JPH0572186A - 超音波顕微鏡用超音波発生・検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 非常に微小な領域まで検査することのできる
超音波顕微鏡を実現する。 【構成】 音響レンズの中心にレーザダイオード１８を
設け、レーザダイオード１８から発生したパルス状のレ
ーザ光を小さく絞って試料１２の表面の目的箇所２２に
照射する。レーザ光が照射された箇所からは、その箇所
の材料の物性等の情報を含む超音波が発生し、それが音
響レンズにより集束されて圧電素子１６により検出され
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、非破壊で材料の微小領
域の物性を評価したり欠陥を検出したりすることのでき
る超音波顕微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】超音波を利用して材料の特性を非破壊的
に評価したり欠陥を検査したりする装置は従来より知ら
れている。特に最近では、超音波を材料の微小領域のみ
に照射し、そこから戻ってくる超音波を検出して材料の
局所的な特性や欠陥を検査するという超音波顕微鏡も広
く用いられるようになってきた。

【０００３】従来の超音波顕微鏡の構成を図３に示す。
ステージ１３上に載置した試料１２の上部に超音波発生
・検出器３０を配置し、試料１２と超音波発生・検出器
３０との間を音響結合剤（水）１１で満たす。超音波発
生・検出器３０は、ベース３１にサファイヤ等で作成し
た音響レンズ３３を載置したものであり、音響レンズ３
３のベース側の面には圧電素子３２が貼付され、圧電素
子３２と反対側の面３４は球面（あるいは、球面に近い
凹面）となっている。

【０００４】この超音波顕微鏡の作用は次の通りであ
る。圧電素子３２に高周波電圧を加えることにより超音
波が発生し、音響レンズ３３内を下方に進んで行く。超
音波は音響レンズ３３の下面３４で音響結合剤１１の方
に出る際、音響レンズ３３と音響結合剤１１との間の音
速の差により屈折するが、この下面３４の形状により、
音響レンズ３３を通ってきた超音波のほとんどが所定の
焦点３５に集中する。従って、試料１２の表面の検査し
たい箇所をこの焦点３５に置いておくことにより、超音
波はその箇所に局限して照射されることになる。

【０００５】超音波が照射された試料１２のその箇所で
は、その箇所における材料の特性に応じて超音波のスペ
クトルが変化し、或いは欠陥等により超音波が反射、減
衰される。これらの超音波の一部は試料１２から音響結
合剤１１に放出され、また、試料表面に発生したレイリ
ー波の漏洩成分も音響結合剤１１に入る。

【０００６】超音波照射箇所の付近からこのようにして
音響結合剤１１に放出された超音波は、上記とは逆に、
音響レンズ３３の下面３４により平行音束とされ、音響
レンズ３３を通って圧電素子３２へ伝達される。圧電素
子３２はこの超音波を検出し、強度、周波数分析等を行
なうことにより、試料１２の目的箇所の物性や欠陥の有
無等を検査する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記超音波顕微鏡を用
いて、試料のより小さい領域の物性を知りたい場合に
は、超音波をより小さく絞らなければならない。しか
し、上記従来の超音波顕微鏡では音響レンズにより超音
波を絞っているため、入射超音波を十分細く絞ることが
できないという問題があった。

【０００８】本発明はこのような課題を解決するために
成されたものであり、その目的とするところは、非常に
微小な領域まで検査することのできる超音波顕微鏡を実
現することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に成された本発明に係る超音波顕微鏡用超音波発生・検
出装置では、 ａ）試料表面の限定された領域にパルス状のレーザ光を
照射するレーザ光照射部と、 ｂ）上記領域から放出される超音波を集音して検出する
超音波検出部と、 を備えることを特徴とする。

【００１０】

【作用】レーザ光照射部ａ）が発生するパルス状のレー
ザ光を試料表面の限定された領域に照射すると、試料表
面のその領域では瞬間的に温度が上昇し、急激な熱膨張
が生じる。急激な熱膨張は音波として試料内を伝達する
が、入射レーザ光のパルスを適当に調整することによ
り、任意の周波数帯の超音波を生成することができる。
そして、ここで生成された超音波は、試料のその領域に
おける物性や欠陥の有無を反映したものとなっている。
これを超音波検出部ｂ）により集音・検出して解析する
ことにより、試料のその限定領域の物性や欠陥の有無等
を知ることができる。

【００１１】このようにして試料の限定された領域から
生成された超音波は超音波検出部ｂ）で集められ、検出
される。これを解析することにより、試料の限定された
領域の物性や欠陥を知ることができる。

