JPH03158757A - 超音波顕微鏡 - 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】 【産業上の利用分野】

この発明は、反射型の超音波顕微鏡に関する。

【従来の技術】

近年、光や電子ビームに代わって、数十ＭＨｚ以上の超
音波を利用した顕微鏡が開発されている。 そのうち、反射型超音波顕微鏡は、１つあるいは２つの
音響レンズを用い、物質の各点における弾性的性質の差
異に応じた超音波の反射波を検出して画像を得たり、微
視的部分の性質を計測したりする装置である。 このような超音波顕微鏡には種々のものが提案されてい
るが、その中に低周波超音波と高周波超音波とを切り換
えて試料に投射するものがある。 超音波を投射する場合に、例えば４００Ｍ）（ｚの高周
波超音波ビームを用いると、分解能は高くなるが試料へ
の侵入深さは浅くなって試料内部の観察ができなくなる
。一方、ＬＯＯＭＨｚの低周波超音波ビームを用いると
、試料の内部まで観察できるようになるが分解能は低下
してしまう。 したがって、試料の表面近傍の観察と試料内部の観察と
で超音波の周波数を使い分ける必要があるが、その際に
超音波プローブを交換する手間を省くために周波数可変
タイプの超音波トランスジューサが提案されている（特
開昭６０−９８７９９号公報参照）。 これは、第３図に示すように、一端に図示しない音波の
送受波面を有するサファイア（Ａ　Ｉ　Ｚ　Ｏ３）から
なる音響レンズ２の他端に、圧電素子からなる超音波ト
ランスジューサ３を形成した超音波プローブ１において
、圧電素子を電極４．６．８と酸化亜鉛（ＺｎＯ）から
なる圧電膜５．７とを交互に積層して構成したものであ
る。 圧電素子の厚さ方向に縦波超音波を励振させる場合、圧
電素子の厚さをｍ、圧電素子中の縦波超音波の伝搬速度
をＣとすると、発振周波数ｆは次式の値を持つことが知
られている。 ｆ　＝　ｃ　／　２　ｍ これはλ／２（λは上記縦波超音波の波長）共振と呼ば
れ、厚さｍは波長λの半分に相当する。 そこで、第３図において、下部電極４と中間電極６との
間に電気信号を印加して圧電膜５のみを駆動する場合、
中間電極６と上部電極８との間に電気信号を印加して圧
電膜７のみを駆動する場合、及び下部電極４と上部電極
８との間に電気信号を印加して圧電膜５と７の両方をを
駆動する場合の３通りの使用方法を用いることにより、
３つの異なった発振周波数が得られる。

【発明が解決しようとする課題】

ところが、第３図に示したような超音波プローブ１は、
製作に細心の注意と手間が必要で均一な品質が得にくく
、コストも高いという問題がある。 電気−音響変換効率の良い圧電膜をスパッタで形成する
ためには、高さが均一で表面粗さの小さい基板を用いる
必要があり、上記超音波プローブ１においても基板とな
る下地の膜を膜厚が一定で粗さの小さいものとしなけれ
ばならない。しかし、第３図におけるように圧電膜を何
層にも重ねていくと、上部になればなるほど膜厚の不均
一が加算され、また表面粗さも大きくなる。 この発明は、超音波プローブの製作に手間がかからず、
周波数の切り換えも暦車な超音波顕微鏡を提供すること
を目的とするものである。

【課題を解決するための手段】

上記目的を達成するために、この発明は、一端に音波送
受波面を有する音響レンズと、その他端に形成された圧
電素子の超音波トランスジューサとからなる超音波プロ
ーブを備えた超音波顕微鏡において、圧電素子の共振周
波数と、この圧電素子の圧電膜の厚さに対してλ／４（
ここで、λは音波の波長）共振に相当する周波数と、同
じくλ／２共振に相当する周波数との３つの周波数の電
気信号を任意に切り換えて前記圧電素子に印加すること
が可能な高周波パルス発振器を設けるものとする。

