JPS589063A

JPS589063A - 超音波顕微鏡

Info

Publication number: JPS589063A
Application number: JP56107402A
Authority: JP
Inventors: Noritoshi Nakabachi; 中鉢　憲賢; Junichi Kushibiki; 淳一櫛引
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1981-07-08
Filing date: 1981-07-08
Publication date: 1983-01-19
Also published as: US4459852A; JPH0136584B2; DE3225586C2; DE3225586A1

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】本発明は直線状に集束された超音波ビームを用いる超音
波顕微鏡に関する。

光の代わりに超音波を用いて物体の微視的な構造を観察
しようという考えは古くからあり、最近機械走査型超音
波顕微鏡が開発された。この超音波顕微鏡は、原理的に
は細く絞った円錐状の超音波ビームを被検査体面に照射
し、超音波ビームの焦点の位置を被検査体面内で移動さ
せたり、あるいは被検査体面に垂直方向に移動させたり
して、被検査体内の各点における弾性的性質の差異等に
よって生ずる超音波の反射波や透過波を超音波トランス
ジューサで集音して電気信号に変換し、その信号を陰極
線管の表示面に二次元的に表示し顕微鏡像を得たり、あ
るいはＸ−Ｙレコーダーに記録したりするものである。

超音波トランスジューサの配置により透過型と反射型と
に分けられる。

第１図は従来の集束超音波ビームを作るための方式の断
面図を示すもので、（ａ）図は音響レンズ方式を、（ｂ
）図は凹面トランスジューサ方式についての基本構成を
示すもので、構造は中心線に対して対称になっている。

音響レンズ方式では圧電型超音波トランスジューサ（１
）から固体音場媒体（２）中に平面波超音波を放射させ
る。その平面波超音波は固体音場媒体（２）の他端面に
半球面上に光学研磨構成され、さらに１／４波長反射防
止膜（４）を装着された音響レンズ部（３）によって円
錐型ビームに集束され、液体音場媒体（５）を介して、
被検査体（６）に照射される。一方、凹面トランスジュ
ーサ方式では、半球殻の金属板（７）の凹面上に１／４
波長反射防止膜（４）を装着し、さらに凸面上に直接形
成された圧電型超音波トランスジューサ（１）からなる
凹面トランスジューサにより無収差の円錐型集束超音波
ビームが作られ、液体音場媒体（５）を介して被検査体
（６）に照射される。

第２図は反射型の超音波顕微鏡のブロック図で、高周波
パルス発振器（８）からの信号は、方向性結合器（９）
を経て前記のような集束用超音波トランスジューサ（１
０）により集束超音波ビームとなり、液体音場媒体（１
１）を介して、被検査体保持板（１２）上に固定され、
ほぼ焦点近傍（Ｚ■０）に配置された被検査体（１３）
に照射される。保持板（１２）は走査装置（１４）によ
ってＸ及びＹ方向に移動される。もちろん、保持板（１
２）の代わりに超音波トランスジューサ（１０）をＸ及
びＹ方向に移動させてもよい。走査装置（１４）は走査
制御回路（１５）によって制御される。被検査体（１３
）より反射された反射波は再び超音波トランスジューサ
（１０）で集音され、電気信号に変換され、前記方向性
結合器（９）を経て表示装置（１６）へ供給され超音波
顕微鏡像が得られる。

一方、前述のような超音波顕微鏡装置において、Ｘ及び
Ｙ方向に走査せさず、第３図に示される如くＺ軸方向移
動装置（１７）上に配置された被検査体（１３）（例え
ば、固体物質）を、ビーム軸（Ｚ軸）に沿って超音波ト
ランスジューサ（１０）方向に近づくように移動させな
がらトランスジューサ出力を観測すると（ｂ）図に示さ
れる如く周期的に変化する曲線が記録装置（１９）に得
られる。この曲線はＶ（Ｚ）曲線と呼ばれている。その
周期性は物質に依存し、これは、集束超音波ビームのう
ちのＺ軸近傍からの反射波と、臨界角近傍のビームによ
って励起された漏洩弾性表面波の再放射した波との干渉
によるものであることが知られている。したがって、第
３図（ｂ）中の周期△Ｚを測定することにより、物質の
漏洩弾性表面波の速度を計算により求めることができる
。この周期△Ｚと音速との関係は近似的に次式で与えら
れる。

