JP3341091B2 - 超音波変位センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【産業上の利用分野】本発明は圧電薄板とすだれ状電極
とから成る超音波デバイスと、非圧電基板と、ダイアフ
ラムとから成る超音波変位センサに関する。

【従来の技術】被測定物の変位を精密に測定する方法は
用途に応じて接触式および非接触式の２つに分類され
る。接触式変位センサとしては電気マイクロメータ（微
少変位用）、デジタルゲージ（少変位用）、ロータリエ
ンコーダ（回転軸用）およびリニアスケール（長変位
用）等が挙げられる。ロータリエンコーダは回転する被
測定物の回転数や回転速度を制御するために利用され、
電気マイクロメータ、デジタルゲージおよびはリニアス
ケール等は被測定物の長さの基準器や機械の検査用等と
して利用されている。これらの接触式変位センサは測定
精度や時間応答に問題を有している。非接触式変位セン
サとしてはレーザ式センサや電気音響式センサ等が挙げ
られる。レーザ式センサはレーザ光の直進性と半導体位
置検出器を利用したセンサであり、被測定物の面内変位
（レーザ光の伝搬方向に対して直角方向の変位）や真直
度の測定に利用されている。たとえば被測定物に正弦波
状の振動を発生させその変位を測定すること等が可能で
ある。このレーザ式センサは直進基準であるレーザ光自
身がゆらぐことから光路長の増加に伴い測定精度が悪く
なるという欠点を有している。また、装置の規模が大き
く、測定方法も複雑である。電気音響式センサは音響管
の管端のインピーダンスが管端付近の被測定物の変位に
より変化することを利用したセンサであるが、原理上、
変位の測定範囲が狭くなるという欠点を有している。ま
た、測定精度や耐環境性にも問題を有している。このよ
うにして、従来の接触式および被接触式変位センサは測
定精度、応答速度、耐環境性、測定範囲、装置の規模等
に問題を有していた。

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、小型
軽量で、固体の振動変位の測定だけでなく液体中の超音
波の検出が可能で、検出感度が高く、測定精度および高
速応答に優れ、測定方法が容易で、低消費電力駆動で、
加工性や量産性に優れた超音波変位センサを提供するこ
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
変位センサは、互いにほぼ平行な２つの板面Ｐ１および
Ｐ２を有する圧電薄板の前記板面Ｐ１上に少なくとも２
組のすだれ状電極ＴおよびＲを設けて成る超音波デバイ
スと、互いにほぼ平行な２つの板面Ｆ１およびＦ２を有
する非圧電基板と、前記板面Ｆ２と対面する板面Ｓを有
するダイアフラムとから成る超音波変位センサであっ
て、前記ダイアフラムが感知する振動を検出する手段が
設けられていて、前記超音波デバイスは前記非圧電基板
の前記板面Ｆ１上に設けられており、前記圧電薄板の厚
さは前記すだれ状電極ＴおよびＲの電極周期長以下であ
って、前記すだれ状電極ＴおよびＲの電極周期長は１次
以上の高次モードの弾性表面波の波長にほぼ等しく、前
記振動検出手段は前記非圧電基板の前記板面Ｆ２と前記
ダイアフラムの前記板面Ｓとの間に液体を満たし、前記
すだれ状電極Ｔに電気信号を入力して前記非圧電基板と
前記超音波デバイスとの界面Ｂに１次以上の高次モード
の弾性表面波を励振し、該弾性表面波を前記非圧電基板
中にバルク波としてモード変換させ、前記非圧電基板中
の該バルク波を縦波として前記液体中に放射し、前記液
体中の該縦波を前記ダイアフラムの前記板面Ｓによって
反射させ、その反射させた縦波を前記非圧電基板を介し
て前記すだれ状電極Ｒから電気信号として出力させ、前
記界面Ｂに励振され、前記非圧電基板中にバルク波とし
てモード変換される前記弾性表面波の位相速度は前記非
圧電基板単体における横波の速度よりも大きいことを特
徴とする。請求項２に記載の超音波変位センサは、前記
すだれ状電極ＴおよびＲが円弧状を成すことを特徴とす
る。請求項３に記載の超音波変位センサは、前記圧電薄
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こと
を特徴とする。請求項４に記載の超音波変位センサは、
前記圧電薄板が前記板面Ｐ２を介して前記非圧電基板に
固着され、該板面Ｐ２は金属薄膜で被覆されていること
を特徴とする。

