JPH0518942A

JPH0518942A - Ｖ（ｚ）特性による超音波音速測定装置およびこれを用いた超音波顕微鏡

Info

Publication number: JPH0518942A
Application number: JP3331308A
Authority: JP
Inventors: Noritoshi Nakabachi; 憲賢中鉢; Hiroshi Kanai; 浩金井
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1990-11-25
Filing date: 1991-11-20
Publication date: 1993-01-26
Anticipated expiration: 2014-02-24
Also published as: EP0488084B1; DE69117141T2; EP0488084A3; DE69117141D1; JP2860843B2; EP0488084A2; US5349862A

Abstract

(57)【要約】【目的】Ｚ方向の移動距離を少なくでき、また、材料
の構造分析における分解能を向上させることができ、あ
るいは解像度の高い測定映像を得ることができる超音波
顕微鏡を提供することにある。【構成】漏洩弾性表面波成分と音響プローブの中心部
付近の反射波成分とのそれぞれの受信信号についてその
強度のほか、位相差をＺ方向の位置の関数として検出す
しているので、漏洩弾性表面波成分のデフォーカス方向
の位置に対するベクトル関数のデータを算出するとがで
き、これにより材料の弾性表面波の音速を得ることがで
きる。したがって、前記の速度の測定に当たってはＺ方
向の移動距離に対して複数点で強度と位相差の測定デー
タを採取する測定だけで済み、その移動距離は、周期Δ
ｚの１周期以下でもよい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、Ｖ（ｚ）特性による
超音波音速測定装置および超音波顕微鏡に関するもので
あり、詳しくは、いわゆるＶ（ｚ）特性を利用して被検
体の漏洩弾性表面波の速度を得る超音波顕微鏡におい
て、Ｚ方向（超音波顕微鏡の高さ方向に一致する軸）で
の被検体の相対移動量をＶ（ｚ）特性１周期以下にまで
低減させることができ、より分解能の高い測定結果を得
ることができるような超音波顕微鏡に関する。なお、Ｖ
（ｚ）特性は、音響プローブにより集束され、被検体に
照射された集束超音波ビームのうちＺ軸近傍からの反射
波と、被検体表面での漏洩弾性表面波の再放射波との干
渉による干渉波についての受信強度の周期的な特性を言
う。また、前記の再放射波は、集束超音波ビームのうち
レーリー臨界角近傍から被検体に照射された超音波ビー
ムによって励起されたものであり、Ｖ（ｚ）特性は、集
束超音波ビームの集束点を原点として音響プローブに被
検体が近づく方向（−Ｚ方向）に被検体を相対的に移動
させた場合に得られるものである。

【０００２】

【従来の技術】図７は、超音波顕微鏡における音響プロ
ーブの部分拡大断面図である。音響プローブ１７は、超
音波顕微鏡の測定機構系のＺ走査軸（高さ軸）に固定さ
れ、通常、トランスジューサ（圧電薄膜）とレンズから
なる。トランスジューサは、測定部からのバースト信号
で間欠的に一定時間間隔で駆動される。これにより試料
（被検体）１１の表面へとバースト波（超音波）が射出
される。射出されたバースト波のうち、経路Ｇを経てＡ
からＢへ至り、試料１１の表面へ臨界角（θLsaw）で入
射したものは、漏洩弾性表面波に変換される。漏洩弾性
表面波は、入射点Ｂから試料表面を伝搬する間、レーリ
ー臨界角で再放射波を放射し、試料１１の表面Ｃにおい
て放射されたものが音響プローブ１７のＤに向かって射
出される。これがプローブ内の往路と平行な復路をたど
り、圧電素子の他端に戻る。この経路ＧＡＢＣＤＨと進
む音波は、実際には、この経路をプローブ軸回りに回転
した位置にある経路を進むすべての音波である。この受
信波が先に述べた漏洩弾性表面波の再放射波に相当す
る。このような波とは別に試料１１の表面に垂直に射出
されたバースト波２４は、経路ＥＦＥと進み、圧電素子
に戻る。これが先の述べたＺ軸近傍からの反射波にな
る。これらの波の間には、行程差に基づく位相差があ
る。そこで、これらが干渉し、プローブ１７においては
この干渉波の受信信号が得られる。なお、Ｗは液体音場
媒体である。

【０００３】したがって、経路ＥＦの距離を変化させる
とそれに応じて行程差に基づく位相差が２つのバースト
波２３，２４の間で変化し、受信信号上に相互干渉の変
動として現れ、図８に示すような、いわゆるＶ（ｚ）特
性を得ることができる。また、この曲線のディップ周期
Δｚ（以下周期Δｚ）によって試料表面ＢＣ間の漏洩弾
性表面波の速度を算出することができる。これにより被
検体表面の状態を知ることが可能である。以上の技術に
関しては、例えば、１９７９年２月１日発行の応用物理
レター（APPLIED PHYSICS LETTERS ）３４巻３号の１７
９頁から１８１頁のウェグライン(WEGIEIN）の論文等で
すでに知られている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、図８のＶ
（ｚ）特性から明らかなように、周期Δｚを正確に得る
には、実際上、ノイズや精度の関係で数周期に亙って干
渉波の強度を測定することが必要である。したがって、
音響プローブ１７に対して被検体１１を測定に必要な距
離だけ相対的に−Ｚ方向に移動させることが必要にな
る。しかし、この移動には問題がある。それは、図７か
ら理解できるように、Ｚ方向の移動量を多くすればする
ほど経路ＢＣの距離が長くなることである。周期Δｚを
得るために経路ＢＣの距離を長く採ると、それだけ集束
ビームを太くしたときのデータを採っていることにな
る。これにより算出される漏洩弾性表面波の速度は、長
くなった経路ＢＣに対応して得られる。そこで、漏洩弾
性表面波の速度の相違に応じて得られる材料の材質や結
晶構造等についての分解能や、速度の相違に応じて描き
出される測定映像の解像度は、経路ＢＣの長さに対応
し、それ以上小さなのものとはならなず、分解能や解像
度が落ちる。材料の構造分析における分解能あるいは測
定映像の解像度を上げるためには、経路ＢＣの距離が長
くならないようにするか、Ｚ方向の移動距離を小さなも
のに制限すればよい。しかし、前者は、臨界角が制限さ
れることになり、測定できる材料が限られてします。ま
た、後者は、Ｖ（ｚ）特性を利用して周期Δｚを測定す
る関係から理論上、周期Δｚの１周期を得る距離より少
し大きな移動距離が必要になる。これに対する経路ＢＣ
よりも短くすることはできない。

