JPH1056695A - 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とアクリル板
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、アクリル板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、アクリル板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
波数Ｋと前記圧電板の厚さＤとの積ＫＤが零の場合のＳ
₀モードの弾性波の位相速度Ｖ_{kd= 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上で、前記圧電板の
厚さＤのほぼ２．５倍以下であり、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よりも小さい。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
波の波数Ｋと前記圧電板の厚さＤとの積ＫＤが零の場合
のＳ₀モードの弾性波の位相速度Ｖ_kd=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上で、前記圧電
板の厚さＤのほぼ２．５倍以下であり、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よりも小さい。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の位相速度は、前記弾性波の波数
Ｋと前記圧電板の厚さＤとの積ＫＤが零の場合のＳ₀モ
ードの弾性波の位相速度Ｖ_{kd= 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上で、前記圧電板の厚さ
Ｄのほぼ２．５倍以下であり、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
性波の位相速度よりも小さい。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、前記圧電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。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、前記非圧電板がアクリルその他の高
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）であって、
この２層構造部に励振される弾性波の位相速度が、弾性
波の波数Ｋと圧電板の厚さＤとの積ＫＤが零の場合のＳ
₀モードの弾性波の位相速度Ｖ_kd=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、非圧電板中に励振
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、弾性波の波数Ｋと圧電
板の厚さＤとの積ＫＤが零の場合のＳ₀モードの弾性波
の位相速度Ｖ_kd=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、弾性波の波
数Ｋと圧電板の厚さＤとの積ＫＤが零の場合のＳ₀モー
ドの弾性波の位相速度Ｖ_kd=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２π
ｙ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
の波数Ｋと圧電板の厚さＤとの積ＫＤが零の場合のＳ₀
モードの弾性波の位相速度Ｖ_kd=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
性波を効率よく電気信号Ｅ₁およびＥ₂として出力するこ
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。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とほぼ同じ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とほぼ同じか
それ以上に設定し、また、非圧電板の厚さを圧電板の厚
さＤのほぼ２．５倍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よりも小さい物質、たとえばアクリ
ル樹脂その他の高分子化合物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、アクリル板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４００μ
ｍのＴＤＫ製１０１Ａ材（製品名）で成る。アクリル板
４は厚さ１ｍｍのアクリル樹脂で成る。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２
０μｍのエポキシ系樹脂によってアクリル板４上に固着
されている。圧電磁器板３単体を伝搬する弾性波の横波
の速度は２４５０ｍ／ｓであり、縦波の速度は４３９０
ｍ／ｓである。アクリル板４単体を伝搬する弾性波の横
波の速度は１４６１ｍ／ｓであり、縦波の速度は２７１
８ｍ／ｓであって、圧電磁器板３単体を伝搬する弾性波
の横波速度および縦波速度それぞれのほぼ０．６倍であ
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−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とアク
リル板４とから成る２層構造部を伝搬し、さらにその弾
性波はアクリル板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、もしもアクリル板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−２７
０°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は圧電磁器板３単体に伝搬する弾性
波の位相速度を示す特性図であり、弾性波の波数Ｋと圧
電磁器板３の厚さＤとの積（ＫＤ）に対する各モードの
位相速度を示す図である。図４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、ＫＤ
値に対する各モードの位相速度を示す図である。図５は
図１の２層構造部における圧電磁器板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ＫＤ値との関係を示す特性図である。但
し、図５はＳ₂モードについての特性図を示す。図１の
超音波トランスデューサの２層構造部には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
効率よく励振されることが確認されている。Ｓ₂モード
については、ＫＤ値が約１．４のときにＫ₂は最大値の
約６．４％を示す。つまり、すだれ状電極１に加えられ
る電気的エネルギーがＳ₂モードの弾性波に最も変換さ
れやすいのはＫＤ値が約１．４のときであることが分か
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。ま
た、図４および５より、Ｋ²が最大値を示す位相速度
は、弾性波の波数Ｋと圧電磁器板３の厚さＤとの積ＫＤ
が零の場合のＳ₀モードの弾性波の位相速度Ｖ_kd=0とほ
ぼ等しいことが分かる。図６は図１の２層構造部におけ
る圧電磁器板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ＫＤ値と
の関係を示す特性図である。但し、図６はＳ₄モードに
ついての特性図を示す。ＫＤ値が約２．１のときにＫ²
は最大値の約７．０％を示す。つまり、すだれ状電極１
に加えられる電気的エネルギーがＳ₄モードの弾性波に
最も変換されやすいのはＫＤ値が約２．１のときである
ことが分かる。また、Ｋ²が最大値を示す位相速度は、
位相速度Ｖ_kd=0とほぼ等しい。図７は図１の２層構造部
における圧電磁器板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Ｋ
Ｄ値との関係を示す特性図である。但し、図７はＡ₅モ
ードについての特性図を示す。ＫＤ値が約２．６のとき
にＫ²は最大値の約７．６％を示す。つまり、すだれ状
電極１に加えられる電気的エネルギーがＡ₅モードの弾
性波に最も変換されやすいのはＫＤ値が約２．６のとき
であることが分かる。また、Ｋ²が最大値を示す位相速
度は、位相速度Ｖ_kd=0とほぼ等しい。図８は図７におけ
るＫ₂の最大値近傍のＫＤ値（２．６）での変位分布を
示す特性図である。縦軸は２層構造部の深さを規格化し
た値で示したもので、圧電磁器板３とアクリル板４との
界面は深さが零の場合に相当する。横軸は変位を規格化
した値で示したものである。アクリル板４の内部にＡ₅
モードの弾性波が効率よく伝搬することが分かる。図９
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およびアクリル板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
樹脂によってアクリル板４上に固着されている。図１０
は図９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、電極周期長ｐは４６０μｍ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とアクリル板４と
から成る２層構造部を伝搬し、さらにその弾性波はアク
リル板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、アクリル板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９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
方の板面を介してアクリル板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ア
クリル板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９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１１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ア
クリル板４がアクリル板７に置き換わったものである。
アクリル板７は厚さ４００μｍで、アクリル板４と同様
な材質で成る。図１２は図１１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、ＫＤ値に対
する各モードの位相速度を示す図である。図１３は図１
１の２層構造部における圧電磁器板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Ｋ
Ｄ値との関係を示す特性図である。但し、図１３はＳ₁
モードについての特性図を示す。ＫＤ値が１．８近傍の
ときにＫ²は最大値の約７．６％を示す。つまり、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ＫＤ値が１．８近傍
のときであることが分かる。また、図１２および１３よ
り、Ｋ²が最大値を示す位相速度は、位相速度Ｖ_kd=0と
ほぼ等しいことがわかる。図１４は図１１の２層構造部
における圧電磁器板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ＫＤ値との関係を
示す特性図である。但し、図１４はＡ₃モードについて
の特性図を示す。ＫＤ値が約３．１のときにＫ²は最大
値の約７．５％を示す。つまり、すだれ状電極１に加え
られる電気的エネルギーがＡ₃モードの弾性波に最も変
換されやすいのはＫＤ値が約３．１のときであることが
分かる。また、Ｋ²が最大値を示す位相速度は、位相速
度Ｖ_{k d=0}とほぼ等しい。図１５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９の超音波トランスデューサのアクリル板４がア
クリル板７に置き換わったものである。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とアクリル板７と
から成る２層構造部を伝搬し、さらにその弾性波はアク
リル板７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、アクリル板７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１５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アクリル板７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
てアクリル板７上に固着されている場合にも同様な効果
が見られた。図１１および図１５の２つの超音波トラン
スデューサを比較した場合、図１１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、弾性波の波数Ｋと圧電板の厚さＤ
との積ＫＤが零の場合のＳ₀モードの弾性波の位相速度
Ｖ_{k d=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
板中に励振されている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、弾性波の波数Ｋと圧電板の厚さＤとの積ＫＤが
零の場合のＳ₀モードの弾性波の位相速度Ｖ_{kd= 0}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とほぼ同じか
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とほぼ同じかそれ以上に設定し、また、
非圧電板の厚さを圧電板の厚さＤのほぼ２．５倍以下に
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よりも小さい物質を採
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】圧電磁器板３単体に伝搬する弾性波の位相速度
を示す特性図。

