JPH06300740A

JPH06300740A - 超音波顕微鏡

Info

Publication number: JPH06300740A
Application number: JP5091474A
Authority: JP
Inventors: Sakae Takeda; 栄竹田; Yasuo Hayakawa; 泰夫早川
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 1993-04-19
Filing date: 1993-04-19
Publication date: 1994-10-28

Abstract

(57)【要約】【目的】臨界角を可変にして測定可能とすることで漏
洩弾性表面波、疑似縦波等の任意の波を分離して測定す
る。【構成】複数の超音波振動子がアレイ状に列設された
アレイ式超音波探触子２０と、試料３０に弾性表面波等
の所定の波が励起されるようにアレイ式超音波探触子２
０を励振して所定の波に対応する臨界角θをもって試料
３０の表面に超音波送信ビームを入射させる送信制御回
路ＴＣと、試料３０表面から出射する所定の波を同じ臨
界角θをもった超音波受信ビームとして受信する受信制
御回路ＲＣとを設けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、試料の音速を定量的に
測定することの可能な超音波顕微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、超音波顕微鏡によりＶ(ｚ)曲
線を求めて試料の音速が測定されている。図１３はＶ
(ｚ)曲線を計測する超音波顕微鏡の概略構成を示す図で
あり、以下、本図により超音波顕微鏡による試料の観察
動作を説明する。。

【０００３】試料台１３上に置かれた試料６にカップラ
ントと呼ばれる媒体（例えば水）５を滴下し、超音波探
触子（送受信型）３を接触させる。送信器１からバース
ト状の電気信号を方向性結合器２を介して探触子３に印
加する。探触子３は電気信号を超音波信号に変換し、探
触子３の端部に設けられたレンズで集束して媒体５を介
して試料６に超音波信号を送信する。試料６の表面層で
反射・散乱した超音波信号は同じレンズに入射して探触
子３により電気信号に変換された後、方向性結合器２を
介して受信器４に送信される。受信器４に送信された電
気信号は適当に増幅され、ピーク検出器７に送出され
る。

【０００４】図１４は、探触子３および試料６の近傍を
拡大して示した図である。この図に示すように、探触子
３は、圧電素子の両面を電極で挾んでなる超音波トラン
スデューサ３ｂと、この超音波トランスデューサ３ｂの
下面に設けられた音響レンズ３ａとから構成されてい
る。この探触子３で受信される反射超音波には、レンズ
３ａ中心近傍の試料６表面から直接反射されてくる直接
反射波と、レーリー臨界角の入射角で試料６表面に入射
して同様にレーリー臨界角の出射角で試料６表面から出
射されるレーリー波（漏洩弾性表面波）とがあり、これ
ら２つの波が干渉したものが反射超音波信号として探触
子３で受信される。図１５(イ)は直接反射波を、同図
(ロ)は漏洩弾性表面波を示し、これらが同相で干渉した
ときの干渉波を同図(ハ)に、逆相で干渉したときの干渉
波を同図(ニ)に示す。

【０００５】この状態で、探触子３と試料６との間の距
離を、コンピュータ９からの命令により制御器１１から
制御信号（パルス）を送出することでＺ軸ステージ１２
により一定方向に変化させ、ピーク検出器７から得られ
るピーク値を測定すると、図１５に示すように、直接反
射波と弾性表面波との位相変化により干渉波のピーク値
が変化する。そこで、このピーク値をＡ／Ｄ変換器８を
介してコンピュータ９により取り込み、これをディスプ
レイ１０上に表示すると、図１６に示すような曲線が得
られる。これをＶ(ｚ)曲線と呼び、縦軸はピーク値Ｖ、
横軸は探触子３と試料６との間の距離ｚである。なお、
ｚの値は、探触子３のレンズの焦点位置から試料６に向
かう方向を負とし、通常は負の値のみ測定する。このＶ
(ｚ)曲線は試料６のレーリー波の音速に依存する形状を
有しており、従って、測定対象たる試料６のＶ(ｚ)曲線
を求めることで試料６の弾性表面波の音速を測定するこ
とができる。具体的には、弾性表面波の速度Ｃ_Rは、超
音波伝播媒体（水）６の音速をＣ_w、超音波の周波数を
ｆとすると、次式で与えられる。

【数１】

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来の超音波顕微鏡にあっては、探触子３からの超音
波により試料６の表面には漏洩弾性表面波のみならず疑
似縦波や他のモードの表面波も励振され、これらが混合
した状態で探触子３により受信されていたので、漏洩弾
性表面波や疑似縦波等を分離して測定することが困難で
あった。

【０００７】これら漏洩弾性表面波、疑似縦波等はそれ
ぞれ固有の臨界角を有しているので、理論的には臨界角
を可変にして超音波の送受信を行えば分離測定は可能で
あるが、従来の超音波顕微鏡に用いられている探触子３
は、その音響レンズ３ｂの下面凹部の形状により測定可
能な臨界角が定まってしまい、臨界角を可変にして測定
することは困難であった。

