JP3245688B2 - 超音波トランスデューサ - Google Patents
超音波トランスデューサInfo
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- Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は圧電薄板とすだれ状電極
とから成る超音波デバイスを非圧電基板に設けて成る超
音波トランスデユ−サに関する。
とから成る超音波デバイスを非圧電基板に設けて成る超
音波トランスデユ−サに関する。
【０００２】
【従来の技術】非圧電基板に弾性表面波を励振する従来
の方法としては、バルク波振動子を用いたくさび形トラ
ンスデューサにより間接的に励振する方法、圧電薄膜ト
ランスデューサにより直接的に励振する方法等が挙げら
れる。くさび形トランスデューサは超音波による非破壊
検査等に用いられているが、くさび角の工作精度の問題
等から比較的低い周波数領域においてのみ用いられる。
圧電薄膜トランスデューサはＺｎＯ等の圧電薄膜を基板
に蒸着しすだれ状電極により弾性表面波を励振する方法
で、すだれ状電極の構成により種々の伝送特性を示すこ
とから高周波デバイスとして用いられるが、ＵＨＦ，Ｖ
ＨＦ帯に限られるとともに加工性や量産性に問題があ
る。このようにして、従来の方法では工作精度、加工性
および量産性等に問題があり、使用周波数領域も制限さ
れている。
の方法としては、バルク波振動子を用いたくさび形トラ
ンスデューサにより間接的に励振する方法、圧電薄膜ト
ランスデューサにより直接的に励振する方法等が挙げら
れる。くさび形トランスデューサは超音波による非破壊
検査等に用いられているが、くさび角の工作精度の問題
等から比較的低い周波数領域においてのみ用いられる。
圧電薄膜トランスデューサはＺｎＯ等の圧電薄膜を基板
に蒸着しすだれ状電極により弾性表面波を励振する方法
で、すだれ状電極の構成により種々の伝送特性を示すこ
とから高周波デバイスとして用いられるが、ＵＨＦ，Ｖ
ＨＦ帯に限られるとともに加工性や量産性に問題があ
る。このようにして、従来の方法では工作精度、加工性
および量産性等に問題があり、使用周波数領域も制限さ
れている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、加工
性や量産性に優れ、低消費電力で効率良く弾性表面波を
非圧電基板に励振することができるだけでなく非圧電基
板に励振している弾性表面波を効率良く電気信号に変換
することができ、応答時間が短く、感度の良い超音波ト
ランスデューサを提供することにある。
性や量産性に優れ、低消費電力で効率良く弾性表面波を
非圧電基板に励振することができるだけでなく非圧電基
板に励振している弾性表面波を効率良く電気信号に変換
することができ、応答時間が短く、感度の良い超音波ト
ランスデューサを提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】請求項１に記載の超音波
トランスデューサは、圧電薄板とすだれ状電極とから成
る超音波デバイスを非圧電基板に設けて成る超音波トラ
ンスデューサであって、前記すだれ状電極は前記圧電薄
板における２つの板面ａ，ｂのうちの板面ａに設けられ
ていて、前記圧電薄板の厚さは前記すだれ状電極の電極
周期長以下であって、前記すだれ状電極の電極周期長は
１次モードまたは２次以上のモードの弾性表面波の波長
にほぼ等しいことを特徴とする。但し、前記すだれ状電
極の互いに隣接する２つの電極指の中心線間の距離の２
倍が前記すだれ状電極の電極周期長に相当する。
トランスデューサは、圧電薄板とすだれ状電極とから成
る超音波デバイスを非圧電基板に設けて成る超音波トラ
ンスデューサであって、前記すだれ状電極は前記圧電薄
板における２つの板面ａ，ｂのうちの板面ａに設けられ
ていて、前記圧電薄板の厚さは前記すだれ状電極の電極
周期長以下であって、前記すだれ状電極の電極周期長は
１次モードまたは２次以上のモードの弾性表面波の波長
にほぼ等しいことを特徴とする。但し、前記すだれ状電
極の互いに隣接する２つの電極指の中心線間の距離の２
倍が前記すだれ状電極の電極周期長に相当する。
【０００５】請求項２に記載の超音波トランスデューサ
は、前記超音波デバイスのすだれ状電極を入力用とし、
該すだれ状電極から電気信号を入力することにより該超
音波デバイスが固着された非圧電基板に１次モードまた
は２次以上のモードの弾性表面波を励振させる超音波ト
ランスデユ−サであって、該１次モードまたは２次以上
の該モードの弾性表面波の位相速度は該非圧電基板単体
における弾性表面波の伝搬速度にほぼ等しいことを特徴
とする。
は、前記超音波デバイスのすだれ状電極を入力用とし、
該すだれ状電極から電気信号を入力することにより該超
音波デバイスが固着された非圧電基板に１次モードまた
は２次以上のモードの弾性表面波を励振させる超音波ト
ランスデユ−サであって、該１次モードまたは２次以上
の該モードの弾性表面波の位相速度は該非圧電基板単体
における弾性表面波の伝搬速度にほぼ等しいことを特徴
とする。
【０００６】請求項３に記載の超音波トランスデューサ
は、前記超音波デバイスのすだれ状電極を出力用とし、
該超音波デバイスが固着された非圧電基板に励振されて
いる１次モードまたは２次以上のモードの弾性表面波を
該すだれ状電極から電気信号として出力させる超音波ト
ランスデユ−サであって、該非圧電基板に励振されてい
る該１次モードまたは２次以上の該モードの弾性表面波
の伝搬速度は、該非圧電基板単体に伝搬される弾性表面
波の伝搬速度とほぼ等しいことを特徴とする。
は、前記超音波デバイスのすだれ状電極を出力用とし、
該超音波デバイスが固着された非圧電基板に励振されて
いる１次モードまたは２次以上のモードの弾性表面波を
該すだれ状電極から電気信号として出力させる超音波ト
