(57)【要約】【課題】簡単かつ安価な構成で実現でき、高調波成分に係る信号を効率よく抽出することができ、微視欠陥を高精度に計測できる超音波探触子およびその製造方法を提供する。【解決手段】超音波探触子１０は、両面に電極形成用金属膜１４，１５を有する超音波発振子１１と、音響レンズ１２と、超音波発振子と音響レンズの間に設けられる金属箔１３とからなり、超音波発振子と音響レンズは金属箔を介して相互に圧接されて接合されている。電極形成用金属膜１４，１５は銀（Ａｕ）／クロム（Ｃｒ）膜であり、金属箔１３の材質は白金（Ｐｔ）またはタングステン（Ｗ）である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
両面に電極形成用金属膜を有する超音波発振子と、
音響レンズと、
前記超音波発振子と前記音響レンズの間に設けられる金属箔と、からなり、
前記超音波発振子と前記音響レンズは前記金属箔を介して相互に圧接されて接合されていることを特徴とする超音波探触子。
【請求項２】
前記金属箔の材質は白金（Ｐｔ）であることを特徴とする請求項１記載の超音波探触子。
【請求項３】
前記金属箔の材質はタングステン（Ｗ）であることを特徴とする請求項１記載の超音波探触子。
【請求項４】
前記音響レンズは石英からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の超音波探触子。
【請求項５】
超音波発振子と音響レンズを、それらの間に金属箔を置いて、かつ各々の接合面を対向させて配置するステップと、
前記超音波発振子と前記金属箔と前記音響レンズのそれぞれの前記接合面に対して、真空中で、イオンビームまたはアトムビームを照射するステップと、
その後、前記金属箔を介在させて前記超音波発振子と前記音響レンズを加圧しながら密着させるステップと、
前記金属箔を挟んで前記超音波発振子と前記音響レンズとを相互に圧接接合するステップと、
を含むことを特徴とする超音波探触子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は超音波探触子およびその製造方法に関し、特に、非線形超音波法による微視欠陥の検出に好適な構造を有する超音波探触子、およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は、非線形超音波による介在物検出方法および装置を開示する。この検出方法では、超音波発振子から検査対象物に対して超音波バースト波を照射し、検査対象物からの超音波反射波を超音波発振子で受信し、当該反射波を処理し、反射波の振幅と、超音波バースト波に係る入射波振幅とを対比し、それらの間の二次高調波の振幅の比を求める。得られた入射波振幅に対する二次高調波の振幅の比と、超音波発振子への入力電圧との間に存する線形性に基づき、検査対象物内の介在物の有無を検出する。
【特許文献１】特開２００６−２８４４２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
検査対象物の内部の微視欠陥を、超音波の非線形応答特性を利用しかつ超音波入射の高調波の抽出を行うことにより、検出する非線形超音波法は、近年、従来の線形超音波法では評価できない微視欠陥の検出法として注目を集めている。しかしながら、二次高調波の振幅との比の間の線形性を利用する非線形超音波法では、信号処理技術等に関してコストがかかるという問題を有する。また高調波信号は微小であることから、ノイズとの区別を行う処理が検査結果に大きく影響を与えるという問題も有する。
【０００４】
本発明の目的は、上記の課題に鑑み、簡単かつ安価な構成で実現でき、高調波成分に係る信号を効率よく抽出することができ、微視欠陥を高精度に計測することができる超音波探触子およびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明に係る超音波探触子およびその製造方法は、上記の目的を達成するため、次のように構成される。
【０００６】
本発明に係る超音波探触子は、両面に電極形成用金属膜を有する超音波発振子と、音響レンズと、超音波発振子と音響レンズの間に設けられる金属箔とからなり、超音波発振子と音響レンズは金属箔を介して相互に圧接されて接合されていることを特徴とする。
【０００７】
上記の構成において、電極形成用金属膜は銀（Ａｕ）／クロム（Ｃｒ）膜であり、金属箔の材質は白金（Ｐｔ）またはタングステン（Ｗ）であることを特徴とする。
【０００８】
上記の構成において、音響レンズは石英からなることを特徴とする。
【０００９】
