JPH0352025B2 - - Google Patents
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- JPH0352025B2 JPH0352025B2 JP59184626A JP18462684A JPH0352025B2 JP H0352025 B2 JPH0352025 B2 JP H0352025B2 JP 59184626 A JP59184626 A JP 59184626A JP 18462684 A JP18462684 A JP 18462684A JP H0352025 B2 JPH0352025 B2 JP H0352025B2
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
- G01N29/22—Details, e.g. general constructional or apparatus details
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- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
- Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
〔発明の利用分野〕
本発明は、高周波超音波エネルギーを用いた超
音波顕微鏡の探触子、特にその整合器に関する。
音波顕微鏡の探触子、特にその整合器に関する。
近年1GHzに及ぶ高い周波数の音波の発生、検
出が可能となり、水中で約1μｍまで音波長が実
現できる事になり、その結果、高い分解能の音波
撮像装置が得られることになつた。即ち、凹面レ
ンズを用いて集束音波ビームを作り、1μｍに及
び高い分解能を実現するのである。かかるビーム
中に試料を挿入し、試料による反射、透過音波を
検出して試料の弾性的性質を反映した情報を得、
或いは、試料又は上記ビームを発生するセンサを
相対的に機械走査した２次元画像を作成するので
ある。（R.A.レモン氏とC.F.クエーツ氏のＡ
Scanning Acoustic Microscopeと題するIEEE
cat.No.73CH14829SU−pp423−426、1973年所載
の論文）。
出が可能となり、水中で約1μｍまで音波長が実
現できる事になり、その結果、高い分解能の音波
撮像装置が得られることになつた。即ち、凹面レ
ンズを用いて集束音波ビームを作り、1μｍに及
び高い分解能を実現するのである。かかるビーム
中に試料を挿入し、試料による反射、透過音波を
検出して試料の弾性的性質を反映した情報を得、
或いは、試料又は上記ビームを発生するセンサを
相対的に機械走査した２次元画像を作成するので
ある。（R.A.レモン氏とC.F.クエーツ氏のＡ
Scanning Acoustic Microscopeと題するIEEE
cat.No.73CH14829SU−pp423−426、1973年所載
の論文）。
このような音波像を得る超音波顕微鏡の従来例
を第１，第２図を用いて説明する。
を第１，第２図を用いて説明する。
第１図は、試料から反射信号を得るための探触
子系の概略構成を示す図である。図において、音
波レンズ２０は、例えば、サフアイア、石英など
の円柱状物質よりなり、一端面が光学研摩された
平面であり、他端面は凹面状の球面穴のレンズ面
３０が形成されている。上部電極と下部電極に挟
まれた圧電薄膜１０を上記平面に形成し、この圧
電薄膜１０にパルス発振器５によつて印加された
RFパルス電気信号による音波レンズ２０内に平
面波状のRFパルス音波が放射される。この平面
状音波は、上記球面穴のレンズ面３０に到達する
と、レンズ面３０と媒質４０の界面で形成された
正の集束レンズにより所定焦点におかれた試料５
０上に収束超音波を照射する。試料５０により反
射された音波は同じレンズにより集音されて平面
波に変換され、音波レンズ２０内を伝播し、つい
には圧電薄膜１０により再びRF電気信号に変換
される。
子系の概略構成を示す図である。図において、音
波レンズ２０は、例えば、サフアイア、石英など
の円柱状物質よりなり、一端面が光学研摩された
平面であり、他端面は凹面状の球面穴のレンズ面
３０が形成されている。上部電極と下部電極に挟
まれた圧電薄膜１０を上記平面に形成し、この圧
電薄膜１０にパルス発振器５によつて印加された
RFパルス電気信号による音波レンズ２０内に平
面波状のRFパルス音波が放射される。この平面
状音波は、上記球面穴のレンズ面３０に到達する
と、レンズ面３０と媒質４０の界面で形成された
正の集束レンズにより所定焦点におかれた試料５
０上に収束超音波を照射する。試料５０により反
射された音波は同じレンズにより集音されて平面
