JPS59206758A - 超音波顕微鏡装置 - Google Patents

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、集束超音波ビームを用いて被検査物体の音響
特性、すなわち漏洩波の音速及び伝搬減衰量を計測する
超音波顕微鏡装置に関するものである。

近年、集束した超音波ビームを用いて物体の微視的ある
いは巨視的な構造および音響特性を観察・測定する機械
走査型超音波顕微鏡が開発された。この超音波顕微鏡は
、原理的には円錐状に集束された超音波ビームを被検査
体に照射し、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
差異等によつて生ずる超音波の反射波あるいは透過波を
超音波トランスジユーサで検出して、電気信号に変換し
、その信号を陰極線管面上に二次元的に表示して超音波
顕微鏡像を得たり、あるいはＸ−Ｙレコーダー等に記録
したりするものである。集束超音波ビームを形成するた
めの変換器としては、代表的にはレンズ方式によるもの
、凹面あるいは凸面の球面上に超音波変換器を構成した
方式によるもの等がある。また、超音波トランスジユー
サの配置により透過型と反射型の超音波顕微鏡に分類さ
れる。

第１図は反射型の超音波顕微鏡のブロツク図で、高周波
パルス発振器（１）からの電気信号は、方向性結合器（
２）を経て、前記のような集束用超音波トランスジユー
サ（３）により集束超音波ビームとなり、液体音場媒体
（４）を介して、被検査体保持板（５）上に固定され、
ほぼ焦点近傍に配置された被検査体（６）に照射される
。保持板（５）は走査装置（７）によつてＸ及びＹ方向
に移動される。もちろん、保持板（５）を移動させる代
わりに超音波トランスジユーサ（３）をＸ及びＹ方向に
移動させてもよい。走査装置（７）は走査制御回路（８
）によつて制御される。被検査体（６）より反射された
反射波は再び超音波トランスジユーサ（３）で集音され
、電気信号に変換され、前記方向性結合器（２）を経て
表示装置（９）へ供給され超音波顕微鏡像が得られる。

このような超音波像から被検査体の音響的特性を場所の
関数として読みとる計測法は超音波顕微鏡による画像計
測と呼ばれている。この画像計測においては、超音波顕
微鏡装置は被検査体を、集束超音波ビームの液体音場媒
体（通常は水が使用される）における焦点面上に配置さ
せて超音波像を撮像するばかりでなく、焦点面から積極
的にずらして使用されることが多い。これは、超音波顕
微鏡装置の特徴であり、従来の光学顕微鏡および電子顕
微鏡等で観測できない被検査体内部の変化をコントラス
トよく観測することができる。

一方、前述の画像計測のための超音波顕微鏡を改良して
被検査体の音速を測定する音速測定装置が開発されてい
る。これは、超音波顕微鏡において、Ｘ及びＹ方向に走
査させず、第２図に示されるようにＺ軸方向移動装置（
１１）上に配置された被検査体（１０）（例えば、固体
物質）を、移動制御装置（１２）によつて、ビーム軸（
Ｚ軸）に沿つて超音波トランスジユーサ（３）方向に近
づくように移動させながらトランスジユーサ出力を観察
するようにした装置である。トランスジユーサの出力は
（ｂ）図に示されるような周期的に変化する曲線となつ
て記録装置（１３）に描かれる。この曲線はＶ（ｚ）曲
線あるいは音響特性化曲線と呼ばれている。その周期性
は物質に依存し、これは被検査体（１０）に照射される
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つて励起された漏洩弾性波の再放
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
。したがつて、第２図（ｂ）中の周期△Ｚから、漏洩弾
性波の速度を計算により求めることができる。この周期
△Ｚと音速の関係は近似的に次式で与えられる。

△Ｚ＝ｖｌ／｛２ｆ（１−ｃｏｓθｓ）｝θｓ＝ｓｉｎ
−１（ｖｌ／ｖｓ） ここで、θｓｉ臨界角，ｖｌ；液体音場媒体（４）の縱
波速度、ｖｓ；漏洩弾性波速度、ｆ；使用超音波周波数
である。したがつて、この音速測定装置では周期△Ｚを
実測することによつて、固体の音速を定量的に求めるこ
とができる。このことから、本測定は被検査体の音響特
性の超音波顕微鏡による定量計測と呼ばれている。

