(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一方向に分極した圧電セラミックス粒子からなる圧電体と、
前記第一方向に交差する第二方向に沿う前記圧電体の表面の複数個所に、前記第一方向
に向かって個別に電圧を印加可能な電圧印加部と、を備え、
前記電圧印加部は、前記圧電体の一方の面に形成された複数の第一の電極と、前記圧電
体の他方の面に形成された第二の電極と、を備え
前記第一の電極は、二次元的に配列され、
前記圧電セラミックス粒子は、粒径の異なる複数の粒子からなり、空隙を介して分散し
ていることにより圧電体の表面の複数個所に形成された第一の電極と第二の電極との間
に位置する圧電体の領域が、それぞれ独立した圧電素子として作用することを特徴とする超音波探触子。
【請求項２】
前記圧電セラミックス粒子は、相対的に結晶粒径が大きい粗大粒子と、相対的に結晶粒
径が小さい微細粒子と、からなることを特徴とする請求項１に記載の超音波探触子。
【請求項３】
前記圧電セラミックス粒子は、相対的に結晶粒径が大きい粗大粒子の平均粒径が５μｍ以上２０μｍ以下で、相対的に結晶粒径が小さい微細粒子の平均粒径が１μｍ以上５μｍ以下であることを特徴とする請求項２に記載の超音波探触子。
【請求項４】
前記圧電体は、検査対象物の曲面部に設けられていることを特徴とする請求項１から請
求項３のいずれか一項に記載の超音波探触子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電体を用いた超音波探触子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
周知のように圧電体を用いて超音波の送受信を行なって、各種の対象物、対象部位の検出や、各種測定、診断などを行なう装置は、従来から広く使用されている。このような装置には、圧電体（超音波振動子）を有する超音波探触子が使用されている。
【０００３】
ところで、近年、検査対象物の内部欠陥を３次元的に検査可能な手法として、アレイ状に複数の圧電体を配列したフェーズドアレイ超音波探触子（以下、ＰＡ（Ｐｈａｓｅｄ  Ａｒｒａｙ）探触子と称する）が使用されている。このＰＡ探触子では、超音波ビーム角度や集束点を制御することによって、検査対象物の欠陥を検出したり、その検査対象物の寸法を測定したりすることができる。
【０００４】
上述のようなアレイ状に配列された複数の圧電体を有する超音波探触子として、例えば、特許文献１には、複数の圧電体と、これらの圧電体の一方の面及び他方の面に形成された電極とを有する超音波探触子が開示されている。この超音波探触子においては、隣接する圧電体（電極）の間に溝部が形成され、この溝部に音響を絶縁する絶縁層を設けることによって、それぞれの圧電体から超音波の送受信が行われるように構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１２−１８２７５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、特許文献１に記載の超音波探触子では、各圧電体から発生する超音波の送受信の感度を確保するために、圧電体の幅や溝部の幅を適切な範囲に制御する必要がある。しかしながら、上述のように圧電体の幅や溝部の幅を高い精度で制御するには、製造コストがかかり、超音波探触子のコストが過剰に高くなる問題があった。
【０００７】
この発明は前述した事情に鑑みてなされたものであって、低コストで製造することが可能な超音波探触子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前述の課題を解決するために、本発明の超音波探触子は、第一方向に分極した圧電セラミックス粒子からなる圧電体と、前記第一方向に交差する第二方向に沿う前記圧電体の表面の複数個所に、前記第一方向に向かって個別に電圧を印加可能な電圧印加部と、を備え、前記圧電セラミックス粒子は、粒径の異なる複数の粒子からなり、空隙を介して分散していることを特徴としている。
