JPH0346836B2 - - Google Patents

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JPH0346836B2
JPH0346836B2 JP61143005A JP14300586A JPH0346836B2 JP H0346836 B2 JPH0346836 B2 JP H0346836B2 JP 61143005 A JP61143005 A JP 61143005A JP 14300586 A JP14300586 A JP 14300586A JP H0346836 B2 JPH0346836 B2 JP H0346836B2
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JP
Japan
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bubbles
lens
spherical
quartz
plates
Prior art date
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JP61143005A
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Japanese (ja)
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JPS61281297A (en
Inventor
Kyoshi Ishikawa
Hiroshi Kanda
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Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Original Assignee
Hitachi Construction Machinery Co Ltd
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Publication date
Application filed by Hitachi Construction Machinery Co Ltd filed Critical Hitachi Construction Machinery Co Ltd
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  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、超音波顕微鏡に用いる音波集束手段
に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Industrial Application] The present invention relates to a sound wave focusing means used in an ultrasound microscope.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

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。
In recent years, it has become possible to generate and detect ultrahigh-frequency sound waves of up to 1 GHz, making it possible to realize sound wavelengths of approximately 1 μm underwater, and as a result, it has become possible to obtain high-resolution sound wave imaging devices. In other words, a concave lens is used to create a focused acoustic beam, achieving a high resolution of 1 μm.

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、或いは試料を機械的に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。
By inserting a sample into the beam and detecting the reflected ultrasonic waves from the sample, the elastic properties of minute regions of the sample can be elucidated, or while the sample is mechanically scanned in two dimensions, the intensity of this signal can be measured. If displayed as a brightness signal on a cathode ray tube, the fine structure of the sample can be enlarged.

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。
FIG. 1 is a diagram showing the main components of the ultrasound microscope. The focusing, transmission and reception of ultrasonic waves is carried out by a spherical lens 1, whose structure consists of optically polishing one side of a material made of cylindrical fused silica or the like, and then placing a piezoelectric thin film (ZnO) 2 on top of it with upper and lower electrodes 3. A pulse 5 generated from a pulse oscillator 4 is applied to the piezoelectric thin film 2 sandwiched in a sandwich structure to generate an ultrasonic wave 6. In addition, a concave hemispherical hole with a diameter of about 0.1 mmφ to 1.0 mmφ is formed at the other end, and a medium (for example, Water) 8 is fulfilled.

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。逆に試料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。
Ultrasonic waves 6 generated by the piezoelectric thin film 2 propagate in the cylinder as plane waves. When this plane wave reaches the hemispherical hole, quartz (velocity of sound 6000m/s) and water (velocity of sound
1500 m/s), a refraction effect occurs, and a focused ultrasonic wave 6 can be irradiated onto the surface of the sample 7. Conversely, the ultrasound reflected from the sample 7 is collected and phased by a spherical lens, becomes a plane wave, reaches the piezoelectric thin film 2, and is converted into an RF signal 9 here. This RF signal 9 is received by a receiver 10,
Here, the signal is detected by a diode and converted into a video signal 11, which is used as an input signal for a CRT display 12.

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。
In the apparatus configured in this way, when the sample 7 is two-dimensionally scanned within the x-y plane by the sample stage drive power supply 13, the intensity of reflection from the sample surface as the sample scans changes two-dimensionally. displayed on surface 12.

而して、一般に超音波は物体の表面で一部分は
反射するが、かなりの部分は物体が光学的に透明
かどうかに関係なく、その中に入つて行き、物体
内部に存在する硬さや、密度、粘性の違いや欠陥
などを反映したエコーとなつて返つてくる。この
性質を利用して試料内部の様相を検出できるのが
超音波顕微鏡である。
Generally speaking, a portion of ultrasonic waves is reflected by the surface of an object, but a large portion of the ultrasound waves enters the object, regardless of whether the object is optically transparent or not, and is reflected by the hardness and density inside the object. , it returns as an echo reflecting differences in viscosity and defects. Ultrasonic microscopes can utilize this property to detect aspects inside a sample.

