JPS6311000A

JPS6311000A - 超音波変換器

Info

Publication number: JPS6311000A
Application number: JP15581586A
Authority: JP
Inventors: Koji Toda; 耕司戸田
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1986-07-02
Filing date: 1986-07-02
Publication date: 1988-01-18

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、圧電体平板の表面にすだれ状電極を設けてな
り、その電極に加えられる高周波の電気信号を超音波に
変換し又は圧電体平板に到来した超音波を高周波の電気
信号に変換する超音波変換器に関し、特に圧電体平板に
漏洩ラム波を励振し液体中に超音波を放射するとともに
その液体中の物体で反射された超音波を受けてその物体
の音り像を得る音ｇ撮像装置等に適した超音波変換器に
関する。

（従来の技術とその問題点）従来から水等の液体中に超音波を放射し、又は液体中の
物体で反射された超音波を受信する超音波変換器は、医
療診断装置などの音！！Ｐ撮像装置に用いられている。

現用されている超音波撮像装置では圧電体にバルク弾性
波を励振する方式が主に採用されている。一方、最近は
圧電体平板に表面弾性波を励振する方式が盛んに研究さ
れている。

その表面弾性波にはレイリー波とラム波とがある。

圧電体平板の厚さをＤ、表面弾性波の波長を入とすると
、Ｄ＞３λでは主にレイリー波が、Ｄ〈３λでは主にラ
ム波が励振される。ラム波を励振する超音波変換器であ
るラム波素子は、厚きＤが小さい即ち薄い圧電体平板の
片面にすだれ状電極を形成してなる。そして、このよう
なラム波素子のすだれ状電極に高周波電気侶号を加える
と、すだれ状！極がある表側の面（表面）だけでなく、
この表面に平行な裏側の面（裏面）も弾性振動をする。

そこで、ラム波を励振する超音波変換器では、すだれ状
！極が設けである表面は空気に触れさせ、裏面を液体に
触れさせてその液体に縦波を送波し又は液体の縦波を受
波する構造が採用できる。他方、レイリー波が励振され
るレイリー波素子では、すだれ状電極がある表面だけが
弾性振動をするから、水中に縦波を放射するにはすだれ
状電極側の表面を液体に触れさせざるを得ない。すだれ
状電極側を空気にだけ触れさせ液体から隔離した構造で
は、電極間の絶縁が容易であり、空気側にある励振用の
発振器の出力線と電極との接続が容易に行なえ、液体を
電気分解するおそれがない、そこで、超音波変換器とし
てはラム波素子の方がレイリー波素子より実用上有利な
場合がある。

液中を伝搬する超音波は周波数が高いほど大きい損失を
受けるから、数ｍ以上離れた物体を撮像するには数百Ｋ
Ｍ、以下の低周波超音波が有利である０表面弾性波超音
波変換器として従来から研究開発が進んでいるのはレイ
リー波素子であるが、レイリー波素子は１０ＭＨｚ以上
の領域では小形にできるものの、数百ｋＨ２以下の低周
波領域では大形になり実用化が経済的に困難である。−
例として、２００ｋＨ，という低周波の超音波を水中に
放射するレイリー波素子を考えてみる。

表面弾性波素子では、励振される表面弾性波の中心周波
数Ｆｃにおける波長および速度をそれぞれ人及びＶｓと
し、すだれ状電極のうちの同一極性の電極の配列周期を
ＰとするとＶ　ｓ　”　Ｆ　ｏλ　　　　　　　　　　　（１）λ
　＝Ｐ　　　　　　　　　　　　　■である。Ｌ　ｉＮ
　ｂ　Ｏｓ平板におけるレイリー波の速度Ｖｓは約４０
００ｍ／秒であるので、Ｆ　ｃ　＝　２００ｋＨｚでは
式（ｉ）、■からＰは約２０ｍｍとなる。また、レイリ
ー波素子では前述のとおり平板の厚さＤは３λ以上が必
要であるから、Ｄは６０＋ｎｍ以上となる。このように
レイリー波素子の超音波変換器は、低周波で用いようと
すると大形になり、ひいては高価になり実用的でない。

