JPS61120962A - 超音波顕微鏡用音響レンズ - 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】 ［発明の技術分野〕 本発明は、特に１ｅａｋｙ−ｓｕｒｆａｃｅ　ｗａｖｅ
と呼ばれる表面波を効率良く受信可能とする超音波顕微
鏡用音響レンズに関する。

［発明の技術的背景とその問題点］ 近年、超音波顕微鏡は、光学的顕微鏡では得られない音
響的情報が得られるため、注目されるようになっている
。

一般に、超音波顕微鏡で使用される周波数は数１００Ｍ
Ｈｚ以Ｆであるため、試料内部等での減衰が大きくなり
、多くの場合反射波を利用する反射型超音波顕微鏡が広
く用いられる。この反射型超音波顕微鏡は、音響レンズ
を経て収束された超音波パルスを、試料に照射し、反射
パルスを受信し、試料表面及び内部の弾性的情報を得て
、表示装置に画像として表示するものである。

ところで、音響レンズを経て試料に超音波パルスを照射
する場合、一般に水等の液体が超音波伝播媒体として介
在されるが、この液体一固体界面において、液体側から
超音波を入射させると、１ｅａｋｙ−ｓｕｒｆａｃｅ　
ｗａｖｅ　（以下ＬＳ波と略す。）と呼ばれる表面波が
励起される。

上記ＬＳ波は、第４図に示すようにＲａｙｌｅｉｇｈ角
θＲと呼ばれる（対象物における）液体−固体系に固有
の角度で、入試角には関係なくリークしていく。又、こ
のリークが始まるのが、入射点直後ではなく、系と超音
波の周波数によって決まる距１１（長さ）の間、試料表
面をリークすることなく伝播し、その後にリークを始め
る。（この長さを以下、Ｒａｙｌｅｉｇｈ　Ｐａｔｈ長
という。）上記ＬＳ波の伝播速度、Ｒａｙｌｅｉｇｈ　
Ｐａｔｈ長は、固体表面の弾性的性質の微妙な変化を反
映するため、試料の表面に対する固体物性等を調べる有
力な手掛りになると考えられる。

ところで、従来の超音波顕微鏡用音響レンズ１は第５図
（ａ）に示す構造をしている。

即ち、円柱状の一方の端面（上端面）は、該円柱の軸と
直交する平面に仕上げられ′□、この面には円板状の超
音波送受用の圧電体（トランスデユーサ）２が取付けら
れ、他方の端面は中心部が球面状に切欠かれた凹曲面が
形成され、この凹曲面の外周は中央側が若干突出するテ
ーパ状に切欠かれている。しかして、圧電体２両面に形
成されている電極に印加される高周波パルスによって、
該圧電体２は圧電撮動で励振され、励振された超音波が
音響レンズ１を伝播し、凹曲面で前方に集束されながら
介在された水３を経て試料４側に送出されるようになっ
ている。

この場合第５図（ａ）に示すように試料表面に焦点を合
わせた状態ではＬＳ波は殆んど凹曲面外側にリークして
いくためこれを受信することはできない。又、第５図（
ｂ）に示すように、試料４表面下に焦点を合わせた状態
では、一応ＬＳ波を受信できる。この場合、試料４によ
る通常の反射波とり、　Ｓ波の時間的な関係は第６図に
示すように時間的にずれがあり、圧電体２の電極から取
り出される電気信号出力をオッシロスコープ等で観測す
ることができる。

従来では、上記のように焦点を試料４の表面下に設定し
て、しＳ波を受信し、第６図の電気信号を電気回路によ
って時間的に分離してＬＳ波のみを分離していた。

しかしながら、上記従来の方法では以下のような欠点が
ある。

（１）試料表面からの反射波とＬＳ波を時間的に十分分
離できるように大きい時間差をもたせるためには、表面
下の深い位置に合焦されなければならないため、しＳ波
の励起に使われる入射波のパワーが小さく、したがって
、ＬＳ波の受信出力もきわめて小さくなること。

（２）音響レンズ内にはいろいろなモードの内部反射が
存在し、第６図のように、反射波としＳ波が内部反射波
から独立して受信される時間領域が非常にせまいものと
なり、ＬＳ波を内部反射波から完全に分離することがむ
ずかしい。

（３）入射波の焦点は、固体試料内部にあるため、内部
に弾性的不均一があれば反射波が発生し受信される。こ
の内部よりの反射波とＬＳ波は時間的に非常に近接し分
離できなくなる。

（４）試料表面において入射波はｄｅｆｏｃｕｓ状態で
あれるから、試料のどの点を励起したのか、明確に定義
できない。すなわち、空間分解能がおちる。

［発明の目的］ 本発明は上述した点にかんがみてなされたもので、試料
表面及び内部の反射波から空間的に分離でき、良好なｓ
／ＮのもとてＬＳ波を受信できる超音波顕微鏡用音響レ
ンズを提供することを目的とする。

