JPH0943209A - 超音波測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】広い周波数での超音波測定を可能とし、高周波
での増幅器の飽和による悪影響を防止すること。 【解決手段】発振手段２で発生したバースト波から送信
信号を切り出し、スイッチ１０を介して超音波送受信手
段４，５に印加し、試料６からの反射波を超音波送受信
手段４，５で受信信号に変換してスイッチ１０を介して
受信回路側へ入力する。スイッチ１１の送受信切り替え
タイミングを、レンズ内反射を除去し得るタイミングに
設定する。フィルタ切り替え手段１１，１２は高周波の
ときは受信信号をハイパスフィルタを通して検波手段１
５〜１７に入力し、低周波のときはハイパスフィルタを
通さずに検波手段１５〜１７に入力するように経路を切
替える。検波手段１５〜１７の出力をメモリに保存して
超音波画像の形成又は弾性的性質の測定に使用する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】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】超音波を収束させて試料に入射すると共
に該試料からの反射波を受波して反射波強度に基づいて
超音波画像を作成する装置、または超音波の収束点がＺ
方向にずれる複数位置での試料反射波から求められるＶ
（Ｚ）曲線を利用して試料の微小部分の弾性的性質を測
定する装置として超音波顕微鏡が知られている。この種
の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。これに対して、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を検出する
超音波測定装置が開発されている。例えば、特開平５−
２６８５４号には試料反射波の強度と位相を検出して試
料の弾性的性質を分析する超音波測定装置が記載されて
いる。

【０００３】図３は、位相検出可能に構成された超音波
測定装置の構成図である。基準信号発振部１０１は常時
一定周波数の連続波を出力している。コンピュータ１０
２から制御部１０３に送信トリガを入力し、制御部１０
３から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オンオフ信号をア
ナログスイッチ１０４に出力する。アナログスイッチ１
０４はオンオフ信号のＯＮ、ＯＦＦに対応して切り替わ
る。オンオフ信号がＯＮの時はアナログスイッチ１０４
は端子ａ側に接続し基準信号発振器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１
０７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の間は超音波
の伝播のためにカプラ液体１１０で満たされている。試
料１０９に入射した超音波は試料１０９で反射され、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。

【０００４】受信信号はサーキュレータ１０５を通り前
置増幅器１１１で増幅されて２つの乗算部１１２ａ、１
１２ｂに入力される。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の乗算を行ないイ
ンフェーズ成分を出力する。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１１３で９０
°位相変化させた信号と受信信号の乗算を行いクワドラ
チャーフェーズ成分を出力する。

【０００５】今、基準信号発振器１０１の出力する信号
をｓｉｎ（ωｔ）とする。ここで、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
カプラ液体中を伝播することによ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、Ｂｓｉｎ（ωｔ−φ）と書ける。Ｂは受信信号の強
度である。

【０００６】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）− cosφsin(２ωｔ)} (1) ｕ₂ (t) ＝Ｂ／２{sinφ＋ sinφcos(２ωｔ）− cosφsin(２ωｔ)} (2) φは定数であるからｓｉｎφ、ｃｏｓφも定数であるの
でｕ₁ 、ｕ₂ は直流成分と２ωの周波数を持っており、
２ω成分を除けば受信信号の位相遅れφのｓｉｎ、ｃｏ
ｓを取り出すことができる。

