JPH0338543B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は超音波エネルギーを用いた撮像装置、
特に超音波顕微鏡を用いた試料の弾性表面波伝播
観察装置に関する。

近年において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応用されている超
音波は、光や電子線には不可能な光学的に不透明
な物体をも透過する性質を持つており、その周波
数が高ければ高い程より微細な対象物まで描き出
す事が可能である。その上、超音波が取り出す情
報は対象物の弾性、密度、粘性等の力学的性質を
反映している為、光や電子線では得られない内部
の構造までみる事が出来る。

音波周波数1GHz、従つて水中での音波長とし
て約1μｍに及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
Scaanning Acoustic Microscopeと題する
IEEE cat.No.73CH 14829 SUPP 423−426に掲載
の文献）。

この超音波顕微鏡の原理は、約1μｍ位まで細
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、反射、透過減衰といつたじよう乱音波を集音
して電気信号に変換し、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
事により顕微画像を得るものである。

他方、音波の伝播速度が電磁波のそれに比較し
て約1/10⁵と遅い事からVHF〜UHF帯の電子機
器の機能を超音波を用いて小型で集積化可能なも
のに置き換える研究が進められている。その中で
も、弾性表面波を用いた素子は、実用に供された
TVの中間フイルタ等応用が多い。

第１図は、弾性表面波を用いた遅延線の１例を
示したもので、アルミニウム等の基板１の上に圧
電薄膜２が設けられ、その上にいわゆる交叉電極
３，４が設けられている。

電極３に電気信号を加えると、圧電薄膜の表面
に局在したいわゆる表面弾性波５が発生伝播する
から、これを他の電極４で受信すれば、弾性表面
波の伝播時間だけ遅延した電気信号が得られる理
である。かかるデバイスにおいて、表面弾性波が
電極３から４へどの様な波面を持つて伝播してい
くかを観察する事は、交叉電極の設計や圧電材料
の選択等デバイスの性能を決める上で極めて大切
である。

従来は、主として２つの方法が採用されてい
た。第１の方法は、真空中に試料を入れ、走査型
電子顕微鏡を用いて弾性波５を観察するもので、
弾性波に付随して生ずる電界を介して観察してい
る。この方法は、真空を要する事以外に、非圧電
体中に発生した弾性波は電界を伴なわないので有
効でないという難点を有する。第２の方法は、レ
ーザビームを用いるもので、試料表面を伝播する
表面弾性波を１種の回折格子とみなして、回折し
たレーザ光を検出して観察する方法である。この
方法では、質量効果を持たせる為に伝播路上に設
けられる電極等が光学的に不透明な場合は有効で
ないし、又、水等の液体中におかれたデバイスの
場合には全く無力である。

また、表面弾性波の漏洩波を超音波顕微鏡を用
いて検知する例として特開昭54−17701の第１１
図に示すものが知られている。これは、超音波顕
微鏡の音響装置（送受波用圧電素子を音響レンズ
に設けたセンサ）を専ら漏洩波の受信用に使用
し、この音響装置で試料を走査するものである。
試料表面に割れや欠陥が存在するとその場所で漏
洩波の強度が変化するので、これら微細な割れや
欠陥が検知できる。しかし、この装置は、欠陥等
を検知するにとどまり表面弾性波自体の伝播状態
を知ることはできない。なぜならば、漏洩波を受
信するだけでは走査した試料の各位置における表
面弾性波の強度が反映されるか、漏洩波の放射強
度の変化状態が観察されるだけで、表面弾性波の
位相は検知できないからである。

従つて、圧電体、非圧電体を問わず常温常圧下
で、液体中におかれたデバイスの、弾性波の伝播
状況を観察する手段があればその効果は極めて大
きいと云えよう。

本発明は以上の点に鑑みてなされたもので、弾
性波の伝播路上におかれた液体中に放射される漏
洩波を、前記超音波顕微鏡をもつて検出する事に
より前記手段を提供しようとするものである。

本発明は超音波顕微鏡によつて試料を走査して
表面弾性波の漏洩波を受信し、且つこの表面弾性
波の発生と同期して発生し、表面弾性波と同じ周
波数の参照波を前記漏洩波と干渉させると、この
干渉波の強度は試料表面の各場所における表面弾
性波の位相を反映しているので、これを走査位置
に対応して表示すれば表面弾性波の伝播状態が観
察できるものである。表面弾性波はその発生源か
ら試料表面を伝播して行くので走査位置毎に発生
源からの距離が変化し、従つて位相が異なる。こ
れに対し参照波は表面弾性波の発生と同期して発
生させるので、走査位置によつて位相が変化せず
一定である。そのため両者を干渉させると走査位
置毎に位相差が異なつて干渉するので、干渉波の
強度が走査位置毎に変る。この強度分布を走査位
置に対応して表示し描面すれば表面弾性波の伝播
状態が検知できる。

以下、本発明の一実施例を図面を用いて説明す
る。第２図は、本発明で利用する超音波顕微鏡の
一構成例を示す。即ち、超音波を発生検出する超
音波センサは、主として圧電薄膜２０、音響レン
ズ４０から構成される。即ち、レンズ４０（例え
ば、サフアイア、石英ガラス等の円柱状結晶）
は、その一端面４１が光学研磨された平面であ
り、他端面に微小な曲率半径（例えば0.1〜１mm）
の半球穴４２が形成されている。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２
０及び下部電極１１からなる層構造の上下電極間
に、RFパルス発信器１００の出力電気信号に印
加すれば、上記圧電薄膜の圧電効果により、レン
ズ４０内に平面波のRFパルス超音波８０が放射
される。この平面超音波は上記半球穴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、上記音
響レンズにより集音され、平面超音波に変換され
てレンズ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受信器１１０
で増巾検波後、ビデオ信号（１〜10MHz）に変換
されブラウン管１３０の輝度信号（Ｚ入力）とし
て用いられる。

