超音波測定装置
【目的】本発明は、弾性表面波速度及びその変化を高速に測定でき、機械的な移動精度に関係しない単純な機構により弾性表面波速度またはその変化の試料表面分布が表示する超音波測定装置を提供することを目的とする。
【構成】本発明は、試料に集束超音波ビームを送波し、該試料からの反射超音波ビームを受波する音響レンズ２１と、該音響レンズ２１と試料の距離をデフォーカスさせた位置に固定するＺステージ３６と、少なくとも試料からの直接反射成分と再放射成分が音響レンズ２１にて重なり合う継続時間を有し搬送周波数が可変であるバースト波を発生する発振器３１と、前記音響レンズ２１の受波信号強度を出力する受信器３１と、前記バースト波の搬送周波数を制御演算部３０の制御により変化させ前記受信器３１の出力を蓄積するサンプル＆ホールド回路４０，４１と、前記スペクトラム測定手段に蓄積されたスペクトラムを表示する表示部３４とを具備することを特徴とする超音波測定装置。
【構成】本発明は、試料に集束超音波ビームを送波し、該試料からの反射超音波ビームを受波する音響レンズ２１と、該音響レンズ２１と試料の距離をデフォーカスさせた位置に固定するＺステージ３６と、少なくとも試料からの直接反射成分と再放射成分が音響レンズ２１にて重なり合う継続時間を有し搬送周波数が可変であるバースト波を発生する発振器３１と、前記音響レンズ２１の受波信号強度を出力する受信器３１と、前記バースト波の搬送周波数を制御演算部３０の制御により変化させ前記受信器３１の出力を蓄積するサンプル＆ホールド回路４０，４１と、前記スペクトラム測定手段に蓄積されたスペクトラムを表示する表示部３４とを具備することを特徴とする超音波測定装置。
【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】一般に、収束された超音波を試料に入射させて、その試料からの反射波を受波して超音波画像を作成し、またはＶ（Ｚ）曲線を利用して試料の微小部分のヤング率等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。図５に従来の超音波顕微鏡の構成を示す。
【０００３】この超音波顕微鏡の超音波送受信部は、バースト波を発生する送信部１と、そのバースト波を信号として一方向（圧電トランスデューサ２方向および圧電トランスデューサ２から前置増幅器３方向）のみに通過させるサーキュレータ４、送受信信号を電気音響変換する圧電トランスデューサ２、超音波を収束させる音響レンズ５、超音波を伝播させるカプラ液体６とで構成されている。また、前記カプラ液体６に接するように試料７が、Ｘ−Ｙ走査部８によってＸ−Ｙ方向に移動可能な試料台９に載置される。前記音響レンズ５は、Ｚ走査部１０によって垂直方向（Ｚ方向）に移動可能になっている。
【０００４】この超音波送受信部により出力された反射信号は、前記前置増幅器３で増幅された後、ゲート部１１により必要な反射信号が抽出され、ピーク検出部１２に入力される。前記ピーク検出部１２は、前記反射信号のピーク値をホールドし、その出力はＡ／Ｄ変換部１３によりデジタル信号に変換され、メモリ１４に格納される。前記メモリ１４に格納されたデータは、コンピュータ１５の制御によって、表示部１６に画像として表示される。また、これらの構成部材は、制御部１７によって動作を制御されている。このように構成された前記超音波顕微鏡の動作を図６のタイムチャートを参照して説明する。
【０００５】まず制御部１７から、送信トリガが、図６（ａ）に示すように送信部１に入力されると送信部１は、図６（ｂ）に示すようなタイミングで、数百ＭＨｚ〜数ＧＨｚの周波数の数十周期の高周波バースト波を発生する。発生した送信波は、サーキュレータ４を通って、圧電トランスデューサ２に印加される。前記圧電トランスデューサ２では、前記送信バースト信号が超音波に変換されて、音響レンズ５によって、微小スポットに収束されて、試料台９上に載置された試料７に入射させる。
【０００６】前記試料７と音響レンズ５の間は、超音波の減衰を妨ぐためのカプラ液体６で満たされている。試料７に入射した超音波は、試料で反射されて、受信信号として再びカプラ液体６、音響レンズ５を通ってトランスデューサ２で電気信号に変換され、サーキュレータ４を通り前置増幅器３で増幅される。
【０００７】この受信信号は、図６（ｃ）に示すように送信漏れ、レンズ第一反射、試料反射、レンズ第二反射等を含むため、図６（ｄ）に示すように、制御部１７からレンズの内部反射を除くようなタイミングのゲート信号をゲート部１１に入力して、ゲートをあけ、必要な反射信号のみを抽出する。
【０００８】このように抽出された反射信号は、ピーク検波部１２によって図６（ｅ）に示すようにピークホールドされ、Ａ／Ｄ変換部１３でディジタル信号に変換した後、メモリ１４に記録される。
【０００９】以上のようにして得られる情報は、試料７の一点の情報だけである。つまり画像化するときは、前記Ｘ−Ｙ走査部８によって超音波の入射方向（Ｚ軸）に対して垂直な平面（Ｘ−Ｙ平面）に音響レンズ、または試料を２次元走査して、前述した検出動作を繰り返し行い、２次元情報をメモリ１４に記録し、表示部１６に表示する。
【００１０】また試料の弾性性質を測定する場合には、Ｚ走査部１０によって、音響レンズ５と試料７との間の距離を変化させて前記検出動作をＸ−Ｙ平面上の一点に対して行うことで、Ｖ（Ｚ）曲線が得られ、コンピュータ１６によりフーリエ変換等の演算処理を行い弾性表面波音速を求める。
【００１１】このような弾性表面波速度は、膜構造試料の場合は膜厚に、結晶構造を有する試料の場合は結晶の面指数と波の伝播方向に、応力場の存在する試料の場合は主応力の大きさによって変化する。例えば音弾性理論によると弾性表面波速度の変化は試料表面の主応力に比例する。
【００１２】そこで、弾性表面波速度あるいはその変化を検出することにより、試料表面の応力あるいはその分布を測定することが可能になる。反射型超音波顕微鏡においては弾性表面波速度は、圧電トランスデューサ１０３が受波する受波信号の振幅と位相の両方に影響を与える。前記振幅による弾性表面波速度の測定が前記のＶ（Ｚ）曲線法である。
【００１３】前記Ｖ（Ｚ）曲線法においては、機械的にＺ軸方向に音響レンズを移動させる必要があるので後述する様々の問題が生ずる。そこで、前述したように試料表面の弾性表面波速度の分布を測定する際には、位相を検出する方法が良く用いられる。
【００１４】例えば、Ｋ．Ｋ．Ｌｉａｎｇ，Ｓ．Ｄ．Ｂｅｎｅｔｔ ａｎｄ Ｇ．Ｓ．Ｋｉｎｏ，“Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｐｈａｓｅ ＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｗｉｔｈＳｈｏｒｔ Ｔｏｎｅ Ｂｕｒｓｔ Ｓｉｇｎａｌｓ ｉｎ ＡｃｏｕｓｔｉｃＭｉｃｒｏｓｃｏｐｙ”，Ｒｅｖ． Ｓｃｉ． Ｉｎｓｔｒｕｍ． ５７（３），Ｍａｒｃｈ １９８６，４４６−４５２．に提案されるように、試料に送波される収束超音波ビームのうち試料に垂直入射して反射される直接反射成分と弾性表面波を励起するような角度θSAW で斜入射し、試料表面を伝播した後再びθSAW で音響レンズに戻る再放射成分の位相差を、次のように求めている。音響レンズの焦点を試料に対しわずかにデフォーカスして固定する。
【００１５】この試料からの直接反射成分と再放射成分が重ならない程度の短い継続時間を有するバースト波を送波し、受波信号において直接反射成分と再放射成分を時間ゲートで分離する。各々の信号に対し極めて狭帯域のフィルタリング処理をしてほぼ連続波とし、ロックインアンプで２成分の位相差を検出する装置が示されている。彼らはこの装置を用いて、ガラスに熱衝撃を加えて導入した応力の１次元の分布を得ている。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】しかし、前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。まず、Ｖ（Ｚ）曲線法の欠点を列挙する。
【００１７】（１）Ｖ（Ｚ）曲線を得るには、音響レンズと試料の相対距離を変化させる必要がある。距離変化手段としては、例えばリニアモーションガイドで案内されたテーブルをパルスモータとボールネジで駆動するＺステージが考えられる。こういった構造のステージの位置決め精度は１μｍ程度であり、弾性表面波速度ｖSAW＝３４３０ｍ／ｓｅｃの溶融石英を周波数ω／２π＝４００ＭＨｚで測定した場合のＶ（Ｚ）曲線の変動周期ΔＺ＝１８．６μｍに対し５％の誤差を与えることになる。ステージの位置を測定するために、波長安定化レーザを光源に用い干渉器とコーナーキューブを組み合わせた干渉型測長器を使えば、ステージ位置の測定誤差は１００ｎｍ以下とできるので比較的良好な精度のＶ（Ｚ）測定が可能になる。しかし、上記のような干渉型測長器は大型でしかも高価であり実用的ではない。
【００１８】（２）Ｖ（Ｚ）曲線をフーリエ変換しそのスペクトラムのピーク周波数からΔＺを求める前記の方法では、精密なピーク周波数を得るためにはピークの半値幅を狭くする必要がある。そこで音響レンズのデフォーカス量を大きくし、何周期ものＶ（Ｚ）曲線の変動を測定することが行われる。上記の例で８周期の振動を観測するためには１５０μｍのデフォーカス量が必要になる。焦点距離５００μｍ、開口半角６０°の音響レンズを用いたとき、試料表面のスポット径は５００μｍになり測定の局所性が著しく損なわれる。
【００１９】（３）音響レンズを機械的に駆動するために１つのＶ（Ｚ）曲線を得るのに１分程度の時間を要しており、弾性表面波速度の分布を得るには測定速度が十分でない。
【００２０】（４）弾性表面波速度の１次元あるいは２次元分布を得るとき、当該の走査方向の軸に対しＺ軸の垂直度を極めて高精度に保つ必要があり、ステージ構成が困難になる。
【００２１】前述したＬｉａｎｇ氏等に提案された装置を用いれば、前記（１），（２），（４）の問題点が解決できる。しかし、Ｖ（Ｚ）曲線法は次の理由で測定速度が遅い。
【００２２】前述したようにＬｉａｎｇ氏等の装置では、短かな継続時間を有するバースト波を使って直接反射成分と再放射成分の位相差を測定しているが、数１０ＭＨｚもの帯域幅を持つバースト波からわずかに１００ＫＨｚの帯域幅で連続波を抜き出す。このため、前記連続波の振幅は非常に微弱なものになる。
【００２３】そこで、ロックインアンプのローパスフィルタのカットオフ周波数を２５Ｈｚと低くしてＳＮ比を大きくしなければならない。従って試料表面の所定箇所の位相差を検出するには少なくとも４０ｍｓｅｃの時間が必要になる。
【００２４】そこで本発明は、弾性表面波速度及びその変化を高速に測定でき、機械的な移動精度に関係しない単純な機構により弾性表面波速度またはその変化の試料表面分布が表示する超音波測定装置を提供することを目的とする。
【００２５】
【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、試料に集束超音波ビームを送波し、該試料からの反射超音波ビームを受波する電気音響変換器と、前記集束超音波ビームを前記試料の表面にデフォーカスさせた位置に前記電気音響変換器と前記試料の距離を固定する高さ固定手段と、少なくとも前記試料からの直接反射成分と再放射成分が前記電気音響変換器にて重なり合う継続時間を有し搬送周波数が可変であるバースト波を発生する送信器と、直接反射成分と再放射成分の干渉部分の位相を測定する手段（スペクトラム測定手段または位相検波器）を有する超音波測定装置を提供する。
【００２６】
【作用】以上のような構成の超音波測定装置では、試料と電気音響変換器との距離を変化させることなく弾性表面波速度またはその変化を高速に測定し、単純な機構により弾性表面波速度またはその変化の試料表面分布が表示される。また、弾性表面波速度またはその変化の測定には機械的な移動精度に関係せず、極めて高精度に測定される。
【００２７】
【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。
【００２８】図１には、Ｖ（Ｚ）曲線の一例を示し、本発明の概念を説明する。すなわち、本発明が基礎にしている位相ずれ量またはその変化量の検出の方法の理論的な背景及びこれらの量の物理的な意味について説明する。
【００２９】この図１は、周波数４００ＭＨｚのときの溶融石英に対するＶ（Ｚ）曲線である。ここで、横軸はデフォーカス量Ｚとし、Ｚ＝０の時には、焦点が試料表面にある状態、Ｚ＜０の時には焦点が試料内部にある状態とする。縦軸は受波信号の振幅Ｖを示す。図１に示すＶ（Ｚ）曲線の周期ΔＺから、弾性表面波速度ｖSAW は
【００３０】
