JP6543109B2 - 超音波探触子および超音波検査装置 - Google Patents
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Description
本発明は、超音波探触子および超音波検査装置に関する。
近年、携帯電話をはじめとするコンシューマ製品の軽薄短小化に伴い、電子部品は小型化し、パッケージも多様化、複雑化してきた。これらパッケージ内部のクラックや剥離、ボイド（空隙）を検出して信頼性を確保するために、超音波による非破壊検査が行われている。
この非破壊検査は超音波検査装置を用いて行われ、この超音波検査装置で検査対象に対向させて超音波の送受信を行うものを超音波探触子という。超音波を検査対象に照射すると検査対象の表面および内部の界面で透過と反射を起こしながら検査対象内部に伝搬する。各界面での反射率、透過率は界面前後の材料によって異なり、各界面からの反射波は超音波探触子からの距離に応じた遅れと界面前後の材料に依存する強度を持って超音波探触子に戻る。したがって超音波を送信してから所定時間後に戻ってくる超音波を受信して、反射強度に応じた明るさの画素を表示するという作業を検査対象上で超音波探触子を走査しながら行うと、検査対象の注目している界面における反射強度分布画像を得ることができる。例えば、ボイドの部分で超音波は、ほぼ100%反射され、反射強度分布画像上で周囲と明確な違いが出る。そのため、検査対象内のボイドを検出することができる。
検査対象となる電子部品の進化に伴い、より小さな欠陥も検出できるような高周波用超音波探触子が求められている。ここで高周波とは、例えば200MHz以上の周波数の超音波のことをいう。
一般に超音波検査は超音波を伝搬させやすい水に検査対象を浸漬して行われるが、高周波になると水中や検査対象中での超音波の減衰が大きくなる。そのため、高周波の超音波のS/N比を高める必要がある。S/N比を高める方法として、送受信計測器と超音波探触子内の圧電素子の間で電気的インピーダンス整合を取る方法がある。
一般に超音波検査は超音波を伝搬させやすい水に検査対象を浸漬して行われるが、高周波になると水中や検査対象中での超音波の減衰が大きくなる。そのため、高周波の超音波のS/N比を高める必要がある。S/N比を高める方法として、送受信計測器と超音波探触子内の圧電素子の間で電気的インピーダンス整合を取る方法がある。
圧電素子は、圧電材料を電極で挟み込んだ構造を持ち、電気回路的には容量素子と同じように扱うことができる。そのため、圧電素子のインピーダンスは電極面積に反比例し、圧電材料の膜厚に比例することから、電極面積を小さくする方法や膜厚を厚くする方法により、インピーダンスを大きくすることはできる。ここで、200MHz以上の高周波用の圧電素子のインピーダンス整合を取ろうとすると、電極面積を小さくする必要があるが、この方法では、超音波の放射面積が小さくなり、現実的ではない。膜厚を厚くする方法では、圧電素子の共振周波数は圧電材料の膜厚に反比例するため、所望の高周波を発振できなくなる。このように高周波用圧電素子では周波数とインピーダンス整合はトレードオフの関係にある。
周波数とインピーダンス整合がトレードオフの関係にあるという問題を避けるため、高次モードの共振を用いる方法が特許文献１に記載されている。特許文献１には、分極方向が基板に略平行で互いに反対向きとなる圧電膜を１次モードの共振周波数が得られる膜厚で複数積層し、積層数分の高次モード共振をさせる技術が示されている。
特許文献１に記載の技術は、互いに反対向きの分極を持った同一材料の積層圧電体膜による。同一材料で圧電体膜を成長させると、下地層の分極方向を引き継いで、その上の層が成長する性質がある。そのため、分極方向を有する圧電体膜を成長させるとき、途中から分極方向を反対向きにし成長させることは非常に難しい。また、このような積層圧電体膜の成膜速度は遅い。
200MHz以上の共振周波数を持つ圧電体の膜厚は、圧電材料にもよるが数μｍである。高次モード共振を使う場合、数μｍの圧電体を複数層形成する必要があることから、成膜速度が遅いと製品への適用が難しい。また、貼り合せにより圧電体膜を作成することも考えられるが、数μｍの膜厚の圧電体を割れないように貼り合わせることは、成膜による形成と同様に非常に困難である。
200MHz以上の共振周波数を持つ圧電体の膜厚は、圧電材料にもよるが数μｍである。高次モード共振を使う場合、数μｍの圧電体を複数層形成する必要があることから、成膜速度が遅いと製品への適用が難しい。また、貼り合せにより圧電体膜を作成することも考えられるが、数μｍの膜厚の圧電体を割れないように貼り合わせることは、成膜による形成と同様に非常に困難である。
