DE69120905T2

DE69120905T2 - Akustisches Mikroskopsystem

Info

Publication number: DE69120905T2
Application number: DE69120905T
Authority: DE
Inventors: Kazuo Fujishima; Yasuo Hayakawa; Katsumi Miyaki; Tosio Nonaka; Sakae Takeda; Hiroshi Yamamoto
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 1990-11-29
Filing date: 1991-11-28
Publication date: 1996-11-28
Anticipated expiration: 2011-11-29
Also published as: EP0488300A3; DE69120905D1; US5211059A; EP0488300B1; EP0488300A2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein akustisches Mikroskopsystem, das bei der quantitativen Messung der Elastizitätseigenschaften eines Prüfstückes mittels Ultraschallstrahlen geeignet verwendet werden kann, und eine Ultraschallsonde zur Verwendung in dem akustischen Mikroskopsystem, gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 23.
Das Dokument des Standes Technik 'Electronic Letters', Band 19, Nr. 22, 27. Okt. '93, London, GB, Seiten 906 bis 908, M. Nikoonahad et al.: "Rayleigh wave suppression in reflection acoustic microscopy" beschreibt eine Duraluminiumlinse eines akustischen Mikroskops des Punktfokustyps, die nur für Abbildungszwecke vorgesehen ist. Ein innerer Wandler, ein Rayleigh-Ringwandler und ein äußerer Ringwandler sind jeweils an der ebenen Oberfläche der Duraluminiumlinse getrennt angeordnet. Die Wandler sind mit einer HF-Erzeugungsquelle verbunden. Die Wandler können durch drei Schaltstellungen gesteuert werden: a) alle drei Wandler in Betrieb, b) nur der innere Wandler und der äußere Ringwandler in Betrieb und c) nur der Rayleigh-Ringwandler in Betrieb. Bildartefakte, die durch Räyleigh-Wellen verursacht werden, werden daher durch Verwenden der Schaltstellung B unterdrückt.
Ein weiteres Dokument des Standes der Technik EP A 0 121 890 zeigt ein herkömmliches Ultraschall-Mikroskopsystem, das eine Sonde, einen auf der ebenen Seite der Sonde angeordneten Wandler, einen HF-Pulsgenerator, eine Einrichtung zum Bewegen der zu betrachtenden Probe und eine Einrichtung zum Darstellen einer Kurve V(z) von Änderungen im Pegel der reflektierten Welle in bezug auf die relative Bewegung.
Ein akustisches Mikroskop ist eine wirkungsvolle Einrichtung in der Werkstoffkunde zur Bestimmung der Eigenschaften, z.B. der elastischen Eigenschaften, eines einzelnen Werkstoffes. Zu diesem Zweck wird der vertikale Abstand (Z) zwischen dem Werkstoff als einem zu untersuchenden Prüfstück und einer Ultraschallsonde verändert, während Ultraschallstrahlen auf das Prüfstück abgestrahlt werden, um die Ausgangsspannung (V) von zurückkehrenden Wellen zu erhalten. Wie in Fig. 1 gezeigt, ist die Ausgangsspannung (V) eine Funktion des Abstandes Z, und Minimalwerte der Ausgangsspannung (V) von zurückkehrenden Wellen wechseln sich mit Maximalwerten ab, um ein Profil zu liefern, das im allgemeinen als eine "V(z)-Kurve" bezeichnet wird. Die Abszisse dieser Graphik zeigt den Abstand Z (µm), und die Ordinate zeigt den Signalpegel (dB). Das Intervall zwischen benachbarten Maximalwerten (Spitzen) oder Minimalwerten (Täler) auf der V(z)-Kurve wird eine "Interferenzperiode Δz" genannt, die ein wichtiger Parameter ist, um Materialien des Prüfstücks zu bewerten. Da die Interferenzperiode Δz von der Geschwindigkeit der von einem Prüfstück zurückkehrenden Rayleigh-Welle oder Druckwelle, während Ultraschallstrahlen auf das Prüfstück gestrahlt werden, abhängt, wird sie zuerst aus der V(z)-Kurve dieses Prüfstücks bestimmt, und die Geschwindigkeit der Rayleigh- Welle oder Druckwelle wird dann aus dem Δz bestimmt.
Die V(z)-Kurve ist eine Kurve, die die periodische Änderung der Ausgangsspannung in bezug auf den Defokussierungsbetrag anzeigt. Die Periode Δz der V(z)-Kurve steht in einer Beziehung zu der Geschwindigkeit CR der Rayleigh-Welle, die durch die folgende Gleichung (1) ausgedrückt wird:
wo Co die Geschwindigkeit in Wasser darstellt und f eine Frequenz der einfallenden Ultraschallwelle darstellt.
Auf der Grundlage der obigen Gleichung können die elastischen Eigenschaften eines Werkstoffes ausgedrückt werden.
Um die V(z)-Kurve zu erlangen, verwendet eine akustische Mikroskopvorrichtung eine Ultraschallsonde. Es gibt zwei Klassen von Ultraschallsonden, sogenannte "Punktfokusstrahltypsonden" und "Linienfokusstrahltypsonden", wie unten erörtert.
Die Ultraschallsonde ist mit einer akustischen Linse und einem auf der oberen Oberfläche der akustischen Linse montierten Wandler versehen, um Ultraschallstrahlen auf ein Prüfstück zu strahlen und verschiedene Arten von Wellen zu empfangen, die von dem Prüfstück reflektiert werden. Der Wandler der Punktfokusstrahlsonden besteht im allgemeinen aus einem kreisförmigen piezoelektrischen Element, das z.B. aus ZnO geformt ist, und einem auf der oberen und unteren Oberfläche des piezoelektrischen Elements angeordneten Elektrodenpaar. Die akustische Linse besitzt an ihrer unteren Oberfläche eine sphärische konkave Oberfläche, so daß einfallende Ultraschallwellen an einem Punkt auf einer sich von der Mitte der sphärischen konkaven Oberfläche fortsetzenden Richtung fokussiert werden. Da alle einfallenden Wellen an einem einzigen Punkt fokussiert werden, werden Sonden dieser Art als Punktfokustyp bezeichnet.
Sonden des Punktfokustyps weisen zwei Hauptvorteile auf, das heißt, erstens, sie können ein C-Abtastbild erzeugen, und zweitens, sie sind imstande, die Schallgeschwindigkeit einer Oberflächenwelle in Form des Mittelwerts für alle Richtungen in den Punkten auf der Oberfläche des zu untersuchenden Prüfstückmaterials zu messen.
Fig. 2 ist eine schematische Darstellung eines herkömmlichen akustischen Mikroskopsystems. Ein auf einen Tisch 13 gelegtes Prüfstück 6 wird in ein Kopplungsmittel 5, z.B. Wasser oder dergleichen, eingetaucht, das mit einer Ultraschallsonde 3 in Berührung gebracht wird. Eine Ultraschall-Erregungsquelle 1 erzeugt ein hochfrequentes Stoßsignal, das über einen Richtkoppler 2 an die Sonde 3 angelegt wird. Die Sonde 3 wandelt das eingegebene elektrische Stoßsignal in Ultraschallwellen um, die durch eine akustische Linse der Sonde 3 fokussiert und durch das Kopplungsmittel 5 auf das Prüfstück 6 gestrahlt werden.
Das Ultraschallsignal, das von der Oberfläche des Prüfstücks 6 reflektiert und gestreut worden ist, wird durch dieselbe akustische Linse empfangen und in ein elektrisches Signal zurückgewandelt, das über den Richtkoppler 2 einem Empfänger 4 zugeführt wird.
Das dem Empfänger 4 zugeführte elektrische Signal wird verstärkt und an einen Spitzendetektor 7 geschickt, der Spitzen des empfangenen Signals ermittelt. Der ermittelte Spitzenwert wird über einen A/D-Umsetzer 8 in eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU) 9 eingelesen und als Daten zum Konstruieren einer V(z)-Kurve verwendet. Unter Verwendung dieser Daten stellt eine Anzeigeeinheit 10 ein geeignetes Bild der V(z)-Kurve dar.
Die Ultraschall-Erregungsquelle 1 kann ein Impulsgenerator oder ein Tonstoßgenerator sein.
Das in Fig. 2 gezeigte System umfaßt ferner eine Z-Achsenstufe 12, die den vertikalen Abstand Z zwischen der Ultraschallsonde 3 und dem Prüfstück 6 für jede Abtastposition aktualisiert. Der an jedem Abtastpunkt erhaltene Ausgang der Sonde 3 kann als eine Funktion des Abstands Z ausgedrückt werden. Der resultierende Ausdruck wird als die V(z)-Kurve bezeichnet. Die Z-Achsenstufe 12 wird zur Aufwärts- und Abwärtsbewegung mittels einer Steuereinheit 11 gesteuert, die durch von der CPU 9 gelieferte Befehle gesteuert wird.
Ein Beispiel des Zustands des reflektierten Ultraschallsignals, wie durch die Sonde 3 erfaßt, sowie Wellenform davon werden im Folgenden mit Verweis auf Fig. 3A bis 3E beschrieben.
Fig. 3A ist eine vergößerte Schnittansicht der Sonde 3, die die Ausstrahlung und Reflexion von Ultraschallwellen zeigt, wie sie mit der Sonde 3 in Beziehung stehen. Die Sonde 3 besteht aus einer akustischen Linse 3a und einem kreisförmigen Ultraschallwandler 3b. Der Ultraschallwandler 3b besteht aus einem piezoelektrischen Element und einem Paar von oberen und unteren Elektroden, die auf der oberen bzw. unteren Oberfläche des piezoelektrischen Elements angeordnet sind. Eine Anschlußleitung 3c ist mit der oberen und der unteren Elektrode zum Verbinden mit einer externen Schaltung verbunden.
Es wird anerkannt, daß die zurückkehrenden Ultraschallwellen zwei Komponenten aufweisen, wobei eine eine vertikale Reflexionswelle WD ist, die direkt und vertikal von dem Prüfstück 6 reflektiert wird, und die andere die transversale Rayleigh-Welle (akustische Oberflächenverlustwelle) WR ist, die von der Oberfläche des Prüfstücks 6 im wesentlichen innerhalb des Rayleigh-Einfallswinkels er abstrahlt. Diese zwei Komponenten überlagern sich gegenseitig, und das Resultat wird durch den Ultraschallwandler 3b empfangen und als ein Ultraschall-Reflexionssignal erfaßt. Fig. 3B zeigt die Wellenform der vertikalen Reflexionswelle WD, und Fig. 3C zeigt die abgestrahlte akustische Oberflächenverlustwelle (Rayleigh-Welle) WR. Fig. 3D zeigt die Interferenzwelle zwischen Inphasekomponenten, und Fig. 3E zeigt die Interferenzzwelle zwischen 180º phasenverschobenen Komponenten. Der Begriff 'Interferenz', wie hierin verwendet, meint die Überlagerung von zwei Wellenkomponenten.
Die Spitzenwerte der resultierenden Interferenzwelle werden durch den Spitzendetektor 7 erfaßt.
Die durch den Spitzendetektor 7 als eine Funktion von Z erfaßte V(z)- Kurve für die Spitzenwerte der Interferenzwelle ist wie in Fig. 1 gezeigt. Jeder der Maximalwerte (Spitzen) auf der Kurve bezieht sich auf die Interferenz zwischen Inphase-Wellenkomponenten, und jeder der Minimalwerte (Täler) bezieht sich auf die Interferenz zwischen 180º phasenverschobenen Komponenten. Außer der in Fig. 1 gezeigten gibt es natürlich verschiedene Arten der V(z)-Kurve.
