JPH04264259A - 超音波顕微鏡装置 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超音波により試料の物
性を評価する超音波顕微鏡装置に関し、特に試料の任意
の点の異方性を測定するのに好適な超音波顕微鏡装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】超音波顕微鏡装置は、検査対象物（試料
）の表層の物性や、試料内部の欠陥の有無等を検査する
装置として用いられる。このような超音波顕微鏡装置を
図６により説明する。図６は従来の超音波顕微鏡装置の
ブロック図である。図中、１は超音波探触子であり、レ
ンズの上面に超音波振動子が載置され、下端にレンズ凹
面が形成されている。２は超音波の媒体（例えば水）、
３は試料、４は試料台である。５は送信機であり、バー
スト状の電気信号を出力する、６は受信機であり、後述
する方向性結合器７を介して超音波探触子１から送られ
てくる電気信号を受信し、適宜増幅する。前記方向性結
合器７は送信機からのバースト波信号を超音波探触子１
に送る一方、超音波探触子１からの電気信号を受信機６
に送るように切換え機能する。８はピーク検出器であり
、受信機６の出力信号のピーク値を検出する。 ９はＡ／Ｄ変換器であり、ピーク検出器８が検出したピ
ーク値を基に受信機６が受信した電気信号をＡ／Ｄ変換
する。１０はマイクロコンピュータで構成される演算制
御器であり、前記超音波探触子１からの信号に基づいて
所要の演算、制御を行なうとともに当該超音波探触子１
のＺ軸方向移動の指令信号を出力する。駆動制御器１１
は前記指令信号に基づいてＺ軸移動装置１２を駆動させ
る。Ｚ軸駆動装置１２は制御器１１の指令信号により超
音波探触子１をＺ軸方向、つまり試料３と垂直方向に移
動させる。１３は例えばＣＲＴディスプレイであり、超
音波測定結果を画面表示する。このような超音波顕微鏡
においては、まず送信機５からのバースト電圧が方向性
結合器７を介して探触子１に印加され、これにより発生
された超音波は媒体２を介して試料台４上の試料３へと
照射されるとともに、当該試料３から反射した反射波は
同一経路を経て探触子１で電気信号に変換され、この電
気信号は方向性結合器７を介して受信機６で受信される
。受信機６は受信した電気信号を適宜増幅してピーク検
出器８に送り、ここで検出されたピーク値はＡ／Ｄ変換
器９でデジタル信号に変換され、演算制御器１０により
所要の処理がなされ、その結果がＣＲＴディスプレイ１
３上に画面表示される。またこの間ＣＰＵ１０では探触
子１の試料３からの距離の制御がなされる。

【０００３】図３は超音波ビームが試料３の表面に対し
てデフォーカス状態で超音波を照射したときの反射の態
様を示す拡大説明図である。図７に示すように探触子１
から試料３へと超音波が照射された際には、試料３表面
からの垂直反射波と試料３の表面を伝播する弾性表面波
とが探触子１に反射されるが、それら反射波は図８の波
形図に示すように垂直反射波ａが先に検出された後、伝
播経路の長い弾性表面波ｂが遅れて検出される。これら
の反射波は探触子１で干渉し干渉波として検出される。 両波が同相の場合にはその干渉波は波形ｃで示すように
振幅が大きくなり、逆相の場合には波形ｄで示すように
振幅が小さくなる。両波の位相のずれは試料３に対する
探触子１の位置により異なる。そして探触子１と試料３
との間の距離の変化に応じて位相の同相と逆相が順に繰
り返される。すなわち、Ｚ軸移動装置１２の駆動により
垂直反射波と弾性表面波との位相変化がおきて受信機６
の出力信号の振幅が変化する。このような電気信号をＡ
／Ｄ変換器９を介して演算制御器１０により処理し、デ
ィスプレイ１３上に表示すると、図９に示すように一定
周期を持った曲線が得られる。この曲線がいわゆるＶ（
Ｚ）曲線であり、横軸に探触子１の位置が、縦軸に干渉
波の受信信号レベルがとってあり、図示のようにある一
定の周期を有し、この周期および信号レベルが前記弾性
表面波の伝播速度および減衰と所定の関係にある。周期
および信号レベルを計測することにより伝播速度および
減衰が判り、これらにより試料３の物性を評価すること
ができる。

