JPH0155610B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

（発明の技術分野） 本発明は、ガラス等の超音波固体遅延媒体中に
超音波信号を伝播させて遅延信号を得る超音波固
体遅延線に関し、特に高周波超音波信号を伝播す
る超音波固体遅延線に関する。 （従来の技術） 近年、カラーテレビジヨン、ビデオデイスク、
ビデオテープレコーダー等に多用されているガラ
ス遅延線は、次のような構造をしている。第１図
は従来のガラス遅延線の一例を示す。 第１図に示す板状遅延媒体Ｄは２つの平行な上
下面（以下、「主面」という）１，２とこの各主
面１，２と交差する端面３，４，５，６，７とを
有し、端面３には入力トランスジユーサ８が、端
面４には出力トランスジユーサ９が貼着され、端
面３，４は各々トランスジユーサ貼着面とされ、
一方、その他の端面５，６，７、は反射面とされ
ている。入力トランスジユーサ８は、電気信号を
超音波信号に変換して板状遅延媒体（以下、「遅
延媒体」という）Ｄの主面１，２に平行に分極
し、シエアーモードの超音波信号を送り出す。出
力トランスジユーサ９はその逆にトランスジユー
サ貼着面４に到来したシエアーモードの超音波信
号を電気信号に変換する。 このような構造の遅延線は、量産性に優れてい
ることやスプリアス処理のし易さが特徴とされて
いる。そして、非分散モードすなわち直進モード
（ゼロモード）の超音波信号のみを伝播させるた
めに、遅延媒体の肉厚と同一の幅のトランスジユ
ーサを用いることが必須の要件とされている。換
言すれば、入力および出力トランスジユーサ８，
９は、第１図の遅延媒体Ｄの２つの主面１，２と
段差のない面一の上下面１０，１１，１２，１３
を有している。さらに、このゼロモードのみ伝播
するためには、遅延媒体の厚さがその中を伝播す
る超音波の波長λの５倍以下、好ましくは２分の
１以下であることも必須の要件とされている。 これらの理論は、例えばIRE
TRANSACTIONSの960年７月35頁から43頁に
記載され、また遅延線の量産性については
USP3581247号に、スプリアス除去については特
公昭47−27574号公報にそれぞれ記載されている。
そして、特にこのうち量産性に関する
USP3581247号に記載された、ガラスブロツクに
トランスジユーサを貼つた後スライシングして第
１図のような遅延線を一挙に多数生産する技術
は、製造コストを下げる効果が大きいため、世界
の主要メーカーに採用されるに至つた。そして、
ガラスの厚さはその強度上伝播波長の約２倍程度
に選定されているのが一般的である。 （発明の背景） さて、上記IRE TRANSACTIONSにおいて、
ゼロモード（直進モード）のみを伝播させるため
の要件が、伝播波長に対して遅延媒体の厚みが２
分の１以下でなければならないとされているにも
かかわらず、何故第１図のような遅延線で、波長
の数倍の厚さでもゼロモードのみの伝播が可能な
のかという点について理論的に説明を加えた文献
は見あたらない。 本発明者等は、この事実を次のように解析し
た。まず、結論から先に述べると、第１図に示す
ような遅延線は遅延媒体の厚さがλ／２以上のと
きは従来の理論通り、一定の規定にしたがつて複
数のモードの通路が存在する。ただし、入、出力
トランスジユーサがゼロモード以外の発信、受信
の不可能な構成になつているのである。その構成
上のポイントはトランスジユーサの各上下面を遅
延媒体の主面と正確に面一に一致させた事による
ものである。それならば、トランスジユーサの各
上下面と遅延媒体の主面を正確に面一にすると、
なぜゼロモード以外のモードを発信、受信出来な
いかを以下に説明する。 第３図は、一例としてｎ＝３のモード波が媒体
Ｄ中を伝播する様子を記したものである。図中、
波動Ｗ、Ｗは、 Ｗ＝ｃ・ej（ky＋γx）・ejwt … Ｗ＝ｃ・e^-j（ky−γx）・ejwt … ここでｋ：ｙ方向 γ：ｘ方向 の伝播定数 でありその合成波動Ｗは Ｗ＝ｃ｛ej（ky＋γx）＋e^-J（ky−γx）｝ejwt … となる。これがｎ＝３のモード波である。 なお、図の上下方向をＹ方向、左右方向をＸ方
向、紙面に垂直な方向をＺ方向とし、波形はすべ
