JP4780500B2 - 超音波トランスデューサ - Google Patents

Description

本発明は、圧電体を用いた超音波トランスデューサに関し、特に、同一周波数の縦波と横波の双方の機械的振動に対して使用可能な超音波トランスデューサに関する。

圧電体を用いた超音波トランスデューサ（以下、単に「トランスデューサ」とする）は、電気信号を機械的振動に、あるいは機械的振動を電気信号に変換するために用いられている。従来より、トランスデューサの圧電体には主に、酸化亜鉛（ZnO）から成る層であってc軸がその層に対して垂直方向に配向したものが用いられている。そのような垂直配向圧電体層を用いたトランスデューサでは、その層の上下に設けた電極の間に所定の周波数の交流電圧を印加することにより、圧電体層にその周波数の垂直方向の機械的振動を励起し、それによりトランスデューサに接する外部の媒質に縦波を生じさせることができる（縦波励振）。同様に、トランスデューサに接する外部媒体からその周波数の縦波振動をトランスデューサに与えることにより、圧電体層に機械的振動を与え、電極間にその周波数の交流電圧を発生させることができる。

このようなトランスデューサの使用例の１つに非破壊検査がある。非破壊検査では、トランスデューサを用いて発生させた機械的振動による波を被測定物内に投入し、被測定物内の亀裂等の欠陥で反射された波を検出することにより、欠陥等を検出する。この時、被測定物内に縦波のみを伝播させると、この縦波の振動方向に走る亀裂等を検出することができない。それに対して、被測定物に縦波の振動と横波の振動の双方を与えることができれば、縦波の振動では捉えることのできない亀裂等を横波の振動により捉えることができる。そこで、縦波と横波の双方を励振することができるトランスデューサが検討されている。非特許文献１及び２には、分極方向が層状の圧電体の法線に対して傾斜した圧電体層を用いたトランスデューサが記載されている。これらのトランスデューサでは、圧電体層に交流電圧を印加した時、圧電体層はそれに平行な方向及び垂直な方向のいずれにも振動することができるため、縦波、横波のいずれも励振することが可能である。

C. H. Chou 他、"Design and Implementation of Mixed-Mode Transducers"（「混合モードトランスデューサの設計と実装」）、IEEE Transactions on Ultrasonics and Frequency Control、The Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc.（電気電子学会）発行、（米国）、1989年3月、第36巻、第3号、第337-341頁 C. K. Jen 他、"Ultrasonic transducers for simultaneous generation of longitudinal and shear waves"（「縦波横波同時励振用超音波トランスデューサ」）、Journal of the Acoustical Society of America、Acoustical Society of America（アメリカ音響学会）発行、（米国）、1988年7月、第84巻、第1号、第26-29頁

非特許文献１及び２に記載のトランスデューサでは、上下の電極における電圧の極性が互いに逆になることから、縦波・横波共に、圧電体層の上下で逆位相になる奇数次モードの共振は出現するのに対して、圧電体層の上下で同位相になる偶数次モードの共振は出現しない。奇数次モードの周波数f_Ln（縦波）及びf_Sn（横波）は、圧電体層内での音速V_L（縦波）及びV_S（横波）並びに圧電体の厚さdを用いて、
f_Ln=V_L/λ=(2n-1)V_L/(2d)
f_Sn=V_S/λ=(2n-1)V_S/(2d)
（(2n-1)次モード、n=1, 2, 3...、λ：圧電体層内での波長）と表される。

ここで、多くの圧電体では縦波の音速V_Lは横波の音速V_Sの約2倍であるため、上式にV_L≒2V_Sを代入すると、
f_Ln≒2(2n-1)V_S/(2d)
f_Sn≒(2n-1)V_S/(2d)
となる。即ち、横波共振周波数f_SnはV_S/(2d)のほぼ奇数倍になるのに対して、縦波共振周波数f_LnはV_S/(2d)のほぼ偶数倍になる。
従って、非特許文献１及び２に記載のトランスデューサは、縦波と横波を同一周波数で励振させることができず、それゆえ、縦波と横波を同時に励振することもできない。

