JPH023129B2 - - Google Patents
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- JPH023129B2 JPH023129B2 JP56093008A JP9300881A JPH023129B2 JP H023129 B2 JPH023129 B2 JP H023129B2 JP 56093008 A JP56093008 A JP 56093008A JP 9300881 A JP9300881 A JP 9300881A JP H023129 B2 JPH023129 B2 JP H023129B2
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
- G01H9/00—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by using radiation-sensitive means, e.g. optical means
- G01H9/008—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by using radiation-sensitive means, e.g. optical means by using ultrasonic waves
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- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measuring Fluid Pressure (AREA)
- Transmission And Conversion Of Sensor Element Output (AREA)
- Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
本発明は例えば音圧センサ或いはガス圧センサ
等として利用することのできる超音波センサに関
する。 本発明による超音波センサは、圧電物質の一面
に１対のくし歯状電極を組合せて構成したインタ
ーデイジタル電極を有する超音波トランスデユー
サを利用する。このようなトランスデユーサは、
インターデイジタル電極への電気信号の印加によ
つて液体中に超音波を放射し、逆に液体中を伝搬
して来た超音波を受波して電気信号を出力する機
能をもつている。従つて、２個のトランスデユー
サを夫々入力用及び出力用として互いに離間し、
入力用トランスデユーサから液体中に放射される
超音波を所定の伝搬路長を経由させた後出力用ト
ランスデユーサで受波するようにすれば、超音波
遅延デバイスを得ることができる。 本発明はこのような超音波遅延デバイスを利用
して構成される超音波センサを提供しようとする
ものである。 この目的を達成するための本発明の特徴は、１
対のくし歯状電極をインターデイジタル電極に組
合せた２組の電極を圧電体基板に互いに離間して
配置することにより構成される入力用及び出力用
の超音波トランスデユーサを有する超音波素子
と、超音波を反射しかつ被測定対象の圧力変化に
応動する薄板状のプレツシヤプレートと、超音波
素子とプレツシヤプレートとを互いに離間して保
持し両者の間に液体が充填される容器とを有し、
プレツシヤプレートは容器外部の圧力変化に感応
するごとく容器にもうけられ、超音波素子は入力
用トランスデユーサから液体中に放射された超音
波がプレツシヤプレートで反射された後出力用ト
ランスデユーサで受波されるごとく容器内部にも
うけられた測定用の超音波遅延デバイスと、基準
信号を与える手段と、超音波遅延デバイスの出力
用トランスデユーサの遅延出力信号と基準信号と
の位相差を検出し該位相差に対応する電圧値を出
力する位相差検出器とを有するごとき超音波セン
サにある。 以下図面により実施例を説明する。 第１図は本発明による超音波センサの１実施例
で、測定用の超音波遅延デバイス１０と、基準信
号発生用の超音波遅延デバイス２０と、各遅延デ
バイスの遅延出力信号の位相差を比較検出する位
相差検出器３０を有する。 測定用の超音波遅延デバイス１０は第２図にそ
の側断面が示されている。この遅延デバイス１０
は第１図及び第２図から明らかなように、容器１
１と超音波素子１２とプレツシヤプレート１６を
有する。 容器１１は例えば真鍮で形成されたリング形状
で、内部に超音波素子１２を保持する。超音波素
子１２は、１対のくしの歯状電極をインターデイ
ジタルに組合せ２組の電極１４′，１５′を圧電体
基板１３に互いに離間して配置することにより構