そこで、本発明は、電極面積を小さくすることなくインピーダンス整合状態を改善し、200MHz以上の周波数の超音波を送信可能な超音波探触子、および超音波検査装置を容易に形成可能とすることを課題とする。
前記した課題を解決するため、本発明の超音波探触子は、下部電極と上部電極との間に積層圧電体膜を設けて成る圧電素子を備える。前記積層圧電体膜は、膜面に対して実質的に垂直な方向の自発分極を持つ第１圧電材料からなる第１圧電体層の上に、前記第１圧電材料とは異なり、かつ前記第１圧電材料とは反対方向の自発分極を持つ第２圧電材料で構成される第２圧電体層が直接形成されており、各前記第１圧電体層と各前記第２圧電体層とは、それぞれ１次モードの共振が得られる厚みを有し、各前記第１圧電体層の１次モードの共振周波数と各前記第２圧電体層の１次モードの共振周波数とは略等しいことを特徴とする。
その他の手段については、発明を実施するための形態のなかで説明する。
その他の手段については、発明を実施するための形態のなかで説明する。
本発明によれば、電極面積を小さくすることなくインピーダンス整合状態を改善し、200MHz以上の周波数の超音波を送信可能な超音波探触子、および超音波検査装置を容易に形成可能とすることができる。
以降、本発明を実施するための形態を、各図を参照して詳細に説明する。
（第１の実施形態）
図１は、超音波検査装置１の外観を示す斜視図である。
超音波検査装置１は、３軸スキャナ２（走査手段）と、超音波探触子４と、この超音波探触子４を保持するホルダ３とを備えている。３軸スキャナ２は、ｘ軸スキャナ２１、ｙ軸スキャナ２２、ｚ軸スキャナ２３を含んで構成される。ｚ軸スキャナ２３はｘ軸スキャナ２１に取り付けられ、ｘ軸スキャナ２１は、ｙ軸スキャナ２２に取り付けられている。この３軸スキャナ２は、平面状の検査対象６に対して超音波探触子４の高さを調整して二次元で走査する。これにより超音波検査装置１は、平面状の検査対象６を超音波によって映像化することができる。
超音波探触子４は、ホルダ３により３軸スキャナ２に取り付けられている。この３軸スキャナ２は、超音波探触子４を二次元で走査すると共に、その走査位置を検知する。これにより、超音波検査装置１は、各走査位置とエコー波との関係を二次元で映像化することができる。
（第１の実施形態）
図１は、超音波検査装置１の外観を示す斜視図である。
超音波検査装置１は、３軸スキャナ２（走査手段）と、超音波探触子４と、この超音波探触子４を保持するホルダ３とを備えている。３軸スキャナ２は、ｘ軸スキャナ２１、ｙ軸スキャナ２２、ｚ軸スキャナ２３を含んで構成される。ｚ軸スキャナ２３はｘ軸スキャナ２１に取り付けられ、ｘ軸スキャナ２１は、ｙ軸スキャナ２２に取り付けられている。この３軸スキャナ２は、平面状の検査対象６に対して超音波探触子４の高さを調整して二次元で走査する。これにより超音波検査装置１は、平面状の検査対象６を超音波によって映像化することができる。
超音波探触子４は、ホルダ３により３軸スキャナ２に取り付けられている。この３軸スキャナ２は、超音波探触子４を二次元で走査すると共に、その走査位置を検知する。これにより、超音波検査装置１は、各走査位置とエコー波との関係を二次元で映像化することができる。
また、検査対象６は、水槽８に入れられた超音波を伝搬させる液状の媒質７（水が一般的）に浸漬され、超音波探触子４の先端が検査対象６に対向するように配置される。
水槽８をｘ軸スキャナ２１とｙ軸スキャナ２２の動作範囲よりも少し大きくすることで、水槽８内の任意の位置に設置された検査対象６上で超音波探触子４を走査することが可能となる。超音波探触子４の先端と検査対象６の表面との距離は、ｚ軸スキャナ２３で任意に調整できる。
水槽８をｘ軸スキャナ２１とｙ軸スキャナ２２の動作範囲よりも少し大きくすることで、水槽８内の任意の位置に設置された検査対象６上で超音波探触子４を走査することが可能となる。超音波探触子４の先端と検査対象６の表面との距離は、ｚ軸スキャナ２３で任意に調整できる。
図２は、超音波検査装置１を示す概略のブロック図である。
超音波検査装置１は、超音波探触子４、３軸スキャナ２、ホルダ３、パルス電圧発生装置５２、プリアンプ５３、レシーバ５４、Ａ／Ｄ変換器５５、制御装置５６、信号処理装置５７、画像表示装置５８の各部を含んで構成される。
パルス電圧発生装置５２は、所定の走査位置ごとに信号を出力する。この信号は、例えばインパルス波やバースト波の電気信号である。
プリアンプ５３は、パルス電圧発生装置５２の信号により超音波探触子４に超音波を出力させたのち、超音波探触子４が受信した信号を増幅してレシーバ５４に出力する。レシーバ５４は、入力された信号を更に増幅してＡ／Ｄ変換器５５に出力する。
超音波検査装置１は、超音波探触子４、３軸スキャナ２、ホルダ３、パルス電圧発生装置５２、プリアンプ５３、レシーバ５４、Ａ／Ｄ変換器５５、制御装置５６、信号処理装置５７、画像表示装置５８の各部を含んで構成される。
