JPS63195563A - 超音波顕微鏡用音響変換素子 - Google Patents
超音波顕微鏡用音響変換素子Info
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- JPS63195563A JPS63195563A JP63008219A JP821988A JPS63195563A JP S63195563 A JPS63195563 A JP S63195563A JP 63008219 A JP63008219 A JP 63008219A JP 821988 A JP821988 A JP 821988A JP S63195563 A JPS63195563 A JP S63195563A
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- JP
- Japan
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- lens
- shear
- lens system
- sound wave
- wave
- Prior art date
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-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
- G01H11/00—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by detecting changes in electric or magnetic properties
- G01H11/06—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by detecting changes in electric or magnetic properties by electric means
- G01H11/08—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by detecting changes in electric or magnetic properties by electric means using piezoelectric devices
-
- G—PHYSICS
- G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
- G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G10K11/00—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
- G10K11/18—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound
- G10K11/26—Sound-focusing or directing, e.g. scanning
- G10K11/30—Sound-focusing or directing, e.g. scanning using refraction, e.g. acoustic lenses
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- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
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- Multimedia (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
- Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
（産業上の利用分野）
この発明は一般に音波顕微鏡で使われる音波変換素子−
レンズ系に関し、特に剪断音波変換素子−レンズ系に関
する。
レンズ系に関し、特に剪断音波変換素子−レンズ系に関
する。
（従来の技術）
従来の音波変換素子−レンズ系は、縦音波変換素子−レ
ンズ系であった。これらの系はバッファロッドの一端に
装着または被着された縦偏り形圧電材料の層を含み、バ