【０００７】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。

【０００８】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ｓｉ
ｎφ、ｃｏｓφ成分から位相と反射強度を演算する。Ｚ
走査部１１６は、コンピュータ１０２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。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】以上のような従来の超
音波測定装置には次のような欠点があった。上記した位
相検波を行う場合、必要とする信号成分を切り出すため
のゲート回路を設ける必要はないが、カプラ液体中の超
音波の吸収は使用周波数が高くなると周波数の２乗の指
数関数で増加する。このため、高い周波数で使用する音
響レンズほど焦点距離が短くなる。トランスデューサで
発生した超音波は全てが液体カプラ中に伝播するわけで
はなく、超音波の１部は音響レンズのレンズ面で反射す
る。焦点距離が短くなると試料からの反射信号と音響レ
ンズのレンズ面からの反射信号とが非常に近くなる。一
方、試料からの反射波はカプラ液体中での吸収や試料面
での反射等により、高い周波数にあっては音響レンズの
内部反射より小さくなる。従って、試料反射信号に合わ
せて増幅器の増幅率を設定すると、試料反射信号よりも
大きい音響レンズの内部反射によって増幅器が飽和し１
００ｎｓｅｃ程度の時間域において正常動作しなくな
る。このため、試料反射信号が増幅されないといった不
具合が発生する。

【００１０】なお、内部反射信号にゲートをかけて除去
する事も考えられるが、ゲート回路のオンオフで生じる
ノイズで増幅器が飽和する可能性がある。飽和を避ける
ためにゲートノイズの周波数が３００〜５００ＭＨｚで
あることに着目してゲート回路の後段に５００ＭＨｚ程
度の遮断周波数のハイパスフィルタを設ける事も考えら
れるが、これでは遮断周波数以下の周波数での測定が不
可能となる。

【００１１】本発明は、以上の点に鑑みてなされたもの
で、低周波数から高周波数までの広い帯域にわたり、受
信信号を増幅する増幅器が音響レンズの内部反射成分や
ゲートノイズの影響で飽和すること無く、試料反射の情
報を得る事ができる超音波測定装置を提供する事を目的
とする。

【００１２】

【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、バースト波を発生させるバースト波発
振手段と、前記バースト波信号を微小スポットに収束す
る超音波に変換して試料に入射すると共に該試料からの
反射波を受波して電気的な受信信号に変換する超音波送
受信手段と、前記超音波送受信手段を該超音波送受信手
段に前記送信信号を印加可能な送信状態と前記超音波送
受信手段から前記受信信号を取り出し可能な受信状態と
に切り替える送受信切り替え手段と、前記送受信切り替
え手段による送受信切り替えタイミングを設定する設定
手段と、前記受信信号から低周波分を除去するハイパス
フィルタと、前記受信信号を検波する検波手段と、前記
超音波送受信手段から取り出された前記受信信号が前記
検波手段に至る経路を前記ハイパスフィルタを通してか
ら前記検波手段に入力する第１経路と前記ハイパスフィ
ルタを通さずに前記検波手段に入力する第２経路とに切
替えるフィルタ切り替え手段と、前記受信信号の検波情
報を記憶するメモリとを備える。

【００１３】本発明によれば、使用周波数が低いときは
バースト波を試料に入射させその反射信号をそのまま検
波手段に入力して位相検波又はピーク検波し、試料反射
信号の複素情報又は強度情報をメモリに保存する。一
方、使用周波数が高いときは試料反射信号をハイパスフ
ィルタを通してゲートノイズを除去してから検波手段に
入力してその検波情報を得ることができる。従って、共
通の受信回路で広い周波数で超音波測定可能となり、高
周波での増幅器の飽和による悪影響を除くことが可能で
ある。

【００１４】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、前記設定手段から前記送受信
切り替え手段に対して、前記超音波送受信手段の内部反
射信号よりも遅く、且つ、試料の反射信号よりも早いタ
イミングで受信状態に切り替わる送受信切り替えタイミ
ングを設定する。

【００１５】本発明によれば、送受信切り替え手段が超
音波送受信手段の内部反射信号よりも遅く、且つ、試料
の反射信号よりも早いタイミングで受信状態に切り替わ
るので、内部反射信号を受信信号から除去することがで
きる。また、送受信切り替え手段によるゲートノイズは
ハイパスフィルタを通すことにより除去することができ
る。

【００１６】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、前記設定手段から前記送受信
切り替え手段に対して、試料の反射信号の近傍でのみ受
信状態に切り替わる送受信切り替えタイミングを設定す
る。

