JPH01254858A - 超音波顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 【産業上の利用分野】

この発明は、物質の弾性的な性質を計測する超音波顕微
鏡に関する。

【従来の技術】

近年、光や電子ビームに代わって数十ＭＨｚ以上の超音
波を利用した超音波顕微鏡が開発されている。そのうち
、機械走査型反射型超音波顕微鏡は、１つあるいは２つ
の集束超音波トランスジューサを用い、物質の各点にお
ける弾性的性質の差異等によって生じる超音波の反射波
を利用して画像を得たり、物質の微視的部分の弾性的性
質を定量的に計測したりするものである。 第２図は、従来の機械走査型反射型超音波顕微鏡の一例
をブロック図で示したものである。第２図において、高
周波パルス発振器１で発生したパルス変調波は、サーキ
ュレータ２を経て集束超音波トランスジューサ３により
集束超音波ビームとなり、音波伝搬液体４を介して試料
保持台５上の試料６に照射される。試料保持台５は、Ｘ
Ｙ方向移動装置７によって、図示Ｘ及びＹ方向に移動さ
れる。ＸＹ方向移動装置７は、走査制御回路８によって
制御される。試料保持台５を移動させる代わりに、集束
超音波トランスジューサ３をχＹ力方向移動させること
もできる。 試料６によって反射された反射波は、再び集束超音波ト
ランスジューサ３で集音されて電気信号に変換され、サ
ーキュレータ２を経て表示装置９に供給され、超音波顕
微鏡像が得られる。 次に、試料表面上の音速を測定するための構成を第３図
に示す。第３図においては、Ｚ方向移動装置１０によっ
て、試料保持台５上に載置された試料６を集束超音波ト
ランスジューサ３に近づくように移動させながらがら、
集束超音波トランスジューサ３の出力をオシロスコープ
１１で観察するようになっている。集束超音波トランス
ジューサ３の出力をＺ方向の移動距離に対して記録する
と、第４図に示すような曲線が得られる。この曲線は、
Ｖ　（Ｚ）曲線と呼ばれている。 第２図と第３図に示した構成は、同じ装置内に同時に組
み入れることが可能である。第２図に示した構成によれ
ば、表面凹凸や多結晶金属、セラミンクなどの観察に対
し高いコントラストの画像を得ることができるが、これ
は第４図のＶ　（Ｚ）曲線の得られる理由と同じで、こ
れが反射型顕微鏡の大きな特徴である。 第４図のＶ　（Ｚ）曲線が得られる原理を第５図に示す
。第５図において、試料６はその表面を集束超音波トラ
ンスジューサ３に近づけた配置になっており、集束超音
波トランスジューサ３から照射した超音波のうち試料表
面から戻ってくる成分は、Ｚ軸（第３図）近傍からの反
射波（以下、垂直反射波と呼ぶ。）１２と、臨界角δで
入射した超音波１３によって励振された漏洩弾性表面波
の再放射波（以下、漏洩放射波と呼ぶ。）１４だけであ
る。この２つの成分の干渉によってＶ　（Ｚ）曲線が得
られる。 第２図に示した構成で画像を表示する場合、試料６の表
面を焦点面から集束超音波トランスジューサ３に少し近
づけた状態で測定することにより高いコントラストが得
られるが、これは第４図に示したＶ　（Ｚ）曲線の特性
を利用しているためである。 次に、漏洩放射波１４を第６図で説明する。試料表面に
物質固有の角度、すなわち、臨界角δで入射した超音波
１３は、エネルギを音波伝搬液体４中に放出しながら試
料表面を伝搬する漏洩弾性表面波１５を励振する。放出
されるエネルギは具体的には縦波の音波であり、漏洩放
射波１４と呼ばれ、第６図に示すように超音波１３の入
