JP6478674B2 - 超音波探触子及び超音波探傷システム - Google Patents

Description

本発明は、超音波探傷に用いられる超音波探触子及びそれを用いた超音波探傷システムに関する。

各種構造材等を検査対象とする検査方法としては、例えば、検査対象に超音波を照射するとともに、検査対象内部の欠陥等により反射された超音波信号を検出し、その超音波信号の伝搬時間と超音波探触子の位置とに基づいて欠陥の検出を行う超音波探傷法が知られている。超音波探傷法では、例えば、超音波の送信と受信に単一の素子からなる超音波探触子を用い、超音波探触子を移動させて検査対象を走査することにより、欠陥から反射される超音波が得られる位置を特定し、欠陥の検出を行っている。

このような超音波探触子に関する技術として、例えば、材料の内部探傷に必要な感度を有する圧電素子を提供することを目的として、基板上に形成された下部電極、該下部電極膜上に形成された酸化亜鉛薄膜及び該酸化亜鉛薄膜上に形成された上部電極を有する圧電素子において、基板としてサファイアを使用し、酸化亜鉛薄膜のＸ線によるロッキングカーブの標準偏差σを限定した圧電素子に関する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特許第３３５７２２７号公報

ところで、半導体チップなどの微細な構造を有する構造物を検査対象として超音波探傷法を用いる場合には、検査対象に送信する超音波の減衰特性や周波数などを考慮する必要がある。すなわち、欠陥からの反射波と他の構造物からの反射波の分離を考慮すると、単位時間あたりの減衰量が高い必要があり、また、ミクロンオーダの欠陥検出を考慮すると、超音波の波長が短い（周波数が高い）必要がある。

しかしながら、特許文献１に開示されるような超音波探触子においては、超音波の単位時間あたりの減衰量や周波数の高さが不十分であり、半導体チップなどの微細な構造を有する構造物を検査対象とする検査は困難であった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、微細な構造物を容易に検査することができる超音波探触子及び超音波探傷システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、基板と、前記基板上に形成される第１の電極と、前記第１の電極上に形成される圧電体と、前記圧電体上に形成される第２の電極と、を備え、前記圧電体は、非金属元素が異なる少なくとも第１の圧電材料と第２の圧電材料が前記第１の電極から前記第２の電極の方向へ積層した構造を有し、前記第１の圧電材料と前記第２の圧電材料の中で厚さ方向に伝搬する音速が速い一方の圧電材料は他方の圧電材料よりも厚い。

本発明によれば、微細な構造物を容易に検査することができる。上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

第１の実施の形態に係る超音波探触子の構成を模式的に示す側面図である。 第１の実施の形態に係る超音波探傷システムの全体構成を概略的に示す図である。 第１の実施の形態における超音波探触子の挿入損失の周波数特性の一例を模式的に示す図である。 第１の実施の形態における超音波探触子により送信されるパルス波の減衰特性の一例を模式的に示す図である。 従来技術における超音波探触子の挿入損失の周波数特性の一例を模式的に示す図である。 従来技術における超音波探触子により送信されるパルス波の減衰特性の一例を模式的に示す図である。 第２の実施の形態に係る超音波探触子の構成を模式的に示す側面図である。 第３の実施の形態に係る超音波探触子の構成を模式的に示す側面図である。 第４の実施の形態に係る超音波探触子の構成を模式的に示す側面図である。 第５の実施の形態に係る超音波探触子の構成を模式的に示す側面図である。 第６の実施の形態における超音波探触子の挿入損失の周波数特性の一例を模式的に示す図である。 第６の実施の形態における超音波探触子により受信されるパルス波の減衰特性の一例を模式的に示す図である。 変形例に係る超音波探触子の構成を模式的に示す側面図である。

以下、図面を用いて、本発明の第１〜第６の実施の形態に係る超音波探触子及びそれを用いた超音波探傷システムの構成及び作用効果を説明する。

＜第１の実施の形態＞
本発明の第１の実施の形態を図１〜図６を参照しつつ説明する。

図２は、本実施の形態に係る超音波探傷システムの全体構成を概略的に示す図である。また、図１は超音波探触子の構成を模式的に示す側面図である。

図２において、超音波探傷システムは、超音波探触子１００、走査部１０１、送受信部１０２、制御部１０３、演算部１０４及び表示部１０５から概略構成されている。

制御部１０３は、超音波探傷システムの全体の動作を制御するものであり、信号線を介して超音波探触子１００、走査部１０１、送受信部１０２、演算部１０４及び表示部１０５と接続されている。