ッファロッドの他端に球面レンズが形成されていた。球
面レンズは、作像の用途および材料の特性測定において
極めて良好に機能する。
ンズ系であった。これらの系はバッファロッドの一端に
装着または被着された縦偏り形圧電材料の層を含み、バ
ッファロッドの他端に球面レンズが形成されていた。球
面レンズは、作像の用途および材料の特性測定において
極めて良好に機能する。
代表的な従来の縦音波変換素子−レンズ系を第１図に示
す。表面の作像用途では、縦音波変換素子から発生され
た縦音波がバッファロッドを通って伝播し、球面レンズ
によってサンプルの表面に集束される。低いサイドロー
ブレベルを得るため、バッファロッドの長さは次式でＳ
＝１に対応するように選ばれる； Ｓ＝λｌ ／ ａ ” 但しλはバッファロッド内における縦音波の波長、ｌは
バッファロッドの長さ、およびａは変換素子の半径。
す。表面の作像用途では、縦音波変換素子から発生され
た縦音波がバッファロッドを通って伝播し、球面レンズ
によってサンプルの表面に集束される。低いサイドロー
ブレベルを得るため、バッファロッドの長さは次式でＳ
＝１に対応するように選ばれる； Ｓ＝λｌ ／ ａ ” 但しλはバッファロッド内における縦音波の波長、ｌは
バッファロッドの長さ、およびａは変換素子の半径。
レンズをサンプルに近付けると（焦点をぼかすと）表面
音波が誘起され、これが表面音波の速度および残留応力
等材料特性に関する定量的情報を与える。材料の特性測
定では、表面音波を効率的に励起することが重要である
。表面音波励起の効率を評価するためには、時間ドメイ
ンにおける変換素子−レンズ系のパルス応答を観測する
。
音波が誘起され、これが表面音波の速度および残留応力
等材料特性に関する定量的情報を与える。材料の特性測
定では、表面音波を効率的に励起することが重要である
。表面音波励起の効率を評価するためには、時間ドメイ
ンにおける変換素子−レンズ系のパルス応答を観測する
。
第２図は、 １．８ ｍｍだけ焦点をぼかしたときの、
中心周波数５０ＭＨｚで、Ｓ＝１に対応したバッファロ
ッド内さにおける縦音波変換素子−レンズ系の主パルス
応答の理論的結果を示す。レンズの直径は４．５ ｗ、
Ｆナンバーは１．６５である。計算を行ったサンプルは
、熱間プレス加工の窒化シリコンとした。受信信号は、
初めにくる鏡面反射信号と、その次に到着する表面音波
成分とから成り、鏡面反射信号より表面波信号の方が弱
い。
中心周波数５０ＭＨｚで、Ｓ＝１に対応したバッファロ
ッド内さにおける縦音波変換素子−レンズ系の主パルス
応答の理論的結果を示す。レンズの直径は４．５ ｗ、
Ｆナンバーは１．６５である。計算を行ったサンプルは
、熱間プレス加工の窒化シリコンとした。受信信号は、
初めにくる鏡面反射信号と、その次に到着する表面音波
成分とから成り、鏡面反射信号より表面波信号の方が弱
い。
表面波信号の相対振巾を増大するためには、レンズの中
心領域での音響照明を最小とするのが有効である。これ
を行う一つの方法は、レンズを変換素子の近領域内で、
軸上の場強度が例えばＳ ＝ ０．５等の最小値となる
位置に置くことである。
心領域での音響照明を最小とするのが有効である。これ
を行う一つの方法は、レンズを変換素子の近領域内で、
軸上の場強度が例えばＳ ＝ ０．５等の最小値となる
位置に置くことである。
第３図は、中心周波数４０ＭＨｚおよび焦点距甜−１，
８ａｍで、Ｓ ＝ ０．６に対応したバッファ長さで構
成された縦音波変換素子−レンズ系の、時間ドメインに
おけるパルス応答の理論的結果を示す。
８ａｍで、Ｓ ＝ ０．６に対応したバッファ長さで構
成された縦音波変換素子−レンズ系の、時間ドメインに
おけるパルス応答の理論的結果を示す。
レンズの直径は３．５ｍ５Ｆナンバーは１．６５である
。サンプルは熱間プレス加工した窒化シリコンである。
。サンプルは熱間プレス加工した窒化シリコンである。
鏡面反射波に対する表面波励起の効率は、第２図の変換
素子−レンズ系の励起効率と比べ増大された。
素子−レンズ系の励起効率と比べ増大された。
（発明が解決しようとする問題点）
別種の問題として、音波計測法を用いて異方性サンプル
の異方性を測定するのが望ましい。こうした用途におい
て、球面集束され一様に照明される変換素子を用いるこ
とは、サンプルの表面に直角な軸を中心とした材料の異
方性を平均化してしまうので望ましくない。このため、
球面レンズより円筒レンズの方が好ましく、兵法性を正
