JPH04198751A - 超音波スペクトラム顕微鏡 - 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】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、例えば、被検体の物理的特性の測定評価、積
層体としての被検体の膜厚測定や密着性判断側などに供
される超音波スペクトラム顕微鏡に関する。

［従来の技術］ 例えば特開平２−２５１７５１号に開示された超音波ス
ペクトラム顕微鏡は、一対のレンズトランスジューサか
らなる超音波レンズを備えた反射型超音波顕微鏡である
。一対のトランスジューサは何れも超音波の発信器と受
信器とを兼ねているが、一方のトランスジューサは凹面
の超音波放出・入射面を有し、他方のトランスジューサ
は平面の超音波放出・入射面を有する。但し、ここでは
説明を簡単にするために、前者を発信器、後者を受信器
として用いた場合について説明する。

発信器に広帯域の高周波電圧パルスを印加すると、広帯
域の高周波超音波が生成され、被検体表面へ向けて照射
される。この照射波は、発信器の超音波放出面、即ち凹
面がレンズ作用をなすことにより、収束されて微小な焦
点を結ぶ。但し、空気中では超音波減衰が激しいので、
超音波レンズと被検体表面との間には超音波伝播用液体
が充填される。発信器から被検体表面に伝播された超音
波は、発信器の凹面の開口角に対応する方向に分散して
反射され、多くの異なる方向から受信器の超音波入射面
に入射し、電気信号に変換される。

この受信器にて変換された電気信号は、発振器から放出
された超音波は広帯域であるから、同様に広帯域である
。そのため、この電気信号は周波数分析装置に与えられ
、周波数の強度（スペクトラム）分布が分析され、各周
波数成分について応答が分析される。この分析結果に基
づいて、被検体の物理的特性の測定評価、積層体の層厚
測定などがなされる。

上記受信器にて反射波が電気信号に変換される際には、
受信器の超音波入射面が平面であることから、超音波入
射面に直交する成分の反射波は効率的に電気信号に変換
されるが、それ以外の成分の反射波の変換効率は比較的
に低い。従って、受信器にて変換された電気信号は、特
定の入射角に対する超音波に対する被検体の物理的特性
を多く含むことになる。従って、照射位置を被検体表面
に沿って走査させると、被検体の弾性的性質や表面状態
の差異に起因する各測定位置についての反射波のスペク
トラムの強度変化が高精度で検出される。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、上記のような従来の超音波スペクトラム
顕微鏡は、超音波の特定の入射角における反射波の強度
分布を測定対象としているため、反射波強度分布の形状
が超音波の周波数に依存しない、つまり超音波の強度分
布の形状に変化が生じない場合には、被検体の情報を得
ることかできない。従って測定対象に制約をうけるとい
う問題点がある。

本発明は係る問題点に鑑みてなされたものであり、反射
波強度が超音波の周波数に依存しない被検体の弾性定数
や弾性物性等の測定も可能とし、更に、反射波強度の分
布形状が変化しない場合でも膜厚測定や密着性判断など
を可能とする超音波スペクトラム顕微鏡を提供すること
にある。更に、このスペクトラム顕微鏡が、入射角に対
して強度の変化しない被検体についても被検体の弾性定
数や弾性物性等の測定評価を可能とすることも本発明の
課題の一部である。

［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成するために、本発明に係る超音波スペク
トラム顕微鏡は、被検体に高周波超音波を入射させ、被
検体の表面からの反射波を検出する超音波スペクトラム
顕微鏡であって、高周波発生手段を備え、この高周波発
生手段は、高周波数を有する第１の電気信号を発生し、
第１と第２の超音波発信・受信手段を有する超音波レン
ズを備え、その第１の超音波発信・受信手段は、圧電体
を一対の電極で挟んでなり、且つ凹面の超音波放出・入
射面を有し、第２の超音波発信・受信手段は、平面状の
圧電体を一対の平面状の電極で挟んでなり、且つ平面の
超音波放出・入射面を有し、これら第１と第２の超音波
発信・受信手段のうちの何れか一方は、前記高周波発生
手段の発生した第１の電気信号が印加され、この印加さ
れた第１の電気信号を機械的振動に変換して超音波を生
成し、この生成された超音波を、前記超音波放出・入射
面が平面の場合には平面波として、前記超音波放出・入
射面が凹面の場合には収束波として、前記超音波放出・
入射面から超音波伝播媒質を介して被検体へ入射させ、
第１と第２の超音波発信・受信手段のうちの他方は、被
検体へ入射波に対する反射波を前記超音波伝播媒質を介
して前記超音波放出・入射面で受信し、この受信波を第
２の電気信号に変換し、被検体載置用テーブルを備え、
このテーブルには被検体が載置され、走査手段を備え、
この走査手段は、第１の電気信号が印加されるべき超音
波発信・受信手段の前記超音波放出・入射面の形状に基
づいて定まる前記超音波レンズの放出超音波の焦点位置
を、被検体表面に沿った二次元方向へ走査させるように
、前記超音波レンズと前記被検体載置用テーブルとのう
ちの少なくとも一方を他方に対して相対的に移動させ、
入射角・検出角制御手段を備え、この入射角・検出制御
手段は、第２の超音波発信・受信手段の前記平面状圧電
体の法線と被検体表面の法線とがなす角度として規定さ
れる前記超音波レンズの入射角・検出角を変化させる方
向へ、第１と第２の超音波発信・受信手段のうちの少な
くとも第２の超音波発信・受信手段を揺動させ、周波数
分析手段を備え、この周波数分析手段は第２の電気信号
の周波数成分の強度分布を分析し、位相分析手段を備え
、この位相分析手段は、前記周波数分析手段により分析
された周波数の強度分布に基づいて、第２の電気信号の
位相分布を解析し、表示手段を備え、この表示手段は、
前記周波数解析手段と前記位相解析手段との解析結果を
表示することを特徴とする。

この場合、前記超音波レンズと前記被検体載置用テーブ
ルとの間の間隔を可変とするように、前記超音波レンズ
と前記被検体載置用テーブルとのうちの少なくとも一方
を上下動させる間隔制御手段を更に備えてもよい。

また、前記入射角・検出角制御手段が、第２の超音波発
信・受信手段と一体的に、且つ同方向へ第１の超音波発
信・受信手段を揺動させてもよい。

本発明の一実施例によれば、第１と第２の超音波発信・
受信手段を一体的に揺動させる前記入射角・検出角制御
手段が、焦点位置調整手段を備え、この焦点位置調整手
段は、前記一体的揺動の中心軸線上に前記焦点を位置さ
せるように、被検体表面に対して平行をなす少なくとも
一つの方向へ超音波レンズを移動させる移動手段を備え
る。

この場合、前記焦点位置調整手段は、前記移動手段によ
り前記焦点が前記揺動中心軸線上に位置された状態で、
前記焦点を被検体表面に位置させるように、被検体表面
に対して前記超音波レンズを昇降させる昇降手段を更に
備えてもよい。或いは、前記焦点の位置合わせの際に、
前記超音波レンズの前記移動手段による移動方向と被検
体表面の法線とに直交する方向へ、前記超音波レンズを
傾斜させる傾斜手段を更に備えてもよい。

本発明に係る超音波スペクトラム顕微鏡は、好ましくは
、前記被検体載置用テーブルと前記超音波レンズとの少
なくとも一方を、前記走査手段の前記二次元方向の移動
面に平行をなす面内で回転させる回転手段を更に備える
。

本発明の一実施例によれば、前記回転手段は、その回転
中心軸線が前記超音波レンズの焦点と一致するように、
この回転手段を位置合せさせる位置合せ手段を備える。

また、前記回転手段は、この回転手段を回転駆動させる
パルスモータと、このパルスモータを駆動させるパルス
を発生すると共に、任意数の前記パルスを発生した時点
で、前記周波数分析手段に対して第２の電気信号の取り
込み開始を指令する電気信号を与える制御手段とを備え
てもよい。

第１の超音波発信・受信手段の圧電体と一対の電極とは
、本発明の一実施例によれば、共に曲面状である。また
、本発明の他の実施例によれば、第１の超音波発信・受
信手段は、その圧電体と一対の電極とが共に平面状であ
り、その超音波放出・入射面としての凹面は、第１の超
音波発信・受信手段の超音波放出側に設けられた遅延材
により形成されている。

