JPH0376419B2 - - Google Patents
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- JPH0376419B2 JPH0376419B2 JP58083428A JP8342883A JPH0376419B2 JP H0376419 B2 JPH0376419 B2 JP H0376419B2 JP 58083428 A JP58083428 A JP 58083428A JP 8342883 A JP8342883 A JP 8342883A JP H0376419 B2 JPH0376419 B2 JP H0376419B2
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-
- 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
- G01N29/04—Analysing solids
- G01N29/06—Visualisation of the interior, e.g. acoustic microscopy
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- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
Description
本発明は、集束超音波ビームを用いて、被検査
物体の音響特性、すなわち漏洩波の音速及び伝搬
減衰量を計測する超音波顕微鏡装置に関するもの
である。 近年、集束した超音波ビームを用いて物体の微
視的あるいは巨視的な構造および音響特性を観
察・測定する機械走査型超音波顕微鏡が開発され
た。この超音波顕微鏡は、原理的には円錐状に集
束された超音波ビームを被検査体に照射し、超音
波ビームの焦点の位置を被検査体面内で移動させ
たり、あるいは被検査体面に垂直方向に移動させ
たりして、被検査体内の各点における弾性的性質
の差異等によつて生ずる超音波の反射波あるいは
透過波を超音波トランスジユーサで検出して、電
気信号に変換し、その信号を陰極線管面上に二次
元的に表示して超音波顕微鏡像を得たり、あるい
はＸ−Ｙレコーダー等に記録したりするものであ
る。集束超音波ビームを形成するための変換器と
しては、代表的にはレンズ方式によるもの、凹面
あるいは凸面の球面上に超音波変換器を構成した
方式によるもの等がある。また、超音波トランス
ジユーサの配置により透過型と反射型の超音波顕
微鏡に分類される。 第１図は反射型の超音波顕微鏡のブロツク図
で、高周波パルス発振器１からの電気信号は、方
向性結合器２を経て、前記のような集束用超音波
トランスジユーサ３により集束超音波ビームとな
り、液体音場媒体４を介して、被検査体保持板５
上に固定され、ほぼ焦点近傍に配置された被検査
体６に照射される。保持板５は走査装置７によつ
てＸ及びＹ方向に移動される。もちろん、保持板
５を移動させる代わりに超音波トランスジユーサ
３をＸ及びＹ方向に移動させてもよい。走査装置
７は走査制御回路８によつて制御される。被検査
体６より反射された反射波は再び超音波トランス
ジユーサ３で集音され、電気信号に変換され、前
記方向性結合器２を経て表示装置９へ供給され超
音波顕微鏡像が得られる。このような超音波像か
ら被検査体の音響的特性を場所の関数として読み
とる計測法は超音波顕微鏡による画像計測と呼ば
れている。この画像計測においては、超音波顕微
鏡装置は被検査体を、集束超音波ビームの液体音
場媒体（通常は水が使用される）における焦点面
上に配置させて超音波像を撮像するばかりでな
く、焦点面から積極的にずらして使用されること
が多い。これは、超音波顕微鏡装置の特徴であ
り、従来の光学顕微鏡および電子顕微鏡等で観測
できない被検査体内部の変化をコントラストよく
観測することができる。 一方、前述の画像計測のための超音波顕微鏡を
改良して被検査体の音速を測定する音速測定装置
が開発されている。これは、超音波顕微鏡におい
て、Ｘ及びＹ方向に走査させず、第２図に示され
るようにＺ軸方向移動装置１１上に配置された被
検査体１０（例えば、固体物質）を、移動制御装
置１２によつて、ビーム軸（Ｚ軸）に沿つて超音
波トランスジユーサ３方向に近づくように移動さ
せながらトランスジユーサ出力を観察するように