【０００４】ところで、このような超音波検査に使用さ
れる探触子としては、一般に図１０Ａ〜図１０Ｃに示す
ような点集束型探触子が用いられる。図１０Ａは点集束
型探触子の上面図、図１０Ｂはその側面図、図１０Ｃは
その底面図である。すなわちこの点集束型探触子は図１
０Ａに示すように音響レンズ２０の上面の中心にリード
線２１が接続された円形状の振動子２２が装着され、か
つ図１０Ｂおよび図１０Ｃに示すようにこの音響レンズ
２０の下端面に半球面状の凹面２３を形成して構成され
ている。この点集束型探触子を用いて例えば図１１の顕
微鏡写真に示すような金属粒子組織を持つ試料３を観察
する手法としては、焦点位置での反射率の違いを測定す
る手法と、前記Ｖ（Ｚ）曲線を用いる手法とがあるが、
後者の方がより鋭敏に反応するので、後者すなわち弾性
表面波速度の違いを測定して観察を行なう方が多い。こ
のようにして試料３の全体の組織観察を行った後に、さ
らに各組織の物性を定量的に把握する場合には、試料３
上の任意の位置の組織をＶ（Ｚ）曲線により測定するが
、組織の異方性を把握する場合には、点集束型探触子に
よっては充分な把握ができない。その理由は図１２に符
号Ａで示す試料面３の弾性表面波伝播領域の矢印のよう
に点集束型探触子によって励起される弾性表面波は平面
内の全方向成分を有しており、異方性組織の全方向の弾
性表面波速度の混じり合ったＶ（Ｚ）曲線を得ることに
なり、解析を困難にしているからである。そこで、組織
の異方性を把握する場合には、点集束型探触子を装置か
ら取り外して放射される超音波が方向性を持つ線集束型
探触子と交換して試料への超音波照射を行っている。 図１３Ａ〜図１３Ｃは線集束型探触子の上面図、側面図
および底面図、図１３Ｄは図１３Ｂの線Ｄ’−Ｄ’に沿
う断面図である。この線集束型探触子は図１３Ａに示す
ように例えば音響レンズ３０の上面の中心にリード線３
１が接続された方形状の振動子３２を装着し、図１３Ｂ
、図１３Ｃおよび図１３Ｄに示すようにこの音響レンズ
３０の下端面に半円筒状の凹面３３を形成して構成され
ている。この線集束型探触子によって励起される弾性表
面波は図１４に符号Ｂで示す試料３の弾性表面波伝播領
域の矢印のように音響レンズ３０の下端面の凹面３２が
半円筒状であるから特定方向（当該半円筒の径方向）に
のみ伝播されるので異方性組織の各方向毎の弾性表面波
速度を測定することが可能である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の超音波顕微
鏡装置においては、試料の物性を評価するとき、全体画
像観察には点集束型探触子を使用し、組織の異方性を観
察する場合には点集束型探触子を取り外して線集束型探
触子と交換する手段が採られている。しかし実際の測定
対象組織はμｍオーダの微小領域であるので、探触子交
換時の取付け誤差により、真に得たい位置での異方性計
測が困難であるという問題があった。またこれを避ける
ため、最初から線集束型探触子を用いると次のような不
具合が生じる。すなわち、線集束型探触子からの超音波
は方向性を有するので、試料３の組織の全体画像観察を
する場合、図１５Ａに示すように弾性表面波伝播領域Ｂ
の弾性表面波伝播方向がＸ方向であると、この方向の弾
性表面波速度の違いを表現した画像が得られることにな
るが、矩形領域Ｂは相当範囲を有し、組織の境界にまた
がることになるので、結局、得られる像は図１６Ａに示
すようにＸ方向の組織の境界が明瞭に表れない画像とな
る。逆に領域Ｂの弾性表面波伝播方向が図１５Ｂに示す
ようにＹ方向であると、得られる像は図１６Ｂに示すよ
うにＹ方向の組織の境界が明瞭に表れない画像となる。 いずれにしろ、線集束型探触子を用いたのでは本来得た
い全体組織画像とは異なった組織画像となってしまう。 本発明の目的は、上記従来技術の課題を解決し、探触子
を交換することなく、１つの探触子で点集束、および線
集束を行うことができる超音波顕微鏡装置を提供するこ
とにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明はレンズ面を持つ音響レンズと、この音響レ
ンズの前記レンズ面と対向する面に固定された振動子と
、この振動子を励振させる送信機と、前記振動子の励振
により生じた超音波の反射波を受信する受信機とを備え
た超音波顕微鏡装置において、前記レンズ面を、円筒状
凹面およびこの円筒状凹面の中心部に位置する球状凹面
で構成し、かつ前記振動子を、前記円筒状凹面の軸線に
対向する位置の両側に配置され当該円筒状凹面により超
音波を線集束させる第１の振動子および前記球状凹面に
対向する位置に配置され当該球状凹面により超音波を点
集束させる第２の振動子で構成するとともに、前記受信
機の出力信号と所定の発信信号とを合成する合成手段を
設けたことを特徴とする。