成される入力用の超音波トランスデユーサ１４と
出力用のトランスデユーサ１５とを有する。入力
用トランスデユーサ１４からは入力端子１４ａ及
びアース端子１４ｂが引き出され、出力用トラン
スデユーサ５からは出力端子１５ａ及びアース端
子１５ｂが引き出され、両トランスデユーサのア
ース端子は容器１１にグラウンドされる。 プレツシヤプレート１６は、音圧或いはガス圧
等の被測定対象の振動的な圧力変化に対応して振
動する薄板状で、しかも超音波を反射する材料、
例えば燐青銅で構成される。プレート１６は、パ
ツキン１１ｃを介して容器１１の一方の開放面に
容器外部の圧力変化に感応して振動するごとくも
うけられる。このようにもうけられたプレツシヤ
プレート１６を反射板とするように、超音波素子
１２は容器１１の内部にもうけられる。すなわ
ち、第２図に示すように、端子１４ａへの入力信
号の印加で入力用トランスデユーサ１４から放射
された超音波がプレート１６で反射した後出力用
トランスデユーサ１５で受波され端子１５ａに遅
延出力信号が得られるように、超音波素子１２は
容器に取り付けられる。 プレツシヤプレート１６と超音波素子１２とは
互いに離間して容器１１に保持され、両者によつ
て容器内に形成される空間部１８には液体が充填
される。なお容器１１の側面には、超音波遅延デ
バイス１０自体が液体中に配置されることを考慮
し内外の液体の圧力の平衡をとるための貫通孔１
７がもうけられている。この貫通孔は従つて、デ
バイスを液中に配置しない場合には内部液体の流
出を防ぐため閉塞しなければならない。 容器１１の他方の面はパツキン１１ａを介して
蓋１１ｂで閉じられる。 上記構成のデバイスに入力端子１４ａを介して
交流電気信号（周波数）を印加すれば、第２図
に示すように、圧電体基板１３への法線と角度θ
の方向に超音波ビームが放射される。この放射角
θは液体中での縦波速度VL、圧電基板上の表面
波伝搬速度をVRとすれば、次のようになる。 θ＝sin-1VL／VR (1) θとしてまた、 θ＝sin-1VL／d (2) の関係を満足する方向にも縦波が励起される。こ
こでは入力信号の周波数、ｄはトランスデユー
サ１４，１５の電極周期である。超音波トランス
デユーサとしてはVR＝dの時に最も効率よく機
能する。このように入力用トランスデユーサ１４
から角度θで放射された超音波ビームは、プレツ
シヤプレート１６で反射された後、出力用トラン
スデユーサ１５で受波され出力端子１５ａに電気
信号として与えられる。ここで、プレツシヤプレ
ート１６に例えば音圧（矢印Ａ）が加わわるすれ
ば、プレート１６は音圧に従つて振動するので超
音波ビームの伝搬路長が変動し、出力端子１５ａ
に与えられる遅延出力信号に位相的な変化が生ず
る。本発明はこのような変化から温圧或いはガス
圧等の被測定対象を、後述の基準信号発生用の超
音波遅延デバイス及び位相差検出器を用いること
によつて測定しようとするものである。 基準信号発生用の超音波遅延デバイス２０は上
述のデバイス１０と同一構成のものを用いること
ができるが、しかし必ずしも同一構成にする必要
はない。すなわち、基準信号発生用のデバイス２
０は被測定対象である音圧等によつてその遅延出
力信号が時間変動を受けないようにする必要があ
るので、プレート２１を音圧等の影響を受けない
ように厚くし、或いはその影響下におかないよう
にすることが必要である。また、超音波の伝搬路
長についても測定用のデバイス１０と同一にする
必要はない。しかし、プレート２１と超音波素子
１２との間の空間部１８に充填された液体中にお
ける超音波速度は両者同一になるようにすること
が望ましい。 上記構成の測定用及び基準信号発生用の超音波
遅延デバイス１０，２０は、第１図に示すよう
に、共通入力端子INに夫々の人力用トランスデ
ユーサの入力が接続され、夫々の出力用トランス
デユーサの出力は位相差検出器３０の入力端子
IN−１とIN−２の夫々に接続されて、本発明に
よる超音波センサが構成される。 次に液体における音圧測定に用いる場合を例と
して上記超音波センサの動作を説明する。 測定用のデバイス１０は音圧の存在する液体中
に配置し、基準信号発生用のデバイス２０は音圧
の影響しない所、例えば空気中に配置する。な
お、基準信号発生用のデバイス２０は音圧の影響
を受けないように構成されていれば、測定用のも
のと同様に音圧下の液体中に配置してもさしつか
えない。 音圧の存在下にある測定用のデバイス１０は、
従つて、音圧の変化に対応してプレツシヤプレー
ト１６が振動するので、該プレート１６と圧電体
基板１３との間の距離が時間と共に変動して超音
波ビームの伝搬路長が変化し、その遅延出力信号