した装置である。トランスジユーサの出力はｂ図
に示されるような周期的に変化する曲線となつて
記録装置１３に描かれる。この曲線はＶ（ｚ）曲
線あるいは音響特性化曲線と呼ばれている。その
周期性は物質に依存し、これは被検査体１０に照
射される集束超音波ビームのうちのＺ軸近傍から
の反射波と、臨界角近傍のビームによつて励起さ
れた漏洩弾性波の再放射した波との干渉によるも
のであることが知られている。したがつて、第２
図ｂ中の周期ΔZから、漏洩弾性波の速度を計算
により求めることができる。この周期ΔZと音速
の関係は近似的に次式で与えられる。 ΔZ＝Vl／｛2（１−cosθs）｝ θs＝Sin-1（Vl／Vs） ここで、θs；臨界角、Vl；液体音場媒体４の縦
波速度、Vs；漏洩弾性波速度、；使用超音波
周波数である。したがつて、この音速測定装置で
は周期ΔZを実測することによつて、固体の音速
を定量的に求めることができる。このことから、
本測定は被検査体の音響特性の超音波顕微鏡によ
る定量測定と呼ばれている。 さらに、上述のＶ（ｚ）曲線に基づく音速測定
において前記の円錐状に集束された超音波ビーム
を用いると、微小部分に対しての音響特性を検出
できるという特徴をもつているが、そのビーム形
状の対称性により、ビームの成分はビーム軸のま
わりの全方向に広がつているために、被検査体が
Ｚ軸のまわりに異方性をもつている場合には、方
向に依存した異方性の検出はできず、音速は平均
値として測定される。異方性検出のため超音波ト
ランスジユーサ電極を分割する方法等も試みられ
ているが定量的に乏しい。そこで、異方性をも含
めて定量的に精密な計測を行なうため、直線状に
集束された超音波ビーム（直線状集束超音波ビー
ム）を用いる超音波顕微鏡が提案されている（特
願昭56−107402号参照）。 第３図は直線状集束超音波ビームを用いて、固
体の音響特性のＺ軸のまわりの異方性を検出測定
する方法を示す説明図である。直線状集束超音波
ビーム１５は液体音場媒体（同図中には示されて
いない）を介して、被検査体１６に照射され、上
述の円錐状に集束された超音波ビームを用いた場
合と同様に、Ｚ軸方向に被検査体１６を移動しな
がらＶ（ｚ）曲線を記録する。デイツプの周期ΔZ
と固体の漏洩弾性波速度との関係式は、円錐状に
集束された超音波ビームを用いた場合において説
明したものと全く同様である。第３図では、Ｘ方
向にだけ漏洩弾性波を励振できるため、Ｘ方向の
伝搬速度を測定できる。順次、被検査体１６をＺ
軸まわりに角度θ回転して同様な測定を繰り返す
ことによつてＺ軸のまわりの異方性を漏洩弾性波
速度値の差異として測定することができる。すな
わち、上記直線状集束超音波ビームを使用した場
合には、結晶の異方性を角度θと音速の関係で表
わすことができる。 以上のような測定法に基づいて音速決定を行な
うためには、Ｖ（ｚ）曲線中のデイツプ周期が規
則的にあらわれることが必要である。しかしなが
ら、一般に複数個の漏洩弾性波モードがＶ（ｚ）
曲線における波の干渉現象に関与する場合には、
Ｖ（ｚ）曲線中のデイツプ周期および波形に乱れ
が生ずる。このような場合には単純にはその曲線
からデイツプ周期ΔZを正確に求められないこと
が多く、Ｖ（ｚ）曲線から漏洩波の速度を測定す
るのが困難となる。 最近、そのような歪んだＶ（ｚ）曲線から被検
査体の正確な音響情報を抽出するため、「複数個
の漏洩弾性波モードが存在する被検査体に対して
得られる複雑なＶ（ｚ）曲線は、各々のモードだ
けが存在すると仮定した場合に得られるＶ（ｚ）
曲線の重ね合わせとして考えることができる」と
いう原理に基づき、フーリエ変換等の波形解析手
法を用いて解析する機能を有する超音波顕微鏡装
置が発明された（特願昭58−058368（特開昭59−
183364号公報））。その装置によれば、測定された
Ｖ（ｚ）曲線に波形解析手法として、フーリエ変
換等の操作を施し、周波数領域で、各々のモード
をそれぞれに対応した周波数スペクトラムとして
他のモードから分離し、各々のモードに対して対
応するデイツプ周期ΔZを算出し、前述したデイ
ツプ周期ΔZと漏洩弾性波速度Vsとの関係式にも
とづいて、各々のモードの漏洩弾性波速度を決定
するものである。 以上のような測定は、被検査体の音響特性を微
視的部分あるいは巨視的部分において定量計測す
ることを目的としたものである。超音波顕微鏡装
置によつて記録されたＶ（ｚ）曲線には被検査体