【０００５】この発明の目的は、このような従来技術の
問題点を解決するものであって、材料の弾性表面波の音
速測定において、Ｚ方向の移動距離を少なくでき、ま
た、材料の構造分析における分解能を向上させることが
でき、あるいは解像度の高い測定映像を得ることができ
るＶ（ｚ）特性による超音波音速測定装置あるいは超音
波顕微鏡を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るためのこの発明のＶ（ｚ）特性による超音波音速測定
装置あるいは超音波顕微鏡の特徴は、集束型音響プロー
ブの焦点位置から音響プローブ側のデフォーカス位置に
被検体を相対的移動させ、この移動に応じて音響プロー
ブから得られるそのトランスジューサの周辺付近におけ
る第１の受信信号の強度と、音響プローブを駆動した信
号あるいはこれに対応する基準信号に対する第１の受信
信号の位相差と、移動に応じて前記音響プローブから得
られるそのトランスジューサの中心部における第２の受
信信号の強度と、音響プローブを駆動した信号あるいは
これに対応する基準信号に対する第２の受信信号の位相
差とをそれぞれデフォーカス方向の位置に対応して複数
個サンプリングし、このサンプリングにより得られた複
数の第１の受信信号の強度及び位相差と複数の第２の受
信信号の強度及び位相差とのデータを漏洩弾性表面波成
分と音響プローブの中心軸近傍の反射波成分との干渉波
のデフォーカス方向の位置に対するベクトル関数のデー
タとして得て漏洩弾性表面波成分の速度を算出するもの
である。

【０００７】

【作用】このように、漏洩弾性表面波成分と音響プロー
ブの中心部付近の反射波成分とのそれぞれの受信信号に
ついてその強度のほか、位相差をＺ方向の位置の関数と
して検出すれば、漏洩弾性表面波成分のデフォーカス方
向の位置に対するベクトル関数のデータを算出するとが
でき、これにより材料の弾性表面波の音速を得ることが
できる。したがって、前記の速度の測定に当たってはＺ
方向の移動距離に対して複数点で強度と位相差の測定デ
ータを採取する測定だけで済み、その移動距離は、周期
Δｚの１周期以下でもよい。

【０００８】

【実施例】図１は、この発明の超音波顕微鏡の一実施例
のブロック図、図２は、その音響プローブの電極の平面
図およびプローブの断面図、図３は、その漏洩弾性表面
波成分と音響プローブの中心軸近傍の反射波成分との干
渉波ベクトル関数の位相角の説明図、図４は、超音波顕
微鏡の音速算出処理を中心とするフローチャート、図５
は、測定時のＺ方向の移動と音響プローブとの関係の説
明図、図６は、材料についての構造分析を行う場合に適
する音響プローブのトランスジューサ構造の説明図であ
る。

【０００９】図１において、２０は、超音波顕微鏡であ
って、１は、バースト波信号を発生する発信回路であ
る。発信回路１は、送受信状態の切換回路２，３を介し
て同じ波形の２つのバースト波信号を音響プローブ８に
送出する。音響プローブ８は、図２に示すように、その
軸の中心位置と周囲とに分割されたトランスジューサを
有する分割トランスジューサプローブである。このプロ
ーブ８のそれぞれのトランスジューサ８ａ（中心部の圧
電薄膜），８ｂ（周辺圧電薄膜）は、それぞれ同時に同
位相，同振幅のバースト波信号を受け、これにより同時
に駆動される。その結果発生した超音波バースト波は、
高さ調整機能付き試料台１０（以下試料台１０）に載置
された試料１１の表面に照射される。なお、トランスジ
ューサ８ａは、その中心が音響プローブ８の中心軸（ｚ
軸）にほぼ一致するように配置され、トランスジューサ
８ｂは、リンク状をしていて、これに対して一定の間隔
をおいてこれの外側に配置されている。そして、８ｃ
は、これらトランスジューサ８ａ，８ｂが一方の面に設
けられた音響レンズである。

【００１０】ここで、トランスジューサ８ａにより電気
信号に変換された受信信号は、漏洩弾性表面波成分と音
響プローブ８の中心軸付近の反射波成分との干渉波であ
り、特に、後者が主体となる信号である。この信号は、
切換器２を介して受信回路４（図１参照）に送出され
る。また、トランスジューサ８ｂにより電気信号に変換
された受信信号も漏洩弾性表面波成分と音響プローブ８
の中心軸付近の反射波成分との干渉波であるが、これ
は、前者を主体とする信号である。この信号は、切換器
３を介して受信回路５に送出される。