【数３】
となる（御子柴宣夫、生嶋明共編、「超音波スペクトロスコピー（応用編）」第７章超音波顕微鏡、培風館、１９９０、１６５頁参照）。ここで、ｖW ：音響レンズと試料間に満たされる音響カプラの音速ｆ：超音波の周波数
【００３１】前記音響カプラに水を用いると、ｖW ＝１５００ｍ／ｓｅｃとなる。図１に示すＶ（Ｚ）曲線に対して、ｆ＝４００ＭＨｚ，ΔＺ＝１８．６μｍとすると、（１）式により溶融石英の弾性表面波速度ｖSAW ＝３４３０ｍ／ｓｅｃが得られる。
【００３２】このようなＶ（Ｚ）曲線における周期的な変動現象は、音響レンズの受波信号の直接反射成分と再放射成分の相対位相がＺの変化に伴って変化し、結果として両成分の干渉振幅がＺと共に変化するために起こる。音響レンズの材料の音速が無限大であるとし、音響レンズを試料表面に対しＺ（＜０）デフォーカスするとき、直接反射成分と再放射成分が音響レンズに到着する時間差Ｔは、
【００３３】
【数４】
となる。また、（２）式に超音波の角周波数ωを乗ずると、両成分の相対位相差φが得られる。
【００３４】
【数５】
また、θSAW はＳｎｅｌｌの法則によって水の音速ｖW と試料の弾性表面波速度ｖSAW の比と関係付けられる。また、
【００３５】
【数６】
（４）式を（３）式に代入し、（３）式中のｃｏｓθSAW をｖSAW ，ｖW によって書き直すと、
【００３６】
【数７】
となる。（５）式によれば、ｖSAW の変化ΔｖSAW による直接反射成分と再放射成分の位相差の変化Δφは、
【００３７】
【数８】
【００３８】である。ここで、ω，Ｚは既知の量であり、θSAW つまりｖSAW は、試料の一点で例えばＶ（Ｚ）曲線法を用いて測定しておくことも可能であるし、弾性理論から導くことも可能であるから既知の量と考えることができる。
【００３９】従って、両成分の位相差の変化を測定することによって、試料の弾性表面波速度の変化が分かる。この原理に基づいて弾性表面波速度の２次元分布を測定、表示する装置を後述する第３実施例にて提案する。
【００４０】再び、Ｖ（Ｚ）曲線に関して説明すると、直接反射成分と再放射成分の位相差φは（３）式に示すとおりＺの変化に対して線形に変化する。従って、Ｚの変化に伴い、φ＝−２ｎπ（ｎ＝１，２，…）が満たされる毎に周期的なＶのディップが観測されることになる。その周期ΔＺは周波数ω／２πを固定すると、
【００４１】
【数９】
【００４２】と一定になる。よって、Ｓｎｅｌｌの法則（４）式を連立させると（１）式が得られる。この（７）式によれば、Ｖ（Ｚ）曲線の周期は、周波数に反比例することが分かる。
【００４３】図１に示したように、Ｖ（Ｚ）曲線の各ディップに対して、｜Ｚ｜の小さいものから順にＤ1 ，Ｄ2 ，…，Ｄk ，…とする。例えば、ω／２π＝４００ＭＨｚのとき、Ｚ＝−１８．６μｍにＤ1 が存在する。また周波数を上げて、ω／２π＝８００ＭＨｚとすると、Ｚ＝−１８．６μｍには、Ｄ2 が位置する。
【００４４】以下同様に、Ｚ＝−１８．６μｍの位置には、４００×ｋＭＨｚの周波数に対してＤk が存在する。すなわち、Ｚ＝−１８．６μｍのデフォーカス量に対し、Δω／２π＝４００ＭＨｚの繰り返しによりディップが観測される。
【００４５】次に、ω／２π＝４００ＭＨｚに対して、Ｚ＝−３７．２μｍの位置にはＤ2が存在する。ω／２π＝２００ＭＨｚに対してはＤ1 が存在、ω／２π＝６００ＭＨｚではＤ3 の存在が観測される。すなわち、Ｚ＝−３７．２μｍではΔω／２π＝２００ＭＨｚの繰返しによりディップが観測される。以上のことから、（３）式から一般にデフォーカス量Ｚに対する繰返し周波数Δω／２πは、
【００４６】
【数１０】
となる。またΔω／２π＝Δｆと書くとき（８）式と（４）式から、
【００４７】
【数１１】
【００４８】が得られ、Δｆを求めれば弾性表面波速度が計算できることが分かる。試料の弾性表面波速度が大きいときは，（８）式のｃｏｓθSAW が大きくなるため、Δｆも大きくなる。
（１＋ｖW ／２ＺΔｆ）2 ＜＜１と見なせる程度に弾性表面波速度が大きい試料に対しては（９）式を近似した
【００４９】
【数１２】
【００５０】が成立する。そこで、デフォーカス量Ｚを固定したまま送信バースト波の搬送周波数ｆを変化させて、音響レンズの受波出力Ｖを測定すれば、その変動周期Δｆから試料の弾性表面波速度を（９）式あるいは（１０）式より求めることができる。以下では、この原理に基づく測定をＶ（ｆ）曲線法と呼ぶことにする。Ｖ（ｆ）曲線法を実現する装置を後述する第１実施例に提示する。
【００５１】このようなＶ（ｆ）曲線法では、周波数を連続的に変化させねばならないが、応力の測定の如く弾性表面波速度の変化を知るだけで良い応用に対しては、Δｆだけ異なる２周波を送波することで十分である。音響レンズで検出される直接反射成分と再放射成分の重ね合わせとしての受波信号の振幅の絶対値２乗をとり、その干渉成分のみをＶT （ω）とすると、
【００５２】
【数１３】
【００５３】となる。ここでＴは（２）式で与えられる両成分の時間差、Ｒ0 は直接反射成分の試料による反射率である。また励起される弾性表面波はＲａｙｌｅｉｇｈ波であるとし、従って再放射成分の試料による反射率は１・ｅｘｐ［ｊπ］＝−１であるとした。上記のＶ（ｆ）曲線にてディップを与える角周波数のうち最低周波数をω0 （≠０）、ディップ間隔をΔωとする。またΔωを与えるような時間差をＴ0 とする。ω0 ，Δω，Ｔ0 の定義から、
【００５４】
【数１４】
が成立する。また２つの周波数ω0 及びω0 ＋Δωで干渉成分は（１１），（１２）式より、
【００５５】
【数１５】
【００５６】となる。いま、試料の弾性表面波速度がΔｖSAW だけ変化し、それに伴って時間差Ｔ0 がＴ＝Ｔ0 ＋ΔＴに変化したとする。このとき、受波信号の干渉部分
【００５７】
【数１６】
をΔＴ／Ｔ0 でティラー展開し、（１２）式を考慮すると、
【００５８】
【数１７】
が得られる。（１５）式と（１４）式の差をとって、
【００５９】
【数１８】
とするとΔＴ／Ｔ0 ＝０の３次迄の精度で、
【００６０】
【数１９】
となる。（１２）式によりω0 ，Δωを消去すると
【００６１】
【数２０】
【００６２】と時間差の変化率の２乗に比例する強度が得られる。ここでＲ0 は定数なので、周波数ω0 とω0 ＋Δωの２点で受波信号強度を測定することにより、時間差の変化率を求めることができる。（６）式をωで割ることによって時間差の変化率は弾性表面波速度の変化率に比例することが分かる。この原理を応用して、弾性表面波速度の分布を測定する装置は後述する第２実施例に提示する。次に、図２に本発明による第１実施例の超音波測定装置の構成を示し、説明する。
【００６３】まず、超音波送受信部を構成する音響レンズ２１はロッド形状のＺカットサファイアの片端面を凹球面に研摩され、反対側の端面には、ＺｎＯ等の圧電トランスデューサ２２が設けられる。前記圧電トランスデューサ２２には、発振信号及び受信信号を伝送するための高周波コネクタ２３が接続される。
【００６４】前記超音波送受信部は、円筒形の支持部材２４内に固定される。この支持部材２４は測定時には、音響カプラの水２５で満たされた水槽２６に没する試料２７上に載置されるものであり、前記音響レンズ２１と試料２７の表面との距離は、試料表面に対する音響レンズ２１のデフォーカス量が、Ｚ（＜０）になるように設置される。
【００６５】前記高周波コネクタ２３は、高周波スイッチ２８の切り替え端子２８ａに接続される。前記高周波スイッチ２８の端子Ｔには、例えばＧａＡｓからなる高周波スイッチを多段に接続してアイソレーションを上げる構成にしたパルス変調器２９に接続される。前記パルス変調器２９には、コンピュータから成る制御演算部３０により指定された周波数を発振する周波数可変可能な発振器３１が接続され、発振された連続波が入力される。前記高周波スイッチ２８の切り替え動作及び前記パルス変調器２９の駆動は、制御演算部３０によって、制御されている。
【００６６】このパルス変調器３０により、周波数１ＧＨｚで、８０ｄＢ程度のＯＮ／ＯＦＦ比、及び５ｎｓｅｃ程度の立上り、立下り速度のパルス変調が比較的容易に実現できる。
【００６７】また前記高周波スイッチ２８の端子Ｒには、前記音響レンズ２１からの受波信号（反射信号）を受信する受信器３２が接続され、この受信器２２からの出力は、Ａ／Ｄ変換器３３でデジタル信号に変換され、前記制御演算部３０に入力するように接続されている。この受信器３２は、高周波増幅器及び検波器から成り、超音波反射信号の振幅を出力する。前記Ａ／Ｄ変換器３３は、前記制御演算部３０の命令により前記超音波反射信号の振幅をＡ／Ｄ変換し制御演算部３０に渡す。そして前記制御・演算部はこのデータを処理しＣＲＴ等の表示部３４に表示する。次に、このように構成された第１実施例の動作について説明する。前記発振器３１は、制御演算部３０によって指定された周波数ｆSTART 、例えば、３００ＭＨｚの連続波を発生する。
【００６８】前記パルス変調器２９は、前記連続波から時間幅τ（例えば２００ｎｓｅｃ）のバースト波を切り出す。このバースト波は、Ｔ側に切換えられている高周波スイッチ２８、高周波コネクタ２３を介して圧電トランスデューサ２２を励振する。前記圧電トランスデューサ２２により発生した平面超音波は、音響レンズ２１の凹球面部により収束超音波となって、試料２７に投射される。前記音響レンズ２１の焦点は、試料表面に対して、“Ｚ”だけデフォーカスされているため、反射波は直接反射成分と再放射成分の２成分となる。
【００６９】前記圧電トランスデューサ２２は、前記２成分の重ね合わせから成る反射信号を出力する。前記反射信号は、高周波コネクタ２３及びＲ側に切換えられている高周波スイッチ２８を介して受信器３２に入って増幅・検波された後、Ａ／Ｄ変換器３３にてディジタル信号となり、前記制御演算部３０に周波数ｆSTART に対応する反射振幅Ｖ（ｆSTART ）これをＶ0 とする形で記憶される。
【００７０】次に前記制御演算部３０は、発振器３１の周波数をｆSTEP（例えば１ＭＨｚ）だけ上げてｆSTART ＋１・ｆSTEPとして、前述した動作を行い、反射振幅Ｖ（ｆSTART ＋１・ｆSTEP）（以下、Ｖ1 と称する）を記憶する。以上のプロセスをｎ＋１回繰り返すと、
【００７１】
【数２１】
が得られる。
【００７２】ここでｆSTOP＝ｆSTART ＋ｎSTEPであり、例えばｎ＝２００なら５０００ＭＨｚである表示部３４にはこのグラフＶ（ｆ）が表示される。また、制御演算部３０では、
【００７３】
【数２２】
【００７４】となるようなディップ周波数ｆi を検出し、隣り合うディップの周波数の差Δfを求め、（９）式から弾性表面波速度ｖSAWを計算するように構成し、表示部３４に表示する。このような第１実施例の効果について述べる。
【００７５】従来の弾性表面波速度ｖW を求めるＶ（Ｚ）曲線法では、音響レンズのデフォーカス量Ｚを変化させるための精密なステージが必要であったのに対し、本実施例では“Ｚ”を固定することができるため、センサ部が小型となる。従って、試料上にセンサ部を載置するだけの簡単な操作によって実現でき、同時に試料の大きさに影響されないという効果がある。
【００７６】本実施例では、音響レンズ２１の代わりに収束超音波を発生させる素子全てを使用することができる。例えば凹球面状に加工した圧電トランスデューサでも良いし、線収束型の音響レンズでも良い。また、Ｚステージを備えたＶ（Ｚ）曲線用の装置でも、Ｚを固定することにより同様の送受信部及び信号処理法を使ってＶ（ｆ）を測定できる。また、前記制御演算部３０は、ディップ間周波数を求めるとしたがピーク間周波数を求めるようにしても良いことは明らかである。またＶ（ｆ）曲線をフーリエ変換しそのピーク周波数を検出してＶ（ｆ）曲線の変動周期を求める構成でも良い。Δｆのデータから（９）式あるいは（１０）式の計算を行い表示させる構成でも良い。
【００７７】次に図３に第２実施例の超音波測定装置の構成を示し、説明する。ここで、第２実施例を構成する構成部材において、第１実施例と同等のものは、同じ参照番号を付して、その説明を省略する。
【００７８】超音波送受信部上に設けられたＸ走査部３５は、例えば平行板バネで支持されたボイスコイル（図示せず）で構成され、音響レンズ２１を５０Ｈｚ程度の駆動電流の印加で１ｍｍ程度の振幅でＸ方向に、往復走査させる。
【００７９】前記Ｘ走査部１５上には、Ｚステージ３６が設けられ、これはボールネジ駆動，リニアモーションガイド案内のメカニカルステージであり、前記Ｘ走査部３５及び音響レンズ２１を垂直方向（Ｚ方向）に移動し、かつ固定することが可能なように構成される。さらに前記Ｚステージ３６上にノブ３７が設けられ、Ｚステージ３６のボールネジに固定される。