本発明の一実施例によれば、第２の超音波発信・受信手
段の前記超音波放出・入射面としての平面が、第２の超
音波発信・受信手段の超音波放出側に設けられた遅延材
により形成されている。この第２の超音波発信・受信手
段の遅延材は、第１の超音波発信・受信手段の前記遅延
材と一体的に形成されていてもよｔ）。

尚、第２の超音波発信・受信手段の前記平面状の圧電体
の長手方向の長さしは、下式、Ｌ≧（１／ｓｉｎβ）−
（Ｖ＝　／ω）（但し、■、は前記超音波媒質中におけ
る音速、ωは超音波レンズの放射する超音波の時間周波
数、または周波数分布の周波数の最小値、βは超音波レ
ンズの入射角選択能力を表す値であって、前記平面板状
の圧電体の表面の法線と被検体の表面の法線とがなす角
をθとしたときに、θ±βの範囲の入射角成分のみの超
音波を超音波レンズが放出することを示す値） を満足することが好ましい。

第１の超音波発信・受信手段の凹面としての超音波放出
・入射面は、例えば球面、或いは円筒面である。

第１の電気信号は、例えば単一の周波数を有するバース
ト信号であり、且つその周波数は可変とされている。或
いは、第１の電気信号は広帯域の周波数を有するインパ
ルス信号である。

また、前記平面の超音波放出・入射面に対し、レーザ光
を入射させ、この入射光に対する反射光の検出に基づい
て、前記平面の超音波放出・入射面が被検体表面に対し
てなす角度を測定する角度測定手段を更に備えてもよい
。

［作用コ 上記の構成によれば、入射角制御手段により超音波レン
ズの入射角が可変とされる。ここで被検体の弾性と超音
波伝播媒質の弾性とにより定まる特定の入射角で被検体
表面に超音波が照射されると、被検体表面に弾性表面波
等が励起される。この弾性表面波は被検体表面方向に伝
播されるため、反射波の強度が減少する。この反射波強
度を測定すると、上記特定の入射角において位相が変化
する。この位相の変化は位相分析手段により検出される
ので、その検出結果に基づいて被検体の弾性的性質の定
量評価を行い得る。

［実施例］ 第１図は、本発明の実施例に係る超音波スペクトラム顕
微鏡の全体的な構造を示す。先ずこの超音波スペクトラ
ム顕微鏡における超音波の発信・受信のための超音波レ
ンズ１００１について、第２図乃至第９図を参照して説
明する。

第２図に示すように超音波レンズ１００１は、凹面の超
音波放射・入射面を有する凹面収束レンズトランスジュ
ーサ１０ａと、平面の超音波放射・入射面を有する平面
非収束レンズトランスジューサ１０ｂとの一対のレンズ
トランスジューサを備えている。

凹面収束レンズトランスジューサ１０ａは、酸化亜鉛等
の圧電材の曲面板状体１０１ａが、金の被膜等よりなる
１対の曲面板状電極１０２ａによって挟まれてなる。一
方、平面非収束レンズトランスジューサ１０ｂは、酸化
亜鉛等の平面板状体１０１ｂが、金の被膜等よりなる１
対の平面板状電極１０２ｂによって挾まれてなる。

これら凹面収束レンズトランスジューサ１０ａ。

１０ｂにおける曲面板状体１０１ａと平面板状体１０１
ｂとは、何れもその直径は約数關であり、厚さは約１０
μｍである。また、曲面板状電極１０２ａと平面板状電
極１０２ｂとの各直径は、例えば約２龍であり、この直
径の大きさに応じて、それぞれに対応するトランスジュ
ーサ１０ａ、１０ｂの要部の大きさが決定される。

トランスジューサ１０ａ、１０ｂをそれぞれ支持する支
持体１０ｃは、トランスジューサ１０ａ。

１０ｂの超音波放射・入射面ではない面に接触している
。この支持体１０ｃは概ね円筒形状である。

この支持体１０Ｃのトランス／ユーザ１０ａ、１ｏｂと
の接触面は、トランスジューサ１０ａ、１０ｂの超音波
放射・入射面の形状に対応した形状であり、トランスジ
ューサ１０ａについては凹面、トランスジューサ１０ｂ
については平面である。

これら支持体１０ｃの大きさは、取り扱いが容易な適宜
な大きさに選択され、例えば直径が約１０龍、長さが数
１０鰭である。

トランスジューサ１０ａ、１０ｂは、樹脂等からなる支
持体１０ｃ上に、金フィルム１０２ａ！たは１０２ｂ、
酸化亜鉛フィルム１０１ａまたは１０１ｂ、金フィルム
１０２ａまたは１０２ｂを順次に真空蒸着、或いはスパ
ッタリングすることにより製造可能である。

上記二つの支持体１０ｃは、凹面収束レンズトランスジ
ューサ１０ａの超音波放射・入射面（凹面）の中心線と
平面非収束レンズトランスジューサ１０ｂの超音波放射
・入射面（平面）の中心線との間に角αを保持するよう
に、後述のケース１００ｃ内に保持されている。

また、後述の多段式テーブル７０に載置された被検体１
３と超音波レンズ１００１との間には、超音波伝播用液
体（典型的には水）１２が蓄えられている。

高周波発振器９は、例えば１０〜１．ＯＯＯＭＨｚの高
周波数帯域から選択された周波数を有する高周波パルス
電圧信号Ａを発生する。この高周波パルス電圧信号Ａと
しては、任意の周波数を有するバースト信号を使用する
ことができる。このようなバースト信号Ａは、超音波レ
ンズ１００ｉのレンズトランスジューサ１０ａまたは１
０ｂに印加される。すると、レンズトランスジューサ１
０ａまたは１０ｂはバースト信号Ａを機械的振動に変換
し、超音波放射・入射面から超音波を放射する。この超
音波は超音波伝播媒質１２を伝播して被検体１３に照射
される。この場合、電圧信号Ａが印加されたトランスジ
ューサの超音波放射・入射面が、トランスジューサ１０
ａのように凹面であれば、放射される超音波は収束され
る。更に詳しくは、超音波放射・入射面としての凹面が
球面であるときは、放射される超音波は１点に収束され
、凹面が円筒面であるときは、線状に収束される。また
、超音波レンズ１００１の焦点は、凹面収束レンズトラ
ンスジューサ１０ａに遅延材を用いない場合、凹面収束
レンズトランスジューサ１０ａの凹面の曲率中心と一致
する。

一方、上記のように被検体１３の表面上に照射された超
音波は、ここで反射して他方のレンズトランスジューサ
１０ａまたは１０ｂの超音波放射・入射面に入射する。

このレンズトランスジューサ１０ａまたは１０ｂに入射
した反射波は、電気信号Ｂに変換されて出力される。こ
の電気信号、即ち広帯域反射波出力信号Ｂは、図示しな
い増幅手段により適宜に増幅された後、スペクトルアナ
ライザ１６ａに与えられ、反射波の強度を分析される。

この分析結果はトラッキングジェネレータ１６ｂに与え
られ、位相が分析される。同様の測定を周波数を変えな
がら繰り返して、各周波数成分の強度と位相を得る。こ
れらスペクトルアナライザ１６ａとトラッキングジェネ
レータ１６ｂとの分析結果は表示装置１７に表示される
。尚、高周波発信器９としてインパルス信号源を用いる
と、スペクトルアナライザ１６ａとトラッキングジェネ
レータ１６ｂとの使用に代えて、反射波出力信号Ｂの時
間波形を高速フーリエ変換して表示装置１７に表示する
構成とすることもできる。即ち、オシロスコープまたは
デジタイザにより反射波出力信号Ｂの時間波形を検出し
、この検出結果に例えばマイクロコンピュータにより高
速フーリエ変換を施して、上記周波数の強度分布と位相
分布を一括に分析する。

第３図に示すように、凹面収束レンズトランスジューサ
１０ａを発信器、平面非収束レンズトランスジューサ１
０ｂを受信器として用いる場合、凹面収束トランスジュ
ーサ１０ａから放射される超音波は、第３図に矢印で示
すように、凹面から放射されるため、超音波の波面は図
示のように曲面である。そして、平面非収束レンズトラ
ンスジューサ１０ｂが受信する超音波も曲面波である。

