JPH03211458A - 超音波顕微鏡の傾斜検出装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、被検体Ｓこ超音波を照射して当該被検体の検
査、解析等を行なう超音波顕微鏡において、当該被検体
との間の相対的１頃斜の有無を検出する超音波顕微鏡の
傾斜検出装置に関する。

〔従来の技術〕

超音波による被検体（試料）の検査、解析を行なう超音
波顕微鏡は一触に用いられて周知である。

このような超音波顕微鏡による検査、解析において、特
に、試料の表面の状態、例えば表面残留応力等を調査す
る手段が提案されている。この手段の概略を図により説
明する。

第８図は従来の超音波顕微鏡の概略構成図である。図で
ｘ、ｙ、ｚは座標軸を示す。１は音響レンズであり、平
坦な上面１ａおよび下部のレンズ凹面部１ｂを有する。

レンズ凹面部１ｂは音響レンズ１から放射される超音波
を集束するように形成されている。２は音響レンズ１の
上面１ａに装着される圧電素子である。音響レンズ１と
圧電素子２で超音波探触子３が構成される。４は検査対
象たる試料、５は音響レンズ１と試料４との間に介在す
る水を示す。６は超音波探触子３をＸ軸およびＹ軸方向
に駆動するＸ−Ｙステージ、７は試料４をＺ軸方向に移
動させるＺステージ、８はＺステージ７上に備えられる
とともに試料４を載置しその傾きを補正する傾斜角補正
装置である。

１０は圧電素子２に電圧（特定時間のみ正弦波形電圧と
なるバースト波）を与える送信器、１１は圧１ｆ素子２
で変換された超音波の反射波信号を受信する受信器、１
２は送信器１０と受信器１１の切換を行なうサーキュレ
ータである。１３はＸ−Ｙステージ６およびＺステージ
７の駆動を制御するステージコントローラである。１４
は処理装置を示し、送信器１０の出力制御、ステージコ
ントローラ１３の制御、および受信器１１で受信された
信号の処理を行なう。

次に、上記超音波顕微鏡の動作の概要を説明する。今、
探触子３と試料４との位置関係を固定し、サーキュレー
タ１２を送信器１０側に切換え、送信器１０から圧電素
子２に電圧（バースト波）を与えると、圧電素子２から
超音波が出力され、この超音波は音響レンズ１を通り、
レンズ凹面部Ｉｂから媒質（この場合水５）を介して試
料４へ放射される。放射された超音波は試料４で反射し
て再び水５、レンズ凹面部１ｂ、音響レンズ１を通って
圧電素子２に戻り、圧電素子２において、当該反射超音
波の強さに応した電気信号に変換され出力される。この
とき、サーキュレータ１２は受信器１１側に切換えられ
ており、圧電素子２から出力された信号は受信器１１に
入力され増幅、検波され、処理装置１４に送られ、検査
、解析に必要な処理がなされる。

上記超音波顕微鏡は試料４に対する種々の検査、解析を
行なうことができるが、前述のように、試料４の表面状
態等の物性評価を行なうことができる点に大きな特徴が
ある。そこで、このような物性評価の原理の概要を第９
図および第１０図を参照しながら説明する。

第９図は試料４の近傍を示す側面図である。図で、第８
図に示す部分と同一部分には同一符号が付しである。圧
電素子２から放射される超音波のうち、試料４に対する
入射角が臨界角０以上の超音波ビームＢ、は試料４の表
面の距離ｌを通ってレンズ凹面部１ｂに戻り、当該臨界
角０未満の超音波ビームＢ２は試料４の表面からそのま
ま反射される。なお、上記臨界角θは、水５の音速およ
び試料４の表面を通る超音波（表面波）の音速により定
まる。