【００１１】受信回路４，５は、同じ構成の高周波増幅
回路であって、入力信号を所定のレベルまで増幅する。
受信回路４の出力は、検波回路１２ａと位相比較回路１
３ａにそれぞれ入力される。受信回路５の出力は、検波
回路１２ｂと位相比較回路１３ｂにそれぞれ入力され
る。検波回路１２ａ，１２ｂは、それぞれの受信信号を
包絡線検波する。これらの検波出力は、Ａ／Ｄ変換回路
（Ａ／Ｄ）１４に出力される。その結果、それぞれの受
信波形の振幅の絶対値がＡ／Ｄ変換のサンプルタイミン
グに合わせてＡ／Ｄ１４によりデジタル値で出力され
る。なお、検波回路１２ａ，１２ｂの出力は、オシロコ
ープ１６にも入力されていて、これにより受信波形が観
測できるようになっている。また、位相比較回路１３
ａ，１３ｂは、他方の入力に発信回路１からのバースト
信号を比較基準信号として受けている。これは、受信回
路４，５の出力信号と音響プローブ８の駆動時のバース
ト信号との位相を比較し、これらの位相差を出力する。
それぞれの位相差出力は、Ａ／Ｄ１４にそれぞれ入力さ
れる。その結果、Ａ／Ｄ１４では、Ａ／Ｄ変換のサンプ
ルタイミングに合わせてトランスジューサ８ａ，８ｂで
受信したそれぞれの干渉波の振幅とバースト信号に対す
る位相差とが同時にデジタル値として検出される。

【００１２】Ａ／Ｄ１４のサンプルタイミングは、画像
処理装置６により制御されている。Ａ／Ｄ１４により変
換されたデータは、順次測定データメモリ１５に送出さ
れて記憶される。測定データメモリ１５は、そのアドレ
スがＡ／Ｄ変換のサンプルごとに更新されていく。これ
により音響プローブ８が試料１１をＸＹ平面走査したと
きには、その平面走査に応じて各測定点対応のデータが
各アドレスに順次記憶される。なお、測定データメモリ
１５は、ｎ個（ｎは２以上の整数）のデータメモリ１５
ａ，１５ｂ，・・・１５ｎを有していて、各データメモ
リは１回のＸＹ平面走査に対応し、その測定データを記
憶する。これらデータメモリは、Ｚ方向の測定点である
ｚ座標の更新に応じて別の１つが選択され、これも更新
される。このような測定データメモリ１５は、そのデー
タのうち演算に必要なデータがデータ画像処理装置６の
ＭＰＵ６１により参照されて読込まれ、メモリ６２の所
定の領域に記憶される。

【００１３】ここで、焦点位置を原点とし、プローブ８
を−Ｚ方向の位置にデフォーカスさせ、あるＺ座標にお
いてＡ／Ｄ１４から得られる、トランスジューサ８ａで
変換された電気信号の振幅値の絶対値と位相差を、Ｚ座
標の複数の点において採取すると、トランスジューサ８
ａで変換された電気信号の振幅値の絶対値と、この絶対
値に対応した得られる位相差との対が複数得られる。こ
れらの値は、あるベクトル関数上のものとなる。そのベ
クトル関数をここではベクトルＶa(ｚ) とする。同様に
トランスジューサ８ｂで変換された電気信号の振幅値の
絶対値と、この絶対値に対応した得られる位相差との対
の複数の値もあるベクトル関数上のものとなる。そのベ
クトル関数をここではベクトルＶb(ｚ) とする。さら
に、漏洩弾性表面波成分のベクトル関数をベクトルＶI
(ｚ）とし、音響プローブの中心軸近傍の反射波成分の
それをベクトルＶL(ｚ）とする。ベクトルＶa(ｚ) とベ
クトルＶb(ｚ) とは、それぞれのベクトルＶL(ｚ）とベ
クトルＶI(ｚ）との干渉波であるので、これらの間には
次の関係式が成立する。ベクトルＶa(ｚ) ＝ＣLa・ベクトルＶL(ｚ) ＋ＣIa・ベクトルＶI(ｚ）ベクトルＶb(ｚ) ＝ＣLb・ベクトルＶL(ｚ）＋ＣIb・ベクトルＶI(ｚ） …………(1) なお、ＣLa，ＣIa，ＣLb，ＣIbは、それぞれ複素数にな
っている定数（複素定数）であり、ｚは、フォーカス点
を原点とするＺ座標（高さ方向の座標）である。また、
Ｚ方向の変位量が微少である場合には、これら複素定数
は、ｚの値にほとんど依存しない。

