JP3371289B2 - Ultrasonic transducer - Google Patents

Ultrasonic transducer

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JP3371289B2
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Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【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
音波トランスデューサに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an ultrasonic transducer in which an ultrasonic device consisting of a piezoelectric thin plate and interdigital transducers is provided on a non-piezoelectric substrate.

【従来の技術】液体中に超音波を励振する場合、従来は
圧電薄板上にすだれ状電極を設けて成る超音波トランス
デューサが利用されてきた。このような超音波トランス
デューサを用いることにより、液体中に漏洩レイリ−波
や漏洩ラム波などを励振させることができる。漏洩レイ
リ−波は速度に対し周波数が一定値を示すことから、構
成は簡単ではあるがデバイス設計の自由度が小さく、し
かもすだれ状電極を含む板面が液体と接触する側にある
という問題点を有している。前記超音波トランスデュー
サを音響撮像などに利用する場合、分解能を向上させる
ために高周波化を促進したり、被測定物の焦点の位置を
微細に制御するために多モード、多周波数での駆動が必
要とされることがある。このことから、速度分散性を有
する複数のモードが存在する漏洩ラム波の使用が有力で
あると考えられるが、高周波化に伴う圧電薄板のさらな
る薄型化を必要とし、薄型化すればするほど脆弱性を伴
うという問題を残す。このようにして、従来の液体中へ
の超音波の励振手段では超音波トランスデューサの構造
そのものにも限界があり、従って、このような超音波ト
ランスデューサでは液体中への超音波の発生、検出に応
用域が限られていた。
2. Description of the Related Art In the case of exciting an ultrasonic wave in a liquid, an ultrasonic transducer having a comb-shaped electrode provided on a piezoelectric thin plate has been conventionally used. By using such an ultrasonic transducer, a leaky Rayleigh wave or a leaky Lamb wave can be excited in the liquid. Since the leaky Rayleigh wave has a constant frequency with respect to the velocity, the structure is simple, but the degree of freedom in device design is low, and the plate surface including the interdigital transducer is on the side in contact with the liquid. have. When the ultrasonic transducer is used for acoustic imaging or the like, it is necessary to drive in multiple modes and multiple frequencies in order to promote higher frequency in order to improve resolution and finely control the position of the focal point of the object to be measured. It may be said that. From this, it is considered that the use of leaky Lamb waves, which have multiple modes with velocity dispersion, is effective, but it requires further thinning of the piezoelectric thin plate due to higher frequencies, and the weaker the thinner It leaves the problem of being sexual. Thus, in the conventional means for exciting ultrasonic waves in a liquid, there is a limit in the structure itself of the ultrasonic transducer. Therefore, such an ultrasonic transducer is applicable to the generation and detection of ultrasonic waves in a liquid. The area was limited.

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、低消
費電力で効率良く超音波を液体中に励振することができ
るだけでなく、液体中に存在している超音波を効率良く
電気信号に変換することができ、応答時間が短く、感度
が良く、加工性や量産性に優れた超音波トランスデュー
サを提供することにある。
An object of the present invention is not only to efficiently excite ultrasonic waves in a liquid with low power consumption, but also to efficiently convert ultrasonic waves existing in the liquid into an electric signal. It is to provide an ultrasonic transducer that can be converted, has a short response time, has high sensitivity, and is excellent in workability and mass productivity.

【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の一方の板面F1に設け
て成り、前記非圧電基板のもう一方の板面F2に接触さ
れた液体L1に超音波を放射するか、または前記非圧電
基板の前記板面F2に液体L2を接触させて該液体L2
中を伝搬する超音波を受信す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P1,P2のうちの板面P1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
以上の高次モードの弾性表面波の波長にほぼ等しいく、
前記液体L1に超音波を放射する手段は前記すだれ状電
極を入力用とし、該すだれ状電 極に電気信号を入力する
ことにより前記非圧電基板と前記超音波デバイスとの界
面Bに1次以上の高次モードの弾性表面波を励振し、該
弾性表面波を前記非圧電基板中にバルク波としてモード
変換させ、該非圧電基板中の該バルク波を縦波として前
記液体L1中に放射し、前記界面Bに励振され、前記非
圧電基板中にバルク波としてモード変換される前記弾性
表面波の位相速度は前記非圧電基板単体における横波の
速度よりも大きいことを特徴とする。請求項2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。
請求項3に記載の超音波トランスデューサは、前記圧電
薄板が前記板面P2を介して前記非圧電基板に固着さ
れ、該板面P2は金属薄膜で被覆されていることを特徴
とする。
An ultrasonic transducer according to claim 1 is provided with an ultrasonic device comprising a piezoelectric thin plate and interdigital transducers provided on one plate surface F1 of a non-piezoelectric substrate. Ultrasonic waves are radiated to the liquid L1 which is in contact with the other plate surface F2 of the substrate, or the liquid L2 is brought into contact with the plate surface F2 of the non-piezoelectric substrate.
An ultrasonic transducer for receiving ultrasonic waves propagating through the interdigital transducer, wherein the interdigital transducer is 2 in the piezoelectric thin plate.
The piezoelectric thin plate is provided on the plate surface P1 of the two plate surfaces P1 and P2, and the thickness of the piezoelectric thin plate is less than or equal to the electrode period length of the interdigital transducer, and the electrode period length of the interdigital electrode is primary or greater. approximately equal Ku to the wavelength of the surface acoustic wave of higher order modes,
The means for radiating ultrasonic waves to the liquid L1 is the interdigital transducer.
And input the pole, an electrical signal is inputted to the interdigital electrodes
As a result, the field between the non-piezoelectric substrate and the ultrasonic device is
A surface acoustic wave of a higher-order mode higher than the first order is excited on the surface B,
Mode of surface acoustic wave as bulk wave in the non-piezoelectric substrate
The bulk wave in the non-piezoelectric substrate is converted into a longitudinal wave
The liquid L1 is radiated into the liquid L1, excited by the interface B, and
The elasticity is mode-converted as a bulk wave in a piezoelectric substrate
The phase velocity of the surface wave is the transverse wave of the non-piezoelectric substrate alone.
Characterized by greater than speed . The ultrasonic transducer according to claim 2, wherein the piezoelectric thin plate is a piezoelectric ceramic.
The direction of the polarization axis of the piezoelectric ceramic is
It is characterized in that it is parallel to the thickness direction of the ceramic .
Ultrasonic transducer according to claim 3, wherein the piezoelectric
The thin plate is fixed to the non-piezoelectric substrate via the plate surface P2.
The plate surface P2 is covered with a metal thin film .

