JP6728260B2 - 積層型超音波トランスデューサ及び超音波検査装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、積層型超音波トランスデューサ及び超音波検査装置に関する。

医療診断や各種部材、装置等の非破壊検査に、超音波検査装置が用いられている。超音波検査装置は、例えば、検査対象部に超音波を照射すると共に、検査対象部からの反射波を受信する超音波トランスデューサと、超音波トランスデューサからの反射波により検査対象部の状態の検査処理を行う制御部とを具備する。超音波トランスデューサとしては、圧電材料からなる振動子の両面に電極を設け、２つの電極から振動子に電圧（電界）を印加して超音波を発信する装置が一般的である。超音波トランスデューサから発信される超音波を収束する場合、超音波トランスデューサの超音波の送受信面に音響レンズを貼り付けて、超音波の収束を行っている。この場合、装置の構造が複雑になり、信頼性が低下したり、製造コストが増加する等の難点がある。さらに、接合界面が増加するため、界面での超音波の反射やレンズ内での超音波の減衰によって、超音波トランスデューサの感度や分解能が低下しやすい。

超音波トランスデューサとしては、積層構造を有するものが知られている。すなわち、積層された複数の振動子間にそれぞれ内部電極を配置し、これら複数の振動子と内部電極とを一体化した積層型超音波トランスデューサが知られている。従来の積層型超音波トランスデューサにおいては、各振動子間に設けられる内部電極の形状を異ならせ、振動領域内で駆動される振動子の数が異なる領域を設けることが行われている。ただし、従来の積層型超音波トランスデューサは、サイドローブの発生を抑えたり、また超音波の周波数帯域を広くする（広帯域化）ことを目的としており、このために振動領域の内側に内部電極の層数を多く、外側に向けて内部電極の層数を減らしている。このように、従来の積層型超音波トランスデューサは、超音波を収束させることを考慮していない。

特開２０００−０８８８２２号公報 特開２００９−１９４２２６号公報

本発明が解決しようとする課題は、音響レンズ等を使用することなく、簡易な構造で超音波を収束させることを可能にした積層型超音波トランスデューサとそれを用いた超音波検査装置を提供することにある。

実施形態の積層型超音波トランスデューサは、積層された複数の振動子と、前記複数の振動子のうち最外層に配置された２つの振動子の外側露出面に配置された外部電極と、前記複数の振動子間に配置された複数の内部電極とを具備し、前記複数の内部電極は、前記複数の振動子の内側領域から外周領域に向けて、前記複数の振動子の積層方向に対する前記内部電極の積層数が傾斜して増加するように配置された領域を有し、前記複数の振動子から出射される超音波は、少なくとも前記内側領域に向けて収束される。

第１の実施形態の積層型超音波トランスデューサを示す斜視図である。 図１に示す積層型超音波トランスデューサから放射される超音波の状態を示す図である。 第１の実施形態の積層型超音波トランスデューサから放射される超音波の音圧を測定した結果を示す図である。 図１に示す積層型超音波トランスデューサの作製工程を示す図である。 図１に示す積層型超音波トランスデューサを用いた超音波検査装置の構成を示す図である。 第２の実施形態の積層型超音波トランスデューサの第１の例を示す斜視図である。 第２の実施形態の積層型超音波トランスデューサの第２の例を示す斜視図である。 第２の実施形態の積層型超音波トランスデューサの第３の例を示す斜視図である。 第２の実施形態の積層型超音波トランスデューサの第４の例を示す斜視図である。 第３の実施形態の積層型超音波トランスデューサを示す斜視図である。 図１０に示す積層型超音波トランスデューサから放射される超音波の状態を示す図である。

以下、実施形態の積層型超音波トランスデューサ及び超音波検査装置について、図面を参照して説明する。なお、各実施形態において、実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、その説明を一部省略する場合がある。図面は模式的なものであり、各部の厚さと平面寸法との関係、各部の厚さの比率等は現実のものとは異なる場合がある。説明中の上下方向を示す用語は、重力加速度方向を基準とした現実の方向とは異なる場合がある。

（第１の実施形態）
図１は第１の実施形態の積層型超音波トランスデューサを示す斜視図である。図１に示す積層型超音波トランスデューサ１は、積層された複数の振動子２を有する積層振動子３を備えている。図１に示す積層振動子３は、順に積層された９層の振動子２Ａ、２Ｂ…２Ｉを有している。積層振動子３の最外層に配置された２つの振動子２Ａ、２Ｉの外側露出面には、外部電極４が設けられている。すなわち、振動子２Ａの下面には第１の外部電極４Ａが設けられ、振動子２Ｉの上面には第２の外部電極４Ｂが設けられている。

