JPH0511042A

JPH0511042A - 超音波探触子

Info

Publication number: JPH0511042A
Application number: JP16305091A
Authority: JP
Inventors: Hiroichi Karasawa; 博一唐沢; Tadahiro Nomura; 忠宏野村
Original assignee: Toshiba Corp; Tokimec Inc
Current assignee: Toshiba Corp; Tokyo Keiki Inc
Priority date: 1991-07-03
Filing date: 1991-07-03
Publication date: 1993-01-19
Anticipated expiration: 2014-12-06
Also published as: JP2986581B2

Abstract

(57)【要約】【目的】約２５０℃程度の高温で使用しても、長寿命で
あり、かつ、感度のよい超音波探触子を提供する。【構成】圧電振動子２と背板３との接合、および、圧電
振動子２と前面板４との接合は、ともに軟らかいハンダ
を介して行われ、前面板４はセラミックスからなること
を特徴とする超音波探触子。【効果】熱膨張係数が小さく高熱伝導性のセラミックス
からなる前面板と圧電振動子とを、軟らかいハンダによ
って接合しているので、高温状態において、剥離の発生
がなく、音響結合が安定し、信頼した動作が行われる。
また、前面板は十分薄くできるので、多重反射の影響が
軽減され、パルス幅が狭く周波数帯域の広い信号による
動作に利用できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、パルス状の超音波を被
検体に送波し、被検体からの反射波を受波する超音波探
触子に関し、特に、高温環境下での使用に好適な超音波
探触子に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来からよく知られているように、超音
波を送波・受波する超音波探触子は、電気・音響変換を
行うＰＺＴ等からなる圧電振動子と、この圧電振動子の
一方の側に配置される、エポキシ樹脂とタングステンと
を主成分とする背板と、上記圧電振動子に対して、この
背板と反対側に配置されるアルミナ等からなる前面板と
を備えて構成されている。

【０００３】上記超音波探触子においては、圧電振動子
と背板との接合、および、圧電振動子と前面板との接合
はエポキシ系樹脂によって行なわれている。ところが、
このエポキシ系樹脂は１００℃以上では劣化するので、
この超音波探触子を１００℃以上の高温で使用した場合
は、圧電振動子と、背板および前面板とは、剥離等を生
じるおそれがあるという問題がある。この結果、常温で
しかこの超音波探触子を使用できず、高温でこの超音波
探触子を使用した場合は、圧電振動子と背板等との音響
結合が変動し、超音波探触子としての機能が劣化し、信
頼性に欠ける。

【０００４】この問題を解決するために、図５に示すよ
うな超音波探触子が開発された。図５は、この超音波探
触子を示す断面図である。この超音波探触子５００の構
造を説明する。超音波探触子５００は、外匡器６、カバ
ー７、ステンレス製の前面板４とコネクタ８とを備えて
構成される全閉構造であり、この内部には、音響結合材
としてシリコンオイル１５が使用されている。そして、
このシリコンオイル１５を介して、電気・音響変換を行
う圧電振動子５２、背板５３および前面板４が接続され
ている。

【０００５】この超音波探触子５００の作用について説
明する。図示していないパルス送信器からの電気信号
を、コネクタ８を介して、圧電振動子５２に加えて、こ
の圧電振動子５２を付勢し、超音波を放射する。圧電振
動子５２からの超音波は、シリコンオイル１５およびス
テンレス製の前面板４を介して、被検材１１に送波され
る。一方、被検材からの反射波は、シリコンオイル１５
およびステンレス製の前面板４を介して、圧電振動子５
２に受波される。

【０００６】この超音波探触子５００を超音波探傷装置
に用いる場合は、さらに、次のようになる。被検材１１
内に欠陥等が存在していると、その欠陥等からの反射波
を圧電振動子５２が受波する。そして、反射してくる時
間と反射波の強度とを、図示していない外部機器を用い
て分析することによって、図示していないＣＲＴ等のデ
ィスプレー上で欠陥等の観察ができる。

【０００７】この圧電振動子と前面板との接合にシリコ
ンオイルを用いた技術は、圧電振動子と前面板との接合
にエポキシ系樹脂を用いる場合のように、高温下におい
て剥離等は生じない。しかし、このシリコンオイルを用
いる技術には、次のような問題点がある。シリコンオイ
ルを用いる超音波探触子は、圧電振動子と前面板との間
に、シリコンオイルを介入させて、音響結合を行う。と
ころが、高温状態においては、シリコンオイルの膜厚や
属性（例えば、常温での音速１０００ｍ／ｓに対し、２
００℃では５００ｍ／ｓである。）が変わり、圧電振動
子と前面板との音響結合が変動するので、超音波探触子
として安定した感度が得られない。