【０００８】疑似縦波の音速は、漏洩弾性表面波の音速
と同様に試料６の物性測定に重要な役割を果たす。漏洩
弾性表面波の音速Ｃ_Rと疑似縦波の音速Ｃ_Lとの間には、
次のような関係式が成立する。

【数２】

【数３】ただし、Ｅは試料６のヤング率、ρは試料６の密度、ν
は試料６のポアソン比である。疑似縦波は漏洩弾性表面
波や直接反射波に比較して強度が小さいため、従来の超
音波顕微鏡の測定ではこれを単独で測定することは非常
に困難である。

【０００９】本発明の目的は、臨界角を可変にして測定
可能とすることで漏洩弾性表面波、疑似縦波等の任意の
波を分離して測定可能な超音波顕微鏡を提供することに
ある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】一実施例を示す図１、図
２、図４および図７に対応付けて説明すると、請求項１
の発明は、複数の超音波振動子２２がアレイ状に列設さ
れたアレイ式超音波探触子２０と、試料３０に弾性表面
波等の所定の波が励起されるように前記アレイ式超音波
探触子２０を励振して前記所定の波に対応する臨界角θ
をもって前記試料３０の表面に超音波送信ビームＢ_Tを
入射させる超音波ビーム送信手段ＴＣと、前記試料３０
表面から出射する前記所定の波を前記臨界角θをもった
超音波受信ビームＢ_Rとして受信する超音波ビーム受信
手段ＲＣとを備えた超音波顕微鏡を構成することにより
上述の目的を達成している。請求項２の発明は、請求項
１に記載の超音波顕微鏡において、前記超音波受信ビー
ムＢ_Tを前記超音波振動子２２の列設方向に走査する受
信ビーム走査手段ＲＣを備えたようなものである。ま
た、請求項３の発明は、請求項２に記載の超音波顕微鏡
において、前記受信ビーム走査手段ＲＣにより超音波受
信ビームＢ_Rを走査しつつ前記超音波ビーム受信手段Ｒ
Ｃにより得られた複数の受信信号の位相差を検出し、こ
の位相差から前記試料３０の音速を算出する第１の音速
算出手段３３、６２を備えたようなものである。さら
に、請求項４の発明は、請求項２または３に記載の超音
波顕微鏡において、前記超音波送信ビームＢ_Tを前記超
音波振動子２２の列設方向に走査する送信ビーム走査手
段ＴＣを備えたようなものである。一方、請求項５の発
明は、請求項１に記載の超音波顕微鏡において、前記ア
レイ式超音波探触子２０を前記試料３０の深さ方向に走
査する探触子走査手段５１と、前記探触子走査手段５１
により前記アレイ式超音波探触子２０を走査させつつ前
記超音波ビーム受信手段ＲＣにより超音波受信ビームＢ
_Rを受信してＶ(ｚ)曲線を得る曲線計測手段３３と、前
記曲線計測手段３３で得られたＶ(ｚ)曲線から前記試料
３０の音速を算出する第２の音速算出手段３３とを備え
たようなものである。また、請求項６の発明は、請求項
５に記載の超音波顕微鏡において、前記超音波送信ビー
ムＢ_Tを前記超音波振動子２２の列設方向に走査する送
信ビーム走査手段ＴＣと、前記超音波受信ビームＢ_Rを
前記超音波振動子２２の列設方向に走査する受信ビーム
走査手段ＲＣとを備えたようなものである。

【００１１】

【作用】

−請求項１− 超音波ビーム送信手段ＴＣは、試料３０に弾性表面波等
の所定の波が励起されるようにアレイ式超音波探触子２
０を励振して所定の波に対応する臨界角θをもって試料
３０の表面に超音波送信ビームＢ_Tを入射させる。超音
波ビーム受信手段ＲＣは、試料３０表面から出射する所
定の波を同じ臨界角θをもった超音波受信ビームＢ_Rと
して受信する。超音波送信ビームＢ_Tおよび超音波受信
ビームＢ_Rはアレイ式超音波探触子２０の各超音波振動
子２２により形成されるものであり、臨界角θはアレイ
式超音波探触子２０の寸法等によらず任意に設定可能で
ある。 −請求項２− 受信ビーム走査手段ＲＣは、超音波受信ビームＢ_Rを超
音波振動子２２の列設方向に走査する。超音波受信ビー
ムＢ_Rの走査により、試料３０表面を伝播して超音波ビ
ーム受信手段ＲＣにより受信される上述の所定の波の路
程が変化する。 −請求項３− 第１の音速算出手段３３、６２は、受信ビーム走査手段
ＲＣにより超音波受信ビームＢ_Rを走査しつつ超音波ビ
ーム受信手段ＲＣにより得られた複数の受信信号の位相
差を検出し、この位相差から試料３０の音速を算出す
る。受信ビーム走査手段ＲＣにより超音波受信ビームＢ
_Rを走査すると、上述のごとく超音波ビーム受信手段Ｒ
Ｃにより受信される上述の所定の波の路程が変化し、こ
の路程の変化により受信信号に位相差が生じる。この位
相差は、上述の所定の波の音速に関係する値であるた
め、位相差から試料の音速を求めることができる。 −請求項５− 探触子走査手段５１は、アレイ式超音波探触子２０を試
料３０の深さ方向に走査し、曲線計測手段３３は、探触
子走査手段５１によりアレイ式超音波探触子２０を走査
させつつ超音波ビーム受信手段ＲＣにより超音波受信ビ
ームＢ_Rを受信してＶ(ｚ)曲線を得る。第２の音速算出
手段３３は、曲線計測手段３３で得られたＶ(ｚ)曲線か
ら試料３０の音速を算出する。探触子走査手段５１によ
りアレイ式超音波探触子２０を試料３０の深さ方向に走
査すると超音波ビーム受信手段ＲＣにより受信される上
述の所定の波の路程が変化し、この路程の変化により受
信信号に位相差が生じる。曲線計測手段３３は、この受
信信号にたとえば参照波等を強制的に干渉させて従来と
同様のＶ(ｚ)曲線を得る。 −請求項４、６− 送信ビーム走査手段ＴＣおよび受信ビーム走査手段ＲＣ
により超音波送信ビームＢ_Tおよび超音波受信ビームＢ_R
を超音波振動子２２の列設方向に走査することにより、
上述の所定の波が励起される箇所を試料３０の表面で任
意に設定、移動することができる。

