JPH0519956U

JPH0519956U - 超音波顕微鏡及び音響プローブ

Info

Publication number: JPH0519956U
Application number: JP4788491U
Authority: JP
Inventors: 雅泰中島
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 1991-05-28
Filing date: 1991-05-28
Publication date: 1993-03-12
Anticipated expiration: 2006-05-28
Also published as: JP2541774Y2

Abstract

(57)【要約】【目的】音響プローブの種別（使用周波数，焦点距
離）、音響プローブと試料との距離及び超音波伝播媒体
の状態に関する情報を総合的に把握することのできる超
音波顕微鏡及び音響プローブを提供することを目的とす
る。【構成】音響プローブ１で検出した試料３からの反射
波を高周波送受信機５で検波して、音響プローブ１の表
面からの反射波、試料３の表面からの反射波、この両者
の中間位置からの反射波の時間的関係から、音響プロー
ブ１の長さにより分類された音響プローブ１の種別、音
響プローブ１と試料３の表面との距離、超音波伝播媒体
２の状態を判定する。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は、超音波顕微鏡及び音響プローブに関する。

【０００２】

【従来の技術】

超音波顕微鏡は、音響プローブから超音波伝播媒体を介して試料に超音波を送受信して試料像を得るので、音響プローブの種別、音響プローブと試料面との距離、水等の超音波伝播媒体の状態に関する情報が、超音波顕微鏡の操作時や測定の省力化・自動化の上で重要な意味を持つ。

【０００３】すなわち、音響プローブにより、それぞれ適する超音波の周波数、焦点距離、信号処理手段の動作レベル、プローブの長さが異なり、音響プローブを代えるたびにこれらの値を変更しなければならない。

【０００４】また、超音波顕微鏡の焦点距離は短いので、音響プローブと試料面との距離を正確に把握しないと十分な大きさの出力信号が得られないとともに、音響プローブと試料との接触により試料又は音響プローブを破損してしまう場合もある。

【０００５】さらに、超音波伝播媒体中に気泡が発生したり、超音波伝播媒体が十分でなく欠乏していたりすると、正確な試料像が再生できず、ときには試料像が全く得られない場合もある。

【０００６】従来の超音波顕微鏡においては、上述の諸情報は、操作者が目視により把握していた。

【０００７】

【考案が解決しようとする課題】

しかし、目視によりいちいち判定するのは煩わしいと同時に判定が困難な場合が多い。そこで、上記諸情報を個別に自動的に判定しようとする試みがなされている。

【０００８】例えば、音響プローブの種別の判定に関しては、音響プローブに付属して用いられるインピーダンス整合器のような機器に音響プローブの種別を表わす情報を付加して、この情報によって判別する方法が提案されている。しかし、この方法では、音響プローブの種別の判定はできるが、上述の諸情報のうち、他の情報を得ることはできず、超音波顕微鏡の操作性がさほど向上しない。

【０００９】また、試料と音響プローブの接触防止に関しては、試料が音響プローブに接近したときに反射波が到来すべきタイミングに警告用の受信ゲートを設定しておいて、反射波がその受信ゲートを通して捕捉されたときに警告を出す方法が提案されている（特公平２−５２２１８号公報）。しかし、この方法は、超音波伝播媒体に気泡が発生して試料からの反射波が遮断される場合には用いることができない。

【００１０】本考案は、従来の超音波顕微鏡のこれらの欠点を解消するためになされたものであり、音響プローブの種別、音響プローブと試料との距離及び超音波伝播媒体の状態に関する情報を総合的に把握することのできる超音波顕微鏡及び該超音波顕微鏡に用いるのに適した音響プローブを提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】

本考案の超音波顕微鏡は、電気音響変換素子を有する音響プローブと、該音響プローブと電気信号の授受を行う信号処理手段と、前記音響プローブと試料との相対位置を調整する位置調整手段とを備えた超音波顕微鏡において、前記信号処理手段が、前記音響プローブの長さを判定する手段と、前記音響プローブと前記試料表面との距離を判定する手段と、前記音響プローブと前記試料との間に介在する超音波伝播媒体の状態を判定する手段とを有することを特徴とする。