【００１４】ここで、ベクトルＶL(ｚ），ベクトルＶI
(ｚ）の位相と振幅は、それぞれ、図７の伝搬経路から
幾何学的に次のように表すことができる。 ∠ベクトルＶL(ｚ）＝２ｋw ｚ＋∠ＣL …………(2) ∠ベクトルＶI(ｚ）＝２（ｋw ／COS θLsaw −ｋLsaw・tan θLsaw）ｚ＋∠ＣI ＝２ｋw ｚ・cos θLsaw＋∠ＣI …………(3) ｜ベクトルＶL(ｚ）｜＝｜ＣL ｜exp （−２αw ｚ） …………(4) ｜ベクトルＶI(ｚ）｜＝｜ＣI ｜exp （−２γｚ・tan θLsaw −２αw ｚ／cos θLsaw）…(5) ここで、ｋw は液体音場媒体Ｗ中の単位距離当たりの波
数、ｋLsawは漏洩弾性表面波の単位距離当たりの波数、
θLsawは液体媒質Ｗと被検体１１との境界における漏洩
弾性表面波の臨界角である。さらに、αw ，γは、液体
音場媒質中の減衰定数、漏洩弾性表面波の減衰定数であ
り、ＣL，ＣI は、各成分のｚ＝０の位置（焦点位置ｚ₀
）における振幅，位相を表す複素定数である。なお、
(3) 式の展開においてはスネルの法則，ｋLsaw／sin θ
Lsaw＝ｋw を用いる。

【００１５】そこで、(1) 式の右辺のベクトルＶL
(ｚ），ベクトルＶI(ｚ）について、(2)式〜(5) 式を適
用すると、ベクトルＶL(ｚ）＝ＣL ・ＺL ^-Z …………(6) ベクトルＶI(ｚ）＝ＣL ・ＺI ^-Z …………(7) ただし、ＺL ＝ exp｛−２（−αw ＋jkw ）｝ＺL ＝ exp［｛−２（γ−ｊｋLsaw）tan θLsaw ＋（−αw ＋jkLsaw）／cos θLsaw｝］これら(6) ，(7) 式を(1) 式に代入すると、ベクトルＶa(ｚ) ＝ＣLa′・ＺL ^-Z＋ＣIa′・ＺI ^-Z ベクトルＶb(ｚ) ＝ＣLb′・ＺL ^-Z＋ＣIb′・ＺI ^-Z …………(8) ただし、ＣLa′＝ＣLa・ＣL ，ＣLb′＝ＣLb・ＣL ，Ｃ
Ia′＝ＣIa・ＣI ，ＣIb′＝ＣIb・ＣI である。

【００１６】この(8) 式から、周期Δｚのデフォーカス
点の範囲内のＮ個（Ｎは２以上の整数）の測定点ｚi に
ついてのベクトルＶａ（ｚi)の値，ベクトルＶｂ（ｚi)
の値に対してＰｒｏｎｙの方法（Ｊ．Ｄ．マーケル他
著，鈴木久喜訳）を適用して線形方程式を複数回解くこ
と、例えば２回解くことによって、複素定数ＣLa′，Ｃ
Lb′，ＣIa′，ＣIb′を決定できる。ただし、ｚi は、
測定点をＮ個採り、ｉ＝１，２，・・・，ＮとしたＺ方
向の各座標値である。なお、これにより決定された複素
定数ＣLa′，ＣLb′，ＣIa′，ＣIb′は、後述するメモ
リ６２のパラメータ記憶領域６２ｅに記憶される。次
に、これらパラメータＣLa′，ＣLb′，ＣIa′，ＣIb′
から次の式によりベクトルＶL(ｚ) ，ベクトルＶI(ｚ)
を求める。ＣL ′ベクトルＶL(ｚ) ＝ＣIb′ベクトルＶa(ｚ) −ＣIa′ベクトルＶb(ｚ) ＣI ′ベクトルＶI(ｚ) ＝−ＣLb′ベクトルＶa(ｚ) ＋ＣLa′ベクトルＶb(ｚ) …………(9) ただし、ＣL ′＝ＣLa・ＣLb′−ＣLb・ＣIa′ ＣI ′＝ＣLa′・ＣLa−ＣLb′・ＣIa この(9) 式を利用することで、測定されたベクトルＶa
(ｚ)，ベクトルＶb(ｚ) からベクトルＶL(ｚ) ，ベクト
ルＶI(ｚ) を演算処理により算出できる。そのために画
像処理制御装置６のメモリ６２に各種プログラムが記憶
されている。なお、ベクトルＶa(ｚ) ，ベクトルＶb
(ｚ) からベクトルＶL(ｚ)，ベクトルＶI(ｚ) の演算処
理においては、適宜、最小二乗法によるベクトル変換を
用いる。もちろん、これらのベクトル演算においては、
ノイズ等を除去するために各測定データ等についてフー
リエ変換処理を施し、そのデータに対して演算処理をし
てもよい。

【００１７】さて、画像処理制御装置６は、マイクロプ
ロセッサ（ＭＰＵ）６１とメモリ６２、操作パネル６
３，ディスプレイ６４、インタフェース６５等から構成
され、これらが相互にバス６６を介して接続されてい
る。Ａ／Ｄ１４からＡ／Ｄ変換された測定データのデジ
タル値は、インタフェース６５を介して内部に取込ま
れ、メモリ６２に記憶される。そこで、試料１１を音響
プローブ８でＺ方向に走査して各測定点（ｚi ）ごとに
ベクトルＶa(ｚ) ，ベクトルＶb(ｚ) の振幅値とそのと
きの位相差とを得る。すなわち、ベクトルＶa(ｚ) ，ベ
クトルＶb(ｚ) のそれぞれのデータとなる、検出された
各受信信号の振幅値とそのときの位相差は、Ａ／Ｄ１
４，測定データメモリ１５を介してＭＰＵ６１に渡さ
れ、ＭＰＵ６１がこれらを各測定点対応に順次メモリ６
２に記憶していくことでなされる。なお、この場合の測
定点ｚi の範囲は、周期Δｚの１周期を得る移動距離よ
り小さな距離の範囲でよい。