ランスデユ−サであって、該非圧電基板に励振されてい
る該１次モードまたは２次以上の該モードの弾性表面波
の伝搬速度は、該非圧電基板単体に伝搬される弾性表面
波の伝搬速度とほぼ等しいことを特徴とする。
【０００７】請求項４に記載の超音波トランスデューサ
は、前記圧電薄板が圧電セラミックで成り、該圧電セラ
ミックの分極軸の方向は該圧電セラミックの厚さ方向と
平行であることを特徴とする。
は、前記圧電薄板が圧電セラミックで成り、該圧電セラ
ミックの分極軸の方向は該圧電セラミックの厚さ方向と
平行であることを特徴とする。
【０００８】請求項５に記載の超音波トランスデューサ
は、前記圧電薄板がＰＶＤＦその他の高分子圧電フィル
ムで成ることを特徴とする。
は、前記圧電薄板がＰＶＤＦその他の高分子圧電フィル
ムで成ることを特徴とする。
【０００９】請求項６に記載の超音波トランスデューサ
は、前記圧電薄板は前記板面ａを介して前記非圧電基板
に固着されていることを特徴とする。
は、前記圧電薄板は前記板面ａを介して前記非圧電基板
に固着されていることを特徴とする。
【００１０】請求項７に記載の超音波トランスデューサ
は、前記圧電薄板の前記板面ｂは金属薄膜で被覆されて
いることを特徴とする。
は、前記圧電薄板の前記板面ｂは金属薄膜で被覆されて
いることを特徴とする。
【００１１】
【作用】本発明の超音波トランスデューサは、圧電薄板
とすだれ状電極とから成る超音波デバイスを非圧電基板
に設けて成る簡単な構造を有する。すだれ状電極を入力
用としこのすだれ状電極から電気信号を入力する構造を
採用することにより、非圧電基板に１次モードまたは２
次以上のモードの弾性表面波を励振させることができ
る。このときこの弾性表面波の位相速度が非圧電基板単
体における弾性表面波の伝搬速度にほぼ等しくなるよう
な構造を採用することにより、すだれ状電極から加えら
れる電気的エネルギーが弾性表面波に変換される度合を
大きくすることができるだけでなく、圧電薄板と非圧電
基板との界面での音響インピーダンスの不整合等によっ
て生じる反射等を除去することができる。また、すだれ
状電極を出力用とする構造を採用することにより、非圧
電基板に励振されている弾性表面波をそのすだれ状電極
から電気信号として出力させることができる。従って、
アクースティック・エミッション等への応用が可能であ
り、超音波レベルの異常音の検出が可能となる。たとえ
ば、圧電薄板に円弧状すだれ状電極を設けた超音波デバ
イスを被検体としての非圧電基板上に備えれば、その非
圧電基板に生じる超音波レベルの異常音の検出が可能と
なる。
とすだれ状電極とから成る超音波デバイスを非圧電基板
に設けて成る簡単な構造を有する。すだれ状電極を入力
用としこのすだれ状電極から電気信号を入力する構造を
採用することにより、非圧電基板に１次モードまたは２
次以上のモードの弾性表面波を励振させることができ
る。このときこの弾性表面波の位相速度が非圧電基板単
体における弾性表面波の伝搬速度にほぼ等しくなるよう
な構造を採用することにより、すだれ状電極から加えら
れる電気的エネルギーが弾性表面波に変換される度合を
大きくすることができるだけでなく、圧電薄板と非圧電
基板との界面での音響インピーダンスの不整合等によっ
て生じる反射等を除去することができる。また、すだれ
状電極を出力用とする構造を採用することにより、非圧
電基板に励振されている弾性表面波をそのすだれ状電極
から電気信号として出力させることができる。従って、
アクースティック・エミッション等への応用が可能であ
り、超音波レベルの異常音の検出が可能となる。たとえ
ば、圧電薄板に円弧状すだれ状電極を設けた超音波デバ
イスを被検体としての非圧電基板上に備えれば、その非
圧電基板に生じる超音波レベルの異常音の検出が可能と
なる。
【００１２】圧電薄板の厚さをすだれ状電極の電極周期
長以下にし、すだれ状電極の電極周期長を１次モードま
たは２次以上のモードの弾性表面波の波長にほぼ等しく
する構造を採用することにより、すだれ状電極から加え
られる電気的エネルギーが弾性表面波に変換される度合
を大きくすることができるだけでなく、圧電薄板と非圧
電基板との界面での音響インピーダンスの不整合等によ
って生じる反射等を除去することができる。なお、すだ
れ状電極の電極周期長すなわち弾性表面波の波長λに対
する圧電薄板の厚さｄの割合（ｄ／λ）が小さいほど効
果は大きい。
長以下にし、すだれ状電極の電極周期長を１次モードま
たは２次以上のモードの弾性表面波の波長にほぼ等しく
する構造を採用することにより、すだれ状電極から加え
られる電気的エネルギーが弾性表面波に変換される度合
を大きくすることができるだけでなく、圧電薄板と非圧
電基板との界面での音響インピーダンスの不整合等によ
って生じる反射等を除去することができる。なお、すだ
れ状電極の電極周期長すなわち弾性表面波の波長λに対
する圧電薄板の厚さｄの割合（ｄ／λ）が小さいほど効
果は大きい。
【００１３】圧電薄板として圧電セラミックを採用し、
その圧電セラミックの分極軸の方向と厚さ方向とを平行
にする構造を採用することにより、非圧電基板に効率よ
く１次モードまたは２次以上のモードの弾性表面波を励
振することができる。
その圧電セラミックの分極軸の方向と厚さ方向とを平行
にする構造を採用することにより、非圧電基板に効率よ
く１次モードまたは２次以上のモードの弾性表面波を励
振することができる。
【００１４】圧電薄板としてＰＶＤＦその他の高分子圧
電フィルムを採用することにより、非圧電基板に効率よ
く１次モードまたは２次以上のモードの弾性表面波を励
振することができる。
電フィルムを採用することにより、非圧電基板に効率よ
く１次モードまたは２次以上のモードの弾性表面波を励
振することができる。
【００１５】すだれ状電極を圧電薄板と非圧電基板との
界面に設け圧電薄板の空気側を電気的に短絡状態にした
