JPH0634009B2

JPH0634009B2 - 超音波顕微鏡

Info

Publication number: JPH0634009B2
Application number: JP59138490A
Authority: JP
Inventors: 昭宏南波; 純一石橋
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1984-07-03
Filing date: 1984-07-03
Publication date: 1994-05-02
Anticipated expiration: 2009-05-02
Also published as: JPS6117009A

Description

【発明の詳細な説明】［発明の技術分野］本発明は超音波を効率良く送受波できるようにした超音
波顕微鏡に関する。

［発明の技術的背景とその問題点］光の代りに超音波を用いて物体の微視的な構造を観察す
る装置として、機械走査形超音波顕微鏡がある。この超
音波顕微鏡は、原理的には細く絞った超音波ビームによ
って試料面を機械的に走査し、その試料により散乱され
た超音波を集音して電気信号に変換し、その信号を陰極
線管等の表示面に二次元的に表示し、顕微鏡像を得るも
のである。走査する超音波としては、１００ＭＨｚ〜１
ＧＨｚ位の調音周波ビームが用いられ、略１０μｍ〜１
μｍ程度の分解能が得られる。さらに、上記１ＧＨｚ以
上の周波数ビームを用いれば、さらに分解能を上げるこ
とも可能であり、また超音波によって物体の内部像を観
察し得るという利点も有している。

ところで、超音波の検出の仕方によって、すなわち試料
内で散乱あるいは減衰しながら透過してきた超音波を検
出する場合と、試料内の音響的性質の差によって反射し
てきた超音波を検出する場合とによって、透過型と反射
型とに分けられる。

第１０図は従来の反射型の超音波顕微鏡の外形を示し、
第１１図は保持台付近を拡大して示し、第１２図は電気
処理回路系を示す。

第１０図において、符号１号及び２は光学的に観察ある
いは確認用に設けられた接眼レンズ及び鏡筒である。鏡
筒２の下端部には対物レンズ３が取付けられ、ゴニオメ
ータ４を載せた保持台５に対向している。そして、顕微
鏡本体は鏡脚６にて保持されている。保持台５は保持台
移動装置７によって保持され、音響レンズ８はゴニオメ
ータ４に対向し、ボイスコイルより成る加振器１０に支
持されている。鏡筒２は落射照明用光源９を導くように
してある。そして、ゴニオメータ４の上には試料１１が
載置されている。なお、符号１２は保持台移動装置７を
移動させるための走査用つまみである。また、第１１図
に示すように音響レンズ８は加振器１０より該加振器１
０の振動を音響レンズ８に伝えるためのアーム１３によ
って支持されている。加振器１０は図示しない外部入力
信号発生器により加えられた交流信号（正弦波信号が使
われる）によって、アーム１３の長手方向に数１０Ｈｚ
の振動数をもって振動する。この加振器１０による振動
を受けて音響レンズ８は走査される。音響レンズ８の下
面には水１４が浸されており、水１４は音響レンズ８と
試料１１間の音場伝搬媒体として超音波を出来るかぎり
減衰させることなく伝達する役目をしている。試料１１
はゴニオメータ４の上面に保持されており、ゴニオメー
タ４のつまみを回すことにより、試料表面が音響レンズ
８の軸方向に対して垂直に対向するように調整できるよ
うになっている。ゴニオメータ４には二次元走査可能な
ように、Ｘ，Ｙ方向走査用つまみが付けられている。ゴ
ニオメータ４は保持台５にて保持されており、保持台５
は保持台移動装置７にて保持されて、保持台移動走査用
つまみ１２を右方向或いは左方向に回転させることによ
り、上下方向に移動するようになっている。