のあらゆる弾性的情報が含まれているが、上記音
速測定は、その一部の情報の抽出である。Ｖ（ｚ）
曲線中には干渉振幅等の形状に大きな影響を及ぼ
す重要な因子：干渉に関与する漏洩波の伝搬減衰
も含まれている。超音波顕微鏡装置における液体
音場媒体と被検査体との間の境界面上を伝搬する
漏洩波の伝搬に伴う音波振幅の減衰は、主に次の
３つの要因：被検査体への液体の音響的負荷に
基づく音波エネルギーの液体中への放射による減
衰、被検査体自体の音波吸収機構による減衰、
被検査体表面の粗さによる音波の散乱や、漏洩
波エネルギーが分布する被検査体内部に存在する
クラツク、気泡、粒界等に代表されるような被検
査体内部の構造因子による音波の散乱による減
衰、によつて引き起こされると考えられる。した
がつて、Ｖ（ｚ）曲線に関与する１個、あるいは
複数個の漏洩波の伝搬減衰を測定することによつ
て、被検査体の音響インピーダンス、表面状態や
内部構造を知ることができる。この漏洩波の伝搬
減衰をＶ（ｚ）曲線から決定する方法には、今ま
でのところ大きく分けて２つの方法が円錐状に集
束された超音波ビームに対して提案され、試みら
れている。１つの方法は測定されたＶ（ｚ）曲線
中に表われるデイツプの深さ、あるいは干渉振幅
の大きさを、理論計算で求めたＶ（ｚ）曲線と対
比して、その減衰を推定する方法である。もう１
つの方法は、図４に示すように中心軸近傍の超音
波ビーム成分を除去するため、レンズの中央付近
に吸音材２０をつけたり（ａ図）、超音波トラン
スジユーサの電極に工夫をこらし、測定に適切な
音場を使用したりして（ｂ図）、Ｖ（ｚ）曲線にお
ける中心軸付近の超音波ビームに対しての超音波
トランスジユーサの応答をとり去ることによつ
て、漏洩波振幅の減衰を、Ｚ軸移動距離に対して
直接的に測定する方法である。しかしながら、こ
れらの減衰測定方法には以下に示すような重大な
欠点がある。すなわち、前者の測定法に対して
は、理論計算との比較のため手間が非常にかかる
うえ、理論計算における近似のため、実際の実験
との対応が不完全であり、測定精度が不十分であ
る。また、後者の測定法では、漏洩波の減衰決定
を行なうには、最終的に漏洩波の速度を使用しな
ければならないので、その音速を、通常のＶ（ｚ）
曲線法あるいは他の方法に頼つて別に測定してお
かなければならないといつた不便がある。 本発明上記従来例の欠点を解消するものであ
り、測定されたＶ（ｚ）曲線から関与する漏洩波
の音速と減衰を一緒に測定できる機能を有する超
音波顕微鏡装置に関するものであり、以下、図面
を用いてその計測原理と実測手順を詳細に示す。 第５図はその測定原理の説明図で、一例として
集束超音波ビームには、音響レンズ方式による直
線状集束超音波ビームをとりあげた場合の断面図
である。ここでは簡単のため、被検査体と液体音
場媒体との境界には漏洩波モードとしては漏洩弾
性表面波だけが存在するものとする。先に音速測
定の原理で述べたように、超音波トランスジユー
サ１８の出力であるＶ（ｚ）は、実効的にはレン
ズ中心軸近傍から入射して被検査体１６で反射さ
れた後に超音波トランスジユーサ１８に戻る成分
＃０と、漏洩弾性表面波臨界角θlsawで入射し、
被検査体表面をある距離伝搬した後に水中に再放
射されて超音波トランスジユーサ１８に戻る成分
＃１によつて構成され、この２つの波の干渉によ
つて周期的なデイツプが現れると考えられる。こ
の出力Ｖ（ｚ）は図６に示されるように直線状集
束超音波ビーム用超音波トランスジユーサとレン
ズの形状と動作周波数により決定される基準信号
曲線VR（Ｚ）の上に漏洩弾性表面波成分と中心軸
近傍の反射波成分との干渉波形が重畳したもので
ある。したがつて、実測されたＶ（ｚ）曲線から
基準信号曲線VR（Ｚ）を差し引いた曲線は、漏洩
弾性表面波速度に対応するデイツプ周期ΔZをも
ち漏洩弾性表面波の伝搬長と関連して減衰する正
弦波の干渉出力波形VI（Ｚ）として表現できる。
したがつて、出力Ｖ（ｚ）は近似的に次式で表わ
すことができる。 Ｖ（ｚ）＝VI（Ｚ）＋VR（Ｚ） ここで VI（Ｚ）＝Ｃ・ATT・sin（ξ｜ｚ｜＋φ） ATT＝exp（−2αwt（ｚ）） ・exp（−2γ｜ｚ｜tanθlsaw） γ＝2πα／Vlsaw ｔ（ｚ）＝＝ ξは＃０と＃１との間の単位伝搬長当りの相対
位相差、φは焦点面でＺ＝０での＃０と＃１との
間の初期位相差、Ｃは任意定数である。また、