［発明の概要］ 本発明は曲率が互いに異る２つのレンズ面を有し、一方
の曲率面を用いて、表面に焦点のあった超音波パルスを
入射させて表面波を励起し、他方の曲率面によって、Ｌ
Ｓ波のみを受信できるようにすると共に、送信用の電極
と、しＳ波受信用の電極を別々にすることにより、ＬＳ
波のみを有効に取り出せるようにしである。

［発明の実施例］ 以下、図面を参照して本発明を具体的に説明する。

第１図及び第２図は本発明の１実施例を示し、第１図は
側面断面図、第２図は平面図を示す。

第１図及び第２図に示すように、略円柱形状のサファイ
ア、石英等の材質からなる（音響）レンズ母体１１の一
方の端面（上端面）は円柱の軸と直交する平面状にされ
て、この中心部にｚｎ　ｏ。

ＬｉＮｂ０ａ等の圧電体く超音波トランスデユーサ）１
２が取付けられている。

上記圧電体１２は円板形状で、レンズ母体１１の上端面
に取付けられる一方の片面には全面にアース側電極１３
が設けられており（図示では電極１３が片面より大きい
面積で設けられているが、同一大きさでも良い）、他方
の片面には第２図に示すように圧電体１２の半径より小
さい半径ｒ１の送信用電極１４と、この電極１４の外周
に離間して同心となるリング電極１５が設けである。

一方、上記レンズ母体１１の他方の端面（下端面）は、
円柱の中心軸上に、その曲率中心がある曲率半径Ｒ１の
球面で切欠いた凹曲面（凹球面）１６と、この円柱の中
心軸上に、その曲率中心がある曲率半径Ｒ２の球面で前
記凹曲面１６に隣接する外周側を切欠いた凹曲面（凹球
面）１７とが形成されたレンズ面が形成されており、こ
の凹曲面１７外周側は上端面と平行となる面（又は内側
が若干突出する形状でも良い）にしである。

上記２つの曲率半径Ｒ１，Ｒ２は、内側に形成した凹曲
面１６の曲率半径Ｒ１よりも外側の凹曲面１７の曲率半
径Ｒ２が大きくなるようにしである。つまり凹曲面１６
は、焦点０１に向けて円錐状に収束した超音波を介在さ
せたく超音波伝播媒体としての）水１８を経て固体試料
１９の表面に送信できるようにすると共に、この焦点０
１からＲａｙｌｅｉｏｈ　Ｐａｔｈ長程離れたリング状
部分からリークするＬＳ波を曲率半径Ｒ２の凹曲面１７
で音響レンズ側に取り込めるようにしである。上記試料
１９の表面に収束して照射された超音波が、該試料１９
０表面で反射された場合の反射波と、ＬＳ波との空間的
分離がより良好に行われるように、凹曲面１６．凹曲面
１７と電極１４．１５等は次のように設定しである。

送信用電極１４の半径ｒ１は、第１図に示すように凹曲
面１６の最外周円、つまり凹曲面１６とその外側の凹曲
面１７との境界円ａの半径ｒ２よりも小さくしである。

一方、この電極１４の外周側に離間して形成されている
リング電極１５についても、焦点０１からの反射波の取
り込みを少くするために、上記境界円ａの半径ｒ２より
大きい半径ｒ３を内径とするリング電極１５が形成され
、このリング電極１５の外径ｒ４は凹曲面１７の外側境
界円すの半径ｒ５の内側となるようにして、ＬＳ波以外
の部分から入射される超音波を取り込まないようにしで
ある。

このように構成された１実施例の音響レンズの作用を以
下に説明する。

第１図に示すように、曲率半径Ｒ１の焦点０１に固体試
料１９表面が位置するように配置する。

しかして、送信用電極１４とアース電極１３間に励振用
高周波パルスを印加し、音響レンズを経て曲率半径がＲ
１の凹曲面１６から次第に収束される超音波パルスが送
信（送出）され、この送信された超音波パルスは固体試
料１９の表面の焦点０１で点状に収束される。ここに収
束された超音波エネルギーの一部は反射され、この場合
０１が曲率半径Ｒ１の焦点であるので、送信の場合と同
様の経路を通り、電極１４側に戻る。

又、上記焦点０１に照射された超音波エネルギーの一部
は、Ｒａｙｌｅｉｇｈ波となり、焦点ｏ１を中心とし、
例えば試料１９が等方向であると環状に伝播する表面波
となり、Ｒａｙｌｅｉｏｈ　Ｐａｔｈ長を半径とする円
の外側に達したところからこの半径より拡角する斜め方
向にリークしてい＜ＬＳ波となる。

このしＳ波のリークは、第１図に示すように、曲率半径
Ｒ２の焦点０２から出射されると近似できるような経路
となり、従って、曲率半径Ｒ２の凹曲面１７のレンズ部
分で効率良く取り込まれ、この凹曲面１７に略対向する
上端面の圧電体１２を励振して、この部分に設けられた
ＬＳ波受信用のリング電極１５から電気信号として出力
される。

