JPH04147054A - 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、被検体に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
の間の相対的傾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
波顕微鏡は一般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９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は音響しンズｌから放射される超音波
を集束するように成されている。２ば音響レンズ１の上
面１ａに着される圧電素子である。音響レンズ１と圧を
子２で超音波探触子３が構成される。４は検査象たる試
料、５は音響レンズ１と試料４との間介在する水を示す
。６ば超音波探触子３をＸ軸。

よびＹ軸方向に駆動するＸ−Ｙステージ、７は１料４を
Ｚ軸方向に移動させるＺステージ、８はステージ７上に
備えられるとともに試料４を載罰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（特定時間のみ正弦さ形電圧と
なるバースト波）を与える送信器、ｌ」は圧電素子２で
変換された超音波の反射波信号３受信する受信器、１２
は送信器１ｏと受信器１１の切換を行なうサーキュレー
タである。１３は×Ｙステージ６およびＺステージ７の
駆動を制征するステージコントローラである。１４はマ
イクロコンピュータで構成される処理装置を示し、達信
５１０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１ｂから媒！（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ｌ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
波の強さに応じ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１
０図および第１１図を参照しながら説明る。

第１０図は試料４の近傍を示す側面図である。

図で、第９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が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θの超音波ビームＢ１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θ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＋、Ｂ２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において両超音波ビームＢ＋　、Ｂｚの相互干
渉を生しる。そして、この干渉の状態は、音響レンズｌ
と試料４との間の距離により種々変化する。第１１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、縦軸には圧
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４０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との関係が平行関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１２図により説明する。第１２図は第１０図と同
一部分の側面図である。この図では、音響レンズ１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！、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１１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
、さらに傾斜が大きくなると超音波ビームＢ１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、上記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を高精度で、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３
つ以上の副圧型素子を配置するとともに、これら副圧型
素子の少なくとも２つに接続されその出力信号に遅延を
与えることができる遅延回路と、この遅延回路が接続さ
れた少なくとも１つの副圧型素子を含む複数の副圧型素
子の出力信号を選択する選択手段と、この選択手段で選
択された各出力信号を合成する信号合成手段と、この信
号合成手段で合成された信号が最大となるように前記遅
延回路の遅延時間を調整する遅延時間調整手段と、この
遅延時間調整手段の調整量に基づいて前記試料の傾斜角
を演算する演算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
圧型素子の試料からの反射波信号が受信され合成される
遅延時間調整手段により遅延回路の遅延時間を調整し、
当該合成信号が最大となるようにする。合成信号が最大
となったとき、調整した遅延時間に基づいて試料の傾斜
角度を演算する。

〔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、２１ｂはレンズ凹面部である。２１ｃ
はレンズ凹面部の周囲に形成された平坦部である。２２
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。

この圧電素子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型素子であり、音
響レンズ２１の平坦部２１ｃに対向する位置にほぼ９０
度の間隔を置いて配置されている。これら副圧型素子２
２ａ〜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〜２２
ｄ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か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は各副圧型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２７ａ、２７ｂ
で構成される。これにより、各副圧型素子２２ａ〜２２
ｄのうちの任意の２つを接続することができる。２８ａ
はサーキュレータ２４ａと選択器２７の端子との間に接
続された遅延回路、２８ｂはサーキュレータ２４ｄと選
択器２７の端子との間に接続された遅延回路、２９は各
遅延回路２８ａ、２８ｂの遅延時間を任意に調整するこ
とができる遅延制御器である。副圧型素子２２ａ、２２
ｄの出力は、各遅延回路２８ａ。

２８ｂに設定された遅延時間だけ遅延せしめられる。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）、第７図（ａ）〜（Ｃ）、および第８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。又
、遅延回路２８ａ、２８ｂの遅延時間は０に設定してお
く。次に、選択器２７を操作して任意の２つの副圧型素
子、例えば対向位置にある副圧型素子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２２ｃ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〜２２
ｄ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、２
２ｂ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２４２〜２４ｄ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から放射される超音
波についてみると、副圧型素子２２ａからの超音波Ｂ２
□１および副圧型素子２２ｂからの超音波Ｂ２□、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□、の経路が超音波Ｂ２□
、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Δｔ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。