【００１２】なお、本発明の構成を説明する上記課題を
解決するための手段と作用の項では、本発明を分かり易
くするために実施例の図を用いたが、これにより本発明
が実施例に限定されるものではない。

【００１３】

【実施例】

−第１実施例− 図１は、本発明による超音波顕微鏡の第１実施例を示す
概略構成図、図２は本実施例に使用されるアレイ式超音
波探触子を示す図である。

【００１４】まず、本実施例のアレイ式超音波探触子に
ついて先に説明する。図２において、アレイ式超音波探
触子２０は、下面２１ａが凹曲面に形成された音響レン
ズ２１と、音響レンズ２１の下面２１ａに配置されたア
レイ状の超音波振動子２２とを備え、音響レンズ２１の
上面２１ｂにはアレイ状の電極板２８が形成されてい
る。超音波振動子２２は、図２(ｂ)に示すように、圧電
素子２４の両面にそれぞれ上部電極２５、下部電極２６
が形成されて構成されており、各電極２５、２６と電極
板２８との間は導線２７により電気的接続がなされてい
る。電極板２８には導線２９が接続されており、後述す
る送信・受信回路３８（図１参照）との間との電気的接
続がなされている。本実施例では、超音波振動子２２の
数はＮ個、後述する送信用および受信用超音波集束ビー
ムを形成する超音波振動子２２の数はｎ個（１≦ｎ≦
Ｎ）とされている。

【００１５】図１に戻って、試料３０は試料台３１上に
載置されており、この試料３０上に媒体３２（たとえば
水）を介して超音波探触子２０が接触されている。この
状態で、コンピュータ３３の指令に従ってトリガ回路３
４は送信用パルスを発生し、送信遅延回路３５は送信用
超音波集束ビーム形成のための遅延パターンを有するｎ
個のトリガパルスを形成する。送信マトリクス回路３６
は送信用パルスが入力される度に遅延パターンの組み替
えを行い、分配回路３７はｎ個のトリガパルスをＮ個の
超音波振動子２２に分配する。送信・受信回路３８は送
受信機能を備え、Ｎ個のトリガパルスに対応してバース
ト波を生成し、このバースト波によりアレイ式超音波探
触子２０の超音波振動子２２を励振して被検体に向けて
超音波を送信する。

【００１６】被検体からの反射波はアレイ探触子２０の
全て（Ｎ個）の超音波振動子２２で受信され、結合回路
３９は、Ｎ個の受信信号の中から受信用超音波集束ビー
ムを形成するｎ個の超音波振動子２２からの受信信号の
みが抽出される。受信マトリクス回路４０はｎ個の受信
信号の組み替えを行い、受信用超音波ビームの路程に対
応する遅延パターンとなるように修正される。受信遅延
回路４１は、ｎ個の受信信号の位相がすべて合うような
遅延パターンを形成して信号の整相を行う。加算回路４
２は受信用超音波集束ビームを形成する超音波振動子２
２からの受信信号を全て加算し、１個の受信信号を出力
する。

【００１７】以上の構成において、送信遅延回路３５、
送信マトリクス回路３６、分配回路３７により、送信用
超音波ビームの生成および電子走査を制御する送信制御
回路ＴＣが構成され、結合回路３９、受信マトリクス回
路４０、受信遅延回路４１および加算回路４２により、
受信用超音波ビームの生成および電子走査を制御する受
信制御回路ＲＣが構成される。