走査部１０１は、制御部１０３からの制御信号に基づいて、超音波探触子１００を三次元方向に移動させるものである。超音波探触子１００は、図示しない駆動機構を有する走査部１０１に機械的に取り付けられている。

送受信部１０２は、制御部１０３からの制御信号に基づいて、超音波探触子１００を駆動するための電圧信号を駆動信号として超音波探触子１００に印加する。超音波探触子１００は、駆動信号に応じて振動し、超音波探触子１００から検査対象に超音波を照射する。また、超音波探触子１００は、超音波探触子１００から照射された超音波の検査対象からの反射波によって超音波探触子１００に生じる電圧信号を受信信号として受信し、送受信部１０２に送る。

演算部１０４は、超音波探触子１００からの受信信号を処理し、画像やグラフ等の情報を生成する。

表示部１０５は、各種設定画面のほか、演算部１０４の信号に基づいて生成された画像やグラフ等の情報を表示する。

図１に示すように、超音波探触子１００は、圧電材料１１と、圧電材料１１の上下に設けられた導電性を有する上部電極１２（上部導電体）及び下部電極１３（下部導電体）と、下部電極１３の下部に設けられたロッド基板１４とを備えている。

すなわち、超音波探触子１００は、ロッド基板１４と、ロッド基板１４上に形成される下部電極１３（第１の電極）と、下部電極１３上に形成される圧電材料１１（圧電体）と、圧電材料１１上に形成される上部電極１２（第２の電極）とを備える。

以降、上部電極１２の方向を上方、下部電極１３の方向を下方として説明する。

上部電極１２は、信号線により送受信部１０２に接続されており、また、下部電極１３は、信号線により接地されている。上部電極１２及び下部電極１３の素材としては、例えば、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）などが挙げられる。上部電極１２及び下部電極１３は、スパッタリング法や電子ビーム蒸着法などで成膜される。上部電極１２及び下部電極１３は、厚くなるほど超音波探触子１００の共振周波数を低下させる要因となるため、例えば、３００μｍ以下で成膜する。なお、上部電極１２と下部電極１３の材料は必ずしも同じである必要は無い。

ロッド基板１４は、円柱状であり、軸方向（図１の上下方向）に垂直な横断面形状が円状となるように形成されており、その上面に下部電極１３が接続されている。ロッド基板１４は、圧電材料１１で発生した超音波を伝搬して下方端面から検査対象に送信し、また、検査対象側からの反射波を伝搬して圧電材料１１に送る役割を有している。すなわち、ロッド基板１４は、超音波探触子１００における音響レンズの役割を有している。検査対象側のロッド基板１４の端面は平面形状に限られず、超音波を集束または非集束の平行ビームで送受信するために、凹型や凸型などの球面形状に形成してもよい。これにより、音響レンズとしての性能を高めることができる。

ロッド基板１４の素材としては、高周波数帯の超音波の伝搬特性を考慮し、ロッド基板１４内部を超音波が伝搬したときに生じる伝搬減衰が小さい単結晶を用いている。具体的には、ロッド基板１４の素材としては、例えば、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）、水晶（ＳｉＯ２）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）などの単結晶を用いることが望ましい。その他に、石英ガラス(ＳｉＯ２)などの非晶質でも良い。

圧電材料１１は、２種類以上の異なる圧電材料から構成され、その圧電材料は厚さ方向に積層されている。図１に示した圧電材料１１は、上部１１ａ、中部１１ｂ、および下部１１ｃで異なる圧電材料から構成されている。

圧電材料１１の下部１１ｃには、ロッド基板１４または下部電極１３と格子定数が近い素材が選択されて用いられる。すなわち、言い換えると、下部１１ｃとロッド基板１４または下部電極１３には、格子定数の整合率（格子定数の近さ）が高い素材を組み合わせる。格子定数の整合率が高いほど、下部１１ｃは結晶性（配向性と圧電性）を向上させて、強度が向上する。

圧電材料１１の中部１１ｂと下部１１ｃには、格子定数の整合率が高い素材を組み合わせる。圧電材料１１の上部１１ａと中部１１ｂには、格子定数の整合率が高い素材を組み合わせる。結晶性の高い下部１１ｃと組み合わせることで、中部１１ｂおよび上部１１の結晶性も向上し、強度が強くなる。したがって、本実施の形態のように、圧電材料１１内において異なる圧電材料の格子定数の整合率が高い状態を維持する構成にすることで、構造強度を向上させることができ、厚膜化することができる。

