JPS5921535B2 - 回折電気音響トランスジユ−サ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、電気音響トランスジューサに関するもので、
特に音響光学偏向器・変調器や広帯域可変周波数又は非
常に短いパルス波の超音波を発生するために有用な電気
音響トランスジューサに関するものである。

従来の広帯域トランスジューサは、その両側に金属電極
をつけた薄い平板の形状をしていた。

広帯域の周波数に於て平坦な周波数応答を得るためには
、使用されうる周波数帯域におけるいくつかの音響共振
を避けなければならない。主音響共振は、平板に垂直な
方向の音速Ｖａと平板の厚さＤとから、関係式ｆｃ＝Ｖ
ａ／（２Ｄ）・・・・・・・・・（１）で与えられる周
波数ｆｃの整数倍の周波数で発生する。

もしトランスジユーサがトランスジユーサの音響インピ
ーダンスと完全に整合した音響インピーダンスの音響光
学結晶に接着されているならば、該音響共振をさける事
ができる。とはいえ、実用上それは不可能に近い。しか
るに、トランスジユーサの電気音響変換効率は、周波数
Ｆｃの大きな倍数の周波数帯域で使用した場合には著し
く減少する。それゆえに周波数Ｆｃは、薄い平板型トラ
ンスジユーサの周波数帯域の実用的範囲の一つの目安で
ある。例えば、Ｖａの典型的な値を６×１０３ｍ／Ｓｅ
ｃとするならば、平板の厚さＤは１００ＭＨｚのバンド
幅を持つたトランスジユーサに於ては３０μｍより小さ
くなければならない。

この様なトランスジユーサを作る事に対して、今までに
大きな努力がはられれてきた。

例えばスパツタリングによるエツチング・テクニツクを
用いて３μｍ以下のトランスジユーサを作ると言う事は
、Ｊ−Ｄ−ＬａｒｓＯｎｌｌｌ世及びＤ−Ｋ−Ｗｉｎｓ
ｌＯｗによつて１９７１年７月のＩＥＥＥソニツクアン
ドウルトラソニツクトランザツクシヨンＳＶ−１８巻、
ＮＯ−３ページ１４２〜１５２の「ＵｌｔｒａｓＯｎｉ
ｃａｌｌｙＷｅｌｄｅｄＰｉｅｚＯｅｌｅｃ−Ｔｒｉｃ
Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ」で述べられている。彼の報告
したトランスジユーサは、薄板型トランスジユーサの曲
型的な値と思える。一方、表面波を作るために櫛形電極
と呼ばれるものが、Ｊ−Ｈ−ＣＯｑｕｉ武びＨ・Ｆ・Ｔ
ｉｅｒｓｔｅｎ等によつて提案された。

そして、ＥｒｎｓｔＳｔｅｒｎによる１９６９年１１月
のＩＥＥＥマイクロウエーブセオリーアンドテクニツク
トランザツクシヨンＭＴＴ−１７巻、ＮＯ−１０ページ
８３５〜８４４の綜合報告「ＭｉｃｒＯｓＯｕｎｄＣＯ
ｎｌＰＯｎｅｎｔｓ？ＣｉｒｃｕｉｔａｎｄＡｐｐｌｉ
ｃａｔｉＯｎｓ」によつて） １・７ＧＨｚ以上で使用
できるトランスジユーサがＡ・Ｎ−ＢＯｅｒｓ等によつ
て完成されていることが照介されている。櫛形電極トラ
ンスジユーサは、圧電物質上に付けられた互いに平行な
多数の金属帯から成り１各金属帯は相互に前記トランス
ジユーサの互いに異なつた端子に接続されている。櫛形
トランスジユーサは、の関係を満足する周波数ＦＯの付
近で最大能力を持ち、Ｓは二つの近接した導体間間隔で
ある。

数マイクロメータ（μｍ）の間隔Ｓを持つた櫛形電極は
、近年の写真製版術の向上により容易に達成される。（
２）式は、周期２Ｓを持つた電界の特別な周期的変化の
波ベクトルπ／Ｓと表面超音波の波ベクトルＫａとの間
の整合条件の一種として説明される。

Ｋａ＝（２πＦａ）／Ｖａ＝π／Ｓ（３）体積超音波の
類似した整合条件は、Ｇ−Ａ・ＣＯｑｕｉｎ等によつて
１９７０年１月のＩＥＥＥソニツクアンドウルトラソニ
ツクトランザクシヨンＳＵ−１７巻、ＮＯ−１ページ３
４〜４０の１ＷｉｄｅＢａｎｄＡｃ０ｕｓｔ００ｐｔｉ
ｃ｝ＩｆｌｅｃｔＯｒｓＵｓｉｎｇＡｃＯｕｓｔｉｃＢ
ｅａｍＳｔｅｅｒｉｎｇ］ で検討された。