ここで、■：液体音場媒体（１１）の縦波速度、■：漏
洩弾性表面波速度、■：使用超音波周波数である。

故に、固体の音速を求めるためには、周期△Ｚを実測す
ればよいことになる。その一例が、１９７９年２月１日
発行の応用物理レター（ＡＰＰＬＩＥＤ　ＰＨＹＳＩＣ
ＳＬＥＴＴＥＲＳ）３４巻３号の１７９頁から１８１頁
にウェグライン（Ｗｅｇｌｅｉｎ）の論文で゛Ａｍｏｄ
ｅｌ　ｆｏｒｐｒｅｄｉｃｔｉｎｇ　ａｃｏｕｓｔｉｃ
　ｍａｔｅｒｉａｌ　ｓｉｇｎａｔｕｒｅｓ゛があり、
上記測定方法を用いて、種々の音速を有する広範囲の物
質について計測し、この方法が固体の音響特性の定量的
測定に有用であることを実験的に明らかにしている。

ところで、上述の音速測定においては従来、前記音響レ
ンズ方式あるいは凹面トランスジューサ方式によって円
錐型に絞られた集束ビームが用いられていた。この集束
ビームは二次元的に絞られており、そのビーム・ウェス
トは約一波長程度の大きさであり、そのビームの成分は
ビーム軸（Ｚ軸）のまわりの全方向に広がっている。し
たがって、上述したＶ（Ｚ）曲線による固体の音響特性
測定において、従来の円錐型集束ビームを用いると、被
検査体がＺ軸のまわりに異方性をもっていても、この方
向に依存した異方性による測定値の差異は検出されず、
平均値として測定されるという欠点があった。

本発明は上述のような欠点を解消するものであり、直線
状集束超音波ビームを用いる超音波顕微鏡に関するもの
である。以下、第４図、第５図、第６図を用いて詳細に
説明する。

第４図は、本発明を実施するための直線状集束超音波ビ
ームを得る一方法として、音響レンズ方式による実施例
を示す図である。固体音場媒体（２１）の一端に圧電型
超音波トランスジューサ（２０）を形成し、そのトラン
スジューサから固体音場媒体（２１）内に平面波を放射
させる。その平面波は固体音場媒体（２１）の他端面に
円筒凹面状に光学研磨構成され、さらに１／４波長反射
防止膜（２３）を装着させた直線状集束レンズ部（２２
）によって集束され、液体音場媒体（２４）を介して、
被検査体（２５）に照射される。第５図は直線状集束ビ
ーム焦点面での音場の分布を示す図である。（ａ）図は
Ｘ軸方向の分布で、半値幅は一波長程度である。（ｂ）
図はＹ軸方向の分布で、この方向には集束されていない
。すなわち、上記集束レンズによって作られた集束ビー
ムは第４図中の焦点面上の直交座標系で、Ｘ軸方向に一
波長程度に絞られ、Ｙ軸方向には絞られていない直線状
集束超音波ビームである。

第６図は上記直線状集束超音波ビームを用いて、固体の
音響特性のＺ軸のまわりの異方性を検出測定する方法を
示す説明図である。直線状集束超音波ビーム（２６）は
、液体音場媒体（同図中には示されていない）を介して
、被検査体（２７）に照射され、円錐型集束超音波ビー
ムを用いた場合と同様に、Ｚ軸方向に被検査体（２７）
を移動して前述したＶ（Ｚ）曲線を測定する。ディップ
の周期△Ｚと固体の漏洩弾性表面波速度との関係式は、
前記円錐型集束超音波ビームを用い場合に説明したもの
と全く同様である。その相違は、円錐型集束超音波ビー
ムを用いた場合には、Ｚ軸のまわりの平均値が測定され
るのに対し、直線状集束超音波ビームを用いた場合には
、一方向に対しての漏洩弾性表面波速度を測定できる。

第６図ではＸ方向の伝搬速度が測定できるのである。順
次、被検査体（２７）をビーム軸（Ｚ軸）のまわりに角
度θ回転して同様な測定を繰り返すことによって、Ｚ軸
のまわりの異方性を漏洩弾性表面波速度値の差異として
測定することができる。すなわち、本発明の場合には結
晶の異方性を角度θと音速の関係で表わすことができる
。

ここでは一実施例として、Ｚカット・サファイア（結晶
系３ｍ）を異方性被検査体としてとりあげた結果を示す
。第７図はＺカット・サファイア板のＺ軸のまわりの異
方性に起因する漏洩弾性表面波速度の伝搬方向（θ）依
存性を示したものであり、この場合の異方性はθ＝０°
からθ＝３０°までの音速との関係ですべての方向の特
性が決定されることを示している。表１は、０°■θ■
３０°の範囲に対して、その実測値と理論値とそれらの
差を示している。この実験例では、固体音場媒体（２１
）としてはＺカット・サファイア棒、液体音場媒体（２
４）としては水を用い、２０２ＭＨＺの超音波を使用し
た。

