JPH07191000A

JPH07191000A - 超音波検査方法、超音波探触子および超音波顕微鏡

Info

Publication number: JPH07191000A
Application number: JP5333887A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Nishimori; 博幸西森
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 1993-12-27
Filing date: 1993-12-27
Publication date: 1995-07-28

Abstract

(57)【要約】【目的】目的とする反射波に対して確実にゲートを設
定することを可能にする。【構成】励振信号により各々が縦波および横波の２種
類の超音波を発生する第１および第２の超音波振動子Ｖ
₁、Ｖ₂を設け、音響レンズ１４ｅ内を縦波で伝播する試
料１６からの反射波が第２の超音波振動子Ｖ₂により受
信されるタイミングと、音響レンズ１４ｅ内を横波で伝
播する試料１６からの反射波が第１の超音波振動子Ｖ₁
により受信されるタイミングとが略同時になるようにこ
れら第１および第２の超音波振動子Ｖ₁、Ｖ₂を励振し、
音響レンズ１４ｅ内を縦波で伝播する試料１６からの反
射波が第１の超音波振動子Ｖ₁に受信されるタイミング
から縦波と横波とが音響レンズ１４ｅ内を往復する時間
差だけ経過した後に合成受信信号にゲートをかけて、第
１および第２の超音波振動子Ｖ₁、Ｖ₂により略同時に受
信された試料１６からの反射波の合成信号を取り出す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、弾性表面波の音速計測
等に用いられる超音波検査方法、超音波探触子および超
音波顕微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】図７は、従来の超音波顕微鏡の一例を示
す図である。この図において１は発振器であり、短連続
波（バースト波）Ｔ状の電圧Ｖ_tをプローブ２に印加す
る。プローブ２は、下端に凹レンズ面を有する音響レン
ズ２ａ、音響レンズ２ａの上面に形成された上部電極２
ｄ、下部電極２ｂおよびこれら上部電極２ｄおよび下部
電極２ｂに挾まれた圧電素子２ｃを備えている。電圧Ｖ
_tが上部電極２ｄおよび下部電極２ｂ間に印加される
と、これら電極２ｄ、２ｂ間に挾まれた圧電素子２ｃが
励振され、超音波が発生して音響レンズ２ａへと放射さ
れる。

【０００３】音響レンズ２ａ内を伝播する超音波は、凹
レンズ面の中心付近から媒質３に放射されて試料４の表
面で反射され、再度媒質３および音響レンズ２ａを介し
て圧電素子２ｃで受信され（経路ａ）、あるいは、凹レ
ンズ面の周辺から媒質３に放射されて試料４にレーリー
波の励起する角度（臨界角）θ_Rで入射し、レーリー波
を漏洩しながら試料４の表面を伝播し、再度角度θ_Rを
もって試料４から出射して媒質３および音響レンズ２ａ
を介して圧電素子２ｃで受信される（経路ｂ）。２つの
経路ａ、ｂの超音波は圧電素子２ｃにおいて合成された
形で受信され、この圧電素子２ｃによって電気信号に変
換され、受信器５で増幅される。受信器５で受信される
信号はこの受信器５の上に示してあり、Ｌは音響レンズ
２ａ内の反射波、Ｓは経路ａ、ｂの超音波の合成波であ
る。

【０００４】受信器５で増幅された受信信号は、ピーク
ディテクタ６によりそのピーク値Ｖが検出され、ピーク
値Ｖはコンピュータ７に入力される。ＸＹＺステージ８
はプローブ２を図中Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸方向に移動可
能に支持し、コンピュータ７からの指示に基づいてプロ
ーブ２をＺ軸方向に移動させる。コンピュータ７は、プ
ローブ２のＺ軸位置の走査に伴う合成波Ｓのピーク値Ｖ
の変化を記憶し、これをモニタ９に表示する。

【０００５】合成波Ｓのピーク値Ｖは、デフォーカス量
（プローブ２の焦点位置と試料４の表面との間の距離）
ΔＺの変化に伴って変化する。デフォーカス量とピーク
値との関係を表したものはＶ(ｚ)曲線と呼ばれ、図８に
示すような周期Δｚを有する曲線で表される。このと
き、媒質３の音速をＣ_w、超音波の周波数をｆとすると
き、試料４中を伝播する弾性表面波の速度Ｃ_Rは、

【数１】で表される。そして、ＸＹＺステージ８を制御してプロ
ーブ２をＸＹ方向に移動させ、Ｖ(ｚ)曲線を測定するこ
とにより、弾性表面波速度Ｃ_Rの分布を測定することが
できる。

【０００６】この際、合成波Ｓを送信波Ｔ、反射波Ｌと
区別するために、ピークディテクタ６は不図示のゲート
設定手段を内蔵し、受信器５で増幅された受信信号には
このゲート設定手段によりゲートが設定され、合成波Ｓ
のみが抽出されてそのピーク値が検出される。ただし、
デフォーカス量Δｚの変化により受信信号中の合成波Ｓ
の位置も変動するので、合成波Ｓの位置に応じてゲート
を設定する位置を追従させる必要がある。