積層振動子３の内部には、内部電極５が設けられている。内部電極５は、積層された複数の振動子２Ａ〜２Ｉのうち、隣り合う振動子２間に設けられている。すなわち、振動子２Ａと振動子２Ｂとの間には、第１の外部電極４Ａと対向する第１の内部電極５Ａが設けられている。振動子２Ｂと振動子２Ｃとの間には、第１の内部電極５Ａと対向する第２の内部電極５Ｂが設けられている。同様にして、それぞれ隣り合う振動子２Ｃ〜２Ｈ間には、第１の内部電極５Ａと第２の内部電極５Ｂとが順に設けられている。振動子２Ｈと振動子２Ｉとの間には、第２の外部電極４Ｂと対向する第２の内部電極５Ｂが設けられている。隣り合う振動子２Ａ〜２Ｉ間においては、それぞれ第１の内部電極５Ａと第２の内部電極５Ｂとが対向している。

第１及び第２の外部電極４Ａ、４Ｂは、共通電極として機能する。第１の外部電極４Ａと第２の内部電極５Ｂは、積層振動子３の側面に設けられた第１の接続端子６Ａに接続されている。第２の外部電極４Ｂと第１の内部電極５Ａは、積層振動子３の側面に設けられた第２の接続端子６Ｂに接続されている。第１の接続端子６Ａは、電源７の第１の端子８Ａに接続されている。第２の接続端子６Ａは、電源７の第２の端子８Ｂに接続されている。ここで、電源７としては、パルス波、矩形波、バースト波等でトランスデューサ１を駆動して超音波を発振せしめるパルサ電源等が用いられる。電源７から積層振動子３の外部電極５Ａ、５Ｂ及び内部電極５Ａ、５Ｂに電圧を印加した場合、隣り合う振動子２Ａ〜２Ｉには、逆向きとなる電界が印加され、振動子２Ａ〜２Ｉに変位が生じる。これによって、積層振動子３から放射される超音波の音圧を上げることができる。

第１の実施形態の積層型超音波トランスデューサ１において、積層振動子３の内部電極５Ａ、５Ｂは、振動子２Ａ〜２Ｉの各層間で形成領域を異ならせている。図１において、領域Ａ１〜Ａ３は内部電極５Ａ、５Ｂの形成範囲を区別するために示した領域である。領域Ａ１は積層振動子３の内側領域（中心領域）、領域Ａ２は領域Ａ１より外側に向けて伸びる中間領域、領域Ａ３は領域Ａ２より外側に向けて伸びる外周領域である。外周領域Ａ３は、矩形状の積層振動子３の対向する二辺に沿ってそれぞれ設けられた領域であり、それから内側に向けて、中間領域Ａ２及び内側領域Ａ１が順に設けられている。

内側領域Ａ１には、内部電極５Ａ、５Ｂが設けられていない。従って、内側領域Ａ１に存在する９層の振動子２Ａ〜２Ｉには、第１の外部電極４Ａと第２の外部電極４Ｂのみから電圧（電界）が印加される。内側領域Ａ１では、外部電極４Ａと外部電極４Ｂとの間に挟まれた振動子２が見掛け上は１層存在している。振動子２Ｃと振動子２Ｄとの間に設けられた第１の内部電極５Ａ、及び振動子２Ｆと振動子２Ｇとの間に設けられた第２の内部電極５Ｂは、外周領域３Ａから中間領域Ａ２にかけて設けられている。従って、中間領域Ａ２においては、３層ずつの振動子２に対して外部電極４及び内部電極５から電圧（電界）が印加される。中間領域Ａ２では、電極４、５間に挟まれた振動子２が見掛け上は３層存在している。外周領域Ａ３には、９層の振動子２Ａ〜２Ｉ間にそれぞれ第１及び第２の内部電極４、５が順に設けられている。従って、外周領域Ａ３においては、各振動子２に対して外部電極４及び内部電極５から電圧（電界）が印加される。外周領域Ａ３では、電極４、５間に挟まれた振動子２が９層存在している。