第１２図は超音波顕微鏡装置の電気回路系を示すブロッ
ク図である。

同図に示すように、高周波パルス発生器１５によって発
生された高周波パルス信号は、サーキュレータ（方向性
結合器）１６を介して音響レンズ８上面に取り付けられ
た圧電トランスデューサ（圧電変換器）１７に到達する
ようになっている。高周波パルス信号は圧電トランスデ
ューサ１７によって超音波に変換され、音響レンズ８内
を伝搬する。超音波は音響レンズ８下面の球面レンズ部
によって球面波に変換されて水１４内を通過し、試料１
１に当たるようになっている。そこで、試料１１から超
音波が反射されて再び水１４内を通過し、再度音響レン
ズ８の球面レンズ部を通って平面波に変換され、圧電ト
ランスデューサ１７に到達し、圧電トランスデューサ１
７にてさらに電気信号に変換される。このようにして生
じた電気信号は再びサーキュレータ１６を通してゲート
回路１８に導かれるようになっている。ゲート回路１８
では圧電トランスデューサ１７に返ってくる超音波反射
信号の内試料１１からの正しい反射信号のみを取り出す
ことができるように、正しい反射信号が戻ってくるタイ
ミングでゲートを開き、試料１１からの反射信号を取り
出し易くするようにしている。換言すれば、ゲート回路
１８によって音響レンズ８の内部等からの不要反射によ
るノイズ成分を小さくするようにしている。このように
して得られた試料１１面からの正しい反射信号を高周波
増幅回路１９へ導いて増幅し、混合回路２０へ導くよう
にする。混合回路２０へは局部発振器２１からの局部発
振周波数信号が入り、この信号と試料１１からの反射信
号が混合され、その結果中間周波数信号に変換される。
このように周波数を下げて中間周波数に変換することに
より増幅し易くなると同時に、ノイズ成分も少くするこ
とができるようにしている。中間周波数信号は中間周波
数増幅回路２２により増幅されて検波回路２３へ導か
れ、試料１１からの信号であるバースト波の包絡線を取
り出し、その後ブランキング回路２４へ通すようにして
いる。ブランキング回路２４では試料１１からの反射信
号のみが取り出され、他の不要な信号がカットされ、ピ
ーク検波回路２５に導いてピーク検波する。このように
して得られた検波出力信号を順次スキャンコンバータ２
６に導いてテレビジョン信号に変換し、その輝度信号に
よってテレビジョンモニタ２７に画像表示するようにし
ている。この場合、スキャンコンバータ２６はピーク検
波回路２５からの検波出力信号を一時記憶している。
又、Ｘ偏向信号発生回路２８及びＹ偏向信号発生回路２
９が制御回路３０にて制御可能なＸ−Ｙ走査機構３１の
走査周期に同期して動作するように構成され、スキャン
コンバータ２６において前述の一時記憶した検波出力信
号をテレビジョン走査周期で読み出すと共に、この読み
出した信号にＸ及びＹ偏向信号発生回路２８，２９から
の各同期信号を付加して複合テレビジョン信号を作成
し、この信号をテレビジョンモニタ２７に送って試料１
１の超音波画像を得るようにしている。

以上のような構成，動作を有する従来の超音波顕微鏡に
おいては、圧電トランスデューサ１７はある周波数で共
振するように製作されているが、その共振周波数が非常
に高いため、その圧電トランスデューサ１７の厚みも、
非常に薄くなり、精密加工されたものであっても実際に
は少しずれていることが多い。つまり実際の超音波顕微
鏡の圧電トランスデューサ１７に加えられる周波数は圧
電トランスデューサ１７の共振周波数から若干ずれてい
る。この圧電トランスデューサ１７のＱ値は非常に大き
いため、その共振周波数から少しずれた周波数の（送波
時及び受波時の）電気信号の入力に対しても圧電トラン
スデューサ１７の励振の効率がかなり下がってしまい、
その結果超音波画像を形成する信号のＳＮ比が小さくな
り、得られる画質が低下してしまうという欠点が生じ
る。

従って、ＳＮ比の高い超音波画像を得るためには、実際
に用いる圧電トランスデューサ１７に対して発振周波数
の微調整が必要となる。このため、微調整を必要とする
ことなく、常に最良状態で超音波画像を得ることができ
る装置であれば、非常に使い易いものとなる。又、１Ｇ
Ｈｚ等高い周波数で使用する場合には超音波伝達媒体
（水等）を加温して、損失を少くすることが必要とされ
る場合があるが、この時音響レンズ８も温められ、これ
に伴って圧電トランスデューサの共振周波数もずれてし
まうことがあるため、たびたび微調整が必要とされると
いう欠点があった。