【００１８】メモリ６２には、初期設定／Ｚ走査プログ
ラム６２ａと、ベクトル関数算出プログラム６２ｂ、位
相角変化量算出プログラム６２ｃ、音速算出プログラム
６２ｄ，表示処理プログラム等とが格納されている。ま
た、パラメータ記憶領域６２ｅには、Ｚ走査（プローブ
の高さ方向走査）のためのＺ方向の測定ピッチのデータ
や先に述べた複素定数ＣLa′，ＣLb′，ＣIa′，ＣIb′
等の各種のパラメータが記憶されている。

【００１９】初期設定／Ｚ走査プログラム６２ａは、Ｍ
ＰＵ６１により実行され、これを実行することでＭＰＵ
６１は、まず、音響プローブ８の初期位置決めの処理を
する。この処理は、あらかじめ操作パネル６３から入力
された音響プローブ８の焦点距離と試料１１との位置関
係に応じて、試料１１の表面直下に焦点が位置付けられ
るように音響プローブ８のＺ座標（図５の高さｚ₀ 参
照）を算出して音響プローブ８がこの高さ（ｚ₀ ）にな
るように位置決めする処理である。そしてこの位置が通
常のＺ走査の初期位置となる。なお、この原点位置は、
最終的にはこの位置決め後に後述するキー入力に応じる
位置決め操作により、さらに正確な焦点合わせがなさ
れ、これにより微少調整された後の位置として決定され
る。さらに、ＭＰＵ６１によるＸＹ平面走査処理プログ
ラムの実行によってスキャナ９が制御され、このＸＹ平
面走査終了すると、この処理プログラムが実行されてＺ
方向に１ピッチ移動する走査がなされる。ここでのこの
走査は、等間隔のピッチ送りである。

【００２０】ベクトル関数算出プログラム６２ｂは、測
定データメモリ１５のベクトルＶa(ｚ) ，ベクトルＶb
(ｚ) の値（ｚi を変化させてＡ／Ｄ１４から得られる
振幅値と位相差の値）とパラメータ記憶領域６２ｅに記
憶されている複素定数ＣLa′，ＣLb′，ＣIa′，ＣIb′
とを参照してＸＹ平面走査における各測定点に対して先
の(1) 式〜(9) 式に従ってベクトルＶI(ｚ) の値とベク
トルＶL(ｚ) の値、すなわち、その大きさと位相とをそ
れぞれｚiの値に対応して算出して、それをメモリ６２
の所定の領域に記憶する。

【００２１】位相角角変化量算出プログラム６２ｃは、
メモリ６２のｚi に対するベクトルＶI(ｚ) の値、すな
わち、その位相のデータを参照して次の式により位相角
の変化量ξを算出する。 ξ＝∂∠ベクトルＶI(ｚ) ／∂ｚ …………（10) 算出されたξは、パラメータ記憶領域６２ｅに記憶され
る。なお、ｚ座標に対する位相角∠ベクトルＶI(ｚ) の
関係は図３の（ａ）に示すようになる。

【００２２】音速算出プログラム６２ｄは、パラメータ
記憶領域６２ｅに記憶されたξを参照して次の式に従っ
て漏洩弾性表面波の伝搬音速ｖLsawを算出する。まず、
位相角の変化量ξは、ξ＝２ｋw cos θLsawである。液
体音場媒質／被検査体境界におけるスネルの法則によ
り、ｖLsaw＝ｖw ／sin θLsawが成立する。また、音響
プローブ８に加えた送信バースト波の周波数をｆとする
と、ｋw ＝２πｆ／ｖw が成り立つ。以上の式から次の
式が成立する。ｖLsaw＝ｖw ／〔１−（ξｖw ／４πｆ）² 〕^1/2 …………（11) これにより音速ｖLsawを得ることができる。

【００２３】そこで、まず、各測定点対応にあるＺ方向
の座標ｚi においてＸＹ平面走査してＸＹ平面上の各測
定点に対して測定データメモリ１５にベクトルＶａ
（ｚ），ベクトルＶｂ（ｚ）の振幅及び位相差のデータ
を得る。次に、ｚi の座標を更新して同様なデータを複
数のＺ座標の各測定点において得て測定データメモリ１
５に記憶する。この測定データメモリ１５のデータを参
照することで、ＸＹ平面走査における各測定点対応に各
ｚi の値から(1) 式〜(11)式により速度ｖLsawを算出す
ることができる。このようにして算出したＸＹ平面上の
各測定点の漏洩弾性表面波の速度ｖLsawに応じて表示処
理プログラムによりＸＹ走査位置に対応して表示データ
を生成し、ディスプレイ６４の画像メモリに転送する。
このことで測定表面映像をディスプレイ６４の画面に表
示することができる。なお、以上の場合得ＸＹ平面走査
における測定ピッチは、漏洩弾性表面波の速度ｖLsawに
対応する解像度が得られるピッチに選択されている。