さらに、上述のＶ（Ｚ）曲線に基づく音速測定において
前記の円錐状に集束された超音波ビームを用いると、微
小部分に対しての音響特性を検出できるという特徴をも
つているが、そのビーム形状の対称性により、ビームの
成分はビーム軸のまわりの全方向に広がつているために
、被検査体がＺ軸のまわりに異方向をもつている場合に
は、方向に依存した異方性の検出はできず、音速は平均
値として測定される。異方性検出のため超音波トランス
ジユーサ電極を分割する方法等も試みられているが定量
性に乏しい。そこで、異方性をも含めて定量的に精密な
計測を行なうため、直線状に集束された超音波ビーム（
直線状集束超音波ビーム）を用いる超音波顕微鏡が提案
されている（特願　昭５６−１０７４０２号参照）。

第３図は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（１５）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（１６）に照射され、上述の円錐状に集束された超
音波ビームを用いた場合と同様に、Ｚ軸方向に被検査体
（１６）を移動しながらＶ（Ｚ）曲線を記緑する。デイ
ツプの周期△Ｚと固体の漏洩弾性波速度との関係式は円
錐状に集束された超音波ビームを用いた場合において説
明したものと全く同様である。第３図では、Ｘ方向にだ
け漏洩弾性波を励振できるため、Ｘ方向の伝搬速度を測
定できる。順次、被検査体（１６）を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つてＺ軸の
まわりの異方性を漏洩弾性波速度値の差異として測定す
ることができる。すなわち、上記直線状集束超音波ビー
ムを使用した場合には、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。

以上のような測定法に基づいて音速決定を行なうために
は、Ｖ（Ｚ）曲線中のデイツプ周期が規則的にあらわれ
ることが必要である。しかしながら、一般に複数個の漏
洩弾性波モードがＶ（Ｚ）曲線における波の干渉現象に
関与する場合には、Ｖ（Ｚ）曲線中のデイツプ周期およ
び波形に乱れが生ずる。このような場合には単純にはそ
の曲線からデイツプ周期△Ｚを正確に求められないこと
が多く、Ｖ（Ｚ）曲線から漏洩波の速度を測定するのが
困難となる。

最近、そのような歪んだＶ（Ｚ）曲線から被検査体の正
確な音響情報を抽出するため、「複数個の漏洩弾性波モ
ードが存在する被検査体に対して得られる複雑なＶ（Ｚ
）曲線は、各々のモードだけが存在すると仮定した場合
に得られるＶ（Ｚ）曲線の重ね合わせとして考えること
ができる」という原理に基づき、フーリエ変換等の波形
解析手法を用いて解析する機能を有する超音波顕微鏡装
置が発明された（特願　昭５８−０５８３６８）。

その装置によれば、測定されたＶ（Ｚ）曲線に波形解析
手法として、フーリエ変換等の操作を施し、周波数領域
で、各々のモードをそれぞれに対応した周波数スペワト
ラムとして他のモードから分離し、各々のモードに対し
て対応するデイツプ周期△Ｚを算出し、前述したデイツ
プ周期△Ｚと漏洩弾性波速度ｖｓとの関係式にもとづい
て、各々のモードの漏洩弾性波速度を決定するものであ
る。

以上のような測定は、被検査体の音響特性を微視的部分
あるいは巨視的部分において定量計測することを目的と
したものである。超音波顕微鏡装置によつて記録された
Ｖ（Ｚ）曲線には被検査体のあらゆる弾性的情報が含ま
れているが、上記音速測定は、その一部の情報の抽出で
ある。