に時間的な変動が現われる。一方、基準信号発生
用のデバイス２０は音圧の影響を受けないので、
その遅延出力信号は時間的には一定で変化しな
い。従つて、これらデバイスの各遅延出力信号間
における位相差を検出すれば、音圧の変動を連続
的に検知することができる。これは以下の説明で
より明確化される。 各遅延デバイスの充填液体中における超音波の
伝搬路長を夫々L1，L2とすれば、各デバイスの
充填液体中を伝搬する音波の波数は周波数で
夫々、n1（＝L1／VL）、n2（＝L2／VL）となる。
従つて各デバイスによつて与えられる２つの遅延
出力信号間の位相差Δφは、圧電基板とプレート
間の垂直距離を夫々D1及びD2とすれば、次のよ
うになる。 (3)式でD1を基準信号発生用、D2を測定用の各
遅延デバイスに対応させれば、D1は音圧の影響
を受けることなく一定であるが、D2は音圧に依
存して変化する。(3)式から明らかなようにD1−
D2＝ΔDとΔφとの間には直線関係が存在してい
るので、各デバイスの遅延出力信号間の位相差を
直流電流圧に対応づけることによつてΔDを電圧
変化として読みとることができる。すなわち、位
相差検出器３０の出力電圧Vputが位相差Δφに比
例して変化し、Δφ＝πの時にVputが最大値Vnax
となるとすれば、出力電圧Vputと位相差Δφとの
間には次の関係が存在する。 従つて出力電圧VputからD1−D2＝ΔDを得るこ
とができ、ΔDは音圧に依存するので、本発明に
よる超音波センサを音圧センサとして機能させる
ことができる。 第３図は位相差検出器の具体例で、各超音波遅
延デバイスの遅延出力信号をパルス化するパルス
化回路３１、パルス化された遅延信号の高周波成
分を除去する波形整形回路３２、波形整形された
各遅延信号からその位相差を対応するパルスを作
り出し積分回路を介して直流電圧値として出力す
る位相比較回路３３とを有する。 第４図は第３図の動作タイムチヤートで、Ａ〜
Ｇの各波形は第３図の同一符号の個所の信号波形
を示す。 上記構成の位相差検出器に入力端子IN−１，
IN−２を介して各デバイスの遅延出力信号（波
形Ａ，Ｂ）が印加されれば、パルス化回路３１で
パルス化（波形Ｃ，Ｄ）された後波形整形回路３
２に与えられる。パルス化された各遅延信号は整
形回路３２で高周波成分を除去され波形整形され
た後（波形Ｅ，Ｆ）、位相比較回路３３ぬ与えら
れる。位相比較回路３３では各遅延信号間の位相
差Δφに対応するパルス信号（波形Ｇ）を作り出
し、該信号を積分回路を介して出力端子OUTに
供給することにより、位相差に対応する直流電圧
値を出力する。なお、位相比較回路３３の表示素
子３３ａは遅延出力信号間の位相差が進相か遅相
かを判断するためのもので、遅相状態ではスイツ
チ３２ａを切換えることによつて進相状態の場合
と同様の出力関係で測定することができる。 次に上記構成の超音波センサが音圧センサとし
て有効に機能することが確認された実験例を示
す。 超音波素子として、分極軸が厚さ方向の東京電
気化学工業(株)製圧電磁器91A材（長さ25mm、幅15
mm、厚さ５mm）の分極軸に垂直な面上に電極をも
うけて構成した。２組の電極は離間距離14mmで圧
電基板にもうけ、その電極周期は210μｍ、電極
重なり幅は５mm、電極対数は入力用を10、出力用
を20とした。プレツシヤプレートとして厚さ0.05
mmの燐青銅を用い、プレツシヤプレートと超音波
素子とは相互の離間距離が７mmとなるように容器
に取り付けた。なお充填液体としては水を用い
た。 本実施例においては上記仕様の超音波遅延デバ
イスを２個用い、一方を基準信号発生用として空
気中に配置し、他方を測定用として液中に配置し
て音圧の影響下においた。位相差検出器は位相差
Δφ＝πに対して出力電圧が最大値Vnax＝3.6Vを
とるようにし、Δφがπとなるまでは出力電圧
Vputと位相差Δφとの間に直線関係が得られるよ
うにした。 第５図は上記構成の音圧センサとしての動作特
性を評価するためにハイドロンフオン較正用のカ
プラ周波数特性を測定し実験結果である。図から
明らかなように、800Hz以上にわたつて平坦な周
波数応答性を示しており、感度が周波数に依存せ
ず広い帯域で音圧センサとして良好に機能するこ
とがわかる。 第６図は上記構成における音圧と出力電圧との
関係を周波数768Hzで測定した実験結果で、直線
性のよいことがわかる。 以上説明した実施例からも明らかなように、本
発明による超音波センサは音圧センサとして有効
に機能することがわかる。 第７図は音圧センサとしての動作原理の補足説
明図で、縦軸は出力電圧Vput、横軸は時間に対す
るΔDの変化量、斜線Vput＝KΔDは(4)式の関係、