【０００９】
本発明の超音波探触子においては、圧電体を構成するセラミックス粒子が、粒径の異なる複数の粒子からなることによって、それぞれのセラミックス粒子の間には空隙が形成される。これにより、圧電体の表面の複数個所に形成された第一の電極と第二の電極との間に電圧を印加することによって、第一の電極と第二の電極との間に位置する圧電体の領域が、それぞれ独立した圧電素子として作用する。
すなわち、それぞれの第一の電極と第二の電極との間の圧電体の領域では、圧電セラミックス粒子が空隙を介して分散しているので、隣接する圧電素子の間では物理的（構造的）な絶縁（分離）が確保されることになり、第一の電極と第二の電極との間の領域をそれぞれ圧電素子として作用させることができる。したがって、従来の超音波探触子の圧電体のように、溝部を形成する必要がなく、コストを低減することができる。
【００１０】
また、この超音波探触子においては、それぞれの第一の電極と、第二の電極との間の領域が一つの圧電素子として作用するので、第一の電極の形成位置により、圧電素子の位置を設定することができ、設計の自由度が高い。
さらに、従来の超音波探触子のように、圧電体同士の間の溝部に設けられる樹脂部材などの樹脂を使用する必要がなく、セラミックスと金属のみで構成することが可能であり、高温環境においても使用することが可能である。
なお、ここで、圧電セラミックス粒子としては、例えばＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）、チタン酸ビスマスナトリウム、チタン酸バリウムなどが挙げられ、この圧電セラミックス粒子には、分極処理が施されている。
【００１１】
また、本発明の超音波探触子において、前記圧電セラミックス粒子は、相対的に結晶粒径が大きい粗大粒子と、相対的に結晶粒径が小さい微細粒子と、からなることが好ましい。
この場合、相対的に結晶粒径が大きい粗大粒子と、相対的に結晶粒径が小さい微細粒子とからなる圧電セラミックス粒子によって圧電素子が構成されていることから、それぞれの圧電セラミックス粒子同士の間には、間隙が形成され易くなり、それぞれの圧電セラミックス粒子を、確実に空隙を介して分散させることができる。
【００１２】
また、本発明の超音波探触子において、前記電圧印加部は、前記圧電体の一方の面に形成された複数の第一の電極と、前記圧電体の他方の面に形成された第二の電極と、を備えることが好ましい。
このように、圧電体の一方の面に第一の電極を配置し、圧電体の他方の面に第二の電極を配置することによって音響を送受信できる。
【００１３】
また、本発明の超音波探触子において、前記第一の電極は、二次元的に配列されていることが好ましい。
この場合、二次元的に上述の電極が配置されているので、検査対象物の内部の欠陥に対して、三次元的な情報を得ることが可能である。
【００１４】
また、本発明の超音波探触子において、前記圧電体は、検査対象物の曲面部に設けられていても良い。
この場合、検査対象物の曲面部に予め圧電体が設けられているので、複雑な形状である曲面の欠陥を検出することが可能である。
曲面部を有する具体的な検査対象物としては、例えば、配管やT継手，エルボ管などが挙げられる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、低コストで製造することが可能な超音波探触子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第一実施形態である超音波探触子を側面から見た断面の概略説明図である。
【図２】本発明の第一実施形態である超音波探触子を平面から見た概略説明図である。
【図３】本発明の第一実施形態である超音波探触子における圧電体の組織写真である。
【図４】本発明の第一実施形態である超音波探触子の作用を説明するための概略図である。
【図５】本発明の第一実施形態である超音波探触子の作用を説明するための概略図である。
【図６】本発明の第二実施形態である超音波探触子を平面から見た概略説明図である。