【０００７】

【作用】試料の異方性を測定するときには、第１の振動
子に電圧を印加し、ここで変換された超音波を円筒状凹
面から試料へと照射する。そして試料からの反射波を同
じ第１の振動子で電気信号に変換し、この電気信号と所
定の発信信号を合成手段で合成し、得られた干渉波から
Ｖ（Ｚ）曲線を得る。一方、試料の物性を評価するとき
の全体画像観察を行うときには、第２の振動子に電圧を
印加し、ここで変換された超音波を球状凹面から試料へ
と照射する。そして試料からの反射波を同じ第２の振動
子で電気信号に変換し、この電気信号中の垂直反射波と
弾性表面波とを干渉させてＶ（Ｚ）曲線を得る。

【０００８】

【実施例】以下、本発明を図示の実施例に基づいて説明
する。図１Ａ〜図１Ｄは本発明の実施例に係る超音波顕
微鏡装置に用いられる超音波探触子の構成を示す図であ
り、図１Ａは上面図、図１Ｂは側面図、図１Ｃは底面図
、図１Ｄは図１Ｂに示す線Ｄ−Ｄに沿う断面図である。 図中、４０は超音波探触子を示す。４１は音響レンズで
あり、４２は音響レンズ４１の下端面に形成された円筒
状凹面、４３はその円筒状凹面４２の中心に形成された
球状凹面である。４４はリード線４５を有し、音響レン
ズ４１の上面において前記円筒状凹面４２の軸線に対向
する位置の両側に配置された左右一対の双方矩形状の第
１の振動子であり、４６はリード線４７を有し、音響レ
ンズ４１の上面の中心、つまり前記球状凹面４３に対向
する位置に配設された円形の第２の振動子である。

【０００９】図２は上記第１の振動子４４から超音波が
発信されたときの状況を説明する説明図である。図２で
、図１と同一部分には同一符号を付して説明を省略する
。図２に示す第１の振動子４４にリード線４５を介して
電圧が印加された場合、第１の振動子４４から発信され
る超音波ビーム５０は円筒状凹面４２に向けて集束され
ることになり、円筒状凹面４２により集束されて試料３
へ放射される。

【００１０】図３は図２の二点鎖線Ｃ内、つまり試料３
上に対してデフォーカス状態で超音波を照射したときの
反射の態様を示す拡大説明図である。図３で、図２に示
す部分と同一部分には同一符号が付してある。図３に示
すように第１の矩形状の振動子４４により得られる超音
波ビーム５０は、デフォーカス時に矩形状の超音波ビー
ム５１として試料３に入射する。このとき、超音波ビー
ム５０の照射範囲内には弾性表面波５２が励起されるが
、音響レンズ４０の中心近傍の垂直反射波が無いために
このままでは干渉が起こらず、Ｖ（Ｚ）曲線が得られな
い。そこで、本実施例では後述する基準信号源と合成回
路とを用いて電気的に干渉を起こさせてＶ（Ｚ）曲線を
得るようにする。なお、音響レンズ４１の上面の中心に
配置された第２の振動子４６から超音波が発信された場
合には、その超音波は球状凹面４３に向けて伝播し、さ
らに当該球状凹面４３により試料３上へと点集束される
ことになる。