波に変換され、音波レンズ２０内を伝播し、つい
には圧電薄膜１０により再びRF電気信号に変換
される。
この受信信号の様子を上記RF電気信号を検波
した後のビデオ帯域でみると、第２図の如くにな
る。ここで、横軸は時間軸を、たて軸は信号強度
を表わしている。第２図において、波形Ａは打ち
出し信号（上記印加信号）を、波形Ｂはレンズ２
０と媒質４０との界面３０からのエコー（echo）
を、又、波形Ｃは試料５０からの反射エコー
（echo）を示している。この様な波形は、繰り返
し時間tRで反復される。反射エコーＣは、試料の
場所毎の音響的性質や試料の走査によつて繰り返
し毎に変化するから、この反射エコーＣを繰り返
し周期に同期して受信回路６により標本化して、
その強度のみをとり出し、画像信号とする。即
ち、試料を機械走査系６０によつてxy面内で走
査し、上記画像信号をこの機械走査と同期してブ
ラウン管７０上に表示すれば超音波顕微鏡が得ら
れる。
した後のビデオ帯域でみると、第２図の如くにな
る。ここで、横軸は時間軸を、たて軸は信号強度
を表わしている。第２図において、波形Ａは打ち
出し信号（上記印加信号）を、波形Ｂはレンズ２
０と媒質４０との界面３０からのエコー（echo）
を、又、波形Ｃは試料５０からの反射エコー
（echo）を示している。この様な波形は、繰り返
し時間tRで反復される。反射エコーＣは、試料の
場所毎の音響的性質や試料の走査によつて繰り返
し毎に変化するから、この反射エコーＣを繰り返
し周期に同期して受信回路６により標本化して、
その強度のみをとり出し、画像信号とする。即
ち、試料を機械走査系６０によつてxy面内で走
査し、上記画像信号をこの機械走査と同期してブ
ラウン管７０上に表示すれば超音波顕微鏡が得ら
れる。
ところで、このような装置において、超音波を
送受信をする主要部である圧電薄膜１０の材料と
しては通例CdSやZnOが用いられており、出来る
だけ効率よく超音波を送受信するためには、RF
パルス発振器５と圧電薄膜からなる探触子との間
に整合器を投入する必要がある。
送受信をする主要部である圧電薄膜１０の材料と
しては通例CdSやZnOが用いられており、出来る
だけ効率よく超音波を送受信するためには、RF
パルス発振器５と圧電薄膜からなる探触子との間
に整合器を投入する必要がある。
周知のようにかかる接触子の電気端子側からみ
た等価回路は第３図のように表わされ、制動容量
Cd、圧電体の質量およびステイフネスを反映し
たリアクタンス成分La、Ca、音響放射抵抗を反
映したRaからなる。RFパルス発振器より接触子
に高周波電力を印加する場合、探触子の制動容量
Cdは周波数が高くなると短絡効果を与える。
た等価回路は第３図のように表わされ、制動容量
Cd、圧電体の質量およびステイフネスを反映し
たリアクタンス成分La、Ca、音響放射抵抗を反
映したRaからなる。RFパルス発振器より接触子
に高周波電力を印加する場合、探触子の制動容量
Cdは周波数が高くなると短絡効果を与える。
従来は、ストリツプ線路、スロツト線路、共平
面導波管などで構成された整合器を用いている
が、この場合、第１に薄膜に接近して音響レンズ
と一体化しようとすると、整合器が大きいため
に、接触子が大きくかつ重くなり、これを機械走
査駆動することが困難になる。第２に端触子の外
に整合器を設けると、両者をつなぐコネクタやケ
ーブルの為に充分な整合がとれないなどの難点が
ある。
面導波管などで構成された整合器を用いている
が、この場合、第１に薄膜に接近して音響レンズ
と一体化しようとすると、整合器が大きいため
に、接触子が大きくかつ重くなり、これを機械走
査駆動することが困難になる。第２に端触子の外
に整合器を設けると、両者をつなぐコネクタやケ
ーブルの為に充分な整合がとれないなどの難点が
ある。
第４図は、従来構成の１例を示す図で、探触子
はレンズ２０の上にCr−Auなどの金属蒸着で形
成した下部電極１１とAl、Auなどの金属で蒸着
した上部電極９、その間に形成した圧伝薄膜１０
からなる。整合部としては、ガラスエポキシ基板
などの絶縁物の上下面に銅箔などのパターン１
２，１４を形成し、この長さＬを使用周波数での
１／４波長に選択し、上部パターン１２をテーパ状、
あるいはエクスポネンシヤル状に形成していた。
はレンズ２０の上にCr−Auなどの金属蒸着で形
成した下部電極１１とAl、Auなどの金属で蒸着
した上部電極９、その間に形成した圧伝薄膜１０
からなる。整合部としては、ガラスエポキシ基板
などの絶縁物の上下面に銅箔などのパターン１
２，１４を形成し、この長さＬを使用周波数での
１／４波長に選択し、上部パターン１２をテーパ状、
あるいはエクスポネンシヤル状に形成していた。
かかる導体線路形では、自由空間波長λに対
