JPH1056691A - 超音波トランスデューサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 弾性波を効率よく非圧電板の内部に伝搬する
ことと、非圧電板の内部に伝搬している弾性波を短い応
答時間で効率良く電気信号に変換すること。 【解決手段】 すだれ状電極１を入力用として用いる場
合、電極Ｉ₁と接地電極２との間および電極Ｉ₂と接地電
極２との間に位相差を有する電気信号Ｅ₁およびＥ₂を移
相器５を介して入力すると、圧電磁器板３とガラス板４
とから成る２層構造部に一方向性を有する弾性波が励振
されて、ガラス板４中に伝搬される。また、すだれ状電
極１を出力用として用いる場合には、ガラス板４中に伝
搬している弾性波がすだれ状電極１において電気信号に
変換される。

Description

【発明の詳細な説明】

【発明の属する技術分野】本発明は少なくとも１組のす
だれ状電極を備えた圧電板と非圧電板とを含む超音波ト
ランスデュ−サに関する。

【従来の技術】非圧電板に超音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超音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，ＶＨＦ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。そ
こで、これらの問題点を解決する超音波トランスデュ−
サが本願発明者により特願平４−２１８３３５で出願さ
れた。この超音波トランスデュ−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板に設けて
成り、低消費電力で効率良く弾性表面波を非圧電板に励
振することができるだけでなく、非圧電板に励振してい
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
る。しかし、この超音波トランスデュ−サは弾性表面波
を利用するものであり、非圧電板の表面近傍に超音波を
励振したり、非圧電板の表面近傍に励振されている超音
波を電気信号に変換するものである。従って、非圧電板
の内部に超音波を励振したり非圧電板の内部に励振され
ている超音波を電気信号に変換することは不可能であっ
た。また、この超音波トランスデュ−サではすだれ状電
極の電極指に垂直な双方向に均等に超音波が励振される
ことから、少なくとも超音波エネルギーの半分を浪費し
ていたことになるばかりでなく、圧電薄板の厚さによっ
ては不要信号を引き起こすもととなっていた。

【発明が解決しようとする課題】従来の超音波トランス
デュ−サでは工作精度、加工性および量産性等に問題が
あるばかりでなく、超音波エネルギーの浪費や不要信号
の発生等にも問題があった。本発明の目的は、加工性や
量産性に優れ、低消費電力で効率よく弾性波を非圧電板
の内部に伝搬することができる超音波トランスデューサ
を提供することにある。また、本発明のもう一つの目的
は、非圧電板の内部に伝搬している弾性波を短い応答時
間で効率良く電気信号に変換することができる超音波ト
ランスデューサを提供することにある。