これら各超音波ビームＢ＋−Ｂｚはその経路長や経路状
態が異なるので、圧電素子２に戻る時間に差を生じ、圧
電素子２において画題音波ビームＢ、、Ｂ、の相互干渉
を生じる。そして、この干渉の状態は、音響レンズ１と
試料４との間の距離により種々変化する。第１０図にそ
の変化の状態を示す。この図で、横軸には音響レンズ１
と試料４との間のＺ軸方向の距離が、又、縦軸に圧電素
子２からの出力レベルがとっである。この図に示される
曲線はＶ　（Ｚ）曲線と称され、同一周期ΔＺで変化す
る。そして、この値ΔＺに基づいて、表面波の伝搬速度
、即ち、試料４の弾性に関する情報（物性）を得ること
ができる。

〔発明が解決しようとする課題） ところで、上記超音波顕微鏡による検査、解析は、探触
子３と試料４との関係が平行間係にあることが前提であ
り、この平行関係が保持されていないと正確な検査、解
析を行なうことができない。

特に、上記表面波を用いる微細な解析においては、僅か
な非平行の状態が解析結果に大きな悪影響を及ぼす。こ
れを第１１図により説明する。第１１図は第９図と同一
部分の側面図である。この図では、音響レンズエに対し
て試料４がＹ軸まわりに傾いた状態が示されている。図
から明らかなように、このような傾斜が存在すると、傾
斜０の場合に比べて表面波伝搬距離が値１．に変化する
一方、Ｙ軸方向の表面波伝搬距離は値ｌのまま変化せず
、したがって、方向により表面波伝搬距離が異なる事態
が生じる。さらに、レンズ凹面部１ｂの中心部分を通る
超音波は、第１０図に示すＶ　（Ｚ）曲線を得るため音
響レンズ１と試料４との距離を変化させると、その変化
毎に経路が変化してしまうという事態を生じる。そして
、さらに傾斜が太きくなると超音波ビームＢ、はレンズ
凹面部１ｂから外れ、表面波を励起することができなく
なる。

従来、上言己のような傾斜を補正するために以下のよう
な方法がとられていた。まず、超音波の焦点が試料４の
表面にくるようにＺステージ７が駆動される。次に、こ
の状態でＸ−Ｙステージ６が駆動され、少なくとも３点
で上記焦点合せが行なわれる。これら各点でのＺステー
ジ７の移動量により傾斜角が求められる。この傾斜角は
傾斜角補正装置８で補正される。

ところで、上記のような方法では次の問題点がある。即
ち、検査、解析、例えばＶ　＜Ｚ＞曲線測定はＸ−Ｙ面
の特定位置で行なうが上記のようにＸ−Ｙステージ７を
駆動して補正を行なうので、Ｘ−Ｙステージ７の精度が
大きく影響する。又、焦点を用いる補正であるので、焦
点深度が影響して精度の良い焦点合せが困難である。さ
らに、全体の操作が極めて面倒で大きな労力と時間を要
するという問題がある。

本発明の目的は、上記従来技術における課題を解決し、
音響レンズと試料との相対的な傾斜の存在を確実、かつ
、容易に検出することができる超音波顕微鏡の傾斜検出
装置を提供するにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記の目的を達成するため、本発明は、試料と対向する
面に凹面が形成された音響レンズおよびこの音響レンズ
の前記面と反対面に配置された圧電素子で構成される探
触子を備え、前記圧電素子の励振により生じる超音波の
前記試料からの反射波信号を受信して所定の処理を行な
う超音波顕微鏡において、前記音響レンズの前記凹面の
周囲に平坦面を形成し、かつ、前記圧電素子の周囲に複
数の副圧型素子を配置するとともに、これら副圧型素子
のうちの複数個を任意に選択する選択手段と、この選択
手段で選択された副圧型素子からの信号を合成する信号
合成手段と、この信号合成手段により合成された信号の
最大値を予め定められた設定値と比較する比較手段とを
設けたことを特徴とする。

〔作用〕

超音波顕微鏡による検査、解析実施前に、選択された副
圧１Ｔ：子の試料からの反射波信号が受信され合成され
る。この合成信号の最大値を、音響レンズと試料との平
行関係が維持されているときの合成信号の最大値（設定
値）と比較し、両者の値に差があるとき、（頃斜が存在
していると判断し、傾斜をＱ　Ｑこする処置がとられる
。

