JPS6330575B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は液体中に超音波を放射し或いは液体中
の伝搬超音波を受波する超音波トランスデユーサ
に関する。

光学的不透明媒質の超音波による観測は、医療
診断、、非破壊検査或いは超音波顕微鏡などの分
野で最近大きな注目を集めている。このような目
的の超音波装置に用いるトランスデユーサとして
従来、音響位相板を用いるもの、環状アレイを用
いるもの、音響レンズを用いるものなど種々のも
のがあるが、液体中への超音波の放射或いは液体
中の伝搬超音波の受波用としては所謂すだれ状ト
ランスデユーサが優れた特性を有している。

すだれ状トランスデユーサは、表面波が励起さ
れる厚さの圧電基板表面に１対のくしの歯状電極
をインターデイジタルに組合せた電極を有するも
ので、圧電基板上の電極面を液体に接した状態で
インターデイジタル電極に交流信号を印加するこ
とにより液体中に超音波を放射し、或いは液体中
の伝搬音波を受波して電気信号に変換する。

このようなトランスデユーサにおいては、液体
中への音波の放射及び受波方向θ（θは圧電基板
への法線とのなす角度）に２方向があり、次式の
関係を満足する。

θ₁＝sin^-1Vc／V_R (1) θ₂＝sin^-1Vc／d (2) ここでV_Cは液体中での縦波音波の速度、V_Rは
圧電基板上での表面波の速度、はインターデイ
ジタル電極に印加される電気信号のキヤリア周波
数、ｄはインターデイジタル電極の周期である。

上式から明らかなように、θ₁は周波数に依らず
一定であるが、θ₂は周波数と共に変化する。従つ
てキヤリア周波数の変化で音波ビームの方向を
走査することができるが、(1)式によるθ₁の存在が
あるので、(1)式と(2)式とによる音波ビーム間の干
渉が問題となる場合があり、ある種の応用分野に
おいては好ましくない。このような音波ビーム間
の干渉の問題は、(1)式と(2)式においてV_R≒dを
満足するようにキヤリア周波数を選び音波ビーム
の方向を１方向とすれば解決されるが、この場合
は周波数が狭く、従つて周波数変化によつて音波
ビームの方向を変えることはもはやできない。

本発明はこのような観点からなされたもので、
その目的はV_R≒dを満足しながら音波ビームの
方向を調節することの可能な超音波トランスデユ
ーサを提供することにある。この目的を達成する
ための本発明の基本的な特徴は、圧電基板の表面
に誘電体薄膜をもうけること或いは薄膜状の圧電
体を非圧電体基板上にもうけることにより、周波
数によつて表面波速度が変化する所謂速度分散性
を与えることにある。つまり膜がなければ波の速
度は周波数にかゝわらず一定であるが、膜をもう
けることによ波の速度は周波数に依存するように
なる。以下図面により実施例を説明する。

第１図Ａ及び第１図Ｂは本発明による超音波ト
ランスデユーサの一実施例で、圧電基板１と該基
板の表面にもうけられるインターデイジタル電極
２及び誘電体薄膜３を有する。

圧電基板１は表面波が励起される厚さ、具体的
には基板上の表面波の波長λの数倍、望ましくは
５倍以上の厚さを有する。該基板１の表面には、
第１図Ｂに示すごときリング状のインターデイジ
タル電極２をもうけられる。電極２は、２つの端
子３ａ，３ｂの一方３ａに接続されるリング状の
線状導体２ａと他方３ｂに接続されるほぼリング
状の線状導体２ｂとを交互に配列したインターデ
イジタル電極である。誘電体薄膜３は電極２を覆
うように圧電基板１の表面にもうけられる。薄膜
３としては例えばSiO₂などを用いることができ
る。

上記構成の超音波トランスデユーサは、第２図
に示すように液体４に電極面を接して配置され、
電極２への交流電気信号の印加で液体４中に縦波
音波を放射する。この液体中への音波ビームの方
向θはキヤリア周波数の変化で走査可能とな
る。この際、基板上での表面波速度V_Rは周波数
と共に変化するので、（速度分散性）V_R≒dの
関係が保持される領域が広範囲となり、従つて音
波ビームの放射方向は単一でありビーム間で干渉
が生ずることなく、周波数変化によつて走査が可
能となる。

第２図において、トランスデユーサが周波数₁
で駆動され、これにより縦波音波がθ_a方向に放射
されて点P₁で集束しているものとする（電極２
がリング状であるから縦波音波はリングの中心の
垂直線上で点集束することは明らかである）。こ
の状態でキヤリア周波数を₂にすれば表面波速度
V_RはV_R≒₂dを満足して変化し、従つて縦波音波
の放射方向はθ_bにかわり、点P₂に集束することに
なり、周波数の調整で音波ビームの方向を変える
ことが可能となる。

