JP2023038733A - 超音波プローブ及び超音波検査装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】検査精度を向上できる超音波プローブ及び超音波検査装置を提供する。【解決手段】実施形態によれば、超音波プローブは、第１部材及び第１振動素子を含む。前記第１部材は、金属及びセラミックよりなる群から選択された少なくとも１つを含む。前記第１振動素子は、第１電極と、前記第１電極と前記第１部材との間に設けられた圧電層と、前記圧電層と前記第１部材との間に設けられ前記第１部材と接する第２電極と、を含む。【選択図】図１
Description
本発明の実施形態は、超音波プローブ及び超音波検査装置に関する。
例えば超音波などを用いた検査装置がある。検査精度の向上が望まれる。
本発明の実施形態は、検査精度を向上できる超音波プローブ及び超音波検査装置を提供する。
本発明の実施形態によれば、超音波プローブは、第１部材及び第１振動素子を含む。前記第１部材は、金属及びセラミックよりなる群から選択された少なくとも１つを含む。前記第１振動素子は、第１電極と、前記第１電極と前記第１部材との間に設けられた圧電層と、前記圧電層と前記第１部材との間に設けられ前記第１部材と接する第２電極と、を含む。
以下に、本発明の各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚さと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚さと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
（第１実施形態）
図１（ａ）及び図１（ｂ）は、第１実施形態に係る超音波プローブを例示する模式図である。
図１（ａ）は、斜視図である。図１（ｂ）は、断面図である。
図１（ａ）及び図１（ｂ）は、第１実施形態に係る超音波プローブを例示する模式図である。
図１（ａ）は、斜視図である。図１（ｂ）は、断面図である。
図１（ａ）に示すように、実施形態に係る超音波プローブ１１０は、第１部材５１及び第１振動素子１１Ｅを含む。第１部材５１は、金属及びセラミックよりなる群から選択された少なくとも１つを含む。第１部材５１は、例えば、金属構造体である。第１部材５１は、例えば、セラミック構造体でも良い。第１部材５１は、種々の形状を有することが可能である。
第１振動素子は、第１電極１１ａ、第２電極１１ｂ及び圧電層１１ｃを含む。圧電層１１ｃは、第１電極１１ａと第１部材５１との間にある。第２電極１１ｂは、圧電層１１ｃと第１部材５１との間に設けられる。第２電極１１ｂは、第１部材５１と接する。圧電層１１ｃは、第１電極１１ａ及び第２電極１１ｂと接する。例えば第１部材５１は、第１振動素子１１Ｅを支持して良い。第１電極１１ａ、第２電極１１ｂ及び圧電層１１ｃは、無機材料を含む。
図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、第１電極１１ａから第２電極１１ｂへの第１方向をＺ軸方向とする。Ｚ軸方向に対して垂直な１つの方向をＸ軸方向とする。Ｚ軸方向及びＸ軸方向に対して垂直な方向をＹ軸方向とする。
第１電極１１ａ、第２電極１１ｂ及び圧電層１１ｃは、Ｘ－Ｙ平面に沿って実質的に平行に広がる。
図１（ａ）に示すように、実施形態に係る超音波検査装置２１０は、超音波プローブ１１０及び回路部７０を含む。回路部７０は、第１電極１１ａ及び第２電極１１ｂと電気的に接続される。回路部７０は、第１電極１１ａと第２電極１１ｂとの間に電圧（電圧信号Ｓｉｇ１）を印加可能である。
第１電極１１ａと第２電極１１ｂとの間に印加された電圧に応じて圧電層１１ｃの厚さｔ３（図１（ｂ）参照）が変化する。圧電層１１ｃの厚さｔ３が変化することで、第１振動素子１１Ｅから超音波が出射する。超音波の一部（第１部分）は、圧電層１１ｃから第１電極１１ａへの向きに進む。後述するように、この超音波が検査対象に入射する。検査対象で反射した超音波を受信することで、検査対象の状態が検査される。さらに、第１振動素子１１Ｅで発生した超音波の別の一部（第２部分）は、圧電層１１ｃから第２電極１１ｂへの向きに進み、第１部材５１中を進行する。超音波の上記の第２部分は、第１部材５１を進行する過程で減衰する。
実施形態においては、第２電極１１ｂが第１部材５１と接する。例えば、第２電極１１ｂと第１部材５１との間には、他の材料の層が設けられない。例えば、第２電極１１ｂと第１部材５１とが直接接合している。既に説明したように、第１部材５１は、金属及びセラミックよりなる群から選択された少なくとも１つを含む。これらの材料は、無機材料である。第１振動素子１１Ｅ（例えば第２電極１１ｂ）と第１部材５１との間で音響インピーダンスの差は、小さい。これにより、第１振動素子１１Ｅ（例えば第２電極１１ｂ）と第１部材５１との間の界面において、超音波の上記の第２部分の反射が抑制される。