［発明の目的］本発明は上述した点にかんがみてなされたもので、常に
圧電トランスデューサの共振周波数に合った周波数で、
圧電トランスデューサを励振し、効率良く超音波を送受
波してＳＮ比の高い超音波画像を得ることができるよう
にした超音波顕微鏡を提供することを目的とする。

［発明の概要］本発明はスイープ発振器で周波数をスイープして圧電変
換器を励振し、該圧電変換器に取付けた他の電極等から
励振された圧電振動を電気信号として取り出し、その検
出信号電圧が最大となる周波数を求め、その周波数で超
音波を送受波して超音波画像を得る構成になっている。

［発明の実施例］以下、図面を参照して本考案を具体的に説明する。

第１図ないし第５図は本発明の第１実施例に係り、第１
図は第１実施例における電気回路系をブロックにて示
し、第２図及び第３図は第１実施例に用いられる圧電ト
ランスデューサ（圧電変換器）を示し、第４図は第１実
施例に用いられるスイープ発振器から出力される信号の
周波数が掃引される様子を示し、第５図は第４図の出力
信号を圧電トランスデューサに印加した場合における励
振の振幅波形と、その包絡線検波された波形を示す。

第１実施例の超音波顕微鏡の装置外観は第１０図に示す
従来例と殆んど同様である（ので図示略）が、第１実施
例に用いられている圧電トランスデューサ４１は、第２
図及び第３図に示すように、音響レンズ８の上端面の中
央に円板状に貼着されているが、一方の面（上面）に全
面電極が形成されないで、大面積を有する送受液（送受
信）用電極４２と、スリット状に電極が形成されてない
部分を設けて周波数モニタ用電極４３とが分離形成され
ている。尚、他方の面（下面）はアースとなる全面電極
が形成されており、この全面電極は双方共通に用いられ
るようになっている。

上記圧電トランスデューサ４１を用いた第１実施例の電
気回路系は第１図に示すように構成されている。尚、従
来例と同一要素には同符号を付けて示す。

高周波パルス発生器１５によって発生された高周波パル
ス信号は、サーキュレータ１６を通り、スイッチ４４を
経て音響レンズ８上面に取付けられた圧電トランスデュ
ーサ４１の電極４２及びアース電極に印加され、圧電振
動を生じさせ、音響レンズ８を経て試料１１側に超音波
を送波できるようになっている。しかして、試料１１で
反射された超音波は音響レンズ８を経て再び圧電トラン
スデューサ４１によって電気信号に変換され、再びサー
キュレータ１６を通ってゲート回路１８側に導かれる。
このゲート回路１８以後の超音波画像形成のための構成
及び動作は上述した従来例と同様であるので省略する。

ところで上記スイッチ４４は、例えばダイオードスイッ
チ等で形成され、超音波顕微鏡の電源投入の際には、第
１図の破線で示す側が導通状態となり、第４図に示すよ
うに時間ｔとともに周波数が（例えば低い方から高い方
へと）可変される（スイープ発振器４５の）正弦波信号
が圧電トランスデューサ４１の電極４２に印加され、そ
の周波数で励振させるようになっている。尚、スイープ
発振器４５は、スイープ制御電圧部４６から出力される
鋸歯状波等の制御電圧で動作し、その電圧値に応じた周
波数を出力するようになっている。