【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に電気信号を入力する構造を採
用することにより、圧電薄板に1次以上の高次モードの
速度VSの弾性表面波を励振させることができる。その
上、超音波デバイスを非圧電基板に固着させた構造を採
用することにより、この弾性表面波を非圧電基板にバル
ク波として漏洩する形でモード変換させることができ
る。このとき漏洩される弾性表面波の位相速度は非圧電
基板単体中の横波の速度VGTよりも大きい。つまり、圧
電薄板に励振される弾性表面波のうちVSがVGTよりも
大きいという関係を満たすものが非圧電基板に漏洩され
る。弾性表面波はバルク波として非圧電基板に漏洩され
るが、この漏洩弾性表面波はバルク波にモード変換され
て非圧電基板内を伝搬する。このようにして、圧電薄板
に励振された弾性表面波の一部は非圧電基板単体中の横
波の速度VGTあるいは非圧電基板単体中の縦波の速度V
GLとほぼ等しい速度を有する波に効率よく変換されて非
圧電基板に漏洩される。さらに、このようにして漏洩さ
れたバルク波の一部は非圧電基板における超音波デバイ
スが設けられていない方の板面に液体が接触した場合、
その液体中に効率よく速度VWの縦波として放射され
る。このようにして、本発明の超音波トランスデューサ
は液体中への超音波の効率的な放射を可能にする。本発
明の超音波トランスデューサは、すだれ状電極を出力用
とする場合には、非圧電基板における超音波デバイスが
設けられていない方の板面に液体が接触したとき、その
液体中に存在している超音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。非圧電基板と該
液体との界面において該液体中に励振されている速度V
Wの縦波をVGTあるいはVGLとほぼ等しい速度を有する
波に効果的に変換する構造を採用することにより、該液
体中に励振されている速度VWの縦波を効率よく非圧電
基板に伝搬することができる。非圧電基板に伝搬した速
度VGTあるいはVGLとほぼ等しい速度を有する波は圧電
薄板との界面において速度VSの弾性表面波に変換され
て圧電薄板に伝搬し、すだれ状電極において電気信号に
変換されて出力される。このようにして、本発明の超音
波トランスデューサは液体中に存在する様々な波長の超
音波のうち目的の波長を有する超音波を電気信号として
出力させることなどが可能となる。たとえば、超音波レ
ベルにおける水中の異常音の検出等が可能となる。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次以上の高次モードの弾性表
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抑圧するこ
とができる。従って、弾性表面波の非圧電基板への効果
的な漏洩を促進させることができる。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。本発明の超音波トランスデューサは、圧電薄板の
厚さdを小さくすることに伴う脆弱性を圧電薄板を非圧
電基板に固着することによって克服している。すなわ
ち、非圧電基板は圧電薄板の脆弱性を克服するために重
要な役割を果たしている。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、圧電薄
板に効率よく1次以上の高次モードの弾性表面波を励振
することができ、さらにその弾性表面波を非圧電基板に
効率よく漏洩することができる。圧電薄板としてPVD
Fその他の高分子圧電フィルムを採用することにより、
より高周波対応が可能な形で圧電薄板に効率よく1次以
上の高次モードの弾性表面波を励振することができ、さ
らにその弾性表面波を非圧電基板に効率よく漏洩するこ
とができる。圧電薄板をすだれ状電極を有しない方の板
面を介して非圧電基板に固着するとともに、圧電薄板と
非圧電基板との界面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1次以上の高次モードの弾性表面波
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。
The ultrasonic transducer of the present invention has a simple structure in which an ultrasonic device consisting of a piezoelectric thin plate and interdigital electrodes is provided on a non-piezoelectric substrate. By adopting a structure in which the interdigital electrode is used as an input and an electric signal is input to the interdigital electrode, it is possible to excite the surface acoustic wave at the velocity V S of the higher-order modes of the first or higher order in the piezoelectric thin plate. In addition, by adopting a structure in which the ultrasonic device is fixed to the non-piezoelectric substrate, it is possible to perform mode conversion in such a manner that this surface acoustic wave leaks to the non-piezoelectric substrate as a bulk wave. The phase velocity of the surface acoustic wave leaked at this time is higher than the velocity V GT of the transverse wave in the single non-piezoelectric substrate. That is, of the surface acoustic waves excited in the piezoelectric thin plate, those satisfying the relationship that V S is larger than V GT are leaked to the non-piezoelectric substrate. The surface acoustic waves are leaked to the non-piezoelectric substrate as bulk waves, and the leaked surface acoustic waves are mode-converted into bulk waves and propagate in the non-piezoelectric substrate. In this way, a part of the surface acoustic wave excited on the piezoelectric thin plate is a velocity of the transverse wave in the single non-piezoelectric substrate V GT or a velocity of the longitudinal wave in the single non-piezoelectric substrate V
It is efficiently converted into a wave having a velocity almost equal to that of GL and leaks to the non-piezoelectric substrate. Furthermore, when the liquid comes into contact with the plate surface of the non-piezoelectric substrate on which the ultrasonic device is not provided,
It is efficiently radiated into the liquid as a longitudinal wave having a velocity V W. In this way, the ultrasonic transducer of the present invention enables efficient emission of ultrasonic waves into the liquid. The ultrasonic transducer of the present invention, when the interdigital electrode is used for output, when the liquid comes into contact with the plate surface of the non-piezoelectric substrate on which the ultrasonic device is not provided, exists in the liquid. The ultrasonic waves present can be output as an electric signal from the interdigital transducer. Velocity V excited in the liquid at the interface between the non-piezoelectric substrate and the liquid
By adopting a structure that effectively converts the longitudinal wave of W into a wave having a velocity substantially equal to V GT or V GL , the longitudinal wave of velocity V W excited in the liquid can be efficiently used on the non-piezoelectric substrate. Can be propagated to. A wave having a speed almost equal to the speed V GT or V GL propagating to the non-piezoelectric substrate is converted into a surface acoustic wave having a speed V S at the interface with the piezoelectric thin plate and propagates to the piezoelectric thin plate to become an electric signal at the interdigital transducer. It is converted and output. In this way, the ultrasonic transducer of the present invention can output an ultrasonic wave having a target wavelength among the ultrasonic waves of various wavelengths existing in the liquid as an electric signal. For example, it is possible to detect abnormal sound in water at the ultrasonic level. By adopting a structure in which the thickness of the piezoelectric thin plate is set to be equal to or less than the electrode period length of the interdigital transducer and the electrode period length of the interdigital electrode is approximately equal to the wavelength of the surface acoustic wave of higher than first order mode, Not only can the degree of conversion of the electrical energy applied to the electrodes into surface acoustic waves be increased, but also the reflection and the like caused by the mismatch of acoustic impedance at the interface between the piezoelectric thin plate and the non-piezoelectric substrate can be suppressed. You can Therefore, effective leakage of surface acoustic waves to the non-piezoelectric substrate can be promoted. The smaller the electrode period length of the interdigital transducer, that is, the ratio (d / λ) of the thickness d of the piezoelectric thin plate to the wavelength λ of the surface acoustic wave, the greater the effect. The ultrasonic transducer of the present invention overcomes the weakness associated with reducing the thickness d of the piezoelectric thin plate by fixing the piezoelectric thin plate to the non-piezoelectric substrate. That is, the non-piezoelectric substrate plays an important role in overcoming the weakness of the piezoelectric thin plate. By adopting a structure in which a piezoelectric ceramic is used as the piezoelectric thin plate and the direction of the polarization axis of the piezoelectric ceramic is parallel to the thickness direction, the piezoelectric thin plate can efficiently transmit surface acoustic waves of higher than first-order modes. It can be excited, and the surface acoustic waves can be efficiently leaked to the non-piezoelectric substrate. PVD as a piezoelectric thin plate
By using F and other polymeric piezoelectric films,
It is possible to efficiently excite the higher-order mode surface acoustic waves of the first or higher order in the piezoelectric thin plate in a form capable of supporting higher frequencies, and further to efficiently leak the surface acoustic waves to the non-piezoelectric substrate. The piezoelectric thin plate is fixed to the non-piezoelectric substrate through the plate surface that does not have the interdigital electrode, and the structure in which the interface between the piezoelectric thin plate and the non-piezoelectric substrate is electrically short-circuited is adopted. The electrical energy applied to the electrodes can be efficiently converted into surface acoustic waves of higher than first-order modes. A method of coating the plate surface with a metal thin film is effective for electrically short-circuiting.