第１部材５１がゴムなどの有機材料を含む第１参考例が考えられる。第１参考例においては、第１振動素子１１Ｅは、有機材料（例えばエポキシ樹脂など）の接着層を介して第１部材５１と固定される。この第１参考例においては、無機材料の第１振動素子１１Ｅと、接着層と、の間で、音響インピーダンスの差は大きい。このため、第１参考例においては、超音波の上記の第２部分は、第１振動素子１１Ｅと接着層との間の界面で強く反射する。反射した超音波は、検査対象からの超音波（反射波）と混ざり、ノイズとなる。第１参考例においては、検査対象の検査の精度を十分に高くすることが困難である。第１参考例において、第１部材５１と接着層と間において音響インピーダンスが異なる場合がある。このとき、超音波の上記の第２部分は、第１部材５１と接着層との間の界面で強く反射する。このときも、ノイズによって高い精度を得ることは困難である。
実施形態においては、第２電極１１ｂが第１部材５１と接する。そして、第１振動素子１１Ｅ（例えば第２電極１１ｂ）と第１部材５１との間で音響インピーダンスの差が小さい。これにより、超音波の上記の第２部分の反射が抑制される。ノイズが抑制される。実施形態においては、検査精度を向上できる超音波プローブを提供できる。
第１参考例においては、第１部材５１として、ゴムなどの弾性部材が用いられる。これにより、圧電層１１ｃから第２電極１１ｂへの向きに進む超音波（第２部分）を減衰させ、ノイズを低減することが試みられる。第１参考例において、第１部材５１は、超音波を減衰させるバッキング材として機能する。しかしながら、上記のように、第１部材５１と第１振動素子１１Ｅとの間の音響インピーダンスの差が大きい。さらに、これらの間に設けられる接着層と第１振動素子１１Ｅとの間における音響インピーダンスの差も大きい。このため、界面における反射の影響が大きく、ノイズにより、高い感度の検出が困難である。
実施形態において、第１振動素子１１Ｅで発生した超音波は、第１部材５１中で減衰し難い場合があり得る。実施形態において、第１部材５１の長さは、十分に長くて良い。これにより、発生した超音波が第１部材５１中で減衰し、第１部材５１中を伝搬する超音波がノイズとなることが抑制できる。例えば、第１部材５１の終端で反射した超音波が第１振動素子１１Ｅに届くまでの時間が十分に長くなる。これにより、第１部材５１中を伝搬する超音波（ノイズ）と、検査対象で反射した超音波と、の分離が容易になる。ノイズが抑制できる。
図１（ｂ）に示すように、第１電極１１ａから第２電極１１ｂへの第１方向（Ｚ軸方向）に沿う第１部材５１の長さを長さＬ１とする。第１方向に対して垂直な方向に沿う第１部材５１の幅を幅Ｗ１とする。第１方向に対して垂直な上記の方向は、Ｘ－Ｙ平面に沿う方向で良く、例えばＸ軸方向である。幅Ｗ１は、Ｘ－Ｙ平面に沿う１つの方向における第１部材５１の最大の長さで良い。実施形態においては、長さＬ１が十分に長く設定される。
例えば、第１部材５１の長さＬ１は、５０ｍｍ以上である。例えば、超音波が減衰でき、ノイズが効果的に抑制できる。例えば、第１部材５１の終端で反射した超音波（ノイズ）と、検査対象で反射した超音波と、の分離が容易になる。実施形態において、長さＬ１は、１００ｍｍ以下でも良い。長さＬ１が過度に長いと、装置が過度に大きくなる。長さＬ１が１００ｍｍ以下であることで、実用的な小型の装置が得られる。
長さＬ１は、例えば、幅Ｗ１の４倍以上で良い。これにより、超音波が効果的に減衰でき、ノイズを抑制できる。長さＬ１は、例えば、幅Ｗ１の１００倍以下で良い。実用的な小型の装置が得られる。
図１（ａ）及び図１（ｂ）に示した例では、第１部材５１は、Ｚ軸方向に沿って延びる。実施形態において、第１部材５１は、任意の方向に曲がっても良い。この場合、第１部材５１において、超音波の伝搬方向の長さを長さＬ１として良い。
例えば、第１振動素子１１Ｅから出射した超音波は、第１部材５１中を伝搬する。第１部材５１における超音波の伝搬経路に沿った第１部材５１の長さを長さＬ１として良い。伝搬経路に対して垂直な方向に沿う第１部材５１の幅の最大値を幅Ｗ１として良い。実施形態において、このような長さＬ１は、幅Ｗ１の４倍以上で良い。
図１（ｂ）に示すように、第１部材５１は、第１面５１ａ及び第２面５１ｂを含む。第１面５１ａは、第２電極１１ｂと対向する。第１面５１ａは、第２電極１１ｂと接する。第２面５１ｂは、超音波の伝搬経路において、第１面５１ａと反対の面である。第１部材５１が１つの方向（例えばＺ軸方向）に沿って延びる場合は、第１面５１ａは、第２電極１１ｂと第２面５１ｂとの間にある。この場合、長さＬ１は、第１面５１ａと第２面５１ｂとの間の距離に対応する。