【００１２】また、本考案の超音波顕微鏡は、電気音響変換素子を有する音響プローブと該音響プローブと電気信号の授受を行う信号処理手段と、前記音響プローブと試料との相対位置を調整する位置調整手段とを備えた超音波顕微鏡において、前記信号処理手段が、、前記電気音響変換素子に所定の時間間隔でパルス信号を送信するパルス信号送信手段と、前記音響プローブと前記試料との間に介在する超音波伝播媒体若しくは前記音響プローブ又は前記試料からの前記パルス信号の反射波を順次異なるタイミングでサンプルホールドするサンプルホールド手段と、該サンプルホールド手段の出力データから前記音響プローブの長さ若しくは前記超音波伝播媒体の状態又は前記音響プローブと前記試料表面との距離を判定する判定手段とを有していることを特徴とする。

【００１３】さらに、本考案の音響プローブは、伝播する超音波の周波数と音響レンズの焦点距離に対応したプローブの長さを有することを特徴とする。

【００１４】

【作用】

本考案の超音波顕微鏡においては、音響プローブの長さを判定する手段と、音響プローブと試料表面との距離を判定する手段と、音響プローブと前記試料との間に介在する超音波伝播媒体の状態を判定する手段とが信号処理手段に設けられているので、必要の都度初期設定を行えば、後は操作者の目視によらずに自動的に上記各情報を判定できる。

【００１５】また、本考案の超音波顕微鏡においては、試料からのパルス信号の反射波を順次異なるタイミングでサンプルホールドして、この出力データから音響プローブの長さ若しくは超音波伝播媒体の状態又は音響プローブと試料表面との距離を信号処理手段により判定するので、必要の都度初期設定を行えば、後は操作者の目視によらずに自動的に上記各情報を判定できる。

【００１６】さらに、本考案の音響プローブにおいてはプローブの長さが超音波の周波数と焦点距離に対応しているので、プローブの長ささえ判定すれば該音響プローブの種別が判定でき、操作性の向上、自動化・省力化に適する。

【００１７】

【実施例】

以下、図面を参照しながら本考案の一実施例を説明する。

【００１８】図１は本考案の一実施例の考案を示すブロック図であり、図２は、図１の実施例の高周波送受信機５の詳細な構成を示すブロック図である。

【００１９】まず、図１により、本実施例の全体的構成を説明する。

【００２０】音響プローブ１は、電気信号と超音波とを双方向的に変換する電気音響変換素子１ａと、超音波を伝播する音響レンズ１ｂとから成る。そのプローブの長さは、伝播する超音波の周波数と音響レンズ１ｂの焦点距離により所定の長さに設定されている。

【００２１】音響レンズ１ｂの突端と試料３の表面との間には、水等の超音波伝播媒体２が設けられている。

【００２２】試料３は、音響プローブ１と該試料３との相対位置の調整を行う位置調整手段としての試料スキャナ４上に載置されている。

【００２３】音響プローブ１には高周波送受信機５から電気信号７が送信され、また、音響プローブ１からの電気信号７が高周波送受信機５に受信される。高周波送受信機５の出力モニタ信号８は、コンピュータ６に入力され、また、高周波送受信機５は、コンピュータ６から入力される制御信号９によりその動作が制御される。さらに、コンピュータ６は、試料スキャナ４に該試料スキャナ４の制御信号１０を出力する。コンピュータ６は、本実施例全体の動作制御、試料３からの反射波の波形データの解析、試料３の顕微鏡画像の構成等の動作を行う。高周波送受信機５とコンピュータ６とは信号処理手段を構成する。

【００２４】なお、コンピュータ６には、図示しない画像表示手段が接続され、必要に応じて該画像表示手段により試料３の超音波顕微鏡像と音響プローブの長さ、使用周波数、焦点距離、超音波伝播媒体の状態、音響プローブと試料表面との距離等の情報の表示を行う。

【００２５】次に、図２を参照しながら高周波送受信機５の構成を説明する。

【００２６】高周波パルス発生器１１は、例えば２００ＭＨｚの連続パルス信号を発生し、該パルス信号をゲート回路１２に入力する。

【００２７】ゲート回路１２は、高周波送受信機５内部で生成する例えば１０KHzのゲート信号９ａにより制御され、高周波パルス発生器１１から入力されるパルス信号を一定の周期で間歇的に通過させる。すなわち、ゲート回路１２の出力信号は、バースト波ないしはウェイブパケットとなる。また、上記ゲート信号９ａはコンピュータ６へも入力される。