【００２４】ところで、音響プローブ８の試料１１に対
する漏洩弾性表面波の臨界角θLsawは小さい場合もあ
る。このような場合には、Ｚ方向の座標値ｚi のわずか
な変化に対して検出すべき位相差が大きく変化する。そ
こで、先の（10) 式をそのまま用いることができない。
この場合、図３の（ａ）に示すような変化が図（ｂ）に
示すような関係になる。この場合に位相角の２π変化す
るまでのｚの間隔をΔｚ′とすると次の式が成立する。｜−２ｋw cos θLsaw｜Δｚ′＝２π Δｚ′＝π／ｋw cos θLsaw このようにθLsawが小さい場合には、(10)式を用いるの
ではなく、ベクトルＶI(ｚ) からベクトルＶL(ｚ) を引
いた上でのｚに対する変化から音速を求めるとよい。す
なわち、Δｚ＝π／（１−cos θLsaw）ｋw より、先の
(10)式の位相角の変化量ξ₁ は、 ξ₁ ＝∂（∠ベクトルＶI(ｚ) −ベクトルＶL(ｚ) ）／∂ｚ …………（10) となり、結果として、音速ｖLsawは、ｖLsaw＝ｖw ／〔１−（１−ξ₁ ｖw ／４πｆ）² 〕^1/2 …………（12) となる。これにより、位相角が２π変化するまでのｚ方
向の距離は、図３（ｃ）に示すように大きく採ることが
できる。特に、この位相角の変化量ξ₁ を用いる場合に
は、微結晶の境界近くなどの微少領域の解析が要求され
る場合に有効である。

【００２５】図４は、全体的な測定処理のフローチャー
トであって、ステップ１００で初期設定／Ｚ走査プログ
ラム６２ａが起動されて、ＭＰＵ６１は、まず、初期化
処理に入る。これにより画像処理制御装置６がコントロ
ーラ７を制御して音響プローブ８を試料１１に対して所
定の初期位置高さ（ｚ₀ ）に設定する。後述するように
この位置で焦点合わせが行われ、合焦点処理の後のその
位置が測定時の音響プローブ８の原点となる。次にステ
ップ１０１で、複素定数ＣLa′，ＣLb′，ＣIa′，ＣI
b′、Ｚ方向の移動ピッチ、Ｚ方向の測定点の数Ｍ等の
測定に必要なパラメータの設定を行う。なお、これは、
ステップ１００の手前あるいはステップ１０２、さらに
はこの後の処理工程で行われてもよい。さらに、複素定
数ＣLa′，ＣLb′，ＣIa′，ＣIb′は、後述するステッ
プ１０２以降の測定処理と同様な処理により試料１１の
ＸＹ平面上の１測定点についてその都度測定し、得られ
た値をキー入力するか、プログラム処理にてパラメータ
記憶領域６２ｅに自動的に記憶してもよい。

【００２６】次のステップ１０２では、オペレータのキ
ー入力に応じて入力されたキーにより位置決め操作処理
が行われ、それにより焦点合わせがなされる。これは、
オシロスコープ１６の映像を観察してステージ処理プロ
グラムよりキー入力に応じて試料１１の高さを調整する
ことで焦点合わせを行う。合焦点位置は、試料１１から
の反射波が最大となる位置であり、試料１１の表面に音
響プローブ８の焦点が合ったとき（ｚ₀ ）である。ステ
ップ１０３では、焦点合わせ完了の機能キー入力に応じ
てＭＰＵ６１は、初期設定／Ｚ走査プログラム６２ａを
起動して、図５に示すように音響プローブ８のＺ座標を
−ｚi （最初はｚi ＝ｚ₁ ）の位置に設定する。これが
Ｚ方向の最初の測定位置になる。

【００２７】次のステップ１０４で操作パネル上の測定
開始キーが押されるとＸＹ平面走査が開始される。これ
によりステップ１０５，１０６，１０７，１０８，１０
９のループ処理に入る。まず、ステップ１０５でＭＰＵ
６１は、測定データメモリ１５のデータメモリ１５ａに
測定データを採取する。ＭＰＵ６１は、この測定処理が
終了した時点で、ステップ１０６で初期設定／Ｚ走査プ
ログラム６２ａを起動して、音響プローブ８を−Ｚ方向
へ１ピッチ前進させるピッチ送りする。これにより試料
１１の表面がｚ₂ の位置に設定される。ステップ１０７
で測定回数Ｍに対してＭ＝Ｍ＋１としてＭを１つ更新す
る。なお、このときのＭの初期値は１である。さらに、
ステップ１０８で測定終了かを送りピッチ回数最大値Ｍ
（Ｚ方向の測定点数に対応する）を越えたか否かにより
判定する。最大値Ｍを越えていないときには、ステップ
１０９で測定データを記憶するメモリを更新して最初の
データメモリ１５ａから次のデータメモリ１５ｂに切換
える。そしてステップ１０５へと戻る。次にこの送られ
たＺ座標の位置において先と同様な測定を行いメモリ１
５ｂに測定データを記憶する。以下、測定点数Ｍまで、
データメモリを順次更新しながら得られた測定データを
測定データメモリ１５に記憶していく。このようにして
図５に示すように、音響プローブ８を−Ｚ方向（試料１
１の表面側）へと順次移動させて試料１１側に順次接近
させて各干渉波について受信強度と位相差の測定データ
をＸＹ平面上の各測定点について得る。