但し、平面非収束レンズトランスジューサ１０ｂか受信
する超音波は、単一の点Ｈから放射したものであるが、
第３図乃至第５図に示すように、波面の方向が相違する
複数の平面超音波の成分Ｅ。

Ｆ、Ｇ等の組み合わせである。第４図及び第５図から明
らかなように、Ｅ、Ｇにより示す方向に反射した超音波
成分は、圧電体面上での位相干渉により効率的に電気信
号に転換されない。そして、点Ｈから反射した多くの超
音波のうち、成分Ｆで示す波面を有する超音波のみが、
平面非収束レンズトランスジューサ１０ｂによって高効
率で受信される。このことは、平面非収束レンズトラン
スジューサ１０ｂと被検体１３との間で定義される入射
角で反射された成分のみが出力されることを意味する。

ここで入射角とは、上記のように平面非収束レンズトラ
ンスジューサ１０ｂを受信側に用いた場合は検出角、平
面非収束レンズトランスジューサ１０ｂを発信側に用い
た場合は入射角に相当するが、以下、何れの場合をも入
射角と称する。

以上述べたとおり、超音波レンズ１０によって受信され
た反射波出力信号Ｂは、強度は充分に大きく、しかも、
微小領域Ｈにおける被検体材料の物理的特性、特に弾性
特性を反映していることになる。

よって、この超音波レンズ１００１を使用すると、凹面
収束レンズトランスジューサ１０ａによって放射される
超音波は、凹面収束レンズトランスジューサ１０ａの焦
点に相当する点Ｈに収束されるので、高い空間分解能を
有する。また、超音波レンズ１００１の放射・入射面に
あっては、平面非収束レンズトランスジューサ１０ｂの
被検体１３に対する入射角を正確に意図した角度にする
必要があるが、これは後述のレンズ駆動機構５０のθ軸
ゴニオメータ５１により達成可能である。

これにより、非収束性超音波受信器１０ｂは意図した反
射角で反射した超音波のみを有効に受信するので、優れ
た精度を実現することができる。

また、平面非収束レンズトランスジューサ１０ｂを発信
器、凹面収束レンズトランスジューサ１０ａを受信器と
して用いる場合も、第６図乃至第８図を参照する以下の
説明から明らかなように、同様の効果が認められる。

第６図において、平面非収束レンズトランスジューサ１
０ｂは、矢印で示す方向に平面波を放射するので、超音
波は１点Ｍのみならず点Ｍ１・Ｍ２を含め多くの点に照
射され、再放射される。そのため、凹面収束レンズトラ
ンスジューサ１０ａは点Ｍのみならず点Ｍｌ、Ｍ２を含
め多くの点を中心とした球面波或いは円筒波として再放
射された成分に、Ｋｌ、に２を受信することができると
考えられる。

ところで、第７図及び第８図に示すように、凹面収束レ
ンズトランスジューサ１０ａはその焦点（凹面の曲率中
心）において反射した成分にの超音波は効率よく電気信
号に転換するが、それ以外の点Ｍｌ、Ｍ２から放射され
た成分Ｋｌ、に２の超音波は、圧電体面上における位相
干渉により効率的に電気信号に転換されることができな
い。

このように第３図乃至第５図を参照して説明した場合（
凹面収束レンズトランスジューサ１０ａを超音波の発振
側にし、超音波入射面が平面である超音波受信器１０ｂ
を受信側にした組み合わせの場合）と概ね同一の効果が
得られる。

この超音波レンズ１００１においては、Ｍ９ｍに示すよ
うに、平面非収束レンズトランスジューサ１０ｂの超音
波放射・入射面に直交する方向Ｎと被検体１３の表面に
直交する方向Ｐとのなす角θ１を調節するのみで、正確
に意図した入射角に調整することができる。即ち、凹面
収束レンズトランスジューサ１０ａの超音波放射・入射
面に直交する方向Ｎ′と被検体１３の表面に直交する方
向Ｐとのなす角θ２には特に注意を払う必要はない。

上記のような超音波レンズ１００１を用いた超音波スペ
クトラム顕微鏡の全体的構造について、第１図、及び第
１０図を参照して説明する。以下の説明では、被検体１
３の二次元走査方向をＸ。

Ｙ方向とし、これらがなすＸＹ平面の法線方向をＺ方向
とするＸＹＺ座標系を定義する。また、こで定義された
ＸＹＺ座標系に必ずしも一致しない三次元座標系につい
ては小文字ｘｙｚで示す。

超音波スペクトラム顕微鏡のベース２０には、縦フレー
ム３１と横フレーム３２とからなるフレーム体３０が立
設されている。その横フレーム３２には、後述のレンズ
駆動機構５０を保持する２ステージ５０ａが取り付けら
れている。このＺステージ５０ａは、超音波レンズ１０
０１と被検体１３との間の２方向の距離を変えるための
ものである。このＺステージ５０ａは、横フレーム３２
上の任意の位置で例えばパルスモータ５０ｂによりレン
ズ駆動機構５０をＺ方向へ移動させて固定できる。尚、
パルスモータ５０ｂを含め、以下の説明における各モー
タはマイクロコンピュータ等の制御手段により制御され
るものとする。

更に横フレーム３２には、被検体１３を光学的に観察す
るための光学顕微鏡３３及びその顕微鏡写真撮影用の撮
影装置３４が取り付けられている。

これら光学顕微鏡３３と撮影装置３４とは、実質的に公
知であるから特に説明しない。

Ｚステージ５０ａの下方には、特に第１０図に示すよう
に多段式のレンズ駆動機構５０が取り付けられている。

このレンズ駆動機構５０は、その最上段から、入射角設
定用のθ軸ゴニオメータ５１、厚み取り用のスペンサ５
２、θ軸ゴニオメータ５１の揺動中心軸Ｃｏに対して垂
直な方向へ超音波レンズ１００１の傾きを調整するため
の微調整用のＷ軸ゴニオメータ５３、レンズ１００１の
Ｘ軸方向の焦点位置修正用のＸ軸ステージ５４、レンズ
１００１の２軸方向の焦点位置修正用の２軸スペンサ５
５を順次に重ねて取り付けてなる。

このレンズ駆動機構５０の最下段の２軸スペンサ５５に
は、アダプター５６を介して超音波レンズ１００１のホ
ルダ１００ｃが取り付けられている。

アダプター５６とホルダ１００ｃとの結合は、例えば捩
子込みや捩子固定により、着脱自在とする。

θ軸ゴニオメータ５１は、超音波入射角を設定するため
に、超音波レンズ１００ｉをθ方向へ揺動させるもので
あり、駆動機構部５１ａと傾動テーブル５１ｂとを備え
ている。このθ軸ゴニオメータ５１は、好ましくはステ
ッピングモータ５１Ｃにより駆動される。その駆動機構
部５１ａの内部構造は実質的に公知であるから特に図示
しないが、ゴニオメータ５１の主軸（図示せず）に連結
されたステッピングモータ５１Ｃを回動させると、主軸
に設けられたウオームギア（図示せず）が、傾動テーブ
ル５１ｂの湾曲面５１ｄに沿って形成されたウオームホ
イール（図示せず）に噛合し、傾動テーブル５１ｂをθ
方向へ傾斜させる。その結果、傾動テーブル５１ｂの下
部水平面５１ｅに取り付けられた各構成要素を介して超
音波レンズ１００１がθ方向へ揺動され、種々の測定に
応じた適切な入射角にて停止される。

このθ軸ゴニオメータ５１による入射角設定の際には、
被検体１３の表面からの反射波か効率的に超音波レンズ
１００１に受信されることが好ましい。具体的には、被
検体１３の表面と超音波レンズ１００１との間で入射波
と反射波とが形成する平面を、被検体１３の表面に対し
て垂直にさせることか好ましい。そこで本実施例におい
ては、θ軸ゴニオメータ５１の傾動テーブル５１ｂの下
部水平面５１ｅに、スペンサ５２を介して平軸ゴニオメ
ータ５３を取り付けている。このＷ軸ゴニオメータ５３
は、超音波レンズ１００１を平方向へ傾斜させるための
ものであり、θ軸ゴニオメータ５１の駆動機構部５１ａ
及び傾動テーブル５１ｂと同様な駆動機構部５３ａ及び
傾動テーブル５３ｂを備えている。但し、駆動機構部５
３ａ内の主軸（図示せず）は、この主軸に連結されたノ
ブ５３ｃにより手動で駆動される。そしてノブ５３Ｃの
手動操作により、傾動テーブル５３ｂの下部水平面５３
ｄに取り付けられた各構成要素を介して、超音波レンズ
１００ｉが平方向へ傾動され、適切な傾斜角にて停止さ
れる。このψ軸ゴニオメータ５３の傾斜角の分解能は、
例えば０．１度である。