構造を採用することにより、すだれ状電極に加えられる
電気的エネルギーを効率よく弾性表面波に変換すること
ができる。電気的に短絡状態にするには板面に金属薄膜
を被覆する方法が有効である。
界面に設け圧電薄板の空気側を電気的に短絡状態にした
構造を採用することにより、すだれ状電極に加えられる
電気的エネルギーを効率よく弾性表面波に変換すること
ができる。電気的に短絡状態にするには板面に金属薄膜
を被覆する方法が有効である。
【００１６】
【実施例】図１は本発明の超音波トランスデューサの第
１の実施例を示す断面図である。本実施例は圧電磁器薄
板１、すだれ状電極２およびガラス基板３から成る。圧
電磁器薄板１は厚さ２２０μｍのＴＤＫ製９１Ａ材（製
品名）で成る。すだれ状電極２はアルミニウム薄膜で成
る。ガラス基板３は厚さ１．９ｍｍの硼珪酸ガラスで成
る。すだれ状電極２は圧電磁器薄板１上に設けられ、圧
電磁器薄板１はガラス基板３上に設けられている。圧電
磁器薄板１は厚さ２０μｍのエポキシ系樹脂によってガ
ラス基板３上に設けられている。すだれ状電極２は１０
対の電極指を有する正規型のものであり、電極周期長は
６６０μｍ、中心周波数は５．１ＭＨｚである。図１で
は電極周期長が２Ｐで表されている。すだれ状電極２を
入力用として用いた場合、すだれ状電極２から電気信号
を入力すると、その電気信号の周波数のうちすだれ状電
極２の示す中心周波数とその近傍の周波数の電気信号の
みが弾性表面波に変換されて圧電磁器薄板１を伝搬し、
さらにガラス基板３を伝搬する。すだれ状電極２を出力
用として用いた場合には、ガラス基板３を励振している
弾性表面波のうちすだれ状電極２の示す中心周波数とそ
の近傍の周波数の弾性表面波のみが、電気信号に変換さ
れてすだれ状電極２から出力される。
１の実施例を示す断面図である。本実施例は圧電磁器薄
板１、すだれ状電極２およびガラス基板３から成る。圧
電磁器薄板１は厚さ２２０μｍのＴＤＫ製９１Ａ材（製
品名）で成る。すだれ状電極２はアルミニウム薄膜で成
る。ガラス基板３は厚さ１．９ｍｍの硼珪酸ガラスで成
る。すだれ状電極２は圧電磁器薄板１上に設けられ、圧
電磁器薄板１はガラス基板３上に設けられている。圧電
磁器薄板１は厚さ２０μｍのエポキシ系樹脂によってガ
ラス基板３上に設けられている。すだれ状電極２は１０
対の電極指を有する正規型のものであり、電極周期長は
６６０μｍ、中心周波数は５．１ＭＨｚである。図１で
は電極周期長が２Ｐで表されている。すだれ状電極２を
入力用として用いた場合、すだれ状電極２から電気信号
を入力すると、その電気信号の周波数のうちすだれ状電
極２の示す中心周波数とその近傍の周波数の電気信号の
みが弾性表面波に変換されて圧電磁器薄板１を伝搬し、
さらにガラス基板３を伝搬する。すだれ状電極２を出力
用として用いた場合には、ガラス基板３を励振している
弾性表面波のうちすだれ状電極２の示す中心周波数とそ
の近傍の周波数の弾性表面波のみが、電気信号に変換さ
れてすだれ状電極２から出力される。
【００１７】図２は図１の超音波トランスデューサを伝
搬する弾性表面波の速度分散曲線を示す特性図であり、
弾性表面波の周波数ｆと圧電磁器薄板１の厚さｄとの積
に対する各モードの位相速度を示す図である。但し、圧
電磁器薄板１は、圧電磁器薄板１のガラス基板３と接触
する方の板面（ガラス側板面）が電気的に開放状態にあ
ってもう一方の空気に接触する方の板面（空気側板面）
が電気的に短絡状態にあるものと、圧電磁器薄板１のガ
ラス側板面と空気側板面とが共に電気的に短絡状態にあ
るものを用いた。本実施例においては圧電磁器薄板１の
板面に金属薄膜を被覆することによりその板面を電気的
に短絡状態にしている。本図において“ｓｈｏｒｔ”は
短絡状態を、“ｏｐｅｎ”は開放状態であることを示
す。弾性表面波には複数個のモードがある。零次モード
は基本レイリー波であり、零次モードはｆｄ値が零のと
きガラス基板３のレイリー波速度に一致していて、ｆｄ
値が大きくなるにつれて圧電磁器薄板１のレイリー波速
度に収束している。１次以上のモードではカットオフ周
波数が存在し、ｆｄ値がそれぞれの最小のときガラス基
板３の横波速度に収束している。本図において○印は実
測値を示す。
搬する弾性表面波の速度分散曲線を示す特性図であり、
弾性表面波の周波数ｆと圧電磁器薄板１の厚さｄとの積
に対する各モードの位相速度を示す図である。但し、圧
電磁器薄板１は、圧電磁器薄板１のガラス基板３と接触
する方の板面（ガラス側板面）が電気的に開放状態にあ
ってもう一方の空気に接触する方の板面（空気側板面）
が電気的に短絡状態にあるものと、圧電磁器薄板１のガ
ラス側板面と空気側板面とが共に電気的に短絡状態にあ
るものを用いた。本実施例においては圧電磁器薄板１の
板面に金属薄膜を被覆することによりその板面を電気的
に短絡状態にしている。本図において“ｓｈｏｒｔ”は
短絡状態を、“ｏｐｅｎ”は開放状態であることを示
す。弾性表面波には複数個のモードがある。零次モード
は基本レイリー波であり、零次モードはｆｄ値が零のと
きガラス基板３のレイリー波速度に一致していて、ｆｄ
値が大きくなるにつれて圧電磁器薄板１のレイリー波速
度に収束している。１次以上のモードではカットオフ周
波数が存在し、ｆｄ値がそれぞれの最小のときガラス基
板３の横波速度に収束している。本図において○印は実
測値を示す。
【００１８】図３は図１の超音波トランスデューサを伝
搬する弾性表面波の速度分散曲線を示す特性図であり、
弾性表面波の周波数ｆと圧電磁器薄板１の厚さｄとの積
に対する各モードの位相速度を示す図である。但し、圧
電磁器薄板１は、圧電磁器薄板１のガラス側板面と空気
側板面とが共に電気的に開放状態にあるものと、圧電磁
器薄板１のガラス側板面が電気的に短絡状態にあって空
気側板面が電気的に開放状態にあるものを用いた。零次
モードではｆｄ値が零のときガラス基板３のレイリー波
