JP3291074B2 - 超音波受波器 - Google Patents
超音波受波器Info
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- JP3291074B2 JP3291074B2 JP16728993A JP16728993A JP3291074B2 JP 3291074 B2 JP3291074 B2 JP 3291074B2 JP 16728993 A JP16728993 A JP 16728993A JP 16728993 A JP16728993 A JP 16728993A JP 3291074 B2 JP3291074 B2 JP 3291074B2
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- microelectrodes
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は超音波受波器、さらに詳
しくは超音波ビームの受波方向を任意の方向に高速に掃
引しながら超音波を受波し電気信号に変換する超音波受
波器に関する。
しくは超音波ビームの受波方向を任意の方向に高速に掃
引しながら超音波を受波し電気信号に変換する超音波受
波器に関する。
【０００２】
【従来の技術】例えば魚群探知などを目的とする超音波
受波器は、鋭い指向性をもって超音波ビームを受波する
ように構成されており、水中の所定領域でビーム掃引
（スキャン）しながら該領域の魚探映像情報を電気信号
として出力する。従来の超音波受波器におけるビーム掃
引は、受波器そのものを機械的に振る、あるいはフェー
ズドアレイ配列を用いた電子スキャンを行わせる、など
の方法が取られている。
受波器は、鋭い指向性をもって超音波ビームを受波する
ように構成されており、水中の所定領域でビーム掃引
（スキャン）しながら該領域の魚探映像情報を電気信号
として出力する。従来の超音波受波器におけるビーム掃
引は、受波器そのものを機械的に振る、あるいはフェー
ズドアレイ配列を用いた電子スキャンを行わせる、など
の方法が取られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】従来の超音波受波器は
以上のように、機械的手段あるいは電子スキャンを用い
てビーム掃引を行っており、このため装置が大型で複雑
になる。あるいは高価な回路が必要となる等の問題点が
あった。
以上のように、機械的手段あるいは電子スキャンを用い
てビーム掃引を行っており、このため装置が大型で複雑
になる。あるいは高価な回路が必要となる等の問題点が
あった。
【０００４】本発明はかかる問題点を解決するためにな
されたものであり、機械的可動部分や複雑な回路を用い
ることなく、任意な方向に高速にビーム掃引が可能な超
音波受波器を得ることを目的としている。
されたものであり、機械的可動部分や複雑な回路を用い
ることなく、任意な方向に高速にビーム掃引が可能な超
音波受波器を得ることを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明に係わる超音波受
波器は、超音波の受波指向性を持たせて圧電振動子を構
成し、この圧電振動子の一方の電極を微小電極を万遍な
く配設した構造とし、各微小電極をシフトしながら適当
な数づつ短絡して行き、受波ビームの掃引を行うことと
した。
波器は、超音波の受波指向性を持たせて圧電振動子を構
成し、この圧電振動子の一方の電極を微小電極を万遍な
く配設した構造とし、各微小電極をシフトしながら適当
な数づつ短絡して行き、受波ビームの掃引を行うことと
した。
【０００６】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面を用いて説明す
る。図１は本発明の第１の実施例を示す図で、図におい
て、１０はポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ），圧電ゴ
ムなどの複合圧電材料で形成した圧電振動子で、縦（上
下）方向は円弧または放物線ａ−ａ’に沿った湾曲を成
し、横（左右）方向も同様に線ｂ−ｂ’に沿った湾曲を
なし、その厚さを一定とした板状とする。１１は圧電振
動子１０の外側面に設けられた（−）電極で、例えば薄
い銅箔で形成され、受波出力の（−）側となる。１２は
圧電振動子１０の内側面に設けられた微小な短冊状の
（＋）電極で（以下、これを微小電極と称す）、同様に
薄い銅箔が用いられ、図に示すように微小な隙間１３を
開け、Ｘ1 ，Ｘ2 ，Ｘ3 ・・・，ＸN と一様に配設され
る。１４は多接点スイッチで、各微小電極Ｘ1 ，Ｘ2 ，
Ｘ3 ・・・，ＸN それぞれと接続された接点Ｔ1 ，Ｔ
2 ，Ｔ3 ・・・，ＴN が備えられ、また、これらの接点
の複数個を同時に短絡する短絡子１５を有し、例えば接
