JPH1056693A - 超音波トランスデューサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 弾性表面波を効率よく非圧電板に伝搬するこ
とと、非圧電板に伝搬している弾性表面波を短い応答時
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、一方向性を有する弾性表面
波が圧電磁器板３に励振され、ガラス板４の圧電磁器板
３が固着された方の板面の表面近傍に伝搬される。すだ
れ状電極１を出力用として用いた場合には、ガラス板４
の圧電磁器板３が固着された方の板面の表面近傍に伝搬
している弾性表面波は圧電磁器板３に伝搬され、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
成るもので、弾性表面波を非圧電板の表面近傍に励振す
ることができるだけでなく、非圧電板の表面近傍に励振
している弾性表面波を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
波を非圧電板の表面近傍に励振する際に、弾性表面波が
非圧電板の内部に漏洩される割合が大きく、従って、消
費電力に問題があるばかりでなく非圧電板の支持の仕方
が困難であった。また、非圧電板の表面近傍に励振して
いる弾性表面波を電気信号に変換する際の効率が悪かっ
た。さらに、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、支持の仕
方および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、支持の仕方が容易で、
低消費電力で効率よく弾性表面波を非圧電板の表面近傍
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
圧電板の表面近傍に伝搬している弾性表面波を短い応答
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、前記圧電板に前記電極周期長ｐとほ
ぼ等しい波長を有する弾性表面波を励振し、該弾性表面
波を前記非圧電板の前記一方の板面の表面近傍に伝搬さ
せ、前記非圧電板に伝搬される前記弾性表面波は１次以
上の高次モードの波で、前記１次以上の高次モードの弾
性表面波の位相速度は、前記非圧電板単体に伝搬するレ
イリー波の速度とほぼ等しく、前記圧電板の厚さｄは前
記電極周期長ｐよりも小さく、前記非圧電板の厚さは前
記電極周期長ｐのほぼ３倍以上であり、前記非圧電板単
体に伝搬する弾性表面波の位相速度が、前記圧電板単体
に伝搬する弾性表面波の位相速度よりも大きい。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、前記非圧電板に励振されている弾性表面波を前記圧
電板に伝搬させ、前記圧電板に伝搬した弾性表面波を前
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、前記圧電板に伝搬した前記
弾性表面波は１次以上の高次モードの波で、その波長は
前記電極周期長ｐとほぼ等しく、前記１次以上の高次モ
ードの弾性表面波の位相速度は、前記非圧電板単体に伝
搬するレイリー波の速度とほぼ等しく、前記圧電板の厚
さｄは前記電極周期長ｐよりも小さく、前記非圧電板の
厚さは前記電極周期長ｐのほぼ３倍以上であり、前記非
圧電板単体に伝搬する弾性表面波の位相速度が、前記圧
電板単体に伝搬する弾性表面波の位相速度よりも大き
い。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、前記圧電板に前記電極周期長ｐとほぼ等しい
波長を有する弾性表面波を励振し、該弾性表面波を前記
非圧電板の前記一方の板面の表面近傍に伝搬させ、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、前記非圧電板に伝搬さ
れる前記弾性表面波は１次以上の高次モードの波で、前
記１次以上の高次モードの弾性表面波の位相速度は、前
記非圧電板単体に伝搬するレイリー波の速度とほぼ等し
く、前記圧電板の厚さｄは前記電極周期長ｐよりも小さ
く、前記非圧電板の厚さは前記電極周期長ｐのほぼ３倍
以上であり、前記非圧電板単体に伝搬する弾性表面波の
位相速度が、前記圧電板単体に伝搬する弾性表面波の位
相速度よりも大きい。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、前記非圧電板のもう一方の板面が支持基
板で支持されている。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７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。

