JPH04128498U - 超音波送受波器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 送信電力を大きくすると共に受信感度を向上
させ、かつ音響インピーダンスの整合性を確保する。 【構成】 緻密なＰＺＴから形成される超音波振動子１
０を送波用に用い、多孔質のＰＺＴまたはＰＶＤＦ等の
有機圧電材料から形成される超音波振動子２０を受波用
に用いる。超音波振動子２０の厚さはλ／４であり、イ
ンピーダンスは振動子１０と水との音響的整合が確保さ
れるよう設定される。送波時には振動子２０が整合層と
して機能するため、水との音響インピーダンス的な整合
が確保された良好な送信動作を得ることができると共
に、振動子１０が緻密なＰＺＴから形成されるため送信
電力を大きくとることができる。受波時には、ｇ定数が
大きい材料から形成された振動子２０により受波を行う
ため、受信感度を確保できる。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は、魚群探知機等に使用され、水中で使用される超音波送受波器に関す る。

【０００２】

【従来の技術】

従来から、超音波送受波器は魚群探知等の装置において用いられている。魚群 探知機は、水中に超音波を送波し、魚群等の反射体から反射される超音波を受波 することにより、魚群等に係る情報を獲得する装置である。すなわち、反射波か ら魚群の距離、規模等の情報を得る装置である。

【０００３】 従って、このような魚群探知機等の装置においては超音波送受波器が必須の構 成部品である。超音波送受波器は、電圧の印加に応じて超音波を水中に送波し、 逆に水中から供給される反射波を受波して電気信号に変換する装置である。超音 波送受波器は、通常、ＰＺＴ等の圧電材料から形成される超音波振動子をもって 構成される。

【０００４】 図２には、一従来例に係る超音波送受波器の構成が示されている。この図に示 される超音波送受波器は、ＰＺＴから形成される超音波振動子１０の表面に銀等 の電極１０を被着し、この電極１２に信号ケーブル１４及び１６を半田付け等に より接着した構成である。振動子１０は、遮音体１８によって輻射方向以外が覆 われている。遮音体１８は、振動子１０にて発生した超音波を水中に送波する際 の放射効率を高める機能を有している。

【０００５】 この従来例においては、信号ケーブル１４と１６の間に送信機から所定の送信 電圧を印加することにより振動子１０が励振され、その結果、水中に図の矢印方 向の超音波が送波される。水中には、例えば魚群探知機であれば魚群等の反射体 が存在しており、反射体からの反射波が再び振動子１０により受波されると信号 ケーブル１４と１６の間には受信電圧が生ずる。この受信電圧は受信機に供給さ れ、魚群の規模、距離の演算等に用いられる。

【０００６】

【考案が解決しようとする課題】

しかしながら、このような構成を採用する場合、振動子と水との間に整合層を 設ける必要がある。通常、振動子は、ＰＺＴから形成されるため、３５×１０⁶ ｋｇ／ｍ² ｓの音響インピーダンスを有している。一方、水は、１．５×１０⁶ ｋｇ／ｍ² ｓの音響インピーダンスを有している。このように、両者の音響イン ピーダンスが著しく異なる値を有しているため、通常、音響的整合を確保し反射 を少なくするための整合層が用いられる。整合層としては、両者の中間の音響イ ンピーダンスを有するウレタン樹脂等が用いられる。

【０００７】 一方、振動子として用いられるＰＺＴ等の圧電材料は、通常、非有孔材料であ る。すなわち、空孔を有しないよう緻密に焼成されたＰｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ₃ ； ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ），ＰｂＴｉＯ₃ ；チタン酸バリウム，ＰｂＴｉ Ｏ₃ ；チタン酸鉛等である。このような材料を用いた場合、機械的強度に優れ機 械的な歪みが生じた場合にも破壊が生じ難いため、送信時に注入する電力（送信 電力）を大きくとることができる。しかし、加わる力１Ｎ当りの発生電荷量を表 すｇ定数が小さいため、受信感度は低い。

