JPH0593716A - 超音波測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明は、周波数に限定されず、直接距離Ｚ変
化による位相変化を検出し位相補正された複素Ｖ（Ｚ）
曲線を測定できる超音波測定装置を提供することを目的
とする。 【構成】本発明は超音波測定装置において、音響レンズ
２６の送受信部に測定時に超音波を微小スポットに収束
させる凹部と、平面部を設け、前記音響レンズ２６と試
料２８との間の距離の相対変化によって生じる位相変化
を、前記平面部から試料２８に送受信される平面波の位
相から直接距離測定する超音波測定装置である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は試料の微小部分の弾性的
性質を超音波を利用して測定する超音波測定装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】一般に、収束された超音波を試料に入射
させて試料からの反射波を受波して超音波画像を作成
し、またはＶ（Ｚ）曲線を利用して試料の微小部分のヤ
ング率等の弾性的性質を測定する超音波顕微鏡等の超音
波測定装置が知られている。

【０００３】このような超音波顕微鏡は試料からの反射
波の強度をのみを測定している。これに対して、試料の
弾性的性質についてのより多くの情報を得るために反射
波の強度と位相を検出する超音波測定装置が考案されて
いる。以下に反射波の強度と位相を検出する超音波測定
装置について説明する。図８は従来の位相検出可能な超
音波測定装置の構成を示す図である。

【０００４】この構成において、一定の周波数の連続波
を発生する基準信号発振部１に、前記連続波（以下、基
準信号と称する）の一部を切りとり、バースト波を出力
するためのアナログスイッチ２の入力側端子を接続す
る。前記アナログスイッチ２の出力側端子の一方には、
信号を一方向にのみ流すサーキュレータ３を介して、前
記バースト波を電気音響変換するトランスデューサ４及
び前置増幅器５が接続され、該出力側端子の他方には、
５０Ωの抵抗Ｒ１が接続される。

【０００５】前記トランスデューサ４には、微小なスポ
ットに超音波を収束させる音響レンズ６が取り付けられ
る。この音響レンズ６の焦点付近には、移動可能な試料
台７が設けられ、その上に試料８が載置される。そして
前記音響レンズ６と試料８との間が、超音波を伝播する
ためのカプラ液体９で満たされている。

【０００６】そして前記前置増幅器５には、２つの乗算
部１０、１１がそれぞれ接続される。前記乗算部１０
は、基準信号発振部１と基準信号が参照信号（第１参照
信号）として入力するように直接的に接続され、乗算部
１１は、前記基準信号の位相を９０°変化させた参照信
号（第２参照信号）を生成する９０°移相部１２を介し
て、基準信号発振部１と接続される。これらの乗算部１
０、１１の出力端には、高周波成分を除去するローパス
フィルタ（ＬＰＦ）１３、１４が接続される。これらＬ
ＰＦ１３、１４は、少なくとも基準信号発振部１の出力
する連続波の周波数の２倍の周波数が除去できる特性の
ものが採用されている。

【０００７】これらの乗算部１０、１１及び、ＬＰＦ１
３、１４により、位相敏感検波（ＰＳＤ）が行われる。
そして前記ＬＰＦ１３，１４の出力側には、Ａ／Ｄ変換
部１５、１６が接続されて、ここからの変換出力はデジ
タル化され、コンピュータ１７にそれぞれ入力される。
前記コンピュータ１７には、全体のタイミングを制御す
る制御部１８が接続され、Ｖ（Ｚ）測定時は、Ｚ走査部
１９によって前記試料９と前記音響レンズ１７との間の
距離を変化させ、その変化を検出するＺ検出部２０と、
試料と音響レンズの距離をＺ軸方向に変化させるＺ走査
部１９とが接続されている。このような従来の超音波測
定装置の動作を説明する。

【０００８】前記基準信号発振部１は常時、一定周波数
の連続波を出力し、コンピュータ１７及び制御部１８の
制御信号により、アナグロスイッチ２を切替え動作さ
せ、送信バースト信号を生成する。

【０００９】この送信バースト信号は、サーキュレータ
３を介してトランスデューサ４に印加されて超音波に変
換された後、この超音波は音響レンズ６を伝搬して、か
ら試料８に入射する。試料８で反射された反射波（以
下、受信信号と称する）は、音響レンズ６を伝搬しトラ
ンスデューサ４で電気信号に変換された後、この受信信
号は、前記サーキュレータ３を介して、前置増幅器５に
入力され、増幅されて前記乗算部１０、１１にそれぞれ
入力される。前記乗算部１０では基準信号と同位相の参
照信号と前記受信信号との乗算を行ないインフェーズ成
分を出力する、また前記乗算部１１は前記基準信号の位
相を移相部１２で９０°変化させた参照信号と受信信号
との乗算を行ないクワドラチャーフェーズ成分を出力す
る。