ａは音響入力信号、ｂは電気信号号を示す。図か
ら明らかなように、音響信号ａが(4)式の関係を介
して電気信号に変換されることがよくわかる。ま
た、音圧センサとしての最適動作を確保するため
には、音圧零の状態で出力電圧Voutが1/2Vmax
なるように、中心周波数を変化することによつ
て、予じめΔφの値を調整しておくことが望しい
ことがわかる。 第８図は本発明による超音波センサの別の実施
例で、その特徴は、基準信号として測定用の遅延
デバイス１０の入力信号を用いることにある。そ
の他の構成は先の実施例と同様であり、その動作
も先の実施例で説明した通りである。 本実施例の構成によれば単一の超音波遅延素子
を用いれば良いというメリツトがあるが、被測定
対象についてある状態のものとの相対的な関係で
の時間と共に変わる変化をみたい場合には適さな
い。しかし単に時間と共に変わる変化量を検知す
るだけであれば、本構成は十分に機能する。 以上説明した実施例では、圧電基板の厚さが電
極周期に比べて充分厚くしかも電極面が充填液体
に接する構造の超音波遅延デバイスを例に説明し
た。そのため電極保護の処置としてホトレジスト
膜が塗布されている。一方、厚さがλ／４以下
（λ：圧電基板における超音波の波長）の薄板状
圧電体に電極をもうけた超音波素子を用いること
も可能で、これによれば圧電体の両面に振動が存
在することを利用できるので電極面を充填液体に
接する必要がなく、電極保護の要がないという利
点がある。なお、薄板状圧電体の場合には前述し
た各式のVRをラム波速度に置き換えなければな
らない。 また、第１の実施例においては各超音波遅延デ
バイスでの充填液体中の縦波速度VLが等しいも
のとして説明した。しかし、高い静水圧中で音圧
を測定するような場合には当該デバイスの前述し
た貫通孔を通して充填液体と外部静水圧とが等し
くなり、従つて水中に配置された測定用のデバイ
スのVLが水圧によつて変化するので、基準信号
発生用のデバイスもまた同一水深に配置しVLの
値を等しくすることが望ましい。この際、後者に
ついては音圧の影響を避けねばならないので、プ
レートを厚くし或いは音波シールド等を施すこと
が必要である。 以上説明したように本発明によれば、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２
組の電極を圧電基板に互いに離間して配置するこ
とにより構成される超音波素子を用いた超音波セ
ンサを構成することができ、音圧或いはガス圧等
の被測定対象の時間的変動を容易に測定すること
ができる。
等として利用することのできる超音波センサに関
する。 本発明による超音波センサは、圧電物質の一面
に１対のくし歯状電極を組合せて構成したインタ
ーデイジタル電極を有する超音波トランスデユー
サを利用する。このようなトランスデユーサは、
インターデイジタル電極への電気信号の印加によ
つて液体中に超音波を放射し、逆に液体中を伝搬
して来た超音波を受波して電気信号を出力する機
能をもつている。従つて、２個のトランスデユー
サを夫々入力用及び出力用として互いに離間し、
入力用トランスデユーサから液体中に放射される
超音波を所定の伝搬路長を経由させた後出力用ト
ランスデユーサで受波するようにすれば、超音波
遅延デバイスを得ることができる。 本発明はこのような超音波遅延デバイスを利用
して構成される超音波センサを提供しようとする
ものである。 この目的を達成するための本発明の特徴は、１
対のくし歯状電極をインターデイジタル電極に組
合せた２組の電極を圧電体基板に互いに離間して
配置することにより構成される入力用及び出力用
の超音波トランスデユーサを有する超音波素子
と、超音波を反射しかつ被測定対象の圧力変化に
応動する薄板状のプレツシヤプレートと、超音波
素子とプレツシヤプレートとを互いに離間して保
持し両者の間に液体が充填される容器とを有し、
プレツシヤプレートは容器外部の圧力変化に感応
するごとく容器にもうけられ、超音波素子は入力
用トランスデユーサから液体中に放射された超音
波がプレツシヤプレートで反射された後出力用ト
ランスデユーサで受波されるごとく容器内部にも
うけられた測定用の超音波遅延デバイスと、基準
信号を与える手段と、超音波遅延デバイスの出力
用トランスデユーサの遅延出力信号と基準信号と
の位相差を検出し該位相差に対応する電圧値を出
力する位相差検出器とを有するごとき超音波セン
サにある。 以下図面により実施例を説明する。 第１図は本発明による超音波センサの１実施例
で、測定用の超音波遅延デバイス１０と、基準信
号発生用の超音波遅延デバイス２０と、各遅延デ
