JPH0465668A - 超音波顕微鏡 - 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】 Ａ、産業上の利用分野 本発明は超音波顕微鏡に関し、特に試料のＶ（ｚ）周期
測定の精度を向上させるように改善したものである。

Ｂ、従来の技術 第１２図はＶ　（ｚ）周期を検出することのできる従来
の超音波顕微鏡の構成を示す。

１は例えばバースト波を発信する送信機、２は試料３か
らの反射波を受信する受信機である。４は印加されたバ
ースト波を超音波に変換する圧電素子と、その超音波を
試料３に収束させる音響レンズとから成る超音波探触子
、５はサーキュレータである。６は受信信号のピークを
検出するピーク検呂器、７は検出されたピーク値をデジ
タル値に変換するＡ／Ｄコンバータ、８はピーク検出信
号に種々の演算を、施して映像化処理などを行なうＣＰ
Ｕを含む制御回路、９は制御回路８からの映像信号を可
視化する表示装置である。１０は水平面内でＸ、’Ｙ力
方向移動可能とされた試料台、ＩＬＸ、ＩＩＹは試料台
１０をＸ、Ｙ方向に駆動する駆動装置、１１Ｚは廟音波
探触子４を水平商に直交する垂直軸Ｚ方向に駆動する駆
動装置、１２は各軸駆動装［１１Ｘ−Ｚの駆動制御回路
である。

なお、１３は試料３と超音波探触子４との間に介在され
る媒体１例えば水である。

このような従来の超音波顕微鏡では次のようにしてＶ（
ｚ）データが測定される。

試料台となるＸＹステージ１０に置かれた試料３に媒体
１３を滴下し、超音波探触子４を接触させる。送信機１
からバースト状の電気信号をサーキュレータ５を介して
探触子４に印加する。探触子４は電気信号を超音波信号
に変換してレンズにより集束し、媒体１３を介して試料
３に照射する。

試料表面層で反射、散乱を受けた超音波信号は同じレン
ズで検出されて圧電素子で電気信号に変換された後、サ
ーキュレータ５を介して受信機２に送られる。受信機２
で受信された電気信号は適当に増幅された後、ピーク検
出器６に送出され、ここでピーク値が検出される。

探触子４で得られる超音波信号は、第１３図に示すよう
に、試料３から直接に反射する直接反射波（第１４図（
ａ）参照）と、いったん試゛料３の表面を伝播して反射
する弾性表面波（第１４図（ｂ）参照）との干渉波とし
て得られ、この干渉波が電気信号に変換されてサーキュ
レータ５を介して受信機２に送出される。

ここで、探触子４と試料３の距離をＺ軸方向に変化させ
て超音波信号の強度を測定すると、直接反射波と弾性表
面波の干渉の仕方により超音波信号の振幅が変動し、第
３図のようなＶ（ｚ’）曲線が得られ゛る。すなわち、
直接反射波と弾性表面波が同相で干渉すると干渉波の強
度は大きくなり（第１４図（ｃ））＝逆相で千′渉する
と強度が弱くなり（第１４図（ｄ））、超音波探触子４
のＺ軸方向移動によって同相と逆相との間で互いに強め
あったり弱めあったりして干渉し、第３図のＶ（ｚ）曲
線が得られる。このＶ　（ｚ）曲線の変□化する周期特
性から試料３の弾性表面波の音速や減衰を筆める。

Ｃ０発明が解決しようとする課題 この時、探触子４と試料゛表面の間の距離が短くなると
（図示の−Ｚ方向）、得られる超音波信号の強度は徐々
に減少してゆき、干渉波の極大、極小の差が小さくなる
。このため極大値の周期（あるいは極小値の周期）から
求められる音速の計算精度は悪くなる。この計算精度を
上げるためには、探触子４と試料表面の間の距離が短く
なっ□ても超音波信号から変換された電気信号のＳ／Ｎ
比が良くなければならない。