【０００８】 このような問題点のうち、受信感度についての問題は、よりｇ定数の大きい多 孔質圧電材料を用いることで解決できる。このような圧電材料としては、本願出 願人が先に提案している特開平１−１７２２８１号公報に記載のものがある。こ の材料は、受信感度が優れる他、音響インピーダンスが４〜２０×１０⁶ ｋｇ／ ｍ² ｓと低いため、水との音響的整合性が良い。しかし、空孔を有しているため 機械的強度が弱く、送信電力を大きくとることができないという問題点がある。 本考案は、このような問題点を解決することを課題としてなされたものであり 、送信電力を大きくとることができ、受信感度が高く、かつ水等の超音波伝搬媒 体との音響整合性が良い超音波送受波器を得ることを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】

このような目的を達成するために、本考案は、音響インピーダンスＺ1 を有し 超音波を電気信号に変換する厚みλ／４（λ：波長）の受波用超音波振動子と、 音響インピーダンスＺ2 を有し電圧の印加により超音波を発生させる送波用超音 波振動子と、を備え、Ｚ1 ＝（Ｚ0 ・Ｚ2 ）^1/2 （Ｚ0 ：超音波伝搬媒体の音響 インピーダンス）であり、送波時には受波用超音波振動子を整合層として送波用 超音波振動子により超音波を送波し、受波時には受波用超音波振動子により超音 波を受波することを特徴とする。

【００１０】 さらに、請求項２は、受波用超音波振動子が、空孔率５乃至９０％、空孔径１ 乃至１００μｍの多孔質圧電材料から形成されることを特徴とする。

【００１１】 請求項３は、受波用超音波振動子が、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ₃ 、ＢａＴｉＯ₃ 又はＰｂＴｉＯ₃ を含む材料から形成されることを特徴とする。

【００１２】 請求項４は、受波用超音波振動子が、有機圧電材料から形成されることを特徴 とする。

【００１３】 そして、請求項５は、超音波送受波器を形成する有機圧電材料が、ＰＶＤＦ： ポリフッ化ビニリデン、ＰＶＤＦ共重合体、Ｐ（ＶＤＦ／ＴｒＦＥ）：フッ化ビ ニリデンと３フッ化エチレンの共重合体又はＰ（ＶＤＣＮ／ＶＡｃ）：シアン化 ビニリデンと酢酸ビニルの共重合体から形成されることを特徴とする。

【００１４】

【作用】

本考案においては、送波時には、受波用超音波振動子がいわゆるλ／４整合層 として機能する。すなわち、受波用超音波振動子により音響インピーダンス的な 整合が確保されつつ、機械的強度が強く送信電力を大きくとれる送波用超音波振 動子による送波が実行される。また、受波時には、送波時において整合層として 機能した受波用超音波振動子により直接超音波が受波される。

【００１５】 請求項２においては、受波用超音波振動子材料として多孔質圧電材料が採用さ れる。また、請求項３においては、この多孔質圧電材の基材としてＰＺＴ等の材 料が設定される。同様に、請求項４においては受波用超音波振動子を形成する材 料として有機圧電材料が採用され、請求項５においてはＰＶＤＦ等が設定される 。これらの材料は、請求項１に係る作用を実現し得る材料であるとともに、ｇ定 数が大きいため受信感度が確保される。

【００１６】

【実施例】

以下、本考案の好適な実施例について図面に基づき説明する。なお、図２に示 される従来例と同様の構成には同一の符号を付し、説明を省略する。

【００１７】 図１には、本考案の一実施例に係る超音波送受波器の構成が示されている。こ の図に示される超音波送受波器は、ＰＺＴ等の圧電材料を基材として緻密に焼成 されることにより形成される超音波振動子１０を備えている。この超音波振動子 １０の上下面にはそれぞれ銀等の電極１２が被着形成されており、電極１２には それぞれ信号ケーブル１４及び１６が半田付けされている。