【００８０】また前記Ｚステージ３６を固定する台座３８上にＹ走査部３９が設けられ、該Ｙ走査部３９は、パルスモータで駆動されるボールネジとリニアモーションガイドで案内される電動ステージで構成され、前記試料２７をＹ方向に０．１ｍｍ／ｓｅｃ程度の速度で移動する。
【００８１】そして、受信器３２は、前記音響レンズ２１からの反射信号を増幅した後、ダイオードによる２乗検波をする。次に第１サンプル＆ホールド回路（以下、Ｓ＆Ｈと称する）４０及び、第２サンプル＆ホールド回路（Ｓ＆Ｈ）４１は、それぞれ前記制御演算部３０から指定された時刻に、前記受信器３２の出力電圧を保持すると共に、前記第１Ｓ＆Ｈ４０，４１の出力は、前記制御演算部３０より、“０”にすることもできる。
【００８２】前記演算器４２は、前記第１Ｓ＆Ｈ４０と第２Ｓ＆Ｈ４１の出力電圧の差を算出した後、直接若しくは、その電圧差の平方根をとって、Ａ／Ｄ変換器３３に出力する。
【００８３】前記制御演算部３０は、前記Ａ／Ｄ変換器３３からの出力を記憶する画像メモリを内蔵し、表示部３４に表示することも可能である。また走査駆動部４３は、前記制御演算部３０から指定される変位量をＸ走査部３５、Ｙ走査部３９に与える。次に、このように構成された第２実施例の動作について説明する。
【００８４】まず、試料２７のＶ（ｆ）曲線を測定する。そのために、Ｘ走査部３５及びＹ走査部３９を固定し、Ｚステージ３６を用いて、音響レンズ２１の焦点を試料２７の表面に対し、Ｚ（＜０）だけデフォーカスして固定する。
【００８５】前記制御演算部３０は、前記第１Ｓ＆Ｈ４０の出力を“０”に設定すると共に、前記演算器４２が平方根を演算しないモードに設定する。そして制御演算部３０は、所定周波数を掃引しながら、前記第２Ｓ＆Ｈ４１で保持される反射信号強度を取り込むことによってＶ（ｆ）曲線を測定する。さらにこのＶ（ｆ）曲線の任意のディップ周波数ω0 及びディップ間隔Δωを計算し、第１段階を終了する。
【００８６】次に、第１段階で測定した点に対する他の点の弾性表面波速度の変化を２次元表示する。このために、Ｘ走査部３５、Ｙ走査部３９を駆動し、前記音響レンズ２１が、試料２７の表面を２次元走査するようにする。前記演算器４２は、平方根を演算して出力するモードに設定する。
【００８７】そして測定するための超音波の送受が、前記試料２７の表面上の任意の各点で２回行なわれる。１回目は、前記制御演算部３０が前記発振器３１の周波数をω0 に設定して、ω0 に対する反射波の強度は、
【００８８】
【数２３】
となる。ただし、１2 は再放射成分の反射率の絶対値２乗を意味する。この反射波の強度を第１Ｓ＆Ｈ４０が保持する。次に制御演算部３０が発振器３１の周波数をω0 ＋Δωに設定して、ω0 ＋Δωに対する反射波の強度は、
【００８９】
【数２４】
となり、この反射波の強度を第２Ｓ＆Ｈ４１が保持する。前記演算器４２は、これら２信号の差
【００９０】
【数２５】
【００９１】をとり、さらにその平方根を演算して、時間差の変化率｜ΔＴ｜／Ｔ0 ｜に比例する電圧を出力する（前記（１６）式を参照する）。この電圧を前記Ａ／Ｄ変換器３３によってデジタル化し、前記制御演算部３０の画像メモリに記憶する。以上の測定を前記Ｘ走査部３５、前記Ｙ走査部３９を駆動しながら行い、試料２７の表面における時間差の変化率分布を前記表示部３４に表示する。ここで表示された画像は、（６）式から分かるように弾性表面波速度の変化の絶対値に比例したコントラストを持つ。次に第２実施例の効果について述べる。
【００９２】この第２実施例では、弾性表面波速度の変化による、直接反射成分と再放射成分の音響レンズへの到着時間差の変化を、２つの異なる周波数での反射強度を測定するだけで検出可能とした。焦点距離５００μｍの音響レンズを使用したとき、送波から受波までに要する時間は、１０μｓｅｃ程度なので、６４０×４８０画素の時間差変化画像を１０秒以内に得ることができる。これは前記のＬｉａｎｇらの装置（１点の受波信号の位相を得るための時間は４０ｍｓｅｃ以上）に比べ１０００倍以上の速度である。
【００９３】第２実施例では、ω0 を最低ディップ周波数としたが、任意のディップ周波数としても良い。このとき（１６）式の比例係数が変化するだけである。また同じ理由でω0 をＶ（ｆ）曲線のピークを与える周波数の１つにしても良い。また同一種類の試料を多数測定する場合や試料の一部の弾性表面波速度が既知である場合には、制御演算部３０にω0 ，Δωを記憶させておき、このパラメータにより画像化しても良い。このとき、画像化前のＶ（ｆ）曲線の測定は不要となる。また図３において、
【００９４】
【数２６】
【００９５】を求めるために、前記演算器４２によるアナログ信号処理を使用したが、前記第１Ｓ＆Ｈ４０，第２Ｓ＆Ｈ４１の出力をそれぞれディジタル信号に変換し、異なる画像メモリに取り込んでも良い。このとき、画像メモリ間の演算すなわち差をとる演算と平方根をとる演算には、高速のディジタルシグナルプロセッサが利用可能である。
【００９６】また第２実施例の構成では、“Ｚ”を大きくとる程、試料によっては受信器の出力のＳＮ比が悪化する。このときは、送波を同一周波数で複数回行ないボックスカー積分器等の平均化手段を受信器に設けても良い。
【００９７】次に図４に第３実施例の超音波測定装置の構成を示し、説明する。ここで、ここで、第３実施例を構成する構成部材において、第２実施例と同等のものは、同じ参照番号を付して、その説明を省略する。
【００９８】この第３実施例の超音波測定装置において、高周波増幅器４４は、反射信号を所望の電圧まで増幅する。例えば、試料２７が完全反射体（反射率１００％）のとき、５０Ω終端時２Ｖp-p 程度の出力電圧が得られるように増幅率が設定される。
【００９９】また、直交位相検波器４５は、特開平３−１８２６４５号広報に述べられているもので、９０°ハイブリッド，２個のダブルバランスミクサー及び２個のローパスフィルタで構成される。この直交位相検波器４５への入力信号は、高周波増幅器４４から出力された反射信号と発振器３１から出力された参照波であり、該直交位相検波器４５からの出力信号は、反射信号のうち参照波と同一位相の成分（インフエーズ成分）の振幅と９０°位相がずれている成分（クォードラチュア成分）の振幅の２つである。
【０１００】第３サンプル＆ホールド回路（以下、第３Ｓ＆Ｈ）４６と、第４Ｓ＆Ｈ４７は制御演算部３０の指示する同一のタイミングで、前記直交位相検波器４４の出力電圧を保持する。そして、Ａ／Ｄ変換器４８とＡ／Ｄ変換器４９は、前記第３Ｓ＆Ｈ４６と前記第４Ｓ＆Ｈ４７から出力された各出力電圧を例えば、８ビットのディジタル信号に変換する。ここで、前記Ａ／Ｄ変換器４８の出力信号をＶI 、前記Ａ／Ｄ変換器４９の出力信号をＶQ とする。よって、ＲＯＭ５０は、例えばアドレス１６ビット、データ１６ビットのＲＯＭであり、アドレスバスの上位８ビットにはＶI 、下位８ビットにはＶQ が入力される。また前記ＲＯＭ５０のアドレス（ａｂｃｄ）H には、
【０１０１】
【数２７】
【０１０２】のデータを記録しておく。前記ＲＯＭ５０のデータは、前記制御演算部３０の画像メモリのフレーム１に送られる。また、ＲＯＭ５１も例えばアドレス１６ビット、データ１６ビットのＲＯＭであり、アドレスバスの上位８ビットにはＶI 、下位８ビットにはＶQ が入力される。またＲＯＭ５１のアドレス（ａｂｃｄ）Hには、
【０１０３】
【数２８】
【０１０４】のデータを記録しておく。前記ＲＯＭ５１のデータは、前記制御演算部３０の画像メモリのフレーム２に送られる。前記制御演算部３０は、画像メモリのフレーム１、フレーム２の画像を表示部３４に表示する。次に、このように構成された第３実施例の動作について説明する。
【０１０５】まず、ノブ３７を回転させて、Ｚステージ３６を駆動し、音響レンズ２１の焦点を試料２７の表面に対して、Ｚ（＜０）だけデフォーカスさせた位置で、前記Ｚステージ３６を固定する。
【０１０６】そして、前記制御演算部３０は、発振器３１の発振周波数を“ω”に固定する。この周波数ωは、例えば前記音響レンズ２１に含まれる圧電トランスデューサ（図示せず）の厚さをｔ，音速をｃとしたとき、Ｃ・２π／ω＝２ｔとなるように設定する。
【０１０７】従って、前記周波数ωの連続波は、分配され、一方はパルス変調器２９に入力されて、時間幅τのバースト波に変調される。この第３実施例でも試料２７からの直接反射成分と再放射成分の干渉を利用するため、バースト波の時間幅τは、（２）式で与える両成分の時間差Ｔよりも大きく設定する。
【０１０８】前記発振器３１の分配された出力の他方は、連続波の状態で、直交位相検波器４５に入力され、位相検波の参照波として利用される。前記パルス変調器２９から出力されたバースト波は、高周波スイッチ２８を介して、音響レンズ２１に入り、収束超音波となって試料２７に放射される。また前記音響レンズ２１は、“Ｚ”だけデフォーカスされているため、その出力信号は、直接反射成分と再放射成分の重ね合わせとなり、それに帰因する位相変化（（３）式にωを乗じた位相）を受ける。以下、これを反射信号と称する。
【０１０９】前記反射信号は、前記高周波スイッチ２８を介して高周波増幅器４４に入力され、所定の増幅率で増幅された後、前記直交位相検波器４５によって、インフェーズ成分，クォードラチュア成分に分離される。各々の成分は、送信バースト波の時間幅τ程度（ω／２π＝４００ＭＨｚではτは数百ｎｓｅｃ）の継続時間しか持たないため、第３Ｓ＆Ｈ４６，第４Ｓ＆Ｈ４７で振幅を保持された後、前記Ａ／Ｄ変換器４８、４９によって、ディジタル信号ＶI ，ＶQ となる。
【０１１０】この両信号から、前記ＲＯＭ５０は反射信号の振幅Ａを、前記ＲＯＭ５１は反射信号の位相φを出力し、それぞれ画像メモリのフレーム１，フレーム２に取り込まれ、Ｘ走査部３５、Ｙ走査部３９を駆動しながら、前述した測定工程を繰り返す実施し、画像メモリのフレーム１には試料表面の振幅像Ａ（ｘ，ｙ），フレーム２には試料表面の位相像φ（ｘ，ｙ）が蓄積される。
【０１１１】ここで、各φ（ｘ，ｙ）には、前記発振器３１から出力された波が、反射波となって、前記直交位相検波器４５に入力されるまでの伝播遅延時間による位相遅れが含まれる。
【０１１２】前記音響レンズ２１のデフォーカス量Ｚが一定のとき、伝播遅延時間も一定である。φ（ｘ，ｙ）からこの一定量の位相遅れを引くことにより、純粋に直接反射成分と再反射成分の干渉効果の位相φI （ｘ，ｙ）をとり出すことができる。前記制御演算部３０によって、前述し演算を行い、φI （ｘ，ｙ）を画像メモリのフレーム３（図示せず）に蓄積する。フレーム１（図示せず）及び前記フレーム３の内容は、前記表示部３４に表示される。特に前記フレーム３を画像表示する、すなわち位相画像を表示すると、そのコントラストは、（６）式に示したように弾性表面波速度ｖSAW の変化率に比例したものである。次に第３実施例の超音波測定装置の効果を説明する。
【０１１３】第３実施例では、弾性表面波速度の変化による直接反射成分と再放射成分の音響レンズへの到着時間差に伴う位相情報を含む反射信号の振幅と位相を、１つの周波数で検出可能とした。第３実施例は、前述した第２実施例と同様に振幅像、位相像の両方を得るために必要な時間が、１０秒以内と従来法に比べ非常に高速になる。
【０１１４】弾性表面波速度の変化率は、例えば試料に存在する応力に比例する。すなわち位相像は応力分布像に読み換えることができる。一方、超音波の振幅像は試料表面に存在するクラック等に敏感である。そこで、振幅像にてクラックを検出し、位相像にてクラックの周囲に発生している残留応力を測定するとにより、クラック進展の予測等材料の力学的な総合評価が可能になる。また、これまで述べてきた実施例では、測定の局所性を上げるために、デフォーカス量｜Ｚ｜を小さくしなければならない。第１実施例及び第２実施例では、｜Ｚ｜に反比例してΔｆが大きくなってしまうため、前記｜Ｚ｜を小さくすることが必然的に広帯域の圧電トランスデューサを要求することになる。
【０１１５】例えば、焦点距離５００μｍ、開口半角６０°、動作中心周波数６００ＭＨｚの音響レンズと弾性表面波速度ｖSAW ＝３４３０ｍ／ｓの溶融石英を用い、Ｚ＝−１８．６μｍとすると超音波のスポット径は約６５μｍになり、従来の問題点てあったスポット径に比べ約１桁の改善がなされる。但し、ディップ周波数は、４００ＭＨｚ，８００ＭＨｚ，…と４００ＭＨｚきざみになり、音響レンズは少なくとも６７％の比帯域幅を持たねばならない。一方、第３実施例では、動作周波数を１点に固定されるため、音響レンズの音響的、電気的な整合がとり易く高感度なシステムが実現できる。
【０１１６】さらに第２実施例においては、弾性表面波速度変化の絶対値のみが画像化されるのに対し、この第３実施例では、（６）式から分かるように、符号付で弾性表面波速度の変化を検出することができる。