【作用】本発明の超音波変位センサは、圧電薄板とすだ
れ状電極とから成る超音波デバイスと、非圧電基板と、
ダイアフラムとから成る簡単な構造を有する。すだれ状
電極Ｔに電気信号を入力する構造を採用することによ
り、圧電薄板に１次以上の高次モードの速度Ｖ_Sの弾性
表面波を励振させることができる。その上、超音波デバ
イスを非圧電基板の一方の板面Ｆ１上に固着させた構造
を採用することにより、この弾性表面波を非圧電基板に
バルク波として漏洩する形でモード変換させることがで
きる。このとき漏洩される弾性表面波の位相速度は非圧
電基板単体中の横波の速度Ｖ_GTよりも大きい。つまり、
圧電薄板に励振される弾性表面波のうちＶ_SがＶ_GTより
も大きいという関係を満たすものが非圧電基板に漏洩さ
れる。弾性表面波はバルク波として非圧電基板に漏洩さ
れるが、この漏洩弾性表面波はバルク波にモード変換さ
れて非圧電基板内を伝搬する。このようにして、圧電薄
板に励振された弾性表面波の一部は非圧電基板単体中の
横波の速度Ｖ_GTあるいは非圧電基板単体中の縦波の速度
Ｖ_GLとほぼ等しい速度を有する波に効率よく変換されて
非圧電基板に漏洩される。さらに、非圧電基板の超音波
デバイスが設けられていない方の板面Ｆ２とダイアフラ
ムの板面Ｓとの間に液体が満たされている場合、このよ
うにして漏洩されたバルク波の一部は速度Ｖ_Wの縦波と
してその液体中に効率よく放射される。前記液体中の縦
波をダイアフラムの板面Ｓによって反射させる構造を採
用することにより、その反射させた縦波を非圧電基板お
よび圧電薄板を介してすだれ状電極Ｒから電気信号とし
て出力させることができる。すなわち、ダイアフラムの
板面Ｓによって反射された速度Ｖ_Wの液中縦波は、非圧
電基板と前記液体との界面において速度Ｖ_GTあるいはＶ
_GLを有する波に効果的に変換され、非圧電基板を伝搬す
る。この非圧電基板に伝搬した速度Ｖ_GTあるいはＶ_GLを
有する波は圧電薄板との界面において速度Ｖ_Sの弾性表
面波に変換されて圧電薄板に伝搬し、すだれ状電極Ｒに
おいて電気信号に変換されて出力される。このようにし
て、ダイアフラムを振動感知部とする振動検出態勢が整
う。振動する被測定物にダイアフラムを接触させると、
その振動がダイアフラムに伝搬し、ダイアフラムが振動
する。ダイアフラムの振動に伴い超音波の伝搬距離、す
なわちすだれ状電極Ｔから圧電薄板および非圧電基板を
経由してダイアフラムの板面Ｓによって反射され再びす
だれ状電極Ｒに至るまでの距離が変化することから、す
だれ状電極Ｒで出力される電気信号に伝搬遅延の位相差
を生じる。つまり、ダイアフラムの振動をすだれ状電極
Ｒに出力される電気信号の位相差としてとらえることが
できる。このようにして、本発明の超音波変位センサは
ダイアフラムが感知する振動を検出することができ、そ
のうえ検出感度に優れる。ダイアフラムの形状としては
液体中の速度Ｖ_Wの縦波を効率よく反射する板面Ｓを有
し、しかも被測定物の振動が効率よく伝搬されやすいこ
とを必要とする。たとえばダイアフラムが矩形板状であ
る場合、板面Ｓにほぼ平行なもう一方の板面をＺとする
と、この板面Ｚに被測定物を接触させることにより被測
定物の振動を感知することができる。このようにして、
被測定物として液体を板面Ｚに接触させることにより、
もし該液体中に超音波が励振されていれば、その超音波
によってダイアフラムが振動するので、その振動を検出