上記励振された圧電トランスデューサ４１は、その圧電
振動の振幅に応じてモニタ用電極４３から電気信号とし
て取り出され、高周波増幅回路４７に入力されて増幅さ
れ、次段の検波回路４８で検波され、振動波形の包絡線
が出力される。第５図の実線に示すようにスイープされ
た周波数の場合には、圧電トランスデューサ４１の共振
周波数_Ｒで振幅が極大（最大）となり（この最大点を
矢印で示す）、検波回路４８による検波波形として、第
５図の破線で示すような包絡線を得ることができるよう
になっている。（尚、第４図及び第５図においては、周
波数が非常に大きく変化するように示してあるが、実際
には共振周波数_Ｒの近傍範囲をカバーすれば十分であ
る。）上記検波出力は、Ａ／Ｄ変換器４９によって、ディジタ
ル量に変換され、順次メモリ５０に書き込まれる。この
書き込みに同期して、スイープ制御電圧部４６の出力信
号電圧つまり、スイープ発振器４５の入力電圧がＡ／Ｄ
変換器５１でディジタル量にされ、メモリ５２に順次書
き込まれる。上記メモリ５０に書き込まれたデータは１
周期の掃引後、演算処理部５３によって、隣接する２つ
ずつ順次取り込まれて比較され、ディジタル的に最大と
なるデータにおけるそのアドレスが検出され、そのアド
レスで上記メモリ５２の（スイープ発振器４５の入力電
圧のディジタル）データが読み出される。この読み出さ
れたデータは、Ｄ／Ａ変換器５５でアナログ量にされ、
さらに電圧−周波数（Ｖ−）変換器５６で圧電トラン
スデューサ４１の共振周波数_Ｒに変換されて、高周波
パルス発生器１５に入力され、波形整形及び増幅等され
て所定の振幅を有する超音波顕微鏡画像形成用の高周波
パルス信号にされるようになっている。

上述のようにして、電源投入後、わずかの時間が経過す
ると、その間に圧電トランスデューサ４１の共振周波数
_Ｒが検出されて、高周波パルス発生器１５の出力周波
数はその値に自動的に設定され、その後は常時、その周
波数に保持され、その周波数の高周波パルス信号が圧電
トランスデューサ４１に印加され、変換効率の良い状態
で送波及び受波でき、ＳＮ比の高い鮮明な超音波顕微鏡
画像を得ることができるという特徴を有する。

又、音響レンズ８を交換した場合にも、新たに取付けら
れた圧電トランスデューサの共振周波数_Ｒに一致した
周波数で励振でき、たとえ若干異る共振周波数のもので
も最適の状態で使用できる。このため、互換使用可能と
なる範囲も広くなり、圧電トランスデューサ４１を取付
けた音響レンズに要求される加工精度も低くて済み、低
価格のレンズでも使用できる。

第６図は本発明の第２実施例を示す。

この第２実施例においては、上記第１実施例と同様にス
イープされた周波数が圧電トランスデューサ４１に印加
され、分離形成されたモニタ電極４３からその励振され
た振動電圧が取り出され、高周波増幅器４７で増幅さ
れ、検波回路４８で包絡線検波され、さらにＡ／Ｄ変換
器４９でディジタル量にされた後１組のメモリ５７の一
方に書き込まれるようになっている。このメモリ５７の
他方には、スイープ制御電圧部４６の電圧がＡ／Ｄ変換
器５１でディジタル量に変換されて、上記書き込みのタ
イミングと同期して書き込まれるようになっている。つ
まり各周波数がスイープされた場合、そのスイープされ
た周波数に（例えばリニアに）対応するスイープ制御電
圧値のディジタル変換データがメモリ５７の一方に書き
込まれると共に、該メモリの他方には、検波出力のディ
ジタル変換データがそれぞれ同期して順次書き込まれる
ようになっている。

しかして、上記メモリ５７に書き込まれた検波出力のデ
ィジタル変換データは、演算処理部５３で前後したもの
がそのアドレスと共に取り込まれて一方から他方を減算
したり、お互いに比較させる等して、最大のデータが検
出され、しかしてその最大データに対するアドレスが検
出され、この最大のデータに対応するアドレスで、その
データに対応するメモリ５７のスイープ制御電圧値（の
ディジタルデータ）が読み出される。この読み出された
データはＤ／Ａ変換器５５でアナログ量に変換され、電
圧−周波数変換器５６で共振周波数_Ｒにされて、高周
波パルス発生器１５に入力されるようになっている。

この他は上記第１実施例と同様の構成である。

第８図及び第９図は本発明の第３実施例における圧電ト
ランスデューサを示す。

これらの図に示すように円板状の圧電素子板の上面に
は、その中央に円状の送受波用電極６１が形成され、こ
の送受波用電極６１を取い巻いて、リング状の無電極部
が形成され、この無電極部の外周にリング状のモニタ用
電極６２を設けて圧電トランスデユーサ６３が形成され
ている。尚、下面のアース側電極は全面に形成され、共
通に使用されるようになっている。