【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、１組のすだれ状電極を備えた圧電
板を非圧電板に設けて成る超音波トランスデュ−サであ
って、前記すだれ状電極は前記圧電板の一方の板面に設
けられ、前記圧電板は前記圧電板の前記一方の板面また
はもう一方の板面を介して前記非圧電板の一方の板面に
固着されていて、前記すだれ状電極は前記すだれ状電極
の電極周期長ｐにほぼ対応する周波数の電気信号を入力
されることにより、前記圧電板と前記非圧電板とから成
る２層構造部に前記電極周期長ｐとほぼ等しい波長を有
する弾性波を励振し、該弾性波を前記非圧電板中に伝搬
させ、前記２層構造部に励振される前記弾性波はＳ₀モ
ードおよび１次以上の高次モードの波で、前記２層構造
部に励振される前記弾性波の位相速度は、前記弾性波の
周波数ｆと前記圧電板の厚さｄとの積ｆｄが零の場合の
Ｓ₀モードの弾性波の位相速度Ｖ_{f d=0}とほぼ等しく、前
記圧電板の厚さｄは前記電極周期長ｐとほぼ等しいかま
たはそれ以下であり、前記非圧電板の厚さは前記圧電板
の厚さｄとほぼ等しいかまたはそれ以下であり、前記非
圧電板単体に伝搬する弾性波の位相速度は、前記圧電板
単体に伝搬する弾性波の位相速度の近傍にある。請求項
２に記載の超音波トランスデューサは、１組のすだれ状
電極を備えた圧電板を非圧電板に設けて成る超音波トラ
ンスデュ−サであって、前記すだれ状電極は前記圧電板
の一方の板面に設けられ、前記圧電板は前記圧電板の前
記一方の板面またはもう一方の板面を介して前記非圧電
板の一方の板面に固着されていて、前記すだれ状電極
は、前記非圧電板中に励振されている弾性波を前記圧電
板と前記非圧電板とから成る２層構造部に伝搬させ、該
２層構造部に伝搬した弾性波を前記すだれ状電極の電極
周期長ｐにほぼ対応する周波数の電気信号に変換して出
力し、前記２層構造部に伝搬した前記弾性波はＳ₀モー
ドおよび１次以上の高次モードの波で、前記２層構造部
に伝搬した前記弾性波の波長は前記電極周期長ｐとほぼ
等しく、前記２層構造部に伝搬した前記弾性波の位相速
度は、前記弾性波の周波数ｆと前記圧電板の厚さｄとの
積ｆｄが零の場合のＳ₀モードの弾性波の位相速度Ｖ_fd=
0とほぼ等しく、前記圧電板の厚さｄは前記電極周期長
ｐとほぼ等しいかまたはそれ以下であり、前記非圧電板
の厚さは前記圧電板の厚さｄとほぼ等しいかまたはそれ
以下であり、前記非圧電板単体に伝搬する弾性波の位相
速度は、前記圧電板単体に伝搬する弾性波の位相速度の
近傍にある。請求項３に記載の超音波トランスデューサ
は、１組のすだれ状電極および接地電極を備えた圧電板
と、非圧電板と、移相器とを備えて成る超音波トランス
デュ−サであって、前記すだれ状電極は前記圧電板の一
方の板面に設けられ、前記接地電極は前記圧電板のもう
一方の板面に設けられており、前記圧電板は前記もう一
方の板面を介して前記非圧電板の一方の板面に固着され
ていて、前記すだれ状電極は、電極Ｉ₁およびＩ₂から成
り、前記電極Ｉ₁の電極指と前記電極Ｉ₂の電極指との間
の距離には２種類あり、前記電極Ｉ₁およびＩ₂の入力端
は前記移相器に並列に接続され、前記移相器は少なくと
も１つのコイルＬ₁を含み、前記すだれ状電極および前
記接地電極は、前記電極Ｉ₁と前記接地電極との間およ
び前記電極Ｉ₂と前記接地電極との間に位相差２πｙを
有する電気信号Ｅ₁およびＥ₂を前記移相器を介して入力
されることにより、前記圧電板と前記非圧電板とから成
る２層構造部に弾性波を励振し、該弾性波を前記非圧電
板中に伝搬させ、前記電気信号Ｅ₁およびＥ₂の周波数は
前記すだれ状電極の電極周期長ｐにほぼ対応しており、
前記２層構造部に励振される前記弾性波の波長は前記電
極周期長ｐとほぼ等しく、前記２層構造部に励振される
前記弾性波はＳ₀モードおよび１次以上の高次モードの
波で、前記２層構造部に励振される前記弾性波の位相速
度は、前記弾性波の周波数ｆと前記圧電板の厚さｄとの
積ｆｄが零の場合のＳ₀モードの弾性波の位相速度Ｖ_f
d=0とほぼ等しく、前記圧電板の厚さｄは前記電極周期
長ｐとほぼ等しいかまたはそれ以下であり、前記非圧電
板の厚さは前記圧電板の厚さｄとほぼ等しいかまたはそ
れ以下であり、前記非圧電板単体に伝搬する弾性波の位
相速度は、前記圧電板単体に伝搬する弾性波の位相速度
の近傍にある。請求項４に記載の超音波トランスデュー
サは、前記電極Ｉ₁の電極指と前記電極Ｉ₂の電極指との
間の距離のうち短い方の距離ｘｐにおいて、ｘ＜１／２
で、同時に、前記位相差２πｙにおいて、ｘ＋ｙ＝±１
／２が成り立つ。請求項５に記載の超音波トランスデュ
ーサは、前記圧電板が圧電セラミックで成り、前記圧電
セラミックの分極軸の方向は前記圧電セラミックの厚さ
方向と平行である。請求項６に記載の超音波トランスデ
ューサは、前記圧電板がＰＶＤＦその他の圧電性高分子
化合物で成る。請求項７に記載の超音波トランスデュー
サは、前記非圧電板がガラスで成る。

