JPH0327863B2

JPH0327863B2 -

Info

Publication number: JPH0327863B2
Application number: JP58089111A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Kanda; Kyoshi Ishikawa; Kageyoshi Katakura; Shinichiro Umemura
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 1983-05-23
Filing date: 1983-05-23
Publication date: 1991-04-17
Also published as: JPS59214759A

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の利用分野〕本発明は超音波エネルギーを用いる超音波顕微
鏡に係り、特に反射型超音波ビームの焦点面と試
料面との距離の変化により生ずる試料面からの反
射音波の周期を利用して試料固有の物性量を計測
する超音波顕微鏡に関する。

〔発明の背景〕

近年、医学界において人体の内部構造を観察す
るのに有効な波動として超音波が広く利用されて
いる。超音波は、光線や電子線では観察不可能な
光学的に不透明な材料の内部を観察する能力を有
しており、その使用周波数が高ければ高い程より
微細な対象物まで描画することができる。そのう
微細な対象物まで描画することができる。そのう
え、超音波が取り出す情報は、対象物の弾性・密
度・粘性等の力学的情報を反映しているため、光
線や電子線では得られない新しい知見をも与えて
くれるものである。

最近、音波周波数1GHz、従つて水中での音波
長として約1μｍにおよぶ超高周波音波を利用し
て、上記の超音波の特徴を生かした超音波顕微鏡
が検討されている（R.A.レモン氏とC.F.クウエー
ツ氏のＡ Scanning Acoustic Microscopeと題
するIEEE Cat.No.73CH14829SU PP423−426に
掲載の文献）。この超音波顕微鏡の原理は、約1μ
ｍまで細く絞つた超音波ビームによつて試料面を
機械的に２次元走査しながら、試料によつて惹起
された散乱・減衰といつたじよう乱超音波を集音
検出しこれを電気変換し、この電気信号をブラウ
ン管上に、上記機械走査と同期して２次元表示す
ることにより顕微画像を得るものである。

本発明は、試料からの反射超音波を検出描画す
る反射型超音波顕微鏡にとりわけ深く係つている
ので、まず第１図を用いて反射型超音波顕微鏡の
従来構成について説明する。

図において、超音波を発生・検出するトランス
デユーサは、主として圧電薄膜２０、たとえばサ
フアイア、石英ガラス等の円柱状結晶を加工した
音響レンズ４０から構成される。すなわち、音響
レンズ４０は、その上部端面４１は光学研磨され
た平面であり、下部端面には曲率半径が0.1〜１
mmの半球穴４２が形成されている。上部端面４１
に蒸着等によつて設けられた上部電極１０、圧電
薄膜２０および下部電極１１からなる層構造の上
下電極間に、RFパルス発振器１００の出力電気
信号を印加すれば、上記圧電薄膜２０の圧電効果
により、音響レンズ４０内に平面波のRFパルス
超音波８０が放射される。この平面超音波８０
は、半球穴４２と媒質５０（一般に純水が用いら
れる）との界面で形成される正の音響球面レンズ
（以下、単にレンズと呼ぶ）により所定焦点面に
おかれた試料６０上に集束される。

試料６０によつて反射された超音波は、レンズ
により集音され、平面超音波に変換されて音響レ
ンズ４０内を伝播し、最終的に圧電薄膜２０の逆
圧電効果によりRFパルス電気信号に変換される。
このRFパルス電気信号は、RF受信機１１０で増
幅・検波後、ビデオ信号（１〜10MHz）に変換さ
れてブラウン管１３０の輝度信号（Ｚ入力）とし
て用いられる。

このような構成において、試料ステージ７０上
に貼付された試料６０のｘ−ｙ面を２次元機械走
査装置１２０により走査し、この走査信号Ｘ・Ｙ
に上記ビデオ信号を同期させてブラウン管１３０
上に表示すれば、顕微画像が得られることにな
る。