【実施例】図1は本発明の超音波トランスデューサの一
実施例を示す断面図である。本実施例はすだれ状電極
1、圧電磁器薄板2およびガラス基板3から成る。ガラ
ス基板3における圧電磁器薄板2を有しない方の板面は
水に接触されている。すだれ状電極1はアルミニウム薄
膜で成る。圧電磁器薄板2は厚さがdのTDK製101
A材(製品名)で成る。ガラス基板3は厚さ(TG)が
1.9mmのパイレックスガラスで成る。すだれ状電極
1は圧電磁器薄板2上に設けられ、圧電磁器薄板2はガ
ラス基板3上に設けられている。圧電磁器薄板2はエポ
キシ系樹脂によってガラス基板3上に固着されている。
すだれ状電極1は電極周期長が2Pの正規型のものであ
り、10対の電極指を有する。図1の超音波トランスデ
ューサのすだれ状電極1を入力用として用いた場合、す
だれ状電極1に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1に対応する中心周波数とその
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2を速度VSで伝搬する。この弾性表面波
のうち速度VSがガラス基板3単体に励振する横波の速
度VGTよりも大きいという関係を満たすものは速度VG
のバルク波に変換されてガラス基板3に漏洩される。こ
のとき、バルク波の速度VGは速度VGTまたはガラス基
板3単体に励振する縦波の速度VGLと等しい。つまり、
バルク波は速度VGTまたはVGLと等しい速度VGでガラ
ス基板3を伝搬する。圧電磁器薄板2からバルク波が漏
洩されるときの漏洩角θGはVGとVSとの比(VG
S)に相関する。ガラス基板3を励振するバルク波は
ガラス基板3と水との界面において速度VWの縦波に変
換されて水中に放射される。このときの放射角θWは速
度VWとVGとの比(VW/VG)に相関する。すだれ状電
極1に入力する電気信号の周波数に応じて速度VSが変
化することから、該電気信号の周波数を変化させること
により漏洩角θGおよび放射角θWを変動させることが可
能となる。従って、液中に超音波を放射する場合、目的
や用途に応じて最も効果的な角度で放射することができ
る。図1の超音波トランスデューサのすだれ状電極1を
出力用として用いた場合、水中における速度VWの縦波
をすだれ状電極1から電気信号として出力することがで
きる。水中における速度VWの縦波は水とガラス基板3
との界面において速度VGのバルク波に変換されてガラ
ス基板3を伝搬し、速度VGの該バルク波はガラス基板
3と圧電磁器薄板2との界面において速度VSの弾性表
面波に変換され、速度VSの該弾性表面波のうちすだれ
状電極1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1から出
力される。このようにして、すだれ状電極1の電極周期
長を目的や用途に応じて変化させることにより、液中に
おける所定の波長の超音波を電気信号として出力させる
ことが可能となる。図2はガラス基板3とガラス基板3
に接触された水との界面付近での超音波の伝搬形態を示
す断面図である。ガラス基板3を伝搬するバルク横波が
該界面に達すると、反射角θGTを示す横波反射波RT
反射角θGLを示す縦波反射波RLおよび縦波透過波TL
3成分を生じる。このようにして、ガラス基板3を伝搬
するバルク波は前記界面において一部が横波反射波RT
および縦波反射波RLとして反射され、残部が縦波透過
波TLとして放射角θWで水中に放射される。なお、図2
における反射角θGTは図1における漏洩角θGと等し
い。図3は図1の超音波トランスデューサにおける圧電
磁器薄板2およびガラス基板3から成る層状媒体を伝搬
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2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2は、圧電磁器薄板2のガラス基板3と接触す
る方の板面(ガラス側板面)ともう一方の空気に接触す
る方の板面(空気側板面)とがともに電気的に開放状態
にあるものを用いた。本図において”open”は開放
状態であることを示す。また、数字はモード次数を、○
印は実測値を示す。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2
のレイリー波速度に収束している。従って、零次モード
はガラス基板3に漏洩されることは無い。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の縦波速度VGLに収束してい
る。ガラス基板3の横波速度VGT(3427m/s)よ
りも小さい速度の波は波のエネルギーが表面付近に局在
して伝搬する表面波である。ガラス基板3の横波速度V
GTよりも大きい速度の波には速度の虚数成分が存在し、
波のエネルギーの一部はガラス基板3中にバルク横波と
して漏洩される。従って、1次以上の高次モードでしか
も速度がVGTよりも大きくVGLよりも小さい領域の波が
波のエネルギーの一部をバルク横波としてガラス基板3
中に漏洩することができる。ガラス基板3の縦波速度V
GLよりも速度が大きい場合には上述のバルク横波に関す
る議論が成立し、その場合にはバルク縦波とバルク横波
が存在しうることになる。図4は図1の超音波トランス
デューサにおけるモード変換効率Cとfd値との関係を
示す特性図である。但し、圧電磁器薄板2は、圧電磁器
薄板2のガラス基板3と接触する方の板面(ガラス側板
面)ともう一方の空気に接触する方の板面(空気側板
面)とがともに電気的に開放状態にあるものを用いた。
零次モードを除く高次モードにおいて圧電磁器薄板2に
伝搬する弾性表面波が効率よくガラス基板3に横波の形
で漏洩されることがわかる。図5は圧電磁器薄板2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2は、圧電磁器薄板
2の空気側板面にすだれ状電極1(IDT)を設けガラ
ス側板面を電気的に開放状態にしたものを用いている。
零次モードのk2はfd=0.7MHz・mm付近から
ほぼ一定の値(k2=4%)を示している。零次モード
を除く高次モードではそれぞれ2つのピークが存在す
る。1次モードでは1つのピークのk2は12%を示し
このピークは圧電磁器薄板2からガラス基板3へ漏洩さ
れる表面波に対応するものと考えられ、もう1つのピー
クのk2は7%を示しこのピークは圧電磁器薄板2から
ガラス基板3へ漏洩されない表面波に対応するものと考
えられる。このような傾向は2次以上の各モードについ
ても観測される。2次および4次モードは収束していな
いので周波数に対して不安定であるが、効率的には最も
良好な値を示している。このようにして、零次モードを
除くどの高次モードにおいても弾性表面波を圧電磁器薄
板2からガラス基板3へ漏洩させることができ、fd値
を調整することによりガラス基板3への最も効率のよい
漏洩を実現することができる。図6は圧電磁器薄板2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2は、圧電磁器薄
板2の空気側板面にすだれ状電極1を設けガラス側板面
を電気的に短絡状態にしたものを用いている。本実施例
においては圧電磁器薄板2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”は短絡状態であることを示
す。図6においても図5と同様な傾向が見られ、零次モ
ードを除くどの高次モードにおいても弾性表面波を圧電
磁器薄板2からガラス基板3へ漏洩させることができ、
fd値を調整することによりガラス基板3への最も効率
のよい漏洩を実現することができる。図7は圧電磁器薄
板2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2は、圧電
磁器薄板2の空気側板面を電気的に開放状態にしガラス
側板面にすだれ状電極1を設けたものを用いている。図
7においても図5と同様な傾向が見られ、零次モードを
除くどの高次モードにおいても弾性表面波を圧電磁器薄
板2からガラス基板3へ漏洩させることができ、fd値
を調整することによりガラス基板3への最も効率のよい
漏洩を実現することができる。図8は圧電磁器薄板2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2は、圧電磁器薄
板2の空気側板面を電気的に短絡状態にしガラス側板面
にすだれ状電極1を設けたものを用いている。図8にお
いても図5と同様な傾向が見られ、零次モードを除くど
の高次モードにおいても弾性表面波を圧電磁器薄板2か
らガラス基板3へ漏洩させることができ、fd値を調整
することによりガラス基板3への最も効率のよい漏洩を
実現することができる。図5〜8より、図6の実施例に
ける構造、すなわち圧電磁器薄板2の空気側板面にすだ
れ状電極1を設けガラス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1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、装置を
駆動する際の周波数に対する安定性も優れていることが
わかる。しかも、この構造ではすだれ状電極1が空気側
板面にあることから、製作上の容易性にもつながるとい
う利点を有している。図9は図2に示す横波反射波
T、縦波反射波RLおよび縦波透過波TLの位相速度に
対するエネルギー分配率と角度との関係を示す特性図で
ある。但し、このときの角度は横波反射波RTに対して
は反射角θGTを、縦波反射波RLに対しては反射角θGL
を、縦波透過波TLに対しては放射角θWを示す。縦波透
過波TLの透過率が最も大きいのは位相速度がほぼ33
00m/sから5500m/s付近の領域であって、こ
のときの放射角θWは約25度から15度程度であるこ
とがわかる。図10は図1の超音波トランスデューサに
おける挿入損失と周波数との関係の一実施例を示す特性
図であり、圧電磁器薄板2の厚さdが200μm、すだ
れ状電極1の電極周期長2Pが380μmの場合の結果
である。図10の(a)はガラス基板3に水が接触して
いない場合を示し、(b)はガラス基板3に水が接触し
ている場合を示す。(a)における挿入損失の変化はほ
ぼk2の変化に相関している。各周波数における(a)
と(b)との差が大きいほど水中に縦波として放射され
る度合が大きいことから、中心周波数がほぼ10MHz
の2次モードの表面波が水中に縦波として放射される度
合が最も大きいことがわかる。図11は図1の超音波ト
ランスデューサにおけるrfパルス応答の波形観測の一
実施例を示す図である。但し、図11は中心周波数が1
0MHzの2次モードに対する波形を示している。A,
B,B’およびCはそれぞれ入力信号のrfパルス波、
ガラス基板伝搬波、反射波および縦波透過波の波形を示
す。,およびはそれぞれ入力信号、ガラス基板伝
搬信号および液体負荷状態での遅延信号を示している。
これらの結果から、ガラス基板3から水中へ有効に縦波
透過波が放射されていることが確認される。