上記記述から明らかな様に従来例は、結晶と媒
質の音速差を利用した正の球面レンズをその集束
原理としている。従つて、結晶に半球面状の凹面
穴を形成する事が必要となるが、レンズ面からS
焦点までの媒質(通常、水)の音響減衰が著しく
大きい為低いFナンバのレンズを作る為には例え
ば0.2mmといつた微小球穴を作成し、レンズ面か
ら焦点までの距離を減じて音波減衰を避ける必要
がある。しかも、その球面レンズとして作用する
には、少なくとも音波長の1/10波長以下の凸凹が
あつてはならない。これは1GHzの音波の場合
0.1μmのオーダである。
As is clear from the above description, the conventional example uses a positive spherical lens as its focusing principle, which utilizes the sound speed difference between the crystal and the medium. Therefore, it is necessary to form a hemispherical concave hole in the crystal, but S
Because the acoustic attenuation of the medium (usually water) up to the focal point is extremely large, in order to create a lens with a low F number, for example, create a microspherical hole of 0.2 mm, reduce the distance from the lens surface to the focal point, and reduce the sound waves. Attenuation must be avoided. Furthermore, in order to function as a spherical lens, there must be no unevenness of at least 1/10 wavelength of the acoustic wave length. This is for a 1GHz sound wave
It is on the order of 0.1 μm.

〔発明の解決しようとする問題点〕[Problem to be solved by the invention]

従来例ではこの様なレンズを加工するのに、研
磨法で行なつており、極めて困難な作業であり
0.5mm径のレンズを作るのがやつとである。
Conventionally, such lenses are processed using a polishing method, which is an extremely difficult process.
He makes lenses with a diameter of 0.5mm.

本発明は以上の点を鑑みてなされたもので、そ
の目的は微小口径でその表面が鏡面である様な音
響球面レンズを効率よく得ることができる方法を
提供することである。
The present invention has been made in view of the above points, and its object is to provide a method for efficiently obtaining an acoustic spherical lens having a minute diameter and a mirror surface.

石英ガラス等のガラス類を作成する場合、或い
は天然の石英、水晶等を利用する場合にその内部
に残留ガス等による気泡が存在又は発生する事は
当業界では公知であり、この気泡の除去方法がそ
れ等の材質の良否を決めている事は広く知られて
いる。ところで例えば、石英中の気泡を注意深く
観察してみると気泡は極めて真球度が良くその界
面は研磨法ではとても不可能な程の鏡面である事
がわかつた。実際、気泡を含む石英板から泡の部
分を削り出して他面に圧電素子を付着させ1GHz
の音波の集束実験を行なつてみたところ極めて良
い集束性を示し、高周音波の集束用球面レンズと
して秀れたものである事を確認した。石英板中に
散在する気泡は大は0.5mmから小は10μmに至るま
で色々の大きさの球形で存在するから、研磨法で
は不可能な微小口径と鏡面度、真球度を有する球
面レンズを得る事ができる。
It is well known in the industry that when creating glasses such as quartz glass, or when using natural quartz, crystal, etc., bubbles due to residual gas etc. exist or are generated inside the glass, and how to remove these bubbles. It is widely known that this determines the quality of materials. By the way, for example, when we carefully observed the bubbles in quartz, we found that the bubbles had extremely good sphericity, and their interfaces had mirror surfaces that were impossible to achieve using polishing methods. In fact, a piezoelectric element was attached to the other side of a quartz plate containing air bubbles by carving out the bubbles, resulting in a 1GHz
When we conducted a sound wave focusing experiment, we found that it showed extremely good focusing properties, confirming that it is an excellent spherical lens for focusing high-frequency sound waves. The air bubbles scattered in the quartz plate exist in various spherical shapes ranging from 0.5 mm to 10 μm, so it is possible to create a spherical lens with a micro diameter, specularity, and sphericity that is impossible with polishing methods. You can get it.

