JPH0463348B2

JPH0463348B2 -

Info

Publication number: JPH0463348B2
Application number: JP62111492A
Authority: JP
Inventors: Ichizo Ito; Hiroshi Oowada
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 1987-05-07
Filing date: 1987-05-07
Publication date: 1992-10-09
Also published as: JPS63275974A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、超音波を空中に送受信する超音波距
離計の送受波器に関するものである。

更に詳述すれば、本発明は超音波距離計の送受
波器の特性の向上に関するものである。

（従来の技術）第７図は従来より一般に使用されている従来例
の構成説明図である。

図において、１ａはセラミツクス系よりなる円
筒状の圧電振動子である。２ａは音響マツチング
層を兼ねたプラスチツク製のケースである。３ａ
は圧電振動子１ａの制動のためのダンピング材で
ある。４ａは圧電振動子１ａより超音波の送・受
信音の方向変換を行い指向性をもたすための反射
傘である。

以上の構成において、 (1) 超音波の送信の場合圧電振動子１ａに電気パルスを印加すると、圧
電振動子１ａは半径方向に呼吸振動を起し、外周
部の法線方向の空気中に向つて超音波を発生す
る。この超音波は、反射傘４ａにより進行方向を
変換され第８図に示すようなドーナツ状のビーム
となつて第７図の下方に進行する。

(2) 超音波の受信の場合第７図の下方から入射してきた超音波は、反射
傘４ａにより収束されて、ケース２ａを通過し
て、圧電振動子１ａの外周部に応力を与える。圧
電振動子１ａは、加えられた応力に応じて、電極
間に電界を発生する。

（発明が解決しようとする問題点）このような原理に基づく超音波送受信器の具体
的用途として、距離計あるいはレベル計等があ
る。このようなものにおいては、以下の特性が要
求される。

(1) 高ダンピング特性超音波距離計は対象に向かつて超音波を放射
し、反射して帰つてくるまでの時間ｔを測定する
ことにより対象までの距離Ｌを求める計器であ
る。ここに、Ｌ＝１／２ct (1) ｃ；伝搬媒体中の音速しかし、セラミツクス系の圧電振動子１ａは、
一般に大きな慣性を持つため、第９図Ａに示す電
気駆動パルスａがなくなつたあとにも、第９図Ｂ
に示すように、減衰性の振動ｂが続く、これを、
残留振動ｂと言うことにすると、測定対象までの
距離が短い場合には、第９図Ｃに示す如く、残留
振動ｂが残つている間に、反射波ｃが到達してし
まい、両者の分離・判別が不可能になることがあ
る。すなわち、至近距離の測定が困難となる。

逆に、測定対象までの距離が長い場合には、第
９図Ｄに示す如く、反射波振幅が、きわめて小さ
くなるので、受信電圧を電気的に大きく増幅する
必要が生ずる。この際、同時に残留振動ｂによる
起電力も増幅するため、残留振動ｂの方をまちが
つて検出しないためには、残留振動ｂの振幅が、
反射波ｃの振幅よりも小さくなる時点まで、反射
波ｃの検出禁止領域（不感帯）ｅを、第９図Ｅに
示す如く、設けておく必要がある。

以上の事から、遠距離を測定しようとすれば、
近距離の測定が不可能になり、一方、近距離まで
測定できるようにする（不感帯を短くする）と、
反射の小さい遠距離の測定が困難になるという問
題が生ずる。

この事態を避けるために、一般には、第７図に
示すダンピング材３ａにより、圧電振動子１ａに
制動をかける方法がとられているが、この方法に
は、次の２つの問題が存在している。

広い温度範囲において、満足すべき、あるい
は適切な制動効果を有するダンピング材の選定
がきわめて難かしい。すなわち、多くの粘性物
質は、温度によりその物性が大きく変化するた
め、現実には、低温から高温まで必要十分な制
動特性の得られるダンピング材がなかなか見出
せない。