【００１０】前記基準信号発振部１からの基準信号を、
sin （ωt ）とする。ただし、ωは周波数、ｔは時間と
する。また前記受信信号は、試料の弾性的性質、音響レ
ンズとカプラ液体中を伝搬することによる時間等によっ
て、位相が送信に対して遅れているため、この位相遅れ
をφとすると、Ｂ sin（ωt −φ）と書ける。ただし、
Ｂは受信信号の強度とする。従って、乗算部１０のイン
フェーズ出力ｕ1 と乗算部１１のクワドラチャーフェー
ズ出力ｕ2 は次のようになる。

【００１１】

【数１】

【００１２】ここで、φは定数であり、sin φ、cos φ
も定数であるため、ｕ1 、ｕ2 はＤ．Ｃ成分と２ωの周
波数成分を持っており、２ω成分を除けば受信信号の位
相遅れφに関するsin 、cos成分（Ｂ／２ sinφ，Ｂ／
２ cosφ）を取り出すことができる。

【００１３】前記乗算部１０からのインフェーズ出力と
乗算部１１からのクワドラチャーフェーズ出力は、それ
ぞれＬＰＦ１３、１４により２ω成分が除去され、 sin
φ、cosφに相当するＤＣ成分のみが残る。

【００１４】そしてＡ／Ｄ変換部１５、１６により前記
インフェーズ、クワドラチャーフェーズの各検波出力を
デジタル信号化し、前記受信信号の位相検波出力をデジ
タル信号に変換してコンピュータ１７内のメモリに記憶
する。前記コンピュータ１７では記憶された受信信号の
sin φ、cos φ成分から位相と反射強度を演算する。前
記Ｚ走査部１９は、コンピュータ１７の制御により前記
音響レンズ６と前記試料８の距離を可変させ合焦等の調
節を行なう。

【００１５】Ｚ検出部２０は音響レンズ６と試料８との
間の距離を相対的に検出して、その値をコンピュータ１
７に送信する。Ｖ（Ｚ）測定時は、Ｚ走査部１９によっ
て前記試料９と前記音響レンズ１７との間の距離を変化
させ、その変化をＺ検出部２０で検出し、距離が一定変
化するごとにコンピュータ１７が送信トリガを出力し前
述した動作によってＶ（Ｚ）測定を行う。

【００１６】複素Ｖ（Ｚ）曲線を逆フーリエ変換するこ
とにより、反射関数を求められることに関しては、文献
Ｋ．Ｋ．Ｌｉａｎｇ Ｇ．Ｓ．Ｋｉｎｏ ａｎｄＢ．
Ｔ．Ｋｈｕｒｉ−Ｙａｋｕｂ：“Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｃ
ｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｂｙ Ｉｎｖｅｒｓ
ｉｏｎ ｏｆ Ｖ（Ｚ）”：ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｓ
ｏｎｉｃｓ ａｎｄ Ｕｌｔｒａｓｏｎ．，ＳＵ−３２
２（１９８５）に記載されている。この反射関数の計
算によって横波音速、レーリー波音速、ラム波音速等を
求めることができ、試料の弾性的性質を知ることができ
る。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前述した従来
例の方法により、測定された複素Ｖ（Ｚ）には音響レン
ズと試料の距離Ｚの変化による位相変化分が含まれてい
る。ここで、Ｖ（Ｚ）の位相をφv （Ｚ）、測定された
位相をφ（Ｚ）とし、周波数をω、カプラ液体の音速を
ｃL とすると、φの距離Ｚに依存する変化分は、

【００１８】

【数２】 となる。

【００１９】つまり、Ｖ（Ｚ）曲線の位相は第１項であ
るため、第２項を消去する必要がある。ここで周波数ω
とカプラ液体の音速ｃは、既知であるため、距離Ｚがわ
かれば第２項を消去できる。このために従来例ではＺ検
出部で検出した距離Ｚを使用していた。しかしＺ検出部
は、試料または音響レンズが取り付けられているＺ走査
部の変位を測定するため、直接音響レンズと試料の距離
の変化を測定していない。

【００２０】従って位相角の測定精度が１°であれば、
周波数２００ＭＨｚ、カプラの音速１５００m/s とし
て、距離Ｚの測定精度は１０nmが必要となるが、上記の
ような間接測定では精度で測距できない問題があった。
また距離Ｚを測定してそれに対応する位相を計算する必
要があった。

【００２１】また、試料の反射部分と表面波の部分に音
路長の差があることを利用して時間分割して別に取り出
し試料反射の部分によって距離Ｚの変化による位相を補
正する例もあるが１００MHz 以上の周波数では音響レン
ズの焦点距離が短くなるため音路長の差が小さく時間分
離することは不可能で周波数が低いときにしか使用でき
ない。

【００２２】そこで本発明は、周波数に限定されず、直
接距離Ｚ変化による位相変化を検出し位相補正された複
素Ｖ（Ｚ）曲線を測定できる超音波測定装置を提供する
ことを目的とする。