【０００７】従来のゲート設定方法としては、プローブ
２の移動量をポテンショメータ等により検出してこの移
動量に追従してゲート設定位置を移動させる方法（実公
昭６１−４８４０号公報参照）や、プローブ２の送り量
ピッチに対応してゲート設定位置を追従、移動させる方
法（特開平４−２８６９５４号公報参照）などがある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来のゲート設定方法では、試料表面からプローブま
での距離やプローブの移動量といった情報を予め求めて
おくか、あるいは既知として所定値を入力しておく必要
があったので、情報入力の精度によりゲート追従の精度
が左右されるとともに、情報計測時の環境と実際のＶ
(ｚ)曲線測定時の環境とが異なる場合はその分が誤差と
なるおそれがあった。

【０００９】例えば、上述の特開平４ー２８６９５４号
公報に開示された技術においては、最初にプローブ２の
焦点位置が試料４の表面に合致した位置における合成波
Ｓの時間軸上の位置を基準とし、プローブ２のＺ軸方向
の送りピッチに対応した時間遅れをこの基準位置に対し
て与えることによってゲート設定位置を追従させてい
る。このため、合成波Ｓの時間軸上の位置の精度がその
ままゲート追従の精度となり、時間軸上の位置測定の誤
差がゲート追従に反映してしまうとともに、基準位置測
定時と実際のＶ(ｚ)曲線測定時とにおいて媒質３の温度
が変化して超音波の音速が変化してしまうとその分がゲ
ート追従の誤差になりうる。

【００１０】本発明の目的は、目的とする反射波に対し
て確実にゲートを設定することの可能な超音波検査方
法、超音波探触子および超音波顕微鏡を提供することに
ある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】一実施例を示す図１に対
応付けて説明すると、請求項１の発明は、超音波振動子
Ｖ₁、Ｖ₂で発生した超音波を音響レンズ１４ｅを介して
試料１６に照射し、この試料１６の表面で直接反射して
得られる直接反射波と前記試料表面近傍に励起された表
面波との干渉波を超音波振動子Ｖ₁、Ｖ₂で受信し、干渉
波の位相変化により試料１６の物性値を測定する超音波
検査方法において、超音波振動子Ｖ₁で発生して音響レ
ンズ１４ｅ内を横波で伝播する超音波により表面波を励
起させるようなものである。

【００１２】また、請求項２の発明は、音響レンズ１４
ｅの一端部に、圧電体１４ｃとこの圧電体１４ｃの上下
面にそれぞれ設けられた円形の上部電極１４ａ、１４ｂ
および下部電極１４ｄとが形成され、音響レンズ１４ｅ
の他端部に、圧電体１４ｃで発生して音響レンズ１４ｆ
内を伝播する超音波を放射する凹面部１４ｆが設けられ
てなる超音波探触子において、圧電体１４ｃが縦波およ
び横波の２種類の超音波を発生するように形成され、上
部電極が、円形の第１の分割電極１４ｂとこの第１の分
割電極１４ｂを取り囲むように形成された円環状の第２
の分割電極１４ａとを備え、第１の分割電極１４ｂと下
部電極１４ｄとの間に挟まれた圧電体１４ｃにより第２
の超音波振動子Ｖ₂が形成され、第２の分割電極１４ａ
と下部電極１４ｄとの間に挟まれた圧電体１４ｃにより
第１の超音波振動子Ｖ₁が形成され、凹面部１４ｆのう
ち第２の超音波振動子Ｖ₂からの超音波が到達する部分
が、音響レンズ１４ｅ内を伝播する横波の振動方向と略
平行な平坦面１４ｇに形成され、第１の超音波振動子Ｖ
₁からの超音波が到達する部分が、音響レンズ１４ｅか
ら放射される超音波が集束するような傾斜面１４ｈに形
成されているようなものである。

【００１３】そして、請求項３の発明は、励振信号によ
り各々が縦波および横波の２種類の超音波を発生する第
１および第２の超音波振動子Ｖ₁、Ｖ₂と、これら第１お
よび第２の超音波振動子Ｖ₁、Ｖ₂からの超音波を試料１
６に向けて照射するとともに、試料１６で反射した反射
超音波を同じ前記第１および第２の超音波振動子Ｖ₁、
Ｖ₂に入力する音響レンズ１４ｅと、第１および第２の
超音波振動子Ｖ₁、Ｖ₂のそれぞれに励振信号を供給する
励振手段１０、１２と、音響レンズ１４ｅ内を縦波で伝
播する試料１６からの反射波が第２の超音波振動子Ｖ₂
により受信されるタイミングと、音響レンズ１４ｅ内を
横波で伝播する試料１６からの反射波が第１の超音波振
動子Ｖ₁により受信されるタイミングとが略同時になる
ように励振手段１０、１２から第１および第２の超音波
振動子Ｖ₁、Ｖ₂への励振信号の供給を制御する制御手段
２０と、第１および第２の超音波振動子Ｖ₁、Ｖ₂で受信
された受信信号を合成して合成受信信号を作成する合成
手段１７と、音響レンズ１４ｅ内を縦波で伝播する試料
１６からの反射波が第１の超音波振動子Ｖ₁に受信され
るタイミングを検出して、このタイミングから、縦波と
横波とが音響レンズ１４ｅ内を往復する時間差だけ経過
した後に合成受信信号にゲートをかけて、第１および第
２の超音波振動子Ｖ₁、Ｖ₂により略同時に受信された試
料１６からの反射波の合成信号を取り出すゲート手段１
９とを備えた超音波顕微鏡を構成することにより、上述
の目的を達成している。