かかる構成において、試料ステージ７０上に貼
付された試料６０をｘ−ｙ面内の２次元機械走査
系１２０によつて、２次元機械振動を行なわせな
がら、上記ビデオ信号をこの走査と同期してブラ
ウン管１３０上に表示すれば、顕微画像が得られ
る事になる。

第３図は、この様な超音波顕微鏡の構成を用い
た本発明の主要部を示す図である。即ち、第２図
の構成で、試料６０として、前記の観察すべき弾
性表面波素子を用い、これを駆動するにRFパル
ス発信器１００の出力を、送波交叉電極３に印加
するのである。

かかる構成において、交叉電極３より４に伝播
する圧電薄膜２の表面に局在して伝播する表面弾
性波は、圧電薄膜２とレンズ４０との間を満す媒
質５０（水）へ漏洩弾性波９０を放射する。この
漏洩波は、表面弾性波の伝播速度Vsと媒質たる
水の音速度Vwによつて定まる角度θ_1eak θ_1eak＝sin^-1（Vw／Vs） (1) なる方向へ放射される。他方、この漏洩波を受信
したレンズ系４０は、圧電薄膜２からの反射波も
受信しているから、この両者の波は圧電薄膜２０
上において、コヒーレントに加算され、両者の位
相差に応じた強度を有する。この位相差は、レン
ズ系４０が圧電薄膜２と相対的に２次元運動する
のに応じて変化するから、２つの波の位相差に応
じて強め合つたり弱めあつたりし、いわゆる干渉
現象が生ずる。本発明の骨子は、この干渉現象を
利用している。

第４図は、本構成によつて得られる画像を模式
的に示したものである。第４図ａは、交叉電極３
にRFパルス発信器１００の出力を印加しない時
に、CRT１３０上に得られる顕微鏡を示してい
る。この場合、交叉電極３及び４のみが観察され
る。交叉電極３にRFパルス発信器１００の出力
を印加すると、上記干渉現象によつて、交叉電極
３，４の間に伝播する表面弾性波の伝播の様相が
第４図ｂに示すように縞模様５として観察され
る。上記の干渉現象の説明から明らかなように、
この縞は、表面弾性波の等位相面に対応している
から、従つて縞模様の観察は表面弾性波の伝播の
様相の観察と等価になる。

又、２つの波の干渉を用いている事から、試料
からの反射音波と漏洩波とを同期させる必要があ
るが、これは両者の発生源たるRFパルス発信器
１００を共用する事により実現される。

以上の実施例では、試料として圧電薄膜２を用
いているが、表面弾性波は非圧電体に限らず発生
するものであるから、圧電体に限るものではな
い。第５図は、非圧電体試料の場合の一実施例を
示す図で、非圧電体試料６１に近接して圧電体ブ
ロツク６２を設け、このブロツクの下面に交叉電
極６３を設けてある。ブロツク６２と試料６１の
間はエア・ギヤツプや水や水銀などの流体が満た
されている。かかる構成で、交叉電極６３にRF
信号を印加すれば、非圧電試料６１の表面に局在
した表面弾性波を発生させることが出来る。

勿論、試料が圧電体であるか非圧電体であるか
によらず、公知の表面弾性波の発生手段を用いて
も本発明は実現出来る。

又、第３図の実施例では漏洩弾性波と干渉させ
るものとして試料からの反射超音波を用いたが、
レンズと水の界面からの反射信号を用いてもよい
し、又RFパルス発信器１００の出力を遅延制御
して用いてもよい。

以上述べた如く、本発明によれば、表面弾性波
の伝播路に正対しておかれた凹面集束センサを用
い、両者の間を満す流体への漏洩弾性波と、他の
超音波信号又は電気信号と干渉させることによ
り、表面弾性波の伝播状況を非破壊で観察するこ
とが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、弾性表面波を用いた遅延線の一例を
示す図、第２図は、超音波顕微鏡の概略構成を示
す図、第３図は、本発明の一実施例の構成を示す
図、第４図は、その動作を説明するための図、第
５図は、本発明の他の実施例の要部の構成を示す
図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 試料の表面に所定周波数の表面弾性波を発生
   する手段と、前記表面弾性波の漏洩波を受信する
   手段と、この受信手段を試料の表面に沿つて走査
   する手段と、前記表面弾性波と同一周波数の参照
   波をこの表面弾性波の発生と同期して発生させる
   手段と、前記漏洩波と前記参照波とを干渉させる
   手段と、この干渉波の強度を検出する手段と、こ
   の検出した干渉波の強度を前記受信手段の走査位
   置に対応して表示する手段とを備えたことを特徴
   とする超音波顕微鏡。 ２ 特許請求の範囲第１項において表面弾性波と
   同一周波数の参照波は、表面弾性波を発生する手
   段に印加される電圧パルスを分岐した電圧パルス
   波であり、漏洩波と参照波とを干渉させる手段
   は、漏洩波を受信した電圧パルス波と前記参照波
   とを干渉させる手段であることを特徴とする超音
   波顕微鏡。 ３ 特許請求の範囲第１項において表面弾性波の
   漏洩波を受信する手段は音響レンズとこの音響レ
   ンズに設けた圧電薄膜であり、参照波は表面弾性
   波を発生する手段に印加される電圧パルスを分岐
   して前記圧電薄膜に印加することにより発生する
   超音波であり、漏洩波と参照波とを干渉させる手
   段は、前記超音波が試料表面又は音響レンズ面で
   反射する反射波を漏洩波と共に前記圧電薄膜によ
   つて受信する手段であることを特徴とする超音波
   顕微鏡。