確に測定できるが、高価で、空間解像度が低下する。円
筒レンズは一般に一方向に沿って集束され、他の方向で
は集束外れが生じる。つまり、焦点スポットは円筒レン
ズの軸に沿って非常に長く細い。
の異方性を測定するのが望ましい。こうした用途におい
て、球面集束され一様に照明される変換素子を用いるこ
とは、サンプルの表面に直角な軸を中心とした材料の異
方性を平均化してしまうので望ましくない。このため、
球面レンズより円筒レンズの方が好ましく、兵法性を正
確に測定できるが、高価で、空間解像度が低下する。円
筒レンズは一般に一方向に沿って集束され、他の方向で
は集束外れが生じる。つまり、焦点スポットは円筒レン
ズの軸に沿って非常に長く細い。
本発明の一般的な目的は、剪断音波変換素子−レンズ系
を提供することにある。
を提供することにある。
本発明の別の目的は、結合媒体内で縦偏り波が誘起され
る変換素子−レンズ系を提供することにある。
る変換素子−レンズ系を提供することにある。
本発明の更なる目的は、剪断偏り形圧電材料が他端にレ
ンズを有するバッファロッドの一端に剪断偏り波を励起
し、該レンズがレンズ上の選定位置におけるモード変換
によって結合媒体中に縦音波を励起するような変換素子
−レンズ系を提供することにある。
ンズを有するバッファロッドの一端に剪断偏り波を励起
し、該レンズがレンズ上の選定位置におけるモード変換
によって結合媒体中に縦音波を励起するような変換素子
−レンズ系を提供することにある。
本発明の上記およびその他の目的は、バッファロッド、
該バッファロッドの一端に結合された剪断偏り形圧電材
料、および前記バッフブロンドの他端に形成され、結合
媒体中に縦音波を励起するレンズを含む音波変換素子−
レンズ系によって達成される。
該バッファロッドの一端に結合された剪断偏り形圧電材
料、および前記バッフブロンドの他端に形成され、結合
媒体中に縦音波を励起するレンズを含む音波変換素子−
レンズ系によって達成される。
上記およびその他の目的は、添付の図面を参照した以下
の説明から明らかとなろう。
の説明から明らかとなろう。
（実施例）
第４図は、本発明の一実施例に基づく剪断偏り形変換素
子−レンズ系を示す。図示の系は、水晶、サファイヤま
たはシリコン製のバッファロッド１１と、該バッファロ
ッドの一端１３に被着または適切に装着された剪断偏り
形圧電材料１２とを含む。バッファロッドの他端１４は
球面レンズ１６へと研磨あるいはその他の方法で形成さ
れている。剪断偏り形圧電材料に電圧を加えると、矢印
で示すように剪断偏り波がバッファロッド内に励起され
、これがレンズへと下方に進む。レンズは剪断偏り波１
８（第５図）によって照明される。
子−レンズ系を示す。図示の系は、水晶、サファイヤま
たはシリコン製のバッファロッド１１と、該バッファロ
ッドの一端１３に被着または適切に装着された剪断偏り
形圧電材料１２とを含む。バッファロッドの他端１４は
球面レンズ１６へと研磨あるいはその他の方法で形成さ
れている。剪断偏り形圧電材料に電圧を加えると、矢印
で示すように剪断偏り波がバッファロッド内に励起され
、これがレンズへと下方に進む。レンズは剪断偏り波１
８（第５図）によって照明される。
第６図に概略的に示すように、バッファロッドとの結合
媒体界面におけるモード変換が、通常水から成る結合媒
体中に縦波を励起する。モード変換はレンズの選定地点
においてだけ、縦波を結合媒体内へと結合する。地点“
ａ”では、界面に対して剪断音波が直角入射するため、
モード変換は生じない。地点“ｂ”と“Ｃ”では、剪断
波が結合媒体内の縦波へとエネルギーを結合しない剪断
水平偏り波として界面に入射するので、縦波は全くモー
ド変換されず、バッファ内へと全反射される。
媒体界面におけるモード変換が、通常水から成る結合媒
体中に縦波を励起する。モード変換はレンズの選定地点
においてだけ、縦波を結合媒体内へと結合する。地点“
ａ”では、界面に対して剪断音波が直角入射するため、
モード変換は生じない。地点“ｂ”と“Ｃ”では、剪断
波が結合媒体内の縦波へとエネルギーを結合しない剪断
水平偏り波として界面に入射するので、縦波は全くモー
ド変換されず、バッファ内へと全反射される。
しかし地点“ｄ”と“ｅ”では、剪断波が剪断垂直偏り
波として入射し、エネルギーを結合媒体内へと結合する
。従って第６図に概略的に示すように、結合媒体内にお
ける縦波の励起パターンは、エネルギーが一軸（剪断偏
りの方向）に沿って優先的に励起され、直交軸に沿って