【００１４】

【作用】音響レンズ１４ｅ内を伝播する縦波と横波とで
はその伝播速度に差があり、この速度差は音響レンズ１
４ｅを構成する材質に固有のものである。したがって、
音響レンズ１４ｅ内を縦波で伝播して第１の超音波振動
子Ｖ₁で受信された試料１６からの反射波と、音響レン
ズ１４ｅ内を横波で伝播して第１の超音波振動子Ｖ₁で
受信された試料１６からの反射波とでは、この伝播速度
差にのみ依存する時間差ができるので、音響レンズ１４
ｅ内を縦波で伝播する反射波を基準として上述の伝播速
度差に依存する所定時間後にゲートを開くことにより確
実に干渉波を抽出することができる。

【００１５】なお、本発明の構成を説明する上記課題を
解決するための手段と作用の項では、本発明を分かり易
くするために実施例の図を用いたが、これにより本発明
が実施例に限定されるものではない。

【００１６】

【実施例】図１は、本発明による超音波顕微鏡の一実施
例を示すブロック図である。この図において１４はプロ
ーブであり、下端に凹レンズ面を有する円柱状の音響レ
ンズ１４ｅ、音響レンズ１４ｅの上面に形成された上部
電極、下部電極１４ｄおよびこれら上部電極および下部
電極１４ｄに挾まれた圧電素子１４ｃを備えている。本
実施例では、図２(ａ)に示すように、円形の上部電極１
４ｂおよびその外周に設けられたリング状の上部電極１
４ａの２種類の上部電極１４ａ、１４ｂが設けられてお
り、上部電極１４ｂ、下部電極１４ｄ、およびこれら電
極１４ｂ、１４ｄで挟まれた部分の圧電素子１４ｃによ
り第２の超音波振動子Ｖ₂が構成され、上部電極１４
ａ、下部電極１４ｄ、およびこれら電極１４ａ、１４ｄ
で挟まれた部分の圧電素子１４ｃにより第１の超音波振
動子Ｖ₁が構成される。

【００１７】また、音響レンズ１４ｅの下端に形成され
た凹レンズ面１４ｆのうち、音響レンズ１４ｅの中心軸
ＡＸに沿って上部電極１４ｂが投影される部分は、音響
レンズ１４ｅの上面に平行な平坦面１４ｇに形成され、
それ以外は曲面１４ｈに形成されている。

【００１８】図１に戻って、１０は上部電極１４ａに接
続されてバースト波状の電圧をプローブ１４に印加する
発振器、１２は上部電極１４ｂに接続されてバースト波
状の電圧をプローブ１４に印加する発振器であり、これ
ら発振器１０、１２と上部電極１４ａ、１４ｂとの間に
はアッテネータ１１、１３が介装されている。電圧が上
部電極１４ａ、１４ｂおよび下部電極１４ｄ間に印加さ
れると、これら電極１４ａ、１４ｂ、１４ｄ間に挾まれ
た圧電素子１４ｄが励振され、超音波が発生して音響レ
ンズ１４ｅへと放射される。

【００１９】音響レンズ１４ｅ内を伝播する超音波は、
凹レンズ面１４ｆから媒質１５を介して試料１６に放射
され、この試料１６からの反射波が今度は媒質１５を介
して音響レンズ１４ｅ内を伝播し、圧電素子１４ｃで受
信されて電気信号に変換され、上部電極１４ａ、１４ｂ
を介して外部に取り出される。なお、プローブ１４の構
造の詳細および超音波の伝播経路の詳細については後述
する。

【００２０】上部電極１４ａ、１４ｂから取り出された
受信信号は合成器１７によって合成されて受信器１８に
よって増幅され、そのピーク値がピークディテクタ１９
により検出される。また、本実施例のピークディテクタ
１９も不図示のゲート設定手段を備え、受信信号に対し
て所定の位置にゲートを設定して所望の反射波のみを抽
出し、そのピーク値を検出する。ゲート設定の詳細につ
いても後述する。そして、ピークディテクタ１９により
検出されたピーク値はコンピュータ２０に入力される。

【００２１】ＸＹＺステージ２１はプローブ１４を図中
Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸方向に移動可能に支持し、コンピ
ュータ２０からの司令に基づいてプローブ１４を移動さ
せる。コンピュータ２０は、プローブ１４のＺ軸方向の
走査に伴うピーク値の変動からＶ(ｚ)曲線を求めて弾性
表面波速度Ｃ_Rを算出し、さらに、プローブ１４のＸＹ
平面上の走査によって得られた多数のＶ(ｚ)曲線から弾
性表面波速度Ｃ_Rの分布を算出する。これら算出結果は
モニタ２２に表示される。

