JPH0524228Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 ＜産業上の利用分野＞ 本考案は、空中を通して超音波を測定面に放出
しここからの反射超音波を受信しこの放出から受
信までの時間差等から測定面までの距離を測定す
る超音波距離計の送受波器に係り、特にこの送受
波器の音響変換効率の改良をした超音波距離計の
送受波器に関する。

＜従来の技術＞ 従来の超音波距離計の送受波器の構成を第３図
に示しまづこれについてその概要を説明する。

１０はセラミツク系の圧電振動子であり、円筒
状に形成されその内外面に電極が形成されここか
らリード線１１ａ，１１ｂが引き出されている。

１２はダンピング材であり、圧電振動子１０を
取り囲んでこの圧電振動子１２にダンピンクをか
ける。

１３はプラスチツク製のケースであり、周囲の
空気との間の音響マツチングをとる音響マツチン
グ層をも兼ねている。

１４は反射傘であり、圧電振動子１０からその
半径方向に放出された超音波パルスをその軸方向
に方向変換して測定面に放射する。

次に、以上のように構成された送受波器１５の
動作についてその概要を説明する。

リード線１１ａ，１１ｂを介して電気パルスを
圧電振動子１０に印加すると、圧電振動子１０は
その半径方向に呼吸振動を起こし空気中に向かつ
て超音波振動を発生する。この超音波振動は反射
傘１４で方向転換されて第４図に示す様にドーナ
ツ状のビームＢとなつて進行する。逆に、第４図
の下方から入射して来た超音波パルスは反射傘１
４で収束されて圧電振動子１０の外周部に応力を
与え、これに対応して圧電振動子１０の電極に電
界を発生させこれがリード線１１ａ，１１ｂを介
して電気信号として受信される。

この場合、セラミツク系の圧電振動子１０は一
般に大きな慣性を持つので電気パルスがなくなつ
た後も暫くのあいだ減衰性の残留振動が続く。従
つて、測定距離が短いときにはこの残留振動があ
る間に測定面で反射した超音波パルスが受信さ
れ、残留振動と区別することができない。逆に、
測定距離が長いときには反射した超音波パルスの
振幅が小さくなるのでこれを大きく増幅する必要
があるが同時に残留振動による電圧も増幅する。
このため、残留振動と反射した超音波パルスとを
分離するために前者の振幅が後者のそれよりも小
さくなる時点まで後者の検出禁止区域（不感帯）
を伸ばさなければならない。つまり、遠距離を測
定するときには近距離の測定が不可能になり、逆
に近距離が測定出来るように不感帯を短くすると
反射パルスの小さい遠距離の測定が困難になると
いう問題がある。

そこで、この事態を避けるためにダンピング材
１２で圧電振動子１０に制動を加えている。

しかしながら、広い温度範囲に亘つて適切な制
動効果を示すダンピング材１２を選定することは
難しく、またダンピング材１２により制動を加え
ているので必要な振動振幅を得るためには圧電振
動子１０にかなり大きな駆動電圧、例えば1KV
程度も与える必要がある。

さらに、圧電振動子１０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
ピーダンスに比べて約５桁も大きいので、圧電振
動子１０のエネルギが充分に空気中に伝播しな
い。

そこで、これを解決するために音響マツチング
層として圧電振動子１０より音響的に軟らかい
（ρcの小さい）プラスチツクのケース１３を介し
て空気中に超音波を放出するが、この場合に最も
エネルギー伝播効率が良い1/4波長の厚さにプラ
スチツクのケースの厚さを選定する。

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ケースの厚さが1/4波長から
ずれ、超音波パルスの伝播効率が低下する。

そこで、これ等の問題を解決するために本出願
人は昭和62年５月７日に特許願(2)「発明の名称：
超音波距離計の送受波器」を提案している。

以下、第５図〜第７図によりこの提案の概要に
ついて説明する。

１６は円柱状の例えば塩化ビニール等の保持体
であり、その側面には凹部１７が形成され、さら
にその中央部には凹部１７に貫通する均圧孔１８
が穿設されている。保持体１６の上端には反射傘
１４が配置されている。