射角に対して線対称な方向、すなわち臨界角δの方向に
伝搬していく。そして、第５図に示すように、集束超音
波トランスジューサ３からのビーム中心に対し入射位置
と対称な位置から放出された漏洩放射波１４の成分のみ
が集音される。つまり、入射超音波１３がモード変換し
、表面波として試料表面を伝搬したのちに再び縦波音波
に変換したものが集音されるわけで、この漏洩放射波１
４の成分は試料表面の弾性的性質の変化によって著しく
位相変化金主じたり、減衰したりする。 したがって、漏洩放射波１４と垂直反射波１２（第５図
）の成分の干渉によって得られるＶ　（Ｚ）曲線の周期
性は、物質表面の弾性的性質に依存し、第４図に示した
周期ΔＺを測定することにより、物質の漏洩弾性表面波
１５の音速を計算により求めることができる。この周期
ΔＺと音速の関係は、近似的に次式で与えられる。 ΔＺ　−Ｖｔ　／　（２ｆ　（１−ｃｏｓθ））θ−５
ｉｎ日（Ｖｔ／Ｖ、） ここで、■、は音波伝搬液体４の縦波音速、■、は漏洩
弾性表面波１５の音速、ｆは使用超音波周波数である。 ところが、これらの方法では、垂直反射波１２の成分が
、漏洩放射波１４と干渉させるのに十分な強度が得られ
ない場合がある。試料が層状構造や高分子材料、生体組
織などの場合である。この場合、画像のコントラストは
低下し、Ｖ　（Ｚ）曲線も周期性を示さない。 そこで、漏洩放射波の試料からの放射角が物質により固
有であることに着目して、試料表面に漏洩弾性表面波を
励振するための送波用集束超音波トランスジューサと分
離して、前記漏洩弾性表面波からの漏洩放射波を受渡す
る受波用超音波トランスジューサを設け、かつこの受波
用超音波トランスジューサとしては、所定の放射角の漏
洩放射波のみを選択的に検出できるように、平面超音波
トランスジューサを用い、これを試料表面に対して所定
の角度に傾斜させて配置したものが提案されている。 第７図は、そのような超音波顕微鏡を示すものである。 第７図において、高周波パルス発振器１からの電気信号
は、送波用集束超音波トランスジューサ１６により集束
超音波ビームとなり、音波伝搬液体４を介して試料６に
照射され、試料６の表面に漏洩弾性表面波を励振する。 漏洩弾性表面波から再放射される漏洩放射波は、物質固
有の角度で放射され、その方向で伝搬して受波用平面超
音波トランスジューサ１７に到達する。受渡用平面超音
波トランスジューサ１７は、その端面が漏洩放射波の伝
搬方向に対して垂直になる角度からずらせて傾斜させで
ある。 受渡用平面超音波トランスジューサ１７の出力は、高周
波増幅検波器１８によって増幅検波される。試料保持台
５は、ＸＹ方向移動装置７によって図示Ｘ及びＹ方向に
移動される。また、このＸＹ方向移動装置７は、操作制
御回路８によって制御される。高周波増幅検波器１８か
らの信号は、操作制御回路８からの位置信号と同期させ
て表示装置９に送られ、超音波顕微鏡像が得られる。 試料６が均質で表面凹凸や欠陥がない場合、受渡用平面
超音波トランスジューサ１７の端面には漏洩放射波しか
到達しないので、漏洩放射波の伝搬方向に対して受波用
平面超音波トランスジューサ１７の端面がわざと垂直に
ならないように配置したこの構成では、受渡用平面超音
波トランスジューサ１７の出力は零となる。しかし、試
料表面や表面下近傍に亀裂や欠陥が存在する試料では、
その箇所で音波のしよう乱や散乱が生じるため、散乱音
波などが受渡用平面超音波トランスジューサ１７に到達
し出力に関与する。このため、試料の構造変化に対して
コントラストの大きい画像を得ることができる。