更に、上記θ軸ゴニオメータ５１による超音波レンズ１
００１の揺動においては、その揺動の中心軸線Ｃ８（紙
面に対して垂直な方向）上に超音波レンズ１００１の焦
点を位置させることが好ましい。これは、入射角の変更
に拘らず、被検体１３に対して常に焦点を一定の位置に
保つためである。この目的のために本実施例においては
、Ｗ軸ゴニオメータ５３の下方に、Ｘ軸ステージ５４及
ヒｚ　Ｔｏスペンサ５５を設けている。ここでＸ軸ステ
ージ５４は、超音波レンズ１００１の焦点位置をＸ軸方
向へ修正するためのものであり、Ｗ軸ゴニオメータ５３
の傾動テーブル５３ｂの下部平面５３ｄに対してＸ方向
へ公知の方式で摺動可能に取り付けられている。このＸ
軸ステージ５４を手動によりＸ方向へ摺動させることに
より、超音波レンズ１００１の焦点位置のＸ軸方向にお
ける位置調整がなされる。その焦点位置調整の分解能は
、例えば１０μｍである。また、このＸ軸ステージ５４
に取り付けられた２軸スペンサ５５は、超音波レンズ１
００１の２軸方向の焦点位置をθ軸ゴニオメータ５１の
揺動中心軸線Ｃ８と一致させるためのものであり、Ｘ軸
方向に手動により伸縮する。これらＸ軸ステージ５４及
び２軸スペンサ５５により超音波レンズ１００１の焦点
位置をθ軸ゴニオメータ５１の揺動中心軸線Ｃ８に位置
させる。

一方、超音波スペクトラム顕微鏡のベース２０には、特
に第１０図に示すように、全体的に符号６０で示される
多段式テーブルが載置されている。

この多段式テーブル６０は、その下段から位置合せ用Ｘ
ステージ６１、位置合せ用Ｙステージ６２、回転ステー
ジ６３、ＸＹステージ６４、二連ゴニオメータ６５を順
次に重ねて取り付けてなる。

多段式テーブル７０の上面に載置された被検体１３の上
表面は、多段式テーブル７０のＸＹ駆動面と水平にさせ
ることが好ましい。そのため本実施例においては、多段
式テーブル７０に二連ゴニオメータ６５を備えている。

この二連ゴニオメータ６５は、その上部構造をなす被検
体載置用テーブル６６と下部構造をなす単体のゴニオメ
ータ６６７とからなる。即ち、被検体載置用テーブル６
６が単体のゴニオメータ６７の傾動テーブル６７ａと共
に連動するように、被検体載置用テーブル６６の下部平
面６６ａがゴニオメータ６７の傾動テーブル６７ａの上
平面６７ｂに固着されている。

そして、ゴニオメータ６７の駆動機構部６７ｃの主軸６
７ｄに連結されたノブ６７ｅを手動で回動させると、駆
動機構部６７ｃの内部で主軸６７ｄに設けられたウオー
ムギア（図示せず）が、傾動テーブル６７ａの湾曲面６
７ｆに沿って形成されたウオームホイール（図示せず）
に噛合し、傾動テーブル６７を傾斜させる。これに伴い
被検体載置用テーブル６６も傾斜されるから、ノブ６７
ｅの適宜な回動により被検体１３の上表面を多段式テー
ブル６０のＸＹ駆動面に水平に保てる。

この二連ゴニオメータ６５の下段のＸＹステージ６４は
、被検体１３の表面が超音波レンズ１００１によりＸＹ
力方向走査されるように、被検体１３をＸＹ力方向移動
させるためのものである。

このＸＹステージ６４は、被検体１３をＸ方向へ移動さ
せるＸステージ６４ｘ、及び被検体１３をＹ方向へ移動
させるＹステージ６４Ｙからなる。

これら両ステージ６４ｘ、６４ｙは、公知の方式、好ま
しくはステッピングモータ６４ａ、６４ｂの駆動により
移動され、そのＸ方向とＹ方向との移動のスパンは、例
えば３０Ｘ３０ｍｍである。

超音波スペクトラム顕微鏡を各種の測定に対応可能とす
るためには、被検体載置用テーブル６６と超音波レンズ
１００１との何れかを多段式テーブル６０のＸＹ駆動面
に対して平行な面内で回転させる機構を備えることが好
ましい。そこで本実施例においては、ＸＹステージ６４
の下段に回転ステージ６３を備えている。この回転ステ
ージ６３は、回転中心軸線Ｃ２の回りに回転可能な円形
回転テーブル６３ａを有する。この円形回転テーブル６
３ａは、支持部材６３ｂにより支持ローラ６３ｃを介し
て支持されている。この円形回転テーブル６３ａの下部
延出部６３ｄの円周面にはウオームギア６３ｅが形成さ
れている。このウオームギア６３ｅに噛合するウオーム
ホイール６３ｆが形成された主軸６３ｇは、好ましくは
ステッピングモータ６３ｈにより回転駆動され、これに
より円形回転テーブル６３ａが回転される。この回転の
スパンは３６０度である。

また、被検体１３の特定の微小領域について、入射角を
変化させなからホリ定評価する際には、この微小領域と
超音波レンズ１００１の焦点とが入射角の変化に拘らず
常に一致している必要がある。

即ち、円形回転テーブル６３ａの回転中心軸線Ｃ２と超
音波レンズ１００１の焦点ラインＣ１とを一致させる必
要がある。そこで本実施例においては、回転ステージ６
３をそれぞれＹ方向、Ｘ方向に移動させる位置合せ用Ｙ
ステージ６２及び位置合せ用Ｘステージ６１を備える。

位置合せ用Ｙステージ６２は、位置合せ用Ｘステージ６
１上を公知の方式によりＹ方向に摺動され、好ましくは
ステッピングモータ６２ａにより駆動される。

この位置合せ用Ｙステージ６２の下段の位置合せ用Ｘス
テージ６１は、回転テーブル６３ａの位置合せの他に、
被検体１３を光学顕微鏡３３の下に移動させる役割も兼
ねる。この位置合せ用Ｘステージ６ユは、好ましくはス
テッピングモータ６１ａにより、Ｘ方向に摺動される。

尚、本実施例では、走査手段としてのＸＹステージ６４
を被検体側に設けているが、走査手段は超音波レンズ１
００１側に設けても良い。例えば被検体１３が大きい場
合や、被検体表面に超音波伝播用液体を載置しにくい場
合は、超音波伝播用液体液体を充填した水槽（図示せず
）をテーブル６６上に載置し、この水槽に被検体１３を
浸漬させる必要がある。このような場合は、被検体側の
走査用ＸＹステージ６４を高速に駆動させると超音波伝
播用液体が水槽から溢れてしまう。従って、大きな被検
体や超音波伝播用液体を載置しにくい被検体の使用を想
定する場合は、超音波レンズ１００ｉ自体をＸＹ力方向
走査させる構成としてもよい。また、Ｘ方向についての
走査手段とＹ方向についての走査手段とのうち、高速に
駆動する必要があるもののみを超音波レンズ１００ｉ側
に設け、他方を被検体側に設けてもよい。この場合、超
音波レンズ１００１側の走査手段については、例えばボ
イスコイルモータ等により高速により高速に駆動できる
。何れの場合も、超音波レンズ１００ｉ側に走査手段を
設けるには、この走査手段をθ軸ゴニオメータ５１より
も上部に位置させる必要がある。

更に、本実施例では被検体を回転させる回転ステージ６
３を被検体側に設けたが、超音波レンズ１００１自体を
回転させる回転手段を設ける構成としてもよい。この場
合、この回転手段の回転中心軸と焦点ラインＣ１とを一
致させるためには、回転手段をθ軸ゴニオメータ５１よ
りも上部に、或いは超音波レンズ１００１側に設けられ
た上記走査手段よりも上部に設ける必要がある。また、
回転手段をパルスモータで回転させる場合、このパルス
モータへ任意数のパルスを与えた時点で、スペクトルア
ナライザ１６ａへ電気信号Ｂの取り込み開始を指令させ
る制御手段を備えることも可能である。