保持体１６の周面には高分子の圧電膜１９が保
持体１６から離して配置され、その上部の周面部
と下部の周面部で固定され凹部１７との間に室２
０が形成されている。圧電膜１９の内面と外面に
はそれぞれ電極２１ａ，２１ｂが形成されここか
らリード線２２ａ，２２ｂが引き出されている。

この圧電膜１９はPVDF（ポリフツ化ビニリデ
ン）、Ｐ（VDF−TrFE）＜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−
TeFE）＜フツ化ビニリデンとテトラフルオロエ
チレンの共重合体＞、或いはＰ（VDCN−VAc）
＜シアノビニリデンと酢酸ビニルの交互共重合体
＞などの圧電性を示す高分子材料が用いられる。

次に、このように構成された送受波器２３の動
作について第６図、第７図を用いて説明する。

伸延分極された高分子の圧電膜１９′の両面に
形成された電極２１ａと２１ｂの間に電圧を加え
ると圧電膜１９′は点線で示すように伸延方向α
に伸縮する。このような板状の圧電膜１９′の厚
み方向の振動は主としてＭHzの帯域の周波数とな
る。

ここで、伸延方向が半径方向に圧電膜１９′を
円筒形に曲げるとこの伸縮は第７図に点線βで示
す様に半径方向となり、この方向の呼吸振動に変
換できる。

このときの圧電膜１９の共振周波数oは、圧
電膜１９の曲率半径をＲ、弾性率をε、密度をρ
とすれば、 o＝（ε／ρ）^1/2／（2πR） となる。そこで、仮にε＝11.3×10⁹（Ｎ／m²）、
ρ＝1.8×10³（Kg／m³）、保持体１６の半径を10mm
とすれば、約40KHzの超音波距離計として空気中
での減衰の少ない適当な周波数となる。

この高分子の圧電膜を用いた超音波距離計の送
受波器は音響インピーダンスが小さく、水、空
気、などとのマツチングがとりやすく、内部での
エネルギの減衰が大きいので残留振動の短い超音
波パルスを放出でき、また可撓性があるので製
造、加工が容易である等の利点がある。

＜考案が解決しようとする問題点＞ しかしながら、この様な従来の超音波距離計の
送受波器は、以上の各種の利点はあるが、圧電膜
を円筒状に形成しプラスチツク等の保持体にその
上下端面を固定する構造にしてあるので、圧電膜
と保持部材との熱膨張計数の差或いは圧電膜の吸
湿により圧電膜が伸びた際にその歪みの逃げ場所
がないため圧電膜に皺がより音響変換効率が低下
するという問題がある。また、圧電膜を保持部材
に固定する際に接着剤で固定していたので、長期
の安定性にも問題があつた。

＜問題点を解決するための手段＞ この考案は、以上の問題点を解決するために、
所定の共振周波数に合わせた直径を持ち上下端近
傍を除いて周囲に凹部が形成された円筒状の保持
部材と、この保持部材の周囲に巻回してその巻始
めと巻終りとが重なり合うように帯状の重合部が
円筒状に形成されこの重合部の帯状部分で保持板
を用いて挟み込んで前記保持部材に機械的に圧着
して固定された高分子の圧電膜と、この圧電膜の
外周面と内周面に各々設けられた電極と、前記保
持部材の一端に設けられ前記圧電膜から放出され
た超音波を前記保持部材の軸方向に反射させる円
錐状の反射傘とを具備するようにしたものであ
る。

＜作用＞ 保持部材の周囲に高分子の圧電膜を巻回してそ
の重合部を保持板で保持部材に押圧固定するよう
にして圧電膜が吸湿などにより伸びても歪みが生
じない。このため、音響変換効率の低下が少な
い。

＜実施例＞ 以下、本考案の実施例について図面に基づき説
明する。なお、従来と同じ機能を持つ部分には同
一の符号を付して適宜にその説明を省略する。ま
た、第１図では反射傘１４は従来と同一であるの
で省略してある。