1 is a sectional view showing an embodiment of an ultrasonic transducer of the present invention. This embodiment comprises a comb-shaped electrode 1, a piezoelectric ceramic thin plate 2 and a glass substrate 3. The plate surface of the glass substrate 3 which does not have the piezoelectric ceramic thin plate 2 is in contact with water. The interdigital electrode 1 is made of an aluminum thin film. The piezoelectric ceramic thin plate 2 is made of TDK 101 with a thickness of d.
It consists of A material (product name). The glass substrate 3 is made of Pyrex glass having a thickness (T G ) of 1.9 mm. The interdigital electrode 1 is provided on a piezoelectric ceramic thin plate 2, and the piezoelectric ceramic thin plate 2 is provided on a glass substrate 3. The piezoelectric ceramic thin plate 2 is fixed on the glass substrate 3 with an epoxy resin.
The interdigital electrode 1 is of a regular type having an electrode cycle length of 2P and has 10 pairs of electrode fingers. When the interdigital transducer 1 of the ultrasonic transducer of FIG. 1 is used as an input, when an electric signal is input to the interdigital transducer 1, the center frequency corresponding to the interdigital electrode 1 and the frequencies in the vicinity of the frequencies of the electrical signal are input. Is converted into a surface acoustic wave and propagates through the piezoelectric ceramic thin plate 2 at a velocity V S. Among the surface acoustic waves, the one that satisfies the relationship that the velocity V S is higher than the velocity V GT of the transverse wave excited on the glass substrate 3 alone is the velocity V G.
Is converted into a bulk wave and leaked to the glass substrate 3. At this time, the velocity V G of the bulk wave is equal to the velocity V GT or the velocity V GL of the longitudinal wave excited on the glass substrate 3 alone. That is,
The bulk wave propagates through the glass substrate 3 at a velocity V G equal to the velocity V GT or V GL . The leakage angle θ G when the bulk wave leaks from the piezoelectric ceramic thin plate 2 is the ratio of V G and V S (V G /
V S ). The bulk wave exciting the glass substrate 3 is converted into a longitudinal wave having a velocity V W at the interface between the glass substrate 3 and water and radiated into the water. The radiation angle θ W at this time is correlated with the ratio (V W / V G ) between the speeds V W and V G. Since the velocity V S changes according to the frequency of the electric signal input to the interdigital transducer 1, it is possible to change the leakage angle θ G and the radiation angle θ W by changing the frequency of the electric signal. . Therefore, when the ultrasonic wave is emitted into the liquid, the ultrasonic wave can be emitted at the most effective angle according to the purpose and application. When the interdigital transducer 1 of the ultrasonic transducer of FIG. 1 is used for output, a longitudinal wave having a velocity V W in water can be output from the interdigital transducer 1 as an electric signal. Longitudinal waves of velocity V W in water are water and glass substrate 3
Is converted into a bulk wave having a velocity V G and propagates through the glass substrate 3 at the interface with the V g, and the bulk wave having a velocity V G is converted into a surface acoustic wave having a velocity V S at the interface between the glass substrate 3 and the piezoelectric ceramic thin plate 2. Then, among the surface acoustic waves at the velocity V S , only the surface acoustic wave having the center frequency indicated by the interdigital transducer 1 and the frequency in the vicinity thereof is converted into an electric signal and output from the interdigital transducer 1. In this way, by changing the electrode cycle length of the interdigital transducer 1 according to the purpose or application, it is possible to output ultrasonic waves of a predetermined wavelength in the liquid as an electric signal. FIG. 2 shows the glass substrate 3 and the glass substrate 3.
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a propagation form of ultrasonic waves in the vicinity of an interface with water which is brought into contact with water. When a bulk transverse wave propagating through the glass substrate 3 reaches the interface, a transverse wave reflected wave RT showing a reflection angle θ GT ,
Three components of a longitudinal wave reflected wave R L and a longitudinal wave transmitted wave T L which indicate a reflection angle θ GL are generated. In this way, part of the bulk wave propagating through the glass substrate 3 is the transverse reflected wave R T at the interface.
And it is reflected as a longitudinal wave reflected wave R L, the remainder is emitted to the water in the radiation angle theta W as a longitudinal wave transmitted wave T L. Note that FIG.