【００１８】探触子２０の各超音波振動子２２に与えら
れる遅延パターンの一例を図３に示す。送信用超音波集
束ビームＢ_Tはｎ個の超音波振動子２２により形成さ
れ、この超音波ビームＢ_Tは、その中心線Ｃ_Lが試料３０
の表面に所定の角度θをもって入射するように遅延パタ
ーンが設定されている。ｎ個の超音波振動子２２に対応
するトリガパルスＰ₁〜Ｐ_nのそれぞれは、図示のように
中心線Ｃ_L近傍を頂点とする包絡線Ｅ上に位置するよう
にその遅延時間が定められている。受信用超音波集束ビ
ームも、同様にその中心線が試料３０の表面から所定の
角度θをもって出射されるように遅延パターンが設定さ
れており、図３において送信用超音波集束ビーム用遅延
パターンと左右対称に現れる（図示を省略）。したがっ
て、この遅延パターンを振動子２２の列設方向に電子的
に走査することによりビームＢ_Tの走査が行われる。

【００１９】図４は、探触子２０により形成される送信
用超音波集束ビームＢ_Tおよび受信用超音波集束ビーム
Ｂ_Rを示す図である。本実施例では、図４(ａ)に示すよ
うに超音波探触子２０の幅方向については音響レンズ２
１の下面２１ａが凹曲面に形成されていることにより集
束され、図４(ｂ)に示すように超音波振動子２２の列設
方向については電子的に集束され、送信用および受信用
の集束ビームＢ_T、Ｂ_Rが形成される。図示例では、１〜
ｎ番目のｎ個の超音波振動子２２により送信用ビームＢ
_Tが形成され、ｍ〜ｍ＋ｎ−１番目のｎ個の超音波振動
子２２により受信用ビームＢ_Rが形成されている（ｎ＜
ｍ≦Ｎ）。

【００２０】一方、トリガ回路３４からのトリガパルス
は参照波発振回路４３にも入力され、参照波発振回路４
３は直接反射波の代用となるバースト波を出力する。す
なわち、本実施例では送信用ビームおよび受信用ビーム
は形成されるが、Ｖ(ｚ)曲線測定のために必要とされる
直接反射波は形成されない。そこで、直接反射波にかえ
て振動子２２励振用のバースト波と受信信号とを強制的
に干渉させ、Ｖ(ｚ)曲線を得る。バースト波の振幅は好
ましくは直接反射波に近いものがよいが、振幅の大小に
より変化するのはＶ(ｚ)曲線の強度であり、周期に影響
は及ぼさない。一方、干渉させる位相は探触子２０と試
料３０との間の距離に応じて適宜調整する必要がある。
そこで、移相回路４４は、探触子２０と試料３０との間
の距離に応じてバースト波に所定の位相シフトを与え
る。このバースト波と加算回路４２からの受信信号とは
加算回路４５において加算される。

【００２１】加算回路４５で加算された受信信号は、ピ
ーク検出器４６で必要なピーク情報が取り出され、Ａ／
Ｄ変換器４７を介してコンピュータ３３に入力され、必
要な画像処理が行われて最終的にディスプレイ４８の画
面上に表示される。コンピュータ３３は超音波検査装置
全体の制御を行い、内蔵するメモリに制御用プログラム
が格納されている。

【００２２】試料台３１はＸＹステージ５０およびＺ軸
ステージ５１により図１のＸ、ＹおよびＺ軸方向に移動
可能とされ、これらステージ５０、５１の制御は制御器
５２を介してコンピュータ３３により行われる。

【００２３】次に、図１〜図４および図５のフローチャ
ートを参照して、本実施例の超音波顕微鏡により試料３
０の音速測定を行う手順を説明する。図５のフローチャ
ートに示すプログラムは、図１に示すように試料３０が
試料台３１上に載置された状態で開始する。まず、ステ
ップＳ１では、音速測定に使用する測定波が決定され
る。測定波には、上述のごとく漏洩弾性表面波、疑似縦
波、その他のモードの表面波等がある。各測定波は固有
の臨界角を有し、この臨界角をもって超音波ビームが試
料３０の表面に入射されると、臨界角に対応する測定波
が試料３０の表面に励起され、この試料３０の表面を伝
播して同じ臨界角をもって試料３０の表面から出射され
る。漏洩弾性表面波の臨界角θ_Rおよび疑似縦波の臨界
角θ_Lの一例を図６に示す。

【００２４】ステップＳ２では、Ｚ軸ステージ５１を操
作して、送信用ビームおよび受信用ビームの中心線が交
わる位置（すなわちこれがアレイ式超音波探触子２０の
焦点位置となる）が試料３０の表面となるように探触子
２０と試料３０との間の距離を調整する。ステップＳ３
では、測定波の臨界角（以下、θにより代表する）をも
ってその中心線が試料３０の表面と交わる送信用および
受信用ビームの遅延パターンを決定する。ステップＳ４
では、最初に超音波の送受信を行う超音波振動子２２を
決定する。本実施例では、図４(ｂ)に示すように、最初
の送信用振動子２２は１〜ｎ番目までのｎ個の振動子２
２とされ、最初の受信用振動子２２はｍ〜ｍ＋ｎ−１番
目までのｎ個の振動子２２とされている。