【００２８】以上のようなピッチ送りにより等間隔で設
定されたＺ方向の各測定点での測定が終了すると、ベク
トル関数算出プログラム６２ｂ起動して、ステップ１１
０でＸＹ平面走査の各位置に対応して測定データメモリ
１５の値を参照して、ＭＰＵ６１は、先に述べたよう
に、ベクトルＶa(ｚ) ，ベクトルＶb(ｚ) からベクトル
ＶI(ｚ) ，ＶL(ｚ)についての各大きさと位相とを算出
する。次にステップ１１１で、これら算出したデータに
基づき、位相角変化量算出プログラム６２ｃと音速算出
プログラム６２ｄとを順次起動して、ＭＰＵ６１は、試
料１１における漏洩弾性表面波の速度ｖLsawをＸＹ平面
上の各測定点について算出する。こうして算出された漏
洩弾性表面波の速度ｖLsawは、ステップ１１１で表示デ
ータに変換されてディスプレイ６４へと送られ、測定画
像データとして表示される。

【００２９】ところで、図５に示すように、Ｚ方向の測
定点の数とその移動量の総計は、Ｖ(Z) 特性曲線上の周
期Δｚより小さいものである。したがって、漏洩弾性表
面波が伝搬する試料１１の表面の幅は、周期Δｚの測定
のときよりも小さいものになる。すなわち、測定される
漏洩弾性表面波の速度ｖLsawの算出の経路幅が小さくな
り、これにより表示される測定映像の解像度は向上す
る。また、Ｘ，Ｙ，Ｚのそれぞれの方向における、音響
プローブ８の移動量を決めるピッチ量についての送り制
御は、ループカウンタを用いて算出することができ、こ
れにより効率よく制御できる。

【００３０】以上は、超音波顕微鏡２０を通常の映像を
表示する本来の超音波顕微鏡として利用した場合であ
る。しかし、Ｖ（ｚ）特性による漏洩弾性表面波の速度
ｖLsawの測定は、材料の表面状態の映像表示よりはむし
ろ、材料の結晶構造や異方性などのようなの構造分析に
ついて利用されることが多い。この場合、超音波顕微鏡
自体が超音波音速測定装置に利用される。材料の構造分
析としては、例えば、セラミックスや金属結晶等の粒子
の中で部分的に結晶軸の異なる領域が存在するときにそ
の状態を解析することである。このときには高い分解能
が要求される。そこで、この発明が有効になる。特に、
この種の構造分析では、材料の表面の微少領域における
音速測定が必要になること、さらには、結晶軸の方向性
等を解析するために漏洩弾性表面波の伝搬路を一方向に
限定して方向性を持たせることが必要になる。

【００３１】図６は、この種の材料の構造分析に有効な
音響プローブ８０についてのトランスジューサ構造の平
面図である。この音響プローブ８０は、中心に配置する
トランスジューサとして図２のトランスジューサ８ａに
対応するトランスジューサ８１（圧電薄膜）を有してい
る。そしてその周囲には、リング状のトランスジューサ
８ｂに対してその特定の方向のみ残して、バタフライの
羽のようにしたトランスジューサ８２（圧電薄膜），８
３（圧電薄膜）としたものである。なお、８４は、音響
レンズである。トランスジューサ８２，８３は、それぞ
れ切換回路３ａ，３ｂを介して発信回路１からのバース
ト信号を受け、受信回路５に試料１１からの受信波を電
気信号に変換して受信信号として送出する。トランスジ
ューサ８１は、音響プローブ８のトランスジューサ８ａ
と同様に切換回路２を介して発信回路１からのバースト
信号を受けて受信回路５に受信信号を送出する。そし
て、切換回路３ａ，．３ｂは、インタフェース６５から
切換信号を受けて、いずれか一方を送信側の電極（圧電
薄膜）とし、他方を受信側の電極（圧電薄膜）とする切
換え接続を行う。

【００３２】なお、この図では、トランスジューサ８３
が送信側であり、トランスジューサ８２側が受信側とな
っている。インタフェース６５からの切換信号は、ＭＰ
Ｕ６１により制御される。したがって、ＭＰＵ６１は、
切換回路３ａ，３ｂを切換えてトランスジューサ８２を
送信側にし、トランスジューサ８３側を受信側とするこ
とができる。もちろん、トランスジューサ８２，８３
は、トランスジューサであるので、両者とも送信側であ
りかつ受信側になるように切換えることも可能である。
これにより、漏洩弾性表面波は、このトランスジューサ
８２，８３に平行な伝送路のみのものが検出される。な
お、超音波音速測定装置は、例えば、この音響プローブ
８０により漏洩弾性表面波の速度ｖLsawの測定を行うも
のであるが、その音速算出のデータ処理については、先
に説明した超音波顕微鏡２０と同様であるので、詳細は
割愛する。

【００３３】以上説明してきたが、実施例では、漏洩弾
性表面波の速度ｖLsawを求めているが、干渉波のデフォ
ーカス方向の位置に対するベクトル関数のデータを得る
ことにより材料の減衰率も簡単に求めることができる。
すなわち、先に挙げた(4) によりベクトルＶL(ｚ) の値
から液体音場媒質中の減衰定数αw が求められる。この
αw とベクトルＶI(ｚ) の値から先の(5) 式により漏洩
弾性表面波の減衰定数γを求めることができる。このよ
うに、干渉波のベクトル関数ベクトルＶL(ｚ) ，ベクト
ルＶI(ｚ) のデータ値を得ることによりより正確に材料
の減衰定数を算出することが可能になる。また、実施例
では、位相差を検出する基準信号として発信回路からの
バースト信号を用いているが、これは、このバースト信
号に同期するような他の基準信号であってもよい。

