JPH0510933A

JPH0510933A - 超音波センサ及びそれを用いた超音波スペクトラム顕微鏡

Info

Publication number: JPH0510933A
Application number: JP3161897A
Authority: JP
Inventors: Nobutaka Nakaso; 教尊中曽
Original assignee: Toppan Printing Co Ltd
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 1991-07-02
Filing date: 1991-07-02
Publication date: 1993-01-19

Abstract

(57)【要約】【目的】被検体に対して機械的な走査を伴わずに超音
波走査可能な超音波スペクトラム顕微鏡を提供する。【構成】超音波センサ１は、アレイ型円筒トランスジ
ューサ１２と平面トランスジューサ１４とからなる送受
独立型センサである。パルサー３８からアレイ型円筒ト
ランスジューサ１２の圧電素子群２２の各圧電素子２４
に印加されるべき入力信号は、入力信号処理回路３４ａ
により遅延時間を与えられる。これにより圧電素子群２
２の各圧電素子２４が超音波を発生する時間に時間ずれ
が生じる。この時間ずれを適宜に設定することにより、
アレイ型円筒トランスジューサ１２から送波される超音
波は、被検体表面２０ａ上の走査ライン２０ｂ上の所望
の一点に点集束される。この集束点からの反射波は平面
トランスジューサ１４で受波されて電気信号に変換され
た後、ＦＦＴ５４にてスペクトラム解析される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、被検体へ高周波超音波
を送波して、その反射波出力を出力する超音波センサに
関する。また、この超音波センサの反射波出力のスペク
トラムを評価することにより、被検体の物理的特性、膜
の厚さや密着性等を測定する超音波スペクトラム顕微鏡
に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば特開平２−２５１７５１号公報に
開示された超音波スペクトラム顕微鏡は、平面トランス
ジューサと球面状の凹面トランスジューサとの一対の超
音波トランスジューサからなる送受独立型超音波センサ
を備えている。

【０００３】球面トランスジューサから送波された超音
波は、球面の集束作用により、被検体の微小な一点に集
束されて入射される。この入射波は、被検体の弾性的特
性や構造の影響を受けつつ分散して反射され、平面トラ
ンスジューサに受波され、電気信号に変換される。この
ようなセンサによれば、球面トランスジューサの集束特
性によって、高い空間分解能が得られる。更に、平面ト
ランスジューサの圧電体面における位相干渉により、特
定の入射角（即ち平面の法線と被検体表面の法線とがな
す角度）の成分のみの反射波が電気信号に変換されて出
力される。この出力信号に基づいて反射波の強度スペク
トラムや位相スペクトラムを評価することにより、被検
体の弾性定数、膜厚、異方性等が定量測定される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、球面ト
ランスジューサによる入射波は微小な一点に集束される
ため、高い空間分解能を有するものの、一度に一点の測
定しかできない。従って、多点の測定を実行するために
は、センサ自体を被検体表面に沿って機械的に走査させ
ねばならず、測定の高速化が困難である。

【０００５】本発明は係る問題点に鑑みてなされたもの
であり、その目的とするところは、機械的な走査が不要
であるにも拘らず、多くの測定点の測定を高速に実行可
能とする超音波センサ及びそれを用いたスペクトラム顕
微鏡を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の超音波センサは、第１と第２の送受波手段
を備え、その一方が送波側として用いられ、高周波信号
が印加されることにより被検体表面へ高周波超音波を送
波し、他方が受波側として用いられ、被検体からの反射
超音波を受波し、この反射超音波の強度に対応した電気
信号を出力する送受独立型の超音波センサであって；第
１の送受波手段は、複数の超音波圧電素子が、その各々
が互いに独立して圧電効果を生起するように、等間隔に
アレイ状に配列されてなる圧電素子群を有すると共に、
この圧電素子群の発すべき高周波超音波を集束波とする
ように、上記アレイ状配列の配列方向を長手方向とする
円筒面状の送受波面を有し；第２の送受波手段は、圧電
体面が平面状の超音波圧電素子及び平面状の送受波面を
有することを特徴とする。

【０００７】本発明の実施例によれば、第１と第２の送
受波手段は一体的に形成されている。

【０００８】第１の送受波手段の各圧電素子は、一対の
電極の間に圧電体を挟んでなり、その圧電体面は円筒面
状に形成されていてもよく、平面状に形成されていても
よい。

【０００９】第１の送受波手段の各圧電素子の一対の電
極のうちの何れか一方の電極をなす部材と、圧電体をな
す部材とのうちの少なくとも何れかの部材が、複数の圧
電素子について一体的に形成されていてもよい。

【００１０】第１の送受波手段の圧電素子群が、上記円
筒面状送受波面を形成された遅延材を有してもよい。

【００１１】第２の送受波手段の圧電素子は、圧電体面
が平面状の圧電体を一対の平面状の電極の間に挟んでな
ってもよく、更に上記平面状送受波面を形成された遅延
材を有してもよい。

【００１２】第２の送受波手段の圧電素子の任意の方向
における長さＬは、下式、Ｌ≧（１／sin β）・（Ｖ／ω）（但し、Ｖは超音波伝播媒体中の音速、ωは超音波セン
サの発信する超音波の時間周波数、または超音波センサ
に受信された反射超音波についてのスペクトラム強度分
布上の強度極小部の周波数、βは超音波センサの入射角
選択能力を表す値であって、第２の送受波手段の平面状
送受波面の法線と被検体表面の法線とがなす角度をθと
したときに、第２の送受波手段が受波する超音波の入射
角成分がθ±βの範囲のみであることを示す値）を満足
することが好ましい。

【００１３】第１の送受波手段を送波側に用いる場合
は、上記圧電素子群の少なくとも一部をなす任意の整数
Ｎ個の隣接する圧電素子から送波される超音波が、焦点
となる一点に集束されるように、第１の送受波手段の各
圧電素子に印加すべき高周波信号に、予め定められた時
間差を付与して各圧電素子に印加させる入力信号処理手
段を更に備えることが好ましい。

【００１４】第１の送受波手段を受波側に用いる場合
は、上記圧電素子群の少なくとも一部をなす任意の整数
Ｎ個の隣接する圧電素子から出力される電気信号から、
焦点となる一点から反射された反射波の強度に対応する
電気信号が形成されるように、第１の送受波手段の各圧
電素子の出力する電気信号を、予め定められた時間差を
付与して合成させる出力信号処理手段を更に備えること
が好ましい。

【００１５】請求項１２に記載の本発明の超音波スペク
トラム顕微鏡は、複数の測定点が一直線上に配列されて
なる仮想的なリニア走査ラインが表面に延在する被検体
に対し、各々の測定点に高周波超音波を集束させること
によりリニア走査ラインに沿って被検体をリニア走査
し、各々の測定点から得られた電気信号に基づいて、そ
の強度を周波数の関数として示した強度スペクトラムを
形成する超音波スペクトラム顕微鏡であって；被検体が
載置されるべきテーブルと；第１の送受波手段から送波
されるべき高周波超音波がリニア走査ラインに入射する
ように、且つこの入射波に対する被検体からの反射波が
第２の送受波手段で受波されるように配置される請求項
１乃至９の何れか１項に記載の超音波センサと；この超
音波センサの入力信号としての高周波信号を発振する高
周波発振手段と；上記超音波センサの第１の送受波手段
の少なくとも一部の圧電素子から送波されるべき高周波
超音波が、各々の測定点に集束しながらリニア走査ライ
ンに沿って被検体をリニア走査するように、上記高周波
発振手段の高周波信号に、予め定められた時間差を付与
して第１の送受波手段の少なくとも一部の圧電素子に印
加させる入力信号処理手段と；超音波センサの第２の送
受波手段の圧電素子の出力した電気信号に基づいて、そ
の強度スペクトラムを形成する強度スペクトラム形成手
段とを備えることを特徴とする。