以上の説明ではインターデイジタル電極２を基
板表面にもうけたが、第３図に示すように誘電体
薄膜３上に電極２をもうけることもでき、前述と
同様の効果を奏することができる。しかしこの場
合には電極２が液体４に直接接して振動すること
から、その機械的及び化学的保護を施す必要があ
る。

また上述の実施例では入出力兼用のリング状の
インターデイジタル電極を用いたので出力を取出
すためには方向性結合器が必要であるが、第４図
Ａのような２個の円孤状のインターデイジタル電
極５ａ，５ｂにより５ａを入力用、５ｂを出力用
として用いれば方向性結合器の必要がなくなる。
なお、この場合には、反射モードで用いると好都
合で、リング状の電極と同様点集束する。これと
同様に４個の円孤状の電極を用いることも可能
で、ほぼリング状に配置して互いに対向する電極
の組を入力用及び出力用として機能させればよ
い。これらの電極構成は縦波音波を点集束させる
ものであるが、ある種の応用分野にとつては線状
の集束を必要とする場合がある。第４図Ｂはこの
ような場合のインターデイジタル電極の構成で、
１対のくしの歯状の電極をインターデイジタルに
組合せたもので、縦波音波は線状に集束する。本
発明では以上いずれの電極をも用いることが可能
である。

第５図は本発明による超音波トランスデユーサ
の別の実施例で、ガラス或いはサフアイヤ等の非
圧電基板１０と該基板の表面にもうけられる圧電
薄膜２０及びインターデイジタル電極３０を有す
る。

非圧電基板１０は半無限弾性体としての条件を
満足する厚さ、具体的には表面波の波長λの数
倍、望ましくは５倍以上の厚さを有する。非圧電
基板１０の表面にはインターデイジタル電極３０
がもうけられる。電極３０の構成は先の実施例と
同様である。圧電薄膜２０は電極３０を覆うよう
に非圧電基板の表面にもうけられる。圧電薄膜と
しては例えばZnO或いはAlN等を用いることがで
きる。圧電薄膜の厚さは目的に応じて選択決定さ
れるが、速度分散性は膜厚の比較的薄い状態で顕
著に現われる。なお、動作は先の実施例と同様で
ある。

第５図の構成では非圧電基板表面にインターデ
イジタル電極をもうけたが、第６図のように圧電
薄膜２０上に電極３０をもうけることも可能であ
る。

第７図Ａ及び第７図Ｂは第５図及び第６図の構
成に加えて、速度分散性を利用する範囲を広げる
ために金属薄膜４０をもうけたものである。金属
薄膜としてはアルミニウム、銀、金などを用いる
ことができる。

以上説明したように本発明によれば、周波数に
よつて表面波速度が変化する所謂速度分散性を有
する超音波トランスデユーサを構成できるので、
周波数の変化によつて、V_R≒dを満足しながら
音波ビームの方向を変えることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図Ａ及び第１図Ｂは本発明による超音波ト
ランスデユーサの一実施例、第２図は本発明によ
る超音波トランスデユーサの動作説明図、第３図
は第１図Ａの電極配置の別の具体例、第４図Ａ及
び第４図Ｂはインターデイジタル電極の別の具体
例、第５図及び第６図は本発明による超音波トラ
ンスデユーサの別の実施例、第７図Ａ及び第７図
Ｂは本発明による超音波トランスデユーサの更に
別の実施例である。 １…圧電基板、２，３０…インターデイジタル
電極、３…誘電体薄膜、１０…非圧電基板、２０
…圧電薄膜。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 表面波が励起される厚さの圧電基板と、該基
   板表面に積層される誘電体薄膜と、２つの端子の
   一方に接続される線状導体と他方に接続される線
   状導体とを交互に配列したインターデイジタル電
   極であつて、前記誘電体薄膜上にもうけられるか
   もしくは該薄膜で覆われるように前記圧電基板表
   面にもうけられる前記インターデイジタル電極と
   を有することを特徴とする超音波トランスデユー
   サ。 ２ 非圧電基板と、該基板表面に積層される薄膜
   状の圧電体と、２つの端子の一方に接続される線
   状導体と他方に接続される線状導体とを交互に配
   列したインターデイジタル電極であつて、前記圧
   電体上にもうけられるかもしくは該圧電体で覆わ
   れるように前記非圧電基板表面にもうけられる前
   記インターデイジタル電極とを有することを特徴
   とする超音波トランスデユーサ。