また、超音波レンズ１００１の焦点深度を調整する手段
として、超音波レンズ１００１側と被検体側との何れか
一方に、ＸＹ駆動面に対して鉛直方向（Ｚ方向）に駆動
されるＺステージ（本実施例では超音波レンズ１００１
側に設けられたＺステージ５０ａ）を設けてもよい。こ
の場合、Ｚステージを超音波レンズ１００１側に設ける
には、このＺステージ５０ａのように、θ軸ゴニオメー
タ５１よりも上部に位置させる必要がある。というのは
、θ軸ゴニオメータ５１の揺動中心軸Ｃ０に対して焦点
が一致していなければならないために、被検体１３に対
して超音波レンズ１００１の距離を変えるためにはレン
ズ駆動ａｌｉ１５０全体ヲ動かさなければならないため
である。

第１１図は本発明の第２実施例を示す。第２実施例に係
るスペクトラム超音波顕微鏡において、第１実施例と異
なるところは、その超音波レンズ１００ｊのみであるか
ら、以下の説明では超音波レンズ１００ｊについて述べ
る。

超音波レンズ１００ｊは、各レンズトランスジューサの
圧電体と電極とは何れも平面体である。

但し、分解能を付与するために、一方のレンズトランス
ジューサには凹面体の遅延材１１ｃが貼着され、他方の
レンズトランスジューサには平面体の遅延材１１ｄが貼
着されている。

この超音波レンズ１００ｊは、凹面収束レンズトランス
ジューサ１０１Ｃと平面非収束レンズトランスジューサ
１０１ｄとを備えている。凹面収束レンズトランスジュ
ーサ１０１Ｃは、平面体の圧電体と電極との組み合わせ
体１０ｂに凹面体の遅延材１１Ｃを貼着したものであり
、平面非収束レンズトランスジューサ１０１ｄは、平面
体の圧電体と電極との組み合わせ体１０ｂに平面体の遅
延材ｌｉｄを貼着したものである。

平面体の圧電体と電極との組み合わせ体１０ｂは、第１
実施例における平面非収束レンズトランスジューサ１０
ｂと同一である。即ち、第２図及び第３図に示したと同
様に、平面板状圧電体１０１ｂが１対の平板状電極１０
２ｂによって挾まれている。そして、この圧電体と電極
との組み合わせ体１０ｂの一方の電極１０２ｂに、凹面
の超音波放射・入射面を有する遅延材１１Ｃが貼着され
て、収束性凹面収束レンズトランスジューサ１０１ｃが
構成されている。上記の凹面が球面であるときは、焦点
は点となり、上記の凹面が円筒状であるときは焦点は線
となる。

また、上記と同一の組み合わせ体１０ｂの一方の電極１
０２ｂに、平面の超音波放射・入射面を有する遅延材１
１ｄが貼着されて、平面非収束レンズトランスジューサ
１０１ｄが構成されている。

そして、凹面収束レンズトランスジューサ１０１Ｃと平
面非収束レンズトランスジューサ１０１ｄとが、ホルダ
１ＯＯｃに保持されている。

組み合わせ体１０ｂの平面板状圧電体１０１ｂ及び平板
状電極１０２ｂの寸法は上記第１実施例と同様である。

遅延材１１ｃまたはｌｌｄの寸法は、直径約１０ｍｍ長
さ数１０ｗであり、取り扱いが容易な大きさに選択され
ている。

凹面収束レンズトランスジューサ１０１ｃは、真空蒸着
法またはスパッタ法により製造できる。

即ち、溶融石英等から形成され、超音波が放射・入射す
べき面が凹面とされている遅延材１１ｃの上ニ、金ノフ
ィルム１０２ｂと酸化亜鉛のフィルム１０１ｂと金のフ
ィルム１０２ｂとを順次に堆積すればよい。平面非収束
レンズトランスジュー？１０１ｄも同様にして製造可能
であるが、この場合は溶融石英等の遅延材１１ｄの超音
波放射・入射面が平面であればよい。

このようにして製造された本発明の第２の実施例に係る
超音波レンズ１００ｊの作用は、下記する２点以外は、
本発明の第１の実施例に係る超音波レンズ１００１の作
用と全く同一である。

第１の相違点は、超音波を収束する機能が遅延材中にお
ける音速と超音波伝播液体中における音速との差に基づ
いて発生する点てあり、第２の相違点は、焦点が曲面板
状体をなす遅延材１１Ｃの曲率の中心よりこの遅延材１
１ｃから離れる方向に若干ずれている点である。

第１の実施例における超音波レンズ１００１の場合と同
様に、第２の実施例における超音波レンズ１００ｊは、
被検体の微小領域の物理的特性、特に弾性的特性を、超
音波レンズ１００ｊを構成する凹面収束レンズトランス
ジューサの超音波放射・入射面の配置方向に拘らず高精
度に測定できる。

第１２図及び第１３図は本発明の第３実施例に係わる超
音波スペクトラム顕微鏡における超音波レンズを示す。

この第３実施例における超音波レンズ１００に、１００
ｍは、凹面収束レンズトランスジューサと平面非収束レ
ンズトランスジューサとの何れか一方のトランスジュー
サが遅延材１１ｃまたはｌｌｄを備えた構成である。他
方のトランスジューサは、上記第１実施例のトランスジ
ューサと同様である。

第１４図は本発明の第４実施例に係わる超音波スペクト
ラム顕微鏡における超音波レンズを示す。

この第４実施例における超音波レンズ１００ｎは、凹面
収束レンズトランスジューサ１０１ｅと平面非収束レン
ズトランスジューサ１０１ｆとの遅延材１１ｅを一体的
に構成したものである。遅延材１１′ｅは、その材質は
上記遅延材１１ｃ、ｌｌｄと同様であるが、凹面と平面
の両方の放出・入射面を備えている。

これら第３及び第４実施例における超音波レンズが第１
及び第２実施例における超音波レンズと同様な効果を有
することは明らかである。

上記各実施例における平面非収束レンズトランスジュー
サの各々は、その長手方向の幅りが、下式、 Ｌ≧（１／ｓｉｎβ）　・（Ｖ＝　／　ω）　−−（１
）（但し、■、は超音波伝播媒質中の音速度、ωは超音
波レンズの放出する超音波周波の時間周波数、または周
波数分布の周波数の最小値、βは超音波レンズの入射角
選択能力を表す値） を満足することが望ましい。

これについて、ｗ、１実施例における超音波レンズ１０
０ｉについて、凹面収束レンズトランスジューサ１０ａ
を発信側、平面非収束レンズトランスジューサ１０ｂを
受信側として用いた例について説明する。

第１５図において、被検体１３の表面によって定義され
る平面非収束レンズトランスジューサ１０ｂの入射角θ
は、平面非収束レンズトランスジューサ１０１ｂの法！
ｆｔ　Ｎ　Ｉと被検体表面の法線Ｎ２とがなす角度であ
る。この第１５図に示すように、平面非収束レンズトラ
ンスジューサ１０１ｂに受信されるべき超音波に、この
入射角θから角度αだけずれている入射角成分が生じて
いるとする。この場合の超音波レンズ１００１の反射波
強度出力は、第１６図及び第１７図に示すようになるこ
とが知られている。

α−０の場合は、平面非収束レンズトランスジューサ１
０ｂに垂直に超音波が入射する場合に相当する。幅りが
大きい場合、超音波レンズ１００１の出力は、αが小さ
くても急激に減少し、一般にα−βの角度で出力が零と
なる。ここでβは、次式を満たすことが第１８図より明
らかである。

β−３ｉｎ　−’　（λ／　Ｌ　）＝−・−（２）ここ
でλは超音波の波長であり、λ−Ｖ、／ωである。この
（２）式で求められる角度βたけ入射角θからずれた超
音波の入射角成分は、平面非収束レンズトランスジュー
サ１０ｂの幅り全体に回る位相干渉により零となる。即
ち、βは、θ±βの範囲の超音波の入射角成分のみを超
音波レンズ１００１が大きな強度を持って出力し得るこ
とを示すパラメータである。ここでβを入射角度選択能
力と定義すると、入射角度選択能力βを有する平面非収
束レンズトランスジューサ１０’　ｂの幅りは、（２）
式を変形することにより、上記（１）式で与えられる。