【００１１】図４は本実施例の超音波顕微鏡装置のブロ
ック図である。図中、図１および図６に示した部材、機
構等と同一のものには同一の符号を付して説明を省略す
る。６０は基準信号源であり、基準信号、例えば所定周
波数の正弦波信号を発信する。６１は合成回路であり、
基準信号源６０からの基準信号と、受信機６が受信した
電気信号、つまり探触子４０が試料３からの反射波を変
換した電気信号とを合成する。送信機５から出力された
バースト電圧が方向性結合器７を介して第２の円形の振
動子４６に印加された場合、円形の振動子４６は超音波
を放射し、この超音波は音響レンズ４１、媒体２を介し
試料台４上の試料３へと照射される。そして第１の振動
子４４は当該試料３から反射してくる反射波、つまり垂
直反射波と弾性表面波とを干渉した干渉波を電気信号に
変換し、変換された電気信号は方向性結合器７を介して
受信機６に受信される。次いで受信機６で受信した電気
信号はピーク検出機８に送られてそのピーク値が検出さ
れ、このピーク値はさらにＡ／Ｄ変換器９でデジタル信
号に変換された後に、演算制御器１０に入力される。こ
こで演算制御器１０が所定の演算、制御を行ない、その
結果がＣＲＴディスプレイ１３上に画面表示される。こ
れにより組織の物性を評価することができる。また、送
信機５から出力されたバースト電圧が方向性結合器７を
介して第１の矩形状の振動子４４に印加された場合、振
動子４４は超音波を放射し、この超音波は音響レンズ４
１、媒体２を介し試料台４上の試料３へと照射される。 そして矩形状の振動子４４は当該試料３から反射してく
る反射波、つまり弾性表面波を電気信号に変換し、変換
された電気信号は方向性結合器７を介して受信機６に受
信される。次いで受信機６で受信した電気信号は合成回
路６１に送られ、ここで基準信号源６０から発信される
基準信号と合成されて干渉波が得られる。この干渉波は
ピーク検出機８に送られてそのピーク値が検出され、こ
のピーク値はさらにＡ／Ｄ変換器９でデジタル信号に変
換された後に、演算制御器１０に入力される。探触子４
０のＺ軸方向の移動に伴い、受信機６の出力信号の位相
は当該移動に応じて変化するが、基準信号は同一位相を
維持しているので、合成回路６１からの干渉波信号は同
位相と逆位相の繰返し信号となる。このようにして得ら
れた信号に基づいて演算制御器１０が所定の演算、制御
を行ない、その結果がＣＲＴディスプレイ１３上に画面
表示される。これにより組織の異方性を把握することが
できる。したがって本実施例では、点集束機能を必要と
する場合には円形状の振動子４６に対してバースト電圧
を印加し、凹面４３を介して試料３から反射してくる反
射波を電気信号に変換し、これをそのまま制御演算器１
０により処理する一方、線集束機能を必要とする場合に
は矩形状の振動子４４を励振させ、凹面４２を介して得
られる反射波（つまり弾性表面波）を電気信号に変換し
、これを合成回路６１により基準信号源６０からの基準
信号と合成して干渉波を得るようにし、かつ制御演算器
１０により処理するようにしたので、探触子の交換をす
ることなく点集束と線集束を行なうことができ、ひいて
は試料３の物性を正確に評価することが可能となる。

【００１２】図５は本発明の他の実施例に係る超音波顕
微鏡装置のブロック図であり、図中、図１および図４に
示した部材、機構等と同一のものには同一の符号を付し
て詳細な説明を省略する。７０は連続発信器であり、連
続的に基準信号、例えば所定周波数の正弦波信号を発信
する。７１は波形切出器であり、連続発信器７０から発
信される基準信号から所要のバースト電圧を取り出して
出力する。連続発信器７０と波形切出器７１で送信機が
構成される。波形切出器７１から出力されたバースト電
圧が方向性結合器７を介して矩形状の振動子４４に印加
され、この振動子４４が試料３から反射してくる反射波
を電気信号に変換し、変換された電気信号は方向性結合
器７を介して受信機６に受信され、受信機６の出力信号
は合成回路６１において連続発信器７０からの基準信号
と合成され、合成回路６１から干渉波信号が出力される
。以後の動作は先の実施例と同じである。このように本
実施例では、送信機を構成する連続発信器７０から基準
信号を得るようにしたので、先の実施例の効果に加えて
、別途基準信号源を設ける必要をなくすことができると
いう効果を奏する。

【００１３】

【発明の効果】以上、本発明によれば、超音波探触子の
下端には円筒状凹面および球状凹面を形成し、かつ超音
波探触子の上面には円筒状凹面に対向する第１の矩形状
の振動子および球状凹面に対向する第２の円形状振動子
を配置し、第１の振動子で前記試料からの反射波を測定
する際には当該反射波を基準信号と合成回路で合成する
ようにしたので、探触子を交換することなく、１つの探
触子で点集束、および線集束を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１Ａ】本発明の実施例に係る超音波顕微鏡装置に用
いられる超音波探触子の上面図である。