【発明の実施の形態】本発明の超音波トランスデューサ
の第１の構造は、１組のすだれ状電極を備えた圧電板を
非圧電板に設けて成るものである。この場合、すだれ状
電極は圧電板の一方の板面に設けられ、圧電板はそのす
だれ状電極の設けられた方の板面またはもう一方の板面
を介して非圧電板の一方の板面に固着される。すだれ状
電極を入力用とし、すだれ状電極の電極周期長ｐにほぼ
対応する周波数の電気信号をこのすだれ状電極に入力す
る構造を採用することにより、すだれ状電極の電極周期
長ｐとほぼ等しい波長を有する弾性波を圧電板と非圧電
板とから成る２層構造部に励振させ、その弾性波を非圧
電板中に伝搬させることができる。このとき、２層構造
部に励振される弾性波はＳ₀モードおよび１次以上の高
次モードの波（つまりＡ₀モードを除く波）である。こ
の２層構造部に励振される弾性波の位相速度が、弾性波
の周波数ｆと圧電板の厚さｄとの積ｆｄが零の場合のＳ
₀モードの弾性波の位相速度Ｖ_fd=0とほぼ等しくなるよ
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、圧電板と非圧電板と
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。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、非圧電板に励振さ
れている弾性波をこ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。このとき、非圧電板に励振さ
れている弾性波はいったん２層構造部に伝搬された後、
すだれ状電極から電気信号として出力される。この場
合、２層構造部に伝搬する弾性波はＳ₀モードおよび１
次以上の高次モードの波である。この弾性波の波長が電
極周期長ｐとほぼ等しくなるように電極周期長ｐを設定
し、この弾性波の位相速度が、弾性波の周波数ｆと圧電
板の厚さｄとの積ｆｄが零の場合のＳ₀モードの弾性波
の位相速度Ｖ_fd=0とほぼ等しくなるような構造を採用す
ることにより、２層構造部に伝搬した弾性波をすだれ状
電極から効率よく電気信号として出力することができ
る。また、圧電板と非圧電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。このようにして、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、円弧状すだれ状電極を
備えた圧電板を非圧電板上に設ければ、その非圧電板の
内部に生じる超音波レベルの異常音の検出が可能とな
る。本発明の超音波トランスデューサの第２の構造は、
１組のすだれ状電極および接地電極を備えた圧電板と、
非圧電板と、移相器とを備えたものである。この場合、
すだれ状電極は圧電板の一方の板面に設けられ、接地電
極は圧電板のもう一方の板面に設けられている。圧電板
は接地電極が設けられた方の板面を介して非圧電板に固
着されている。すだれ状電極は、電極Ｉ₁およびＩ₂から
成り、電極Ｉ₁の電極指と電極Ｉ₂の電極指との間の距離
には長いものと短いものとの２種類がある。すだれ状電
極および接地電極を入力用とし、電極Ｉ₁およびＩ₂の入
力端を移相器に並列に接続し、電極Ｉ₁と接地電極との
間および電極Ｉ₂と接地電極との間に互いに位相の異な
る電気信号Ｅ₁およびＥ₂を移相器を介して入力する構造
を採用することにより、２層構造部に一方向性の弾性波
を励振し、その弾性波を非圧電板中に伝搬させることが
できる。一方向性の弾性波の励振は、よりいっそうの低
消費電力駆動を可能にする。移相器は少なくとも１つの
コイルＬ₁を含むことを必要とし、コイルＬ₁は電極Ｉ₁
またはＩ₂の入力端に接続される。電気信号Ｅ₁およびＥ
₂の位相差は２πｙで表わされ、電気信号Ｅ₁およびＥ₂
の周波数はすだれ状電極の電極周期長ｐにほぼ対応して
いる。ここで、電極Ｉ₁の電極指と電極Ｉ₂の電極指との
間の距離のうち短い方の距離ｘｐにおいて、ｘ＜１／２
で、同時に、位相差２πｙにおいて、ｘ＋ｙ＝±１／２
が成り立つ場合には２層構造部に一方向性の弾性波が励
振される。たとえば、ｘが１／４のときにはｙ＝１／４
またはｙ＝−３／４となる。つまり、距離ｘｐをｐ／４
とし、位相差２πｙをπ／２（９０°）または−３π／
２（−２７０°）とする電気信号Ｅ₁およびＥ₂を入力す
ることにより、２層構造部に一方向性の弾性波を励振す
ることが可能となる。２層構造部に励振される弾性波は
Ｓ₀モードおよび１次以上の高次モードの波であり、こ
の弾性波の波長は電極周期長ｐとほぼ等しい。また、２
層構造部に励振される弾性波の位相速度が、弾性波の周
波数ｆと圧電板の厚さｄとの積ｆｄが零の場合のＳ₀モ