従って、この第１実施例によれば、固体表面からリーク
するしＳ波が反射波と空間的に十分分離されて取り込ま
れるので、リング電極１５から出力される電気信号は反
射波と十分に分離されたＳ／への良好なＬＳ信号となる
。尚、反射波もＬＳ波と十分分離して取り出すこともで
きる。

第３図は本発明の第２実施例を示す。

この第２実施例においては、第１図における音響レンズ
の上端面に設けた圧電体１２を２つに分離し、円板状の
圧電体１２Ａと、この外周に離間して同心となるリング
状の圧電体１２Ｂにしである。圧電体を２つに分けて反
射波とＬＳ波とをより確実に分離できるようにしたもの
であり、これ以外の部分は第１実施例と同様の構造であ
る。この第２実施例は第１実施例と略同様の作用効果を
有する。

尚、第２実施例において、圧電体１２Ａと１２Ｂとを同
一平面上に設けないで、例えば両者を段部となるように
形成しても良い。

尚、上述における凹曲面１６．１７と送信用電極１４．
リング電極１５の半径の関係において一般に送信用電極
ｒ１は境界円ａの半径ｒ２より大きくなければ良い。つ
まりｒ１≦ｒ２である。

又、リング電極１５の外径ｒ４は一般に凹曲面１７の外
周側の境界円の半径ｒ５より大きくなければ良い。つま
りｒ４≦ｒ５である。

尚、リーク波の分布を調べることができるように、リン
グ電極のリングの大きさが異るものを隣接して設けるこ
ともできる。又、外側の凹曲面１７を単一の曲率半径の
ものでなく、分布させた凹曲面にすることもできる。

尚、異方性がある試料に対処できるように、外側凹曲面
１７を長円球で切欠いた形状にしても良い。この場合に
はリング状電極も長円環形状にすることが望ましい。

［発明の効果］ 以上述べたように本発明によれば、互いに異る曲率半径
の凹曲面を設け、内側の凹曲面の曲率半径を外側の凹曲
面の曲率半径より小さく形成すると共に、外側の凹曲面
で受信した信号をリング電極１５でＬＳ波のみを空間的
に分離して受信できるようにしであるので、従来例のよ
うに電気的にゲートの開閉時間をコントロールして分離
する場合よりも不要な反射波の混入を少くでき、より十
分に分離できる。

又、表面波の励起を略１点に集中できるので、大きなエ
ネルギーで強い表面波を励起できる。従って強いＬＳ波
を受信できＳ／へが向上する。又、励起点が明確に定義
される。つまり空間分解能が向上する。

従って本発明の音響レンズを用いることにより表面物性
の詳細な情報を高いＳ／へで得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本発明の第１実施例を示し、第１図
は側面断面図、第２図は電極周辺を示す平面図、第３図
は第２実施例の一部を示す側面断面図、第４図は１ｅａ
ｋｙ−ｓｕｒｆａｃｅ　ｗａｖｅと呼ばれる表面波が励
起されることを示す説明図、第５図は従来の音響レンズ
を示す側面断面図、第６図は従来の音響レンズで受信さ
れる反射波及び表面波信号を示す波形図である。 １１・・・音響レンズ母体　　１２・・・圧電体１３・
・・電極　　　　　　　１４・・・送信用電極１５・・
・リング電極　　　　１６・・・凹曲面１７・・・凹曲
面　　　　　　１８・・・水１９・・・試料 第１図 窮２図 第３図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）一方の端面に設けられた超音波トランスデューサ
   から出射される超音波を伝送して他方の端面に介在させ
   た液体を経て試料側に送出し、反射された超音波を取り
   込み、超音波トランスデューサ側に伝送して超音波像を
   表示するために用いられる超音波顕微鏡用音響レンズに
   おいて、 音響レンズの他方の端面を、該音響レンズの中心軸上で
   互いに異る位置にその曲率中心を有する２つの凹曲面を
   有し、且つ内側の凹曲面の曲率半径より外側の曲率半径
   を大きくしたことを特徴とする超音波顕微鏡用音響レン
   ズ。
2. （２）前記超音波トランスデューサは、音響レンズの端
   面に取付けられる片面に全面電極が形成され、他方の片
   面には、円板状超音波トランスデューサの中央部に設け
   た半径ｒ＿１の円形の電極と、該電極の周囲に同心状に
   設けられた内径ｒ＿３、外径ｒ＿４のリング状電極とを
   設けると共に、前記内側及び外側との凹曲面の境界とな
   る円形エッジの半径をｒ＿２とした場合、これら各半径
   を ｒ＿１＜ｒ＿２＜ｒ＿３＜ｒ＿４ の関係に設定したことを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載の超音波顕微鏡用音響レンズ。
3. （３）前記リング状電極は、その外径を音響レンズの中
   心軸に対し、前記外側の凹曲面の外周エッジの半径より
   小さくしたことを特徴とする特許請求の範囲第２項記載
   の超音波顕微鏡用音響レンズ。