は超音波周波数、αwは液体音場媒体における縦
波音波の減衰定数、Vlsawは漏洩弾性表面波の位
相速度、αは規格化伝搬減衰定数である。したが
つて、液体音場媒体の音響特性（音速、減衰定
数）が既知のとき干渉波出力VI（Ｚ）を実験的に
抽出すれば、その周期性から漏洩弾性波の速度
を、また干渉波形の減衰の傾きから伝搬減衰量を
決定できる。その実験手順の一例を以下に示す。 (a) Ｖ（ｚ）曲線を記録する。 (b) デジタル・フイルター技術等の手法を用いて
測定したＶ（ｚ）曲線からVR（Ｚ）を抽出合成
する。 (c) Ｖ（ｚ）からVR（Ｚ）を差し引きVI（Ｚ）を抽
出する。 (d) VI（Ｚ）の周期性よりVlsawを決定する。 (e) VI（Ｚ）からATTを測定する。 (f) ATTから液体音場媒体のαwを用いてαを決
定する。 このように本発明は上記測定原理に基づき、測
定した１つのＶ（ｚ）曲線から、被検査体に対し
て漏洩波の音速と減衰定数を抽出・決定すること
ができるようにした超音波顕微鏡装置である。以
下、実施例を詳細に説明する。 第７図は一実施例としてデイジタルフイルター
技術および高速フーリエ変換等による信号処理を
した場合の超音波顕微鏡装置のブロツク図を示し
たものである。被検査体１０に対してＶ（ｚ）曲
線を記録装置１３に記録し、波形処理用計算機１
９で波形処理と解析を行ない、漏洩波の音速と減
衰を一緒に測定できる。 ここでは直線状集束超音波ビームを使用した音
響特性測定のための超音波顕微鏡装置によつて、
被検査体として光学研磨した等方性の溶融石英
（SiO2）について行つた測定実施例を示す。液体
音場媒体としては水を使用し、水と溶融石英被検
査体との境界面に存在・伝搬できる漏洩弾性表面
波を測定対象とする。実験は曲率半径1.0mmの直
線状集束超音波ビーム用サフアイア・レンズを使
用し、超音波周波数226.3MHzで行つた。第８図
ａおよびｂは前記測定手順によつて測定されたＶ
（ｚ）曲線およびVI（Ｚ）曲線である。第８図ｃ
はｂ図を常用対数表示したものである。ｂ図より
音速測定ができデイツプ周期ΔZ＝33.1μｍより、
漏洩弾性表面波速度Vlsaw＝3432ｍ／ｓが算出さ
れた。また、ｃ図より、VI（Ｚ）曲線に対しては
103dB／mmの減衰量が測定され、水の減衰定数
（20℃でαw／2＝25.3×10-17neper S2／cw）を
考慮すると、規格化減衰定数はα＝3.64×10-2と
決定された。この溶融石英に対しての実験例にお
いては、漏洩弾性表面波の減衰に対しては、水の
溶融石英に対する音響負荷による減衰に比し、固
体内での吸収減衰および固体の表面および内部に
おける散乱減衰等は無視できるので、測定減衰量
は音響負荷減衰量αlsawに対応すると考えられ
る。理論計算と比較した結果を表１に示す。
物体の音響特性、すなわち漏洩波の音速及び伝搬
減衰量を計測する超音波顕微鏡装置に関するもの
である。 近年、集束した超音波ビームを用いて物体の微
視的あるいは巨視的な構造および音響特性を観
察・測定する機械走査型超音波顕微鏡が開発され
た。この超音波顕微鏡は、原理的には円錐状に集
束された超音波ビームを被検査体に照射し、超音
波ビームの焦点の位置を被検査体面内で移動させ
たり、あるいは被検査体面に垂直方向に移動させ
たりして、被検査体内の各点における弾性的性質
の差異等によつて生ずる超音波の反射波あるいは
透過波を超音波トランスジユーサで検出して、電
気信号に変換し、その信号を陰極線管面上に二次
元的に表示して超音波顕微鏡像を得たり、あるい
はＸ−Ｙレコーダー等に記録したりするものであ
る。集束超音波ビームを形成するための変換器と
しては、代表的にはレンズ方式によるもの、凹面
あるいは凸面の球面上に超音波変換器を構成した
方式によるもの等がある。また、超音波トランス
ジユーサの配置により透過型と反射型の超音波顕
微鏡に分類される。 第１図は反射型の超音波顕微鏡のブロツク図
で、高周波パルス発振器１からの電気信号は、方
向性結合器２を経て、前記のような集束用超音波
トランスジユーサ３により集束超音波ビームとな
り、液体音場媒体４を介して、被検査体保持板５
上に固定され、ほぼ焦点近傍に配置された被検査
体６に照射される。保持板５は走査装置７によつ
てＸ及びＹ方向に移動される。もちろん、保持板
５を移動させる代わりに超音波トランスジユーサ
３をＸ及びＹ方向に移動させてもよい。走査装置
