JPH0835954A - 超音波探触子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 超音波探傷装置に利用される超音波探触子に
関し、製造の容易さを損なうことなく高い性能を安定し
て発揮できるようにしたい。 【構成】 １組の上、下部電極と圧電トランスデューサ
と電極用リード線とダンパ材から成る超音波探触子にお
いて、下部電極を圧電トランスデューサの下面および側
面の全てと上面周辺部を一様に覆うような形状で製造す
る。上部電極は、圧電トランスデューサの上面中央部に
前記下部電極と分離して配置する。圧電トランスデュー
サの上面において、前記上、下部電極に対するリード線
接続を行い、しかる後ダンパ材で上部電極のリード線接
続部を覆った構造とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、主として超音波探傷装
置に利用される超音波探触子に関する。

【０００２】

【従来の技術】超音波探傷装置には、同一媒体内の探傷
を目的とした金属探傷器、複合媒体の形状や性質を調べ
ることを目的とした超音波顕微鏡や医用診断装置などが
実用化されている。これらの装置においては、超音波ビ
ームを発生させエコーを検出して電気信号に変換する超
音波素子と、これに付設して超音波ビームを絞るビーム
集束用の音響レンズが超音波探触子の主要構成要素であ
る。音響レンズの先端には凹面レンズ面が形成されて超
音波ビームの焦点を絞るようになっている。

【０００３】超音波素子は、磁気歪効果を利用したもの
と圧電効果を利用したものが実用化されているが、前者
は高周波領域ではうず電流損失が過大となって使用でき
ず、５０ＫＨｚ以下の低周波領域で超音波洗浄機などに
実用化されている。これに対して後者は、高周波領域迄
制限なく使用できる特質を有するので、近年はセラミッ
クス薄膜状の圧電トランスデューサを中心として広く工
業化されている。

【０００４】圧電トランスデューサを駆動するには、そ
の上部および下部に互いに電気的に独立した１組の電極
を設け、各電極には供電用のリード線を接続して外部電
源および回路につなぐ。探傷用に使用する場合、厚み方
向の分解能は超音波の波長程度なので、分解能を向上さ
せるためには高周波帯を用い、かつビーム集束用の音響
レンズを組み合わせて超音波探触子とする。音響レンズ
の下端面は凹面加工されてレンズを形成しており、上端
面（平面）に前記圧電トランスデューサの下部電極が密
着配置されている。

【０００５】具体的な超音波素子の構成例として、従来
は図２、３に示す構成が用いられていた。図２は、圧電
トランスデューサと上下電極の構造を示し、図３は図２
の構造を用いて超音波探触子を形成した状態を示す。図
において、１１は圧電素子、１２は上部電極、１３は下
部電極、１４は絶縁スペーサ、１５はダンパ材、１６は
音響レンズ、１７は導電性接着剤、１８はリード線、１
９は超音波素子である。

【０００６】図示したように、従来の超音波探触子にお
いては、音響レンズ１６と圧電トランスデューサ１１
と、下部電極１３の一部を圧電トランスデューサ１１の
側面を経て上面端の一部に引きのばし、リード線１８の
ボンディングパッドを形成していた。下部電極１３のボ
ンディングパッドは、図２の（イ）（上面図）で示すよ
うに、円形状上部電極１２の一端部を被うようにして配
置されている。上部電極１２と下部電極１３の間を電気
的に絶縁するために、薄膜状の絶縁スペーサ１４が図示
したように配置される。図２の（ロ）は、（イ）のＡ−
Ａ’断面図である。