ここで、隣接する圧電材料（１１ａ、１１ｂ）、（１１ｂ、１１ｃ）は、境界面で格子整合している。すなわち、隣接する圧電材料は、境界面で格子定数が一致している。これにより、圧電材料１１は、ヘテロエピタキシャル構造となる。

また、圧電材料１１は、異なる圧電材料を積層した構造であるため、密度、弾性定数、圧電定数、誘電率が圧電材料１１内で変化する。そのため、厚さ方向に伝わる弾性波の速度（音速）が変化する。例えば、厚さ方向に速度変化（含有物の濃度変化）のない圧電材料を用いた超音波探触子では、共振周波数は下記の（式１）又は（式２）で表される。

Ｆ＝Ｖ／２Ｌ ・・・（式１）
Ｆ＝Ｖ／４Ｌ ・・・（式２）
上記（式１）、（式２）において、Ｆは共振周波数、Ｖは圧電材料の厚さ方向に伝わる音速、Ｌは圧電材料の厚さをそれぞれ示している。

上記（式１）、（式２）の何れの式が適用されるかは、圧電材料１１の音響インピーダンスとロッド基板１４の音響インピーダンスの比で決まる。何れの式においても、圧電材料１１の厚さを面方向（上下方向）で一定にすると、圧電材料１１の厚さ方向に伝わる音速Ｖにより共振周波数Ｆが決まる。

本実施の形態においては、圧電材料１１の厚さ方向に伝わる音速と厚さは、上部１１ａ、中部１１ｂ、下部１１ｃの音速と厚さより、電気的および音響的に直列に接続された特性を示す。すなわち、圧電材料１１に電圧を印加したときの挙動は、印加の直後は各圧電材料が同位相で振動を開始するため振幅を強めあい、振幅値が最大となった後は各圧電材料の共振周波数に応じて互いの振幅を打消し合うように振動する。言い換えると、圧電材料１１は、上部１１ａ、中部１１ｂ、下部１１ｃの平均的または中間的な音速と厚さの特性を示し、それらの特性が（式１）、（式２）の何れの式かに適用されて、さらに単位時間あたりの減衰量や周波数の高さを向上することができる。

圧電材料１１に用いられる材料は、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）、ジルコン酸チタン酸鉛（Ｐｂ（ＺｒＴｉ）Ｏ３）、チタン酸ビスマス（Ｂｉ４Ｔｉ３Ｏ１２）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、ニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ３）などの酸化物圧電材料、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、スカンジウム窒化アルミニウム（ＳｃＡｌＮ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）などの窒化物圧電材料、ＳｉＣ（炭化シリコン）などの炭化物圧電材料である。このうち、酸化亜鉛、窒化アルミニウム、チタン酸鉛などは、製造が容易であり材料が安価であるという特徴がある。

圧電材料１１の組合せは、異なる種類の酸化物圧電材料のみ、または、異なる窒化物圧電材料のみを積層する組合せがあり、その他には、酸化物圧電材料と窒化物圧電材料と炭化物圧電材料を積層する組合せなどが挙げられる。圧電材料の組合せは、各圧電材料の共振周波数を分散させるために、同一の伝搬モードの音速の差が大きいものが望ましい。例えば、異なる種類の酸化物圧電材料を３層で積層する場合、ジルコン酸チタン酸鉛（Ｐｂ（ＺｒＴｉ）Ｏ３：４０００ｍ／ｓ）と、酸化亜鉛（ＺｎＯ：６３００ｍ／ｓ）と、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３：７２００ｍ／ｓ）が挙げられる。

超音波探触子の性能を判断する材料の一つに、各周波数での超音波と電気信号の変換効率（電気機械変換効率）の関係を示す挿入損失の周波数特性がある。挿入損失とは、圧電材料１１に与えた電圧信号（駆動信号）のエネルギーと圧電材料１１が超音波を受信することにより生じる電圧信号（受信信号）のエネルギーの比である。

図３及び図５は、超音波探触子の挿入損失の周波数特性の一例を模式的に示す図であり、図３は本実施の形態における周波数特性を、図５は従来技術における周波数特性をそれぞれ示している。図３及び図５においては、横軸に周波数を、縦軸に挿入損失をそれぞれ示している。なお、帯域幅Ｂ_−６ｄＢは、負ピークから６ｄＢ減衰する周波数の範囲を示す。