バイスの遅延出力信号の位相差を比較検出する位
相差検出器３０を有する。 測定用の超音波遅延デバイス１０は第２図にそ
の側断面が示されている。この遅延デバイス１０
は第１図及び第２図から明らかなように、容器１
１と超音波素子１２とプレツシヤプレート１６を
有する。 容器１１は例えば真鍮で形成されたリング形状
で、内部に超音波素子１２を保持する。超音波素
子１２は、１対のくしの歯状電極をインターデイ
ジタルに組合せ２組の電極１４′，１５′を圧電体
基板１３に互いに離間して配置することにより構
成される入力用の超音波トランスデユーサ１４と
出力用のトランスデユーサ１５とを有する。入力
用トランスデユーサ１４からは入力端子１４ａ及
びアース端子１４ｂが引き出され、出力用トラン
スデユーサ５からは出力端子１５ａ及びアース端
子１５ｂが引き出され、両トランスデユーサのア
ース端子は容器１１にグラウンドされる。 プレツシヤプレート１６は、音圧或いはガス圧
等の被測定対象の振動的な圧力変化に対応して振
動する薄板状で、しかも超音波を反射する材料、
例えば燐青銅で構成される。プレート１６は、パ
ツキン１１ｃを介して容器１１の一方の開放面に
容器外部の圧力変化に感応して振動するごとくも
うけられる。このようにもうけられたプレツシヤ
プレート１６を反射板とするように、超音波素子
１２は容器１１の内部にもうけられる。すなわ
ち、第２図に示すように、端子１４ａへの入力信
号の印加で入力用トランスデユーサ１４から放射
された超音波がプレート１６で反射した後出力用
トランスデユーサ１５で受波され端子１５ａに遅
延出力信号が得られるように、超音波素子１２は
容器に取り付けられる。 プレツシヤプレート１６と超音波素子１２とは
互いに離間して容器１１に保持され、両者によつ
て容器内に形成される空間部１８には液体が充填
される。なお容器１１の側面には、超音波遅延デ
バイス１０自体が液体中に配置されることを考慮
し内外の液体の圧力の平衡をとるための貫通孔１
７がもうけられている。この貫通孔は従つて、デ
バイスを液中に配置しない場合には内部液体の流
出を防ぐため閉塞しなければならない。 容器１１の他方の面はパツキン１１ａを介して
蓋１１ｂで閉じられる。 上記構成のデバイスに入力端子１４ａを介して
交流電気信号（周波数）を印加すれば、第２図
に示すように、圧電体基板１３への法線と角度θ
の方向に超音波ビームが放射される。この放射角
θは液体中での縦波速度VL、圧電基板上の表面
波伝搬速度をVRとすれば、次のようになる。 θ＝sin-1VL／VR (1) θとしてまた、 θ＝sin-1VL／d (2) の関係を満足する方向にも縦波が励起される。こ
こでは入力信号の周波数、ｄはトランスデユー
サ１４，１５の電極周期である。超音波トランス
デユーサとしてはVR＝dの時に最も効率よく機
能する。このように入力用トランスデユーサ１４
から角度θで放射された超音波ビームは、プレツ
シヤプレート１６で反射された後、出力用トラン
スデユーサ１５で受波され出力端子１５ａに電気
信号として与えられる。ここで、プレツシヤプレ
ート１６に例えば音圧（矢印Ａ）が加わわるすれ
ば、プレート１６は音圧に従つて振動するので超
音波ビームの伝搬路長が変動し、出力端子１５ａ
に与えられる遅延出力信号に位相的な変化が生ず
る。本発明はこのような変化から温圧或いはガス
圧等の被測定対象を、後述の基準信号発生用の超
音波遅延デバイス及び位相差検出器を用いること
によつて測定しようとするものである。 基準信号発生用の超音波遅延デバイス２０は上
述のデバイス１０と同一構成のものを用いること
ができるが、しかし必ずしも同一構成にする必要
はない。すなわち、基準信号発生用のデバイス２
０は被測定対象である音圧等によつてその遅延出
力信号が時間変動を受けないようにする必要があ
るので、プレート２１を音圧等の影響を受けない
ように厚くし、或いはその影響下におかないよう
にすることが必要である。また、超音波の伝搬路
長についても測定用のデバイス１０と同一にする
必要はない。しかし、プレート２１と超音波素子
１２との間の空間部１８に充填された液体中にお
ける超音波速度は両者同一になるようにすること
が望ましい。 上記構成の測定用及び基準信号発生用の超音波
遅延デバイス１０，２０は、第１図に示すよう
に、共通入力端子INに夫々の人力用トランスデ
ユーサの入力が接続され、夫々の出力用トランス
デユーサの出力は位相差検出器３０の入力端子
IN−１とIN−２の夫々に接続されて、本発明に
よる超音波センサが構成される。 次に液体における音圧測定に用いる場合を例と
して上記超音波センサの動作を説明する。 測定用のデバイス１０は音圧の存在する液体中