【作　用】

音響インピーダンスが圧電素子と同程度か、それより大
きい材料を音響レンズに用いた場合、λ／２周波数より
低い周波数に共振周波数を持つことが知られている。こ
れは音波の伝搬方向に機械的に大きな負荷が接続された
ことによるものとして理論的にも解明されており、実効
中心周波数と呼ばれている。 第２図は実効中心周波数の変化の理論計算結果を示す線
図で、音響レンズにＡｈ０３　、圧電素子の下部電極に
Ａｌ１（金）、圧電膜にＺｎＯ１上部電極にＡＩ（アル
ミニウム）を用いた場合の例である。横軸はＡｕ内部で
の音波の波長でＡｕの膜厚を規格化した値であり、縦軸
はλ／２周波数で実効中心周波数を規格化した値である
。実際に製作したものでは、膜厚０．０２で実効中心周
波数が０゜７５のものが得られている。 その場合、λ／２周波数では効率は実効中心周波数より
も劣るものの共振点は持っている。更に、この発明では
もう一つの共振点（共振周波数）を持つことに注目した
。それは、λ／４周波数で、λ／２周波数の半分の周波
数に当たる。この共振点も効率ではλ／２周波数と同様
、実効中心周波数よりも劣っているが、超音波顕微鏡の
画像信号として用いることが可能なレベルにはある。 そこで、これら３つの共振周波数で駆動すれば、１つの
超音波プローブで３つの周波数を使用できる超音波顕微
鏡を実現できる。

【実施例】

第１図はこの発明の実施例のシステムブロンク図である
。図において、ＩＯは超音波プローブで、一端に半球面
の音波送受波面１１ａが形成された音響レンズ１１と、
その他端に形成された圧電素子の超音波トランスジュー
サ１２とで構成されている。音響レンズ１１にはＡ　ｌ
　ｚ　Ｏ３を用いることができ、圧電素子はＺｎＯ圧電
膜にＡｕの下部電極とＡＩの上部電極とを形成したもの
を用いることができる。 １３．１４及び１５はそれぞれ異なる３つの周波数の高
周波パルスを発振する高周波パルス発振器で、これらの
周波数の値は相対的にＺＸ、Ｓ：２の関係になっており
、この比率を変えずに周波数の値を変えることができる
ようになっている。 高周波パルス発振器１３．１４．１５からの信号は送波
信号切換器１６によって選択され、サーキュレータ１７
を通して超音波トランスジューサ１２に印加される。 超音波トランスジューサ１２により励振された超音波は
音響レンズ１１で集束され、試料２０に放射される。こ
の超音波は試料１２の表面付近で反射し、音響レンズ１
１を経て超音波トランスジューサ１２に達して再び電気
信号に変換される。 この反射信号はサーキュレータ１７を経て受波回路１２
で増幅検波された後、ビデオ信号として表示装置１９に
送られる。表示装置１９では、例えば高周波パルス発振
器１５を用いて試料２０の表面を高分解能で観察した後
、高周波パルス発振器■３に切り換えて試料２０の同じ
箇所の内部像を観察することができる。 超音波プローブ１０の発振周波数は圧電素子の膜厚の製
作上の誤差によって数％はばらつくが、３つの周波数は
互いの比率が決まっているため、３つをそれぞれ調整す
る必要がなく一度で調整可能である。図示実施例では３
つの発振器を用いているが、１つの発振器を用いその出
力を２倍、３倍、４倍にする逓倍回路を設けてもよい。

【発明の効果】

この発明によれば、圧電素子を積層して形成する必要が
ないので、超音波プローブの製作に手間がかからず、１
本の超音波プローブで３つの異なる周波数を使用できる
超音波顕微鏡を簡単に実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例のシステムブロック図、第２
図は実効中心周波数の変化の理論計算結果を示す線図、
第３図は従来例における超音波プローブを示す要部縦断
面図である。 １０・・・超音波プローブ、１１・・・音響レンズ、】
１ａ・・・送受波面、１２・・・超音波トランスジュー
サ、１３．１４．１５・・・高周波パルス発振器。 箪１図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １）一端に音波送受波面を有する音響レンズと、その他
   端に形成された圧電素子の超音波トランスジューサとか
   らなる超音波プローブを備えた超音波顕微鏡において、
   圧電素子の共振周波数と、この圧電素子の圧電膜の厚さ
   に対してλ／４（ここで、λは音波の波長）共振に相当
   する周波数と、同じくλ／２共振に相当する周波数との
   ３つの周波数の電気信号を任意に切り換えて前記圧電素
   子に印加することが可能な高周波パルス発振器を設けた
   ことを特徴とする超音波顕微鏡。