第１部材５１としてゴムなどの弾性体が用いられる第１参考例において、超音波は、第１部材５１を伝搬中に大きく減衰する。このため第１参考例において、第１部材５１の長さＬ１は短くて良い。第１参考例において、一般的に、長さＬ１は幅Ｗ１の２倍以下で良い。
これに対して、実施形態においては、第１部材５１の音響インピーダンスが第１振動素子１１Ｅの音響インピーダンスに近い。このため、第１部材５１における超音波の減衰の程度が低い。上記のような長さＬ１と幅Ｗ１との関係は、第１部材５１の音響インピーダンスが第１振動素子１１Ｅの音響インピーダンスに近いという実施形態における特殊な構成である。
図２（ａ）及び図２（ｂ）は、第１実施形態に係る超音波プローブの動作を例示する模式図である。
これらの図の横軸は、時間ｔｍである。図２（ａ）の縦軸は、第１電極１１ａ及び第２電極１１ｂとの間に印加される電圧（電圧信号Ｓｉｇ１）の強度Ｉｎｔである。電圧信号Ｓｉｇ１に基づいて、第１振動素子１１Ｅから超音波が出射する。図２（ｂ）の縦軸は、この超音波（超音波信号Ｓｉｇ２）の強度Ｉｎｔに対応する。
これらの図の横軸は、時間ｔｍである。図２（ａ）の縦軸は、第１電極１１ａ及び第２電極１１ｂとの間に印加される電圧（電圧信号Ｓｉｇ１）の強度Ｉｎｔである。電圧信号Ｓｉｇ１に基づいて、第１振動素子１１Ｅから超音波が出射する。図２（ｂ）の縦軸は、この超音波（超音波信号Ｓｉｇ２）の強度Ｉｎｔに対応する。
図２（ａ）に示すように、第１電極１１ａ及び第２電極１１ｂとの間にパルス状の電圧（電圧信号Ｓｉｇ１）が印加される。パルス幅Ｔｖ１は例えば０．００２５μｓ以上０．１μｓ以下である。
図２（ｂ）に示すように、電圧信号Ｓｉｇ１に対応して、超音波信号Ｓｉｇ２が第１振動素子１１Ｅから出射する。図２（ｂ）に示すように、１つのパルス状の電圧から生成される超音波信号Ｓｉｇ２は、複数のピークを含んでも良い。複数のピークは、第１振動素子１１Ｅの残留振動に起因している。超音波信号Ｓｉｇ２に含まれる複数のピークの１つの時間幅Ｔｗ１は、例えば、０．０１μｓ以上１．０μｓ以下である。このような超音波信号Ｓｉｇ２が検査対象に入射して反射することで、検査が行われる。超音波信号Ｓｉｇ２に含まれる複数のピークの１つの幅（時間幅）は、パルス幅Ｔｖ１と実質的に同じでも良い。超音波信号Ｓｉｇ２の周波数は、実質的にパルス幅Ｔｖ１の逆数でも良い。
図３は、第１実施形態に係る超音波プローブの動作状態を例示する模式図である。
図３に示すように、第１振動素子１１Ｅから出射した超音波信号Ｓｉｇ２が、検査対象８０に入射する。超音波信号Ｓｉｇ２は、検査対象８０で反射する。検査対象８０で反射した反射波（超音波信号Ｓｉｇ２）が、超音波プローブ１１０で受信される。受信された反射波により、検査対象８０の状態が検査される。超音波プローブ１１０において、反射波（超音波信号Ｓｉｇ２）の受信は、第１振動素子１１Ｅで行われて良い。
図３に示すように、第１振動素子１１Ｅから出射した超音波信号Ｓｉｇ２が、検査対象８０に入射する。超音波信号Ｓｉｇ２は、検査対象８０で反射する。検査対象８０で反射した反射波（超音波信号Ｓｉｇ２）が、超音波プローブ１１０で受信される。受信された反射波により、検査対象８０の状態が検査される。超音波プローブ１１０において、反射波（超音波信号Ｓｉｇ２）の受信は、第１振動素子１１Ｅで行われて良い。
例えば、第１振動素子１１Ｅから出射した超音波（超音波信号Ｓｉｇ２）が検査対象８０で反射することで反射波が生成される。反射波が第１振動素子１１Ｅに入射する。回路部７０は、この反射波（超音波信号Ｓｉｇ２の反射波）に応じて、第１電極１１ａと第２電極１１ｂとの間に生じる電気信号ＥＳ１を取得可能である。第１振動素子１１Ｅは、発振素子として機能できる。第１振動素子１１Ｅは、受信素子として機能できる。回路部７０は、電気信号ＥＳ１に基づいて、検査対象８０の検査結果ＳＤ１を出力可能である。
検査対象８０は、例えば、構造体８２に設けられた検査対象膜８１である。構造体８２は、例えば、容器の壁である。検査対象膜８１は、容器の壁の内面に設けられる。検査対象膜８１は、例えば、液体の薄膜である。構造体８２の厚さは、検査対象膜８１の厚さよりもかなり厚い。このような厚い構造体８２を介して薄い検査対象膜８１の検査が行われる。
このような用途においては、第１振動素子１１Ｅから出射する超音波信号Ｓｉｇ２は、厚い構造体８２で吸収されてしまい、検査対象膜８１で反射した反射波が弱くなる。このような用途において、ノイズを低減することが特に望まれる。このような用途において、ノイズが特に問題となる。ノイズは、例えば、第１振動素子１１Ｅから出射した超音波が第１部材５１の側（バック側）の界面で反射して生じる。