The reflection angle θ GT at is equal to the leakage angle θ G in FIG. FIG. 3 is a characteristic diagram showing a velocity dispersion curve of a surface acoustic wave propagating through a layered medium composed of the piezoelectric ceramic thin plate 2 and the glass substrate 3 in the ultrasonic transducer of FIG. 1. The frequency f of the surface acoustic wave and the piezoelectric ceramic thin plate 2 are shown in FIG. It is a figure which shows the phase velocity of each mode with respect to the product with thickness d of. However, in the piezoelectric ceramic thin plate 2, both the plate surface of the piezoelectric ceramic thin plate 2 that contacts the glass substrate 3 (glass side plate surface) and the other plate surface of the piezoelectric ceramic thin plate 2 that contacts air (air side plate surface) are both electrically conductive. The one in the open state was used. In the figure, "open" indicates an open state. In addition, the number is the mode order, ○
The mark indicates the measured value. Surface acoustic waves have multiple modes. The zero-order mode is a fundamental Rayleigh wave, and the zero-order mode corresponds to the Rayleigh wave velocity of the glass substrate 3 when the fd value is zero, and the piezoelectric ceramic thin plate 2 increases as the fd value increases.
It converges to the Rayleigh wave velocity. Therefore, the zero-order mode is not leaked to the glass substrate 3. In the first and higher modes, there is a cutoff frequency, and when the fd value is minimum, the cutoff frequency converges to the longitudinal wave velocity V GL of the glass substrate 3. A wave having a velocity smaller than the transverse wave velocity V GT (3427 m / s) of the glass substrate 3 is a surface wave in which the wave energy is localized and propagates near the surface. Transverse wave velocity V of glass substrate 3
There is an imaginary component of velocity in waves with a velocity greater than GT ,
Part of the wave energy is leaked into the glass substrate 3 as a bulk transverse wave. Therefore, the wave in the region of the first or higher order mode and the velocity of which is larger than V GT and smaller than V GL uses a part of the energy of the wave as a bulk transverse wave to form the glass substrate 3
Can be leaked in. Longitudinal wave velocity V of glass substrate 3
If the velocity is higher than that of GL , the above discussion on bulk transverse waves holds, and in that case, bulk longitudinal waves and bulk transverse waves can exist. FIG. 4 is a characteristic diagram showing the relationship between the mode conversion efficiency C and the fd value in the ultrasonic transducer of FIG. However, in the piezoelectric ceramic thin plate 2, both the plate surface of the piezoelectric ceramic thin plate 2 that contacts the glass substrate 3 (glass side plate surface) and the other plate surface of the piezoelectric ceramic thin plate 2 that contacts air (air side plate surface) are both electrically conductive. The one in the open state was used.
It can be seen that surface acoustic waves propagating to the piezoelectric ceramic thin plate 2 are efficiently leaked to the glass substrate 3 in the form of transverse waves in high-order modes other than the zero-order mode. FIG. 5 is a characteristic diagram showing the relationship between the effective electromechanical coupling coefficient k 2 calculated from the phase velocity difference of the piezoelectric ceramic thin plate 2 under two different electrical boundary conditions and the fd value. However, as the piezoelectric ceramic thin plate 2, a piezoelectric ceramic thin plate 2 is used in which the interdigital electrode 1 (IDT) is provided on the air side plate surface and the glass side plate surface is electrically opened.
The k 2 of the zero-order mode shows a substantially constant value (k 2 = 4%) from around fd = 0.7 MHz · mm. There are two peaks in each of the higher modes except the zeroth mode. In the first-order mode, one peak k 2 shows 12%, and this peak is considered to correspond to the surface wave leaked from the piezoelectric ceramic thin plate 2 to the glass substrate 3, and the other peak k 2 is 7%. This peak is considered to correspond to the surface wave that is not leaked from the piezoelectric ceramic thin plate 2 to the glass substrate 3. Such a tendency is also observed in each of the modes of the second and higher orders. The second- and fourth-order modes are unstable with respect to frequency because they do not converge, but show the best efficiency value. In this way, surface acoustic waves can be leaked from the piezoelectric ceramic thin plate 2 to the glass substrate 3 in any higher-order mode except the zero-order mode, and by adjusting the fd value, the most efficient surface wave to the glass substrate 3 can be obtained. Good leakage can be achieved. FIG. 6 is a characteristic diagram showing the relationship between the effective electromechanical coupling coefficient k 2 calculated from the phase velocity difference of the piezoelectric ceramic thin plate 2 under two different electrical boundary conditions and the fd value. However, as the piezoelectric ceramic thin plate 2, one in which the interdigital electrode 1 is provided on the air side plate surface of the piezoelectric ceramic thin plate 2 and the glass side plate surface is electrically short-circuited is used. In the present embodiment, the plate surface of the piezoelectric ceramic thin plate 2 is coated with a metal thin film to electrically short the plate surface. In the figure, "short" indicates a short circuit state. In FIG. 6, the same tendency as in FIG. 5 is seen, and surface acoustic waves can be leaked from the piezoelectric ceramic thin plate 2 to the glass substrate 3 in any higher order mode except the zero order mode.