２４は円柱状のプラスチツクなどで作られた保
持体であり、その直径は目的とする共振周波数に
合わせて選定されている。

２５は高分子の圧電膜であり、その材質は第５
図に示すものと同一である。この圧電膜２５を保
持体２４の周面に巻き、その巻き始めと巻き終り
の重ね合わさつた重合部を保持板２６で上から保
持しネジ２７ａ，２７ｂで保持体２４に押圧固定
する。

重合部の表裏には導電性の接着剤が塗られて電
極が形成され、これ等は相互に絶縁されてそれぞ
れからリード線２８ａ，２８ｂが引き出されてい
る。

第２図は第１図に示す送受波器の要部を組み立
てる手順を説明する説明図である。

保持体２４にはその外周面に圧電膜２５が重な
り合う部分を残して凹部２９が形成されており、
この回りに円筒状に形成された圧電膜２５が矢印
で示す方向から挿入され、このあと保持板２６を
用いてネジ２７ａ，２７ｂで保持体２４にその重
合部を押圧固定する。

このような構成にして、リード線２８ａ，２８
ｂに電気パルスを印加すると圧電膜２５は半径方
向に伸縮運動を起こすが、保持板２６で挟み込ま
れている重合部は動けないので、結局、膜の伸縮
運動は呼吸運動に変換され空気中へ音の放射が怒
る。逆に、外部から音圧が加わつた場合にはこれ
とは逆に音圧に対応した電気信号がリード線２８
ａ，２８ｂに得られる。

この場合、保持板２６で押圧される重合部は１
個所だけであるので、たとえ吸湿などにより圧電
膜２５が伸びても保持板２６の近傍だけ圧電膜２
５に歪みが生じるだけで圧電膜２５の大部分は皺
がよらず、全体として音響変換効率に影響を与え
ることはない。

さらに、固定は接着によらず、機械的な挟み込
み（圧着）であるので、接着剤の劣化による信頼
性の低下も生じない。

なお、リード線２８ｂと圧電膜２５の表裏に形
成された電極との接続については、例えば保持体
２４の重合部と当る部分にメタライズをするか或
いはこの部分に金属の薄膜を貼つて、リード線２
８ｂを省略することもできる。同様に保持板２６
を金属板にしたり、或いは保持板２６の内面をメ
タライズ或いは金属の薄膜を貼つて、リード線２
８ａを省略することもできる。

なお、保持板２６は曲面でも良く、重合部の固
定は接着材で行つても良い。

＜考案の効果＞ 以上、実施例と共に具体的に説明したように本
考案によれば、圧電膜の帯状の重合部の巻始めと
巻終りとが重なり合うように、保持板を用いて挟
み込んで保持部材に機械的に圧着するようにした
ので、弗素系などの接着性の悪い材料である圧電
膜同志でもしつかりと固定することができ、この
結果、音響効率の低下、或いは経時変化を防止す
ることができ、ひいては高い信頼性を確保するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案の１実施例の要部の構成を示す
斜視図、第２図は第１図に示す送受波器を組み立
てる手順を示す説明図、第３図は従来の送受波器
の構成を示す縦断面図、第４図は第３図に示す送
受波器の超音波の放射を説明する説明図、第５図
は従来の第２の送受波器の構成を示す縦断面図、
第６図、第７図は第５図における圧電膜の動作を
説明する斜視図である。 １０……圧電振動子、１２……ダンピング材、
１３……ケース、１４……反射傘、１５，２３…
…送受波器、１６……保持体、１９，２５……圧
電膜、２４……保持体、２６……保持板。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 所定の共振周波数に合わせた直径を持ち上下端
   近傍を除いて周囲に凹部が形成された円筒状の保
   持部材と、この保持部材の周囲に巻回してその巻
   始めと巻終りとが重なり合うように帯状の重合部
   が円筒状に形成されこの重合部の帯状部分で保持
   板を用いて挟み込んで前記保持部材に機械的に圧
   着して固定された高分子の圧電膜と、この圧電膜
   の外周面と内周面に各々設けられた電極と、前記
   保持部材の一端に設けられ前記圧電膜から放出さ
   れた超音波を前記保持部材の軸方向に反射させる
   円錐状の反射傘とを具備することを特徴とする超
   音波距離計の送受波器。