ここで説明した超音波レンズの出力特性及び（１）式は
、平面非収束レンズトランスジューサを送信側に用いて
も、或いは一対のレンズトランスジューサの一方または
双方の遅延材の有無に拘らずに成立することが確認され
ている。

次に、上記の超音波スペクトラム顕微鏡による各種測定
例について説明する。

測定準備 先ず各測定例に共通した超音波スペクトラム顕微鏡の測
定準備ステップについて説明する。

被検体１３は多段式テーブル６０の最上段の被検体載置
用テーブル６６上に載置される。多段式テーブル６０を
位置決めするためには、Ｘ方向については、ステッピン
グモータ６４ａの駆動によＸステージ６４ｘを移動させ
、Ｙ方向については、ステッピングモータ６４ｂの駆動
によりＹステージ６４Ｙを移動させる。また、意図した
入射角を決定するためには、ステッピングモータ５１ｃ
の駆動によりθステージ５１の傾動テーブル５１ｂを傾
動させる。

弾性表面波の位相速度の測定 この場合、被検体１３としては通常は非積層体が使用さ
れる。上記の測定準備ステップを終えた上で、高周波発
振器９により凹面収束レンズトランスジューサ１０ａに
バースト信号を印加する。

凹面収束レンズトランスジューサ１０ａによって被検体
１３に照射された超音波は反射して平面非収束レンズト
ランスジューサ１０ｂに入射し、ここで、電気信号Ｂに
転換される。この電気信号Ｂはスペクトラムアナライザ
１６ａに与えられて周波数分析され、その分析の結果、
超音波強度と入射角との関係を表す情報が表示装置１７
に表示される。入射角を変えて、この測定か繰り返され
、第１９図に示す超音波強度と入射角との関係を得る。

この関係から超音波強度が最小になる入射角θｒが求め
られる。この入射角θｒから下式に従って弾性表面波の
位相速度Ｖｐか算出される。

Ｖ　ｐ　−Ｖ、　／ｓｉｎθ、　　　−−・−（３）但
し、ＶＷは超音波伝播媒質における超音波の速度である
。

この弾性表面波の位相速度Ｖｐは、被検体の弾性的性質
を定量的に表せる重要なパラメータであることは良く知
られている。

また、この弾性表面波の位相速度Ｖｐは、以下のように
、位相分布の分析により求めることも可能である。スペ
クトラムアナライザ１６ａの分析の結果は、トラッキン
グジェネレータ１６ｂに与えられ、位相分布が分析され
、その分析の結果、位相と入射角との関係を表す情報、
及び位相と超音波強度との関係を表す情報が表示装置１
７に表示される。この・場合、入射角を変えることによ
り第２０図に示すように、任意の周波数成分の位相にお
いて、位相の回転または変化を起こす入射角θ。が求め
られる。この入射角θＣは一般に入射角θ、と同じであ
るが、この入射角θＣによっても下式に従って弾性表面
波の位相速度Ｖｐか算出される。

Ｖ　ｐ　−Ｖ、　／ｓｉｎ　θ、　・＝　−−＝　（４
）ここで第２１図に示すように超音波強度と入射角との
関係が一定、即ち超音波強度が最小になる入射角θ「が
存在しない場合においても、位相の回転または変化は第
２２図に示すように生じる。

従って、この位相分布の分析に基づく測定は、超音波強
度を測定対象とした測定に比して広い範囲に適用可能で
ある。

尚、θ０が全ての周波数成分について一定ならば、被検
体が加工変質層等の層構造を有していないと判断できる
から、この測定は、被検体が非積層体か否かの判断のた
めに実施することもできる。

一方、θ。が周波数成分により異なる場合は、被検体が
層構造を有していると判断される。この場合は、周波数
とθＣとの関係を表すグラフを描（ことにより、被検体
の弾性的性質や層構造を詳細に表現する有益な情報が得
られる。

弾性表面波の分布曲線の測定 この測定における被検体１３としては、例えば基板上に
鍍金やコーティングなどの膜層を有するような積層体が
使用される。この場合の測定ステツブは、上記弾性表面
波の位相速度の測定ステップと同様の測定を幾つかの周
波数について行う。

その測定の結果、第２３図に示す超音波の周波数と位相
の回転を起こした入射角との関係を得る。

このように得られた関係は一般に分散曲線と称され、被
検体１３の弾性特性を特徴付ける重要なデータである。

層厚測定 この測定における被検体１３としては、上記積層体が使
用される。

層を有する被検体の場合、成る一つの入射角θ１で測定
すると、成る特定の周波数ｆ、で反射強度の極小や位相
の回転、変化が生じる。この周波数ｆｃは、層厚ｄと次
の関係がある。

ｆｃＸｄ＝Ｃ 但し、Ｃは、基板と各層と超音波伝播媒質の弾性物性と
、超音波の入射角θ、とによって決定される定数である
。

この式における定数Ｃの値は、測定に先立って、測定対
象の被検体と同種で、且つ層厚か既知の被検体を用いて
予め実験的に求めておくことができる。従って、入射角
θを一定にすれば、測定対象の被検体の層厚ｄを上式に
より求めることができる。

尚、膜層を有する積層体において、励起された弾性表面
波が疑セザワ波である場合は、表面波のエネルギが積層
体の深部方向にも漏洩することから反射強度の減少が生
じる。

異方性の測定 この測定における被検体１３としては、例えば水晶結晶
のような結晶体や延伸されたフィルムなど、異方性を有
する被検体が用いられる。異方性を有する被検体の表面
における弾性表面波の位相速度は、弾性表面波の伝播方
向により異なる。即ち、超音波強度が極小になる入射角
θ１、或いは位相の回転を起こす入射角θ、か弾性表面
波の伝播方向により異なる。換言すれば、上記入射角θ
、の変化の検出により結晶の対称性、或いはフィルムの
延伸方向や延伸程度等をΔ１り定できる。この異方性の
測定においては、上記のｆｌｌす定準備ステップの段階
で、位置合せ用Ｘステージ６１．Ｙステージ６２の移動
により、超音波レンズ１００１の焦点ラインＣ１と回転
ステージ６３の回転テーブル６３ａの回転中心軸線Ｃ２
とを一致させる。この状態で回転テーブル６３ａを回転
させながら上記入射角θ、を検出すると、（３）　、　
（４）式に基づいて被検体１３の伝播方向に対する弾性
表面波の位相速度の異方性が測定せきる。

以上、各測定例について説明したが、これら各測定例を
実行するためには、入射角θ、即ち平面非収束レンズト
ランスジューサの超音波放出・入射面が被検体表面に対
してなす角度を検知する必要がある。この角度測定の一
例としては、例えば第２４図に示すように、平面非収束
レンズトランスジューサ１０ｂの超音波放出・入射面に
レーザ測角機７０からレーザビームＬ１を入射させ、そ
の反射ビームＬ２をレーザ測角機７０で受光して入射角
θを検出する方式がある。尚、レーザビームＬ、、Ｌ２
の光路系に反射プリズム等の光学要素を配置することは
任意である。

また、上述のＺ軸ステージ（例えばＺ軸ステージ５０ａ
を備えている構成では、次式により入射角θを求め得る
。

θ−ｃｏｓ　−’　（ΔＰ　（ｆ）　／　Ｚ）　Ｘ　（
Ｖ／４　πｆ　）但し、２は超音波レンズ１００ｉと被
検体表面との間の垂直距離、Ｐ　（ｆ’）は任意の周波
数ｆの成分の位相、■は超音波伝播媒質中の音速である
。

上式におけるΔＰ（ｆ）／Ｚは、ＺとＰ　（ｆ）との関
係を直線グラフで表すことにより、このグラフの傾きと
して求め得る。

第２５図は本発明の超音波スペクトラム顕微鏡の第５実
施例を示す。上記各実施例に用いた超音波レンズの焦点
は、凹面収束トランスジューサの凹面形状により定まる
が、超音波レンズの入射角は平面非収束トランスジュー
サの傾きにより定まる。従って本実施例のように、凹面
収束レンズトランスジューサを傾かせることなく、平面
非収束レンズトランスジューサのみを傾かせる構成とし
ても超音波レンズの入射角を制御することかできる。