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プリアンプ５３は、パルス電圧発生装置５２の信号により超音波探触子４に超音波を出力させたのち、超音波探触子４が受信した信号を増幅してレシーバ５４に出力する。レシーバ５４は、入力された信号を更に増幅してＡ／Ｄ変換器５５に出力する。
Ａ／Ｄ変換器５５には、レシーバ５４を介して、検査対象６から反射されたエコー波が入力される。Ａ／Ｄ変換器５５は、このエコー波のアナログ信号をゲート処理したのちにデジタル信号に変換し、制御装置５６に出力する。
制御装置５６は、この３軸スキャナ２を制御して超音波探触子４を二次元で走査し、超音波探触子４の各走査位置を取得しつつ検査対象６を超音波で測定する。制御装置５６は、例えばＸ軸を主走査方向、Ｙ軸を副走査方向として、最初はＹ軸の始点位置に超音波探触子４を移動させる。次に制御装置５６は、超音波探触子４を主走査方向かつ往路方向に移動させて奇数番ラインの超音波情報を取得し、副走査方向に１ステップだけ移動させる。制御装置５６は更に、超音波探触子４を主走査方向かつ復路方向に移動させて偶数番ラインの超音波情報を取得し、副走査方向に１ステップだけ移動させる。
超音波探触子４には、各走査位置にてパルス電圧発生装置５２からプリアンプ５３を介して高周波信号が印加される。この高周波信号により超音波探触子４内の圧電素子が変形して超音波が発生し、超音波探触子４の先端から検査対象６に向かって超音波が送信される。
検査対象６から戻ってきた反射波は、超音波探触子４内部の圧電素子で電気信号に変換され、プリアンプ５３とレシーバ５４にて増幅される。この増幅された信号は、Ａ／Ｄ変換器５５にてデジタル信号に変換されたのち信号処理装置５７により波高分析される。信号処理装置５７は、この波高に応じたコントラストの画素を画像表示装置５８に表示する。
検査対象６から戻ってきた反射波は、超音波探触子４内部の圧電素子で電気信号に変換され、プリアンプ５３とレシーバ５４にて増幅される。この増幅された信号は、Ａ／Ｄ変換器５５にてデジタル信号に変換されたのち信号処理装置５７により波高分析される。信号処理装置５７は、この波高に応じたコントラストの画素を画像表示装置５８に表示する。
信号処理装置５７には、制御装置５６から検査対象６の各走査位置と、これに対応する超音波信号が入力される。信号処理装置５７は、検査対象６の各走査位置に対応する超音波の測定結果を映像化する処理を行い、処理した検査対象６の超音波画像を画像表示装置５８に表示する。
制御装置５６は、３軸スキャナ２によって超音波探触子４を走査しながら、一連の作業を繰り返すことにより画像表示装置５８上に検査対象６の内部からの反射強度分布を画像化する。この画像により、ボイドなど検査対象６内部の欠陥を検出することができる。
制御装置５６は、３軸スキャナ２によって超音波探触子４を走査しながら、一連の作業を繰り返すことにより画像表示装置５８上に検査対象６の内部からの反射強度分布を画像化する。この画像により、ボイドなど検査対象６内部の欠陥を検出することができる。
図３は、第１の実施形態の超音波探触子４に用いられる積層圧電素子４０の構成を示す断面図である。
超音波探触子４は、下部電極４２と上部電極４９との間に積層圧電体膜４８を設けて成る積層圧電素子４０を備える。積層圧電体膜４８は、ｃ軸方向が圧電体薄膜の面に略垂直な１方向に配向し、上面側がO極性の自発分極を持つZnO膜４３（第１圧電体層）の上に、ｃ軸方向が圧電体薄膜の面に略垂直な１方向に配向し、ZnO（第１圧電材料）とは反対方向の、上面側がAl極性となる自発分極を持つScAlN（第２圧電材料）からなるScAlN膜４４（第２圧電体層）が直接形成されている。なお、積層圧電体膜に略垂直な自発分極の方向とは、厳密な９０度だけでなく、実質的に垂直な方向であって、膜面に対して７０度〜９０度、更に好ましくは８０度〜９０度を意味するものである。積層圧電体膜内の自発分極方向に局所的に揺らぎがある場合は、平均的な分極方向により定義することとする。上記の材料では、ｃ軸方向と自発分極方向とは一致する。
積層圧電素子４０の作成にあたり、最初は音響レンズを兼ねる石英ガラスの基材４１上に下部電極４２を形成する。この下部電極４２上に、自発分極をする第１圧電体層であるZnO膜４３を形成する。その後ZnO膜４３上に、第２圧電体層であるScAlN膜４４を積層した積層圧電体膜４８を直接形成し、更にその上に上部電極４９を形成する。これにより積層圧電素子４０は、積層圧電体膜４８が下部電極４２と上部電極４９に挟まれて構成される。このように構成することで、ZnO膜４３の上面は負極性、ScAlN膜４４の上面は正極性となり、２層の圧電体層を極性反転させた状態で形成することができる。このように、隣接層ごとに異なる材料を積層しているので、複数層の圧電体層を容易に極性反転させて積層することができる。