Die V(z)-Kurve und der zugehörige Wert Δz können verwendet werden, um die Schallgeschwindigkeiten der akustischen Oberflächenleckwelle, der Druckwelle, der Transversalwelle usw. bei verschiedenen interessierenden Werkstoffen zu bestimmen. Außerdem können die Elastizitätseigenschaften der Werkstoffe, wie z.B. die Unterschiede im Elastizitätsmodul und der Dichte, der Young-Modul, und die Unterschiede in der Kristallgröße aus den Schallgeschwindigkeiten dieser Wellen bestimmt werden.
Einzelheiten des oben umrissenen herkömmlichen akustischen Mikroskopsystems, wie auch in den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 23 angegeben, werden in Zeitschriften wie "Kikai to Kogu (Machines and Tools)", November 1987, Seiten 49-54, und "Zairyo (Materials", Dezember 1986, Band 35, Nr. 399, Seiten 1-10 beschrieben.
Die herkömmlichen Linienfokusstrahlsonden werden im Folgenden mit Verweis auf Fig. 4 und 5 beschrieben.
Wie in Fig. 4 gezeigt, ist ein Ultraschallwandler 20, der aus den unteren und oberen Elektroden 22, 24 und einem piezoelektrischen Element 23 besteht, auf einer flachen oberen Oberfläche einer akustischen Linse 21 befestigt. Die akustische Linse 21 weist eine zylindrische konkave Linsenoberfläche 21A auf der Seite auf, die der Seite, wo der Wandler 20 befestigt ist, gegenüberliegt. Ein Kopplungsmittel (z.B. ein Wassertropfen) 23, gezeigt in Fig. 5, befindet sich zwischen der konkaven Linsenoberfläche 21A und einer Probe 26. Die zylindrische konkave Linsenoberfläche 21A erstreckt sich längs einer Richtung parallel zu einer Längsrichtung der Probe 26. Fig. 5 zeigt einen Querschnitt der Sonde in ihrer Längsrichtung.
Der in Fig. 5 gezeigte Brennpunkt F ist der Punkt, wo eine unter dem kritischen Rayleigh-Winkel er einfallende Ultraschallwelle in dem Wasser als das Kopplungsmittel 23 fokussiert wird, und ein Vielzahl solcher Brennpunkte bilden eine Linie, die längs der Längsrichtung der Probe 26 verläuft. Folglich wird die Sonde dieses Typs im allgemeinen als eine Linienfokusstrahlsonde bezeichnet.
Fig. 5 bezieht sich auf den Fall, wo eine Ultraschallwelle Wa von der konkaven Linsenoberfläche 21A im wesentlichen innerhalb eines kritischen Rayleigh-Winkels θr ausgestrahlt wird. Die ausgestrahlte Ultraschallwelle läuft weiter durch die Oberfläche der Probe 26 als eine akustische Oberflächenverlustwelle (Rayleigh-Welle) LSAW, die von der Oberfläche ausstrahlt und als eine ausgestrahlte akustische Oberflächenverlustwelle Wb zu dem Wandler 20 zurückkehrt. Eine Ultraschallwelle Wc, die nach unten durch die akustische Linse 21 läuft, kehrt als eine vertikale Reflexionswelle Wd zu dem Wandler 20 zurück.
Indem die ausgestrahlten und reflektierten Wellen Wb und Wd, die von der Oberfläche der Probe 26 zurückkehren, gemessen werden, wobei der vertikale Abstand Z zu der Probe 26 verändert wird, wird eine V(z)- Kurve konstruiert. Die V(z)-Kurve kann benutzt werden, um die Schallgeschwindigkeit und andere Parameter zu bestimmen, um die verschiedenen Eigenschaften des Materials der Probe 26 zu untersuchen.
Die Technik des akustischen Mikroskops, das die Ultraschallsonde des Linienfukusstrahltyps, wie oden beschrieben, verwendet, wird von Kushibiki et al. in "Evaluation of Substrates for Elastic Wave Devices" auf Seiten 21-28 der gesammelten Schriften offenbart, die bei dem 25. 'Symposium of Communications Research Institute of Tohoku University' betitelt "Ultrasonics Electronics - New Piezoelectric Applications", Februar 1989, gelesen wurden, was ähnlich EP A 0121890 ist.
Um die akustische Oberflächenverlustwelle (Rayleigh-Welle) LSAW mit dem in Fig. 1 bis 5 gezeigten herkömmlichen System zu bestimmen, muß die Eingangsultraschallwelle im wesentlichen innerhalb des kritischen Rayleigh-Winkels in das Kopplungsmittel gestrahlt werden. In der Praxis enthält jedoch die abgestrahlte Welle teilweise die Druckwellenkomponente, das heißt, eine Oberflächenberührungsverlust-Druckwelle, die nach dem Ausbreiten durch die Oberfläche der Probe schwer als eine getrennte Wesenheit zu erfassen ist, weil der Signalpegel der transversalen akustischen Oberflächenverlustwelle viel größer als der der Druckwellenkomponente davon ist. Da die erfaßte Druckwelle eine geringe Genauigkeit aufweist, ist es daher schwierig gewesen, die Elastizitätseigenschaften eines letztendlich zu untersuchenden Werkstoffes genau zu messen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist folglich eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, ein akustisches Mikroskopsystem zur Verfügung zu stellen, das imstande ist, eine Oberflächenberührungsverlust-Druckwelle zu erfassen, die getrennt von der akustischen Oberflächenverlustwelle zu messen ist.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Ultraschallsonde zur Verwendung in einem akustischen Mikroskopsystem zur Verfügung zu stellen, die, ob von einem Linienfokusstrahl- oder Punktfokusstrahltyp, es möglich macht, eine Oberflächenberührungsverlust- Druckwelle und eine akustische Oberflächenverlustwelle, die beide von einer Oberfläche eines Probenwerkstoffes zurückkehren, unabhängig zu erfassen, und es weiter möglich macht, die Geschwindigkeiten von Schallwellen, die durch verschiedene zu messende anisotropische Werkstoffe laufen, in einer Vielfalt von Betriebsarten genau zu erlangen.
Die obige und andere Aufgaben werden durch eine Bereitstellung eines akustischen Mikroskopsystems gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 erfüllt. Das akustische Mikroskopsystem umfaßt eine Ultraschallsonde, die mit einem hochfrequenten Stoßsignal getrieben wird, um ein Ultraschallsignal auszustrahlen, und die die resultierenden reflektierten und abgestrahlten Wellen erfaßt, eine Z-Achsenbewegungseinrichtung, die den vertikalen Abstand Z zwischen der Sonde und einem interessierenden Werkstoff für jede Abtastposition aktualisiert, und eine Einrichtung, die eine V(z)-Kurve aus den von dem Probenwerkstoff zurückkehrenden Signalen konstruiert, die bei jeweiligen Abtastpositionen erhalten werden. Die Ultraschallsonde der Erfindung ist mit einer akustischen Linse, einem ersten Ultraschallwandler, der auf der akustischen Linse angeordnet ist und eine von einem Probenwerkstoff reflektierte Oberflächenberührungsverlust-Druckwelle empfängt, und einem auf der akustischen Linse angeordneten zweiten Ultraschallwandler versehen, der eine ausgestrahlte akustische Oberflächenverlustwelle (Raiyleigh-Welle) empfängt.
Bei einem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfaßt der Antriebsmodus des ersten und zweiten Ultraschallwandlers mit Hochfrequenz-Soßsignalen einen ersten Modus, bei dem nur der erste Ultraschallwandler betätigt wird, und einen zweiten Antriebsmodus, bei dem der erste und der zweite Ultraschallwandler gleichzeitig betätigt werden.
Das akustische Mikroskopsystem der vorliegenden Erfindung verwendet wenigstens zwei Ultraschallwandler, und folglich ermöglicht es diese Anordnung, die Oberflächenberührungsverlust-Druckwelle unabhängig von der akustischen Oberflächenverlustwelle zu messen.
Außerdem können, gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung, die Aufgaben der Erfindung durch eine Ultraschallsonde zur Verwendung in einem akustischen Mikroskopsystem, gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 23, erfüllt werden. Das akustische Mikroskopsystem ist mit einer akustischen Linse mit einer spärischen oder zylindrischen konkaven Linsenoberfläche und einem auf einer Seite der akustischen Linse angeordneten Ultraschallwandler versehen, und die Sonde der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler ein Paar von kreisförmigen und ringförmigen Wandlern oder eine Mehrzahl von Wandlern umfaßt, die wählbar betätigt werden und parallel zu der Längsachse der konkaven Linsenoberfläche und symmetrisch in bezug auf die Mittelachse der konkaven Linsenoberfläche angeordnet sind.
Im Fall der Ultraschallsonde des letzteren Aspekts des vorliegenden Erfindung besteht der Wandler aus einer Mehrzahl von auswählbaren Wandlern, die so angeordnet sind, daß sie eine bestimmte Beziehung erfüllen, so daß sie selektiv aktiviert werden können, um das Auswählen von geeigneten Werten des kritischen Rayleigh-Winkels und anderer Parameter zu erlauben.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine graphische Darstellung, die ein Beispiel einer allgemeinen V(z)-Kurve zeigt.
Fig. 2 ist ein Blockschaltbild, das ein herkömmliches akustisches Mikroskopsystem zeigt.
Fig. 3A ist eine vergrößerte Schnittansicht, die die herkömmliche akustische Sonde zeigt.
Fig. 3B bis 3E sind Wellenformen, die durch die herkömmliche akustische Sonde erfaßt werden.
Fig. 4A ist eine herkömmliche akustische Sonde des Linienfokusstrahltyps.
Fig. 5 ist eine Schnittansicht der in Fig. 4 gezeigten herkömmlichen akustischen Sonde.
Fig. 6A ist ein akustisches Mikroskopsystem gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung.
Fig. 6B, 6C und 6D zeigen Zustände eines in Fig. 6A gezeigten Schalters 18.
Fig. 7A ist eine perspektivische Ansicht, die eine akustische Sonde des Punktfokusstrahltyps gemäß der in Fig. 6A gezeigten ersten Ausführung der Erfindung zeigt.
Fig. 7B ist eine Schnittansicht, die die akustische Sonde der in Fig. 6A gezeigten ersten Ausführung der Erfindung zeigt.
Fig. 8A bis 8D sind Wellenformen, die durch das akustische Mikroskopsystem gemäß der ersten Ausführung der Erfindung erfaßt werden.
Fig. 9A ist eine perspektivische Ansicht, die eine Anordnung einer akustischen Sonde gemäß der ersten Ausführung der Erfindung zeigt.
Fig. 9B ist eine Schnittansicht der in Fig. 9A gezeigten Anordnung.
Fig. 10 ist eine perspektivische Ansicht, die eine akustische Sonde des Linienfokusstrahltyps gemäß der zweiten der Ausführung der Erfindung zeigt.
Fig. 11 ist eine Schnittasnsicht der in Fig. 10 gezeigten akustischen Sonde.
Fig. 12 ist eine Schnittasnsicht der in Fig. 10 gezeigten akustischen Sonde, die einfallende und reflektierte Wellen zeigt.
Fig. 13 ist eine schematische Schnittansicht einer akustischen Sonde gemäß der dritten Ausführung der Erfindung.
Fig. 14 ist eine Draufsicht, die einen Wandler der akustischen Sonde zeigt, die die in Fig. 13 gezeigte dritte Ausführung verkörpert.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGEN

Eine erste Ausführung der vorliegenden Erfindung wird nun mit Verweis auf die begleitenden Zeichnungen 6-9 im einzelnen beschrieben.
Fig. 6A ist eine schematische Darstellung, die eine Anordnung eines akustischen Mikroskopsystems gemäß der ersten Ausführung der Erfindung zeigt. Die elementaren Einrichtungen und deren Anordnung sind in diesem System praktisch die gleichen wie die des in Fig. 2 gezeigten herkömmlichen Systems außer, daß eine verbeserte Ultraschallsonde 14, ein Abschwächer 30 und ein Schalter 18 bereitgestellt werden, und daß die zentrale Verarbeitungseinheit (CPU) 9 verschiedene Aufgaben und Berechnungen durchzuführen hat, und des weiteren ein Abschwächer 30 und ein Schalter SWA zum geeigneten Auswählen des Abschwächers bereitgestellt werden, die später beschrieben werden. Die Beschreibung der sich überschneidenden Einrichtungen wird folglich weggelassen.
Wie in Fig. 7A und 7B gezeigt, ist die Unltraschallsonde 14 gemäß der ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung mit einem ersten runden Ultraschallwandler 16, einem zweiten ringförmigen Ultraschallwandler 17 mit einem Innendurchmesser, der größer als der Durchmesser des ersten Wandlers 16 ist, und einer akustischen Linse 15 des Punktfokusstrahltyps versehen.
Der Schalter 18 führt als Reaktion auf von der CPU 9 gelieferte Befehle die Auswahl zwischen den Anschlüssen 18a und 18b durch. Wenn der Anschluß 18a gewählt wird, wird der erste Antriebsmodus aktiviert, und ein von der Ultraschall-Erregungsquelle 1 erzeugtes hochfrequentes Stoßsignal wird nur dem ersten Ultraschallwandler 16 zugeführt. Wenn andererseits der Anschluß 18b gewählt wird, wird der zweite Antriebsmodus aktiviert, und das hochf requente Stoßsignal wird sowohl an den ersten als auch den zweiten Ultraschallwandler 16 und 11 gleichzeitig angelegt. Die Wahl zwischen den Anschlüssen 18a und 18b im Schalter 18 kann außer durch die CPU 9 auch manuell durchgeführt werden.
Fig. 7A ist eine perspektivische Ansicht, die eine in der ersten betrachteten Ausführung verwendete vergrößerte Sonde 14 zeigt, und Fig. iB ist eine Schnittansicht, die zeigt, wie Ultraschallwellen ausgestrahlt oder reflektiert werden. Wie in Fig. 7A gezeigt, besitzt die Sonde 14 die zylindrische akustische Linse 15 mit einem entfernten Kegelstumpfende 15A. Der erste runde Ultraschallwandler 16 ist auf dem zylindrischen Querschnitt der akustischen Linse an ihrer Rückseite in Kombination mit dem zweiten Ultraschallwandler 11 angeordnet, dessen Innendurchmesser größer als der Außendurchmesser des ersten Wandlers 16 ist. Die äußeren Anschlußdrähte 16A und 17A sind mit den positiven und negativen Elektroden jedes Wandlers verbunden. Das Kegelstumpfende 15A besitzt eine konkave Spitze, von der Ultraschallwellen ausgestrahlt werden.
Der Durchmesser des ersten runden Ultraschallwandlers 16 besitzt eine Größe, die einer Ultraschallwelle erlaubt, innerhalb des kritischen Winkels der Druckwelle (oder einem Winkel seiner Nachbarschaft) einzufallen, oder eine solche Größe, daß die in den kritischen Winkel (oder einen Winkel in seiner Nachbarschaft) eingelassene Ultraschallwelle sich durch die Oberfläche des Probenmaterials ausbreitet, und daß die abgestrahlte Oberflächenberührungsverlust-Druckwellen- (LSSCW) Komponente wieder durch den ersten Wandler empfangen werden kann.
Der Innen- und Außendurchmesser des zweiten ringförmigen Ultraschallwandlers 17 weisen Größen auf, die einer Ultraschallwelle erlauben, innerhalb des kritischen Rayleigh-Winkels (oder einem Winkel in seiner Nachbarschaft) einzufallen, oder solche Größen, daß die in den kritischen Winkel (oder einen Winkel in seiner Nachbarschaft) eingelassene Ultraschallwelle sich durch die Oberfläche der Probe als eine akustische Oberflächenverlustwelle (Rayleigh-Welle) ausbreitet, und daß eine abgestrahlte transversale akustische Oberflächenverlustwelle wieder durch den Wandler empfangen werden kann.
Ein Einfallswinkel von Ultraschallwellen und der Winkel, bei dem die Verlustwellen abstrahlen, sind symmetrisch in bezug auf die Achse der akustischen Linse und sind einander gleich. Dieses Phänomen gilt nicht nur für den kritischen Winkel der Druckwelle (oder einen Winkel in seiner Nachbarschaft), sondern auch für den kritischen Rayleigh-Winkel (oder einen Winkel in seiner Nachbarschaft).
Das Senden und Empfangen von Ultraschallwellen wird unten mit Verweis auf Fig. 7B beschrieben.