【００１２】

【実施例】本発明を実施した超音波顕微鏡の一例を図１
に示す。本実施例の超音波顕微鏡では、超音波発生・検
出器１０の構造が図３に示した従来の超音波顕微鏡のも
のとは異なる。図１に示すように、本実施例の超音波発
生・検出器１０の音響レンズ１７の中心に貫通孔１９を
設け、そのベース１５側（図１では上側）にレーザダイ
オード１８を配置している。レーザダイオード１８から
は音響レンズ１７の下面（曲面）２１側に向かってレー
ザ光が放出されるが、貫通孔１９の下面２１側にはセル
フォックレンズ（商標）等から成る光学系２０を配置
し、レーザ光が試料１２の表面の目的箇所２２に焦点を
結ぶようにしておく。

【００１３】このような配置において、レーザダイオー
ド１８から非常に短い時間幅のパルス状のレーザを単発
あるいは断続的に発射すると、試料表面の目的箇所２２
では瞬間的に温度が上昇及び下降し、急激な熱膨張及び
収縮を生じる。これにより試料１２内には、試料１２の
その目的箇所２２の物性や欠陥の有無に関する情報を持
った超音波が生じる。

【００１４】試料１２の目的箇所２２で生成された超音
波は、そのまま、或いは表面波（レーリ波）の漏洩成分
として、音響結合剤（水）１１の方に放出される。これ
らの超音波のうち、目的箇所２２の近傍から来るものだ
けが音響レンズ１７の下面２１の曲面により、音響レン
ズ１７の中心軸に平行な音束とされ、音響レンズ１７内
を上方に進む。この超音波は音響レンズ１７の上端面で
圧電素子１６により検出され、電気信号に変換される。
この信号を基に、図示せぬ電気回路でスペクトル解析や
強度解析等の処理を行なうことにより、試料１２の目的
箇所２２の微小領域の物性や欠陥の有無等を検出するこ
とができる。

【００１５】図２は本発明の別の実施例である超音波発
生・検出器２５の断面図である。本実施例の超音波発生
・検出器２５は、試料の目的箇所から音響結合剤に放出
される超音波を検出する圧電素子２７を、音響レンズ２
６の下面に設けたものである。従って、本実施例の超音
波発生・検出器２５では、音響レンズ２６は下面の形状
さえ正しい形状に形成されていれば、音響レンズ２６の
本体自体にはサファイヤ等の高価な材料を用いる必要が
なく、低コストで製作することができるという特長を有
する。また、音響レンズ内での超音波の減衰も防止でき
るため、検出感度が向上するという効果も有する。

【００１６】上記いずれの実施例においても、レーザ光
の発生源はレーザダイオードに限られることはない。例
えば小型のＬＤ励起固体レーザを用いることも可能であ
り、この場合にはレーザビームの集光性が向上して、超
音波顕微鏡の解像度が更に向上するという効果を奏す
る。

【００１７】

【発明の効果】本発明では、超音波発生にレーザを使用
するため、レーザ光を適当な光学系で絞ることにより、
試料の超音波発生部を非常に小さく絞ることができる。
このため、超音波顕微鏡の解像度が向上し、試料の非常
に微小な領域の物性や欠陥等をも検出することができる
ようになる。また、レーザ光パルスの長さや断続タイミ
ングを適当に調整することにより、従来の圧電素子によ
り発生される超音波よりも高い周波数の、かつ、広い周
波数範囲の超音波を生成することができるようになる。
これによっても超音波顕微鏡の解像度が向上すると共
に、試料の特性を従来よりも広範囲に調査することがで
きるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例である超音波発生・検出器
を用いた超音波顕微鏡の断面図。

【図２】 本発明の別の実施例である超音波発生・検出
器の構造を示す断面図。

【図３】 従来の超音波顕微鏡の構造を示す断面図。

【符号の説明】

１０…超音波発生・検出器 １１…音響結合
剤 １２…試料 １３…試料ステ
ージ １５…ベース １６…圧電素子 １７…音響レンズ １８…レーザダ
イオード １９…貫通孔 ２０…光学系 ２１…音響レンズの下面 ２２…試料の目
的測定箇所

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ａ）試料表面の限定された領域にパルス
   状のレーザ光を照射するレーザ光照射部と、 ｂ）上記領域から放出される超音波を集音して検出する
   超音波検出部と、 を備えることを特徴とする超音波顕微鏡用超音波発生・
   検出装置。