することができる。すなわち、該液体中にどのような超
音波が存在しているかを測定することができる。被測定
物が固体である場合には、板面Ｚの一部分が隆起すると
ともにその隆起した部分が先端にいくほど細くなるよう
な形状を成すダイアフラムを用いることにより、その先
端部を被測定物に接触させることができる。従って、被
測定物の振動をダイアフラムに伝搬させやすくすること
ができ、また、狭い隙間の奥にある被測定物の測定など
も容易になる。さらに、表面の凹凸の分布状態の検査等
にも本発明の超音波変位センサは有効に機能する。すだ
れ状電極ＴおよびＲとして円弧状すだれ状電極を用いる
ことにより、第１に、すだれ状電極Ｔに電気信号を入力
することにより圧電薄板に励振される弾性表面波を非圧
電基板を介して液体中に放射しダイアフラムの板面Ｓで
反射させる際、板面Ｓにおける反射箇所を同一箇所に点
状に集中させることができる。すなわち、液体中に放射
される縦波をちょうどレンズが焦点を結ぶような形で板
面Ｓにおける焦点に集中させて反射させることができ
る。第２には、このようにして反射させた反射波を再び
すだれ状電極Ｒから電気信号として効率よく出力させる
ことができる。すなわち、板面Ｓにおいて前記焦点を設
けることにより、ダイアフラムが感知する振動の検出感
度を向上させることができる。圧電薄板の厚さをすだれ
状電極ＴおよびＲの電極周期長以下にし、すだれ状電極
ＴおよびＲの電極周期長を１次以上の高次モードの弾性
表面波の波長にほぼ等しくする構造を採用することによ
り、すだれ状電極Ｔに加えられる電気的エネルギーが弾
性表面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、圧電薄板と非圧電基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抑圧する
ことができる。従って、弾性表面波の非圧電基板への効
果的な漏洩を促進させることができる。なお、すだれ状
電極ＴおよびＲの電極周期長すなわち弾性表面波の波長
λに対する圧電薄板の厚さｄの割合（ｄ／λ）が小さい
ほど効果は大きい。本発明の超音波振動センサは、圧電
薄板の厚さｄを小さくすることに伴う脆弱性を圧電薄板
を非圧電基板に固着することによって克服している。す
なわち、非圧電基板は圧電薄板の脆弱性を克服するため
に重要な役割を果たしている。圧電薄板として圧電セラ
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、圧
電薄板に効率よく１次以上の高次モードの弾性表面波を
励振することができ、さらにその弾性表面波を非圧電基
板に効率よく漏洩することができる。圧電薄板としてＰ
ＶＤＦその他の高分子圧電フィルムを採用することによ
り、より高周波対応が可能な形で圧電薄板に効率よく１
次以上の高次モードの弾性表面波を励振することがで
き、さらにその弾性表面波を非圧電基板に効率よく漏洩
することができる。圧電薄板をすだれ状電極ＴおよびＲ
を有しない方の板面を介して非圧電基板に固着するとと
もに、圧電薄板と非圧電基板との界面を電気的に短絡状
態にした構造を採用することにより、すだれ状電極Ｔに
加えられる電気的エネルギーを効率よく１次以上の高次
モードの弾性表面波に変換することができる。電気的に
短絡状態にするには板面に金属薄膜を被覆する方法が有
効である。

