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JPS5837503B2 - sonic probe - Google Patents
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JPS5837503B2 - sonic probe - Google Patents

sonic probe

Info

Publication number
JPS5837503B2
JPS5837503B2 JP54103143A JP10314379A JPS5837503B2 JP S5837503 B2 JPS5837503 B2 JP S5837503B2 JP 54103143 A JP54103143 A JP 54103143A JP 10314379 A JP10314379 A JP 10314379A JP S5837503 B2 JPS5837503 B2 JP S5837503B2
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JP
Japan
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sonic probe
ball
piezoelectric material
electrode
lens
Prior art date
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Expired
Application number
JP54103143A
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Japanese (ja)
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JPS5627646A (en
Inventor
敏郎 近藤
浩 神田
潔 石川
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Hitachi Ltd
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Hitachi Ltd
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Publication date
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  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
  • Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
  • Apparatuses For Generation Of Mechanical Vibrations (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、音波探触子、特に高周波ぎ波エネルギーを利
用する顕微鏡に用いて好適な音波探触子に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a sonic probe, particularly a sonic probe suitable for use in a microscope that utilizes high frequency wave energy.

近年、IGHzに及ぶ高周波音波の発生、検出が可能と
なったために、水中での音波波長として約1ミクロンが
得られ,したがって音波エネルギーを利用した顕微鏡が
検討されるようになった。
In recent years, it has become possible to generate and detect high-frequency sound waves up to IGHz, resulting in a sound wave wavelength of approximately 1 micron underwater, and therefore, a microscope that utilizes sound wave energy has been considered.

このような装置では如何にして細、い集束音波ビームを
作或す,:5かが重要であり、音波探触子の性能を向上
させる事が強く望1れている。
In such devices, it is important to create a narrow and focused acoustic beam, and it is strongly desired to improve the performance of the acoustic probe.

1ず、第1図を参照して従来の音波探触子について説明
する。
First, a conventional sonic probe will be explained with reference to FIG.

すなわち、音波探触子は1端面が平面に研磨され、他端
面には凹面状の穴かうがつられたサファイア等の音波伝
播媒質からなる円柱状の結晶1とこの結晶1の平面に研
磨された端面にチタン、金、クローム、アルミニュウム
等の下部電極2を蒸着等により設け、その上に酸化亜鉛
等の圧電物質3をスパツタ等で設け、さらにその上に上
部電極4を蒸着等によう設けた圧電素子とからなる。
That is, the sonic probe has one end surface polished to a flat surface, and the other end surface has a cylindrical crystal 1 made of a sound propagation medium such as sapphire with a concave hole cut out, and this crystal 1 is polished to a flat surface. A lower electrode 2 made of titanium, gold, chrome, aluminum, etc. is provided on the end face by vapor deposition or the like, a piezoelectric material 3 such as zinc oxide is provided on it by sputtering or the like, and an upper electrode 4 is further provided thereon by vapor deposition or the like. It consists of a piezoelectric element.

かかる探触子の上部電極4と下部電極2との間にRF電
気信号を印加すると圧電物質3によシ、結晶1内に平面
波のRF音波を放射する。
When an RF electric signal is applied between the upper electrode 4 and the lower electrode 2 of such a probe, the piezoelectric material 3 emits a plane wave RF sound wave into the crystal 1.

この平面波は前記の凹面部分に形成される結晶1と媒質
5との界面で形成される正のレンズにより、その所定焦
点Sに集束される一 周知の様に焦点距離と開口の比、すなわちレンズのFナ
ンバーが充分小さいと、上述の構成により著しく狭い音
波ビームを作成する事が出来る。
This plane wave is focused at a predetermined focal point S by a positive lens formed at the interface between the crystal 1 and the medium 5 formed in the concave portion.As is well known, the ratio of the focal length to the aperture is determined by the lens If the F-number of is sufficiently small, a significantly narrower acoustic beam can be created with the above-described configuration.