上述の如く、レンズ材中に含まれる気泡を利用
して球面レンズを作成する方法については先に出
願(特願54−57096号、特開昭55−149998号公報
を参照)したがさらに以下に述べる球面レンズ作
成法に関するものを提案する。
As mentioned above, a method for making a spherical lens using air bubbles contained in a lens material has been previously filed (see Japanese Patent Application No. 54-57096 and Japanese Patent Application Laid-open No. 55-149998). This paper proposes a method for making spherical lenses.

〔問題点を解決するための手段〕[Means for solving problems]

本発明は、レンズ材料となる複数の板を重ね、
これを加熱することにより板の境界面に介在して
いた微少なガスにより生じる気泡を板の中に生ぜ
しめ、さらにこの重ね合せた板をうら返して再加
熱することにより多数の球状の気泡をレンズ材料
の板の中に生ぜしめ、このレンズ材料の板を切
断、整形して所望の気泡の面を露出させることに
より音響球面レンズを作成する方法に特徴を有す
る。
The present invention involves stacking a plurality of plates that serve as lens materials,
By heating this, bubbles generated by minute gases present at the interface between the plates are generated inside the plate, and by turning the stacked plates upside down and reheating, a large number of spherical bubbles are generated. The method is characterized in that an acoustic spherical lens is produced by forming a bubble in a plate of lens material, and cutting and shaping the plate of lens material to expose a desired surface of the bubble.

〔作用〕[Effect]

上記した方法によれば、重ね合わされた上下の
板の中に多数の気泡を生ぜしめることができ、完
全な球形の所望の大きさの気泡を容易に選んでこ
れを音響レンズに用いることができる。
According to the above method, a large number of bubbles can be generated in the stacked upper and lower plates, and a perfectly spherical bubble of a desired size can be easily selected and used for an acoustic lens. .

〔実施例〕〔Example〕

前提案の中での一実施例として、泡の源となる
ガスを発生させる素材を積極的に利用する方法も
あわせて記述してある。この骨子は第2図に示す
ように両面がよく研磨された2枚の石英板14,
15をaのように重ね、これを炉内で石英の融点
温度付近まで加熱すると石英の接触面内に介在し
ているガスが完全球状の形で一点にあつまる。こ
の状態で冷却すると、bのように石英板15の接
触付近には完全球穴をみいだすことができる。こ
れを球面レンズに利用するものである。
As an example of the previous proposal, a method is also described in which a material that generates gas that is a source of bubbles is actively utilized. As shown in FIG.
15 are stacked as shown in a and heated in a furnace to around the melting point temperature of quartz, the gas present in the contact surface of the quartz gathers at one point in a perfectly spherical shape. When cooled in this state, a perfect spherical hole can be found near the contact with the quartz plate 15, as shown in b. This is used for spherical lenses.

しかしながら、上述の作業工程中において発生
した気泡をよく観察してみると、気泡が存在する
範囲は、その概略を第3図に示すように、石英板
の接触、境界面にはその数は最も多く、順次上部
に向つて気泡の数が減少している。その範囲は加
熱時間にもよるがおおよそ1mm〜1.5mmの中にあ
る。
However, if we carefully observe the bubbles generated during the above-mentioned work process, we can see that the number of bubbles is greatest at the contact and boundary surfaces of the quartz plates, as shown in Figure 3. The number of bubbles gradually decreases toward the top. The range is approximately 1 mm to 1.5 mm, although it depends on the heating time.

このようにして石英板中に気泡を設けることの
できた石英板14,15を再度炉内に導入し加熱
してみた。しかし、このとき石英板の上下の関係
を反対にした。すなわち気泡の含まれている石英
板15を下部において、加熱を行つた。その結
果、境界面に存在していた気泡が、また移動をは
じめ、石英板14側へ上昇して行くのがみとめら
れた。
The quartz plates 14 and 15, in which air bubbles had been formed in the quartz plates in this manner, were introduced into the furnace again and heated. However, at this time, the vertical relationship of the quartz plates was reversed. That is, heating was performed with the quartz plate 15 containing air bubbles placed at the bottom. As a result, it was observed that the bubbles that had been present on the interface started moving again and ascending toward the quartz plate 14 side.