【００１８】 また、この実施例においては、上に述べた振動子１０の他、もう１個の超音波 振動子２０が用いられている。超音波振動子２０は、超音波振動子１０と同様に ＰＺＴ等の圧電材料から形成されるが、緻密ではなく多孔質の振動子である。す なわち、メタクリル樹脂から形成される微小な球体を所定の率でＰＺＴに混入し 、加圧成形、焼成することにより形成される。焼成の過程において、メタクリル 樹脂が焼失することにより、内部に例えば１００μｍ程度の空孔が形成される。 超音波振動子の２０の表面には銀等の電極２２が被着形成されており、電極２２ のうち下側の電極２２はエポキシ樹脂２４によって振動子１０の電極１２と被着 される。この実施例において用いられるエポキシ樹脂２４は導電性を有しており 、この結果、エポキシ樹脂２４により接着された電極１２と２２は信号ケーブル １４に係る共通電極として機能することになる。なお、信号ケーブル１４の半田 付けのため、本実施例では図示しないが、対応部分に電極１２及び２２を端面印 刷しているが、これは箔サンドであってもよい。また、上側の電極２２には、信 号ケーブル２４が半田付けされており、これら振動子１０及び２０によって一体 の振動子構造２６が形成される。振動子２６の構造は、従来例と同様、遮音体１ ８によって被覆されている。

【００１９】 この実施例において、超音波を水中に送波しようとする場合、信号ケーブル１ ４と１６の間に送信機から所定の送信電圧を印加する。すると、振動子１０が励 振され、この励振によって生じた超音波が振動子２０を介して水中に送波される こととなる。振動子２０は、この実施例においては、λ／４（λ：波長）の厚み を有しており、さらに音響インピーダンスＺ1 （＝Ｚ0 ・Ｚ2 ）^1/2 の値を有し ている。ここに、Ｚ0 は水の音響インピーダンスであり１．５×１０⁶ ｋｇ／ｍ² ｓの値を有し、Ｚ2 は超音波振動子１０の音響インピーダンスであり３５×１ ０⁶ ｋｇ／ｍ² ｓの値を有している。従って、振動子２０は、送波時には整合層 として機能することになる。すなわち、ウレタン樹脂等の整合層を設けずとも、 界面で生ずる反射が軽減され、より効率の良い送波が実現されることとなる。ま た、送波に係る振動子である振動子１０が緻密なＰＺＴから形成されているため 、比較的大きな送信電流を注入することができる。

【００２０】 逆に、水中に存在する反射体からの反射波を受波する場合、超音波振動子２０ がこれを受波して信号ケーブル１４及び２４から受信機に供給する。超音波振動 子２０は空孔を有するＰＺＴから形成されているため、ｇ定数が大きく、従って 受信感度が良好である。空孔材料は機械的強度が比較的弱いが、送信は振動子１ ０によって行われるため、送信電力が多大なことによる振動子２０の破壊は防止 される。

【００２１】 この実施例において、先に述べた音響インピーダンスＺ1 及びＺ2 の関係を実 現するためには、振動子２０を形成する材料の空孔率を例えば３０％とすれば良 い。このように設定すると、振動子２０の音響インピーダンスＺ1 は７ｋｇ／ｍ² ｓになるため、先の式を満たす値５×１０⁶ ｋｇ／ｍ² ｓに接近し、水との整 合が確保されることとなる。また、この場合、ｇ定数は緻密に焼成したＰＺＴに 比べ２．２倍となり、良好な受信感度が確保されることとなる。但し、空孔率や 空孔径は、それぞれ４〜９０％，１〜１００μｍの範囲から任意に設定できる。 以上の説明においては、振動子２０として空孔を有するＰＺＴから形成された ものを仮定したが、振動子２０を形成する材料としては、ＰＶＤＦ等の有機圧電 材料であっても良い。ＰＶＤＦを用いる場合、その音響インピーダンスＺ1 は４ ×１０⁶ ｋｇ／ｍ² ｓであり、緻密なＰＺＴに比べ低く水に近いため、水との整 合性がやはり確保される。また、ｇ定数も、緻密なＰＺＴが２．５×１０^-2ｍＶ ／Ｎであるのに比べ、ＰＶＤＦは１６×１０^-2ｍＶ／Ｎであり十分大きい。従っ て、受信感度がやはり確保される。