実施形態においては、このような用途においても、第１部材５１の側（バック側）の界面での超音波の反射が抑制できる。これにより、このような用途においても、高い感度の検査が可能になる。
図３に示すように、検査対象８０（検査対象膜８１）は、第１界面８０ａ及び第２界面８０ｂを含む。第１界面８０ａは、検査対象膜８１と構造体８２との間の界面である。第１界面８０ａは、超音波の入射側の界面である。第２界面８０ｂは、第１界面８０ａとは反対側の界面である。第２界面８０ｂは、裏面である。
図４（ａ）及び図４（ｂ）は、超音波プローブの特性を例示する模式図である。
図４（ａ）は、実施形態に係る超音波プローブ１１０に対応する。超音波プローブ１１０において、第１部材５１は、金属である。この例では、第１部材５１は、Ｐｂ及びＳｎを含む合金を含む。この合金において、Ｐｂの組成比は、７０ｗｔ％であり、Ｓｎの組成比は３０ｗｔ％である。この合金において、音響インピーダンスは、約３０×１０６ｋｇ／（ｍ・ｓ）である。この例では、第１部材５１の長さＬ１は、１００ｍｍである。
図４（ａ）は、実施形態に係る超音波プローブ１１０に対応する。超音波プローブ１１０において、第１部材５１は、金属である。この例では、第１部材５１は、Ｐｂ及びＳｎを含む合金を含む。この合金において、Ｐｂの組成比は、７０ｗｔ％であり、Ｓｎの組成比は３０ｗｔ％である。この合金において、音響インピーダンスは、約３０×１０６ｋｇ／（ｍ・ｓ）である。この例では、第１部材５１の長さＬ１は、１００ｍｍである。
図４（ｂ）は、上記の第１参考例の超音波プローブ１１９に対応する。既に説明したように、第１参考例においては、第１部材５１は、ゴムである。第１参考例においては、第１部材５１と第１振動素子１１Ｅとの間に、樹脂の接着層が設けられる。第１参考例において、第１部材５１と接着層との間における音響インピーダンスの違いにより、第１部材５１と接着層との間の界面において超音波が反射する。
これらの図において、横軸は時間ｔｍである。これらの図において、縦軸は、超音波（超音波信号Ｓｉｇ２）の強度Ｉｎｔである。
図４（ａ）に示すように、超音波プローブ１１０における超音波信号Ｓｉｇ２において、波形Ｓ１０～Ｓ６０及びＲ１０が観測される。波形Ｓ１０は、検査対象膜８１の第１界面８０ａにおける反射波に対応する。波形Ｓ１０に対応する超音波は、検査対象膜８１を通過していない。波形Ｓ２０は、検査対象膜８１の第２界面８０ｂにおける反射波に対応する。波形Ｓ２０に対応する超音波は、検査対象膜８１を一度往復して通過している。波形Ｓ３０～Ｓ６０は、検査対象膜８１を複数回往復して通過しする超音波に対応する。波形Ｒ１０は、第２面５１ｂで反射して第１振動素子１１Ｅに入射する超音波に対応する。
図４（ａ）に示すように、超音波プローブ１１０において、波形は分離して受信される。例えば、波形Ｓ１０及び波形Ｓ２０の時間的な差に基づいて、検査対象８０（検査対象膜８１）の厚さを検出できる。厚さは、例えば、第１界面８０ａと第２界面８０ｂとの間の距離である。
図４（ｂ）に示すように、超音波プローブ１１９においては、超音波信号Ｓｉｇ２の波形は、波形Ｓ１０～Ｓ６０及びＲ１０に加えて、他の波形Ｓ１２、Ｓ２２及びＳ３２などを含む。他の波形Ｓ１２は、波形Ｓ１０に対応する超音波が第１部材５１と接着層との間の界面で複数回反射することに起因する。他の波形Ｓ２２は、波形Ｓ２０に対応する超音波が第１部材５１と接着層との間の界面で複数回反射することに起因する。他の波形Ｓ３２は、波形Ｓ３０に対応する超音波が第１部材５１と接着層との間の界面で複数回反射することに起因する。
図４（ｂ）に示すように、例えば、波形Ｓ１０と波形Ｓ２０との間に、波形Ｓ１２の少なくとも一部が存在する。波形Ｓ１２一部が波形Ｓ２０と重なる。第１参考例に係る超音波プローブ１１９においては、超音波信号Ｓｉｇ２に含まれる複数の波形の分離が困難である。このような波形（波形Ｓ１２、Ｓ２２及びＳ３２）は、検査対象８０からの反射波の検出においてノイズとなる。このため、検査の精度が低い。
これに対して、図４（ａ）に示すように、超音波プローブ１１０においては、ノイズとなる波形（波形Ｓ１２、Ｓ２２及びＳ３２など）は実質的に観測されない。このよう波形において、ノイズが抑制される。