【００２５】ステップＳ５では、上述の手順により送信
用超音波集束ビームＢ_Tを角度θをもって試料３０の表
面に入射させてこの試料３０表面にステップＳ１で決定
した測定波を励起させ、この測定波を受信用超音波集束
ビームＢ_Rにより受信する。受信信号は上述の手順に従
った処理がなされ、コンピュータ３３内の不図示のメモ
リ内に、測定点の位置（測定波が励起された位置）およ
び探触子２０と試料３０との間の距離とともにピーク値
が格納される。

【００２６】ステップＳ６では、超音波振動子２２の列
設方向（Ｘ軸方向）に等しい電子走査方向の１ラインに
ついてステップＳ５による超音波の送受信が終了したか
否かが判定され、判定が肯定されるとステップＳ８へ移
行し、判定が否定されるとステップＳ７へ移行する。ス
テップＳ７では、送信用および受信用の超音波振動子２
２を１ピッチ（１個）ずつずらし、再度ステップＳ５に
戻って超音波の送受信を行う。以下、ステップＳ５〜Ｓ
７を繰り返すことにより、送信用ビームおよび受信用ビ
ームをＸ軸方向に電子走査しつつ各測定点からの受信信
号を得ることができる。

【００２７】ステップＳ８では、探触子２０と試料３０
との間の距離が所定距離まで近付いたか否か、すなわち
探触子２０が所定量までデフォーカスされたか否かが判
定される。その結果、判定が肯定されるとステップＳ１
０へ移行し、判定が否定されるとステップＳ９へ移行す
る。ステップＳ９では、Ｚ軸ステージ５１を駆動制御し
て探触子２０を試料３０へ所定量（１ピッチ）だけ相対
的に近付け（下げ）、再度ステップＳ５に戻って超音波
の送受信を行う。以下、ステップＳ５〜Ｓ９を繰り返す
ことにより、送信用ビームおよび受信用ビームをＺ軸方
向に機械走査しつつ各測定点からの受信信号を得ること
ができる。

【００２８】ステップＳ１０では、ＸＹステージ５０に
より探触子２０がＹ軸方向に所定距離だけ走査されたか
否かが判定され、判定が肯定されるとステップＳ１２へ
移行し、判定が否定されるとステップＳ１１へ移行す
る。ステップＳ１１では、ＸＹステージ５０を駆動制御
して探触子２０を所定量（１ピッチ）だけＹ軸方向に相
対的に移動させ、再度ステップＳ５に戻って超音波の送
受信を行う。以下、ステップＳ５〜Ｓ１１を繰り返すこ
とにより、送信用ビームおよび受信用ビームをＹ軸方向
に機械走査しつつ各測定点からの受信信号を得ることが
できる。

【００２９】ステップＳ１２では、コンピュータ３３の
不図示のメモリ内に格納されたデータからＶ(ｚ)曲線を
測定点毎に算出し、このＶ(ｚ)曲線から上述の式などに
従って音速を算出する。本実施例では、測定点はＸＹ平
面上に２次元的に分布するので、各測定点の音速から音
速マップが算出できる。

【００３０】したがって、本実施例によれば、アレイ式
超音波探触子２０により電子的に送信用超音波集束ビー
ムＢ_Tおよび受信用超音波集束ビームＢ_Rを形成し、これ
らビームＢ_T、Ｂ_RをＺ軸方向にデフォーカスしてＶ(ｚ)
曲線を求めることにより漏洩弾性表面波等の音速を測定
しているので、所望の測定波に応じた任意の臨界角を有
するビームＢ_T、Ｂ_Rを形成することができ、これにより
所望の測定波を分離して受信、測定することが可能とな
る。よって、本実施例の超音波顕微鏡によれば、試料３
０の各種物性値を正確に測定することが可能となる。し
かも、超音波ビームＢ_T、Ｂ_Rを電子走査して各測定点か
らの受信信号を得ているので、従来の超音波顕微鏡のよ
うにＸ軸方向についても機械的に走査している構成に比
較して高速計測が可能である、という利点もある。

【００３１】−第２実施例− 図７は、本発明による超音波顕微鏡の第２実施例を示す
概略構成図である。なお、以下の説明において、上述の
第１実施例と同様の構成については同一の符号を付し、
相違点を中心に説明して全体の説明を簡略化する。本実
施例の特徴は、音速測定時においてＺ軸ステージを固定
して、すなわち探触子２０と試料３０との間の距離を固
定しておくことであり、このため、第１実施例で用いた
Ｖ(ｚ)曲線を用いた音速測定法にかえて試料３０の表面
を伝播する漏洩弾性表面波等と参照波との位相差を用い
た音速測定法を採用したことである。漏洩弾性表面波と
参照波との位相差を用いて音速を測定する方法は既に提
案されている（例えば特開昭６１−２０８５７号公報、
Acoustic Imaging, vol.15,No.15, pp.393〜401(1987)
などを参照）。

