JPH06100585B2 - 超音波顕微鏡の探触子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、試料に対して集束性の超音波ビームを照射
し、その反射波に基づいて当該試料の音響特性を測定す
る超音波顕微鏡に用いられる超音波顕微鏡の探触子に関
する。

〔従来の技術〕

近年、物体（試料）の表層の物性、例えば表層の厚さや
残留応力の大きさ等を知る手段として、超音波顕微鏡が
使用されるようになつた。この超音波顕微鏡の概略を図
により説明する。

第５図は超音波顕微鏡の系統図である。図で、X,Y,Zは
座標軸を示す（Ｙ軸は紙面に垂直方向）。１は超音波探
触子（センサ）であり、圧電素子1aおよびこれを付着し
た音響レンズ1bより成る。２は超音波顕微鏡による検査
対象となる試料、３は試料２を載置する試料台、４は試
料台３をＹ軸方向に移動させるＹ軸走査装置、５は試料
２のX,Y軸上の位置決めを行なうＸ−Ｙ位置決め装置で
ある。６は走査制御装置であり、Ｘ−Ｙ位置決め装置５
およびＹ軸走査装置４を駆動制御するとともに、センサ
１のＸ軸およびＺ軸方向の駆動を制御する。なお、セン
サ１の駆動機構については図示が省略されている。７は
センサ１と試料２との間に介在する液体媒質、例えば水
を示す。９は圧電素子1aに高周波パルス電圧を印加する
高周波パルス発振器、10は圧電素子1aからの信号を受信
処理する受信器、11は受信器10で処理された信号に基づ
いて表示を行なう表示装置である。

第６図は第５図に示すセンサ１の斜視図である。図で、
第５図に示す部分と同一部分には同一符号が付してあ
る。図から明らかなように圧電素子1aで発生した超音波
は音響レンズ1b内を伝播し、下部凹面で集束され、点状
の集束超音波ビームＢとなつて試料２に照射されること
になる。即ち、図示の音響レンズ1bは点集束レンズであ
る。ここで、第５図に示す高周波パルス発振器９から圧
電素子1aにパルス電圧が印加されると、圧電素子1aは超
音波を発生し、この超音波は上述のように音響レンズ1b
により集束され集束性の超音波ビームＢとして放射され
る。この超音波ビームＢは試料２に照射され、その反射
波は放射経路を戻つて圧電素子1aに達する。この反射波
の到達により圧電素子1aは当該反射波の大きさに比例し
た電気信号を出力する。受信器10は当該電気信号を受信
し、増幅、検波を行つた後、この信号を輝度変調信号と
して用いることにより、表示装置11上に当該電気信号に
応じた一画素の画像（超音波顕微鏡像）を表示させる。
走査制御装置６により試料２を移動させ、超音波ビーム
Ｂによる２次元走査を行なうことにより、一枚の超音波
画像が得られる。

ところで、前述のように、近年、集束性の超音波を用い
て試料２の表層の物性を調べる（材料表面を評価する）
手段が開発されている。以下、この手段について述べ
る。センサ１をＺ軸方向に沿つて試料２に近付けながら
上記の動作を実施すると、圧電素子1aから出力される信
号は第７図に示す波形となる。第７図で、横軸にはセン
サ１と試料２との間のＺ軸方向の距離（Ｚ）が、又、縦
軸には圧電素子1aから出力される信号の電圧レベル
（Ｖ）がとつてある。なお、センサ１と試料２との間の
距離（Ｚ）は、センサ１のある定められた位置を０と
し、センサ１が試料から離れる方向を正、接近する方向
を負としてある。第７図に示される波形はＶ（Ｚ）曲線
と称され、センサ１が試料２にある距離以下に接近した
状態において一定の周期ΔＺをもつて変化する。

このように、Ｘ（Ｚ）の曲線が周期ΔＺで変化するの
は、試料２に上記超音波ビームＢが照射されたとき、試
料２の表層に表面弾性波が生じ、この表面弾性波の放射
波と前記超音波ビームＢの反射波とが干渉し合うことに
よるものである。そして、周期ΔＺは試料２の表層を上
記表面弾性波が伝播する伝播速度と一定の関係にある。
即ち、液体媒質７の音速をV_W、液体媒質７内の音波の波
長をλ_Ｗすると、表面弾性波の伝播速度V_Rは次式で表わ
される。