また、図４及び図６は、超音波探触子により送信されるパルス波の減衰特性の一例を模式的に示す図であり、図４は本実施の形態における特性を、図６は従来技術における特性をそれぞれ示している。図４及び図６においては、縦軸にパルス波の振幅値を、横軸に時間をそれぞれ示している。

図５に示すように、従来技術における挿入損失の周波数特性は、共振周波数Ｆ０において挿入損失が最も小さくなるものの、共振周波数Ｆ０から離れると急激に挿入損失が大きくなってしまう。これに対し、本実施の形態においては、圧電材料１１を異なる複数の圧電材料を厚さ方向に積層する構造にしたので、図３に示すように、本実施の形態の挿入損失の周波数特性は、共振周波数Ｆ０において挿入損失が最も小さくなり、かつ、従来技術における挿入損失の周波数特性（図５参照）と比較して、挿入損失が小さい周波数帯域が広帯域となる特性を有する。そのため、従来技術におけるパルス波は振幅の減衰量の時間割合が小さい（図６参照）のに対して、本実施の形態では、図４に示すように、単位時間あたりの振幅の減衰量が大きい（減衰特性の良い）パルス波を送信することができる。

圧電材料１１は、高周波数での超音波探触子の動作のために、ミクロンオーダの薄膜にする必要がある。したがって、圧電材料の製造方法としては、例えば、物理堆積法(ＰＶＤ法)や化学堆積法（ＣＶＤ法）などがあり、スパッタリング法、ＰＬＤ法(パルスレーザ堆積法)、ゾルゲル法などを用いて製造する。

スパッタリング法やＰＬＤ法では、圧電材料１１に用いる各圧電材料のバルクターゲットを同一または個別の装置で順に成膜する。同一の装置で成膜することは、装置の真空状態を保持したままバルクターゲットを切り替えられるため、堆積面の状態を保持できるため望ましい。しかし、個別の装置でバルクターゲットを切り替える方法で、切り替えの際に堆積面を大気に晒してもよい。また、ゾルゲル法では、各圧電材料の原料を溶媒に溶かし、圧電材料の堆積順に成膜する方法がある。

以上のように構成した本実施の形態の効果を説明する。

半導体チップなどの微細な構造を有する構造物を検査対象として超音波探傷法を用いる場合には、検査対象に送信する超音波の減衰特性や周波数などを考慮する必要がある。すなわち、欠陥からの反射波と他の構造物からの反射波の分離を考慮すると、単位時間あたりの減衰量が高い必要があり、また、ミクロンオーダの欠陥検出を考慮すると、超音波の波長が短い（周波数が高い）必要がある。しかしながら、上記従来技術における超音波探触子においては、超音波の単位時間あたりの減衰量や周波数の高さが不十分であり、半導体チップなどの微細な構造を有する構造物を検査対象とする検査は困難であった。

これに対して本実施の形態においては、圧電材料１１は、２種類以上の異なる圧電材料から構成され、その圧電材料は厚さ方向に積層されているので、超音波の単位時間あたりの減衰量や周波数の高さを向上することができる。

すなわち、本実施の形態においては、圧電材料１１は振動方向（上下方向）に速度勾配を持つように構成したので、超音波の挿入損失が広帯域化することによって、単位時間あたりの減衰量を向上することができ、欠陥からの反射波と他の構造物からの反射波の分離を精度良く行うことができる。

また、従来技術では、圧電材料１１をミクロンオーダの薄膜にする必要から物理堆積法(ＰＶＤ法)や化学堆積法（ＣＶＤ法）などの製造方法を用いた場合に、所望の共振周波数よりも高い周波数しか得られなかった。その理由は、構造強度の不足から膜厚を所望の共振周波数となるように厚くすることができないからである。

これに対して、本実施の形態においては、圧電材料１１は上部１１ａ、中部１１ｂ、下部１１ｃの各境界面にて、格子定数の整合率が高い素材を組み合わせて積層する構成であるため、構造強度を向上することができ、厚膜化することができる。したがって、圧電材料１１の厚膜化により所望の共振周波数をえることができる。

また、本実施形態によれば、超音波の周波数特性の広帯域化、及び高周波数化することができ、高分解能な探傷や映像化が可能となる。そのため、微細な構造物を容易に検査することができる。