上記集束された音波は、その焦点付近におかれた試料6
により、反射、散乱、透過減衰といったじよう乱を受け
るので、このしよう乱音波エネルギーを検出することに
より、試料の弾性的性質を反映した電気信号を得ること
が出来るわけである。
The focused sound wave is transmitted to the sample 6 placed near its focal point.
As a result, the sample undergoes disturbances such as reflection, scattering, and transmission attenuation, and by detecting this disturbed sound wave energy, it is possible to obtain an electrical signal that reflects the elastic properties of the sample.

なお、上記音波エネルギーの検出には、上述の音波探触
子を再び利用したシ、又は共焦点に対向して配置された
回様の音波探触子を利用しても良い。
Note that the above-mentioned sound wave energy detection may be performed by using the above-mentioned sonic probe again, or by using a round-shaped sonic probe placed opposite the confocal point.

上述からあきらかなように従来例は結晶と媒質の音速差
を利用した正の球面レンズをその集束原理としている。
As is clear from the above, the conventional example uses a positive spherical lens as its focusing principle, which utilizes the difference in sound speed between the crystal and the medium.

したがって、良い集束性を有する球面レンズを形成する
ためには結晶に鏡面度、真球度の優れた凹面穴を形成す
ることが重要となる。
Therefore, in order to form a spherical lens with good focusing properties, it is important to form a concave hole with excellent specularity and sphericity in the crystal.

しかも、レンズ面から焦点Sまでの媒質中に訃ける音波
の減衰が著しく太きいために、例えば0.2間といった
微小口径の凹面穴を形成することによシ低いFナンバー
のレンズを作或し、レンズ面から焦点1での距離を減じ
て音波減衰をさける必要がある。
Moreover, since the attenuation of sound waves in the medium from the lens surface to the focal point S is extremely large, it is possible to create a lens with a low F number by forming a concave hole with a minute diameter of, for example, 0.2 mm. However, it is necessary to reduce the distance from the lens surface to the focal point 1 to avoid sound wave attenuation.

一方、RF音波を放射する圧電素子部分も、レンズ球面
が小さくなるにともなって、小面積となることが望まし
い。
On the other hand, as the spherical surface of the lens becomes smaller, it is desirable that the area of the piezoelectric element portion that emits RF sound waves becomes smaller.

すなわち、第1図に示すように凹面穴の口径dと上部電
極4の直径Dとが等しくなるのが望1しい。
That is, as shown in FIG. 1, it is desirable that the diameter d of the concave hole and the diameter D of the upper electrode 4 be equal.

これは、次のような理由による。This is due to the following reasons.

即ち、例えば、第2図に示すように、d〈Dの条件でR
F信号を放射させた場合、結晶内での平面波の伝達は点
線で示すような経路を通る。
That is, for example, as shown in FIG. 2, under the condition of d<D, R
When the F signal is radiated, plane waves propagate within the crystal along the path shown by the dotted line.

したがって凹面穴より外の部分に伝達されて来た平面波
は結晶内において乱反射をして、圧電物質3に入射する
ために不要信号(雑音)の原因となるからである。
Therefore, the plane wave transmitted to the outside of the concave hole is diffusely reflected within the crystal and enters the piezoelectric material 3, causing unnecessary signals (noise).

また、上述の条件とは反対にd>Dの場合にお・いては
、レンズのFナンバーが大きくなるために集束性が悪く
なり高分解能が得られなくなる。
Moreover, in contrast to the above-mentioned condition, when d>D, the F number of the lens becomes large, resulting in poor focusing performance and high resolution cannot be obtained.

ここで、レンズのFナンバーと分解能との関係を第3図
にもとづいて述べる。
Here, the relationship between the F number of the lens and the resolution will be described based on FIG. 3.

図にむいて平南波の波長ヲλ,レンズのFナンバーをS
inθmとすると、分解能lρは次式によって求1る。
In the figure, the wavelength of the Hiranami wave is λ, and the F number of the lens is S.
When inθm, the resolution lρ is calculated by the following equation.

ここで、θmは音波ビームの開き角である。Here, θm is the opening angle of the sound wave beam.