点Ｔ5 〜Ｔ8 が短絡子１５によって短絡されることで微
小電極Ｘ5 〜Ｘ8 の出力が短絡され、これらの電極Ｘ5
〜Ｘ8 は近似的に一枚の板状の放物面又は球面の微小電
極を構成する。
る。図１は本発明の第１の実施例を示す図で、図におい
て、１０はポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ），圧電ゴ
ムなどの複合圧電材料で形成した圧電振動子で、縦（上
下）方向は円弧または放物線ａ−ａ’に沿った湾曲を成
し、横（左右）方向も同様に線ｂ−ｂ’に沿った湾曲を
なし、その厚さを一定とした板状とする。１１は圧電振
動子１０の外側面に設けられた（−）電極で、例えば薄
い銅箔で形成され、受波出力の（−）側となる。１２は
圧電振動子１０の内側面に設けられた微小な短冊状の
（＋）電極で（以下、これを微小電極と称す）、同様に
薄い銅箔が用いられ、図に示すように微小な隙間１３を
開け、Ｘ1 ，Ｘ2 ，Ｘ3 ・・・，ＸN と一様に配設され
る。１４は多接点スイッチで、各微小電極Ｘ1 ，Ｘ2 ，
Ｘ3 ・・・，ＸN それぞれと接続された接点Ｔ1 ，Ｔ
2 ，Ｔ3 ・・・，ＴN が備えられ、また、これらの接点
の複数個を同時に短絡する短絡子１５を有し、例えば接
点Ｔ5 〜Ｔ8 が短絡子１５によって短絡されることで微
小電極Ｘ5 〜Ｘ8 の出力が短絡され、これらの電極Ｘ5
〜Ｘ8 は近似的に一枚の板状の放物面又は球面の微小電
極を構成する。
【０００７】ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）などの
複合圧電材料は良く知られているように、高分子マトリ
クス中に大きな自発分極を持つ強誘電体粒子を分散させ
た圧電素子で、誘電体の粒径，粒度，圧電定数，電気機
械結合係数や基材高分子の種類によって、その特性を変
化させることができる。本発明はこのような特性を変化
させることができる複合圧電材料を用い、全体が一つの
圧電振動子でありながら出来るだけ超音波を受波した部
分だけから電圧が取り出せるような特性の複合圧電材料
を選択する。
複合圧電材料は良く知られているように、高分子マトリ
クス中に大きな自発分極を持つ強誘電体粒子を分散させ
た圧電素子で、誘電体の粒径，粒度，圧電定数，電気機
械結合係数や基材高分子の種類によって、その特性を変
化させることができる。本発明はこのような特性を変化
させることができる複合圧電材料を用い、全体が一つの
圧電振動子でありながら出来るだけ超音波を受波した部
分だけから電圧が取り出せるような特性の複合圧電材料
を選択する。
【０００８】次に本実施例では、このような圧電振動子
１０を図１に示すように指向性を持たせる形状とする。
すなわち、図２に示すように縦（上下）方向，横（左
右）方向ともに線ａ−ａ’，ｂ−ｂ’に沿って湾曲さ
せ、矢印Ｓ方向からの超音波はｓの位置のみに、Ｍ方向
からの超音波はｍの位置のみに受波するような形状とす
る。これはビーム角を定めて水中実験によって湾曲率等
を決定すれば良い。
１０を図１に示すように指向性を持たせる形状とする。
すなわち、図２に示すように縦（上下）方向，横（左
右）方向ともに線ａ−ａ’，ｂ−ｂ’に沿って湾曲さ
せ、矢印Ｓ方向からの超音波はｓの位置のみに、Ｍ方向
からの超音波はｍの位置のみに受波するような形状とす
る。これはビーム角を定めて水中実験によって湾曲率等
を決定すれば良い。
【０００９】以上のような構成において多接点スイッチ
１４を動作させ、短絡子１５をＴ1→Ｔ2 →Ｔ3 →・・
・・ＴN-1 →ＴN →ＴN-1 ・・・→と順次ずらすことに
より、ビーム掃引を行う。これにより図２の矢印２０に
示すように、ビームが絞れた状態で横（左右）方向の掃
引が可能となる。すなわち、短絡子１５が接点Ｔ1 ，Ｔ
2 付近にあるときはｓの位置で矢印Ｓ方向からの超音波
のみを受波し、多点スイッチ１４が動作するに従って受
波位置が矢印２１に沿って移動し、短絡子１５が接点Ｔ
N-1 ，ＴN 付近になると、ｍの位置で矢印Ｍからの超音
波のみを受波し、短絡子１５が折り返すことで、超音波
の受波方向も矢印２０に沿って折り返し、ビーム掃引が
行われる。なお、多点スイッチ１４に電子スイッチを用
いることで、機械的な動作部分を無くすことができ、且
つ高速掃引が可能となる。また、雑音特性改善のため各
微小電極Ｘ1 ，Ｘ2 ，・・・の出力に前置増幅器を挿入
しても良い。
１４を動作させ、短絡子１５をＴ1→Ｔ2 →Ｔ3 →・・
・・ＴN-1 →ＴN →ＴN-1 ・・・→と順次ずらすことに
より、ビーム掃引を行う。これにより図２の矢印２０に
示すように、ビームが絞れた状態で横（左右）方向の掃
引が可能となる。すなわち、短絡子１５が接点Ｔ1 ，Ｔ
2 付近にあるときはｓの位置で矢印Ｓ方向からの超音波
のみを受波し、多点スイッチ１４が動作するに従って受
