明では、イメージングにはこの直接波を使用し、その後に現れる振動波（干渉波等）は、イメージングに使用しない。
パルス電圧はインパルス電圧を含む。パルス電圧は、通常は矩形波であるが、最初の振動速度応答として検出できれば、矩形波には限定されない。たとえば、極性が瞬時に変化するパルス（正の矩形波と負の矩形波とが一体となったパルス）も本発明の実施に好適である。また、ステップ電圧も、本発明の実施に好適である。
ただし、本発明でイメージングに使用できる波形は、最初の振動速度応答に対応する部分（干渉等を受けていない波形）である。
なお、本発明では、表面形状のみならず内部構造をイメージングすることもできる。具体的には、被検体が複数材料の積層構造体である場合には、当該積層構造をイメージングすることができる。

（２）
前記圧電振動子の前記第１電極と前記第２電極との間に加える前記パルス電圧の時間幅が、圧電振動子の基本共振周期以下であることを特徴とする（１）に記載のイメージング方法。
最初の振動速度応答を、繰り返し検出するためには、パルス電圧の時間幅が、圧電振動子の基本共振周期以下であることが好ましい。

（３）
前記最初の振動速度応答の前記光学的な検出を、前記被検体載置面（Ｘ−Ｙ平面）上でＸ−Ｙ走査することにより行うことを特徴とする（１）または（２）に記載のイメージング方法。
本発明では、被検体が載置されたステージをＸ−Ｙ走査して、最初の振動速度応答の光学的な検出を行ってもよいし、検出用の光ビームを走査して最初の振動速度応答の光学的な検出を行ってもよい。

（４）
前記抽出した前記情報から前記被検体の表面または内部のクラックを検出することを特徴とする（１）から（３）の何れかに記載のイメージング方法。
本発明では、被検体の表面形状や内部構造のイメージングができるが、この応用として、被検体の表面または内部のクラックを検出することもできる。

本発明のイメージング装置は（５）から（９）を要旨とする。
（５）
上面が被検体載置面である、第１電極と第２電極を有するプレート状またはブロック状の圧電振動子と、
前記圧電振動子の前記第１電極と前記第２電極との間にパルス電圧またはステップ電圧を加えることで前記圧電振動子から平面波を発生させる電源装置と、
前記被検体載置面に載置した被検体からの最初の振動速度応答を光学的に検出する振動速度検出装置と、
前記振動速度検出装置により検出される、前記パルス電圧またはステップ電圧に相似する最初の振動速度応答の大きさから前記被検体の表面形状または内部構造にかかる情報を抽出する画像処理装置と、
を備えたイメージング装置。
典型的には、第１電極と第２電極とは平行であり、第１電極は圧電振動子の上面に形成され、第２電極は圧電振動子の下面に形成される。

（６）
前記振動速度検出装置がレーザドップラ振動計と波形観測装置とからなり、当該レーザドップラ振動計からのビームを、前記被検体載置面上の前記被検体を含む領域で走査させる走査機構を備えたことを特徴とする（５）に記載のイメージング装置。

（７）
前記電源装置が、前記圧電振動子の前記第１電極と前記第２電極との間に加える前記パルス電圧の時間幅が、前記圧電振動子の基本共振周期以下であることを特徴とする（５）または（６）に記載のイメージング装置。

（８）
さらに、前記振動速度検出装置が、前記被検体表面の最初の振動速度応答の前記光学的な検出を、前記被検体載置面（Ｘ−Ｙ平面）上でＸ−Ｙ走査しつつ行う走査機構を備えたことを特徴とする（５）から（７）の何れかに記載のイメージング装置。

（９）
前記画像処理装置により抽出した前記情報から前記被検体の表面または内部のクラックを検出することを特徴とする（５）から（８）の何れかに記載のイメージング装置。

被検体の形状（表面形状および／または表面または内部のクラック）を、複雑な構成を採用することなく空気中で非接触検出することができる。

本発明のイメージング装置の一実施形態を示す説明図である。 被検体載置面に被検体を載置せずに、イメージング装置を駆動したときの波形図であり、（Ａ）は電源装置が生成する駆動波の波形を、（Ｂ）は振動速度検出装置が検出した振動速度応答波形を、（Ｃ）は（Ｂ）の波形図における第１波部分の拡大波形をそれぞれ示す図である。 被検体を載置しない状態で、圧電振動子の第１電極と第２電極との間にパルス電圧を加えたときの、圧電振動子の上面の、中心からの距離の位置における振動速度応答を示すグラフである。 アルミニウム板に、文字とドットとが貫通して形成されている被検体を示す図である。 （Ａ）は、被検体載置面に上記の被検体を載置しイメージング装置を駆動したときのアルミニウム部分の振動速度応答の波形図であり、（Ｂ）は、貫通部分の波形図である。 図４の被検体の所定測定範囲を走査して作成した画像を示す図である。 ピンホールを中心に２０μｍ間隔で振動速度応答を走査したときの速度分布を示す図である。

