JPH0843365A

JPH0843365A - 超音波測定装置

Info

Publication number: JPH0843365A
Application number: JP6182496A
Authority: JP
Inventors: Tomio Endo; 富男遠藤
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1994-08-03
Filing date: 1994-08-03
Publication date: 1996-02-16

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、高い信頼性を維持したまま広い周波
数帯域で試料からの反射信号の複素情報を得ることを目
的とする。【構成】周波数可変で高周波バースト波を発生させるバ
ースト波発生手段２，３と、高周波バースト波を超音波
に変換し試料へ入射すると共に反射波を受信信号に変換
する超音波送受信手段４，５，１０と、互いに周波数範
囲の異なる複数の周波数特性を有し高周波バースト波と
同一周波数の基準信号をいずれかの周波数特性において
位相変化させる移相手段１４と、基準信号の位相変化に
使用すべき周波数特性を高周波バースト波の周波数に応
じて切り替える切替え手段１３，１５と、位相変化させ
た基準信号で受信信号を位相検波する検波手段１２と、
検波手段１２の位相検波出力を記憶する手段１と、Ｚ軸
方向に超音波送受信手段４，５，１０と試料６の相対距
離を変化させる駆動手段１９とを備えて構成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、試料の微小部分の弾性
的性質を超音波を利用して測定する超音波測定装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】音響レンズを通して収束させた超音波を
試料に入射し、その試料反射波から必要な反射波成分を
抽出して超音波画像を作成したり、又は試料のＶ（Ｚ）
曲線を測定して試料の微小部分の弾性的性質を検出する
装置として超音波顕微鏡が知られている。

【０００３】上記した超音波顕微鏡は試料からの反射波
の強度のみを測定しているが、試料の弾性的性質につい
てより多くの情報を得るために反射波の強度と位相とを
検出する超音波測定装置が考えられている。この種の超
音波測定装置が特開平５−２６８５４号公報に開示され
ている。

【０００４】図５は、試料反射波の強度と位相とを検出
する超音波測定装置の構成例を示す図である。この超音
波測定装置では、基準信号発振部１０１が常に一定周波
数の連続波を出力しており、コンピュータ１０２から送
信トリガが入力した制御部１０３が送信トリガに同期し
て基準信号発振器１０１の周波数の数十周期分の時間幅
に相当するＯＮ、ＯＦＦ信号をアナログスイッチ１０４
に出力する。

【０００５】アナログスイッチ１０４は制御部１０３か
らの信号のＯＮ、ＯＦＦに対応して切り替わり、ＯＮの
時には基準信号発振器１０１の発生した信号がサーキュ
レータ１０５に出力されて送信バースト信号がつくられ
る。この送信バースト信号は、サーキュレータ１０５を
通りトランスデューサ１０６に印加される。送信バース
ト波はトランスデューサ１０６で電気音響変換され超音
波に変換される。この超音波は、音響レンズ１０７を伝
播し試料台１０８の上に置かれた試料１０９に入射す
る。音響レンズ１０７と試料１０９との間は超音波を伝
播させるためのカプラ液体１１０で満たされている。

【０００６】試料１０９で反射された反射超音波は、再
びカプラ液体１１０、音響レンズ１０７を伝播してトラ
ンスデューサ１０６で電気信号に変換される。以下、こ
の信号を受信信号と呼ぶ。受信信号はサーキュレータ１
０５を通り前置増幅器１１１で増幅されて２つの乗算部
１１２ａ、１１２ｂに入力される。

【０００７】一方の乗算部１１２ａでは基準信号発振器
１０１の出力する連続波と受信信号との乗算を行ないイ
ンフェーズ成分を検出する。もう一方の乗算部１１２ｂ
では基準信号発振器１０１の出力する連続波を移相部１
１３で９０°位相変化させた信号と受信信号との乗算を
行いクワドラチャーフェーズ成分を検出する。

【０００８】ここで、基準信号発振器１０１の出力する
信号をｓｉｎ（ωｔ）とする。なおωは周波数、ｔは時
間である。受信信号は試料の弾性的性質、音響レンズと
カプラ液体中を伝搬する時間等によって位相が送信に対
して遅れているのでこの位相遅れをφとすると、Ｂｓｉ
ｎ（ωｔ−φ）と書ける。なお、Ｂは受信信号の強度で
ある。

