JPH03112300A - 振動子ユニット - Google Patents
振動子ユニットInfo
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- JPH03112300A JPH03112300A JP1250312A JP25031289A JPH03112300A JP H03112300 A JPH03112300 A JP H03112300A JP 1250312 A JP1250312 A JP 1250312A JP 25031289 A JP25031289 A JP 25031289A JP H03112300 A JPH03112300 A JP H03112300A
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Landscapes
- Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
- Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
（ａｌ産業上の利用分野
この発明は魚群探知機や超音波探傷器などに用いられる
振動子ユニットに関する。
振動子ユニットに関する。
（ｂｌ従来の技術
魚群探知機や超音波探傷器などの装置は探査物体または
探査箇所に対して超音波パルスを送波し、探査物体や探
査箇所からの帰来波を受波し、超音波パルスの送波から
帰来波の受波までの時間差によって探査物体や探査箇所
の位置や形状を調べる。この超音波パルスの送波および
受波を行う振動子ユニットとして、従来より圧電セラミ
クスを用いた圧電振動子が用いられている。
探査箇所に対して超音波パルスを送波し、探査物体や探
査箇所からの帰来波を受波し、超音波パルスの送波から
帰来波の受波までの時間差によって探査物体や探査箇所
の位置や形状を調べる。この超音波パルスの送波および
受波を行う振動子ユニットとして、従来より圧電セラミ
クスを用いた圧電振動子が用いられている。
ところで、超音波パルスの送受波を行って海中の魚群や
構造材中の傷を探査するに要求される性能の１つは距離
分解能であるが距離分解能を向上さゼるためには超音波
パルスのパルス幅を極力狭めることが必要である。しか
し一般に振動子ユニットのパルス応答特性に応じて、送
波パルス波形および受波により得られる受波信号の何れ
もがある程度の幅を持った送波パルスおよび受波信号と
なる。従って、距離分解能を向上させるためには振動子
ユニットのパルス応答特性を改善しなりればならない。
構造材中の傷を探査するに要求される性能の１つは距離
分解能であるが距離分解能を向上さゼるためには超音波
パルスのパルス幅を極力狭めることが必要である。しか
し一般に振動子ユニットのパルス応答特性に応じて、送
波パルス波形および受波により得られる受波信号の何れ
もがある程度の幅を持った送波パルスおよび受波信号と
なる。従って、距離分解能を向上させるためには振動子
ユニットのパルス応答特性を改善しなりればならない。
そこで従来より振動子ユニットのパルス応答特性を高め
るためにはＱを低減し、自己共振を制限して広帯域化が
図られている。その幾つかの例を次に示す。
るためにはＱを低減し、自己共振を制限して広帯域化が
図られている。その幾つかの例を次に示す。
■マツチング層、ハソキング層による広帯域化第９図は
振動子ユニットの断面構造を表す図であり、１ば円盤状
の圧電振動子であり、その超音波放射面側にマツチ、ン
グ層２、他方の面にバッキング層３を接着している。こ
のようにマツチングＮ２およびバンキング層３を振動子
１の負荷として作用させる。
振動子ユニットの断面構造を表す図であり、１ば円盤状
の圧電振動子であり、その超音波放射面側にマツチ、ン
グ層２、他方の面にバッキング層３を接着している。こ
のようにマツチングＮ２およびバンキング層３を振動子
１の負荷として作用させる。
■振動子のダイシングによる広帯域化
たとえば円盤状の圧電振動子に直交する複数本の深い溝
を形成することによって圧電振動子の径方向の振動モー
ドを防止し、これによって厚み方向の振動モードのみを
基本振動モードとする。また、この振動子のダイシング
による方法と同じ目的で微小振動子を二次元方向に配列
して共通に駆動するようにした振動子ユニットもある。