【００２２】また、コンピュータ２０は、発振器１０へ
トリガ信号を供給し、ピークディテクタ１９によるゲー
ト設定を制御する機能を備えている。さらに、発振器１
０は発振器１２へトリガ信号を供給し、このトリガ信号
供給のタイミングもコンピュータ２０により制御され
る。

【００２３】次に、本実施例のプローブ１４の構造の詳
細について説明する。本実施例のプローブ１４に用いら
れる圧電素子１４ｃは、電圧が印加されると縦波と横波
の超音波を同時に発生する性質を有するものである。こ
のような圧電素子１４ｃは、圧電素子１４ｃの結晶成長
の方向を音響レンズ１４ｅの中心軸ＡＸに対して所定角
度だけ傾けることにより実現できるが、例えば次のよう
な方法により製造することができる。

【００２４】図５(ａ)、(ｂ)に示すように、ターゲット
３０をスパッタすることによりこのターゲット３０から
飛来する物質原子を、マスク３１により所定部分を残し
て遮って、音響レンズ１４ｅの上面に圧電素子１４ｃを
結晶成長させる場合、図５(ａ)に示すように、音響レン
ズ１４ｅの中心軸ＡＸを物質原子の飛来方向Ｂに対して
所定角度φ（たとえば４５°）だけ傾けて、圧電素子１
４ｃの成膜面をターゲット３０に対して傾けると、圧電
素子１４ｃの結晶はターゲット３０に対して垂直に結晶
成長する。あるいは、図５(ｂ)に示すように、音響レン
ズ１４ｅの素材の結晶軸（たとえばサファイヤであれば
Ｃ軸）を所定角度φだけ傾け、音響レンズ１４ｅの上面
（これが圧電素子１４ｃの成膜面である）と圧電素子１
４ｃとの結晶の格子定数を合わせるようにする。圧電素
子１４ｃの結晶はサファイヤのＣ軸に沿って結晶成長す
る。

【００２５】一方、通常のプローブでは、音響レンズの
中心軸方向に圧電素子が結晶成長されており、電圧が印
加されると縦波の超音波のみが発生して音響レンズに放
射される。

【００２６】音響レンズ内を縦波および横波が伝播する
場合にプローブから出射する超音波の状態を図３に示
す。図３(ａ)は音響レンズ内に縦波の超音波のみが伝播
される場合を示す図、図３(ｂ)は音響レンズ内に横波の
超音波のみが伝播される場合を示す図である。

【００２７】図３(ａ)では、上部電極１４ａ、ｂおよび
下部電極１４ｄの間に電圧が印加されると、この間に挾
まれた圧電素子１４ｃが励振されて縦波の超音波が音響
レンズ１４ｅに出射される。縦波の超音波は音響レンズ
１４ｅ内を伝播し、音響レンズ１４ｅの下部に形成され
た凹レンズ面１４ｆから媒質１５を介して試料１６に出
射される際にこの凹レンズ面１４ｆにより焦点距離ｆ_L
で集束される。一方、図３(ｂ)では、圧電素子１４ｃに
より横波の超音波が音響レンズ１４ｅに出射され、横波
の超音波が音響レンズ１４ｅ内を伝播すると、横波は縦
波より伝播速度が遅いので、焦点距離ｆ_Lよりも長い焦
点距離ｆ_Sで集束される。加えて、横波は波の伝播方向
に対して垂直に振動するため、音響レンズ１４ｅの中心
軸ＡＸ付近では媒質１５に超音波が伝播しない。

【００２８】これを図４(ａ)、(ｂ)を参照して詳細に説
明する。圧電素子１４ｃから出射して音響レンズ１４ｅ
内を伝播する横波の超音波は、図４(ａ)、(ｂ)の矢印Ａ
Ｍに示すように、超音波の進行方向（音軸）ＳＸに直交
する水平振動をしている。そして、図４(ａ)に示すよう
に、第２の超音波振動子Ｖ₂を構成する圧電素子１４ｃ
から出射された横波の超音波は、音響レンズ１４ｅから
媒質１５へは伝わらない。これは、媒質（液体）１５に
はそもそも横弾性係数がなく、横波が存在しないこと
と、音響レンズ１４ｅ内を伝播した横波の超音波は、音
響レンズ１４ｅと媒質１５との界面（凹レンズ面１４ｆ
の平坦面１４ｇ）においてこの界面の延在する方向（図
の左右方向）にこの界面を振動させるため、この方向の
振動では疎密波である縦波は発生しないからである。一
方、図４(ｂ)に示すように、第１の超音波振動子Ｖ₁を
構成する圧電素子１４ｃから出射された横波の超音波
は、その振動方向が音響レンズ１４ｅの凹レンズ面１４
ｆ（の曲面１４ｈ）に所定の角度をもって到達するた
め、この凹レンズ面１４ｆを斜めから振動させる。そし
て、凹レンズ面１４ｆの振動により媒質１５内に縦波が
励起され、伝播される。以上から、凹レンズ面１４ｆの
曲面１４ｈから媒質１５に超音波が伝播する。