(1) Erster Antriebsmodus (Anschluß 18a gewählt)

Wenn der Anschluß 18a gewählt wird, wird das durch die Ultraschall- Erregungsquelle 1 erzeugte hochfrequente Stoßsignal nur dem ersten Ultraschallwandler 16 zugeführt. Als Reaktion auf dieses Signal strahlt der erste Wandler Ultraschallwellen aus, wie durch die Pfeile in Fig. 7B angedeutet, was die folgenden zwei Arten von reflektierten Wellen zur Folge hat: eine von der Oberfläche der Probe 6 reflektierte vertikale Reflexionswelle WA; eine Oberflächenberührungsverlust-Druckwelle WC (die unter dem gleichen Winkel wie der Einfallswinkel abstrahlt), die von der Oberfläche der Probe 6 abstrahlt, nachdem sie diese berührt hat. Das heißt, der erste Ultraschallwandler 6 empfängt nicht nur die vertikale Reflexionswelle WA, sonderen auch die von der Probe 6 abgestrahlte Oberflächenberührungsvenlust-Druckwelle WC. Folglich überlagern sich diese zwei Wellen WA und WC am ersten Wandler 16, und die zusammengesetzte Welle wird durch den Richtkoppler 2 geleitet, um an den Empfänger 4 zum Signalempfang gesendet zu werden.
Fig. 8A bis 8D zeigen die Wellenformen verschiedener Wellen, die in dem oben beschriebenen Fall erzeugt werden. Fig 8A zeigt die vertikale Reflexionswelle WA, Fig. 8B zeigt die Oberflächenberührungsverlust-Druckwelle WC, Fig. 8C zeigt die Interferenzwelle zwischen Inphasekomponenten, und Fig. 8D zeigt die Interferenzwelle zwischen 180º phasenverschobenen Komponenten.
Die oben beschriebenen Interferenzwellen werden durch die Z-Achsenstufe 12 an jeder Abtastposition erhalten, um eine V(z)-Kurve hervorzubringen, deren Form von der in Fig. 1 gezeigten Kurve abweicht, die aber durch dieselben Paramater gekennzeichnet ist. Die V(z)-Kurve kann durch Operationen in der CPU 9 konstruiert werden, und die Kurve wird auf der Anzeigeeinrichtung 10 in geeigneter Weise dargestellt.

(2) Zweiter Antriebsmodus (Anschluß 18b gewählt)

