JPH03113362A - 円錐状超音波偏向要素 - 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〕 本発明は、軸対称に配置される超音波変換体を有し、被
検査対象物の中を表面波及び／またはラム波が進行する
超音波顕微鏡のための円錐状超音波偏向要素に関するも
のである。

〔従来の技術と問題点〕

Ｊ、に、Ｚｉｅｎｉｕｋ　、Ａ、Ｌａ１ｕｓｚｅｋ　、
Ｐｔｏｃ、　ＩＥＥＥ旧ｔｒａｓｏｎ、シンポジウム、
　（１９８６）、第１０３７−１０３９頁から超音波計
式走査顕微鏡が知られている。超音波変換体には切頭円
錐状のサファイア針が取り付けられ、その先端直径は連
結媒体内での超音波波長のほぼ１／４である。従って所
定の波を連結媒体の中に形成することは行われておらず
、この構成は通解像を生じさせる。

被検査対象物内で主に長波を励起させる際に円錐角を２
０°、先端直径を２０μｍ、超音波の周波数を３０ＭＨ
ｚ　に選定することが述べられているが、ここでは円錐
形状は主に超音波変換体の大きな面を小さな先端へ移行
させるために用いられている。

１、Ｒ５ｉｉ１ｈその他、＾ｐｐ１．Ｐｈ７ｓ、Ｌｅ１
１（４２）、１９１１３゜第４１１−４１３頁からは、
通常の球面超音波レンズにより作動する、表面波による
超音波顕微鏡の構成が知られている。

非フォーカシング状態で長波の信号寄与が抑制され、一
方線面レンズ上の狭いリングを通過する超音波が適当な
角度（いわゆるレイリー角度）で被検査対象物の表面に
ぶつかって表面波を共鳴励起させることにより、円形波
面を備えた表面波が生じる。この表面波は、回折による
表面波焦点に合流する。

さらに、レンズと超音波変換体から成る送信・受信ユニ
ットを備えた透過装置が記載されている。

反射装置に対しては、従来の球面レンズ／変換体ユニッ
トの半円体だけを使用することが提案されている。この
場合レンズは分割されず、ただ１つの半円状の超音波変
換体だけが設けられているにすぎない。

明らかに、被検査対象物の表面への入射角を特定の角度
に設定することは不可能であり、従って例えば表面波の
特定のモードを選定することは不可能である。

この場合、発生して被検査対象物に作用する超音波のエ
ネルギーのうち非常にわずかな部分しか表面波に変換さ
れず、従って信号の発生に利用できるエネルギーがわず
かであるので、一連の他の解決法が提案された。

上記の欠点を解消する構成は、Ｂ、Ｎｏｎｇａｉｌｌａ
ｒｄその他、Ｊ、Ａｐｐｌ、Ｐｈ７ｓ、５５（＋９８４
）、第７５−７９頁に説明されている。ここでは球面レ
ンズの代わりにシリンダレンズが設けられ、その縦軸は
被検査対象物の表面に対して傾斜している。シリンダ滋
養の波面は被検査対象物の表面と楕円状に交わる。傾斜
角がレイリー角に対応していると、表面波が効果的に生
じる。しかしこの表面波は、発生ゾーンが楕円状である
ために被検査対象物の表面で収斂して線状焦点を生じさ
せる。従来の超音波顕微鏡に使用するためには、被検査
対象物の表面の法線方向に対しシリンダ軸が傾斜してい
ることは不具合である。

米国特許第４７７９２４１号公報によれば、平坦な超音
波変換体が、放物線状に筒状の屈折面または反射面に傾
斜した角度で作用し、その結果円錐状の波面が生じる。

この場合、円錐軸は反射面または屈折面の焦点線と一致
する。対物レンズは円錐軸に垂直に配置され、このとき
円錐状の波面と被検査対象物の切線は内扇形である。そ
の結果、１、ＲＳｍ１ｌｈその他から知られている点状
焦点が生じる。超音波変換体とフォーカス面との角度を
変化させることにより、表面波を生′じさせるためのレ
イリー角が得られる。

この方法は、透過及び反射の点では、別個にまたは一体
に設けられた送信超音波変換体と送信超音波変換体を用
いて実施することができる。しがしこの方法も、傾斜角
のために従来の超音波顕微鏡に使用すると不具合が生じ
る。

また、必要な波の形状が得られるように超音波変換体の
形状を選定することが提案された。円錐軸が被検査対象
物の表面に垂直に延びている円錐扇形の超音波変換体は
、Ｓ、＾ｙ）ｅｒ、Ｐｒｏｅ、ｏｆ　１９８７ＩＥＥＥ
　Ｕｌｌｒａｓｏｎ、Ｓｙｍｐ、第３０１−３０４頁か
ら知られている。