【０１１７】また、試料が膜構造を有するときには一般化Ｌａｍｂ波と呼ばれる速度分散性のある表面波が励起される。第１実施例、第２実施例では周波数を変化させる必要があるため、膜構造を有する試料の弾性表面波速度の変化を解析するのは困難である。一方、本実施例では周波数を固定しているので、このような試料でも容易に解析することができる。
【０１１８】第３実施例においては、Ａ／Ｄ変換器のインフェーズ出力とクォードラチュア出力をＲＯＭ５０とＲＯＭ５１によって、振幅Ａと位相φに翻訳したが、画像メモリに４つのフレームを用意し、第１，第２のフレームにそれぞれインフェーズ出力とクォードラチュア出力を蓄積しても良い。このとき、高速のディジタル信号処理器を制御・演算部に内蔵し、第１，第２フレームのデータを振幅と位相に翻訳し第３，第４のフレームに蓄積すれば良い。また、直交位相検波器２５の代わりに、参照波の位相を任意に変化する移相器と任意に変化された参照波と高周波増幅器の出力を乗算しローパスフィルターを通す位相検波器としても良い。このときには位相器の移相量を９０°変化させて、各々の移相量に対し送受波を行うことで直交位相検波と同様の作用ができる。
【０１１９】さらに、試料面の弾性表面波速度の変化が小さいときは、走査開始点での位相検波器の出力を“０”にしておくことにより、走査時の位相検波器の出力は、直接位相の変化量であると見なすことができ、前述したＲＯＭ等の翻訳手段が不要になる。また本発明は、前述した一実施例に限定されるものではなく、他にも発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形や応用が可能であることは勿論である。
【０１２０】
【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、試料と電気音響変換器との距離を変化させることなく弾性表面波速度またはその変化を高速に測定することができる。このため単純な機構により弾性表面波速度またはその変化の試料表面分布を表示することが可能になる。また、弾性表面波速度またはその変化の測定には機械的な移動精度は関係しないので、極めて高精度な測定装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の概念を説明するためのＶ（Ｚ）曲線の一例を示す図である。
【図２】図２は、本発明の第１実施例の超音波測定装置の構成を示す図である。
【図３】図３は、本発明の第２実施例の超音波測定装置の構成を示す図である。
【図４】図４は、本発明の第３実施例の超音波測定装置の構成を示す図である。
【図５】図５は、従来の超音波顕微鏡の構成を示す図である。
【図６】図６は、従来の超音波顕微鏡の動作を示すタイムチャートである。
【符号の説明】
１…送信部、２，２２…（圧電）トランスデューサ、３…前置増幅器、４…サーキュレータ、５，２１…音響レンズ、６、２５…カプラ液体、７，２７…試料、８，３５…Ｘ走査部、９…試料台、１０…Ｚ走査部、１１…乗算部、１２…ピーク検出部、１３，３３，４８，４９…Ａ／Ｄ変換部、１４…メモリ、１５…コンピュータ、１６，３４…表示部、１７…制御部、２３…高周波コネク、２４…支持部材、２６…水槽、２８…高周波スイッチ、２９…パルス変調器、３０…制御演算部、３１…発振器、３２…受信器、３６…Ｚステージ、３７…ノブ、３８…台座、３９…Ｙ走査部、４０，４１，４６，４７…Ｓ＆Ｈ、４２，４８，４９…演算器、４５…直交位相検波器、５０，５１…ＲＯＭ。
【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】一般に、収束された超音波を試料に入射させて、その試料からの反射波を受波して超音波画像を作成し、またはＶ（Ｚ）曲線を利用して試料の微小部分のヤング率等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。図５に従来の超音波顕微鏡の構成を示す。
【０００３】この超音波顕微鏡の超音波送受信部は、バースト波を発生する送信部１と、そのバースト波を信号として一方向（圧電トランスデューサ２方向および圧電トランスデューサ２から前置増幅器３方向）のみに通過させるサーキュレータ４、送受信信号を電気音響変換する圧電トランスデューサ２、超音波を収束させる音響レンズ５、超音波を伝播させるカプラ液体６とで構成されている。また、前記カプラ液体６に接するように試料７が、Ｘ−Ｙ走査部８によってＸ−Ｙ方向に移動可能な試料台９に載置される。前記音響レンズ５は、Ｚ走査部１０によって垂直方向（Ｚ方向）に移動可能になっている。
【０００４】この超音波送受信部により出力された反射信号は、前記前置増幅器３で増幅された後、ゲート部１１により必要な反射信号が抽出され、ピーク検出部１２に入力される。前記ピーク検出部１２は、前記反射信号のピーク値をホールドし、その出力はＡ／Ｄ変換部１３によりデジタル信号に変換され、メモリ１４に格納される。前記メモリ１４に格納されたデータは、コンピュータ１５の制御によって、表示部１６に画像として表示される。また、これらの構成部材は、制御部１７によって動作を制御されている。このように構成された前記超音波顕微鏡の動作を図６のタイムチャートを参照して説明する。
【０００５】まず制御部１７から、送信トリガが、図６（ａ）に示すように送信部１に入力されると送信部１は、図６（ｂ）に示すようなタイミングで、数百ＭＨｚ〜数ＧＨｚの周波数の数十周期の高周波バースト波を発生する。発生した送信波は、サーキュレータ４を通って、圧電トランスデューサ２に印加される。前記圧電トランスデューサ２では、前記送信バースト信号が超音波に変換されて、音響レンズ５によって、微小スポットに収束されて、試料台９上に載置された試料７に入射させる。
【０００６】前記試料７と音響レンズ５の間は、超音波の減衰を妨ぐためのカプラ液体６で満たされている。試料７に入射した超音波は、試料で反射されて、受信信号として再びカプラ液体６、音響レンズ５を通ってトランスデューサ２で電気信号に変換され、サーキュレータ４を通り前置増幅器３で増幅される。
【０００７】この受信信号は、図６（ｃ）に示すように送信漏れ、レンズ第一反射、試料反射、レンズ第二反射等を含むため、図６（ｄ）に示すように、制御部１７からレンズの内部反射を除くようなタイミングのゲート信号をゲート部１１に入力して、ゲートをあけ、必要な反射信号のみを抽出する。
【０００８】このように抽出された反射信号は、ピーク検波部１２によって図６（ｅ）に示すようにピークホールドされ、Ａ／Ｄ変換部１３でディジタル信号に変換した後、メモリ１４に記録される。
【０００９】以上のようにして得られる情報は、試料７の一点の情報だけである。つまり画像化するときは、前記Ｘ−Ｙ走査部８によって超音波の入射方向（Ｚ軸）に対して垂直な平面（Ｘ−Ｙ平面）に音響レンズ、または試料を２次元走査して、前述した検出動作を繰り返し行い、２次元情報をメモリ１４に記録し、表示部１６に表示する。
【００１０】また試料の弾性性質を測定する場合には、Ｚ走査部１０によって、音響レンズ５と試料７との間の距離を変化させて前記検出動作をＸ−Ｙ平面上の一点に対して行うことで、Ｖ（Ｚ）曲線が得られ、コンピュータ１６によりフーリエ変換等の演算処理を行い弾性表面波音速を求める。
【００１１】このような弾性表面波速度は、膜構造試料の場合は膜厚に、結晶構造を有する試料の場合は結晶の面指数と波の伝播方向に、応力場の存在する試料の場合は主応力の大きさによって変化する。例えば音弾性理論によると弾性表面波速度の変化は試料表面の主応力に比例する。
【００１２】そこで、弾性表面波速度あるいはその変化を検出することにより、試料表面の応力あるいはその分布を測定することが可能になる。反射型超音波顕微鏡においては弾性表面波速度は、圧電トランスデューサ１０３が受波する受波信号の振幅と位相の両方に影響を与える。前記振幅による弾性表面波速度の測定が前記のＶ（Ｚ）曲線法である。
【００１３】前記Ｖ（Ｚ）曲線法においては、機械的にＺ軸方向に音響レンズを移動させる必要があるので後述する様々の問題が生ずる。そこで、前述したように試料表面の弾性表面波速度の分布を測定する際には、位相を検出する方法が良く用いられる。
【００１４】例えば、Ｋ．Ｋ．Ｌｉａｎｇ，Ｓ．Ｄ．Ｂｅｎｅｔｔ ａｎｄ Ｇ．Ｓ．Ｋｉｎｏ，“Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｐｈａｓｅ ＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｗｉｔｈＳｈｏｒｔ Ｔｏｎｅ Ｂｕｒｓｔ Ｓｉｇｎａｌｓ ｉｎ ＡｃｏｕｓｔｉｃＭｉｃｒｏｓｃｏｐｙ”，Ｒｅｖ． Ｓｃｉ． Ｉｎｓｔｒｕｍ． ５７（３），Ｍａｒｃｈ １９８６，４４６−４５２．に提案されるように、試料に送波される収束超音波ビームのうち試料に垂直入射して反射される直接反射成分と弾性表面波を励起するような角度θSAW で斜入射し、試料表面を伝播した後再びθSAW で音響レンズに戻る再放射成分の位相差を、次のように求めている。音響レンズの焦点を試料に対しわずかにデフォーカスして固定する。
【００１５】この試料からの直接反射成分と再放射成分が重ならない程度の短い継続時間を有するバースト波を送波し、受波信号において直接反射成分と再放射成分を時間ゲートで分離する。各々の信号に対し極めて狭帯域のフィルタリング処理をしてほぼ連続波とし、ロックインアンプで２成分の位相差を検出する装置が示されている。彼らはこの装置を用いて、ガラスに熱衝撃を加えて導入した応力の１次元の分布を得ている。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】しかし、前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。まず、Ｖ（Ｚ）曲線法の欠点を列挙する。
【００１７】（１）Ｖ（Ｚ）曲線を得るには、音響レンズと試料の相対距離を変化させる必要がある。距離変化手段としては、例えばリニアモーションガイドで案内されたテーブルをパルスモータとボールネジで駆動するＺステージが考えられる。こういった構造のステージの位置決め精度は１μｍ程度であり、弾性表面波速度ｖSAW＝３４３０ｍ／ｓｅｃの溶融石英を周波数ω／２π＝４００ＭＨｚで測定した場合のＶ（Ｚ）曲線の変動周期ΔＺ＝１８．６μｍに対し５％の誤差を与えることになる。ステージの位置を測定するために、波長安定化レーザを光源に用い干渉器とコーナーキューブを組み合わせた干渉型測長器を使えば、ステージ位置の測定誤差は１００ｎｍ以下とできるので比較的良好な精度のＶ（Ｚ）測定が可能になる。しかし、上記のような干渉型測長器は大型でしかも高価であり実用的ではない。
【００１８】（２）Ｖ（Ｚ）曲線をフーリエ変換しそのスペクトラムのピーク周波数からΔＺを求める前記の方法では、精密なピーク周波数を得るためにはピークの半値幅を狭くする必要がある。そこで音響レンズのデフォーカス量を大きくし、何周期ものＶ（Ｚ）曲線の変動を測定することが行われる。上記の例で８周期の振動を観測するためには１５０μｍのデフォーカス量が必要になる。焦点距離５００μｍ、開口半角６０°の音響レンズを用いたとき、試料表面のスポット径は５００μｍになり測定の局所性が著しく損なわれる。
【００１９】（３）音響レンズを機械的に駆動するために１つのＶ（Ｚ）曲線を得るのに１分程度の時間を要しており、弾性表面波速度の分布を得るには測定速度が十分でない。
【００２０】（４）弾性表面波速度の１次元あるいは２次元分布を得るとき、当該の走査方向の軸に対しＺ軸の垂直度を極めて高精度に保つ必要があり、ステージ構成が困難になる。
【００２１】前述したＬｉａｎｇ氏等に提案された装置を用いれば、前記（１），（２），（４）の問題点が解決できる。しかし、Ｖ（Ｚ）曲線法は次の理由で測定速度が遅い。
【００２２】前述したようにＬｉａｎｇ氏等の装置では、短かな継続時間を有するバースト波を使って直接反射成分と再放射成分の位相差を測定しているが、数１０ＭＨｚもの帯域幅を持つバースト波からわずかに１００ＫＨｚの帯域幅で連続波を抜き出す。このため、前記連続波の振幅は非常に微弱なものになる。
【００２３】そこで、ロックインアンプのローパスフィルタのカットオフ周波数を２５Ｈｚと低くしてＳＮ比を大きくしなければならない。従って試料表面の所定箇所の位相差を検出するには少なくとも４０ｍｓｅｃの時間が必要になる。
【００２４】そこで本発明は、弾性表面波速度及びその変化を高速に測定でき、機械的な移動精度に関係しない単純な機構により弾性表面波速度またはその変化の試料表面分布が表示する超音波測定装置を提供することを目的とする。