【０００９】従って、乗算部１１２ａのインフェーズ出
力ｕ₁ と乗算部１１２ｂのクワドラチャーフェーズ出力
ｕ₂ は次のようになる。ｕ₁ （ｔ）＝（Ｂ／２）｛ｃｏｓφ−ｃｏｓφｃｏｓ（２ωｔ） −ｓｉｎφｓｉｎ（２ωｔ）｝（１）ｕ₂ （ｔ）＝（Ｂ／２）｛ｓｉｎφ＋ｓｉｎφｃｏｓ（２ωｔ） −ｃｏｓφｓｉｎ（２ωｔ）｝（２） φは定数であるからｓｉｎφ、ｃｏｓφも定数となるの
で、ｕ₁ 、ｕ₂ は直流成分と２ωの周波数成分を持って
いるので、２ω成分を除けば受信信号の位相遅れφのｓ
ｉｎ、ｃｏｓを取り出すことができる。

【００１０】乗算部１１２ａのインフェーズ出力と乗算
部１１２ｂのクワドラチャーフェーズ出力はそれぞれロ
ーパスフィルター１１４ａ、１１４ｂで２ω成分が除去
されてｓｉｎφ、ｃｏｓφに相当する直流成分のみが残
る。Ａ／Ｄ変換部１１５ａ、１１５ｂで前記インフェー
ズ、クワドラチャーフェーズそれぞれの検波出力をＡ／
Ｄ変換し、試料反射の位相検波出力をデジタル信号に変
換してコンピュータ１０２内のメモリに記憶する。コン
ピュータ１０２では記憶された試料反射のｓｉｎφ、ｃ
ｏｓφ成分から位相と反射強度を演算する。

【００１１】なお、Ｚ走査部１１６は、コンピュータ１
０２からの指令で音響レンズと試料の距離を変化させ合
焦等の調節を行う。また、特開平５−２６８５５号公報
には、移相部１１３の代わりに一定時間基準信号を遅延
させる遅延部を使用することが提案されている。遅延部
の遅延時間をΔｔとすれば、位相検波出力は、（Ｂ／２）ｃｏｓφ （３）（Ｂ／２）ｃｏｓ（φ−ωΔｔ）（４）となるので、次式から試料反射のｓｉｎφ、ｃｏｓφを
計算することが出来る。

【００１２】ｓｉｎφ＝｛Ｂｃｏｓ（φ−ωΔｔ）−ｃｏｓ（ωΔｔ）Ｂｃｏｓφ｝／ｓｉｎ（ωΔｔ）（５）ｃｏｓφ＝｛ｓｉｎ（ωΔｔ）Ｂｃｏｓφ｝／ｓｉｎ（ωΔｔ）（６）周波数ωと遅延時間Δｔは既知であるから、ｓｉｎφ、
ｃｏｓφを計算できることになる。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来の超音波測定装置には次のような欠点があった。
すなわち、一般に超音波測定装置の分解能は使用周波数
の逆数に比例して増加し、超音波の吸収係数は使用周波
数の２乗に比例して増加する。このために、使用目的に
応じて周波数を選択する必要がある。例えば、高分解能
で測定するときは高い周波数を、試料の内部を測定する
ときは低い周波数を選択するといったことが行われてい
る。また、ラム波やセザワ波のように音速に周波数分散
を示す波の特性を測定するときには周波数が可変である
ことが要求される。

【００１４】ところが、特開平５−２６８５４号公報に
開示された装置では、位相検波の参照波として移相部で
位相変化させた波を使用しているが、移相部を構成する
９０°ハイブリッド回路は使用できる周波数範囲が限ら
れており、一般の超音波顕微鏡で使用している１００Ｍ
Ｈｚ〜数ＧＨｚの広帯域には十分に対応することができ
ないという欠点がある。

【００１５】また、特開平５−２６８５５号公報に開示
された装置では、遅延部に一般的な５０Ωケーブルを使
えば周波数帯域は広くなるが、遅延時間の設定が困難な
場合がある。例えば、１００ＭＨｚで位相が９０°遅れ
るような遅延時間にすると２００ＭＨｚでは１８０°に
なってしまう。これでは（５）式（６）式の分母が０に
なってしまい計算できないことになる。同様のことは４
００、６００、・・・ＭＨｚでおきる。また、５００Ｍ
Ｈｚでの位相遅れは４５０°となるがこれは９０°の時
と同じ測定値になるので９０°か４５０°か判定できな
い。一方、１ＧＨｚのような高周波で位相遅れが９０°
になるように遅延時間を設定すれば上記のようなことは
起こらないが、１００ＭＨｚの位相遅れがわずか９°に
なってしまい測定値（Ｂ／２）ｃｏｓφと（Ｂ／２）ｃ
ｏｓ（φ−Δｔ）との差が小さくなりノイズの影響を受
け易くなる。

