JP3640532B2 - 超音波探触子 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は超音波探触子に関し、特に、使用する周波数の高周波化に適した構造を有する超音波探触子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
非破壊検査方法の１つとして従来より超音波を利用した検査方法が知られている。超音波検査法によって検査対象物の内部に存在する微小欠陥を検出することができる。今日、チップ・サイズ・パッケージ（ＣＳＰ：Chip Size Package ）等の開発が進行しており、さらに表面実装デバイス（ＳＭＤ：Surface Mount Devices ）の開発も進行している。このような今日の開発現状において上記の微小欠陥の検出の必要性は非常に高いものである。また微小欠陥の微小程度も検査対象物の微細化に対応して極めて小さいものになっており、そのため、超音波検査法を利用して上記検査対象物内の微小欠陥を検出する場合に、使用する超音波の周波数の高周波化は必要不可欠なものとなっている。
【０００３】
上記超音波検査法では装置構成として超音波探触子（または超音波プローブ）が用いられる。超音波探触子は超音波変換器すなわち圧電振動子を有しており、この圧電振動子にパルス的交流電気信号を与えることによって励振し、高い周波数の超音波を発生させるようにしていた。圧電振動子によって発生させられた超音波は音響レンズの中を伝搬し、さらに超音波を伝搬させる媒体の中に出射される。従来において超音波非破壊検査で使用された圧電振動子の出力する超音波の周波数は一般的に１〜１５ＭＨｚの範囲であった。しかしながら、前述のごとく極微小の微小欠陥を検出する場合には、その超音波の周波数はさらに高いものとしなければならない。しかしながら、超音波の周波数が１５ＭＨｚより高い周波数になると、種々の問題が発生する。例えば圧電振動子と検査対象物の間の結合媒体における超音波の減衰とか、あるいは検査対象物そのものの中での超音波の指数関数的な減衰などの問題が生じる。そのため、例えば４０ＭＨｚ以上の高い周波数の超音波を生じる圧電振動子を用いる場合には、圧電振動子の発生信号強度が高いものであること、すなわち感度減衰が小さいものであることが要求される。
【０００４】
超音波非破壊検査用の超音波探触子に用いられる圧電振動子（超音波変換器）に関する上記問題を考慮した研究として、ウルトラソニック(Ultrasonic) 1994 Vol32 No.2に記載されたエフェクト・オブ・アクティブ・ダイアメータ・アンド・ダンピング・オン・ザ・パフォーマンス・オブ・ウルトラソニック・トランスヂューサ（Effect of active diameter and damping on the performance of ultrasonic transducers）という論文が先に提出され、ここで前述の問題が議論されている。この論文の内容では、高い周波数で動作するデバイスのＳ／Ｎ比を増大するために圧電振動子に付設される電極の最適な電極径ｄを論文中の式（１）で求めている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記論文に記載された内容に従えば、実験的に試みてみると、確かに、超音波の周波数が４０〜５０ＭＨｚよりも小さい範囲では良好なＳ／Ｎ比を有する圧電振動子、すなわち高信号強度の超音波を出力する圧電振動子を得ることができる。しかしながら、さらに高い周波数、例えば５０ＭＨｚよりも高い周波数の超音波を発生させる場合には、検出感度という面で超音波の減衰が顕著になり、十分に良好な検出感度を達成する圧電振動子を得ることができないという問題を有していた。
【０００６】
本発明の目的は、上記問題を解決することにあり、特に５０ＭＨｚ以上の高周波の超音波を利用しても十分な検出感度を達成でき、実用性の高い超音波探触子を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段および作用】
本発明に係る超音波探触子は、上記目的を達成するために、次のように構成される。
第１の超音波探触子（請求項１に対応）は、音響レンズを有しており、この音響レンズの一面に設けた取出し電極上に上部電極と下部電極に挟まれた圧電振動子（超音波変換器）を接合材で固定するように構成され、さらに、上記上部電極の直径ｄが、ｄ＝Ｃ_x ［Ｆ₀ ｔ／（ζ_r Ｆ² Ｘ_c ）］^1/2 の式を満たすように決定されることに特徴がある。上記式にて、Ｃ_x は定数、Ｆ₀ ｔは圧電振動子の音響的特性である周波数定数、ζ_r は圧電振動子と接合材の合成誘電率、Ｆは上記探触子で利用される周波数、Ｘ_c は測定系インピーダンスである。