第２図ａは、上記構成の超音波顕微鏡で、ある
繰り返し周期t_RのRFパルス電気信号を印加した
時の反射超音波波形を、ビデオ領域での検出信号
として示したものである。ここで、横軸は時間軸
を、縦軸は信号強度を示している。第２図中、ａ
は印加したRFパルスを示し、ｂはレンズと水の
界面からの反射信号を、ｃは試料からの反射信号
を示している。これらの信号の中から所望の反射
信号ｃと不要なレンズ界面からの反射信号ｂとを
弁別するために、印加パルスの継続時間t_d（第２
図ｂ）をできるだけ短くして、これらが重ならな
いようにし、ｃ信号のみをタイム・ゲート信号
（第２図ｃ）で取り出し標本化することにより、
映像化や次に述べるＶ（Ｚ）曲線の計測を行つて
いる。

Ｖ（Ｚ）曲線はこのような反射型超音波顕微鏡
を要いて対象試料の弾性的性質を定量的に計測す
る方法であつて、たとえばR.D.ウエブライン氏
とR.G.ウイルソン氏のCharacteristic materrial
Signatures by Acoustic Microscopyと題する
Electronic Letters第14巻、PP352−354、1978年
所載の文献に掲載されている。すなわち、上記超
音波顕微鏡において、機械走査のうちＸ、Ｙ軸を
停止し、代りにＺ軸方向すなわちレンズと試料間
の距離を換えて、試料からの反射超音波の大きさ
を該距離に対応して表示し、その曲線から試料の
弾性定数を求める方法である。

第３図は、かかるＶ（Ｚ）曲線の１例で、横軸
にレンズと試料間の距離Ｚをとり、縦軸に反射強
度をとつたもので、試料はシリコンである。ここ
でR₀点は、レンズの焦点が試料の表面に合つた
時、すなわちレンズと試料間の距離がレンズの焦
点距離に等しくなつた場合に対応している。この
曲線にみられる周期的な反射強度の変化は、試料
からの直接反射波と試料表面に惹起された表面弾
性波からの漏洩波との間の干渉によつて生ずるも
ので、この距離軸上の周期ΔZ_Nは、試料の表面弾
性波の平均伝播速度_Rに係つており、 ΔZ_N＝（_R）²／（ｆ・_L） (1) で与えられることが知られている（上記引用の文
献による）。ここで、ｆは使用超音波の周波数を
表わしており、v_Lはレンズと試料との間を満す流
体の音波伝播速度を表わしている。したがつて、
かかるＶ（Ｚ）曲線を求めることにより、その周
期ΔZ_Nの計測値から _R＝（ΔZ_N・ｆ・v_L）^1/2 (1)′ なる関係を用いて、試料の弾性的な特徴量として
表面弾性波の平均伝播速度_Rを求めることがで
きる。

しかしながら、式(1)′から明らかなように、
ΔZ_Nの絶対長および使用超音波の周波数ｆをあら
かじめ求めておく必要がある。これらの値を求め
るために、従来、超音波顕微鏡以外に独立した計
測手段を使用しており、測定が繁雑になるという
欠点があつた。したがつて、もし、計測されたＶ
（Ｚ）曲線から、周波数ｆやΔZ_Nの絶対長の測定
が本質的に不要な方法で_Rを求める手段が実現
されるなら、他の計測手段を用いることなく超音
波顕微鏡のみで_Rの計測を行うことができ、計
測時間を大幅に短縮することができる。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、上記のような従来技術の欠点
を解消し、使用超音波の周波数およびＶ（Ｚ）曲
線の周期の絶対長を用いることなくＶ（Ｚ）曲線
から試料の表面弾性波の平均伝播速度を求め得る
超音波顕微鏡を提供することにある。

〔発明の構成〕

上記目的を達成するため、本発明による超音波
顕微鏡は超音波を試料の上に集束させる音響レン
ズと、該試料と該音響レンズとの距離を変化させ
る手段とを備えた超音波顕微鏡において、参照波
を発生させ該参照波と前記試料からの直接反射波
との干渉波を発生させる手段と、前記距離を変化
させた時の該干渉波の音圧変化の前記距離軸上の
周期と前記距離の変化に際し生ずるＶ（Ｚ）曲線
の前記距離上の周期との比を検出する手段とを設
けたことを特徴とする。