【００２３】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するために、高周波の連続波を発生する基準発振手段
と、前記基準発振手段が発生した連続波の一部を切りと
りバースト波を生成するバースト波生成手段と、前記バ
ースト波生成手段により発生されたバースト波を超音波
に変換し試料からの反射波を再び電気信号に変換して受
信信号を出力する電気音響変換手段と、前記電気音響変
換手段により生成された超音波を収束球面波にすると共
に平面波を試料に入射させる音響レンズと、前記基準発
振手段が発生した連続波の位相を変化させる位相手段
と、前記位相手段により位相が変化された信号を参照信
号として、前記受信信号を直接位相敏感検波する位相検
波手段と、前記位相検波手段からの検波出力の収束球面
波試料反射と平面波試料反射を個別にデジタル信号に変
換し複素振幅を得るＡ／Ｄ変換手段と、前記Ａ／Ｄ変換
手段によりデジタル信号化された平面波試料反射の複素
振幅から位相を演算する手段と、前記Ａ／Ｄ変換手段に
よりデジタル信号化された平面波試料反射の位相によっ
て収束波試料反射の複素振幅から前記音響レンズと前記
試料間の相対距離変化による位相の変化を演算し補正す
る演算補正手段と、前記演算補正手段により補正された
収束波試料反射の複素振幅を逆フーリエ変換して反射関
数を演算する手段と、対向する前記音響レンズと前記試
料の垂直方向をＺ軸とし、Ｚ軸方向に該音響レンズと試
料の相対距離を変化させる距離手段と、前記音響レンズ
と前記試料の相対距離を検出する相対距離検出手段と、
前記相対距離検出手段により検出された距離からＡ／Ｄ
変換のタイミングを演算する手段とで構成される超音波
測定装置を提供する。

【００２４】

【作用】以上のような構成の超音波測定装置により、基
準発信器からの連続波を切りとったバースト波を電気音
響変換し、また前記連続波を位相変化させた参照波によ
り位相敏感検波する構成とし、電気音響変換された超音
波を音響レンズにより収束球面波と共に平面波として試
料に入射させる。この試料からの反射波を位相検波し、
検波出力から音響レンズによって収束した反射波の複素
振幅と、音響レンズの平面の部分からの平面波の試料反
射の位相を得られ、この平面波の位相から前記収束波試
料反射の位相を補正する構成にすることで複素Ｖ（Ｚ）
曲線が求められる。

【００２５】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細
に説明する。図１に本発明による第１実施例の超音波測
定装置の構成を示し、説明する。

【００２６】この超音波測定装置において、例えば１０
ＭＨ以上で好ましくは１００〜２００ＭＨｚ程度の一定
の周波数の連続波（以下、基準信号と称する）を発生す
る発振部２１に、前記基準信号の一部を切りとり、バー
スト波を出力するためのアナログスイッチ２２の入力側
端子を接続する。前記アナログスイッチ２２の出力側端
子の一方には、高速切替え可能な切替えスイッチ２３の
入力端子が接続し、他方には、例えば５０Ωの抵抗Ｒ１
が接続される。

【００２７】前記切替えスイッチ２３の切替え端子は、
バースト波を電気音響変換するトランスデューサ２４に
接続され、その出力端子には前置増幅器２５が接続され
る。前記アナログスイッチ２２及び前記切替えスイッチ
２３は、後述するコンピュータ３９の指令に基づいた制
御部４０からの制御信号により、切り替え動作が行われ
る。

【００２８】前記トランスデューサ２４には、微小スポ
ットに超音波を収束させる音響レンズ２６が取り付けら
れる。この音響レンズ２６の焦点付近には、移動可能な
試料台２７が設けられ、その上に試料２８が載置され
る。そして前記音響レンズ２６と試料２８との間が、超
音波を収束及び伝播するためのカプラ液体２９で接続す
るように満たされている。

【００２９】前記音響レンズ２６は、前記トランスデュ
ーサ２４が発生した超音波をカプラ液体２９内で収束さ
せると共に平面波をカプラ液体２９に伝播させ、前記試
料２８に入射する。また前記トランスデューサ２４には
前記切替えスイッチ２３の切替えによって、該トランス
デューサ２４からの出力が前記前置増幅器２５に出力さ
れる。

【００３０】そして前記前置増幅器２５には、２つの乗
算部３０、３１がそれぞれ接続される。前記乗算部３０
は、発振部２１からの基準信号が参照信号（第１参照信
号）として入力するように直接的に接続され、前記乗算
部３１は、前記基準信号の位相を９０°変化させた参照
信号（第２参照信号）を生成する９０°移相部３２を介
して、発振部２１と接続される。これらの乗算部３０、
３１の出力端には、高周波成分を除去するローパスフィ
ルタ（ＬＰＦ）３３、３４が接続される。これらＬＰＦ
３３、３４は、少なくとも発振部２１の出力する連続波
の周波数の２倍の周波数が除去できる特性のものが採用
されている。