By adjusting the fd value, the most efficient leakage to the glass substrate 3 can be realized. FIG. 7 is a characteristic diagram showing the relationship between the effective electromechanical coupling coefficient k 2 calculated from the phase velocity difference of the piezoelectric ceramic thin plate 2 under two different electrical boundary conditions and the fd value. However, as the piezoelectric ceramic thin plate 2, one in which the air side plate surface of the piezoelectric ceramic thin plate 2 is electrically opened and the interdigital electrode 1 is provided on the glass side plate surface is used. In FIG. 7, the same tendency as in FIG. 5 is seen, and the surface acoustic wave can be leaked from the piezoelectric ceramic thin plate 2 to the glass substrate 3 in any higher order mode except the zero order mode, and the fd value should be adjusted. Thus, the most efficient leakage to the glass substrate 3 can be realized. FIG. 8 is a characteristic diagram showing the relationship between the effective electromechanical coupling coefficient k 2 calculated from the phase velocity difference of the piezoelectric ceramic thin plate 2 under two different electrical boundary conditions and the fd value. However, as the piezoelectric ceramic thin plate 2, one in which the air side plate surface of the piezoelectric ceramic thin plate 2 is electrically short-circuited and the interdigital electrode 1 is provided on the glass side plate surface is used. In FIG. 8, the same tendency as in FIG. 5 is seen, and the surface acoustic wave can be leaked from the piezoelectric ceramic thin plate 2 to the glass substrate 3 in any higher order mode except the zero order mode, and the fd value should be adjusted. Thus, the most efficient leakage to the glass substrate 3 can be realized. 5-8, in addition to the interdigital electrode 1 in the structure of the embodiment of FIG. 6, that is, in the structure in which the interdigital electrode 1 is provided on the air side plate surface of the piezoelectric ceramic thin plate 2 and the glass side plate surface is electrically short-circuited. It can be seen that the degree of conversion of the electric energy generated into surface acoustic waves is large, and the stability against frequency when driving the device is also excellent. Moreover, in this structure, since the interdigital transducer 1 is on the air side plate surface, it has an advantage that it is easy to manufacture. FIG. 9 is a characteristic diagram showing the relationship between the energy distribution ratio and the angle with respect to the phase velocity of the transverse wave reflected wave RT , the longitudinal wave reflected wave RL, and the longitudinal wave transmitted wave TL shown in FIG. However, the angle at this time is the reflection angle θ GT for the transverse reflected wave R T and the reflection angle θ GL for the longitudinal reflected wave R L.
And the emission angle θ W for the longitudinal transmitted wave T L. The maximum transmittance of the longitudinal wave transmitted wave T L is the phase velocity of about 33.
It can be seen that the emission angle θ W at this time is in the range of about 25 degrees to 15 degrees in the region from 00 m / s to 5500 m / s. 10 is a characteristic diagram showing an example of the relationship between the insertion loss and the frequency in the ultrasonic transducer of FIG. 1, the thickness d of the piezoelectric ceramic thin plate 2 is 200 μm, and the electrode period length 2P of the interdigital transducer 1 is 380 μm. Is the result in the case of. 10A shows a case where water is not in contact with the glass substrate 3, and FIG. 10B shows a case where water is in contact with the glass substrate 3. The change in insertion loss in (a) is almost correlated with the change in k 2 . (A) at each frequency
Since the greater the difference between (b) and (b), the greater the degree of emission as longitudinal waves in water, the center frequency is approximately 10 MHz.
It can be seen that the surface wave of the secondary mode of is radiated into water as a longitudinal wave to the maximum extent. FIG. 11 is a diagram showing an embodiment of waveform observation of the rf pulse response in the ultrasonic transducer of FIG. However, in FIG. 11, the center frequency is 1
The waveform for the secondary mode of 0 MHz is shown. A,
B, B ′ and C are rf pulse waves of the input signal,
Waveforms of a glass substrate propagating wave, a reflected wave, and a longitudinal wave transmitted wave are shown. ,, and indicate the input signal, the glass substrate propagation signal, and the delay signal under the liquid load condition, respectively.
From these results, it is confirmed that the longitudinal transmitted waves are effectively radiated from the glass substrate 3 into the water.