【００１６】本発明は、以上のような実情に鑑みてなさ
れたもので、周波数特性の異なる複数の移相部または遅
延部を高周波バースト波の周波数に応じて切り替えて使
用でき、広い周波数範囲で位相敏感検波が行える超音波
測定装置を提供することを目的とする。

【００１７】本発明は、周波数特性の異なる複数の移相
部または遅延部から使用すべき移相部または遅延部を半
導体スイッチにより高速に切り替えることができ、高速
な周波数切り替えが可能な超音波測定装置を提供するこ
とを目的とする。本発明は、広い周波数帯域での位相検
波を精度良く行え、しかも安価な超音波測定装置を提供
することを目的とする。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために以下のような手段を講じた。請求項１に対
応する本発明は、高周波バースト波を発生させると共に
その高周波バースト波の周波数を変更可能なバースト波
発生手段と、前記バースト波発生手段で発生させた高周
波バースト波を超音波に変換し微小スポットに収束させ
て試料へ入射し、該試料からの反射波を電気的な受信信
号に変換する超音波送受信手段と、互いに周波数範囲の
異なる複数の周波数特性を有し、前記高周波バースト波
と同一周波数の基準信号をいずれかの周波数特性におい
て位相変化させる移相手段と、前記移相手段において前
記基準信号の位相変化に使用すべき周波数特性を前記高
周波バースト波の周波数に応じて切り替える切替え手段
と、前記移相手段で位相変化させた基準信号が参照波と
して与えられ、前記超音波送受信手段から出力される受
信信号を前記参照波を用いて位相検波する検波手段と、
前記検波手段の位相検波出力を記憶する手段と、超音波
の入射方向をＺ軸とし、Ｚ軸方向に前記超音波送受信手
段と試料の相対距離を変化させる駆動手段とを具備して
構成される。

【００１９】請求項２に対応する本発明は、上記構成の
超音波測定装置において、前記バースト波発生手段が、
高周波連続波を発生させると共にその発振周波数が可変
な少なくとも１つの発振器と、この発振器で発生させた
高周波連続波を切り出して高周波バースト波に変換する
バースト波変換手段とから構成され、前記移相部は、前
記発振器で発生させた高周波連続波が前記基準信号とし
て入力されることを特徴とする。

【００２０】請求項３に対応する本発明は、上記構成の
超音波測定装置において、前記移相手段を、前記基準信
号を９０°変化させる９０°ハイブリッド回路を複数併
設して構成している。

【００２１】請求項４に対応する本発明は、上記構成の
超音波測定装置において、前記移相手段を、前記基準信
号を一定時間遅延させる遅延素子を複数併設して構成し
ている。

【００２２】請求項５に対応する本発明は、上記構成の
超音波測定装置において、遅延素子を５０Ωのインピー
ダンスを持つケーブルで構成している。請求項６に対応
する本発明は、上記構成の超音波測定装置において、前
記切替え手段を、併設された複数の９０°ハイブリッド
回路または遅延素子の入力段と前記バースト波発生手段
との間に設けられた入力切り替えスイッチと、併設され
た複数の９０°ハイブリッド回路または遅延素子の出力
段と前記検波手段との間に設けられ前記入力切替えスイ
ッチと連動する出力切替えスイッチとを有し、前記入力
切替えスイッチおよび前記出力切替えスイッチが半導体
スイッチで構成している。

【００２３】

【作用】本発明は、以上のような手段を講じたことによ
り次のような作用を奏する。請求項１に対応する本発明
によれば、バースト波発生手段の発生する高周波バース
ト波の周波数に応じて移相手段での周波数特性が複数の
周波数特性の中から選択される。

【００２４】バースト波発生手段で発生された高周波バ
ースト波が超音波送受信手段で超音波に変換され試料へ
送波されると、その反射波が超音波送受信手段で電気的
な受信信号に変換され検波手段へ入力される。

【００２５】一方、移相手段にバースト波発生手段で発
生された高周波バースト波と同一周波数の基準信号が切
替え手段を介して入力される。この基準信号が上記選択
された周波数特性で移相変化せしめられ切替え手段を介
して検波手段へ参照波として入力される。

【００２６】検波手段では参照波を用いて受信信号の位
相検波が行われ、その位相検波出力である試料反射波の
複素情報が記憶される。駆動手段により試料と超音波送
受信手段とのＺ方向の相対距離を変化させてＺ方向の各
位置で位相検波を行うことにより試料のＶ（Ｚ）曲線が
測定される。

【００２７】請求項２に対応する本発明によれば、発振
器で発生した高周波連続波がバースト波変換手段で切り
出され高周波バースト波が作成される。また、発振器で
発生させた高周波連続波が基準信号として移相手段に入
力される。