ダンピング材により制動を加えることは、振
動を抑制することを意味し、送信時の発生音圧
の減少につながる。

(2) 高い効率の送受信特性省エネルギー、安全性等の面から低電力で音の
送受信を行えることが望ましい。

しかし、第７図従来例に示す送受波器は、以下
の２つの問題を有する。

ダンピング材３ａにより制動を加えているた
め、所望の振動子振動振幅を得るためには、圧
電振動子１ａ単体の場合よりかなり大きな駆動
電力、たとえば10倍、電圧で表現すると1kV程
度を与える必要がある。

圧電振動子１ａの音響インピーダンス（ρc：
ρ：密度、ｃ：音速）は空気の音響インピーダ
ンスより約５桁大きいため、圧電振動子１ａが
振動しても、空気中に伝わるエネルギーはきわ
めてわずかである。これを改善するために、音
響マツチング層として圧電振動子１ａより音響
的に軟らかい（音響インピーダンスρcの小さ
い）プラスチツクよりなるケース２ａを介して
空気中に音を放出することが行われている。ま
た、このプラスチツク層２ａの厚さは1/4波長
の時が、エネルギーの伝搬効率が最大となる。
しかし、温度変化によりプラスチツクの音速が
変化すると、等価的なプラスチツク層厚さが1/
４波長からずれることになり、音の伝搬効率が
悪化する。結局、マツチング層２ａの存在は、
送受信特性の温度変化となつてあらわれる。

(2) シンプルな構造以上述べたように、第７図従来例の送受波器
は、その特性を理想的なものに近づけるために、
圧電振動子１ａ以外に、ダンピング材３ａ、音響
マツチング層２ａというような付随する要素を必
要とし、その結果、逆に、温度変化等に対してこ
れらの要素により特性が大きく影響を受ける結果
となつている。

理想的には、これらの余分な要素はないことが
望ましい。

本発明は、これらの問題点を解決するものであ
る。

本発明の目的は、シンプルな構造で、高ダンピ
ング特性を有し、効率が良好な超音波送受波器を
提供するにある。

（問題点を解決するための手段）この目的を達成するために、本発明は、円柱状
の保持体と、該保持体の周面の両端部を残してリ
ング状に設けられた１個の凹部と、前記保持体の
外周面を覆つて設けられ前記凹部が形成された部
分以外の該保持体の周面に接する部分が固定され
該凹部に対向する部分が該凹部とリング状の室を
構成する筒状の高分子圧電膜と、高分子圧電膜の
外周面と内周面とにそれぞれ設けられた電極板
と、前記保持体の一端に頭部側が取り付けられ送
受信する超音波に前記保持体の軸方向の指向性を
付与する円錐状の反射傘と、前記保持体に設けら
れ一端が前記室に開口し他端が外部に開口する均
圧孔とを具備してなる超音波距離計の送受波器を
構成した。

（作用）以上の構成において、高分子圧電膜に電気パル
スを印加すると、高分子圧電膜は、半径方向に呼
吸振動を起す。この呼吸振動によつて発生された
超音波は、反射傘により進行方向を変換され、ド
ーナツ状のビームとなつて進行する。

一方、高分子圧電膜に外部から圧力が加われ
ば、高分子圧電膜１の伸縮が生じ、電極間に電圧
を発生する。

以下、実施例に基づき、詳細に説明する。

（実施例）第１図は、本発明の一実施例の構成説明図であ
る。

図において、１は円筒状の高分子圧電膜であ
る。高分子圧電膜１は、第２図に示す如く、円周
方向αに延伸した後、第３図に示す如く、円筒状
に形成される。この場合は、ポリフツ化ビニリデ
ン（PVDF）が用いられている。１１，１２は高
分子圧電膜１の両面に設けられた電極である。１
１１，１２１は電極１１，１２にそれぞれ一端が
取付けられたリード線である。２は高分子圧電膜
１を、その呼吸振動をできるだけ阻害しないよう
に、上下端面において保持する円柱状の保持体で
ある。保持体２は、耐候性等に優れたプラスチツ
ク、例えば、テフロン、塩化ビニール等が用いら
れている。２１はは保持体２の周面に設けられ、
高分子圧電膜１と室３を構成する凹部である。４
は高分子圧電膜１の一端に頭部側が取付けられ、
送受信する超音波に指向性を付与する円錐状の反
射傘である。５は保持体２に設けられ室３と外部
とを連通する均圧孔である。

