JPH08223696A - 超音波プローブ - Google Patents

超音波プローブ

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JPH08223696A
JPH08223696A JP2895395A JP2895395A JPH08223696A JP H08223696 A JPH08223696 A JP H08223696A JP 2895395 A JP2895395 A JP 2895395A JP 2895395 A JP2895395 A JP 2895395A JP H08223696 A JPH08223696 A JP H08223696A
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JP
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vibrator
ultrasonic
glass
ultrasonic probe
temperature
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Takashi Kobayashi
剛史 小林
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Toshiba Corp
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Abstract

(57)【要約】 【構成】 圧電体1およびこの圧電体1の対向する面に
形成された電極2とからなる振動子と、この振動子の振
動面上に設けられた超音波吸収材4と、前記振動子およ
び超音波吸収材4を接合するためのガラス3とを具備す
ることを特徴とする超音波プローブ。 【効果】 本発明によれば、低温から高温まで使用可能
で、分解能の高い超音波プローブを提供することが可能
になる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はパルスエコー法に用いる
超音波プローブに関し、特に低温から高温にわたって使
用可能な耐寒耐熱性を有する構造を持った超音波プロー
ブに関わる。
【0002】
【従来の技術】超音波プローブは超音波を送受する圧電
体からなる振動子を備えている。この振動子の超音波送
受面とは反対の面に、プローブの分解能を向上させるた
めの超音波吸収材が通常接合されている。この超音波吸
収材と振動子を接合するのに従来のプローブは有機系接
着剤を用いている物が多い。そのため、液体窒素温度な
どの低温では接着剤が硬質化し、超音波の透過率が小さ
くなり、接着力が低下する。また、200℃以上の高温
環境では接着剤が炭化、変質し、または接着力の低下が
生じ、使用出来ない。また、高温で使用可能なプローブ
の例として、振動子と超音波吸収材の接合に金属ロウに
よるロウ付けを用いた物が報告されている(超音波TE
CHNO1993年8月号P.70−71)。しかし、
金属ロウによるロウ付けは接合処理温度が高く、振動子
とロウ材の熱収差が大きくなる。そのため、接合後振動
子とロウ材、あるいはロウ材と超音波吸収材の間に大き
な残留応力が生じ、振動子の反り、破損が生じ易いとい
った問題点があった。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】上述したように、従来
の超音波プローブは、高温環境での使用ができず、ま
た、その破損が生じやすいという問題があった。本発明
は、このような問題に鑑みてなされたものであり、耐熱
性に優れ、信頼性の高い超音波プローブを提供すること
を目的とする。
【0004】
【課題を解決するための手段および作用】本発明は、圧
電体およびこの圧電体の対向する面に形成された電極と
からなる振動子と、この振動子の振動面上に設けられた
超音波吸収材と、前記振動子および超音波吸収材を接合
するためのガラスとを具備することを特徴とする超音波
プローブである。
【0005】すなわち、振動子と超音波吸収材との接合
にガラスを用いることを特徴としており、このようにす
ることで原子炉などの200℃以上の環境下で用いる場
合に好適である。
【0006】本発明における圧電体としては、通常超音
波プローブに用いるものであれば特に限定されず、例え
ば圧電セラミック、圧電単結晶などを用いることができ
るが、特に、高温環境下で使用する場合には、チタン酸
鉛、ジルコン酸チタン酸鉛などのチタン酸鉛系の圧電材
料やニオブ酸鉛などの圧電セラミック、あるいはニオブ
酸リチウム、タンタル酸リチウムなどの圧電単結晶とい
ったキュリー点の高い圧電材料を用いることが望まし
い。
【0007】本発明における電極としては、導電体であ
れば特に限定されずに用いることができる。また圧電体
との接着性を高めるために、必要に応じ、複数の導電体
を積層することもできる。
【0008】本発明における超音波吸収材は、前記圧電
体および電極からなる振動子から超音波が発生した際
の、残留振動を抑えることで、超音波プローブの分解能
を向上させるものである。したがって、前記振動子の振
動面上で、かつ超音波送受とは反対側に形成される。ま
た、超音波吸収材に用いられる材料としては、超音波を
吸収できるものであれば特に制限されないが、高温での
使用を考慮した場合、チタン酸アルミ、アルミナ、チタ
ニア、ジルコニア、シリカなどの多孔質セラミックが耐
熱性の面で好適である。
【0009】本発明におけるガラスは、前記振動子と前
記超音波吸収材料を接合するための接合材である。この
ように、振動子と超音波吸収材料を接合する際に、接合
材としてガラスを用いることによって、液体窒素温度程
度の低温から、200℃を越える高温での接合強度を維
持することが可能となる。
【0010】また接合温度は接合材の融点よりも30程
度高い温度で行われ、ガラスの融点は一般に500℃以
下であり、ロウ材の融点(600℃以上)よりも低く、
かつ被接合材となる前記圧電体や超音波吸収材と熱膨脹
係数が近いために、従来のロウ付けで生じていた接合面
の残留応力を小さくすることが可能となる。その結果、
製造工程における振動子の反りがなくなり、また得られ
る超音波プローブにおける振動子の振動による振動子の
割れ、剥がれといった破損を回避し、信頼性の高い超音
波プローブを歩留り良く製造することが可能となる。ま