【００３１】これらの乗算部３０、３１及び、ＬＰＦ３
３、３４により、位相敏感検波（ＰＳＤ）が行われる。
そして前記ＬＰＦ３３の出力側にはＡ／Ｄ変換部３５、
３６が接続され、前記ＬＰＦ３４の出力側にはＡ／Ｄ変
換部３７、３８が接続され、ここで変換出力がデジタル
化され、コンピュータ３９にそれぞれ入力される。前記
コンピュータ３９には、全体のタイミングを制御する制
御部４０が接続され、Ｖ（Ｚ）測定時は、Ｚ走査部４１
によって前記試料２８と前記音響レンズ２６との間の距
離を変化させ、その変化を検出するＺ検出部４２が接続
されている。また、コンピュータ３９には、該コンピュ
ータ３９の指令で文字やグラフを表示する表示部４３が
接続されている。次に図２のタイムチャートを参照し
て、第１実施例の動作について説明する。

【００３２】まず、コンピュータ３９から発振部２１に
ユーザーが所望する周波数を設定する。前記発振部２１
は、図２（ａ）に示すような設定された周波数で、常時
一定周波数の連続波を出力する。

【００３３】そして、前記コンピュータ３９から、図２
（ｂ）に示すような送信トリガが、制御部４０に入力さ
れると、該制御部４０は、送信トリガに同期して、図２
（ｃ）に示す発振部２１の連続波の周波数の数十周期分
の時間幅の矩形（オン・オフ）信号をアナログスイッチ
２２に、該矩形信号より早くオンになり遅くオフになる
図２（ｄ）に示す切替え信号を切替えスイッチ２３に出
力する。

【００３４】前記アナログスイッチ２２は、前記矩形信
号のオン・オフに対応して切替わり、オンの時は、前記
発振部２１の発生した信号が切替えスイッチ２３に出力
される。このように図２（ｅ）に示す送信バースト信号
が生成される。前記切替えスイッチ２３は、前記制御部
４０からの切替え信号がオンの時は、前記アナログスイ
ッチ２２の側へ、オフのときは前置増幅器２５側へ切替
わる。

【００３５】そして、前記送信バースト信号は、前記切
替えスイッチ２３を介して、トランスデューサ２４に印
加される。この送信バースト波が前記トランスデューサ
２４で電気音響変換され超音波に変換される。この超音
波は、音響レンズ２６内を伝播し、一部はカプラ液体２
９内で微小スポットに収束され、一部は平面波としてカ
プラ液体２９を通り試料２８に入射する。入射した超音
波は、試料２８で反射され、再びカプラ液体２９、音響
レンズ２６を伝播して、トランスデューサ２４で電気信
号に変換された反射信号（以下、受信信号と称する）
が、すでに前置増幅器２５側に切り替わっている切替え
スイッチ２３を介して、前置増幅器２５に入力されて増
幅され、前記乗算部３０、３１に入力される。

【００３６】前記乗算部３０では、前記基準信号の第１
参照信号と受信信号との乗算を行ないインフェーズ成分
を出力する、前記乗算部３１では前記基準信号の位相を
９０°変化させた第２参照信号と受信信号の乗算を行な
いクワドラチャーフェーズ成分を出力する。

【００３７】前記乗算部３０のインフェーズ出力と乗算
部３１のクワドラチャーフェーズ出力は、それぞれＬＰ
Ｆ３３、３４により、２ω成分が除去され、sin φ、co
s φに相当するＤ．Ｃ成分のみが残る。そして、検波前
の受信信号を図２（ｆ）に示し、前記ＬＰＦ３３、３４
を通過した後の検波出力のインフェーズ出力ｕ1 の信号
波形を図２（ｇ）に示し、クワドラチャーフェーズ出力
ｕ2 の信号波形を図２（ｈ）に示す。

【００３８】図３に示すように、試料２８の面と対向す
る前記音響レンズ２６の面が凹面と平面からなる場合
は、トランスデューサ２４から発生した超音波のうち、
音響レンズ２６の凹面に達した超音波は、経路Ａのよう
に収束されて試料２８で反射して戻ってくる。一方、音
響レンズ２６の平面部分に達した超音波は、経路Ｂのよ
うに平面波として試料２８に入射し、試料２８の表面で
反射して戻ってくる。経路Ｂの波の方が経路Ａの波より
音路長が短いため、早くトランスデューサ２４に戻るこ
とを利用すれば、２つの反射波を容易に分離することが
できる。

【００３９】以後、経路Ａのように音響レンズ２６の凹
面に入射して収束し試料で反射した波を収束試料反射と
し、経路Ｂのように音響レンズ２６の平面部分に入射し
平面波として試料で反射した波を平面試料反射と称す
る。

【００４０】しかし実際の受信信号においては、検波前
では図２（ｆ）に示すように、収束試料反射と平面試料
反射の他に送信漏れ、レンズ第１反射、レンズ第２反射
等が含まれ、反射波（受信信号）がバースト波であるた
め、位相検波出力は図２（ｇ），（ｈ）のようなそれぞ
れの反射に対応したき矩形波として出力される。

【００４１】この反射波中から収束試料反射のみを取り
出すために、図２（ｉ）に示すような送信に対して、遅
延時間Ｔd1だけ遅れたタイミングでトリガ信号を制御部
４０で生成し、Ａ／Ｄ変換部３５、３７を駆動させるト
リガ信号として用いる。このトリガ信号により、インフ
ェーズ及び、クワドラチャーフェーズの各検波出力がＡ
／Ｄ変換されて収束試料反射のみの位相検波出力をデジ
タル信号に変換して、前記コンピュータ３９内のメモリ
に記憶する。