上記したように、第１の実施形態の積層型超音波トランスデューサ１において、積層振動子３の内部電極５は、振動子２の積層方向に対する内部電極５の積層数が、内側領域Ａ１から外周領域Ａ３に向けて傾斜して増加するように配置されている。図１に示す積層型超音波トランスデューサ１においては、内部電極５の積層数を内側領域Ａ１から外周領域Ａ３に向けて、０層、２層、８層と傾斜して増加させている。ここで、振動子２から放射される超音波の音圧は、対向する電極（４、５）間に存在する振動子２の厚さが薄いほど高くなる。さらに、積層振動子３においては、超音波の放射方向（振動子２の積層方向）に存在する単位振動子構造、すなわち対向する電極（４、５）で振動子２を挟み込んだ構造の数が多いほど、超音波の音圧が高くなる。このように、内部電極５を傾斜配置することによって、各領域Ａ１、Ａ２、Ａ３の駆動電界、変位量、及び駆動パワーに差異が生じる。すなわち、各領域Ａ１、Ａ２、Ａ３は異なる電界により駆動される。

従って、第１の実施形態の積層型超音波トランスデューサ１における超音波の放射状態は、図２に示すようになる。図２において、矢印Ｘ及びバーＹは音圧を示しており、矢印Ｘが長いほど、またバーＹが図中下に存在しているほど、音圧が高いことを示している。図２において、符号９はバッキング材であり、積層振動子３の超音波送受信面とは逆の背面に放出され超音波の減衰と、積層振動子３のパルス駆動や受信波による残留振動をダンピングする目的で設けられる。バッキング材としては、フェライトゴムや多孔質セラミックス材等が多く用いられている。内部電極５Ａ、５Ｂが存在しない内側領域Ａ１の音圧が１番低く、内部電極５Ａ、５Ｂの数が多い外周領域Ａ３の音圧が１番高く、内部電極５Ａ、５Ｂの数が中間の中間領域Ａ２の音圧は、内側領域Ａ１と外周領域Ａ３との間である。すなわち、外周領域Ａ３から内側領域Ａ１に向けて音圧が低くなっており、音圧分布が外周領域Ａ３から内側領域Ａ１に向けて傾斜している。

上記したように、傾斜配置された内部電極５によって、外周領域Ａ３の振動子２の方が多く伸長し、これにより音圧が高くなる。そのような音圧分布を有する場合、凹面状の超音波放出面（図２においては、下に向けて凹状／上に向けて凸状）が形成される。これによって、超音波の音圧を積層振動子３の内側に向けて（内周領域Ａ１に向けて）収束させることができる。これはフェイズドアレイと同じ原理である。従って、第１の実施形態の積層型超音波トランスデューサ１では、音響レンズ等を使用することなく、放射される超音波を収束させることができ、超音波トランスデューサ１の性能を高めることができる。

図３は、第１の実施形態の積層型超音波トランスデューサ１（実施例１）と、積層型超音波トランスデューサ１と同厚の振動子に外部電極のみを形成して構成した積層型超音波トランスデューサ（比較例１）に、同一周波数の交流電圧を印加した際の音圧測定結果を示している。図３において、横軸は超音波放射角度、縦軸は音圧である。音圧の測定波形の形状がシャープであるほど、超音波の収束性が高いことを示している。図３に示すように、実施例１の積層型超音波トランスデューサの波形形状は、比較例１の積層型超音波トランスデューサの波形形状に比べてシャープであり、さらに中心部の音圧も高いことが分かる。従って、第１の実施形態の積層型超音波トランスデューサ１によれば、放射される超音波が収束していることが分かる。

第１の実施形態の積層型超音波トランスデューサ１は、例えば従来から知られている振動子２と外部電極４及び内部電極５の同時焼成工程を適用して作製することができる。ただし、積層型超音波トランスデューサ１の作製工程は、同時焼成工程に限定されるものではない。例えば、図４に示すように、振動子２の形成材料となる圧電材料のグリーンシート１１上に電極材料を含むペースト（電極ペースト／導電性ペースト）１２を塗布する。図４（Ａ）は振動子２Ａの形成工程を示しており、振動子２Ａとなるグリーンシート１１Ａ上に第１の内部電極５Ａとなる電極ペースト１２Ａが塗布されている。図４（Ｂ）は振動子２Ｃの形成工程を示しており、振動子２Ｃとなるグリーンシート１１Ｂ上に第１の内部電極５Ａとなる電極ペースト１２Ｂが塗布されている。