は全（存在しないように方向付けされる。このような変
換素子−レンズの組合せによれば、球面レンズによって
決まり、バッファロッドとの結合媒体界面における剪断
波から縦波へのモード変換によって単一方向に与えられ
る焦点スポットが生じる。かかるレンズを使えば、現在
円筒レンズで得られているよりもはるかに優れた空間解
像度で異方性を測定できる。
波として入射し、エネルギーを結合媒体内へと結合する
。従って第６図に概略的に示すように、結合媒体内にお
ける縦波の励起パターンは、エネルギーが一軸（剪断偏
りの方向）に沿って優先的に励起され、直交軸に沿って
は全（存在しないように方向付けされる。このような変
換素子−レンズの組合せによれば、球面レンズによって
決まり、バッファロッドとの結合媒体界面における剪断
波から縦波へのモード変換によって単一方向に与えられ
る焦点スポットが生じる。かかるレンズを使えば、現在
円筒レンズで得られているよりもはるかに優れた空間解
像度で異方性を測定できる。
被着される圧電膜は、剪断偏り性を持ち、数十ギガヘル
ツの周波数範囲で動作可能な酸化亜鉛等の膜とし得る。
ツの周波数範囲で動作可能な酸化亜鉛等の膜とし得る。
つまり、本方法は低周波数に制限されず、音波顕微鏡で
測定がなされる任意の動作周波数で使用できる。
測定がなされる任意の動作周波数で使用できる。
変換素子−レンズ系の別の構成を第７図に示す。
この圧電材料は、変換素子に電圧を加えると、放射方向
の矢印で示した放射剪断偏り波をバッファロンド内に与
えるように構成されている。このようなレンズ照明によ
れば、レンズの中心で水中に変換される縦波は全く存在
しない。これは、界面の異なる地点における入射角がｒ
／ Ｆで変イ°ヒするからである。但しｒはレンズ中
心からの半径距離、Ｆはレンズの焦点距離。この変換素
子−レンズ系をサンプルの測定に使えば、変換素子をサ
ンプルの方に近付けると表面音波が励起され、サンプル
からの鏡面反射が非常に弱く、はとんど存在しないこと
が認められている。かかる変換素子音波顕微鏡によれば
、水中における縦波の数波長に対応した空間解像度での
表面波速度の変化測定を行うことができる。すなわち、
結合媒体中に音波ビームの垂直成分は全く存在しないの
で、（レンズをサンプルの方へ近付けることによる）わ
ずかな焦点外れで表面波の励起を可能とする。この励起
が第８図に示してあり、Ｘ／λ単位の距離を関数とした
音響場の振巾が、ｆ＝５０ＭＨｚで焦点距離−０，３１
璽の場合について示しである。ピーク間の距離は約８波
長で、数波長程度の小スポットサイズを与えることが理
解されよう。
の矢印で示した放射剪断偏り波をバッファロンド内に与
えるように構成されている。このようなレンズ照明によ
れば、レンズの中心で水中に変換される縦波は全く存在
しない。これは、界面の異なる地点における入射角がｒ
／ Ｆで変イ°ヒするからである。但しｒはレンズ中
心からの半径距離、Ｆはレンズの焦点距離。この変換素
子−レンズ系をサンプルの測定に使えば、変換素子をサ
ンプルの方に近付けると表面音波が励起され、サンプル
からの鏡面反射が非常に弱く、はとんど存在しないこと
が認められている。かかる変換素子音波顕微鏡によれば
、水中における縦波の数波長に対応した空間解像度での
表面波速度の変化測定を行うことができる。すなわち、
結合媒体中に音波ビームの垂直成分は全く存在しないの
で、（レンズをサンプルの方へ近付けることによる）わ
ずかな焦点外れで表面波の励起を可能とする。この励起
が第８図に示してあり、Ｘ／λ単位の距離を関数とした
音響場の振巾が、ｆ＝５０ＭＨｚで焦点距離−０，３１
璽の場合について示しである。ピーク間の距離は約８波
長で、数波長程度の小スポットサイズを与えることが理
解されよう。
このようなレンズでの計算結果を、１．８ ｍｍだけ焦
点外しされ、５０ＭＨｚに等しい周波数での剪断音波変
換素子−レンズ系について第９図に示し、レンズの直径
は２鶴、Ｆナンバーは１．６５である。
点外しされ、５０ＭＨｚに等しい周波数での剪断音波変
換素子−レンズ系について第９図に示し、レンズの直径
は２鶴、Ｆナンバーは１．６５である。
サンプルは熱間プレス加工された窒化シリコンである。
第９図は、表面波の成分と比べ鏡面反射信号が無視可能
なことを明らかに示している。これはわずかな焦点外れ
で鮮明な表面波を得るのを可能とし、この点は高い空間
解像度での材料の特性測定にとって非常に重要である。