Wenn der Anschluß 18b gewählt wird, wird das durch die Ultraschall- Erregungsquelle 1 erzeugte hochfrequente Stoßsignal sowohl an den ersten als auch den zweiten Wandler 16 und 11 angelegt, wodurch die zwei Wandler gleichzeitig angetrieben werden. Als Folge strahlen die zwei Wandler Ultraschallwellen aus, wie durch die Pfeile in Fig. 7B veranschaulicht.
Wie in Fig. 7B gezeigt, wir die von dem ersten Wandler 16 ausgestrahlte Ultraschallwelle von der Probe 6 direkt reflektiert und von dem Wandler 16 selbst als die vertikale Reflexionswelle WA empfangen. Die von dem zweiten Wandler 11 ausgestrahlte Ultraschallwelle wird unter einem Winkel größer als der kritische Winkel der Druckwelle und im wesentlichen innerhalb des kritischen Rayleigh-Winkels θr (der Einfallswinkel an der konkaven Linsenoberfläche der akustischen Linse 15) in das Kopplungsmittel 5 eingelassen und verbreitet sich durch die Oberfläche der Probe 6 als eine transversale akustische Oberflächenverlustwelle LSAW und strahlt von der Oberfläche zu dem Wandler ab, wie durch WB angezeigt, worauf die Komponente, die von der Probe an der Position symmetrisch zu der Einfallsposition in bezug auf die Achse der akustischen Linse abgestrahlt wird, vom zweiten Wandler 17 empfangen wird. Diese zwei Wellen WA und WB überlagern sich, um eine zusammengesetzte Welle zu hervorzubringen, die durch den Schalter 18 und den Richtkoppler 2 geleitet wird, um an den Empfänger 4 gesendet zu werden.
Die Z-Achsenstufe 12 wird betrieben, um die Sonde 14 für jeden Abtastpunkt entlang der Z-Achse (in der Vertikalrichtung) zu bewegen. An jedem Abtastpunkt wird der Anschluß 18b gewählt, um die Interferenzwelle zwischen der vertikalen Reflexionswelle WA und der abgestrahlten akustischen Oberflächenverlustwelle WB hervorzubringen. Die resultierenden Interferenzwellen werden durch den Empfänger 4 empfangen, und ihre Spitzenwerte werden durch den Spitzendetektor 7 erfaßt und in die CPU 9 eingegeben, um eine V(z)-Kurve der Art zu konstruieren, die der in Fig. 1 gezeigten gleicht.
Während verschiedene V(z)-Kurven konstruiert werden, indem der erste und zweite Antriebsmodus gewählt werden, kann die Schallgeschwindigkeit der Oberflächenberührungsverlust-Druckwelle auf der Basis der V(z)-Kurve für den ersten Modus berechnet werden, und die Schallgeschwindigkeit der elastischen Oberflächenverlustwelle (Rayleigh) kann aus der V(z)-Kurve des zweiten Modus unabhängig berechnet werden. In jedem Fall führt die CPU 9 alle erforderlichen Berechnungen automatisch durch.
Es versteht sich, daß verschiedene physikalische Merkmale, wie z.B. die Elastizitätseigenschaften, des zu untersuchenden Probenmaterials aus den so berechneten Werten der zwei Schallgeschwindigkeiten bestimmt werden können. Wenn die Geschwindigkeit der Oberflächenberührungsverlustwelle (LSSAW) durch C&sub1; dargestellt wird, können die folden Gleichungen (2) und (3) geschrieben werden: wo E den Young-Modul, v das Poisson-Verhältnis und die Dichte darstellen.
Gemäß der ersten Ausführung der Erfindung empfängt der erste Wandler 16 sowohl die vertikale Reflexionswelle WA als auch die von der Oberfläche der Probe abgestrahlte Oberflächenberührungsverlust-Druckwelle WC. Die Erfindung ist jedoch nicht darauf oder dadurch beschränkt. Wie z.B. in Fig. 9A und 9B gezeigt, kann die akustische Sonde 14 mit einem ringförmigen ersten Wandler 316 versehen werden, der nur die abgestrahlte Oberflächenberührungsverlust-Druckwelle WC empfängt. In diesem Fall empfängt der Empfänger 4 das von dem Wandler gelieferte Signal und ein Signal der Ultraschall-Erregungsquelle 1 über einen Abschwächer 30, das dieselbe Frequenz wie das an den Wandler angelegte hochfrequente Stoßsignal aufweist, wobei sich die Signale elektrisch überlagern und ein zusammengesetztes elektrisches Analogsignal erzeugen. Das zusammengesetzte Signal wird an den Spitzendetektor 7 angelegt, der die Spitzen des zusammengesetzten Signals ermittelt.
Des weiteren kann das akustische Mikroskopsystem mehr als zwei Wandler verwenden, die selektiv aktiviert werden, wodurch sie auf verschiedene Proben mit z.B. unterschiedlicher zu untersuchender Geschwindigkeit oder die Art der Messung anwendbar sind, die für den spezifischen Werkstoff geeignet ist.
Außerdem, obwohl sowohl der erste als auch der zweite Wandler 16 und 17 in dem zweiten Antriebsmodus gemäß der oben beschriebenen ersten Ausführung aktiviert werden, ist die Erfindung nicht darauf oder dadurch beschränkt. Zum Beispiel kann nur der zweite Wandler 17 in dem zweiten Antriebsmodug aktiviert werden, bei dem der Anschluß 18b gewählt wird.
Ferner kann eine akustische Anpassungsschicht zwischen der akustischen Linse und dem Kopplungsmittel zweckmäßig angeordnet werden.
Fig. 6B, 6C und 6D zeigen Zustände von möglichen Schalterarten des in Fig. 6A gezeigten Schalters 18.
Fig. 6B ist ein Schaltertyp für die Anordnung mit zwei ringförmigen Wandlern entsprechend der in Fig. 9A und 9B gezeigten Anordnung der ersten Ausführung. Bei dieser Anordnung empfängt ein innerer Wandler die abgestrahlte Oberflächenberührungsverlust-Druckwelle, und ein äußerer Wandler empfängt die abgestrahlte akustische Oberflächenverlustwelle, und ein Schalter 18&sub1; wählt einen der zwei ringförmigen Wandler, während ein Schalter SWA zum Aktivieren eines Abschwächers 30 eingeschaltet wird, wodurch dem Empfänger 4 ein elektrisches Signal mit einer Frequenz gleich der des von der Quelle 1 erzeugten Ultraschallwellen-Erregungssignals zugeführt wird, so daß sich das von der Probe 6 zurückkehrende Signal mit dem Signal am Empfänger 4 überlagert, bevor es dem Spiztendetektor 7 zugeführt wird.
Fig. 6C zeigt einen anderen Typ des Schalters für einen in der Mitte der akustischen Linse 14 angeordneten runden Wandler und zwei ringförmige Wandler, die den runden Wandler umgebend angeordnet sind. Bei dieser Anordnung aktiviert ein Schalter 182 immer den runden Wandler und wählt einen der zwei ringförmigen Wandler aus, während der Schalter SWA immer ausgeschaltet ist.
Fig. 6D zeigt einen anderen Typ des Schalters für eine Wandleranordnung, bei der ein runder Wandler in der Mitte der akustischen Linse und ein ringförmiger Wandler, der der in Fig. 7A und 7B gezeigten ersten Ausführung entspricht, bereitgestellt werden. Bei dieser Anordnung aktiviert ein Schalter 183 immer den runden Wandler und schaltet den ringförmigen Wandler ein oder aus, während der Schalter SWA immer ausgeschaltet ist.
Der Typ des Schalters 18 kann gemäß der Anordnung der Wandler geeignet ausgewählt werden.
Eine zweite Ausführung der Erfindung wird nun mit Verweis auf die begleitenden Figuren 10-12 im einzelnen beschrieben.
Fig. 10 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Ultraschallsonde des Linienfokusstrahltyps gemäß der zweiten Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt. Bei dieser Ausführung sind drei streifenförmige Ultraschallwandler 111, 112 und 113 auf einer zylindrischen Linsenoberfläche 101A einer akustischen Linse 101 der Sonde angeordnet. Die drei Wandler 111, 112 und 113 sind entlang der Längsrichtung der zylindrischen Linsenoberfläche 101A gebildet. Die von den drei auf der Linsenoberfläche angebrachten Wandlern ausgestrahlten Ultraschallstrahlen werden an Brennpunkten F konvergieren (s. Fig. 11), um einen Linienfokusstrahl zu bilden.
Fig. 11 ist eine Querschnittsansicht, die die Ultraschallsonde gemäß der zweiten erörterten Ausführung zeigt. Eine untere Elektrode 115 ist auf der akustischen Linsenoberfläche 101A angebracht, und auf der Elektrode 115 sind piezoelektrische Elemente 117, 119 und 121, die aus ZnO oder dergleichen gebildet sind, überlagert angebracht, und obere Elektroden 116, 118 und 120 sind auf den piezoelektrischen Elementen 117, 119 und 121 in verschiedenen Positionen angeordnet, um die Wandler 111, 113 bzw. 112 zu bilden.
Der Wandler 113 ist auf der Mittelachse C der Linsenoberfläche 101A so gebildet, daß seine Mitte mit der Mittelachse C ausgerichtet ist. Der Einfalls- (oder Reflexions) Winkel θ&sub1; des Wandlers 113 ist auf einen maximalen Einfallswinkel justiert, der etwas größer als der kritische Winkel der Druckwelle ist. Die Position des Endes des Wandlers 113 (oder genauer, die Position des Endes des piezoelektrischen Elements 119) wird somit in einer Weise bestimmt, daß der oben definierte Einfallswinkel bereitgestellt wird.
Die Wandler 111 und 112 sind an Positionen der Linsenoberfläche 101A gebildet, die in bezug auf die Mittelachse C zueinander symmetrisch sind. Der Winkel θ&sub2;, den die Mitte jedes Wandlers 111 oder 112 mit der Mittellinie C bildet, ist auf den kritischen Rayleigh-Winkel (oder einen Wert in seiner Nähe eingestellt). Das ferne Ende jedes Wandlers 111 oder 112 ist so gelegen, daß ein Einfallswinkel gleich θ&sub2; + &epsi;&sub1; gebildet wird, wo &epsi;&sub1; der Spielraumwinkel ist, der für eine bestimmte Welle ausreicht, um eingelassen und als die akustische Oberflächenverlustwelle (Rayleigh-Welle) (LSAW) reflektiert zu werden.
Fig. 12 zeigt, wie Ultraschallwellen ausgestrahlt und zu den Wandlern 111, 112 und 113 zurückreflektiert werden. Die von dem Wandler 111 längs des Weges l&sub1; ausgestrahlte Welle verbreitet sich als eine akustische Oberflächenverlustwelle (LSAW) l&sub1;&sub2; durch die Oberfläche einer Probe 130 und wird als die Rayleigh-Welle, die in den Wandler 112 eingelassen wird, abgestrahlt, indem sie dem Weg l&sub2; folgt. Der Mittelwandler 113 strahlt eine Ultraschallwelle längs des Weges l&sub5; direkt nach unten aus, die über den Weg l&sub6; zu demselben Wandler 113 senkrecht zurückreflektiert wird. Zu selben Zeit strahlt der Wandler 113 eine Ultraschallwelle aus, die entlang des Weges l&sub3; auf die Oberfläche der Probe 130 im wesentlichen innerhalb des kritischen Winkels der Druckwelle einfällt und sich auf der Oberfläche der Probe 130 als eine Oberflächenberührungsverlust-Druckwelle (LSSCW) ausbreitet und von der Oberfläche der Probe 130 ausstrahlt, um entlang des Weges l&sub4; in Richtung auf den Mittelwandler 113 zu laufen.
Die drei reflektierten und abgestrahlten Wellen, die entlang den Wegen l&sub2; l&sub4; und l-6 laufen, überlagern einander, um eine zusammengesetzte Welle zu bilden, die zum Konstruieren der V(z)-Kurve benutzt wird.
Wie in Fig. 11 gezeigt, ist ein gemeinsamer Anschlußdraht 123 mit der unteren Elektrode 115 verbunden, während ein gemeinsamer Anschlußdraht 122 mit den oberen Elektroden 116 und 120 verbunden ist und ein Anschlußdraht 124 mit der oberen Elektrode 118 verbunden ist. Infolge dieser elektrischen Verbindung können die Wandler 111 und 112 durch eine aus den Leitungen 122 und 123 bestehende gemeinsame Verdrahtung angetrieben werden, und der Wandler 113 kann durch die Leitungen 124 und 123 angetrieben werden.
Wenn man die Geschwindigkeit der Rayleigh-Welle für einen interessierenden Werkstoff zu bestimmen wünscht, kann man einen Spannungsimpuls sowohl an die Leitungen 122 und 123 als auch an die Leitungen 124 und 123 anlegen, worauf ein auf die Rayleigh-Welle (akustische Oberflächenverlustwelle) (LSAW) zurückzuführendes Signal auf den Leitungen 122 und 123 empfangen wird und ein auf die vertikale Reflexionswelle zurückzuführendes Signal auf den Leitungen 124 und 123 erhalten wird. Indem die zwei Signale elektrisch addiert werden, kann ein Signal für die Interferenzwelle und somit ein Signal für die V(z)-Kurve erhalten werden. Wenn gewünscht, können die Leitungen 122 und 124 durch einen einzigen gemeinsamen Draht ersetzt werden, und auch in diesem Fall kann das beabsichtigte Signal für die Interferenzwelle erhalten werden.