【発明が解決しようとする課題】

ところが、第７図の構成ではある特定の仏殿方向近傍の
漏洩弾性表面波からの情報しか得られないために、受渡
用平面超音波トランスジューサの出力のダイナミックレ
ンジは小さいものになる。 したがって、内部欠陥からの微弱な信号などが検出でき
ないことがあり得る。 そこでこの発明は、試料の内部欠陥からの反射信号のよ
うに微弱な信号も検出できる感度のよい超音波顕微鏡を
提供することを目的とするものである。

【課題を解決するための手段】

この発明の超音波顕微鏡は、上記目的を達成するために
、試料表面に漏洩弾性表面波を励振させる送波用集束超
音波トランスジューサと、集束方向に対して直角な平面
内で前記試料表面に対して所定の角度で傾斜して配置さ
れこの試料表面を伝搬する前記漏洩弾性表面波からの漏
洩放射波を受波する受波用直線状集束超音波トランスジ
ューサとを備えるものとする。

【作　用】

平面超音波トランスジューサの代えて直線状集束超音波
トランスジューサを受波用に用い、この受波用超音波ト
ランスジューを集束方向に対して直角な平面内で試料表
面に対して所定の角度で傾斜して配置することにより、
所定の放射角の漏洩放射波のみを選択的に検出できると
いう特徴を残しながら、検出可能な漏洩弾性表面波成分
が増え、グイナラミックレンジが大きくなって感度が良
くなる。

【実施例】

第１図は、この発明の実施例の試料ステージ部の配置を
示すものである。第１図において、試料表面は図示ＸＹ
平面に、また送波用集束超音波トランスジューサ１６の
中心軸はＹＺ平面に含まれるようになっている。 １９は受渡用の直線状集束超音波トランスジューサで、
その集束方向をＸ方向に合わせ、この集束方向に直角な
平面（ＹＺ平面）内で試料表面に対して所定の角度で傾
斜して配置されている。その際、前記集束方向に直角な
平面と試料表面が交わる線２０上に、送波用集束超音波
トランスジューサ１６のビームスポット２１が含まれる
ようになっている。 受渡用超音波トランスジューサが平面である場合には、
入射ビームスポット２１からＹ軸方向、又はその近傍方
向に伝搬してい（漏洩弾性表面波の成分からの漏洩放射
波が検出可能であった。 これに対して、第１図に示すように、受波用超音波トラ
ンスジューサを直線集束型にし、集束方向に対して直角
な方向をＹ軸方向に揃えるようにして、傾斜させて配置
することによって、検出可能な漏洩弾性表面波の成分が
増すことになる。具体的には、検出可能領域２２を通過
する漏洩弾性表面波からの漏洩放射波が受波用直線状集
束超音波トランスジューサ１９によって検出可能となる
。 また、受波用直線状集束超音波トランスジューサ１９を
試料表面に近づければ近づけるほど検出可能な領域も拡
がる。検出可能な漏洩弾性表面波の成分が増えることは
、すなわち漏洩放射波が微弱な試料や内部欠陥からの微
弱な音波も検出できることになる。

【発明の効果】

この発明によれば、検出可能な漏洩弾性表面波の方向成
分が増えることにより受波用超音波トランスジューサの
出力が大きくなり、ひいては超音波顕微鏡の感度が向上
し、反射成分ｈ（少ない試料に対する測定や、内部欠陥
などからの微弱な反射信号の検出が可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例の構成を示す要部斜視図、第
２図は従来例の構成を示すブロック図、第３図は従来例
の別の構成を示すブロック図、第４図はＶ　（Ｚ）曲線
を示す線図、第５図はＶ　（Ｚ）曲線が得られる原理を
示す説明図、第６図は第５図における漏洩放射波を示す
説明図、第７図は従来例のさらに別の構成を示すブロッ
ク図である。 ６；試料、１６：送波用集束超音波トランスジューサ、
１９：受波用直線状集束超音波トランスジューサ。 第３図 第５図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １）試料表面に漏洩弾性表面波を励振させる送波用集束
   超音波トランスジューサと、集束方向に対して直角な平
   面内で前記試料表面に対して所定の角度で傾斜して配置
   されこの試料表面を伝搬する前記漏洩弾性表面波からの
   漏洩放射波を受波する受波用直線状集束超音波トランス
   ジューサとを備えることを特徴とする超音波顕微鏡。