本実施例における超音波レンズの一対のレンズトランス
ジューサの組み合わせは、第２図、及び第１１図乃至第
１３図を参照して説明した組み合わせを使用できる。こ
こでは例えば凹面収束トランスジューサ１０ａと平面非
収束トランスジューサ１０ｂとの組み合わせの超音波レ
ンズ１００１を採ることとする。本実施例においては、
上記多段式レンズ駆動機構５０は用いられておらず、凹
面収束レンズトランスジューサ１０ａがその支持体１０
　ｃを介してフレーム体３０の横フレーム３２に固定さ
れている。この場合のフレーム体３０の高さは上記各実
施例におけるよりも低く設定されているものとする。

また、平面非収束レンズトランスジューサ１０ｂの支持
体１０ｃは、このレンズトランスジューサ１０ｂをθ方
向へ揺動させるθ軸ゴニオメータ８０に取り付けられて
いる。このθ軸ゴニオメータ８１の内部構造は、その寸
法を除けば上記レンズ駆動機構５０のθ軸ゴニオメータ
５１とほぼ同様であるが、ノブ８１ａの操作により手動
で駆動されるものとする。このゴニオメータ８１は支持
部材８２を介して横フレーム３２に取り付けられている
。

この第５実施例によれば、平面非収束レンズトランスジ
ューサ１０ｂの傾きを変えることにより、被検体の正確
に一定の測定領域について、広い入射角範囲による測定
が可能である。

この第５実施例に係わる超音波スペクトラム顕微鏡を用
いて、被検体１３に対してシー９−波を励起する超音波
の入射角θ３を１度の精度で測定する実験例について説
明する。この実験例においては、被検体１３として溶融
石英を用い、超音波伝播用液体１２として水を用いた。

また、凹面収束レンズトランスジューサ１０ａの超音波
放出・入射面の凹面形状は、円筒面であり、且つ円筒の
半径が５ｍｍ、円筒の開口半角が２０’のものを用いた
。この凹面収束レンズトランスジューサ１０ａに高周波
発振器９から印加される電圧の周波数は５０　Ｍ　Ｈｚ
とした。平面非収束レンズトランスジューサ１０ｂの幅
りは、水の音速が１５００ｍ　／　ｓ　、超音波の周波
数が５０Ｘ１０６Ｈｚであるから、 Ｌ　−（１／　５ｉｎ（１，０））　　・　（１５００
１５０ｘ　１Ｏ−６）−１７，２［ｍｒｎ］ である。

上記のような条件下で、平面非収束レンズトランスジュ
ーサ１０ｂの入射角を、θ軸ゴニオメータ５１により手
動で２００度から３００まで変化させ、反射波の位相を
測定した。その結果、第２６図に示す結果が得られた。