【００２５】
【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、試料に集束超音波ビームを送波し、該試料からの反射超音波ビームを受波する電気音響変換器と、前記集束超音波ビームを前記試料の表面にデフォーカスさせた位置に前記電気音響変換器と前記試料の距離を固定する高さ固定手段と、少なくとも前記試料からの直接反射成分と再放射成分が前記電気音響変換器にて重なり合う継続時間を有し搬送周波数が可変であるバースト波を発生する送信器と、直接反射成分と再放射成分の干渉部分の位相を測定する手段（スペクトラム測定手段または位相検波器）を有する超音波測定装置を提供する。
【００２６】
【作用】以上のような構成の超音波測定装置では、試料と電気音響変換器との距離を変化させることなく弾性表面波速度またはその変化を高速に測定し、単純な機構により弾性表面波速度またはその変化の試料表面分布が表示される。また、弾性表面波速度またはその変化の測定には機械的な移動精度に関係せず、極めて高精度に測定される。
【００２７】
【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。
【００２８】図１には、Ｖ（Ｚ）曲線の一例を示し、本発明の概念を説明する。すなわち、本発明が基礎にしている位相ずれ量またはその変化量の検出の方法の理論的な背景及びこれらの量の物理的な意味について説明する。
【００２９】この図１は、周波数４００ＭＨｚのときの溶融石英に対するＶ（Ｚ）曲線である。ここで、横軸はデフォーカス量Ｚとし、Ｚ＝０の時には、焦点が試料表面にある状態、Ｚ＜０の時には焦点が試料内部にある状態とする。縦軸は受波信号の振幅Ｖを示す。図１に示すＶ（Ｚ）曲線の周期ΔＺから、弾性表面波速度ｖSAW は
【００３０】
【数３】
となる（御子柴宣夫、生嶋明共編、「超音波スペクトロスコピー（応用編）」第７章超音波顕微鏡、培風館、１９９０、１６５頁参照）。ここで、ｖW ：音響レンズと試料間に満たされる音響カプラの音速ｆ：超音波の周波数
【００３１】前記音響カプラに水を用いると、ｖW ＝１５００ｍ／ｓｅｃとなる。図１に示すＶ（Ｚ）曲線に対して、ｆ＝４００ＭＨｚ，ΔＺ＝１８．６μｍとすると、（１）式により溶融石英の弾性表面波速度ｖSAW ＝３４３０ｍ／ｓｅｃが得られる。
【００３２】このようなＶ（Ｚ）曲線における周期的な変動現象は、音響レンズの受波信号の直接反射成分と再放射成分の相対位相がＺの変化に伴って変化し、結果として両成分の干渉振幅がＺと共に変化するために起こる。音響レンズの材料の音速が無限大であるとし、音響レンズを試料表面に対しＺ（＜０）デフォーカスするとき、直接反射成分と再放射成分が音響レンズに到着する時間差Ｔは、
【００３３】
【数４】
となる。また、（２）式に超音波の角周波数ωを乗ずると、両成分の相対位相差φが得られる。
【００３４】
【数５】
また、θSAW はＳｎｅｌｌの法則によって水の音速ｖW と試料の弾性表面波速度ｖSAW の比と関係付けられる。また、
【００３５】
【数６】
（４）式を（３）式に代入し、（３）式中のｃｏｓθSAW をｖSAW ，ｖW によって書き直すと、
【００３６】
【数７】
となる。（５）式によれば、ｖSAW の変化ΔｖSAW による直接反射成分と再放射成分の位相差の変化Δφは、
【００３７】
【数８】
【００３８】である。ここで、ω，Ｚは既知の量であり、θSAW つまりｖSAW は、試料の一点で例えばＶ（Ｚ）曲線法を用いて測定しておくことも可能であるし、弾性理論から導くことも可能であるから既知の量と考えることができる。
【００３９】従って、両成分の位相差の変化を測定することによって、試料の弾性表面波速度の変化が分かる。この原理に基づいて弾性表面波速度の２次元分布を測定、表示する装置を後述する第３実施例にて提案する。
【００４０】再び、Ｖ（Ｚ）曲線に関して説明すると、直接反射成分と再放射成分の位相差φは（３）式に示すとおりＺの変化に対して線形に変化する。従って、Ｚの変化に伴い、φ＝−２ｎπ（ｎ＝１，２，…）が満たされる毎に周期的なＶのディップが観測されることになる。その周期ΔＺは周波数ω／２πを固定すると、
【００４１】
【数９】
【００４２】と一定になる。よって、Ｓｎｅｌｌの法則（４）式を連立させると（１）式が得られる。この（７）式によれば、Ｖ（Ｚ）曲線の周期は、周波数に反比例することが分かる。
【００４３】図１に示したように、Ｖ（Ｚ）曲線の各ディップに対して、｜Ｚ｜の小さいものから順にＤ1 ，Ｄ2 ，…，Ｄk ，…とする。例えば、ω／２π＝４００ＭＨｚのとき、Ｚ＝−１８．６μｍにＤ1 が存在する。また周波数を上げて、ω／２π＝８００ＭＨｚとすると、Ｚ＝−１８．６μｍには、Ｄ2 が位置する。
【００４４】以下同様に、Ｚ＝−１８．６μｍの位置には、４００×ｋＭＨｚの周波数に対してＤk が存在する。すなわち、Ｚ＝−１８．６μｍのデフォーカス量に対し、Δω／２π＝４００ＭＨｚの繰り返しによりディップが観測される。
【００４５】次に、ω／２π＝４００ＭＨｚに対して、Ｚ＝−３７．２μｍの位置にはＤ2が存在する。ω／２π＝２００ＭＨｚに対してはＤ1 が存在、ω／２π＝６００ＭＨｚではＤ3 の存在が観測される。すなわち、Ｚ＝−３７．２μｍではΔω／２π＝２００ＭＨｚの繰返しによりディップが観測される。以上のことから、（３）式から一般にデフォーカス量Ｚに対する繰返し周波数Δω／２πは、
【００４６】
【数１０】
となる。またΔω／２π＝Δｆと書くとき（８）式と（４）式から、
【００４７】
【数１１】
【００４８】が得られ、Δｆを求めれば弾性表面波速度が計算できることが分かる。試料の弾性表面波速度が大きいときは，（８）式のｃｏｓθSAW が大きくなるため、Δｆも大きくなる。
（１＋ｖW ／２ＺΔｆ）2 ＜＜１と見なせる程度に弾性表面波速度が大きい試料に対しては（９）式を近似した
【００４９】
【数１２】
【００５０】が成立する。そこで、デフォーカス量Ｚを固定したまま送信バースト波の搬送周波数ｆを変化させて、音響レンズの受波出力Ｖを測定すれば、その変動周期Δｆから試料の弾性表面波速度を（９）式あるいは（１０）式より求めることができる。以下では、この原理に基づく測定をＶ（ｆ）曲線法と呼ぶことにする。Ｖ（ｆ）曲線法を実現する装置を後述する第１実施例に提示する。
【００５１】このようなＶ（ｆ）曲線法では、周波数を連続的に変化させねばならないが、応力の測定の如く弾性表面波速度の変化を知るだけで良い応用に対しては、Δｆだけ異なる２周波を送波することで十分である。音響レンズで検出される直接反射成分と再放射成分の重ね合わせとしての受波信号の振幅の絶対値２乗をとり、その干渉成分のみをＶT （ω）とすると、
【００５２】
【数１３】
【００５３】となる。ここでＴは（２）式で与えられる両成分の時間差、Ｒ0 は直接反射成分の試料による反射率である。また励起される弾性表面波はＲａｙｌｅｉｇｈ波であるとし、従って再放射成分の試料による反射率は１・ｅｘｐ［ｊπ］＝−１であるとした。上記のＶ（ｆ）曲線にてディップを与える角周波数のうち最低周波数をω0 （≠０）、ディップ間隔をΔωとする。またΔωを与えるような時間差をＴ0 とする。ω0 ，Δω，Ｔ0 の定義から、
【００５４】
【数１４】
が成立する。また２つの周波数ω0 及びω0 ＋Δωで干渉成分は（１１），（１２）式より、
【００５５】
【数１５】
【００５６】となる。いま、試料の弾性表面波速度がΔｖSAW だけ変化し、それに伴って時間差Ｔ0 がＴ＝Ｔ0 ＋ΔＴに変化したとする。このとき、受波信号の干渉部分
【００５７】
【数１６】
をΔＴ／Ｔ0 でティラー展開し、（１２）式を考慮すると、
【００５８】
【数１７】
が得られる。（１５）式と（１４）式の差をとって、
【００５９】
【数１８】
とするとΔＴ／Ｔ0 ＝０の３次迄の精度で、
【００６０】
【数１９】
となる。（１２）式によりω0 ，Δωを消去すると
【００６１】
【数２０】
【００６２】と時間差の変化率の２乗に比例する強度が得られる。ここでＲ0 は定数なので、周波数ω0 とω0 ＋Δωの２点で受波信号強度を測定することにより、時間差の変化率を求めることができる。（６）式をωで割ることによって時間差の変化率は弾性表面波速度の変化率に比例することが分かる。この原理を応用して、弾性表面波速度の分布を測定する装置は後述する第２実施例に提示する。次に、図２に本発明による第１実施例の超音波測定装置の構成を示し、説明する。
【００６３】まず、超音波送受信部を構成する音響レンズ２１はロッド形状のＺカットサファイアの片端面を凹球面に研摩され、反対側の端面には、ＺｎＯ等の圧電トランスデューサ２２が設けられる。前記圧電トランスデューサ２２には、発振信号及び受信信号を伝送するための高周波コネクタ２３が接続される。
【００６４】前記超音波送受信部は、円筒形の支持部材２４内に固定される。この支持部材２４は測定時には、音響カプラの水２５で満たされた水槽２６に没する試料２７上に載置されるものであり、前記音響レンズ２１と試料２７の表面との距離は、試料表面に対する音響レンズ２１のデフォーカス量が、Ｚ（＜０）になるように設置される。
【００６５】前記高周波コネクタ２３は、高周波スイッチ２８の切り替え端子２８ａに接続される。前記高周波スイッチ２８の端子Ｔには、例えばＧａＡｓからなる高周波スイッチを多段に接続してアイソレーションを上げる構成にしたパルス変調器２９に接続される。前記パルス変調器２９には、コンピュータから成る制御演算部３０により指定された周波数を発振する周波数可変可能な発振器３１が接続され、発振された連続波が入力される。前記高周波スイッチ２８の切り替え動作及び前記パルス変調器２９の駆動は、制御演算部３０によって、制御されている。
【００６６】このパルス変調器３０により、周波数１ＧＨｚで、８０ｄＢ程度のＯＮ／ＯＦＦ比、及び５ｎｓｅｃ程度の立上り、立下り速度のパルス変調が比較的容易に実現できる。
【００６７】また前記高周波スイッチ２８の端子Ｒには、前記音響レンズ２１からの受波信号（反射信号）を受信する受信器３２が接続され、この受信器２２からの出力は、Ａ／Ｄ変換器３３でデジタル信号に変換され、前記制御演算部３０に入力するように接続されている。この受信器３２は、高周波増幅器及び検波器から成り、超音波反射信号の振幅を出力する。前記Ａ／Ｄ変換器３３は、前記制御演算部３０の命令により前記超音波反射信号の振幅をＡ／Ｄ変換し制御演算部３０に渡す。そして前記制御・演算部はこのデータを処理しＣＲＴ等の表示部３４に表示する。次に、このように構成された第１実施例の動作について説明する。前記発振器３１は、制御演算部３０によって指定された周波数ｆSTART 、例えば、３００ＭＨｚの連続波を発生する。
【００６８】前記パルス変調器２９は、前記連続波から時間幅τ（例えば２００ｎｓｅｃ）のバースト波を切り出す。このバースト波は、Ｔ側に切換えられている高周波スイッチ２８、高周波コネクタ２３を介して圧電トランスデューサ２２を励振する。前記圧電トランスデューサ２２により発生した平面超音波は、音響レンズ２１の凹球面部により収束超音波となって、試料２７に投射される。前記音響レンズ２１の焦点は、試料表面に対して、“Ｚ”だけデフォーカスされているため、反射波は直接反射成分と再放射成分の２成分となる。
【００６９】前記圧電トランスデューサ２２は、前記２成分の重ね合わせから成る反射信号を出力する。前記反射信号は、高周波コネクタ２３及びＲ側に切換えられている高周波スイッチ２８を介して受信器３２に入って増幅・検波された後、Ａ／Ｄ変換器３３にてディジタル信号となり、前記制御演算部３０に周波数ｆSTART に対応する反射振幅Ｖ（ｆSTART ）これをＶ0 とする形で記憶される。
【００７０】次に前記制御演算部３０は、発振器３１の周波数をｆSTEP（例えば１ＭＨｚ）だけ上げてｆSTART ＋１・ｆSTEPとして、前述した動作を行い、反射振幅Ｖ（ｆSTART ＋１・ｆSTEP）（以下、Ｖ1 と称する）を記憶する。以上のプロセスをｎ＋１回繰り返すと、
【００７１】
【数２１】
が得られる。
【００７２】ここでｆSTOP＝ｆSTART ＋ｎSTEPであり、例えばｎ＝２００なら５０００ＭＨｚである表示部３４にはこのグラフＶ（ｆ）が表示される。また、制御演算部３０では、
【００７３】
【数２２】
【００７４】となるようなディップ周波数ｆi を検出し、隣り合うディップの周波数の差Δfを求め、（９）式から弾性表面波速度ｖSAWを計算するように構成し、表示部３４に表示する。このような第１実施例の効果について述べる。