【実施例】図１は本発明の超音波変位センサの一実施例
を示す断面図である。本実施例はすだれ状電極Ｔ、Ｒ、
圧電磁器薄板１、ガラス基板２、ダイアフラム３、突起
部４およびガスケット５から成る。すだれ状電極Ｔおよ
びＲは円弧状を成し、アルミニウム薄膜で成り、圧電磁
器薄板１上に設けられている。圧電磁器薄板１は直径１
５ｍｍ、厚さ２００μｍの円柱状のＴＤＫ製１０１Ａ材
（製品名）で成り、ガラス基板２上に設けられている。
ガラス基板２は直径１６ｍｍ、厚さ（Ｔ_G）１ｍｍの円
柱状のパイレックスガラスで成る。圧電磁器薄板１はエ
ポキシ系樹脂によってガラス基板２上に固着されてい
る。ダイアフラム３は直径１５ｍｍ、厚さ５０μｍのリ
ン青銅薄板で成り、ガラス基板２と対面する形でその縁
部が本体に固着されている。その際、ダイアフラム３の
板面はガラス基板２の板面と平行になるように設置され
ている。突起部４はダイアフラム３の一方の板面上に固
着され、外部に突出している。ダイアフラム３の突起部
４を有しない方の板面と、ガラス基板２の圧電磁器薄板
１を有しない方の板面との間には液体が満たされてい
て、ガスケット５によって外部と遮断され密閉されてい
る。液体として本実施例では水が用いられている。ガス
ケット５には内外での圧力差を回避するために幅１ｍｍ
の切込みが設けられている。図２は図１の超音波変位セ
ンサの部分斜視図である。但し、図２ではすだれ状電極
Ｔ、Ｒ、圧電磁器薄板１およびガラス基板２が示され
る。すだれ状電極ＴおよびＲは同一の形状を成し、電極
周期長が２Ｐで、１０対の電極指を有し、開口角
（θ_A）は４５゜である。図２の楕円内はすだれ状電極
Ｔの部分拡大図であり、すだれ状電極Ｒについてもこれ
と同様である。すだれ状電極ＴとＲとの電極離間距離
（Ｌ）は１０ｍｍである。図３は図１の超音波変位セン
サの部分断面図である。但し、図３ではすだれ状電極
Ｔ、圧電磁器薄板１およびガラス基板２が示される。す
だれ状電極Ｔに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Ｔに対応する中心周波数とその
近傍の周波数の電気信号のみが弾性表面波に変換されて
圧電磁器薄板１を速度Ｖ_Sで伝搬する。この弾性表面波
のうち速度Ｖ_Sがガラス基板２単体に励振する横波の速
度Ｖ_GTよりも大きいという関係を満たすものは速度Ｖ_G
のバルク波に変換されてガラス基板２に漏洩される。こ
のとき、バルク波の速度Ｖ_Gは速度Ｖ_GTまたはガラス基
板２単体に励振する縦波の速度Ｖ_GLと等しい。つまり、
バルク波は速度Ｖ_GTまたはＶ_GLと等しい速度Ｖ_Gでガラ
ス基板３を伝搬する。圧電磁器薄板２からバルク波が漏
洩されるときの漏洩角θ_GはＶ_GとＶ_Sとの比（Ｖ_G／
Ｖ_S）に相関する。ガラス基板２を励振するバルク波は
ガラス基板２と液体との界面において速度Ｖ_Wの縦波に
変換されて水中に放射される。このときの放射角θ_Wは
速度Ｖ_WとＶ_Gとの比（Ｖ_W／Ｖ_G）に相関する。すだれ状
電極Ｔに入力する電気信号の周波数に応じて速度Ｖ_Sが
変化することから、該電気信号の周波数を変化させるこ
とにより漏洩角θ_Gおよび放射角θ_Wを変動させることが
可能となる。従って、液体中に超音波を放射する場合、
目的や用途に応じて最も効果的な角度で放射することが
できる。図４はガラス基板２と液体との界面付近での超
音波の伝搬形態を示す断面図である。ガラス基板２を伝
搬するバルク横波が該界面に達すると、反射角θ_GTを示
す横波反射波Ｒ_T、反射角θ_GLを示す縦波反射波Ｒ_Lおよ
び縦波透過波Ｔ_Lの３成分を生じる。このようにして、
ガラス基板２を伝搬するバルク波は前記界面において一
部が横波反射波Ｒ_Tおよび縦波反射波Ｒ_Lとして反射さ
れ、残部が縦波透過波Ｔ_Lとして放射角θ_Wで液体中に放
射される。なお、図４における反射角θ_GTは図３におけ
る漏洩角θ_Gと等しい。図５は図４に示す横波反射波
Ｒ_T、縦波反射波Ｒ_Lおよび縦波透過波Ｔ_Lの位相速度に
対するエネルギー分配率と角度との関係を示す特性図で
ある。但し、このときの角度は横波反射波Ｒ_Tに対して
は反射角θ_GTを、縦波反射波Ｒ_Lに対しては反射角θ_GL
を、縦波透過波Ｔ_Lに対しては放射角θ_Wを示す。縦波透
過波Ｔ_Lの透過率が最も大きいのは位相速度がほぼ３３
００ｍ／ｓから５５００ｍ／ｓ付近の領域であって、こ