し、その基板では波長λ′が、基板の誘電率εrを用
いて λ′＝λ／√εr ……(1) に短絡される。上記、ガラスエポキシの場合、εr
＝２程度であるから、1GHzにおいてλ′＝21.2ｍで
あり、λ′／４＝5.3cmとなる。レンズの寸法は５
mmφ、５mmｔ程度であるから、これら探触子と整
合器を一体化しようとすると著しく大きな探触子
となる。
し、その基板では波長λ′が、基板の誘電率εrを用
いて λ′＝λ／√εr ……(1) に短絡される。上記、ガラスエポキシの場合、εr
＝２程度であるから、1GHzにおいてλ′＝21.2ｍで
あり、λ′／４＝5.3cmとなる。レンズの寸法は５
mmφ、５mmｔ程度であるから、これら探触子と整
合器を一体化しようとすると著しく大きな探触子
となる。
本発明は、以上の点に鑑みてなされたもので、
整合器と圧電薄膜を音波レンズ上に一体で成形す
ることにより小型、軽量の探触子を提供するもの
である。
整合器と圧電薄膜を音波レンズ上に一体で成形す
ることにより小型、軽量の探触子を提供するもの
である。
本発明の骨子は、誘電率の高い圧電体で、圧電
活性に分極処理を必要とする材料を用いて整合器
と圧電薄膜を一体形成するものである。このよう
な構成によれば第１に小型、軽量で機械走査に適
した探触子を提供でき、第２に薄膜のごく近くで
整合をとるため接触抵抗やケーブル損コネクタ損
失などに影響をうけることなく最適な整合が容易
に実現でき、超音波顕微鏡などの撮像装置の画質
向上に大きく寄与する。
活性に分極処理を必要とする材料を用いて整合器
と圧電薄膜を一体形成するものである。このよう
な構成によれば第１に小型、軽量で機械走査に適
した探触子を提供でき、第２に薄膜のごく近くで
整合をとるため接触抵抗やケーブル損コネクタ損
失などに影響をうけることなく最適な整合が容易
に実現でき、超音波顕微鏡などの撮像装置の画質
向上に大きく寄与する。
以下図面を用いて本発明の実施例をもとに詳し
く説明する。
く説明する。
本発明では、基板材料として圧電性を実現しう
るセラミツク、例えばジルコン酸、チタン酸バリ
ウム（PZT）やテイタン酸鉛（PbTiO3）など高
誘電率のものを用いる。これらの誘電体では、εr
は100〜1000と大きいので、上記(1)式の短絡波長
λ′は1/10〜1/30になり、一体化に極めて適してい
る。前述の1/4波長整合の場合λ′／４＝7.5mm（εr
＝100、1GHzの場合）、λ′／４＝2.5mm（εr＝1000、
1GHzの場合）となる。
るセラミツク、例えばジルコン酸、チタン酸バリ
ウム（PZT）やテイタン酸鉛（PbTiO3）など高
誘電率のものを用いる。これらの誘電体では、εr
は100〜1000と大きいので、上記(1)式の短絡波長
λ′は1/10〜1/30になり、一体化に極めて適してい
る。前述の1/4波長整合の場合λ′／４＝7.5mm（εr
＝100、1GHzの場合）、λ′／４＝2.5mm（εr＝1000、
1GHzの場合）となる。
第５図は本発明の一実施例を示す図で、レンズ
２０の上に下部電極１１（Au，Cr，Pt）を設
け、このうえに前記セラミツク材料１０をスパツ
タなどの手段で形成し、その上に２つの上部電極
（Au，Cr，Al，Ptなど金属）を設けてある。従
つて、セラミツク材の圧電薄膜１０は、２つの上
下電極対、即ち電極１０２と下部電極１１、電極
１０１と下部電極１１によつて挟まれた構造にな
つている。
２０の上に下部電極１１（Au，Cr，Pt）を設
け、このうえに前記セラミツク材料１０をスパツ
タなどの手段で形成し、その上に２つの上部電極
（Au，Cr，Al，Ptなど金属）を設けてある。従
つて、セラミツク材の圧電薄膜１０は、２つの上
下電極対、即ち電極１０２と下部電極１１、電極
１０１と下部電極１１によつて挟まれた構造にな
つている。
ここで、上部伝極１０１と下部電極１１の間に
10KV／mm程度の直流電界を印加すると、いわゆ
る分極処理が行なわれ、セラミツクは圧電活性と
なる。このサンドイツチ構造にRF電力を印加す
れば、従来通りレンズ面３０へ超音波が放出され
る。他方、上部電極１０２と下部電極１１で挟ま
れた部分のセラミツクは高誘導率ではあるが圧電
不活性であり、もしこの両端にRF電力を印加し
ても超音波は発生しない。従つて、電極１０２の
形状を選択することにより、この部分は整合部と
して動作させることができる。又、電極１０１と
電極１０２は、金線１５などを用いて繁ぐ。本発
明で用いたセラミツクの高誘電率のおかげでＬは
2.5〜7.5mmと短縮され、レンズ２０を著しく大き
くすることなく発音部と整合部をレンズ上で一体
化することができる。本実施例では、上部電極１
０２の形状として長方形状のものを呈示したが、
テーパ状、イクスポネンシヤル状などの整合に適