速度に一致していて、ｆｄ値が大きくなるにつれて圧電
磁器薄板１のレイリー波速度に収束している。１次以上
のモードではカットオフ周波数が存在し、ｆｄ値がそれ
ぞれの最小のときガラス基板３の横波速度に収束してい
る。本図において○印は実測値を示す。
搬する弾性表面波の速度分散曲線を示す特性図であり、
弾性表面波の周波数ｆと圧電磁器薄板１の厚さｄとの積
に対する各モードの位相速度を示す図である。但し、圧
電磁器薄板１は、圧電磁器薄板１のガラス側板面と空気
側板面とが共に電気的に開放状態にあるものと、圧電磁
器薄板１のガラス側板面が電気的に短絡状態にあって空
気側板面が電気的に開放状態にあるものを用いた。零次
モードではｆｄ値が零のときガラス基板３のレイリー波
速度に一致していて、ｆｄ値が大きくなるにつれて圧電
磁器薄板１のレイリー波速度に収束している。１次以上
のモードではカットオフ周波数が存在し、ｆｄ値がそれ
ぞれの最小のときガラス基板３の横波速度に収束してい
る。本図において○印は実測値を示す。
【００１９】図４は圧電磁器薄板１の異なる２つの電気
的境界条件下での位相速度差から算出した実効的電気機
械結合係数ｋ2 とｆｄ値との関係を示す特性図である。
但し、圧電磁器薄板１は、圧電磁器薄板１のガラス側板
面にすだれ状電極２（ＩＤＴ）を設け空気側板面を電気
的に短絡状態にしたものを用いている。高次モードのｋ
2 は零次モードに比べて大きな値を示す。特に１次モー
ドではｆｄ＝０．９ＭＨｚ・ｍｍにおいてｋ2 ＝１７．
７％という最大値を示している。
的境界条件下での位相速度差から算出した実効的電気機
械結合係数ｋ2 とｆｄ値との関係を示す特性図である。
但し、圧電磁器薄板１は、圧電磁器薄板１のガラス側板
面にすだれ状電極２（ＩＤＴ）を設け空気側板面を電気
的に短絡状態にしたものを用いている。高次モードのｋ
2 は零次モードに比べて大きな値を示す。特に１次モー
ドではｆｄ＝０．９ＭＨｚ・ｍｍにおいてｋ2 ＝１７．
７％という最大値を示している。
【００２０】図５は圧電磁器薄板１の異なる２つの電気
的境界条件下での位相速度差から算出した実効的電気機
械結合係数ｋ2 とｆｄ値との関係を示す特性図である。
但し、圧電磁器薄板１は、圧電磁器薄板１のガラス側板
面にすだれ状電極２を設け空気側板面を電気的に開放状
態にしたものを用いている。高次モードのｋ2 は零次モ
ードに比べて大きな値を示す。
的境界条件下での位相速度差から算出した実効的電気機
械結合係数ｋ2 とｆｄ値との関係を示す特性図である。
但し、圧電磁器薄板１は、圧電磁器薄板１のガラス側板
面にすだれ状電極２を設け空気側板面を電気的に開放状
態にしたものを用いている。高次モードのｋ2 は零次モ
ードに比べて大きな値を示す。
【００２１】図６は圧電磁器薄板１の異なる２つの電気
的境界条件下での位相速度差から算出した実効的電気機
械結合係数ｋ2 とｆｄ値との関係を示す特性図である。
但し、圧電磁器薄板１は、圧電磁器薄板１のガラス側板
面を電気的に短絡状態にし空気側板面にすだれ状電極２
を設けたものを用いている。
的境界条件下での位相速度差から算出した実効的電気機
械結合係数ｋ2 とｆｄ値との関係を示す特性図である。
但し、圧電磁器薄板１は、圧電磁器薄板１のガラス側板
面を電気的に短絡状態にし空気側板面にすだれ状電極２
を設けたものを用いている。
【００２２】図７は圧電磁器薄板１の異なる２つの電気
的境界条件下での位相速度差から算出した実効的電気機
械結合係数ｋ2 とｆｄ値との関係を示す特性図である。
但し、圧電磁器薄板１は、圧電磁器薄板１のガラス側板
面を電気的に開放状態にし空気側板面にすだれ状電極２
を設けたものを用いている。
的境界条件下での位相速度差から算出した実効的電気機
械結合係数ｋ2 とｆｄ値との関係を示す特性図である。
但し、圧電磁器薄板１は、圧電磁器薄板１のガラス側板
面を電気的に開放状態にし空気側板面にすだれ状電極２
を設けたものを用いている。
【００２３】図２〜７より、１次以上のモードでは図１
の超音波トランスデューサを伝搬する弾性表面波の速度
がガラス基板３単体を伝搬する弾性表面波の速度と等し
いときｋ2 が最大値を示すことがわかる。
の超音波トランスデューサを伝搬する弾性表面波の速度
がガラス基板３単体を伝搬する弾性表面波の速度と等し
いときｋ2 が最大値を示すことがわかる。
【００２４】図４〜７より、圧電磁器薄板１のガラス側
板面にすだれ状電極２を設け空気側板面を電気的に短絡
状態にした構造においてすだれ状電極２に加えられる電
気的エネルギーが弾性表面波に変換される度合が大きく
なることがわかる。
板面にすだれ状電極２を設け空気側板面を電気的に短絡
状態にした構造においてすだれ状電極２に加えられる電
気的エネルギーが弾性表面波に変換される度合が大きく
なることがわかる。
【００２５】図８は１次モードにおけるｋ2 の最大値近
傍のｆｄ値（１．０ＭＨｚ・ｍｍ）での変位分布を示す
特性図である。但し、圧電磁器薄板１は、圧電磁器薄板
１のガラス側板面と空気側板面とが共に電気的に開放状
態にあるものを用いている。Ｕ1 ，Ｕ3 はそれぞれ水平
成分、垂直成分の変位を示している。縦軸は圧電磁器薄
板１の厚さ（Ｘ3 ）方向の長さ（深さ）を厚さｄで規格
化したものである。本図において深さ０は圧電磁器薄膜
１とガラス基板３との界面を示す。横軸はそれぞれの成
分の変位を最大値（Ｕ1 2 ＋Ｕ3 2）1/2で規格化したもの
である。１次モードのガラス基板３中の変位成分の割合
は５８％である。
傍のｆｄ値（１．０ＭＨｚ・ｍｍ）での変位分布を示す
特性図である。但し、圧電磁器薄板１は、圧電磁器薄板
１のガラス側板面と空気側板面とが共に電気的に開放状
態にあるものを用いている。Ｕ1 ，Ｕ3 はそれぞれ水平
成分、垂直成分の変位を示している。縦軸は圧電磁器薄
板１の厚さ（Ｘ3 ）方向の長さ（深さ）を厚さｄで規格
化したものである。本図において深さ０は圧電磁器薄膜