【００２８】請求項３に対応する本発明によれば、併設
した個々の９０°ハイブリッド回路の周波数特性を異な
らせることにより、一つの９０°ハイブリッド回路の周
波数範囲は狭くても全体では広い周波数範囲をカバーす
ることができる。

【００２９】請求項４に対応する本発明によれば、併設
した遅延素子の周波数特性を異ならせることにより、一
つの遅延素子の周波数範囲を狭くして適当な移相変化を
得ることができると共に、全体では広い周波数範囲をカ
バーすることができる。

【００３０】請求項５に対応する本発明によれば、移相
手段を構成している遅延素子を５０Ωのインピーダンス
を持つケーブルで実現しているので移相手段を安価に構
成できる。

【００３１】請求項６に対応する本発明によれば、切替
え手段を構成する入力切替えスイッチおよび出力切替え
スイッチが半導体スイッチで形成されているので、機械
的なスイッチに比べて極めて高速な周波数切替えが可能
になる。

【００３２】

【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。図
１は、本発明の第１実施例に係る超音波測定装置の構成
図である。本実施例の超音波測定装置は、コンピュータ
１から指定された周波数の連続波を発振部２が発生し、
バーストゲート信号のゲート幅に応じて半導体スイッチ
３が発振部２で発生した連続波の一部を切りとる。半導
体スイッチ３で切り出した送信バースト信号はトランス
デューサ４により超音波に変換される。このトランスデ
ューサ４は音響レンズ５の一端面に取付けられている。
音響レンズ５は、トランスデューサ４で変換した超音波
を、他端面に形成した凹面から送波し微小スポットに収
束させる。音響レンズ５の焦点付近には試料６が試料台
７の上の水槽８の中に置かれている。水槽８の中には超
音波の伝播のためにカプラ液体９で満たされている。ト
ランスデューサ４への送信バースト信号の入力は、送受
信切換用の半導体スイッチ１０を介して行われる。ま
た、音響レンズ５で受波した試料反射波の受信信号の前
置増幅器１１への出力は半導体スイッチ１０を介して行
われる。すなわち、半導体スイッチ１０が送受信切換信
号に基づいてトランスデューサ４の入出力を発振部２と
前置増幅器１１に切り替える。

【００３３】前置増幅器１１には２つの乗算部１２ａ、
１２ｂが接続されている。一方の乗算部１２ａには、発
振部２の出力する連続波を２分割したうちの一方が第１
参照信号として入力される。他方の乗算部１２ｂには、
上記のように２分割した連続波のもう一方が９０°位相
が遅れて第２参照信号として入力される。

【００３４】ここで、発振部２の出力する連続波を２分
割したうちのもう一方が入力切替えスイッチ１３を介し
て９０°ハイブリッドで構成される９０°移相部１４
ａ、１４ｂ、１４ｃ・・・の１つに入力される。これら
９０°移相部１４ａ、１４ｂ、１４ｃ・・・はそれぞれ
周波数特性が異なる。いずれかの９０°移相部１４を通
過した信号は、入力切替えスイッチ１３と連動した出力
切替えスイッチ１５を通り第２参照信号として乗算部１
２ｂに入力している。

【００３５】乗算部１２ａ、１２ｂの出力には、ローパ
スフィルター１６ａ、１６ｂがそれぞれ接続されてお
り、入力信号の高周波成分を除去するようになってい
る。このローパスフィルター１６ａ、１６ｂの特性は、
少なくとも発振部２の出力する連続波の周波数の２倍の
周波数が除去できるように選ばれている。ローパスフィ
ルター１６ａ，１６ｂにはＡ／Ｄ変換部１７ａ、１７ｂ
が接続されており、それぞれの変換出力はコンピュータ
１に入力される。

【００３６】コンピュータ１には全体のタイミングを制
御する制御部１８と試料６と音響レンズ４の距離を変化
させるＺ走査部１９、その移動距離を測定するＺ測距部
２０が接続されている。コンピュータ１で制御された制
御部１８が、上記バーストゲート信号，送受信切換信
号，Ａ／Ｄ変換部１７ａ、１７ｂのサンプリング信号を
発生させている。

【００３７】次に、以上のように構成された本実施例の
動作について説明する。図２は，本実施例のタイムチャ
ートである。発振部２で発生させるべき周波数の値がコ
ンピュータ１に入力されると、コンピュータ１が発振部
２に発振周波数を指示すると共に、その発振周波数に相
当する周波数特性を持った移相部を１４ａ、１４ｂ、１
４ｃ・・・から選択し、その選択した移相部を連続波が
通過するようにスイッチ１３、１５を切り替える。