したがって、分解能Aρは音波ビームの開き角θmが大
きい程良い。
Therefore, the resolution Aρ is better as the aperture angle θm of the acoustic beam becomes larger.

上述した説明の如く、音波エネルギーを利用した顕微鏡
装置等に訃いて、高分解能の撮影像を得るためには、音
波探触子に卦ける集束用球面レンズのレンズロ径を小さ
くすると共に、音波を放射する圧電素子も小面積にする
ことが必要である。
As explained above, in order to obtain high-resolution images using a microscope device that uses sound wave energy, it is necessary to reduce the lens diameter of the focusing spherical lens in the sound wave probe and to It is also necessary to reduce the area of the radiating piezoelectric element.

本発明者等は、石英ガラス等のガラス類を作戒する場合
或いは天然の石英、水晶等を利用する場合にその内部に
存在又は発生する気泡が球面レンズとして極めて有用で
あることを見出し、従来の研磨法では不可能な微小口径
(0. 2 mm)と鏡面度、真球度を有する球面レン
ズを形成することができるようになった。
The present inventors have discovered that air bubbles that exist or occur inside glass such as quartz glass, or when natural quartz, crystal, etc. are used, are extremely useful as spherical lenses. It has now become possible to form a spherical lens with a micro aperture (0.2 mm), specularity, and sphericity that is impossible with conventional polishing methods.

しかしながら、上述したように凹面穴の口径が0. 2
urn程度と微小になってくると、これと等しい直径
を有する上部電極を従来の如く蒸着等により凹面穴の軸
上に取り付けることは極めて困難な作業であった。
However, as mentioned above, the diameter of the concave hole is 0. 2
When the diameter becomes as small as urn, it is extremely difficult to attach an upper electrode having the same diameter on the axis of the concave hole by vapor deposition or the like as in the past.

1た、この上部電極にRF電気信号を印加するためのリ
ード線を接続することも極めて困難であった。
Furthermore, it was extremely difficult to connect a lead wire for applying an RF electric signal to this upper electrode.

本発明は、以上の点を鑑みてなされたもので、一端部が
回転自在に支持され、かつ他端部が圧電物質と所定断面
積で接触する平担部である導電性物質を上部電極とする
音波探触子を提供するものである。
The present invention has been made in view of the above points, and uses a conductive material, which is a flat part whose one end is rotatably supported and whose other end is in contact with a piezoelectric material with a predetermined cross-sectional area, as an upper electrode. The present invention provides a sonic probe that

以下、本発明を図面を参照して詳細に説明する。Hereinafter, the present invention will be explained in detail with reference to the drawings.

第4図は本発明の一実施例を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing an embodiment of the present invention.

図に$−(Aて結晶1はケース7により支持されて試料
6との間を所定の間隙を維持している。
In the figure, the crystal 1 is supported by the case 7 and a predetermined gap is maintained between it and the sample 6.

ケース7の上部にはRF発振器に接続するためのコネク
ター8が取シつけてある。
A connector 8 for connecting to an RF oscillator is attached to the upper part of the case 7.

1たこのコネクター8は4個のツマミ9により、XY平
面上を移動出来るようになっている。
The octopus connector 8 can be moved on the XY plane using four knobs 9.

コネクター8の先端には柔軟なベローズ10が取りつけ
てあり、さらにボール受11を径でボール(金属球)1
2により圧電物質3にRF信号を伝達するようになって
いる。
A flexible bellows 10 is attached to the tip of the connector 8, and a ball (metal ball) 1 is attached to the ball receiver 11 with a diameter.
2 transmits an RF signal to the piezoelectric material 3.

したがって、平常の設定条件ではボール12はレンズ球
穴の中心軸上に(音波的に)ツマミを調節することによ
シ移動できるとともにベロース10が柔軟であるために
、圧電物質3の面上には、極めて軽くしかも電気的には
確実に接触する。
Therefore, under normal setting conditions, the ball 12 can be moved on the central axis of the lens ball hole by adjusting the knob (acoustic), and since the bellows 10 is flexible, the ball 12 can be moved on the surface of the piezoelectric material 3. is extremely light and makes reliable electrical contact.