このように、振動子２Ａ〜２Ｉのそれぞれに応じてグリーンシート１１上に塗布する電極ペースト１２の形状を調整する。これらグリーンシート１１を積層し、圧着して一体化した後、グリーンシート１１の積層体を電極ペースト１２と同時焼成することによって、積層振動子３を作製する。振動子２となるグリーンシート１１は、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸鉛（ＰＴ）、チタン酸ビスマス（ＢＮＴ）、チタン酸バリウム等の圧電材料の粉末を、必要に応じてバインダ成分や溶剤等と混合してスラリーを調製し、スラリーをドクターブレード法等により板状に成形することにより得られる。電極ペースト１２には、例えばパラジウム、金、銀、銅、ニッケル等の単体金属材料やそれら金属を含む合金材料を含有する導電性ペーストを用いることができる。

なお、上記した積層振動子３の作製工程においては、振動子２と電極２、５の同時焼成工程を適用しているため、圧電材料としてセラミックス系材料を適用しているが、同時焼成以外の作製工程を適用する場合には、セラミックス系材料以外の圧電材料、例えばポリフッ化ビニリデンのような有機系圧電材料を使用してもよい。有機系圧電材料を用いる場合には、例えば銅張積層板やプリプレグ等の製造工程と同様に、電極２、５となる金属箔や金属膜と有機系圧電材料のシートとを、積層しつつ接着することにより作製することができる。第１の実施形態の積層型超音波トランスデューサ１の製造方法は、特に限定されるものではない。後述する他の実施形態も同様である。

上述したように、第１の実施形態の積層型超音波トランスデューサ１によれば、音響レンズを使用することなく、超音波を収束させることができる。さらに、そのような超音波の収束効果を内部電極５の配置形状を異ならせるだけで得ることができ、単純な装置構成で超音波の収束効果を得ることができる。従って、超音波の収束効果を有する積層型超音波トランスデューサ１を、簡易な装置構成で、かつ低コストで得ることができ、また積層型超音波トランスデューサ１の信頼性を高めることができる。さらに、音響レンズを使用した場合のように、接合界面が増加して超音波の界面反射が生じたり、レンズ内での超音波減衰の影響を受けることもないため、超音波の減衰等を抑制することができる。これらによって、信頼性が高く、感度や分解能に優れる積層型超音波トランスデューサ１を低コストで提供することが可能になる。

次に、第１の実施形態の積層型超音波トランスデューサ１を用いた超音波検査装置について、図５を参照して説明する。図５に示す超音波検査装置２０は、積層型超音波トランスデューサ１と、制御ユニット２１とを備えている。制御ユニット２１は、積層型超音波トランスデューサ１に電圧を印加する電源２２と、電源２２の動作を制御する電源制御部２３と、超音波の反射波を検出する信号検出部２４と、検出された信号を処理して検査処理を行う信号処理部２５とを有する。

電源２２としてスイッチング電源等を用いた場合、電源２２の発振周波数や電圧等は、電源制御部２３により制御される。積層型超音波トランスデューサ１に電源２２から所望の交流電圧を印加することによって、積層振動子３の超音波放出面から図示しない検査対象部に、収束された超音波を発信する。積層型超音波トランスデューサ１から発信された超音波は、検査対象部で反射され、反射波として積層型超音波トランスデューサ１で受信される。受信された反射波は、信号検出部２４で検出され、さらに信号処理部２５で信号処理される。信号処理部２５は検出信号を必要に応じて増幅し、さらに必要な処理を施して、例えば検査対象部を画像化する等によって、検査対象部の検査を可能にする。

第１の実施形態の積層型超音波トランスデューサ１を用いた超音波検査装置２０によれば、積層型超音波トランスデューサ１から収束された超音波が検査対象部に発信されるため、検査対象部を高感度にかつ高分解能で検査することができる。従って、検査精度等を向上させることができる。実施形態の超音波検査装置２０は、例えば医療診断に用いられる超音波診断装置、工業材料や装置等の探傷や厚み検査等に用いられる非破壊検査装置、地中や水中等の状態を調べる探査装置等に適用可能である。なお、図５は１つの積層型超音波トランスデューサ１を用いた構成例について示したが、これに限られるものではない。超音波検査装置は、例えばアレイ状に配置された複数の積層型超音波トランスデューサ１を備えていてもよい。また、積層型超音波トランスデューサ１を超音波の発信器のみとして使用し、それとは別に反射波の受信器を有していてもよい。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態の積層型超音波トランスデューサ３０について、図６ないし図９を参照して説明する。ここで、第１の実施形態に示したように、積層型超音波トランスデューサの振動子の層数は、奇数にすることが一般的である。振動子の層数を偶数にするためには、内部電極の取り出しに工夫が必要である。図６に示す第２の実施形態の積層型超音波トランスデューサ３０Ａにおいて、積層振動子３は順に積層された４層の振動子２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄを有している。積層振動子３の最上層、すなわち振動子２Ｄの上面には、共通電極となる第２の外部電極４Ｂが設けられている。