実施形態において、第１電極１１ａは、例えば、Ａｇ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｕ及びＰｔよりなる群から選択された少なくとも１つを含んで良い。第１電極１１ａは、Ｉｎを含む酸化物（例えば、 Indium Tin Oxideなど）を含んでも良い。第１電極１１ａは、上記の材料を含む積層膜を含んで良い。これらの電極は、例えば、焼き付け銀電極を含んで良い。第１電極１１ａは、例えば、メッキ、蒸着、及びスパッタの少なくともいずれかにより形成されて良い。第１電極１１ａは、例えば、クラッド圧着等によるメタライズにより形成されて良い。第１電極１１ａの厚さｔ１（図１（ｂ）参照）は、例えば、０．０５μｍ以上３００μｍ以下である。
第２電極１１ｂは、例えば、Ａｇ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｕ及びＰｔよりなる群から選択された少なくとも１つを含んで良い。第２電極１１ｂは、Ｉｎを含む酸化物（例えば、 Indium Tin Oxideなど）を含んでも良い。第２電極１１ｂは、上記の材料を含む積層膜を含んで良い。第２電極１１ｂは、例えば、焼き付け銀電極を含んで良い。第２電極１１ｂは、例えば、メッキ、蒸着、及びスパッタの少なくともいずれかにより形成されて良い。第２電極１１ｂの厚さｔ２（図１（ｂ）参照）は、例えば、例えば、０．０５μｍ以上３００μｍ以下である。
圧電層１１ｃは、例えば、ＰｂＺｎＮｂＴｉＯ３（亜鉛ニオブチタン酸鉛）、ＰｂＭｇＮｂＴｉＯ３（マグネシウムニオブチタン酸鉛）、ＰｂＺｒＴｉＯ３（ジルコンチタン酸鉛）、ＰｂＴｉＯ３（チタン酸鉛）、及び、ＰｂＮｂＯ５（ニオブ酸鉛）よりなる群から選択された少なくとも１つを含む。高い効率で超音波を発生させることができる。例えば、高い感度で反射波を検査できる。亜鉛ニオブチタン酸鉛及びマグネシウムニオブチタン酸鉛は、例えば、圧電単結晶で良い。ジルコンチタン酸鉛、チタン酸鉛及びニオブ酸鉛は、例えば、圧電セラミックスで良い。圧電層１１ｃの厚さｔ３は、例えば、０．０５μｍ以上４ｍｍ以下である。
厚さは、Ｚ軸方向に沿う長さである。実施形態において、厚さｔ１及び厚さｔ２は、厚さｔ３と比べて十分に薄くて良い。音響インピーダンスの観点で、第１電極１１ａの厚さｔ１及び第２電極１１ｂの厚さｔ２は、実用的に無視されても良い。例えば、第１振動素子１１Ｅの音響インピーダンスとして、実用的に、圧電層１１ｃの音響インピーダンスが採用されても良い。
実施形態において、第１部材５１の音響インピーダンスは、１０×１０６ｋｇ／（ｍ・ｓ）以上３５×１０６ｋｇ／（ｍ・ｓ）以下程度である。上記のように、第１部材５１は、金属及びセラミックよりなる群から選択された少なくとも１つを含む。金属の音響インピーダンスは、１０×１０６ｋｇ／（ｍ・ｓ）以上６０×１０６ｋｇ／（ｍ・ｓ）以下程度である。セラミックの音響インピーダンスは、１０×１０６ｋｇ／（ｍ・ｓ）以上４０×１０６ｋｇ／（ｍ・ｓ）以下程度である。第１振動素子１１Ｅに含まれる圧電層１１ｃの音響インピーダンスは、１５×１０６ｋｇ／（ｍ・ｓ）以上３２×１０６ｋｇ／（ｍ・ｓ）以下程度である。第１電極１１ａ及び第２電極１１ｂは、金属を含む。第１電極１１ａ及び第２電極１１ｂの音響インピーダンスは、２０×１０６ｋｇ／（ｍ・ｓ）以上２８×１０６ｋｇ／（ｍ・ｓ）以下程度である。
実施形態において、第１部材５１の音響インピーダンスは、第１振動素子１１Ｅの音響インピーダンスの１／２よりも高いことが好ましい。音響インピーダンスの差が小さくなり、反射の影響が抑制される。第１部材５１の音響インピーダンスは、圧電層１１ｃの音響インピーダンスの１／２よりも高くても良い。
実施形態において、第１部材５１の音響インピーダンスは、例えば、第１振動素子１１Ｅの音響インピーダンス以下であることが好ましい。音響インピーダンスの差が小さくなり、反射の影響が抑制される。第１部材５１の音響インピーダンスは、例えば、圧電層１１ｃの音響インピーダンス以下でも良い。
第１部材５１は、例えば、第１金属を含む。金属が用いられることで第１部材５１の製造が容易である。第１部材５１に含まれる第１金属は、低融点の金属であることが好ましい。例えば、第１振動素子１１Ｅと第１部材５１との接続が安定して得られる。第１金属の融点は、２５０℃以下であることが好ましい。第１金属は、例えば、はんだでも良い。
図５は、超音波プローブを例示する模式的断面図である。
図５に示すように、１つの例において、第２電極１１ｂと第１部材５１との間を含む領域５１ｒにおいて、第２電極１１ｂに含まれる元素と、第１部材５１に含まれる元素と、が混ざり合って存在しても良い。例えば、領域５１ｒは、第２電極１１ｂに含まれる元素の１つと、第１部材５１に含まれる元素の１つと、を含む。第２電極１１ｂに含まれる元素は、第２電極１１ｂに含まれる金属元素の１つで良い。第１部材５１に含まれる元素の１つは、第１部材５１に含まれる金属元素の１つで良い。例えば、摩擦拡散接合により、このような第２電極１１ｂ及び第１部材５１が得られる。このような構成において、第２電極１１ｂは第１部材５１と接すると見なされる。
