JPH04198856A

JPH04198856A - 超音波顕微鏡装置

Info

Publication number: JPH04198856A
Application number: JP2331647A
Authority: JP
Inventors: Sakae Takeda; 竹田　栄; Toshio Nonaka; 野中　寿夫; Yasuo Hayakawa; 泰夫早川; Katsumi Miyamoto; 克巳宮本; Hiroshi Yamamoto; 弘山本; Kazuo Fujishima; 一雄藤島
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 1990-11-29
Filing date: 1990-11-29
Publication date: 1992-07-20

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、被検体の弾性的性質を定置的に計測するに好
適な超音波顕微鏡装置に関する。

〔従来の技術〕

第４図には、超音波顕微鏡装置の従来例図を示す。試料
台１３に置かれた被検体６に媒体（例えば水）５を滴下
し、超音波探触子３を接触させる。

送信器１から高周波バースト信号を、方向性結合器２を
介して探触子３に印加する。探触子３では、電気信号を
超音波に変換し、音響レンズで集束させ、媒体５を介し
て被検体６に超音波を放射する。

被検体表面で反射、散乱を受けた超音波信号は同じレン
ズで受信して再び電気信号に変換された後、方向性結合
器２を介して受信器４に送られる。

受信器４に送られた電気信号は増幅された後でピーク検
出器７でそのピークが、検出される。この検出ピーク値
は、ＡＤ変換器８を介してコンピュータ９に取込まれ、
Ｖ　（Ｚ）曲線用のデータとなる。デイスプレィ装置１
０は、これを適宜画像表示する。

一方、Ｚ軸ステージ１２は、超音波探触子３と被検体６
との距離Ｚをサンプル位置毎に更新する装置であり、こ
の各サンプル点毎に得られる探触子３の出力は、距離Ｚ
を変数として表現できる。これをＶ　（Ｚ）曲線と呼ぶ
。Ｚ軸ステージ１２は、コンピュータ９で指令を受けた
制御器１１で、移動の制御を受ける。

さて、探触子３で検出される反射超音波信号の性格を第
５図で説明する。

第５図（イ）は、探触子３を中心とする、超音波の放射
と反射の拡大図である。探触子３は、超音波トランスジ
ューサ３ｂと音響レンズ３ａとより成る。超音波トラン
スジューサ３ｂは、圧電素子とその上下に設けた電極と
より成り、これらの電極からリード線３ｃが外部へと引
き出されている。

反射超音波には、被検体６から直接に反射してくる直接
反射波と、レーリー角の入射角で被検体６の表面から反
射してくるレーリー波（漏洩弾性表面波）とがあり、こ
の２つの波が干渉して反射超音波信号として検出される
。第５図（ロ）は直接反射波、第５図（ハ）は漏洩弾性
表面波（レーリー波）を示す。同相による干渉波を第５
図（ニ）、逆相による干渉波を第５図（ホ）に示す。

ここで干渉とは、２つの波が重なり合うことを言う。

この干渉波の１バースト毎のピーク値を、ピーク検出器
７が検出することになる。

第６図は、ピーク値をＺを変数として示した■（Ｚ）曲
線例である。横軸が距離Ｚ、縦軸が信号レベルを示す。

図で、極大値は同相時のもの、極小値は逆相時のもので
あり、相隣り合う極大値間の距離、又は、相隣り合う極
小値の距離は、干渉周期ΔＺと呼ばれる。Ｖ　　（Ｚ）
曲線は、第６図以外にも種々存在することは言うまでも
ない。

このＶ　（Ｚ）曲線やそのΔＺを利用して被検体の漏洩
弾性表面波、縦波、横波等の音速を求めることができる
。更にこうした音速から被検体の弾性率や密度の違い、
結晶サイズの違い等の弾性的性質を求める。

尚、かかる超音波顕微鏡装置については、雑誌「機械と
工具Ｊ　　（１９８７年１１月号、　Ｐ、４９〜５４）
。

「材料」　（昭和６１年１２月号、３５巻、第３９９号
、Ｐ。

１〜１０）等がある。

〔発明が解決しようとする課題〕

第５図の従来例では、漏洩弾性表面波を求めるには、レ
ーリー臨界角で超音波を媒体中に放射する必要がある。

然るに、縦波も若干含まれており、表面を伝わり併せて
検出された場合、信号レベルとして（漏洩弾性表面波）
）（縦波）である故に、縦波の分離検出はできにくいと
の問題がある。