第２の実施形態の積層型超音波トランスデューサ３０Ａは、第１の実施形態と同様に、内側領域Ａ１、中間領域Ａ２、及び外周領域Ａ３を有している。内側領域Ａ１は、第１の実施形態と同様に、内部電極５が設けられていない。内側領域Ａ１に相当する振動子２Ａの下面には、個別電極となる第１の外部電極４Ａ１が設けられている。従って、内側領域Ａ１に存在する４層の振動子２Ａ〜２Ｄには、第１の外部電極４Ａ１と第２の外部電極４Ｂのみから電圧（電界）が印加される。内側領域Ａ１においては、外部電極４間に挟まれた振動子２が見掛け上は１層存在している。

外周領域Ａ３においては、振動子２Ａと振動子２Ｂとの間に第１の内部電極５Ａが設けられていると共に、振動子２Ｃと振動子２Ｄとの間に第２の内部電極５Ｂが設けられている。外周領域Ａ３における振動子２Ｂと振動子２Ｃとの間には、内部電極は設けられておらず、振動子２Ｂ、２Ｃは一体化して１つの振動子として機能する。外周領域Ａ２に相当する振動子２Ａの下面には、個別電極となる第１の外部電極４Ａ２が設けられている。従って、外周領域Ａ３においては、振動子２Ａに外部電極４及び内部電極５から電圧（電界）が印加され、振動子２Ｂ、２Ｃに内部電極５Ａ、５Ｂから電圧（電界）が印加され、振動子２Ｄに外部電極４Ｂ及び内部電極５Ｂから電圧（電界）が印加される。外周領域Ａ３では、電極４、５間に挟まれた振動子２が見掛け上は３層存在している。

中間領域Ａ２においては、振動子２Ｂと振動子２Ｃとの間に第２の内部電極５Ｂが設けられている。中間領域Ａ２に相当する振動子２Ａの下面には、個別電極となる第２の外部電極４Ｂ１が設けられている。従って、中間領域Ａ２においては、振動子２Ａ、２Ｂに外部電極４Ｂ及び内部電極５Ｂから電圧（電界）が印加され、同様に振動子２Ｃ、２Ｄに外部電極４Ｂ及び内部電極５Ｂから電圧（電界）が印加される。中間領域Ａ２では、電極４、５間に挟まれた振動子２が見掛け上は２層存在している。

この際、中間領域Ａ２における外部電極４及び内部電極５に挟まれる振動子２の厚さが内側領域Ａ１の振動子２の厚さの約１／２となると共に、外周領域Ａ３における外部電極４及び内部電極５に挟まれる振動子２の厚さが内側領域Ａ１の振動子２の厚さの約１／３となると共に、振動子２Ｂ、２Ｃの厚さは振動子２Ａ、２Ｄの厚さの約１／２に設定されている。さらに、中間領域Ａ２に配置された内部電極５Ｂを外部と電気的に接続するために、振動子２Ｃに設けられたスルーホールを介して第２の内部電極５Ｂと接続されている。同様に、第２の外部電極４Ｂ１は振動子２Ａに設けられたスルーホールを介して第１の内部電極５Ａと接続されている。

上記したように、振動子２に設けられたスルーホールを介して内部電極５同士や外部電極４と内部電極５とを電気的に接続することによって、内部電極５の外部への取り出しを可能にした上で、内側領域Ａ１、中間領域Ａ２、及び外周領域Ａ３における電極４、５間に挟まれた振動子２の数を１層、２層、３層というように、偶数層を含む構造とすることができる。なお、図６に示す積層振動子３においても、第１の実施形態と同様に、第１の外部電極４Ａと第２の内部電極５Ｂは第１の接続端子（図３では図示せず）に接続され、第２の外部電極４Ｂと第１の内部電極５Ａは第２の接続端子（図３では図示せず）に接続されている。このような接続構造によって、第１の実施形態と同様に、隣り合う振動子２Ａ、２Ｂ＋２Ｃ、２Ｄには、逆向きとなる電界が印加される。また、第１の実施形態と同様に、内部電極５の積層数が内側領域Ａ１から外周領域Ａ３に向けて傾斜して増加するように配置されているため、超音波は内側に向けて収束される。