【００１６】請求項１３記載の本発明の超音波スペクト
ラム顕微鏡は、複数の測定点が一直線上に配列されてな
る仮想的なリニア走査ラインが表面に延在する被検体に
対し、リニア走査ラインに高周波超音波を送波し、その
リニア走査ラインからの反射波に基づいて、各測定点に
ついての反射波出力を形成することにより被検体をリニ
ア走査し、各測定点についての反射波の強度を周波数の
関数として示した強度スペクトラムを形成する超音波ス
ペクトラム顕微鏡であって；被検体が載置されるべきテ
ーブルと；第２の送受波手段から送波されるべき高周波
超音波がリニア走査ラインに入射するように、且つこの
入射波に対する被検体からの反射波が第１の送受波手段
で受波されるように配置される請求項１乃至９の何れか
１項に記載の超音波センサと；高周波信号を発振し、こ
の高周波信号を超音波センサの第２の送受波手段の圧電
素子に印加させる高周波発振手段と；上記超音波センサ
の第１の送受波手段の少なくとも一部の圧電素子から出
力される電気信号に基づいて、各々の測定点から反射さ
れた反射波の強度に対応する電気信号を形成するよう
に、第１の送受波手段の少なくとも一部の圧電素子の反
射波出力に対し、予め定められた時間差を付与して合成
させる出力信号処理手段と；上記合成された反射波出力
に基づいて、その強度スペクトラムを形成する強度スペ
クトラム形成手段とを備えることを特徴とする超音波ス
ペクトラム顕微鏡。

【００１７】これらの超音波スペクトラム顕微鏡は、超
音波センサの第２の送受波手段の圧電素子の出力した電
気信号に基づいて、その位相を周波数の関数として示し
た位相スペクトラムを形成する位相スペクトラム形成手
段を更に備えることが好ましい。

【００１８】上記高周波発振手段の発振する高周波信号
は、超音波センサの発すべき高周波超音波が広帯域パル
ス波となるように広帯域パルス信号としてもよく、或い
は、超音波センサの発すべき高周波超音波がバースト波
となるように、周波数を掃引しながら発振されるバース
ト信号としてもよい。

【００１９】被検体表面方向をｘ−ｙ方向、被検体表面
上のリニア走査ラインの延在方向をｙ方向とするとき、
リニア走査ラインを被検体表面に沿ってｘ方向へ移動さ
せるように、上記超音波センサとテーブルとのうちの少
なくとも一方を他方に対して相対的に、且つ機械的に移
動させる移動手段を更に備えてもよい。

【００２０】第２の送受波手段の上記平面状送受波面の
法線方向と被検体表面の法線方向とがなす角度して規定
される入射角または受波角を可変とするように、第２の
送受波手段を被検体表面の法線方向に対して傾動させる
角度制御手段を更に備えてもよい。

【００２１】上記角度制御手段が、リニア走査ラインの
延在方向に平行をなす上記傾動の中心軸線を中心とし
て、第１と第２の送受波手段を一体的に傾動させてもよ
い。

【００２２】第１と第２の送受波手段を一体的に傾動さ
せる上記角度制御手段が、第１の送受波手段の送波する
超音波の焦点を上記傾動中心軸線上に位置させるよう
に、少なくとも一つの方向へ第１と第２の送受波手段を
一体的に移動させる焦点位置調整手段を備えてもよい。

【００２３】上記焦点位置調整手段が、上記焦点の位置
合わせの際に、上記移動の方向と被検体表面の法線方向
とに直交する方向へ第１と第２の送受波手段を一体的に
傾動させる傾動手段を備えてもよい。

【００２４】

【作用】上記の超音波センサによれば、第１の送受波手
段の圧電素子群の各圧電素子が同時に超音波を送波する
とすれば、その超音波は円筒面のレンズ作用により線集
束する。しかし、各圧電素子が超音波を送波する時刻に
適宜な時間差を与えることにより、或る時刻において或
る一つの測定点に超音波を点集束させることができ、こ
の点集束位置を変化させることができる。従って超音波
センサ自体を機械的に二次元走査させることなく、被検
体を走査することができる。

【００２５】また、この超音波センサを用いた超音波ス
ペクトラム顕微鏡によれば、上記のように被検体を走査
しながら各測定点からの反射波強度を得ることにより、
その強度を周波数の関数として示したスペクトラム強度
分布が形成される。

【００２６】

【実施例】図１は本発明の一実施例に係る超音波スペク
トラム顕微鏡を概略的に示す。超音波スペクトラム顕微
鏡（Ultrasonic Micro Spectrometer;以下、ＵＭＳＭと
略記す）はＸ方向に駆動可能なテーブル１１０を備え
る。このテーブル１１０には被検体２０が載置されてい
る。ここでテーブル１１０の駆動方向Ｘに対し、その法
線方向をＺ方向、これらＸ方向及びＺ方向に直交する方
向をＹ方向とするＸＹＺ座標系を定義する。また、被検
体表面２０ａがなす面をｘｙ平面、その法線方向をｚ方
向とするｘｙｚ座標系を定義する。但し、図１において
は、これらＸＹＺ座標系とｘｙｚ座標系とは一致してい
るものとする。

【００２７】被検体２０の表面２０ａには、ｙ方向に延
在する仮想的なリニア走査ライン２０ｂが規定される。
このリニア走査ライン２０ｂに沿って、ＵＭＳＭによる
被検体２０のリニア走査が実行される。このリニア走査
は、後述のようにＵＭＳＭの超音波センサ１の機械的な
走査を伴わず、電気的な信号処理により実行される。Ｕ
ＭＳＭに用いられる本発明の超音波センサ１は、集束ト
ランスジューサ１２と平面トランスジューサ１４との対
からなる送受独立型センサである。

【００２８】集束トランスジューサ１２は円筒面状の超
音波送受波面１６を有し、平面トランスジューサ１４は
平面の超音波送受波面１８を有する。

【００２９】これらトランスジューサ１２，１４は、そ
の一方から被検体表面２０ａ上のリニア走査ライン２０
ｂに送波された超音波に対する反射波が他方で受波され
るように配置される。

【００３０】また、平面トランスジューサ１４の平面１
８の法線と被検体表面２０ａの法線とは鋭角θをなす
が、この鋭角θは平面トランスジューサ１４を送波側に
用いた場合は入射角、受波側に用いた場合は受信角（検
出角）である。