以上の構成において、高分子圧電膜１に電気パ
ルスを印加すると、高分子圧電膜１は延伸方向α
に伸縮するが、高分子圧電膜１は円筒状に形成さ
れているので、半径方向の呼吸振動に変換され
る。この呼吸振動によつて発生された超音波は、
反射傘４により進行方向を変換され、ドーナツ状
のビームとなつて第１図の下方に進行する。

一方、高分子圧電膜１に外部から圧力が加われ
ば、高分子圧電膜１の伸縮が生じ、電極１１，１
２間に電圧を発生する。

すなわち、第１図に示した送受波器は、第７図
従来例と同様の動作を行う。

高分子圧電膜１は、 (1) 音響インピーダンスが小さく、水、空気等と
のマツチングがとりやすい。

(2) 内部でのエネルギー減衰が大きく、継続時間
の短いパルスの送受信ができる。

(3) 可撓性があるため薄膜への製造・加工が容易
である。

という特徴を有する。

これらの特徴を生かし、第１図に示したよう
に、膜の長さ方向の振動を半径方向の振動に変換
して使用する。

この時の膜の共振周波数f₀は、膜の曲率半径を
Ｒ、弾性率をC^E、密度をρで示せば、(2)式とな
る。

よつて、今仮りに、C^E＝113×10⁹（Ｎ／m²）、ρ＝
1.8×10³（Kg／m³）とすれば、第１図において、
保持体２の半径を10mmとすることにより、約40k
Hzの超音波の送受信が可能となる。

以下、高分子圧電膜１利用による利点を、セラ
ミツクス系の圧電振動子との比較において、具体
的に説明する。

(1) 送信の場合空気中に放射される音圧の絶対値は、振動
源の周波数および放射面積が同一なら振動源
の速度ｖに比例する。この速度ｖは、周波数
一定なら振動源の平面図にＸに比例するか
ら、高分子圧電膜１に加える電圧Ｖと変位Ｘ
の変換効率について考えてみる。

高分子圧電膜１の両側に設けられた電極１
１，１２間にＶなる電圧を加えたとすると、
高分子圧電膜１の延伸方向すなわち円筒の外
周の伸びΔlは次式により算出できる。

―Δl／ｌ―＝―Ｓ―＝d₃₁Ｅ＝ｄ・Ｖ／ｔ (3) ここに、ｌは高分子圧電膜１の長さ（＝
2πr：ｒ＝半径）、ｔは高分子圧電膜１の厚
さ、d₃₁は圧伝歪定数である。

(3)式より、Δlは、圧電歪定数d₃₁が大きい
程、厚さｔが小さい程、大きな値となること
がわかる。Δlが大きい程、高分子圧電膜１
の呼吸振動の振幅Ｘも大きくなる。

高分子圧電膜１の圧電歪定数d₃₁の値は、
一般に、セラミツクス系の圧電振動子１ａ、
たとえば、PZTの圧電歪定数d₃₁より一桁程
小さいが、逆に板厚ｔは、きわめて小さなも
のを作ることが可能である。結局、総合的
に、PZTよりも数倍効率よく、大きなΔl／
ｌを得ることができる。

一例をあげると、高分子圧電膜１の圧電歪
定数d₃₁＝10×10^-12（Ｃ／Ｎ）、厚さｔ＝
40μm，PZTの圧電歪定数d₃₁＝100×10^-12
（Ｃ／Ｎ）、厚さｔ＝２mmとすると、Δl／ｌ
の値は（圧電膜／PZT）＝５となる。

すなわち、セラミツクス系の圧電振動子
は、衝撃に弱い所から、10μmオーダーの厚
さの円筒膜を作ることは不可能であるのに対
して、高分子圧電膜１は、きわめて薄くする
ことができるので、圧電歪定数d₃₁が小さい
ことを補償することができる。

