(57)【要約】【課題】音響プローブをＺ方向に移動走査することなく反射波の干渉により試料中の音速を測定方法及び装置を提供する。【解決手段】音響レンズを有するトランスジューサから集束音波を試料に照射しその反射波をトランスジューサで受信して試料中の音速ＣSを求める音速測定方法である。集束音波の焦点を試料表面から焦点深さＺの位置に固定し、周波数ｆを変化させたときに受信した信号強度の周期的変化の周期Δｆを求め、次の２つの式、Δｆ＝ＣW／{２Ｚ(１−ｃｏｓθR)}、ｓｉｎθR＝ＣW／ＣS、から試料中の音速ＣSを求めることを特徴とする。ただし、θRは試料と液体媒体界面での臨界角、ＣWは液体媒体中の音速である。【選択図】図３
2017227598.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
音響レンズを有するトランスジューサから集束音波を試料に照射しその反射波をトランスジューサで受信して試料中の音速ＣＳを求める音速測定方法であって、
前記集束音波の焦点を試料表面から焦点深さＺの位置に固定し、周波数ｆを変化させたときに受信した信号強度の周期的変化の周期Δｆを求め、次の２つの式
Δｆ＝ＣW／{２Ｚ(１−ｃｏｓθR)}
ｓｉｎθR＝ＣW／ＣS
ただし、θRは試料と液体媒体界面での臨界角、ＣWは液体媒体中の音速から試料中の音速ＣSを求めることを特徴とする音速測定方法。
【請求項２】
集束音波を試料に照射し反射波を受信する音響レンズ付きトランスジューサと、前記トランスジューサで受信した信号強度を解析する制御手段を備えた音速測定装置であって、
前記制御手段は、前記集束音波の焦点を試料表面から焦点深さＺの位置に固定し、周波数ｆを変化させるとともに、受信した信号強度の周期的変化の周期Δｆを算出し、次の２つの式
Δｆ＝ＣW／{２Ｚ(１−ｃｏｓθR)}
ｓｉｎθR＝ＣW／ＣS
ただし、θRは試料と液体媒体界面での臨界角、ＣWは液体媒体中の音速から試料中の音速ＣSを算出することを特徴とする音速測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、音響プローブによる音速測定に関し、特に広帯域超音波プローブのスペクトル解析による微小領域の音速測定に関する。
【背景技術】
【０００２】
音響プローブを用いた音速測定は、従来から反射型の超音波顕微鏡の測定原理として広く知られおり(例えば、特許文献１〜３参照)、この従来の測定原理は、図１に示したとおり、ＸＹＺ走査機構(ここで、Ｚ方向が試料の法線方向に一致するものとする)で支持された音響プローブを走査し、音響プローブはトランスジューサから発信される音波を音響レンズ(Acoustic lens)により集束するように試料(sample)に向けて照射し、試料からの反射波をトランスジューサで受信し、受信した受信信号を信号解析手段により解析して試料の音速を求める手法である。
【０００３】
まず、Ｘ−Ｙの一点で、Ｘ方向及びＹ方向には走査せず、集束音波信号を照射しながらＺ方向にのみ走査し、かつ音響レンズの焦点位置が試料表面から深さＺの位置に在るとすると、このときの受信信号は、図１の音響レンズ中心近傍から法線方向に照射した音波が試料表面のＡ’から法線方向に反射された反射波と、音響レンズから臨界角θＲ近傍で試料表面Ｂ’に照射した音波により励起された試料の表面波がＢ”から臨界角θＲ方向に再放射した反射波との干渉により周期的に変化するＶ−Ｚ曲線(図２参照)となることが知られており、この周期ΔＺは、ΔＺ＝λW／{２(１−ｃｏｓθR)}＝ＣW／{２ｆ(１−ｃｏｓθR)}の関係が成り立つことが知られている。ここで、λWは音響レンズと試料の間に介在する液体媒体(water droplet)中での音波の波長、ｆは音波の周波数、ＣWは液体媒体中での音速であり、ＣW＝ｆλWである。
【０００４】
一方で液体媒体と試料の界面での臨界角θRは、試料中の音速をＣSとすると、ｓｉｎθR＝ＣW／ＣSの関係が成立するので、上記ΔＺの関係式とから試料中の音速ＣSを求めることができる。
【０００５】