【００２９】以上の説明から、従来のプローブにおいて
試料表面に弾性表面波を励起させていた経路ｂの超音波
は、本実施例のプローブ１４においては、第１の超音波
振動子Ｖ₁から出射されて受信された超音波に相当し、
試料表面で直接反射して得られる経路ａの超音波は、本
実施例のプローブ１４においては、第２の超音波振動子
Ｖ₂から出射されて受信された超音波に相当する。後述
するように、本実施例では、音響レンズ１４ｅ内を縦波
および横波で伝播して第１の超音波振動子Ｖ₁で受信さ
れた超音波のうち、伝播速度の早い縦波の超音波をゲー
ト設定用の基準信号として用い、伝播速度の遅い横波の
超音波をＶ(ｚ)曲線作成用の計測データとして用いる。
これら縦波および横波が媒質１５に伝播されたときの方
向（つまり凹レンズ面１４ｆにおける屈折角）は伝播速
度の相違によりそれぞれ異なるが、本実施例では、上述
のように音響レンズ１４ｅ内を横波で伝播した超音波を
計測に用いるため、横波が媒質１５に伝播された超音波
が試料１６の臨界角θ_Rをもってこの試料１６に入射す
るように音響レンズ１４ｅの材質、形状等が設計されて
いる。

【００３０】次に、図１および図６を参照して、本実施
例の超音波顕微鏡の動作について説明する。超音波顕微
鏡による試料観察が指令されると、まず、コンピュータ
２０がＸＹＺステージ２１を駆動制御してプローブ１４
をＸＹ平面上で移動し、測定開始点に位置させる。つい
で、ＸＹＺステージ２１を駆動制御してプローブ１４を
Ｚ軸方向に移動し、その焦点位置が試料１６の表面に位
置するようにＺ軸位置を調整する。

【００３１】プローブ１４のＸＹＺ軸位置が決まった
ら、図６(ａ)に示すように、コンピュータ２０はトリガ
信号ＴＧ₁を発振器１０に供給する。発振器１０はトリ
ガ信号ＴＧ₁に応じてバースト波状の電圧を発生し、こ
の電圧はアッテネータ１１を介してリング状の上部電極
１４ａおよび下部電極１４ｄの間に供給される。上部電
極１４ａ、下部電極１４ｄ間に電圧が供給されると、こ
れらの間に挾まれた圧電素子１４ｃが励振され、縦波と
横波の超音波が音響レンズ１４ｅに向けて出射する。

【００３２】縦波と横波の超音波は音響レンズ１４ｅ内
を伝播し、伝播速度の早い縦波が先に音響レンズ１４ｅ
から出射し、媒質１５を介して試料１６に放射される。
ついで、伝播速度の遅い横波が、音響レンズ１４ｅの凹
レンズ面１４ｆにおいて縦波に変換され、媒質１５を介
して試料１６に放射される。音響レンズ１４ｅ内で縦波
であった超音波は試料１６の表面で反射され、上述と逆
の経路を辿って音響レンズ１４ｅ内を伝播し、上部電極
１４ａ下方の圧電素子１４ｃによって受信される。一
方、音響レンズ１４ｅ内で横波であった超音波は、臨界
角θ_Rをもって試料１６に入射し、弾性表面波を漏洩し
つつその表面を伝播し、同様に臨界角θ_Rをもって試料
１６から出射し、上述と逆の経路を辿って音響レンズ１
４ｅ内を伝播し、同様に上部電極１４ａ下方の圧電素子
１４ｃによって受信される。上部電極１４ａ下方の圧電
素子１４ｃは、受信された反射波を電気信号に変換し、
この電気信号は上部電極１４ａを介して外部に取り出さ
れる。

【００３３】図６(ｂ)は、上部電極１４ａにより取り出
された受信信号を示す。この図において、Ｔ₁：バースト波状の送信波Ｌ_L1：音響レンズ１４ｅ内を縦波で伝播し、凹レンズ面
１４ｆで反射したレンズ内反射波Ｓ_L1：音響レンズ１４ｅ内を縦波で伝播し、試料１６の
表面で反射された試料表面反射波Ｌ_S1：音響レンズ１４ｅ内を横波で伝播し、凹レンズ面
１４ｆで反射したレンズ内反射波Ｓ_S1：音響レンズ１４ｅ内を横波で伝播し、試料１６の
表面を伝播した弾性表面波Ｌ'_S1：Ｌ_S1の２回（多重反射波）である。

【００３４】一方、発振器１０は、図６(ｃ)に示すよう
に、コンピュータ２０からのトリガ信号受信から所定時
間ｔ_pだけ遅れてトリガ信号ＴＧ₂を発振器１２に供給す
る。この所定時間ｔ_pはコンピュータ２０により設定さ
れるものであり、後述のように、音響レンズ１４ｅ内を
横波で伝播し試料１６の表面を伝播して上部電極１４ａ
により受信された弾性表面波Ｓ_S1と、音響レンズ１４ｅ
内を縦波で伝播し試料１６の表面で反射されて上部電極
１４ｂにより受信された試料表面反射波Ｓ_L2とが同時に
受信されるように設定される。実際にはプローブ１４毎
に周波数、開口径、レンズ長等が異なるため、所定時間
ｔ_pは実験的に与えられることが好ましい。具体的に
は、プローブ１４の焦点位置が試料１６の表面に位置し
ているとき、つまり測定開始時において上部電極１４ａ
で受信された信号と上部電極１４ｂで受信された信号と
をオシロスコープ等により目視し、Ｓ_S1およびＳ_L2が同
時に受信されるように手動で設定する。