【００３１】これらトランスジューサ１２，１４は、何
れも超音波の送波側と受波側とを兼ねるが、図１では前
者を送波側、後者を受波側とした例を示している。

【００３２】これらトランスジューサ１２，１４の超音
波送受波面１６，１８と被検体２０との間には超音波伝
播媒体としての水（図示せず）が介在されている。

【００３３】集束トランスジューサ１２は、特に図２に
示すように、圧電素子群２２を有するアレイ形トランス
ジューサである。圧電素子群２２は、例えば１００本の
帯状の圧電素子２４が互いに独立に圧電効果を生起する
ように、その長手方向で互いに平行に、且つ円筒面１６
の長手方向、即ちＹ方向に沿ってアレイ状に並べられて
なる。圧電素子群２２を形成する複数の圧電素子２４
は、複数の帯状の上部電極２６と、一枚の平板状の下部
電極２８との間に、一枚の平板状の圧電体３０を挟んで
なる。上部電極２６は例えばメッキで形成され、下部電
極２８は例えば蒸着、メッキで形成される。

【００３４】圧電素子群２２の各素子２４は、その長手
方向長さが例えば５０ｍｍ、その幅、即ち上部電極２６
の幅が例えば８０μｍである。隣接し合う二つの素子２
４間の中心間隔、即ち各上部電極２６間の中心間隔Δｄ
は等間隔であり、例えば１００μｍである。

【００３５】下部電極２８の下面には遅延材３２ａが貼
着され、この遅延材３２ａの下端には上記円筒面１６が
形成されている。この円筒面１６の集束半径は例えば１
０ｍｍである。

【００３６】一方、平面トランスジューサ１４は、例え
ば単独の平板状の圧電素子４０を有し、この圧電素子４
０は、上下一対の平板状の電極４２，４４の間に一枚の
平板状の圧電体４６を挟んでなる。下部電極４４の下面
には遅延材３２ｂが貼着され、この遅延材３２ｂの下端
には上記平面１８が形成されている。尚、図示の例で
は、平面トランスジューサ１４の遅延材３２ｂと集束ト
ランスジューサ１２の遅延材３２ａとは、中間部遅延材
３２ｃを介して一体的に形成されている。

【００３７】各トランスジューサ１２，１４の電極２
６，２８，４２，４４は例えば５０００オングストロー
ム厚の金箔であり、圧電体３０，４０は例えば３０μｍ
厚のＰ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）有機膜、遅延材３２ａ，３
２ｂ，３２ｃは例えば溶融石英である。

【００３８】各トランスジューサ１２，１４の形状は図
示したものに限定されるものではない。例えば遅延材３
２ａ，３２ｂ，３２ｃは必ずしも用いる必要はない。こ
こで遅延材３２ａを用いない場合、集束トランスジュー
サ１２の円筒面１６は、電極２６，２８及び圧電体３０
を円筒面状に湾曲させることにより形成できる。

【００３９】また、集束トランスジューサ１２の電極２
６と電極２８との上下関係を逆にしてもよい。つまり、
円筒面１６側に帯状の電極２６を設けてもよい。この場
合、各トランスジューサ１２，１４の保持部材（図示せ
ず）または３２ａ，３２ｂを導電部材で形成することに
より、これらに電極の役割を兼ねさせることもできる。
更に、各トランスジューサ１２，１４の水に接する部分
は、例えば膜厚１μｍの不導体有機膜からなる防水膜
（図示せず）で被覆することが望ましい。

【００４０】集束トランスジューサ１２の各圧電素子２
４には、入力信号処理回路３４ａの出力端が接続されて
いる。この入力信号処理回路３４ａは、各圧電素子２４
に対応した遅延素子３６ａと、これら遅延素子３６ａに
よる時間差を制御する制御部３６ｂとを有する。また、
この入力信号処理回路３４ａの入力端には、パルサー３
８が接続されている。

【００４１】パルサー３８は、各帯状圧電素子２４の駆
動電圧として例えば広帯領域パルス信号を発生する。こ
のパルス信号は、入力信号処理回路３４ａで時間差を与
えられた後、各帯状圧電素子２４の一対の電極２６，２
８間に印加される。これにより、各帯状圧電素子２４か
ら遅延材３２ａへ平面波が発せられる。この平面波は遅
延材３２ａの下端の円筒面１６のレンズ作用により集束
波とされて円筒面１６から送波される。この超音波は水
を介して被検体表面２０ａに入射し、ライン２０ｂへ線
集束される。

【００４２】平面トランスジューサ１４には、アンプ５
０、オシロスコープ５２、ＦＦＴアナライザ５４、ＣＲ
Ｔ５６が順に接続されている。

【００４３】集束トランスジューサ１２からの被検体２
０への入射波は、被検体２０で反射して水を介して平面
トランスジューサ１４の受波面１８で受波され、電気信
号に変換される。この電気信号はアンプ５０で増幅され
てオシロスコープ５２へ与えられる。オシロスコープ５
２は与えられた電気信号の時間波形を形成し、ＦＦＴア
ナライザ５４へ与える。ＦＦＴアナライザ５４は与えら
れた時間波形に高速フーリエ変換を施すことにより、反
射波の強度を周波数の関数として示したスペクトラム強
度分布を形成する。更に、反射波の位相を周波数の関数
として示したスペクトラム位相分布を形成してもよい。
これら形成されたスペクトラム強度分布、スペクトラム
位相分布はＣＲＴ５６に表示される。

【００４４】次に、上記のようなＵＭＳＭによるリニア
走査について説明する。

【００４５】図３に示すように、集束トランスジューサ
１２の圧電素子群２２のうちの連続的に並べられたＮ個
の圧電素子２４を考える。説明を簡単にするために、図
３に示す圧電素子群２２は遅延材３２ａを有さず、圧電
素子群２２自体が円筒面１６を形成するように屈曲され
ているものとする。

【００４６】この図３において、後述の距離ｎの位置に
中線を持つ圧電素子２４は符号Ｅ_nで示されている。こ
こで距離ｎは、圧電素子Ｅ_nの形成される面上で焦点に
最も近い位置を０とし、この位置と各素子Ｅ_nの中線と
の間のアレイ状配列方向に沿った距離である。説明を簡
単にするために、ｎ＝０の位置に中線を持つ素子Ｅ₀の
図示の右側の素子の距離ｎは順次に、１，２，３，…同
様に、０番目の素子Ｅ₀の図示の左側の素子の距離ｎは
順次に、−１，−２，−３，…とする。また、各々の素
子Ｅ_nに最も近い測定点をＰ_nで示す。

【００４７】Ｎ個の素子Ｅが同時に超音波を発した場合
は、Ｎ個の素子Ｅの超音波送波面１６は円筒面であるか
ら、Ｎ個の素子Ｅの超音波は走査ライン２０ｂに線集束
する。ここで或る時刻において、集束トランスジューサ
１２のＮ個の素子Ｅからそれぞれ独立に発せられた超音
波をライン２０ｂ上のある一つの測定点のみに点集束さ
せ、この一つの測定点からの反射波を平面トランスジュ
ーサ１４に受波させるためには、Ｎ個の素子Ｅ_nの各々
に印加されるべきパルス信号に時間差を加えてやればよ
い。

【００４８】例えばＮ個の素子Ｅ_nからの超音波をリニ
ア走査ライン２０ｂ上の測定点Ｐ₀に点集束させる場合
を考える。この場合、Ｎ個の素子Ｅ_nのうち、測定点Ｐ
₀の直上の一つの素子Ｅ₀は時間差を与える必要がな
い。そこで、この素子Ｅ₀を基準として時間差を与える
べき順序を考えればよい。