〔実施例〕

以下、本発明を図示の実施例に基づいて説明する。

第１図は本発明の実施例に係る超音波顕微鏡の傾斜検出
装置の構成図、第２図は第１図に示す探触子の側面図で
ある。各図で、２１は本実施例の音響レンズであり、２
１ａはその上面、２１１）はレンズ凹面部である。２１
ｃはレンズ凹面部の周囲に形成された平坦部である。２
２は音響レンズ２１の上面２１ａに設けられた圧電素子
であり、レンズ凹面部２１ｂと対向する位置に設けられ
、試料４の検査、解析のための超音波を放射する。

この圧′Ｔ４素子２２は従来装置の圧電素子２に対応す
る。２２ａ〜２２ｄは音響レンズ２１の上面２１ａにお
いて圧電素子２２の周囲に設けられた副圧１ｉ素子であ
り、音響レンズ２１の平坦部２１ｃに対向する位置にほ
ぼ９０度の間隔を１いて配置されている。これら副圧型
素子２２ａ〜２２ｄは傾斜検出時に使用される。２３は
音響レンズ２１、圧電素子２２および副圧型素子２２ａ
〜２２ｄで構成される本実施例の探触子を示す。

２４ａ〜２４ｄはそれぞれ副圧型素子２２ａ〜２２ｄに
接続されたサーキュレータ、２５は各副圧型素子２２ａ
〜２２ｄに対して励振電圧を与える送信器、２６は各副
圧型素子２２ａ〜２２ｄがら出力される超音波反射波に
応じた信号を受信する受信器である。２７は各副圧型素
子２２ａ〜２２ｄのうちの任意のものを選択する選択器
である。

この選択器２７は各副圧１素子毎にサーキュレータを介
して接続された２つずつの端子（計８つの端子）、およ
び受信器２６に接続された２つの切換子２７　ａ〜２７
ｂで構成される。これにより、各副圧型素子２２ａ〜２
２ｄのうちの任意の２つを接続することができる。なお
、第２図に示す４は試料、７はＺステージ、８は傾斜角
補正装置であり、第８図に示すものと同じである。又、
処理装置等の図示は省略されている。

次に、本実施例の動作を第３図（ａ）〜（Ｃ）、第４図
（ａ）〜（Ｃ）、第５図（ａ）〜（Ｃ）、第６図（ａ）
〜（ｃ）に示す波形図を参照しながら説明する。超音波
顕微鏡による検査、解析を実施するに先立ち、試料４と
探触子２３の相対位置を所定の位置に設定する。次に、
選択器２７を操作して任意の２つの副圧型素子、例えば
副圧型素子２２ａ、２２ｂを選択接続する。この状態で
送信器２５を励起すると、各副圧型素子２２ａ〜２２ｄ
から超音波が放射され、これら超音波は音響レンズ２１
の平坦部２１ｃを通って試料４で反射し、同一経路を経
て各副圧型素子２２ａ〜２２ｄに戻り、電気信号に変換
される。これら電気信号のうち、選択器２７で選択され
ている副圧型素子２２ａ、　　２２ｂの信号のみが受信
器２６に受信される。

なお、サーキュレータ２４ａ〜２４ｄは前述のサーキュ
レータ１２と同一機能を有する。

ここで、副圧型素子２２ａ、２２ｂがら放射される超音
波についてみると、副圧型素子２２ａがらの超音波Ｅ３
ｚｚａおよび副圧型素子２２ｂがらの超音波Ｂｔｔｂは
第２図に示す経路を通る。今、試料４が第２図に示すよ
うに傾いていると、超音波Ｂ２□ｂの経路が超音波ＢＨ
ａの経路より長くなるので、副圧型素子２２ａ、２２ｂ
で変換された電気信号の位相には両経路の差に応じたず
れが生じる。これが第３図（ａ）、　　（ｂ）に示され
ている。