【００２２】 振動子１０を形成する材料や振動子２０の基材として圧電セラミクス材料を用 いる場合、ＰＺＴ以外の材料であっても良い。例えば、チタン酸バリウム、チタ ン酸鉛などの材料をも用いることができる。さらに、振動子２０を形成する材料 としてＰＺＴ及びＰＶＤＦを示したが、これ以外の材料であっても良い。例えば 、チタン酸バリウム、チタン酸鉛を基材とした多孔質圧電材料であっても良く、 ＰＶＤＦ共重合体、フッ化ビニリデンと３フッ化エチレンの共重合体、シアン化 ビニリデンと酢酸ビニルの共重合体等の有機圧電材料であっても良い。これらの 材料であっても、同様の効果を得ることができる。

【００２３】

【考案の効果】

以上説明したように、本考案によれば、送波時においては受波用超音波振動子 を整合層として用い、受波時においては受波用超音波振動子により受波を行うよ うにしたため、水等の超音波伝搬媒体との音響的整合性を確保することができる 。さらには、送波用超音波振動子として緻密なＰＺＴ等の材料から形成された振 動子を用いることができ、送信電力を大きくすることができる。受波用超音波振 動子として受信感度の高い多孔質圧電材料や有機圧電材料等から形成された振動 子を用いることにより受波感度を高めることが可能となる。

【００２４】 請求項２によれば、受波用超音波振動子が多孔質圧電材料から形成されるため 、ｇ定数を大きくすることによる受信感度の向上の効果を得ることができる。

【００２５】 請求項３によれば、かかる効果をＰＺＴ等の基材を用いつつ簡易に実現できる 。

【００２６】 請求項４によれば、受波用超音波振動子を有機圧電材料から形成するようにし たため、加工容易な材料から前述の効果を有する受波用超音波振動子を実現する ことができる。

【００２７】 さらに、請求項５によれば、かかる材料として比較的広範に知られているＰＶ ＤＦ等により簡易に当該効果を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の一実施例に係る超音波送受波器の構成
を示す断面図である。

【図２】一従来例に係る超音波送受波器の構成を示す断
面図である。

【符号の説明】

１０，２０ 超音波振動子 １２，２２ 電極 １４，１６，２４ 電極 １８ 遮音体 ２６ 振動子構造

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)考案者 熊本 進 東京都三鷹市下連雀五丁目１番１号 日本 無線株式会社内

Claims (5)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】音響インピーダンスＺ1 を有し超音波を電
   気信号に変換する厚みλ／４（λ：波長）の受波用超音
   波振動子と、音響インピーダンスＺ2 を有し電圧の印加
   により超音波を発生させる送波用超音波振動子と、を備
   え、Ｚ1 ＝（Ｚ0 ・Ｚ2 ）^1/2 （Ｚ0 ：超音波伝搬媒体
   の音響インピーダンス）であり、送波時には受波用超音
   波振動子を整合層として送波用超音波振動子により超音
   波を送波し、受波時には受波用超音波振動子により超音
   波を受波することを特徴とする超音波送受波器。
2. 【請求項２】請求項１記載の超音波送受波器において、
   受波用超音波振動子が、空孔率５乃至９０％、空孔径１
   乃至１００μｍの多孔質圧電材料から形成されることを
   特徴とする超音波送受波器。
3. 【請求項３】請求項２記載の超音波送受波器において、
   受波用超音波振動子が、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ₃ 、Ｂａ
   ＴｉＯ₃ 又はＰｂＴｉＯ₃ を含む材料から形成されるこ
   とを特徴とする超音波送受波器。
4. 【請求項４】請求項１記載の超音波送受波器において、
   受波用超音波振動子が、有機圧電材料から形成されるこ
   とを特徴とする超音波送受波器。
5. 【請求項５】請求項４記載の超音波送受波器において、
   有機圧電材料が、ＰＶＤＦ、ＰＶＤＦ共重合体、Ｐ（Ｖ
   ＤＦ／ＴｒＦＥ）又はＰ（ＶＤＣＮ／ＶＡｃ）から形成
   されることを特徴とする超音波送受波器。