図６はスルーホールを利用して内部電極５の外部への取り出しを工夫しているが、図７や図８に示すように、振動子２Ａ〜２Ｄの厚さや内部電極５の配置を工夫することで、内部電極５の外部への取り出しを可能にした上で、内部電極５の積層数を内側領域Ａ１から外周領域Ａ３に向けて増加させることもできる。図７は振動子２Ａ〜２Ｄの厚さを均一にせずに、スルーホールを避けて内部電極５の外部への取り出しを可能にした構造を示している。図８は振動子２Ａ〜２Ｄの厚さを均一にした上で、スルーホールを避けて内部電極５の外部への取り出しを可能にした構造を示している。

図７に示す積層型超音波トランスデューサ３０Ｂにおいては、３層の振動子２Ａ〜２Ｃを有している。振動子２Ａ、２Ｂの厚さは、それぞれ全体の厚さの約１／４であり、振動子２Ｃの厚さは、全体の厚さの約１／２である。内側領域Ａ１には、図６と同様に、内部電極５が設けられていない。内側領域Ａ１に相当する振動子２Ａの下面には、個別電極となる第１の外部電極４Ａ１が設けられている。従って、内側領域Ａ１に存在する３層の振動子２Ａ〜２Ｃには、第１の外部電極４Ａ１と第２の外部電極４Ｂのみから電圧（電界）が印加される。内側領域Ａ１においては、外部電極４Ａ、４Ｂ間に挟まれた振動子２が見掛け上は１層存在している。

外周領域Ａ３においては、振動子２Ａと振動子２Ｂとの間に第１の内部電極５Ａが設けられている。この第２の内部電極５Ｂは、外周領域Ａ３のみに設けられている。さらに、振動子２Ｂと振動子２Ｃとの間には、第２の内部電極５Ｂが設けられている。この第１の内部電極５Ａは、中間領域Ａ２まで延伸している。外周領域Ａ２に相当する振動子２Ａの下面には、個別電極となる第１の外部電極４Ａ２が設けられている。従って、外周領域Ａ３においては、振動子２Ａに外部電極４及び内部電極５から電圧（電界）が印加され、振動子２Ｂに内部電極５Ａ、５Ｂから電圧（電界）が印加され、振動子２Ｃに外部電極４及び内部電極５から電圧（電界）が印加される。外周領域Ａ３では、電極４、５間に挟まれた振動子２が見掛け上は３層存在している。

中間領域Ａ２においては、振動子２Ｂと振動子２Ｃとの間に第２の内部電極５Ｂが設けられている。中間領域Ａ２に相当する振動子２Ａの下面には、個別電極となる第２の外部電極４Ｂ１が設けられている。中間領域Ａ２において、振動子２Ａと振動子２Ｂとの間には内部電極５が設けられておらず、振動子２Ａ、２Ｂは一体化して１つの振動子として機能する。従って、中間領域Ａ２においては、振動子２Ａ、２Ｂに外部電極４及び内部電極５から電圧（電界）が印加され、同様に振動子２Ｃに外部電極４及び内部電極５から電圧（電界）が印加される。中間領域Ａ２においては、電極４、５間に挟まれた振動子２が見掛け上は２層存在している。

上記したように、内部電極５の配置は上下方向（積層方向）に非対称であってもよい。このような場合においても、内部電極５の積層数が内側領域Ａ１から外周領域Ａ３に向けて傾斜して増加するように、内部電極５を配置することによって、超音波を内側に向けて収束させることができる。図７では中間領域Ａ２の振動子の厚さが内側領域Ａ１の振動子２の厚さの約１／２となるように、振動子２Ａ〜２Ｃの厚さを設定している。この場合、外周領域Ａ１の振動子２の厚さは上下方向で異なっている。これに対して、図８の積層型超音波トランスデューサ３０Ｃに示すように、振動子２Ａ〜２Ｃの厚さをそれぞれ全体の厚さの約１／３とし、中間領域Ａ２の振動子２の厚さを上下方向で異ならせてもよい。