上記の超音波探触子では、良く知られた超音波パルサから上記の上部電極と下部電極の間に励振用電圧を印加すると、圧電振動子は励振され超音波を発生する。発生した超音波は音響レンズ中を伝搬し、下部レンズ面（超音波出射面）から検査対象に対して超音波を出射する。上記構成では上部電極の電極径（直径）に関して前述の式を満足するようにしたため、特にＦ² に掛けられる誘電率として圧電振動子の誘電率と接合材の誘電率を合成した値ζ_r を用いるようにしたため、上部電極の直径を最適なものすることができる。これによって超音波の周波数が５０ＭＨｚ以上であってもＳ／Ｎ比が良好な超音波検出が可能となる。上記接合材は圧電振動子と音響レンズを低温接合するために使用され接合面の凹凸を緩和する。また接合材の誘電率成分が検出感度の向上に寄与する。
第２の超音波探触子（請求項２に対応）は、上記第１の構成において、上記接合材は好ましくは鉛であることを特徴とする。鉛は膜状の形態をなし、好ましくは３μｍ程度の厚みを有する。鉛を用いる場合、１５０℃程度の低温状態で接合が行われる。
第３の超音波探触子（請求項３に対応）は、上記第２の構成において、上記鉛は好ましくはスパッタ成膜法で形成される薄膜である。スパッタ成膜で鉛の膜を形成し、これにより接合材にて所望の誘電率を生じさせる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の好適な実施形態を添付図面に従って説明する。
【０００９】
まず図１を参照して超音波探触子の代表的構造について説明する。図１は超音波探触子の要部を断面で示した側面図である。この図において、１１は超音波探触子のハウジングであり、このハウジング１１はほぼ円筒型の形状を有している。ハウジング１１の内部下側には音響レンズ１２が設けられる。音響レンズ１２は全体として円柱形状を有し、その下面１２ａは超音波出射面（レンズ面）となっている。音響レンズ１２は好ましくは石英で作られたレンズ体である。音響レンズ１２は円筒形ハウジング１１の下側開口部より挿入され、ハウジング１１の内面との間に固定用レジン（樹脂）１３を介在させることによってハウジング１１内に固定されている。
【００１０】
一方、音響レンズ１２の上面には圧電振動子１４が設けられる。圧電振動子１４は電気信号と超音波の間で相互変換を行う超音波変換器である。圧電振動子１４を音響レンズ１２上に取り付ける構造は次の通りである。まず最初に音響レンズ１２の上面には下部取出し電極１５が設けられる。この下部取出し電極１５の上に、励振用の上部電極１６と下部電極１７を備えた前述の圧電振動子１４が設けられる。圧電振動子１４の下部電極１７と上記下部取出し電極１５の間には接合材１８が設けられる。この接合材１８によって圧電振動子１４は音響レンズ１２の上に固定される。
【００１１】
上記構造において下部取出し電極１５、圧電振動子１４、上部電極１６、下部電極１７の平面形状は各々円形となっている。また上記圧電振動子１４は偏平な板状（ディスク状）の形態を有し、かつ接合材１８はごく薄い膜状の形態を有している。図１あるいは後述する図２では、説明の便宜上、各部の厚みを誇張して示している。さらに下部取出し電極１５と上部電極１６と下部電極１７は導電性材料で作られている。
【００１２】
上記ハウジング１１の上端部の外側にはコネクタ部１９が設けられている。コネクタ部１９は、超音波の発生に必要な所要周波数のパルス的電気信号を出力するパルサ（図示せず）に接続されている。ハウジング１１内に設けられた回路２０は波形成形回路である。波形成形回路２０は接地リード線２１と信号引出し線２２によってコネクタ部１９と接続され、他方、他の接地リード線２３によってハウジング１１に接続され、さらに信号引出し線２４によって上記上部電極１６に接続されている。ハウジング１１と下部取出し電極１５の間はリード線２５によって接続され、両者は同電位となっている。図１において、２６はハンダ接続部であり、２７は導電性ペースト接続部である。
【００１３】
図１に示された超音波探触子の構造によれば、パルサから送られてきた超音波を発生させるための励振用電気信号（所要周波数のパルス的交流信号）はコネクタ部１９、波形成形回路２０を通って上部電極１６に与えられる。上部電極１６と下部電極１７の間に励振駆動用のパルス的交流電圧信号が印加されると、圧電振動子１４は振動を発生し、電気的信号を超音波に変換する。圧電振動子１４で発生させられた超音波は接合材１８を経由して音響レンズ１２に伝搬し、音響レンズ１２内で位相を制御されながら超音波出射面１２ａから下方に向かって出射される。通常の検査時には下方に検査対象物が存在し、かつ音響レンズ１２と当該検査対象物の間には超音波を伝搬させる結合媒体（水等）が存在する。従って音響レンズ１２の超音波出射面１２ａから出射された超音波は検査対象物に向かって進行し、当該検査対象物から反射された超音波を再び受信することになる。受信された超音波は下部取出し電極１５によって取り出され、接合材１８を経由して圧電振動子１４に与えられる。圧電振動子１４は、先程の作用とは反対に超音波による振動を電気信号に変換し出力する。出力された電気信号は信号引出し線２４で取り出され、波形成形回路２０で成形され、さらに信号引出し線２２を通して取り出され、コネクタ部１９から信号処理用の電気回路部へ出力される。以上の超音波非破壊検査に使用される超音波探触子の一般的構造および動作は、従来より知られるところのものである。