【００２８】ゲート回路１２からの出力信号は電気音響変換素子１ａにその駆動信号７ａとして送信される。

【００２９】電気音響変換素子１ａから受信された反射波は電気信号７ｂとして検波回路１４に入力される。検波回路１４においては、受信信号の増幅とエンベロープ検波がなされる。

【００３０】検波回路１４でエンベロープ検波された反射波信号は、サンプルホールド回路１５に入力される。サンプルホールド回路１５は、コンピュータ６から入力されるサンプリング信号９ｂにより。入力される間歇的パルス列の信号を順次異なるタイミングでサンプリングする。

【００３１】サンプルホールド回路１５でサンプルリングされた信号は、Ａ／Ｄ変換器１６でディジタル信号に変換され、出力信号８としてコンピュータ６に入力される。

【００３２】次に、図３及び図４のタイミングチャートを用いて本実施例の動作を説明する。

【００３３】高周波パルス発生器１１から出力された連続パルス信号はゲート回路１２を通ることにより間歇的バースト状パルス信号とされ、送信波２１として音響プローブ１に供給される。なお、図３及び図４においては送信波２１のエンベロープのみを示している。

【００３４】音響プローブ１においては、駆動信号７ａにより電気音響変換素子１ａが励起されて超音波が発生し、音響レンズ１ｂ中を伝播する。この超音波は、音響レンズ１ｂの先端部でまず反射される。この反射波は、音響レンズ１ｂ中を逆方向に伝播し、電気音響変換素子１ａで電気信号７ｂに変換され検波回路１４に入力される。検波回路１４では、入力された電気信号７ｂを増幅し、エンベロープ検波を行い、音響プローブ１からの反射信号２２としてサンプルホールド回路１５に入力する。

【００３５】一方、音響レンズ１ｂの先端部から超音波伝播媒体２中に射出された超音波は試料３の表面で反射され、再び音響プローブ１に入射し、上記と同様にして、試料表面からの反射波２４としてサンプルホールド回路１５に入力する。

【００３６】このとき、超音波伝播媒体２が正常な状態であれば、図３の上段及び図４の（１）に示すように、送信波２１，音響プローブ１からの反射波２２，試料表面からの反射波２４の順の時間タイミングで高周波送受信機５に入力することとなる。

【００３７】高周波送受信機５のサンプルホールド回路１５には、コンピュータ６からサンプリング信号９ｂが入力され、該サンプリング信号９ｂのタイミングで入力信号のサンプリングが行われる。サンプリング信号９ｂは、ゲート回路１２へ入力されるゲート信号９ａとわずかに異なる周波数で間歇的にサンプルホールド回路１５へ入力される。したがって、上述の各反射波２２，２４とサンプリング信号９ｂとの時間的位置関係は、図３及び図４に示すように、わずかづつ変化する。このように相互の時間位置関係をわずかずつ変化させていきながら一定の時間サンプルホールド回路１５に入力される間歇的パルス列の各反射波を順次異なるタイミングでサンプルホールドすることにより、該各反射波のエンベロープ波形の各位相での値を全ての位相でサンプルホールドすることとなり、図３の上段及び図４の（１）〜（４）に示す一連の送受信波のエンベロープ波形が等価的に完全な波形で、Ａ／Ｄ変換器１６を介してディジタル信号化されコンピュータ６へ入力されることとなる。ここで、図４の（６）に示すように、送信開始時刻をｔａ、音響プローブ表面からの反射波２２がサンプルホールド回路１５に入力される時刻をｔｂ、試料表面からの反射波２４がサンプルホールド回路１５に入力される時刻をｔｄとし、音響レンズ１ｂ内での超音波の音速をＶｐ、超音波伝播媒体内での超音波の音速をＶｗとすると、音響プローブ１の長さＬｐは、Ｌｐ＝（ｔｂ−ｔａ）×Ｖｐ／２として求められることとなる。本実施例の音響プローブ１は、音響プローブの長さＬｐにより、音響プローブの種別化がなされているので、音響プローブの種別が極めて容易に判定できる。