その他の構成及び動作は上記第１実施例と同様であるの
で説明を省く。

この第３実施例の効果は上記第１実施例と同様である
が、さらに円状の電極６１で超音波の送受波を行い得る
ので、音響レンズ８の開口面により位相の整った平面波
を送出することができ、超音波をより集音できるという
利点を有する。

第９図は本発明の第４実施例における圧電トランスデュ
ーサを示す。

この場合の圧電トランスデューサ７１の上面には、上記
第３実施例と同様に円状の送受波用電極６１が形成さ
れ、一方、モニタ用電極７２は無電極部を介してリング
状に設けられないので、そのリングの一部のみに形成さ
れている。その他は上記第１実施例と同様の構成及び動
作をする。

この第４実施例は上記第３実施例と略同様の作用効果を
有する。尚、第３実施例の場合よりも電極７２を設ける
ことがより容易となるとい利点を有する。

尚、上記共振周波数を検出する手段は、上述したものに
限定されるものでなく、例えば第１図に示す検波回路４
８の後段にピーク・ディテクタを設け、先ずスイープを
一回行って、ピーク・ディテクタでピーク値を検出し、
このピーク値を比較器の一方の入力端に印加して基準電
圧とし、他方に、２度目のスイープした検波信号を入力
させ、一致した場合（例えば基準電圧側に微小電圧を加
算あるいは減算して比較器の出力が反転できるようにし
て比較し易くする。）その時刻のスイープ発振器４５の
周波数（あるいは入力電圧でもよい）をカウンタ等で検
出し、高周波パルス発生器１５の発振周波数をその周波
数に一致させるようにしても良い。

又、上記第１図において、高周波パルス発生器１５とス
イープ発振器４５を分離（別体と）しているが、これに
限らず、スイープ発振器４５をもとにして周波数がスイ
ープされる連続波を発生させ、これをダイードスイッチ
等で切換えて高周波パルス信号を発振させるようにして
も良い。即ち、先に周波数モニタ用の連続波を発生させ
て圧電トランスデューサの共振周波数_Ｒを求めた後、
ダイオード・スイッチによって高周波パルス信号に切換
えて圧電トランスデューサを励振して送波し、送波した
超音波を受波して超音波顕微鏡画像を得るようにしてい
も良い。

尚、上記共振周波数_Ｒに設定する動作は、電源の投入
の際のみならず、１画面あるいは数画面の超音波顕微鏡
画像形成の直前に自動的に行わせるようにしても良い
し、加湿等の温度変化に対処できるように、術者が所望
とするときにボタン等を操作した際（にも）行うように
しても良いし、これらの動作モードを選定できるように
することもできる。又、サーモセンサを設けておいて、
気温の変化する度に、自動的に共振周波数_Ｒの検出動
作を行わせるようにしても良い。さらにこの検出と共に
共振周波数_Ｒの自動設定も行うようにさせることもで
きる。

尚、スイッチ４４は、マニュアルで切換えて行っても良
いし、スイープ制御電圧部４６の出力に連動して自動的
に切換えるようにしても良い。

尚、上述の実施例では超音波顕微鏡画像を得る場合には
モニタ用電極４３，６２，７２を用いていないが、送受
波用電極４２，６１，６１と共に用いることもできる。

又、上述の各実施例においては、送受波用のものの他に
モニタ用電極が分離形成されているが、本発明はこれに
限定されるものでなく、送受波用電極を用いて共振周波
数_Ｒを検出することもできる。

例えば、圧電トランスデューサ４１と直接に抵抗負荷を
接続してスイープ発振器４５の出力信号が印加されるよ
うに設定し、スイープした場合における圧電トランスデ
ューサ両端の信号電圧の最大値を検出しても良い。この
ようにすると、従来例の音響レンズを用いることができ
る。

ヌ、スイープ発信器４５の出力信号を、周波数をスイー
プさせながら断続的に印加し、発振を停止した短い各期
間における圧電トランスデューサの出力波形の最大のも
のを検出して共振周波数を検出するようにしても良い。