このように縦波と横波を同時に励振することができない非特許文献１及び２に記載のトランスデューサにを用いて、縦波と横波の両方を利用した非破壊検査を行うためには、縦波周波数f_Lnと同じ周波数の交流電圧を圧電体層の間に印加して縦波を発生させることにより行う測定と、横波周波数f_Snと同じ周波数の交流電圧を圧電体層の間に印加して横波を発生させることにより行う測定と、を行うという２回の操作が必要になる。

本発明が解決しようとする課題は、同じ周波数の縦波と横波を同時に励振することができるトランスデューサを提供することである。

上記課題を解決するために成された本発明は、
第１の圧電体層と第２の圧電体層を上下電極の間に設けて成る超音波トランスデューサにおいて、
前記第１圧電体層の分極ベクトル（第１分極ベクトル）がトランスデューサに平行な面（トランスデューサ面）の法線に対して傾斜するように配向しており、
前記第２圧電体層の分極ベクトル（第２分極ベクトル）が前記法線に対して傾斜するように配向しており、
前記第１分極ベクトルのトランスデューサ面への射影が前記第２分極ベクトルのトランスデューサ面への射影と逆方向であり、
前記第１分極ベクトルの前記法線への射影が、前記第２分極ベクトルの前記法線への射影と同方向である、
ことを特徴とする。

本発明に係るトランスデューサによれば、同一周波数の縦波と横波を同時に励振することができる。そのためこのトランスデューサは、例えば被測定物内部で様々な方向に走る亀裂等を縦波の振動と横波の振動を同時に利用して検出する非破壊検査の振動源として好適に用いることができる

本発明に係るトランスデューサの一実施形態を、図１を用いて説明する。このトランスデューサ１０は、圧電体層１１を上部電極１２１と下部電極１２２で挟んだ構成を有する。圧電体層１１は、厚さがd₁である第１圧電体層１１１と、厚さがd₂である第２圧電体層１１２を重ねたものである。第１圧電体層１１１では分極のベクトル（第１分極ベクトル）P₁がトランスデューサ面αの法線１３１に対して角度θ₁だけ傾斜し、第２圧電体層１１２では分極のベクトル（第２分極ベクトル）P₂が該法線１３１に対して角度θ₂だけ傾斜している。そして、トランスデューサ面αへの第１分極ベクトルP₁の射影P_1Sは、同面αへの第２分極ベクトルP₂の射影P_2Sと逆方向である。また、前記法線１３１への第１分極ベクトルP₁の射影P_1Lは、同法線１３１への第２分極ベクトルP₂の射影P_2Lと同方向である。

このトランスデューサの動作を、図２を用いて説明する。上部電極１２１と下部電極１２２の間に交流電圧が印加されると、第１圧電体層１１１及び第２圧電体層１１２には、縦波の生成に寄与する法線方向の圧縮振動（縦波振動）と、横波の生成に寄与するトランスデューサ面に平行な方向のすべり振動（横波振動）の両方の振動が生じる。

縦波振動については、図２(a)に示すように、射影P_1Lと射影P_2Lが同方向であるため、第１圧電体層１１１と第２圧電体層１１２は同位相で振動し、それにより、第１圧電体層１１１の上面と第２圧電体層１１２の下面は180°異なる位相を持つ。従って、縦波は奇数次の振動モードを持つ。奇数次の振動モードのうち強度が最大になるのは１次モードである。

一方、横波振動については、図２(b)に示すように、射影P_1Sと射影P_2Sが逆方向であるため、第１圧電体層１１１と第２圧電体層１１２は逆位相で振動し、それにより、第１圧電体層１１１の上面と第２圧電体層１１２の下面は同じ位相を持つ。従って、横波は偶数次の振動モードを持つ。偶数次の振動モードのうち強度が最大になるのは２次モードである。

１次モードの縦波振動の共振周波数f_L1と２次モードの横波振動の共振周波数f_S2は、
f_L1=V_L/λ=V_L/(2d)
f_S2=2V_S/λ=V_S/d
と表される。ここで、dは第１圧電体層１１１と第２圧電体層１１２を合わせた圧電体層１１全体の厚さ、即ちd₁+d₂である。前述のように、圧電体層内での縦波の音速V_Lは圧電体層内での横波の音速V_Sのおよそ2倍であるため、上式にV_L≒2V_Sを代入すると、
f_L1≒2V_S/(d₁+d₂)
f_S2≒2V_S/(d₁+d₂)
、即ち、
f_L1≒f_S2
となる。このように、本発明に係るトランスデューサにより、縦波の共振周波数と横波の共振周波数をほぼ一致させることができる。