【００４２】さらに平面試料反射を取り出すために図２
（ｊ）に示すような送信に対して、遅延時間Ｔd2だけ遅
れたタイミングでトリガ信号を制御部４０で生成し、Ａ
／Ｄ変換部３６、３８を駆動させるトリガ信号として用
いる。このトリガ信号により、インフェーズ，クワドラ
チャフェーズの各平面試料反射のみの位相検波出力をデ
ジタル信号に変換して、前記コンピュータ３９に入力す
る。前記送信とＡ／Ｄ変換されたトリガ信号の遅延時間
Ｔd1、Ｔd2は、前記コンピュータ３９により任意の値に
設定可能である。

【００４３】以上のようにして、試料２８上の１点の反
射の位相が測定できる。Ｖ（Ｚ）曲線の測定には、前記
試料２８と音響レンズ２６との間の距離を変化させ、前
述したような測定動作を繰り返す。

【００４４】この時、前記Ａ／Ｄ変換部３５〜３８が駆
動するタイミングは、前記試料２８と音響レンズ２６と
の間の距離が変化すると反射波のタイミングがずれる。
そのため遅延時間Ｔd1、Ｔd2は、測定の最初のオシロス
コープ等に表示される反射信号に基づき設定され、その
後はＺ検出部４２によって初期の位置からの相対動作距
離ΔＺを求め、以下のようにして計算する。反射の時間
のズレをΔＴとするとΔＴは次のように計算される。

【００４５】

【数３】 ここで、ｃL はカプラ液体の音速である。コンピュータ
ではこの式からΔＴを演算し初期の送信トリガからの時
間遅延Ｔd1、Ｔd2を制御部４０に送信する。この測定値
から複素Ｖ（Ｚ）の位相補正をするには以下のようにす
る。

【００４６】前記収束試料反射波の位相変化は、音響レ
ンズ２６と試料２８の往復の距離分カプラ液体２９を伝
播することや音響レンズ２６内の伝播時間、試料２８の
反射関数による位相変化であるＶ（Ｚ）の位相がある。
これらの中で試料２８と音響レンズ２６との間の距離に
依存するものは、カプラ内の伝播とＶ（Ｚ）の位相であ
る。図３に示すように音響レンズ２６の凹面部と試料２
８との距離をＺ1 、Ｖ（Ｚ）の位相をφV （Ｚ）とする
と収束波の位相φSは定数項を無視して（３）式から、

【００４７】

【数４】

【００４８】となる。ここで平面試料反射は垂直入射で
あるから、反射関数による位相への影響は無く、前記音
響レンズ２６と前記試料２８との間の距離が変化するこ
とにより、カプラ内を超音波が伝播する距離が変わるこ
とによる時間遅延による位相変化だけである。従って、
前記音響レンズ２６の平面部と前記試料２８との間の距
離をＺ2 とおくと平面試料反射の位相φF は次のように
表される。

【００４９】

【数５】 しかし、Ｖ（Ｚ）の位相だけを知るために（５）式から
（６）式を除して、

【００５０】

【数６】

【００５１】この（７）式では、音響レンズ２６の凹面
部と試料２８の距離Ｚ1 と音響レンズ２６の平面部と試
料２８の距離Ｚ2 の差（Ｚ1 −Ｚ2 ）は、前記音響レン
ズ２６と試料２８との間の距離に関係なく、一定値であ
るから第２項を定数と見なすと無視することができ、
（７）式からＶ（Ｚ）の位相を求めることができる。前
述した文献によれば、このようにして位相が補正された
複素Ｖ（Ｚ）曲線を逆フーリエ変換すると、

【００５２】

【数７】 となる。ここで、Ｐは瞳関数で、Ｒは反射関数、θは超
音波の試料への入射角とする。

【００５３】従って、瞳関数Ｐが分かれば反射関数を算
出できる。瞳関数Ｐは、例えば鉛のように周期的なＶ
（Ｚ）を示さない試料から求められる。このようにして
計算された反射関数からは、縦波、横波、表面波の音速
を求めることができ、試料の弾性定数が測定できたこと
になる。

【００５４】次に図４に本発明の第２実施例の超音波測
定装置の構成を示し、説明する。図５には、第２実施例
の超音波測定装置に用いられる音響レンズとトランスデ
ューサの構成を示し、同図（ａ）は上面図、同図（ｂ）
は側面図である。ここで、図４の構成部材は特徴的なも
ののみを示しており、図１の破線Ａに囲まれた構成部材
に相当し、図４に図示されない構成部材は図１の部材と
同じ参照番号を付し、その説明は省略する。