７は走査制御回路８によつて制御される。被検査
体６より反射された反射波は再び超音波トランス
ジユーサ３で集音され、電気信号に変換され、前
記方向性結合器２を経て表示装置９へ供給され超
音波顕微鏡像が得られる。このような超音波像か
ら被検査体の音響的特性を場所の関数として読み
とる計測法は超音波顕微鏡による画像計測と呼ば
れている。この画像計測においては、超音波顕微
鏡装置は被検査体を、集束超音波ビームの液体音
場媒体（通常は水が使用される）における焦点面
上に配置させて超音波像を撮像するばかりでな
く、焦点面から積極的にずらして使用されること
が多い。これは、超音波顕微鏡装置の特徴であ
り、従来の光学顕微鏡および電子顕微鏡等で観測
できない被検査体内部の変化をコントラストよく
観測することができる。 一方、前述の画像計測のための超音波顕微鏡を
改良して被検査体の音速を測定する音速測定装置
が開発されている。これは、超音波顕微鏡におい
て、Ｘ及びＹ方向に走査させず、第２図に示され
るようにＺ軸方向移動装置１１上に配置された被
検査体１０（例えば、固体物質）を、移動制御装
置１２によつて、ビーム軸（Ｚ軸）に沿つて超音
波トランスジユーサ３方向に近づくように移動さ
せながらトランスジユーサ出力を観察するように
した装置である。トランスジユーサの出力はｂ図
に示されるような周期的に変化する曲線となつて
記録装置１３に描かれる。この曲線はＶ（ｚ）曲
線あるいは音響特性化曲線と呼ばれている。その
周期性は物質に依存し、これは被検査体１０に照
射される集束超音波ビームのうちのＺ軸近傍から
の反射波と、臨界角近傍のビームによつて励起さ
れた漏洩弾性波の再放射した波との干渉によるも
のであることが知られている。したがつて、第２
図ｂ中の周期ΔZから、漏洩弾性波の速度を計算
により求めることができる。この周期ΔZと音速
の関係は近似的に次式で与えられる。 ΔZ＝Vl／｛2（１−cosθs）｝ θs＝Sin-1（Vl／Vs） ここで、θs；臨界角、Vl；液体音場媒体４の縦
波速度、Vs；漏洩弾性波速度、；使用超音波
周波数である。したがつて、この音速測定装置で
は周期ΔZを実測することによつて、固体の音速
を定量的に求めることができる。このことから、
本測定は被検査体の音響特性の超音波顕微鏡によ
る定量測定と呼ばれている。 さらに、上述のＶ（ｚ）曲線に基づく音速測定
において前記の円錐状に集束された超音波ビーム
を用いると、微小部分に対しての音響特性を検出
できるという特徴をもつているが、そのビーム形
状の対称性により、ビームの成分はビーム軸のま
わりの全方向に広がつているために、被検査体が
Ｚ軸のまわりに異方性をもつている場合には、方
向に依存した異方性の検出はできず、音速は平均
値として測定される。異方性検出のため超音波ト
ランスジユーサ電極を分割する方法等も試みられ
ているが定量的に乏しい。そこで、異方性をも含
めて定量的に精密な計測を行なうため、直線状に
集束された超音波ビーム（直線状集束超音波ビー
ム）を用いる超音波顕微鏡が提案されている（特
願昭56−107402号参照）。 第３図は直線状集束超音波ビームを用いて、固
体の音響特性のＺ軸のまわりの異方性を検出測定
する方法を示す説明図である。直線状集束超音波
ビーム１５は液体音場媒体（同図中には示されて
いない）を介して、被検査体１６に照射され、上
述の円錐状に集束された超音波ビームを用いた場
合と同様に、Ｚ軸方向に被検査体１６を移動しな
がらＶ（ｚ）曲線を記録する。デイツプの周期ΔZ
と固体の漏洩弾性波速度との関係式は、円錐状に
集束された超音波ビームを用いた場合において説
明したものと全く同様である。第３図では、Ｘ方
向にだけ漏洩弾性波を励振できるため、Ｘ方向の
伝搬速度を測定できる。順次、被検査体１６をＺ
軸まわりに角度θ回転して同様な測定を繰り返す
ことによつてＺ軸のまわりの異方性を漏洩弾性波
速度値の差異として測定することができる。すな
わち、上記直線状集束超音波ビームを使用した場
合には、結晶の異方性を角度θと音速の関係で表
わすことができる。 以上のような測定法に基づいて音速決定を行な
うためには、Ｖ（ｚ）曲線中のデイツプ周期が規
則的にあらわれることが必要である。しかしなが
ら、一般に複数個の漏洩弾性波モードがＶ（ｚ）
曲線における波の干渉現象に関与する場合には、
Ｖ（ｚ）曲線中のデイツプ周期および波形に乱れ