【０００７】上部電極１２および下部電極１３のボンデ
ィングパッドには、図３に断面を示す如くして、１組の
リード線１８がそれぞれ導電性接着剤１７によって接続
される。しかる後、リード線１８の接続部を保護するよ
うにダンパ材１５が充填される。下部電極１３は、音響
レンズ１６の上部端面に密着配置される。超音波探触子
は、図３で示すように、圧電トランスデューサ１１、上
部および下部電極１２、１３、絶縁スペーサ１４、ダン
パ材１５、音響レンズ１６、導電性接着剤１７およびリ
ード線１８等で構成される。圧電トランスデューサ１１
は、例えば水晶やＺｎＯなどの酸化物セラミックス、ダ
ンパ材１５は例えばＷ粉末混入樹脂など、音響レンズ１
６は適当な音響媒体、例えば石英ガラスや金属、樹脂な
どを用いて形成される。絶縁スペーサ１４は、通常樹脂
性塗料である。図２、３に示した超音波素子は、主に試
料内部のボイドや剥離等の欠陥を２次元画像表示する超
音波映像装置などの高解像度超音波装置１ＭＨｚ〜１０
０ＭＨｚまでの探触子に用いられる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】前記した従来技術によ
れば、超音波探触子の製造時には超音波素子と音響レン
ズの密着性が高く、また超音波素子の電極に対するリー
ド線接続は容易に行うことができる。しかし、圧電トラ
ンスデューサの上部および下部電極が、圧電トランスデ
ューサの上端面で薄い絶縁スペーサによってのみ分離さ
れているため、電気的絶縁が不十分になる場合がある。
すなわち、圧電トランスデューサに超音波ビームを誘起
するため、上下電極間に数〜数１０ＫＶ／ｃｍのパルス
電圧を印加すると、絶縁スペーサの膜欠陥を介して短絡
事故が発生することがある。また、図２、３で示したよ
うに、圧電トランスデューサの上端面の一部のみに下部
電極のリード線接続部が形成されているため、超音波励
振領域の一部だけの厚みが不均一になり、この領域で不
必要な高次モードの超音波ビームが励振されるという問
題がある。

【０００９】さらに、前記の如く圧電トランスデューサ
の上端面の一部のみに下部電極のリード線接続部を形成
すると、この領域とこれ以外の領域との間に構造的な違
いができるため、圧電トランスデューサの励振時に不均
一歪が発生し、超音波素子と音響レンズの剥離を生じせ
しめる原因となる。剥離した状態では、超音波素子と音
響レンズ間に空気層を介在せしめることになるので超音
波の伝搬が著しく阻害されるため、超音波探触子の感度
低下が惹起される。本発明の目的は、製造の容易さを保
持しながら高い性能を安定して発揮できる超音波探触子
を提供することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に本発明では、下端面にレンズ面を有する円柱状音響レ
ンズと、この音響レンズの上端面に、円形の下部電極、
円形の圧電トランスデューサ、円形の上部電極の順に同
心円状に配列した超音波素子と、より成る超音波探触子
において、上部電極は、圧電トランスデューサの径より
も小さいものとし、下部電極は圧電トランスデューサの
径よりも大きくし、且つ圧電トランスデューサの側面端
部を介して、圧電トランスデューサの上部電極設置面側
に折り返し、この折り返した下部電極部分及び上部電極
に、それぞれ下部電極リード線及び上部電極リード線を
固着した超音波探触子を開示する。

【００１１】

【作用】超音波素子の上部電極が、圧電トランスデュー
サの上面中央部においてのみ下部電極と電気的に分離し
て配置されたことによって、超音波ビームの励振領域が
上部電極直下に限定される。この結果、圧電トランスデ
ューサの上面外周辺部に下部電極がまわり込んで配置さ
れていても、不要なモードの超音波が励振される危険性
は著しく減少した。また従来に比べて上部／下部電極間
隔が確実に広くとることが出来、短絡事故は防止され
る。超音波素子の下部電極が、上面周辺部に一様にまわ
り込んで配置されたことによって局所的な不均一歪の発
生が防止される。この結果、探触子製造中或いは探触子
動作中に発生する破損や剥離の可能性が低下する。

【００１２】

【実施例】以下実施例に基づいて、本発明をより詳しく
述べる。図１は、図２（従来例）に対応した本発明の圧
電トランスデューサ用電極の配置を示す。図１（イ）上
面図、（ロ）は（イ）のＢ−Ｂ′断面図を示している。
図において１は圧電トランスデューサ、２は上部電極、
３は下部電極を示す。

【００１３】圧電トランスデューサ１を励振するための
上部電極２は円形圧電トランスデューサ１の中央領域の
みに同心円状に形成される。一方、下部電極３は圧電ト
ランスデューサ１の下面および側面の全てを被覆した上
に上面円周部を同心円状に覆って、導線用のボンディン
グパッドを圧電トランスデューサ１の上面端部に形成し
ている。このような構造は、たとえば圧電セラミックス
から成る円形の圧電トランスデューサの上面に、円環状
のマスクを（図示せず）を同心円状に密着配置した後圧
電素子１の上面側および下面側から同時に金またはクロ
ムなどの金属を蒸着することで達成される。蒸着後マス
クを取はずせば、マスク配置個所が図１（イ）の圧電ト
ランスデューサ１として円形溝状に残るのである。

