JPH06105395A

JPH06105395A - 積層型超音波トランスデューサ

Info

Publication number: JPH06105395A
Application number: JP7257993A
Authority: JP
Inventors: Nobuhiko Ishida; 順彦石田; Makoto Tani; 信谷
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1992-09-21
Filing date: 1993-03-30
Publication date: 1994-04-15
Also published as: GB9219887D0

Abstract

(57)【要約】【目的】音響電気効果トランスデューサ素子を備
え、パルスエコー型用の小型且つ簡易な超音波トランス
デューサを提供する。【構成】発振又は受信される超音波の伝搬方向に積
層された積層多層構造体から成る。この構造体中に音響
電気効果受信素子と圧電性発振素子を含む。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、パルスエコー型の超音
波探傷に用られる形式の超音波トランスデューサに関す
る。

【０００２】

【従来の技術、及び発明が解決しようとする課題】本出
願人は、１９９２年３月３１日付英国特許出願第９２０
６９４３．４号明細書に音響電気効果超音波トランスデ
ューサ素子を提案しており、この明細書には、音響電気
効果超音波トランスデューサ素子、特にＺｎＯ単結晶素
子の組成、特性及び作動が記載されている。このトラン
スデューサ素子の１つの重要な特性は、原則として、こ
のトランスデューサ素子による電気信号出力の周波数が
この電気信号を発生させる超音波パルスの周波数と異な
るということである。従って、発振素子に超音波パルス
を発生させる駆動電圧信号が、受信信号に電気的に混入
しても周波数分離により容易に除去できる。

【０００３】他の重要な利点としては、音響電気効果素
子の位相非依存性がある。この音響電気効果トランスデ
ューサ素子により、粗い又は波状の表面を有する境界、
近似する音響インピーダンスを有する材料間の境界、生
体の器官間の境界等を検出することができる。位相非依
存性のトランスデューサ素子によれば、空間的に位相が
不揃いな波動又は周波数変調波でさえ検出が可能だから
である。

【０００４】また、この音響電気効果トランスデューサ
素子は、従来の圧電効果を利用する位相依存性トランス
デューサ素子としても用いることができる。この位相依
存特性に関連して、音響電気効果トランスデューサ素子
は、位相非依存性トランスデューサ及び位相依存性トラ
ンスデューサとして機能し、入射超音波のエネルギー
（音響電気効果信号）とその超音波の位相（圧電信号）
を同時に検出することができる。

【０００５】この特性により、このトランスデューサ素
子は優れた感度及び良好なＳ／Ｎ比を有することが可能
である。また、更に進んだ後信号処理をすることもでき
る。この特性のよい例としては、圧電トランスデューサ
を用いた超音波顕微鏡写真技術への適用がある。この技
術はエネルギースペクトル分析に用いられ、この分析で
は、まず、受信された信号をローパスフィルターに通
し、デジタル化し、次いで、そのエネルギースペクトル
をＥＦＴ（迅速フーリエ変換）のようなアルゴリズムに
よって演算処理する。

【０００６】分析的且つ経験的にも、これらスペクトル
が、欠陥のような超音波反射体の形状及び配向と密接に
関連することが示されている。入射エネルギーデータと
位相データは、この形式の演算処理の基本的な情報であ
る。受信された信号は位相と強度との積であるが、圧電
トランスデューサ素子ではこれらを分離できない。上述
のように、この音響電気効果トランスデューサ素子で
は、この分離を実現することができる。

【０００７】更に他の利点としては、音響電気効果トラ
ンスデューサ素子では入射超音波を垂直に受信する必要
がないため、受信素子の配置角度を厳密にする必要はな
く、また、調整機構は不要であるということが挙げられ
る。米国特許第４１９５２４４号明細書には、ＣｄＳ単
結晶を位相非依存性超音波トランスデューサとして使用
できることが記載されている。しかし、このトランスデ
ューサは受信専用型であり、最も一般的な超音波探傷法
であるパルスエコー法には適用できないという問題があ
った。本発明の目的は、音響電気効果トランスデューサ
素子を備え、パルス−エコー型用の小型且つ簡易な超音
波トランスデューサを提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、パルス
エコー型の超音波探傷に用いる超音波トランスデューサ
が提供され、この装置は、圧電性超音波発振素子と音響
電気効果超音波受信素子が、発振又は受信される超音波
の伝搬方向に集積された多層構造体中に配置されて成
る。