所定の時間加熱後、徐冷して、炉内よりとりだ
して気泡の分布の様子を確認してみると、第4図
に示すごとく、石英板14,15の接着面を中心
にして、上下に分布していることがわかつた。こ
のことは、石英板14,15を加熱の途中におい
て、上下逆にうら返す作業を行うことにより、石
英板中に作る気泡の数を2倍程度、容易に増大さ
せることができるわけである。
After heating for a predetermined period of time, it is slowly cooled and taken out from the furnace to check the distribution of air bubbles. It was found that it is distributed. This means that by turning the quartz plates 14 and 15 upside down during heating, the number of bubbles formed in the quartz plates can be easily doubled by about twice.

このようにレンズ材中に大量の気泡を封入した
石英板14,15を接触面で切断し、分割すると
それぞれの石英板には完全球形の気泡の存在する
石英板が2枚得られる。
When the quartz plates 14 and 15 in which a large amount of air bubbles are sealed in the lens material are cut and divided at the contact surface, two quartz plates each containing perfectly spherical air bubbles are obtained.

この石英板から、所定の大きさの気泡に着目し
第5図a〜cまでの作業順序にもとづいて接着面
側から研磨し、研磨面が気泡の赤道面に到するま
で加工を行う。さらに外形を整えることにより球
面レンズを得るのである。
From this quartz plate, focusing on bubbles of a predetermined size, polishing is performed from the adhesive surface side based on the work order shown in FIGS. 5a to 5c until the polished surface reaches the equatorial plane of the bubbles. By further adjusting the outer shape, a spherical lens can be obtained.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

このように、重ね合せた2枚のレンズ材の接触
面に存在する吸着ガスの集合から生ずる気泡を加
熱中にレンズ材をうらがえしすることにより両レ
ンズ材中に分布させ、気泡の量を増倍させること
により、大量の球面レンズを作成することが容易
となり、本発明の効果には、まことに著しいもの
がある。
In this way, by turning the lens materials during heating, the air bubbles generated from the collection of adsorbed gas existing on the contact surfaces of two overlapping lens materials are distributed throughout both lens materials, and the amount of air bubbles is multiplied. By doing so, it becomes easy to produce a large number of spherical lenses, and the effects of the present invention are truly remarkable.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は超音波顕微鏡の構成を示す図、第2図
及び第3図は球面レンズの凹面穴を気泡から得る
従来法の説明図、第4図及び第5図は本発明の一
実施例の説明図である。 2……圧電薄膜、7……試料、14,15……
石英板。
Fig. 1 is a diagram showing the configuration of an ultrasonic microscope, Figs. 2 and 3 are illustrations of a conventional method for obtaining a concave hole in a spherical lens from air bubbles, and Figs. 4 and 5 are examples of an embodiment of the present invention. FIG. 2... Piezoelectric thin film, 7... Sample, 14, 15...
quartz plate.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 所定のレンズ材の板を複数枚重ね合せて加熱
することにより前記板の中に気泡を生ぜしめ、重
ね合せた板を裏返して再加熱して更に気泡を生ぜ
しめ、得られた気泡の中から所望の気泡を選んで
露出させてレンズ面とすることを特徴とする音響
球面レンズの作成方法。
1. By stacking and heating a plurality of plates of a specified lens material, air bubbles are generated in the plates, and the stacked plates are turned over and reheated to generate more bubbles, and the air bubbles inside the resulting bubbles are heated. A method for producing an acoustic spherical lens, which comprises selecting and exposing desired bubbles from the spherical surface of the lens to form a lens surface.
JP61143005A 1986-06-20 1986-06-20 Generation for acoustic spherical lens Granted JPS61281297A (en)

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JPS61281297A JPS61281297A (en) 1986-12-11
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