以上、本発明の直線状集束超音波ビームを用いた超音波
顕微鏡により、結晶の異方性あるいは任意の結晶カット
面の任意の方向に伝搬する漏洩弾性表面波速度を容易に
測定できることが立証されている。直線状集束超音波ビ
ームは、等方性被検査体に適用してもよいことはもちろ
んである。なお、上記実施例では直線状集束超音波ビー
ムは１個だけの場合について説明したが、被検査体にＺ
軸のまわりに異方性がある場合、その異方性を十分に検
出するためには多くの伝搬方向に対応するθに対して測
定を繰り返さねばならない。その手間をはぶくための改
善案として、第８図に示される如く複数個の直線状集束
超音波ビームを発生、検出できるように配列構成すると
、複数個の所望方向に伝搬する音波の速度を検出できる
。ここに示された図面は音響レンズに対しての実施例で
、平面波超音波トランスジューサ（２９）が構成される
固体音場媒体（２８）の平端面側から見た図であり、そ
の平端面に必要な個数だけ平面波超音波トランスジュー
サ（２９）が構成され、その反対側には、各々のトラン
スジューサに対応する円筒凹面状に光学研磨された直線
状集束レンズがある。このように複数個の集束レンズの
ものによる前記Ｖ（Ｚ）曲線を電子的切換器等の手段を
用いて同時に記録でき、それから各々の方向に伝搬する
音速を計測できる。さらに被検査体を必要な角度だけ回
転し、測定を繰り返すことによって結晶の異方性をより
少ない時間で測定、検出できるという特徴を与えられえ
る。また、これまでは第４図に示したように音響レンズ
によって直線状集束超音波ビームを作る方法を示したが
、この集束ビームを得る方法としては第９図に示される
ような方式によって形成されることもとろんである。

（ａ）図は半円筒凹面状に加工された基体（３０）（金
属あるいは固体）の凹面部分に直接圧電型超音波トラン
スジューサ（３１）を構成して、直線状集束超音波ビー
ムを得る方式である。（ｂ）、（ｃ）図は半円筒殻状に
加工された基体（３２）（金属あるいは固体）の凹面あ
るいは凸面上に圧電型超音波トランスジューサ（３１）
を直接構成し、直線状集束超音波ビームを得る方式であ
る。その他、位相配列型超音波トランスジューサによる
方式あるいはフレネルゾーン・プレート型超音波トラン
スジューサによる方式等によって、容易に直線状集束超
音波ビームを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の円錐型集束超音波ビームを作るための方
式の説明図、第２図は反射型超音波顕微鏡の原理を示す
図、第３図は反射型超音波顕微鏡による音速測定の原理
を示す図、第４図は本発明の直線状集束超音波ビームを
得るための一実施例を示す音響レンズの図、第５図は音
響レンズによって得られた直線状集束超音波ビームの焦
点面上での音場分布を示す図、第６図は直線状集束超音
波ビームによる固体の異方性検出の原理を示す説明図、
第７図は実験用被検査体としてのＺカット・サファイア
のＺ軸のまわりの異方性を示す理論曲線図、第８図は複
数個の直線状集束超音波ビームを配列構成した例を示す
図、第９図は直線状集束超音波ビームを得るための他の
実施例を示す図である。（１）（２０）（３１）圧電型超音波トランスジューサ
、（２）（２１）（２８）固体音場媒体、（３）音響レ
ンズ部、（４）（２３）１／４波長反射防止膜、（５）
（１１）（２４）液体音場媒体、（６）（１３）（２５
）（２７）被検査体、（７）半球殻の金属板、（８）高
周波パルス発振器、（９）方向性結合器、（１０）集束
用超音波トランスジューサ、（１２）保持板、（１４）
走査装置、（１５）走査制御回路、（１６）表示装置、
（１７）Ｚ軸方向移動装置、（１８）移動制御回路、（
１９）記録装置、（２２）直線状集束レンズ部、（２６
）直線状集束超音波ビーム、（２９）平面波超音波トランスジューサ、（３０）（３
２）基体、（３３）円筒状凹面特許出願人　中鉢　憲賢特許出願人　櫛引　淳一

Claims

【特許請求の範囲】

超音波顕微鏡において、直線状に集束する超音波ビーム
を用いることを特徴とする超音波顕微鏡。