を形成することによって圧電振動子の径方向の振動モー
ドを防止し、これによって厚み方向の振動モードのみを
基本振動モードとする。また、この振動子のダイシング
による方法と同じ目的で微小振動子を二次元方向に配列
して共通に駆動するようにした振動子ユニットもある。
■複合材料を用いた振動子による広帯域化たとえば圧電
セラミクス粉末にゴムやエポキシなどの材料を複合させ
て圧電振動子を形成する。
セラミクス粉末にゴムやエポキシなどの材料を複合させ
て圧電振動子を形成する。
このことにより、径方向の振動が結合せず、厚み方向の
振動子モードのみを利用することができる■高分子圧電
素子による広帯域化 ＰＶＤＦなどの高分子圧電材料による振動子を用いる。
振動子モードのみを利用することができる■高分子圧電
素子による広帯域化 ＰＶＤＦなどの高分子圧電材料による振動子を用いる。
この振動子もＱが低く、径方向の結合がほとんどない。
（Ｃ１発明が解決しようとする課題
ところが、前述の■〜■にあげた振動子ユニットは次に
■〜■に対応させて述べるようにそれぞれ欠点を備えて
いる。
■〜■に対応させて述べるようにそれぞれ欠点を備えて
いる。
■マツチング層とバンキング層として有効に作用させる
ための音響インピーダンスの選定が難しく、また基本的
に径方向の振動モードの影響が除去できない。
ための音響インピーダンスの選定が難しく、また基本的
に径方向の振動モードの影響が除去できない。
■圧電振動子のダイシングによる方法では、圧電振動子
自体がもろいため、ダイシング中に割れたり、切削時に
発生する熱により特性が劣化する。また、切削加工効率
が悪（製造コストが高い。
自体がもろいため、ダイシング中に割れたり、切削時に
発生する熱により特性が劣化する。また、切削加工効率
が悪（製造コストが高い。
■材料の特性上感度が低く、一定電圧以上の高電圧を印
加すれば放電してしまうため高出力が得られない。
加すれば放電してしまうため高出力が得られない。
■高分子圧電材料の特性上感度が低く、同様に高電圧が
印加できない。また、材料コストが高いという問題もあ
る。
印加できない。また、材料コストが高いという問題もあ
る。
この発明の目的は一ヒ述の各種問題点を解消した低コス
トでパルス応答性の優れた振動子ユニットを提供するこ
とにある。
トでパルス応答性の優れた振動子ユニットを提供するこ
とにある。
（ｄ１課題を解決するための手段
この発明の振動子ユニットは、一定深さの交差する複数
本の溝を形成した金属板に圧電振動子を接着してなり、
広がり方向における振動モードの基本共振周波数を厚み
振動モードの基本共振周波数より高く設定したことを特
徴とする。
本の溝を形成した金属板に圧電振動子を接着してなり、
広がり方向における振動モードの基本共振周波数を厚み
振動モードの基本共振周波数より高く設定したことを特
徴とする。
（ｅ）作用
この発明の振動子ユニットにおいては、一定深さの交差
する複数本の溝が形成された金属板に圧電振動子が接着
されてなり、広がり方向における振動子−１の）１本共
振周波数が厚み振動子−１・の基本共振周波数より高く
設定されている。この溝を形成した金属板の有無による
振動子ユニットの特性上の違いについて以下に述べる。
する複数本の溝が形成された金属板に圧電振動子が接着
されてなり、広がり方向における振動子−１の）１本共
振周波数が厚み振動子−１・の基本共振周波数より高く
設定されている。この溝を形成した金属板の有無による
振動子ユニットの特性上の違いについて以下に述べる。
第５図（Ａ）および（Ｂ、 ）は金属板が無い場合およ
びある場合のそれぞれについて圧電振動子のインピーダ
ンス特性を表している。同図（Ａ）においてｆｒは圧電
振動子の径方向法がり方向の振動モードの基本共振周波
数、２ｆｒはその二次高調波の共振周波数、ｒｔは圧電
振動子の厚み方向の振動モードの基本共振周波数、さら
に３ｆｒは「ｒの三次高調波の共振周波数である。また
、同図（Ｂ）においてｆｈ、ｆｒ・・・などの周波数は
複数本の交差する溝により実質的に分離された金属板と
この金属板に接着されている圧電振動子からなる振動系
の各振動モードおよびその高調波の共振周波数であり、
交差する複数本の溝により分離された一単位の振動系の
寸法を第４図に示すようにとることができる。第５図（