ここでScAlNは、ScxAl1-xN（xは０を超えかつ１未満）であり、スカンジウムとアルミニウムとを所定比率で混合した窒素化合物である。
超音波探触子４は、下部電極４２と上部電極４９との間に積層圧電体膜４８を設けて成る積層圧電素子４０を備える。積層圧電体膜４８は、ｃ軸方向が圧電体薄膜の面に略垂直な１方向に配向し、上面側がO極性の自発分極を持つZnO膜４３（第１圧電体層）の上に、ｃ軸方向が圧電体薄膜の面に略垂直な１方向に配向し、ZnO（第１圧電材料）とは反対方向の、上面側がAl極性となる自発分極を持つScAlN（第２圧電材料）からなるScAlN膜４４（第２圧電体層）が直接形成されている。なお、積層圧電体膜に略垂直な自発分極の方向とは、厳密な９０度だけでなく、実質的に垂直な方向であって、膜面に対して７０度〜９０度、更に好ましくは８０度〜９０度を意味するものである。積層圧電体膜内の自発分極方向に局所的に揺らぎがある場合は、平均的な分極方向により定義することとする。上記の材料では、ｃ軸方向と自発分極方向とは一致する。
積層圧電素子４０の作成にあたり、最初は音響レンズを兼ねる石英ガラスの基材４１上に下部電極４２を形成する。この下部電極４２上に、自発分極をする第１圧電体層であるZnO膜４３を形成する。その後ZnO膜４３上に、第２圧電体層であるScAlN膜４４を積層した積層圧電体膜４８を直接形成し、更にその上に上部電極４９を形成する。これにより積層圧電素子４０は、積層圧電体膜４８が下部電極４２と上部電極４９に挟まれて構成される。このように構成することで、ZnO膜４３の上面は負極性、ScAlN膜４４の上面は正極性となり、２層の圧電体層を極性反転させた状態で形成することができる。このように、隣接層ごとに異なる材料を積層しているので、複数層の圧電体層を容易に極性反転させて積層することができる。
ここでScAlNは、ScxAl1-xN（xは０を超えかつ１未満）であり、スカンジウムとアルミニウムとを所定比率で混合した窒素化合物である。
下部電極４２や上部電極４９や積層圧電体膜４８の形成方法は特に限定されず、スパッタ法や蒸着法、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法などのうち、いずれであってもよい。ZnO膜４３は、薄膜の面に垂直な１方向（図３の上方向）にｃ軸配向しており、上面側がO極性となる自発分極を持っている。ScAlN膜４４は、ｃ軸配向しているが、上面側がAl極性となる自発分極を持ち、分極方向が反転している。図３では、矢印で分極の向きを模式的に示している。
積層圧電素子４０の下部電極４２には電気ケーブル１０１が、上部電極４９には電気ケーブル１０２が接続され、パルス電源１０３の電圧が印加される。これにより積層圧電素子４０は、超音波を発生することができる。
ZnO膜４３とScAlN膜４４の極性が反転していることは以下の比較例の実験で確認できる。この実験について、図４から図７により説明する。
図４は、比較例の単層圧電素子４０Ｘを示す図である。
単層圧電素子４０Ｘの作成にあたり、最初は石英ガラスの基材４１上に下部電極４２を形成する。この下部電極４２上にZnO膜１３を単膜で形成し、更にその上に上部電極４９を形成する。下部電極４２には電気ケーブル１０１が、上部電極４９には電気ケーブル１０２が接続され、パルス電源１０３の電圧が印加される。
図４は、比較例の単層圧電素子４０Ｘを示す図である。
単層圧電素子４０Ｘの作成にあたり、最初は石英ガラスの基材４１上に下部電極４２を形成する。この下部電極４２上にZnO膜１３を単膜で形成し、更にその上に上部電極４９を形成する。下部電極４２には電気ケーブル１０１が、上部電極４９には電気ケーブル１０２が接続され、パルス電源１０３の電圧が印加される。
図５は、比較例の単層圧電素子４０Ｙを示す図である。
単層圧電素子４０Ｙの作成にあたり、最初は石英ガラスの基材４１上に下部電極４２を形成する。この下部電極４２上にScAlN膜１４を単膜で形成し、更にその上に上部電極４９を形成する。
単層圧電素子４０Ｙの作成にあたり、最初は石英ガラスの基材４１上に下部電極４２を形成する。この下部電極４２上にScAlN膜１４を単膜で形成し、更にその上に上部電極４９を形成する。
図６は、単層圧電素子４０Ｘの測定実験を示す図である。
図６に示す測定実験は、単層圧電素子４０Ｘ（図４参照）の下部電極４２に電気ケーブル１０１を接続し、上部電極４９に対して、オシロスコープ１０４のプローブ１０５を押しつけたり離したりして、このときに生じる波形を測定している。なお、単層圧電素子４０Ｙも同様にして測定可能である。このときの電気信号を図７に示す。