この結果、圧電物質3の上面を傷つけることはない。As a result, the upper surface of the piezoelectric material 3 is not damaged.

第5図はボール受11の近傍の拡大図である。FIG. 5 is an enlarged view of the vicinity of the ball receiver 11.

ボール12の上部はその球面とほぼ一致する凹面穴をも
ったボール受11に回転自在に支持されている。
The upper part of the ball 12 is rotatably supported by a ball receiver 11 having a concave hole that substantially matches the spherical surface of the ball.

またボール12の下部は結晶1の凹面穴(レンズ球面)
の直径dと等しい直径Dになるように平面に研磨されて
いる。
Also, the lower part of the ball 12 is a concave hole of the crystal 1 (lens spherical surface)
It is polished to a flat surface to have a diameter D equal to the diameter d of.

若し装置の組立上、第6図aのように圧電物質3の上面
と、ボール12の下部の平面研磨部とが完全に平行でな
くちる角度θで支持されている状態であっても両者を徐
々に接近させて行き、ボール12の1部分が圧電物質3
の1個所に接触した場合(第6図b)、ボール12は回
転し、ボールの切欠き部は圧電物質3の面上に完全に接
触する(第6図C)。
When assembling the device, even if the upper surface of the piezoelectric material 3 and the flat polished portion of the lower part of the ball 12 are supported at an angle θ such that they are not completely parallel to each other as shown in FIG. gradually approach the ball 12 until a portion of the piezoelectric material 3
(FIG. 6b), the ball 12 rotates and the notch of the ball completely contacts the surface of the piezoelectric material 3 (FIG. 6C).

ここで第7図に示すようにボール12の切欠きの長さL
を適当にえらび、ボール12の切欠き部分の直径Dが結
晶1の凹面穴dと等しいものを製作して訟けば、いかな
る凹面穴をもった結晶1をケース7に取りつけても、そ
れに適合したボール12に交換するのみでd=Dの条件
を満足して圧電物質3から結晶1内に平面波を放射する
ことができる。
Here, as shown in FIG. 7, the length L of the notch of the ball 12
If the diameter D of the cutout part of the ball 12 is made equal to the concave hole d of the crystal 1, it will fit the crystal 1 with any concave hole installed in the case 7. By simply replacing the piezoelectric material 3 with a new ball 12, a plane wave can be emitted from the piezoelectric material 3 into the crystal 1 while satisfying the condition d=D.

以上は圧電物質3への電気的接触を切欠き部分をもうけ
たボール12によって行うことにつしてのべたが、ボー
ル12の代りに表面張力の大きい液体金属(例えば水銀
等)をボール受11の凹面部に←くと、液体金属は球状
になるが、圧電物質との間隙を調節することにより液体
金属の接触面積を変えることができるので、ボール12
と同−の効果を得ることもあきらかである。
The above has been described with regard to electrically contacting the piezoelectric material 3 with the ball 12 having a notch, but instead of the ball 12, a liquid metal with a high surface tension (for example, mercury, etc.) is used in the ball receiver 11. When the liquid metal reaches the concave surface of the ball 12, it becomes spherical, but the contact area of the liquid metal can be changed by adjusting the gap with the piezoelectric material.
It is also clear that the same effect can be obtained.

さらに第8図に示すように円錐体の頂点の部分を長さL
によって切断し、その切断向の直径Dが凹面穴dと等し
くなるようにすれば、同様な効果を得ることができる。
Furthermore, as shown in Figure 8, the apex portion of the cone has a length L.
A similar effect can be obtained by cutting the hole so that the diameter D in the cutting direction is equal to the concave hole d.

しかしながら、この場台には円錐体の支持を柔軟なもの
にしないと第6図で述べたように圧電物質3の上面との
平行度が保たれていない場合、円錐体の切欠き部分は点
接触となり、完全接触は不可能となる。
However, in this case, the support of the cone should not be flexible, and if the parallelism with the top surface of the piezoelectric material 3 is not maintained as shown in FIG. contact, and complete contact is impossible.