【図７】本発明の第三実施形態である超音波探触子の概略説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
（第一実施形態）
以下に、本発明の実施形態である超音波探触子について添付した図面を参照して説明する。
まず、本発明の第一実施形態である超音波探触子１について説明する。本実施形態である超音波探触子１は、フェーズドアレイ超音波探触子（ＰＡ探触子）であり、フェーズドアレイ超音波探傷装置に用いられるものである。検査対象物としては、例えば金属や樹脂などが挙げられる。
【００１８】
超音波探触子１は、図１及び図２に示すように、第一方向（図１において上下方向）に分極した圧電セラミックス粒子からなる圧電体１０と、第一方向に交差する第二方向（図１において左右方向）に沿う前述の圧電体１０の表面の複数個所に、第一方向に向かって個別に電圧を印加可能な電圧印加部２０とを備えている。なお、第一実施形態においては、第二方向は、第一方向に直交している。
【００１９】
圧電体１０は、圧電効果を利用した受動素子である。この圧電体１０は、粒径の異なる複数の圧電セラミックス粒子によって構成されており、それぞれの圧電セラミックス粒子の間には空隙が形成されている。本実施形態において、圧電体１０の厚さは、５０μｍ以上１００μｍ以下とされており、薄膜状に形成されていることから可撓性（屈曲性）を有している。
【００２０】
圧電体１０の材質としては、例えばＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）をはじめとして、酒石酸塩として知られている、ロッセル塩、リン酸水素カリウム（ＫＤＰ）、チタン酸バリウム、硫酸グアニジンアルミニウム（ＧＡＳＨ）、硫酸グルシンなどが挙げられる。本実施形態において、圧電体１０は、ＰＺＴによって構成されている。
【００２１】
図３に、圧電体１０の断面組織写真を示す。圧電体１０は、図３に示すように、相対的に結晶粒径が大きい粗大粒子３１（粗大圧電セラミックス粒子）と、相対的に結晶粒径が小さい微細粒子３２（微細圧電セラミックス粒子）とから構成されている。そして、それぞれの圧電セラミックス粒子の間には、空隙が形成されている。本実施形態において、これらの圧電セラミックス粒子は、第一方向（図３において上下方向）に分極している。
【００２２】
ここで、相対的に結晶粒径が大きい粗大粒子３１の平均粒径は、５μｍ以上２０μｍ以下とされていることが好ましい。また、相対的に結晶粒径が小さい微細粒子３２の平均粒径は、１μｍ以上５μｍ以下とされていることが好ましい。なお、この平均粒径の測定方法は、断面SEM画像による拡大観察の方法によって行った。
【００２３】
上述のような圧電体１０は、例えば、ＰＺＴからなるセラミックス粒子粉（平均粒径  １μｍ以上２０μｍ以下）と、ＰＺＴの高濃度溶液とを混合したスラリーを焼結することによって得られる。ここで、高濃度溶液は、ジルコニウムブドキシド、チタンブドキシド、酢酸鉛、などを含有している。また、この高濃度溶液は、氷酢酸、エタノールを含有していても良い。このようなスラリーを焼結することによって、上述のような粒径が異なる圧電セラミックス粒子が分散した圧電体１０を得ることができる。
なお、本実施形態において、圧電体１０には、分極処理が施されている。また、スラリーに含まれるセラミックス粒子粉として、微細セラミックス粒子粉と粗大セラミックス粒子粉との混合粉を用いても良い。
【００２４】
電圧印加部２０は、圧電体１０の分極方向（図１において上下方向）に電圧を印加するためのものである。
本実施形態において、電圧印加部２０は、圧電体１０の一方の面（図１において上面）に形成された複数の第一の電極２１と、圧電体１０の他方の面（図１において下面）に形成された第二の電極２２とを備えている。
【００２５】
第一実施形態においては、これら複数の第一の電極２１はそれぞれ、一次元的（一方向）に等間隔に設けられており、隣接する第一の電極２１同士は、分離されている。また、これらの第一の電極２１からは、それぞれ、信号線４０が接続されている。一方、第二の電極２２は、圧電体１０の下面の全面にわたって形成されている。