【００３８】例えば、１００ＭＨｚの周波数を発振部２
に設定した場合、移相部１４ａの周波数特性が１００〜
２００ＭＨｚ、移相部１４ｂの周波数特性が２００〜４
００ＭＨｚ、移相部１４ｃの周波数特性が４００〜８０
０ＭＨｚとすると、コンピュータ１はスイッチ１３を発
振部２と移相部１４ａが接続するように、スイッチ１５
を移相部１４ａと乗算部１２ｂが接続するように切り替
える。

【００３９】発振部２はコンピュータ１から設定された
周波数で図２（ａ）のように常時一定周波数の連続波を
出力する。図２（ｂ）のように，コンピュータ１から制
御部１５に送信トリガが入力すると、制御部１５が送信
トリガに同期して図２（ｃ）に示す発振器２の周波数の
数十周期分の時間幅のＯＮ、ＯＦＦ信号をアナログスイ
ッチ３に送信し、またこの信号より早くオンになり遅く
オフになる図２（ｄ）に示す切り替え信号をアナログス
イッチ１０に出力する。

【００４０】アナログスイッチ３は前記信号のＯＮ、Ｏ
ＦＦに対応して切り替わりＯＮの時は発振器２の発生し
た信号がアナログスイッチ１０に出力される。アナログ
スイッチ１０は、制御部１８から送出された図２（ｄ）
に示すバーストゲート信号がオンの時はアナログスイッ
チ３の側へ、オフの時は前記増幅器１１側へ切り替わ
る。こうして図２（ｅ）に示す送信バースト信号がつく
られる。送信バスート信号は、アナログスイッチ１０を
通りトランスデューサ４に印加される。送信バースト信
号はトランスデューサ４で電気音響変換され超音波に変
換される。この超音波は、音響レンズ５を伝播し収束さ
れてカプラ液体９を通り試料６に入射する。入射した超
音波は、試料６で反射され、再びカプラ液体９、音響レ
ンズ５を伝播してトランスデューサ４で受信信号に変換
される。

【００４１】受信信号はすでに前置増幅器１１側に切り
替わっているアナログスイッチ１０を通り前置増幅器１
１で増幅されて乗算部１２ａ、１２ｂに入力される。乗
算部１２ａでは発振器２の出力する連続波を参照信号と
して受信信号との乗算を行ないその結果を出力する、一
方、発振器２の出力する連続波がスイッチ１３で選択さ
れた移相部１４ａで位相が９０°遅れた信号となり、ス
イッチ１５を通って第２参照信号となり、乗算部１２ｂ
で受信信号の乗算されその結果が出力される。

【００４２】発振部２の送信する周波数をω、反射波の
位相遅れをφとする。乗算部１２ａの出力と乗算部１２
ｂの出力はそれぞれローパスフィルター１６ａ、１６ｂ
で２ω成分が除去されて、ｃｏｓφ、ｓｉｎφに相当す
る直流成分のみが残る。

【００４３】検波前の受信信号を図２（ｆ）に、ローパ
スフィルター１６ａの検波出力を図２（ｇ）に、ローパ
スフィルター１６ｂの出力を図２（ｈ）に示す。実際の
受信信号は、検波前では図２（ｆ）のように試料反射の
他に送信漏れ、レンズ第１反射、レンズ第２反射等が含
まれており、連続波ではなくバースト波であるので、位
相検波出力は図２（ｇ）、（ｈ）のようなそれぞれの反
射に対応した矩形波となる。

【００４４】この中から試料反射を取り出すために図２
（ｉ）のような送信トリガに対して時間Ｔｄだけ遅れた
タイミングでＡ／Ｄ変換トリガ信号を制御部１８でつく
りＡ／Ｄ変換部１７ａ、１７ｂのトリガ信号としてそれ
ぞれの検波出力をサンプリングしてＡ／Ｄ変換し、その
試料反射波の位相検波出力をデジタル信号に変換してコ
ンピュータ１内のメモリに記憶する。

【００４５】前記送信とＡ／Ｄ変換のトリガ信号の時間
遅延量Ｔｄはコンピュータ１から制御部１８に対して設
定可能となっている。Ｚ走査部１９は、コンピュータ１
からの指令で音響レンズ５と試料６の距離を変化させ合
焦等の調節を行う。