＜第２の実施の形態＞
本発明の第２の実施の形態を図７を参照しつつ説明する。

本実施の形態は、第１の実施の形態における圧電材料に用いる素材を限定したものである。

図７は、本実施の形態に係る超音波探触子の構成を模式的に示す側面図である。図中、第１の実施の形態と同様の部材には同じ符号を付し、説明を省略する。

図７において、超音波探触子２００は、圧電材料２１と、圧電材料２１の上下に設けられた導電性を有する上部電極１２（上部導電体）及び下部電極１３（下部導電体）と、下部電極１３の下部に設けられたロッド基板１４とを備えている。

圧電材料２１は、２種類以上の異なる圧電材料から構成され、その圧電材料は厚さ方向に積層されている。図７に示した圧電材料２１は、上部２１ａ、中部２１ｂ、および下部２１ｃで非金属元素の異なる圧電材料から構成されている。すなわち、圧電材料２１（圧電体）は、非金属元素が異なる２種類以上の圧電材料が下部電極１３（第１の電極）から上部電極１２（第２の電極）の方向へ積層した構造を有する。非金属元素は、水素（Ｈ）、炭素（Ｃ）、窒素（Ｎ）、酸素（Ｏ）、リン（Ｐ）、硫黄（Ｓ）、セレン（Ｓｅ）である。

図７に示した圧電材料２１としては、例えば、非金属元素が異なる圧電材料を３層で構成する場合、酸化物圧電材料と窒化物圧電材料と炭化物圧電材料の素材を選択して用いる場合、酸化亜鉛（ＺｎＯ：音速６３００ｍ／ｓ）と窒化アルミニウム（ＡｌＮ：音速１００００ｍ／ｓ）と炭化シリコン（ＳｉＣ：音速１２０００ｍ／ｓ）の組み合わせが挙げられる。

また、圧電材料２１としては、非金属元素が異なる圧電材料を２層で積層する場合、酸化亜鉛（ＺｎＯ：音速６３００ｍ／ｓ）と窒化アルミニウム（ＡｌＮ：音速１００００ｍ／ｓ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ：音速６３００ｍ／ｓ）と炭化シリコン（ＳｉＣ：音速１２０００ｍ／ｓ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ：音速１００００ｍ／ｓ）と炭化シリコン（ＳｉＣ：音速１２０００ｍ／ｓ）の組み合わせなどが挙げられる。

これらの非金属元素が異なる圧電材料の組み合わせでは、厚さ方向に伝搬する音速の差を大きくすることができ、さらに単位時間あたりの減衰量や周波数の高さを向上することができる。

その他の構成は、第１の実施の形態と同様である。

以上のように構成した本実施の形態においても、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

また、非金属元素が異なる圧電材料を積層することで、圧電材料２１内の各圧電材料の境界面の化学的反応は低下し、各圧電材料の組成および結晶性を保持することができる。

＜第３の実施の形態＞
本発明の第３の実施の形態を図８を参照しつつ説明する。

本実施の形態は、第１の実施の形態または第２の実施の形態において圧電材料の結晶構造を限定したものである。

図８は、本実施の形態に係る超音波探触子の構成を模式的に示す側面図である。図中、第１の実施の形態と同様の部材には同じ符号を付し、説明を省略する。

図８において、超音波探触子３００は、圧電材料３１と、圧電材料３１の上下に設けられた導電性を有する上部電極１２（上部導電体）及び下部電極１３（下部導電体）と、下部電極１３の下部に設けられた導電性を有するロッド基板１４とを備えている。

圧電材料３１は、２種類以上の異なる圧電材料から構成され、その圧電材料は厚さ方向に積層されている。図８に示した圧電材料３１は、上部３１ａ、中部３１ｂ、および下部３１ｃで結晶構造の同じ圧電材料から構成されている。結晶構造は、ペロブスカイト型構造、ウルツ鉱型構造などが挙げられる。

圧電材料３１は、例えば、ペロブスカイト型構造の圧電材料から構成される場合、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３：４４００ｍ／ｓ）とジルコン酸チタン酸鉛（Ｐｂ（ＺｒＴｉ）Ｏ３：４０００ｍ／ｓ）の組み合わせが挙げられる。また、三方晶系イルメナイト類似構造の圧電材料では、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３：６２００ｍ／ｓ）とニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３：７２００ｍ／ｓ）の組み合わせが挙げられる。これらの場合、結晶構造が同じであるため、各圧電材料の境界面における結晶性が向上し、ひいては各圧電材料の結晶性が向上する。