Wenn man die Geschwindigkeit der Oberflächenberührungsverlust-Druckwelle für die Probe zu bestimmen wünscht, kann man einen Spannungsimpuls nur an die Leitungen 124 und 123 anlegen, worauf ein Signal für die V(z)-Kurve der Druckwelle, einschließlich einer vertikalen Reflexionswel lenkomponente und einer Oberflächenberührungsverlust-Druckwellen- (LSSAW) Komponente, erhalten werden kann.
Bei der oben beschriebenen zweiten Ausführung werden drei Ultraschallwandler an selektiven Stellen auf der Oberfläche der akustischen Linse bereitgestellt, so kann der Empfang von ungewünschten reflektierten Wellen verhindert werden, um die Konstruktion einer genauen V(z)-Kurve sicherzustellen. Außerdem muß die akustische Linse 101 nicht aus Saphier hergestellt werden, der teuer und schwer zu bearbeiten ist, so daß es möglich ist, die Linse auf einfache und billige Weise unter Verwendung von Plasikkunstharz, z.B. PMMA oder dergleichen, herzustellen. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, daß die Schallgeschwindigkeit der Druckwelle ohne irgendwelche Einflüsse der transversalen (Rayleigh) Welle gemessen werden kann.
Andererseits ist bei der zweiten Ausführung der Einfallswinkel θ&sub1; auf einen maximalen Einfallswinkel festgelegt, der etwas größer als der kritische Winkel der Druckwelle ist. Es sollte jedoch zur Kenntnis genornmen werden, daß, wenn eine etwas geringere Meßgenauigkeit zulässig ist, der Einfallswinkel ei etwas kleiner als der kritische Winkel der Druckwelle sein darf (h.d., ein Winkel in seiner Nähe).
Außerdem ist bei der zweiten Ausführung der Mittelwandler 119 aus einem einzigen streifenförmigen Wandler gebildet, der die vertikale Reflexionswelle und die Oberflächenberührungsverlust-Druckwelle empfängt. Die Erfindung ist jedoch nicht darauf oder dadurch beschränkt. Zum Beispiel kann, wie in der ersten Ausführung eingerichtet, der Wandler 119 aus einem Paar von streifenförmigen Wandlern bestehen, die nur die von der Oberfläche der Probe abstrahlende Oberflächenberührungsverlust-Druckwelle empfangen. In diesem Fall kann ein weiterer auf der Mitte der akustischen Linse angebrachter Wandler, der nur die vertikale Reflexionswelle empfängt, zusätzlich bereitgestellt werden.
Gemäß der oben im einzelnen beschriebenen zweiten Ausführung der Erfindung muß sowieso keine akustische Anpassungsschicht zwischen der Ultrachallsonde und dem Kopplungsmittel angeordnet werden.
Eine dritte Ausführung der Erfindung wird nun mit Verweis auf die begleitenden Zeichnungen 13 und 14 im einzelnen beschrieben.
Fig. 13 zeigt eine Linienfukusstrahlsonde gemäß der dritten Ausführung der vorliegenden Erfindung. Fig. 14 zeigt ein Beispiel einer Anordnung der auf dieser Ultraschallsonde angebrachten Wandlerelemente. Wie gezeigt, besteht die Sonde aus einem Wandler 201 und einer akustischen Linse 202. Die akustische Linse 202 weist an der unteren Oberfläche eine zylindrische konkave Linsenoberfläche 202A auf, während der Wandler 201 mit der entgegengesetzten (oberen) Oberfläche verbunden ist. Die konkave Linsenoberfläche 202A besitzt eine Längsachse, die senkrecht zum Papier von Fig. 13 verläuft. Der Wandler 201 umfaßt neun Wandlerelemente 201a-201i, von denen vier (201a-201d oder 201f-201i) auf jeder Seite der Mittelachse C der Linse und ein Element (201e) auf der Mittelachse C gelegen sind. Diese Anordnung von neun Wandlungselementen ist nur ein Beispiel und darf ebensowenig wie die der oben beschriebenen anderen Auführungen der vorliegenden Erfindung als einschränkend angesehen werden.
Wie in Fig. 14 gezeigt, sind die Wandlungselemente 201a-201i längliche Streifen, die parallel zu der Längsachse des zylindrischen konkaven Teils der akustischen Linse 202 angeordnet sind. Es versteht sich, daß jedes Wandlungselement aus einem piezoelektrischen Element und einem Paar von oberen und unteren Elektroden besteht.
Die Wandlungselemente 201a-201i sind mit einer externen Ultraschall- Erregungsquelle 205, z.B. einem Impulsgenerator oder einem Tonstoßgenerator, und einem Empfänger 206 über einen Schalter 208 verbunden, der durch eine Schaltersteuerschaltung 207 ein- und ausgeschaltet wird. Die Ultraschall-Erregungsquelle 205 ist eine Leistungsquelle, die Ultraschallwellen anregt und entweder gepulste Wellen oder Stoßwellen erzeugen kann. Der Empfänger 206 empfängt Signale für reflektierte und abgestrahlte Wellen, die von einer zu untersuchenden Probe zurückkehren.
Der Schalterkreis 207 wählt nach Maßgabe der zu untersuchenden Probe geeignete Schaltelemente unter 208a-208i im Schalter 208 aus und steuert ihr Einschalten. Nimmt man z.B. den Fall, wo der kritische Rayleigh-Winkel der Einfaliswinkel einer Strahlung des Wandlungselements 201b ist, dann schaltet der Schalterkreis 207 das Schaltelement 208b ein, um das Wandlungselement 201b als eine Ultraschallwellen-Abstrahlungseinrichtung auszuwählen, und zur selben Zeit schaltet der Schalterkreis 207 das Schaltelement 208h ein, um das Schwingungselement 201h als eine Einrichtung zum Empfangen einer Oberflächenberührungsverlust-Druckwelle auszuwählen. Außerdem schaltet der Schalterkreis 207 das Schaltelement 208e als eine Einrichtung zum Abstrahlen und Empfangen einer vertikalen Welle ein. Die anderen Schaltelemente bleiben Aus.
Als Folge wird die Erregungsspanung des Senders 205 über das Schaltelement 208b an das Wandlungselement 201b angelegt, worauf eine Ultraschallwelle unter einem Winkel ausgestrahlt wird, der dem kritischen Rayleigh-Winkel der Probe gleichkommt. Zur gleichen Zeit entwickelt sich auf der Oberfläche der Probe eine akustische Oberflächenverlustwelle, die durch das Wandlungselement 201h aufgenommen wird, während das Wandlungselement 201e durch das Einschalten des Schaltelements 208e ausgewählt wird, wodurch das Wandlungselement 201e eine einfallende Vertikalwelle ausstrahlt und eine vertikale Reflexionswelle empfängt. Die Signale der durch die Wandlungselemente 208e und 208h aufgenommenen reflektierten Wellen überlagern einander, um ein zusammengesetztes Signal zu bilden, das durch den Empfänger 206 empfangen wird, um Daten zum Konstruieren einer V(z)-Kurve bereitzustellen.
Welche der Schaltelemente 208a-208i einzuschalten sind, hängt von der zu untersuchenden Probe oder der Art der Messung ab, die für die spezifische Probe angemessen ist. Um einige mögliche Kombinationen zu nennen, 208a und 208i können eingeschaltet werden oder 208a und 208b und 208h und 208i können eingeschaltet werden.
Bei der oben beschriebenen dritten Ausführung wird das Wandlungselement 201e eingeschaltet, um eine Interferenzwelle zu erzeugen. Alternativ kann dieses Element ausgeschaltet bleiben, und ein vorübergehend erzeugtes Äquivalent des Signals der reflektierten Welle, z.B. eine elektrische Interferenzwelle, kann zu den durch die eingeschalteten Wandlungselemente aufgenommenen Wellenkomponenten addiert werden.
In dem Fall, wo nur die V(z)-Kurve der Oberflächenwelle erfaßt werden muß, die im wesentlichen bei dem kritischen Winkel der Druckwelle erzeugt wird, wird das Einschalten des Wandlungselements 201e genügen, wenn es den Bereich von Einfallswinkeln bis zu dem kritischen Winkel der Druckwelle abdeckt. Andernfalls können die Wandlungselemente, die optimale Einfallswinkel erlauben, z.B. 201d und 201f, zusätzlich zu 201e eingeschaltet werden.
Die Linienfokusstrahl- und Punktfokusstrahlsonden haben ihre eigenen Vorzüge und Mängel. Zum Beispiel sind C-Abtastrnessungen mit dem Punktfokusstrahltyp möglich, während sie mit dem Linienfokusstrahltyp nicht möglich sind. Bei anisotropischen Messungen gewährleistet der Linienfokusstrahltyp eine höhere Genauigkeit als der Punktfokusstrahltyp. Außerdem ist der Punktfokustyp nicht zur Anwendung auf stark dämpfende Werkstoffe geeignet. Da andererseits die sich ausbreitenden Ultraschallwellen nicht nur die der beabsichtigten Richtung, sondem auch die der ungewünschten anderen Richtungen enthalten, liefert folglich der Punktfokusstrahltyp eine geringere Genauigkeit bei anisotropischen Messungen als der Linienfokusstrahltyp.
Unter den gegebenen Umständen hängt die Wahl des Punktfokusstrahltyps oder des Linienfokusstrahltyps von der Aufgabe einer einzelnen Messung oder ihrem Verfahren ab (die zwei Faktoren können kollektiv als die "Meßmethode" bezeichnet werden).
Die in allen oben beschriebenen Ausführungen und ihren Anordnungen verwendete Ultraschall-Erregungsquelle kann ein Impulsgenerator oder ein Tonstoßgenerator wie bei dem herkömmlichen akustischen Mikroskopsystem sein.
Erfindungsgemäß können die akustische Oberwellenverlustwelle (Rayleigh-Welle) und die Oberflächenberührungsverlust-Druckwelle durch wenigstens zwei getrennte Ultraschallwandler unabhängig voneinander empfangen werden, und die Schallgeschwindigkeiten dieser Wellen können aus den entsprechenden V(z)-Kurven einzeln bestimmt werden. Folglich wird es möglich, die Elastizitätseigenschaften eines Werkstoffes sehr genau zu erfassen und zu messen.
Des weiteren ist die Ultraschallsonde erfindungsgemäß so aufgebaut, daß der Empfang von ungewünschten reflektierten Wellen vermieden wird, und dies ermöglicht die Konstruktion einer genauen V(z)-Kurve.
Außerdem kann die akustische Linse der Sonde aus einem billigen Material, z.B. Plastikmaterial wie PMMA oder dergleichen, und damit in einer einfachen Weise hergestellt werden, ohne eine akustische Anpassungsschicht zwischen der akustischen Linse und dem Kopplungsmittel erforderlich zu machen.
Andererseits ist der kritische Rayleigh-Winkel der Linienfokusstrahlsonde in der zu untersuchenden Probe innewohnend, und keine Oberflächenwelle wird angeregt werden, auch wenn eine Ultraschallwelle bei Winkeln in die Probe eingelassen wird, die kleiner als der kritische Rayleigh-Winkel sind. Gleichzeitig kann, wenn der Einfallswinkel größer als der kritische Wert ist, eine Oberflächenwelle in dem Modus anders als der der Rayleigh-Welle aktiviert werden, und die Meßgenauigkeit der Schallgeschwindigkeit kann gelegentlich verschlechtert werden. Es ist deshalb erforderlich gewesen, mehrere Sonden zu verwenden, die es Ultraschallwellen erlauben, unter optimalen Winkeln nach Maßgabe der zu untersuchenden spezifischen Probe einzufallen. Wenn es einen Wechsel in der Probe gibt, mußte die Sonde ebenfalls gewechselt werden, oder die Neigung der Probe mußte justiert werden, was zusätzliche Zeit und Arbeit vor dem Beginn der eigentlichen Messung erfordert.
Erfindungsgemäß kann jedoch eine einzige Sonde verschiedene Meßmethoden verwirklichen, indem lediglich zugelassen wird, daß eine Mehrzahl von Wandlungsstreifen selektiv eingeschaltet wird. Dies bietet in praktischen Anwendungen große Vorteile, weil die vorübergehenden Einstellungen der Sonde vereinfacht werden können und der Schalter selektiv aktiviert werden kann, anstatt eine Mehrzahl von Sonden zu wechseln, wenn eine andere Art von Probe zu untersuchen ist.