Ｖ（Ｚ）曲線中には干渉振幅等の形状に大きな影響を及
ぼす重要な因子：干渉に関与する漏洩波の伝搬減衰も含
まれている。超音波顕微鏡装置における液体音場媒体と
被検査体との間の境界面上を伝搬する漏洩波の伝搬に伴
う音波振幅の減衰は、主に次の３つの要因：（１）被検
査体への液体の音響的負荷に基づく音波エネルギーの液
体中への放射による減衰、（２）被検査体自体の音波吸
収機構による減衰、（３）被検査体表面の粗さによる音
波の散乱や、漏洩波エネルギーが分布する被検査体内部
に存在するワラツワ、気泡粒界等に代表されるような被
検査体内部の構造因子による音波の散乱による減衰、に
よつて引き起こされると考えられる。したがつて、Ｖ（
Ｚ）曲線に関与する１個、あるいは複数個の漏洩波の伝
搬減衰を測定することによつて、被検査体の音響インピ
ーダンス、表面状態や内部構造を知ることができる。こ
の漏洩波の伝搬減衰をＶ（Ｚ）曲線から決定する方法に
は、今までのところ大きく分けて２つの方法が円錐状に
集束された超音波ビームに対して提案され、試みられて
いる。１つの方法は測定されたＶ（Ｚ）曲線中に表われ
るデイツプの深さ、あるいは干渉振幅の大きさを、理論
計算で求めたＶ（Ｚ）曲線と対比して、その減衰を推定
する方法である。もう１つの方法は、図４に示すように
中心軸近傍の超音波ビーム成分を除去するため、レンズ
の中央付近に吸音材（２０）をつけたり（（ａ）図）、
超音波トランスジユーサの電極に工夫をこらし、測定に
適切な音場を使用したりして（（ｂ）図）、Ｖ（Ｚ）曲
線における中心軸付近の超音波ビームに対しての超音波
トランスジユーサの応答をとり去ることによつて、漏洩
波振幅の減衰を、Ｚ軸移動距離に対して直接的に測定す
る方法である。しかしながら、これらの減衰測定方法に
は以下に示すような重大な欠点がある。すなわち、前者
の測定法に対しては、理論計算との比較のため手間が非
常にかかるうえ、理論計算における近似のため、実際の
実験との対応が不完全であり、測定精度が不十分である
。また、後者の測定法では、漏洩波の減衰決定を行なう
には、最終的に漏洩波の速度を使用しなければならない
ので、その音速を、通常のＶ（Ｚ）曲線法あるいは他の
方法に頼つて別に測定しておかなければならないといつ
た不便がある。

本発明は上記従来例の欠点を解消するものであり、測定
されたＶ（Ｚ）曲線から関与する漏洩波の音速と減衰を
一緒に計測できる機能を有する超音波顕微鏡装置に関す
るものであり、以下、図面を用いてその計測原理と実測
手順を詳細に示す。

第５図はその測定原理の説明図で、一例として集束超音
波ビームには、音響レンズ方式による直線状集束超音波
ビームをとりあげた場合の断面図である。ここでは簡単
のため、被検査体と液体音場媒体との境界には漏洩波モ
ードとしては漏洩弾性表面波だけが存在するものとする
。先に音速測定の原理で述べたように、超音波トランス
ジユーサ（１８）の出力であるＶ（Ｚ）、実効的にはレ
ンズ中心軸近傍から入射して被検査体（１６）で反射さ
れた後に超音波トランスジユーサ（１８）に戻る成分＃
０と、漏洩弾性表面波臨界角θｌｓａｗで入射し、被検
査体表面をある距離伝搬した後に水中に再放射されて超
音波トランスジユーサ（１８）に戻る成分＃１によつて
構成され、この２つの波の干渉によつて周期的なデイツ
プが現れると考えられる。この出力Ｖ（Ｚ）は図６に示
されるように直線状集束超音波ビーム用超音波トランス
ジユーサとレンズの形状と動作周波数により決定される
基準信号曲線ＶＲ（Ｚ）の上に漏洩弾性表面波成分と中
心軸近傍の反射波成分との干渉波形が重畳したものであ
る。したがつて、実測されたＶ（Ｚ）曲線から基準信号
曲線ＶＲ（Ｚ）を差し引いた曲線は、漏洩弾性表面波速
度に対応するデイツプ周期△Ｚをもち、漏洩弾性表面波
の伝搬長と関連して減衰する正弦波の干渉出力波形ＶＩ
（Ｚ）として表現できる。したがつて、出力Ｖ（Ｚ）は
近似的に次式で表わすことができる。