【００３５】発振器１２はトリガ信号ＴＧ₂に応じてバ
ースト波状の電圧を発生し、この電圧はアッテネータ１
３を介して円形の上部電極１４ｂおよび下部電極１４ｄ
の間に供給される。上部電極１４ｂ、下部電極１４ｄ間
に電圧が供給されると、これらの間に挾まれた圧電素子
１４ｃが励振され、縦波と横波の超音波が音響レンズ１
４ｅに向けて出射する。

【００３６】縦波と横波の超音波は音響レンズ１４ｅ内
を伝播し、伝播速度の早い縦波が先に音響レンズ１４ｅ
から出射し、媒質１５を介して試料１６に放射される。
ついで、伝播速度の遅い横波が音響レンズ１４ｅの凹レ
ンズ面１４ｆに到達するが、上述のようにこの横波は媒
質１５に伝播されることはない。音響レンズ１４ｅ内で
縦波であった超音波は試料１６の表面で反射され、上述
と逆の経路を辿って音響レンズ１４ｅ内を伝播し、上部
電極１４ｂ下方の圧電素子１４ｃによって受信される。
圧電素子１４ｃは受信された反射波を電気信号に変換
し、この電気信号は上部電極１４ｂを介して外部に取り
出される。

【００３７】図６(ｄ)は、上部電極１４ｂにより取り出
された受信信号を示す。この図において、Ｔ₂：バースト波状の送信波Ｌ_L2：音響レンズ１４ｅ内を縦波で伝播し、凹レンズ面
１４ｆで反射したレンズ内反射波Ｓ_L2：音響レンズ１４ｅ内を縦波で伝播し、試料１６の
表面で反射された試料表面反射波Ｌ_S2：音響レンズ１４ｅ内を横波で伝播し、凹レンズ面
１４ｆで反射したレンズ内反射波Ｌ'_L2：Ｌ_L2の２回（多重反射波）である。

【００３８】図６(ｂ)、(ｄ)に示す信号は合成器１７に
より合成され、図６(ｅ)に示すような合成受信信号が出
力される。合成受信信号は受信器１８により増幅され、
ピークディテクタ１９に内蔵された不図示のゲート設定
手段により所望の反射信号（本実施例ではＳ_S1＋Ｓ_L2）
のみが抽出されてそのピーク値が検出される。

【００３９】本実施例では、上述のようにＳ_L1がゲート
設定用の基準信号として用いられ、Ｓ_S1＋Ｓ_L2がＶ(ｚ)
曲線測定用の信号として用いられる。より詳細には、Ｓ
_S1が従来の超音波顕微鏡における経路ｂの超音波、つま
り試料１６の表面を伝播した弾性表面波に相当し、Ｓ_L2
が従来の超音波顕微鏡における経路ａの超音波、つまり
試料１６の表面で反射される直接反射波に相当する。

【００４０】ゲート設定手段は、図６(ｆ)に示すよう
に、レンズ内反射波Ｌ_L1を含むような時間幅ｔ_Aのゲー
ト１を設定し、コンピュータ２０は、このゲート１の立
ち下がりから合成受信信号を監視し、所定のスレッショ
ルドレベルＶ_Sを越える信号が合成受信信号内に含まれ
た時点で図６(ｇ)に示すようなトリガ信号ＴＧ₃をゲー
ト設定手段に出力する。ゲート設定手段は、トリガ信号
ＴＧ₃の受信から所定遅延時間ｔ_D経過後に時間幅ｔ_Bの
ゲート２を設定し、このゲート２内にある合成受信信号
Ｓ_S1＋Ｓ_L2のみを抽出する。

【００４１】レンズ内反射波Ｌ_L1は、音響レンズ１４ｅ
の物性値が定まればその時間軸上の位置が一意的に定ま
る。したがって、ゲート１の時間幅ｔ_Aには、音響レン
ズ１４ｅの材質、レンズ長等から予め固定値を設定して
おくことができる。また、反射波Ｓ_L1とＳ_L2の時間差に
ほぼ相当する遅延時間ｔ_Dは、この時間差が微小である
ことから媒質１５、試料１６の温度等の環境はほとんど
変化しないと考えることができるため、音響レンズ１４
ｅ内を伝播する縦波および横波の伝播速度の差にのみ依
存すると考えられる。したがって、遅延時間ｔ_Dにも、
音響レンズ１４ｅの材質等から予め固定値を設定してお
くことができる。さらに、ゲート２の時間幅ｔ_Bにも、
バースト波の幅ｔ_w等を考慮して実験的に所定値を設定
しておくことができる。一例として、遅延時間ｔ_Dは次
式で与えられる。

【数２】ｔ_D＝ｌ（１／Ｃ_s−１／Ｃ_l）−ｔ_w／２ただし、ｌ：音響レンズ１４ｅのレンズ長Ｃs，Ｃl：音響レンズ１４ｅの横波および縦波の音速このようにして、反射波Ｓ_L1を基準とすれば、合成波Ｓ
_S1＋Ｓ_L2に確実にゲートを設定することができる。