が生ずる。このような場合には単純にはその曲線
からデイツプ周期ΔZを正確に求められないこと
が多く、Ｖ（ｚ）曲線から漏洩波の速度を測定す
るのが困難となる。 最近、そのような歪んだＶ（ｚ）曲線から被検
査体の正確な音響情報を抽出するため、「複数個
の漏洩弾性波モードが存在する被検査体に対して
得られる複雑なＶ（ｚ）曲線は、各々のモードだ
けが存在すると仮定した場合に得られるＶ（ｚ）
曲線の重ね合わせとして考えることができる」と
いう原理に基づき、フーリエ変換等の波形解析手
法を用いて解析する機能を有する超音波顕微鏡装
置が発明された（特願昭58−058368（特開昭59−
183364号公報））。その装置によれば、測定された
Ｖ（ｚ）曲線に波形解析手法として、フーリエ変
換等の操作を施し、周波数領域で、各々のモード
をそれぞれに対応した周波数スペクトラムとして
他のモードから分離し、各々のモードに対して対
応するデイツプ周期ΔZを算出し、前述したデイ
ツプ周期ΔZと漏洩弾性波速度Vsとの関係式にも
とづいて、各々のモードの漏洩弾性波速度を決定
するものである。 以上のような測定は、被検査体の音響特性を微
視的部分あるいは巨視的部分において定量計測す
ることを目的としたものである。超音波顕微鏡装
置によつて記録されたＶ（ｚ）曲線には被検査体
のあらゆる弾性的情報が含まれているが、上記音
速測定は、その一部の情報の抽出である。Ｖ（ｚ）
曲線中には干渉振幅等の形状に大きな影響を及ぼ
す重要な因子：干渉に関与する漏洩波の伝搬減衰
も含まれている。超音波顕微鏡装置における液体
音場媒体と被検査体との間の境界面上を伝搬する
漏洩波の伝搬に伴う音波振幅の減衰は、主に次の
３つの要因：被検査体への液体の音響的負荷に
基づく音波エネルギーの液体中への放射による減
衰、被検査体自体の音波吸収機構による減衰、
被検査体表面の粗さによる音波の散乱や、漏洩
波エネルギーが分布する被検査体内部に存在する
クラツク、気泡、粒界等に代表されるような被検
査体内部の構造因子による音波の散乱による減
衰、によつて引き起こされると考えられる。した
がつて、Ｖ（ｚ）曲線に関与する１個、あるいは
複数個の漏洩波の伝搬減衰を測定することによつ
て、被検査体の音響インピーダンス、表面状態や
内部構造を知ることができる。この漏洩波の伝搬
減衰をＶ（ｚ）曲線から決定する方法には、今ま
でのところ大きく分けて２つの方法が円錐状に集
束された超音波ビームに対して提案され、試みら
れている。１つの方法は測定されたＶ（ｚ）曲線
中に表われるデイツプの深さ、あるいは干渉振幅
の大きさを、理論計算で求めたＶ（ｚ）曲線と対
比して、その減衰を推定する方法である。もう１
つの方法は、図４に示すように中心軸近傍の超音
波ビーム成分を除去するため、レンズの中央付近
に吸音材２０をつけたり（ａ図）、超音波トラン
スジユーサの電極に工夫をこらし、測定に適切な
音場を使用したりして（ｂ図）、Ｖ（ｚ）曲線にお
ける中心軸付近の超音波ビームに対しての超音波
トランスジユーサの応答をとり去ることによつ
て、漏洩波振幅の減衰を、Ｚ軸移動距離に対して
直接的に測定する方法である。しかしながら、こ
れらの減衰測定方法には以下に示すような重大な
欠点がある。すなわち、前者の測定法に対して
は、理論計算との比較のため手間が非常にかかる
うえ、理論計算における近似のため、実際の実験
との対応が不完全であり、測定精度が不十分であ
る。また、後者の測定法では、漏洩波の減衰決定
を行なうには、最終的に漏洩波の速度を使用しな
ければならないので、その音速を、通常のＶ（ｚ）
曲線法あるいは他の方法に頼つて別に測定してお
かなければならないといつた不便がある。 本発明上記従来例の欠点を解消するものであ
り、測定されたＶ（ｚ）曲線から関与する漏洩波
の音速と減衰を一緒に測定できる機能を有する超
音波顕微鏡装置に関するものであり、以下、図面
を用いてその計測原理と実測手順を詳細に示す。 第５図はその測定原理の説明図で、一例として
集束超音波ビームには、音響レンズ方式による直
線状集束超音波ビームをとりあげた場合の断面図
である。ここでは簡単のため、被検査体と液体音
場媒体との境界には漏洩波モードとしては漏洩弾
性表面波だけが存在するものとする。先に音速測
定の原理で述べたように、超音波トランスジユー
サ１８の出力であるＶ（ｚ）は、実効的にはレン
ズ中心軸近傍から入射して被検査体１６で反射さ