た、ガラスの組成を変えることで、接合温度を多少変え
ることも可能であり、前述したような理由により、43
0℃以下の融点を持つガラスを用いることが望ましい。
【0011】
【実施例】図1は本実施例における超音波プローブの概
略斜視図、図2は本実施例における超音波プローブの縦
断面図、図2は本実施例における超音波プローブのパル
スエコー特性、図3は本実施例における超音波プローブ
に対する熱処理温度プロファイルである。
【0012】まず、300℃程度まで電圧性を失わない
チタン酸鉛系セラミックを圧電材料として用い、これを
20×64×0.4mm3 の形状に加工し、両面をカー
ボンランダム#2000で研磨し、超音波洗浄すること
で圧電体1を得た。この圧電体1の対向する面に第1層
にTiを50nm、第2層にNiを1000nm、第3
層にCuを200nmを順次スパッタし、電極2を形成
し、振動子を得た。
【0013】まず、300℃近傍まで圧電性を失わない
チタン酸鉛系圧電材料を用い、これを20×64×0.
4mm3 の形状に加工し、両面をカーボランダム#20
00で研磨し、超音波洗浄することで圧電体1を得た。
この圧電体1の両面に第1層にTiを50nm、第2層
にNiを1000nm、第3層にCuを200nm各々
スパッタし、電極2を形成し、振動子を得た。超音波吸
収材4には高温で変質せず、かつ超音波吸収材として使
用可能なチタン酸アルミ系セラミックス(18×64×
10mm3 )を用いた。これら振動子と超音波吸収材と
からなる被接合材の接合面にガラス3(日本電気硝子
(株)製低膨脹セラミックス用ガラスPLS−130
1)を50μmずつスクリーン印刷し、大気中120℃
で20分乾燥させた。その後、振動子と超音波吸収材を
ガラス面を合わせて接合治具に乗せ、その上に荷重とし
て800gのステンレスブロックを乗せた。これを電気
炉大気中で図3に示したような温度プロファイルで熱処
理し、振動子と超音波吸収材を接合し、プローブを得
た。
【0014】得られたプローブは、振動子の反り、破損
がなく、また、220℃のシリコンオイル中におけるパ
ルスエコー特性を計測したところ、図2に示すように受
信波のレベルが約4波長で1/10になっており、超音
波吸収材の効果も良好であった。さらに−193℃の液
体窒素中におけるパルスエコー特性を計測したところ、
同様に超音波吸収材の効果が良好であった。
【0015】以下に本発明との比較のために、金属ロウ
によるロウ付けを用いた超音波プローブの製作例を述べ
る。まず、300℃近傍まで圧電性を失わないチタン酸
鉛系圧電材料を用い、これを20×64×0.4mm3
の形状に加工し、両面をカーボランダム#2000で研
磨し、超音波洗浄することで圧電体1を得た。圧電体1
の両面に第1層にTiを50nm、第2層にNiを10
00nm、第3層にCuを200nm各々スパッタし、
電極2を形成し、振動子を得た。超音波吸収材4には高
温で変質せず、かつ超音波吸収材として使用可能なチタ
ン酸アルミ系セラミックス(18×64×10mm3
を用いた。これら被接合材の接合面にアルミ系ロウ材5
(18×64×0.1mm3 )を挟み、100g/cm
の荷重を外部から印加しながら電気炉大気中で図4に示
すような温度プロファイルで熱処理し、振動子と超音波
吸収材を接合し、超音波プローブを得た。この超音波プ
ローブにパルス電圧を印加したところ、超音波プローブ
は図5に示すように振動子と超音波吸収材の接合部の残
留応力が最大になる部分で振動子に割れが生じた。
【0016】なお、前記実施例では圧電体としてチタン
酸鉛系セラミックスを例にして説明したが、ニオブ酸鉛
セラミックス、ニオブ酸リチウム単結晶、タンタル酸リ
チウム単結晶等を用いても同様な効果を確認する事が出
来た。
【0017】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば低
温から高温まで使用可能で分解能の高い超音波プローブ
を提供出来る。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の超音波プローブの概略斜視図。
【図2】 本発明の超音波プローブの概略断面図。
【図3】 実施例における超音波プローブのパルスエコ
ー特性図。
【図4】 実施例における超音波プローブの熱処理温度
プロファイル。
【図5】 比較例における超音波プローブの熱処理温度
プロファイル。
【図6】 比較例の超音波プローブの概略断面図。
【符号の説明】
1…圧電体 2…スパッタ電極 3…ガラス 4…超音波吸収材 5…ロウ材 6…残留応力最大部 7…破損した振動子

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 圧電体およびこの圧電体の対向する面に
    形成された電極とからなる振動子と、この振動子の振動
    面上に設けられた超音波吸収材と、前記振動子および超
    音波吸収材を接合するためのガラスとを具備することを
    特徴とする超音波プローブ。
JP02895395A 1995-02-17 1995-02-17 超音波プローブ Expired - Lifetime JP3378396B2 (ja)

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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2525218A1 (en) 2011-05-19 2012-11-21 Hitachi-GE Nuclear Energy, Ltd. Heat-resistant ultrasonic sensor and installation method thereof
JP2019032168A (ja) * 2017-08-04 2019-02-28 株式会社東芝 超音波トランスデューサ、超音波探傷装置及び超音波探傷方法
CN110972046A (zh) * 2019-12-31 2020-04-07 歌尔股份有限公司 防尘结构、麦克风封装结构以及电子设备
CN114887863A (zh) * 2022-05-19 2022-08-12 合肥综合性国家科学中心能源研究院(安徽省能源实验室) 一种超声探头及其制备方法

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