【００４２】ピークディテクタ１９は、内蔵するゲート
設定手段により抽出された信号Ｓ_S1＋Ｓ_L2のピーク値を
検出し、コンピュータ２０に送出する。以降は、コンピ
ュータ２０がＸＹＺステージ２１を用いてプローブ１４
をＺ軸方向に移動させてデフォーカス量を増加させつつ
ピークディテクタ１９により信号Ｓ_S1＋Ｓ_L2のピーク値
を検出し、所定のＸＹ平面上におけるＶ(ｚ)曲線および
試料１６の弾性表面波速度Ｃ_Rを求め、さらにプローブ
１４をＸＹ平面上で移動させて上述の作業を繰り返すこ
とにより試料１６の弾性表面波速度Ｃ_Rの分布を求め
る。

【００４３】したがって、本実施例によれば、反射波Ｓ
_L1を基準としてゲートを設定して合成波Ｓ_S1＋Ｓ_L2のみ
を抽出しているので、媒質１５、試料１６の温度変化等
があってもこれに依存せずに確実に合成波Ｓ_S1＋Ｓ_L2に
のみゲートをかけてこれを抽出することができる。すな
わち、反射波Ｓ_L1および合成波Ｓ_S1＋Ｓ_L2の測定条件は
すべて同一と考えることができ、媒質１５の温度変化等
があって合成波の時間軸上の位置がずれたとしても、反
射波Ｓ_L1の時間軸上の位置もこれに連れてずれ、反射波
Ｓ_L1と合成波Ｓ_S1＋Ｓ_L2との時間軸上の相対的位置関係
は変化しないので、この反射波Ｓ_L1を基準として所定時
間ｔ_Dにゲートを開けば確実に合成波のみにゲートをか
けてこれを抽出することができる。また、基準となるべ
き反射波Ｓ_L1の位置も自動的に求めることができるの
で、測定者が手動で設定することなく自動的に合成波Ｓ
_S1＋Ｓ_L2の位置に追従するゲートを設定することができ
る。

【００４４】また、本実施例では、Ｖ(ｚ)曲線を形成す
る合成波Ｓ_S1＋Ｓ_L2を、経路毎にそれぞれ分割して別個
に送受信しているので、たとえばレーリー波の伝播減衰
が大きい物質（軟鋼、ステンレス鋼、銅合金など）につ
いて測定を行う場合はアッテネータ１１により送信波Ｔ
₁の出力を送信波Ｔ₂に対して大きくして合成波Ｓ_S1＋Ｓ
_L2が確実に干渉するようにできる。すなわち、近年では
試料の弾性表面波速度Ｃ_Rを正確に計測するためにＶ
(ｚ)曲線にＦＦＴ（高速フーリエ変換）を施してその周
期Δｚを求めることが行われているが、ＦＦＴにより周
期Δｚを正確に求めるためには５〜６周期程度の干渉波
が必要である。しかしながら、レーリー波の伝播減衰が
大きい物質では直接反射波（経路ａ）に対する弾性表面
波（経路ｂ）の強度比が非常に小さくなってしまい、こ
れら２つの波の干渉が生じなくなって速度計測に必要な
周期数が得られないおそれがあった。しかし、本実施例
では、直接反射波と弾性表面波とを経路毎にそれぞれ分
割して別個に送受信しているので、反射波Ｓ_S1と反射波
Ｓ_L2の強度比を調整することによりこれら反射波Ｓ_S1、
Ｓ_L2を干渉させて十分な周期数を有する干渉波（合成
波）Ｓ_S1＋Ｓ_L2を得ることができ、弾性表面波速度Ｃ_R
の計測精度を高めることができる。

【００４５】なお、本実施例のプローブ１４は、その圧
電素子１４ｃの結晶成長方向が音響レンズ１４ｅの中心
軸ＡＸに対して斜めになっているので、音響レンズ１４
ｅ内を伝播する超音波は円筒形プローブと同様に線集束
する。このため、試料１６表面の弾性表面波速度Ｃ_Rの
異方性も同時に測定できる。

【００４６】以上説明した実施例と請求の範囲との対応
において、発振器１０、１２は励振手段を、プローブ１
４は超音波探触子を、上部電極１４ａは第１の分割電極
を、上部電極１４ｂは第２の分割電極を、超音波振動子
Ｖ₁は第１の超音波振動子を、超音波振動子Ｖ₂は第２の
超音波振動子を、凹レンズ面１４ｆは凹面部を、曲面１
４ｈは傾斜面を、合成器１７は合成手段を、ピークディ
テクタ１９はゲート手段を、コンピュータ２０は制御手
段をそれぞれ構成している。なお、本発明の超音波検査
方法、超音波探触子および超音波顕微鏡は、その細部が
上述の一実施例に限定されず、種々の変形例が可能であ
る。