実際には、角度θ₁やθ₂の値によるV_LとV_Sの値の変化、圧電体層の配向の乱れ、あるいは圧電体層の材料の特性等により、V_LがV_Sの2倍からずれる場合があり、その場合にはf_L1とf_S2は完全には一致しない。また、トランスデューサを支えるために基板を用いることも、f_L1とf_S2がずれる原因となる。しかし、そのような場合であっても、f_L1とf_S2のずれはわずかであり、縦波及び横波の周波数はそれぞれf_L1及びf_S2を中心とする分布を持つため、それら２つの分布が重なる周波数において縦波と横波を同時に励振させることができる。

縦波の共振周波数と横波の共振周波数は共に、圧電体層内に生じる定在波の波長に依存し、その波長は厚さd₁とd₂の和(d₁+d₂)及び圧電体内での音速により定まる。すなわち、縦波と横波の周波数は個々の圧電体層の厚さd₁及びd₂、あるいは角度θ₁及びθ₂にはほとんど依存しない。そのため、同一周波数の縦波と横波を同時に励振するという目的を達する限りにおいては、d₁とd₂、及びθ₁の絶対値とθ₂の絶対値は異なる値でもよい。しかし、d₁とd₂、あるいはθ₁の絶対値とθ₂の絶対値が異なると、縦波では本来の奇数次モードの振動に加えて偶数次モードの振動も生じ、同様に横波では本来の偶数次モードの振動に加えて奇数次モードの振動も生じてしまう。そのため、d₁とd₂、あるいはθ₁の絶対値とθ₂の絶対値は同じ値であることが望ましい。

前記第１圧電体層及び前記第２圧電体層の材料には任意の圧電体を用いることができる。例えば、従来のトランスデューサにおいても使用されているZnO（酸化亜鉛）やAlN（窒化アルミニウム）等のウルツ鉱構造を有する圧電体を好適に用いることができる。ウルツ鉱構造を有する圧電体は、図３に示すように、六方晶の単位格子を持ち、Aⁿ⁺から成る層（A層）とB^n-から成る層（B層）が交互に積層し、B層はその上下にある２枚のA層から等距離の位置よりもc軸の１方向にずれた位置に配置される。この結晶構造により、ウルツ鉱構造を有する圧電体は外部電界が印加されなくともc軸に平行な方向に自発分極（極性）を持つ、という特徴を有する。

図４に、ZnOについて、縦波の振動に寄与する電気機械結合定数k'₃₃と、横波の振動に寄与する電気機械結合定数k'₁₅のc軸と外部電界の成す角度θ（θ₁及びθ₂に該当）による変化を計算で求めた結果を示す。
電気機械結合定数k'₁₅はθ=28°において最大となり、9 °〜54°において0.2以上の値となる。一般に放射媒質（トランスデューサから放射された振動を伝搬させる媒質であり、例えば、非破壊検査では被測定物に該当する。）中では縦波よりも横波の方が減衰しやすいことから、横波への変換損失を抑えて横波の強度を高めるためには、θ₁やθ₂の絶対値は、電気機械結合定数k'₁₅が上記の値以上となる9°〜54°とすることが望ましい。
一方、k'₁₅とk'₃₃はθ=12°において同じ値となる。縦波と横波を同程度の変換効率で励振させる場合には、θ₁やθ₂の絶対値は12°程度とするとよい。

図５に、第１圧電体層及び第２圧電体層にZnOを用いた本発明のトランスデューサについて、θ₁及びθ₂の絶対値を(a)28°、(b)12°、(c)23°とした場合における縦波及び横波の変換損失を計算した結果を示す。ここで、(c)のθ₁=θ₂=23°という角度は、理論上、縦波の速度V_Lが横波の速度V_Sのちょうど2倍になる時の角度である。(a)では、(b)及び(c)の場合よりも、横波の変換損失が小さくなっており、横波の強度を高めることができる。(b)では、(a)及び(c)の場合よりも、縦波の変換損失と横波の変換損失が近い値となり、縦波と横波を同程度の変換効率で励振させることができる。(c)では、横波の変換損失については(a)のものに比較的近い値が得られ、縦波の変換損失については(a)のものよりも約2dB小さくすることができる。