本発明の原理について述べる。

前述した(1)式を変形すると次の(2)式を得る。

（v_R／v_L）²＝v_R ²／λ_L・v_L・ｆ＝ΔZ_N／λ_L (2) この(2)式を更に変形して次の(2)′式が得られる。

_R＝（ΔZ_N／λ_L）^1/2・v_L (2)′ 本発明は、これに着目し、レンズと試料間を満
たす流体の音波長λ_Lを単位長として干渉周期ΔZ_N
を計測すれば、(2)′式により周波数ｆやΔZ_Nの絶
対長を必要とすることなくv_Rを求めることができ
る事実を利用している。すなわち、試料の表面弾
性波の平均伝播速度_Rは、レンズと試料との間
を満す流体の音波長λ_LとＶ（Ｚ）曲線の周期ΔZ_N
との比及び音波伝播速度v_Lに係つているという現
象に着目している。

このような手順を実現するためには、Ｖ（Ｚ）
曲線上に音波長λ_Lを反映したスケールを導入する
必要がある。このために本発明では試料の種類や
機械走査によつて変動しない参照波を音響的また
は電気的に発生させ、この信号と試料からの反射
音波（以下、試料反射波と呼ぶ）との干渉現象を
利用する。このような参照波として、例えば従来
不要とされていたｂ信号すなわち音響レンズと流
体との界面からの反射信号（以下、レンズ反射波
と呼ぶ）を用いることができる。

次に、レンズ反射波と試料反射波との間の干渉
によつて、どのようにして検出反射信号中に音波
長λ_Lを反映したスケールが導入されるかを説明す
る。

今、レンズ反射波ｂを V_B（ｔ）＝Asinω₀t t₀＜ｔ＜t₀＋t_d ０その他の時刻 (3) ここで、ω₀は超音波周波数、 t₀＝2L／Vc Ｌはレンズ結晶の軸長、 Vcはレンズ結晶材の音速とおくと、試料反射波ｃは、レンズ反射波と同じ
周波数の音波がレンズ反射波ｂより音波がレンズ
と試料の間の流体中を往復伝播する時間ts（≡
2Z／v_L、ここでＺはレンズと試料の間の距離）
だけ遅延して戻つてくるから、 Vc（ｔ）＝Bsinω₀t t₀＋ts＜ｔ＜t₀＋t_d ０その他の時刻 (4) で表される。もし、RFパルスの継続時間tdを第
２図ｅに示すように、 t_d＞ts＝2Z／v_L (5) を満足するように長くしてやれば、二つに反射信
号V_B（ｔ）とVc（ｔ）は第２図ｄにおいて斜線部
に示すように時間軸上で重なり合うことになる。
すなわち、 t₀＋ts＜ｔ＜t₀＋t_d (6) なる時間領域では両者の和信号は、次の(7)式で表
わされる。

Ｖ（ｔ）＝Asinω₀t＋Bsinω₀（ｔ＋2Z／v_L）(7) したがつて、第２図ｆに示すようにこの時間領
域のみを取り出すゲート信号を用いて、この和信
号を弁別し、RF検波すると(8)式に示す出力を得
る。

Ｖ＝A²＋B²＋2ABcos（ω₀2Z／v_L） (8) 第２図ｄの斜線部分に示すこの検出信号は二つ
の波の間の干渉により、距離Ｚの変化に対応し
て、 ω₀2Z／v_L＝2π（Ｚ／λ_L／２） (9) の関係により、λ_L／２の周期パターンを描くこと
になる。このようにして、干渉を利用することに
より、反射超音波の検出信号中にλ_Lを反映したス
ケールλ_L／２を導入することができる。このと
き、式(2)′は次の式(2)となる。

_R＝（ΔZ_N／2Zc）^1/2・v_L (2) ここで、ΔZc＝λ_L／２このような干渉周期を得るための参照波とし
て、上記のようなレンズ反射波を用いずに周波数
がレンズ反射波と同じ、即ち探触子の発射波の周
波数と同じにした外部の参照電気信号を用いるこ
とももちろん可能である。