ードの弾性波の位相速度Ｖ_fd=0と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、圧電板と非圧電板との界
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。 すだれ状電極および接
地電極を出力用とし、電極Ｉ₁およびＩ₂の出力端を移相
器に並列に接続する構造を採用することにより、非圧電
板中に励振されている弾性波を２層構造部に伝搬させ、
その２層構造部に伝搬した弾性波を位相差２πｙを有す
る電気信号Ｅ₁およびＥ₂として電極Ｉ₁と接地電極との
間および電極Ｉ₂と接地電極との間から出力することが
できる。移相器は少なくとも１つのコイルＬ₁を含む必
要があり、コイルＬ₁は電極Ｉ₁またはＩ₂の出力端に接
続される。このようにして、出力された電気信号Ｅ₁お
よびＥ₂は移相器によって同じ位相の電気信号に合成さ
れる。このとき、電気信号Ｅ₁およびＥ₂の周波数はすだ
れ状電極の電極周期長ｐにほぼ対応している。ここで、
ｘ＜１／２であって、ｘ＋ｙ＝±１／２の場合には、す
だれ状電極および接地電極は２層構造部に伝搬している
一方向性の弾性波のみを検出して電気信号Ｅ₁およびＥ₂
として出力する。すなわち、一方向から伝搬する弾性波
のみをとらえる能力を有することから、超音波の発生源
を特定の範囲に限定すること等が可能となる。たとえ
ば、ｘが１／４のときにはｙ＝１／４またはｙ＝−３／
４となる。つまり、距離ｘｐをｐ／４とすれば、位相差
２πｙがπ／２（９０°）または−３π／２（−２７０
°）である電気信号Ｅ₁およびＥ₂が電極Ｉ₁と接地電極
との間および電極Ｉ₂と接地電極との間から出力され
る。また、２層構造部に伝搬する弾性波はＳ₀モードお
よび１次以上の高次モードの波である。この弾性波の波
長が電極周期長ｐとほぼ等しくなるように電極周期長ｐ
を設定し、２層構造部に伝搬した弾性波の位相速度が、
弾性波の周波数ｆと圧電板の厚さｄとの積ｆｄが零の場
合のＳ₀モードの弾性波の位相速度Ｖ_fd=0とほぼ等しく
なるような構造を採用することにより、２層構造部に伝
搬した弾性波をすだれ状電極から効率よく電気信号とし
て出力することができる。また、圧電板と非圧電板との
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。本発明の超音波トラン
スデューサの第１および第２の構造において、圧電板の
厚さｄを電極周期長ｐとほぼ等しいかまたはそれ以下に
設定するとともに、非圧電板の厚さを圧電板の厚さｄと
等しいかまたはそれ以下にする構造を採用することによ
り、すだれ状電極を入力用として用いた場合、２層構造
部に効率よくＳ₀モードおよび１次以上の高次モードの
弾性波を励振することが可能となる。つまり、すだれ状
電極から加えられる電気的エネルギーがＳ₀モードおよ
び１次以上の高次モードの弾性波に変換される度合を増
大させることができる。すだれ状電極を出力用として用
いた場合には、非圧電板中に励振しているＳ₀モードお
よび１次以上の高次モードの弾性波を効率よく２層構造
部に伝搬させた後、すだれ状電極から電気信号として出
力させることが可能となる。つまり、Ｓ₀モードおよび
１次以上の高次モードの弾性波が電気信号に変換される
度合を増大させることができる。また、圧電板と非圧電
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。本発明の超音波
トランスデューサの第１および第２の構造において、圧
電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、２層構造部に効率よく弾性波を励振し
非圧電板中に伝搬させること、または非圧電板中に励振
している弾性波を効率よく２層構造部に伝搬させ、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。
本発明の超音波トランスデューサの第１および第２の構
造において、圧電板としてＰＶＤＦその他の高分子圧電
フィルムを採用することにより、２層構造部に効率よく
弾性波を励振し非圧電板中に伝搬させること、または非
圧電板中に励振している弾性波を効率よく２層構造部に
伝搬させ、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。本発明の超音波トランスデューサの第１
および第２の構造において、非圧電板として、非圧電板
単体に伝搬する弾性波の位相速度が圧電板単体に伝搬す
る弾性波の位相速度の近傍にある物質、たとえばガラス
等を採用することにより、２層構造部に効率よく弾性波
を励振し非圧電板中に伝搬させること、または非圧電板
中に伝搬している弾性波を効率よく２層構造部に伝搬さ
せ、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。