図６に示す測定実験は、単層圧電素子４０Ｘ（図４参照）の下部電極４２に電気ケーブル１０１を接続し、上部電極４９に対して、オシロスコープ１０４のプローブ１０５を押しつけたり離したりして、このときに生じる波形を測定している。なお、単層圧電素子４０Ｙも同様にして測定可能である。このときの電気信号を図７に示す。
図７は、ScAlN層とZnO層の電気信号の波形図である。
上側の波形は、ScAlNの単層圧電素子４０Ｙを測定したときの波形を示し、時刻Ｔｐ１はプローブ１０５を押しつけたタイミング、時刻Ｔｒ１はプローブ１０５を離したタイミングである。ScAlNの単層圧電素子４０Ｙは、圧力を加えると負電圧が発生し、この圧力を解放すると正電圧が発生する。
上側の波形は、ScAlNの単層圧電素子４０Ｙを測定したときの波形を示し、時刻Ｔｐ１はプローブ１０５を押しつけたタイミング、時刻Ｔｒ１はプローブ１０５を離したタイミングである。ScAlNの単層圧電素子４０Ｙは、圧力を加えると負電圧が発生し、この圧力を解放すると正電圧が発生する。
下側の波形は、ZnOの単層圧電素子４０Ｘを測定したときの波形を示し、時刻Ｔｐ２はプローブ１０５を押しつけたタイミング、時刻Ｔｒ２はプローブ１０５を離したタイミングである。ZnOの単層圧電素子４０Ｘは、圧力を加えると正電圧が発生し、この圧力を解放すると負電圧が発生する。この図７から、オシロスコープ１０４のプローブ１０５を押しつけたり離したりすると、圧電体層を構成する材料がZnOの場合と、ScAlNの場合とで、得られる電気信号の極性が反対になることがわかる。この結果からZnO膜とScAlN膜の分極方向が逆転していることが確認できる。
図３に示した積層圧電素子４０は、ZnO膜４３とScAlN膜４４とを交互に積層した積層圧電体膜４８上に上部電極４９を形成することで、下部電極４２と上部電極４９とが積層圧電体膜４８を挟んで構成することができる。この積層圧電素子４０に電気ケーブル１０１，１０２を介してパルス電源１０３からパルス電圧を印加することにより、この積層圧電素子４０から超音波を送信することができる。
その際、ZnO膜４３、ScAlN膜４４の結晶を基板面と垂直にｃ軸配向させるために、下部電極４２は、ZnO膜４３と格子間距離が近い[111]軸配向したAu膜であることが望ましい。さらにAu膜と基材４１との間には、Au膜の接着性を向上させる金属膜、例えばTiやCrなどの層があるとなおよい。
ScAlN膜４４を下部電極４２の上に形成し、ZnO膜４３をその上に積層することも可能であるが、膜応力の関係で、膜厚が大きくなる場合にはScAlN膜４４が剥がれやすくなる。ZnO膜４３の上にScAlN膜４４を形成すると膜応力を緩和する効果があるため、下部電極４２上にZnO膜４３を形成するほうが望ましい。
このとき、ZnO膜４３の膜厚ｄ1とScAlN膜４４の膜厚ｄ2とは、単層の圧電体層と下部電極４２、上部電極４９からなる圧電素子の１次モードの共振周波数がほぼ同じになるようにすることが望ましい。膜厚とそれぞれの膜内での超音波の波長との関係は、基材４１と圧電体層との音響インピーダンスの大小で変わってくるが、以下の式（１）で示される条件となる。ここでλ1はZnO膜４３内部の超音波の波長であり、λ2は、ScAlN膜４４内部の超音波の波長である。なお、実用上、膜厚ｄ1，ｄ2は、式（１）で算出した値に対して±10%程度の誤差を有してもよいが、望ましくは±2%程度の誤差がよい。
このとき、ZnO膜４３の膜厚ｄ1とScAlN膜４４の膜厚ｄ2とは、単層の圧電体層と下部電極４２、上部電極４９からなる圧電素子の１次モードの共振周波数がほぼ同じになるようにすることが望ましい。膜厚とそれぞれの膜内での超音波の波長との関係は、基材４１と圧電体層との音響インピーダンスの大小で変わってくるが、以下の式（１）で示される条件となる。ここでλ1はZnO膜４３内部の超音波の波長であり、λ2は、ScAlN膜４４内部の超音波の波長である。なお、実用上、膜厚ｄ1，ｄ2は、式（１）で算出した値に対して±10%程度の誤差を有してもよいが、望ましくは±2%程度の誤差がよい。
また、基材４１としてサファイアを用いた場合、膜厚とそれぞれの膜内での超音波の波長との関係は以下の式（２）で示される条件となる。実用上、膜厚ｄ1，ｄ2は、式（２）で算出した値に対して±10%程度の誤差を有してもよいが、望ましくは±2%程度の誤差がよい。
式（１）または式（２）を満たす構造とすることで、積層圧電素子４０から送信される超音波の周波数は、それぞれの単層圧電素子４０Ｘ，４０Ｙから送信される超音波とほぼ同じ周波数となり、かつ圧電体の膜厚を厚くすることができる。
一方で、積層圧電素子４０は、その電気的インピーダンスＺ3を大きくすることができる。これを以下の式（３）から式（５）を用いて説明する。
ZnO膜４３を用いた単層圧電素子４０Ｘの電気的インピーダンスＺ1は、以下の式（３）で示される。
一方で、積層圧電素子４０は、その電気的インピーダンスＺ3を大きくすることができる。これを以下の式（３）から式（５）を用いて説明する。