ここで、例えば第一の電極２１の幅は１００μｍ以上５００μｍ以下であることが好ましい。また、隣接する第一の電極２１同士の隙間は１００μｍ以上２００μｍ以下であることが好ましい。
また、第一の電極２１及び第二の電極２２の材質としては、例えば金、銀、プラチナなどの金属が挙げられる。
【００２６】
上述のような構成とされた本実施形態である超音波探触子１の作用について図４及び図５を用いて説明する。
圧電体１０においては、第一の電極２１及び第二の電極２２の間に電圧を印加すると、第一の電極２１の下の領域（図４においてＡで示す領域）において電圧が印加されることになる。
【００２７】
ここで、圧電体１０においては、圧電セラミックス粒子がそれぞれ空隙を介して分散しているので、隣接する領域Ａ同士の間では、物理的に絶縁されており、相互に作用しないようになっている。したがって、第一の電極２１及び第二の電極２２の間に電圧を印加することによって、Ａで示される領域一つ一つが圧電素子として作用することになる。よって、一つの圧電体１０の中で複数の圧電素子としての機能を持たせることができる。
【００２８】
また、実際には、第一の電極２１の下の領域（図４においてＡの領域）の圧電セラミックス粒子は、Ａ領域の外側にも幅をもつことがあるので、圧電素子として作用する幅は、第一の電極２１の幅Ｗ１よりもわずかに広くなり、図５のＷ２の幅となる（図５の領域Ｂ参照）。具体的には、第一の電極２１の幅を３００μｍに設定した時には、実効的な圧電素子としての幅は約４００μｍとなる。
【００２９】
以上のような構成とされた本実施形態である超音波探触子１においては、圧電体１０を構成するそれぞれのセラミックス粒子の間には空隙が形成されている。これにより、圧電体１０の表面の複数個所に形成された第一の電極２１と第二の電極２２との間に電圧を印加することによって、第一の電極２１と第二の電極２２との間に位置する圧電体１０の領域が、それぞれ独立した圧電素子として作用させることができる。したがって、従来の超音波探触子１の圧電体のように、溝部を形成する必要がなく、コストを低減することができる。
【００３０】
また、この超音波探触子１においては、それぞれの第一の電極２１と、第二の電極２２との間の領域が圧電素子として作用するので、第一の電極２１の形成位置により、圧電素子の位置を設定することができ、設計の自由度が高い。
【００３１】
また、本発明の超音波探触子１において、圧電セラミックス粒子は、相対的に結晶粒径が大きい粗大粒子と、相対的に結晶粒径が小さい微細粒子とからなるので、それぞれの圧電セラミックス粒子同士の間には、間隙が形成され易くなる。よって、それぞれの圧電セラミックス粒子を、確実に空隙を介して分散させることができる。
【００３２】
さらに、従来の超音波探触子１のように、圧電体同士の間の溝部に設けられる樹脂部材や、隣接する圧電体同士を一体化するバッキング材などの樹脂を使用する必要がなく、セラミックス（圧電体１０）と金属（第一の電極２１、第二の電極２２）のみで構成することが可能であり、高温環境においても使用することが可能である。
また、本実施形態において、圧電体１０は、薄膜状に形成され、可撓性を有しているので、曲率を有するような面や狭隘部における欠陥の検査も行うことができる。
【００３３】
（第二実施形態）
次に、本実施形態の第二実施形態である超音波探触子１０１について説明する。なお、第一実施形態と同様の構成のものについては同一の符号を付して記載し、詳細な説明を省略する。
【００３４】
超音波探触子１０１は、図６に示すように、第一方向（圧電体１０の膜厚方向）に分極した圧電セラミックス粒子からなる圧電体１０と、第一方向に交差する第二方向に沿う前述の圧電体１０の表面の複数個所に、第一方向に向かって個別に電圧を印加可能な電圧印加部１２０とを備えている。なお、第二実施形態においては、第二方向は、第一方向に直交している。
【００３５】