なことを明らかに示している。これはわずかな焦点外れ
で鮮明な表面波を得るのを可能とし、この点は高い空間
解像度での材料の特性測定にとって非常に重要である。
“より鮮明な”表面波の励起および剪断音波変換素子−
レンズ系の異方性という利点を利用すれば、膜厚や表面
下のクラック深さをはじめ、表面液の速度、残留応力お
よび材料の異方性等多くの新規な用途が期待される。
レンズ系の異方性という利点を利用すれば、膜厚や表面
下のクラック深さをはじめ、表面液の速度、残留応力お
よび材料の異方性等多くの新規な用途が期待される。
偏り形変換素子１２は、縦および剪断両波がバッファロ
ンド内で励起されるようにも作製できる。
ンド内で励起されるようにも作製できる。
従って、サンプルを分析し、異なる時間的信号を与える
のに、両種類の音波を使える。
のに、両種類の音波を使える。
（発明の効果）
すなわち、高効率の表面波励起を与える剪断音波変換素
子−レンズ系が得られる。剪断音波変換素子−レンズ系
の新規な構成は、結合媒体（水）中における縦波の数波
長という空間解像度で、表面波の速度変化、異方性、残
留応力、表面欠陥の定量測定を可能とする。
子−レンズ系が得られる。剪断音波変換素子−レンズ系
の新規な構成は、結合媒体（水）中における縦波の数波
長という空間解像度で、表面波の速度変化、異方性、残
留応力、表面欠陥の定量測定を可能とする。
第１図は代表的な従来の縦偏光形変換素子−レンズ系の
概略図：第２図は第１図のレンズ系のパルス応答を示す
グラフ；第３図はレンズ中心での音響照明を最小とした
場合における第１図のレンズ系のパルス応答を示すグラ
フ；第４図は本発明の一実施例による直線剪断偏光形変
換素子系を示す斜視図；第５図はバッフブロンド内にお
けるレンズでの剪断波を示す概略図；第６図は第５図の
剪断波によって励起される球面レンズの表面での結合を
示す概略図；第７図は本発明の別の実施例による放射剪
断偏光形音波変換素子を示す斜視図；第８図は直線偏光
形剪断音波変換素子−レンズ系に関する、焦点外れ０．
３ ｔｍの平面内での偏光方向に沿った音響場の分布を
示すグラフ；および第９図は放射偏光形剪断音波変換素
子−レンズ系のパルス応答を示すグラフである。 １１・・・・・・バンファロンド、 １２・・・・・・圧電材料、 １３・・・・・・一端 １４・・・・・・他端、 １６・・・・・・レンズ、 １８・・・・・・音 波。 早積職ｅ
概略図：第２図は第１図のレンズ系のパルス応答を示す
グラフ；第３図はレンズ中心での音響照明を最小とした
場合における第１図のレンズ系のパルス応答を示すグラ
フ；第４図は本発明の一実施例による直線剪断偏光形変
換素子系を示す斜視図；第５図はバッフブロンド内にお
けるレンズでの剪断波を示す概略図；第６図は第５図の
剪断波によって励起される球面レンズの表面での結合を
示す概略図；第７図は本発明の別の実施例による放射剪
断偏光形音波変換素子を示す斜視図；第８図は直線偏光
形剪断音波変換素子−レンズ系に関する、焦点外れ０．
３ ｔｍの平面内での偏光方向に沿った音響場の分布を
示すグラフ；および第９図は放射偏光形剪断音波変換素
子−レンズ系のパルス応答を示すグラフである。 １１・・・・・・バンファロンド、 １２・・・・・・圧電材料、 １３・・・・・・一端 １４・・・・・・他端、 １６・・・・・・レンズ、 １８・・・・・・音 波。 早積職ｅ
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １、バッファロッド、該バッファロッドの一端に結合さ
れた圧電材料の剪断偏り層、該剪断偏り層に電場を加え
、バッファロッド内へと進む音波を発生する手段、およ
び前記バッファロッドの他端に形成されたレンズを備え
た音波変換素子−レンズ系。 ２、前記圧電材料が直線偏り形で、電圧が加えられると
直線偏り音波を発生する特許請求の範囲第１項記載の音
波変換素子−レンズ系。 ３、前記圧電材料が放射偏り形で、電圧が加えられると
放射偏り音波を発生する特許請求の範囲第１項記載の音
波変換素子−レンズ系。 ４、前記レンズが対称状である特許請求の範囲第１項記
載の音波変換素子−レンズ系。 ５、前記圧電材料の剪断偏り層に縦方向の偏りも与えら
れている特許請求の範囲第１項記載の音波変換素子−レ
ンズ系。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US9468 | 1987-02-02 | ||