てＺ方向の変位量を示す。媒体主面は１，２、ト
ランスジユーサ境界面は１２，１３である。式
を変形すれば次のようになる。 Ｗ＝C′cos ky・e^-j（γx−wt） … ここで、ｙは±ｂの時、境界条件 したがつて、波動はＹ方向にC′cosnπ／ｂｙな る定在波を形成しつつＸ方向にｅ（γx−wt）なる
振動をしながら進むモード波であることがわか
る。 さて、区間αにおけるＹ方向の定在波の発生の
ようすを第４図に示す。今かりに遅延媒体のＸ＝
Ｌなる点にＡ−Ｂ−Ｃ−Ｄなるトランスジユーサ
を接着したとする。の波動Ｗはトランスジユ
ーサの境界面が遅延媒体の主面に一致しているの
でトランスジユーサ中をそのまま進行しＸ＝Ｌの
点で反射することによる。よつて、トランスジユ
ーサ中の波動Ｗは下式のようになる。 Ｗ＝C′cosnxy／ｂ・e^-j（γx−wt） ＋C′cosnxy／ｂ・ej（γx＋wt） ＝C″cosnxy／ｂ・cos γx・ejwt … ここで、簡単のためｋ、γは遅延媒体中の値に
等しいと仮定する。 ここで、境界条件 今かりに、ｘ＝Ｌの点でγL＝０とおくとトラ
ンスジユーサの共振周波数と厚さＴの関係Ｔ＝
λ／２からｘ＝Ｌ−Ｔの点ではγ（Ｌ−Ｔ）＝πとな る。したがつて式からトランスジユーサ中では
Ｙ方向に第６図のように、そしてＸ方向第５図の
ような定在波が発生する。この定在波の形から、
トランスジユーサの外部はそれぞれ振動している
が、全体として起電力が打ち消し合い、出力トラ
ンスジユーサから出力がとり出されることはな
い。言葉をかえれば、トランスジユーサの境界面
（Ａ−Ｂ、Ｃ−Ｄ）を遅延媒体の主面に一致させ
た遅延線は、分散モード（デイスパーシブモー
ド）によつて動作しない、という事になる。ただ
し遅延媒体を厚くすると、即ち、第４図なる定在
波が数λ以上（実験的には5λ以上）になると効
果的な定在波を得ることが困難になり分散モード
でも動作し始める。 次に第３図に於て、A′−B′−C′−D′なるトラ
ンスジユーサを接着したとすると、媒体中を進行
してきた分散モード式はトランスジユーサ中に
入るとＹ方向の境界条件

【式】 を満足せず、Ｙ方向への定在波の発生はありえ
ず、第５図のＸ方向への定在波のみ発生する。つ
まり、この遅延線は分散モードで動作しうる。同
様にしてＡ−Ｃ−Ｄなるトランスジユーサで
も同じ事がいえる。 又、トランスジユーサA″−B″−C″−Ｄの場合
は説明するまでもなく分散モードによつてよく動
作する事が分る。そして、A″−Ｂ−Ｃ−Ｄな
るトランスジユーサもシエアモード用として実用
となることは特開昭50−134350号公報に開示され
ているが、これが分散モードで動作しないことは
上記理論によつて初めて明確に裏付けることがで
きる。 （従来技術の問題点） さて、前述した各公報に記載された従来技術に
よれば、モード波の超音波信号を遅延媒体中を伝
播させる場合、電気特性を実用上満足するには、
遅延媒体の厚みがその超音波信号の伝播波長の５
倍以下でなければならないとされ、実用的には２
倍程度にするのが好ましいことが実験上広く一般
に知られている。実際に、現在最も多用されてい
るカラーテレビジヨン用の超音波固体遅延線は、
中心周波数が約3.6［MHZ］で、遅延媒体の厚さ
は１［mm］から1.2［mm］程度に選定されている。
この超音波信号の波長は0.6［mm］程度であるか
ら、媒体の厚さは波長の1.5から２倍程度に選定
されいる。このような中心周波数の超音波固体遅
延線（ガラス遅延線）は、伝送帯域を２［MHZ］
程度にとることができるが、ビデオカメラや放送
機器等に用いられるガラス遅延線は、伝送帯域を
５［MHZ］から10［MHZ］とできるだけ広くとる
ことが要求され、これに伴つて中心周波数を10
［MHZ］から30［MHZ］と高く選定する必要があ
る。しかしながら、このように中心周波数を高く
するためには、ガラス遅延線中を伝播する超音波
信号の周波数を高くしなければならず、必然的に
超音波信号の波長が短くなる。具体的には、例え
ば超音波信号の周波数を30［MHZ］とすれば遅延
媒体の厚さは最大約0.3［mm］程度に選定しなけれ
ばならない。ところが、実際上このような薄いガ
ラス遅延媒体を用いると、破損し易く実用的でな
い。一方、仮にガラス遅延媒体の厚さを波長の５