【００４６】Ｖ（ｚ）測定を行うときは初めにオシロス
コープ等を見ながら受信信号上の試料反射の位置にＡ／
Ｄ変換のタイミングＴｄをあわせる。Ｚ走査部１９で音
響レンズ５と試料６の距離を変化させその移動量をＺ測
距部２０で測定しながら上記の処理を繰り返し行い試料
反射の複素情報ｃｏｓφ、ｓｉｎφをＺの移動量と共に
コンピュータ１に取り込む。Ａ／Ｄ変換のタイミングは
音響レンズ５と試料６の距離によって変化する。測定開
始の位置からのＺ移動量をΔｚ、タイミングのズレをΔ
Ｔｄ、カプラの音速をｖとすれば、Ａ／Ｄ変換のタイミ
ングを以下の式からコンピュータ１で計算してタイミン
グを変化させる。

【００４７】 ΔＴｄ＝２Δｚ／ｖ（７）このように本発明によれば、移相部を高周波バースト信
号の周波数に応じて自動的に切り替えることができ、広
い周波数にわたって超音波の試料からの反射の複素情報
を測定できる。

【００４８】次に、本発明の第２実施例に係る超音波測
定装置について説明する。図３は、第２実施例の要部の
構成を示す図である。本実施例は、上記した第１実施例
における移相部の切替えスイッチの構成を変形した例で
あり、その他の構成はコンピュータ１の処理内容を除い
て第１実施例と同様である。ここでは、移相部の切替え
スイッチの構成及び動作についてのみ説明する。

【００４９】本実施例では、移相部１４ａ、１４ｂ、１
４ｃの入力切替えスイッチ１３の代わり半導体スイッチ
３０１ａ、３０１ｂを備え、出力切替えスイッチ１５の
代わり半導体スイッチ３０２ａ、３０２ｂを備えてい
る。一般に、超音波顕微鏡で使用される１００ＭＨｚ以
上の周波数を切り替える半導体スイッチは、１入力、２
出力（接続状態によっては逆）であるので図３に示す如
く３つの移相部を切り替える場合は、２段重ねに構成に
する必要がある。

【００５０】すなわち、一方の入力側半導体スイッチ３
０１ａは、その入力端子が発振部２に接続され、第１の
出力端子が移相部１４ａに接続されている。また、他方
の入力側半導体スイッチ３０１ｂは、その入力端子が入
力側半導体スイッチ３０１ａの第２の出力端子に接続さ
れ、第１の出力端子が移相部１４ｂに接続され、第２の
出力端子が移相部１４ｃに接続されている。

【００５１】また、一方の出力側半導体スイッチ３０２
ａは、その出力端子が乗算部１２に接続され、第１の入
力端子が移相部１４ａに接続されている。他方の出力側
半導体スイッチ３０２ｂは、出力端子が出力側半導体ス
イッチ３０２ａの第２の入力端子に接続され、第１の入
力端子が移相部１４ｂに接続され、第２の入力端子が移
相部１４ｃに接続されている。

【００５２】次に本実施例の作用について説明する。第
１実施例と同様に移相部１４ａ、１４ｂ、１４ｃの周波
数特性をそれぞれ１００〜２００ＭＨｚ、２００〜４０
０ＭＨｚ、４００〜８００ＭＨｚとする。

【００５３】コンピュータ１に対して発振部２の発振周
波数として３００ＭＨｚが指示されると、コンピュータ
１から発振部２に周波数３００ＭＨｚが設定され、それ
と同時にコンピュータ１が移相部１４ｂに発振器２の出
力が入力されるように半導体スイッチ３０１ａ、３０１
ｂを切り替え、移相部１４ｂの出力が乗算部１２ｂの参
照信号として入力するように半導体スイッチ３０２ａ、
３０２ｂを切り替える。以後、第１実施例と同様に動作
することにより、３００ＭＨｚの周波数の超音波試料反
射の複素情報が得られる。

【００５４】次に、周波数５００ＭＨｚがコンピュータ
１から発振部２に設定され、それと同時にコンピュータ
１が移相部１４ｃに発振器の信号が入力されるように半
導体スイッチ３０１ａ、３０１ｂを切り替え、移相部１
４ｃの出力が乗算部１２ｂの参照信号となるように半導
体スイッチ３０２ａ、３０２ｂを切り替える。以後、第
１実施例と同様に動作して５００ＭＨｚの周波数の超音
波試料反射の複素情報が得られる。

【００５５】以上の動作を音響レンズ５と試料６の距離
をＺ走査部１９で変化させながら交互に周波数を切り替
える。半導体スイッチの切り替え時間は数［ｎｓｅｃ］
程度であるため、機械的なスイッチが数１０［ｍｓｅ
ｃ］の切換時間を要するのに比べて非常に高速である。
従って、機械的なスイッチで移相部を切換えて１つの周
波数の複素Ｖ（ｚ）曲線を測定する時間があれば、１度
のＶ（ｚ）測定で２つの周波数又はそれ以上の周波数で
複素Ｖ（ｚ）曲線が得られる。