第３図（ａ）は副圧型素子２２ａの信号波形、第３図（
ｂ）は副圧型素子２２ｂの信号波形を示し、後者の信号
波形は前者より両経路差に応じた時間ｔだけ遅れ位相と
なる。受信器２６にはこれらの信号が加算（合成）され
て入力されることになる。

この合成された信号波形が第３図（ｃ）に示されている
。

ところで、試料４が第２図に示す傾いた状態からＹ軸ま
わりに回動されて平行状態にされたとすると、この平行
状態における副圧型素子２２ａの信号波形は第４図（ａ
）に示すように位相がｔ／２だけ遅らされた波形となり
、又、副圧型素子２２ｂの信号波形は第４図（ｂ）に示
すように位相がｔ／２だけ進められた波形となる。即ち
、両信号波形は同一位相の波形となる。そして、それら
の合成信号波形は第４図（Ｃ）に示す波形となる。

この合成信号の最大振幅■１．は、試料４が傾斜してい
るときの合成信号の最大振幅より大きいのは明らかであ
る。

そこで、本実施例では、上記最大振幅Ｖ、ｏを設定値と
して処理装置に記憶しておき、この値Ｖ　ｓｍＸと、受
信器２６で受信された合成信号の最大振幅とを比較し、
受信された最大振幅が値７．１８未満であるとき、試料
４と音響レンズ２１との間に相対的な傾きが存在すると
判断するものである。

そして、両者が等しくなるまで傾斜角補正装置８を駆動
して傾斜を補正する。又、副圧型素子２２ｃ、２２ｄを
選択すればそれらの方向の傾きを検出することができ、
傾斜角補正装置８によりこれを補正する。　１ＩＪｉ斜
角補正装置８による補正は、合成信号の最大値と設定値
■、□との差が０になるように傾斜角補正装置８をフィ
ードバック制御すればよい。

上記の手段により、音響レンズ２１と試料４との間の相
対的傾きは補正されるが、試料４の傾きが第２図に示す
傾きよりさらに大きい場合には問題が生じる場合がある
。これを第５図（ａ）〜（ｃ）により説明する。試料４
の傾きが、より大きなある傾きになると、副圧型素子２
２ａ、２２ｂの信号波形はそれぞれ第５図（ａ）、　　
（ｂ）に示すように、前者はさらに位相が進み、後者は
さらに位相が遅れて丁度−周期ずれた波形となる。

このときの合成信号波形は第５図（Ｃ）に示す波形とな
り、その最大振幅は値■。Ｘと等しくなる。

即ち、音響レンズ２１と試料４との間に相対的傾きは存
在しないと判断されてしまう。

このような誤判断は、次の手段を採用することにより防
止することができる。即ち、副圧型素子２２ａ、２２ｂ
が選択されている状態から、選択器２７を切換えて、副
圧型素子２２ｂの代りに副圧電素子２２Ｃ（又は２２ｄ
）を選択する。このときの副圧型素子２２ａの波形が第
６図（ａ）に又、副圧型素子２２ｃの波形が第６図（ｂ
）に示されている。副圧型素子２２Ｃの信号波形は、副
圧型素子２２ａ、２２ｂとの位置関係から副圧型素子２
２ａの信号波形に対して丁度半周期遅れた波形となる。

したがって、両者の合成信号の波形は第６図（ｃ）示す
波形となり、この波形の最大振幅は値ｖ、あやとはなら
ない。これにより、上記のように、両信号波形に丁度−
周期のずれがあっても、傾きを検出することができる。

このように、本実施例では、音響レンズの周辺に４つの
副圧型素子を等間隔に配置し、これらのうちの２つを選
択器で選択し、それらの出力信号の合成信号の最大値を
設定値と比較するようにしたので、音響レンズと試料と
の間の相対的な傾きを確実、容易に検出することができ
る。