図５に示すように、１つの例において、第２電極１１ｂと第１部材５１との間を含む領域５１ｒにおいて、第２電極１１ｂに含まれる元素と、第１部材５１に含まれる元素と、が混ざり合って存在しても良い。例えば、領域５１ｒは、第２電極１１ｂに含まれる元素の１つと、第１部材５１に含まれる元素の１つと、を含む。第２電極１１ｂに含まれる元素は、第２電極１１ｂに含まれる金属元素の１つで良い。第１部材５１に含まれる元素の１つは、第１部材５１に含まれる金属元素の１つで良い。例えば、摩擦拡散接合により、このような第２電極１１ｂ及び第１部材５１が得られる。このような構成において、第２電極１１ｂは第１部材５１と接すると見なされる。
別の例において、第２電極１１ｂに含まれる元素の１つと、第１部材５１に含まれる元素の１つと、が、シリコンにより結合しても良い。このシリコンは、例えばカップリング剤に含まれるシリコンでよい。例えば、分子接合により、このような第２電極１１ｂ及び第１部材５１が得られる。このような構成において、第２電極１１ｂは第１部材５１と接すると見なされる。
（第２実施形態）
第２実施形態は、超音波検査装置に係る。図１（ａ）に関して説明したように、超音波検査装置２１０は、第１実施形態に係る超音波プローブ１１０と、回路部７０と、を含む。回路部７０は、第１電極１１ａと第２電極１１ｂとの間に電圧（電圧信号Ｓｉｇ１）を印加可能である。
第２実施形態は、超音波検査装置に係る。図１（ａ）に関して説明したように、超音波検査装置２１０は、第１実施形態に係る超音波プローブ１１０と、回路部７０と、を含む。回路部７０は、第１電極１１ａと第２電極１１ｂとの間に電圧（電圧信号Ｓｉｇ１）を印加可能である。
電圧（電圧信号Ｓｉｇ１）に基づいて、第１振動素子１１Ｅから出射した超音波の反射波が第１振動素子１１Ｅに入射可能である。回路部７０は、この反射波（超音波信号Ｓｉｇ２の反射波）に応じて、第１電極１１ａと第２電極１１ｂとの間に生じる電気信号ＥＳ１を取得可能である（図３参照）。
図３に関して説明したように、第１振動素子１１Ｅから出射した超音波（超音波信号Ｓｉｇ２）が検査対象８０で反射することで反射波が生成される。回路部７０は、電気信号ＥＳ１に基づいて、検査対象８０の検査結果ＳＤ１を出力可能である。
実施形態は、以下の構成（例えば技術案）を含んで良い。
（構成１）
金属及びセラミックよりなる群から選択された少なくとも１つを含む第１部材と、
第１振動素子と、
を備え、
前記第１振動素子は、
第１電極と、
前記第１電極と前記第１部材との間に設けられた圧電層と、
前記圧電層と前記第１部材との間に設けられ前記第１部材と接する第２電極と、
を含む、超音波プローブ。
（構成１）
金属及びセラミックよりなる群から選択された少なくとも１つを含む第１部材と、
第１振動素子と、
を備え、
前記第１振動素子は、
第１電極と、
前記第１電極と前記第１部材との間に設けられた圧電層と、
前記圧電層と前記第１部材との間に設けられ前記第１部材と接する第２電極と、
を含む、超音波プローブ。
（構成２）
前記第１部材の音響インピーダンスは、前記第１振動素子の音響インピーダンスの１／２よりも高い、構成１記載の超音波プローブ。
前記第１部材の音響インピーダンスは、前記第１振動素子の音響インピーダンスの１／２よりも高い、構成１記載の超音波プローブ。
（構成３）
前記第１部材の前記音響インピーダンスは、前記第１振動素子の前記音響インピーダンス以下である、構成２記載の超音波プローブ。
前記第１部材の前記音響インピーダンスは、前記第１振動素子の前記音響インピーダンス以下である、構成２記載の超音波プローブ。
（構成４）
前記第１部材の音響インピーダンスは、１５×１０６ｋｇ／（ｍ・ｓ）以上である、構成２または３に記載の超音波プローブ。
前記第１部材の音響インピーダンスは、１５×１０６ｋｇ／（ｍ・ｓ）以上である、構成２または３に記載の超音波プローブ。
（構成５）
前記第１部材は、第１金属を含み、
前記第１金属の融点は、２５０℃以下である、構成１～４のいずれか１つに記載の超音波プローブ。
前記第１部材は、第１金属を含み、
前記第１金属の融点は、２５０℃以下である、構成１～４のいずれか１つに記載の超音波プローブ。
（構成６）
前記第２電極は、Ａｇ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｕ及びＰｔよりなる群から選択された少なくとも１つを含む、構成１～５のいずれか１つに記載の超音波プローブ。
前記第２電極は、Ａｇ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｕ及びＰｔよりなる群から選択された少なくとも１つを含む、構成１～５のいずれか１つに記載の超音波プローブ。