この場合の整合条件は、単に個々別々な薄板型トランス
ジユーサによつて励起された超音波束の隊列によつて作
られる等価波面に関して論議されたのにとどまつていた
。互いに隣接したトランスジユーサは、たがいにπラジ
アンだけずれた位相角で励起され、深さＳで高さｎの階
段状表面の各段毎に取付けられている。ビームの隊列の
作る平均波面の各々のトランスジユーサの面から測つた
傾角θｅは、を満足する。

（３成及堕３）弐は、より一般的な整合条件の特別な場
合の近似式である。この一般式は、周期２Ｓを持つた構
造による波数を持つた波の入射角θｉ及び回折角θｅの
回折に対して成立つものである。

本発明は、圧電結晶中に任意の超音波波面を圧電結晶の
表面に取シ付けられた一対の櫛形電極の直下に生ずる微
少波の帯列から合成することができるという事に基づい
ている。

ここで言う波面合成の原理は、全種の波動現象について
成立する一般的な回折理論から推論される。平面上に間
隔Ｓを持つ等間隔櫛形電極の場合、平面の法線方向から
角θだけ傾いた方向に伝播する波数Ｋａの平面超音波は
、の条件を満足する時に生ずる。

これは、薄板型の分離したトランスジユーサを必要とせ
ず、また精巧な製作技術をも必要としない。

この櫛形電極トランスジユーサの構造及びそれに伴なう
技術は、最近の写真製版技術の進歩からみて従来のトラ
ンスジユーサよりもはるかに簡単である。本発明は、１
ＧＨｚ以上の周波数帯域での使用も可能なトランスジユ
ーサを提供するものである。

回折トランスジユーサの概念は、容易に一般化して圧電
結晶の非平面化及び非平面な波面の合成に適用する事が
できる。本発明によれば、所望の音場がそれから発生さ
れるべき等位相面の１つを指定し、それと同位相の第１
の等位相面の組が定められ、次に指定された等位相面と
πラジアンだけ位相の異なる第２の等位相面の組が定め
られる。

第１の等位相面の側と圧電結晶の表面との間の一組の交
線に沿つた第１組の金属帯の位置が定まる。前記金属帯
は、圧電結晶の表面上に付着されていて、互いの金属帯
を接合して一つの電極となつている。第２の等位相面の
組と圧電結晶の表面との間の一組の交線に沿つた第２組
の金属帯の位置が定まる。前記金属帯は、圧電結晶の表
面上に付着されていて、互いの金属帯を接合してもう一
方の電極と成つている。本発明の基本構成として、平面
上の電極によシ生ずる微少波から合成されている場合に
ついて、また本発明の実施例として面波が円筒波面と平
行な軸を持つ円筒面上の電極により生ずる波から合成さ
れている場合に付いて、また本発明の実施例として、円
筒面波が平面上の電極により生ずる微少波面から合成さ
れている場合とに付いて電極構造が検討されている。本
発明の回折トランスジユーサの音響光学光偏向器への応
用についての設計も検討されている。

以下、本発明に付いて基本構成例および実施例を参照し
て詳細に説明する。第１図及び第２図は、圧電結晶の平
面上の電極より生じた微少波から合成された平面波であ
る所の基本構成例を示す図で、以下説明する。

圧電リチウムナイオベート結晶１の平面の内で、該結晶
のＺ軸からその法線方向がＸ軸の方へ角度がθだけ傾い
ている平面１１が、電極面として選ばれている。

Ｚ軸に垂直な平波面を得るためには、点線により示され
ている第１の等位相面４１は、Ｚ軸と垂直な予め指定さ
れた波面４と平行でかつ相互に２π／Ｋａの間隔に保た
れるように描かれている。平面１１と等位相面４１の組
との間の全ての交線にそつていて、Ｙ軸に全て平行でか
つ間隔２Ｓの金属帯は平面１１上にメツキ、スパツタリ
リングあるいは蒸着等によつて取付けられていて、かよ
うに形成された複数の金属帯が互いに接続された第１電
極２１を形成する。ここに、Ｓ，Ｋａ及びθは、ｍ＝１
で（４）式を満足させる。

等位相面４１間の中間に描かれているものは、第１の等
位相面の組４１からそれぞれ位相角πだけずれていて鎖
線により示されている第２の等位相面の組４２である。
平面１１と第２等位相面４２との間の全ての交線にそつ
ているもう一方の金属帯は平面１１上にメツキ、スパツ
タリングあるいは蒸着等によつて取り付けられていて、
おのおのが互いに接合されて第２電極２２となつている
。尚、電極１１及び１２は、該結晶上に付着した金属膜
を写真製版術を使用してエツチング等により製作される
。上述の電気音響トランスジユーサを使用するために、
周波数Ｆａの交流電圧が、電極２１と３１との間に交流
電源６から供給される。