【００５５】この音響レンズとトランスデューサの構成
は、音響レンズ２６の上面に、バースト波を電気音響変
換するトランスデューサ２４ａ、２４ｂが、同心円状に
２つに分割して付けられ、内側のトランスデューサ２４
ａは収束球面波を試料に照射しその反射を検出し、外側
のトランスデューサ２４ｂは平面波を試料に照射しその
反射を検出する構成となっている。

【００５６】前記超音波測定装置の構成は、まずアナロ
グスイッチ２２の出力側端子に、２つの切替えスイッチ
４５、４６の各入力端子が接続されている。前記切替え
スイッチ４６の切替え端子は、前記トランスデューサ２
４ａに接続され、その出力端子には前置増幅器２５ａが
接続される。また前記切替えスイッチ４５の切替え端子
は、前記トランスデューサ２４ｂに接続され、その出力
端子には前置増幅器２５ｂが接続される。これらのアナ
ログスイッチ２２及び前記切替えスイッチ４６、４５
は、第１実施例と同様にコンピュータの指令に基づいた
制御部からの制御信号により、切り替え動作が行われ
る。

【００５７】前記音響レンズ２６に取り付けられた前記
トランスデューサ２４ａは入出力を切替えスイッチ４６
により発振器２１と前置増幅器２５ａを切り替え、前記
トランスデューサ２４ｂは入出力を切替えスイッチ４５
により前記発振器２１と前置増幅器２５ｂを切り替え
る。そして前置増幅器２５ａ、２５ｂはそれぞれ乗算部
３０、３１に接続される。次に前述したように構成され
た第２実施例の動作について説明する。

【００５８】前記バースト波が印加された前記トランス
デューサ２４ａでは、このバースト波を超音波に電気音
響変換して、変換された超音波は音響レンズ２６の凹面
部を通りカプラ液体２９中で微小スポットに収束され試
料２８に入射する。この収束波は試料２８で反射しカプ
ラ液体２９、音響レンズ２６を通り前記トランスデュー
サ２４ａにより、再び電気信号に変換されて収束試料反
射信号（受信信号）として、前置増幅器２５ａ側に切り
替わっている切替えスイッチ４６を通り、前置増幅器２
５ａに出力される。前記受信信号は、前記前置増幅器２
５ａにより増幅され、前記乗算部３０に入力され位相検
波される。

【００５９】一方、前記トランスデューサ２４ｂでは、
同様に前記バースト波が超音波に電気音響変化され、変
換された超音波は音響レンズ２６の平面部を通り、平面
波として試料２８に入射する。この平面波は前記試料２
８で反射され、カプラ液体２９、音響レンズ２６を通り
トランスデューサ２４ｂにより、再び電気信号に変換さ
れて平面試料反射信号として、前置増幅器２５ｂ側に切
り替わっている切替えスイッチ４５を通り、前置増幅器
２５ｂに出力される。前記平面試料反射信号は、前記前
置増幅器２５ｂにより増幅され、前記乗算部３１に入力
され位相検波される。第１実施例と同様にして球面反射
の位相から平面波の位相を除算して、複素Ｖ（Ｚ）曲線
を求める。第２実施例では、トランスデューサを２分割
することで球面反射と平面反射を別々に検出することが
できる。

【００６０】尚、この第２実施例では、２つのトランス
デューサ２４ａ、２４ｂに、同じバースト波を入力して
いるが、個々に発振部を２つ設けて、測距側のトランス
デューサ２４ｂでは、弾性的性質の測定に用いる周波数
と全く異なる周波数を用いて測距することもできる。

【００６１】次に図６に本発明の第３実施例として、超
音波測定装置に用いられる音響レンズとトランスデュー
サの構成を示し、説明する。同図（ａ）は上面図、同図
（ｂ）は側面図である。

【００６２】この第３実施例では、音響レンズが内周部
５０ａと外周部５０ｂに分割され、内周部５０ａは、試
料２８（図示せず）に収束球面波を入射させる音響レン
ズ部分であり、外周部５０ｂは、前記試料２８に平面波
を入射させる音響レンズ部分である。

【００６３】前記外周部５０ｂは、円筒状で上面部にト
ランスデューサ５１ｂが形成され、内部面に内周部５０
ａが接着剤等で接着され一体化されている。また内周部
５０ａの上面部にも、トランスデューサ５１ａが形成さ
れている。この様に構成された音響レンズとトランスデ
ューサは第２実施例と同様に組み込まれて用いられる。

【００６４】この第３実施例では、収束超音波を送受信
する内周部５０ａと平面超音波を送受信する外周部５０
ｂが全く、独立して形成されているため、互いに影響を
及ぼすことがなくなる。さらに第１実施例で述べた球面
部分の試料間距離Ｚ1 と平面の部分の試料間距離Ｚ2 を
等しくすることができるので（７）式の定数項の部分も
削除することができる。

【００６５】次に図７に本発明の第４実施例の超音波測
定装置の構成を示し、説明する。ここで、図７の構成部
材は特徴的なもののみを示しており、図７に図示されな
い構成部材は図１の部材と同じ参照番号を付し、その説
明は省略する。この第４実施例は、前置増幅器２５から
出力される受信信号を位相検波の参照波として用いるた
めに、前記受信波を遅延させて用いるものである。