【０００９】ここで、「音響電気効果受信素子」とは、
圧電性半導体材料、例えばＺｎＯ又はＣｄＳ単結晶から
成る音響電気効果挙動を示すトランスデューサ素子を意
味するものとする。上記圧電性発振素子は、代表的に、
駆動電気信号の周波数又は発振素子の形状等により規定
される周波数と同等の周波数を有する超音波を発振する
水晶又はＰＺＴ（Ｐｂ−Ｚｒ−Ｔｉ酸化物）セラミック
ス材料等の通常の材料から構成されるか、又はＺｎＯ若
しくはＣｄＳ等の音響電気効果素子から構成され得る。

【００１０】このトランスデューサは、発振素子により
超音波発振を生じさせる入力信号用の電極と、受信素子
に入射する超音波により発生する出力信号用の電極とを
備える。発振素子と受信素子とは、その間に共通電極を
挾持するのが好ましい。

【００１１】発振素子は、受信素子に比し、この装置の
送受波面から離間しているのが好ましく、その理由は、
この配置によれば、発振素子による超音波パルスの発射
方向を送受波面方向のみの１方向とすることができるか
らである。逆の配置の場合には、発振素子による超音波
パルスが、送受波面と受信素子との双方の方向に発射さ
れる。そして、受信素子方向のパルスは受信素子を透過
し端面で反射されて、再び発振素子を通過して送受波面
から放出されることになる。このように、発振時刻に差
のある２つのパルスが発振されるため、１つの傷などか
らのエコーが２つ生ずることになり、受信エコーの誤っ
た解釈を導き易くなる。従って、この場合には、受信素
子の背後にバッキング層を設け、受信素子端面でのパル
スの反射を防止するのが好ましい。

【００１２】多層構造体としては、送受波面におけるマ
ッチング層、及び受信された超音波を吸収するバッキン
グ層をも備えることもできる。しかしながら、送受波面
の音響整合が良好であれば、バッキング層が無い方が受
信信号の持続時間を短くできるため、通常は、バッキン
グ層を設けない。

【００１３】検出される超音波の伝搬方向における音響
電気効果素子の厚さは、この検出波に対応する出力電気
信号の音響電気効果成分の周波数を決定する。従って、
この厚さは、音響電気効果出力信号と圧電出力信号との
周波数を適切に分離できるように選定するのがよい。上
記伝搬方向における厚さの選定は、伝搬方向に対し垂直
な２方向において寸法を選定する可能性に影響を及ぼす
ものではない。

【００１４】また、本発明の超音波トランスデューサ
は、外部からの電磁ノイズの混入を回避する目的から、
金属製の電磁シールドケースに内蔵されるのが好まし
い。ここで、本発明に係る圧電素子と音響電気効果素子
は、それぞれ２つの電極を有するが、これら電極の配置
法としては大別して２つの方法がある。

【００１５】第１の方法は、圧電素子と音響電気効果素
子の両素子の内側に共通電極を設ける方法である。通常
は、この電極をアース電極としてシールドケースと接続
する。この場合、両素子の外側の電極が各々の信号電極
となる。そして、両素子と送受波面との間には、通常、
シールド電極が配置されるため、両素子のうち送受波面
側の素子の信号電極とシールド電極との間を電気的に絶
縁できる絶縁層を設けるのが好ましい。なお、第２の方
法は、両素子の内側に各々異なった電極を設ける方法で
ある。

【００１６】かかる絶縁層としては、誘電率が小さく、
その電気的インピーダンスが受信素子の電気的インピー
ダンスより大きい方が好ましい。この理由は、受信され
る超音波の周波数は通常１〜１０ＭＨｚであるため、絶
縁層の誘電率が大きい場合には絶縁層の電気的インピー
ダンスが受信素子のインピーダンスより小さくなってし
まい、この結果、出力電信号が絶縁層を介して漏出し、
出力電気信号が減衰してしまうからである。