図９は外部電極４Ａを共通電極とした構造を有する積層型超音波トランスデューサ３０Ｄを示している。内側領域Ａ１においては、外部電極４間に挟まれた振動子２が見掛け上は１層存在している。中間領域Ａ２においては、電極４、５間に挟まれた振動子２が見掛け上は３層存在している。外周領域Ａ３においては、電極４、５間に挟まれた振動子２が見掛け上は５層存在している。中間領域Ａ２において、振動子２Ｂ、２Ｃ、２Ｄの間には内部電極５が設けられておらず、振動子２Ｂ、２Ｃ、２Ｄは一体化して１つの振動子として機能する。従って、一体化された振動子２Ｂ、２Ｃ、２Ｄの厚さは、振動子２Ａ及び振動子２Ｅの厚さと異なっている。このように、１つの領域内に存在する複数の振動子２の厚さが異なっていてもよい。このような場合においても、内部電極５の積層数が内側領域Ａ１から外周領域Ａ３に向けて傾斜して増加するように、内部電極５を配置することによって、超音波を内側に向けて収束させることができる。

（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態の積層型超音波トランスデューサ４０について、図１０及び図１１を参照して説明する。ここで、第１及び第２の実施形態では、矩形状の積層振動子３の対向する２つの外形辺を含む外周領域Ａ３のそれぞれから内側領域（中心領域）Ａ１に向けて超音波を収束させるための構成を示したが、超音波の収束方向はこれに限られるものではない。図１０に示す第３の実施形態の積層型超音波トランスデューサ４０は、矩形状の積層振動子３の対向する２つの外形辺のうち、１つの外形辺を含む第１の外周領域Ａ３１から他方の外形辺を含む第２の外周領域Ａ３２に向けて超音波を収束させる、すなわち斜角収束させるための構成を示している。なお、図１０に示す構造も、内部電極の積層数が内側領域から外周領域に向けて傾斜して増加する領域を一部に有している。

図１０に示す積層型超音波トランスデューサ４０において、積層振動子３は順に積層された９層の振動子２Ａ、２Ｂ…２Ｉを有している。積層振動子３の最外層に配置された２つの振動子２Ａ、２Ｉのうち、振動子２Ａの下面には第１の外部電極４Ａが設けられ、振動子２Ｉの上面には第２の外部電極４Ｂが設けられている。外部電極４Ａ、４Ｂはそれぞれ共通電極として機能する。第３の実施形態の積層型超音波トランスデューサ４０において、積層振動子３内部には、第１の実施形態と同様に、内部電極５が設けられており、内部電極５は振動子２Ａ〜２Ｉの各層間で形成領域を異ならせている。

図１０において、領域Ａ１は積層振動子３の内側領域、領域Ａ３１は積層振動子３の対向する２つの外形辺のうち、１つの外形辺を含む第１の外周領域、領域Ａ３２は積層振動子３の対向する２つの外形辺のうち、他方の外形辺を含む第２の外周領域である。第１の外周領域Ａ３１においては、９層の振動子２Ａ〜２Ｉ間にそれぞれ第１及び第２の内部電極４、５が順に設けられている。従って、第１の外周領域Ａ３１においては、各振動子２に対して外部電極４及び内部電極５から電圧（電界）が印加される。外周領域Ａ３では、電極４、５間に挟まれた振動子２が９層存在している。

内側領域Ａ１において、振動子２Ｃと振動子２Ｄとの間、及び振動子２Ｆと振動子２Ｇとの間には、第１の外周領域Ａ３１から延設された内部電極５Ａ、５Ｂが設けられている。内側領域Ａ１においては、３層ずつの振動子２に対して外部電極４及び内部電極５から電圧（電界）が印加される。内側領域Ａ１では、電極４、５間に挟まれた振動子２が見掛け上は３層存在している。第２の外周領域Ａ３２には、内部電極５Ａ、５Ｂが設けられていない。従って、第２の外周領域Ａ３２に存在する９層の振動子２Ａ〜２Ｉには、第１の外部電極４Ａと第２の外部電極４Ｂのみから電圧（電界）が印加される。第２の外周領域Ａ３２においては、外部電極４Ａと外部電極４Ｂとの間に挟まれた振動子２が見掛け上は１層存在している。なお、隣り合う振動子２Ａ〜２Ｉに逆向きとなる電界を印加し、振動子２Ａ〜２Ｉに変位を生じさせることは、第１の実施形態と同様である。