【００１４】
次に、本実施形態による超音波探触子の特徴的構造を説明する。その特徴部を図２に示す。図２に示された構造は、前述した圧電振動子１４を取り付ける部分の構造である。圧電振動子１４を取り付ける部分の構造としては、圧電振動子１４の上面側に上部電極１６、下面側に下部電極１７が設けられ、音響レンズ１２の上面に設けられた下部取出し電極１５との間に接合材１８を介設した構造となっている。ここで圧電振動子１４と下部電極１７と接合材１８の平面形状は円形であり、寸法的にほぼ同じである。これに対して上部電極１６の平面形状も円形であり、かつその直径（ｄ）は圧電振動子１４の直径よりも小さいものに設定されている。上部電極１６と圧電振動子１４はその平面的位置関係においてその中心が一致する同心的位置関係にあり、かつ上部電極１６の直径のみが圧電振動子１４の直径よりも小さくなるように設定されている。ここで重要なことは、上部電極１６の直径ｄの定め方である。上部電極の直径ｄの定め方を後述のごとき式に従って定めることによって本発明の特徴である超音波の高周波化（５０ＭＨｚ以上の高周波）に対して最大検出感度を達成することができる。かかる直径ｄで形成された上部電極１６を用いることによって、超音波を高周波化しても、極めて検出感度のよい微小欠陥の検出を行うことが可能になる。
【００１５】
なお図２に示された圧電振動子１４等を含む積層構造において、接合材１８は圧電振動子１４と音響レンズ１２を低温で接合するために必要不可欠な部材である。接合材１８には例えば鉛の膜（厚みが例えば３μｍ）が使用される。このような接合材１８としての膜状の鉛は好ましくはスパッタ成膜法で形成される。接合材１８はスパッタ成膜法により所望の誘電率を有するように作られ、この接合材１８の誘電率成分は下記の式で明らかなように電極径ｄを定めるための重要な要素である。また音響レンズ１２の上面に形成される下部取出し電極１５は例えばクロム金を蒸着させることによって形成されている。
【００１６】
次に上記上部電極１６の直径ｄ（電極径）を定める式を示す。
【００１７】
【数１】
ｄ＝Ｃ_x ［Ｆ₀ ｔ／（ζ_r Ｆ² Ｘ_c ）］^1/2
【００１８】
上記の式においてＣ_x は定数、Ｆ₀ ｔは圧電振動子１４の音響的特性である周波数定数、ζ_r は圧電振動子１４と接合材１８の合成誘電率、Ｆは超音波探触子での周波数、Ｘ_c は測定系インピーダンスである。
【００１９】
前述の式で表される電極径すなわち上記ｄが、図１に示された超音波探触子において最大感度が得られる周波数と電極の関係を示したものである。上記式において上部電極１６の直径すなわち電極径ｄを定めるにあたって、圧電振動子１４と接合材１８の各々の誘電率を定めることによって、最適な電極径ｄを得ることができる。ここで合成誘電率ζ_r について説明する。上記圧電振動子１４には例えば日立金属社で製作される商品名ＰＣ１１という圧電振動子を用いるとする。この場合の誘電率はセラミックス単体の誘電率となる。かかる圧電振動子１４に対してその下側に接合材１８が設けられることになる。圧電振動子１４および接合材１８によって決まる静電容量は、等価回路的に考えると、２つの静電容量が直列的に接続された関係で決まる。このような関係にある２つの静電容量を合成すると、通常の静電容量の直列接続の関係式に基づいて合成された静電容量を考えることができる。静電容量の値は、誘電率と面積の積をその厚みで割ったものとして与えられるから、面積と厚みが知られているもとで、得られた合成の静電容量を用いて所定の式により計算を行うと、合成誘電率を求めることができる。いずれにせよ、上記圧電振動子１４は固有の誘電率を有し、また上記のごとくスパッタ成膜で作られた鉛の接合材１８はその膜特性から固有の誘電率を有し、図２に示された構造を作ることによって圧電振動子１４と接合材１８の誘電率に基づいて合成誘電率が決まる。この結果、得られた合成誘電率は前述の式においてζ_r として上部電極１６の直径ｄを定めるための重要な要素として効いてくる。かかる式に基づいて決められた電極径で上部電極１６を形成することにより、超音波探触子において５０ＭＨｚ以上の高周波の超音波について高い検出感度を得ることができる。
【００２０】