なお、Ｘ−Ｙの一点での試料中の音速ＣSが求まったらＸ−Ｙ走査によりＸ−Ｙの次の点に移動し、移動した次の点で上記測定をすることを繰り返せば試料表面での音速の分布が求まる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特公平３−７６４１８号公報
【特許文献２】特開平７−２８０７８１号公報
【特許文献３】特開平８−１２２３０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記で説明した特許文献１〜３等の従来法では、Ｘ−Ｙの各点で音響プローブをＺ方向に走査する必要があり、音響プローブを物理的にＺ方向に移動させるための時間が必要となりまた正確に移動走査させる機構が必要であった。
【０００８】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、Ｚ方向の走査を必要とせずに試料中の音速を求める方法及び装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記問題点を解決するために、本発明は、音響レンズを有するトランスジューサから集束音波を試料に照射しその反射波をトランスジューサで受信して試料中の音速ＣSを求める音速測定方法であって、前記集束音波の焦点を試料表面から焦点深さＺの位置に固定し、周波数ｆを変化させたときに受信した信号強度の周期的変化の周期Δｆを求め、次の２つの式
Δｆ＝ＣW／{２Ｚ(１−ｃｏｓθR)}
ｓｉｎθR＝ＣW／ＣS
(ただし、θRは試料と液体媒体界面での臨界角、ＣWは液体媒体中の音速)から試料中の音速ＣSを求めることを特徴とする音速測定方法である。
【００１０】
また、本発明は、集束音波を試料に照射し反射波を受信する音響レンズ付きトランスジューサと、前記トランスジューサで受信した信号強度を解析する制御手段を備えた音速測定装置であって、前記制御手段は、試料表面から焦点深さＺの位置に前記集束音波の焦点を固定した状態で周波数ｆを変化させ、受信した信号強度の周期的変化の周期Δｆを算出し、次の２つの式
Δｆ＝ＣW／{２Ｚ(１−ｃｏｓθR)}
ｓｉｎθR＝ＣW／ＣS
(ただし、θRは試料と液体媒体界面での臨界角、ＣWは液体媒体中の音速)から試料中の音速ＣSを算出することを特徴とする音速測定装置である。
【００１１】
本発明では、Ｘ−Ｙの各点で従来行っていた音響プローブの物理的なＺ方向走査の代わりに、周波数を変化させるので電気的処理で実行でき、従来の物理的に音響プローブを走査移動させていた時間が短縮でき、装置構成も簡略化できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】従来の音響プローブを用いた試料中の音速測定法説明するための図であって、上図が走査機構、下図が原理を説明するための図である。なお、本発明の装置構成は、Ｚ方向の走査機構以外は同様である。
【図２】図１の従来手法で得られたＶ−Ｚ曲線の一例である。
【図３】本発明の測定原理を導くための説明図であって、(ａ)では試料・液体(水)界面の直達波の反射、(ｂ)では臨界角入射波による反射のそれぞれを説明している。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明では、従来のＺ方向に音響プローブを物理的に移動走査することに代えて、焦点深さＺは固定で音波周波数を電気的処理で変化させる点に特徴を有する。
【００１４】
なお、図２では、縦軸が受信信号強度Ｖ、横軸が焦点の試料表面からの深さＺ［μｍ］、音響プローブの音波周波数２３０［ＭＨｚ］、Ｚ方向の走査ピッチ０.２［μｍ］であり、図２のＶ−Ｚ曲線の周期ΔＺは約１００［μｍ］であることが読み取れる。
【００１５】
以下に、本発明の測定原理を、図３を参照しながら説明する。図３は、図１と同様の音響プローブの音響レンズ(Acoustic Lenz)を介して音波を試料(sample)表面に照射した場合の入射波と反射波の経路を示した図であり、(ａ)が直達波の反射、(ｂ)が臨界角入射波による反射の場合を示している。音響レンズの焦点Ｏは、試料表面から焦点深さＺに位置し、音響レンズと試料表面の間は水等の液体媒体(図示せず)が介在している。