【００６６】前置増幅器２５の出力は、乗算部３０、３
１と遅延部５２に入力される。前記遅延部５２では、第
１実施例で述べた音響レンズ２６の凹面部分と試料２８
の距離Ｚ1 及び、平面部分と試料との距離Ｚ2 の差に相
当する分の時間Δｔ＝（Ｚ1−Ｚ2 ）／ｃL だけ受信信
号を時間遅延させる。遅延された信号は移相部５３と乗
算部３０に入力される。前記移相部５３では入力された
信号を９０°位相変化させて乗算部３１に入力する。

【００６７】前記乗算部３１では、受信信号とその信号
を時間遅延させた信号の乗算が行われる。この遅延時間
が上記Δｔであるから収束試料反射波と平面試料反射波
の乗算がとられることになる。

【００６８】同様に乗算部３１では収束試料反射波と平
面試料反射波を９０°位相変化した信号との乗算が行わ
れる。すなわち（７）式で示した平面反射と試料反射の
位相の差分の位相sin 、cos に比例した値が、直接位相
敏感検波の出力として得られる。本実施例では参照波と
して反射信号を時間遅延させた信号を使用することによ
り、平面試料反射が参照波となって収束試料反射を位相
敏感検波しているため、直接複素Ｖ（Ｚ）曲線を測定す
ることができる。

【００６９】本発明の参照波としては本実施例に限定さ
れるものではなく、音響レンズを第２実施例や第３実施
例のように平面波の反射が、個々に出力される構成とし
平面波の部分を遅延させることも考えられる。特に第３
実施例で平面反射と球面試料反射のタイミングを同時に
なるようにすれば遅延部も不要となる。

【００７０】以上に説明したように本発明によれば複素
Ｖ（Ｚ）曲線の測定時の音響レンズと試料の距離の相対
変化によって生じる位相変化を、音響レンズと一体化し
た平面波を試料に送受信する手段を設け、その位相から
距離測定無しに直接除去することができる。さらに直接
音響レンズと試料の距離に起因する位相を求めているの
で、これまでの間接的な距離測定よりもはるかに精度良
く位相の除去を行える。さらに参照波として平面波の試
料反射を使用することで直接に複素Ｖ（Ｚ）曲線を測定
可能となるといった効果がある。

【００７１】尚本発明は、各実施例に限定されるもので
はなく、例えば、参照波として基準発振出力の代わりに
レンズ内反射を使用することも考えられる。この場合は
送信には従来と同じくバースト波発振部を用いることも
可能である。また、トランスデューサの入出力の切り替
えにはアナログスイッチの代わりにサーキュレータを使
用しても良い。参照波として発振部の波を０°、９０°
位相変化した波を使用する必要もなく自由な位相でよ
い。検波器も本出願人が出願した特願平３−１８２６４
５号に記載されるように２つ以上の検波器で構成にし
て、さらに位相の測定精度を向上させることも考えられ
る。発振部を周波数可変の構成として様々な周波数のＶ
（Ｚ）曲線を測定可能とすれば本出願人が出願した特願
平３−０９１０２２号で示されているように試料の膜厚
の測定もできる。また本発明は、前述した実施例に限定
されるものではなく、他にも発明の要旨を逸脱しない範
囲で種々の変形や応用が可能であることは勿論である。

【００７２】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、周
波数に限定されず、直接距離Ｚ変化による位相変化を検
出し位相補正された複素Ｖ（Ｚ）曲線を測定できる超音
波測定装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明による第１実施例の超音波測定装
置の構成を示す図である。