上記したように、第３の実施形態の積層型超音波トランスデューサ４０において、積層振動子３の内部電極５は、振動子２の積層方向に対する内部電極５の積層数が、第２の外周領域Ａ３２から第１の外周領域Ａ３１に向けて傾斜して増加するように配置されている。図１０に示す積層型超音波トランスデューサ４０においては、内部電極５の積層数を第２の外周領域Ａ３２から第１の外周領域Ａ３１に向けて、０層、２層、８層と傾斜して増加させている。第１の実施形態と同様に、内部電極５を傾斜配置することによって、駆動電界、変位量、及び駆動パワーに差異が生じる。

従って、第３の実施形態の積層型超音波トランスデューサ４０における超音波の放射状態は、図１１に示すようになる。積層型超音波トランスデューサ４０においては、内部電極５Ａ、５Ｂが存在しない第２の外周領域Ａ３２の音圧が１番低く、内部電極５Ａ、５Ｂの数が多い第１の外周領域Ａ３１の音圧が１番高い。すなわち、第２の外周領域Ａ３２から第１の外周領域Ａ３１に向けて音圧が低くなっており、音圧分布が第２の外周領域Ａ３２から第１の外周領域Ａ３１に向けて傾斜している。

上記したように、傾斜配置された内部電極５によって、第１の外周領域Ａ３１の振動子２の方が多く伸長し、これにより音圧が高くなる。そのような音圧分布を有する場合、半凹面状の超音波放出面とされる。これによって、超音波の音圧を第１の外周領域Ａ３１から第２の外周領域Ａ３２に向けて斜角収束させることができる。従って、第３の実施形態の積層型超音波トランスデューサ４０では、音響レンズ等を使用することなく、放射される超音波を一定の方向に収束させることができ、超音波トランスデューサ４０の性能、利用範囲、利用可能性等を高めることができる。

上述した実施形態においては、矩形の積層振動子を用いた超音波トランスデューサについて説明したが、積層振動子の形状はこれに限られるものではない。積層振動子の形状は、矩形以外の四角形、四角形以外の多角形、円形や楕円形等であってもよい。多角形の振動子は、上述した実施形態に準じた構造が適用される。円形や楕円形等の振動子の場合には、内部電極の積層数が中心領域から円形や楕円形の外周曲線を含む外周領域に向けて傾斜して増加するように、内部電極を配置すればよい。このような構造を有する振動子を備える超音波トランスデューサにおいても、超音波を収束させることができる。

なお、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施し得るものであり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１，３０，３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ，３０Ｄ，４０…積層型超音波トランスデューサ、２，２Ａ〜２Ｉ…振動子、３…積層振動子、４，４Ａ，４Ｂ…外部電極、５，５Ａ，５Ｂ…内部電極、７…電源、２０…超音波検査装置、２１…制御ユニット。

Claims (5)

1. 積層された複数の振動子と、
   前記複数の振動子のうち最外層に配置された２つの振動子の外側露出面に配置された外部電極と、
   前記複数の振動子間に配置された複数の内部電極とを具備し、
   前記複数の内部電極は、前記複数の振動子の内側領域から外周領域に向けて、前記複数の振動子の積層方向に対する前記内部電極の積層数が傾斜して増加するように配置された領域を有し、前記複数の振動子から出射される超音波は、少なくとも前記内側領域に向けて収束される、積層型超音波トランスデューサ。
2. 前記複数の振動子は、四角形の外形形状を有し、
   前記複数の内部電極は、前記四角形の外形形状の中心領域から前記四角形の外形形状の少なくとも対向する２つの外形辺を含む外周領域に向けて、前記内部電極の積層数が傾斜して増加するように配置されている、請求項１に記載の積層型超音波トランスデューサ。
3. 複数の振動子は、四角形の外形形状を有し、
   前記複数の内部電極は、前記四角形の外形形状の少なくとも対向する２つの外形辺のうち、１つの外形辺から他方の外形辺に向けて、前記内部電極の積層数が傾斜して増加するように配置されている、請求項１に記載の積層型超音波トランスデューサ。
4. 前記内部電極の積層数が異なる複数の領域は、異なる電界で駆動される、請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の積層型超音波トランスデューサ。
5. 検査対象部に超音波を送受信する超音波トランスデューサであって、請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の積層型超音波トランスデューサと、
   前記積層型超音波トランスデューサから前記検査対象部に超音波を発信させると共に、前記検査対象部からの反射波に基づいて前記検査対象部の状態を検査する制御ユニットと
   を具備する超音波検査装置。

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