【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。本実施例はすだれ状電
極１、接地電極２、圧電磁器板３、ガラス板４および移
相器５から成る。すだれ状電極１および接地電極２はア
ルミニウム薄膜で成る。圧電磁器板３は厚さ１．５ｍｍ
のＴＤＫ製１０１Ａ材（製品名）で成る。ガラス板４は
厚さ０．１５ｍｍのガラスで成る。すだれ状電極１は圧
電磁器板３上に設けられ、圧電磁器板３は厚さ約２０μ
ｍのエポキシ系樹脂によってガラス板４上に固着されて
いる。図２は図１の超音波トランスデューサの斜視図で
ある。すだれ状電極１は１０対の電極指を有する正規型
のものであり、電極Ｉ₁およびＩ₂から成る。すだれ状電
極１の電極周期長ｐは１．６ｍｍである。すだれ状電極
１の電極指間の距離には長いものと短いものとの２種類
があり、短い方の距離ｘｐは４００μｍである。移相器
５はコイルＬ₁を含む。すだれ状電極１を入力用として
用いた場合、電極Ｉ₁と接地電極２との間および電極Ｉ₂
と接地電極２との間に位相差が９０°または−２７０°
の電気信号Ｅ₁およびＥ₂を移相器５を介して入力する
と、電気信号Ｅ₁およびＥ₂の周波数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電気信号のみ
が一方向性を有する弾性波に変換されて圧電磁器板３と
ガラス板４から成る２層構造部を伝搬し、さらにその弾
性波はガラス板４中に伝搬される。すだれ状電極１を出
力用として用いた場合には、もしもガラス板４中に一方
向性を有する弾性波が励振していたら、その弾性波は２
層構造部に伝搬され、その２層構造部に伝搬された弾性
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
周波数の弾性波のみが位相差が９０°または−２７０°
の電気信号Ｅ₁およびＥ₂に変換されて、電極Ｉ₁と接地
電極２との間および電極Ｉ₂と接地電極２との間から出
力される。出力された電気信号Ｅ₁およびＥ₂は移相器５
を介することにより位相差が零の単一の電気信号として
検出される。つまり、一方向から伝搬する弾性波のみを
とらえる能力を有することから、超音波の発生源の特定
等が可能となる。また、移相器５を介することにより２
つの電気信号Ｅ₁およびＥ₂が合成されて単一の電気信号
となり強度が増大することから、超音波の検出感度が増
大される。図３は本発明の超音波トランスデューサの第
２の実施例を示す断面図である。本実施例はすだれ状電
極６、圧電磁器板３およびガラス板４から成る。すだれ
状電極６はアルミニウム薄膜で成る。すだれ状電極６は
圧電磁器板３上に設けられ、圧電磁器板３はそのすだれ
状電極６が設けられた方の板面を介して厚さ約２０μｍ
のエポキシ系樹脂によってガラス板４上に固着されてい
る。図４は図３の超音波トランスデューサの斜視図であ
る。すだれ状電極６は１０対の電極指を有する正規型の
ものであり、その電極周期長ｐは１．６ｍｍである。す
だれ状電極６を入力用として用いた場合、すだれ状電極
６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６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波に変換されて圧電磁器板３とガ
ラス板４とから成る２層構造部を伝搬し、さらにその弾
性波はガラス板４中に伝搬される。すだれ状電極６を出
力用として用いた場合には、ガラス板４中を伝搬してい
る弾性波は２層構造部に伝搬され、その２層構造部に伝
搬された弾性波のうちすだれ状電極６の示す中心周波数
とその近傍の周波数の弾性波のみが電気信号に変換され
てすだれ状電極６から出力される。図３の超音波トラン
スデューサでは、圧電磁器板３はすだれ状電極６が設け
られた方の板面を介してガラス板４上に固着されている
が、すだれ状電極６が設けられていない方の板面を介し
てガラス板４上に固着されている場合にも同様な効果が
見られた。図１および図３の２つの超音波トランスデュ
ーサを比較した場合、図１の方がより低消費電力で低電
圧駆動が可能であり、しかも感度がよい。図５は本発明
の超音波トランスデューサの第３の実施例を示す断面図
である。本実施例は図１の超音波トランスデューサの圧
電磁器板３が圧電磁器板７に、ガラス板４がガラス板８
に置き換わったものである。圧電磁器板７は厚さ１ｍｍ
のＴＤＫ製１０１Ａ材（製品名）で成る。ガラス板８は
厚さ１ｍｍのガラスで成る。図６は本発明の超音波トラ
ンスデューサの第４の実施例を示す断面図である。本実
施例は図３の超音波トランスデューサの圧電磁器板３が
圧電磁器板７に、ガラス板４がガラス板８に置き換わっ
たものである。図５および図６の２つの超音波トランス
デューサを比較した場合、図５の方がより低消費電力で
低電圧駆動が可能であり、しかも感度がよい。図７は圧
電磁器板７単体に伝搬する弾性波の位相速度を示す特性
図であり、弾性波の周波数ｆと圧電磁器板７の厚さｄと
の積（ｆｄ）に対する各モードの位相速度を示す図であ
る。圧電磁器板７単体を伝搬する弾性波の横波の速度
（ｖｇ−ｔ）は２４５０ｍ／ｓであり、縦波の速度（ｖ
ｇ−ｌ）は４３９０ｍ／ｓである。図８は図５の２層構
造部における圧電磁器板７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、図８で