に配置し、基準信号発生用のデバイス２０は音圧
の影響しない所、例えば空気中に配置する。な
お、基準信号発生用のデバイス２０は音圧の影響
を受けないように構成されていれば、測定用のも
のと同様に音圧下の液体中に配置してもさしつか
えない。 音圧の存在下にある測定用のデバイス１０は、
従つて、音圧の変化に対応してプレツシヤプレー
ト１６が振動するので、該プレート１６と圧電体
基板１３との間の距離が時間と共に変動して超音
波ビームの伝搬路長が変化し、その遅延出力信号
に時間的な変動が現われる。一方、基準信号発生
用のデバイス２０は音圧の影響を受けないので、
その遅延出力信号は時間的には一定で変化しな
い。従つて、これらデバイスの各遅延出力信号間
における位相差を検出すれば、音圧の変動を連続
的に検知することができる。これは以下の説明で
より明確化される。 各遅延デバイスの充填液体中における超音波の
伝搬路長を夫々L1，L2とすれば、各デバイスの
充填液体中を伝搬する音波の波数は周波数で
夫々、n1（＝L1／VL）、n2（＝L2／VL）となる。
従つて各デバイスによつて与えられる２つの遅延
出力信号間の位相差Δφは、圧電基板とプレート
間の垂直距離を夫々D1及びD2とすれば、次のよ
うになる。 (3)式でD1を基準信号発生用、D2を測定用の各
遅延デバイスに対応させれば、D1は音圧の影響
を受けることなく一定であるが、D2は音圧に依
存して変化する。(3)式から明らかなようにD1−
D2＝ΔDとΔφとの間には直線関係が存在してい
るので、各デバイスの遅延出力信号間の位相差を
直流電流圧に対応づけることによつてΔDを電圧
変化として読みとることができる。すなわち、位
相差検出器３０の出力電圧Vputが位相差Δφに比
例して変化し、Δφ＝πの時にVputが最大値Vnax
となるとすれば、出力電圧Vputと位相差Δφとの
間には次の関係が存在する。 従つて出力電圧VputからD1−D2＝ΔDを得るこ
とができ、ΔDは音圧に依存するので、本発明に
よる超音波センサを音圧センサとして機能させる
ことができる。 第３図は位相差検出器の具体例で、各超音波遅
延デバイスの遅延出力信号をパルス化するパルス
化回路３１、パルス化された遅延信号の高周波成
分を除去する波形整形回路３２、波形整形された
各遅延信号からその位相差を対応するパルスを作
り出し積分回路を介して直流電圧値として出力す
る位相比較回路３３とを有する。 第４図は第３図の動作タイムチヤートで、Ａ〜
Ｇの各波形は第３図の同一符号の個所の信号波形
を示す。 上記構成の位相差検出器に入力端子IN−１，
IN−２を介して各デバイスの遅延出力信号（波
形Ａ，Ｂ）が印加されれば、パルス化回路３１で
パルス化（波形Ｃ，Ｄ）された後波形整形回路３
２に与えられる。パルス化された各遅延信号は整
形回路３２で高周波成分を除去され波形整形され
た後（波形Ｅ，Ｆ）、位相比較回路３３ぬ与えら
れる。位相比較回路３３では各遅延信号間の位相
差Δφに対応するパルス信号（波形Ｇ）を作り出
し、該信号を積分回路を介して出力端子OUTに
供給することにより、位相差に対応する直流電圧
値を出力する。なお、位相比較回路３３の表示素
子３３ａは遅延出力信号間の位相差が進相か遅相
かを判断するためのもので、遅相状態ではスイツ
チ３２ａを切換えることによつて進相状態の場合
と同様の出力関係で測定することができる。 次に上記構成の超音波センサが音圧センサとし
て有効に機能することが確認された実験例を示
す。 超音波素子として、分極軸が厚さ方向の東京電
気化学工業(株)製圧電磁器91A材（長さ25mm、幅15
mm、厚さ５mm）の分極軸に垂直な面上に電極をも
うけて構成した。２組の電極は離間距離14mmで圧
電基板にもうけ、その電極周期は210μｍ、電極
重なり幅は５mm、電極対数は入力用を10、出力用
を20とした。プレツシヤプレートとして厚さ0.05
mmの燐青銅を用い、プレツシヤプレートと超音波
素子とは相互の離間距離が７mmとなるように容器
に取り付けた。なお充填液体としては水を用い
た。 本実施例においては上記仕様の超音波遅延デバ
イスを２個用い、一方を基準信号発生用として空
気中に配置し、他方を測定用として液中に配置し
て音圧の影響下においた。位相差検出器は位相差
Δφ＝πに対して出力電圧が最大値Vnax＝3.6Vを
とるようにし、Δφがπとなるまでは出力電圧
Vputと位相差Δφとの間に直線関係が得られるよ
うにした。 第５図は上記構成の音圧センサとしての動作特
性を評価するためにハイドロンフオン較正用のカ
プラ周波数特性を測定し実験結果である。図から
明らかなように、800Hz以上にわたつて平坦な周