矢印５は、前記交流電圧を印加することによ勺生じた、
周期２Ｓの周期的なｚ成分を持つた電界分布を示してい
る。第２図かられかるように、Ｚ成分局部電界によう生
じた全ての円筒面波が予じめ指定された波面４に達した
ときに互いに同位相である。なぜならば電極２１の互い
の枝から波面４への間隔が音の波長のすべて２π／Ｋａ
の整数倍であるからである。周波数Ｆａが変化するとき
、（３）及び（４）式に従つて波面の方向の回転がおき
る。

この波面の回転方向は、さきに利用したＧ−Ａ−ＣＯｑ
ｕｉｎの論文に示されている様に光束の偏向のための正
確なブラック条件をみたすための広帯域な整合を得るの
に有利である。第３図及び第４図は、円筒面波が圧電結
晶の面上に取り付けられた一対の電極により生じた微少
波から合成されていて、光束の偏向のために使用してい
る第１実施例を示す。

本実施例においては、Ｚ方向に伝播する縦波の波速Ｖａ
が７３３×１０３（−ｍ／Ｓｅｃ）である圧電リチウム
・ナイオベート結晶１は、Ｚ方向に伝播する縦波の速度
Ｖａが３．６６×１０（７ＴＬ／Ｓｅｃ）である電気光
学モリブデン酸鉛結晶７と互いの結晶のＺ軸が平行なよ
うに接着されている。

偏向されるべき光束８は、電気光学結晶７中を直線的に
Ｙ方向へ人射する。この場合、光束８に向つて集斂する
円筒面波が合成されるべき波面である。圧電結晶１と音
響光学結晶７との間の境界１７から光束までの間隔をｌ
とすると、境界１７と圧電結晶１の内側の予じめ指定さ
れた円筒波面４の軸８１との間隔αは、波の屈折の法則
によりのごとく決定される。第９図に於て、第１組の等
位相円筒面４１は、点線により示されている。

該第１組の等位相面４１から位相角πだけずれた第２組
の等位相面４２は、鎖線により示されている。圧電結晶
１の平面１１と、第１の組の等位相面４１との間の全て
の交差線にそつているＹ軸に平行な金属帯は、該平面１
１に付着されていＹ互いに結合されて電極２２となつて
いる。圧電結晶１の平面１１と第２の組の等位相面４２
との間の全ての交差線にそつているＹ軸に平行な金属帯
は、該表面に付着されていて互いに接合されて電極３２
となつている。このような電極の導体のパターンは、１
次元のフレネル・パターンの性質を持つている。吸音材
９は、結晶７の中の種々の表面からの反射波が定在波を
生じないようにこれを妨ぐように働く。本実施例は、光
束の位置に高音場を得るのに有利である。しかしながら
、高音場が生ずる位置が波面の回転の結果として動いて
しまうという理由で広帯域の偏光のためには、望ましく
ない。第５図及び第６図は、円筒面波が圧電結晶の円筒
面−トに取シ付けられた一対の電極により生じた微少波
から合成されていて光速を偏向するために使用されてい
る本発明の第３実施例を示す。本実施例に於て、圧電リ
チウムナイオベート結晶１は同時に音響光学結晶として
も使用されている。光速８に収斂する円筒波面４は、合
成されるべき波面である。

該結晶１の表面１１は、光速８から♂の距離にあり、さ
らに光速８と平行な軸８２を軸とする円筒である。円筒
表面１１の半径Ｒは、の関係を満足している。第１組及
び第２組の互いに位相角πだけずれた等位相円筒面４３
及び４４は、それぞれ点線及び鎖線により示されている
。

第１組及び第２組の金属帯は、それぞれ第１等位相面の
組４３及び第２の等位相面の組４４と表面１１間の全て
の交差線、にそつて表面１１上に付着されている。第１
組及び第２組の金属帯は、それぞれの組の全てを接合し
て一対のＺ組の電極２３及び３３となつている。金属帯
は、（６）式で得られるθを（４）式に代入して得られ
る、互いにほぼ等しい間隔Ｓを持つている。さらに本欠
施例の２つの吸音材９１及び９２は、結晶１の種々の表
面からの反射波を防ぐために役だつ。電極２３及び３３
によね生じた微少波は軸８２に関して光束８と対称な位
置にある軸８３に集斂するところの他の不用な円筒面波
をも合成する。吸音材９２は特にこの不用な円筒面波に
より起きる妨害を防ぐために役だつ。本実施例は、第１
実施例より光束の位置に集中した音場を得るより簡単な
方法を提供する。