【００３２】具体的に、本実施例では、直接反射波類似
の干渉波形成手段（参照波発信回路４３など）が省略さ
れている一方、位相差測定用の参照パルス形成手段が設
けられている。この参照パルス形成手段は、送信用超音
波集束ビームを形成するｎ個の超音波振動子２２に対応
するｎ個の送信用トリガパルスを、送信・受信回路３８
を構成する送信回路３８ａから受け取り、各パルスに異
なった遅延時間を与えて信号の整相を行う送信整相回路
６０と、送信整相回路６０からの出力パルスを加算して
１個の参照パルスを形成する加算回路６１とを備え、こ
の出力は位相差検出回路６２において加算回路４２の出
力と比較され、その位相差が検出される。送信整相回路
６０は、超音波ビームが単純に試料３０の表面で反射さ
れて受信された（つまり試料３０の表面からの直接反射
波を受信した）場合に位相差検出回路６２から出力され
る位相差が０゜となるように信号の整相を行う。

【００３３】まず、図８〜図１１を参照して、本実施例
における音速測定方法の原理について説明する。図８に
示すように、Ｎ個の超音波振動子２２のうち１〜ｎ番目
までの超音波振動子２２を用いて送信用超音波集束ビー
ムＢ_Tを形成し、一方、ｍ番目〜ｍ＋ｎ−１番目までの
超音波振動子２２を用いて受信用超音波集束ビームＢ_R
を形成した場合を考える。送信用ビームＢ_Tにより試料
３０の表面で励起された漏洩弾性表面波は、路程ｄ（＝
ｌ×（ｍ−ｎ＋１）、但しｌは超音波振動子２２のピッ
チ）だけ試料３０の表面を伝播して受信用ビームＢ_Rに
より受信されるものと考えることができる。したがっ
て、受信信号は、上述の参照パルス（これは直接反射波
と等しい位相を有する）に対して、路程ｄと漏洩弾性表
面波の音速により定まる位相差φを持つ。そして、受信
用ビームＢ_Rを超音波振動子２２の列設方向に（図８で
右方向に）電子走査すると路程ｄが徐々に長くなり、位
相差φもこれに連れて増加する。但し、本実施例では位
相差の単位を［゜］としているため、０゜〜359゜の範
囲で位相差φは変化する。

【００３４】図９(ａ)は参照パルスを示し、図９(ｂ)は
ｍ〜ｍ＋ｎ−１番目までの超音波振動子２２により受信
用ビームＢ_Rを形成した場合の受信信号、図９(ｃ)はｍ
＋１〜ｍ＋ｎ番目までの超音波振動子２２により受信用
ビームＢ_Rを形成した場合の受信信号、図９(ｄ)はｍ＋
２〜ｍ＋ｎ＋１番目までの超音波振動子２２により受信
用ビームＢ_Rを形成した場合の受信信号を示す。受信用
ビームＢ_Rの電子走査により位相差φ₁〜φ₃が増加して
いる。

【００３５】図１１は、受信用ビームＢ_Rを電子走査し
たときの測定結果を、位相差φを縦軸に、路程ｄを横軸
にとって示したグラフである。１周期の位相差φの変化
Δφ（これは、上述のＶ(ｚ)曲線において周期Δｚに対
応する値である）とそのときの路程ｄの変化Δｄからξ
＝Δｄ／Δφなる値を求めれば、漏洩弾性表面波の音速
Ｃ_Rは次式

【数４】により与えられる。

【００３６】受信用ビームＢ_Rを電子走査する範囲は、
１周期分の位相差φの変動を与える路程ｄに等しければ
十分であるが、本実施例では２周期分の位相差φの変動
を与える路程ｄだけ受信用ビームＢ_Rを電子走査してい
る。これは、通常、焦点位置近傍では表面波の位相変化
量が小さいためにＶ(ｚ)曲線の変動が明瞭に表れないこ
とを考慮すると、少なくとも２周期以降のデータを用い
ることが好ましいからであり、最低限２周期目のデータ
を用いて音速測定を行うためである。Ｖ(ｚ)曲線におい
て、２周期までのデータを得るためには、試料の材質に
より異なるが、ほぼ２×Δｚ分だけ探触子３０をデフォ
ーカスする必要がある。これを本実施例の場合にあては
めると、２周期分の位相差φの変動を与えるための路程
ｄ_maxは、図１０に示すように、漏洩弾性表面波の臨界
角θ_RおよびＶ(ｚ)の周期Δｚを用いて

【数５】ｄ_max＝２×tanθ_R×２・Δｚで与えられる。一例として、試料３０を石英ガラス、測
定周波数を25ＭＨｚとすると、Δｚ＝292μｍ、θ_R＝26
゜であるから、２×Δｚ≒600μｍとしてｄ_max＝586μ
ｍとなる。これが、受信用ビームＢ_Rの電子走査範囲と
なる。

【００３７】次に、図７〜図１１および図１２のフロー
チャートを参照して、本実施例の超音波顕微鏡により試
料３０の音速測定を行う手順を説明する。図１２のフロ
ーチャートに示すプログラムは、図７に示すように試料
３０が試料台３１上に載置された状態で開始する。ま
ず、ステップＳ２１では、音速測定に使用する測定波が
決定される。ステップＳ２２では、Ｚ軸ステージ５１を
操作して、送信用ビームおよび受信用ビームの中心線が
交わる位置（すなわちこれがアレイ式超音波探触子２０
の焦点位置となる）が試料３０の表面となるように探触
子２０と試料３０との間の距離を調整する。以降、音速
測定動作中においてＺ軸ステージ５１が操作されること
はなく、探触子２０と試料３０との間の距離は固定され
る。