本発明の目的は、漏洩弾性表面波と縦波とを別々に計測
可能にする超音波顕微鏡装置を従供するものである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、サンプル位置毎に、高周波バースト信号で駆
動されて超音波信号を放射し、その反射波を検出する超
音波探触子と、該探触子と被検体との間の距離Ｚを上記
サンプル位置毎に更新するＺ軸移動手段と、各サンプル
位置毎に得られる反射信号からＶ　（Ｚ）曲線を得る手
段と、より成る超音波顕微鏡装置において、上記超音波
探触子は、先端部が円錐台形をなす円筒状の音響レンズ
と、該音響レンズ背面の円筒断面上に配置された、被検
体縦波受波用の円形形状の第１の超音波トランスジュー
サと、上記音響レンズ背面の円筒断面上に配置された、
上記第１の超音波トランスジューサの径よりも大きな内
径を有するリング状の第２の超音波トランスジューサと
、より成る（請求項１）。

更に本発明は、上記第１．第２の超音波トランスジュー
サの高周波バースト信号による駆動モードとして、第１
の超音波トランスジューサのみを駆動する第１の駆動モ
ードと、第１．第２の超音波トランスジューサを同時駆
動する第２の駆動モードと、を有する　（請求項２）。

〔作　用〕

本発明によれば、円形形状の第１の超音波トランスジェ
ーサと、この径より大きいリング状の第２の超音波トラ
ンスジューサとを備えており、これにより漏洩弾性表面
及び縦波とを独立に計測可能になる（請求項１，２）。

〔実施例〕

第１図は本発明の超音波顕微鏡装置の実施例図である。

本実施例の特徴は、超音波探触子１４及びスイッチ１８
を設けた点及びこれによるコンピュータ９内の処理内容
等が異なる点にあり、他は第４図の従来例とほとんど変
りない。

超音波探触子１４は、円形形状の超音波トランスジュー
サ１６と、この径よりも内径の大きいリング状の超音波
トランスジューサ１７と、音響レンズ１５（従来と変り
ない）とより成る。

スイッチ１８は、端子１８ａと１８ｂとの切換えを行う
ものであり、この切換え指令は、コンピュータ９が行う
。端子１８ａに切換えた場合には、第１選択モードとな
り、高周波バースト信号は超音波トランスジューサ１６
のみを駆動する。端子１８ｂに切換えた場合には、第２
選択モードとなり、高周波バースト信号は超音波トラン
スジューサ１６．１７の両者を同時駆動する。

尚、スイッチ１８の端子１８ａと１８ｂとの切換えは手
動によってもよい。

第２図（イ）は本実施例の探触子１４の拡大図、第２図
（ロ）は超音波放射と反射との説明図である。探触子１
４は第２図（イ）に示すように、先端部が円錐台形１５
Ａをなす円筒状の音響レンズ１５を有し、その背面の円
筒断面上には、円形形状の超音波トランスジューサ１６
と、その径よりも大きい内径を持つリング状の超音波ト
ランスジューサ１７とが結合配置されている。更に外部
リード［１６Ａ　。

１７Ａが正負電極部に結合されている。円錐台形１５Ａ
の先端は凹面形状であり、この凹面部から超音波が放射
される。

超音波トランスジューサ１６の円の直径は、縦波臨界角
（又はその近傍角）から超音波が入射できる大きさ、又
はこの臨界角（又はその近傍角）から入射した超音波が
被検体表面を伝わってゆきその一部漏洩縦波が再び受波
できる大きさに相当する。

超音波トランスジューサ１７のリング状の内径と外径と
の大きさは、レーリー臨界角（またはその近傍角）から
超音波が入射できる大きさ、又は、その臨界角（又はそ
の近傍角）から入射した超音波が被検体表面を伝わって
ゆきその一部漏洩弾性表面が再び受波できる大きさに相
当する。

ここで、入射する角度と漏洩波を反射する角度とは、レ
ンズ軸に対象であり、その値は等しい。

この考え方は、縦波臨界角（又はその近傍角）。

レーリー臨界角（又はその近傍角）のいずれでも成立つ
。

第２図（ロ）で送受波を説明する。

（１）第１選択モード（端子１８ａを選択）。

端子１８ａを選択すると、超音波トランスジューサＩ６
のみに高周波バースト信号が印加される。この信号によ
って超音波トランスジューサ１６から超音波が矢印のよ
うに放射され、その反射波として、被検体６からの直接
反射波ａ　（縦波）、及び入射超音波の中で被検体表面
を通り且つ表面から漏洩してくる漏洩表面縦波反射波（
入射角と同一の反射角である）Ｃが得られる。この反射
波ａは当然として、反射波Ｃも円形の超音波トランスジ
ューサ１６で受波できる。従って、トランスジューサ１
６上では２つの反射波ａとＣとの干渉が生じ、その合成
波が方向性結合器２を介して受信器４に送られて受信さ
れる。