図１は本発明のイメージング装置（およびイメージング方法）の一実施形態を示す説明図である。

図１において、イメージング装置１１は、制御装置１１０と、圧電振動子１１１と、電源装置１１２と、振動速度検出装置１１３と、走査装置１１４と、画像処理装置１１５とからなる。

圧電振動子１１１は、上面と下面とが平行なプレート状またはブロック状のＰＺＴ結晶からなり、上面には第１電極ＥＰ１が形成され、下面には第２電極ＥＰ２が形成されている。上面は被検体載置面であり、図１では上面（第１電極ＥＰ１）には被検体７が載置されている。
本実施形態では、圧電振動子１１１は直径６０ｍｍ、厚さ４０ｍｍの円柱ブロックにより構成されている。

電源装置１１２は、圧電振動子１１１の第１電極ＥＰ１と第２電極ＥＰ２との間にパルス電圧またはステップ電圧を加えることができる。
本実施形態では、電源装置１１２は、ファンクションジェネレータ１１２１と、増幅器１１２２とにより構成されている。
電源装置１１２が、圧電振動子１１１の第１電極ＥＰ１と第２電極ＥＰ２との間に加える電圧がパルスである場合、このパルスの時間幅を、圧電振動子１１１の基本共振周期以下とすることができる。

振動速度検出装置１１３は、被検体載置面（圧電振動子１１１の上面）に載置した被検体表面の、最初の振動速度応答を光学的に検出する。
本実施形態では、振動速度検出装置１１３がレーザドップラ振動計１１３１と、オシロスコープ等の波形観測装置１１３２とからなる。レーザドップラ振動計１１３１からのレーザはミラーＭＲＲを介して被検体７に照射される。レーザドップラ振動計１１３１は、被検体７からの反射光を、ミラーＭＲＲを介して入射する。そして、当該反射光から取得した反射光にかかる信号を波形観測装置１１３２に渡す。波形観測装置１１３２では、当該反射光にかかる信号に基づき、最初の振動速度応答を電気的に抽出する。

走査装置１１４は、Ｘ−Ｙ移動ステージ１１４１と、Ｘ−Ｙ走査機構１１４２とからなる。走査装置１１４により、レーザドップラ振動計１１３１からのレーザビームを、被検体載置面ｓ（Ｘ−Ｙ平面）上でＸ−Ｙ走査することができる。たとえば、パルス間隔が１００Ｈｚである場合、１秒間に走査線上の１００箇所の振動速度を検出することができる。

画像処理装置１１５は、パルス電圧またはステップ電圧に相似する最初の振動速度応答の大きさから被検体７の表面形状または内部構造にかかる情報Ｉを抽出し画像を生成する。
また、表面形状または内部構造にかかる情報Ｉの解析により、被検体７の表面または内部のクラックを検出することができる。

なお、制御装置１１０は、イメージング装置１１の他の構成要素を統括制御するもので、たとえば、電源装置１１２と振動速度検出装置１１３と走査装置１１４との同期をとり、画像処理装置１１５を駆動することができる。

以下、イメージング装置１１の作用を説明する。
図２は、被検体載置面（圧電振動子１１１の上面）に被検体７を載置せずに、イメージング装置１１を駆動したときの波形図であり、（Ａ）は電源装置１１２が生成する駆動波の波形を、（Ｂ）は振動速度検出装置１１３が検出した振動速度応答波形（被検体載置面の中心付近の振動速度応答波形）を、（Ｃ）は（Ｂ）の波形図における第１波（直接波）部分の拡大波形をそれぞれ示している。

図２（Ｂ）において、初めの波形部分（グレーに塗り潰された最初の十数μｓ）は、駆動波の波形に相似している。その後の波形（時刻５μｓ以降の）は、圧電振動子１１１内を伝播する音速（４３００ｍ／ｓ）から考察すると、圧電振動子１１１の上面の稜、下面から発生する振動等であることがわかる。
本発明では、駆動波の波形に相似している、初めの波形部分の波形からイメージングを行う。

図２（Ｃ）に、図２（Ｂ）の、初めの波形部分（グレーに塗り潰された最初の十数μｓ）を拡大して示す。

本発明では、被検体７の表面形状や内部形状、あるいは表面クラックや内部クラックを、被検体７表面の振動速度応答により検出する。
圧電振動子１１１の上面のうち、少なくとも被検体７が載置される領域で、振動速度にばらつきがないことが好ましい。

図３は、被検体７を載置しない状態で、圧電振動子１１１の第１電極ＥＰ１と第２電極ＥＰ２との間にパルス電圧を加えたときの、圧電振動子１１１の上面の、中心Ｏからの距離Ｒ（図１参照）の位置における振動速度応答を示すグラフである。
図３からわかるように本実施形態では、振動速度応答は、端に近い領域を除き、ほぼ一定である。

イメージング装置１１を用いて、図４に示す被検体７をイメージングしたときの実施形態を以下に示す。
図４に示す被検体７は、アルミニウム板に、文字「Ｕ」，「Ｓ」とドット「．」とが貫通して形成されている。
文字「Ｕ」および「Ｓ」の線幅は１ｍｍであり、ドット「．」の直径は０．６ｍｍである。