【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に電気
信号を入力することにより、圧電薄板に1次以上の高次
モードの速度VSの弾性表面波を励振させることができ
る。その上、超音波デバイスを非圧電基板に固着させた
構造を採用することにより、この弾性表面波を非圧電基
板にバルク波として漏洩する形でモード変換させること
ができる。このとき漏洩される弾性表面波の位相速度は
非圧電基板単体中の横波の速度VGTよりも大きい。つま
り、圧電薄板に励振される弾性表面波のうちVSがVGT
よりも大きいという関係を満たすものが非圧電基板に漏
洩される。このようにして、圧電薄板に励振された弾性
表面波の一部は非圧電基板単体中の横波の速度VGTある
いは非圧電基板単体中の縦波の速度VGLとほぼ等しい速
度を有する波に効率よく変換されて非圧電基板に漏洩さ
れる。このようにして漏洩されたバルク波の一部は非圧
電基板における超音波デバイスが設けられていない方の
板面に液体が接触した場合、その液体中に効率よく速度
Wの縦波として放射される。このようにして、本発明
の超音波トランスデューサは液体中への超音波の効率的
な放射を可能にする。すだれ状電極を出力用とする場合
には、非圧電基板における超音波デバイスが設けられて
いない方の板面に液体が接触したとき、その液体中に存
在している超音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。非圧電基板と該液体との界
面において該液体中に存在する速度VWの縦波をVGT
るいはVGLとほぼ等しい速度を有する波に効果的に変換
することにより、該液体中に励振されているを速度VW
の縦波を効率よく非圧電基板に伝搬することができる。
非圧電基板に伝搬した速度VGTあるいはVGLとほぼ等し
い速度を有する波は圧電薄板との界面において速度VS
の弾性表面波に変換されて圧電薄板に伝搬し、すだれ状
電極において電気信号に変換されて出力される。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次以上の高次モードの弾性表面
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抑圧することが
できる。従って、弾性表面波の非圧電基板への効果的な
漏洩を促進させることができる。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。本発
明の超音波トランスデューサは、圧電薄板の厚さdを小
さくすることに伴う脆弱性を圧電薄板を非圧電基板に固
着することによって克服している。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、圧電薄板に効率よく1次以上の高次モードの弾性表
面波を励振することができ、さらにその弾性表面波を非
圧電基板に効率よく漏洩することができる。また、圧電
薄板としてPVDFその他の高分子圧電フィルムを採用
することも可能で、より高周波対応が可能な形で圧電薄
板に効率よく1次以上の高次モードの弾性表面波を励振
することができ、さらにその弾性表面波を非圧電基板に
効率よく漏洩することができる。圧電薄板をすだれ状電
極を有しない方の板面を介して非圧電基板に固着すると
ともに、圧電薄板と非圧電基板との界面を電気的に短絡
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1次以上の高次
モードの弾性表面波に変換することができる。
According to the ultrasonic transducer of the present invention, the interdigital electrode is used as an input, and an electric signal is input to the interdigital electrode so that the velocity V S of the higher-order mode higher than the first mode is applied to the piezoelectric thin plate. Surface acoustic waves can be excited. In addition, by adopting a structure in which the ultrasonic device is fixed to the non-piezoelectric substrate, it is possible to perform mode conversion in such a manner that this surface acoustic wave leaks to the non-piezoelectric substrate as a bulk wave. The phase velocity of the surface acoustic wave leaked at this time is higher than the velocity V GT of the transverse wave in the single non-piezoelectric substrate. That is, V S of the surface acoustic waves excited on the piezoelectric thin plate is V GT
Those satisfying the relationship of being larger than are leaked to the non-piezoelectric substrate. In this way, a part of the surface acoustic wave excited on the piezoelectric thin plate becomes a wave having a velocity approximately equal to the velocity V GT of the transverse wave in the single non-piezoelectric substrate or the velocity V GL of the longitudinal wave in the single non-piezoelectric substrate. It is converted efficiently and leaked to the non-piezoelectric substrate. When a liquid comes into contact with the plate surface of the non-piezoelectric substrate on which the ultrasonic device is not provided, a part of the leaked bulk wave is efficiently radiated into the liquid as a longitudinal wave of velocity V W. To be done. In this way, the ultrasonic transducer of the present invention enables efficient emission of ultrasonic waves into the liquid. When the interdigital electrode is used for output, when the liquid comes into contact with the plate surface of the non-piezoelectric substrate on which the ultrasonic device is not provided, the ultrasonic waves existing in the liquid are converted into the interdigital electrode. Can be output as an electric signal. Excited in the liquid by effectively converting a longitudinal wave having a velocity V W existing in the liquid at the interface between the non-piezoelectric substrate and the liquid into a wave having a velocity substantially equal to V GT or V GL. The speed V W
Longitudinal waves can be efficiently propagated to the non-piezoelectric substrate.
A wave having a velocity almost equal to the velocity V GT or V GL propagating to the non-piezoelectric substrate is velocity V S at the interface with the piezoelectric thin plate.
Is transmitted to the piezoelectric thin plate and converted into an electric signal at the interdigital transducer and output. By adopting a structure in which the thickness of the piezoelectric thin plate is set to be equal to or less than the electrode period length of the interdigital transducer, and the electrode period length of the interdigital electrode is made substantially equal to the wavelength of the surface acoustic wave of the first or higher modes.
Not only can the degree of conversion of the electrical energy applied to the interdigital electrodes into surface acoustic waves be increased, but the reflection etc. caused by the acoustic impedance mismatch at the interface between the piezoelectric thin plate and the non-piezoelectric substrate can be suppressed. can do. Therefore, effective leakage of surface acoustic waves to the non-piezoelectric substrate can be promoted. The smaller the electrode period length of the interdigital transducer, that is, the ratio (d / λ) of the thickness d of the piezoelectric thin plate to the wavelength λ of the surface acoustic wave, the greater the effect. The ultrasonic transducer of the present invention overcomes the weakness associated with reducing the thickness d of the piezoelectric thin plate by fixing the piezoelectric thin plate to the non-piezoelectric substrate. By adopting a structure in which a piezoelectric ceramic is used as the piezoelectric thin plate and the direction of the polarization axis of the piezoelectric ceramic is parallel to the thickness direction, the piezoelectric thin plate can efficiently transmit surface acoustic waves of higher than first-order modes. It can be excited, and the surface acoustic waves can be efficiently leaked to the non-piezoelectric substrate. Further, it is also possible to adopt a polymer piezoelectric film such as PVDF as the piezoelectric thin plate, and it is possible to efficiently excite the higher-order mode surface acoustic wave of the first order or higher in the piezoelectric thin plate in a form capable of supporting higher frequencies. Moreover, the surface acoustic waves can be efficiently leaked to the non-piezoelectric substrate. The piezoelectric thin plate is fixed to the non-piezoelectric substrate through the plate surface that does not have the interdigital electrode, and the structure in which the interface between the piezoelectric thin plate and the non-piezoelectric substrate is electrically short-circuited is adopted. The electrical energy applied to the electrodes can be efficiently converted into surface acoustic waves of higher than first-order modes.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の超音波トランスデューサの一実施例を
示す断面図。
FIG. 1 is a sectional view showing an embodiment of an ultrasonic transducer of the present invention.