【００４９】０番目の素子Ｅ₀から測定点Ｐ₀までの超
音波伝播距離をＬ₀とすると、素子Ｅ_nから測定点Ｐ₀
までの超音波伝播距離Ｌ_nは、直角三角形の定理より、Ｌ_n＝｛Ｌ₀ ²＋ｎ²｝^1/2−Ｌ₀ である。

【００５０】この超音波伝播距離Ｌ_nを各素子Ｅ_nから
発せられた超音波が伝播するのに要する時間ｔ_Lnは、ｔ
_Ln＝Ｌ_n／Ｖであるから、ｔ_Ln＝［｛Ｌ₀ ²＋ｎ²｝^1/2−Ｌ₀] ／Ｖで与えられる。ここでＶは超音波伝播媒体中の音速であ
り、本実施例では水中の音速Ｖ_wである。従って、Ｎ個
の各素子Ｅ_nに与えるべき時間差τ_nは次式で与えられ
る。

【００５１】

【数１】

【００５２】一方、集束トランスジューサ１２が例えば
図１に示すような遅延材３２ａを有する場合は、この遅
延材３２ａによる超音波の遅延を考慮する必要がある。
この場合、Ｎ個の各素子Ｅ_nに与えるべき時間差τ_nは
次式で与えられる。

【００５３】

【数２】

【００５４】但し、Ｌ_n′，Ｄ′は次式を満たす。

【００５５】

【数３】

【００５６】ここでＶ_pは遅延材３２ａ中の音速、Ｄは
遅延材の厚み、Ｌ_n′，Ｄ′はそれぞれ素子Ｅ_nから測
定点Ｐ_nまでの超音波の伝播可能な経路のうち、伝播時
間が最短となる超音波伝播媒体中の伝播距離、及び遅延
材３２ａ中の伝播距離である。

【００５７】この遅延時間τ_nを入力信号処理回路３４
ａによりパルス信号に加えることにより、超音波センサ
１自体を機械的に移動させることなく、測定点Ｐ⁰へ超
音波を点集束させることができ、この測定点Ｐ₀におけ
る反射波を受波角Δθにて受波できる。また、他の各測
定点Ｐ_nに最も近接した素子をそれぞれ０番目として上
記[i] または[ii]式に従った時間差を与えることによ
り、点集束位置を各測定点Ｐ_nに移動させることができ
る。これにより、超音波センサ１の機械的な走査機構を
必要とせずに、被検体２０をリニア走査して各測定点の
スペクトラム強度分布、スペクトラム位相分布を測定で
きる。

【００５８】尚、入力信号処理回路３４ａに代えて、適
当な演算器により上記[i] または[ii]式の時間差の付与
を実行する構成としてもよい。

【００５９】この第１実施例のＵＭＳＭを用いた一測定
例について説明する。ＵＭＳＭでは、被検体に形成され
た膜の厚さを、スペクトラム強度分布上の強度極小部の
周波数またはスペクトラム位相分布上の位相変化部の周
波数ｆと、被検体及び超音波伝播媒体の弾性的性質等で
定まる定数Ｃとの比として求めることができる。

【００６０】この測定例では被検体２０として、４２Ｎ
ｉ−Ｆｅ合金の基板表面上に金の薄膜が形成されたもの
を用い、その金膜の厚さを求めた。

【００６１】超音波センサ１は、平面トランスジューサ
１４の超音波検出角が３０°となるように配置した。時
間差は上記[ii]式に従った。

【００６２】この測定例により得られたスペクトラム強
度分布とスペクトラム位相分布とをそれぞれ図４
（Ａ）、図４（Ｂ）に示す。

【００６３】これらの図に明らかなように、スペクトラ
ム強度分布では周波数１０ＭＨｚに強度極小が出現し、
スペクトラム位相分布でも周波数１０ＭＨｚに位相の変
化が出現している。これは、超音波検出角（または入射
角）が３０°の場合には、周波数１０ＭＨｚ成分の超音
波により、被検体表面２０ａに弾性表面波が励起されて
いることを示す。この測定例における定数Ｃを公知のデ
ータより３００とすると、被検体２０の金の膜厚ｄ
_gは、ｄ_g＝Ｃ／ｆ＝３００／１０＝３０［μｍ］と求められた。

【００６４】図５は本発明の第２実施例のＵＭＳＭを概
略的に示す。このＵＭＳＭの送受独立型超音波センサ１
は、トランスジューサ１２，１４の構造については上記
図１のセンサ１と同様である。但し、アレイ形集束トラ
ンスジューサ１２を受波側、上記平面トランスジューサ
１４を送波側に用いている。このようなセンサ１によれ
ば、広帯域パルス波を使用した場合には、平面トランス
ジューサ１４から超音波を１回送波するだけで、アレイ
形集束トランスジューサ１２は、被検体２０上の任意の
測定点からの反射波の信号を出力することができる。

【００６５】図５において、平面トランスジューサ１４
にはパルサー３８が接続されている。パルサー３８の発
する広帯域パルス信号は、圧電素子４０の上下一対の電
極４２，４４間に印加される。これにより、平面トラン
スジューサ１４から超音波が送波され、水を介して被検
体２０の表面に入射角Δθで入射され、ここで反射され
る。

【００６６】この反射波が受波されるアレイ形集束トラ
ンスジューサ１２の各帯状圧電素子２４には、それぞれ
アンプ５８、出力信号処理回路３４ｂの遅延素子３６ａ
が接続されている。更に出力信号処理回路３４ｂの出力
側には、オシロスコープ５２、ＦＦＴアナライザ５４、
ＣＲＴ５６が順に接続されている。

【００６７】アレイ形集束トランスジューサ１２の各圧
電素子２４は、受波した反射波を電気信号に変換し、各
々に対応するアンプ５８へ出力する。アンプ５８は電気
信号を増幅して出力信号処理回路３４ｂの遅延素子３６
ａへ与える。出力信号処理回路３４ｂは、遅延制御部３
６ｂの制御により、各時間波形に上記[ii]式で与えられ
る時間差τ_nを与えた後、各時間波形を合成し、この合
成波形を出力する。

【００６８】出力信号処理回路３４ｂの出力する合成波
形は、０番目の素子２４の直下における測定点からの反
射波出力に相当する。従って、出力信号処理回路３４ｂ
はＥ_(n=0)とすべき素子２４の位置に応じて各測定点Ｐ
_nにおける入射角θの入射波に対する反射波出力を出力
することができる。この反射波出力に基づいて、上記図
１の例と同様にオシロスコープ５２、ＦＦＴアナライザ
５４を経てスペクトラム強度分布、スペクトラム位相分
布が形成され、ＣＲＴ５６に表示される。

【００６９】この第２実施例におけるアレイ形集束トラ
ンスジューサ１２の出力側の構成は、図６に示す構成に
代えてもよい。この例では、平面トランスジューサ１４
に広帯域パルス信号を印加するパルサー３８からのトリ
ガー信号により、スイッチ５１が各圧電素子２４の出力
波形を順次にアンプ５３に切り換える。このアンプ５３
で増幅された各圧電素子２４の出力波形から、デジタル
オシロスコープ５５にて各測定点の反射波形に相当する
波形が形成され、波形記憶器５７に記憶される。