は、ガラス板８が、ガラス板８単体を伝搬する弾性波の
横波の速度が３０９１ｍ／ｓで縦波の速度が５５９２ｍ
／ｓであるような材質で成る場合の特性図が示される。
この横波速度３０９１ｍ／ｓおよび縦波速度５５９２ｍ
／ｓという値は、圧電磁器板７単体の場合の横波速度２
４５０ｍ／ｓおよび縦波速度４３９０ｍ／ｓそれぞれの
ほぼ１．３倍である。図８ではＡ₀モードのｋ²値のみが
常に５％を下回っている。従って、Ａ₀モードを除くモ
ード、つまりＳ₀モードおよび１次（Ａ₁およびＳ₁）以
上の高次モードの弾性波が効率よく２層構造部に励振さ
れることが分かる。また、すだれ状電極１に加えられる
電気的エネルギーは特にＳ₁モードの弾性波に最も効率
よく変換され、高次モードになるにつれて変換されにく
くなる傾向があることが分かる。すだれ状電極１に加え
られる電気的エネルギーがＳ₁モードの弾性波に最も変
換されやすいのはｆｄ値が約１．９ＭＨｚ・ｍｍのとき
であり、このときｋ²値は最大値の約２０％に達する。
ここでのｋ²値は、弾性表面波用の圧電基板として実用
域にあるＬｉＮｂＯ₃単結晶が５％程度の値であること
と比較しても評価に値することが明らかである。図９は
図５の２層構造部を伝搬する弾性波の速度分散曲線を示
す特性図であり、ｆｄ値に対する各モードの位相速度を
示す図である。但し、図９では、ガラス板８が、図８と
同様な材質で成る場合の特性図が示される。図９ではｆ
ｄ値が零の場合のＳ₀モードの弾性波の位相速度Ｖ_fd=0
は約４０７０ｍ／ｓである。図９における○印は、すだ
れ状電極１に加えられる電気的エネルギーが各モードの
弾性波に最も効率よく変換されるｆｄ値（図８から算出
した値、つまりｋ²値が最大値を示すｆｄ値）を示す。
○印における位相速度はほぼＶ_fd=0値と等しいことが分
かる。このようにして、２層構造部に励振される弾性波
の位相速度と、Ｖ_{fd =0}値とがほぼ一致するときのｆｄ値
がｋ²の最大値をもたらすことが分かる。図１０は図１
の２層構造部を伝搬する弾性波の速度分散曲線を示す特
性図であり、ｆｄ値に対する各モードの位相速度を示す
図である。但し、図１０では、ガラス板４が、図８と同
様な材質で成る場合の特性図が示される。Ｖ_fd=0値は約
３６５０ｍ／ｓである。図１０における○印はすだれ状
電極１に加えられる電気的エネルギーが各モードの弾性
波に最も効率よく変換されるｆｄ値を示したものであ
り、圧電磁器板３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ｋ²値とｆｄ値との関係に基づ
いて算出した値である。○印の付されたモードが図９に
比べて少ないものの、○印における位相速度はほぼＶ
_fd=0値と等しいことが分かる。図１１は図５の２層構造
部を伝搬する弾性波の速度分散曲線を示す特性図であ
り、ｆｄ値に対する各モードの位相速度を示す図であ
る。但し、図１１では、ガラス板８が、ガラス板８単体
を伝搬する弾性波の横波の速度が２２９７ｍ／ｓで縦波
の速度が４１５５ｍ／ｓであるような材質で成る場合の
特性図が示される。この横波速度２２９７ｍ／ｓおよび
縦波速度４１５５ｍ／ｓという値は、圧電磁器板７単体
の場合の横波速度２４５０ｍ／ｓおよび縦波速度４３９
０ｍ／ｓそれぞれのほぼ０．９倍である。Ｖ_fd=0値は約
３６７０ｍ／ｓである。図１１における○印はすだれ状
電極１に加えられる電気的エネルギーが各モードの弾性
波に最も効率よく変換されるｆｄ値を示したものであ
り、圧電磁器板７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ｋ²値とｆｄ値との関係に基づ
いて算出した値である。○印における位相速度はほぼＶ
_fd=0値と等しいことが分かる。図１２は図１の２層構造
部を伝搬する弾性波の速度分散曲線を示す特性図であ
り、ｆｄ値に対する各モードの位相速度を示す図であ
る。但し、図１２では、ガラス板４が、図１１と同様な
材質で成る場合の特性図が示される。Ｖ_fd=0値は約３６
００ｍ／ｓである。図１２における○印はすだれ状電極
１に加えられる電気的エネルギーが各モードの弾性波に
最も効率よく変換されるｆｄ値を示したものであり、圧
電磁器板３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ｋ²値とｆｄ値との関係に基づいて算
出した値である。○印の付されたモードが図１１に比べ
て少ないものの、○印における位相速度はほぼＶ_fd=0値
と等しいことが分かる。図９〜１２より、ｋ²の最大値
をもたらすｆｄ値に対する各モードの位相速度は、ｆｄ
値が零の場合のＳ₀モードの弾性波の位相速度Ｖ_fd=0と
ほぼ等しいことが分かる。また、図１の２層構造部より
も図５の２層構造部の方が、すなわち、各ガラス板およ
び各圧電磁器板の厚さがほぼ等しい場合の方が、すだれ
状電極１に加えられる電気的エネルギーが各モードの弾
性波に安定して変換されやすい。さらに、各ガラス板単
体に伝搬する弾性波の速度が各圧電磁器板単体に伝搬す
る弾性波の速度のほぼ０．９倍からほぼ１．３倍のとき
に、すなわち、各ガラス板単体に伝搬する弾性波の速度
が各圧電磁器板単体に伝搬する弾性波の速度の近傍にあ
るときに、すだれ状電極１に加えられる電気的エネルギ
ーが各モードの弾性波に安定して変換されやすい。