【００１７】また、この絶縁層は、送受波面と受信素子
との間に配置されるため、その音響インピーダンスが受
信素子の音響インピーダンスとかけ離れていると、絶縁
層と受信素子との界面で超音波の反射現象を生じ、受信
感度が低減する場合がある。従って、この絶縁層の音響
インピーダンスと受信素子の音響インピーダンスとは近
似しているのが好ましい。

【００１８】ここで、材質の異なる２層間の超音波透過
率は、次式のように両者の音響インピーダンスの比で表
される。超音波エネルギーの透過率＝４ｘ／（１＋ｘ）² なお、式中のｘは音響インピーダンスの比を示す。上式
において、両者のインピーダンスが等しい場合、即ちｘ
＝１において透過率は１００％となる。両者の音響イン
ピーダンスの比が１から離れるにつれて、透過率は小さ
くなり、ｘ＝０．５又は２．０で、透過率は約８９％に
なる。従って、本発明における絶縁層の音響インピーダ
ンスと圧電性半導体受信素子の音響インピーダンスとの
比は、０．５〜２．０であることが好ましい。

【００１９】また、上記絶縁層は、圧電性を有さないの
が好ましい。圧電定数が大きいと、超音波の透過に際し
て絶縁層の両端に圧電信号を生じ、絶縁している電極間
に不要な電圧信号を発生するからである具体的には、受
信素子がＺｎＯ単結晶又はＣｄＳ単結晶の場合には、Ｍ
ｇＯ、サファイア（α−Ａｌ₂Ｏ₃）等の非圧電性低誘電
率酸化物単結晶や、ＬｉＦ、ＣａＦ、ＢａＦ₂ 等のアル
カリ金属・アルカリ土類金属のハロゲン化物を、絶縁層
材料として好適に用いることができる。なお、本発明で
用いる電極の厚みは、超音波の伝搬を妨げないように、
超音波の波長の１／４以下の大きさであることが好まし
い。

【００２０】上記第２の配置法は、上述のように両素子
の内側に各々異なった電極を設けるものであるが、この
場合にも、両素子間を音響的に接合しつつ、両素子の内
側の電極間を電気的に絶縁する絶縁層を設けるのが好ま
しい。この絶縁層も第１の配置法の場合と同様に、電気
的インピーダンスが送受信素子よりも大きく、且つその
音響インピーダンスが送受信素子の音響インピーダンス
と近似しているのが好ましい。

【００２１】

【実施例】以下、本発明を、添付図面を参照して実施例
により説明するが、本発明はこれら実施例に限定される
ものではない。図１は、超音波の送受信方向に平行な面
におけるトランスデューサの断面図であり、この装置は
発振及び受信トランスデューサ素子が組合わさった集積
多層構造を採っている。

【００２２】図１において、送受波面は最上層に位置す
る。このトランスデューサの最上層２５はマッチング層
であり、最下層２４はバッキング層である。層２４と層
２５との間には、圧電性発振素子層２１（例えば、ＰＺ
Ｔ製又は水晶製）と、圧電性半導体材料（例えば、Ｚｎ
Ｏ単結晶）から成る音響電気効果受信素子層２２とが存
在し、３個の電極２３ａ、２３ｂ、２３ｃが挿入されて
いる。層２２は層２１よりも、送受波面に近接して配置
されている。電極２３ｂは２つの素子２１、２２に共有
されている。所要に応じて、３個の電極の代わりに４個
の電極を用いることもできる。

【００２３】図２に示すように、図１に示す集積構造か
らバッキング層２４を除去することもできる。この場
合、受信された超音波はこのトランスデューサ内で繰り
返し反射し、音響電気効果層２２において交流音響電気
効果（ＡＥ）信号を発生する。この交流ＡＥ電気信号
は、音響電気効果層２２の出力信号における圧電性応答
（ＰＥ）から、簡単に電気的に分離することが可能であ
る。

【００２４】図１及び図２に示す装置の作動中において
は、超音波を発振させる信号が電極２３ａと２３ｂに印
加される。受信された超音波は、電極２３ｂと２３ｃに
おいて２つの成分、即ち層２２により発生された圧電性
信号と層２２により発生された音響電気効果信号とを有
する出力信号を発生する。