【図４】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５】図１の２層構造部における圧電磁器板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ＫＤ値との関係を示す特性図。

【図６】図１の２層構造部における圧電磁器板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ＫＤ値との関係を示す特性図。

【図７】図１の２層構造部における圧電磁器板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ＫＤ値との関係を示す特性図。図６中のＳ2モー
ドについての特性図。

【図８】図７におけるＫ²の最大値近傍のＫＤ値（２．
６）での変位分布を示す特性図。

【図９】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１０】図９の超音波トランスデューサの斜視図。

【図１１】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１２】図１１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１３】図１１の２層構造部における圧電磁器板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ＫＤ値との関係を示す特性図。

【図１４】図１１の２層構造部における圧電磁器板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ＫＤ値との関係を示す特性図。

【図１５】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。

【符号の説明】

１ すだれ状電極 ２ 接地電極 ３ 圧電磁器板 ４ アクリル板 ５ 移相器 ６ すだれ状電極 ７ アクリル板 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、
   前記弾性波の波数Ｋと前記圧電板の厚さＤとの積ＫＤが
   零の場合のＳ₀モードの弾性波の位相速度Ｖ_{kd= 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
   かまたはそれ以上で、前記圧電板の厚さＤのほぼ２．５
   倍以下であり、 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よりも小さい超
   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
   記弾性波の波数Ｋと前記圧電板の厚さＤとの積ＫＤが零
   の場合のＳ₀モードの弾性波の位相速度Ｖ_kd=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
   かまたはそれ以上で、前記圧電板の厚さＤのほぼ２．５
   倍以下であり、 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よりも小さい超
   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の位相速度は、
   前記弾性波の波数Ｋと前記圧電板の厚さＤとの積ＫＤが
   零の場合のＳ₀モードの弾性波の位相速度Ｖ_{kd= 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
   かまたはそれ以上で、前記圧電板の厚さＤのほぼ２．５
   倍以下であり、 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よりも小さい超
   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】 前記圧電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】 前記非圧電板がアクリルその他の高分子
   化合物で成る請求項１，２，３，４，５または６に記載
   の超音波トランスデューサ。