【発明の効果】すだれ状電極を入力用として用いる場
合、圧電板と非圧電板とから成る２層構造部にＳ₀モー
ドおよび１次以上の高次モードの弾性波を励振させ、そ
の弾性波を非圧電板中に伝搬させることができる。この
弾性波の位相速度が、弾性波の周波数ｆと圧電板の厚さ
ｄとの積ｆｄが零の場合のＳ₀モードの弾性波の位相速
度Ｖ_fd=0と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、圧電板と非圧電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。すだれ状電極を出力用として用いる場合、非圧
電板に励振されているＳ₀モードおよび１次以上の高次
モードの弾性波をこ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。このとき、この弾性波の位相
速度が、弾性波の周波数ｆと圧電板の厚さｄとの積ｆｄ
が零の場合のＳ₀モードの弾性波の位相速度Ｖ_{fd= 0}とほ
ぼ等しくなるような構造を採用することにより、２層構
造部に伝搬した弾性波をすだれ状電極から効率よく電気
信号として出力することができる。また、圧電板と非圧
電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。電極指間の距
離が２種類あるようなすだれ状電極を含む構造を採用す
ることにより、すだれ状電極を入力用として用いる場合
には、２層構造部に一方向性の弾性波を励振し、その弾
性波を非圧電板中に伝搬させることができる。一方向性
の弾性波の励振は、よりいっそうの低消費電力駆動を可
能にするばかりでなく、不要信号の発生を抑制する。ま
た、すだれ状電極を出力用として用いる場合には、非圧
電板に励振されている一方向性の弾性波をこのすだれ状
電極から電気信号として出力することができ、超音波の
発生源を特定の範囲に限定すること等が可能となる。圧
電板の厚さｄを電極周期長ｐとほぼ等しいかまたはそれ
以下に設定するとともに、非圧電板の厚さを圧電板の厚
さｄと等しいかまたはそれ以下に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Ｓ₀モードおよび１次以上の高次モードの弾性波に
変換される度合を増大させることができる。また、非圧
電板中に励振しているＳ₀モードおよび１次以上の高次
モードの弾性波が電気信号に変換される度合を増大させ
ることができる。非圧電板として、非圧電板単体に伝搬
する弾性波の位相速度が圧電板単体に伝搬する弾性波の
位相速度の近傍にある物質を採用することにより、２層
構造部に効率よく弾性波を励振し非圧電板中に伝搬させ
ること、または非圧電板中に伝搬している弾性波を効率
よく２層構造部に伝搬させ、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。圧電板として圧電セラ
ミックやＰＶＤＦその他の高分子圧電フィルムを採用す
ることにより、２層構造部に効率よく弾性波を励振し非
圧電板中に伝搬させること、または非圧電板中に励振し
ている弾性波を効率よく２層構造部に伝搬させ、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。圧
電板として圧電セラミックを採用する場合には、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
構造が採用される。