【００１４】図４は、図１に示した本発明実施例の超音
波素子を基にして超音波探触子を構成した例を示す。図
において、５はダンパ材、６は音響レンズ、７は導電性
接着剤、８はリード線、９は超音波素子である。前記し
た方法で圧電トランスデューサ１に上下部電極２、３を
形成後、下部電極３の下面に音響レンズ６の上端面を接
着する。しかる後、上部、下部電極２、３の表面に導線
性接着剤によってそれぞれリード線８を接続する。そし
て、上部電極２の上に、治具（図示せず）を用いて金属
粉と樹脂の混合物、すなわちダンパ材５を充填、固化せ
しめる。図示したように、圧電トランスデューサ１と上
部電極２と下部電極３とを有する超音波素子９、ダンパ
材５、導電性接着剤７、リード線８が超音波探触子を構
成する。

【００１５】上部および下部電極用のリード線８をそれ
ぞれＲＦパルス発振器（図示せず）の端子に接続して、
圧電トランスデューサ１に１〜１００ＭＨｚの高周波パ
ルス電圧を印加すると、平面超音波が音響レンズ６内に
放射される。音響レンズ６は、たとえばサファイアなど
を整形加工して形成したもので、その下端には図４で示
すように凹面が形成されている。この凹面が平面超音波
に対してレンズの作用をし、焦点位置に超音波ビームが
集束されるようになっている。被検体（図示せず）と凹
面との間には液体カプラー（たとえば水）が配置され、
レンズから放射された超音波が減衰するのを防止する。
被検体の表面或いは内部に結像した焦点に到着した集束
超音波ビームは、反射、散乱、吸収される。そして反射
波は入射経路と同じ経路を通って音響レンズ６から下部
電極３を経て圧電トランスデューサ１に戻り、電気信号
に変更されて外部測定回路で検出される。

【００１６】図４の電極構成によって、超音波の励振、
受信は上部電極２の直下領域（パルス電圧印加領域）で
しか生じない。従って、下部電極３の圧電トランスデュ
ーサ１上面へのまわり込み領域が不要な高調波発振を励
起することはない。また、上部電極２と下部電極３は圧
電トランスデューサ１の上面で充分な距離だけ分離され
るので、パルス電圧印加時に電気的に短絡することがな
い。上部および下部電極２、３は、圧電トランスデュー
サ１の上面に幾何学的に対象配置されているので、超音
波励振中も歪が均等に分布し、そのために経時劣化によ
って超音波素子９と音響レンズ６とが剥離する可能性は
従来より大幅に低下した。

【００１７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
超音波探触子製造工程の作業性を損なうことなく、圧電
トランスデューサの上、下部電極間の短絡事故、および
超音波探触子作動中の不要な高調波成分の発生と超音波
素子／音響レンズ間の剥離発生を抑制することができる
と考えられる。その結果、超音波探触子の製造歩留りの
向上と探傷装置の信頼性の向上に資することができると
考えられる。

【図面の簡単な説明】

【図１】一実施例による超音波素子とその電極構造を示
す図である。

【図２】従来例による超音波素子の構造を示す図であ
る。

【図３】図２の超音波素子を用いた従来例の超音波探触
子構造の概略を示す図である。

【図４】図１の超音波素子構造を用いた本発明の一実施
例における超音波探触子構造の概略を示す図である。

【符号の説明】

１、１１ 圧電トランスデューサ ２、１２ 上部電極 ３、１３ 下部電極 ５、１５ ダンパ材 ６、１６ 音響レンズ ７、１７ 導電性接着剤 ８、１８ リード線 ９、１９ 超音波素子 １４ 絶縁スペーサ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 下端面にレンズ面を有する円柱形状音響
   レンズと、この音響レンズの上端面に、円形の下部電
   極、円形の圧電トランスデューサ円形の上部電極の順に
   同心円状に配列した超音波素子と、より成る超音波探触
   子において、 上部電極は、圧電トランスデューサの径よりも小さいも
   のとし、下部電極は圧電トランスデューサの径よりも大
   きくし、且つ、圧電トランスデューサの側面端部を介し
   て、圧電トランスデューサの上部電極設置面側に折り返
   し、この折り返した下部電極部分及び上部電極に、それ
   ぞれ下部電極リード線及び上部電極リード線を固着した
   超音波探触子。
2. 【請求項２】 請求項１の超音波探触子において、上部
   電極と固着した上部電極リード線の一部のみを覆うよう
   にダンパ材を形成した超音波探触子。