【図２】図２は第１実施例の超音波測定装置の動作を示
すタイムチャートである。

【図３】図３は、第１実施例の超音波測定装置の音響レ
ンズの凹面部と試料との距離を示す図である。

【図４】図４は、本発明の第２実施例の超音波測定装置
の構成を示す図である。

【図５】図５は、第２実施例の超音波測定装置に用いら
れる音響レンズとトランスデューサの構成を示す図であ
る。

【図６】図６は、第３実施例の超音波測定装置に用いら
れる音響レンズとトランスデューサの構成を示す図であ
る。

【図７】図７は、第４実施例の超音波測定装置の構成を
示す図である。

【図８】図８は従来の位相検出可能な超音波測定装置の
構成を示す図である。

【符号の説明】

１…基準信号発振部、２，２２…アナログスイッチ、３
…サーキュレータ、４，２４，２４ａ，２４ｂ，５１
ａ，５１ｂ…トランスデューサ、５，２５，２５ａ，２
５ｂ…前置増幅器、６，２６，５０ａ，５０ｂ…音響レ
ンズ、７，２７…試料台、８，２８…試料、９，２９…
カプラ液体、１０，１１，３０，３１…乗算部、１２，
３２，５３…移相部、１３，１４，３３，３４…ローパ
スフィルタ、１５，１６，３５，３６，３７，３８…Ａ
／Ｄ変換部、１７，３９…コンピュータ、１８，４０…
制御部、１９，４１…Ｚ走査部、２０，４２…Ｚ検出
部、２１…発振部、２３，４５，４６…切替えスイッ
チ、４３…表示部、５２…遅延部、Ｒ１…抵抗。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐々木 靖夫 東京都渋谷区幡ケ谷２丁目43番２号 オリ ンパス光学工業株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 高周波の連続波を発生させる基準発振手
   段と、 前記発振手段が発生した連続波の一部を切りとりバース
   ト波を生成するバースト波生成手段と、 前記バースト波生成手段により発生されたバースト波を
   超音波に変換し試料からの反射波を再び電気信号に変換
   して受信信号を出力する電気音響変換手段と、 前記電気音響変換手段により生成された超音波を収束球
   面波にすると共に平面波を試料に入射させる音響レンズ
   と、 前記基準発振手段が発生した連続波の位相を変化させる
   位相手段と、 前記位相手段により位相が変化された信号を参照信号と
   して、前記受信信号を直接位相敏感検波する位相検波手
   段と、 前記位相検波手段からの検波出力の収束球面波試料反射
   と平面波試料反射を個別にデジタル信号に変換し複素振
   幅を得るＡ／Ｄ変換手段と、 前記Ａ／Ｄ変換手段によりデジタル信号化された平面波
   試料反射の複素振幅から位相を演算する手段と、 前記Ａ／Ｄ変換手段によりデジタル信号化された平面波
   試料反射の位相によって収束波試料反射の複素振幅から
   前記音響レンズと前記試料間の相対距離変化による位相
   の変化を演算し補正する演算補正手段と、 前記演算補正手段により補正された収束波試料反射の複
   素振幅を逆フーリエ変換して反射関数を演算する手段
   と、 対向する前記音響レンズと前記試料の垂直方向をＺ軸と
   し、Ｚ軸方向に該音響レンズと試料の相対距離を変化さ
   せる距離手段と、 前記音響レンズと前記試料の相対距離を検出する相対距
   離検出手段と、 前記相対距離検出手段により検出された距離からＡ／Ｄ
   変換のタイミングを演算する手段とを具備することを特
   徴とする超音波測定装置。
2. 【請求項２】 高周波の連続波を発生する基準発振手段
   と、 前記基準発振手段が発生した連続波の一部を切りとりバ
   ースト波を生成するバースト波生成手段と、 前記バースト波生成手段により発生されたバースト波を
   超音波に変換し試料からの反射波を再び電気信号に変換
   して受信信号を出力する電気音響変換手段と、 前記電気音響変換手段により生成された超音波を収束球
   面波にすると共に平面波を試料に入射させる音響レンズ
   と、 前記電気音響変換手段からの平面波の試料反射の位相を
   変化させる位相手段と、 前記電気音響変換手段からの平面波反射信号を前記位相
   手段により位相変化された平面波試料反射位相を参照信
   号として、受信信号を直接位相敏感検波する位相検波手
   段と、 前記位相検波手段からの検波出力の収束波試料反射をデ
   ジタル信号に変換し複素振幅を得るＡ／Ｄ変換手段と、 前記Ａ／Ｄ変換手段からの収束波試料反射の複素振幅を
   逆フーリエ変換して反射関数を演算する演算手段と、 対向する前記音響レンズと前記試料の垂直方向をＺ軸と
   し、Ｚ軸方向に音響レンズと試料の相対距離を変化させ
   る手段と、 前記音響レンズと前記試料の相対距離を検出する相対距
   離検出手段と、 前記相対距離検出手段により検出された距離からＡ／Ｄ
   変換のタイミングを演算する手段とを具備することを特
   徴とする超音波測定装置。
3. 【請求項３】 高周波バースト波を発生する発生手段
   と、 前記発生手段により発生されたバースト波を超音波に変
   換し試料からの反射波を再び電気信号に変換する電気音
   響変換手段と、 前記超音波を収束球面波にすると共に平面波を試料に入
   射させる音響レンズと、 前記電気音響変換手段からの平面波の試料反射信号を遅
   延させ、第１参照波を生成する遅延手段と、 前記遅延手段により生成された第１参照波の位相を変化
   させ、第２参照信号を生成する位相手段と、 前記遅延手段及び前記位相手段からの第１，第２参照信
   号により、受信信号を直接位相敏感検波する位相検波手
   段と、 前記位相検波手段により検波出力された受信信号から収
   束波試料反射を選択し、該収束波試料反射をデジタル信
   号に変換し複素振幅を得るＡ／Ｄ変換手段と、 球面波試料反射の複素振幅を逆フーリエ変換して反射関
   数を演算する手段と、 対向する前記音響レンズと前記試料の垂直方向をＺ軸と
   し、Ｚ軸方向に音響レンズと試料の相対距離を変化させ
   る手段と、 前記音響レンズと前記試料の相対距離を検出する距離検
   出手段と、 前記距離検出手段により検出された相対距離からＡ／Ｄ
   変換手段を駆動し、前記選択動作させるタイミングを演
   算する手段とを具備することを特徴とする超音波測定装
   置。