のときの放射角θ_Wは約２５度から１５度程度であるこ
とがわかる。図６は図１の超音波変位センサにおける圧
電磁器薄板１およびガラス基板２から成る層状媒体を伝
搬する弾性表面波の速度分散曲線を示す特性図であり、
弾性表面波の周波数ｆと圧電磁器薄板１の厚さｄとの積
に対する各モードの位相速度を示す図である。但し、圧
電磁器薄板１は、圧電磁器薄板１のガラス基板２と接触
する方の板面（ガラス側板面）を電気的に開放状態に
し、もう一方の空気に接触する方の板面（空気側板面）
を電気的に短絡状態にしたものを用いている。本実施例
においては圧電磁器薄板１の板面に金属薄膜を被覆する
ことによりその板面を電気的に短絡状態にしている。本
図において”ｓｈｏｒｔ”は短絡状態であることを、”
ｏｐｅｎ”は開放状態であることを示す。数字はモード
次数を示す。○印はすだれ状電極ＴおよびＲの電極周期
長２Ｐが３１０，３８０，４８０，６６０および８７０
μｍの５通りの場合の実測値を示す。たとえば、矢印の
指す直線は電極周期長２Ｐが３８０μｍの場合の実測値
を結ぶ直線である。弾性表面波には複数個のモードがあ
る。零次モードは基本レイリー波であり、零次モードは
ｆｄ値が零のときガラス基板２のレイリー波速度に一致
していて、ｆｄ値が大きくなるにつれて圧電磁器薄板１
のレイリー波速度に収束している。従って、零次モード
はガラス基板２に漏洩されることは無い。１次以上のモ
ードではカットオフ周波数が存在し、ｆｄ値がそれぞれ
の最小のときガラス基板２の縦波速度Ｖ_GLに収束してい
る。ガラス基板２の横波速度Ｖ_GT（３４２７ｍ／ｓ）よ
りも小さい速度の波は波のエネルギーが表面付近に局在
して伝搬する表面波である。ガラス基板２の横波速度Ｖ
_GTよりも大きい速度の波には速度の虚数成分が存在し、
波のエネルギーの一部はガラス基板２中にバルク横波と
して漏洩される。従って、１次以上の高次モードでしか
も速度がＶ_GTよりも大きくＶ_GLよりも小さい領域の波が
波のエネルギーの一部をバルク横波としてガラス基板２
中に漏洩することができる。ガラス基板２の縦波速度Ｖ
_GLよりも速度が大きい場合には上述のバルク横波に関す
る議論が成立し、その場合にはバルク縦波とバルク横波
が存在しうることになる。図７は図１の超音波変位セン
サにおけるモード変換効率Ｃとｆｄ値との関係を示す特
性図である。但し、圧電磁器薄板１は、ガラス側板面と
空気側板面とがともに電気的に開放状態にあるものを用
いた。零次モードを除く高次モードにおいて圧電磁器薄
板１に伝搬する弾性表面波が効率よくガラス基板２に横
波の形で漏洩されることがわかる。図８は図１の超音波
変位センサにおける挿入損失と周波数との関係の一実施
例を示す特性図であり、圧電磁器薄板１の厚さｄが２０
０μｍ、すだれ状電極ＴおよびＲの電極周期長２Ｐが３
８０μｍの場合の結果である。本図において実線はガラ
ス基板２とダイアフラム３との間に液体を満たしていな
い場合を、すなわちガラス基板２が空気と接触している
場合を示し、点線はガラス基板２とダイアフラム３との
間に液体を満たした場合、すなわちガラス基板２に液体
が接触している場合を示す。各周波数における実線と点
線との差が大きいほど水中に縦波として放射される度合
が大きいことから、中心周波数がほぼ１０ＭＨｚの２次
モードの表面波が水中に縦波として放射される度合が最
も大きいことがわかる。本実施例では２次モードにおけ
る実線と点線との差は４ｄＢにも達する。図１の超音波
変位センサの駆動時、すだれ状電極Ｔに電気信号を入力
することにより圧電磁器薄板１およびガラス基板２を介
して液体中に放射される縦波透過波Ｔ_L（放射角θ_W、速
度Ｖ_W）は、ダイアフラム３に到達すると放射角θ_Wと等
しい角度でダイアフラム３によって反射される。その反
射波（速度Ｖ_W）は液体とガラス基板２との界面におい
て速度Ｖ_Gのバルク波に変換されてガラス基板２を伝搬
し、速度Ｖ_Gの該バルク波はガラス基板２と圧電磁器薄
板１との界面において速度Ｖ_Sの弾性表面波に変換さ
れ、速度Ｖ_Sの該弾性表面波のうちすだれ状電極Ｒの示
す中心周波数とその近傍の周波数の弾性表面波のみが電
気信号に変換されてすだれ状電極Ｒから出力される。こ
のようにして、ダイアフラム３が感知する振動を検出す
る態勢が整う。すだれ状電極ＴおよびＲとして円弧状す
だれ状電極を用いたのは、第１に、すだれ状電極Ｔに電