【図面の簡単な説明】

【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。

【図２】図１の超音波トランスデューサの斜視図。

【図３】本発明の超音波トランスデューサの第２の実施
例を示す断面図。

【図４】図３の超音波トランスデューサの斜視図。

【図５】本発明の超音波トランスデューサの第３の実施
例を示す断面図。

【図６】本発明の超音波トランスデューサの第４の実施
例を示す断面図。

【図７】圧電磁器板７単体に伝搬する弾性波の位相速度
を示す特性図。

【図８】図５の２層構造部における圧電磁器板７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
ｋ²値とｆｄ値との関係を示す特性図。

【図９】図５の２層構造部を伝搬する弾性波の速度分散
曲線を示す特性図。

【図１０】図１の２層構造部を伝搬する弾性波の速度分
散曲線を示す特性図。

【図１１】図５の２層構造部を伝搬する弾性波の速度分
散曲線を示す特性図。

【図１２】図１の２層構造部を伝搬する弾性波の速度分
散曲線を示す特性図。

【符号の説明】

１ すだれ状電極 ２ 接地電極 ３ 圧電磁器板 ４ ガラス板 ５ 位相器 ６ すだれ状電極 ７ 圧電磁器板 ８ ガラス板 Ｌ₁ コイル

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 １組のすだれ状電極を備えた圧電板を非
   圧電板に設けて成る超音波トランスデュ−サであって、 前記すだれ状電極は前記圧電板の一方の板面に設けら
   れ、 前記圧電板は前記圧電板の前記一方の板面またはもう一
   方の板面を介して前記非圧電板の一方の板面に固着され
   ていて、 前記すだれ状電極は前記すだれ状電極の電極周期長ｐに
   ほぼ対応する周波数の電気信号を入力されることによ
   り、前記圧電板と前記非圧電板とから成る２層構造部に
   前記電極周期長ｐとほぼ等しい波長を有する弾性波を励
   振し、該弾性波を前記非圧電板中に伝搬させ、 前記２層構造部に励振される前記弾性波はＳ₀モードお
   よび１次以上の高次モードの波で、 前記２層構造部に励振される前記弾性波の位相速度は、
   前記弾性波の周波数ｆと前記圧電板の厚さｄとの積ｆｄ
   が零の場合のＳ₀モードの弾性波の位相速度Ｖ_{f d=0}とほ
   ぼ等しく、 前記圧電板の厚さｄは前記電極周期長ｐとほぼ等しいか
   またはそれ以下であり、 前記非圧電板の厚さは前記圧電板の厚さｄとほぼ等しい
   かまたはそれ以下であり、 前記非圧電板単体に伝搬する弾性波の位相速度が、前記
   圧電板単体に伝搬する弾性波の位相速度の近傍にある超
   音波トランスデューサ。
2. 【請求項２】 １組のすだれ状電極を備えた圧電板を非
   圧電板に設けて成る超音波トランスデュ−サであって、 前記すだれ状電極は前記圧電板の一方の板面に設けら
   れ、 前記圧電板は前記圧電板の前記一方の板面またはもう一
   方の板面を介して前記非圧電板の一方の板面に固着され
   ていて、 前記すだれ状電極は、前記非圧電板中に励振されている
   弾性波を前記圧電板と前記非圧電板とから成る２層構造
   部に伝搬させ、該２層構造部に伝搬した弾性波を前記す
   だれ状電極の電極周期長ｐにほぼ対応する周波数の電気
   信号に変換して出力し、 前記２層構造部に伝搬した前記弾性波はＳ₀モードおよ
   び１次以上の高次モードの波で、 前記２層構造部に伝搬した前記弾性波の波長は前記電極
   周期長ｐとほぼ等しく、 前記２層構造部に伝搬した前記弾性波の位相速度は、前
   記弾性波の周波数ｆと前記圧電板の厚さｄとの積ｆｄが
   零の場合のＳ₀モードの弾性波の位相速度Ｖ_{fd= 0}とほぼ
   等しく、 前記圧電板の厚さｄは前記電極周期長ｐとほぼ等しいか
   またはそれ以下であり、 前記非圧電板の厚さは前記圧電板の厚さｄとほぼ等しい
   かまたはそれ以下であり、 前記非圧電板単体に伝搬する弾性波の位相速度が、前記
   圧電板単体に伝搬する弾性波の位相速度の近傍にある超
   音波トランスデューサ。
3. 【請求項３】 １組のすだれ状電極および接地電極を備
   えた圧電板と、非圧電板と、移相器とを備えて成る超音
   波トランスデュ−サであって、 前記すだれ状電極は前記圧電板の一方の板面に設けら
   れ、前記接地電極は前記圧電板のもう一方の板面に設け
   られており、 前記圧電板は前記もう一方の板面を介して前記非圧電板
   の一方の板面に固着されていて、 前記すだれ状電極は、電極Ｉ₁およびＩ₂から成り、 前記電極Ｉ₁の電極指と前記電極Ｉ₂の電極指との間の距
   離には２種類あり、 前記電極Ｉ₁およびＩ₂の入力端は前記移相器に並列に接
   続され、 前記移相器は少なくとも１つのコイルＬ₁を含み、 前記すだれ状電極および前記接地電極は、前記電極Ｉ₁
   と前記接地電極との間および前記電極Ｉ₂と前記接地電
   極との間に位相差２πｙを有する電気信号Ｅ₁およびＥ₂
   を前記移相器を介して入力されることにより、前記圧電
   板と前記非圧電板とから成る２層構造部に弾性波を励振
   し、該弾性波を前記非圧電板中に伝搬させ、 前記電気信号Ｅ₁およびＥ₂の周波数は前記すだれ状電極
   の電極周期長ｐにほぼ対応しており、 前記２層構造部に励振される前記弾性波の波長は前記電
   極周期長ｐとほぼ等しく、 前記２層構造部に励振される前記弾性波はＳ₀モードお
   よび１次以上の高次モードの波で、 前記２層構造部に励振される前記弾性波の位相速度は、
   前記弾性波の周波数ｆと前記圧電板の厚さｄとの積ｆｄ
   が零の場合のＳ₀モードの弾性波の位相速度Ｖ_{f d=0}とほ
   ぼ等しく、 前記圧電板の厚さｄは前記電極周期長ｐとほぼ等しいか
   またはそれ以下であり、 前記非圧電板の厚さは前記圧電板の厚さｄとほぼ等しい
   かまたはそれ以下であり、 前記非圧電板単体に伝搬する弾性波の位相速度が、前記
   圧電板単体に伝搬する弾性波の位相速度の近傍にある超
   音波トランスデューサ。
4. 【請求項４】 前記電極Ｉ₁の電極指と前記電極Ｉ₂の電
   極指との間の距離のうち短い方の距離ｘｐにおいて、ｘ
   ＜１／２で、同時に、前記位相差２πｙにおいて、ｘ＋
   ｙ＝±１／２が成り立つ請求項３に記載の超音波トラン
   スデューサ。
5. 【請求項５】 前記圧電板が圧電セラミックで成り、前
   記圧電セラミックの分極軸の方向は前記圧電セラミック
   の厚さ方向と平行である請求項１，２，３または４に記
   載の超音波トランスデューサ。
6. 【請求項６】 前記圧電板がＰＶＤＦその他の圧電性高
   分子化合物で成る請求項１，２，３または４に記載の超
   音波トランスデューサ。
7. 【請求項７】 前記非圧電板がガラスで成る請求項１，
   ２，３，４，５または６に記載の超音波トランスデュー
   サ。