【００１７】本発明によれば、送受信切り替え手段が試
料の反射信号の近傍でのみ受信状態に切り替わるので、
内部反射信号が除去された試料反射信号のみを取り出す
ことができ、また送受信切り替え手段によるゲートノイ
ズはハイパスフィルタを通すことにより除去することが
できる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る超音波
測定装置の構成を示す図である。本実施形態の超音波測
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、発振部２から送出される信号の
一部を半導体スイッチ３が切り取るようにしている。

【００１９】電気音響変換を行うトランスデューサ４が
音響レンズ５の一端面に取り付けられている。音響レン
ズ５の他端面に形成した凹面状の曲率面により超音波を
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の中は超音波が伝播するためのカプラ液体９で満
たされている。

【００２０】トランスデューサ４には半導体スイッチ１
０が接続されている。半導体スイッチ１０は、トランス
デューサ４の入出力を発振部２側と第１のフィルタ切り
替えスイッチ１１側とに切り替えることができる。第１
のフィルタ切り替えスイッチ１１は、トランスデューサ
４からの信号を第２のフィルタ切り替えスイッチ１２側
とハイパスフィルタ１３側とに切り替えることができ
る。第２のフィルタ切り替えスイッチ１２は、増幅器１
４の入力端子に接続する端子を第１のフィルタ切り替え
スイッチ１１とハイパスフィルタ１３との間で切り替え
るものである。

【００２１】増幅器１４の出力段には、２つの乗算部１
５ａ、１５ｂが接続されている。一方の乗算部１５ａに
第１参照信号として発振部２の出力する連続波が入力さ
れ、他方の乗算部１５ｂに第１参照信号を例えば９０°
ハイブリッドで構成される９０°移相部１６を通して９
０°位相を遅らせて第２参照信号として入力している。
乗算部１５ａ、１５ｂの出力段にそれぞれローパスフィ
ルタ１７ａ、１７ｂを接続している。ローパスフィルタ
１７ａ、１７ｂは高周波成分を除去するように機能す
る。ローパスフィルタ１７ａ、１７ｂの特性は、少なく
とも測定時に発振部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カットオフ周波数が設定さ
れている。

【００２２】ローパスフィルタ１７ａ、１７ｂを通った
信号はＡ／Ｄ変換部１８ａ、１８ｂでＡ／Ｄ変換され
る。Ａ／Ｄ変換部１８ａ、１８ｂそれぞれの変換出力は
コンピュータ１に入力される。コンピュータ１は、全体
のタイミングを制御するパルス制御部１９、試料６と音
響レンズ４との距離を変化させるＺ走査部２０、その移
動距離を測定するＺ測距部２１がそれぞれ接続されてい
る。

【００２３】次に本実施形態の作用について説明する。
図２は本実施形態のタイムチャートである。初めに、コ
ンピュータ１に測定する周波数を入力する。コンピュー
タ１は設定した周波数に応じて第１，第２の切り替えス
イッチ１１、１２の切り替えタイミングを制御する。例
えば、半導体スイッチ１０によって生じる切り替えノイ
ズの周波数成分が５００ＭＨｚ程度ならば、ハイパスフ
ィルタ１３の遮断周波数もほぼ５００ＭＨｚに設定され
ているので、発振周波数が６００ＭＨｚ以下ならハイパ
スフィルタ１３が入らない経路となるように切り替え、
６００ＭＨｚより大きいときはハイパスフィルタ１３を
通る経路となるようにように切り替える。

【００２４】図２（ａ）に示すように、発振部２はコン
ピュータ１から設定された一定周波数の連続波を常時出
力している。コンピュータ１からパルス制御部１９に送
信トリガが入力されると（図２（ｂ））、パルス制御部
１９が送信トリガに同期して図２（ｃ）に示すような発
振器２の周波数の数十周期分の時間幅のオンオフ信号を
半導体スイッチ３に与える。また、パルス制御部１９は
送信トリガに同期して、発振部２の周波数が６００ＭＨ
ｚ以下（低周波）の時は、当該オンオフ信号（ｃ）より
数十ｎｓｅｃ早くオンになり、数十ｎｓｅｃ遅くオフに
なる図２（ｄ）に示す切り替え信号を半導体スイッチ１
０に出力し、また発振部２の発振周波数が６００ＭＨｚ
以上（高周波）の時はオンオフ信号（ｃ）より数十ｎｓ
ｅｃ速くオンになり第１レンズ内部反射より遅くオフに
なる信号（図２（ｅ））を半導体スイッチ１０に出力す
る。