ここで、遅延制御器２９により遅延回路２８ａに遅延時
間を与える。この遅延時間は、Ｏから順次大きな値とし
てゆく態様で与えられる。遅延回路２８ａに与えられる
遅延時間が値Δｔに達すると、副圧型素子２２ａの信号
波形は第４図（ａ）に示すように時間Δｔだけ遅延され
、副圧型素子２２ｂの信号波形と同一位相となる。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Ｖ□８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。

上記のことから、遅延制御回路２９により遅延回路２８
ａに遅延時間を変化させながら与えてゆくと、副圧型素
子２２ａ、２２ｂの信号が最大値Ｖａ、となる遅延時間
があり、この遅延時間に応じた角度だけ試料４が傾斜状
態にあることが判る。

今、最大値■。Ｘを得たときの遅延時間をΔｔ。

２つの副圧電素子２２ａ、２２ｂ間の距離をり。

媒質（水）５中における音速をＣとすると、探触子２３
に対する試料４の傾斜角度αは次式により求めることが
できる。

したがって、処理装置１４で遅延制御器２９が遅延回路
２８ａに与えた遅延時間Δｔをとり込み、上記（１）式
の演算を行なえば試料４の傾斜角度が判明し、これに基
づいて傾斜角補正装置８を操作すれば、試料４を高精度
で平行状態とすることができる。

、なお、最大値Ｖ　ｓｍｘを得たか否かの判断は、処理
装置１４に予め最大値Ｖ　ｓ　ｍ　ｘを記憶しておき、
受信器２６で受信された信号をこれと比較することによ
りなされるし、又、最大値Ｖ□８を記憶しておかなくて
も、処理装置１４に受信器２６の受信信号を順次入力し
、処理装置１４でそのピークを判断することにより行な
うことができる。

ところで、試料４が第２図に示す傾きと逆の傾きである
場合を考える。この場合、副圧型素子２２ａ、２２ｂの
信号波形は第５図（ａ）、　　（ｂ）に示す波形、即ち
、副圧型素子２２ａの信号波形が副圧型素子２２ｂの信
号波形より時間Δｔだけ位相が遅れた状態となり、その
合成信号波形は第５図（Ｃ）に示す波形となる。ここで
、上記の方法と同じく、遅延回路２８ａに遅延時間を与
えてゆくと、第６図（ａ）、　　（ｂ）に示すように、
与えられた遅延時間が値ｔに達したとき両信号波形の位
相は一周期ずれた状態で一致し、第６図（Ｃ）に示すよ
うに最大値Ｖ　ｓ　ａ　ｘを得る。したがって、上記遅
延時間ｔに基づいて（１）式の演算を行ない傾斜角度を
算出し、これに従って試料４の傾斜を補正すると、傾斜
角度がさらに大きくなることとなり不都合である。

本実施例では、上記の不都合を避けるため、次の手段が
採られる。即ち、上記のように、副圧型素子２２ａ、２
２ｂを選択して（１）式の演算を行なった後、今度は選
択器２７により副圧型素子２２ａと副圧型素子２２Ｃ（
又は副圧型素子２２ｄ、以下側圧電素子２２ｃで代表さ
せる）とを選択する。このときの副圧型素子２２ａと副
圧型素子２２ｃの信号波形を第７図（ａ）、　　（ｂ）
に示す。第７図（ａ）の信号波形は第５図（ａ）の信号
波形と同じである。又、第７図（ｂ）に示す副圧型素子
２２Ｃの信号波形は、前述のように、副圧型素子２２ｃ
が副圧型素子２２ａ、２２ｂの中点に位置することから
、時間Δｔ／２の遅れ位相を有する。第７図（ｃ）は両
者の合成信号波形を示す。