本発明に係る超音波探触子の製造方法は、超音波発振子と音響レンズを、それらの間に金属箔を置いて、かつ各々の接合面を対向させて配置するステップと、超音波発振子と金属箔と音響レンズのそれぞれの接合面に対して、真空中で、イオンビームまたはアトムビームを照射するステップと、その後、金属箔を介在させて超音波発振子と音響レンズを加圧しながら密着させるステップと、金属箔を挟んで超音波発振子と音響レンズとを相互に圧接接合するステップとからなる方法である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る超音波探触子では、超音波発振子と音響レンズを接合する構造をにおいて、白金（Ｐｔ）等の金属箔を介在させて圧接し接合するようにしたため、超音波の高次の高調波成分に関して複数の共振が生じ、その結果、高次の高調波成分の往復通過率が高い値をとり、水浸法計測での高調波成分を効率よく受信することができる。これによって、被検査物の内部の微視損傷や微視劣化部等を高精度で検出することができる。
【００１１】
本発明に係る超音波探触子の製造方法では、真空装置の内部で、超音波発振子と音響レンズと金属箔とを所定の配置とし、接合面を浄化し、圧接して接合するようにしたため、高調波成分を効率よく受信できる超音波探触子を簡易かつ安価に製作することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下に、本発明の好適な実施形態（実施例）を添付図面に基づいて説明する。
【００１３】
図１は、本発明の実施形態に係る超音波探触子の内部構造を示す模式的な縦断面図である。超音波探触子１０は、圧電素子からなる超音波発振子１１と、音響レンズ１２と、超音波発振子１１および音響レンズ１２の間に設けられた金属箔１３とから構成されている。金属箔１３は音響レンズ１２の一方の端面（図１中下面）を全面的に覆う状態で設けられている。超音波発振子１１と音響レンズ１２とは、それらの間に金属箔１３を介在させて、相互に圧接されることにより接合されている。
【００１４】
なお、この明細書等において使用される「圧接」という用語は、接合しようとする面を清浄にし、高い圧力を加えて２つの部材を接合面で接触させ、当該接合面で拡散現象を生じさせ、２つの部材を接合することを意味する。
【００１５】
超音波発振子１１は、板状の形態を有し、材質には、例えば音響インピーダンスが３８のＰｂＴｉＯ３（チタン酸鉛）や、ＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３系セラミックス）等が用いられている。これらの材質は当業者には周知である。超音波発振子１１の中心周波数は例えば５０ＭＨｚである。
【００１６】
金属箔１３は、材質としては、例えば白金（Ｐｔ）で作られている。金属箔１３の厚さは例えば５０μｍである。白金（Ｐｔ）を使用した金属箔１３について、その音響インピーダンスは８４．６、縦波音速は３９６０ｍ／ｓである。金属箔１３は、他の材質としてタングステン（Ｗ）を用いて作ることもできる。
【００１７】
超音波発振子１１の両面のそれぞれには電極１４，１５が形成されている。超音波発振子１１の一方の面の電極１４を上部電極と呼び、他方の面の電極１５を下部電極と呼ぶ。電極１４，１５は電極形成用金属膜により作られ、材質は導体であればよく、任意である。本実施形態では、上部電極１４は例えばＡｕ／Ｃｒ膜から形成されている。上部電極１４の形成方法は特に限定されないが、例えば、スパッタリングまたは真空蒸着などのベーパデポジションなどの方法により形成することができる。上部電極１４の厚さは特に限定されないが、一般的に、３０００〜５０００Åの範囲内であることが好ましい。３０００Å未満では超音波発振子１１の表面の粗さのために、上部電極１４の存在する箇所がないなどの不都合が生じ、また５０００Å超では特に問題はないが、不経済なだけである。
【００１８】
また下部電極１５は上部電極１４と同様にＡｕ／Ｃｒ膜から形成することができ、厚み等の形成条件も上部電極１４の場合と同じである。下部電極１５の形成材料としてＡｕ／Ｃｒ蒸着膜を使用しているので、音響レンズ１２の接合面側に設けた金属箔１３と、接合時にＰｔ−Ａｕ接合となるため、化学的にも安定となる。
【００１９】
音響レンズ１２は石英から形成されている。石英は化学的に非常に安定であり、耐食性にも優れている。従って、金属製音響レンズの場合に発生する腐食の問題は全く起こらない。また音響レンズ１２と超音波発振子１１との間には、下部電極１５（Ａｕ／Ｃｒ膜）および金属箔１１しか存在しないので、発振時にこの膜に起因する反射波の発生は殆どなく、良好な音響特性が得られる。
【００２０】
音響レンズ１２の端面に接合される金属箔１３の一端に電極接続用リード線１６を接続している。このリード線１６の接続は、例えば、銀ペーストまたは常温硬化性導電性樹脂などを用いることにより行うことができる。
【００２１】
次に図２を参照して本発明に係る超音波探触子の製造方法を説明する。
【００２２】