Ｂ）においてｆｈは厚み方向（角柱の高さｈ方向）の振
動モトの基本共振周波数、「ｌはｊｔ口）の対角β方向
の振動モードの基本共振周波数、２ｒｈはｒｈの二次高
調波の共振周波数、ｆｗは角柱の対向する側面間Ｗ方向
の振動モードの基本共振周波数、さらにｆｄは他の対向
する側面間ｄ方向の振動モードの基本共振周波数である
。ここで、厚み方向（角柱の高さｈ方向）の振動モード
以外はすべて広がり方向の振動モードである。
びある場合のそれぞれについて圧電振動子のインピーダ
ンス特性を表している。同図（Ａ）においてｆｒは圧電
振動子の径方向法がり方向の振動モードの基本共振周波
数、２ｆｒはその二次高調波の共振周波数、ｒｔは圧電
振動子の厚み方向の振動モードの基本共振周波数、さら
に３ｆｒは「ｒの三次高調波の共振周波数である。また
、同図（Ｂ）においてｆｈ、ｆｒ・・・などの周波数は
複数本の交差する溝により実質的に分離された金属板と
この金属板に接着されている圧電振動子からなる振動系
の各振動モードおよびその高調波の共振周波数であり、
交差する複数本の溝により分離された一単位の振動系の
寸法を第４図に示すようにとることができる。第５図（
Ｂ）においてｆｈは厚み方向（角柱の高さｈ方向）の振
動モトの基本共振周波数、「ｌはｊｔ口）の対角β方向
の振動モードの基本共振周波数、２ｒｈはｒｈの二次高
調波の共振周波数、ｆｗは角柱の対向する側面間Ｗ方向
の振動モードの基本共振周波数、さらにｆｄは他の対向
する側面間ｄ方向の振動モードの基本共振周波数である
。ここで、厚み方向（角柱の高さｈ方向）の振動モード
以外はすべて広がり方向の振動モードである。
第５図（Ａ）に示した厚み振動モードの基本共振周波数
ｆｔより同図（Ｂ）に示した厚み振動モートの基本共振
周波数ｒｈが低いのは、金属板の接着により振動系の厚
み方向寸法が等価的に厚くなったことにより厚み振動モ
ードの基本共振周波数が低域にシフトしたためである。
ｆｔより同図（Ｂ）に示した厚み振動モートの基本共振
周波数ｒｈが低いのは、金属板の接着により振動系の厚
み方向寸法が等価的に厚くなったことにより厚み振動モ
ードの基本共振周波数が低域にシフトしたためである。
すなわち、この場合振動子ユニットはいわゆるランジュ
バン振動子として作用する。
バン振動子として作用する。
さて、このようなインピーダンス特性によってインパル
ス応答波形の周波数スペクトラムがどのようになるかを
第６図（Ａ）および（Ｂ）に示す。第６図（Ａ）は金属
板がない場合のスペクトラム、（Ｂ）は金属板がある場
合のスペクトラムであり、横軸、縦軸ともに任意スケー
ルとして表している。同図（Ａ）に示すように金属板の
無い場合には、厚み振動モートの基本共振周波数ｒｔよ
り低域の周波数で共振する振動モードがあるため、振動
子の振動が低次モートの振動に引き込まれ、パルス応答
性が悪くなる。これに対し同図（Ｂ）に示すように交差
する複数本の溝を形成した金属板を有する振動子ユニッ
トの場合には、厚み振動モードの基本共振周波数ｆｈよ
り低域の振動モードがないため良好なパルス応答性が得
られる。
ス応答波形の周波数スペクトラムがどのようになるかを
第６図（Ａ）および（Ｂ）に示す。第６図（Ａ）は金属
板がない場合のスペクトラム、（Ｂ）は金属板がある場
合のスペクトラムであり、横軸、縦軸ともに任意スケー
ルとして表している。同図（Ａ）に示すように金属板の
無い場合には、厚み振動モートの基本共振周波数ｒｔよ
り低域の周波数で共振する振動モードがあるため、振動
子の振動が低次モートの振動に引き込まれ、パルス応答
性が悪くなる。これに対し同図（Ｂ）に示すように交差
する複数本の溝を形成した金属板を有する振動子ユニッ
トの場合には、厚み振動モードの基本共振周波数ｆｈよ
り低域の振動モードがないため良好なパルス応答性が得
られる。
第７図（Ａ）〜（Ｃ）にそのパルス応答の例を示す。同
図（Ａ）は入力波形、（Ｂ）は金属扱かない場合の応答
波形、（Ｃ）は金属板がある場合の応答波形である。但
し、ここでは、用いる振動系の基本共振周波数を同一と
した場合の例を示している。このように、パルス応答性
の良好な振動子ユニットが得られる。
図（Ａ）は入力波形、（Ｂ）は金属扱かない場合の応答
波形、（Ｃ）は金属板がある場合の応答波形である。但
し、ここでは、用いる振動系の基本共振周波数を同一と