| US946887A | 1987-02-07 | 1987-02-07 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS63195563A true JPS63195563A (ja) | 1988-08-12 |
| JPH0668487B2 JPH0668487B2 (ja) | 1994-08-31 |
Family
ID=21737843
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63008219A Expired - Fee Related JPH0668487B2 (ja) | 1987-02-02 | 1988-01-18 | 超音波顕微鏡用音響変換素子 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP0277785A3 (ja) |
| JP (1) | JPH0668487B2 (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0360065U (ja) * | 1989-10-12 | 1991-06-13 | ||
| JPH1114607A (ja) * | 1997-06-19 | 1999-01-22 | Mitsubishi Cable Ind Ltd | 超音波プローブおよびその用途 |
| JP2007212358A (ja) * | 2006-02-10 | 2007-08-23 | Toyota Motor Corp | 超音波探触子及びそれを備えた温度測定装置 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS589063A (ja) * | 1981-07-08 | 1983-01-19 | Noritoshi Nakabachi | 超音波顕微鏡 |
| JPS61189451A (ja) * | 1985-02-18 | 1986-08-23 | Toshiba Corp | 超音波バツフア−ロツド |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US2741754A (en) * | 1950-12-27 | 1956-04-10 | Clevite Corp | Disk transducer |
| US3492509A (en) * | 1967-07-24 | 1970-01-27 | Bell Telephone Labor Inc | Piezoelectric ultrasonic transducers |
-
1988
- 1988-01-18 JP JP63008219A patent/JPH0668487B2/ja not_active Expired - Fee Related
- 1988-01-29 EP EP88300800A patent/EP0277785A3/en not_active Withdrawn
Patent Citations (2)
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| JPS589063A (ja) * | 1981-07-08 | 1983-01-19 | Noritoshi Nakabachi | 超音波顕微鏡 |
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| JPH1114607A (ja) * | 1997-06-19 | 1999-01-22 | Mitsubishi Cable Ind Ltd | 超音波プローブおよびその用途 |
| JP2007212358A (ja) * | 2006-02-10 | 2007-08-23 | Toyota Motor Corp | 超音波探触子及びそれを備えた温度測定装置 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP0277785A2 (en) | 1988-08-10 |
| JPH0668487B2 (ja) | 1994-08-31 |
| EP0277785A3 (en) | 1989-11-23 |
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