そこで、低周波で励振きれ、しかも小形な超音波変換器
が求められ、その可能性があるものとしてラム波素子が
考えられる。ラム波素子の超音波変換器については、本
願と同じ発明者になる特許出願（出願番号：特願昭６１
−７９８３０号）において、圧電体がセラミックである
実施例が示きれているが、圧電体がＬｉＮｂＯ３からな
り、低周波の超音波を液中に放射し又は液中から受波す
る超音波変換器は知られていない。

そこで、本発明の目的は、圧電体がＬｉＮｂＯ５からな
り、低周波で励振され、しかも小形な超音波変換器の提
供にある。

（問題点を解決するための手段）前述の問題点を解決するために本発明が提供する手段は
、互いに平行な第１及び第２の表面を有するＬｉＮｂＯ
３平板の前記第１の表面にすだれ状電極を形成してなり
、前記両表面のうちの少なくとも一方を液体に接触して
その液体に超音波を放射し又はその液体から超音波を受
波する超音波変換器において、前記第１及び第２の表面
に垂直な方向の前記ＬｉＮｂＯ３平板の厚さをＤ、前記
すだれ状電極のうちの同一極性の電極の配列周期をＰ１
前記ＬｉＮｂＯ３平板に励振諮れるラム波の速度をＶ５
、前記ラム波の周波数をＦとし、前記り及びＦの単位を
それぞれｍｌ１１及びＭＨ２で表わすとき前記りはＦ・
Ｄが２．０以下の範囲になる値Ｄ１に選択してあり、Ｆ
−Ｄ、における前記ＶｓをＶｓｌとするとき前記ＰはＶ
　ｆｉ　Ｉ　／　Ｆに選択してあり、ＤＩ＜３Ｐである
ことを特徴とする。

（作用）本発明の超音波変換器は、圧電体平板が回転ＹカットＸ
伝搬ＬｉＮｂ０　、からなり、第１の表面にすだれ状電
極が形成されているラム波素子であり、第１の表面を気
体に触れさせ、第２の表面を液体に触れさせて用いるの
に適している。そのすだれ状電極に高周波電気信号（以
下Ｒ２Ｈ号と略記する）を印加すると、ＬＪｂＯｓ平板
にラム波が励振されるとともに、そのラム波の一部は液
体中に伝搬する縦波に変換される。このように圧電体平
板を伝搬しながら一部分が液中の縦波に変換されるラム
波を漏洩ラム波という。圧電体平板の第２の表面の法線
に対する縦波の放射角度を≠とすると、ｓｉｎφ−Ｖｓ
／Ｖｓ　　　　　　　　　（３）■、：漏洩ラム波の速
度ｖｗ：液中縦波の速度である。また、その漏洩ラム波の周波数をＦとすると、
中心周波数Ｆｃではλ−Ｐであり、前述の式（１）、■
の関係が成り立つ。

本発明者の解析および実験によると、漏洩ラム波の速度
Ｖｓは周波数Ｆと圧電体平板の厚さＤとの積ＦＤに密接
に関連しており、第１１１！Ｊ（ａ）。

（ｂ）は、回転ＹカットＸ伝搬ＬｉＮｂＯ５を圧電体平
板とする超音波変換器におけるＦＤに対する速度Ｖｓの
分散特性を示す。本図（ａ）及び（ｂ）はそのＬｉＮｂ
Ｏ５平板の第２の表面が電気的に開放及び短絡である場
合をそれぞれ示す。これら図において、符号Ｓ及びＡは
対称モード及び反対称モードをそれぞれ示し、添字Ｏは
０次モードを示し、添字１，２は１，２次の高次モード
をそれぞれ示す６例えし゛、Ｓｏは０次対称モードを表
わしている。