V_R＝V_W（ΔZ/λ_Ｗ）^1/2 ……（１） （１）式において、値V_W,λ_Ｗは既知であるから、Ｖ
（Ｚ）曲線から周期ΔＺを測定すれば表面弾性波の伝播
速度V_Rを得ることができる。そして、この伝播速度V_Rは
試料２の表層の物性により変化するものであり、したが
つて、伝播速度V_Rに基づいて試料２の表層の物性を知る
ことができる。例えば、試料２の表面が加工された表面
であるとき、その加工層の残留応力や厚さを知ることが
できる。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、物体はそれぞれ物性が異なるが、どのような
物体に対しても超音波顕微鏡で測定できることが望まし
い。例えば、ある物体にはその結晶構造に異方性をもつ
ものがあるが、このような物体であつても超音波顕微鏡
により所要の測定がなされねばならない。しかしなが
ら、上記のように点集束レンズを用いた従来の超音波顕
微鏡では、異方性をもつ試料に対する所要の測定は困難
である。即ち、上記Ｖ（Ｚ）曲線の検出は、試料２の微
小部分において行なわれるが、その照射領域における超
音波ビームＢの成分はその中心軸（ビーム軸）の周囲の
全方向に亙つているため、得られる表面弾性波の音速は
当該全方向における平均値であり、このため、異方性を
もつた試料２の測定は不可能である。

第８図はこのような異方性をもつ試料の測定のための特
殊なセンサの斜視図である。図で、1a′は長方形の圧電
素子、1b′は音響レンズである。音響レンズ1b′も長方
形に形成されているため、下部に形成される凹面は円筒
面となる。このような円筒面により、このセンサは図示
のように一軸方向のみの直線状の超音波ビームを集束せ
しめることができ、したがつて、この超音波ビームのう
ち、レーリー臨界角を超えて入射した超音波ビームによ
り試料２の表面に一方向のみの表面弾性波を発生させる
ことができる。試料２を矢印に示すように回転させなが
ら、各角度毎に表面弾性波の伝播速度を測定すれば、試
料２の異方性を求め、その方向に沿う測定を行なうこと
ができる。

しかしながら、第８図に示すセンサには、次のような問
題がある。即ち、このセンサは一軸のみ集束させる構造
であるので、音響レンズ1b′の長軸方向の長さＬを小さ
くするには限度があり、通常ほぼ2mmである。このた
め、このセンサから得られる超音波情報は上記2mmの間
の平均値となる。一方、超音波顕微鏡は、極く微小な領
域から物質の弾性的性質の変化を捕捉して超音波顕微鏡
像を得る構成となつており、したがつて、試料２上の照
射領域が2mmもある場合、所望の超音波顕微鏡像を得る
ことはできなくなる。即ち、第８図に示す音響レンズ1
b′（線集束レンズ）では、試料の異方性についての測
定はできるが、試料の超音波顕微鏡像を得ることはでき
ない。

このため、超音波顕微鏡により、測定を行なう測定者
は、必要に応じて点集束レンズと線集束レンズを交換し
て測定を行なつていたが、このような変換は多くの手間
と時間を要し、測定者の負担を増加させるとともに測定
作業の能率を著しく低下せしめるという問題があつた。

さらに、線集束レンズ1b′を用いる測定の場合には、試
料２の表面と直線状の超音波ビームの焦点面とは完全に
平行でなければならず、両者の間に僅かな傾きが生じる
と計測精度に誤差を生じる。この傾きの許容角度は1/10
0度であり、両者の傾きを許容角度以下とするためには
長時間の調整を要し、測定者の負担と測定作業の能率の
定価をさらに増大させるという問題もあつた。

本発明の目的は、上記従来技術における課題を解決し、
探触子を交換することなく異方性の測定および超音波顕
微鏡像の採取を行なうことができ、ひいては測定者の負
担を軽減し測定作業の効率を向上せしめることができる
超音波顕微鏡の探触子を提供するにある。

〔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、超音波を送受信
する素子、およびこの素子で発生した超音波を点集束し
試料に対してこの集束した超音波ビームを放射する音響
レンズを備えた超音波顕微鏡の探触子において、前者音
響レンズのレンズ面を、当該音響レンズの開口角が方向
性をもつような形状に形成したことを特徴とする。

〔作用〕

超音波を送受信する素子で発生した超音波は、音響レン
ズにより集束され、そのレンズ面から集束超音波ビーム
となつて放射される。この場合、当該集束超音波ビーム
の定められた方向に集束するビームはレーリー臨界角よ
り大きい入射角を有する部分をもち、この部分のビーム
が試料表層に表面弾性波を発生させる。したがつて、一
方向のみの表面弾性波が発生することになる。そして、
音響レンズは点集束型であるので、試料の照射領域は微
小である。