この場合、超音波変換体の製造コストを上げることが必
要である。超音波変換体の大きさは、連結媒体内での超
音波の被検査対象物までの進路距離を直接決定する。こ
のことは、緩衝特性のゆえに問題である。

Ａ、Ａｌ５ｌａｒその他、Ｐｒｏｅ、　１９８８１ＥＥ
Ｅ　Ｕｌｌｒａｓｏｎ。

Ｓｙａ＋ｐ、第７７１−７７４頁からは、全体に広がっ
たラム波の励起を層構造の被検査対象物にて利用し、超
音波像を生じさせることが知られている。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明の課題は、冒頭で述べた超音波偏向要素を１円形
波面の超音波が被検査対象物内で生じるように構成する
とともに、構造ができるだけ簡潔で、像の質が高く、従
来の超音波顕微鏡にも適用できるように構成することで
ある。

〔課題を解決するための手段及び効果〕本発明は、上記
課題を解決するため、超音波の円錐状の波面が被検査対
象物のほうへ向けられ、超音波変換体及び超音波偏向要
素の軸方向の円板が非活性（１ｎａｋｔｉｖ　）である
ことを特徴とするものである。

有利な実施態様は実施態様項１から７及び１゜と１１に
記載されている。

このような構成を備えた超音波顕微鏡を効果的に作動さ
せるためには、実施態様項８と９に記載の構成が有利で
ある。

本発明によれば、表面波焦点を効果的に生じさせるため
の以下の条件が満たされる。

超音波のすべての範囲が被検査対象物の表面に対して同
一の一定の角度、即ちレイリー角度を有している。

一波面は円または内扇形で被検査対象物の表面にぶつか
る。

−或いは、励起した超音波の円錐状の波面が被検査対象
物の表面にぶつかる。

これらの条件は、平らなまたは円錐状の超音波変換体と
、該超音波変換体と共通の対称軸を有している円錐状の
偏向要素とを有する装置と、被検査対象物の表面を円錐
軸に対して垂直に位置付けることよって満たされる。

超音波変換体及び／または偏向要素に軸対称な円をあけ
ておくことにより、他の励起機構及び放射機構による妨
害を効果的に抑えることができる。

構成要素を斜めに傾斜させて配置する必要はない。シリ
ンダ面を備えた従来の構成では焦点が傾斜していたが、
本発明では焦点は線として円錐軸上に且つ被検査対象物
の表面に対して垂直に位置し、即ち被検査対象物上で点
を形成している。これによって像解析が容易になる。

特に屈折偏向要素、即ち超音波レンズを備えた実施例は
、通常の超音波顕微鏡に直接使用することができる。こ
の場合、変換体／球面レンズユニットの代わりに使用で
きる。製造の点でも従来のものとほとんど同じであり、
凹状球面の代わりに凹状円錐面が製造される（　１．Ｒ
，Ｓｍ１ｌｈ、その他の前掲論文を参照）。

この場合、本発明の構成の問題点として、超音波の被検
査対象物の表面に対する入射角が円錐の開き角度によっ
て決定され、この角度が特定の被検査対象物内での表面
波またはラム波を発生させるための角度と一致しないと
思われるかも知れないが、本発明はこの問題を周波数順
応によって解決するものである。

特にラム波として知られている表面層内での波には分散
性があり、その結果周波数を適当に選定することによっ
て、ラム波の角度を円錐偏向要素の所定の角度に適合さ
せることができる。

この周波数を実験的に決定することは簡単であり、最大
信号が受信されるまで周波数を変化させればよい。しか
しほとんどの超音波変換体の帯域はあまり大きくないの
で、円錐角が異なる複数の本発明による装置を用意して
、被検査対象物のすべてを検査する必要がある。

このような構成の超音波顕微鏡は、励起されたラム波モ
ードが延在する表面層の厚さに等しい軸方向の解像度を
持っている。これに対して横方向の解像度は簡単には確
定できない。環状に収斂する表面波の領域の内部のどこ
かに組織が存在すると受信信号は常に妨害される。この
場合、組織が焦点の位置にあると妨害が最大になる。し
かし小さな組織に対しては、超音波の波長よりも改善さ
れた横方向の解像度が得られる。

〔実施例〕

次に、本発明の実施例を添付の図面を用いて説明する。

第１図は、屈折偏向面を備えた本発明の１実施例である
。

圧電式の超音波変換器１は、高周波を電気的に励起させ
るための端子１１を備えている。超音波変換体１は例え
ばサファイアから成るレンズ体２上に取り付けられてい
る。連結媒体３（例えば水）は超音波５を被検査対象物
４へ伝達させるための連結手段である。屈折面２１は公
知の球面レンズとは異なり円錐状に構成され、即ち平ら
な上面２２を備えた円錐角がγの切頭円錐体として構成
されている。上面２２は、超音波が直角に入射すること
を防ぐため超音波緩衝層で被覆されている。