第７図（ａ）、　　（ｂ）は本発明の他の実施例に係る
超音波顕微鏡の傾斜検出装置の探触子の平面図および側
面図である。各図で、第１図および第２図に示す部分と
同一部分には同一符号を付して説明を省略する。本実施
例がさきの実施例と異なるのは、さきの実施例が副圧型
素子を４つ配置した構成であるのに対して、本実施例で
は副圧型素子を３つ配置した点のみであり、その他の構
成は同じである。即ち、本実施例では、圧電素子２２の
周囲に副圧型素子２２ｅ、２２ｆ、２２ｇが配置された
構成となっている。

本実施例では、まず、副圧型素子２２ｅ、２２ｆを選択
し、それらの合成信号を採取してその最大値と設定値と
を比較し、傾きαを検出してこれを補正する。次いで、
副圧型素子２２ｅ　（又は２２ｆ）と副圧型素子２２ｇ
を選択し、同様の手段により傾きを補正する。これによ
り、音響レンズ２１と試料４との傾斜を補正することが
できる。本実施例もさきの実施例と同じ効果を奏する。

なお、上記実施例の説明では、副圧型素子を３つ又は４
つ配置する例について説明したが、これらに限ることは
なく、５つ以上設けてもよい。又、選択する副圧型素子
の数は配置総数によって任意に選ぶことができる。さら
に、送信器および受信器は傾斜検出専用でなく、検査、
解析のものと共用できるのは当然である。又、傾斜角補
正装置は、Ｘ軸まわり、Ｙ軸まわりのものを別個に設け
てもよいのは明らかである。又、上記実施例とは逆に、
選択器を送信器に接続して、送信する副圧型素子を選択
しても全く同様に傾きを検出することができる。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明では、音響レンズに複数の副
圧型素子を配置し、これら副圧型素子のうちの複数を選
択してそれらの超音波受信信号を合成し、その合成信号
の最大値を設定値と比較するようにしたので、音響レン
ズと試料との間の傾きを確実、かつ、容易に検出するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に係る超音波顕微鏡の傾斜検出
装置の構成図、第２図は第１図に示す音響レンズの側面
図、第３図（ａ）〜（Ｃ）、第４図（ａ）〜（Ｃ）、第
５図（ａ）〜（Ｃ）および第６図（ａ）〜（ｃ）は第１
図に示す動作を説明する信号波形図、第７図（ａ）、　
　（ｂ）は本発明の他の実施例に係る超音波顕微鏡の傾
斜検出装置の探触子の上面図および側面図、第８図は従
来の超音波Ｕ微鏡の構成図、第９図は第８図に示す試料
近辺の側面図、第１０図はＶ　（Ｚ）曲線を示す波形図
、第１１図は傾斜した試料の近辺を示す側面図である。 ４・・・・・・・・・・・・試料、８・・・・・・・・
・・・・傾斜角補正装置、２１・・・・・・・・・・・
・音響レンズ、２１ｃ・・・・・・・・・・・・平坦部
、２２ａ〜２２ｇ・・・・・・・・・・・・副圧型素子
、２３・・・・・・・・・・・・探触子、２５・・・・
・・・・・・・・送信器、２６・・・・・・・・・・・
・受信器、２７・・・・・・・・・・・・選択器。 第 １ 図 第 ７ 図 （ａ） （ｂ） 第 図 ０ 第 因 第 ０ 図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 試料と対向する面に凹面が形成された音響レンズおよび
   この音響レンズの前記面と反対面に配置された圧電素子
   で構成される探触子を備え、前記圧電素子の励振により
   生じる超音波の前記試料からの反射波信号を受信して所
   定の処理を行なう超音波顕微鏡において、前記音響レン
   ズの前記凹面の周囲に平坦面を形成し、かつ、前記圧電
   素子の周囲に複数の副圧電素子を配置するとともに、こ
   れら副圧電素子のうちの複数個を任意に選択する選択手
   段と、この選択手段で選択された副圧電素子からの信号
   を合成する信号合成手段と、この信号合成手段により合
   成された信号の最大値を予め定められた設定値と比較す
   る比較手段とを設けたことを特徴とする超音波顕微鏡の
   傾斜検出手段。