【００７５】従来の弾性表面波速度ｖW を求めるＶ（Ｚ）曲線法では、音響レンズのデフォーカス量Ｚを変化させるための精密なステージが必要であったのに対し、本実施例では“Ｚ”を固定することができるため、センサ部が小型となる。従って、試料上にセンサ部を載置するだけの簡単な操作によって実現でき、同時に試料の大きさに影響されないという効果がある。
【００７６】本実施例では、音響レンズ２１の代わりに収束超音波を発生させる素子全てを使用することができる。例えば凹球面状に加工した圧電トランスデューサでも良いし、線収束型の音響レンズでも良い。また、Ｚステージを備えたＶ（Ｚ）曲線用の装置でも、Ｚを固定することにより同様の送受信部及び信号処理法を使ってＶ（ｆ）を測定できる。また、前記制御演算部３０は、ディップ間周波数を求めるとしたがピーク間周波数を求めるようにしても良いことは明らかである。またＶ（ｆ）曲線をフーリエ変換しそのピーク周波数を検出してＶ（ｆ）曲線の変動周期を求める構成でも良い。Δｆのデータから（９）式あるいは（１０）式の計算を行い表示させる構成でも良い。
【００７７】次に図３に第２実施例の超音波測定装置の構成を示し、説明する。ここで、第２実施例を構成する構成部材において、第１実施例と同等のものは、同じ参照番号を付して、その説明を省略する。
【００７８】超音波送受信部上に設けられたＸ走査部３５は、例えば平行板バネで支持されたボイスコイル（図示せず）で構成され、音響レンズ２１を５０Ｈｚ程度の駆動電流の印加で１ｍｍ程度の振幅でＸ方向に、往復走査させる。
【００７９】前記Ｘ走査部１５上には、Ｚステージ３６が設けられ、これはボールネジ駆動，リニアモーションガイド案内のメカニカルステージであり、前記Ｘ走査部３５及び音響レンズ２１を垂直方向（Ｚ方向）に移動し、かつ固定することが可能なように構成される。さらに前記Ｚステージ３６上にノブ３７が設けられ、Ｚステージ３６のボールネジに固定される。
【００８０】また前記Ｚステージ３６を固定する台座３８上にＹ走査部３９が設けられ、該Ｙ走査部３９は、パルスモータで駆動されるボールネジとリニアモーションガイドで案内される電動ステージで構成され、前記試料２７をＹ方向に０．１ｍｍ／ｓｅｃ程度の速度で移動する。
【００８１】そして、受信器３２は、前記音響レンズ２１からの反射信号を増幅した後、ダイオードによる２乗検波をする。次に第１サンプル＆ホールド回路（以下、Ｓ＆Ｈと称する）４０及び、第２サンプル＆ホールド回路（Ｓ＆Ｈ）４１は、それぞれ前記制御演算部３０から指定された時刻に、前記受信器３２の出力電圧を保持すると共に、前記第１Ｓ＆Ｈ４０，４１の出力は、前記制御演算部３０より、“０”にすることもできる。
【００８２】前記演算器４２は、前記第１Ｓ＆Ｈ４０と第２Ｓ＆Ｈ４１の出力電圧の差を算出した後、直接若しくは、その電圧差の平方根をとって、Ａ／Ｄ変換器３３に出力する。
【００８３】前記制御演算部３０は、前記Ａ／Ｄ変換器３３からの出力を記憶する画像メモリを内蔵し、表示部３４に表示することも可能である。また走査駆動部４３は、前記制御演算部３０から指定される変位量をＸ走査部３５、Ｙ走査部３９に与える。次に、このように構成された第２実施例の動作について説明する。
【００８４】まず、試料２７のＶ（ｆ）曲線を測定する。そのために、Ｘ走査部３５及びＹ走査部３９を固定し、Ｚステージ３６を用いて、音響レンズ２１の焦点を試料２７の表面に対し、Ｚ（＜０）だけデフォーカスして固定する。
【００８５】前記制御演算部３０は、前記第１Ｓ＆Ｈ４０の出力を“０”に設定すると共に、前記演算器４２が平方根を演算しないモードに設定する。そして制御演算部３０は、所定周波数を掃引しながら、前記第２Ｓ＆Ｈ４１で保持される反射信号強度を取り込むことによってＶ（ｆ）曲線を測定する。さらにこのＶ（ｆ）曲線の任意のディップ周波数ω0 及びディップ間隔Δωを計算し、第１段階を終了する。
【００８６】次に、第１段階で測定した点に対する他の点の弾性表面波速度の変化を２次元表示する。このために、Ｘ走査部３５、Ｙ走査部３９を駆動し、前記音響レンズ２１が、試料２７の表面を２次元走査するようにする。前記演算器４２は、平方根を演算して出力するモードに設定する。
【００８７】そして測定するための超音波の送受が、前記試料２７の表面上の任意の各点で２回行なわれる。１回目は、前記制御演算部３０が前記発振器３１の周波数をω0 に設定して、ω0 に対する反射波の強度は、
【００８８】
【数２３】
となる。ただし、１2 は再放射成分の反射率の絶対値２乗を意味する。この反射波の強度を第１Ｓ＆Ｈ４０が保持する。次に制御演算部３０が発振器３１の周波数をω0 ＋Δωに設定して、ω0 ＋Δωに対する反射波の強度は、
【００８９】
【数２４】
となり、この反射波の強度を第２Ｓ＆Ｈ４１が保持する。前記演算器４２は、これら２信号の差
【００９０】
【数２５】
【００９１】をとり、さらにその平方根を演算して、時間差の変化率｜ΔＴ｜／Ｔ0 ｜に比例する電圧を出力する（前記（１６）式を参照する）。この電圧を前記Ａ／Ｄ変換器３３によってデジタル化し、前記制御演算部３０の画像メモリに記憶する。以上の測定を前記Ｘ走査部３５、前記Ｙ走査部３９を駆動しながら行い、試料２７の表面における時間差の変化率分布を前記表示部３４に表示する。ここで表示された画像は、（６）式から分かるように弾性表面波速度の変化の絶対値に比例したコントラストを持つ。次に第２実施例の効果について述べる。
【００９２】この第２実施例では、弾性表面波速度の変化による、直接反射成分と再放射成分の音響レンズへの到着時間差の変化を、２つの異なる周波数での反射強度を測定するだけで検出可能とした。焦点距離５００μｍの音響レンズを使用したとき、送波から受波までに要する時間は、１０μｓｅｃ程度なので、６４０×４８０画素の時間差変化画像を１０秒以内に得ることができる。これは前記のＬｉａｎｇらの装置（１点の受波信号の位相を得るための時間は４０ｍｓｅｃ以上）に比べ１０００倍以上の速度である。
【００９３】第２実施例では、ω0 を最低ディップ周波数としたが、任意のディップ周波数としても良い。このとき（１６）式の比例係数が変化するだけである。また同じ理由でω0 をＶ（ｆ）曲線のピークを与える周波数の１つにしても良い。また同一種類の試料を多数測定する場合や試料の一部の弾性表面波速度が既知である場合には、制御演算部３０にω0 ，Δωを記憶させておき、このパラメータにより画像化しても良い。このとき、画像化前のＶ（ｆ）曲線の測定は不要となる。また図３において、
【００９４】
【数２６】
【００９５】を求めるために、前記演算器４２によるアナログ信号処理を使用したが、前記第１Ｓ＆Ｈ４０，第２Ｓ＆Ｈ４１の出力をそれぞれディジタル信号に変換し、異なる画像メモリに取り込んでも良い。このとき、画像メモリ間の演算すなわち差をとる演算と平方根をとる演算には、高速のディジタルシグナルプロセッサが利用可能である。
【００９６】また第２実施例の構成では、“Ｚ”を大きくとる程、試料によっては受信器の出力のＳＮ比が悪化する。このときは、送波を同一周波数で複数回行ないボックスカー積分器等の平均化手段を受信器に設けても良い。
【００９７】次に図４に第３実施例の超音波測定装置の構成を示し、説明する。ここで、ここで、第３実施例を構成する構成部材において、第２実施例と同等のものは、同じ参照番号を付して、その説明を省略する。
【００９８】この第３実施例の超音波測定装置において、高周波増幅器４４は、反射信号を所望の電圧まで増幅する。例えば、試料２７が完全反射体（反射率１００％）のとき、５０Ω終端時２Ｖp-p 程度の出力電圧が得られるように増幅率が設定される。
【００９９】また、直交位相検波器４５は、特開平３−１８２６４５号広報に述べられているもので、９０°ハイブリッド，２個のダブルバランスミクサー及び２個のローパスフィルタで構成される。この直交位相検波器４５への入力信号は、高周波増幅器４４から出力された反射信号と発振器３１から出力された参照波であり、該直交位相検波器４５からの出力信号は、反射信号のうち参照波と同一位相の成分（インフエーズ成分）の振幅と９０°位相がずれている成分（クォードラチュア成分）の振幅の２つである。
【０１００】第３サンプル＆ホールド回路（以下、第３Ｓ＆Ｈ）４６と、第４Ｓ＆Ｈ４７は制御演算部３０の指示する同一のタイミングで、前記直交位相検波器４４の出力電圧を保持する。そして、Ａ／Ｄ変換器４８とＡ／Ｄ変換器４９は、前記第３Ｓ＆Ｈ４６と前記第４Ｓ＆Ｈ４７から出力された各出力電圧を例えば、８ビットのディジタル信号に変換する。ここで、前記Ａ／Ｄ変換器４８の出力信号をＶI 、前記Ａ／Ｄ変換器４９の出力信号をＶQ とする。よって、ＲＯＭ５０は、例えばアドレス１６ビット、データ１６ビットのＲＯＭであり、アドレスバスの上位８ビットにはＶI 、下位８ビットにはＶQ が入力される。また前記ＲＯＭ５０のアドレス（ａｂｃｄ）H には、
【０１０１】
【数２７】
【０１０２】のデータを記録しておく。前記ＲＯＭ５０のデータは、前記制御演算部３０の画像メモリのフレーム１に送られる。また、ＲＯＭ５１も例えばアドレス１６ビット、データ１６ビットのＲＯＭであり、アドレスバスの上位８ビットにはＶI 、下位８ビットにはＶQ が入力される。またＲＯＭ５１のアドレス（ａｂｃｄ）Hには、
【０１０３】
【数２８】
【０１０４】のデータを記録しておく。前記ＲＯＭ５１のデータは、前記制御演算部３０の画像メモリのフレーム２に送られる。前記制御演算部３０は、画像メモリのフレーム１、フレーム２の画像を表示部３４に表示する。次に、このように構成された第３実施例の動作について説明する。
【０１０５】まず、ノブ３７を回転させて、Ｚステージ３６を駆動し、音響レンズ２１の焦点を試料２７の表面に対して、Ｚ（＜０）だけデフォーカスさせた位置で、前記Ｚステージ３６を固定する。
【０１０６】そして、前記制御演算部３０は、発振器３１の発振周波数を“ω”に固定する。この周波数ωは、例えば前記音響レンズ２１に含まれる圧電トランスデューサ（図示せず）の厚さをｔ，音速をｃとしたとき、Ｃ・２π／ω＝２ｔとなるように設定する。
【０１０７】従って、前記周波数ωの連続波は、分配され、一方はパルス変調器２９に入力されて、時間幅τのバースト波に変調される。この第３実施例でも試料２７からの直接反射成分と再放射成分の干渉を利用するため、バースト波の時間幅τは、（２）式で与える両成分の時間差Ｔよりも大きく設定する。
【０１０８】前記発振器３１の分配された出力の他方は、連続波の状態で、直交位相検波器４５に入力され、位相検波の参照波として利用される。前記パルス変調器２９から出力されたバースト波は、高周波スイッチ２８を介して、音響レンズ２１に入り、収束超音波となって試料２７に放射される。また前記音響レンズ２１は、“Ｚ”だけデフォーカスされているため、その出力信号は、直接反射成分と再放射成分の重ね合わせとなり、それに帰因する位相変化（（３）式にωを乗じた位相）を受ける。以下、これを反射信号と称する。
【０１０９】前記反射信号は、前記高周波スイッチ２８を介して高周波増幅器４４に入力され、所定の増幅率で増幅された後、前記直交位相検波器４５によって、インフェーズ成分，クォードラチュア成分に分離される。各々の成分は、送信バースト波の時間幅τ程度（ω／２π＝４００ＭＨｚではτは数百ｎｓｅｃ）の継続時間しか持たないため、第３Ｓ＆Ｈ４６，第４Ｓ＆Ｈ４７で振幅を保持された後、前記Ａ／Ｄ変換器４８、４９によって、ディジタル信号ＶI ，ＶQ となる。
【０１１０】この両信号から、前記ＲＯＭ５０は反射信号の振幅Ａを、前記ＲＯＭ５１は反射信号の位相φを出力し、それぞれ画像メモリのフレーム１，フレーム２に取り込まれ、Ｘ走査部３５、Ｙ走査部３９を駆動しながら、前述した測定工程を繰り返す実施し、画像メモリのフレーム１には試料表面の振幅像Ａ（ｘ，ｙ），フレーム２には試料表面の位相像φ（ｘ，ｙ）が蓄積される。
【０１１１】ここで、各φ（ｘ，ｙ）には、前記発振器３１から出力された波が、反射波となって、前記直交位相検波器４５に入力されるまでの伝播遅延時間による位相遅れが含まれる。
【０１１２】前記音響レンズ２１のデフォーカス量Ｚが一定のとき、伝播遅延時間も一定である。φ（ｘ，ｙ）からこの一定量の位相遅れを引くことにより、純粋に直接反射成分と再反射成分の干渉効果の位相φI （ｘ，ｙ）をとり出すことができる。前記制御演算部３０によって、前述し演算を行い、φI （ｘ，ｙ）を画像メモリのフレーム３（図示せず）に蓄積する。フレーム１（図示せず）及び前記フレーム３の内容は、前記表示部３４に表示される。特に前記フレーム３を画像表示する、すなわち位相画像を表示すると、そのコントラストは、（６）式に示したように弾性表面波速度ｖSAW の変化率に比例したものである。次に第３実施例の超音波測定装置の効果を説明する。
