JPH0158457B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は超音波顕微鏡、特に観察試料に応力を
加えることのできる超音波顕微鏡に関する。

近年1GHzに及ぶ超高周波の音波の発生検出が
可能となつたので、水中で約1μｍの音波長が実
現できることになり、その結果、高い分解能の音
波撮像装置が得られるようになつた。即ち、凹面
レンズを用いて集束音波ビームを作り、1μｍに
及ぶ高い分解能を実現するのである。

上記ビーム中に試料をそう入し、試料による反
射超音波を検出して試料の微細領域の弾性的性質
を解明したり、或は試料を機械的に２次元に走査
しながら、この信号の強度をブラウン管の輝度信
号として表示すれば、試料の微細構造を拡大して
みることができる。

第１図は、その超音波顕微鏡の主要構成部を示
す図である。超音波の集束及び送受は球面レンズ
１により行つているが、その構造は円柱状の熔融
石英等をもちいた物質の一面を光学研磨し、その
上に圧電薄膜（ZnO）２を上下電極３によりはさ
む、このようにサンドウイツチ構造になつている
圧電薄膜２に、パルス発振器４から発生されたパ
ルス５を印加して、超音波６を発生させる。ま
た、他端部は口径0.1mmφ〜1.0mmφ程度の凹面状
の半球穴が形成されており、この半球穴と試料と
の間には、超音波６を試料７に伝播させるための
媒質（例えば水）８が満されている。

圧電薄膜２によつて発生した超音波６は円柱の
中を平面波となつて伝播する。この平面波が半球
穴に達すると石英（音速6000ｍ／ｓ）と水（音速
1500ｍ／ｓ）との音速の差により屈折作用が生
じ、試料７面上に集束した超音波６を照射するこ
とができる。逆り試料７から反射されてくる超音
波は球面レンズにより集音整相され、平面波とな
つて圧電薄膜２に達し、ここでRF信号９に変換
される。このRF信号９を受信器１０で受信し、
ここでダイオード検波してビデオ信号に１１に変
換し、CRTデイスプレイ１２の入力信号として
用いている。

この様に構成された装置において、試料７が試
料台駆動電源１３によりｘ−ｙ平面内で２次元に
走査していると試料の走査にともなう試料面から
の反射の強弱が２次元的にCRT面１２に表示さ
れる。

試料７の走査速度は高速であるほど、一画面を
形成する時間が短時間ですみ、操作性の向上につ
ながるが、従来、一般に使用されている試料７の
走査方法は機械的に行つているために走査速度
も、ｘ軸走査を数10Hz、ｙ軸走査を約10秒程度で
行つている。

上述の如く、ｘ−ｙ平面に走査している試料
に、超音波を照射し、試料から反射してくる超音
波を使つて画像表示する装置において、試料の近
傍あるいは内部に弾性的性質の変化があれば、そ
の都度反射してくる超音波には振幅や位相の変化
が生ずる。この位相は球面レンズと試料との距離
が敏感に影響するので、走査している試料面と超
音波ビームの焦点面とは空間的に、いつも同一位
相条件に保つよう構成されなければならず、試料
の走査には、その精度が問題となつてくるが、こ
のような装置に適した試料移動台として、静圧空
気軸受の使用が考えられている。この静圧空気軸
受の特徴は軸受と試料台との間に供給される空気
の静圧力で試料台を支持する方法であるので、軸
受の摩擦抵抗が少なく、摩耗のないことがあげら
れる。さらに試料台と軸受面との静圧空気層が緩
衝材として作用するので軸受面のわずかな凹凸に
も影響されることなく平滑に移動する。

第２図ａ及びｂは上述の静圧空気軸受を使用し
た試料移動台の構成を示すもので、第２図ｂは第
２図ａの断面図である。図において、１４はガイ
ド部である。ガイド部には圧縮空気吐出口１５が
所定の位置に取り付けられており、この圧縮空気
吐出口１５から吐出される圧縮空気により試料台
１６を保持する。１７は圧縮空気取入口である。
また、１８は試料台１６の駆動軸である。

このように構成された試料台を使用することに
より、走査中の試料を上下動を0.03μｍ以下が実
現され、超音波顕微鏡等の試料台として極めて安
定に動作するのである。

上述の超音波顕微鏡において、種々の試料に対
して観察実験を行つているときに、観察中の試料
に応力を印加し、試料を変形させながら、その応
力による試料の物理的性質および機械的性質の変
化をとらえようとする必要が生じる。そこで、試
料に応力を発生させる手段を設ける訳であるが、
前述の通り超音波顕微鏡において明確な撮像を得
るには、球面レンズと試料との距離は極めて安定
に保たれる構成にされなければならず、静圧空気
軸受等により非接触に支持された試料台の動きを
乱すような力を与えずに行わなければならないと
いう課題がある。

本発明は、このような要求を満足させるための
もので、以下、図にもとづいて、その詳細を述べ
る。

第３図は本発明の要部を示したものであり、静
圧空気軸受等によつて非接触で支持されている試
料台１６の上には試料取付台１９及び試料支持台
２０を設け両者は対向した位置に配置される。試
料支持台２０が試料引張部として動作し、両者の
間隙はネジ２１を回転することにより加減するこ
とができる。