倍もしくはそれ以上の厚みに選定すると、スプリ
アスが多く電気特性を十分満足するガラス遅延線
を提供出来ないという不都合があつた。 このため、従来はこのような高い周波数の超音
波を伝播するガラス遅延線は、５［mm］程度のガ
ラス厚のガラス遅延媒体に、方形あるいは円形の
トランスジユーサを貼り付け、バルク波信号を用
いた方式のものに限られていた。しかるに、この
ようなガラス遅延線は、材料費がかかり、
USP3581247号に示されたスライングマシンを用
いたガラス遅延線の大量生産の手法が採用でき
ず、個々の製品について、手作業にて、主面上に
凹部を設けたり、各端面に凹凸処理を施す等の作
業を行いスプリアスを減衰させているが、この作
業は手間がかかり、きわめてコスト高になるばか
りか、製品が大型化し、小型軽量化の方向にある
電子機器の技術動向に反するという不都合があつ
た。 （発明の目的） 本発明は上記従来例の有する不都合を改善し、
シエアモード波を使用した高周波超音波信号を伝
播した場合、分散モード波を実用上十分に抑制出
来る、小型、軽量で、しかもガラス厚を伝播波長
の数倍以上に設定可能な実用的な高周波用超音波
固体遅延線を提供することを目的とする。 （発明の構成） 本発明は第１図に示すような主面１，２とこの
主面１，２と面一の各上下面１０，１１，１２，
１３を有するトランスジユーサ８，９を備えた遅
延媒体Ｄの前記主面１，２及び前記各上下面１
１，１２，１３，１４の表面の粗さを、その遅延
媒体中を伝播する超音波信号の伝播波長の20分の
１以下の研磨面とするとともに、遅延媒体の任意
個所と他の個所における厚さのばらつきを伝播波
長の20分の１以下に保つ構成とし、これによつて
入力トランスジユーサ８より入力したシエアモー
ドからなる超音波信号の分散モード波Ｗ、Ｗ
（第３図参照）を各主面１，２において正確に反
射し、乱れのない定在波（第６図参照）の形で出
力トランスジユーサ９に導き、出力トランスジユ
ーサ９にて各主面１，２からの分散モード波Ｗ
、Ｗを打ち消し合い、結果的にゼロモード波
Ｗのみを電気信号に変換して出力するようにし
たもので、これによつて、遅延媒体の厚さを伝播
信号の１倍以上20倍以下好ましくは５倍以上15倍
以下に設定可能としたもので、特に高周波超音波
信号伝播に有効な超音波固体遅延線を提供するも
のである。 また、本発明は、トランスジユーサ内の超音波
の伝播波長が、遅延媒体内のそれよりも長いよう
にトランスジユーサの材料を選定して、トランス
ジユーサの境界面と媒体の主面とを同時に同一条
件で研磨しても、トランスジユーサ内において分
散モード波が発生し難いようにしたものである。 ここで、面粗さとは第２図に示したように、面
の凹凸の頂上１４，１５間の長さＨをいうものと
する。 （発明の実施例） 以下、本発明の実施例を第１図ないし第６図に
基づいて、具体例を用いて説明する。 まず、伝播信号速度2400［ｍ／秒］のガラス遅
延媒体Ｄを用いて、その主面間距離（媒体の厚
さ）を0.8［mm］とし、中心周波数20［MHZ］でト
ランスジユーサを駆動させた場合、遅延媒体主面
の面粗さと分散モード波減衰量とは表１に示すよ
うになつた。なお、この時の超音波信号の波長λ
は120×10^-6［ｍ］で、トランスジユーサ８，９は
リチウムナイオベート（LiNbO₃）を使用した。

【表】 表１において、比較例１及び２、すなわち、主
面１，２の面粗さを波長λの１／５又は１／12程
度とした場合は、分散モード波の減衰量が11
［dB］又は16［dB］となり、十分抑制できにな
い。これは、主面１，２で各々反射される分散モ
ード波が、反射の際乱反射し最終的に乱れを生じ
た定在波が出力トランスジユーサ９に到達するた
めと考えられる。 一方、表１において、実施例１、２、３のよう
に主面１，２の面粗さを波長λの１／31又は１／
48又は１／∞とした場合は、分散モード波の減衰
量が28［dB］、34［dB］、40［dB］以上となり、実
用上許容される26［dB］以上減衰することから、
主面１，２の面粗さを表１から波長λの約１／20
以下に設定すればよいことがわかつた。 また媒体Ｄの主面１，２のいずれか一方、ある
いは伝播信号経路を挾む主面１，２の一部の面粗
さを大きくした場合、比較例１、２と同様分散モ