【００５６】以上のように本実施例によれば、周波数特
性の異なった複数の移相部の切り替えを半導体スイッチ
で行うので周波数の切り替えが高速になり、短時間のう
ちに１度のＶ（ｚ）測定で複数の周波数のＶ（ｚ）曲線
が得られる。

【００５７】なお、この実施例では移相部が３つの場合
を述べたがこれに限定されるものではない。測定する周
波数の帯域に応じ幾つでも半導体スイッチと移相部を加
えても良い。また、発振部によって周波数の切り替えが
高速でないものもあるがこの様なときは複数の発振周波
数の異なった発振部を半導体スイッチで切り替える構成
にすることも考えられる。

【００５８】次に、本発明の第３実施例に係る超音波測
定装置について説明する。図４は、第３実施例の要部の
構成を示す図である。本実施例は、上記した第１実施例
における移相部の構成を変形した例であり、その他の構
成は第１実施例と同様である。

【００５９】本実施例では、第１実施例の移相部１４
ａ、１４ｂ、１４ｃ・・・の代わりにそれぞれ違った遅
延時間をもつ遅延部４０１ａ、４０１ｂ、４０１ｃ・・
・を使用している。

【００６０】切替えスイッチ１３にはそれぞれ異なった
時間遅延させる遅延部４０１ａ、４０１ｂ、４０１ｃ・
・・が接続されそれぞれの出力は切替えスイッチ１５が
接続されている。それぞれの時間遅延量は、例えば、遅
延部４０１ａを１００〜２００ＭＨｚで使用するとすれ
ば、遅延部４０１ａは１５０ＭＨｚで位相が９０°遅れ
るように設定する。このとき１００ＭＨｚの位相遅れは
６０°、２００ＭＨｚで１２０°になる。同様に遅延部
４０１ｂを２００〜４００ＭＨｚで使用するとすれば、
遅延部４０１ｂは３００ＭＨｚで位相が９０°遅れるよ
うに設定し、２００ＭＨｚで６０°、４００ＭＨｚで１
２０°の位相遅れとなる。遅延部４０１ｃは４００〜８
００ＭＨｚの周波数で使用するなら、遅延部４０１ｃは
６００ＭＨｚで位相が９０°遅れるように設定され、４
００ＭＨｚで６０°、８００ＭＨｚで１２０°位相が遅
れる。それぞれの遅延部を例えば５０Ωのケーブルで構
成すればそれぞれ３３．３ｃｍ、１６．７ｃｍ、８．３
３ｃｍの長さになる。この時のそれぞれの時間遅延は
１．６６６６７［ｎｓｅｃ］、０．８３３３３３［ｎｓ
ｅｃ］、０．４１６６６６７［ｎｓｅｃ］である。その
他の構成は第１実施例と同じである。

【００６１】次に本実施例の作用について説明する。コ
ンピュータ１から発振部２に周波数が設定されると同時
にコンピュータ１はその周波数帯域で使用する遅延部に
発振器２の連続波が入力されるようにスイッチ１３を切
り替え、選択した遅延部の出力が乗算部１２ｂの参照信
号となるようにスイッチ１５を切り替える。

【００６２】例えば、周波数１２０ＭＨｚの時は遅延部
４０１ａに発振部２の連続波が入力するようにスイッチ
１３を、乗算部１２ｂの遅延部４０１ａの出力が入力さ
れるようにスイッチ１５を切り替える。

【００６３】このような設定の下に得られる位相検波の
情報は、遅延部の遅延時間をΔｔ、発振部２の周波数を
ωとすれば（３）（４）式のようになる。これから
（５）（６）式より反射信号の複素情報ｓｉｎφ、ｃｏ
ｓφを得ることができる。

【００６４】以上のように本実施例によれば、位相を変
化させる移相部の代わりに遅延部を使うことで比較的安
価に位相遅れ機能を持たせることができるだけでなく、
周波数に応じて遅延部を切り替えることで従来のように
変化する位相が小さすぎてＳ／Ｎ比が悪く精度が落ちた
り、位相変化が大きすぎて３６０°を越えたりすること
がなくなるため高精度で信頼性の高い測定が可能にな
る。

【００６５】尚、本発明は、上記の各実施例に限定され
るものではない。実施例ではいずれも参照信号として発
振器の信号とこれを位相変化させた信号の２つを使って
位相検波しているが特開平５−２６８５４の様にそれぞ
れ位相変化の異なる参照信号を３つ以上使って位相検波
する事も考えられる。