【００７０】この記憶された波形は、意図した測定点か
らの反射波が得られるように、演算器５９にて時間差τ
_nが与えられて合成される。この合成波形に基づいて、
演算器５９はスペクトラム強度分布、スペクトラム位相
分布を形成し、これらがＣＲＴ５６に表示される。この
図６のようなアレイ形集束トランスジューサ１２の出力
側の構成は、図５の構成に比べて単純化できる。

【００７１】また、繰り返し電気信号を発振しながらス
イッチ５１の切り換えにより各素子２４からの波形を採
取する代わりに、ディジタルオシロスコープ等の波形採
取装置を素子２４の数と同数台配置して、各素子２４か
らの波形を一度に採取する構成としてもよい。

【００７２】上記の第２実施例によるＵＭＳＭを用いた
一測定例について説明する。この測定例では、被検体２
０として４２Ｎｉ−Ｆｅ合金の基板表面上に金の薄膜が
形成されたものを用い、その表面２０ａに励起されるレ
ーリー波の位相速度を測定した。

【００７３】先ず平面トランスジューサ１４から送波さ
れる超音波の被検体表面２０ａに対する入射角を変化さ
せながら、その異なる入射角に対するリニア走査ライン
２０ｂ上の一つの測定点についての反射波合成波形を形
成し、そのスペクトラム強度分布、スペクトラム位相分
布を形成した。ここで時間差は上記[ii]式に従った。ま
た、入射角を変化させる手段としては、後述のθステー
ジ８２（図８参照）を使用できる。

【００７４】次に、測定されたスペクトラム位相分布の
うち、周波数２０ＭＨｚ成分の位相の変化を入射角に対
してプロットしたところ、図７に示す特性が得られた。

【００７５】図７に明らかなように、入射角２３度にて
微小測定点からの反射波の位相が回転していることが解
る。これは弾性表面波であるレーリー波が入射角２３度
で励起されたことを示す。その結果、被検体２０の位相
速度Ｖ_phaseは、超音波伝播媒体（この例では水）中の
音速を１５００ｍ／ｓｅｃとして、スネルの法則によ
り、Ｖ_phase＝１５００／sin(23) ＝３８４６［ｍ／ｓｅｃ］と求められた。以上は、リニア走査ライン２０ｂ上の一
つの測定点についてのレーリー波の位相速度の測定例で
あるが、他の測定点の位相速度は、再度の超音波送波を
必要とすることなく測定可能である。即ち、上記[ii]式
において、ｎ＝０とする波形を演算で移動させることに
より他の測定点の反射波合成波形を形成し、それに基づ
いて他の測定点の位相速度を測定できる。

【００７６】上記各実施例における平面トランスジュー
サ１４は、その長手方向の幅Ｌが、下式、Ｌ≧（１／sin β）・（Ｖ／ω）……(2-1) （但し、Ｖは超音波伝播媒質中の音速度であって、上記
各実施例においては水中の音速度Ｖ_W、ωは超音波セン
サーの送波する超音波の時間周波数、または周波数分布
の周波数の最小値、βは超音波センサの入射角選択能力
を表す値）を満足することが望ましい。

【００７７】これについて、第１実施例における超音波
センサ１（図１）を用いて説明する。図８において、被
検体表面２０ａによって定義される平面トランスジュー
サ１４の入射角θは、平面トランスジューサ１４の法線
Ｎ₁と被検体表面２０ａの法線Ｎ₂とがなす角度であ
る。この図５に示すように、平面トランスジューサ１４
に受波されるべき超音波に、この入射角θから角度αだ
けずれている入射角成分が生じているとする。この場合
の超音波センサ１の反射波出力は、図９及び図１０に示
すようになることが知られている。

【００７８】α＝０の場合は、平面トランスジューサ１
４に垂直に超音波が入射する場合に相当する。幅Ｌが大
きい場合、超音波センサ１の出力は、αが小さくても急
激に減少し、一般にα＝βの角度で出力が極小となる。
ここでβは、次式を満たすことが図１１より明らかであ
る。 β＝Sin ^-1（λ／Ｌ）……(2-2) ここでλは超音波の波長であり、λ＝Ｖ／ω、即ち上記
各実施例においてはλ＝Ｖ_W／ωである。

【００７９】この(2-2) 式で求められる角度βだけ入射
角θからずれた超音波の入射角成分は、平面トランスジ
ューサ１４の幅Ｌ全体に亘る位相干渉により極小とな
る。即ち、βは、θ±βの範囲の超音波の入射角成分の
みを超音波センサ１が大きな強度を持って出力し得るこ
とを示すパラメータである。ここでβを入射角度選択能
力と定義すると、入射角度選択能力βを有する平面トラ
ンスジューサ１４の幅Ｌは、(2-2) 式を変形することに
より、(2-1) 式で与えられる。ここで説明した超音波セ
ンサーの出力特性及び(2-1) 式は、平面トランスジュー
サ１４を送波側に用いても、或いは一対のトランスジュ
ーサ１２，１４の一方または双方の遅延材３２ａ，３２
ｂの有無に拘らずに成立することが確認されている。

【００８０】図１２は本発明の第３実施例に係るＵＭＳ
Ｍの全体的な構造を示す。このＵＭＳＭは、超音波セン
サ１の焦点を調整する手段を備えたものである。

【００８１】図１２において、第１及び第２実施例と同
様な構成要素については同一の参照符号を付して示す。
但し、このＵＭＳＭにおける入力信号処理回路３４ａと
出力信号処理回路３４ｂとは、超音波センサ１のアレイ
型円筒トランスジューサ１２と平面トランスジューサ１
４との何れを送波側に用いるかに応じて択一的に設けら
れる。

【００８２】図１２において、ＵＭＳＭは、超音波セン
サ１の焦点調整手段として、Ｚステージ６８及びセンサ
駆動機構８０を備えている。このような焦点調整手段を
備える場合には、超音波センサ１のアレイ型トランスジ
ューサ１２と円筒平面トランスジューサ１４とを一体的
に形成することが好ましい。というのは、高周波超音波
は短波長であり、その焦点調整には微細な調整が要求さ
れるので、焦点調整の際にはトランスジューサ１２，１
４を一体的に駆動できることが望ましいためである。

【００８３】また、このような焦点調整手段は、例えば
超音波センサ１を回路基板等の被検体２０の製造ライン
に固定して使用する場合には、特に備える必要はない。

【００８４】ＵＭＳＭのベース６０には、縦フレーム６
４と横フレーム６６とからなるフレーム体６２が立設さ
れている。その横フレーム６６には、センサ駆動機構８
０を保持するＺステージ６８が摺動自在に取り付けられ
ている。このＺステージ６８は、超音波センサ１の焦点
深度を調整するために、超音波センサー１と被検体２０
との間のＺ方向の距離を変えるものである。このＺステ
ージ６８は、例えばパルスモータ７０によりセンサ駆動
機構８０をＺ方向へ移動させ、所望の位置で固定でき
る。このＺステージ６８のような焦点深度調整手段は被
検体２０を載置するテーブル１１０に設けても良い。ま
た、パルスモータ７０を含め、以下の説明における各モ
ータはマイクロコンピュータ等の制御手段により制御さ
れるものとする。