Ｖ（Ｚ）＝ＶＩ（Ｚ）＋ＶＲ（Ｚ） ここで ＶＩ（Ｚ）＝Ｃ・ＡＴＴ・ｓｉｎ（ζ｜Ｚ｜＋Φ）ｒ＝
２πｆα／ｖｌｓａｗ ｔ（Ｚ）＝ＡＢ＝ＣＤ ζは＃０と＃１との間の単位伝搬長当りの相対位相差、
Φは焦点面Ｚ＝０での＃０と＃１との間の初期位相差、
Ｃは任意定数である。また、ｆは超音波周波数、αｗは
液体音場媒体における縦波音波の減衰定数、ｖｌｓａｗ
は漏洩弾性表面波の位相速度、αは規格化伝搬減衰定数
である。

したがつて、液体音場媒体の音響特性（音速、減衰定数
）が既知のとき干渉波形出力ＶＩ（Ｚ）を実験的に抽出
すれば、その周期性から漏洩弾性波の速度を、また干渉
波形の減衰の傾きから伝搬減衰量を決定できる。その実
験手順の一例を以下に示す。

（ａ）Ｖ（Ｚ）曲線を記録する。

（ｂ）デジタル・フイルター技術等の手法を用いて測定
したＶ（Ｚ）曲線からＶＲ（Ｚ）を抽出合成する。

（ｃ）Ｖ（Ｚ）からＶＲ（Ｚ）を差し引きＶＩ（Ｚ）を
抽出する。

（ｄ）ＶＩ（Ｚ）の周期性よりｖｌｓａｗを決定する。

（ｅ）ＶＩ（Ｚ）からＡＴＴを測定する。

（ｆ）ＡＴＴから液体音場媒体のαｗを用いてαを決定
する。

このように本発明は上記測定原理に基づき、測定した１
つのＶ（Ｚ）曲線から、被検査体に対しての漏洩波の音
速と減衰定数を抽出・決定することができるようにした
超音波顕微鏡装置である。

以下、実施例を詳細に説明する。

第７図は一実施例としてデイジタルフイルター技術およ
び高速フーリエ変換等による信号処理をした場合の超音
波顕微鏡装置のブロツク図を示したものである。被検査
体（１０）に対してＶ（Ｚ）曲線を記録装置（１３）に
記録し、波形処理用計算機（１９）で波形処理と解析を
行ない、漏洩波の音速と減衰を一緒に測定できる。

ここでは直線状集束超音波ビームを使用した音響特性測
定のための超音波顕微鏡装置によつて、被検査体として
光学研磨した等方性の溶融石英（ＳｉＯ２）について行
つた測定実施例を示す。液体音場媒体としては水を使用
し、水と溶融石英被検査体との境界面に存在伝搬できる
漏洩弾性表面波を測定対象とする。実験は曲率半径１．
０ｍｍの直線状集束超音波ビーム用サフアイア・レンズ
を使用し、超音波周波数２２６．３ＭＨｚで行つた。第
８図（ａ）および（ｂ）は前記測定手順によつて測定さ
れたＶ（Ｚ）曲線およびＶＩ（Ｚ）曲線である。第８図
（ｃ）は（ｂ）図を常用対数表示したものである。（ｂ
）図より音速測定ができデイツプ周期△Ｚ＝３３．１μ
ｍより、漏洩弾性表面波速度ｖｌｓａｗ＝３４３２ｍ／
ｓが算出された。また、（ｃ）図より、ＶＩ（Ｚ）曲線
に対しては１０３ｄＢ／ｍｍの減衰量が測定され、水の
減衰定数（２０℃でαｗ／ｆ２＝２５．３×１０−１７
ｎｅｐｅｒｓ２／ｃｍ）を考慮すると、規格化減衰定数
はα＝３．６４×１０−２と決定された。この溶融石英
に対しての実験例においては、漏洩弾性表面波の減衰に
対しては、水の溶融石英に対する音響員荷による減衰に
比し、固体内での吸収減衰および固体の表面および内部
における散乱減衰等は無視できるので、測定減衰量は音
響負荷減衰量αｌｓａｗに対応すると考えられる。理論
計算と比較した結果を表１に示す。