（構成７）
前記第２電極の厚さは、０．０５μｍ以上３００μｍ以下である、構成１～６のいずれか１つに記載の超音波プローブ。
前記第２電極の厚さは、０．０５μｍ以上３００μｍ以下である、構成１～６のいずれか１つに記載の超音波プローブ。
（構成８）
前記圧電層は、前記第１電極及び前記第２電極と接した、構成１～７のいずれか１つに記載の超音波プローブ。
前記圧電層は、前記第１電極及び前記第２電極と接した、構成１～７のいずれか１つに記載の超音波プローブ。
（構成９）
前記圧電層は、ＰｂＺｎＮｂＴｉＯ３、ＰｂＭｇＮｂＴｉＯ３、ＰｂＺｒＴｉＯ３、ＰｂＴｉＯ３、及び、ＰｂＮｂＯ５よりなる群から選択された少なくとも１つを含む、構成１～８のいずれか１つに記載の超音波プローブ。
前記圧電層は、ＰｂＺｎＮｂＴｉＯ３、ＰｂＭｇＮｂＴｉＯ３、ＰｂＺｒＴｉＯ３、ＰｂＴｉＯ３、及び、ＰｂＮｂＯ５よりなる群から選択された少なくとも１つを含む、構成１～８のいずれか１つに記載の超音波プローブ。
（構成１０）
前記圧電層の厚さは、０．０５μｍ以上４ｍｍ以下である、構成１～９のいずれか１つに記載の超音波プローブ。
前記圧電層の厚さは、０．０５μｍ以上４ｍｍ以下である、構成１～９のいずれか１つに記載の超音波プローブ。
（構成１１）
前記第１電極は、Ａｇ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｕ及びＰｔよりなる群から選択された少なくとも１つを含む、構成１～１０のいずれか１つに記載の超音波プローブ。
前記第１電極は、Ａｇ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｕ及びＰｔよりなる群から選択された少なくとも１つを含む、構成１～１０のいずれか１つに記載の超音波プローブ。
（構成１２）
前記第１電極の厚さは、０．０５μｍ以上３００μｍ以下である、構成１～１１のいずれか１つに記載の超音波プローブ。
前記第１電極の厚さは、０．０５μｍ以上３００μｍ以下である、構成１～１１のいずれか１つに記載の超音波プローブ。
（構成１３）
前記第１振動素子から出射した超音波は、前記第１部材中を伝搬し、
前記第１部材における前記超音波の伝搬経路に沿った前記第１部材の長さは、前記伝搬経路に対して垂直な方向に沿う前記第１部材の幅の最大値の４倍以上である、構成１～１２のいずれか１つに記載の超音波プローブ。
前記第１振動素子から出射した超音波は、前記第１部材中を伝搬し、
前記第１部材における前記超音波の伝搬経路に沿った前記第１部材の長さは、前記伝搬経路に対して垂直な方向に沿う前記第１部材の幅の最大値の４倍以上である、構成１～１２のいずれか１つに記載の超音波プローブ。
（構成１４）
前記第１電極から前記第２電極への第１方向に沿う前記第１部材の長さは、前記第１方向に対して垂直な方向に沿う前記第１部材の幅の４倍以上である、構成１～１２のいずれか１つに記載の超音波プローブ。
前記第１電極から前記第２電極への第１方向に沿う前記第１部材の長さは、前記第１方向に対して垂直な方向に沿う前記第１部材の幅の４倍以上である、構成１～１２のいずれか１つに記載の超音波プローブ。
（構成１５）
前記第１部材の長さは、５０ｍｍ以上１００ｍｍ以下である、構成１３または１４に記載の超音波プローブ。
前記第１部材の長さは、５０ｍｍ以上１００ｍｍ以下である、構成１３または１４に記載の超音波プローブ。
（構成１６）
前記第２電極と前記第１部材との間を含む領域は、前記第２電極に含まれる元素の１つと、前記第１部材に含まれる元素の１つと、を含む、構成１～１５のいずれか１つに記載の超音波プローブ。
前記第２電極と前記第１部材との間を含む領域は、前記第２電極に含まれる元素の１つと、前記第１部材に含まれる元素の１つと、を含む、構成１～１５のいずれか１つに記載の超音波プローブ。
（構成１７）
前記第２電極に含まれる元素の１つと、前記第１部材に含まれる元素の１つと、が、シリコンにより結合した、構成１～１５のいずれか１つに記載の超音波プローブ。
前記第２電極に含まれる元素の１つと、前記第１部材に含まれる元素の１つと、が、シリコンにより結合した、構成１～１５のいずれか１つに記載の超音波プローブ。
（構成１８）
構成１～１７のいずれか１つに記載の超音波プローブと、
前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加可能な回路部と、
を備えた超音波検査装置。
構成１～１７のいずれか１つに記載の超音波プローブと、
前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加可能な回路部と、