ここで圧電振動子１４を上記ＰＣ１１とし、接合材１８を鉛の層（ＰＰ）としたときの各々の誘電率と、合成された誘電率の具体的数値を、表として図６に示す。図６で示した具体的数値は周波数８８ＭＨｚで計測されたものである。
【００２１】
次に、図３〜図５で示したグラフを参照して、上記式（数１）で特徴づけられた本発明に基づく超音波探触子によれば、超音波の高周波化（５０ＭＨｚ以上）に対して十分な感度特性が得られることを説明する。前述した論文に記載された関係式（１）に基づくグラフを示したものが図３である。図３に示したグラフでは最大感度が得られる周波数と電極径の関係が示される。このグラフによれば周波数が増加するに伴って電極径が減少していくことが分かる。そこで、９０ＭＨｚ近傍（７５ＭＨｚ超音波探触子の製作時の周波数）と８０ＭＨｚ近傍と１１０ＭＨｚ近傍の各々において、電極径を変えて受信電圧を計測したグラフを図４に示す。図４において、グラフ４１は８０ＭＨｚ近傍のグラフであり、グラフ４２は９０ＭＨｚ近傍のグラフであり、グラフ４３は１１０ＭＨｚ近傍のグラフである。図４のグラフの各々で、破線で示した部分は近似曲線である。図４に示した３つの周波数の領域において前述の論文の電極径を求める式で求められた電極径によれば、最大感度を得ることができないことが分かった。そこで本発明による超音波探触子では、上記接合材１８を考慮することによって前述の論文の電極径を求める式を見直し、前述した式（数１）を見出した。前述の式（数１）に基づくグラフを図５に示す。図５に示したグラフにおいて、グラフ５１は圧電振動子単体の場合のグラフであり、グラフ５２は圧電振動子１４と接合材１８を考慮した全体としての超音波探触子に関するグラフである。グラフ５２では圧電振動子１４の誘電率と接合材１８の誘電率が合成されたものが考慮されている。このように圧電振動子１４と接合材１８の合成誘電率を用いて立てた式すなわち上記式（数１）に従えば、図５のグラフ中に示された実験結果（実験値「・」）とよく一致することが確認された。これによって超音波の周波数の高周波化（５０ＭＨｚ以上）に関して上部電極１６の電極径ｄを前述の式（数１）で与えることによって、すなわち圧電振動子１４と接合材１８の合成誘電率を考慮した式に基づいて、実用性の高い最大感度が得られる超音波探触子を実現できることを確認できた。
【００２２】
前述の実施形態では接合材１８をスパッタ成膜法で作ったが、この方法に限定されない。また上記電極径ｄは上部電極１６の直径としたが、これに限定されない。
【００２３】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように本発明によれば、超音波探触子の中に含まれる音響レンズ上に設けられた圧電振動子の電極径を圧電振動子自体の誘電率と圧電振動子を固定するための接合材の誘電率を考慮し、両者の合成誘電率を用いることにより定めるようにしたため、５０ＭＨｚ以上の高周波における最大感度を得ることができ、さらに検出感度を最大にすることによって微小欠陥の検出を有効に行うことができ、実用性の高い超音波探触子を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る超音波探触子の全体構成を示す部分縦断面図である。
【図２】圧電振動子の周辺部の縦断面図である。
【図３】従来の圧電振動子における最大感度が得られる周波数と電極径の関係を示すグラフの図である。
【図４】８０ＭＨｚ近傍、９０ＭＨｚ近傍、１１０ＭＨｚ近傍での電極径に対する受信感度の変化を示すグラフの図である。
【図５】本発明に基づく電極径を決める関係式と実験値との関係を示すグラフの図である。
【図６】圧電振動子および接合材の各々の誘電率と合成された誘電率との具体的数値の一例を表として示した図である。
【符号の説明】
１１ ハウジング
１２ 音響レンズ
１４ 圧電振動子
１５ 下部取出し電極
１６ 上部電極
１７ 下部電極
１８ 接合材
１９ コネクタ部

Claims (3)

1. 音響レンズを有し、この音響レンズに設けた取出し電極上に励振用の上部電極と下部電極を備えた圧電振動子を接合材で固定した超音波探触子において、
   前記上部電極の直径ｄが、ｄ＝Ｃ_x［Ｆ₀ｔ／（ζ_rＦ²Ｘ_c）］^1/2の式、ここでＣ_xは定数、Ｆ₀ｔは前記圧電振動子の音響的特性である周波数定数、ζ_rは前記圧電振動子と前記接合材の合成誘電率、Ｆは探触子周波数、Ｘ_cは測定系インピーダンス、を満足するように決められることを特徴とする超音波探触子。
2. 前記接合材は鉛であることを特徴とする請求項１記載の超音波探触子。
3. 前記鉛はスパッタ成膜法で形成される薄膜であることを特徴とする請求項２記載の超音波探触子。

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