また、本発明者の解析および実験によれば、回転Ｙカッ
トＸ伝搬ＬｉＮｂ０ｍ平板に入力されるＲＦＭ号のうち
で水中縦波に変換きれるエネルギの割合、すなわち電気
−水中縦波変換効率ηは、ＦＤ及びカット面の回転角に
依存する。第２図（ａ）及び（ｂ）は、１３０°回転Ｙ
カットＸ伝搬ＬｉＮｂＯ３平板の第２の表面が電気的に
解放及び短絡の場合における変換効率ηのＦＤ依存性を
示す特性図である。但し、これら図にはＡ、モードラム
波に関するηだけが示しである。これら図に示す如く、
Ａ、モードでは変換効率ηはＦＤに応じて著しく変動し
、Ｆ　Ｄ　−０，４ＭＨｚ・ｍｍ近傍にηのピークが存
在する。レイリー波素子の変換効率ηは０．４×１０−
”程度であり、このレイリー波素子と同等のηが得られ
るＡ、モードラム波素子ではＦＤが０．０８ＭＨ２・ｍ
ｍ（第２図（ａ）の素子）である。ＦＤ−０、０８Ｍ旧
・ｍｍのとき漏洩ラム波の速度Ｖｓは第１図（ａ）から
１．３ｋｍ／秒であり、漏洩レイリー波の速度約４ｋｍ
／秒よりはるかに遅い。そこで、このよりなラム波素子
である超音波変換器は、小形であっても低い周波数Ｆで
励振できる。

本発明では、圧電体平板として回転ＹカットＸ伝１１Ｌ
ｉＮｂｏｉを用いる。第３図にＬｉＮｂＯ５平板のカッ
ト面を説明するための座標系を示すａ　ＬｘＮｂＯｓの
結晶軸に軸Ｘ　＊　３’　＋　Ｚが一致する座標系を（
Ｘ。

ｙ、ｚ）とし、この座標系（ｘ　、ｙ　＋　ｚ　）をＸ
軸のまわりに角度θだけ回転きせてできた新座標系が（
ｘ、ｙ、Ｚ）である。００回回転ＹカットＸ搬ＬｉＮ　
ｂ　Ｏｓ平板は、ラム波の伝搬方向をＸ軸方向とし、厚
き方向を２軸方向とした平板である。本図の平板３は厚
さＤである。

本発明者は、ラム波の周波数Ｆ（ＭＨｚ）と平板の厚さ
Ｄ（ｍｍ〕との積ＦＤが０．４ＭＨ２・！ｎｍである場
合における第３図のＹ軸回転角θと電気−水中縦波変換
効率ηとの関係を解析した。その解析の結果を第４図に
示す。本図における特性線は、ＬｉＮｂＯ３平板の電気
的境界条件に応じて描いてあり、実線および破線は第２
の表面（すだれ状電極が形成しである面に対向する面）
が電気的に開放および短絡の場合をそれぞれ示す。この
図から明らかなように効率ηはＹ軸回転角θに大きく依
存しており、θが１３０°近傍であるときにηは最大で
約１．７Ｘ　１０−’である。また、θが０度近傍であ
るときにもηは大きく、十分実用に供し得る値である。

（実施例）次に実施例を挙げ本発明を一層詳しく説明する。

第５図（ａ）は本発明の一実施例を示す斜視図、同図（
ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ’線矢視断面図である。この
実施例は回転ＹカットＬｉＮｂＯ５平板１の第１の表面
１ａにすだれ状電極２を形成してなり、ＬｉＮｂ０ａ平
板１の第２の表面１ｂは開放されている。ＬｉＮｂＯ３
平板１は、厚ａＤが２ｍｍであり、Ｙ軸回転角θは１３
０°である。すだれ状電極２は、周期Ｐで互いに平行に
配列したくし形電極２１を接続電極２２で相互に接続し
た第１の電極部と、これと同じ構造の第２の電極部とを
対向させてなる。そのくし形電極２１は幅がａ１厚さが
ｔである。この実施例では同一極性の電極の配列周期Ｐ
は１０ｍｍであり、第１の電極部の端子１１と第２の電
極部の端子１２との間に周波数ＦのＲＦ傷信号印加する
ことによりＬｉＮｂＯ５平板１に波長式が１０ｍｍで周
波数がＦの表面弾性波が励振される。厚さＤＣ＝２ｍｍ
）が波長λ（−１０ｍｍ）より小さいから、本実施例に
励振される表面弾性波はラム波である。この実施例は第
１の表面１ａを空気に触れさせ、第２の表面１ｂを水に
触れさせて使用する。