ZnO膜４３を用いた単層圧電素子４０Ｘの電気的インピーダンスＺ1は、以下の式（３）で示される。
ScAlN膜４４を用いた単層圧電素子４０Ｙの電気的インピーダンスＺ2は、以下の式（４）で示される。
これに対して積層圧電素子４０（図３参照）の電気的インピーダンスＺ3は、以下の式（５）で示されるようにＺ1とＺ2の和となり、単層圧電素子４０Ｘ，４０Ｙの電気的インピーダンスよりも大きくすることができる。
図８（ａ）〜（ｃ）は、単層圧電素子４０Ｘ，４０Ｙと積層圧電素子４０の変換損失の周波数特性を示すグラフである。図８（ａ）は単層圧電素子４０Ｘの変換損失の周波数特性を示している。図８（ｂ）は単層圧電素子４０Ｙの変換損失の周波数特性を示し、図８（ｃ）は積層圧電素子４０の変換損失の周波数特性を示している。図８においては石英ガラスを基材として用いている。
図８（ａ）のグラフに示すように、石英ガラスを基材４１として、単層のZnO膜４３（膜厚4.2μm）を圧電体層として単層圧電素子４０Ｘ（図４参照）を形成すると、基本の共振周波数が683MHzとなる。
図８（ａ）のグラフに示すように、石英ガラスを基材４１として、単層のZnO膜４３（膜厚4.2μm）を圧電体層として単層圧電素子４０Ｘ（図４参照）を形成すると、基本の共振周波数が683MHzとなる。
図８（ｂ）のグラフに示すように、ScAlN膜４４（膜厚3.9μm）を圧電体層として単層圧電素子４０Ｙ（図５参照）を形成すると、基本の共振周波数は828MHzとなる。
これに対して、図８（ｃ）のグラフに示すように、基材４１側から１層目にZnO膜４３を4.2μm、２層目にScAlN膜４４を3.9μm積層して積層圧電素子４０（図３参照）を形成すると、基本の共振周波数ｆ1は300MHz付近に現れるがその強度は小さく、720MHz（ｆ2）に２次モード共振が強く表れる。積層圧電素子４０の２次モード共振の強度は、単層の圧電素子の基本モードより大きい。このように構成することにより、電極面積は同じでも膜厚を大きくすることによって電気的インピーダンスを大きくすることができ、単層圧電素子４０Ｘ，４０Ｙを用いた場合よりも、電気的インピーダンスとして望ましい圧電素子を得ることができる。
これに対して、図８（ｃ）のグラフに示すように、基材４１側から１層目にZnO膜４３を4.2μm、２層目にScAlN膜４４を3.9μm積層して積層圧電素子４０（図３参照）を形成すると、基本の共振周波数ｆ1は300MHz付近に現れるがその強度は小さく、720MHz（ｆ2）に２次モード共振が強く表れる。積層圧電素子４０の２次モード共振の強度は、単層の圧電素子の基本モードより大きい。このように構成することにより、電極面積は同じでも膜厚を大きくすることによって電気的インピーダンスを大きくすることができ、単層圧電素子４０Ｘ，４０Ｙを用いた場合よりも、電気的インピーダンスとして望ましい圧電素子を得ることができる。
（第２の実施形態）
第１の実施形態では２層の圧電体層を積層する場合について示しているが、この第２の実施形態は、３層の圧電体層を積層している。
図９は、第２の実施形態における積層圧電素子４０Ａの構成を示す断面図である。
積層圧電素子４０Ａは、下部電極４２と上部電極４９との間に積層圧電体膜４８Ａを備える。積層圧電体膜４８Ａは、ｃ軸方向が圧電体薄膜の面に略垂直な１方向に配向し、上面側がO極性となる自発分極を持ったZnO膜４３（第１圧電体層）の上に、ｃ軸方向が圧電体薄膜の面に略垂直な１方向に配向し、ZnOとは反対方向の、上面側がAl極性となる自発分極を持つScAlN膜４４（第２圧電体層）が直接形成され、更にScAlN膜４４の上にZnO膜４３とほぼ同じ配向性及び同じ極性の自発分極を持ったZnO膜４５が直接形成されている。すなわち、ZnOからなる圧電体層とScAlNからなる圧電体層が交互に複数積層している。
このように積層圧電素子４０Ａを構成することにより、単層圧電素子４０Ｘ，４０Ｙを形成した場合とほぼ同じ周波数に３次モード共振が強く表れる。
第１の実施形態では２層の圧電体層を積層する場合について示しているが、この第２の実施形態は、３層の圧電体層を積層している。
図９は、第２の実施形態における積層圧電素子４０Ａの構成を示す断面図である。
積層圧電素子４０Ａは、下部電極４２と上部電極４９との間に積層圧電体膜４８Ａを備える。積層圧電体膜４８Ａは、ｃ軸方向が圧電体薄膜の面に略垂直な１方向に配向し、上面側がO極性となる自発分極を持ったZnO膜４３（第１圧電体層）の上に、ｃ軸方向が圧電体薄膜の面に略垂直な１方向に配向し、ZnOとは反対方向の、上面側がAl極性となる自発分極を持つScAlN膜４４（第２圧電体層）が直接形成され、更にScAlN膜４４の上にZnO膜４３とほぼ同じ配向性及び同じ極性の自発分極を持ったZnO膜４５が直接形成されている。すなわち、ZnOからなる圧電体層とScAlNからなる圧電体層が交互に複数積層している。