した場合の例を示している。このように、パルス応答性
の良好な振動子ユニットが得られる。
ｌｆｌ実施例
この発明の実施例である振動子ユニットの主要部の構成
を第１図〜第３図に示す。
を第１図〜第３図に示す。
第１図（Ａ）および（Ｂ）は圧電振動子および金属板の
構造を表す斜視図である。図示の通り円盤状の金属板４
には一定温さの直交する複数本の溝５を形成している。
構造を表す斜視図である。図示の通り円盤状の金属板４
には一定温さの直交する複数本の溝５を形成している。
金属板としては、アルミニウム、黄銅、鉄、ステンレス
スチール、ニッケルあるいは亜鉛などの材料を用いるこ
とができ、複数の溝５はグイシングツ−を用い、金属板
の厚み寸法の約９０％の深さまでグイシングして形成す
る。あるいは鋳造によれば、ダイシング工程なしに容易
に大量生産することができる。
スチール、ニッケルあるいは亜鉛などの材料を用いるこ
とができ、複数の溝５はグイシングツ−を用い、金属板
の厚み寸法の約９０％の深さまでグイシングして形成す
る。あるいは鋳造によれば、ダイシング工程なしに容易
に大量生産することができる。
第２図は、金属板４に圧電振動子１を接着した状態を示
している。なお、圧電振動子１の表裏面にはそれぞれ導
電性ペーストの印刷および焼付によって予め電極を形成
している。このように金属板４に対して圧電振動子ｌを
接着した状態で両層間に絶縁性の接着剤層が形成され、
圧電振動子１の金属板側の電極と金属板４とはコンデン
サ結合する。
している。なお、圧電振動子１の表裏面にはそれぞれ導
電性ペーストの印刷および焼付によって予め電極を形成
している。このように金属板４に対して圧電振動子ｌを
接着した状態で両層間に絶縁性の接着剤層が形成され、
圧電振動子１の金属板側の電極と金属板４とはコンデン
サ結合する。
このように一体化した振動子ユニットを第３図に示すよ
うにゴムケース６内に設け、防水ケーブル７のリード線
を圧電振動子１の一方の電極と金属板４とに接続するこ
とによって超音波送受波器を構成することができる。こ
のように構成した超音波送受波器をさらに広帯域化する
ために、金属板４と圧電振動子ｌからなる振動子ユニソ
Ｉ・にマツチング層とハソキング層を付加してもよい。
うにゴムケース６内に設け、防水ケーブル７のリード線
を圧電振動子１の一方の電極と金属板４とに接続するこ
とによって超音波送受波器を構成することができる。こ
のように構成した超音波送受波器をさらに広帯域化する
ために、金属板４と圧電振動子ｌからなる振動子ユニソ
Ｉ・にマツチング層とハソキング層を付加してもよい。
なお、上記実施例では、金属板の溝形成面側に圧電振動
子を接着したが、逆に金属板の溝を形成しない面に圧電
振動子を接着しても同様の効果を得ることができる。ま
た、例えば、第８図（Ａ）または（Ｂ）に示すように、
溝を形成した２つの金属板４ａおよび４ｂによって圧電
振動子Ｉをザンドイソチする構成としてもよい。さらに
、金属板に形成する溝は金属板の一方の面に限らず両面
に設けても同様の効果を得ることができる。
子を接着したが、逆に金属板の溝を形成しない面に圧電
振動子を接着しても同様の効果を得ることができる。ま
た、例えば、第８図（Ａ）または（Ｂ）に示すように、
溝を形成した２つの金属板４ａおよび４ｂによって圧電
振動子Ｉをザンドイソチする構成としてもよい。さらに
、金属板に形成する溝は金属板の一方の面に限らず両面
に設けても同様の効果を得ることができる。
（ｇ１発明の効果
この発明によれば、一定深さの交差する複数本の溝を形
成した金属板に圧電振動子を接着して広がり方向におり
る振動モードの基本共振周波数を厚み振動モートに基本
共振周波数より高域にシフトさせたことにより、広がり
振動モードの影響がなくなり、パルス応答性の良好な振
動子ユニノｌ−０ を得ることができる。また、この振動子ユニットを超音
波送受波器に用いることにより、距離分解能の高い探査
装置を構成することが可能となる。
成した金属板に圧電振動子を接着して広がり方向におり
る振動モードの基本共振周波数を厚み振動モートに基本
共振周波数より高域にシフトさせたことにより、広がり
振動モードの影響がなくなり、パルス応答性の良好な振
動子ユニノｌ−０ を得ることができる。また、この振動子ユニットを超音
波送受波器に用いることにより、距離分解能の高い探査