【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表面波を圧電板に励
振させ、その弾性表面波を非圧電板の圧電板が設けられ
た方の板面の表面近傍に伝搬させることができる。この
とき非圧電板に伝搬されるのは１次以上の高次モードの
弾性表面波で、この１次以上の高次モードの弾性表面波
の位相速度が非圧電板単体に伝搬するレイリー波の速度
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、非圧電板における圧電板が固着された方の板面の
表面近傍に励振されている弾性表面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表面波はいったん圧
電板に伝搬された後、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としてすだれ状電極から出
力される。この圧電板に伝搬した弾性表面波は１次以上
の高次モードの波で、この弾性表面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１次以上の高次モードの弾性表面波の位相速度が非圧
電板単体に伝搬するレイリー波の速度とほぼ等しくなる
ような構造を採用することにより、圧電板に伝搬した弾
性表面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Ｉ
₁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、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一方向性の弾性
表面波を圧電板に励振させ、その弾性表面波を非圧電板
の圧電板が設けられた方の板面の表面近傍に伝搬させる
ことができる。一方向性の弾性表面波の励振は、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Ｅ
₁およびＥ₂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、圧電板に一方向性の弾性
表面波が励振される。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ｘ
ｐ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、圧電板に一方向性の弾性表
面波を励振することが可能となる。このとき、圧電板に
励振される弾性表面波は１次以上の高次モードの弾性表
面波で、この１次以上の高次モードの弾性表面波の位相
速度が非圧電板単体に伝搬するレイリー波の速度とほぼ
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、非圧電板に励振されている弾性表面波を
圧電板に伝搬させた後、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
よび接地電極は圧電板に伝搬している一方向性の弾性表
面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、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ｘ
ｐ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。圧電板に伝搬した弾性表
面波は１次以上の高次モードの波で、この弾性表面波の
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１次以上の高次モードの弾性表面波の
位相速度が非圧電板単体に伝搬するレイリー波の速度と
ほぼ等しくなるような構造を採用することにより、圧電
板に伝搬した弾性表面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をすだれ状電極の電極周期長ｐより
も小さくし、非圧電板の厚さを電極周期長ｐのほぼ３倍
以上とするとともに、非圧電板単体に伝搬する弾性表面
波の位相速度が圧電板単体に伝搬する弾性表面波の位相
速度よりも大きい物質を非圧電板として採用することに
より、すだれ状電極を入力用として用いた場合、非圧電
板の内部には超音波を漏洩させることなく、非圧電板の
表面近傍に効率よく弾性表面波を伝搬させることができ
る。従って、低消費電力駆動が可能となるばかりでな
く、非圧電板の支持が容易になる。すだれ状電極を出力
用として用いた場合には、非圧電板に励振されている弾
性表面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。従って、低消費電力駆動が可能と
なるばかりでなく、非圧電板の支持が容易になる。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、圧電板に効率よく弾性表面
波を励振し非圧電板の表面近傍に伝搬させること、また
は非圧電板に励振している弾性表面波を効率よく圧電板
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、圧電
板に効率よく弾性表面波を励振し非圧電板の表面近傍に
伝搬させること、または非圧電板に励振している弾性表
面波を効率よく圧電板に伝搬させ、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、移相器
５および支持基板６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１５０μｍのＴＤＫ製１０１Ａ材（製品名）で成る。
ガラス板４は厚さ１．５ｍｍのガラスで成る。すだれ状
電極１は圧電磁器板３の上面に設けられ、接地電極２は
圧電磁器板３の下面に設けられている。圧電磁器板３は
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。ガラス板４の下方は支持基板６に固
着され支持されている。図２は図１の超音波トランスデ
ューサの斜視図である。但し、支持基板６は省いて描か
れている。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４６０μｍ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１１５μｍ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−２
７０°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表面波に変換されて圧電磁
器板３を伝搬し、さらにその弾性表面波はガラス板４の
圧電磁器板３が固着された方の板面の表面近傍に伝搬さ
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の圧電磁器板３が固着された方の板面
の表面近傍に一方向性を有する弾性表面波が励振してい
たら、その弾性表面波は圧電磁器板３に伝搬され、その
圧電磁器板３に伝搬された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表面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電気機械結合係数ｋ²と、弾
性表面波の周波数ｆと圧電磁器板３の厚さｄとの積（ｆ
ｄ）との関係を示す特性図である。但し、図３では、ガ
ラス板４が、ガラス板４単体を伝搬する弾性表面波の横
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３単体の場合の横波速度２４
５０ｍ／ｓおよび縦波速度４３９０ｍ／ｓそれぞれのほ
ぼ１．３倍である。図３では、すだれ状電極１に加えら
れる電気的エネルギーは特に１次モードの弾性表面波に
最も効率よく変換されることが分かる。すだれ状電極１
に加えられる電気的エネルギーが１次モードの弾性表面
波に最も変換されやすいのはｆｄ値が約１．３ＭＨｚ・
ｍｍのときで、このときｋ²は最大値の約４．７％を示
す。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
４は圧電磁器板３を伝搬する弾性表面波の位相速度を示
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４では、ガラス板４が図３と同
様な材質で成る場合の特性図が示される。○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
弾性表面波に最も効率よく変換されるｆｄ値（図３から
算出した値で、ｋ²が最大値を示すｆｄ値）を示す。１
次以上の高次モードの○印における位相速度はほぼ一定
（約２９８０ｍ／ｓ）で、ガラス板４単体に伝搬するレ
イリー波速度（２８５０ｍ／ｓ）とほぼ等しい。図５は
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値との関係を示す特
性図である。但し、図５では、ガラス板４が、ガラス板
４単体を伝搬する弾性表面波の横波の速度が４２０３ｍ
／ｓで縦波の速度が７６０４ｍ／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４２０３ｍ
／ｓおよび縦波速度７６０４ｍ／ｓという値は、圧電磁
器板３単体の場合の横波速度２４５０ｍ／ｓおよび縦波
速度４３９０ｍ／ｓそれぞれのほぼ１．７倍である。図
５では、すだれ状電極１に加えられる電気的エネルギー
は特に１次モードの弾性表面波に最も効率よく変換され
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１次モードの弾性表面波に最も変換されやす
いのはｆｄ値が約０．７ＭＨｚ・ｍｍのときで、このと
きｋ²は最大値の約１４．０％を示す。図６は圧電磁器
板３を伝搬する弾性表面波の位相速度を示す特性図であ
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６では、ガラス板４が図５と同様な材質で
成る場合の特性図が示される。○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表面波
に最も効率よく変換されるｆｄ値（図５から算出した値
で、ｋ²が最大値を示すｆｄ値）を示す。１次以上の高
次モードの○印における位相速度はほぼ一定（約３８０
０ｍ／ｓ）で、ガラス板４単体に伝搬するレイリー波速
度（３８６０ｍ／ｓ）とほぼ等しい。図３〜６より、ガ
ラス板４に効率よく伝搬される弾性表面波は１次以上の
高次モードの波であることが分かる。また、すだれ状電
極１に加えられる電気的エネルギーが１次以上の高次モ
ードの弾性表面波に最も変換されやすい位相速度は、ガ
ラス板４単体に伝搬するレイリー波速度とほぼ等しい。
図７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７、圧電
磁器板３およびガラス板４から成る。すだれ状電極７は
アルミニウム薄膜で成る。すだれ状電極７は圧電磁器板
３上に設けられ、圧電磁器板３は厚さ約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。ガ
ラス板４の下方は支持基板６に固着され支持されてい
る。図８は図７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７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ｐは４６０μｍである。すだれ
状電極７を入力用として用いた場合、すだれ状電極７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７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板３を伝
搬し、さらにその弾性表面波はガラス板４の圧電磁器板
３が固着された方の板面の表面近傍に伝搬される。すだ
れ状電極７を出力用として用いた場合には、もしもガラ
ス板４の圧電磁器板３が固着された方の板面の表面近傍
に一方向性を有する弾性表面波が励振していたら、その
弾性表面波は圧電磁器板３に伝搬され、その圧電磁器板
３に伝搬された弾性表面波のうちすだれ状電極７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７から出力される。図７
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７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７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７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。