図５（Ａ）は、被検体載置面（圧電振動子１１１の上面）に上記の被検体７を載置しイメージング装置１１を駆動したときのアルミニウム部分の振動速度応答の波形図であり、図５（Ｂ）は、貫通部分（圧電振動子１１１の上面）の波形図である。アルミニウム部分は振動速度が大きく、貫通部分は振動速度が小さいことがわかる。
図６は、測定間隔０．２ｍｍとして、８ｍｍ×８ｍｍの正方形の測定範囲を走査して作成した画像を示している。

次に、アルミニウム板に形成した、ピンホールをイメージングする実施形態を示す。本実施形態では、図示はしないが、中心に、直径１０９μｍの孔が形成された直径５ｍｍ、厚さ０．５ｍｍのアルミニウム板を被検体７として使用している。
図７は、ピンホールを中心に２０μｍ間隔で振動速度応答を走査したときの速度分布を示している。図７からわかるように、ピンホールでの厚み変化がイメージングされる。

被検体の各検出箇所における厚み変化、クラックの存在等は、当該検出箇所における、直接波の立ち上がり時刻のズレに反映される。たとえば、直接波がアルミニウム部分に表れる時刻ｔ１（図５（Ａ）参照）と、直接波が貫通部分に表れる時刻ｔ０（図５（Ｂ）参照）とは通常異なる。この時刻差（ｔ１−ｔ０）を用いて、イメージングを行うことも可能である。
本発明は、直接波の立ち上がり時刻の差を検出することはせずに、直接波の振動速度応答を検出する。これにより、高精度のイメージングを行うことができるようになった。

７ 被検体
１１ イメージング装置
５４ 日本機械学会論文集
１１０ 制御装置
１１１ 圧電振動子
１１２ 電源装置
１１３ 振動速度検出装置
１１４ 走査装置
１１５ 画像処理装置
１１２１ ファンクションジェネレータ
１１２２ 増幅器
１１３１ レーザドップラ振動計
１１３２ 波形観測装置
１１４１ Ｘ−Ｙ移動ステージ
１１４２ Ｘ−Ｙ走査機構
ＥＰ１ 第１電極
ＥＰ２ 第２電極
Ｉ 情報
ＭＲＲ ミラー
ＰＬＳ パルス電圧
Ｒ 距離

Claims (9)

1. 上面が被検体載置面である、第１電極と第２電極を有するプレート状またはブロック状の圧電振動子に被検体を載置し、
   前記圧電振動子の前記第１電極と前記第２電極との間にパルス電圧またはステップ電圧を加えることで前記圧電振動子から平面波を発生させ、
   前記被検体載置面に載置した被検体からの最初の振動速度応答を光学的に検出し、
   前記パルス電圧またはステップ電圧に相似する最初の振動速度応答の大きさから前記被検体の表面形状または内部構造にかかる情報を抽出する、
   ことを特徴とするイメージング方法。
2. 前記圧電振動子の前記第１電極と前記第２電極との間に加える前記パルス電圧の時間幅が、圧電振動子の基本共振周期以下であることを特徴とする請求項１に記載のイメージング方法。
3. 前記最初の振動速度応答の前記光学的な検出を、前記被検体載置面（Ｘ−Ｙ平面）上でＸ−Ｙ走査することにより行うことを特徴とする請求項１または２に記載のイメージング方法。
4. 前記抽出した前記情報から前記被検体の表面または内部のクラックを検出することを特徴とする請求項１から３の何れかに記載のイメージング方法。
5. 上面が被検体載置面である、第１電極と第２電極を有するプレート状またはブロック状の圧電振動子と、
   前記圧電振動子の前記第１電極と前記第２電極との間にパルス電圧またはステップ電圧を加えることで前記圧電振動子から平面波を発生させる電源装置と、
   前記被検体載置面に載置した被検体からの最初の振動速度応答を光学的に検出する振動速度検出装置と、
   前記振動速度検出装置により検出される、前記パルス電圧またはステップ電圧に相似する最初の振動速度応答の大きさから前記被検体の表面形状または内部構造にかかる情報を抽出する画像処理装置と、
   を備えたイメージング装置。
6. 前記振動速度検出装置がレーザドップラ振動計と波形観測装置とからなり、当該レーザドップラ振動計からのビームを、前記被検体載置面上の前記被検体を含む領域で走査させる走査機構を備えたことを特徴とする請求項５に記載のイメージング装置。
7. 前記電源装置が、前記圧電振動子の前記第１電極と前記第２電極との間に加える前記パルス電圧の時間幅が、前記圧電振動子の基本共振周期以下であることを特徴とする請求項５に記載のイメージング装置。
8. さらに、前記振動速度検出装置が、前記被検体表面の最初の振動速度応答の前記光学的な検出を、前記被検体載置面（Ｘ−Ｙ平面）上でＸ−Ｙ走査しつつ行う走査機構を備えたことを特徴とする請求項５から７の何れかに記載のイメージング方法。
9. 前記画像処理装置により抽出した前記情報から前記被検体の表面または内部のクラックを検出することを特徴とする請求項５から８の何れかに記載のイメージング装置。