圧電材料３１を構成する素材の結晶構造を同じにすることで、各圧電材料の格子定数の整合率が高くなり、強度が向上する。したがって、本実施の形態のように、圧電材料３１の結晶構造を維持しつつ、構造強度を向上させることができ、厚膜化することができる。

その他の構成は、第１の実施の形態または第２の実施の形態と同様である。

以上のように構成した本実施の形態においても、第１の実施の形態または第２の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

また、圧電材料を構成する素材の結晶構造を同じにすることで、圧電材料３１の結晶構造を維持しつつ、構造強度を向上させることができ、厚膜化することができる。

＜第４の実施の形態＞
本発明の第４の実施の形態を図９を参照しつつ説明する。

本実施の形態は、第１から第３の実施の形態の何れかにおいて結晶構造を限定したものである。

図９は、本実施の形態に係る超音波探触子の構成を模式的に示す側面図である。図中、第１の実施の形態と同様の部材には同じ符号を付し、説明を省略する。

図９において、超音波探触子４００は、圧電材料４１と、圧電材料４１の上下に設けられた導電性を有する上部電極１２（上部導電体）及び下部電極１３（下部導電体）と、下部電極１３の下部に設けられた導電性を有するロッド基板１４とを備えている。

圧電材料４１は、２種類以上の異なる圧電材料から構成され、その圧電材料は厚さ方向に積層されている。図９に示した圧電材料４１は、上部４１ａ、中部４１ｂ、および下部４１ｃでウルツ鉱型構造の圧電材料から構成されている。

圧電材料４１は、例えば、非金属元素が異なるウルツ鉱型構造の圧電材料から構成される場合、酸化亜鉛（ＺｎＯ：音速６３００ｍ／ｓ）と窒化アルミニウム（ＡｌＮ：音速１００００ｍ／ｓ）と炭化シリコン（ＳｉＣ：音速１２０００ｍ／ｓ）の組み合わせが挙げられる。この場合、結晶構造が同じであるため、各圧電材料の境界面における結晶性が向上し、ひいては各圧電材料の結晶性が向上する。

圧電材料４１を構成する素材の結晶構造を同じにすることで、各圧電材料の格子定数の整合率が高くなり、強度が向上する。したがって、本実施の形態のように、圧電材料４１の結晶構造を維持しつつ、構造強度を向上させることができ、厚膜化することができる。

その他の構成は、第１から第３の実施の形態の何れかの形態と同様である。

以上のように構成した本実施の形態においても、第１から第３の実施の形態の何れかと同様の効果を得ることができる。

また、ウルツ鉱型構造の圧電材料用いることで、圧電材料の比誘電率を低下させることができ、送受信器１０２と電気的インピーダンスを整合するためパラメータとなる圧電材料の面積を大きくすることができるため、圧電材料より放出される超音波ビームの指向性が向上し、信号強度の低下を抑制することができる。

＜第５の実施の形態＞
本発明の第５の実施の形態を図１０を参照しつつ説明する。

本実施の形態は、第１から第４の実施の形態において圧電材料の厚さを限定したものである。

図１０は、本実施の形態に係る超音波探触子の構成を模式的に示す側面図である。図中、第１の実施の形態と同様の部材には同じ符号を付し、説明を省略する。

図１０において、超音波探触子５００は、圧電材料５１と、圧電材料５１の上下に設けられた導電性を有する上部電極１２（上部導電体）及び下部電極１３（下部導電体）と、下部電極１３の下部に設けられた導電性を有するロッド基板１４とを備えている。

圧電材料５１は、２種類以上の異なる圧電材料から構成され、その圧電材料は厚さ方向に積層されている。図１０に示した圧電材料５１は、上部５１ａ、中部５１ｂ、および下部５１ｃでウルツ鉱型構造の圧電材料から構成されている。

圧電材料５１は、例えば、非金属元素が異なるウルツ鉱型構造の圧電材料から構成される場合、下部５１ｃが酸化亜鉛（ＺｎＯ：音速６３００ｍ／ｓ）と中部５１ｂが窒化アルミニウム（ＡｌＮ：音速１００００ｍ／ｓ）と上部５１ａが炭化シリコン（ＳｉＣ：音速１２０００ｍ／ｓ）の組み合わせが挙げられる。この場合、結晶構造が同じであるため、各圧電材料の境界面における結晶性が向上し、ひいては各圧電材料の結晶性が向上する。