ここで、上記と同じく遅延回路２８ａに遅延時間を与え
てゆくと、第８図（ａ）、　　（ｂ）に示すように、遅
延時間ｔ′において両信号波形の位相が一致し、第８図
（Ｃ）に示す最大値Ｖ　ｌＩｍＫの合成信号波形が得ら
れる。次いで、処理装置１４はさきに得た遅延時間ｔと
今回得た遅延時間ｔ′との比較を行なう。この場合、ｔ
’＞ｔとなるが、この関係は、副圧型素子２２ａ、２２
ｂ、２２ｃの位置関係からみて存在し得ない関係であり
、これにより、試料４の傾斜の方向が逆であることが判
る。

そこで、上記２回の操作により得られた遅延時間ｔ、ｔ
’を用いれば、次式により正しい傾斜角α′を演算する
ことができる。

そして、（２）式により得られた角度α′に基づいて傾
斜角補正装置８を操作すれば、試料４を高精度で平行状
態とすることができる。

このように、本実施例では、４つの副圧型素子を等間隔
に配置し、これらのうちの２つを選択し、一方に挿入さ
れた遅延回路の遅延時間に基づいて傾斜角度を演算する
ようにしたので、Ｘ−Ｙステージを動かさなでも試料の
傾斜を補正することができ、Ｘ−Ｙステージの移動によ
る悪影、響を受けることはなく、かつ、探触子の収束範
囲（焦点深度）が影響することもなく、精度の高い傾斜
角補正を行なうことができる。又、Ｘ−Ｙステージの移
動の必要がないので、傾斜角補正を容易に行なうことが
できる。

なお、上記実施例の説明では、副圧型素子を４つ設ける
例について説明したが、これに限ることはなく、３つ又
は５つ以上設けてもよく、かつ、各副圧型素子相互の間
隔が既知でありさえすれば、それらが等間隔の配置でな
くてもよいのは明らかである。又、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。さらに、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、送信する副圧電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。さらに又、遅延回路は送信
器側に接続することもできる。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明では、副圧電素子を複数設け
、それらのうちの複数を選択手段で選択し、選択された
副圧電素子のうちの１つのものの信号を遅延させ、合成
信号が最大振幅になったときの遅延時間に基づいて傾斜
角を演算するようにしたので、Ｘ−Ｙステージを動かす
ことなく試料の傾斜補正を行なうことができ、Ｘ−Ｙス
テージの移動による悪影響を除き、かつ、探触子の焦点
深度が影響することもなく、高精度で容易な傾斜補正を
行なうことができる。

【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）、第６図（ａ）〜（Ｃ）、第７図（
ａ）〜（Ｃ）および第８図（ａ）〜（Ｃ）は第１図に示
す装置の動作を説明する信号波形図、第９図は従来の超
音波顕微鏡の構成図、第１０図は第９図に示す試料近辺
の側面図、第１１図はＶ　（Ｚ）曲線を示す波形図、第
１２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〜２２ｄ・・・・・・副圧電素子、２３・・
・・・・探触子、２５・・・・・・送信器、２６・・・
・・・受信器、２７・・・・・・選択器、２８ａ。 第１図 第２図 第９図 第１０図 第１Ｉ図 音響レンズ試料間距ｍＺ（ｐｍ）

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３つ以上の副圧電素子を配置するとともに
   、これら副圧電素子の少なくとも２つに接続されその出
   力信号に遅延を与えることができる遅延回路と、この遅
   延回路が接続された少なくとも１つの副圧電素子を含む
   複数の副圧電素子の出力信号を選択する選択手段と、こ
   の選択手段で選択された各出力信号を合成する信号合成
   手段と、この信号合成手段で合成された信号が最大とな
   るように前記遅延回路の遅延時間を調整する遅延時間調
   整手段と、この遅延時間調整手段の調整量に基づいて前
   記試料の傾斜角を演算する演算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装置