【０００８】また、音響インピーダンスの低いシリコン
オイルが、音響インピーダンスの高い圧電振動子と前面
板との間に挿入されているので、前面板の厚さが、超音
波の周波数特性に強く影響をおよぼす。超音波の放射効
率を向上するためには、前面板の厚さは、放射する超音
波の波長の正確に２分の１であることが必要であり、前
面板の厚さの加工に、高い精度が要求される。この前面
板の厚さの加工が正確に波長の２分の１になっていない
と、放射効率が変わり、超音波パルス波形の減衰時間等
が変化して、超音波探触子の感度や減衰特性は不安定と
なる。一方、この前面板の厚みが正確であっても、圧電
振動子の作動周波数にはバラツキがあるので、上記と同
様に、超音波探触子の感度や減衰特性にバラツキが生じ
る。さらに、前面板の共振的な透過を使っているので、
広帯域な周波数特性を得ることができなかった。

【０００９】上記シリコンオイルを用いる技術の問題点
を解決するために、ステンレス製の前面板と、圧電振動
子との接続、および、背板と圧電振動子との接続に、上
記シリコンオイルの代わりに、アルミニウムのロウ付け
を用いた技術がある。

【００１０】しかし、この技術では、圧電振動子として
用いるセラミックスの熱膨張率と、ステンレス製の前面
板の熱膨張率との差が大きい場合は、この超音波探触子
を高温で使用すると、圧電振動子と前面板との間で剥離
等が生じるという問題がある。この結果、この超音波探
触子の信頼性は失われる。

【００１１】次に、この熱膨張率の差を少なくするため
に、ステンレス製の前面板の熱膨張率（約１６×１０~⁶
／℃）に近い熱膨張率（約１５×１０~⁶／℃）を有する
ＬｉＮｂＯ₃を圧電振動子として用いる技術がある。こ
の技術では、圧電振動子と前面板との熱膨張率が近いの
で、高温で使用しても、圧電振動子と前面板との間で剥
離等が生じるという問題は解決される。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかし、ＬｉＮｂＯ₃
はへき開性が著しいので、前面板との接合の際に割れや
すく、歩留りが低いという問題がある。また、ＬｉＮｂ
Ｏ₃の電気機械結合係数（与えられた電気的入力のう
ち、機械的出力に変換する割合を示す量。）は約０．１
７であり、他の圧電性セラミックスの電気機械結合係数
（約０．３以上）に比較し、非常に劣る。その結果、圧
電振動子として、ＬｉＮｂＯ₃を用いた超音波探触子
は、他の圧電性セラミックスを用いた超音波探触子に比
べ、前面板との剥離がないという点では優れるが、感度
は悪いという問題がある。

【００１３】本発明の目的は、約２５０℃程度の高温で
使用しても、長寿命であり、かつ、感度のよい超音波探
触子を提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的は、電気・音響
変換を行う圧電振動子と、この圧電振動子の一方の側に
配置される背板と、上記圧電振動子に対して、この背板
と反対側に配置される前面板とを備えて構成される超音
波探触子において、上記圧電振動子と背板との接合、お
よび、上記圧電振動子と前面板との接合は、ともにハン
ダを介して行われ、上記前面板はセラミックスからなる
超音波探触子によって達成できる。このハンダの厚みは
１００μｍ以下であることが好ましい。

【００１５】上記圧電振動子は、ＰｂＮｂ₂Ｏ₆系および
ＰｂＴｉＯ₃系のいずれかからなることが好ましい。

【００１６】また、上記圧電振動子を、複数、直線上に
等間隔で配列して構成されるようにしてもよい。

【００１７】

【作用】本発明に係る超音波探触子には、圧電振動子と
して、高いキューリーポイントを持ち、熱膨脹係数の小
さい、例えば、ＰｂＮｂ₂Ｏ₆系またはＰｂＴｉＯ₃系な
どのセラミックスが用いられる。この圧電振動子と前面
板とをハンダを介して接合する。また、前面板と圧電振
動子とは、互いに熱膨脹係数が接近している。また、ハ
ンダの伸びは約３６％であり、軟らかい。このため、２
５０℃程度の高温環境下においても、剥離等の発生がな
い。また、シリコンオイルに比べ、音響インピーダンス
が、圧電振動子や前面板に近い値であるので、両者間の
超音波伝達における音響結合が安定化できる。従って、
本発明に係る超音波探触子は、高温環境下の作動におい
ても、信頼性ならびに性能が安定する。