１とガラス基板３との界面を示す。横軸はそれぞれの成
分の変位を最大値（Ｕ1 2 ＋Ｕ3 2）1/2で規格化したもの
である。１次モードのガラス基板３中の変位成分の割合
は５８％である。
【００２６】図９は２次モードにおけるｋ2 の最大値近
傍のｆｄ値（２．０ＭＨｚ・ｍｍ）での変位分布を示す
特性図である。但し、圧電磁器薄板１は、圧電磁器薄板
１のガラス側板面と空気側板面とが共に電気的に開放状
態にあるものを用いている。２次モードのガラス基板３
中の変位成分の割合は５２％である。
傍のｆｄ値（２．０ＭＨｚ・ｍｍ）での変位分布を示す
特性図である。但し、圧電磁器薄板１は、圧電磁器薄板
１のガラス側板面と空気側板面とが共に電気的に開放状
態にあるものを用いている。２次モードのガラス基板３
中の変位成分の割合は５２％である。
【００２７】図１０は３次モードにおけるｋ2 の最大値
近傍のｆｄ値（３．０ＭＨｚ・ｍｍ）での変位分布を示
す特性図である。但し、圧電磁器薄板１は、圧電磁器薄
板１のガラス側板面と空気側板面とが共に電気的に開放
状態にあるものを用いている。３次モードのガラス基板
３中の変位成分の割合は４７％である。
近傍のｆｄ値（３．０ＭＨｚ・ｍｍ）での変位分布を示
す特性図である。但し、圧電磁器薄板１は、圧電磁器薄
板１のガラス側板面と空気側板面とが共に電気的に開放
状態にあるものを用いている。３次モードのガラス基板
３中の変位成分の割合は４７％である。
【００２８】図１１は零次モードにおけるｆｄ＝０．７
ＭＨｚ・ｍｍでの変位分布を示す特性図である。但し、
圧電磁器薄板１は、圧電磁器薄板１のガラス側板面が電
気的に開放状態にあって空気側板面が電気的に短絡状態
にあるものを用いた。すだれ状電極２は空気側に設けら
れている。零次モードの波は圧電磁器薄板１の表面近傍
に集中している波であり、ｆｄ値が∞で圧電磁器薄板１
の表面波に収束する波である。
ＭＨｚ・ｍｍでの変位分布を示す特性図である。但し、
圧電磁器薄板１は、圧電磁器薄板１のガラス側板面が電
気的に開放状態にあって空気側板面が電気的に短絡状態
にあるものを用いた。すだれ状電極２は空気側に設けら
れている。零次モードの波は圧電磁器薄板１の表面近傍
に集中している波であり、ｆｄ値が∞で圧電磁器薄板１
の表面波に収束する波である。
【００２９】図８〜１１より、ガラス基板３へ弾性表面
波を励振するためには１次モードまたは２次以上の高次
モードの使用が有効であることがわかる。これはガラス
基板３中の変位成分が大きいモードの方が有効であるか
らである。
波を励振するためには１次モードまたは２次以上の高次
モードの使用が有効であることがわかる。これはガラス
基板３中の変位成分が大きいモードの方が有効であるか
らである。
【００３０】図１に示す超音波トランスデューサにおい
てガラス基板３に弾性表面波を励振する場合、圧電磁器
薄板１とガラス基板３との界面で音響インピーダンスの
不整合等によって生じる反射等を考慮する必要がある。
反射係数を最小にする手段としては、超音波トランスデ
ューサにおける表面波速度とガラス基板３単体の表面波
速度とが等しくなるように超音波トランスデューサを設
計すること、表面波の波長λに対する圧電磁器薄板１の
厚さｄの割合（ｄ／λ）が小さくなるように超音波トラ
ンスデューサを設計すること等が挙げられる。ｄ値が一
定である場合には３次よりは２次、２次よりは１次モー
ドの方が有効である。
てガラス基板３に弾性表面波を励振する場合、圧電磁器
薄板１とガラス基板３との界面で音響インピーダンスの
不整合等によって生じる反射等を考慮する必要がある。
反射係数を最小にする手段としては、超音波トランスデ
ューサにおける表面波速度とガラス基板３単体の表面波
速度とが等しくなるように超音波トランスデューサを設
計すること、表面波の波長λに対する圧電磁器薄板１の
厚さｄの割合（ｄ／λ）が小さくなるように超音波トラ
ンスデューサを設計すること等が挙げられる。ｄ値が一
定である場合には３次よりは２次、２次よりは１次モー
ドの方が有効である。
【００３１】図１２は図２のｆｄ値を弾性表面波の波数
ｋとｄとの積（ｋｄ）または弾性表面波の波長λに対す
るｄの割合（ｄ／λ）に換算した場合の速度分散曲線を
示す特性図である。本図からも明らかなように、弾性表
面波の波長λに対し圧電磁器薄板１の厚さｄが小さくな
るように超音波トランスデューサを設計すればガラス基
板３に効率よく弾性表面波を励振できることが分かる。
ｋとｄとの積（ｋｄ）または弾性表面波の波長λに対す
るｄの割合（ｄ／λ）に換算した場合の速度分散曲線を
示す特性図である。本図からも明らかなように、弾性表
面波の波長λに対し圧電磁器薄板１の厚さｄが小さくな
るように超音波トランスデューサを設計すればガラス基
板３に効率よく弾性表面波を励振できることが分かる。
【００３２】図１３は本発明の超音波トランスデューサ
の第２の実施例を示す平面図である。本実施例は圧電磁
器薄板１１、すだれ状電極１２、すだれ状電極１３、す
だれ状電極１４、すだれ状電極１５および被検体１６か
ら成る。圧電磁器薄板１１は直径１４ｍｍ、厚さ２２０
μｍの円板状の圧電セラミックで成り、圧電磁器薄板１
１の分極軸の方向は圧電磁器薄板１１の厚さ方向と平行
である。すだれ状電極１２，１３，１４および１５はア
ルミニウム薄膜で成り、圧電磁器薄板１１上においてそ
れぞれが２．５対の電極指を有する４分割形の円弧状を
成し、それぞれの電極周期長は６６０μｍ、開口角は４
５°である。図１３の下方部における楕円内には電極指
の部分拡大平面図が示されており、電極周期長が２Ｐで
表されている。圧電磁器薄板１１は厚さ２０μｍのエポ
キシ系樹脂によって被検体１６上に固着されている。被
検体１６は厚さ１．５ｍｍの硼珪酸ガラスで成る。図１
３に示す超音波トランスデューサの使用時、すだれ状電
極１２，１３，１４および１５を出力用として用いる。
もしも被検体１６において超音波レベルの異常音が発生