ード波の減衰量が不足する結果を得た。 更に、加工精度と生産性の面から考えると、媒
体Ｄの肉厚（主面１，２間距離）は波長λの20倍
程度が限度と考えられる。 次に遅延媒体Ｄの主面１，２とトランスジユー
サ８，９の上下面１０，１１，１２，１３を同時
に研磨し、各々の面粗さを3.9×10^-6［ｍ］とし、
トランスジユーサ８，９の材質を変えて10
［MHZ］の周波数の信号を入力したところ表２に
示すような結果を得た。

【表】 なお、上記の場合、トランスジユーサ８，９の
肉厚は、トランスジユーサ８，９内の信号の１／
２波長とすることは言うまでもない。この表２の
結果から、トランスジユーサ８，９中の信号伝播
波長が、リチウムナイオベートの場合は媒体のそ
れよりも長くPZT系の場合は媒体のそれよりも
短いことから、分散モード波の伝播の仕方が異な
つている。 すなわち、上記表２より、リチウムナイオベー
トを用いたトランスジユーサの方がPTZ系のも
のよりはるかに優れた特性をもつていることがわ
かる。 ここで、表２の結果について若干説明を加え
る。第７図に於て、遅延媒体の波動、はトラ
ンスジユーサでは′、′となる。 Ｗ′＝Ｃ・ej（k′y＋γ′x）・ejwt Ｗ′＝Ｃ・e^-j（k′y＋γ²x）・ejwt Ｗ′＝C′・cosk′y・e^-j（γ′x−wt） なお、ｋとγはトランスジユーサ中でk′γ′と変
更されており、媒体中の伝播速度Vsoよりもトラ
ンスジユーサ中の伝播速度V′soが大きくなつて
いる。 第７図より明らかなように、V′so＞Vsoである
からこのｎ＝３モード波を最も効率良く受信する
トランスジユーサの肉厚Ｔは、媒体内の伝播波長
の２分の１よりも大きくなつている。そして、こ
の状態で境界条件を正しくとれば、Ｙ方向の定在
波が生じ、トランスジユーサの外部に出力をとり
出すことができなくなることは前述のとおりであ
る。 一方、ゼロモードの信号は、W₀に示すように
伝播し、この２分の１波長の厚さであるT′の厚
さのトランスジユーサによつて最大効率で受信で
きる。従つて実際の遅延線の出力トランスジユー
サの厚みはT′に選定する。ここでこの厚さのト
ランスジユーサは先のｎ＝３モード波を最大効率
で受信することはできないが、定在波が発生する
ことにはかわかりなく、この定在波により生じる
トランスジユーサの振動は厚みがＴのよきよりも
小さくなる。従つてますます分散モード波を受信
し難くなるのである。 これに対して、第８図のように媒体中よりもト
ランスジユーサ中の信号伝播速度が遅いと、Ｔと
T′との差が小さくなり、もし境界条件の乱れが
発生した場合分散モードを最大効率で受信する条
件に近くなつてしまう。 なお、トランスジユーサ中のＹ方向定在波は伝
播定数が変れば次のようになる。トランスジユー
サ中の波動を Ｗ′＝C′cosk′y・e^-j（γ′x−wt）とおくと、主
面での境界条件 この値からトランスジユーサの音速には全く関
係なく同じように定在波が形成される事が分る。 従つて、Vso′＞Vsにすることによつて、遅延
媒体の主面とトランスジユーサの境界面を同一面
粗さにしても伝播波長との比はトランスジユーサ
の方が大きくなり、最も定在波の乱れ易いトラン
スジユーサ部分の条件をより有利にすることがで
きるのである。 以上説明したように本実施例の結果より、遅延
媒体Ｄ中を伝播するトランスジユーサ８，９の肉
厚は、トランスジユーサ８，９内の信号波長の
１／２に設定するとよく、この肉厚が厚くても薄
くても出力トランスジユーサ９の出力が低下する
ことがわかつた。 一方、第３図より、たとえば最大効率で伝播信
号を受信できるようにトランスジユーサ８，９の
肉厚を設定しても、媒体Ｄの主面１とトランスジ
ユーサ８，９の上面１０，１２及び主面２とトラ
ンスジユーサ８，９の下面１１，１３を各々面一
構成とすれば、シエアモード遅延線においては、
ゼロモード波以外の信号（分散モード波）はトラ
ンスジユーサ８，９表面で互いに電荷の発生を打
消し合う定在波となり、出力として外部に取り出
せないことがわかる。 更に媒体Ｄの主面１，２を伝播波長λに比べ面
粗さを１／20λ以下の研磨面とし、加えて主面
１，２の長手方向の媒体Ｄの肉厚を高精度に保て
ば、媒体中を伝播する分散モード波を安定した定