なか、上述の実施例では2個の電極を有する音波探触子
について説明したが、音波伝播媒体を電気伝導性を有す
る物質(例えばグラッシーカーボン等のガラス性炭素)
で形成することにより音波伝播媒体自身を下部電極とし
た音波探触子にも、本発明を適用できることは当然であ
る。
In the above embodiment, a sonic probe having two electrodes was described, but the sonic propagation medium may be a material having electrical conductivity (for example, glassy carbon such as glassy carbon).
It goes without saying that the present invention can also be applied to a sonic probe in which the sonic wave propagation medium itself serves as the lower electrode.

以上述べたごとく、本発明によれば従来極めて困難であ
った上部電極蒸着工程及びリード線接続工程を省略する
事が出来ると同時に、音波集束部の面積と音波放射部の
面積とを容易に等しくすることができるという大きな利
点を有し、高周波集束音波を用いる装置、すなわち音波
顕微鏡、微小非破懐検査、超音波スペクトロスコピー等
の作成に卦いて、大いなる効果を期待する事ができる。
As described above, according to the present invention, it is possible to omit the upper electrode deposition process and the lead wire connection process, which were extremely difficult in the past, and at the same time, it is possible to easily equalize the area of the sound wave focusing part and the area of the sound wave emission part. It has the great advantage of being able to do a lot of things, and can be expected to have great effects when creating devices that use high-frequency focused sound waves, such as sonic microscopes, microscopic non-abrasive inspections, and ultrasonic spectroscopy.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は従来の音波探触子の構造を説明する図、第2図
は従来の音波探触子の欠点を説明するための図、第3図
はレンズのFナンバーと分解能との関係を説明するため
の図、第4図は本発明の一実施例の構成を示す図、第5
図は第4図に示したー実施例の要部の構成を示す図、第
6図は第4図に示したー実施例にむける上部電極と圧電
物質との9接触の様子を説明する図、第7図は上記上部
電極を示す図、第8図は本発明の他の実施例の上部電極
を示す図である。
Figure 1 is a diagram to explain the structure of a conventional sonic probe, Figure 2 is a diagram to explain the drawbacks of a conventional sonic probe, and Figure 3 is a diagram to explain the relationship between the F number of the lens and the resolution. Figure 4 is a diagram for explaining the configuration of an embodiment of the present invention, Figure 5 is a diagram showing the configuration of an embodiment of the present invention.
The figures are shown in FIG. 4 - A diagram showing the configuration of the main parts of the embodiment, and FIG. 6 is a diagram illustrating the state of contact between the upper electrode and the piezoelectric material for the embodiment shown in FIG. 4. , FIG. 7 is a diagram showing the above-mentioned upper electrode, and FIG. 8 is a diagram showing an upper electrode of another embodiment of the present invention.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 一端部に形成された凹面穴を有する音波伝播媒体と
、上記音波伝播媒体の他端部に第1の電極と、圧電物質
と、第2の電極とがこの順に形成された圧電素子とから
なる音波探触子において、上記第2の電極の一端部を回
転自在に支持手段を具備し,上記第2の電極の他端部が
その所定断面積で上記圧電物質と接触する平担部を有す
ることを特徴とする音波探触子。 2 特許請求の範囲第1項記載の音波探触子において、
上記第2の電極が所定断面積の切欠き部を上記平担部と
する金属球であることを特徴とする音波探触子。
[Claims] 1. A sound wave propagation medium having a concave hole formed at one end, a first electrode, a piezoelectric material, and a second electrode formed at the other end of the sound wave propagation medium in this order. A sonic probe consisting of a piezoelectric element, which is provided with means for rotatably supporting one end of the second electrode, and the other end of the second electrode is connected to the piezoelectric material in a predetermined cross-sectional area. A sonic probe characterized by having a flat part that makes contact. 2. In the sonic probe according to claim 1,
A sonic probe characterized in that the second electrode is a metal ball whose flattened portion is a cutout portion with a predetermined cross-sectional area.
JP54103143A 1979-08-15 1979-08-15 sonic probe Expired JPS5837503B2 (en)

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