圧電材料５１を構成する素材の結晶構造を同じにすることで、各圧電材料の格子定数の整合率が高くなり、強度が向上する。したがって、本実施の形態のように、圧電材料５１の結晶構造を維持しつつ、構造強度を向上させることができ、厚膜化することができる。

一方、酸化亜鉛（ＺｎＯ）と窒化アルミニウム（ＡｌＮ）と炭化シリコン（ＳｉＣ）の厚さの比を下部５１ａ：中部５１ｂ：上部５１ｃ＝１：１：１で積層した構造の圧電材料よりも、厚さの比が下部５１ａ：中部５１ｂ：上部５１ｃ＝１：２：１や下部５１ａ：中部５１ｂ：上部５１ｃ＝１：１：２で積層した構造の圧電材料のほうが、同じ共振周波数の特性を得る場合でも、圧電材料５１の厚さを薄くすることができる。

その他の構成は、第１から第４の実施の形態の何れかの形態と同様である。

以上のように構成した本実施の形態においても、第１から第４の実施の形態の何れかと同様の効果を得ることができる。

（変形例）
第５の実施の形態では、２種類以上の圧電材料（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ）のうちの１つは、他の種類の圧電材料より大きい積層方向の厚さを有する。ここで、同じ伝搬モード（縦波、横波等）の音速が最も速い圧電材料は、２種類以上の圧電材料のうち最も大きい積層方向の厚さを有するようにしてもよい。

本変形例によれば、同じ共振周波数の特性を得る場合、圧電材料５１に用いる複数の異なる圧電材料の中で厚さ方向に伝搬する音速が速い圧電材料を他の圧電材料よりも厚くすることで、圧電材料５１の厚さを薄くすることができ、成膜時間を短縮する効果が得られる。

＜第６の実施の形態＞
本発明の第６の実施の形態を図２、図１１、図１２を参照しつつ説明する。

本実施の形態は、第１から第５の実施の形態の何れかの超音波探触子を用いた超音波探傷システムに関するものである。

前述したように、図２は、本実施の形態に係る超音波探傷システムの全体構成を概略的に示す図である。図中、第１の実施の形態と同様の部材には同じ符号を付し、説明を省略する。

超音波探触子１００は、超音波探触子２００または超音波探触子３００または超音波探触子４００または超音波探触子５００の何れでもよい。

超音波探触子は、異なる２種類以上の圧電材料が厚さ方向に積層した構造であるために、超音波探触子の挿入損失には、（式１）または（式２）で表される共振周波数（基本波モード）の他に、基本波モードの共振周波数よりも低い周波数で共振する分調波モードや、基本波モードの共振周波数よりも高い周波数で共振する高調波モードの共振モードが存在する。

例えば、図１１が示す超音波探触子の挿入損失は基本波モードの共振周波数Ｆ０の他に、分調波モードの共振周波数Ｆ０／２、高調波モードの共振周波数２×Ｆ０が存在する。

送受信部１０２は、制御部１０３からの制御信号に基づいて、超音波探触子１００を駆動するための電圧信号を駆動信号として超音波探触子１００に印加する。超音波探触子１００は、駆動信号に応じて振動し、検査対象に超音波を照射する。

このとき、分調波、基本波、高調波の共振周波数の何れかにに対応する電圧信号の時間幅を設定することで、伝搬させる共振モードが選択できる。また、超音波探触子１００は、超音波探触子１００から照射された超音波の検査対象からの反射波によって超音波探触子１００に生じる電圧信号を受信信号として受信し、送受信部１０２に送る。

受信信号が全ての共振モードを受信する場合、演算部１０４にて特定の周波数帯域の信号のみを抽出するローパスフィルタ処理またはハイパスフィルタ処理またはそれらを組み合わせたバンドパスフィルタ処理を演算（実行）することで、共振モードを選択できる。

分調波モードを選択した場合、図１２に示すように、基本モードに比べて振幅が増大する。すなわち、分調波モードの波形１２０１の振幅Ａ’は、基本モードの波形１２００の振幅Ａよりも大きい。これにより、振幅値の信号処理で描く画像のコントラストが向上し、検査精度が向上する。