波位置が矢印２１に沿って移動し、短絡子１５が接点Ｔ
N-1 ，ＴN 付近になると、ｍの位置で矢印Ｍからの超音
波のみを受波し、短絡子１５が折り返すことで、超音波
の受波方向も矢印２０に沿って折り返し、ビーム掃引が
行われる。なお、多点スイッチ１４に電子スイッチを用
いることで、機械的な動作部分を無くすことができ、且
つ高速掃引が可能となる。また、雑音特性改善のため各
微小電極Ｘ1 ，Ｘ2 ，・・・の出力に前置増幅器を挿入
しても良い。
【００１０】図３，図４は本発明の第２の実施例を説明
するための図であり、図３において、３０は図１，図２
の実施例１で説明した超音波振動子、３１は超音波振動
子３０の内側湾曲面に沿って設けられた球形状の音響レ
ンズであり、上から見た状態を示す。超音波振動子３０
は円弧または放物線に沿った湾曲した形状であるため、
厳密に言えばその円弧または放物線の中心（焦点）を通
る超音波（Ｎ）と、そこから離れた位置を通る超音波
（Ｏ，Ｐ）とでは到達時間が異なり、位相のずれが生
じ、そのために指向性が劣化する。本実施例２では、音
響レンズ３１を設けることにより、同方向からくる超音
波の位相を同相に近づけ、より鋭い指向性を持たせるこ
ととした。この場合の音響レンズ３１は、通常の音響レ
ンズとは異なり、レンズ周辺から中心に向かうにつて
れ、音速が速くなるような音速分布を有する必要があ
る。図４の点線３２は音響レンズ３１が無い場合、実線
３３は音響レンズ３１を設けた場合の指向性を示す図で
あり、かなりの改善が行える。
するための図であり、図３において、３０は図１，図２
の実施例１で説明した超音波振動子、３１は超音波振動
子３０の内側湾曲面に沿って設けられた球形状の音響レ
ンズであり、上から見た状態を示す。超音波振動子３０
は円弧または放物線に沿った湾曲した形状であるため、
厳密に言えばその円弧または放物線の中心（焦点）を通
る超音波（Ｎ）と、そこから離れた位置を通る超音波
（Ｏ，Ｐ）とでは到達時間が異なり、位相のずれが生
じ、そのために指向性が劣化する。本実施例２では、音
響レンズ３１を設けることにより、同方向からくる超音
波の位相を同相に近づけ、より鋭い指向性を持たせるこ
ととした。この場合の音響レンズ３１は、通常の音響レ
ンズとは異なり、レンズ周辺から中心に向かうにつて
れ、音速が速くなるような音速分布を有する必要があ
る。図４の点線３２は音響レンズ３１が無い場合、実線
３３は音響レンズ３１を設けた場合の指向性を示す図で
あり、かなりの改善が行える。
【００１１】図５は本発明の第３の実施例を説明するた
めの図であり、図において、５０は本実施例における多
接点スイッチである。この多接点スイッチ５０は、図１
に示す多接点スイッチ１４の短絡子１５の替わりに、一
括して動作する独立接点群５１を備え、各微小電極ごと
の信号が取り出せるようになっており、取り出したそれ
ぞれの信号は、移相器５２〜５５で同位相に近づくよう
に調整されてから加算されて出力される。従って、横方
向の指向性をより一層改善することができる。
めの図であり、図において、５０は本実施例における多
接点スイッチである。この多接点スイッチ５０は、図１
に示す多接点スイッチ１４の短絡子１５の替わりに、一
括して動作する独立接点群５１を備え、各微小電極ごと
の信号が取り出せるようになっており、取り出したそれ
ぞれの信号は、移相器５２〜５５で同位相に近づくよう
に調整されてから加算されて出力される。従って、横方
向の指向性をより一層改善することができる。
【００１２】図６は本発明の第４の実施例を説明するた
めの図であり、本発明の圧電振動子を図１に示すような
板状ではなく、円筒形状６０とし、多接点スイッチをロ
ータリースイッチとしたものであり、このような構成と
することにより、横方向３６０度の掃引が行えるように
なる。なお、円筒内を水あるいは音響特性が水に近い物
質６１を充填し、または円筒内に音響レンズを配設する
ことにより、横方向３６０度の掃引が行え、しかも指向
性のよい超音波受波器を構成できる。
めの図であり、本発明の圧電振動子を図１に示すような
板状ではなく、円筒形状６０とし、多接点スイッチをロ
ータリースイッチとしたものであり、このような構成と
することにより、横方向３６０度の掃引が行えるように
なる。なお、円筒内を水あるいは音響特性が水に近い物
質６１を充填し、または円筒内に音響レンズを配設する
ことにより、横方向３６０度の掃引が行え、しかも指向
性のよい超音波受波器を構成できる。
【００１３】図７は本発明の第５の実施例を説明するた
めの図であり、この実施例では本発明の圧電振動子を一
定の厚さの半球状７０とし、その外側面に（−）電極７
１を設け、その内側面は、例えば六角形，円形等の微小
チップ状の（＋）電極、Ｙ1，Ｙ2 ・・・を微小な隙間
７３を開けて全面密に規則正しく配列し、各チップ状の
微小電極それぞれが多接点スイッチと接続されて構成さ