ネジ２１の回転は試料台１６上に取りつけた小
型のモータ２２によつて回転できる構造になつて
いる。

試料取付台１９と試料支持台２０の上面に試料
７（例えば金属試料）を取りつける。この状態で
モータ２２を回転させると試料引張部は試料７に
応力が印加される方向に移動し、観察中の試料に
応力を印加することが可能となる。

モータ２２の回転を前述とは逆の方向にすれ
ば、試料には圧縮応力が印加できることは明確で
ある。

このように構成された試料台において、モータ
２２の回転をＸ軸走査あるいはＹ軸走査のいずれ
かの走査のフライバツク時に行ない、観察中はモ
ータの回転を停止することにより試料の動きは除
去されて鮮明な像を観察することができる。

第４図は、本発明の他の実施例の構成を示す図
であり、第３図と同一符号は同一又は均等部分を
示す。本実施例では静圧空気軸受により、非接触
で支持された試料台に装着された試料に応力を印
加することが可能な構成について述べる。

試料台１６上に取りつけられた試料支持台２０
の上面に試料７を固定する。試料支持台２０は、
板バネでできており、その内側には、応力印加部
２３が取りつけられている。この応力印加部２３
は両端部がベローズとなつており、その内部に封
入されている液体２４の熱膨張による体積変化に
ともなつて軸方向に伸縮が可能なようになつてい
る。

また、試料台に対して、その側面に赤外線ラン
プ２５を配置し、ここで発生した熱線を集束し
て、応力印加部２３に照射できるようになつてい
る。

このように構成された試料台において、観察中
の試料に応力を印加しようとする場合には、赤外
線ランプ２５を点灯し、応力印加部２０を加熱す
ると、その内部に封入されている液体２４は体積
膨張し、試料支持台２０を押しひろげる方向に力
を発生するために、試料７には引張応力を印加す
ることができる。

また、逆に応力を取りのぞこうとする場合に
は、赤外線ランプ２５による加熱を中止すれば、
応力印加部２３は徐々に冷却され、当初の形状に
もどるために試料７の応力を除去することができ
る。

以上の実施例では応力印加部２３を赤外線ラン
プ２５で加熱する方法について述べたがこれにか
わる方法として、応力印加部２３の近傍にヒータ
を配置して、これによつて加熱してもよい。

このように簡単な構成により走査中の試料に応
力を印加しながら、その変形過程における、物理
的性質の変化を検出することが可能となり、本発
明の効果には著しいものがある。

以上記述したように本発明では応力発生部を加
熱し、その熱的伸縮を試料支持台に伝達すること
により試料に引張応力を印加できるようにしたも
のであるが、さらにこれと同一の効果が実現でき
るものとして、第５図に示す構成のものを提案す
る。

この場合には、試料支持台２０に熱的変化に対
して、敏感に応答する金属（バイメタル）を用い
ていることが特徴である。このように構成された
試料台において、試料支持台２０の一部を赤外線
ランプ２５等により加熱することにより、試料支
持台２０が変形するために試料７に引張り応力を
印加することができる。圧縮応力を印加する場合
にはバイメタル等の金属の向きを変えることによ
り容易にできる。

また、試料に応力を印加する方法として、圧電
素子の電圧印加による伸びを利用し、これを第３
図の応力印加用の部材２０，２１，２２の代りい
使用しても良いことは、あきらかである。前記実
施例に示すとおり本発明において、応力印加部は
非接触に支持された試料台上に配置されているの
で、印加する力及びその反力は試料台上で相殺さ
れ他に影響を及ぼすことはない。

以上述べた如く、超音波顕微鏡において、非接
触に支持された試料台上で観察中の試料に応力を
印加できるようにしたことは、試料内部の反応分
布や材料の物理的、機械的性質の変化を調べるの
に極めて安定な撮像が得られ、本発明の効果は顕
著である。

【図面の簡単な説明】

第１図は超音波顕微鏡の構成を示す図、第２図
は静圧軸受の主要構成部を示す図、第３図は本発
明の一実施例の構成を示す図、第４図〜第５図
は、本発明の他の実施例の構成を示す図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 一端部に圧電素子を設け、他端部に球面穴を
   形成した音波レンズと、前記音波レンズの焦点近
   傍に設けられた試料台とよりなり、試料台上に載
   置した試料に対し前記音波レンズより放射された
   後に前記試料によつてじよう乱された超音波を受
   信することにより、上記試料を撮像する超音波顕
   微鏡において、前記試料台は、試料の両端を固定
   する２つの対向する試料支持台を有し、該対向す
   る試料支持台は、相互の距離を変える方向に相対
   的に移動可能に設置され、かつ、両試料支持台相
   互の距離を変える方向に力を加える応力印加部を
   両試料支持台が相互にその反力を受けるように設
   置したことを特徴とする超音波顕微鏡。 ２ 応力印加部は、一方の試料支持台に螺合し、
   他方の試料支持台に先端を当接したネジである特
   許請求の範囲第１項記載の超音波顕微鏡。 ３ 応力印加部は、液体を封入したベローズを両
   試料支持台間に装架したものである特許請求の範
   囲第１項記載の超音波顕微鏡。 ４ 応力印加部は、試料支持台をバイメタルで構
   成したものである超音波顕微鏡。