図２は、本実施形態に係る超音波探触子を製造するための装置の要部構成を示し、併せてその製造方法の工程を説明するための模式的な図である。図２において、符号１１は圧電素子を材料とする前述の超音波発振子、１２は石英を材料とする前述の音響レンズ、２１ａおよび２１ｂはアトムビームを発生するビーム源、２２ａおよび２２ｂは加圧治具であり、これらは真空処理室３０内に配置されている。真空処理室３０の適当な箇所には、真空排気手段（図示されていない）に接続されるダクト３１が設けられている。
【００２３】
上記において、超音波発振子１１の両面には前述したように電極１４，１５が形成されているものとする。
【００２４】
まず、超音波発振子１１および音響レンズ１２をそれぞれ加圧治具２２ａおよび２２ｂに装着して真空処理室３０内の雰囲気をダクト３１から真空排気する。次にビーム源２１ａおよび２１ｂからアルゴンのアトムビームを発生させ、当該アトムビームをそれぞれ超音波発振子１１および音響レンズ１２の接合面に照射して、これら接合面に存在する汚染層（例えば、自然酸化物または物理吸着水など）を除去する。なお金属箔１３についても、超音波発振子１１と音響レンズ１２との間のスペースに、適宜な支持機構によって金属箔１３を図中上下に移動自在に配置し、当該金属箔１３の両側の接合面にアトムビームを照射して汚染層を除去する。この操作により、超音波発振子１１、音響レンズ１２、金属箔１３の各々の接合面は清浄かつ活性な面となる。その後、超音波発振子１１と音響レンズ１２は、それらの間に金属箔１３を介在させ、加圧治具２２ａおよび２２ｂを用いて矢印３２のごとく加圧して両部材の接合面を密着させ、所定時間加圧し続ける。これにより、超音波発振子１１と音響レンズ１２は、両部材の接合面で拡散が起こり、金属箔１３を介在させた状態で、圧接接合される。加圧治具は各部材間の圧接接合を行うためのものであり、油圧シリンダなどにより構成される。
【００２５】
超音波発振子１１と音響レンズ１２の圧接接合が完了したら、超音波発振子１１と加圧治具２２ａを分離する。その後は、同じ真空処理装置３０内で、加圧治具２２ａに新たに装着した超音波吸収材を、超音波発振子１１の圧接の際の真空圧を維持しながら、前述した同様な圧接接合の条件に基づいて、超音波発振子１１における解放された接合面と超音波吸収材の接合面とを圧接し、接合させる。
【００２６】
本発明では、超音波発振子１１、音響レンズ１２等の各接合面を清浄化する手段としてイオンビームまたはアトムビームを使用するが、その理由は、真空の状態で活性な面をつくり、かつその状態を保持しながら同一チャンバ内で接合するためである。表面清浄化手段としてはプラズマ、有機溶剤または超純水等がある。表面活性化と接合を同一チャンバ内で実施するにはイオンビームまたはアトムビームを使用するのが最も好ましい。イオンビームまたはアトムビームとしては、例えばアルゴンなどのビームが使用できる。
【００２７】
またビーム源２１ａおよび２１ｂとしては、例えば、アトムテックなどから市販されているビームガンなどの当業者に公知の装置を使用できる。接合面の清浄化処理に必要なイオンビームまたはアトムビームの出力は特に限定されない。
【００２８】
加圧治具２２ａおよび２２ｂによる各部材の加圧圧力及び加圧時間は各部材間で圧接接合を形成させるのに必要充分な大きさおよび長さであればよく、特に限定されない。
【００２９】
次に、図３と図４等を参照して、図１に示した構造を有する超音波探触子１０の特性（高調波成分に対するフィルタ特性）について説明する。
【００３０】
図３は従来の圧接接合を用いた超音波探触子の構造（ＰｂＴｉＯ３／（Ａｕ／Ｃｒ）／石英）における往復通過率の計算結果を示し、図４は本実施形態の圧接接合を用いた超音波探触子の構造（ＰｂＴｉＯ３／Ｐｔ箔／石英）における往復通過率の計算結果を示している。なお、従来の超音波探触子の構造では、上記の金属箔１３の代わりに、音響レンズ１２の端面の全面にＡｕ／Ｃｒ蒸着膜等が形成されている。従来の超音波探触子の例としては例えば特許第３３３７１７９号公報に開示されている。
【００３１】
従来の超音波探触子の構造によれば、超音波探触子の中心周波数を５０ＭＨｚ（Ｑは１として計算）として周波数に応じた往復通過率の計算を行うと、図３に示すごとく周波数変化（横軸）に対する往復通過率（縦軸）の変化はなだらかに減少するごとく変化し、大きな変化は見られない。特に、高次の高調波成分に関する往復通過率は、全体として０．５に近くなり、低い値の往復通過率を示している。なお、往復通過率の計算式は下記の式（１）と式（２）によって定義される。なお「往復通過率の計算式」は、例えば「（社）日本非破壊検査協会  超音波分科会（平成１２年７月）資料  No.2163  三重媒質の往復通過率とその周波数応答」に説明されている。
【００３２】
【数１】
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【００３３】
上記式（１），（２）において、Ｚは音響インピーダンス、ρは密度、Ｃは音速、Ｚ１は超音波発振子の音響インピーダンス、Ｚ２は箔の音響インピーダンス、Ｚ３は音響レンズの音響インピーダンス、ｄは箔の厚さ、ｋ２は２π／λ２、λ２は箔の中の波長、である。