〔実施例〕

このような手順でＶ（Ｚ）曲線を計測した１例
を第４図ａに示す。この例は、試料は溶融石英で
ある。第４図の横軸は15μｍ／divでレンズと試料
間の距離を表わし、縦軸は反射強度を示してい
る。第４図ａに現れた波形はレンズ界面からの反
射波、試料からの直接反射波および試料の表面弾
性波よりの放射波の３つの同じ周波数の波が干渉
したものであつて、第３図に示す従来方法でのＶ
（Ｚ）曲線があたかもλ_L／２の周期を有する正弦
波で変調されたようになつている。

本発明では、横軸すなわちレンズと試料間の距
離の絶対長を知らずに、また使用周波数を求める
ことなく試料の表面弾性波の平均伝播速度を求め
ることができる。すなわち、第４図ａの実側Ｖ
（Ｚ）曲線の包格線を求めると第４図ｂを得るか
ら、この周期ΔZ_Nは第４図ａのグラフ上の格子の
1.3divに対応することがわかる。また第４図ａの
Ｖ（Ｚ）曲線上のキヤリア周波数ΔZcはグラフ上
の格子の1/7divに対応していることがわかる。し
たがつて、ΔZ_NやΔZcの絶対長を知らなくとと
も、上記の相対値を用いて、_R ＝（1.3／２・（１／７））^1/2・v_L＝2.13v_L……(10
) すなわち、_R＝3200ｍ／ｓを得ることができる。
もちろん、この値は、周波数350MHz、実測の
ΔZ_N＝19μｍを用いて、従来の式(1)′に代入するこ
とにより_R ＝（19×10^-6×3.5×10⁸×1.5×10³）^1/2 ＝3200ｍ／ｓと求められる値に一致する。

このような原理により、ΔZ_Nの大きさを直接絶
対値として計測することなく、単にレンズ反射波
による干渉周期の大きさとの比のみを求めれば
V_Rを求めることができる。さらに、本原理では
v_Rは超音波の使用周波数に依存しないから、計測
期間中の短期周波数安定度のみ要求され、長期間
にわたる安定度は必要としない利点がある。

以下、本発明の装置の実施例を図面を用いて説
明する。

第５図は、前述の本発明の原理を具体化する超
音波顕微鏡の回路構成のうち、超音波送受部の一
実施例を示す図である。

RF連続発振器５００で発生したRF連続波信号
（例えば周波数1GHz）をアナログ・スイツチ５１
０で継続時間t_dのRFパルス信号に変換し、方向
性結合器５２０を介してトランスヂユーサ５３０
に印加する。試料からの反射超音波信号を方向性
結合器５２０を介して受信アンプ５４０で増幅
後、ダイオード検波器５５０でビデオ信号（帯域
１〜10MHz）に変換し、タイムゲート５６０によ
り所望信号である試料からの反射信号を弁別、標
本化して撮影用および計測用信号として用いる。
タイムゲート５６０はゲート信号発生器５７０か
ら得られるゲート信号により制御される。本実施
例では、上記継続時間t_dを長くしたり短くしたり
するだけで、従来法と本発明の方法とを容易に切
り換えることができるのであるが、このような手
段としてはアナログ・スイツチ５１０をON／
OFFするゲート信号発生器５７０の出力パルス
の幅t_dを変えればよい。第２図ａ，ｂ，ｃがt_d＜
2Z／v_Lの従来法第２図ｄ，ｅ，ｆがt_d＞2Z／v_Lの
本発明の干渉を用いる場合におけるコントロール
信号とゲート信号のタイミングチヤートである。
このようなモードの切換えによつても、試料から
の反射信号の出現時刻は変化しないから、同一の
ゲート信号を用いることができる。