尚、本発明に係るトランスデューサとしては、反射型の
ものに限定さるものでなく、透過型にも利用できるもの
である。。

［発明の効果］以上述べたように本発明によれば、圧電トランスデュー
サの共振周波数を検出する共振周波数検出手段と、この
検出手段によって、超音波顕微鏡画像形成用に送波され
る高周波パルス信号の周波数を上記共振周波数に設定す
る周波数設定手段とを設けてあるので、自動的に実際に
使用される圧電トランスデューサの共振周波数の超音波
で超音波顕微鏡画像を形成でき、効率良く超音波の送受
波ができる。従って、ＳＮ比の大きい超音波顕微鏡画像
を得ることができる。

又、音響レンズを変換して使用した場合にも、自動的に
その音響レンズに取付けられた圧電トランスデューサの
共振周波数に等しい周波数で励振できるので、音響レン
ズの使用可能な互換範囲を広くでき、音響レンスの加工
精度が低い低価格のものでも使用できる。

さらに、超音波伝達媒体を加温して使用する場合等、周
囲温度で圧電トランスデューサの共振周波数が変化する
場合においても、手動で調整を必要とすることなく対処
できるという利点を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第５図は本発明の第１実施例に係り、第１
図は第１実施例の電気回路系の構成を示すブロック図、
第２図は第１実施例に用いられる圧電トランスデューサ
を示す斜視図、第３図は第２図の側面図、第４図は第１
実施例に用いられるスイープ発振器の出力信号の波形を
示す波形図、第５図は第４図の出力信号が印加された場
合の圧電トランスデューサの振動（励振）波形を示す波
形図、第６図は本発明の第２実施例の電気回路系の構成
を示すブロック図、第７図は本発明の第３実施例におけ
る圧電トランスデューサを示す斜視図、第８図は第７図
の側面図、第９図は本発明の第４実施例における圧電ト
ランスデューサを示す斜視図、第１０図は従来例の超音
波顕微鏡の外観を示す側面図、第１１図は第１０図のス
テージ部分を拡大して示す側面図、第１２図は従来例の
電気回路系の構成を示すブロック図である。８……音響レンズ、１１……試料１５……高周波パルス発生器１６……サーキュレータ、１８……ゲート回路４１，６３，７１……圧電トランスデューサ４２，６１……送受波用電極４３，６２，７２……モニタ用電極４４……スイッチ、４５……スイープ発振器４６……スイープ制御電圧部４７……高周波増幅回路、４８……検波回路４９，５１……Ａ／Ｄ変換器５０，５２，５７……メモリ５３……演算処理部、５５……Ｄ／Ａ変換器５６……電圧−周波数変換器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】音響レンズに取付けた圧電変換器に高周波
パルス信号を印加して超音波を試料側に送波し、該試料
で反射又は透過した超音波を前記圧電変換器又は別体の
圧電変換器で受波して超音波像を形成可能とする超音波
顕微鏡において、前記圧電変換器に周波数を変えた電気
信号を印加して振動を生じさせる手段と、その振動を取
り込んでその振幅が最大となる周波数に関する情報を検
出する検出手段と、この検出手段の出力で超音波顕微鏡
画像形成用の高周波パルス信号の出力周波数を前記共振
周波数に設定する周波数設定手段とを設けたことを特徴
とする超音波顕微鏡。
【請求項２】前記検出手段は、圧電変換器の振動を電気
信号として取り込み、この信号を検波してディジタル量
に変換してメモリ内にデータとして一時記憶させると共
に、その振動の周波数に関する情報も同期して記憶し、
前記メモリ内のデータを比較する等して信号の最大値を
検出し、その最大値に対応する周波数に関する情報を読
み出すよう構成したことを特徴とする特許請求の範囲第
１項記載の超音波顕微鏡。
【請求項３】前記圧電変換器は、一方の面にはアース側
の全面電極が形成され、他方の面には超音波顕微鏡画像
形成用の電極と、共振周波数の検出用の電極とが分離し
て形成されていることを特徴とする特許請求の範囲第１
項記載の超音波顕微鏡。
【請求項４】前記周波数設定手段は、前記検出手段の出
力をアナログ量にして取り込み、電圧−周波数変換手段
を介して共振周波数に設定するものとしたことを特徴と
する特許請求の範囲第１項記載の超音波顕微鏡。