気信号を入力することにより圧電磁器薄板１に励振され
る弾性表面波をガラス基板２を介して液体中に放射しダ
イアフラム３で反射する際、ダイアフラム３における反
射箇所を同一箇所に集中させるためである。すなわち、
液体中に放射される縦波透過波Ｔ_Lをちょうどレンズが
焦点を結ぶような形でダイアフラム３における焦点に集
中させて反射させるためである。第２には、このように
して反射された反射波を再びすだれ状電極Ｒから電気信
号として効率よく出力させるためである。ダイアフラム
３において前記焦点を設けることにより、ダイアフラム
３が感知する振動の検出感度を向上させることができ
る。図１の超音波変位センサを用いて振動変位（Δｚ）
を検出する場合、図１の超音波変位センサを駆動し、ダ
イアフラム３に固着された突起部４を被測定物に接触さ
せると、被測定物がΔｚ振動する度に超音波の伝搬距離
が変化し、従って遅延時間が変化する。このようにし
て、被測定物の振動変位Δｚが遅延電気信号の位相変化
Δφと相関することから、振動変位Δｚを求めることが
できる。図９は図１の超音波変位センサを用いて振動変
位（Δｚ）を検出するためのシステムの一実施例を示す
構成図である。本実施例を用いることにより、入力電気
信号と反射遅延信号との位相差（Δφ）を電気的に検出
することができる。図１０は図９の変位検出システムに
よって検出された位相差Δφと被測定物の振動変位Δｚ
との関係を示す特性図である。振動変位Δｚと位相差Δ
φとの間に比例関係が成立することがわかる。図９の変
位検出システムを用いたときの検出可能な振動変位Δｚ
の最小値は図９に示される位相比較器の分解能に依存す
る。また、被測定物の振動の検出可能な最大周波数ｆｃ
は遅延電気信号の伝搬時間に依存する。たとえば、２次
モードの弾性表面波を採用した場合にはｆｃは１００ｋ
Ｈｚとなる。すなわちこの場合、最大１００ｋＨｚの周
波数で振動する被測定物の振動変位の検出が可能とな
る。図１１はスピーカの振動変位を検出するためのシス
テムの一実施例を示す構成図である。信号発生装置によ
って発生させた数Ｈｚから数ｋＨｚの正弦波や矩形波を
電力増幅器で１００倍に電力増幅してスピーカに印加
し、そのスピーカの振動変位を検出するためのシステム
である。スピーカの振動変位は図１の超音波振動センサ
のダイアフラム３によって感知され、図９に示される変
位検出システムによって処理される。すなわち、スピー
カの振動変位は振幅に対応する直流電圧として検出され
る。この直流電圧は必要に応じてＡ／Ｄコンバータによ
って交流電圧に整流され、コンピュータに入力され処理
される。図１２はスピーカの駆動信号およびスピーカの
振動変位に基づく信号の一実施例を示す観測波形図であ
る。図１２の（ａ）はスピーカに連続波を入力した場合
（上側）と、そのとき観測される振動変位（下側）を示
す。図１２の（ｂ）はスピーカに単パルスを入力した場
合（上側）と、そのとき観測される振動変位（下側）を
示し、単パルスにより励振された振動が減衰していく様
子が確認できる。図１３はスピーカに印加される電圧に
対する振動変位とその振動変位に基づく周波数との関係
を示す特性図である。スピーカに印加される電圧が大き
いほど振動の変位も周波数幅も大きいことが確認でき
る。図１４は直流モータの回転軸の回転偏移を検出する
ためのシステムの一実施例を示す構成図である。直流モ
ータの回転軸の回転偏移は図１の超音波変位センサのダ
イアフラム３によって感知され、図９に示される変位検
出システムによって処理される。すなわち、直流モータ
の回転軸の回転偏移は振幅に対応する直流電圧として検
出される。この直流電圧は必要に応じてＡ／Ｄコンバー
タによって交流電圧に整流され、コンピュータに入力さ
れ処理される。図１５は直流モータに印加される電圧に
対する回転偏移と時間との関係を示す特性図である。但
し、直流モータに印加される電圧は４．０Ｖ，６．０Ｖ
および８．０Ｖの３種類である。どの場合においても周
期的に偏移が発生していることがわかるが、印加される
電圧が大きいほど短時間に変位（約４μｍ）が発生して
いることがわかる。図１６は直流モータの印加電圧と回
転数との関係を示す特性図である。但し、本図において
○印は図１４の回転変位検出システムによって算出した
回転数を示し、×印は光センサによって測定した回転数
を示す。両者の結果はほぼ一致していることがわかる。

