JP3335734B2 - 超音波探触子およびその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超音波顕微鏡や超音波
探傷装置に用いられ、音響レンズを備えた超音波探触子
およびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】図５は、従来の超音波探触子を示す概略
構成図である。図５において、１は音響レンズであり、
サファイヤ等の固体を柱状（図示例では円柱状）に成形
してなる。音響レンズ１の上面１ａには、下部電極４、
圧電膜２および上部電極３が順に積層されている。これ
ら上部、下部電極３、４および圧電膜２により、音響レ
ンズ１内に超音波を放射する超音波発生部ＰＤが構成さ
れている。音響レンズ１の下面１ｂには、この音響レン
ズ１内に放射された超音波を集束且つ音響レンズ１の外
方に放射する球面状の凹レンズ部９が形成され、その周
囲は音響レンズ１の中心軸ＡＸに対して所定の角度をも
って斜めに交差するテーパ部１ｃとされている。また、
凹レンズ部９の内面には、凹レンズ部９からの超音波の
放射効率を向上させるための音響マッチング層（不図
示）が形成されている。

【０００３】超音波発生部ＰＤは、例えば次のようにし
て製作される。 (１) 音響レンズ１の上面１ａに、真空蒸着法によって
ＣｒおよびＡｕを蒸着して下部電極４を形成する。 (２) 下部電極４の表面に、スパッタリング法によって
所定の膜厚でＺｎＯからなる圧電膜２を形成する。 (３) 圧電膜２の表面に、真空蒸着法によってＣｒおよ
びＡｕを蒸着して上部電極３を形成する。 また、音響マッチング層は、たとえばスパッタリング法
によって凹レンズ部９の内面にＳｉＯ₂層を形成するこ
とにより製作される。

【０００４】次に、図５に示す超音波探触子の使用方法
について説明する。発振器５によってパルス波状または
バースト波状の電圧を発生させ、この電圧を矢印６のよ
うにサーキュレータ７を介して圧電膜２に印加すると、
圧電膜２が励振されて超音波ビームが音響レンズ１内に
放射される。この超音波ビームは、圧電膜２の膜厚に対
応して決まる周波数を有し、かつ、上部電極３の面積と
形状に対応して決まるビーム断面積を有する。超音波ビ
ーム８は、音響レンズ１内を伝播してその下面１ｂに形
成された凹レンズ部９から媒質、たとえば水Ｗを介して
試料ＳＰに放射され、そのとき、超音波ビーム８は凹レ
ンズ部９の曲率に応じて集束される。そして、試料ＳＰ
の表面や内部（例えば、ボイドやクラック等）の音響イ
ンピーダンスの異なる部分で反射され、凹レンズ部９か
ら音響レンズ１内に入射し、圧電膜２で検出される。こ
の検出に伴って生じた電気信号は矢印１１に示す如く受
信器１２に送られ、ここで増幅されて取り出される。こ
れにより、試料ＳＰの情報を得ることができる。

【０００５】通常は、ＸＹステージとして構成された試
料台１３をＹ方向に移動するとともに音響レンズ１を不
図示の走査機構によりＹ方向に直交するＸ方向に移動し
て超音波ビーム８を試料ＳＰの表面で走査し、これによ
り、試料ＳＰの任意の領域における情報が得られる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来の超音波探触子では、受信器１２から得られる受
信信号内に音響レンズ１内での超音波の散乱波に基づく
信号（エコー）が含まれてしまい、この散乱波エコーに
より試料ＳＰからのエコーに影響を及ぼす、という問題
があった。

【０００７】すなわち、凹レンズ部９は球面状に形成さ
れているので、凹レンズ部９により反射された超音波は
そのまま圧電膜２に戻って受信される（これをレンズエ
コーと称する）だけでなく、図６に示すように音響レン
ズ１の側面１ｄで反射されてから圧電膜２に戻って受信
される（これを散乱波エコーと称する）。あるいは、音
響レンズ１のテーパ部１ｃに反射されてから受信される
ものもある。

【０００８】図７に示すように、受信器１２からの受信
信号には、これらレンズエコーＬＥ、散乱波エコーＣＥ
および試料エコーＳＥ（試料ＳＰで反射されて得られる
エコー）が含まれる。レンズエコーＬＥと試料エコーＳ
Ｅとでは、超音波の伝播時間に有意な差があるためにこ
れらを峻別することは比較的容易であるが、散乱波エコ
ーＣＥと試料エコーＳＥとでは超音波の伝播時間差が比
較的小さく、散乱波エコーＣＥが試料エコーＳＥのノイ
ズとなって重畳する可能性がある。このため、散乱波エ
コーＣＥの存在により試料エコーＳＥのＳ／Ｎ比を低下
させる、という問題があった。