【０１１３】第３実施例では、弾性表面波速度の変化による直接反射成分と再放射成分の音響レンズへの到着時間差に伴う位相情報を含む反射信号の振幅と位相を、１つの周波数で検出可能とした。第３実施例は、前述した第２実施例と同様に振幅像、位相像の両方を得るために必要な時間が、１０秒以内と従来法に比べ非常に高速になる。
【０１１４】弾性表面波速度の変化率は、例えば試料に存在する応力に比例する。すなわち位相像は応力分布像に読み換えることができる。一方、超音波の振幅像は試料表面に存在するクラック等に敏感である。そこで、振幅像にてクラックを検出し、位相像にてクラックの周囲に発生している残留応力を測定するとにより、クラック進展の予測等材料の力学的な総合評価が可能になる。また、これまで述べてきた実施例では、測定の局所性を上げるために、デフォーカス量｜Ｚ｜を小さくしなければならない。第１実施例及び第２実施例では、｜Ｚ｜に反比例してΔｆが大きくなってしまうため、前記｜Ｚ｜を小さくすることが必然的に広帯域の圧電トランスデューサを要求することになる。
【０１１５】例えば、焦点距離５００μｍ、開口半角６０°、動作中心周波数６００ＭＨｚの音響レンズと弾性表面波速度ｖSAW ＝３４３０ｍ／ｓの溶融石英を用い、Ｚ＝−１８．６μｍとすると超音波のスポット径は約６５μｍになり、従来の問題点てあったスポット径に比べ約１桁の改善がなされる。但し、ディップ周波数は、４００ＭＨｚ，８００ＭＨｚ，…と４００ＭＨｚきざみになり、音響レンズは少なくとも６７％の比帯域幅を持たねばならない。一方、第３実施例では、動作周波数を１点に固定されるため、音響レンズの音響的、電気的な整合がとり易く高感度なシステムが実現できる。
【０１１６】さらに第２実施例においては、弾性表面波速度変化の絶対値のみが画像化されるのに対し、この第３実施例では、（６）式から分かるように、符号付で弾性表面波速度の変化を検出することができる。
【０１１７】また、試料が膜構造を有するときには一般化Ｌａｍｂ波と呼ばれる速度分散性のある表面波が励起される。第１実施例、第２実施例では周波数を変化させる必要があるため、膜構造を有する試料の弾性表面波速度の変化を解析するのは困難である。一方、本実施例では周波数を固定しているので、このような試料でも容易に解析することができる。
【０１１８】第３実施例においては、Ａ／Ｄ変換器のインフェーズ出力とクォードラチュア出力をＲＯＭ５０とＲＯＭ５１によって、振幅Ａと位相φに翻訳したが、画像メモリに４つのフレームを用意し、第１，第２のフレームにそれぞれインフェーズ出力とクォードラチュア出力を蓄積しても良い。このとき、高速のディジタル信号処理器を制御・演算部に内蔵し、第１，第２フレームのデータを振幅と位相に翻訳し第３，第４のフレームに蓄積すれば良い。また、直交位相検波器２５の代わりに、参照波の位相を任意に変化する移相器と任意に変化された参照波と高周波増幅器の出力を乗算しローパスフィルターを通す位相検波器としても良い。このときには位相器の移相量を９０°変化させて、各々の移相量に対し送受波を行うことで直交位相検波と同様の作用ができる。
【０１１９】さらに、試料面の弾性表面波速度の変化が小さいときは、走査開始点での位相検波器の出力を“０”にしておくことにより、走査時の位相検波器の出力は、直接位相の変化量であると見なすことができ、前述したＲＯＭ等の翻訳手段が不要になる。また本発明は、前述した一実施例に限定されるものではなく、他にも発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形や応用が可能であることは勿論である。
【０１２０】
【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、試料と電気音響変換器との距離を変化させることなく弾性表面波速度またはその変化を高速に測定することができる。このため単純な機構により弾性表面波速度またはその変化の試料表面分布を表示することが可能になる。また、弾性表面波速度またはその変化の測定には機械的な移動精度は関係しないので、極めて高精度な測定装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の概念を説明するためのＶ（Ｚ）曲線の一例を示す図である。
【図２】図２は、本発明の第１実施例の超音波測定装置の構成を示す図である。
【図３】図３は、本発明の第２実施例の超音波測定装置の構成を示す図である。
【図４】図４は、本発明の第３実施例の超音波測定装置の構成を示す図である。
【図５】図５は、従来の超音波顕微鏡の構成を示す図である。
【図６】図６は、従来の超音波顕微鏡の動作を示すタイムチャートである。
【符号の説明】
１…送信部、２，２２…（圧電）トランスデューサ、３…前置増幅器、４…サーキュレータ、５，２１…音響レンズ、６、２５…カプラ液体、７，２７…試料、８，３５…Ｘ走査部、９…試料台、１０…Ｚ走査部、１１…乗算部、１２…ピーク検出部、１３，３３，４８，４９…Ａ／Ｄ変換部、１４…メモリ、１５…コンピュータ、１６，３４…表示部、１７…制御部、２３…高周波コネク、２４…支持部材、２６…水槽、２８…高周波スイッチ、２９…パルス変調器、３０…制御演算部、３１…発振器、３２…受信器、３６…Ｚステージ、３７…ノブ、３８…台座、３９…Ｙ走査部、４０，４１，４６，４７…Ｓ＆Ｈ、４２，４８，４９…演算器、４５…直交位相検波器、５０，５１…ＲＯＭ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 試料に集束超音波ビームを送波し、該試料からの反射超音波ビームを受波する電気音響変換器と、前記集束超音波ビームを前記試料の表面に対しデフォーカスさせた位置に前記電気音響変換器と前記試料の距離を固定する高さ固定手段と、少なくとも前記試料からの直接反射成分と再放射成分が前記電気音響変換器にて重なり合う継続時間を有し搬送周波数が可変であるバースト波を発生する送信器と、前記電気音響変換器の受波信号強度を出力する受信器と、前記バースト波の搬送周波数を変化し前記受信器の出力を蓄積するスペクトラム測定手段と、前記スペクトラム測定手段に蓄積されたスペクトラムを表示する表示手段とを具備することを特徴とする超音波測定装置。
【請求項２】 請求項１記載超の前記スペクトラム測定手段は、スペクトラムの変動周期Δｆを計算する演算器を含み、前記表示手段は前記変動周期を表示する部分を含むことを特徴とする超音波測定装置。
【請求項３】 請求項２記載の前記演算器は、スペクトラムのディップ間周波数及びピーク間周波数のいずれか一方を算出する周期算出部を具備し、前記受信器は平均化手段を具備することを特徴とする超音波測定装置。
【請求項４】 請求２項記載の前記演算器は、スペクトラムをフーリエ変換するフーリエ変換部と該フーリエ変換部の出力のピーク周波数を検出するピーク検出部と該ピーク周波数の逆数をとる逆数演算部を含むことを特徴とする超音波測定装置。
【請求項５】 請求項２記載の前記演算器は、水の音速ｖW と前記集束超音波ビームのデフォーカス量｜Ｚ｜を記憶するパラメータ記憶部と、関数演算
【数１】
及び、
【数２】
のいずれか一方を行なう関数演算部を含み、表示部は関数演算部の出力を表示する部分を含むことを特徴とする超音波測定装置。
【請求項６】 試料に集束超音波ビームを送波し、該試料からの反射超音波ビームを受波する電気音響変換器と、前記集束超音波ビームを前記試料の表面にデフォーカスさせた位置に前記電気音響変換器と前記試料の距離を調整自在に固定する高さ固定手段と、前記試料の表面に対向する面内にて前記電気音響変換器と試料の相対位置を変化させる走査手段と、少なくとも前記試料からの直接反射成分及び、再放射成分が前記電気音響変換器にて重なり合う継続時間を有し、搬送周波数が可変であるバースト波を発生する送信器と、前記電気音響変換器の受波信号強度を出力する受信器と、前記走査手段を停止させた状態で前記バースト波の搬送周波数を変化し前記受信器の出力を蓄積するスペクトラム測定手段と、該スペクトラム測定手段に蓄積されたスペクトラムの変動周期Δｆを計算する演算器と、前記走査手段を駆動させた状態で前記試料の所定箇所に対し搬送周波数がΔｆ異なる複数のバースト波を前記送信器に送信させる周波数設定手段と、少なくとも各々のバースト波に対する前記受信器の出力の差をとる差動演算器と、該差動演算器の出力を蓄積する画像メモリと該画像メモリの内容を表示する表示部を有することを特徴とする超音波測定装置。
【請求項７】 請求項６記載の周期Δｆ異なる複数の前記バースト波が、前記スペクトラムの隣り合うディップ周波数及び隣り合うピーク周波数のいずれか一方を前記搬送周波数とし、前記差動演算器が平方根演算を含み、前記受信器が平均化手段を備えることを特徴とする超音波測定装置。
【請求項８】 試料に集束超音波ビームを送波し、該試料からの反射超音波ビームを受波する電気音響変換器と、前記集束超音波ビームを前記試料の表面に対しデフォーカスさせた位置に前記電気音響変換器と前記試料の距離を調整自在に固定する高さ固定手段と、前記試料の表面に対向する面内にて前記電気音響変換器と試料の相対位置を変化させる走査手段と、少なくとも前記試料からの直接反射成分と再放射成分が前記電気音響変換器にて重なり合う継続時間を有し搬送周波数が可変であるバースト波を発生する送信器と、前記電気音響変換器の受波信号強度を出力する受信器と、変動周期Δｆだけ異なる複数の周波数データを記憶するパラメータ記憶器と、前記走査手段を駆動させた状態で前記試料の１点に対し搬送周波数がΔｆ異なる複数のバースト波を前記送波器に送波させる周波数設定手段と、少なくとも各々のバースト波に対する前記受信器の出力の差をとる差動演算器と、該差動演算器の出力を蓄積する画像メモリと該画像メモリの内容を表示する表示部を有することを特徴とする超音波測定装置。
【請求項９】 請求項８記載の前記パラメータ記憶器が周波数データを装置外部より入力する入力部と、前記受信器が平均化手段とを具備することを特徴とする超音波測定装置。
【請求項１０】 試料に集束超音波ビームを送波し、該試料からの反射超音波ビームを受波する電気音響変換器と、前記集束超音波ビームを前記試料の表面に対しデフォーカスさせた位置に前記電気音響変換器と前記試料の距離を調整自在に固定する高さ固定手段と、前記試料の表面と対向する面内にて前記電気音響変換器と試料の相対位置を変化させる走査手段と、少なくとも前記試料からの直接反射成分と再放射成分が前記電気音響変換器にて重なり合う継続時間を有し搬送周波数が可変であるバースト波を発生する送信器と、前記電気音響変換器の受波信号強度を出力する受信器と、前記走査手段を駆動させた状態で前記試料の所定箇所に搬送周波数が変動周期Δｆ異なる複数のバースト波を前記送信器に送信させる周波数設定手段と、少なくとも３つのフレームを具備する画像メモリと、該画像メモリの第１のフレームと第２のフレームにそれぞれ搬送周波数の異なるバースト波に対する前記受信器の出力を選択的に蓄積する受波信号選択手段と、前記画像メモリの第１のフレームと第２のフレームのデータを演算して第３のフレームに蓄積するディジタル信号処理器と、前記画像メモリに蓄積された画像を表示する表示手段を有することを特徴とする超音波測定装置。
【請求項１１】 請求項１０記載の前記ディジタル信号処理器は差演算及び平方根演算のいずれか一方を含み、前記受信器が平均化手段を備えることを特徴とする超音波測定装置。
【請求項１２】 試料に集束超音波ビームを送波し、該試料からの反射超音波ビームを受波する電気音響変換器と、前記集束超音波ビームを前記試料の表面に対しデフォーカスさせた位置に前記電気音響変換器と前記試料の距離を調整自在に固定する高さ固定手段と、前記試料の表面に対向する面内にて前記電気音響変換器と試料の相対位置を変化させる走査手段と、高周波連続波を発生する発振器と、少なくとも前記試料からの直接反射成分と再放射成分が前記電気音響変換器にて重なり合う継続時間を有するバースト波に前記高周波連続波の一部を変調するパルス変調器と、前記電気音響変換器の受波信号を増幅する高周波増幅器と、前記高周波連続波の他の一部を参照波とし前記受波信号の少なくとも位相を検出する検出器と、前記走査手段を駆動させた状態で少なくとも前記位相を蓄積する画像メモリと、前記画像メモリに蓄積された画像を表示する表示手段を具備することを特徴とする超音波測定装置。
【請求項１３】 請求項１２記載の前記検出器が、検出された位相から一定量の位相を差し引く演算器と、前記受信器が平均化手段とを具備することを特徴とする超音波測定装置。