この第２６図から明らかなように、θ−２３°で位相の
回転が生しているから、測定に供された溶融石英のレー
リー波励起入射角θＲは２２°から２４°の範囲である
ことが判明した。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明に係わる超音波スペクトラム
顕微鏡によれば、周波数の強度分布を分析するのみなら
ず、位相分布を分析可能としたので、反射超音波強度の
周波数依存性がない被検体についても測定対象とするこ
とができる。しかも超音波レンズの被検体に対する入射
角を可変とする測定を可能としたので、広範囲の入射角
に応じた位相と強度を容易に検出し得る。従って、従来
の超音波スペクトラム顕微鏡では測定不可能であった構
成や材質の被検体についても、その層厚測定や密着性判
断、成るいは弾性定数測定、弾性物性の測定評価が可能
である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係わる超音波スペクトラム
顕微鏡の全体的な構成図、第２図は第１図の超音波スペ
クトラム顕微鏡の概念的な構成図、第３図乃至第５図は
凹面収束レンズトランスジューサを発信側、平面非収束
レンズトランスジューサを受信側とした場合の第１図に
おける超音波レンズの作用を説明する説明図、第６図乃
至第９図は平面非収束レンズトランスジューサを発信側
、凹面収束レンズトランスジューサを受信側とした場合
の第１図における超音波レンズの作用を説明する説明図
、第１０図は第１図におけるレンズ駆動機構と多段式ス
テージを拡大して示す拡大側面図、第１１図は本発明の
第２実施例の概念的な構成図、第１２図及び第１３図は
本発明の第３実施例における超音波レンズの概念的な構
成図、第１４図は本発明の第４実施例における超音波レ
ンズの概念的な構成図、第１５図は本発明に係わる超音
波スペクトラム顕微鏡における超音波レンズの平面非収
束レンズトランスジューサの長手方向幅と入射角成分と
の関係を示す説明図、第１６図及び第１７図は第１５図
における入射角成分に対する超音波レンズの出力特性を
示す線図、第１８図は第１５図における超音波レンズの
入射角選択能力を示す説明図、第１９図乃至第２３図は
本発明に係わる超音波スペクトラム顕微鏡による測定例
であり、第１９図及び第２０図は反射超音波強度が周波
数に依存する場合の入射角−強度特性、入射角−位相特
性をそれぞれ示す線図、第２１図及び第２２図は反射超
音波強度が周波数に依存しない場合の入射角−強度特性
、入射角−位相特性をそれぞれ示す線図、第２３図は位
相の回転を起こす入射角−周波数特性を示す線図、第２
４図は本発明に係わる超音波スペクトラム顕微鏡におけ
る超音波レンズの入射角検出系の概略的な構成図、第２
５図は本発明の第５実施例に係わる超音波スペクトラム
顕微鏡の要部を示す構成図、第２６図は第２５図の超音
波スペクトラム顕微鏡による測定例であり、溶融石英の
レーリー波励起入射角を求めるための入射角−位相特性
を示す線図である。 ９・・・高周波発信器（高周波発生手段）、１０ａ・・
・凹面収束レンズトランスジューサ（第１の超音波発信
・受信手段）、１０ｂ・・・平面非収束レンズトランス
ジューサ（第２の超音波発信・受信手段）、１１ｃ、ｌ
ｌｄ、１１ｅ＝−遅延材、１２・・超音波伝播用液体（
超音波伝播媒質）、１３・・・被検体、１６ａ・・・ス
ペクトルアナライザ（周波数分析手段）、１６ｂ・・ト
ラッキングジェネレータ（位相分析手段）、１７・・・
表示装置、５０ａ・・Ｚ軸ステージ（間隔制御手段）、
５１．８０・　θ軸ゴニオメータ（入射角・検出角制御
手段）、５Ｂ　　ｖ軸ゴニオメータ（傾斜手段）、５４
　・Ｘ軸ステージ（焦点位置調整手段、移動手段）、５
５・Ｚ軸スペンサ（昇降手段）、６３・・・回転ステー
ジ（回転手段）、６３ｈ・・・パルスモータ、６１・・
・位置合せ用Ｘステージ（位置合せ手段）、６２・・・
位置合せ用Ｙステージ（位置合せ手段）、６４・・・Ｘ
Ｙ子テーブル走査手段）、６６・・・被検体載置用テー
ブル、７０・・・レーザ測角器（角度測定手段）、１０
０ｉ。 １００ｊ、１００に、１００ｍ、１００ｎ−超音波レン
ズ、１０１ａ・・・曲面状圧電体、１０２ａ・・・曲面
状電極、１０１ｂ・・・平面状圧電体、１０２ｂ・・・
平面状電極、Ａ・・・電気信号（第１の電気信号）、Ｂ
・・・電気信号（第２の電気信号） 出願人代理人　弁理士　鈴　江　武　彦１２　図 Ｈ 第　３１！Ｉ ＨＨ １４１ｍ　　　　　　　　１５　　ＩＩ第６！！１ １１７図　　　　　Ｉ８図 第９図 第　１１　　図 第１２図 第１３図 第１４図 第１５図 第１６ｔ１１　　　　　　　　第１８図第１７図　　　
　　　第１９図 第２０図 纂２１　ＩＩ 第２２図　　　　　　第２３図 第２６図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、被検体に高周波超音波を入射させ、被検体の表面か
   らの反射波を検出する超音波スペクトラム顕微鏡であっ
   て、 高周波発生手段を備え、この高周波発生手段は、高周波
   数を有する第１の電気信号を発生し、第１と第２の超音
   波発信・受信手段を有する超音波レンズを備え、その第
   １の超音波発信・受信手段は、圧電体を一対の電極で挟
   んでなり、且つ凹面の超音波放出・入射面を有し、第２
   の超音波発信・受信手段は、平面状の圧電体を一対の平
   面状の電極で挟んでなり、且つ平面の超音波放出・入射
   面を有し、 これら第１と第２の超音波発信・受信手段のうちの何れ
   か一方は、前記高周波発生手段の発生した第１の電気信
   号が印加され、この印加された第１の電気信号を機械的
   振動に変換して超音波を生成し、この生成された超音波
   を、前記超音波放出・入射面が平面の場合には平面波と
   して、前記超音波放出・入射面が凹面の場合には収束波
   として、前記超音波放出・入射面から超音波伝播媒質を
   介して被検体へ入射させ、 第１と第２の超音波発信・受信手段のうちの他方は、被
   検体へ入射波に対する反射波を前記超音波伝播媒質を介
   して前記超音波放出・入射面で受信し、この受信波を第
   ２の電気信号に変換し、被検体載置用テーブルを備え、
   このテーブルには被検体が載置され、 走査手段を備え、この走査手段は、第１の電気信号が印
   加されるべき超音波発信・受信手段の前記超音波放出・
   入射面の形状に基づいて定まる前記超音波レンズの放出
   超音波の焦点位置を、被検体表面に沿った二次元方向へ
   走査させるように、前記超音波レンズと前記被検体載置
   用テーブルとのうちの少なくとも一方を他方に対して相
   対的に移動させ、 入射角・検出角制御手段を備え、この入射角・検出制御
   手段は、第２の超音波発信・受信手段の前記平面状圧電
   体の法線と被検体表面の法線とがなす角度として規定さ
   れる前記超音波レンズの入射角・検出角を変化させる方
   向へ、第１と第２の超音波発信・受信手段のうちの少な
   くとも第２の超音波発信・受信手段を揺動させ、 周波数分析手段を備え、この周波数分析手段は第２の電
   気信号の周波数成分の強度分布を分析し、位相分析手段
   を備え、この位相分析手段は、前記周波数分析手段によ
   り分析された周波数の強度分布に基づいて、第２の電気
   信号の位相分布を解析し、 表示手段を備え、この表示手段は、前記周波数解析手段
   と前記位相解析手段との解析結果を表示することを特徴
   とする超音波スペクトラム顕微鏡。 ２、前記超音波レンズと前記被検体載置用テーブルとの
   間の間隔を可変とするように、前記超音波レンズと前記
   被検体載置用テーブルとのうちの少なくとも一方を上下
   動させる間隔制御手段を更に備えることを特徴とする請
   求項１に記載の超音波スペクトラム顕微鏡。 ３、前記入射角・検出角制御手段が、第２の超音波発信
   ・受信手段と一体的に、且つ同方向へ第１の超音波発信
   ・受信手段を揺動させることを特徴とする請求項１また
   は２に記載の超音波スペクトラム顕微鏡。 ４、第１と第２の超音波発信・受信手段を一体的に揺動
   させる前記入射角・検出角制御手段が、焦点位置調整手
   段を備え、この焦点位置調整手段は、前記一体的揺動の
   中心軸線上に前記焦点を位置させるように、被検体表面
   に対して平行をなす少なくとも一つの方向へ超音波レン
   ズを移動させる移動手段を備えることを特徴とする請求
   項３に記載の超音波スペクトラム顕微鏡。 ５、前記焦点位置調整手段が、前記移動手段により前記
   焦点が前記揺動中心軸線上に位置された状態で、前記焦
   点を被検体表面に位置させるように、被検体表面に対し
   て前記超音波レンズを昇降させる昇降手段を更に備える
   ことを特徴とする請求項４に記載の超音波スペクトラム
   顕微鏡。 ６、前記焦点位置調整手段が、前記焦点の位置合わせの
   際に、前記超音波レンズの前記移動手段による移動方向
   と被検体表面の法線とに直交する方向へ、前記超音波レ
   ンズを傾斜させる傾斜手段を更に備えることを特徴とす
   る請求項４または５に記載の超音波スペクトラム顕微鏡
   。 ７、前記被検体載置用テーブルと前記超音波レンズとの
   少なくとも一方を、前記走査手段の前記二次元方向の移
   動面に平行をなす面内で回転させる回転手段を更に備え
   ることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載
   の超音波スペクトラム顕微鏡。 ８、前記回転手段は、その回転中心軸線が前記超音波レ
   ンズの焦点と一致するように、この回転手段を位置合せ
   させる位置合せ手段を備えることを特徴とする請求項７
   に記載の超音波スペクトラム顕微鏡。 ９、前記回転手段が、この回転手段を回転駆動させるパ
   ルスモータと、このパルスモータを駆動させるパルスを
   発生すると共に、任意数の前記パルスを発生した時点で
   、前記周波数分析手段に対して第２の電気信号の取り込
   み開始を指令する電気信号を与える制御手段とを備える
   ことを特徴とする請求項７または８に記載の超音波スペ
   クトラム顕微鏡。 １０、第１の超音波発信・受信手段の圧電体と一対の電
   極とが共に曲面状であることを特徴とする請求項１乃至
   ９の何れか１項に記載の超音波スペクトラム顕微鏡。 １１、第１の超音波発信・受信手段は、その圧電体と一
   対の電極とが共に平面状であり、その超音波放出・入射
   面としての凹面は、第１の超音波発信・受信手段の超音
   波放出側に設けられた遅延材により形成されていること
   を特徴とする請求項１乃至９の何れか１項に記載の超音
   波スペクトラム顕微鏡。 １２、第２の超音波発信・受信手段の前記超音波放出・
   入射面としての平面が、第２の超音波発信・受信手段の
   超音波放出側に設けられた遅延材により形成されている
   ことを特徴とする請求項１乃至１１に記載のスペクトラ
   ム超音波顕微鏡。 １３、第２の超音波発信・受信手段の前記遅延材が、第
   １の超音波発信・受信手段の前記遅延材と一体的に形成
   されていることを特徴とする請求項１２に記載のスペク
   トラム超音波顕微鏡。 １４、第２の超音波発信・受信手段の前記平面状の圧電
   体の長手方向の長さＬが、下式、 Ｌ≧（１／ｓｉｎβ）・（Ｖ＿Ｗ／ω） （但し、Ｖ＿Ｗは前記超音波媒質中における音速、ωは
   超音波レンズの放射する超音波の時間周波数、または周
   波数分布の周波数の最小値、βは超音波レンズの入射角
   選択能力を表す値であって、前記平面板状の圧電体の表
   面の法線と披検体の表面の法線とがなす角をθとしたと
   きに、θ±βの範囲の入射角成分のみの超音波を超音波
   レンズが放出することを示す値） を満足することを特徴とする請求項１乃至１３の何れか
   １項に記載のスペクトラム超音波顕微鏡。 １５、第１の超音波発信・受信手段の凹面としての超音
   波放出・入射面が、球面であることを特徴とする請求項
   １乃至１４の何れか１項に記載の超音波スペクトラム顕
   微鏡。 １６、第１の超音波発信・受信手段の凹面としての超音
   波放出・入射面が、円筒面であることを特徴とする請求
   項１乃至１４の何れか１項に記載のスペクトラム超音波
   顕微鏡。 １７、第１の電気信号が、単一の周波数を有するバース
   ト信号であり、且つその周波数は可変とされていること
   を特徴とする請求項１乃至１６の何れか１項に記載のス
   ペクトラム超音波顕微鏡。 １８、第１の電気信号が、広帯域の周波数を有するイン
   パルス信号であることを特徴とする請求項１乃至１６の
   何れか１項に記載のスペクトラム超音波顕微鏡。 １９、前記平面の超音波放出・入射面に対し、レーザ光
   を入射させ、この入射光に対する反射光の検出に基づい
   て、前記平面の超音波放出・入射面が被検体表面に対し
   てなす角度を測定する角度測定手段を更に備えることを
   特徴とする請求項１乃至１８の何れか１項に記載の超音
   波スペクトラム顕微鏡。