Claims

1. Akustisches Mikroskopsystem zur überprüfung eines Werkstoffes, wobei eine V(z)-Kurve verwendet wird, die abhängig von den vom Werkstoff zurückkehrenden Wellen, während auf diesen Ultraschallwellen einstrahlen, gebildet ist, wobei V die Ausgangsspannung der zurückkehrenden Wellen und z den vertikalen Abstand zwischen dem zu analysierenden Werkstoff und einer Ultraschallsonde (14) darstellt, wobei das System aufweist:

eine Quelleneinrichtung (1,205) zur Erzeugung eines Ultraschallanregungssignals;

wobei die Ultraschallsonde (14) mit der Ultraschallanregungs- Signalerzeugungsquelle (1,205) verbunden ist, so daß das Anregungssignal in eine Ultraschallwelle umgewandelt wird und die Ultraschallwelle auf den zu analysierenden Werkstoff (6) strahlt, und wobei die Ultraschallsonde (14) die vom Werkstoff (6) zurückkehrenden Wellen empfängt;

eine Einrichtung (12) zur Bewegung der Ultraschallsonde (14) in vertikaler Richtung;

eine Einrichtung zur Bildung der V(z)-Kurve;

wobei die Ultraschallsonde (14) aufweist:

eine akustische Linse (15,102,202) zur Fokussierung der Ultraschallwelle;

eine erste Wandlereinrichtung (16,316,113,201e), die auf der akustischen Linse (15,101,202) zur Aussendung der Ultraschallwellen auf den Werkstoff vorgesehen ist, wobei die erste Wandlereinrichtung (16,316,113,201e) eine vom Werkstoff (6) abgestrahlte Oberflächenabschöpfungsverlust-Druckwelle (leaky surface skimming compressional wave) empfängt;

dadurch gekennzeichnet, daß

die erste Wandlereinrichtung (16,316,113,201e) die Ultraschallwellen auf den Werkstoff im wesentlichen im für eine Druckwelle kritischen Winkel abstrahlt;

eine zweite Wandlereinrichtung (17,111,112,201a-d,201f-i), die unabhängig von der ersten Wandlereinrichtung (16,316,113,201e) an der akustischen Linse (15,101,202) vorgesehen ist, zur Abstrahlung der Ultraschallwellen auf das Werkstück (6) mit einem Winkel, der größer als der kritische Winkel für die Druckwelle und im wesentlichen innerhalb eines kritischen Rayleighwinkels ist, wobei die zweite Wandlereinrichtung (17,111,112,201a-d, 201f-i) eine vom Werkstoff (6) abstrahlende, akustische Oberflächenverlustwelle empfängt;

eine Schaltungseinrichtung (18,208), die zwischen der Anregungssignalerzeugungsquelle (1,205) und der Ultraschallsonde (14) angeordnet ist, so daß die erste und die zweite Wandlereinrichtung (16,316,113,17,111,112,201a-i) wahlweise betätigbar ist; und daß

die Einrichtung zur Bildung der V (z)-Kurve abhängig von wenigstens einem der Ausgangssignale der ersten und zweiten Wandlereinrichtung (16,316,113,17,111,112,201a-i) eingesetzt wirde

2. Akustisches Mikroskopsystem nach Anspruch 1, wobei die erste Wandlereinrichtung (16,113,201e) zusätzlich eine vertikale Reflektionswelle empfängt, die durch den zu analysierenden Werkstoff (6) vertikal reflektiert wird, und daß die erste Wandlereinrichtung (16,113, 201e) die Oberflächenabschöpfungsverlustdruckwelle und die vertikale Reflektionswelle akustisch überlagert, und daß die erste Wandlereinrichtung (16,113,201e) ein Interferenzsignal ausgibt und die V(z)-Kurvenbildungseinrichtung damit versorgt.

3. Akustisches Mikroskopsystem nach Anspruch 1, wobei die erste Wandlereinrichtung (16,316,113,201d/f) nur die Oberflächenabschöpfungsverlustdruckwelle empfängt.

4. Akustisches Mikroskopsystem nach Anspruch 1, das weiterhin eine Einrichtung (4) aufweist zur elektrischen Überlagerung der Oberflächenabschöpfungsverlustdruckwelle mit einem Bezugssignal, das eine Frequenz aufweist, die der des Ultraschallanregungssignals entspricht, und daß die Überlagerungseinrichtung (4) ein Interferenzsignal zur V(z)-Kurvenbildungseinrichtung ausgibt.

5. Akustisches Mikroskopsystem nach Anspruch 3, das eine dritte Wandlereinrichtung aufweist zum Empfang einer vertikalen Reflektionswelle, die vom zu analysierenden Werkstoff vertikal reflektiert wird und als Bezugssignal wirkt, und daß das Bezugssignal mit dem Ausgangssignal der ersten Wandlereinrichtung (16,316,113,201d/f) elektrisch überlagert wird, wobei ein Interferenzsignal gebildet wird, das von der V(z) Kurvenbildungseinrichtung als Faktor der V(z)-Kurve genutzt wird.