【図2】ガラス基板3とガラス基板3に接触された水と
の界面付近での超音波の伝搬形態を示す断面図。
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a propagation form of ultrasonic waves in the vicinity of an interface between a glass substrate 3 and water in contact with the glass substrate 3.

【図3】図1の超音波トランスデューサにおける圧電磁
器薄板2およびガラス基板3から成る層状媒体を伝搬す
る弾性表面波の速度分散曲線を示す特性図。
3 is a characteristic diagram showing a velocity dispersion curve of a surface acoustic wave propagating in a layered medium composed of a piezoelectric ceramic thin plate 2 and a glass substrate 3 in the ultrasonic transducer of FIG.

【図4】図1の超音波トランスデューサにおけるモード
変換効率Cとfd値との関係を示す特性図。
4 is a characteristic diagram showing the relationship between the mode conversion efficiency C and the fd value in the ultrasonic transducer of FIG.

【図5】圧電磁器薄板2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
2とfd値との関係を示す特性図。
FIG. 5 is a characteristic diagram showing the relationship between the effective electromechanical coupling coefficient k 2 calculated from the phase velocity difference of the piezoelectric ceramic thin plate 2 under two different electrical boundary conditions and the fd value.

【図6】圧電磁器薄板2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
2とfd値との関係を示す特性図。
FIG. 6 is a characteristic diagram showing the relationship between the effective electromechanical coupling coefficient k 2 calculated from the phase velocity difference of the piezoelectric ceramic thin plate 2 under two different electrical boundary conditions and the fd value.

【図7】圧電磁器薄板2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
2とfd値との関係を示す特性図。
FIG. 7 is a characteristic diagram showing the relationship between the effective electromechanical coupling coefficient k 2 calculated from the phase velocity difference under two different electrical boundary conditions of the piezoelectric ceramic thin plate 2 and the fd value.

【図8】圧電磁器薄板2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
2とfd値との関係を示す特性図。
FIG. 8 is a characteristic diagram showing the relationship between the effective electromechanical coupling coefficient k 2 calculated from the phase velocity difference of the piezoelectric ceramic thin plate 2 under two different electrical boundary conditions and the fd value.

【図9】図2に示す横波反射波RT、縦波反射波RLおよ
び縦波透過波TLの位相速度に対するエネルギー分配率
と角度との関係を示す特性図。
9 is a characteristic diagram showing the relationship between the energy distribution ratio and the angle with respect to the phase velocity of the transverse wave reflected wave R T , the longitudinal wave reflected wave R L, and the longitudinal wave transmitted wave T L shown in FIG.

【図10】図1の超音波トランスデューサにおける挿入
損失と周波数との関係の一実施例を示す特性図。
10 is a characteristic diagram showing an example of the relationship between insertion loss and frequency in the ultrasonic transducer of FIG.

【図11】図1の超音波トランスデューサにおけるrf
パルス応答の波形観測の一実施例を示す図。
11 is a graph showing the rf of the ultrasonic transducer of FIG.
The figure which shows one Example of the waveform observation of a pulse response.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 すだれ状電極 2 圧電磁器薄板 3 ガラス基板 1 interdigital transducer 2 Piezoelectric thin plate 3 glass substrates

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【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の一方の板面F1に設けて成
り、前記非圧電基板のもう一方の板面F2に接触された
液体L1に超音波を放射するか、または前記非圧電基板
の前記板面F2に液体L2を接触させて該液体L2中を
伝搬する超音波を受信す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P1,P2のうちの板面P1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次以上の
高次モードの弾性表面波の波長にほぼ等しく、前記液体
L1に超音波を放射する手段は前記すだれ状電極を入力
用とし、該すだれ状電極に電気信号を入力することによ
り前記非圧電基板と前記超音波デバイスとの界面Bに1
次以上の高次モードの弾性表面波を励振し、該弾性表面
波を前記非圧電基板中にバルク波としてモード変換さ
せ、該非圧電基板中の該バルク波を縦波として前記液体
L1中に放射し、前記界面Bに励振され、前記非圧電基
板中にバルク波としてモード変換される前記弾性表面波
の位相速度は前記非圧電基板単体における横波の速度よ
りも大きいことを特徴とする超音波トランスデューサ。
1. An ultrasonic device comprising a piezoelectric thin plate and interdigital electrodes is provided on one plate surface F1 of a non-piezoelectric substrate, and the liquid L1 is in contact with the other plate surface F2 of the non-piezoelectric substrate. An ultrasonic transducer, which emits ultrasonic waves or receives ultrasonic waves propagating in the liquid L2 by bringing the liquid L2 into contact with the plate surface F2 of the non-piezoelectric substrate, wherein the interdigital transducer is The piezoelectric thin plate is provided on the plate surface P1 of the two plate surfaces P1 and P2, and the thickness of the piezoelectric thin plate is equal to or less than the electrode cycle length of the interdigital electrode, and the electrode cycle of the interdigital electrode is long rather substantially it equal to the wavelength of the surface acoustic wave of the primary or higher order mode, the liquid
The means for radiating ultrasonic waves to L1 is input to the interdigital electrode.
And inputting an electric signal to the interdigital transducer.
1 at the interface B between the non-piezoelectric substrate and the ultrasonic device
Exciting surface acoustic waves of higher modes than the second order,
The wave is mode converted as a bulk wave in the non-piezoelectric substrate.
The liquid as the longitudinal wave of the bulk wave in the non-piezoelectric substrate.
The light is emitted into L1 and is excited at the interface B to generate the non-piezoelectric group.
The surface acoustic wave mode-converted as a bulk wave in a plate
The phase velocity of is the shear wave velocity in the non-piezoelectric substrate alone.
Ultrasonic transducer characterized by being much larger .
【請求項2】 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に記載
の超音波トランスデューサ。
2. The piezoelectric thin plate is made of piezoelectric ceramic,
The direction of the polarization axis of the piezoelectric ceramic is
The ultrasonic transducer according to claim 1, wherein the ultrasonic transducer is parallel to the thickness direction .
【請求項3】 前記圧電薄板は前記板面P2を介して前
記非圧電基板に固着され、該板面P2は金属薄膜で被覆
されていることを特徴とする請求項1または2に記載の
超音波トランスデューサ。
3. The piezoelectric thin plate is placed in front of the plate surface P2.
It is fixed to a non-piezoelectric substrate, and the plate surface P2 is covered with a metal thin film.
The ultrasonic transducer according to claim 1 or 2, wherein the ultrasonic transducer is provided.
JP18919993A 1993-06-29 1993-06-29 Ultrasonic transducer Expired - Fee Related JP3371289B2 (en)

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