上記従来技術はＶ　（ｚ）周期の微小信号の振幅による
検出能の点について配慮がされておらず、Ｖ　（ｚ）周
期め測定データから求められる音速や減衰の測定精度が
悪いという問題があった゛。

本発明の目的は、Ｖ　（ｚ）周期め測定精度を向上させ
た超音波顕微鏡を提供することに鳴る。

０１課題を解決するための手段　　　　　　５一実施例
を示す第１゛因により本発明を説゛明すると、本発明の
超音波顕微−は、超音波探触子４を試料３に対して離接
しながら検出される検出信号＋ｉより試料３のＶ　（ｚ
）データを測定する超音波顕微鏡に農用される。

モして、上述の目的１は、被検体試料３のＶ　（ｚ）曲
線から超音波探触子４に関する特性データを除去する除
去手段と、この除去゛手段で得られた信号から被検体試
料の弾性表面波に関係する周期信号を抽出してＶ　（ｚ
）曲線の周期を算出する周期算出手段とを具備すること
により、達成される。

請求項２の超音波顕微鏡の除去手段は、弾性表面波が励
起されない基準試料について測定されたＶ　（ｚ）デー
タを記憶する記憶手段２３と、検出された被検体試料の
Ｖ　（ｚ）データと記憶手段２３に記憶されている基準
試料のＶ　（ｚ）データの差に相関する量を求める手段
２１とからなり１周期算出手段８は、求められた相関量
に基づいて被検体試料のＶ　（ｚ）データの周期を演算
するものである。

請求項３の超音波顕微鏡の除去手段は、弾性表面波が励
起されない基準試料について測定されたＶ　（ｚ）デー
タに反比例する係数を演算する係数演算手段８と、検出
された被検体試料のＶ　（ｚ）データに係数を乗算する
乗算手段３１と、この乗算結果に含まれるオフセット値
を除去するオフセット除去手段３２とからなり１周期算
出手段は。

このオフセット除去手段３２の出力に基づいて被検体試
料のＶ　（ｚ）データの周期を演算するものである。

Ｅ０作用 被検体試料３のＶ　（ｚ）曲線から超音波探触子４に関
する特性データが除去され、被検体試料３の弾性表面波
に関係する周期信号が抽出される。

この抽出信号からＶ　（ｚ）曲線の周期を算出するので
、検出信号のＳ／Ｎ比を容易に向上でき、音速や減衰の
測定精度が向上する。

なお、本発明の詳細な説明する上記り項およびＥ項では
、本発明を分かり易くするために実施例の図を用いたが
、くれにより本発明が実施例に限定されるものではない
。

Ｆ、実施例 一第１の実施例− 第１図〜第５図により本発明の第１の実施例を説明する
。第１２図と同様な箇所には同一の符号を付して相違点
を中心に説明する。

第１図は本発明による超音波顕微鏡の全体構成を示す図
である０図において、ピーク検出器６とＡ／Ｄコンバー
タ７との間番こ減算器２１と増幅器２２とが接続される
とともに、基準となるＶ（ｚ）データを予め記憶する記
憶装置２３の出力がＤ／Ａコンバータ２４を介して減算
器２１に入力されている。減算器２１はピーク検出器６
から出力されるＶ　（ｚ）データと記憶装置２３に記憶
されている基準Ｖ（、ｚ）データとの差を演算する。

このように構成された第１の実施例の動作を次に説明す
る。

まず初めに金やテフロンなどの弾性表面波を励起しない
試料に対して、基準Ｖ　（ｚ）データを測定し、サンプ
リングピッチ、測定点数、焦点位置等の測定条件ととも
に各測定点と出力電圧とを対応させた測定結果を基準Ｖ
、　（ｚ　）データとして記憶装＠２３に格納しておく
、この時、金やテフロンを基準試料として用いた時のＶ
　（ｚ）データは第２図に示すように周期性を持たない
特性となる。