れる。従って、例えば図（Ｃ）に示すように、多接点ス
イッチが接点ｓ5 〜ｓ11を短絡する場合、チップ状の微
小電極Ｙ5 〜Ｙ11が導通し、球面内部に近似的に小さな
球面電極が形成されることになり、この切り出された球
面電極と垂直方向に、指向性の強い絞られた細い範囲の
超音波ビームを受波できるようになる。そして、多接点
スイッチを動作させ、順次その位置を換えながら小さな
球面電極を球面内部で万遍に移動させることで、空間の
任意の方向の掃引が可能となり、線方向の掃引だけでな
く、面（エリア）の掃引が行えるようになる。
めの図であり、この実施例では本発明の圧電振動子を一
定の厚さの半球状７０とし、その外側面に（−）電極７
１を設け、その内側面は、例えば六角形，円形等の微小
チップ状の（＋）電極、Ｙ1，Ｙ2 ・・・を微小な隙間
７３を開けて全面密に規則正しく配列し、各チップ状の
微小電極それぞれが多接点スイッチと接続されて構成さ
れる。従って、例えば図（Ｃ）に示すように、多接点ス
イッチが接点ｓ5 〜ｓ11を短絡する場合、チップ状の微
小電極Ｙ5 〜Ｙ11が導通し、球面内部に近似的に小さな
球面電極が形成されることになり、この切り出された球
面電極と垂直方向に、指向性の強い絞られた細い範囲の
超音波ビームを受波できるようになる。そして、多接点
スイッチを動作させ、順次その位置を換えながら小さな
球面電極を球面内部で万遍に移動させることで、空間の
任意の方向の掃引が可能となり、線方向の掃引だけでな
く、面（エリア）の掃引が行えるようになる。
【００１４】なお、上記実施例において、図３に示す音
響レンズを配設する実施例を除き、複合圧電材料の湾曲
面の内側（凹側）を、空気層，独立気泡入りゴムシー
ト，コルクゴム等で遮音して外側に受波感度を持たせ、
ここに受波ビームを合成させ、高速にビーム掃引させる
ことも可能である。さらに、現在得られるこの種の特性
を持つ複合圧電材料は、圧電効率が比較的低く、従って
本発明でも超音波受波器として説明しているが、理論上
は超音波送受波器を構成することも可能である。
響レンズを配設する実施例を除き、複合圧電材料の湾曲
面の内側（凹側）を、空気層，独立気泡入りゴムシー
ト，コルクゴム等で遮音して外側に受波感度を持たせ、
ここに受波ビームを合成させ、高速にビーム掃引させる
ことも可能である。さらに、現在得られるこの種の特性
を持つ複合圧電材料は、圧電効率が比較的低く、従って
本発明でも超音波受波器として説明しているが、理論上
は超音波送受波器を構成することも可能である。
【００１５】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば超音
波ビームの掃引を単純に微小電極の出力の短絡変更のみ
で実現できるようにしたので、機械的可動部分や複雑な
電気回路を不要とし、低価格で信頼性の高い高速掃引が
可能な装置を構成できる。
波ビームの掃引を単純に微小電極の出力の短絡変更のみ
で実現できるようにしたので、機械的可動部分や複雑な
電気回路を不要とし、低価格で信頼性の高い高速掃引が
可能な装置を構成できる。
【図１】本発明の第１の実施例を示す図である。
【図２】図１に示す第１の実施例の動作を説明するため
の図である。
の図である。
【図３】本発明の第２の実施例を説明するための図であ
る。
る。
【図４】図３に示す第２の実施例の効果を説明するため
の図である。
の図である。
【図５】本発明の第３の実施例を説明するための図であ
る。
る。
【図６】本発明の第４の実施例を説明するための図であ
る。
る。
【図７】本発明の第５の実施例を説明するための図であ
る。
る。
【図８】図７に示す第５の実施例の動作を説明するため
の図である。
の図である。
１０ 圧電振動子 １１ 外側面電極 １２ 短冊状の微小電極 １３ 隙間 １４ 多接点スイッチ ３１ 音響レンズ ５０ 第３の実施例における多接点スイッチ ５２〜５５ 移相器 ６０ 円筒形状の圧電振動子 ６１ 音響特性物質 ７０ 半球状の圧電振動子
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−146098（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−170229（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−40279（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−101482（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−85973（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−12268（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−205879（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−137778（ＪＰ，Ａ) 実開 平２−118881（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01S 7/52 - 7/64 G01S 15/00 - 15/96