波数応答性を示しており、感度が周波数に依存せ
ず広い帯域で音圧センサとして良好に機能するこ
とがわかる。 第６図は上記構成における音圧と出力電圧との
関係を周波数768Hzで測定した実験結果で、直線
性のよいことがわかる。 以上説明した実施例からも明らかなように、本
発明による超音波センサは音圧センサとして有効
に機能することがわかる。 第７図は音圧センサとしての動作原理の補足説
明図で、縦軸は出力電圧Vput、横軸は時間に対す
るΔDの変化量、斜線Vput＝KΔDは(4)式の関係、
ａは音響入力信号、ｂは電気信号号を示す。図か
ら明らかなように、音響信号ａが(4)式の関係を介
して電気信号に変換されることがよくわかる。ま
た、音圧センサとしての最適動作を確保するため
には、音圧零の状態で出力電圧Voutが1/2Vmax
なるように、中心周波数を変化することによつ
て、予じめΔφの値を調整しておくことが望しい
ことがわかる。 第８図は本発明による超音波センサの別の実施
例で、その特徴は、基準信号として測定用の遅延
デバイス１０の入力信号を用いることにある。そ
の他の構成は先の実施例と同様であり、その動作
も先の実施例で説明した通りである。 本実施例の構成によれば単一の超音波遅延素子
を用いれば良いというメリツトがあるが、被測定
対象についてある状態のものとの相対的な関係で
の時間と共に変わる変化をみたい場合には適さな
い。しかし単に時間と共に変わる変化量を検知す
るだけであれば、本構成は十分に機能する。 以上説明した実施例では、圧電基板の厚さが電
極周期に比べて充分厚くしかも電極面が充填液体
に接する構造の超音波遅延デバイスを例に説明し
た。そのため電極保護の処置としてホトレジスト
膜が塗布されている。一方、厚さがλ／４以下
（λ：圧電基板における超音波の波長）の薄板状
圧電体に電極をもうけた超音波素子を用いること
も可能で、これによれば圧電体の両面に振動が存
在することを利用できるので電極面を充填液体に
接する必要がなく、電極保護の要がないという利
点がある。なお、薄板状圧電体の場合には前述し
た各式のVRをラム波速度に置き換えなければな
らない。 また、第１の実施例においては各超音波遅延デ
バイスでの充填液体中の縦波速度VLが等しいも
のとして説明した。しかし、高い静水圧中で音圧
を測定するような場合には当該デバイスの前述し
た貫通孔を通して充填液体と外部静水圧とが等し
くなり、従つて水中に配置された測定用のデバイ
スのVLが水圧によつて変化するので、基準信号
発生用のデバイスもまた同一水深に配置しVLの
値を等しくすることが望ましい。この際、後者に
ついては音圧の影響を避けねばならないので、プ
レートを厚くし或いは音波シールド等を施すこと
が必要である。 以上説明したように本発明によれば、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２
組の電極を圧電基板に互いに離間して配置するこ
とにより構成される超音波素子を用いた超音波セ
ンサを構成することができ、音圧或いはガス圧等
の被測定対象の時間的変動を容易に測定すること
ができる。
第１図は本発明による超音波センサの一実施
例、第２図は超音波遅延デバイスの構造例、第３
図は位相差検出器の構成例、第４図は第３図の動
作タイムチヤート、第５図及び第６図は実施例、
第７図は音圧センサとしての動作説明図、第８図
は本発明による超音波センサの別の実施例であ
る。 １０：測定用の超音波遅延デバイス、１１：容
器、１２：超音波素子、１３：圧電基板、１４：
入力用トランスデユーサ、１４′：電極、１５：
出力用トランスデユーサ、１５′：電極、１６：
プレツシヤプレート、２１：プレート、３０：位
相差検出器。
例、第２図は超音波遅延デバイスの構造例、第３
図は位相差検出器の構成例、第４図は第３図の動
作タイムチヤート、第５図及び第６図は実施例、
第７図は音圧センサとしての動作説明図、第８図
は本発明による超音波センサの別の実施例であ
る。 １０：測定用の超音波遅延デバイス、１１：容
器、１２：超音波素子、１３：圧電基板、１４：
入力用トランスデユーサ、１４′：電極、１５：
出力用トランスデユーサ、１５′：電極、１６：
プレツシヤプレート、２１：プレート、３０：位
相差検出器。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ １対のくしの歯状電極をインターデイジタル
に組合せた少なくとも２組の電極を圧電体基板に
互いに離間して配置することにより構成される入
力用及び出力用の超音波トランスデユーサを有す
る超音波素子と、超音波を反射しかつ被測定対象