した他の形状でもよい。又、第６図の如く、圧電
体として働く部分をZnOなど分極処理の不要な材
料１１ａで構成し、整合部には高誘電率のセラミ
ツク薄膜１０ｂを用いてもよい。
10KV／mm程度の直流電界を印加すると、いわゆ
る分極処理が行なわれ、セラミツクは圧電活性と
なる。このサンドイツチ構造にRF電力を印加す
れば、従来通りレンズ面３０へ超音波が放出され
る。他方、上部電極１０２と下部電極１１で挟ま
れた部分のセラミツクは高誘導率ではあるが圧電
不活性であり、もしこの両端にRF電力を印加し
ても超音波は発生しない。従つて、電極１０２の
形状を選択することにより、この部分は整合部と
して動作させることができる。又、電極１０１と
電極１０２は、金線１５などを用いて繁ぐ。本発
明で用いたセラミツクの高誘電率のおかげでＬは
2.5〜7.5mmと短縮され、レンズ２０を著しく大き
くすることなく発音部と整合部をレンズ上で一体
化することができる。本実施例では、上部電極１
０２の形状として長方形状のものを呈示したが、
テーパ状、イクスポネンシヤル状などの整合に適
した他の形状でもよい。又、第６図の如く、圧電
体として働く部分をZnOなど分極処理の不要な材
料１１ａで構成し、整合部には高誘電率のセラミ
ツク薄膜１０ｂを用いてもよい。
以上述べたように、本発明により探触子が小型
軽量になり、かつ送受信回路との最適な整合を容
易に取ることができる超高周波超音波探触子を得
ることができる。
軽量になり、かつ送受信回路との最適な整合を容
易に取ることができる超高周波超音波探触子を得
ることができる。
第１図は本発明を適用する超音波顕微鏡の従来
の構成を示すブロツク図、第２図はその動作を示
す波形図、第３図は接触子の等価回路図、第４図
は従来の探触子及び整合部を示す斜視図、第５
図、第６図はそれぞれ本発明の実施例を示す平面
図及び断面図である。 １０……セラミツク薄膜、１１……下部電極、
１０１，１０２……電極、２０……音波レンズ。
の構成を示すブロツク図、第２図はその動作を示
す波形図、第３図は接触子の等価回路図、第４図
は従来の探触子及び整合部を示す斜視図、第５
図、第６図はそれぞれ本発明の実施例を示す平面
図及び断面図である。 １０……セラミツク薄膜、１１……下部電極、
１０１，１０２……電極、２０……音波レンズ。
Claims (1)
- １ 一端にレンズ面を形成し、他端に平面を形成
した音波レンズの前記平面に、一つの下部電極を
介して一体のセラミツク薄膜を形成し、このセラ
ミツク薄膜上に音波発生用の上部電極と整合用の
上部電極とを形成し、前記セラミツク薄膜のうち
上記超音波発生用電極と上記下部電極とに挟まれ
た部分が圧電活性化されているものであることを
特徴とする超音波顕微鏡の探触子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59184626A JPS6162857A (ja) | 1984-09-05 | 1984-09-05 | 超音波顕微鏡の探触子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59184626A JPS6162857A (ja) | 1984-09-05 | 1984-09-05 | 超音波顕微鏡の探触子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6162857A JPS6162857A (ja) | 1986-03-31 |
| JPH0352025B2 true JPH0352025B2 (ja) | 1991-08-08 |
Family
ID=16156524
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP59184626A Granted JPS6162857A (ja) | 1984-09-05 | 1984-09-05 | 超音波顕微鏡の探触子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS6162857A (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2580807Y2 (ja) * | 1990-11-29 | 1998-09-17 | 日立建機株式会社 | 超音波探触子 |
-
1984
- 1984-09-05 JP JP59184626A patent/JPS6162857A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS6162857A (ja) | 1986-03-31 |
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