【００８５】披検体２０の光学的な観察が望まれる場合
には、披検体２０を光学的に観察するための光学顕微鏡
７２及びその顕微鏡写真撮影用の撮影装置７４を横フレ
ーム６６に取り付けてもよい。

【００８６】Ｚステージ６８の下方には、特に図１３に
示すように多段式のセンサ駆動機構８０が取り付けられ
ている。このセンサ駆動機構８０は、その最上段から、
入射角設定用のθ軸ゴニオメータ８２、センサ駆動機構
８０の厚み吸収用のスペンサ８４、θ軸ゴニオメータ８
２の揺動中心軸Ｃ₀に対して垂直な方向へ超音波センサ
１の傾きを調整するための微調整用のΨ軸ゴニオメータ
８６、超音波センサ１のｘ軸方向の焦点位置修正用のｘ
軸ステージ８８、超音波センサ１のｚ軸方向の焦点位置
修正用のｚ軸スペンサ９０を順次に重ねて取り付けてな
る。

【００８７】このセンサ駆動機構８０の最下段のｚ軸ス
ペンサ９０には、アダプター７６を介して超音波センサ
１のホルダ７８が取り付けられている。アダプター７６
とホルダ７８との結合は、例えば捩子込みや捩子固定に
より、着脱自在とする。

【００８８】θ軸ゴニオメータ８２は、超音波入射角を
設定するために、超音波センサ１をθ方向へ傾動させる
ものであり、駆動機構部９２と傾動テーブル９４とを備
えている。このθ軸ゴニオメータ８２は、好ましくはス
テッピングモータ９６により駆動される。このステッピ
ングモータ９６の駆動によりθ軸ゴニオメータ８２の主
軸（図示せず）を回動させると、駆動機構部９２の内部
では、主軸に設けられたウォームギア（図示せず）が、
傾動テーブル９４の湾曲面９４ａに沿って形成されたウ
ォームホイール（図示せず）に噛合し、傾動テーブル９
４をθ方向へ傾斜させる。その結果、傾動テーブル９４
の下部水平面９４ｂに取り付けられた各構成要素を介し
て超音波センサ１がθ方向へ傾動され、種々の測定に応
じた適切な入射角にて停止される。

【００８９】このθ軸ゴニオメータ８２による入射角設
定の際には、被検体表面２０ａからの反射波が効率的に
超音波センサ１に受信されるようにすることが好まし
い。具体的には、被検体表面２０ａと超音波センサ１と
の間で入射波と反射波とが形成する平面を、被検体表面
２０ａに対して垂直にさせることが好ましい。

【００９０】そこで本実施例においては、θ軸ゴニオメ
ータ８２の傾動テーブル９４の下部水平面９４ｂに、ス
ペンサ８４を介してΨ軸ゴニオメータ８６を取り付けて
いる。このΨ軸ゴニオメータ８６は、超音波センサ１を
Ψ方向へ傾動させるためのものであり、θ軸ゴニオメー
タ８２の駆動機構部９２及び傾動テーブル９４と同様な
駆動機構部９８及び傾動テーブル１００を備えている。
但し、駆動機構部９８内の主軸（図示せず）は、この主
軸に連結されたノブ１０２により手動で駆動される。そ
してノブ１０２の手動操作により、傾動テーブル１００
の下部水平面１００ａに取り付けられた各構成要素を介
して、超音波センサ１がΨ方向へ傾動され、適切な傾斜
角にて停止される。

【００９１】更に、上記θ軸ゴニオメータ８２による超
音波センサ１のθ方向への傾動においては、その傾動の
中心軸線上に超音波センサ１の焦点を位置させることが
好ましい。これは、入射角の変更に拘らず、被検体１２
に対して常に焦点を一定の位置に保つためである。この
目的のために本実施例においては、Ψ軸ゴニオメータ８
６の下方に、ｘ軸ステージ８８及びｚ軸スペンサ９０を
設けている。ここでｘ軸ステージ８８は、超音波センサ
１の焦点位置をｘ軸方向へ修正するためのものであり、
Ψ軸ゴニオメータ８６の傾動テーブル１００の下部水平
面１００ａに対してｘ方向へ摺動可能に取り付けられて
いる。このｘ軸ステージ８８を手動によりｘ方向へ摺動
させることにより、超音波センサ１の焦点位置のｘ軸方
向における位置調整がなされる。

【００９２】また、このｘ軸ステージ８８に取り付けら
れたｚ軸スペンサ９０は、超音波センサ１のｚ軸方向の
焦点位置をθ軸ゴニオメータ８２の揺動中心軸線Ｃ₀と
一致させるためのものであり、ｚ軸方向に手動により伸
縮する。これらｘ軸ステージ８８及びｚ軸スペンサ９０
により超音波センサ１の焦点位置をθ軸ゴニオメータ８
２の揺動中心軸線に位置させる。

【００９３】一方、ＵＭＳＭのベース６０には、特に図
１３に示すように、全体的に符号１１０で示される多段
式テーブルが備えられている。

【００９４】この多段式テーブル１１０は、その下段か
ら被検体２０をセンサ１の下で位置合せするためのＸス
テージ１１２、被検体２０の傾きを調整するための二連
式ゴニオメータ１１４を順次に重ねて取り付けてなる。

【００９５】位置合せ用Ｘステージ１１２は、好ましく
はステッピングモータ１１６によりＸ方向に駆動され
る。これにより多段式テーブル１１０全体がＸ方向に駆
動され、多段式テーブル１１０の位置決めがなされる。

【００９６】多段式テーブル１１０の上面に載置された
被検体表面２０ａは、多段式テーブル１１０の駆動方向
Ｘと水平にさせることが好ましい。そのため本実施例に
おいては、多段式テーブル１１０に二連式ゴニオメータ
１１４を備えている。この二連式ゴニオメータ１１４
は、その上部構造としての被検体載置用テーブル１１８
と下部構造としてのゴニオメータ１２０とからなる。こ
のゴニオメータ１２０は傾動テーブル１２２を有し、こ
の傾動テーブル１２２の上平面には、被検体載置用テー
ブル１１８の下面が固着されている。

【００９７】ゴニオメータ１２０の主軸１２４に連結さ
れたノブ１２６を手動で回動させると、ゴニオメータ１
２０の内部で主軸１２４に設けられたウォームギア（図
示せず）が、傾動テーブル１２２の湾曲面１２２ａに沿
って形成されたウォームホイール（図示せず）に噛合
し、傾動テーブル１２２を傾動させる。これに伴い被検
体載置用テーブル１１８も傾動されるから、ノブ１２６
の適宜な回動により被検体表面２０ａを多段式テーブル
１１０の駆動方向Ｘに水平に保てる。

【００９８】また、ＵＭＳＭが光学顕微鏡７２及び撮影
装置７４を備える場合には、多段式テーブル１１０の下
方に、この多段式テーブル１１０を光学顕微鏡７２の下
へ移動させるためのＸ移動機構１２８及びＹ移動機構１
３０を配置する。これらＸＹ移動機構１２８，１３０
は、好ましくはステッピングモータ１３２，１３４によ
り駆動され、多段式テーブル１１０をＸＹ方向に移動さ
せる。