れた後に超音波トランスジユーサ１８に戻る成分
＃０と、漏洩弾性表面波臨界角θlsawで入射し、
被検査体表面をある距離伝搬した後に水中に再放
射されて超音波トランスジユーサ１８に戻る成分
＃１によつて構成され、この２つの波の干渉によ
つて周期的なデイツプが現れると考えられる。こ
の出力Ｖ（ｚ）は図６に示されるように直線状集
束超音波ビーム用超音波トランスジユーサとレン
ズの形状と動作周波数により決定される基準信号
曲線VR（Ｚ）の上に漏洩弾性表面波成分と中心軸
近傍の反射波成分との干渉波形が重畳したもので
ある。したがつて、実測されたＶ（ｚ）曲線から
基準信号曲線VR（Ｚ）を差し引いた曲線は、漏洩
弾性表面波速度に対応するデイツプ周期ΔZをも
ち漏洩弾性表面波の伝搬長と関連して減衰する正
弦波の干渉出力波形VI（Ｚ）として表現できる。
したがつて、出力Ｖ（ｚ）は近似的に次式で表わ
すことができる。 Ｖ（ｚ）＝VI（Ｚ）＋VR（Ｚ） ここで VI（Ｚ）＝Ｃ・ATT・sin（ξ｜ｚ｜＋φ） ATT＝exp（−2αwt（ｚ）） ・exp（−2γ｜ｚ｜tanθlsaw） γ＝2πα／Vlsaw ｔ（ｚ）＝＝ ξは＃０と＃１との間の単位伝搬長当りの相対
位相差、φは焦点面でＺ＝０での＃０と＃１との
間の初期位相差、Ｃは任意定数である。また、
は超音波周波数、αwは液体音場媒体における縦
波音波の減衰定数、Vlsawは漏洩弾性表面波の位
相速度、αは規格化伝搬減衰定数である。したが
つて、液体音場媒体の音響特性（音速、減衰定
数）が既知のとき干渉波出力VI（Ｚ）を実験的に
抽出すれば、その周期性から漏洩弾性波の速度
を、また干渉波形の減衰の傾きから伝搬減衰量を
決定できる。その実験手順の一例を以下に示す。 (a) Ｖ（ｚ）曲線を記録する。 (b) デジタル・フイルター技術等の手法を用いて
測定したＶ（ｚ）曲線からVR（Ｚ）を抽出合成
する。 (c) Ｖ（ｚ）からVR（Ｚ）を差し引きVI（Ｚ）を抽
出する。 (d) VI（Ｚ）の周期性よりVlsawを決定する。 (e) VI（Ｚ）からATTを測定する。 (f) ATTから液体音場媒体のαwを用いてαを決
定する。 このように本発明は上記測定原理に基づき、測
定した１つのＶ（ｚ）曲線から、被検査体に対し
て漏洩波の音速と減衰定数を抽出・決定すること
ができるようにした超音波顕微鏡装置である。以
下、実施例を詳細に説明する。 第７図は一実施例としてデイジタルフイルター
技術および高速フーリエ変換等による信号処理を
した場合の超音波顕微鏡装置のブロツク図を示し
たものである。被検査体１０に対してＶ（ｚ）曲
線を記録装置１３に記録し、波形処理用計算機１
９で波形処理と解析を行ない、漏洩波の音速と減
衰を一緒に測定できる。 ここでは直線状集束超音波ビームを使用した音
響特性測定のための超音波顕微鏡装置によつて、
被検査体として光学研磨した等方性の溶融石英
（SiO2）について行つた測定実施例を示す。液体
音場媒体としては水を使用し、水と溶融石英被検
査体との境界面に存在・伝搬できる漏洩弾性表面
波を測定対象とする。実験は曲率半径1.0mmの直
線状集束超音波ビーム用サフアイア・レンズを使
用し、超音波周波数226.3MHzで行つた。第８図
ａおよびｂは前記測定手順によつて測定されたＶ
（ｚ）曲線およびVI（Ｚ）曲線である。第８図ｃ
はｂ図を常用対数表示したものである。ｂ図より
音速測定ができデイツプ周期ΔZ＝33.1μｍより、
漏洩弾性表面波速度Vlsaw＝3432ｍ／ｓが算出さ
れた。また、ｃ図より、VI（Ｚ）曲線に対しては
103dB／mmの減衰量が測定され、水の減衰定数
（20℃でαw／2＝25.3×10-17neper S2／cw）を
考慮すると、規格化減衰定数はα＝3.64×10-2と
決定された。この溶融石英に対しての実験例にお
いては、漏洩弾性表面波の減衰に対しては、水の
溶融石英に対する音響負荷による減衰に比し、固
体内での吸収減衰および固体の表面および内部に
おける散乱減衰等は無視できるので、測定減衰量
は音響負荷減衰量αlsawに対応すると考えられ
る。理論計算と比較した結果を表１に示す。
【表】
測定値 計算値 測定値 計算値
3432 3430 3.64×10−２ 3.82×10−２
3432 3430 3.64×10−２ 3.82×10−２
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ 集束超音波ビームを被検査物体に照射し、そ