【００１８】また、このセラミックス製の前面板中にお
ける音速は、ステンレス中の音速（約５９００ｍ／ｓ）
と比べ、約２倍の速さであるので、セラミックス製の前
面板の厚さをステンレス板の厚さと同じ厚さとするな
ら、セラミックス製の前面板中を伝播する超音波の波長
の半分の厚さとなる。また、炭化珪素系や窒化珪素系セ
ラミックス等の抗折強度の大きいセラミックスを用いれ
ば、さらに薄く１０分の１波長程度の厚さとすることも
可能となる。その結果、前面板内部での超音波の多重反
射の影響を無視できるので、広帯域な周波数特性をも
ち、パルス幅の狭い信号の送受波が可能な超音波探触子
を実現できる。

【００１９】

【実施例】次に、本発明に係る超音波探触子の第１実施
例について、図１，２および３を用いて説明する。図１
は、本実施例に係る超音波探触子を示す断面図である。
図２は、図１のＡーＡ断面図、図３は、背板３の斜視図
である。

【００２０】この超音波探触子１００の基本構成は、外
匡器６、カバー７、前面板４とコネクタ８とを備えて構
成される全閉構造であり、この内部には、無機材からな
る接着剤が充填されている。また、一直線上にほぼ等間
隔のアレイ状に配列された複数の圧電振動子２（図１で
は、例として、６個の圧電振動子を示す。）は、電極を
兼ねたハンダ５によって、前面板４に接合されている。
また、背板３と圧電振動子２とも、電極を兼ねたハンダ
５によって接合されている。この背板３には、図３に示
すように、信号線取出し用端子１６と、信号側電極１５
とが備えられている。また、図２に示すように、ハンダ
５の一端には、接続端子９が設けられている。

【００２１】前面板４は、耐熱性・耐候性にすぐれた、
例えば、ＳｉＣ系（熱膨張率約５×１０~⁶／℃、ヤング
率約４６×１０¹⁰Ｎ／ｍ²）またはＳｉ₃Ｎ₄系（熱膨張
率約３．４×１０~⁶／℃、ヤング率約４６×１０¹⁰Ｎ／
ｍ²）のセラミックス製である。

【００２２】圧電振動子２は、ＰｂＮｂ₂Ｏ₆系（熱膨張
率約０．７×１０~⁶／℃）またはＰｂＴｉＯ₃系（熱膨
張率約−７×１０~⁶／℃、ヤング率約１３×１０¹⁰Ｎ／
ｍ²）の圧電セラミックス製である。また、外匡器６
は、熱膨脹係数の小さい合金のコバールを用いるか、ま
たは、前面板４と一体にしてセラミックスにて成形して
もよい。ここで用いるハンダは、ガラスーセラミックス
用のハンダ（例えば商品名：セラソルザ，製造元：旭硝
子）である。このハンダの熱膨張率は約２８×１０~⁶／
℃、伸びは約３６％、硬度は約１２．９Ｈｖ、電気抵抗
は約２１．０×１０~⁶（２０℃Ω・ｃｍ）、溶融範囲は
２８０．２〜２９６．４℃である。

【００２３】次に、この超音波探触子１００の作用につ
いて、図４を用いて説明する。図４は、超音波探触子１
００の作用を説明するための説明図である。配列した６
つの圧電振動子２に、時間遅れＴをもつ励振信号を与え
ることにより、振動子全体で作る音場は、配列の中心軸
４０から、角度θだけ偏向された偏向方向５０に形成さ
れる。そこで、この遅れ時間Ｔを適切に制御することに
より、音場方向を次々と変更できる。その結果、媒体中
の領域を、超音波によって電子的走査をすることが可能
となり、超音波探触子をメカニカルに駆動することな
く、超音波画像の生成が可能となる。

【００２４】本実施例に係る超音波探触子１００の効果
について説明する。超音波探触子１００は、高い温度に
加熱された被検材に当接したり、溶融ナトリウムに浸漬
した高温状態において使用される。ＰｂＮｂ₂Ｏ₆系また
はＰｂＴｉＯ₃系からなる圧電振動子２と、前面板４と
の熱膨脹係数は接近しているので、高温環境下で使用し
ても、接合部には剥離は生せず、両者は確実に接合で
き、音響結合の安定化が図れる。