【発明の効果】すだれ状電極を入力用として用いる場
合、圧電板に１次以上の高次モードの弾性表面波を励振
させ、その弾性表面波を非圧電板の圧電板が設けられた
方の板面の表面近傍に伝搬させることができる。この弾
性表面波の位相速度が非圧電板単体に伝搬するレイリー
波の速度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、
非圧電板における圧電板が固着された方の板面の表面近
傍に励振されている１次以上の高次モードの弾性表面波
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１次以上の高次モードの弾性
表面波の位相速度が非圧電板単体に伝搬するレイリー波
の速度とほぼ等しくなるような構造を採用することによ
り、非圧電板から圧電板に伝搬した弾性表面波をすだれ
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、一方向性の弾性表面波を
圧電板に励振させ、その弾性表面波を非圧電板の圧電板
が設けられた方の板面の表面近傍に伝搬させることがで
きる。一方向性の弾性表面波の励振は、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、非圧電板の圧電板が設けられた方の板面
の表面近傍に励振されている一方向性の弾性表面波をこ
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をすだれ状電極の電極周期長
ｐよりも小さくし、非圧電板の厚さを電極周期長ｐのほ
ぼ３倍以上とする構造を採用するとともに、非圧電板単
体に伝搬する弾性表面波の位相速度が圧電板単体に伝搬
する弾性表面波の位相速度よりも大きい物質を非圧電板
として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１次以上の高次モードの弾性表面
波に変換される度合を増大させることができる。このと
き、非圧電板の内部には超音波を漏洩させることなく、
非圧電板の表面近傍に効率よく弾性表面波を伝搬させる
ことができる。また、非圧電板に励振されている１次以
上の高次モードの弾性表面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。従って、低消
費電力駆動が可能となるばかりでなく、非圧電板の支持
が容易になる。非圧電板を支持する場合には、弾性表面
波が伝搬している表面近傍を除く部分であればどこでも
支持が可能である。圧電板として圧電セラミックやＰＶ
ＤＦその他の高分子圧電フィルムを採用することによ
り、圧電板に効率よく弾性表面波を励振し非圧電板の表
面近傍に伝搬させること、または非圧電板に励振してい
る弾性表面波を効率よく圧電板に伝搬させ、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】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
を示す特性図。