【００１６】
図３(ａ)に示す直達波の反射の場合(経路Ａ：Ａ０→Ａ１→Ａ０)において、仮に焦点Ｏに位置する仮想試料表面からの仮想の直達反射経路と比べた位相短縮ΔφA［ラジアン］は、λWを液体媒体中での音波の波長とすると次式が成り立つ。
ΔφA／２π＝２Ｚ／λW                            …(１)
【００１７】
図３(ｂ)に示す臨界角入射波による反射の場合(経路Ｂ：Ｂ０→Ｂ１→Ｂ２→Ｂ３→Ｂ４→Ｂ５)において、仮に焦点Ｏに位置する仮想試料表面からの仮想の臨界角入射による反射経路と比べた位相短縮ΔφB［ラジアン］は、λSを試料中での音波の波長とすると次式が成り立つ。
ΔφB／２π＝２Ｚ／(λWｃｏｓθR)−２(Ｚ／λS)ｔａｎθR  …(２)
【００１８】
一方で、臨界角と音速、波長の関係は次式で表される。
ｓｉｎθR＝ＣW／ＣS＝λW／λS                    …(３)
なお、音波の周波数ｆ＝ＣW／λW＝ＣS／ＣSである。
【００１９】
そこで、経路Ａと経路Ｂの位相差は、上記で求めた経路Ａの位相短縮と経路Ｂの位相短縮の差ΔφA−ΔφBで表されるから、上記式(１)(２)(３)から次の関係式が成り立つ。
(ΔφＡ−ΔφＢ)／２π
＝(２Ｚ／λW)(１−１／ｃｏｓθR)＋(２Ｚ／λS)ｔａｎθR
＝(２Ｚ／λW)(１−１／ｃｏｓθR＋ｓｉｎ2θR／ｃｏｓθR)
＝(２Ｚ／λW)(１−ｃｏｓθR)              …(４’)
＝(２Ｚｆ／ＣW)(１−ｃｏｓθR)            …(４)
【００２０】
そうすると経路Ａの位相短縮ΔφAと経路Ｂの位相短縮ΔφBの差が２πの整数ｎ倍となったとき、経路Ａと経路Ｂの波動で干渉が起こり、その条件は上式(４’)(４)から次式のようになる。
ｎ＝(ΔφA−ΔφB)／２π＝(２Ｚ／λW)(１−ｃｏｓθR)    …(５’)
＝(２Ｚｆ／ＣW)(１−ｃｏｓθR)    …(５)
【００２１】
上記式(５’)ではｎが１、２、３，…のとき干渉が生じるので、段落０００２の従来技術で採用されている音響プローブをＺ方向に走査し焦点深さ変化させたときに生じる干渉による周期ΔＺは、ΔＺ＝λW／{２(１−ｃｏｓθR)}となることを示している。しかしながら、音響プローブをＺ方向に走査するには音響プローブを物理的に移動させる必要があり、測定時間の短縮が困難であった。
【００２２】
そこで、上記式(５)に注目すれば、焦点深さＺは固定で周波数ｆを変化させることによっても干渉が生じることがわかり、そのときの干渉の周期Δｆは、式(５)から次式(６)で表されることがわかる。
Δｆ＝ＣW／{２Ｚ(１−ｃｏｓθR)}              …(６)
【００２３】
本発明の測定原理は、焦点深さＺは固定で周波数ｆを変化させて干渉による信号強度の周期的変化から周期Δｆを求め、式(６)と式(３)ｓｉｎθR＝ＣW／ＣSから試料中の音速ＣSを求めるものである。
【００２４】
なお、Ｘ−Ｙの一点での試料中の音速ＣSが求まったらＸ−Ｙ走査によりＸ−Ｙの次の点に移動し、上記動作を繰り返せば試料表面での音速の分布が求まる。
【００２５】
以上説明したとおり、本発明では、Ｚ方向に物理的に音響プローブを移動走査することに代えて、音波周波数ｆを電気的処理で変化させるため、短時間で測定でき、また走査機構を簡素化できる。
【００２６】
なお、本発明では音波周波数を変化させるため、ある程度低周波数域から使用できる広帯域のトランスジューサ(圧電素子等)を採用する必要がある。
【００２７】
本発明によれば、音響プローブの周波数を電気的に変化させるだけで周期的に変化する［信号強度−ｆ曲線］が得られ、従来の音響プローブをＺ方向に物理的に移動走査して［Ｖ−Ｚ曲線］を得る方式より短時間で測定できＺ方向の走査機構が不要なので装置を簡素化できる。
【図１】
2017227598.tif 000003
【図２】
2017227598.tif 000004
【図３】
2017227598.tif 000005