【００２５】従って、コネクタ８から接続端子９を経
て、圧電振動子２を電気信号にて付勢すると、複数の圧
電振動子２は長期間にわたり、それぞれ所定の性能が発
揮でき信頼性の高い動作が行える。

【００２６】また、前面板４の材料の成分に用いられる
ＳｉＣ中の音速は１１．７８ｋｍ／ｓであり、周波数
２．５ＭＨｚの超音波では、λ＝４．７１ｍｍとなり、
ＳｉＣの抗折強度は大きいので、前面板４の厚さを、波
長に比べ約１０分の１程度に十分薄くできる。従って、
超音波探触子１００の性能の周波数依存性が軽減され、
広い周波数帯域にわたり安定した動作が行える。この結
果、例えばパルス幅の狭い超音波信号の送受信に利用で
きる。

【００２７】次に、第２実施例に係る超音波探触子につ
いて、図６、７を用いて説明する。図６は、本実施例に
係る超音波探触子２００を示す断面図である。また、図
７は、図６のＢーＢ断面図である。この超音波探触子２
００の基本的構成は、第１実施例に係る超音波探触子１
００と同様であるので、その詳細な説明は省略する。本
実施例に係る超音波探触子２００が、第１実施例に示す
超音波探触子１００と相違する点は、全体の形状および
圧電振動子の形状にある。全体の断面形状は、図７に示
すように、円形であり、また、圧電振動子２０の断面形
状も円形である。

【００２８】この超音波探触子２００においては、第１
実施例と同様に、圧電振動子２０と前面板４とがハンダ
５によって接合されているので、高い温度に加熱された
被検材１１への当接や、高温の環境下にて使用されて
も、超音波探触子２００は長期間にわたり、所定の性能
が発揮でき信頼性の高い動作が行える。

【００２９】

【発明の効果】本発明によれば、次の効果が得られる。

【００３０】熱膨脹係数が小さく、音速が速く、抗折強
度の大きなセラミックスよりなる前面板と、高いキュー
リーポイントを持つ圧電振動子とを、軟らかいハンダに
よって接合しているので、高温状態において、剥離の発
生がなく、音響結合が安定化され、信頼した動作が行な
われる。

【００３１】前面板は、波長に比べ十分薄くできるの
で、多重反射の影響が軽減され、かつ、パルス幅が狭く
周波数帯域の広い信号による動作に利用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施例に係る超音波探触子を示す断面図

【図２】図１のＡーＡ断面図

【図３】背板３の斜視図

【図４】超音波探触子の作用を説明するための説明図

【図５】従来の超音波探触子の一例を示す断面図

【図６】第２実施例に係る超音波探触子を示す断面図

【図７】図６のＢーＢ断面図

【符号の説明】

２，５２…超音波振動子、３，５３…背板、４…前面
板、５…ハンダ、６…外匡器、７…カバー、８…コネク
タ、１５…信号側電極、１６…信号線取出し用端子、１
００，２００，５００…超音波探触子。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電気・音響変換を行う圧電振動子と、この
圧電振動子の一方の側に配置される前面板とを備えて構
成される超音波探触子において、上記圧電振動子と前面板との接合は、ハンダを介して行
われ、この前面板はセラミックスからなることを特徴と
する超音波探触子。
【請求項２】電気・音響変換を行う圧電振動子と、この
圧電振動子の一方の側に配置される背板と、上記圧電振
動子に対して、この背板と反対側に配置される前面板と
を備えて構成される超音波探触子において、上記圧電振動子と背板との接合、および、上記圧電振動
子と前面板との接合は、ともにハンダを介して行われ、
この前面板はセラミックスからなることを特徴とする超
音波探触子。
【請求項３】上記圧電振動子は、ＰｂＮｂ₂Ｏ₆系および
ＰｂＴｉＯ₃系のいずれかからなることを特徴とする請
求項１または２記載の超音波探触子。
【請求項４】上記圧電振動子を、複数、直線上に一定間
隔で配列して構成されることを特徴とする請求項１，２
または３記載の超音波探触子。
【請求項５】上記背板は、Ａｌ₂Ｏ₃・ＴｉＯ₂系セラミ
ックスからなることを特徴とする請求項２，３または４
記載の超音波探触子。
【請求項６】上記前面板は、ＳｉＣ系およびＳｉ₃Ｎ₄系
セラミックスのいずれか一方からなることを特徴とする
請求項１，２，３，４または５記載の超音波探触子。
【請求項７】上記ハンダは、伸びが略３６％であること
を特徴とする請求項１，２，３，４，５または６記載の
超音波探触子。