次に被検体となる試料をセットし、Ｚ軸を調整してレン
ズの焦点位置が試料表面となるように探触子４をセット
する。基準Ｖ　（ｚ）データの測定条件と合わせてサン
プリングピッチｍｉ１！定点数。

測定開始点（焦点位置からのデフォーカス量Ｚｆ）等を
設定する。また焦点位置における出力電圧Ｖｍａｘが基
準試料のその位置における出力電圧Ｖｔ■ａＸと等しく
なるよう受信機２のゲインを調整する。

次にサンプリングピッチに同期させて探触子を試料３に
近づけながら被検体試料のＶ　（ｚ）データを測定する
。このとき、各サンプリング時点において、予め測定し
て記憶装置２３に記憶されている基準Ｖ　（ｚ）データ
から、サンプリングピッチに対応した出力電圧Ｖｔを読
み出し、その値をＤ／Ａ変換器２４でアナログ値に変換
して減算器２１に送る。減算器２１ではサンプリングピ
ッチコトニ、基ＩＶ（ｚ）データＶｔと現在測定されて
いる試料のＶ（ｚ）データの出方電圧Ｖとの差Ｖ−Ｖｔ
、が演算される。次にその差分を増幅器２２に入力して
適当な増幅度で増幅し、その値をＡ／Ｄ変換して制御回
路８で演算処理する。

基準Ｖ　（ｚ）データは前述した通り第２図の特性とな
り、被検体試料のＶ　（ｚ）データは第３図のように周
期性を持った特性となる。２つの信号の差分を求めると
第４図のようになり、試料の弾性表面波に依存する周期
の信号が得られる。この信号強度は、探触子４が試料に
近づくにつれて小さくなり感度が悪くなるので、増幅器
２２である程度全体を増幅して微小信号の感度を上げる
。そして、第５図に示すように十分に感度の上がったＳ
／Ｎ比のよい信号をＡ／Ｄ変換し、制御回路８で演算処
理を行う。

このように第３図に示すような原信号ではＶ（ｚ）デー
タ全体を増幅することには限界があるため微小信号の感
度′が低く、その値から得られる音速の計算精度が悪く
なるような場合には、被検体試料と基準試料の各Ｖ　（
ｚ）データの差分をとり、それを増幅して信号の感度を
上げることによって、試料の音速の計算精度が向上する
。

なお、制御回路８は、第５図に示す信号に対してＦＦＴ
演算（高速フーリエ変換）を行ってスペクトラム曲線を
得る。そして、強度の最も゛高い横軸の周波数を読み取
る。この周波数は、検出したいＶ　（ｚ）データの周期
ΔＺの逆数であるから、周期ΔＺが容易に求められる。

Δ２が求まれば、周知の演算式から音速が求まる。

なお、第５図の信号の包絡線ＥＶを検出して被検体試料
の減衰特性を求めることもできる。

−第２の実施例− 第６図〜第１１図により本発明の第２の実施例を説明す
る。

第６図は１本発明による超音波類１＃鏡の第２の実施例
を示す全体構成図である。第１の実施例と同一の構成要
素については同一の符号を付して相違点を中心に説明す
る。

３１は、制御回路８によって増幅度が制御される可変増
幅器、３２は、増幅後の信号のオフセットを除去するオ
フセット変換器、３３は、オフセット除去後の信号を予
め定めた増幅度で増幅する増幅器である。

このように構成された第２の実施例の動作を第７図のフ
ローチャ□−トを参照して説明する９まず初めに弾性表
面波が励磁されない金やテフロン等の試料に対して、媒
質に水を用いて基準Ｖ（Ｚ）データを測定し、測定ピッ
チ、測定点数。