【００３８】なお、音響プローブ１の先端部に設けた整合層（マッチングレーヤ）がうまく適合していると、図４の（４）に示すように、音響プローブ１からの反射波２２が得られないことがある。この場合は、高周波パルス発生器１１の発振周波数を適宜変化させれば、音響プローブ１からの反射波２２が得られる。

【００３９】次に、音響プローブ１と試料３の表面との距離Ｌｆを求めるには、コンピュータ６で、Ｌｆ＝（ｔｄ−ｔｂ）×Ｖｗ／２式の計算を行って求めればよい。

【００４０】ここで、超音波伝播媒体２中に気泡が発生している場合には、第４図（２）に示すように、該気泡からの反射波２３が、音響プローブ１からの反射波２２と試料表面からの反射波２４との間に発生するので、試料表面からの反射波２４の到達が予定されるタイミングよりはるかに早いタイミングで反射波２３が存在するときは、超音波伝播媒体２中に気泡が発生していると判定できる。

【００４１】第４図（３）に示すように、試料表面からの反射波２４がしかるべきタイミング内に存在しないときは、試料スキャナ４を制御信号１０により制御することにより、試料３と音響プローブ１との間隔を変化させて再試行する。この再試行の結果でも、反射波２４が得られないときには、超音波伝播媒体２中に大きな気泡が発生しているか、超音波伝播媒体２が超音波を試料３まで伝播させるのに十分な量が無いか、試料３と音響手段プローブ１との間隔が開きすぎているかの原因により、音響プローブ１から発せられた超音波が試料３の表面に到達していないと判定できる。

【００４２】なお、以上の操作により得られた音響プローブ１の種別、超音波伝播媒体２の状態、音響プローブ１と試料３との距離等のデータは、前述したように、画像表示手段上に表示して操作者に対するメッセージとしてもよいし、測定の省力化・自動化のためのデータとしてコンピュータ６の内部で処理してもよい。

【００４３】また、本実施例においては、検波回路１４で検波した反射波信号を順次異なるタイミングでサンプリングすることにより、一連の反射波の時間的ディジタルデータを得たが、ディジタルシンクロスコープ等を用いて一連の反射波の時間的ディジタルデータを直接的に得るようにしてもよい。

【００４４】次に、本考案の超音波顕微鏡及び音響プローブを用いた測定ないし処理の一実施例のフローチャートを図５及び図６に示す。

【００４５】まず、超音波顕微鏡に音響プローブを装着し（ステップＳ₁）、試料とプローブの間隔を大きめに設定し（ステップＳ₂）、試料とプローブの間に水等の超音波伝播媒体（媒質）を形成する（ステップＳ₃）。

【００４６】次に、超音波顕微鏡に電源を投入し、試料に超音波を送信し、試料からの反射信号を受信して、一連のサンプリングタイミングでサンプルホールドすることにより送受信波のエンベロープ波形を得る（ステップＳ₄）。

【００４７】このエンベロープ波形を解析し、まず音響プローブの先端部からの表面反射の有無を判定し（ステップＳ₅）、表面反射波が存在しないときは、マッチングレーヤが適合している場合が考えられるので、周波数を変更して表面反射波を得るのであるが、そのために周波数変更の余地の有無を判定する（ステップＳ₆）。

【００４８】周波数変更の余地が無ければ、音響プローブの種別の判定が不可能である旨のメッセージの表示を行う（ステップＳ₈）。

【００４９】周波数の変更が可能であれば、送信波の周波数を変更し（ステップＳ₇）、再びエンベロープ波形を得（ステップＳ₄）、音響プローブの表面反射波の有無を判定する（ステップＳ₅）。

【００５０】このようにして表面反射波が得られたときは、該表面反射波の工程時間から音響プローブの長さを算出し、別途用意した長さ対プローブ種別対応表を参照して使用周波数と焦点距離を得る（ステップＳ₉）。

【００５１】次に、音響プローブに超音波を送信する高周波送受信機の送信波の周波数をステップＳ₉で求めた音響プローブの使用周波数に合わせ、受信波のサンプルホールドのタイミングを音響プローブの焦点距離から逆算されるタイミングに設定する。続いて、音響プローブの焦点位置に試料を設置するため、まず音響プローブと試料の間隔を最小にする位置に試料スキャナ位置の初期設定を行う（ステップＳ₁₁）。