【請求項１４】 請求項１２記載の前記検出器は、直交位相検波器であり、画像メモリは少なくとも３つのフレームとディジタル信号処理器を有し、前記画像メモリの第１のフレームは前記直交位相検波器のインフェーズ出力を蓄積し第２のフレームは前記直交位相検波器のクォードラチュアフェーズ出力を蓄積し、前記ディジタル信号処理器は第１フレームと第２フレームのデータの比演算、Ａｒｃｔａｎ演算及び符号判定に従う±πの加算を行い第３のフレームに蓄積することを特徴とする超音波測定装置。
【請求項１５】 請求項１２記載の前記検出器は直交位相検波器であり、画像メモリは少なくとも４つのフレームとディジタル信号処理器を有し、前記画像メモリの第１のフレームは前記直交位相検波器のインフェーズ出力を蓄積し第２のフレームは前記直交位相検波器のクォードラチュアフェーズ出力を蓄積し、前記ディジタル信号処理器は第１フレームと第２フレームのデータの２乗和の平方根をとって第３のフレームに蓄積しかつ第１フレームと第２フレームのデータの比演算、Ａｒｃｔａｎ演算及び符号判定に従う±πの加算を行い第４のフレームに蓄積することを特徴とする超音波測定装置。
【請求項１６】 請求項１２記載の前記検出器は、直交位相検波器と該直交位相検波器の各出力をディジタル化するＡＤ変換器と少なくとも２バイトのアドレスバスを有する少なくともＲＯＭ手段を具え、該アドレスバスの各バイトにはそれぞれＡＤ変換器のインフェーズ出力、クォードラチュアフェーズ出力が接続されかつ前記ＲＯＭ手段のデータは対応するアドレスの上位バイトと下位バイトの比に対しArctan及び符号判定に従う±πの加算をされたものであることを特徴とする超音波測定装置。
【請求項１７】 請求項１２記載の前記検出器は、直交位相検波器と該直交位相検波器の各出力をディジタル化するＡＤ変換器と、少なくとも２バイトのアドレスバスを有するＲＯＭ手段を備え、各ＲＯＭ手段のアドレスバスの各バイトには、それぞれＡＤ変換器のインフェーズ出力、クォードラチュアフェーズ出力が接続され、第１のＲＯＭ手段のデータは対応するアドレスの上位バイトと下位バイトの２乗和の平方根であり、第２のＲＯＭ手段のデータは対応するアドレスの上位バイトと下位バイトの比に対しArctan及び符号判定に従う±πの加算をされたものであることを特徴とする超音波測定装置。
【請求項１８】 請求項１２記載の前記検出器は、移相量が可変の移相器と該移相器の移相量を設定する位相設定手段と位相検波器を備え、参照波は前記移相器に入力されることを特徴とする超音波測定装置。
【請求項１】 試料に集束超音波ビームを送波し、該試料からの反射超音波ビームを受波する電気音響変換器と、前記集束超音波ビームを前記試料の表面に対しデフォーカスさせた位置に前記電気音響変換器と前記試料の距離を固定する高さ固定手段と、少なくとも前記試料からの直接反射成分と再放射成分が前記電気音響変換器にて重なり合う継続時間を有し搬送周波数が可変であるバースト波を発生する送信器と、前記電気音響変換器の受波信号強度を出力する受信器と、前記バースト波の搬送周波数を変化し前記受信器の出力を蓄積するスペクトラム測定手段と、前記スペクトラム測定手段に蓄積されたスペクトラムを表示する表示手段とを具備することを特徴とする超音波測定装置。
【請求項２】 請求項１記載超の前記スペクトラム測定手段は、スペクトラムの変動周期Δｆを計算する演算器を含み、前記表示手段は前記変動周期を表示する部分を含むことを特徴とする超音波測定装置。
【請求項３】 請求項２記載の前記演算器は、スペクトラムのディップ間周波数及びピーク間周波数のいずれか一方を算出する周期算出部を具備し、前記受信器は平均化手段を具備することを特徴とする超音波測定装置。
【請求項４】 請求２項記載の前記演算器は、スペクトラムをフーリエ変換するフーリエ変換部と該フーリエ変換部の出力のピーク周波数を検出するピーク検出部と該ピーク周波数の逆数をとる逆数演算部を含むことを特徴とする超音波測定装置。
【請求項５】 請求項２記載の前記演算器は、水の音速ｖW と前記集束超音波ビームのデフォーカス量｜Ｚ｜を記憶するパラメータ記憶部と、関数演算
【数１】
及び、
【数２】
のいずれか一方を行なう関数演算部を含み、表示部は関数演算部の出力を表示する部分を含むことを特徴とする超音波測定装置。
【請求項６】 試料に集束超音波ビームを送波し、該試料からの反射超音波ビームを受波する電気音響変換器と、前記集束超音波ビームを前記試料の表面にデフォーカスさせた位置に前記電気音響変換器と前記試料の距離を調整自在に固定する高さ固定手段と、前記試料の表面に対向する面内にて前記電気音響変換器と試料の相対位置を変化させる走査手段と、少なくとも前記試料からの直接反射成分及び、再放射成分が前記電気音響変換器にて重なり合う継続時間を有し、搬送周波数が可変であるバースト波を発生する送信器と、前記電気音響変換器の受波信号強度を出力する受信器と、前記走査手段を停止させた状態で前記バースト波の搬送周波数を変化し前記受信器の出力を蓄積するスペクトラム測定手段と、該スペクトラム測定手段に蓄積されたスペクトラムの変動周期Δｆを計算する演算器と、前記走査手段を駆動させた状態で前記試料の所定箇所に対し搬送周波数がΔｆ異なる複数のバースト波を前記送信器に送信させる周波数設定手段と、少なくとも各々のバースト波に対する前記受信器の出力の差をとる差動演算器と、該差動演算器の出力を蓄積する画像メモリと該画像メモリの内容を表示する表示部を有することを特徴とする超音波測定装置。
【請求項７】 請求項６記載の周期Δｆ異なる複数の前記バースト波が、前記スペクトラムの隣り合うディップ周波数及び隣り合うピーク周波数のいずれか一方を前記搬送周波数とし、前記差動演算器が平方根演算を含み、前記受信器が平均化手段を備えることを特徴とする超音波測定装置。
【請求項８】 試料に集束超音波ビームを送波し、該試料からの反射超音波ビームを受波する電気音響変換器と、前記集束超音波ビームを前記試料の表面に対しデフォーカスさせた位置に前記電気音響変換器と前記試料の距離を調整自在に固定する高さ固定手段と、前記試料の表面に対向する面内にて前記電気音響変換器と試料の相対位置を変化させる走査手段と、少なくとも前記試料からの直接反射成分と再放射成分が前記電気音響変換器にて重なり合う継続時間を有し搬送周波数が可変であるバースト波を発生する送信器と、前記電気音響変換器の受波信号強度を出力する受信器と、変動周期Δｆだけ異なる複数の周波数データを記憶するパラメータ記憶器と、前記走査手段を駆動させた状態で前記試料の１点に対し搬送周波数がΔｆ異なる複数のバースト波を前記送波器に送波させる周波数設定手段と、少なくとも各々のバースト波に対する前記受信器の出力の差をとる差動演算器と、該差動演算器の出力を蓄積する画像メモリと該画像メモリの内容を表示する表示部を有することを特徴とする超音波測定装置。
【請求項９】 請求項８記載の前記パラメータ記憶器が周波数データを装置外部より入力する入力部と、前記受信器が平均化手段とを具備することを特徴とする超音波測定装置。
【請求項１０】 試料に集束超音波ビームを送波し、該試料からの反射超音波ビームを受波する電気音響変換器と、前記集束超音波ビームを前記試料の表面に対しデフォーカスさせた位置に前記電気音響変換器と前記試料の距離を調整自在に固定する高さ固定手段と、前記試料の表面と対向する面内にて前記電気音響変換器と試料の相対位置を変化させる走査手段と、少なくとも前記試料からの直接反射成分と再放射成分が前記電気音響変換器にて重なり合う継続時間を有し搬送周波数が可変であるバースト波を発生する送信器と、前記電気音響変換器の受波信号強度を出力する受信器と、前記走査手段を駆動させた状態で前記試料の所定箇所に搬送周波数が変動周期Δｆ異なる複数のバースト波を前記送信器に送信させる周波数設定手段と、少なくとも３つのフレームを具備する画像メモリと、該画像メモリの第１のフレームと第２のフレームにそれぞれ搬送周波数の異なるバースト波に対する前記受信器の出力を選択的に蓄積する受波信号選択手段と、前記画像メモリの第１のフレームと第２のフレームのデータを演算して第３のフレームに蓄積するディジタル信号処理器と、前記画像メモリに蓄積された画像を表示する表示手段を有することを特徴とする超音波測定装置。
【請求項１１】 請求項１０記載の前記ディジタル信号処理器は差演算及び平方根演算のいずれか一方を含み、前記受信器が平均化手段を備えることを特徴とする超音波測定装置。
【請求項１２】 試料に集束超音波ビームを送波し、該試料からの反射超音波ビームを受波する電気音響変換器と、前記集束超音波ビームを前記試料の表面に対しデフォーカスさせた位置に前記電気音響変換器と前記試料の距離を調整自在に固定する高さ固定手段と、前記試料の表面に対向する面内にて前記電気音響変換器と試料の相対位置を変化させる走査手段と、高周波連続波を発生する発振器と、少なくとも前記試料からの直接反射成分と再放射成分が前記電気音響変換器にて重なり合う継続時間を有するバースト波に前記高周波連続波の一部を変調するパルス変調器と、前記電気音響変換器の受波信号を増幅する高周波増幅器と、前記高周波連続波の他の一部を参照波とし前記受波信号の少なくとも位相を検出する検出器と、前記走査手段を駆動させた状態で少なくとも前記位相を蓄積する画像メモリと、前記画像メモリに蓄積された画像を表示する表示手段を具備することを特徴とする超音波測定装置。
【請求項１３】 請求項１２記載の前記検出器が、検出された位相から一定量の位相を差し引く演算器と、前記受信器が平均化手段とを具備することを特徴とする超音波測定装置。
【請求項１４】 請求項１２記載の前記検出器は、直交位相検波器であり、画像メモリは少なくとも３つのフレームとディジタル信号処理器を有し、前記画像メモリの第１のフレームは前記直交位相検波器のインフェーズ出力を蓄積し第２のフレームは前記直交位相検波器のクォードラチュアフェーズ出力を蓄積し、前記ディジタル信号処理器は第１フレームと第２フレームのデータの比演算、Ａｒｃｔａｎ演算及び符号判定に従う±πの加算を行い第３のフレームに蓄積することを特徴とする超音波測定装置。
【請求項１５】 請求項１２記載の前記検出器は直交位相検波器であり、画像メモリは少なくとも４つのフレームとディジタル信号処理器を有し、前記画像メモリの第１のフレームは前記直交位相検波器のインフェーズ出力を蓄積し第２のフレームは前記直交位相検波器のクォードラチュアフェーズ出力を蓄積し、前記ディジタル信号処理器は第１フレームと第２フレームのデータの２乗和の平方根をとって第３のフレームに蓄積しかつ第１フレームと第２フレームのデータの比演算、Ａｒｃｔａｎ演算及び符号判定に従う±πの加算を行い第４のフレームに蓄積することを特徴とする超音波測定装置。
【請求項１６】 請求項１２記載の前記検出器は、直交位相検波器と該直交位相検波器の各出力をディジタル化するＡＤ変換器と少なくとも２バイトのアドレスバスを有する少なくともＲＯＭ手段を具え、該アドレスバスの各バイトにはそれぞれＡＤ変換器のインフェーズ出力、クォードラチュアフェーズ出力が接続されかつ前記ＲＯＭ手段のデータは対応するアドレスの上位バイトと下位バイトの比に対しArctan及び符号判定に従う±πの加算をされたものであることを特徴とする超音波測定装置。
【請求項１７】 請求項１２記載の前記検出器は、直交位相検波器と該直交位相検波器の各出力をディジタル化するＡＤ変換器と、少なくとも２バイトのアドレスバスを有するＲＯＭ手段を備え、各ＲＯＭ手段のアドレスバスの各バイトには、それぞれＡＤ変換器のインフェーズ出力、クォードラチュアフェーズ出力が接続され、第１のＲＯＭ手段のデータは対応するアドレスの上位バイトと下位バイトの２乗和の平方根であり、第２のＲＯＭ手段のデータは対応するアドレスの上位バイトと下位バイトの比に対しArctan及び符号判定に従う±πの加算をされたものであることを特徴とする超音波測定装置。
【請求項１８】 請求項１２記載の前記検出器は、移相量が可変の移相器と該移相器の移相量を設定する位相設定手段と位相検波器を備え、参照波は前記移相器に入力されることを特徴とする超音波測定装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開平５−１２６８０６
【公開日】平成５年（１９９３）５月２１日
【国際特許分類】
【出願番号】特願平３−２８５０７７
【出願日】平成３年（１９９１）１０月３０日
【出願人】（００００００３７６）オリンパス光学工業株式会社 (11,466)
【公開日】平成５年（１９９３）５月２１日
【国際特許分類】
【出願日】平成３年（１９９１）１０月３０日
【出願人】（００００００３７６）オリンパス光学工業株式会社 (11,466)
[ Back to top ]