それ故、異方性の測定および超音波顕微鏡像の採取の両
方を１つの探触子で行なうことができる。

〔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（ａ），（ｂ），（ｃ）は本発明の実施例に係る
超音波顕微鏡の探触子（センサ）の音響レンズの正面
図，側面図および底面図である。図で、20は本実施例の
センサに用いられる音響レンズを示す。この音響レンズ
20は、第５図および第６図に示す音響レンズ1bのレンズ
面1cを切断して構成される。その切断の態様が第２図に
示されている。第２図は従来用いられている音響レンズ
1bの中心軸に沿う断面図である。1cはそのレンズ面を示
し、二点鎖線C₁−C₂,C₃−C₄は切断線を示す。即ち、レ
ンズ面1cは二点鎖線C₁−C₂,C₃−C₄を通り紙面に垂直な
面で切断される。第１図（ａ）〜（ｃ）に示す音響レン
ズ20は、このようにして切断された後の音響レンズであ
る。20C₁〜C₄はそれぞれ第２図で示す二点鎖線C₁〜C₄を
通る切断面を示す。このような切断により、音響レンズ
20の下面には、長さ方向（第１図（ａ）において紙面と
垂直方向）の寸法が幅方向の寸法より可成り大きい細長
形状のレンズ面21が形成される。

次に、本実施例の動作を第３図および第４図を参照しな
がら説明する。第３図は第１図（ｂ）に示す線III−III
に沿う断面におけるレンズ面21の部分を示し、第４図は
第１図（ａ）に示す線IV−IVに沿う断面におけるレンズ
面21の部分を示す。又、２は試料を示し、音響レンズ1b
と試料２との間に介在する液体媒質の記載は省略されて
いる。

第３図において、レンズ面21に到達した超音波は破線で
示す超音波ビームとなつて放射され焦点Ｆに集束され
る。ｆはその焦点距離を示す。このようにレンズ面21の
幅方向をみた場合の超音波ビームの放射角の最大値（幅
方向のレンズの開口角）θmaxは、レンズ面21が細長形
状とされてその幅方向の寸法が小さいので、レーリー臨
界角θ_Ｒより小さく、したがつて、表面弾性波は発生し
ない。

これに対して、第４図に示すように、レンズ面21の長さ
方向をみた場合、レンズ面21から放射される超音波ビー
ムの放射角の最大値（長さ方向のレンズの開口角）θ′
maxは、切断部分が存在しないので、レーリー臨界角θ
_Ｒより大きい。そして、レーリー臨界角θ_Ｒの近辺の角
度で放射される超音波ビームB₁（第４図に実線で示され
ている）は、試料２に入射したときその表層に表面弾性
波Ｂ′_１（第４図に実線で示されている）を発生せしめ
る。

以上を総合すると、細長形状のレンズ面21から放射され
る超音波ビームは、試料２の表層において細長形状のレ
ンズ面21の長さ方向に表面弾性波を発生させるが他の方
向には発生させない。即ち、一方向にのみ表面弾性波を
発生されることができ、試料２の異方性に関する測定が
可能となる。しかも、音響レンズ20は本来、点集束型の
レンズであるから、試料２上の照射領域も微小であり
（したがつて、上記表面弾性波も当該微小領域で発生せ
しめられる）、これにより超音波顕微鏡像を支障なく得
ることができる。

このように、本実施例では、点集束型の音響レンズのレ
ンズ面を切断して細長形状のレンズ面を形成したので、
１つのセンサで異方性に関する測定および超音波顕微鏡
像の採取を行なうことができ、又、異方性に関する測定
に際しては、平行度を維持するための調整は不要とな
る。これらにより、測定者の負担は大幅に軽減せしめら
れ、かつ、測定作業の効率は大幅に向上せしめられる。

なお、切断により形成されるレンズ面は種々の条件に応
じて任意の形状に選定することができる（即ち、切断の
態様は任意に選定することができる）。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明では点集束型の音響レンズの
レンズ面を、その開口角が方向性をもつような形状に形
成したので、１つの探触子で異方性に関する測定および
超音波顕微鏡像の採取を行なうことができ、かつ、異方
性に関する測定時における平行度の調整を不要とするこ
とができ、これらにより、測定者の負担を大幅に軽減せ
しめ、測定作業の効率を大幅に向上せしめることができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ），（ｂ），（ｃ）はそれぞれ本発明の実施
例に係る超音波顕微鏡の探触子の音響レンズの正面図，
側面図および底面図、第２図は音響レンズの切断態様の
説明図、第３図および第４図は音響レンズのレンズ面の
断面図、第５図は従来の超音波顕微鏡の系統図、第６図
は第５図に示す探触子の斜視図、第７図は探触子を移動
して得られる超音波信号の波形図、第８図は他の探触子
の斜視図である。 20……音響レンズ、20C₁〜20C₄……切断面、21……レン
ズ面。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】超音波を送受信する素子、およびこの素子
   で発生した超音波を点集束し試料に対してこの集束した
   超音波ビームを放射する音響レンズを備えた超音波顕微
   鏡の探触子において、前記音響レンズのレンズ面を、当
   該音響レンズの開口角が方向性をもつような形状に形成
   したことを特徴とする超音波顕微鏡の探触子。