【００６６】また、位相検波出力から反射波の位相と強
度を演算しているが、反射強度はピーク検波で検出し、
位相のみを位相検波出力から検出することも考えられ
る。Ｘ−Ｙ走査部を備えて２次元走査しながら測定を繰
り返すことで２次元の反射波の強度と位相の測定も行う
ことができる。本発明は上記実施例に限定されるもので
はなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々変形実
施可能である。

【００６７】

【発明の効果】以上詳記したように本発明によれば、位
相検波の参照波を位相変化させる移相部を超音波の使用
周波数によって切り替えるようにしたので、非常に広い
周波数帯域で試料からの反射信号の複素情報を得ること
ができる。

【００６８】また、発明によれば、切り替え手段を高速
な半導体スイッチにする事で、短時間のうちに１回のＶ
（ｚ）測定で複数の周波数での複素Ｖ（ｚ）曲線を得る
ことができ、１回の２次元Ｘ−Ｙ走査により複数の周波
数での複素超音波画像を得ることが可能である。

【００６９】また、発明によれば、位相検波の参照波と
して基準波を一定時間遅延させてつくり遅延時間の異な
った遅延部を周波数に応じて切り替えるようにしたの
で、非常に安価な構成で位相変化が出来るだけでなく、
従来この構成では不可能であった広い周波数について高
精度な超音波の複素情報が得られることである。

【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測定装置の構
成図である。

【図２】図１に示す超音波測定装置の動作を表すタイム
チャートである。

【図３】本発明の第２実施例に係る超音波測定装置の要
部の構成図である。

【図４】本発明の第３実施例に係る超音波測定装置の要
部の構成図である。

【図５】従来の超音波測定装置の構成図である。

【符号の説明】

１…コンピュータ、２…発振部、４…トランスデュー
サ、５…音響レンズ、１２ａ，１２ｂ…乗算部、１３…
入力切り替えスイッチ、１４ａ〜１４ｃ…移相部、１５
…出力切り替えスイッチ、１８…制御部、３１ａ，３１
ｂ…入力側半導体スイッチ、３２ａ，３２ｂ…出力側半
導体スイッチ、４１ａ〜４１ｂ…遅延部。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】高周波バースト波を発生させると共にそ
の高周波バースト波の周波数を変更可能なバースト波発
生手段と、前記バースト波発生手段で発生させた高周波バースト波
を超音波に変換し微小スポットに収束させて試料へ入射
し、該試料からの反射波を電気的な受信信号に変換する
超音波送受信手段と、互いに周波数範囲の異なる複数の周波数特性を有し、前
記高周波バースト波と同一周波数の基準信号をいずれか
の周波数特性において位相変化させる移相手段と、前記移相手段において前記基準信号の位相変化に使用す
べき周波数特性を前記高周波バースト波の周波数に応じ
て切り替える切替え手段と、前記移相手段で位相変化させた基準信号が参照波として
与えられ、前記超音波送受信手段から出力される受信信
号を前記参照波を用いて位相検波する検波手段と、前記検波手段の位相検波出力を記憶する手段と、超音波の入射方向をＺ軸とし、Ｚ軸方向に前記超音波送
受信手段と試料の相対距離を変化させる駆動手段とを備
えたことを特徴とする超音波測定装置。
【請求項２】前記バースト波発生手段は、高周波連続
波を発生させると共にその発振周波数が可変な少なくと
も１つの発振器と、この発振器で発生させた高周波連続
波を切り出して高周波バースト波に変換するバースト波
変換手段とからなり、前記移相手段は、前記発振器で発生させた高周波連続波
が前記基準信号として入力されることを特徴とするは請
求項１記載の超音波測定装置。
【請求項３】前記移相手段は、前記基準信号を９０°
変化させる９０°ハイブリッド回路を複数併設してなる
ことを特徴とする請求項１記載の超音波測定装置。
【請求項４】前記移相手段は、前記基準信号を一定時
間遅延させる遅延素子を複数併設してなることを特徴と
する請求項１記載の超音波測定装置。
【請求項５】前記遅延素子は、５０Ωのインピーダン
スを持つケーブルであることを特徴とする請求項４記載
の超音波測定装置。
【請求項６】前記切替え手段は、併設された複数の９
０°ハイブリッド回路または遅延素子の入力段と前記バ
ースト波発生手段との間に設けられた入力切り替えスイ
ッチと、併設された複数の９０°ハイブリッド回路また
は遅延素子の出力段と前記検波手段との間に設けられ前
記入力切替えスイッチと連動する出力切替えスイッチと
を有し、前記入力切替えスイッチおよび前記出力切替え
スイッチが半導体スイッチで構成されていることを特徴
とする請求項１記載の超音波測定装置。