このように積層圧電素子４０Ａを構成することにより、単層圧電素子４０Ｘ，４０Ｙを形成した場合とほぼ同じ周波数に３次モード共振が強く表れる。
（第３の実施形態）
第３の実施形態では更に、４層の圧電体層を積層している。
図１０は、第３の実施形態における積層圧電素子４０Ｂの構成を示す断面図である。
積層圧電素子４０Ｂは、下部電極４２と上部電極４９との間に積層圧電体膜４８Ｂを備える。積層圧電体膜４８Ｂは、ｃ軸方向が圧電体薄膜の面に略垂直な１方向に配向し、上面側がO極性となる自発分極を持ったZnO膜４３（第１圧電体層）の上に、ｃ軸方向が圧電体薄膜の面に略垂直な１方向に配向し、ZnOとは反対方向の自発分極を持つScAlN膜４４（第２圧電体層）が直接形成され、ScAlN膜４４の上にZnO膜４３とほぼ同じ配向性及び同じ極性の自発分極を持ったZnO膜４５が直接形成され、更にZnO膜４５の上にScAlN膜４４とほぼ同じ配向性及び同じ極性の自発分極を持ったScAlN膜４６が直接形成されている。すなわち、ZnOからなる圧電体層とScAlNからなる圧電体層が交互に複数積層している。
このように積層圧電素子４０Ｂを構成することにより、単層圧電素子４０Ｘ，４０Ｙを形成した場合とほぼ同じ周波数に４次モード共振が強く表れる。
第３の実施形態では更に、４層の圧電体層を積層している。
図１０は、第３の実施形態における積層圧電素子４０Ｂの構成を示す断面図である。
積層圧電素子４０Ｂは、下部電極４２と上部電極４９との間に積層圧電体膜４８Ｂを備える。積層圧電体膜４８Ｂは、ｃ軸方向が圧電体薄膜の面に略垂直な１方向に配向し、上面側がO極性となる自発分極を持ったZnO膜４３（第１圧電体層）の上に、ｃ軸方向が圧電体薄膜の面に略垂直な１方向に配向し、ZnOとは反対方向の自発分極を持つScAlN膜４４（第２圧電体層）が直接形成され、ScAlN膜４４の上にZnO膜４３とほぼ同じ配向性及び同じ極性の自発分極を持ったZnO膜４５が直接形成され、更にZnO膜４５の上にScAlN膜４４とほぼ同じ配向性及び同じ極性の自発分極を持ったScAlN膜４６が直接形成されている。すなわち、ZnOからなる圧電体層とScAlNからなる圧電体層が交互に複数積層している。
このように積層圧電素子４０Ｂを構成することにより、単層圧電素子４０Ｘ，４０Ｙを形成した場合とほぼ同じ周波数に４次モード共振が強く表れる。
以下同様にZnO膜とScAlN膜を交互にｎ層（ｎは２以上の自然数）積んで圧電素子を形成することにより、単層で圧電素子を形成した場合とほぼ同じ周波数にｎ次モード共振が強く表れる。この場合、電気的インピーダンスは単層の場合の和となり、電気的インピーダンスに望ましい圧電素子を得ることができる。
本発明を適用すると、各層に同じ向きの電界を加えると極性が逆になっているため、各層が基本振動をして、層数と同じ次数の共振が発生する。積層圧電素子は、圧電層をｎ層だけ積層することで膜厚が大きくなり、単層圧電素子と比べると電気的インピーダンスが大きくなるためインピーダンス整合に有利となり、かつ共振周波数は単層圧電素子の場合とほぼ同じとなる。そのため、超音波探触子のS/N比が向上する。
また、一般に圧電材料は絶縁体または半導体であり、高抵抗材料である。単層圧電素子で高周波の超音波探触子を製作する場合、膜厚が小さくなるため絶縁破壊や電流リークが起こって故障しやすくなる。しかし、積層圧電素子では膜厚が大きいため、超音波探触子の耐久性を増すことができる。
また、一般に圧電材料は絶縁体または半導体であり、高抵抗材料である。単層圧電素子で高周波の超音波探触子を製作する場合、膜厚が小さくなるため絶縁破壊や電流リークが起こって故障しやすくなる。しかし、積層圧電素子では膜厚が大きいため、超音波探触子の耐久性を増すことができる。
本発明によれば、超音波探触子４のS/N比が向上するため、本発明から成る積層圧電素子４０を用いて作製した超音波探触子４を用いると、高精度で高分解能な検査画像を得ることができる。
（変形例）
本発明は上記した実施形態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形態は、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。ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることも可能である。
本発明は上記した実施形態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形態は、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。ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることも可能である。