していれば、被検体１６を励振している弾性表面波のう
ちすだれ状電極１２，１３，１４および１５の示す中心
周波数とその近傍の周波数の弾性表面波のみが電気信号
に変換されてすだれ状電極１２，１３，１４および１５
から出力される。このようにして被検体１６に発生する
異常音を検出できる。従って、アクースティック・エミ
ッション等への応用が可能である。
の第２の実施例を示す平面図である。本実施例は圧電磁
器薄板１１、すだれ状電極１２、すだれ状電極１３、す
だれ状電極１４、すだれ状電極１５および被検体１６か
ら成る。圧電磁器薄板１１は直径１４ｍｍ、厚さ２２０
μｍの円板状の圧電セラミックで成り、圧電磁器薄板１
１の分極軸の方向は圧電磁器薄板１１の厚さ方向と平行
である。すだれ状電極１２，１３，１４および１５はア
ルミニウム薄膜で成り、圧電磁器薄板１１上においてそ
れぞれが２．５対の電極指を有する４分割形の円弧状を
成し、それぞれの電極周期長は６６０μｍ、開口角は４
５°である。図１３の下方部における楕円内には電極指
の部分拡大平面図が示されており、電極周期長が２Ｐで
表されている。圧電磁器薄板１１は厚さ２０μｍのエポ
キシ系樹脂によって被検体１６上に固着されている。被
検体１６は厚さ１．５ｍｍの硼珪酸ガラスで成る。図１
３に示す超音波トランスデューサの使用時、すだれ状電
極１２，１３，１４および１５を出力用として用いる。
もしも被検体１６において超音波レベルの異常音が発生
していれば、被検体１６を励振している弾性表面波のう
ちすだれ状電極１２，１３，１４および１５の示す中心
周波数とその近傍の周波数の弾性表面波のみが電気信号
に変換されてすだれ状電極１２，１３，１４および１５
から出力される。このようにして被検体１６に発生する
異常音を検出できる。従って、アクースティック・エミ
ッション等への応用が可能である。
【００３３】
【発明の効果】本発明の超音波トランスデューサによれ
ば、すだれ状電極を入力用としこのすだれ状電極から電
気信号を入力する構造を採用することにより、非圧電基
板に弾性表面波を励振させることができる。このときこ
の弾性表面波の位相速度が非圧電基板単体における弾性
表面波の伝搬速度にほぼ等しくなるような構造を採用す
ることにより、すだれ状電極から加えられる電気的エネ
ルギーが弾性表面波に変換される度合を大きくすること
ができるだけでなく、圧電薄板と非圧電基板との界面で
の音響インピーダンスの不整合等によって生じる反射等
を除去することができる。また、すだれ状電極を出力用
とする構造を採用することにより、非圧電基板に励振さ
れている弾性表面波をそのすだれ状電極から電気信号と
して出力させることができる。従って、アクースティッ
ク・エミッション等への応用が可能であり、超音波レベ
ルの異常音の検出が可能となる。たとえば、圧電薄板に
円弧状すだれ状電極を設けた超音波デバイスを被検体と
しての非圧電基板上に備えれば、その非圧電基板に生じ
る超音波レベルの異常音の検出が可能となる。
ば、すだれ状電極を入力用としこのすだれ状電極から電
気信号を入力する構造を採用することにより、非圧電基
板に弾性表面波を励振させることができる。このときこ
の弾性表面波の位相速度が非圧電基板単体における弾性
表面波の伝搬速度にほぼ等しくなるような構造を採用す
ることにより、すだれ状電極から加えられる電気的エネ
ルギーが弾性表面波に変換される度合を大きくすること
ができるだけでなく、圧電薄板と非圧電基板との界面で
の音響インピーダンスの不整合等によって生じる反射等
を除去することができる。また、すだれ状電極を出力用
とする構造を採用することにより、非圧電基板に励振さ
れている弾性表面波をそのすだれ状電極から電気信号と
して出力させることができる。従って、アクースティッ
ク・エミッション等への応用が可能であり、超音波レベ
ルの異常音の検出が可能となる。たとえば、圧電薄板に
円弧状すだれ状電極を設けた超音波デバイスを被検体と
しての非圧電基板上に備えれば、その非圧電基板に生じ
る超音波レベルの異常音の検出が可能となる。
【００３４】すだれ状電極の電極周期長すなわち弾性表
面波の波長λに対する圧電薄板の厚さｄの割合（ｄ／
λ）をできるだけ小さくし、すだれ状電極の電極周期長
を１次モードまたは２次以上のモードの弾性表面波の波
長にほぼ等しくする構造を採用することにより、すだれ
状電極から加えられる電気的エネルギーが弾性表面波に
変換される度合を大きくすることができるだけでなく、
圧電薄板と非圧電基板との界面での音響インピーダンス
および場の不整合等によって生じる反射等を除去するこ
とができる。なお、圧電薄板の厚さｄを一定にする構造
を採用するならば、すだれ状電極の電極周期長を３次よ
りは２次、２次よりは１次モードの弾性表面波の波長に
ほぼ等しくする構造を併用することにより効果が増大す
る。このことは、たとえば図５に示された関係から理解
することができる。図５においてｋ２のピーク値は３次
よりは２次、２次よりは１次モードの方が大きい。ｋ２
が大きいほどすだれ状電極から加えられる電気的エネル
ギーが弾性表面波に変換される度合が大きいことから、
すだれ状電極の電極周期長を３次よりは２次、２次より
は１次モードの弾性表面波の波長に等しくすれば、すだ
れ状電極から加えられる電気的エネルギーが弾性表面波
に変換される度合を増大できる。また、図５から圧電薄
板の厚さｄが一定の場合には低周波数側の１次モードの
弾性表面波が最も効率よく圧電薄板に励振されやすいこ
とが分かる。低次の弾性表面波は圧電薄板と非圧電基板
との界面での反射を抑制させる効果がある。従って、圧
電薄板の厚さｄを一定にする構造と、すだれ状電極の電
極周期長を３次よりは２次、２次よりは１次モードの弾
性表面波の波長にほぼ等しくする構造とを併用すれば、
すだれ状電極において電気的エネルギーを弾性表面波に
変換する効果を増大できるだけでなく、圧電薄板と非圧