高分子圧電膜１は、高分子であるために、
内部におけるエネルギーの減衰が大きい。こ
れは振動の高ダンピング効果となつてあらわ
れ、従来例の超音波送受波器のように、特別
なダンピング材３ａにより制動を加える必要
がない。

このことは、さらに、ダンピング材３ａに
よる振動振幅の減少（従来例では、たとえば
約１／10以下に減少していた。）を避けることができる。前記項における効率の差を考え合
わせると、同じ電圧Ｖを印加した場合に得ら
れる振幅Ｘの値は、従来例の数10倍〜数100
倍もの大きさに達する。

一方、振動子から空気中へのエネルギーの
透過率ＴはＴ＝4Z₁Z₂／（Z₁＋Z₂）² (4) Z₁；振動子の音響インピーダンス Z₂；空気の音響インピーダンスで示される。

高分子圧電膜のZ₁３×10⁶（NS／m³）、
PZTのZ₁30×10⁶（NS／m³）、空気のZ₂
400（NS／m³）をあてはめると、 T₁／T₂＝0.53×10^-3／0.053×10^-3＝10 T₁；高分子圧電膜と空気との透過率 T₂；PZTと空気との透過率 PZTを使用する従来例では、この透過率
の低さを改善するために、音響マツチング層
２ａを使用しているが、高分子圧電膜では、
特にそのような手段を用いなくても、比較的
良い効率で伝搬が可能となる。

(2) 受信の場合受信時に外部から加わつた力Ｆ（方向
は高分子圧電膜１の延伸方向）により、高分
子圧電膜１の両面間に発生する開放端電圧Ｖ
は、次式により示される。

―Ｅ―＝―Ｖ／ｔ―＝g₃₁・ρ＝g₃₁・
Ｆ／ｌ・ｔ ∴ ―Ｖ―＝g₃₁・Ｆ／ｌ (5) ρ；応力 g₃₁；電圧出力定数高分子圧電膜１の電圧出力定数g₃₁の値は、
セラミツクス系、たとえば、PZTの電圧出
力定数g₃₁の約10〜20倍の値を持つから、同
じ力Ｆでも、大きな―Ｖ―が得られる。

送信の場合の項で述べたダンピング材有無
の効果は、受信時にも成立するから、総合的
に受信時にも数10〜200倍以上の効率アツプ
が可能となる。

以上の結果、本発明装置によれば従来のセラミ
ツクス系振動子を使用した方法と同等以上の機能
および送受信効率を、1/1000以下の消費パワーで
実現できる。

次に、試作した送受波器の特性を具体例をあげ
て説明する。

保持体２の半径を10mm、高さを30mmとして、
50μmの厚さの高分子圧電膜１が上端下端部をそ
れぞれ２mm幅で保持体２に貼り合せ支持された装
置において、反射傘４の前面800mmの距離におけ
る送信および受信感度は以下の値が得られた。

送信；120dB（0dB＝２×10^-4μbar）受信；−30dB（0dB＝1V／μbar）これは、第７図従来例の送受波器と比較して、
送受信合計で500〜1000倍の特性向上を示すもの
である。

なお、送信感度の測定においては、駆動回路の
駆動電圧を10Vp−ｐとし、高分子圧電膜１のキ
ヤパシタンス成分による無効成分を消すために、
適切なインダクタンスで、両者の整合をとつてい
る。

また、高分子圧電膜１の厚さは、上記具体例で
は、50μmとしたが、この厚さがあまり薄いと、
円筒状にした場合、送受信に必要な自己の張力を
維持できない。また、製作も困難となる等の問題
が生じ、一方、あまり厚いと、前記(3)式により、
送信感度が減少するという問題が生じる。

使用可能な現実的な値としては、25〜10μmが
適切である。

また、第１図実施例において、高分子圧電膜１
の固定を、上下端面のみとしたのは、高分子圧電
膜１の呼吸振動を、できるだけ束縛しないように
考慮したためであつて、他の個所に束縛点（固定
点）を設けると、送受信感度が急激に減少する。
すなわち、たとえば、第４図に示す如く、高分子
圧電膜１の側面の一部１３を束縛するのみで、送
受信感度は、それぞれ、送信；115dB 受信；−35dB に減少する。