ZnO以外の圧電体材料を第１圧電体層及び前記第２圧電体層に用いる場合にも、分極と外部電界の成す角度θによる電気機械結合定数k'₁₅の変化を計算又は実験により求め、その値が大きくなるように角度θを決定すればよい。但し、電気機械結合定数k'₁₅が大きい値を持つ角度θにおいて電気機械結合定数k'₃₃が0に近づくと、縦波の強度が小さくなってしまうため、トランスデューサの使用目的等により適宜、縦波の強度と横波の強度を角度θにより調整するとよい。

本発明に係るトランスデューサの一実施例を、図６〜図１１を用いて説明する。本実施例では、ZnOから成る第１圧電体層及び第２圧電体層を有するトランスデューサ２０を作製した。作製したトランスデューサ２０は、図６に示すように、石英製基板２４の上に、アルミニウムから成る下部電極２２２、ZnOから成る第２圧電体層２１２、ZnOから成る第１圧電体層２１１及び銅から成る上部電極２２１がこの順で積層された構造を有する。第１圧電体層２１１及び第２圧電体層２１２の厚さ及び分極ベクトルの方向については後述する。上部電極２２１及び下部電極２２２の厚さはそれぞれ0.15μm及び0.11μmであり、上部電極２２１の面積は、トランスデューサ２０の入力インピーダンスが50Ωになるように、本実施例ではおよそ1.6mm²とした。

本実施例のトランスデューサ２０の製造に用いたRFマグネトロンスパッタリング装置３０について、図７を用いて説明する。このRFマグネトロンスパッタリング装置３０は、同一の径を持ち同軸に配置された円盤状の陽極３１及び陰極３２を有する。また、陰極３２の下側にマグネトロン回路３３を有する。陽極３１の下側には、板状の部材の一表面に基板Ｓを固定可能な基板台３４が設けられている。基板台３４は、基板Ｓの表面が陽極３１及び陰極３２の中心を通る軸上に位置するように配置が調整され、陽極３１に固定される。これら各部は、真空容器（図示せず）内に配置される。

トランスデューサ２０の製造方法を説明する。まず、通常の抵抗加熱型蒸着装置を用いて、石英製基板２４の表面にアルミニウムを蒸着することにより、下部電極２２２を作製した。次に、RFマグネトロンスパッタリング装置３０の陰極３２の上面にZnOから成るターゲット３９を載置すると共に、下部電極２２２が蒸着された面を表面として石英製基板２４を基板台３４に取り付けた。ここで、石英製基板２４の下端はターゲット３９の表面から15mmの位置に配置し、上端はターゲット３９の表面から45mmの位置に配置した。次に、真空室内を排気したうえで、真空室内の圧力が1.0Paになるようにアルゴンと酸素の混合ガス（混合比3:1）を真空室内に導入した。そして、石英製基板２４の温度を300℃に維持しながら、マグネトロン回路３３に200Wの高周波電力を投入することによりZnOターゲット３９をスパッタした。これにより、スパッタされたZnOの粒子が下部電極２２２の表面に堆積し、第２圧電体層２１２が形成された。

次に、第２圧電体層２１２の表面に、以下の方法により第１圧電体層２１１を作製した。上述のように得られた第２圧電体層２１２は、ターゲット３９から離れるに従って厚さが薄くなると共に、トランスデューサ面の法線とc軸の成す角度が大きくなる。そこで、その法線とc軸の成す角度が所定の大きさ（本実施例では26°とした。）になる位置を予備実験により特定し、その位置を通り圧電体層に垂直な軸を中心として石英製基板２４を180°回転させた。本実施例では、その位置はターゲット３９から25mm、基板の下端から10mm離れたところであった。そのうえで、第２圧電体層２１２を作製した時と同じ条件で第２圧電体層２１２の表面に第１圧電体層２１１を作製した。