【００２５】図１に示すトランスデューサの構成の一例
を以下に説明する。マッチング層２５は、厚さ０．０７
ｍｍ（この厚さは、代表的に１０ＭＨｚの超音波探傷に
対するものである。）のエポキシ樹脂で構成される。電
極２３ａ、２３ｂ、２３ｃは熱的に連結させたインジウ
ム金属の薄層である。発振素子層２１は水晶（又はＰＺ
Ｔ）を機械加工した厚さ０．１９ｍｍの層である。受信
素子層２２は、水熱合成法により得られたＺｎＯ単結晶
を機械加工した層で、厚さ５．０ｍｍである。バッキン
グ層２４は１０ｍｍの厚さであり、タングステン粉末に
エポキシ樹脂を含浸させて作製されたものである。図２
に示す装置においては、バッキング層２４が省略されて
いる以外は、上記と同様である。

【００２６】これら装置を作製するために、真空蒸着法
によりＺｎＯ単結晶２２の対向する面にインジウム薄膜
を形成する。Ｉｎ粉末の金属ペーストを、上記の面に塗
布して電極とすることもできる。インジウム金属がＺｎ
Ｏ単結晶のフェルミ準位と同等のフェルミ準位を有する
ため、ＺｎＯとの接触電位（ｃｏｎｔａｃｔｐｏｔｅ
ｎｔｉａｌ）の相違を回避すべく、インジウムを選択し
た。この代わりに、同等のフェルミ準位を有する他の金
属又は合金、例えばＩｎ−Ｇａ合金を用いることも可能
である。

【００２７】水晶結晶（又はＰＺＴ層）２１の一方の側
面に、電極膜の１つをＺｎＯ結晶２２に形成した方法と
同様に形成する。次いで、層２５に用いるエポキシ樹脂
を頂部電極２３ｃ上に被覆し、また、バッキング層２４
を使用する場合には、この層を反対側に貼設する。な
お、適当な厚さのＺｎＯ単結晶又は他の音響電気効果材
料を、水晶又はＰＺＴの代わりに発振素子層２１に用い
ることができる。

【００２８】図３（ａ）及び（ｂ）に、本発明の他のト
ランスデューサの構成の一例を示す。図３（ａ）におい
て、このトランスデューサは、シールドケース４０に内
蔵されている。また、このトランスデューサにおいて
は、圧電性発振素子２１と音響効果受信素子２２との間
に共通電極２３ｂが挿入されている。この電極２３ｂは
アース電極としてシールドケース３０と接続されてい
る。

【００２９】このような構成においては、両素子２１及
び２２の外側の電極２３ａ及び２３ｃが各々の信号電極
となる。そして、両素子２１、２２とマッチング層（送
受波面）２５との間には、シールド電極２３ｄが設けら
れている。また、両素子のうち、送受波面２５に近接す
る方の素子、即ち受信素子２２の信号電極２３ｃとシー
ルド電極２３ｄとの間には絶縁層３０が設けられてお
り、シールド電極との絶縁が図られている。なお、図３
（ｂ）に示すトランスデューサの構成では、バッキング
層２４を備え、発振素子２１が送受波面２５側にあり、
その信号電極とシールド電極２３ｄとの間に絶縁層３０
が設けられている。

【００３０】図４（ａ）及び（ｂ）に、本発明の更に他
のトランスデューサの構成を示す。図４（ａ）において
は、両素子２１及び２２の内側に各々異なった電極が２
３ｂ及び２３ｃが設けられ、その間には絶縁層３０が配
設されている。この絶縁層３０により、両素子２１と２
２との間が音響的に接合されるとともに、内側の電極２
３ｂと２３ｃとが電気的に絶縁されている。なお、図４
（ｂ）に示す構成では、発振素子２１と受信素子２２と
の配置が逆転しており、また、バッキング層２４を備え
る以外は、図４（ａ）の場合と同様である。