すなわち、高分子圧電膜１の上下端のみを保持
体２に固定する事により感度の高いものが得られ
る。

第５図は第１図の構成において、均圧孔５の有
無による送受信総合感度の比較を行つたグラフで
ある。は均圧孔５がない場合、は均圧孔５が
ある場合を示す。

周囲圧力の変化により、圧力が増大した場合、
均圧孔５がない場合には、圧力の増加に伴つて感
度が急激に減少するのに対し、均圧孔５がある場
合には、感度の減少は生じていない。

第６図は、送受波器の前方３ｍにおける反射傘
４からの反射音の大きさを示した指向性をあらわ
す。

反射傘４の効果により、半減角４以内の鋭い指
向性が得られ、距離計、あるいはレベル計として
理想的な特性を実現できる。

この結果 (1) 高分子圧電膜１自身の内部減衰が大きいた
め、ダンピング材を使用しなくても、高ダン
ピング特性の超音波の送受信が可能となる。

(2) ダンピング材を使用しないため、それによる
エネルギー損失がなく、高い効率の送受信が可
能となる。

(3) 高分子圧電膜１の音響インピーダンスは、セ
ラミツクス系振動子の音響インピーダンスより
一桁小さいので、空気中への音の送受信効率が
良い。

(4) 高分子圧電膜１の厚さは、薄くすることがで
きるので、送信時には電界強度を大きくでき、
送信効率（高分子圧電膜１の変位量）が増大で
きる。

また、受信時には、この薄さは出力に影響を
及ぼさない。一方、高分子圧電膜１自身の有す
る高い電圧出力定数g₃₁によつて、高い開放端
電圧が得られる。

すなわち、送受信効率とも、大きな向上が可
能となる。

(5) ダンピング材、音響マツチング層等を用いる
必要がないため、これらの物性変化に起因する
温度特性の変化を避けることができる。

(6) したがつて、第７図従来例に比して、高性能
をきわめて低消費パワーで実現可能である。

(7) 高分子圧電膜１の固定を上下端面のみに限定
したため、束縛のない、自由な呼吸振動が得ら
れ、その結果、大きな送受信感度が得られる。

(8) 均圧孔５を有することにより、感度が周囲圧
力の影響を受けない送受波器を実現できる。

(9) 反射傘４を使用することにより、距離計用と
して最適な良好な指向性をもつた送受波器を実
現できる。

保持体に一個の凹部を設けて、複数の凹部を
設けた場合に生ずる製造上の複雑さを避け、限
られた超音波距離計の送受波器の寸法内で、超
音波距離計の送受波器の感度を出来るだけ高く
するようにしたものである。

すなわち、製造コストを安価にし、かつ、高分
子圧電膜の最大感度を出来るだけ発揮出来る様に
したものである。

なお、前述の実施例において、保持体２はプラ
スチツク材よりなると説明したが、ステンレス等
の金属とし、これを高分子圧電膜１の内側電極か
らの電極引き出し部（リード部）として兼用して
もよいことは勿論である。

また、保持体２の材質を、アルミナ等のセラミ
ツクスとすれば複雑な形状を一体焼成することが
可能で追加工を最小限におさえることができて、
製造原価を下げることができる。

また、セラミツクスは、耐候、耐薬品性にすぐ
れているという特徴も有している。

また、セラミツクス表面に金属コーテイング
（メタライジング）を施せば、これを内側電極の
引き出し部として利用できるという利点を付加で
きる。

なお、前述の実施例においては、高分子圧電膜
１はポリフツ化ビニリデン（PVDE）からなると
説明したが、これに限ることはなく、たとえば、
フツ化ビニリデンとトリフルオロエチレンの共重
合体（Ｐ（VDF−TrFE））、または、シアノビニ
リデンと酢酸ビニルの交互共重合体（Ｐ（VDCN
−VAC））でもよく、要するに、良好な圧電性を
示すものであればよい。これらの材料において
は、延伸操作は必らずしも必要ではなく、高電圧
印加による分極操作のみでもよい。