【図４】圧電磁器板３を伝搬する弾性表面波の位相速度
を示す特性図。

【図５】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
を示す特性図。

【図６】圧電磁器板３を伝搬する弾性表面波の位相速度
を示す特性図。

【図７】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８】図７の超音波トランスデューサの斜視図。

【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 移相器 ６ 支持基板 ７ すだれ状電極

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、前記圧電板に前記電極周期長ｐとほぼ等しい波長を
   有する弾性表面波を励振し、該弾性表面波を前記非圧電
   板の前記一方の板面の表面近傍に伝搬させ、 前記非圧電板に伝搬される前記弾性表面波は１次以上の
   高次モードの波で、 前記１次以上の高次モードの弾性表面波の位相速度は、
   前記非圧電板単体に伝搬するレイリー波の速度とほぼ等
   しく、 前記圧電板の厚さｄは前記電極周期長ｐよりも小さく、 前記非圧電板の厚さは前記電極周期長ｐのほぼ３倍以上
   であり、 前記非圧電板単体に伝搬する弾性表面波の位相速度が、
   前記圧電板単体に伝搬する弾性表面波の位相速度よりも
   大きい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、前記非圧電板に励振されている弾
   性表面波を前記圧電板に伝搬させ、前記圧電板に伝搬し
   た弾性表面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、 前記圧電板に伝搬した前記弾性表面波は１次以上の高次
   モードの波で、その波長は前記電極周期長ｐとほぼ等し
   く、 前記１次以上の高次モードの弾性表面波の位相速度は、
   前記非圧電板単体に伝搬するレイリー波の速度とほぼ等
   しく、 前記圧電板の厚さｄは前記電極周期長ｐよりも小さく、 前記非圧電板の厚さは前記電極周期長ｐのほぼ３倍以上
   であり、 前記非圧電板単体に伝搬する弾性表面波の位相速度が、
   前記圧電板単体に伝搬する弾性表面波の位相速度よりも
   大きい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
   板に前記電極周期長ｐとほぼ等しい波長を有する弾性表
   面波を励振し、該弾性表面波を前記非圧電板の前記一方
   の板面の表面近傍に伝搬させ、 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、 前記非圧電板に伝搬される前記弾性表面波は１次以上の
   高次モードの波で、 前記１次以上の高次モードの弾性表面波の位相速度は、
   前記非圧電板単体に伝搬するレイリー波の速度とほぼ等
   しく、 前記圧電板の厚さｄは前記電極周期長ｐよりも小さく、 前記非圧電板の厚さは前記電極周期長ｐのほぼ３倍以上
   であり、 前記非圧電板単体に伝搬する弾性表面波の位相速度が、
   前記圧電板単体に伝搬する弾性表面波の位相速度よりも
   大きい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】 前記非圧電板のもう一方の板面が支持基
   板で支持されている請求項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１，２，３，４または５
   に記載の超音波トランスデューサ。
7. 【請求項７】 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１，２，３，４または５に記載
   の超音波トランスデューサ。