【００４７】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば、音響レンズ内を縦波で伝播して第１の超音波振動
子で受信された試料からの反射波を基準としてゲートを
設定して合成信号を抽出しているので、媒質、試料の温
度変化等があってもこれに依存せずに確実に目的とする
反射波にのみゲートをかけてこれを抽出することができ
る。また、基準となる反射波の位置も自動的に求めるこ
とができるので、測定者が手動で設定することなく自動
的に反射波の位置に追従するゲートを設定することがで
きる。また、請求項１および請求項２の発明によれば、
Ｖ(ｚ)曲線測定用の干渉波を作成する際に、縦波および
横波の伝播速度差により直接反射波と弾性表面波とを別
個に得ることができ、これら直接反射波および弾性表面
波の強度を独立に制御することにより音速測定等の物性
値測定の精度を向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例である超音波顕微鏡を示すブ
ロック図である。

【図２】一実施例のプローブの作用を示す図であり、
(ａ)は音響レンズ内を縦波が伝播した状態を示す概念
図、(ｂ)は音響レンズ内を横波が伝播した状態を示す概
念図である。

【図３】一実施例のプローブを示す図であって、(ａ)は
平面図、(ｂ)は断面図である。

【図４】一実施例のプローブの音響レンズ内を横波が伝
播した場合に媒質に伝播される超音波の状態を示す図で
あって、(ａ)は音響レンズの中心軸付近における状態を
示す図、(ｂ)は音響レンズの周辺部における状態を示す
図である。

【図５】(ａ)、(ｂ)ともに一実施例のプローブの製造方
法を示す図である。

【図６】一実施例の超音波顕微鏡の動作を説明するため
のタイミングチャートである。

【図７】従来の超音波顕微鏡の一実施例を示すブロック
図である。

【図８】Ｖ(ｚ)曲線の一例を示す図である。

【符号の説明】

Ｖ₁ 第１の超音波振動子Ｖ₂ 第２の超音波振動子１０、１２発振器１１、１３アッテネータ１４プローブ１４ａ、１４ｂ上部電極１４ｃ圧電素子１４ｄ下部電極１４ｅ音響レンズ１４ｆ凹レンズ面１４ｇ平坦面１４ｈ曲面１５媒質１６試料１７合成器１９ピークディテクタ２０コンピュータ２１ＸＹＺステージ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】超音波振動子で発生した超音波を音響レ
ンズを介して試料に照射し、この試料の表面で直接反射
して得られる直接反射波と前記試料表面近傍に励起され
た表面波との干渉波を前記超音波振動子で受信し、干渉
波の位相変化により前記試料の物性値を測定する超音波
検査方法において、前記超音波振動子で発生して前記音響レンズ内を横波で
伝播する超音波により前記表面波を励起させることを特
徴とする超音波検査方法。
【請求項２】音響レンズの一端部に、圧電体とこの圧
電体の上下面にそれぞれ設けられた円形の上部電極およ
び下部電極とが形成され、前記音響レンズの他端部に、
前記圧電体で発生して前記音響レンズ内を伝播する超音
波を放射する凹面部が設けられてなる超音波探触子にお
いて、前記圧電体は縦波および横波の２種類の超音波を発生す
るように形成され、前記上部電極は、円形の第１の分割電極とこの第１の分
割電極を取り囲むように形成された円環状の第２の分割
電極とを備え、前記第１の分割電極と前記下部電極との
間に挟まれた圧電体により第１の超音波振動子が形成さ
れ、前記第２の分割電極と前記下部電極との間に挟まれ
た圧電体により第２の超音波振動子が形成され、前記凹面部は、前記第２の超音波振動子からの超音波が
到達する部分が、前記音響レンズ内を伝播する横波の振
動方向と略平行な平坦面に形成され、前記第１の超音波
振動子からの超音波が到達する部分が、前記音響レンズ
から放射される超音波が集束するような傾斜面に形成さ
れていることを特徴とする超音波探触子。
【請求項３】励振信号により各々が縦波および横波の
２種類の超音波を発生する第１および第２の超音波振動
子と、前記第１および第２の超音波振動子がそれぞれ設けら
れ、これら第１および第２の超音波振動子からの超音波
を試料に向けて照射するとともに、前記試料で反射した
反射超音波を同じ前記第１および第２の超音波振動子に
入力する音響レンズと、前記第１および第２の超音波振動子のそれぞれに前記励
振信号を供給する励振手段と、前記音響レンズ内を縦波で伝播する前記試料からの反射
波が前記第２の超音波振動子により受信されるタイミン
グと、前記音響レンズ内を横波で伝播する前記試料から
の反射波が前記第１の超音波振動子により受信されるタ
イミングとが略同時になるように前記励振手段から前記
第１および第２の超音波振動子への前記励振信号の供給
を制御する制御手段と、前記第１および第２の超音波振動子で受信された受信信
号を合成して合成受信信号を作成する合成手段と、前記音響レンズ内を縦波で伝播する前記試料からの反射
波が前記第１の超音波振動子に受信されるタイミングを
検出して、このタイミングから、縦波と横波とが前記音
響レンズ内を往復する時間差だけ経過した後に前記合成
受信信号にゲートをかけて、前記第１および第２の超音
波振動子により略同時に受信された前記試料からの反射
波の合成信号を取り出すゲート手段とを備えたことを特
徴とする超音波顕微鏡。