煮魚位置”ｉの測定条件および一定点Ｚ２と測定電圧Ｖ
ｔｐの測定結果を記憶装置２３に格納し゛ておく（ステ
ップ５ｌ−８５）、この時、金やテフロン等を試料とし
て得られる基準Ｖ（ｚ）データは上述したように第２図
に示した周期性を持たない特性となる。

次に被検体試料をセットし、サンプリングピッチに同期
させて探触子４を試料３に近づけながら被検体試料のＶ
（ｚ）データを□測定するが、まず、予め測定して記憶
装置２３に記憶した基準Ｖ　（ｚ）データから、その逆
数に比例した第８図に示す増幅度Ｋ　（ｚ）データを制
御回路８で演算しくステップＳ６）、そのＫ　（ｚ）デ
ータからサンプリングピッチに対応した値Ｋｐを読み出
し、Ｄ／Ａ変−換器２４でアナログ電圧値に変換して電
圧制御型の可変増幅器３１の増幅度制御信号として送る
。

可変増幅器３１ではサンプリングピッチ毎に送られてく
る増幅度制御信号ｘｐに応じた増幅度にセットする（ス
テップＳ７’、’Ｓ８）。そして、ステップ８９〜Ｓｌ
ｌを行い、被検体試料のＶ　（ｚ）データを検出する。

□ス□テップ８７〜８１３を繰り返し行うことにより、
第９図に示す信号が得られる。

以上の関係を式で表すと以下のようになる。

第２回のような基準”Ｖ（ｚ）データをＶＯ（Ｚ）とし
、□その逆数に比例□した第８図で得られる増幅度をに
０←２）とすると： に、（ｚ）＝Ａ／Ｖ、（ｚ）　　　　　　　・＝’（１
）但し、Ａは定数 となる。従来方法で得られる被検体試料のＶ（ｚ’）デ
ータをＶ、（ｚ）とすると、 Ｖ、（ｚ）＝Ｖ、（ｚ）＋ｖ　（ｚ）　　　　・・・（
２）但し、ｖ（ｚ）は第１１図に示す弾性表面波に関す
るＶ　（ｚ）特性である。

となる。一方１本方法で得られる被検体試料のＶ（ｚ）
データをＶ２（ｚ）とすると、 Ｖｚ　（ｚ）＝Ｋａ　（ｚ）　　・Ｖｚ　（ｚ）＝Ａ＋
　　　　　　　　ｖ　　（ｚ） Ｖ、（ｚ）　　　　　　　・・・　（３）となる。従っ
て、第９図に示すように弾性表面波に関する（３）式第
２項に第１項のオフセット値Ａが加算されたものとなる
。

そこで、可変増幅器３１の出力をオフセット変換器３２
でＡだけオフセットしたのち、固定増幅器３３でＢ倍の
一定増幅を行って（４）式の■３（ｚ）データが得られ
る。

これにより第１０図に示すように、Ａ／Ｄ変換器７でＡ
／Ｄ変換するのに好適な強度の信号となる。

Ａ／Ｄ変換器７で取り込まれたＶ　３　（ｚ　）データ
は制御回路８で（５）式により演算され、求める弾性表
面波に関する第１１図に示すような情報が得られる（ス
テップ５１４）。

・・・　（５） その後、ステップＳ１５でＦＦＴ演算を行い、ステップ
Ｓ１６で音速Ｃｒを算出する。

このように第３図に示すような原信号では微小信号の感
度が低く、その値から得られる音速や減衰の計算精度が
悪くなるような場合に対して、Ｚ方向の移動と同期して
増幅度を可変にして信号の感度を上げることにより、試
料の音速や減衰の計算精度が向上する効果が生まれる。

以上の各実施例において、減算器２１と記憶装ｊｉｉ２
３．あるいは可変増幅器３１とオフセット変換器３２が
除去手段を、制御回路８が周期算出手段をそれぞれ構成
する。また、減算器２１は検出Ｖ　（ｚ）データと基準
Ｖ　（ｚ）データとの差に相関する量を求める手段を、
制御回路８は係数演算手段を、可変増幅器３１は乗算手
段を、オフセット変換器３２はオフセット除去手段をそ
れぞれ構成する。