以上のような超音波送受信部を用いて、_Rま
たはＶ（Ｚ）曲線を求めるための全体構成の一実
施例を第６図に示す。

トランスヂユーサ６００と試料６０の間の距離
を変化させる手段として、トランスヂユーサ５３
０を支持する台６０５をボールネジおよびパルス
モータからなるＺ軸駆動部６２０を用いている。
すなわち、パルスモータの回転運動をボールネジ
の並進運動に変え、トランヂユーサ５３０と試料
６０間の距離（Ｚ軸）を可変にする。このような
Ｚ軸駆動部６２０を駆動するＺ軸駆動電源６２５
に、パルス発生器６３０によりパルス信号を送れ
ば、パルスモータは正回転又は逆回転してトラン
スヂユーサ６００を試料６０に近づけたり遠ざけ
たりする。パルス発生器６３０より送られた上記
パルス信号は、同時にアツプダウンカウンタ６３
５により計数され、この計数はレンズ界面と試料
との間の距離Ｚに対応しており、表示器６４０に
表示されるとともにバスライン６４５を介してマ
イクロコンピユータ６７０の内部メモリに記録さ
れる。超音波送受信部６５０の出力ビデオ信号
は、パルス発生器６３０から発生するパルスに同
期して、アナログ・デイジタル変換器６５５によ
りデイジタル値に変換され、バスライン６４５を
介して同じくマイクロコンピユータ６７０の内部
メモリに格納させる。また、試料６０は試料台７
０の上に載せられ、この試料台７０はＺ軸と同様
のボールネジとパルスモータを用いたＸ・Ｙ軸駆
動部６６５に連結しており、Ｘ・Ｙ軸駆動電源６
６０により画像作成に必要な２次元機械走査を
xy面内で行う。Ｘ・Ｙ軸駆動電源６６０は、外
部スイツチまたはマイクロコンピユータのコマン
ド信号により、その走査を開始したり停止したり
するようになつている。

このような構成においてＶ（Ｚ）曲線またはv_R
を求める手順は、以下のような信号のやりとりで
実施することができる。

(1) まず、バスライン６４５を介してマイクロコ
ンピユータ６７０よりＸ・Ｙ軸駆動電源６６０
にパルスを送り、Ｘ・Ｙ軸駆動電源６６５を停
止させる。

(2) 所定の距離だけトランスヂユーサ５３０と試
料６０が離れるように、マイクロコンピユータ
６７０によりパルス発生器６３０にパルス発生
の指令を送り、パルス発生器６３０よりＺ軸駆
動電源６２５に正逆のパルスを必要個数送る。

(3) Ｚ軸駆動電源６２０のパルスモータを１パル
ス分回転させ、トランスヂユーサ５３０を試料
６０に近付けた後、試料６０からの反射信号の
強度データをアナログ・デイジタル変換器６５
５の出力としてバスライン６５４を介してマイ
クロコンピユータ６７０に取り込み、「強度デ
ータ」と定義したメモリ領域に格納する。同時
に、前記のアツプダウンカウンタ６３５の出力
をバスライン６４５を介して「距離データ」と
定義したメモリ領域に格納する。

このような手順を、トランスヂユーサ５３０
の動きにしたがつてパルス発生器６３０から発
生するパルス信号に同期して逐次行い、Ｖ（Ｚ）
曲線を得るのに必要はＺ軸方向の移動を行う。
具体的に第４図の例では、320μｍから580μｍ
までの間の260μｍ間のＶ（Ｚ）曲線を得るた
め、0.2μｍピツチで1300回行つている。

(4) マイクロコンピユータ６７０の内部または外
部メモリに格納された上記の「強度データ」と
「距離データ」の対をもとにして得られるＶ
（Ｚ）曲線を、CRT表示装置やプロツタ等に表
示記録する。

このようにして得られたＶ（Ｚ）曲線は、第
４図ａのような干渉による変調されたＶ（Ｚ）
曲線であり、これから第４図ｂのようなその包
格線に相当する従来型のＶ（Ｚ）曲線を得るに
は、包格線を求める周知のソフトウエア・アル
ゴリズムを用いることができる。また、本実施
例の変調されたＶ（Ｚ）曲線からλ_L／２や物質
量を反映した周期ΔZcの大きいを求めることお
よび包格線からΔZ_Nを求めること、および包格
線からΔZ_Nを求めることもマイクロコンピユー
タ６７０を用いて容易に実行できる。このよう
にして得られたΔZ_Nの大きさとΔZcの大きさを
用いてマイクロコンピユータ６７０によつてそ
の比を演算し更にv_Rを演算して求める。