表１　測定値と理論計算値の比較 音速　ｖｌｓａｗ（ｍ／ｓ）　規格化減衰定数αｌｓａ
ｗ測定値　計算値　測定値　計算値 ３４３２　３４３０　３．６４×１０−２　３．８２×
１０−２速度は０、１％以内、減衰定数は５％以内で、
理論計算値とよく一致している。

以上、本発明の超音波顕微鏡装置を使用することによつ
て、被検査体の音響特性（漏洩波速度および伝搬減衰量
）を１つのＶ（Ｚ）曲線から容易にしかも十分な測定精
度で測定できることが立証された。ここでは本発明の測
定原理を直線状集束超音波ビームに対して適用した実施
例を述べたが、同様に、円錐状に集束された超音波ビー
ムを使用した場合に適用できることもちろんである。そ
の場合には微視的領域における音響特性の定量計測が可
能となり、前述した被検査体の超音波像による画像計測
と音響特性の定量計測との対応を可能とする。また、被
検査体に異方性がある場合、直線状集束超音波ビームを
用いれば漏洩波の伝搬方向に対しての音速の変化、伝搬
減衰量の変化として容易にその異方性を検出できること
もちろんである。さらに、上記実施例では液体音場媒体
と被検査体の境界面に唯一の漏洩波が存在するとした場
合について説明したが、複数個の漏洩波が関与する場合
には、フーリエ変換技術およびフイルター技術を使用す
ることによつて、それぞれの漏洩波モードを分離できる
ので、この場合にも上述の測定法によつて速度、伝搬減
衰を定めることができる。なお、上記音響特性の測定手
順および実施例においては、基準信号曲線ＶＲ（Ｚ）と
して、フイルターリング技術によつて抽出された曲線を
使用する場合について詳述したが、顕著に漏洩波が励振
されないような固体材料、例えば二酸化テルル（ＴｅＯ
２）などにおいては、Ｖ（Ｚ）曲線にはつきりとした干
渉波形が現われないので、このＶ（Ｚ）曲線を上記の基
準信号曲線ＶＲ（Ｚ）として使用することもできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は反射型超音波顕微鏡の原理を示す図、第２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
３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４図は従来の漏洩波の伝搬減衰を
直接的に測定する方法の説明図、第５図は本発明の測定
原理を説明する図、第６図はＶ（Ｚ）曲線とＶＲ（Ｚ）
曲線の関係を示す図、第７図は本発明の一実施例として
波形処理用計算機を用いた場合の被検査体の音響特性測
定のための超音波顕微鏡装置のブロツク図、第８図は実
験用被検査体として溶融石英（ＳｉＯ２）に対して得ら
れたＶ（Ｚ）曲線とＶＩ（Ｚ）曲線を示す図である。 （１）高周波パルス発振器、（２）方向性結合器、（３
）集束用超音波トランスジユーサ （４）液体音場媒体、（５）保持板、（６）（１０）（
１６）被検査体、（７）走査装置、（８）走査制御回路
、（９）表示装置、（１１）Ｚ軸方向移動装置、（１２
）移動制御装置、（１３）記録装置、（１４）（１８）
圧電型超音波トランスジユーサ、（１５）直線状集束超
音波ビーム、（１９）波形処理用計算機（２０）吸音材
、（２１）音響レンズ 特許出願人　中鉢　憲賢 特許出願人　櫛引　淳一

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 集束超音波ビームを用いて被検査物体の音響特性を計測
   することを目的とした超音波顕微鏡装置において、その
   集束超音波ビームの検出器出力波形から関連する音波の
   速度と一緒に音波の伝搬減衰量を計測する手法と機能を
   備えたことを特徴とする超音波顕微鏡装置。