その後、上記所定位置を中心とする面積1.6mm²の領域内に、通常の蒸着法により銅を蒸着させることにより、上部電極２２１を作製した。

図８に、得られたトランスデューサ２０について、縦断面の電子顕微鏡写真を示す。なお、この縦断面は、後述の測定に支障を生じさせないために、上記所定位置からわずかにずれた、上部電極２２１がない位置においてトランスデューサ２０を切断することにより得た。また、下部電極２２２は、第１圧電体層２１１及び第２圧電体層２１２と比較すると非常に薄い（約1/50）ため、この電子顕微鏡写真では識別することができない。
図９に、第１圧電体層２１１及び第２圧電体層２１２につき、X線回折測定により得られた、上記所定位置における(0002)面極点図を示す。極点図では、仰角ψ=32°、方位角φ=90°付近を中心とする第１圧電体層２１１での回折による強度分布４１１と、仰角ψ=26°、方位角φ=270°付近を中心とする第２圧電体層２１２での回折による強度分布４１２が見られる。

これらの測定結果から、上記所定位置付近では、第１圧電体層２１１のc軸は32°(=θ₁)、第２圧電体層２１２のc軸は26°(=θ₂)、それぞれ圧電体層（すなわち、トランスデューサ面）の法線に対して傾斜していることが明らかになった。そして、c軸の傾斜方向、即ち自発分極のベクトルの方向は、第１圧電体層２１１では右下から左上に向かい、第２圧電体層２１２では左下から右上に向かう方向であった。即ち、トランスデューサ面への第１分極ベクトルP₁の射影P_1Sは同面への第２分極ベクトルP₂の射影P_2Sと逆方向であり、同面の法線への第１分極ベクトルP₁の射影P_1Lは、該法線への第２分極ベクトルP₂の射影P_2Lと同方向である。また、第１圧電体層２１１及び第２圧電体層２１２の厚さd₁及びd₂はそれぞれ5.81μm及び5.63μmである。

図１０に、得られたトランスデューサ２０における縦波及び横波の変換損失の測定結果、及びこれら変換効率を計算で求めた結果を示す。ここで、変換損失の計算にはトランスデューサ２０におけるθ₁, θ₂, d₁, d₂の測定値を用いた。計算結果は実験結果をよく再現している。実験結果より、縦波では278MHz、横波では266MHz、という互いに近い周波数でそれぞれ変換損失が最小、即ち強度が最大になることが示された。これら周波数は、縦波では１次モードにおける周波数に、横波では２次モードにおける周波数に、それぞれ対応する。また、最小変換損失は縦波で15dB、横波で9dBであって十分に小さく、波の強度は十分に大きい。そして、変換損失の測定結果は、おおむね260〜285MHzの周波数領域内ではほとんど変化しないため、得られたトランスデューサ２０はこの周波数領域において縦波と横波の双方を十分な強度で同時に励振することができる。

本実施例のトランスデューサ２０では、上述のようにθ₁の絶対値とθ₂の絶対値、及びd₁とd₂が異なるが、同一周波数の縦波と横波を同時に励振するという目的は達成されている。但し、θ₁とθ₂、及びd₁とd₂が異なることにより、図１０に示すように、縦波では１次モードL₁の他に、本来は共振しない偶数次の２次モードL₂の振動が出現し、同様に横波では２次モードS₂の他に、本来は共振しない奇数次の１次モードS₁及び３次モードS₃の振動が出現している。本来は共振しないこれらの振動モードを解消させるためには、θ₁の絶対値とθ₂の絶対値、あるいはd₁とd₂を同じ値にすればよい。

図１１に、本発明に係るトランスデューサを製造するための装置の他の例を概略構成図で示す。陽極３１Ａと陰極３２Ａの間に、基板Ｓをそれに平行な１方向に移動させる搬送装置５１を設ける。搬送装置５１には、ベルト上に基板Ｓを固定可能なコンベアや、基板Ｓを固定する基板台をレールで保持しながら移動させる装置等を用いることができる。また、搬送装置５１と陰極３２Ａの間であって、陰極３２Ａから十分に離れた位置にスリット５２を設ける。更に、陰極３２Ａの下側にマグネトロン回路３３を設ける。この装置を使用する際には、陰極３２Ａの上面に、圧電体材料から成るターゲット３９Ａを載置する。