【００２５】図２（ｃ）に示すオンオフ信号が与えられ
る半導体スイッチ３は、オンオフ信号のＯＮ、ＯＦＦに
対応して切り替わり、ＯＮの時は発振器２の発生した信
号が半導体スイッチ１０に出力される。このようにして
図２（ｆ）に示す送信バースト信号が作られる。

【００２６】一方、半導体スイッチ１０は、図２（ｄ）
又は図２（ｅ）に示す切替え信号がオンの時は半導体ス
イッチ３側へ切り替わり、オフの時は第１のフィルタ切
り替えスイッチ１１側へ切り替わる。半導体スイッチ１
０が半導体スイッチ３側へ切り替わったとき、送信バー
スト信号が半導体スイッチ１０を通りトランスデューサ
４に印加される。

【００２７】送信バースト波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。試料６に入射した超音波は、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。

【００２８】ここで、受信信号は図２（ｇ）に示すよう
に、試料反射の他に送信漏れ、レンズ第１反射、レンズ
第２反射等が含まれている。低周波の時は、受信信号は
そのまま第１及び第２のフィルタ切り替えスイッチ１
１、１２を通り増幅器１４で増幅される。この場合でも
音響レンズ５の内部反射によって増幅器１４の出力が飽
和する場合があるが、例えば４００ＭＨｚ付近の周波数
で使われる音響レンズの焦点距離は６００μｍ程度ある
ので、内部反射とのタイミングの差が８００ｎｓｅｃも
あり、音響レンズ５と試料６の距離を近づけ両者が衝突
する状態でも開口半角６０°のレンズならば内部反射と
のタイミングの差が３００ｎｓｅｃ以上あるので飽和の
影響を受けない。

【００２９】一方、高周波の時は、半導体スイッチ１０
の切り替えのタイミングが図２（ｄ）であるから、受信
信号は図２（ｈ）に示す様に試料反射信号のタイミング
より遅れた部分の信号及び半導体スイッチ１０のオンオ
フ信号が、半導体スイッチ１０から切り替えスイッチ１
１に出力される。第１のフィルタ切り替えスイッチ１１
を通った信号はハイパスフィルタ１３で半導体スイッチ
１１のオンオフノイズが除去され第２のフィルタ切り替
えスイッチ１２を通り増幅器１４で増幅される。増幅さ
れた信号には送信漏れや試料反射より速いタイミングの
信号は除去されているので図２（ｉ）のようになる。

【００３０】増幅器１４で増幅された受信信号は乗算部
１５ａ、１５ｂに入力される。乗算部１５ａ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
る信号を移相部１６で位相が９０°遅れた信号とし、第
２参照信号として乗算部１５ｂで受信信号に乗算されそ
の結果が出力される。それぞれ乗算された信号はローパ
スフィルタ１７ａ、１７ｂで発振部２の２倍の周波数成
分が除去され、従来例と同じくｃｏｓφ、ｓｉｎφに相
当する大きさの矩形波が残る。

【００３１】このようにして位相検波されたローパスフ
ィルタ１７ａ、１７ｂの出力はＡ／Ｄ変換部１７ａ、１
７ｂに入力する。Ａ／Ｄ変換部１８ａ、１８ｂでこの多
数の信号から試料反射を取り出すために、パルス制御部
１９で図２（ｊ）のような送信トリガに対してＴｄだけ
遅れたタイミングのＡ／Ｄ変換トリガ信号を作る。この
Ａ／Ｄ変換トリガ信号をＡ／Ｄ変換部１８ａ、１８ｂに
与えて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１
内のメモリに記憶する。尚、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からパルス制御
部１９に対して設定可能となっている。