第３図には、この時の波形を示し、（イ）は直接反射波
ａ、（ロ）は漏洩縦波Ｃを示し、（ハ）は同相下での干
渉波、（ニ）は逆相下での干渉波を示す。

以上の干渉波は、Ｚ軸ステージ１２によるサンプル位置
毎に得られるものであり、第６図と具体的には異なるが
、同様な性格を持つＶ　（Ｚ）曲線が求まる。これはコ
ンピュータ９内で求める。

（２）第２選択モード（端子１８ｂの選択）。

端子１８ｂを選択すると、高周波バースト信号は、トラ
ンスジューサ１６．１７に印加され、両者を同時駆動す
る。これによって、トランスジューサ１６゜１７は超音
波を放射する。

第２図（ロ）でその時の様子を示す。トランスジューサ
１６から放射した超音波は被検体６上で直接に反射し直
接反射波ａとしてトランスジューサ１６自身で受波され
る。トランスジューサエフから放射した超音波は、レー
リーの臨界角（レンズ凹面部の入射角）で媒体内に入射
し、被検体６の表面を弾性表面波として伝わり、レンズ
軸に関して入射位置と対象な位置から漏洩した成分が反
射波すとしてトランスジューサ１７で受波される。この
反射波ａとｂとは干渉（合成）して、選択スイッチ１８
、方向性結合器２を介して受信器４に送られる。

一方、Ｚ軸ステージエ２で各サンプル点毎にＺ軸（上下
方向）上を探触子１４を移動させる。各サンプル点毎に
端子１８ｂを選択して直接反射波ａと漏洩弾性表面波す
との干渉波を得る。この干渉波信号は受信器４で受信さ
れ、ピーク検出器７でピーク検出され、コンピュータ９
内に取込まれ、第６図に示す如きＶ　（Ｚ）曲線を求め
ることができる。

以上の（１）、（２）の選択モードにより、それぞれＶ
　（Ｚ）曲線が求まるが、（１）の選択モードのＶ　（
Ｚ）曲線からは縦波の音速を算出でき、（２）の選択モ
ードのＶ　（Ｚ）曲線からは漏洩弾性表面波の音速を算
出できる。これらの算出は、コンピュータ９内で自動的
に行う。

この各音速から、各種の物性的性質を知ることができる
ことは言うまでもない。

〔発明の効果〕

本発明によれば、超音波トランスジューサを２つ設けて
、漏洩弾性表面波と縦波とを別々に受波できることにな
り、それぞれの音速を対応する■（Ｚ）曲線から別々に
求めることが可能となった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の超音波顕微鏡装置の実施例図、第２図
（イ）、（ロ）は本発明の超音波探触子の構成例と送受
波の説明図、第３図（イ）、（ロ）。（ハ）、（ニ）は本発明の縦波検出での反射波波形図、
第４図は従来の超音波顕微鏡装置の構成図、第５図（イ
）、（ロ）、（ハ）、（ニ）、（ホ）は従来の超音波探
触子の構成例と送受波の波形図、第６図はＶ　（Ｚ）特
性例図である。１・・・送信器、２・・・方向結合器、４・・・受信器
、５・・・媒体、６・・・被検体、１４・・・超音波探
触子、１６、１７・・・超音波トランスジューサ、１８
・・・選択モード切換スイッチ。特許出願人　　　日立建機株式会社代理人　弁理士　　　高　崎　　芳　紘第１図第２図（イ）（ロ）第３図（イ）　　　　　　　　　　　　　　　　　　（ハ）ｌ
援反射改０　　　　　　　　　干ヰＪ皮（量刑）第４図第５図（イ）

Claims

【特許請求の範囲】

（１）サンプル位置毎に、高周波バースト信号で駆動さ
れて超音波信号を放射し、その反射波を検出する超音波
探触子と、該探触子と被検体との間の距離Ｚを上記サン
プル位置毎に更新するＺ軸移動手段と、各サンプル位置
毎に得られる反射信号からＶ（Ｚ）曲線を得る手段と、
より成る超音波顕微鏡装置において、上記超音波探触子は、先端部が円錐台形をなす円筒状の
音響レンズと、該音響レンズ背面の円筒面上に配置され
た、被検体縦波受波用の円形形状の第１の超音波トラン
スジューサと、上記音響レンズ背面の円筒断面上に配置
された、上記第１の超音波トランスジューサの径よりも
大きな内径を有するリング状の第２の超音波トランスジ
ューサと、より成る超音波顕微鏡装置。
（２）請求項１の超音波顕微鏡装置において、上記第１
、第２の超音波トランスジューサの高周波バースト信号
による駆動モードとして、第１の超音波トランスジュー
サのみを駆動する第１の駆動モードと、第１、第２の超
音波トランスジューサを同時駆動する第２の駆動モード
と、を有する超音波顕微鏡装置。