Ｇ１発明の効果 以上のように本発明によれば、被検体試料のＶ（ｚ）曲
線から超音波探触子に関する特性データを除去し、被検
体の弾性表面波に関係する周期信号を抽出してＶ　（ｚ
）曲線の周期のみを算出するようにしたので、検出信号
のＳ／Ｎ比を容易に向上でき、音速や減衰の測定精度が
向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による超音波顕微鏡の第１の実施例を示
す全体構成図である。 第２図は基準試料のＶ　（ｚ）曲線を示す図である。 第３図は被検体試料のＶ　（ｚ）曲線を示す図である。 第４図は被検体試料のＶ（ｚ）曲線から超音波探触子の
特性データを除去した信号波形図である。 第５図は第４図の信号を増幅した波形図である。 第６図は本発明による超音波顕微鏡の第２の実施例を示
す全体構成図である。 第７図は第２の実施例の処理手順例を示すフローチャー
トである。 第８図は第２図に示す基準試料のＶ　（ｚ）曲線の逆数
を示すグラフである。 第９図は被検体試料のＶ（ｚ）曲線を第８図の可変増幅
度で増幅した時に得られる信号波形図である。　　　　
　　　　　　　　　　　　　　□第１０図は第９図の信
号のオフセットを除去した信号波形図である。 第１１図は被検体試料の弾性表面波に関する周期信号を
示す信号波形図である。 第１２回は従来の超音波顕微鏡の全体構成図である。 第１３図は音響レンズと試料を拡大して示す図である。 第１４図は被検体試料のＶ　（ｚ）曲線が生成される原
理を説明するもので、（ａ）は直接反射波を示す波形図
、（ｂ）は弾性表面波を示す波形図、（ｃ）は２つの波
が同相で干渉した場合を示す波形図、（ｄ）は逆相で干
渉した場合の波形図である。 １：送信機　　　　　２：受信機 ３：試料　　　　　　４：超音波探触子６：ピーク検出
器　　８：制御回路 １０：試料台　　　１１２：　Ｚ軸駆動装置２１：減算
器　　　　２２：増幅器

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）超音波探触子を試料に対して離接しながら検出され
   る検出信号により試料のＶ（ｚ）データを測定する超音
   波顕微鏡において、 被検体試料のＶ（ｚ）曲線から超音波探触子に関する特
   性データを除去する除去手段と、この除去手段で得られ
   た信号から被検体試料の弾性表面波に関係する周期信号
   を抽出してＶ（ｚ）曲線の周期を算出する周期算出手段
   とを具備することを特徴とする超音波顕微鏡。 ２）請求項１の超音波顕微鏡において、 前記除去手段は、 弾性表面波が励起されない基準試料について測定された
   Ｖ（ｚ）データを記憶する記憶手段と、検出された被検
   体試料のＶ（ｚ）データと前記記憶手段に記憶されてい
   る基準試料のＶ（ｚ）データの差に相関する量を求める
   手段とからなり、前記周期算出手段は、求められた相関
   量に基づいて被検体試料のＶ（ｚ）データの周期を演算
   することを特徴とする超音波顕微鏡。 ３）請求項１の超音波顕微鏡において、 前記除去手段は、 弾性表面波が励起されない基準試料について測定された
   Ｖ（ｚ）データに反比例する係数を演算する係数演算手
   段と、 検出された被検体試料のＶ（ｚ）データに前記係数を乗
   算する乗算手段と、 この乗算結果に含まれるオフセット値を除去するオフセ
   ット除去手段とからなり、 前記周期算出手段は、このオフセット除去手段の出力に
   基づいて被検体試料のＶ（ｚ）データの周期を演算する
   ことを特徴とする超音波顕微鏡。