本実施形態において、電圧印加部１２０は、圧電体１０の一方の面に形成された複数の第一の電極２１と、圧電体１０の他方の面に形成された第二の電極２２とを備えている。そして、第二実施形態においては、これら複数の第一の電極２１は、二次元的に等間隔に設けられており、隣接する第一の電極２１同士は、分離されている。
【００３６】
より具体的には、図６においては、横方向に５つ、縦方向に４つの第一の電極２１が配置されている。また、これらの第一の電極２１からは、それぞれ、信号線４０が接続されている。一方、第二の電極２２は、圧電体１０の下面の全面にわたって形成されている。
【００３７】
以上のような構成とされた第二実施形態である超音波探触子１０１によれば、二次元的に上述の電極が配置されているので、検査対象物の内部の欠陥に対する三次元的な情報を得ることが可能である。
【００３８】
（第三実施形態）
次に、本実施形態の第三実施形態である超音波探触子２０１について説明する。なお、第一実施形態と同様の構成のものについては同一の符号を付して記載し、詳細な説明を省略する。
【００３９】
第三実施形態である超音波探触子２０１は、図７に示すように、第一方向（圧電体２１０の膜厚方向）に分極した圧電セラミックス粒子からなる圧電体２１０と、第一方向（膜厚方向）に交差する第二方向に沿う前述の圧電体２１０の表面の複数個所に、第一方向（膜厚方向）に向かって個別に電圧を印加可能な電圧印加部１２０とを備えている。なお、ここで第二方向は、曲面を有する圧電体２１０の表面に沿う方向である。
【００４０】
第三実施形態においては、図７に示すように、ノズル溶接構造物Ｗ（検査対象物）の曲面部Ｐに、圧電体２１０が設けられている。そして、電圧印加部２２０は、この圧電体２１０の一方の面に形成された複数の第一の電極２１と、圧電体２１０の他方の面に形成された第二の電極２２（図７において図示なし）とを備えている。
【００４１】
次に第三実施形態である超音波探触子２０１の製造方法について説明する。
まず、圧電体２１０となるＰＺＴ粉末を有するスラリーを準備する。このスラリーは、例えば第一実施形態で説明したスラリーを用いれば良い。
次いで、検査対象となる構造物Ｗの曲面部Ｐに、このスラリーを塗布し、焼成することによって圧電体２１０（薄膜）を形成する。なお、この圧電体２１０は、蒸着やその他の手法によって形成しても良い。
【００４２】
次に、圧電体２１０の厚さ方向に電位差を与え、圧電体２１０に分極処理を行う。この分極処理を行うことにより、それぞれの圧電セラミックス粒子の分極（自発分極）の向きが揃い、圧電体としての性能を得る。
【００４３】
次いで、圧電体２１０の面（上面）に、第一の電極２１を形成する。この第一の電極２１は、金、銀、プラチナ（Ｐｔ）などによって構成される。また、第一の電極２１を形成する手法としては、例えば、印刷法や蒸着法を用いることができる。
次に、第一の電極２１に信号線４０を結線する。この結線手法としては、例えばはんだ付け、ロウ付け、導電性接着剤を用いた接着、スポット溶接などを用いることができる。
以上のようにして第三実施形態である超音波探触子２０１が製造される。
【００４４】
以上のような構成とされた第三実施形態である超音波探触子２０１によれば、検査対象となる構造物Ｗの曲面部Ｐに予め圧電体２１０が設けられているので、複雑な形状である曲面の欠陥を検出することが可能である。また、このような超音波探触子２０１は、超音波探触子を設置することが難しい狭隘部にも配置することが可能である。
【００４５】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
【符号の説明】
【００４６】
１、１０１、２０１  超音波探触子
１０、２１０  圧電体
１０、１２０、２２０  電圧印加部
２１  第一の電極
２２  第二の電極
Ｗ  構造物（検査対象物）
Ｐ  曲面部
【図１】
0005984774.tif 000002
【図２】
0005984774.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
0005984774.tif 000007
【図７】
0005984774.tif 000008