【００９９】このような第３実施例のＵＭＳＭによれ
ば、超音波センサ１の焦点を正確に合わせることがで
き、測定の信頼性が高められる。

【０１００】以上、本発明の三つの実施例について説明
したが、本発明はこれらに限定されるものではない。例
えばアレイ型円筒トランスジューサ１２の圧電素子群２
２においては、必ずしも全ての圧電素子２４に遅延時間
を与える必要はない。例えば被検体表面２０ａ上の極め
て微小な領域を走査する場合には、その領域から充分に
離れた圧電素子２４には遅延時間を与える必要はない。
一方、平面トランスジューサ１４の圧電素子４０は必ず
しも１個とする必要はない。例えば送受波面１８の面積
が比較的に広い場合には、圧電素子４０を複数個に分割
し、被検体表面２０ａ上の超音波入射領域に対応する個
所の圧電素子のみを駆動させるようにしてもよい。

【０１０１】また、スペクトラム強度分布やスペクトラ
ム位相分布の形成には、ＦＦＴアナライザ５４や演算器
５９に代えて、スペクトラム解析に一般に使用される各
種測定機器を用いてもよい。例えば、パルサー３８の発
する信号がバースト信号である場合には、ＦＦＴアナラ
イザ５４に代えて、スペクトラムアナライザとトラッキ
ングジェネレータを組み合わせた測定機器を用いてもよ
い。

【０１０２】このように特定周波数のバースト信号を用
いる場合は、周波数を掃引する必要上、測定の際には複
数回の超音波送波が必要である。しかし、この場合も超
音波センサ１の機械的な２次元走査を必要としないため
に、従来技術に比して高速な測定が可能である。

【０１０３】更に、ＵＭＳＭに用いられる本発明の超音
波センサ１は、上記実施例における構成のＵＭＳＭに限
らず、超音波スペクトロスコピーを実行するための装置
のセンサとして使用できる。

【０１０４】

【発明の効果】以上説明したように本発明の超音波セン
サ及びそれを用いた超音波スペクトラム顕微鏡によれ
ば、超音波センサの機械的な走査を伴わずに被検体をリ
ニア走査することができ、短時間若しくは超音波を一回
送波するのみで多点の測定を実行できる。従って測定に
要する時間が大幅に短縮され、高速な測定が可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例に係る超音波センサ及びそ
れを用いた超音波スペクトラム顕微鏡を模式的に示す図
であって、アレイ型円筒トランスジューサを送波側に用
いた概念図である。

【図２】図１におけるアレイ型円筒トランスジューサを
示す斜視図である。

【図３】入力信号処理回路または出力信号処理回路によ
るアレイ型円筒トランスジューサの超音波の送受を説明
するための説明図である。

【図４】図１の超音波スペクトラム顕微鏡による膜厚測
定例を示す図であつて、（Ａ），（Ｂ）を含み、（Ａ）
はスペクトラム強度分布を示す線図、（Ｂ）はスペクト
ラム位相分布を示す線図である。

【図５】本発明の第２実施例に係る超音波センサ及びそ
れを用いた超音波スペクトラム顕微鏡を模式的に示す図
であって、アレイ型円筒トランスジューサを受波側に用
いた概念図である。