を備えた超音波検査装置。
（構成１９）
前記電圧に基づいて前記第１振動素子から出射した超音波の反射波が前記第１振動素子に入射可能であり、
前記回路部は、前記反射波に応じて前記第１電極と前記第２電極との間に生じる電気信号を取得可能である、構成１８に記載の超音波検査装置。
前記電圧に基づいて前記第１振動素子から出射した超音波の反射波が前記第１振動素子に入射可能であり、
前記回路部は、前記反射波に応じて前記第１電極と前記第２電極との間に生じる電気信号を取得可能である、構成１８に記載の超音波検査装置。
（構成２０）
前記第１振動素子から出射した前記超音波が検査対象で反射することで前記反射波が生成され、
前記回路部は、前記電気信号に基づいて前記検査対象の検査結果を出力可能である、構成１９記載の超音波検査装置。
前記第１振動素子から出射した前記超音波が検査対象で反射することで前記反射波が生成され、
前記回路部は、前記電気信号に基づいて前記検査対象の検査結果を出力可能である、構成１９記載の超音波検査装置。
実施形態によれば、検査精度を向上できる超音波プローブ及び超音波検査装置が提供できる。
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、超音波プローブまたは超音波検査装置に含まれる第１部材、振動素子、電極、圧電層及び回路部などの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
その他、本発明の実施の形態として上述した超音波プローブ及び超音波検査装置を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての超音波プローブ及び超音波検査装置も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。
その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
１１Ｅ…第１振動素子、 １１ａ、１１ｂ…第１、第２電極、 １１ｃ…圧電層、 ５１…第１部材、 ５１ａ、５１ｂ…第１、第２面、 ５１ｒ…領域、 ７０…回路部、 ８０…検査対象、 ８０ａ、８０ｂ…第１、第２界面、 ８１…検査対象膜、 ８２…構造体、 １１０、１１９…超音波プローブ、 ２１０…超音波検査装置、 ＥＳ１…電気信号、 Ｉｎｔ…強度、 Ｌ１…長さ、 Ｒ１０…波形、 Ｓ１０、Ｓ１２、Ｓ２０、Ｓ２２、Ｓ３０、Ｓ３２、Ｓ５０、Ｓ６０…波形、 ＳＤ１…検査結果、 Ｓｉｇ１…電圧信号、 Ｓｉｇ２…超音波信号、 Ｔｖ１…パルス幅、 Ｔｗ１…時間幅、 Ｗ１…幅、 ｔ１～ｔ３…厚さ、 ｔｍ…時間
Claims (7)
- 金属及びセラミックよりなる群から選択された少なくとも１つを含む第１部材と、
第１振動素子と、
を備え、
前記第１振動素子は、
第１電極と、
前記第１電極と前記第１部材との間に設けられた圧電層と、
前記圧電層と前記第１部材との間に設けられ前記第１部材と接する第２電極と、
を含む、超音波プローブ。 - 前記第１部材の音響インピーダンスは、前記第１振動素子の音響インピーダンスの１／２よりも高い、請求項１記載の超音波プローブ。
- 前記第１部材の前記音響インピーダンスは、前記第１振動素子の前記音響インピーダンス以下である、請求項２記載の超音波プローブ。
- 前記第１部材は、第１金属を含み、
前記第１金属の融点は、２５０℃以下である、請求項１～３のいずれか１つに記載の超音波プローブ。 - 前記第１振動素子から出射した超音波は、前記第１部材中を伝搬し、
前記第１部材における前記超音波の伝搬経路に沿った前記第１部材の長さは、前記伝搬経路に対して垂直な方向に沿う前記第１部材の幅の最大値の４倍以上である、請求項１～４のいずれか１つに記載の超音波プローブ。 - 前記第１電極から前記第２電極への第１方向に沿う前記第１部材の長さは、前記第１方向に対して垂直な方向に沿う前記第１部材の幅の４倍以上である、請求項１～５のいずれか１つに記載の超音波プローブ。
- 請求項１～６のいずれか１つに記載の超音波プローブと、
前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加可能な回路部と、
を備えた超音波検査装置。
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| JP2021145606A JP2023038733A (ja) | 2021-09-07 | 2021-09-07 | 超音波プローブ及び超音波検査装置 |
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