この装置５０を用いて本発明に係るトランスデューサを製造する方法を説明する。予め表面に下部電極を形成した基板２４（Ｓ）を搬送装置５１に固定し、搬送装置５１により基板２４１の表面に平行な１方向に移動させながらマグネトロン回路３３に高周波電力を投入してターゲット３９Ａをスパッタする。これにより圧電体の粒子を生成し、スリット５２を通して圧電体粒子を基板２４の表面に入射させる。この時、陰極３２Ａとスリット５２が十分に離れているため、基板２４の表面に入射する圧電体の粒子は１方向を指向し、また、その方向は陰極３２Ａとスリット５２の位置により調節することができる。こうして、所定の結晶軸（例えばZnOのc軸）が基板２４の面から所定の方向に傾斜した第２圧電体層が得られる。次に、基板２４を垂直な軸の周りに180°回転させて搬送装置５１に固定し、基板２４を上記１方向に移動させながら、同様の方法により第２圧電体層上に圧電体粒子を入射させることにより、第１圧電体層を形成することができる。

本発明に係るトランスデューサの一実施形態を示す縦断面図。 本発明に係るトランスデューサの動作を説明するための縦断面図。 ウルツ鉱構造を示す概略図。 ZnOの電気機械結合定数k'₃₃及びk'₁₅の計算結果を示すグラフ。 第１圧電体層及び第２圧電体層にZnOを用いた本発明のトランスデューサについて、θ₁及びθ₂の絶対値を(a)28°、(b)12°、(c)23°とした場合における縦波及び横波の変換損失の計算結果を示すグラフ。 本発明に係るトランスデューサの一実施例を示す縦断面図。 本発明に係るトランスデューサの一実施例の製造に用いたRFマグネトロンスパッタリング装置２０を示す縦断面図。 本実施例のトランスデューサの縦断面を撮影した電子顕微鏡写真。 本実施例のトランスデューサにおける第１圧電体層２１１及び第２圧電体層２１２のX線回折測定の結果を示す極点図。 本実施例のトランスデューサにおける縦波及び横波の変換損失の測定結果及び計算結果を示すグラフ。 本発明に係るトランスデューサの製造装置の他の例を示す概略構成図。

符号の説明

１０、２０…トランスデューサ
１１…圧電体層
１１１、２１１…第１圧電体層
１１２、２２２…第２圧電体層
１２１、２２１…上部電極
１２２、２２２…下部電極
１３１…第１圧電体層１１１の法線
１３２…第２圧電体層１１２の法線
２４…石英製基板
３０…RFマグネトロンスパッタリング装置
３１、３１Ａ…陽極
３２、３２Ａ…陰極
３３、３３Ａ…マグネトロン回路
３４…基板台
３９…ZnOターゲット
４１１…第１圧電体層２１１での回折による強度分布
４１２…第２圧電体層２１２での回折による強度分布
５０…トランスデューサ製造装置
５１…基板搬送装置
５２…スリット

Claims (6)

1. 第１の圧電体層と第２の圧電体層を上下電極の間に設けて成る超音波トランスデューサにおいて、
   前記第１圧電体層の分極ベクトルである第１分極ベクトルが超音波トランスデューサに平行な面の法線に対して傾斜するように配向しており、
   前記第２圧電体層の分極ベクトルである第２分極ベクトルが前記法線に対して傾斜するように配向しており、
   前記第１分極ベクトルの前記面への射影が、前記第２圧電体層の分極ベクトルの前記面への射影と逆方向であり、
   前記第１分極ベクトルの前記法線への射影が、前記第２圧電体層の分極ベクトルの前記法線への射影と同方向である、
   ことを特徴とする超音波トランスデューサ。
2. 前記法線と前記第１分極ベクトルの成す角度の絶対値と、前記法線と前記第２分極ベクトルの成す角度の絶対値が略同一であることを特徴とする請求項１に記載の超音波トランスデューサ。
3. 前記第１圧電体層の厚さと前記第２圧電体層の厚さが略同一であることを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波トランスデューサ。
4. 前記第１圧電体層及び前記第２圧電体層の材料がウルツ鉱構造を有するものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の超音波トランスデューサ。
5. 前記第１圧電体層及び前記第２圧電体層の材料が酸化亜鉛であることを特徴とする請求項４に記載の超音波トランスデューサ。
6. 前記法線と前記第１分極ベクトルの成す角度の絶対値と、前記法線と前記第２分極ベクトルの成す角度の絶対値が5°〜45°であることを特徴とする請求項５に記載の超音波トランスデューサ。