これに対して屈折面２１は反射防止層で被覆されている
のが合目的である。

被検査対象物４は、層から成る基体４２上に表面層４１
を有している。例えば銅フオイルをアルミニウムに接着
させて検査することができる。

超音波５は屈折面２１で屈折した後連結媒体３の中へ侵
入する。超音波５はすべて円錐軸６に対して同一の角度
θをもち、その共通の波面は円錐状である。

角度θはスネルの屈折法則に基づき円錐角γから得られ
、レンズ体２及び連結媒体３内での超音波の速度に依存
している。

円錐軸６は被検査対象物４の表面に対して垂直に向けら
れ、その結果波面は被検査対象物４の表面を円錐状に切
る。

角度θが特定の表面波、即ちラム波５１に対するレイリ
ー角度と一致すると、ラム波５１は強く励起される。表
面とは面との交差が円形であるため、表面波であるラム
波５１は半径方向に伝播して焦点５２を結ぶ。特に１表
面層４１内だけを伝播するラム波が励起される。ラム波
は拡散性があり、即ち超音波の周波数を変化させること
により、レンズ体２によってり９えられる角度０に対応
する、ラム波モードに対するレイリー角を広範囲で調整
することができる。またラム波は漏洩性（ｌ＠ｃｋｅａ
ｄ　）があり、即ち連結媒体３の中へ強く反射して、検
出可能な超音波信号を生じさせる。

上記の装置は、超音波反射顕微鏡において送信器としも
受信器としも使用できる。この場合、励起信号及び測定
信号を解離させるための公知の回路処置を採用しなけれ
ばならない。レンズ体２の長さによって送信波及び測定
波を時間的に分離させることができる。

同様に超音波透過顕微鏡で送信器として設けることがで
きる。この場合、対向する被検査対象物側に同一の、ま
たは池の公知の装置が受信器として設けられる。

１、ＲＳｍ１ｔｈ　らの前掲書から、円錐軸６を中心に
して完全に円対称な反射装置が無組織表面で最大信号を
発することが知られている。これは正確に焦点５２で理
想的な反射体が設けられている場合にもあてはまる。信
号減衰としての像情報は、組織が焦点５２の横にほとん
どない場合に生じる。

これに対して、装置を１８０’扇形に実質的に三等分す
ると改善が得られる。このように、円錐軸６を含んでい
る対称面内において装置全体を分断する以外にも、屈折
面２１の半分を吸収材で覆うこと、及び／または超音波
変換体を１８０°扇形に限定することによっても改善が
得られる。ただし１８０’扇形からずれるとそれに応じ
て利用効果が低下する。この場合には、焦点５２に欠陥
がないときには信号を発せず、焦点５２に欠陥があると
きに最大信号を発するゼロ測定器を設ける。

屈折面２１を備えたこのような超音波レンズ体２は、公
知の球面超音波レンズ体の製造技術で製造することがで
き、球面超音波レンズ体の代わりとして超音波顕微鏡に
取り付けることができる。

高い解像度を得るために１円錐直径が１０ｐｍ以下の円
錐状の装置を製造してもよい。

この場合、円錐の最小直径は、使用される周波数におい
て連結媒体内での超音波の波長の数倍に選定するのが通
常である。

その際角度０が小さいと、連結媒体３内での超音波５の
進路距離を球面レンズ体の場合に比べてかなり短くする
ことができる。このことは、使用可能な超音波の周波数
がＧＨ！の範囲にあり、従って解像度が向上することを
意味している。

この超音波偏向要素に有利な超音波の周波数はｌ　ＭＨ
寡ないしＩ　ＧＨｔである。

焦点が軸方向において表面層４１に限定され。

且つ例えば顕微鏡のスキャンの際にレンズ体４と被検査
対象物４との距離が変化しても、矩形配置により焦点が
側方へずれないので、妨害に対する安定度が大きく、即
ちスキャン装置に対する条件が少なくなる。

第２図は円錐状の反射体７（例えば研磨されたアルミニ
ウム等の金属から成る）を備えた装置の変形例である。

第１図と同一の部材には同一の符号を附した。超音波変
換体ｌはその形状Ｑ点で偏向要素７に適合しており、円
環体として構成されている。この円環体（Ｋｒｅｉｓｒ
ｉｎｇ　）は、その面への反射体面の投影を覆う。軸方
向の円板は受動的（ｐａｓｓｉｖ　）である。従って、
生じた超音波の出力が利用され、被検査対象物４の表面
で通常どおりに反射した超音波５の受信が避けられる。