装置を構成することが可能となる。
第１図（Ａ）および（Ｂ）はこの発明の実施例である振
動子ユニットを構成する圧電振動子および金属板を表す
斜視図である。第２図は同振動子ユニットの斜視図、第
３図は同振動子ユニットを用いた超音波送受波器の構成
例を示す断面図である。第４図〜第７図はこの発明の詳
細な説明するための図であり、第４図は振動系の一単位
を表す図、第５図（Ａ）、 （Ｂ）は金属板の有無に
よるインピーダンス特性の違いを表す図、第６図（Ａ）
、（Ｂ）は金属板の有無によるインパルス応答波形の周
波数スペクトラムの違いを表す図、第７図（Ａ）〜（Ｃ
）は人力信号とその応答波形の例を表す図である。第８
図（Ａ）、 （Ｂ’）は他の実施例に係る振動子ユニ
ットの側面図である。また１工 、第９図は従来の振動子ユニットの構成例を表す断面図
である。 圧電振動子、 金属板、 溝。
動子ユニットを構成する圧電振動子および金属板を表す
斜視図である。第２図は同振動子ユニットの斜視図、第
３図は同振動子ユニットを用いた超音波送受波器の構成
例を示す断面図である。第４図〜第７図はこの発明の詳
細な説明するための図であり、第４図は振動系の一単位
を表す図、第５図（Ａ）、 （Ｂ）は金属板の有無に
よるインピーダンス特性の違いを表す図、第６図（Ａ）
、（Ｂ）は金属板の有無によるインパルス応答波形の周
波数スペクトラムの違いを表す図、第７図（Ａ）〜（Ｃ
）は人力信号とその応答波形の例を表す図である。第８
図（Ａ）、 （Ｂ’）は他の実施例に係る振動子ユニ
ットの側面図である。また１工 、第９図は従来の振動子ユニットの構成例を表す断面図
である。 圧電振動子、 金属板、 溝。
Claims (1)
- （１）一定深さの交差する複数本の溝を形成した金属板
に圧電振動子を接着してなり、広がり方向における振動
モードの基本共振周波数を厚み振動モードの基本共振周
波数より高く設定したことを特徴とする振動子ユニット
。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1250312A JPH03112300A (ja) | 1989-09-26 | 1989-09-26 | 振動子ユニット |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1250312A JPH03112300A (ja) | 1989-09-26 | 1989-09-26 | 振動子ユニット |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03112300A true JPH03112300A (ja) | 1991-05-13 |
Family
ID=17206038
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1250312A Pending JPH03112300A (ja) | 1989-09-26 | 1989-09-26 | 振動子ユニット |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH03112300A (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1997021985A1 (en) * | 1995-12-13 | 1997-06-19 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Ultrasonic flowmeter and ultrasonic generator/detector |
| JP2007315791A (ja) * | 2006-05-23 | 2007-12-06 | Honda Electronic Co Ltd | 水中超音波利用装置付き船舶、水中超音波利用装置、これに用いる超音波振動子、及び波長整合体 |
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1989
- 1989-09-26 JP JP1250312A patent/JPH03112300A/ja active Pending
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