（発明の効果）以上説明したように、本発明は、円柱状の保持
体と、該保持体の周面の両端部を残してリング状
に設けられた１個の凹部と、前記保持体の外周面
を覆つて設けられ前記凹部が形成された部分以外
の該保持体の周面に接する部分が固定され該凹部
に対向する部分が該凹部とリング状の室を構成す
る筒状の高分子圧電膜と、高分子圧電膜の外周面
と内周面とにそれぞれ設けられた電極板と、前記
保持体の一端に頭部側が取り付けられ送受信する
超音波に前記保持体の軸方向の指向性を付与する
円錐状の反射傘と、前記保持体に設けられ一端が
前記室に開口し他端が外部に開口する均圧孔とを
具備してなる超音波距離計の送受波器を構成し
た。

この結果、(1)高分子圧電膜自身の内部減衰が大
きいため、ダンピング材を使用しなくても、高ダ
ンピング特性の超音波の送受信が可能となる。(2)
ダンピング材を使用しないため、それによるエネ
ルギー損失がなく、高い効率の送受信が可能とな
る。(3)高分子圧電膜１の音響インピーダンスは、
セラミツクス系振動子の音響インピーダンスより
一桁小さいので、空気中への音の送受信効率が良
い。(4)高分子圧電膜の厚さは、薄くすることがで
きるので、送信時には電界強度を大きくでき、送
信効率（高分子圧電膜の変位量）が増大できる。
また、受信時には、この薄さは出力に影響を及ぼ
さない。一方、高分子圧電膜自身の有する高い電
圧出力定数g₃₁によつて、高い開放端電圧が得ら
れる。すなわち、送受信効率とも、大きな向上が
可能となる。(5)ダンピング材、音響マツチング層
等を用いる必要がないため、これらの物性変化に
起因する温度特性の変化を避けることができる。
(6)したがつて、従来例に比して、高性能をきわめ
て低消費パワーで実現可能である。(7)高分子圧電
膜の固定を上下端面のみに限定したため、束縛の
ない、自由な呼吸振動が得られ、その結果、大き
な送受信感度が得られる。(8)均圧孔を有すること
により、感度が周囲圧力の影響を受けない送受波
器を実現できる。(9)反射傘を使用することによ
り、距離計用として最適な良好な指方性をもつた
送受波器を実現できる。保持体に一個の凹部を
設けて、複数の凹部を設けた場合に生ずる製造上
の複雑さを避け、限られた超音波距離計の送受波
器の寸法内で、超音波距離計の送受波器の感度を
出来るだけ高くするようにしたものである。

したがつて、本発明によれば、シンプルな構造
で、高ダンピング特性を有し、効率が良好な超音
波送受波器を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の構成説明図、第２
図は第１図の部品説明図、第３図から第６図は第
１図の動作説明図、第７図は従来より一般に使用
されている従来例の構成説明図、第８図、第９図
は第７図の動作説明図である。１……高分子圧電膜、１１，１２……電極、１
１１，１２１……リード線、２……保持体、２１
……凹部、３……室、４……反射傘、５……均圧
孔。

Claims

【特許請求の範囲】１円柱状の保持体と、該保持体の周面の両端部を残してリング状に設
けられた１個の凹部と、前記保持体の外周面を覆つて設けられ前記凹部
が形成された部分以外の該保持体の周面に接する
部分が固定され該凹部に対向する部分が該凹部と
リング状の室を構成する筒状の高分子圧電膜と、高分子圧電膜の外周面と内周面とにそれぞれ設
けられた電極板と、前記保持体の一端に頭部側が取り付けられ送受
信する超音波に前記保持体の軸方向の指向性を付
与する円錐状の反射傘と、前記保持体に設けられ一端が前記室に開口し他
端が外部に開口する均圧孔とを具備してなる超音波距離計の送受波器。