【図６】図５における超音波センサの出力側の回路構成
例を示すブロック図である。

【図７】図５の超音波スペクトラム顕微鏡による位相速
度の測定例を示す図であつて、入射角と位相との関係を
示す線図である。

【図８】本発明の超音波センサの平面トランスジューサ
の長手方向幅と入射角成分との関係を示す説明図であ
る。

【図９】図８における入射角成分に対する超音波センサ
の出力特性を示す線図である。

【図１０】図８における入射角成分に対する超音波セン
サの出力特性を示す線図である。

【図１１】本発明の超音波センサの入射角選択能力を説
明するための説明図である。

【図１２】本発明の超音波スペクトラム顕微鏡の全体的
な構成を示す正面図である。

【図１３】図９におけるセンサ駆動機構及び多段式ステ
ージを拡大して示す拡大図である。

【符号の説明】

１…超音波センサ、１２…アレイ型円筒トランスジュー
サ（第１の送受波手段）、１４…平面トランスジューサ
（第２の送受波手段）、１６…円筒面状送受波面、１８
…平面状送受波面、２０…被検体、２０ａ…被検体表
面、２０ｂ…リニア走査ライン、２２…圧電素子群、２
４…圧電素子、２６，２８…電極、３０…圧電体、３２
ａ，３２ｂ，３２ｃ…遅延材、３４ａ…入力信号処理回
路（入力信号処理手段）、３４ｂ…出力信号処理回路
（出力信号処理手段）、３８…パルサー（高周波発振手段）、５４…ＦＦＴ（強度スペクトラム
形成手段、位相スペクトラム形成手段）、８２…θステ
ージ（角度制御手段）、８６…Ψステージ（傾動手
段）、８８…ｘ軸ステージ（焦点位置調整手段）１１０
…テーブル、１１２…Ｘステージ（移動手段）。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１と第２の送受波手段を備え、その一
方が送波側として用いられ、高周波信号が印加されるこ
とにより被検体表面へ高周波超音波を送波し、他方が受
波側として用いられ、被検体からの反射超音波を受波
し、この反射超音波の強度に対応した電気信号を出力す
る送受独立型の超音波センサであって；第１の送受波手
段は、複数の超音波圧電素子が、その各々が互いに独立
して圧電効果を生起するように、等間隔にアレイ状に配
列されてなる圧電素子群を有すると共に、この圧電素子
群の発すべき高周波超音波を集束波とするように、上記
アレイ状配列の配列方向を長手方向とする円筒面状の送
受波面を有し；第２の送受波手段は、圧電体面が平面状
の超音波圧電素子及び平面状の送受波面を有する；こと
を特徴とする超音波センサ。
【請求項２】第１と第２の送受波手段が一体的に形成
されていることを特徴とする請求項１記載の超音波セン
サ。
【請求項３】第１の送受波手段の各圧電素子が、一対
の電極の間に圧電体を挟んでなり、その圧電体面が円筒
面状に形成されていることを特徴とする請求項１または
２記載の超音波センサ。
【請求項４】第１の送受波手段の圧電素子が、一対の
電極の間に圧電体を挟んでなり、その圧電体面が平面状
に形成されていることを特徴とする請求項１または２記
載の超音波センサ。
【請求項５】第１の送受波手段の各圧電素子の一対の
電極のうちの何れか一方の電極をなす部材と、圧電体を
なす部材とのうちの少なくとも何れかの部材が、複数の
圧電素子について一体的に形成されていることを特徴と
する請求項３または４記載の超音波センサ。
【請求項６】第１の送受波手段の圧電素子群が、上記
円筒面状送受波面を形成された遅延材を有することを特
徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の超音波セ
ンサ。
【請求項７】第２の送受波手段の圧電素子が、圧電体
面が平面状の圧電体を一対の平面状の電極の間に挟んで
なることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記
載の超音波センサ。
【請求項８】第２の送受波手段の圧電素子が、上記平
面状送受波面を形成された遅延材を有することを特徴と
する請求項１乃至７の何れか１項に記載の超音波セン
サ。
【請求項９】第２の送受波手段の圧電素子の任意の方
向における長さＬが、下式、Ｌ≧（１／sin β）・（Ｖ／ω）（但し、Ｖは超音波伝播媒体中の音速、ωは超音波セン
サの発信する超音波の時間周波数、または超音波センサ
に受信された反射超音波についてのスペクトラム強度分
布上の強度極小部の周波数、βは超音波センサの入射角
選択能力を表す値であって、第２の送受波手段の平面状
送受波面の法線と被検体表面の法線とがなす角度をθと
したときに、第２の送受波手段が受波する超音波の入射
角成分がθ±βの範囲のみであることを示す値）を満足
することを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項に記
載の超音波センサ。
【請求項１０】上記圧電素子群の少なくとも一部をな
す任意の整数Ｎ個の隣接する圧電素子から送波される超
音波が、焦点となる一点に集束されるように、第１の送
受波手段の各圧電素子に印加すべき高周波信号に、予め
定められた時間差を付与して各圧電素子に印加させる入
力信号処理手段を更に備えることを特徴とする請求項１
乃至９の何れか１項に記載の超音波センサ。
【請求項１１】上記圧電素子群の少なくとも一部をな
す任意の整数Ｎ個の隣接する圧電素子から出力される電
気信号から、焦点となる一点から反射された反射波の強
度に対応する電気信号が形成されるように、第１の送受
波手段の各圧電素子の出力する電気信号を、予め定めら
れた時間差を付与して合成させる出力信号処理手段を更
に備えることを特徴とする請求項１乃至９の何れか１項
に記載の超音波センサ。
【請求項１２】複数の測定点が一直線上に配列されて
なる仮想的なリニア走査ラインが表面に延在する被検体
に対し、各々の測定点に高周波超音波を集束させること
によりリニア走査ラインに沿って被検体をリニア走査
し、各々の測定点から得られた電気信号に基づいて、そ
の強度を周波数の関数として示した強度スペクトラムを
形成する超音波スペクトラム顕微鏡であって；被検体が
載置されるべきテーブルと；第１の送受波手段から送波
されるべき高周波超音波がリニア走査ラインに入射する
ように、且つこの入射波に対する被検体からの反射波が
第２の送受波手段で受波されるように配置される請求項
１乃至９の何れか１項に記載の超音波センサと；この超
音波センサの入力信号としての高周波信号を発振する高
周波発振手段と；上記超音波センサの第１の送受波手段
の少なくとも一部の圧電素子から送波されるべき高周波
超音波が、各々の測定点に集束しながらリニア走査ライ
ンに沿って被検体をリニア走査するように、上記高周波
発振手段の高周波信号に、予め定められた時間差を付与
して第１の送受波手段の少なくとも一部の圧電素子に印
加させる入力信号処理手段と；超音波センサの第２の送
受波手段の圧電素子の出力した電気信号に基づいて、そ
の強度スペクトラムを形成する強度スペクトラム形成手
段と；を備えることを特徴とする超音波スペクトラム顕
微鏡。
【請求項１３】複数の測定点が一直線上に配列されて
なる仮想的なリニア走査ラインが表面に延在する被検体
に対し、リニア走査ラインに高周波超音波を送波し、そ
のリニア走査ラインからの反射波に基づいて、各測定点
についての反射波出力を形成することにより被検体をリ
ニア走査し、各測定点についての反射波の強度を周波数
の関数として示した強度スペクトラムを形成する超音波
スペクトラム顕微鏡であって；被検体が載置されるべき
テーブルと；第２の送受波手段から送波されるべき高周
波超音波がリニア走査ラインに入射するように、且つこ
の入射波に対する被検体からの反射波が第１の送受波手
段で受波されるように配置される請求項１乃至９の何れ
か１項に記載の超音波センサと；高周波信号を発振し、
この高周波信号を超音波センサの第２の送受波手段の圧
電素子に印加させる高周波発振手段と；上記超音波セン
サの第１の送受波手段の少なくとも一部の圧電素子から
出力される電気信号に基づいて、各々の測定点から反射
された反射波の強度に対応する電気信号を形成するよう
に、第１の送受波手段の少なくとも一部の圧電素子の反
射波出力に対し、予め定められた時間差を付与して合成
させる出力信号処理手段と；上記合成された反射波出力
に基づいて、その強度スペクトラムを形成する強度スペ
クトラム形成手段と；を備えることを特徴とする超音波
スペクトラム顕微鏡。
【請求項１４】超音波センサの第２の送受波手段の圧
電素子の出力した電気信号に基づいて、その位相を周波
数の関数として示した位相スペクトラムを形成する位相
スペクトラム形成手段を更に備えることを特徴とする請
求項１２または１３記載の超音波スペクトラム顕微鏡。
【請求項１５】超音波センサの発すべき高周波超音波
が広帯域パルス波となるように、上記高周波発振手段の
発振する高周波信号が広帯域パルス信号であることを特
徴とする請求項１２乃至１４の何れか１項に記載の超音
波スペクトラム顕微鏡。
【請求項１６】超音波センサの発すべき高周波超音波
がバースト波となるように、上記高周波発振手段の発振
する高周波信号が周波数を掃引しながら発振されるバー
スト信号であることを特徴とする請求項１２乃至１４の
何れか１項に記載の超音波スペクトラム顕微鏡。
【請求項１７】被検体表面方向をｘ−ｙ方向、被検体
表面上のリニア走査ラインの延在方向をｙ方向とすると
き、リニア走査ラインを被検体表面に沿ってｘ方向へ移
動させるように、上記超音波センサとテーブルとのうち
の少なくとも一方を他方に対して相対的に、且つ機械的
に移動させる移動手段を更に備えることを特徴とする請
求項１２乃至１６の何れか１項に記載の超音波スペクト
ラム顕微鏡。
【請求項１８】第２の送受波手段の上記平面状送受波
面の法線方向と被検体表面の法線方向とがなす角度して
規定される入射角または受波角を可変とするように、第
２の送受波手段を被検体表面の法線方向に対して傾動さ
せる角度制御手段を更に備えることを特徴とする請求項
１２乃至１７の何れか１項に記載の超音波スペクトラム
顕微鏡。
【請求項１９】上記角度制御手段が、リニア走査ライ
ンの延在方向に平行をなす上記傾動の中心軸線を中心と
して、第１と第２の送受波手段を一体的に傾動させるこ
とを特徴とする請求項１８に記載の超音波スペクトラム
顕微鏡。
【請求項２０】第１と第２の送受波手段を一体的に傾
動させる上記角度制御手段が、第１の送受波手段の送波
する超音波の焦点を上記傾動中心軸線上に位置させるよ
うに、少なくとも一つの方向へ第１と第２の送受波手段
を一体的に移動させる焦点位置調整手段を備えることを
特徴とする請求項１９記載の超音波スペクトラム顕微
鏡。
【請求項２１】上記焦点位置調整手段が、上記焦点の
位置合わせの際に、上記移動の方向と被検体表面の法線
方向とに直交する方向へ第１と第２の送受波手段を一体
的に傾動させる傾動手段を備えることを特徴とする請求
項２０記載の超音波スペクトラム顕微鏡。