【発明の効果】本発明の超音波変位センサによれば、す
だれ状電極Ｔに電気信号を入力する構造を採用すること
により、圧電薄板に１次以上の高次モードの速度Ｖ_Sの
弾性表面波を励振させることができる。その上、超音波
デバイスを非圧電基板の板面Ｆ１上に固着させた構造を
採用することにより、この弾性表面波を非圧電基板にバ
ルク波として漏洩する形でモード変換させることができ
る。このとき漏洩される弾性表面波の位相速度は非圧電
基板単体中の横波の速度Ｖ_GTよりも大きい。つまり、圧
電薄板に励振される弾性表面波のうちＶ_SがＶ_GTよりも
大きいという関係を満たすものが非圧電基板に漏洩され
る。このようにして、圧電薄板に励振された弾性表面波
の一部は非圧電基板単体中の横波の速度Ｖ_GTあるいは非
圧電基板単体中の縦波の速度Ｖ_GLとほぼ等しい速度を有
する波に効率よく変換されて非圧電基板に漏洩される。
さらに、非圧電基板の板面Ｆ２とダイアフラムの板面Ｓ
との間に液体を満たした構造を採用することにより、非
圧電基板中のバルク波の一部は速度Ｖ_Wの縦波として該
液体中に効率よく放射される。前記液体中の縦波をダイ
アフラムの板面Ｓによって反射させる構造を採用するこ
とにより、その反射させた縦波を非圧電基板および圧電
薄板を介してすだれ状電極Ｒから電気信号として出力さ
せることができる。すなわち、ダイアフラムの板面Ｓに
よって反射された速度Ｖ_Wの液中縦波は、非圧電基板と
前記液体との界面において速度Ｖ_GTあるいはＶ_GLを有す
る波に効果的に変換され、非圧電基板を伝搬する。この
非圧電基板に伝搬した速度Ｖ_GTあるいはＶ_GLを有する波
は圧電薄板との界面において速度Ｖ_Sの弾性表面波に変
換されて圧電薄板に伝搬し、すだれ状電極Ｒにおいて電
気信号に変換されて出力される。振動する被測定物にダ
イアフラムを接触させると、その振動がダイアフラムに
伝搬し、ダイアフラムが振動する。ダイアフラムの振動
に伴い超音波の伝搬距離、すなわちすだれ状電極Ｔから
圧電薄板および非圧電基板を経由してダイアフラムの板
面Ｓによって反射され再びすだれ状電極Ｒに至るまでの
距離が変化することから、すだれ状電極Ｒで出力される
電気信号に伝搬遅延の位相差を生じる。つまり、ダイア
フラムの振動をすだれ状電極Ｒに出力される電気信号の
位相差としてとらえることができる。このようにして、
本発明の超音波変位センサはダイアフラムが感知する振
動を検出することができ、そのうえ検出感度に優れる。
ダイアフラムの形状としては液体中の速度Ｖ_Wの縦波を
効率よく反射する板面Ｓを有し、しかも被測定物の振動
が効率よく伝搬されやすいことを必要とする。たとえば
ダイアフラムが矩形板状である場合、板面Ｓにほぼ平行
なもう一方の板面をＺとすると、この板面Ｚに被測定物
を接触させることにより被測定物の振動を感知すること
ができる。被測定物が液体である場合、もし該液体中に
超音波が励振されていればその超音波によってダイアフ
ラムが振動するので、その振動を検出することができ
る。被測定物が固体である場合には、板面Ｚの一部分が
隆起するとともにその隆起した部分が先端にいくほど細
くなるような形状を成すダイアフラムを採用し、その先
端部を被測定物に接触させることにより、被測定物の振
動をダイアフラムに伝搬させやすくすることができる。
また、狭い隙間の奥にある被測定物の測定なども容易に
なる。さらに、表面の凹凸の分布状態の検査等にも本発
明の超音波変位センサは有効に機能する。すだれ状電極
ＴおよびＲとして円弧状すだれ状電極を用いることによ
り、第１に、液中縦波をダイアフラムの板面Ｓで反射さ
せる際、該液中縦波をちょうどレンズが焦点を結ぶよう
な形で板面Ｓにおける焦点に集中させて反射させること
ができる。第２には、このようにして反射させた反射波
を再びすだれ状電極Ｒから電気信号として効率よく出力
させることができる。すなわち、ダイアフラムが感知す
る振動の検出感度を向上させることができる。圧電薄板
の厚さをすだれ状電極ＴおよびＲの電極周期長以下に
し、すだれ状電極ＴおよびＲの電極周期長を１次以上の
高次モードの弾性表面波の波長にほぼ等しくする構造を
採用することにより、すだれ状電極Ｔに加えられる電気
的エネルギーが弾性表面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、圧電薄板と非圧電基板との
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
反射等を抑圧することができる。従って、弾性表面波の
非圧電基板への効果的な漏洩を促進させることができ
る。なお、すだれ状電極ＴおよびＲの電極周期長すなわ
ち弾性表面波の波長λに対する圧電薄板の厚さｄの割合
（ｄ／λ）が小さいほど効果は大きい。本発明の超音波
振動センサは、圧電薄板の厚さｄを小さくすることに伴
う脆弱性を圧電薄板を非圧電基板に固着することによっ
て克服している。すなわち、非圧電基板は圧電薄板の脆
弱性を克服するために重要な役割を果たしている。圧電
薄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、圧電薄板に効率よく１次以上の高次モ
ードの弾性表面波を励振することができ、さらにその弾
性表面波を非圧電基板に効率よく漏洩することができ
る。圧電薄板としてＰＶＤＦその他の高分子圧電フィル
ムを採用することにより、より高周波対応が可能な形で
圧電薄板に効率よく１次以上の高次モードの弾性表面波
を励振することができ、さらにその弾性表面波を非圧電
基板に効率よく漏洩することができる。圧電薄板をすだ
れ状電極ＴおよびＲを有しない方の板面を介して非圧電
基板に固着するとともに、圧電薄板と非圧電基板との界
面を電気的に短絡状態にした構造を採用することによ
り、すだれ状電極Ｔに加えられる電気的エネルギーを効
率よく１次以上の高次モードの弾性表面波に変換するこ
とができる。電気的に短絡状態にするには板面に金属薄
膜を被覆する方法が有効である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の超音波変位センサの一実施例を示す断
面図。