いま、本実施例をＡ、モードに励振し、漏洩ラム波の速
度Ｖｓを２ｋｍ／秒にしようとすると、第１図（ａ）よ
りＦＤ＝０．４ＭＨｚ・ｍｍとなり、Ｄ＝２ｍｍだから
Ｆ　−２００ｋＨ２のＲＦ傷信号駆動するときに本実施
例はＡ、モードで最も効率よく超音波を水中に放射し、
そのときの空気−水中縦波変換効率ηは第４図から１．
７Ｘ　１０−”である。

以上に説明した実施例はＰ＝１０ｍｍ、Ｄ−２ｍｍであ
って比較的小形であるが、この実施例によれば２００ｋ
Ｈｚの低周波超音波がη−１，７Ｘ　１０−”という高
い効率で励振できる。前に述べたように、従来から開発
が進んでいるレイリー波素子では、２ｏｏｋＨ２の低周
波を励振するためにはＰ　＝　２０ｍｍ　、　Ｄ　−６
０ｍｍという大きな寸法が必要であり、ηは０．４Ｘ　
１０−”程度である。このように、本実施例は、小形で
低周波超音波が励振でき、そのうえ効率がよい。

（発明の効果）以上に詳しく説明したように、本発明によれば、圧電体
がＬｉＮｂＯ５からなり、低周波で効率よく励振され、
しかも小形な超音波変換器が提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）、（ｂ）は回転ＹカットＬｉＮｂＯ５平板
における漏洩ラム波の速度分散特性を示す図、第２図（
ａ）’、（ｂ）はその平板における変換効率ηのＦＤ依
存性を示す図、第３図はＬｉＮｂＯ５平板のカット面を
説明するための座標系を示す図、第４図は回転Ｙカット
ＬｉＮｂＯ３平板におけるＹ軸回転角θと変換効率ηと
の関係を示す図、第５図（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ本
発明の一実施例の斜視図及び断面図である。１・・・１３０′″回転ＹカットＬｘＮｂＯｓ平板、２
・・・すだれ状電極、１１　、１２・・・端子、２１・
・・くし形電極、２２・・・接続電極。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）互いに平行な第１及び第２の表面を有するＬｉＮ
ｂＯ＿３平板の前記第１の表面にすだれ状電極を形成し
てなり、前記両表面のうちの少なくとも一方を液体に接
触してその液体に超音波を放射し又はその液体から超音
波を受波する超音波変換器において、前記第１及び第２
の表面に垂直な方向の前記ＬｉＮｂＯ＿３平板の厚さを
Ｄ、前記すだれ状電極のうちの同一極性の電極の配列周
期をＰ、前記ＬｉＮｂＯ＿３平板に励振されるラム波の
速度をＶ＿ｓ、前記ラム波の周波数をＦとし、前記Ｄ及
びＦの単位をそれぞれｍｍ及びＭＨｚで表わすとき前記
ＤはＦ・Ｄが２．０以下の範囲になる値Ｄ＿１に選択し
てあり、Ｆ・Ｄ＿１における前記Ｖ＿ｓをＶ＿ｓ＿１と
するとき前記ＰはＶ＿ｓ＿１／Ｆに選択してあり、Ｄ＿
１＜３Ｐであることを特徴とする超音波変換器。
（２）前記ＬｉＮｂＯ＿３平板は、座標軸ｘ、ｙ、ｚが
結晶軸にそれぞれ一致する座標系を第１の座標系（ｘ、
ｙ、ｚ）とし、この第１の座標系（ｘ、ｙ、ｚ）がｘ軸
のまわりに角度θだけ回軸されてできた座標系を第２の
座標系（Ｘ、Ｙ、Ｚ）とするとき、前記ラム波の伝搬方
向がＸ軸方向であり、前記厚さの方向がＺ軸方向であり
、前記角度θが０度又は１３０度近傍であることを特徴
とする特許請求の範囲第１項記載の超音波変換器。