本発明は、従来の薄板トランスジユーサにともなう困難
を無くし、１ＧＨｚ以上の周波数で動作するトランスジ
ユーサを容易に製作できる。また、電極の取り付け面の
形状に関係なく、ただ単に参照波面を自由に選ぶことに
より（例えば、［Ｆ］球面波・円筒波等を参照位相とし
て平面に電極を取ｖ付け、収れんする音場を得る場合、
２球面波・円筒波等を参照位相として曲面に電極を取り
付け、収れんする音場を得る場合、３平面波を参照位相
として曲面に電極を取り付け、平行な音場を得る場合）
所望の音場を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は平面波が電極によつて生じた微少波
から合成されている所の本発明の基本構成例を模式的に
表わしたものであり、第１図及び第２図は実施例のそれ
ぞれに平面図及び測面図である。 第３図及び第４図は光束を偏向するために用いている円
筒面波が平面上の電極によつて生じる微少波から合成さ
れている本発明の第１実施例を模式的に表わしたもので
あり、第３図及び第４図はそれぞれ平面図及び側面図で
ある。第５図及び第６図は光速を偏向するために用いて
いる円筒面波が、円筒表面上の電極により生じた微少波
より合成された本発明の第２実施例を模式的に表わした
ものであり、第５図及び第６図はそれぞれ平面図及び側
面図である。符号の説明、１・・・圧電結晶、１１・・
・圧電結晶の電極加工された表面、１７・・・圧電結晶
と電気光学結晶との間の境界、２１，２２，２３・・・
第１電極、３１，３２，３３・・・第２電極、４・・・
予じめ指定された波面、４１，４２・・・等位相面、４
３，４４・・・等位相面、５・・・電界分布、６・・・
電源、７・・・音響光学結晶、８・・・光軸、８１・・
・圧電結晶内の円筒波面の軸、８２・・・圧電結晶の円
筒表面の軸、８３・・・不用円筒波面の軸、９，９１，
９２・・・吸音材。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 平面を有する電歪結晶と、該電歪結晶の一表面と所
   望の曲面を有する参照波面に沿った第一組の等位相波面
   とにより決まる第一組の交線に実質上沿って位置し該表
   面に取りられた第一組の金属帯と、該電歪結晶の一表面
   と該第一組の等位相円筒波面からπラディアン位相のず
   れた第二組の等位相円筒波面とにより決まる第二組の交
   線に実質上沿って位置し該表面に取り付けられた第二組
   の金属帯と、該第一組の金属帯と該第二組の金属帯とか
   ら成る一組の電極と、該電極に電圧を供給する手段と、
   該電圧を供給した結果として該結晶の中に直線上に焦点
   を結ぶ該所望の参照波面により定まる音場の音響体積波
   を作り出す事を特徴とする回折電気音響トランスジュー
   サ。 ２ 曲面を有する電歪結晶と、該電歪結晶の一表面と所
   望の参照波面に沿つた第一組の等位相波面とにより決ま
   る第一組の交線に実質上沿って位置し該表面に取り付け
   られた第一組の金属帯と、該電歪結晶の一表面と該第一
   組の等位相波面からπラディアン位相のずれた第二組の
   等位相波面とにより決まる第二組の交線に実質上沿って
   位置し該表面に取り付けられた第二組の金属帯と、該第
   一組の金属帯と該第二組の金属帯とから成る一組の電極
   と、該電極にＡＣ電圧を供給する手段と、該結晶の中に
   直線上に焦点を結ぶ該所望の参照波面により定まる音場
   の音響体積波を作り出す事を特徴とする回折電気音響ト
   ランスジューサ。 ３ 円筒面を有する電歪結晶と、該電歪結晶の一表面と
   所望の参照円筒波面に沿つた第一組の等位相円筒波面と
   により決まる第一組の交線に実質上沿って位置し該表面
   に取り付けられた第一組の金属帯と、該電歪結晶の一表
   面と該第一組の等位相円筒波面からπラディアン位相の
   ずれた第二組の等位相円筒波面とにより決まる第二組の
   交線に実質上沿って位置し該表面に取り付けられた第二
   組の金属帯と、該第一組の金属帯と該第二組の金属帯と
   から成る一組の電極と、該電極にＡＣ電圧を供給する手
   段と、該結晶の中に直線上に焦点を結ぶ所望の形態をし
   た音場の音響体積波を作り出す事を特徴とする回折電気
   音響トランスジューサ。