【００５２】次に、焦点位置を求めるために試料スキャナにより試料位置を移動させ、この移動量に対するサンプルホールド値を記録する（ステップＳ₁₂）。このようにして、試料位置を移動させるのであるが、試料スキャナによる移動量が音響プローブの焦点距離より小さいうちは移動とサンプリングを繰り返し（ステップＳ₁₃，Ｓ₁₄）、移動量が音響プローブの焦点距離よりも大きくなると、試料スキャナの移動量の関数としてのサンプルホールド値中の最大値を与えるスキャナ位置まで試料スキャナを戻すことにより試料表面と音響プローブの間隔と音響プローブの焦点距離を一致させることができる（ステップＳ₁₃，Ｓ₁₅）。このとき受信波の十分大きなサンプルホールド値が得られないときは、媒質の欠乏又は音響プローブと試料間隔過大の旨のメッセージを表示する（ステップＳ₁₅）。

【００５３】このようにして、サンプルホールド値の最大値を得て焦点位置合わせをしたときは、更に、一連のサンプリングタイミングの下での測定を行い、送受信波のエンベロープ波形を得る。このエンベロープ波形中に音響プローブの表面反射波に接近したタイミングの反射波があるときは媒質中に小さな気泡が発生している旨のメッセージを表示する（ステップＳ₁₆）。

【００５４】このようにして、次の処理へ移行する。

【００５５】以上の如く、本考案は各種測定ないし処理のステップの一部として用いることにより操作性の向上や省力化をもたらす。

【００５６】

【考案の効果】

本考案によれば、音響プローブの種別、超音波伝播媒体の状態及び音響プローブと試料との距離の諸情報が総合的に得られ、操作性が向上し、自動化・省力化も容易に可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の一実施例の構成を示すブロック図であ
る。

【図２】図１の実施例の高周波送受信機の具体的構成を
示すブロック図である。

【図３】図１の実施例の送信波，受信波，サンプリング
パルスのタイミングを示すタイミングチャートである。

【図４】図１の実施例の送信波，受信波，サンプリング
パルスの各種の場合を示すタイミングチャートである。

【図５】図１の実施例を用いた測定ないし処理の一例を
示すフローチャートの一部である。

【図６】図１の実施例を用いた測定ないし処理の一例を
示すフローチャートの一部である。

【符号の説明】

１音響プローブ２超音波伝播媒体３試料４試料スキャナ５高周波送受信機６コンピュータ１１高周波パルス発生器１２ゲート回路１３電気音響変換素子駆動回路１４検波回路１５サンプルホールド回路１６Ａ／Ｄ変換器

Claims

【実用新案登録請求の範囲】

【請求項１】電気音響変換素子を有する音響プローブ
と、該音響プローブと電気信号の授受を行う信号処理手
段と、前記音響プローブと試料との相対位置を調整する
位置調整手段とを備えた超音波顕微鏡において、前記信
号処理手段が、前記音響プローブの長さを判定する手段
と、前記音響プローブと前記試料表面との距離を判定す
る手段と、前記音響プローブと前記試料との間に介在す
る超音波伝播媒体の状態を判定する手段とを有している
ことを特徴とする超音波顕微鏡。
【請求項２】電気音響変換素子を有する音響プローブ
と、該音響プローブと電気信号の授受を行う信号処理手
段と、前記音響プローブと試料との相対位置を調整する
位置調整手段とを備えた超音波顕微鏡において、前記信
号処理手段が、前記電気音響変換素子に所定の時間間隔
でパルス信号を送信するパルス信号送信手段と、前記音
響プローブと前記試料との間に介在する超音波伝播媒体
若しくは前記音響プローブ又は前記試料からの前記パル
ス信号の反射波を順次異なるタイミングでサンプルホー
ルドするサンプルホールド手段と、該サンプルホールド
手段の出力データから前記音響プローブの長さ若しくは
前記超音波伝播媒体の状態又は前記音響プローブと前記
試料表面との距離を判定する判定手段とを有しているこ
とを特徴とする超音波顕微鏡。
【請求項３】伝播する超音波の周波数と音響レンズの
焦点距離に対応したプローブの長さを有することを特徴
とする音響プローブ。