【図２】図１の超音波変位センサの部分斜視図。

【図３】図１の超音波変位センサの部分断面図。

【図４】ガラス基板２と液体との界面付近での超音波の
伝搬形態を示す断面図。

【図５】図４に示す横波反射波Ｒ_T、縦波反射波Ｒ_Lおよ
び縦波透過波Ｔ_Lの位相速度に対するエネルギー分配率
と角度との関係を示す特性図。

【図６】図１の超音波変位センサにおける圧電磁器薄板
１およびガラス基板２から成る層状媒体を伝搬する弾性
表面波の速度分散曲線を示す特性図。

【図７】図１の超音波変位センサにおけるモード変換効
率Ｃとｆｄ値との関係を示す特性図。

【図８】図１の超音波変位センサにおける挿入損失と周
波数との関係の一実施例を示す特性図。

【図９】図１の超音波変位センサを用いて振動変位（Δ
ｚ）を検出するためのシステムの一実施例を示す構成
図。

【図１０】図９の変位検出システムによって検出された
位相差Δφと被測定物の振動変位Δｚとの関係を示す特
性図。

【図１１】スピーカの振動変位を検出するためのシステ
ムの一実施例を示す構成図。

【図１２】スピーカの駆動信号およびスピーカの振動変
位に基づく信号の一実施例を示す観測波形図。

【図１３】スピーカに印加される電圧に対する振動変位
とその振動変位に基づく周波数との関係を示す特性図。

【図１４】直流モータの回転軸の回転偏移を検出するた
めのシステムの一実施例を示す構成図。

【図１５】直流モータに印加される電圧に対する回転偏
移と時間との関係を示す特性図。

【図１６】直流モータの印加電圧と回転数との関係を示
す特性図。

【符号の説明】

Ｔ すだれ状電極 Ｒ すだれ状電極 １ 圧電磁器薄板 ２ ガラス基板 ３ ダイアフラム ４ 突起部 ５ ガスケット

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 互いにほぼ平行な２つの板面Ｐ１および
   Ｐ２を有する圧電薄板の前記板面Ｐ１上に少なくとも２
   組のすだれ状電極ＴおよびＲを設けて成る超音波デバイ
   スと、互いにほぼ平行な２つの板面Ｆ１およびＦ２を有
   する非圧電基板と、前記板面Ｆ２と対面する板面Ｓを有
   するダイアフラムとから成る超音波変位センサであっ
   て、 前記ダイアフラムが感知する振動を検出する手段が設け
   られていて、 前記超音波デバイスは前記非圧電基板の前記板面Ｆ１上
   に設けられており、 前記圧電薄板の厚さは前記すだれ状電極ＴおよびＲの電
   極周期長以下であって、 前記すだれ状電極ＴおよびＲの電極周期長は１次以上の
   高次モードの弾性表面波の波長にほぼ等しく、 前記振動検出手段は前記非圧電基板の前記板面Ｆ２と前
   記ダイアフラムの前記板面Ｓとの間に液体を満たし、前
   記すだれ状電極Ｔに電気信号を入力して前記非圧電基板
   と前記超音波デバイスとの界面Ｂに１次以上の高次モー
   ドの弾性表面波を励振し、該弾性表面波を前記非圧電基
   板中にバルク波としてモード変換させ、前記非圧電基板
   中の該バルク波を縦波として前記液体中に放射し、前記
   液体中の該縦波を前記ダイアフラムの前記板面Ｓによっ
   て反射させ、その反射させた縦波を前記非圧電基板を介
   して前記すだれ状電極Ｒから電気信号として出力させ、 前記界面Ｂに励振され、前記非圧電基板中にバルク波と
   してモード変換される前記弾性表面波の位相速度は前記
   非圧電基板単体における横波の速度よりも大きいことを
   特徴とする超音波変位センサ。
2. 【請求項２】 前記すだれ状電極ＴおよびＲが円弧状を
   成すことを特徴とする請求項１に記載の超音波変位セン
   サ。
3. 【請求項３】 前記圧電薄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ことを特徴とする請求項１または
   ２に記載の超音波変位センサ。
4. 【請求項４】 前記圧電薄板は前記板面Ｐ２を介して前
   記非圧電基板に固着され、該板面Ｐ２は金属薄膜で被覆
   されていることを特徴とする請求項１，２または３に記
   載の超音波変位センサ。