6. Akustisches Mikroskopsystem nach Anspruch 1, wobei die Ultraschallsonde (14) ein Punkt-Fokus-Strahltyp ist.

7. Akustisches Mikroskopsystem nach Anspruch 1, wobei die Ultraschallsonde ein Linien-Fokus-Strahltyp ist.

8. Akustisches Mikroskopsystem nach Anspruch 6, wobei die akustische Linse (15) einen Kegelstumpf-Distalabschluß (15A) aufweist und mit einer ersten kreisförmigen Oberfläche und einer zweiten Oberfläche gegenüberliegend zur ersten Oberfläche versehen ist, wobei auf der zweiten Oberfläche ein sphärischer Konkavlinsenabschnitt vorgesehen ist.

9. Akustisches Mikroskopsystem nach Anspruch 1, wobei die akustische Linse (101,202) im Querschnitt viereckig ist und eine erste flache Oberfläche und dazu gegenüber eine zweite Oberfläche aufweist, wobei an der zweiten Oberfläche ein zylindrischer Konkavlinsenabschnitt vorgesehen ist.

10. Akustisches Mikroskopsystem nach Anspruch 6, wobei die erste Wandlereinrichtung (16) einen kreisförmigen Wandler aufweist, und die zweite Wandlereinrichtung (17) einen ringförmigen Wandler aufweist, der einen inneren Durchmesser hat, der größer ist als der Außendurchmesser des ersten Wandlers (16).

11. Akustisches Mikroskopsystem nach Anspruch 6, wobei die erste Wandlereinrichtung (316) und die zweite Wandlereinrichtung (17) jeweils einen ringförmigen Wandler umfaßt, wobei der Innendurchmesser des zweiten Wandlers größer ist als der Außendurchmesser des ersten Wandlers (316).

12. Akustisches Mikroskopsystem nach Anspruch 7, wobei die erste und zweite Wandlereinrichtung streifenförmige Wandler aufweist.

13. Akustisches Mikroskopsytem nach Anspruch 7, wobei die erste und zweite Wandlereinrichtung (113,111,112,201) eine Vielzahl von Wandlern aufweist, die langgestreckt streifenförmig sind und die parallel zur Longitudinalachse der akustischen Linse (101,202) angeordnet sind.

14. Akustisches Mikroskopsystem nach Anspruch 1, wobei die erste und zweite Wandlereinrichtung (113,111,112,201) jeweils ein piezoelektrisches Element und ein Paar oberer und unterer Elektroden auf oberen und unteren Oberflächen des piezoelektrischen Elementes aufweist.

15. Akustisches Mikroskopsystem nach Anspruch 8 oder 9, wobei die erste und zweite Wandlereinrichtung (17,16,316,201) auf der ersten Oberfläche der akustischen Linse (15,202) befestigt sind.

16. Akustisches Mikroskopsystem nach Anspruch 8 oder 9, wobei die erste und zweite Wandlereinrichtung (111,112,113) auf der zweiten Oberfläche der akustischen Linse (101) befestigt sind.

17. Akustisches Mikroskopsystem nach Anspruch 15, wobei die akustische Linse (15,101,202) aus Saphir ausgebildet ist.

18. Akustisches Mikroskopsystem nach Anspruch 15, wobei die akustische Linse (15,101,202) aus einem Kunststoff (PMMA) ausgebildet ist.

19. Akustisches Mikroskopsystem nach Anspruch 2, wobei die V(z)- Kurven-Bildungseinrichtung (4) aufweist:

eine Einrichtung zum Empfangen von Ausgangssignalen der Ultraschallsonde (14);

eine Einrichtung zur Detektion eines Spitzenwertes (7) der von der Empfangseinri:chtung (4) zugeführten Signale, wobei die Detektionseinrichtung (7) für den Spitzenwert ein Analogsignal ausgibt;

eine Einrichtung (8) zum Umwandeln des Analogausgangssignales der Detektionseinrichtung für den Spitzenwert in digitaler Form;

eine Steuerungseinrichtung zur Berechnung des digitalen Ausgangssignales der A/D-Umwandlungseinrichtung (8), so daß die V(z)-Kurve festgelegt ist, und wobei die Steuerungseinrichtung die Ultraschallsondenbewegungseinrichtung (12) und die Schalteinrichtung (18) steuert; und

eine Einrichtung zum Anzeigen der V(z)-Kurve (10).

20. Akustisches Mikroskopsystem nach Anspruch 3, wobei die V(z) Kurven-Bildungseinrichtung aufweist:

eine Einrichtung (4) zum Empfangen der Ausgangssignale der Ultraschallsonde (14), wobei die Empfangseinrichtung (4) ein Signal empfängt, das eine Frequenz aufweist, die der des Ultraschallanregungssignales entspricht, das zur Ultraschallsonde (149 gesandt wird, und das van der Ultraschallanregungssignalerzeugungsquelle (1,205) über einen Dämpfer (30) zugeführt ist, so daß das von der Ultraschallsonde (14) zugeführte Signal mit dem von der Ultraschallanregungssignalerzeugungsquelle (1,205) zugeführten Signal elektrisch überlagert wird, wobei ein zusammengesetztes Analogsignal ausgegeben wird;

eine Einrichtung (7) zur Detektion eines Spitzenwertes des zusammengesetzten Signales, das von der Empfangseinrichtung (4) ausgegeben ist, wobei die Spitzenwert-Detektionseinrichtung (7) ein Analogsignal ausgibt;

eine Einrichtung (8) zur Umwandlung des analogen Ausgangssignales der elektrischen Überlagerungseinrichtung in digitaler Form;

eine Steuerungseinrichtung zur Berechnung des digitalen Ausgangssignales der A/D-Wandlereinrichtung, so daß die V(z)-Kurve festgelegt ist, wobei die Steuerungseinrichtung die Bewegungseinrichtung (12) der Ultraschallsonde und die Schaltungseinrichtung (18) steuert; und

eine Einrichtung zur Anzeige der V(z)-Kurve (10).

21. Akustisches Mikroskopsystem nach Anspruch 1, wobei die Schalteinrichtung (18,208) zwischen einer ersten Stellung, bei der lediglich die erste Wandlereinrichtung (16,201e) betätigt ist und einer zweiten Stellung, bei der die erste und zweite Wandlereinrichtung (16,17,201) betätigt sind, schaltet.

22. Akustisches Mikroskopsystem nach Anspruch 1, wobei die Schalteinrichtung (18,208) zwischen einer ersten Stellung, bei der lediglich die erste Wandlereinrichtung (16,201e) betätigt ist, und einer zweiten Stellung, bei der lediglich die zweite Wandlereinrichtung (17,201a-d,201f-i) betätigt ist, schaltet.

23. Ultraschallsonde zur Verwendung in einem akustischen Mikroskopsystem zur Überprüfung eines Werkstoffes, wobei eine V(z)- Kurve durch eine reflektierte Verlustwelle (Leaky wave), die vom Werkstoff zurückkehrt, erhalten wird, wobei eine Ultraschallwelle auf den Werkstoff strahlt, wobei V die Ausgangsspannung der zurückkehrenden Wellen und z den vertikalen Abstand zwischen dem zu analysierenden Werkstoff und einer Ultraschallsonde (14) darstellt, wobei das System aufweist:

eine akustische Linse (15,101,202) zur Fokussierung der Ultraschallwelle;

eine erste Wandlereinrichtung (16,316,113,201e), die zur Aussendung der Ultraschallwelle auf den Werkstoff auf der akustischen Linse (15,101,202) vorgesehen ist, wobei die erste Wandlereinrichtung (16,316, 113,201e) eine Oberflächenabschöpfungsverlust- Druckwelle (leaky surface skimming compressional wave), die vom Werkstoff (6) abstrahlt, empfängt;

dadurch gekennzeichnet, daß

die erste Wandlereinrichtung (16,316,113,201e) auf den Werkstoff im wesentlichen innerhalb des für eine Druckwelle kritischen Winkels aussendet;

daß eine zweite Wandlereinrichtung (17,111,112,201a-d,201f-i) auf der akustischen Linse (15,101,202) unabhängig von der ersten Wandlereinrichtung (16,316,113,201e) vorgesehen ist, zur Aussendung der Ultraschallwelle auf den Werkstoff (6) mit einem Winkel, der größer ist als der für die Druckwelle kritische Winkel, und der im wesentlichen innerhalb des kritischen Rayleighwinkels ist, wobei die zweite Wandlereinrichtung (17,111,112,201a-d,201f-i) eine akustische Oberflächenverlustwelle, die vom Werkstoff (6) abstrahlt, empfängt, und

wobei die erste und die zweite Wandlereinrichtung (16,17,316,111,112,113,201) getrennt betätigbar sind.