【００３８】ステップＳ２３では、測定波の臨界角θを
もってその中心線が試料３０の表面と交わる送信用およ
び受信用ビームの遅延パターンを決定する。ステップＳ
２４では、最初に超音波の送受信を行う超音波振動子２
２を決定する。本実施例では、図８に示すように、最初
の送信用振動子２２は１〜ｎ番目までのｎ個の振動子２
２とされ、最初の受信用振動子２２はｍ〜ｍ＋ｎ−１番
目までのｎ個の振動子２２とされている。

【００３９】ステップＳ２５では、上述の手順により送
信用超音波集束ビームＢ_Tを角度θをもって試料３０の
表面に入射させてこの試料３０表面にステップＳ２１で
決定した測定波を励起させ、この測定波を受信用超音波
集束ビームＢ_Rにより受信する。ステップＳ２６では、
ステップＳ２５で得られた受信信号から上述の手順によ
り位相差φを算出する。位相差データは、送信用振動子
２２の位置（ここから出射される送信用超音波ビームの
到達点が測定点となる）および路程ｄとともに、コンピ
ュータ３３内の不図示のメモリ内に格納される。

【００４０】ステップＳ２７では、ステップＳ２６で得
られた位相差φが２回転、すなわち720゜に至ったか否
かが判定され、判定が肯定されるとステップＳ２９へ移
行し、判定が否定されるとステップＳ２８へ移行する。
ステップＳ２８では、受信用の超音波振動子２２を１ピ
ッチ（１個）だけ振動子２２の列設方向にずらし、再度
ステップＳ２５に戻って超音波の送受信を行う。以下、
ステップＳ２５〜Ｓ２８を繰り返すことにより、受信用
ビームをＸ軸方向に電子走査して路程ｄを増加させ、受
信信号の位相差φを得ることができる。

【００４１】ステップＳ２９では、上述の手順により測
定波の音速が算出される。この音速は、送信用振動子２
２の位置とともにコンピュータ３３内の不図示のメモリ
内に格納される。

【００４２】ステップＳ３０では、電子走査方向の１ラ
インについてステップＳ２５による超音波の送受信が終
了したか否かが判定され、判定が肯定されるとステップ
Ｓ３２へ移行し、判定が否定されるとステップＳ３１へ
移行する。ステップＳ７では、送信用の超音波振動子２
２を１ピッチ（１個）ずらすとともにこの送信用超音波
振動子２２に対する受信用の超音波振動子２２を決定
し、再度ステップＳ２５に戻って超音波の送受信を行
う。以下、ステップＳ２５〜Ｓ３１を繰り返すことによ
り、送信用ビームおよび受信用ビームをＸ軸方向に電子
走査しつつ各測定点における音速データを得ることがで
きる。

【００４３】ステップＳ３２では、ＸＹステージ５０に
より探触子２０がＹ軸方向に所定距離だけ走査されたか
否かが判定され、判定が肯定されるとステップＳ３４へ
移行し、判定が否定されるとステップＳ３３へ移行す
る。ステップＳ３３では、ＸＹステージ５０を駆動制御
して探触子２０を所定量（１ピッチ）だけＹ軸方向に相
対的に移動させ、再度ステップＳ２５に戻って超音波の
送受信を行う。以下、ステップＳ２５〜Ｓ３３を繰り返
すことにより、送信用ビームおよび受信用ビームをＹ軸
方向に機械走査しつつ各測定点における音速データを得
ることができる。ステップＳ３４では、コンピュータ３
３の不図示のメモリ内に格納された音速データから２次
元的音速マップを算出する。

【００４４】したがって、本実施例によれば、アレイ式
超音波探触子２０により電子的に送信用超音波集束ビー
ムＢ_Tおよび受信用超音波集束ビームＢ_Rを形成し、受信
用超音波集束ビームＢ_Rを電子走査して受信信号の位相
差φを測定することにより漏洩弾性表面波等の音速を測
定しているので、所望の測定波に応じた任意の臨界角を
有するビームＢ_T、Ｂ_Rを形成することができ、これによ
り所望の測定波を分離して受信、測定することが可能と
なる。よって、本実施例の超音波顕微鏡によれば、試料
３０の各種物性値を正確に測定することが可能となる。
しかも、受信用超音波ビームＢ_Rを電子走査して位相差
φを検出しているので、上述の第１実施例のように探触
子２０をＺ軸方向に機械走査する必要がなく、第１実施
例に比較してさらに高速計測が可能である、という利点
もある。

【００４５】以上説明した各実施例と請求の範囲との対
応において、送信制御回路ＴＣは超音波ビーム送信回路
および送信ビーム走査手段を、受信制御回路ＲＣは超音
波ビーム受信回路および受信ビーム走査手段を、Ｚ軸ス
テージ５１は探触子走査手段を、コンピュータ３３およ
び位相差検出回路６２は一体となって第１の音速算出手
段を、コンピュータ３３は曲線計測手段および第２の音
速算出手段をそれぞれ構成している。