【００３１】上記絶縁層３０により、受信された超音波
により発生する出力電気信号を、減衰させることなく検
出することができる。また、この絶縁層３０はＭｇＯ単
結晶製であり、代表的に、その比誘電率は９．７であ
り、１０ＭＨｚにおける電気的インピーダンスは３００
ｋΩで、音響インピーダンスは３．２×１０⁶ｇ／ｓｍ²
・ｓである。これに対して、受信素子層２２のＺｎＯ単
結晶は、代表的にその比誘電率が１０．２であり、１０
ＭＨｚにおける電気的インピーダンスは２５０ｋΩで、
音響インピーダンスは３．５×１０⁶ｇ／ｓｍ²・ｓであ
る。なお、本実施例においては、絶縁層３０をＭｇＯ単
結晶で構成したが、これ以外の材料も適用することがで
きる。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
音響電気効果トランスデューサ素子を備え、パルス−エ
コー型用の小型且つ簡易な超音波トランスデューサを提
供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１のトランスデューサを示す断面図
である。

【図２】本発明の第２のトランスデューサを示す断面図
である。

【図３】本発明の他のトランスデューサを示す断面図で
ある。

【図４】本発明の更に他のトランスデューサを示す断面
図である。

【符号の説明】

２１圧電性発振素子層２２音響電気効果受信素子層２３ａ電極２３ｂ電極２３ｃ電極２３ｄシールド電極２４バッキング層２５マッチング層３０絶縁層４０シールドケース

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】発振又は受信される超音波の伝搬方向に
積層された圧電性超音波発振素子と音響電気効果超音波
受信素子とを含む集積多層構造体から成る、ことを特徴
とするパルスエコー超音波探傷用超音波トランスデュー
サ。
【請求項２】上記圧電性発振素子が、水晶、ＰＺＴセ
ラミックス、ＣｄＳ又はＺｎＯ単結晶から成ることを特
徴とする請求項１記載の超音波トランスデューサ。
【請求項３】上記音響電気効果受信素子が、ＣｄＳ又
はＺｎＯ単結晶から成ることを特徴とする請求項１又は
２記載の超音波トランスデューサ。
【請求項４】上記圧電性発振素子と音響電気効果受信
素子が、その間に挾持された共通電極を備えることを特
徴とする請求項１〜３のいずれか１つの項に記載の超音
波トランスデューサ。
【請求項５】上記圧電性発振素子が、上記音響電気効
果受信素子より、この装置の送受波面から離間している
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つの項に記
載の超音波トランスデューサ。
【請求項６】この装置の送受波面におけるマッチング
層を、上記集積多層構造体の一部として備えることを特
徴とする請求項１〜５記載の超音波トランスデューサ。
【請求項７】受信超音波吸収用のバッキング層を上記
集積多層構造体の一部として備え、このバッキング層
は、上記圧電性発振素子と上記音響電気効果受信素子と
の双方より、この装置の送受波面から離間していること
を特徴とする請求項１〜６のいずれか１つの項に記載の
超音波トランスデューサ。
【請求項８】上記圧電性発振素子と上記音響電気効果
受信素子が、金属電極膜に熱連結されて成ることを特徴
とする請求項１〜７のいずれか１つの項に記載の超音波
トランスデューサ。
【請求項９】上記多層構造体中に電気的絶縁層を更に
備え、この電気的絶縁層は、上記音響効果受信素子と隣
接することを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つの
項に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項１０】電気的絶縁層の電気的インピーダンス
が、音響電気効果受信素子の電気的インピーダンスより
大きく、且つその音響インピーダンスがこの受信素子の
音響インピーダンスと近似することを特徴とする請求項
９記載の超音波トランスデューサ。
【請求項１１】電気絶縁層の音響インピーダンスと受信
素子の音響インピーダンスとの比が、０．５〜２．０で
あることを特徴とする請求項１０記載の超音波トランス
デューサ。
【請求項１２】電気的絶縁層の誘電率が、受信素子の誘
電率と同じか又はそれより小さいことを特徴とする請求
項９〜１１のいずれか１つの項に記載の超音波トランス
デューサ。
【請求項１３】音響電気効果受信素子が酸化亜鉛単結晶
から構成され、電気的絶縁層が酸化マグネシウム単結晶
から構成されることを特徴とする請求項９〜１２のいず
れか１つの項に記載の超音波トランスデューサ。