Claims (6)
- 【請求項１】 縦方向および横方向に湾曲され、一定厚
さの長板状に形成されてなる圧電振動子と、 該圧電振動子の湾曲凹面（内面）に微小間隔を開けて一
様に配置された複数の微小電極と、 前記圧電振動子の湾曲凸面（外面）の全面に配置され、
前記複数の微小電極と対をなすもう一方の電極と、 前記複数の微小電極の各々に接続された接点のうちの相
隣る複数の接点と接触可能な可動子を有する多接点スイ
ッチと、 該多接点スイッチに接続された接点と前記もう一方との
電極に接続された接点との間で超音波ビームの受波によ
る受波電圧を得るよう前記多接点スイッチの可動子を順
次シフトするコントローラとを備える超音波受波器。 - 【請求項２】 前記複数の微小電極の各々に接続された
前置増幅器を備える請求項１記載の超音波受波器。 - 【請求項３】 前記圧電振動子の湾曲凹面に音響レンズ
を備える請求項１または２記載の超音波受波器。 - 【請求項４】 前記多接点スイッチは、前記相隣る複数
の接点の各々に該複数の接点からの信号の位相を各々調
節する移相器と該位相が調節された前記信号を加算する
加算器とを備える請求項１ないし３いずれか記載の超音
波受波器。 - 【請求項５】 一定厚さの円筒状に形成されてなる圧電
振動子と、 該圧電振動子の円筒外面に微小間隔を開けて配置された
短冊形状の複数の微小電極と、 前記圧電振動子の円筒内面の全面に配置され、前記複数
の微小電極と対をなすもう一方の電極と、 前記複数の微小電極の各々に接続された接点のうちの相
隣る複数の接点と接触可能な多接点ロータリースイッチ
と、 該多接点ロータリースイッチに接続された接点と前記も
う一方との電極に接続された接点との間で超音波ビーム
の受波による受波電圧を得るよう前記多接点ロータリー
スイッチを順次シフトするコントローラとを備える超音
波受波器。 - 【請求項６】 前記圧電振動子の円筒内に音響レンズを
備える請求項５記載の超音波受波器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP16728993A JP3291074B2 (ja) | 1993-06-15 | 1993-06-15 | 超音波受波器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP16728993A JP3291074B2 (ja) | 1993-06-15 | 1993-06-15 | 超音波受波器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0772240A JPH0772240A (ja) | 1995-03-17 |
| JP3291074B2 true JP3291074B2 (ja) | 2002-06-10 |
Family
ID=15847002
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP16728993A Expired - Fee Related JP3291074B2 (ja) | 1993-06-15 | 1993-06-15 | 超音波受波器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3291074B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP5176227B2 (ja) * | 2008-02-28 | 2013-04-03 | 独立行政法人港湾空港技術研究所 | 音響レンズを用いた映像取得装置 |
| WO2016071961A1 (ja) * | 2014-11-04 | 2016-05-12 | 本多電子株式会社 | 球状超音波トランスデューサ、水中計測装置 |
| WO2023162276A1 (ja) * | 2022-02-28 | 2023-08-31 | 本多電子株式会社 | 超音波送受波器 |
-
1993
- 1993-06-15 JP JP16728993A patent/JP3291074B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0772240A (ja) | 1995-03-17 |
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