本実施例では、すでに説明したように、超音波
パルスの継続時間t_dを2Z／v_Lより長くしたり短く
したりすることにより、レンズ反射波と試料反射
波との干渉周期ΔZcを発生させたり発生させなか
つたりすることができる。すなわち、t_d＜2Z／v_L
にするとレンズ反射波による干渉現象は出ず、上
記手順によつて従来型のＶ（Ｚ）曲線が得られる
から、このＶ（Ｚ）曲線からΔZ_Nの大きさを求め
ることもでき、この場合は上記の包格線処理を要
しない。次にt_d＞2Z／v_Lとして、上記手順を実行
すると変調されたＶ（Ｚ）曲線が得られ、この曲
線内の変調周期ΔZcの大きさを求め、ΔZ_N／ΔZc
を求めることができる。また、上記の周期を求め
るソフトウエア上のアルゴリズムとしては、周知
の自己相関やFFTアルゴリズム（高速フーリエ
変換）を用いることができるのはもちろんであ
る。さらに、本実施例では、「距離データ」と
「強度データ」を格納したが、もし「強度データ」
をメモリ上に順序よく格納すれば、メモリ上のア
ドレスを距離の代りに用いることができる。これ
は、本発明では_Rを求める際に、ΔZ_Nの絶対長
ではなく、ΔZ_NとΔZcの比のみを用いているから
である。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明の超音波顕微鏡に
よれば、いわゆるＶ（Ｚ）曲線を計測しその周期
を求め、それから試料の表面弾性波の平均伝播速
度を求めるにあたつて、参照波との干渉による新
しい周期を導入し、両周期の比を用いることによ
り、使用超音波の周波数およびＶ（Ｚ）曲線の周
期の絶対長を用いることなくＶ（Ｚ）曲線から前
記平均伝播速度を求めることができ、超音波顕微
鏡の計測機能を大きく高めることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の反射型超音波顕微鏡を示す図、
第２図は従来法、および本発明の一実施例による
超音波送受信制御信号のタイミングチヤート、第
３図は従来方法によるＶ（Ｚ）曲線を示す図、第
４図は本発明の一実施例によるＶ（Ｚ）曲線を示
す図、第５図は本発明の一実施例による超音波送
受信部のブロツク図、第６図は本発明の一実施例
を示す超音波顕微鏡の全体ブロツク図である。５３０……トランスヂユーサ、６０５……支持
台、６０……試料、７０……試料台、６２０……
Ｚ軸駆動部、６２５……Ｚ軸駆動部電源、６３０
……パルス発生器、６３５……アツプダウンカウ
ンタ、６４０……表示器、６４５……バスライ
ン、６５０……超音波送受信部、６５５……アナ
ログ・デイジタル変換器、６６０……Ｘ・Ｙ軸駆
動電源、６５５……Ｘ・Ｙ軸駆動部、６７０……
マイクロコンピユータ。

Claims

【特許請求の範囲】１音響レンズによつて収束する超音波ビームを
試料に向かつて放射し、試料からの反射波を前記
音響レンズを介して受信するトランスヂユーサー
と、前記音響レンズと試料との間の距離を変化さ
せる手段を備え、前記距離を変化させることによ
つて前記超音波ビームの試料からの直接反射波と
試料表面弾性波の放射波との干渉波の音圧が変化
する状態を観察できる超音波顕微鏡において、前
記超音波ビームの周波数と同じ周波数であつて、
音響レンズと試料との距離に依存しない参照波を
発生する手段を備え、この参照波と前記干渉波と
の干渉波の音圧が音響レンズと試料との間の距離
によつて変化する距離軸上の周期と、前記直接反
射波と前記放射波との干渉波の音圧が音響レンズ
と試料との間の距離によつて変化する距離軸上の
周期との比を検出する手段を設けたことを特徴と
する超音波顕微鏡。２参照波を発生する手段は音響レンズのレンズ
界面である特許請求の範囲第１項記載の超音波顕
微鏡。３参照波は電気信号であり、参照波を発生する
手段は該電気信号を発生する電気回路である特許
請求の範囲第１項記載の超音波顕微鏡。