【０００９】本発明の目的は、試料エコーのＳ／Ｎ比を
向上することの可能な超音波探触子およびその製造方法
を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】一実施例を示す図１に対
応付けて説明すると、請求項１の発明は、超音波を放射
する超音波発生部ＰＤを音響レンズ１の一端部１ａに設
け、この音響レンズ１内を平面波状に伝播した超音波を
音響レンズ１の外方の所定位置に集束するように放射す
る集束部９を音響レンズ１の他端部１ｂに形成した超音
波探触子に適用される。そして、上述の目的は、集束部
９の界面で反射されて音響レンズ１の側面部１ｄに入射
する超音波ＵＳを多方向に反射させる加工面１ｅを側面
部１ｄに形成することにより、上述の目的を達成してい
る。

【００１１】音響レンズ１の中心軸に対して斜めに交差
するテーパ部１ｃを音響レンズ１の他端部１ｂに形成し
た場合、超音波発生部ＰＤで放射されてテーパ部１ｃに
入射する超音波を多方向に反射させる加工面をテーパ部
１ｃに形成することが好ましい。さらに、加工面１ｅを
超音波の波長と同程度の径を有する球面状凹凸面が多数
形成された面としても良い。また、請求項４の発明は、
請求項１〜３のいずれかに記載の超音波探触子を製造す
る方法に適用され、そして、ショットピーニング法によ
り加工面１ｅを形成することを特徴とする。

【００１２】

【作用】音響レンズ１の集束部９の界面で反射されて音
響レンズ１の側面部１ｄに入射し、および超音波発生部
ＰＤで放射されてテーパ部１ｃに入射した超音波ＵＳ
は、これら側面部１ｄおよびテーパ部１ｃに形成された
加工面１ｅにより多方向に反射される。加工面１ｅにお
ける反射により超音波ＵＳは多方向に拡散され、その強
度が減衰する。

【００１３】なお、本発明の構成を説明する上記課題を
解決するための手段と作用の項では、本発明を分かり易
くするために実施例の図を用いたが、これにより本発明
が実施例に限定されるものではない。

【００１４】

【実施例】図１は、本発明による超音波探触子の一実施
例を示す断面図である。なお、以下の説明において、上
述の従来例と同様の構成要素については同一の符号を付
し、その説明を省略する。

【００１５】本実施例の超音波探触子では、音響レンズ
１の上面１ａおよび凹レンズ部９を除く部分、すなわち
音響レンズ１の側面１ｄとテーパ部１ｃが、図２に示す
ように球面状の微小凹凸２０が無数にかつランダムに形
成された加工面１ｅ（図１において斜線部分）とされて
いる。

【００１６】微小凹凸２０は、加工面１ｅに入射する超
音波ＵＳを多方向に反射させて超音波の減衰を図るもの
である。微小凹凸２０の寸法は、音響レンズ１内を伝播
する超音波の波長と同程度であることが好ましく、さら
に、微小凹凸２０を球面状に形成すると超音波ＵＳが広
範囲に散乱され、超音波の減衰を効率よく図ることがで
きる。一例として、波長程度の球面状の微小凹凸により
超音波が５０％以上減衰する。

【００１７】音響レンズ１がサファイヤで形成されてい
る場合、超音波の周波数がＧＨｚ帯であると音響レンズ
１内の超音波の波長は約１０μｍ以下となり、超音波の
周波数が１００ＭＨｚ付近であると音響レンズ１内の超
音波の波長は約１００μｍ程度になる。したがって、微
小凹凸２０の大きさはこれら超音波の波長に応じて定め
られる。約１０μｍ程度の微小凹凸２０は通常の機械加
工により形成することができる。一方、約１００μｍ程
度の微小凹凸２０は機械加工により形成することが困難
であるため、たとえばショットピーニング法により形成
される。

【００１８】ショットピーニング法は、たとえば鋳造品
の表面清掃や金属の表面強度向上のために用いられる表
面加工法の一種である。図３に示すように、不図示の吹
付装置により超音波の波長程度の径を有する粒子２１、
たとえばＳｉＣの粒子を加工面１ｅとすべき面に高速度
で吹き付ける。吹き付けられた粒子２１は、図４に示す
ように、表面に衝突する際に粒子２１の形状に応じてそ
の表面を削り取る。削り取られた部分は微小凹凸２０と
なるため、粒子２１を吹き付けることにより微小凹凸２
０を多数有する加工面１ｅを形成することができる。図
３、図４では図示の簡略化のために側面１ｄを加工して
いる工程のみ示しているが、テーパ部１ｃについても同
様にショットピーニング法により微小凹凸が形成され
る。なお、微小凹凸２０が形成される際に表面の温度上
昇を伴うこともある。