このためには、超音波変換体１と被検査対象物４の表面
との距離２をＺ＜Ｒ／１ａｎｏ　に選定するのが合目的
である。ここでＲは反射体の反射面の外側半径であり、
θは超音波の被検査対象物における入射角である。入射
角Ｏは屈折法則により反射体７の円錐角γと関係してい
る。

超音波変換体１または反射面の内側半径ｒは、反射体が
被検査対象物４に載置されないようにするため、ｒ＞Ｒ
−Ｚｌａｎθ／２　に選定しなければならない。

第３図は、円錐状の超音波変換体１を備えた変形例であ
る。その池の点では超音波レンズ２を備えた第１図の実
施例に対応している。従って同一の部材には同一の符号
を附した。レンズ体２は。

超音波変換体１を取り付けた第２の円錐面２３を有して
いる。従って超音波の放射は円錐状であり、屈折面２１
におけるエネルギー密度は超音波変換体１でのエネルギ
ー密度よりも高い。これは、中央の半径がｒｌである超
音波変換体１の円環体からのエネルギーが、中央の半径
がｒ　ｌ、である屈折面２１のより小さな円環体に集中
するからである。

この実施例は直径が最も小さなレンズに適しており、も
ちろん１８０°の扇形として構成しても有利である。

次に、本発明の実施態様を列記しておく。

（１）超音波変換体（１）が平坦であり、偏向面（２１
，７）の円錐軸（６）が超音波変換体（１）に対して垂
直である（第１，２図）ことを特徴とする請求項１に記
載の円錐状超音波偏向要素。

（２）超音波変換体（１）が円錐状であり、その円錐軸
が偏向面（２１）の円錐軸（６）と−致している（第３
図）ことを特徴とする請求項１に記載の円錐状超音波偏
向要素。

（３）変換要素が、被検査対象物側に円錐状の凹面（２
１）を有しているレンズ（２）であることを特徴とする
請求項１、上記第１項または第２項に記載の円錐状超音
波偏向要素。

（４）円錐状の凹面（２１）が切頭円錐体であり。

その平らな上面（２２）が超音波緩衝層で被覆されてい
る（第１図）ことを特徴とする、上記第３項に記載の円
錐状超音波偏向要素。

（５）偏向要素が、超音波変換体（１）のほうへ円錐状
の凹面を有している反射体（７）であり、超音波変換体
（１）が、該超音波変換体（１）への反射体（７）の円
錐状凹面の投影を覆うように成形され且つ配置されてい
る（第２図）ことを特徴とする請求項１、上記第１項ま
たは第２項に記載の円錐状超音波偏向要素。

（６）超音波変換体（１）及び／または変換要素（２，
７）が、はぼ１８０６扇形角度を備えた扇形として構成
されていることを特徴とする請求項１または上記第１項
から第５項までのいずれか１つに記載の円錐状超音波偏
向要素。

（７）超音波反射顕微鏡に送信器及び受信器として同時
に使用することを特徴とする、上記第４項または第６項
に記載の円錐状超音波偏向要素。

（８）超音波の周波数を像信号が最大−になるように設
定することを特徴とする請求項１または上記第１項から
第７項までのいずれか１つに記載の円錐状超音波偏向要
素。

（９）層構造（４１，４２＞を備えた被検査対象物（４
）を使用し、ラム波を表面層（４１）内で励起させるよ
うにしたことを特徴とする、上記第８項に記載の円錐状
超音波偏向要素。

（１０）円錐状の超音波偏向要素（２，７）の最小直径
が使用する超音波の波長の数倍であることを特徴とする
請求項１に記載の円錐状超音波偏向要素。

（１１）　ＩＭｌｈ　ないしＩ　ＧＨｔ　の範囲の超音
波周波数に適合していることを特徴とする請求項１に記
載の円錐状超音波偏向要素。

【図面の簡単な説明】

第１図は円錐状レンズを備えた本発明による偏向要素の
断面図、第２図は円錐状反射体を備えた本発明による偏
向要素の断面図、第３図は円錐状超音波変換体と円錐レ
ンズの組合せ例を示す図である。 １・・・・・超音波変換体 ２゜ ７ ・超音波偏向要素 ・被検査対象物

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）軸対称に配置される超音波変換体（１）を有し、
   被検査対象物（４）の中を表面波及び／またはラム波が
   進行する超音波顕微鏡のための円錐状超音波偏向要素に
   おいて、 超音波の円錐状の波面が被検査対象物（４）のほうへ向
   けられ、超音波変換体（１）及び超音波偏向要素（２，
   ７）の軸方向の円板 （２２）が非活性であることを特徴とする円錐状超音波
   偏向要素。