の反射波をトランスジユーサで受波し、上記集束
超音波ビームの軸心方向に沿つてその集束超音波
ビームと上記被検査物体とを相対的に移動させ
て、上記トランスジユーサから音響特性化曲線Ｖ
（ｚ）を得る超音波顕微鏡装置において、 上記音響特性化曲線Ｖ（ｚ）から基準信号曲線
VR（ｚ）を差し引いて干渉出力波形VI（ｚ）を得
る手段と、 その干渉出力波形VI（ｚ）の減衰特性から伝搬
減衰量を求める手段とを設けたことを特徴とする
超音波顕微鏡装置。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP58083428A JPS59206758A (ja) | 1983-05-11 | 1983-05-11 | 超音波顕微鏡装置 |
| US06/595,865 US4541281A (en) | 1983-04-03 | 1984-04-02 | Ultrasonic microscope system |
| EP84103640A EP0121890B1 (en) | 1983-04-03 | 1984-04-03 | Ultrasonic microscope system |
| DE8484103640T DE3479922D1 (en) | 1983-04-03 | 1984-04-03 | Ultrasonic microscope system |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP58083428A JPS59206758A (ja) | 1983-05-11 | 1983-05-11 | 超音波顕微鏡装置 |
Related Child Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4292775A Division JP2524946B2 (ja) | 1992-10-30 | 1992-10-30 | 超音波顕微鏡装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS59206758A JPS59206758A (ja) | 1984-11-22 |
| JPH0376419B2 true JPH0376419B2 (ja) | 1991-12-05 |
Family
ID=13802165
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP58083428A Granted JPS59206758A (ja) | 1983-04-03 | 1983-05-11 | 超音波顕微鏡装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS59206758A (ja) |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS606858A (ja) * | 1983-06-24 | 1985-01-14 | Agency Of Ind Science & Technol | 表面弾性波の音速・減衰測定法 |
| EP0187866B1 (en) * | 1984-07-08 | 1989-12-06 | Noriyoshi Chubachi | Surface ultrasonic wave interference microscope |
| JP2634831B2 (ja) * | 1987-12-28 | 1997-07-30 | オリンパス光学工業株式会社 | 超音波顕微鏡 |
| JPH02140466U (ja) * | 1989-04-25 | 1990-11-26 | ||
| JP4036268B2 (ja) * | 2004-08-06 | 2008-01-23 | 国立大学法人東北大学 | 超低膨張ガラス材料の線膨張係数評価方法 |
-
1983
- 1983-05-11 JP JP58083428A patent/JPS59206758A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS59206758A (ja) | 1984-11-22 |
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