の圧力変化に応動する薄板状のプレツシヤプレー
トと、超音波素子とプレツシヤプレートとを互い
に離間して保持し両者の間に液体が充填される容
器とを有し、プレツシヤプレートは容器外部の圧
力変化に感応するごとく容器にもうけられ、超音
波素子は入力用トランスデユーサから液体中に放
射された超音波がプレツシヤプレートで反射され
た後出力用トランデユーサで受波されるごとく容
器内部にもうけられた測定用の超音波遅延デバイ
スと、基準信号を与える手段と、超音波遅延デバ
イスの出力用トランスデユーサの遅延出力信号と
基準信号との位相差を検出し、出力する位相差検
出器とを有することを特徴とする超音波センサ。 ２ 基準信号を与える手段が基準信号発生用の超
音波遅延デバイスであり、該デバイスは、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
２組の電極を圧電体基板に互いに離間して配置す
ることにより構成される入力用及び出力用の超音
波トランスデユーサを有する超音波素子と、超音
波を反射するプレートと、超音波素子とプレート
を互いに離間して両者の間に液体が充填される容
器とを有し、超音波素子は入力用トランスデユー
サから液体中に放射される超音波が容器内面で反
射された後出力用トランスデユーサで受波される
ごとく容器内部にもうけられて構成され、入力用
トランスデユーサに前記測定用の超音波遅延デバ
イスの入力信号を印加することにより出力用トラ
ンスデユーサを介して得られる遅延出力信号を基
準信号とするごとき特許請求の範囲第１項の超音
波センサ。 ３ 基準信号を与える手段が、測定用の超音波遅
延デバイスの入力信号を基準信号とするごとき特
許請求の範囲第１項の超音波センサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9300881A JPS57208419A (en) | 1981-06-18 | 1981-06-18 | Ultrasonic wave sensor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9300881A JPS57208419A (en) | 1981-06-18 | 1981-06-18 | Ultrasonic wave sensor |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS57208419A JPS57208419A (en) | 1982-12-21 |
| JPH023129B2 true JPH023129B2 (ja) | 1990-01-22 |
Family
ID=14070365
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP9300881A Granted JPS57208419A (en) | 1981-06-18 | 1981-06-18 | Ultrasonic wave sensor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS57208419A (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006108766A (ja) | 2004-09-30 | 2006-04-20 | Fuji Xerox Co Ltd | 無線応答装置および画像形成装置 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5258946A (en) * | 1975-11-10 | 1977-05-14 | Yokogawa Hokushin Electric Corp | Displacement detector |
-
1981
- 1981-06-18 JP JP9300881A patent/JPS57208419A/ja active Granted
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5258946A (en) * | 1975-11-10 | 1977-05-14 | Yokogawa Hokushin Electric Corp | Displacement detector |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS57208419A (en) | 1982-12-21 |
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