【００３４】
上記に対して本実施形態に係る超音波探触子１０の構造によれば、同様にして往復通過率を計算すると、図４に示すように共振作用に起因する複数のディップ（往復通過率の値の低下部分）４１が見られ、大きな変化が生じている。図４の横軸で示した周波数の帯域は、図３で示した横軸の場合と同じである。図４に示した変化特性によれば、ディップの発生領域を基準として、４０ＭＨｚを１次とし、複数の高次の共振現象を観察することができる。これにより、超音波探触子１０で生じる高次の超音波成分（高調波成分）についてその往復通過率の向上を達成することができる。こうして、図１に示した構造を有する超音波探触子１０を備えてなる超音波映像検査装置では、水浸式計測において、検査対象物の内部の微視欠陥から戻ってくる超音波についてその高調波成分を効率良く受信することができる。材料等の検査対象物に内在する微視損傷や微視劣化部等を高精度で検出することができる。
【００３５】
次に、図５を参照して、本発明の他の本実施形態に係る超音波探触子１０の特性について説明する。図５では、他の実施形態の超音波探触子（ＰｂＴｉＯ３／Ｗ箔／石英）における往復通過率の計算結果を示している。この実施形態は、前述した通り金属箔１３にタングステン（Ｗ）を用いた例である。この場合、タングステン（Ｗ）で作られた金属箔では、音響インピーダンスは１０４、縦波音速は５４６０ｍ／ｓ、厚さは例えば５０μｍである。図５に示した変化特性においても、図４に示した白金（Ｐｔ）の変化特性と同様に、ディップ５１の発生領域を基準として、５５ＭＨｚを１次とし、複数の高次の共振現象を観察することができる。これにより、本実施形態に係る超音波探触子で生じる高次の超音波成分（高調波成分）についてその往復通過率の向上を達成することができる。これにより、この実施形態に係る超音波探触子を備えてなる超音波映像検査装置でも、水浸式計測において、検査対象物の内部の微視欠陥から戻ってくる超音波についてその高調波成分を効率良く受信することができ、当該検査対象物に内在する微視損傷や微視劣化部等を高精度で検出することができる。
【００３６】
本発明に係る超音波探触子１０において、超音波発振子と音響レンズとの間に設けられる金属箔の材質としては、亜鉛（Ｚｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）、銀（Ａｇ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、スズ（Ｓｎ）、金（Ａｕ）等であっても、前述した実施形態の場合と同様な作用効果を生じさせることができる。
【００３７】
以上の実施形態で説明された構成、形状、大きさおよび配置関係については本発明が理解・実施できる程度に概略的に示したものにすぎず、また数値および各構成の組成（材質）等については例示にすぎない。従って本発明は、説明された実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示される技術的思想の範囲を逸脱しない限り様々な形態に変更することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明に係る超音波探触子は、超音波映像検査装置等において材料等の微視欠陥を高い精度で検出することに利用される。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明に係る超音波探触子の実施形態を示し、その内部構造を示す模式的な縦断面図である。
【図２】本実施形態に係る超音波探触子を製造するための装置の要部構成を示し、併せてその製造方法の工程を説明するための模式的な図である。
【図３】従来の圧接接合を用いた超音波探触子の構造（ＰｂＴｉＯ３／（Ａｕ／Ｃｒ）／石英）における往復通過率の計算結果を示す周波数特性図である。
【図４】本実施形態による圧接接合を用いた超音波探触子の構造（ＰｂＴｉＯ３／Ｐｔ箔／石英）における往復通過率の計算結果を示す周波数特性図である。
【図５】本発明の他の実施形態の超音波探触子（ＰｂＴｉＯ３／Ｗ箔／石英）における往復通過率の計算結果を示す周波数特性図である。
【符号の説明】
【００４０】
１０            超音波探触子
１１            超音波発振子
１２            音響レンズ
１３            金属箔
１４，１５      電極
１６            リード線
２１ａ，２１ｂ  ビーム源
２２ａ，２２ｂ  加圧治具
３０            真空処理室
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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