【図１Ｂ】本発明の実施例に係る超音波顕微鏡装置に用
いられる超音波探触子の側面図である。

【図１Ｃ】本発明の実施例に係る超音波顕微鏡装置に用
いられる超音波探触子の底面図である。

【図１Ｄ】図１Ｄは図１Ｂに示す線Ｄ−Ｄに沿う断面図
である。

【図２】第１の矩形状の振動子から超音波が発信された
ときの状態を説明する説明図である。

【図３】試料上に対してデフォーカス状態で超音波を照
射したときの反射の態様を示す拡大説明図である。

【図４】本発明の第１の実施例に係る超音波顕微鏡装置
のブロック図である。

【図５】本発明の第２の実施例に係る超音波顕微鏡装置
のブロック図である。

【図６】従来の超音波顕微鏡装置のブロック図である。

【図７】従来の超音波探触子において試料に超音波を照
射したときの状態を示す拡大説明図である。

【図８】垂直反射波、弾性表面波、および干渉波の一例
を示す図である。

【図９】Ｖ（Ｚ）曲線の一例を示す図である。

【図１０Ａ】従来の点集束型探触子の上面図である。

【図１０Ｂ】従来の点集束型探触子の側面図である。

【図１０Ｃ】従来の点集束型探触子の底面図である。

【図１１】金属表面の顕微鏡写真の一例を示す図である
。

【図１２】従来の点集束型探触子において試料に超音波
を照射したときの反射の態様を示す拡大説明図である。

【図１３Ａ】従来の線集束型探触子の上面図である。

【図１３Ｂ】従来の線集束型探触子の側面図である。

【図１３Ｃ】従来の線集束型探触子の底面図である。

【図１３Ｄ】図１３Ｄは図１３Ｂの線Ｄ’−Ｄ’に沿う
断面図である。

【図１４】従来の線集束型探触子において試料に超音波
を照射したときの反射の態様を示す拡大説明図である。

【図１５Ａ】従来の線集束型探触子の弾性表面波伝播方
向がＸ方向であるときの計測の態様を説明する説明図で
ある。

【図１５Ｂ】従来の線集束型探触子の弾性表面波伝播方
向がＹ方向であるときの計測の態様を説明する説明図で
ある。

【図１６Ａ】従来の線集束型探触子の弾性表面波伝播方
向がＸ方向であるときに試料の組織を観察した結果であ
る組織画像の具体例を示す説明図である。

【図１６Ｂ】従来の線集束型探触子の弾性表面波伝播方
向がＹ方向であるときに試料の組織を観察した結果であ
る組織画像の具体例を示す説明図である。

【符号の説明】

４０　　超音波探触子 ４１　　音響レンズ ４２　　円筒状凹面 ４３　　球状凹面 ４４　　第１の振動子 ４６　　第２の振動子 ６０　　基準信号源 ６１　　合成回路 ７０　　連続発信器 ７１　　波形切出器

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　レンズ面を持つ音響レンズと、この音
   響レンズの前記レンズ面と対向する面に固定された振動
   子と、この振動子を励振させる送信機と、前記振動子の
   励振により生じた超音波の反射波を受信する受信機とを
   備えた超音波顕微鏡装置において、前記レンズ面を、円
   筒状凹面およびこの円筒状凹面の中心部に位置する球状
   凹面で構成し、かつ前記振動子を、前記円筒状凹面の軸
   線に対向する位置の両側に配置され当該円筒状凹面によ
   り超音波を線集束させる第１の振動子および前記球状凹
   面に対向する位置に配置され当該球状凹面により超音波
   を点集束させる第２の振動子で構成するとともに、前記
   受信機の出力信号と所定の発信信号とを合成する合成手
   段を設けたことを特徴とする超音波顕微鏡装置。
2. 【請求項２】　　請求項１において、前記合成手段によ
   り前記受信機の出力信号と合成される所定の発信信号は
   、基準信号源から出力される所定周波数の正弦波である
   ことを特徴とする超音波顕微鏡装置。
3. 【請求項３】　　請求項１において、前記合成手段によ
   り前記受信機の出力信号と合成される所定の発信信号は
   、前記送信機を構成する連続発信機の出力信号であるこ
   とを特徴とする超音波顕微鏡装置。