【００４６】なお、本発明の超音波顕微鏡は、その細部
が上述の各実施例に限定されず、種々の変形が可能であ
る。一例として、上述の第１実施例では直接反射波にか
えて参照用バースト波を用いてＶ(ｚ)曲線を得ていた
が、送信用および受信用振動子の中間にある振動子を用
いて直接反射波を形成することもできる。この場合、直
接参照波用の送受信回路を第１実施例の構成に付加すれ
ばよい。また、第２実施例において、受信用超音波ビー
ムを電子走査して得られる信号から試料の表面欠陥を知
ることもできる。

【００４７】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば、アレイ式超音波探触子により超音波送信ビームお
よび超音波受信ビームを形成しており、これらビーム
は、所望の測定波に応じた任意の臨界角に形成すること
ができるので、所望の測定波のみを分離して受信、測定
することが可能となる。よって、本実施例の超音波顕微
鏡によれば、試料の各種物性値を正確に測定することが
可能となる。また、請求項４、６の発明によれば、超音
波ビームを電子走査して各測定点からの受信信号を得て
いるので、従来の超音波顕微鏡のように機械的に走査し
ている構成に比較して高速計測が可能である、という利
点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例である超音波顕微鏡の概略
構成を示す図である。

【図２】(ａ)は第１実施例に用いられる超音波探触子を
示す斜視図、(ｂ)は側面図である。

【図３】遅延パターンの一例を示す図である。

【図４】(ａ)は送信用および受信用超音波集束ビームを
示す側面図、(ｂ)は正面図である。

【図５】第１実施例の動作手順を示すフローチャートで
ある。

【図６】臨界角の一例を示す図である。

【図７】本発明の第２実施例である超音波顕微鏡の概略
構成を示す図である。

【図８】第２実施例に用いられる音速測定方法の原理を
説明するための図である。

【図９】参照用パルスおよび受信信号の一例を示す図で
ある。

【図１０】受信用超音波集束ビームの走査範囲を示す図
である。

【図１１】位相差と路程との関係を示す図である。

【図１２】第１実施例の動作手順を示すフローチャート
である。

【図１３】従来の超音波顕微鏡の一例の構成を示すブロ
ック図である。

【図１４】探触子および試料の近傍を拡大して示した断
面図である。

【図１５】直接反射波とレーリー波との干渉を説明する
ための図である。

【図１６】Ｖ(ｚ)曲線の一例を示す図である。

【符号の説明】

θ 臨界角 φ 位相差Ｂ_T 送信用超音波集束ビームＢ_R 受信用超音波集束ビームＴＣ送信制御回路ＲＣ受信制御回路２０アレイ式超音波探触子２２超音波振動子３０試料３３コンピュータ５１Ｚ軸ステージ６２位相差検出回路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の超音波振動子がアレイ状に列設さ
れたアレイ式超音波探触子と、試料に弾性表面波等の所定の波が励起されるように前記
アレイ式超音波探触子を励振して前記所定の波に対応す
る臨界角をもって前記試料表面に超音波送信ビームを入
射させる超音波ビーム送信手段と、前記試料表面から出射する前記所定の波を前記臨界角を
もった超音波受信ビームとして受信する超音波ビーム受
信手段とを備えたことを特徴とする超音波顕微鏡。
【請求項２】請求項１に記載の超音波顕微鏡におい
て、前記超音波受信ビームを前記超音波振動子の列設方向に
走査する受信ビーム走査手段を備えたことを特徴とする
超音波顕微鏡。
【請求項３】請求項２に記載の超音波顕微鏡におい
て、前記受信ビーム走査手段により超音波受信ビームを走査
しつつ前記超音波ビーム受信手段により得られた複数の
受信信号の位相差を検出し、この位相差から前記試料の
音速を算出する第１の音速算出手段を備えたことを特徴
とする超音波顕微鏡。
【請求項４】請求項２または３に記載の超音波顕微鏡
において、前記超音波送信ビームを前記超音波振動子の列設方向に
走査する送信ビーム走査手段を備えたことを特徴とする
超音波顕微鏡。
【請求項５】請求項１に記載の超音波顕微鏡におい
て、前記アレイ式超音波探触子を前記試料の深さ方向に走査
する探触子走査手段と、前記探触子走査手段により前記アレイ式超音波探触子を
走査させつつ前記超音波ビーム受信手段により超音波受
信ビームを受信してＶ(ｚ)曲線を得る曲線計測手段と、前記曲線計測手段で得られたＶ(ｚ)曲線から前記試料の
音速を算出する第２の音速算出手段とを備えたことを特
徴とする超音波顕微鏡。
【請求項６】請求項５に記載の超音波顕微鏡におい
て、前記超音波送信ビームを前記超音波振動子の列設方向に
走査する送信ビーム走査手段と、前記超音波受信ビームを前記超音波振動子の列設方向に
走査する受信ビーム走査手段とを備えたことを特徴とす
る超音波顕微鏡。