電基板との界面で生じる反射等を除去する効果を増大で
きる。
面波の波長λに対する圧電薄板の厚さｄの割合（ｄ／
λ）をできるだけ小さくし、すだれ状電極の電極周期長
を１次モードまたは２次以上のモードの弾性表面波の波
長にほぼ等しくする構造を採用することにより、すだれ
状電極から加えられる電気的エネルギーが弾性表面波に
変換される度合を大きくすることができるだけでなく、
圧電薄板と非圧電基板との界面での音響インピーダンス
および場の不整合等によって生じる反射等を除去するこ
とができる。なお、圧電薄板の厚さｄを一定にする構造
を採用するならば、すだれ状電極の電極周期長を３次よ
りは２次、２次よりは１次モードの弾性表面波の波長に
ほぼ等しくする構造を併用することにより効果が増大す
る。このことは、たとえば図５に示された関係から理解
することができる。図５においてｋ２のピーク値は３次
よりは２次、２次よりは１次モードの方が大きい。ｋ２
が大きいほどすだれ状電極から加えられる電気的エネル
ギーが弾性表面波に変換される度合が大きいことから、
すだれ状電極の電極周期長を３次よりは２次、２次より
は１次モードの弾性表面波の波長に等しくすれば、すだ
れ状電極から加えられる電気的エネルギーが弾性表面波
に変換される度合を増大できる。また、図５から圧電薄
板の厚さｄが一定の場合には低周波数側の１次モードの
弾性表面波が最も効率よく圧電薄板に励振されやすいこ
とが分かる。低次の弾性表面波は圧電薄板と非圧電基板
との界面での反射を抑制させる効果がある。従って、圧
電薄板の厚さｄを一定にする構造と、すだれ状電極の電
極周期長を３次よりは２次、２次よりは１次モードの弾
性表面波の波長にほぼ等しくする構造とを併用すれば、
すだれ状電極において電気的エネルギーを弾性表面波に
変換する効果を増大できるだけでなく、圧電薄板と非圧
電基板との界面で生じる反射等を除去する効果を増大で
きる。
【００３５】圧電薄板として圧電セラミック、ＰＶＤＦ
その他の高分子圧電フィルムを採用することにより、非
圧電基板に効率よく１次モードまたは２次以上のモード
の弾性表面波を励振することができる。圧電セラミック
はその分極軸の方向を厚さ方向と一致させる構造を採用
することにより、非圧電基板に効率よく１次モードまた
は２次以上のモードの弾性表面波を励振することができ
る。
その他の高分子圧電フィルムを採用することにより、非
圧電基板に効率よく１次モードまたは２次以上のモード
の弾性表面波を励振することができる。圧電セラミック
はその分極軸の方向を厚さ方向と一致させる構造を採用
することにより、非圧電基板に効率よく１次モードまた
は２次以上のモードの弾性表面波を励振することができ
る。
【００３６】すだれ状電極を圧電薄板と非圧電基板との
界面に設け圧電薄板の空気側を電気的に短絡状態にした
構造を採用することにより、すだれ状電極に加えられる
電気的エネルギーを効率よく弾性表面波に変換すること
ができる。電気的に短絡状態にするには板面に金属薄膜
を被覆する方法が有効である。
界面に設け圧電薄板の空気側を電気的に短絡状態にした
構造を採用することにより、すだれ状電極に加えられる
電気的エネルギーを効率よく弾性表面波に変換すること
ができる。電気的に短絡状態にするには板面に金属薄膜
を被覆する方法が有効である。
【図１】本発明の超音波トランスデューサの第１の実施
例を示す断面図。
例を示す断面図。
【図２】図１の超音波トランスデューサを伝搬する弾性
表面波の速度分散曲線を示す特性図。
表面波の速度分散曲線を示す特性図。
【図３】図１の超音波トランスデューサを伝搬する弾性
表面波の速度分散曲線を示す特性図。
表面波の速度分散曲線を示す特性図。
【図４】圧電磁器薄板１の異なる２つの電気的境界条件
下での位相速度差から算出した実効的電気機械結合係数
ｋ2 とｆｄ値との関係を示す特性図。
下での位相速度差から算出した実効的電気機械結合係数
ｋ2 とｆｄ値との関係を示す特性図。
【図５】圧電磁器薄板１の異なる２つの電気的境界条件
下での位相速度差から算出した実効的電気機械結合係数
ｋ2 とｆｄ値との関係を示す特性図。
下での位相速度差から算出した実効的電気機械結合係数
ｋ2 とｆｄ値との関係を示す特性図。
【図６】圧電磁器薄板１の異なる２つの電気的境界条件
下での位相速度差から算出した実効的電気機械結合係数
ｋ2 とｆｄ値との関係を示す特性図。
下での位相速度差から算出した実効的電気機械結合係数
ｋ2 とｆｄ値との関係を示す特性図。
【図７】圧電磁器薄板１の異なる２つの電気的境界条件
下での位相速度差から算出した実効的電気機械結合係数
ｋ2 とｆｄ値との関係を示す特性図。
下での位相速度差から算出した実効的電気機械結合係数
ｋ2 とｆｄ値との関係を示す特性図。
【図８】１次モードにおけるｋ2 の最大値近傍のｆｄ値
（１．０ＭＨｚ・ｍｍ）での変位分布を示す特性図。
（１．０ＭＨｚ・ｍｍ）での変位分布を示す特性図。
【図９】２次モードにおけるｋ2 の最大値近傍のｆｄ値
（２．０ＭＨｚ・ｍｍ）での変位分布を示す特性図。
（２．０ＭＨｚ・ｍｍ）での変位分布を示す特性図。
【図１０】３次モードにおけるｋ2 の最大値近傍のｆｄ
値（３．０ＭＨｚ・ｍｍ）での変位分布を示す特性図。
値（３．０ＭＨｚ・ｍｍ）での変位分布を示す特性図。
【図１１】零次モードにおけるｆｄ＝０．７ＭＨｚ・ｍ
ｍでの変位分布を示す特性図。
ｍでの変位分布を示す特性図。
【図１２】図２のｆｄ値を弾性表面波の波数ｋとｄとの
積（ｋｄ）または弾性表面波の波長λに対するｄの割合
（ｄ／λ）に換算した場合の速度分散曲線を示す特性
図。
積（ｋｄ）または弾性表面波の波長λに対するｄの割合
（ｄ／λ）に換算した場合の速度分散曲線を示す特性
図。
【図１３】本発明の超音波トランスデューサの第２の実
施例を示す平面図。
施例を示す平面図。