在波とすることが出来ることがわかる。また、第
７図の遅延線においては、トランスジユーサ８，
９の肉厚を設定することにより見かけ上の表面粗
さを媒体のそれよりも小さくすることができると
言える。 更にまた、第７図より、分散モード波を最も受
信し易いトランスジユーサの厚さと、ゼロモード
波信号の受信用トランスジユーサの最適内厚との
間に差をつけることができるので、一層特性を向
上させることが出来る。 （発明の効果） 本発明は以上説明したように、多角形状の板状
遅延媒体と、この板状遅延媒体の端面のいずれか
一つに貼着され前記板状遅延媒体中にシエアーモ
ードの超音波信号を入力する入力トランスジユー
サと、前記板状遅延媒体のいずれかの端面に貼着
され板状遅延媒体中を伝播した前記超音波信号を
電気信号に変換する出力トランスジユーサとを有
し、前記入力トランスジユーサおよび出力トラン
スジユーサの肉厚がそれぞれ超音波信号の伝播波
長の約１／２とされている超音波固体遅延線にお
いて、前記入力および出力トランスジユーサの各
上下面は前記板状遅延媒体の上下面とそれぞれ面
一とされ、前記トランスジユーサの各上下面と前
記板状遅延媒体の各上下面とは共に板状遅延媒体
中の超音波信号の伝播波長の20分の１以下の面粗
さの研磨面とされかつ前記板状遅延媒体の任意個
所と他の個所における厚さのばらつきが板状遅延
媒体内の超音波信号の伝播波長の20分の１以下と
したので、シエアモード波を使用した高周波超音
波信号を媒体中に伝播しても、分散モード波を実
用上十分抑制出来る、小型、軽量でしかもガラス
厚を伝播波長の１倍以上20倍以下好ましくは５倍
以上15倍以下に設定可能な実用的な高周波用超音
波固体遅延線を提供出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施に好適する従来の超音波
固体遅延線の斜視図、第２図は表面粗さの定義説
明図、第３乃至６図はシエアーモード遅延線の媒
体中の波動の説明図、第７，８図は本発明の遅延
線の実施例の媒体中波動説明図である。 Ｄ……遅延媒体、１，２……遅延媒体の主面、
３，４，５，６，７……遅延媒体の端面、８……
入力トランスジユーサ、９……出力トランスジユ
ーサ、１０，１２……トランスジユーサの上面、
１１，１３……トランスジユーサの下面、Ｈ……
表面粗さ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 多角形状の板状遅延媒体と、この板状遅延媒
   体の端面のいずれか一つに貼着され前記板状遅延
   媒体中にシエアーモードの超音波信号を入力する
   入力トランスジユーサと、前記板状遅延媒体のい
   ずれかの端面に貼着され板状遅延媒体中を伝播し
   た前記超音波信号を電気信号に変換する出力トラ
   ンスジユーサとを有し、前記入力トランスジユー
   サおよび出力トランスジユーサの肉厚がそれぞれ
   超音波信号の伝播波長の約１／２とされている超
   音波固体遅延線において、 前記入力および出力トランスジユーサの各上下
   面は前記板状遅延媒体の上下面とはそれぞれ面一
   賭され、前記トランスジユーサの各上下面と前記
   板状遅延媒体の各上下面とは共に板状遅延媒体中
   の超音波信号の伝播波長の20分の１以下の面粗さ
   の研磨面とされかつ前記板状遅延媒体の任意個所
   と他の個所における厚さのばらつきが板状遅延媒
   体内の超音波信号の伝播波長の20分の１以下であ
   ることを特徴とする超音波固体遅延線。 ２ 板状遅延媒体の厚さが板状遅延媒体内の超音
   波信号の伝播波長の１倍以上20倍以下好ましくは
   ５倍以上15倍以下であることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載の超音波固体遅延線。 ３ 板状遅延媒体がガラスからなることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載または第２項記載
   の超音波固体遅延線。 ４ トランスジユーサ内の超音波信号の伝播波長
   が板状遅延媒体内のそれよりも長いことを特徴と
   する特許請求の範囲第１項乃至第３項記載の超音
   波固体遅延線。