高調波モードを選択した場合、図１２に示すように、基本モードに比べて波長が短くなり、空間分解能が向上する。すなわち、高調波モードの波形１２０２の波長λ’は、基本モードの波長λよりも短い。単位時間当たりの減衰は低下するものの、高周波化により波長が短くなるため、時間分解能の低下は抑制できる。これにより、振幅値の信号処理で描く画像の分解能が向上し、検査精度が向上する。

その他の構成は、第１から第５の実施の形態の何れかの形態と同様である。

以上のように構成した本実施の形態においても、第１から第５の実施の形態の何れかと同様の効果を得ることができる。

また、共振モードに応じて送受信部１０２および演算部１０４を制御することにより、振幅の増大によるコントラストが向上、または、短波長化による空間分解能の向上が得られ、検査精度が向上する。

（変形例）
第１〜第５の実施の形態では、圧電材料は３層であるが、層の数はこれに限定されない。図１３は、変形例に係る超音波探触子６００の構成を模式的に示す側面図である。図１３では、一例として、圧電材料１１は５層（１１ａ〜１１ｅ）である。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１１、２１、３１、４１、５１、６１…圧電材料
１２…上部電極（上部導電体）
１３…下部電極（下部導電体）
１４…ロッド基板
１００、２００、３００、４００、６００…超音波探触子
１０１…走査部
１０２…送受信部
１０３…制御部
１０４…演算部
１０５…表示部

Claims (7)

1. 基板と、
   前記基板上に形成される第１の電極と、
   前記第１の電極上に形成される圧電体と、
   前記圧電体上に形成される第２の電極と、を備え、
   前記圧電体は、
   非金属元素が異なる少なくとも第１の圧電材料と第２の圧電材料が前記第１の電極から前記第２の電極の方向へ積層した構造を有し、
   前記第１の圧電材料と前記第２の圧電材料の中で厚さ方向に伝搬する音速が速い一方の圧電材料は他方の圧電材料よりも厚い
   ことを特徴とする超音波探触子。
2. 請求項１に記載の超音波探触子であって、
   前記圧電体は、
   同じ結晶構造を有する２種類以上の圧電材料から構成される
   ことを特徴とする超音波探触子。
3. 請求項１に記載の超音波探触子であって、
   前記圧電体は、
   ウルツ鉱型構造を有する圧電材料から構成される
   ことを特徴とする超音波探触子。
4. 基板と、前記基板上に形成される第１の電極と、前記第１の電極上に形成される圧電体と、前記圧電体上に形成される第２の電極と、を備え、前記圧電体は、非金属元素が異なる２種類以上の圧電材料が前記第１の電極から前記第２の電極の方向へ積層した構造を有し、２種類以上の前記圧電材料のうちの１つは、他の種類の前記圧電材料より大きい積層方向の厚さを有する超音波探触子であって、
   同じ伝搬モードの音速が最も速い前記圧電材料は、
   ２種類以上の前記圧電材料のうち最も大きい積層方向の厚さを有する
   ことを特徴とする超音波探触子。
5. 基板と、前記基板上に形成される第１の電極と、前記第１の電極上に形成される圧電体と、前記圧電体上に形成される第２の電極と、を備え、前記圧電体は、非金属元素が異なる２種類以上の圧電材料が前記第１の電極から前記第２の電極の方向へ積層した構造を有する超音波探触子であって、
   隣接する前記圧電材料は、
   境界面で格子整合している
   ことを特徴とする超音波探触子。
6. 基板と、前記基板上に形成される第１の電極と、前記第１の電極上に形成される圧電体と、前記圧電体上に形成される第２の電極と、を備え、前記圧電体は、非金属元素が異なる２種類以上の圧電材料が前記第１の電極から前記第２の電極の方向へ積層した構造を有する超音波探触子であって、
   隣接する前記圧電材料は、
   境界面で格子定数が一致している
   ことを特徴とする超音波探触子。
7. 請求項１に記載の超音波探触子を備える超音波探傷システムであって、
   前記第１の電極と前記第２の電極の間に駆動信号としての第１の電圧信号を印加することにより、前記超音波探触子から検査対象に超音波を照射させるとともに、前記検査対象からの反射波により前記超音波探触子で生じた第２の電圧信号を受信信号として受信する送受信部と、
   前記超音波探触子を機械走査する走査部と、
   前記送受信部と前記走査部を制御する制御部と、
   前記受信信号を周波数解析により周波数信号にする演算部と、
   を備えることを特徴とする超音波探傷システム。

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