１ 圧電磁器薄板 ２ すだれ状電極 ３ ガラス基板 １１ 圧電磁器薄板 １２ すだれ状電極 １３ すだれ状電極 １４ すだれ状電極 １５ すだれ状電極 １６ 被検体
Claims (7)
- 【請求項１】 圧電薄板とすだれ状電極とから成る超音
波デバイスを非圧電基板に設けて成る超音波トランスデ
ユ−サであって、 前記すだれ状電極は前記圧電薄板における２つの板面
ａ，ｂのうちの板面ａに設けられていて、 前記圧電薄板の厚さは前記すだれ状電極の電極周期長以
下であって、 前記すだれ状電極の電極周期長は１次モードまたは２次
以上のモードの弾性表面波の波長にほぼ等しいことを特
徴とする超音波トランスデューサ。 - 【請求項２】 前記超音波デバイスのすだれ状電極を入
力用とし、該すだれ状電極から電気信号を入力すること
により該超音波デバイスが固着された非圧電基板に１次
モードまたは２次以上のモードの弾性表面波を励振させ
る超音波トランスデユ−サであって、 該１次モードまたは２次以上の該モードの弾性表面波の
位相速度は該非圧電基板単体における弾性表面波の伝搬
速度にほぼ等しいことを特徴とする請求項１に記載の超
音波トランスデューサ。 - 【請求項３】 前記超音波デバイスのすだれ状電極を出
力用とし、該超音波デバイスが固着された非圧電基板に
励振されている１次モードまたは２次以上のモードの弾
性表面波を該すだれ状電極から電気信号として出力させ
る超音波トランスデユ−サであって、 該非圧電基板に励振されている該１次モードまたは２次
以上の該モードの弾性表面波の伝搬速度は、該非圧電基
板単体に伝搬される弾性表面波の伝搬速度とほぼ等しい
ことを特徴とする請求項１に記載の超音波トランスデュ
ーサ。 - 【請求項４】 前記圧電薄板が圧電セラミックで成り、
該圧電セラミックの分極軸の方向は該圧電セラミックの
厚さ方向と平行であることを特徴とする請求項１，２ま
たは３に記載の超音波トランスデューサ。 - 【請求項５】 前記圧電薄板がＰＶＤＦその他の高分子
圧電フィルムで成ることを特徴とする請求項１，２また
は３に記載の超音波トランスデューサ。 - 【請求項６】 前記圧電薄板は前記板面ａを介して前記
非圧電基板に固着されていることを特徴とする請求項
１，２，３，４または５に記載の超音波トランスデュー
サ。 - 【請求項７】 前記圧電薄板の前記板面ｂは金属薄膜で
被覆されていることを特徴とする請求項６に記載の超音
波トランスデューサ。
Priority Applications (7)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP21833592A JP3245688B2 (ja) | 1992-07-24 | 1992-07-24 | 超音波トランスデューサ |
| PCT/JP1993/001028 WO1994002911A1 (en) | 1992-07-24 | 1993-07-23 | Ultrasonic touch system |
| US08/374,599 US5717434A (en) | 1992-07-24 | 1993-07-23 | Ultrasonic touch system |
| EP93916211A EP0651902A1 (en) | 1992-07-24 | 1993-07-23 | Ultrasonic touch system |
| AU45851/93A AU4585193A (en) | 1992-07-24 | 1993-07-23 | Ultrasonic touch system |
| TW83100428A TW230855B (ja) | 1992-07-24 | 1994-01-19 | |
| CN94100323A CN1092918A (zh) | 1992-07-24 | 1994-01-22 | 超声波触摸系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP21833592A JP3245688B2 (ja) | 1992-07-24 | 1992-07-24 | 超音波トランスデューサ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0646496A JPH0646496A (ja) | 1994-02-18 |
| JP3245688B2 true JP3245688B2 (ja) | 2002-01-15 |
Family
ID=16718253
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP21833592A Expired - Fee Related JP3245688B2 (ja) | 1992-07-24 | 1992-07-24 | 超音波トランスデューサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3245688B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2006043604A1 (ja) * | 2004-10-19 | 2006-04-27 | National University Corporation Saitama University | 弾性表面波励振装置 |
| US20220229019A1 (en) * | 2019-05-31 | 2022-07-21 | Kyocera Corporation | Sensor device |
-
1992
- 1992-07-24 JP JP21833592A patent/JP3245688B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0646496A (ja) | 1994-02-18 |
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