【００３４】

【発明の効果】以上の説明のとおり、この発明にあって
は、漏洩弾性表面波成分と音響プローブの中心部付近の
反射波成分とのそれぞれの受信信号についてその強度の
ほか、位相差をＺ方向の位置の関数として検出するよう
にしているので、漏洩弾性表面波成分のデフォーカス方
向の位置に対するベクトル関数のデータを算出するとが
でき、これにより材料の弾性表面波の音速を得ることが
できる。したがって、前記の速度の測定に当たってはＺ
方向の移動距離に対して複数点で強度と位相差の測定デ
ータを採取する測定だけで済み、その移動距離は、周期
Δｚの１周期以下でもよい。その結果、漏洩弾性表面波
の材料表面での伝搬経路を小さくでき、材料の構造分析
における分解能を向上させることができ、あるいは、測
定映像の解像度を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、この発明の超音波顕微鏡の一実施例
のブロック図である。

【図２】図２は、その音響プローブの電極の平面図お
よびプローブの断面図である。

【図３】図３は、その漏洩弾性表面波成分と音響プロ
ーブの中心軸近傍の反射波成分との干渉波ベクトル関数
の位相角の説明図である。

【図４】図４は、超音波顕微鏡の音速算出処理を中心
とするフローチャートである。

【図５】図５は、測定時のＺ方向の移動と音響プロー
ブとの関係の説明図である。

【図６】図６は、材料についての構造分析を行う場合
に適する音響プローブのトランスジューサ構造の説明図
である。

【図７】図７は、超音波顕微鏡における音響プローブ
部分の拡大断面図である。

【図８】図８は、Ｖ（Ｚ）特性の説明図である。

【符号の説明】

１…発信回路、２，３…切換回路、４，５…受信回路、
６…画像処理制御装置、７…コントローラ、８…音響プ
ローブ、９…スキャナ、１０…高さ調整機能付き試料
台、１１…試料、１２ａ，１２ｂ…検波回路、１３ａ，
１３ｂ…比較回路、１４…Ａ／Ｄ変換回路、１５…測定
データメモリ、１６…オシロスコープ、６１…ＭＰＵ、
６２…メモリ、６２…初期設定／Ｚ走査プログラム、６
２ｂ…ベクトル関数算出プログラム、６２ｃ…位相角変
化量算出プログラム、６２ｄ…音速算出プログラム。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】音響レンズと、この音響レンズの一方の
面の中央部に配置された第１のトランスジューサと、前
記一方の面でこの第１のトランスジューサの外側に配置
された第２のトランスジューサとを有し、第１のトラン
スジューサと第２のトランスジューサとが同時に駆動さ
れ、前記音響レンズの他方の面より超音波を送出する集
束型音響プローブと、この音響プローブの焦点位置から前記音響プローブ側の
デフォーカス位置に被検体を相対的移動させる移動手段
と、前記音響プローブが駆動されることにより第１のトラン
スジューサから得られる第１の受信信号の強度及び位相
差と、第２のトランスジューサから得られる第２の受信
信号の強度及び位相差との値をサンプリングしかつ第１
及び第２の受信信号の位相差が前記音響プローブを駆動
した信号あるいはこれに対応する基準信号に対する差と
して与えられるサンプリング手段、そして、前記移動手段により移動した複数の前記デフォーカス方
向の位置のそれぞれにおいて前記サンプリングにより得
られたデータに基づき前記音響プローブにより受信され
た漏洩弾性表面波成分の前記デフォーカス方向の位置に
対するベクトル関数のデータを得て前記漏洩弾性表面波
成分の速度を算出する音速算出手段とを備えるＶ（ｚ）
特性による超音波音速測定装置。
【請求項２】前記音速算出手段は、前記移動手段によ
り移動した複数の前記デフォーカス方向の位置のそれぞ
れにおいて前記サンプリングにより得られたたデータを
前記漏洩弾性表面波成分と前記音響プローブの中心軸近
傍の反射波成分との干渉波の前記デフォーカス方向の位
置に対するベクトル関数のデータとしてデータ処理を行
い、前記音響プローブにより受信された漏洩弾性表面波
成分の前記デフォーカス方向の位置に対するベクトル関
数のデータを得て前記漏洩弾性表面波成分の速度を算出
するものである請求項１記載のＶ（ｚ）特性による超音
波音速測定装置。
【請求項３】音響レンズと、この音響レンズの一方の
面の中央部に配置された第１のトランスジューサと、前
記一方の面でこの第１のトランスジューサの外側に配置
された第２のトランスジューサとを有し、第１のトラン
スジューサと第２のトランスジューサとが同時に駆動さ
れ、前記音響レンズの他方の面より超音波を送出する集
束型音響プローブと、この音響プローブの焦点位置から前記音響プローブ側の
デフォーカス位置に試料を相対的移動させる移動手段
と、前記音響プローブが駆動されることにより第１のトラン
スジューサから得られる第１の受信信号の強度及び位相
差と、第２のトランスジューサから得られる第２の受信
信号の強度及び位相差との値をサンプリングしかつ第１
及び第２の受信信号の位相差が前記音響プローブを駆動
した信号あるいはこれに対応する基準信号に対する差と
して与えられるサンプリング手段、そして、前記移動手段により移動した複数の前記デフォーカス方
向の位置のそれぞれにおいて前記サンプリングにより得
られたデータに基づき前記音響プローブにより受信され
た漏洩弾性表面波成分の前記デフォーカス方向の位置に
対するベクトル関数のデータを得て前記漏洩弾性表面波
成分の速度を算出する音速算出手段とを備える超音波顕
微鏡。