【００１９】あるいは、パルス状レーザーを加工面１ｅ
とすべき面に照射しつつレーザー照射部分を走査して、
レーザーにより音響レンズ１の表面の微小部分を溶解さ
せて微小凹凸２０を形成してもよい。

【００２０】したがって、本実施例によれば、音響レン
ズ１の側面１ｄおよびテーパ部１ｃを、微小凹凸２０が
無数に形成された加工面１ｅとしたので、図２に示すよ
うにこれら側面１ｄおよびテーパ部１ｃに入射する超音
波ＵＳが微小凹凸２０により多方向に反射され、超音波
ＵＳが散乱され、さらに微小凹凸２０により超音波ＵＳ
が互いに干渉するので、反射超音波の強度を減衰させる
ことができる。これにより、圧電膜２により受信される
散乱波エコーの強度を十分低くすることができ、試料エ
コーのＳ／Ｎ比を向上させることができる。

【００２１】なお、本発明の超音波探触子は、その細部
が上述の一実施例に限定されず、種々の変形が可能であ
る。一例として、上述の一実施例では側面１ｄおよびテ
ーパ部１ｃの双方を加工面１ｅとしたが、側面１ｄのみ
を加工面１ｅとしてもよい。また、超音波発生部ＰＤを
除いた音響レンズ１の上面１ａを加工面１ｅとしてもよ
い。さらに、微小凹凸２０の形状も球面状に限らず、不
規則な反射面を有するようなものであってもよい。ま
た、微小凹凸はランダムに形成される必要はなく、たと
えば旋盤により形成される螺旋状の条溝のような規則的
な凹凸であってもよい。

【００２２】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば、音響レンズの側面部およびテーパ部に、入射する
超音波を多方向に反射する加工面を形成したので、これ
ら側面部およびテーパ部に入射する超音波が加工面によ
り多方向に反射されて反射超音波の強度を減衰させるこ
とができる。これにより、受信される散乱波エコーの強
度を十分低くすることができ、試料エコーのＳ／Ｎ比を
向上させることができる。また、請求項４の発明によれ
ば、ショットピーニング法により上述の加工面を形成し
ているので、機械加工では形成が困難な径の凹凸を有す
る加工面を短時間に形成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例である超音波探触子を示す断
面図である。

【図２】加工面による超音波の反射を説明するための図
である。

【図３】一実施例の超音波探触子の製造方法を示す図で
ある。

【図４】微小凹凸が形成される原理を示す図である。

【図５】従来の超音波探触子およびこの超音波探触子が
用いられる装置を示す概略図である。

【図６】散乱波エコーが生じる原因を説明するための図
である。

【図７】レンズエコー、散乱波エコーおよび試料エコー
を示す図である。

【符号の説明】 ＡＸ 中心軸 ＰＤ 超音波発生部 ＵＳ 超音波 １ 音響レンズ １ａ 上面 １ｂ 下面 １ｃ テーパ部 １ｄ 側面 １ｅ 加工面 ９ 凹レンズ部 ２０ 微小凹凸 ２１ 粒子

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01N 29/00 - 29/28 H04R 17/00 330 - 332 A61B 8/00 - 8/15 G01B 17/00 - 17/08

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 柱状の音響レンズの一端部には超音波を
   放射する超音波発生部が設けられ、前記音響レンズの他
   端部には、この音響レンズ内を平面波状に伝播した前記
   超音波が前記音響レンズの外方の所定位置に集束するよ
   うに放射する集束部が形成されてなる超音波探触子にお
   いて、 前記集束部の界面で反射されて前記音響レンズの側面部
   に入射する前記超音波を多方向に反射させる加工面が前
   記側面部に形成されていることを特徴とする超音波探触
   子。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の超音波探触子におい
   て、 前記音響レンズの他端部には前記音響レンズの中心軸に
   対して斜めに交差するテーパ部が形成され、かつ、前記
   超音波発生部で放射されて前記テーパ部に入射する前記
   超音波を多方向に反射させる加工面が前記テーパ面に形
   成されていることを特徴とする超音波探触子。
3. 【請求項３】 請求項１または２に記載の超音波探触子
   において、 前記加工面は、前記超音波の波長と同程度の径を有する
   球面状凹凸面を多数形成して成ることを特徴とする超音
   波探触子。
4. 【請求項４】 請求項１〜３のいずれかに記載の超音波
   探触子を製造する方法であって、 ショットピーニング法により前記加工面を形成する工程
   を備えることを特徴とする超音波探触子の製造方法。