各実施形態に於いて、制御線や情報線は、説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には、殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。
本発明の変形例として、例えば、次の（ａ），（ｂ）のようなものがある。
（ａ） ZnO膜に代えて、CdSを第１圧電材料として、ｃ軸方向が圧電体薄膜の面に略垂直な１方向に配向した第１圧電体層を構成してもよい。
（ｂ） ScAlN膜に代えて、AlN、GaN、YbGaNのうちいずれかを第２圧電材料として第２圧電体層を構成してもよい。
本発明の変形例として、例えば、次の（ａ），（ｂ）のようなものがある。
（ａ） ZnO膜に代えて、CdSを第１圧電材料として、ｃ軸方向が圧電体薄膜の面に略垂直な１方向に配向した第１圧電体層を構成してもよい。
（ｂ） ScAlN膜に代えて、AlN、GaN、YbGaNのうちいずれかを第２圧電材料として第２圧電体層を構成してもよい。
１ 超音波検査装置
２ ３軸スキャナ
３ ホルダ
４ 超音波探触子
４０，４０Ａ，４０Ｂ 積層圧電素子
４０Ｘ，４０Ｙ 単層圧電素子
４１ 基材
４２ 下部電極
４３，４５ ZnO膜
４４，４６ ScAlN膜
４８ 積層圧電体膜
４９ 上部電極
５２ パルス電圧発生装置
５３ プリアンプ
５４ レシーバ
５５ Ａ／Ｄ変換器
５６ 制御装置
５７ 信号処理装置
５８ 画像表示装置
６ 検査対象
７ 媒質
８ 水槽
１０１，１０２ 電気ケーブル
１０３ パルス電源
１０４ オシロスコープ
１０５ プローブ
２ ３軸スキャナ
３ ホルダ
４ 超音波探触子
４０，４０Ａ，４０Ｂ 積層圧電素子
４０Ｘ，４０Ｙ 単層圧電素子
４１ 基材
４２ 下部電極
４３，４５ ZnO膜
４４，４６ ScAlN膜
４８ 積層圧電体膜
４９ 上部電極
５２ パルス電圧発生装置
５３ プリアンプ
５４ レシーバ
５５ Ａ／Ｄ変換器
５６ 制御装置
５７ 信号処理装置
５８ 画像表示装置
６ 検査対象
７ 媒質
８ 水槽
１０１，１０２ 電気ケーブル
１０３ パルス電源
１０４ オシロスコープ
１０５ プローブ
Claims (8)
- 下部電極と上部電極との間に積層圧電体膜を設けて成る圧電素子を備えており、
前記積層圧電体膜は、膜面に対して実質的に垂直な自発分極を持つ第１圧電材料からなる第１圧電体層の上に、前記第１圧電材料とは異なり、かつ前記第１圧電材料とは反対方向の自発分極を持つ第２圧電材料で構成される第２圧電体層が直接形成されており、
各前記第１圧電体層と各前記第２圧電体層とは、それぞれ１次モードの共振が得られる厚みを有し、
各前記第１圧電体層の１次モードの共振周波数と各前記第２圧電体層の１次モードの共振周波数とは略等しい、
ことを特徴とする超音波探触子。 - 請求項１に記載の超音波探触子において、
前記積層圧電体膜は更に、前記第１圧電体層および前記第２圧電体層が交互に複数積層している、
ことを特徴とする超音波探触子。 - 請求項１または請求項２に記載の超音波探触子において、
前記下部電極上に形成された前記第１圧電体層を構成する前記第１圧電材料は、ZnOである、
ことを特徴とする超音波探触子。 - 請求項３に記載の超音波探触子において、
前記下部電極は、[111]軸配向したAu膜である、
ことを特徴とする超音波探触子。 - 請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の超音波探触子において、
各前記第１圧電体層の厚みは、前記第１圧電材料の超音波の波長の1/4であり、
各前記第２圧電体層の厚みは、前記第２圧電材料の超音波の波長の1/4である、
ことを特徴とする超音波探触子。 - 請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の超音波探触子において、
各前記第１圧電体層の厚みは、前記第１圧電材料の超音波の波長の1/2であり、
各前記第２圧電体層の厚みは、前記第２圧電材料の超音波の波長の1/2である、
ことを特徴とする超音波探触子。 - 請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の超音波探触子において、
前記第２圧電材料は、AlN、ScAlN、GaN、YbGaNのうちいずれかである、
ことを特徴とする超音波探触子。 - 請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の超音波探触子を備える、
ことを特徴とする超音波検査装置。
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