【００３２】Ｚ走査部２０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。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２０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２１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ΔＴｄ、カプ
ラ液体の音速を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。

【００３３】 ΔＴｄ＝２Δｚ／ｖ (3) このように本実施形態によれば、発振部２の周波数に応
じて音響レンズ５からの受信部へ入力のオン、オフタイ
ミングを変化させて音響レンズ５の内部反射成分の除去
を行い、高周波の時のみハイパスフィルタ１３を通すよ
うにしたので、低周波から高周波まで増幅器１４の内部
反射による飽和の影響を受けること無く、試料６からの
反射の複素情報を測定できる。

【００３４】なお、この実施例では位相検波の時のみを
述べているがこれに限定されるものではなく、ピーク検
波を行う場合にも同様に適用できる。また、音響レンズ
の送受信切り替え信号を試料反射の近傍でのみオフと
し、高周波の時のみハイパスフィルタを通すようにスイ
ッチを切り替えることも考えられる。

【００３５】さらに、Ｖ（ｚ）測定時のように試料反射
のタイミングが変化していくときは試料からの反射信号
が内部反射信号に近づいたときのみハイパスフィルタを
通すようにすることもできる。

【００３６】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。

【００３７】

【発明の効果】以上詳記したように本発明によれば、送
受信の切り替えによりレンズ内部反射を除去、高周波信
号で超音波測定をするときは内部反射除去で生じるゲー
トノイズ信号を除去するハイパスフィルタを通し、低周
波の測定時には通さないようにすることができ、共通の
受信回路で広い周波数で超音波測定可能となり、高周波
での増幅器の飽和による悪影響を除くことが可能となっ
た。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態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タイムチャートで
ある。

【図３】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、３，１０…半導体スイ
ッチ、４…トランスデューサ、５…音響レンズ、１１…
第１のフィルタ切り替えスイッチ、１２々…第２のフィ
ルタ切り替えスイッチ、１３…ハイパスフィルタ、１４
…増幅器、１５ａ，１５ｂ…乗算部、１７ａ，１７ｂ…
ローパスフィルタ、１９…パルス制御部、２０…Ｚ走査
部、２１…Ｚ測距部。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 バースト波を発生させるバースト波発振
   手段と、 前記バースト波信号を微小スポットに収束する超音波に
   変換して試料に入射すると共に該試料からの反射波を受
   波して電気的な受信信号に変換する超音波送受信手段
   と、 前記超音波送受信手段を該超音波送受信手段に前記送信
   信号を印加可能な送信状態と前記超音波送受信手段から
   前記受信信号を取り出し可能な受信状態とに切り替える
   送受信切り替え手段と、 前記送受信切り替え手段による送受信切り替えタイミン
   グを設定する設定手段と、 前記受信信号から低周波分を除去するハイパスフィルタ
   と、 前記受信信号を検波する検波手段と、 前記超音波送受信手段から取り出された前記受信信号が
   前記検波手段に至る経路を前記ハイパスフィルタを通し
   てから前記検波手段に入力する第１経路と前記ハイパス
   フィルタを通さずに前記検波手段に入力する第２経路と
   に切替えるフィルタ切り替え手段と、 前記受信信号の検波情報を記憶するメモリとを備えたこ
   とを特徴とする超音波測定装置。
2. 【請求項２】 前記設定手段から前記送受信切り替え手
   段に対して、前記超音波送受信手段の内部反射信号より
   も遅く、且つ、試料の反射信号よりも早いタイミングで
   受信状態に切り替わる送受信切り替えタイミングを設定
   することを特徴とする請求項１記載の超音波測定装置。
3. 【請求項３】 前記設定手段から前記送受信切り替え手
   段に対して、試料の反射信号の近傍でのみ受信状態に切
   り替わる送受信切り替えタイミングを設定することを特
   徴とする請求項１記載の超音波測定装置。