JPH05509280A - Detection of filamentous bodies - Google Patents

Detection of filamentous bodies

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JPH05509280A JP51282691A JP51282691A JPH05509280A JP H05509280 A JPH05509280 A JP H05509280A JP 51282691 A JP51282691 A JP 51282691A JP 51282691 A JP51282691 A JP 51282691A JP H05509280 A JPH05509280 A JP H05509280A
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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。 (57) [Summary] This bulletin contains application data before electronic filing, so abstract data is not recorded.

Description

【発明の詳細な説明】 糸状体の検出 本発明は糸状体(filamentary bodies)を検出する、例えば 、綿フレーム(cotton frame)のような織物紡糸機(textil espinning machine)内における糸(thread)の継続的 な存在を検出するための、方法と装置に関する。[Detailed description of the invention] Detection of filamentous bodies The present invention detects filamentary bodies, e.g. , textile spinning machines such as cotton frame Continuation of a thread in an espinning machine The present invention relates to a method and apparatus for detecting the presence of

典型的には、そのような織機(textile machinelは、各々の糸 を紡績(draw)するためのドローフレーム(draw frame)を具備 している。添付の図1は、そのようなドローフレームの概略斜視図を示す。糸材 (thread materiallは、入側ローラー200、ゴムベルト20 1a及び201bの間を通り、各々のローラー202及び出側ローラー204の 周囲を回る。ベルト201bはプレート203によって支えられている。各々の ペアのローラーは異なる速度で回転し、原材料205(粗糸(rovingl  ]が機械を通って進むにつれて、しだいにより速(回転するローラーに遭遇する ようになっている。これは、粗糸205から細い糸を引き出す効果を持つ。糸は 、最後に、連続して、各々ビッグ−チル及びバルーンリングとして知られている 2つのリングのようなガイド(図示されず)、を通過し、回転してボビン207 上に巻かれる。Typically, such a loom (textile machine) Equipped with a draw frame for spinning (drawing) are doing. The attached FIG. 1 shows a schematic perspective view of such a draw frame. Thread material (thread material is entrance roller 200, rubber belt 20 1a and 201b, and of each roller 202 and exit roller 204. go around. Belt 201b is supported by plate 203. each The pair of rollers rotates at different speeds and rotates the raw material 205 (rovingl ] progresses through the machine, progressively faster (encounters rotating rollers) It looks like this. This has the effect of drawing out the fine threads from the rovings 205. The thread is , and finally, successively, respectively known as big-chill and balloon rings. The bobbin 207 passes through two ring-like guides (not shown) and rotates. rolled on top.

あいにく、織機中における糸はしばしば切れる。これが起きると、切れた部分に 続く引かれている糸は、パイプ206を通って不良品ビン206へと取り去られ たり、図1中の出側ローラー上に、208で示されるように、入側又は出側ロー ラー上にたまって巻き付き(laps)を形成したりするであろう。もしこれが 続くのが見過ごされたら、多量の貴重な原材料がムダになって、機械からの有用 な生産量は減少する。さらに、機械内の自由に遊ぶ糸の端が原因で、他の問題や 損害が引き起こされるかもしれない。Unfortunately, the threads in the loom often break. When this happens, the cut area Subsequently drawn thread is removed through pipe 206 to reject bin 206. or on the exit roller in FIG. 1, as shown at 208. may accumulate on the rollers and form laps. If this is If this process is overlooked, a large amount of valuable raw material will be wasted and the useful material from the machine will be lost. production will decrease. In addition, other problems and Damage may be caused.

それゆ^、修正処置を行うことができるように、可能な限り速やかに糸の切れを 検出することが望ましい。Therefore, the thread should be broken as soon as possible so that corrective action can be taken. It is desirable to detect.

糸及び織機の多くの性質が糸切れの検出を複雑にしている。第1に、糸は径、密 度、手ざわり(texturel、色、材料そして他の物理的性質においてかな り異なる。例えば、糸(yarn)の材料は綿、ウール、絹又は合成繊維であり うる。Many properties of yarn and looms complicate yarn breakage detection. First, the diameter and density of the thread In terms of texture, color, materials, and other physical properties. different. For example, the yarn material may be cotton, wool, silk or synthetic fibers. sell.

第2に、織機においては、糸の切れを検出することが最も望まれる場所において 、検出装置のために用いることのできるスペースが通常きわめて小さい。第3に 、動いている糸の横方向及び角度方向の位置はかなり変りやすく、そのため検出 がむずかしくなる。好ましくは、運転者が、そのような切れが起こった後に事態 を修復するために、近寄りやすくなければならない。Second, in a loom, where it is most desirable to detect thread breaks, , the space available for the detection device is usually very small. Thirdly , the lateral and angular position of the moving thread is quite variable and therefore detection becomes difficult. Preferably, the driver will take action after such a break occurs. must be accessible in order to repair it.

さらに、糸の紡績のための正しい状態を確保するために、紡績工場(spinn ing m1lll内の環境の湿度と温度を制御することが必要である。このよ うな環境においては、運転温度は15〜35℃そして湿度は最大80%RH(結 露しない)と予定される。加えるに、雰囲気中には、露出表面に毛羽(fluf flとして集まる傾向のある小さい繊維が含まれている。検出器は、好ましくは 、そのような条件の下で相当に正確に機能しつづけることができるべきである。In addition, to ensure the correct conditions for spinning the yarn, the spinning mill (spinn) It is necessary to control the humidity and temperature of the environment within the environment. This way In such environments, the operating temperature should be 15-35℃ and the humidity should be up to 80% RH (condensation). It is planned that there will be no exposure. In addition, the atmosphere contains fluff on exposed surfaces. Contains small fibers that tend to collect as fl. The detector is preferably , should be able to continue to function reasonably accurately under such conditions.

いくつかのタイプの糸検出器はすでに知られている。例えば、米国特許No、4 .450,677に記載されているような光電子装置は、糸上にLED光源を投 射することによって得られた糸の影を監視する光電検出器(photodete ctorlを用いている。関係する糸がたいへん細いときには、そのような影監 視方法を応用しようと試みると困難に行き当たる。そして、より大径の糸につい てさえ、そのような検出器の運転は毛羽の堆積によって悪い影響を受ける。Several types of thread detectors are already known. For example, U.S. Patent No. 4 .. Optoelectronic devices such as those described in US Pat. No. 450,677 project an LED light source onto the thread. A photoelectric detector (photodete) monitors the shadow of the thread obtained by I am using ctorl. When the threads involved are very thin, such shadow supervision is When we try to apply the visual method, we run into difficulties. And for larger diameter threads Even so, the operation of such detectors is adversely affected by fuzz build-up.

また、このタイプの検出器は、糸の向こう側に位置する部品を有するので、運転 者に対して物理的障害(physical obstruction)を与える 傾向がある。それに、それは機械振動に対して敏感である。Additionally, this type of detector has parts located on the other side of the thread, so it is difficult to operate. cause physical obstruction to a person Tend. Additionally, it is sensitive to mechanical vibrations.

超音波は、これまで、例えば盗難警報システム中におけるように、太き目の物を 検出するのに用いられてきた。しかし、細い線状体を検出するための方法にその ような超音波検出を用いることは、これまで、実用できるとは考えられなかった 。Until now, ultrasonic waves have been used to detect thick objects, such as in burglar alarm systems. It has been used to detect However, the method for detecting thin linear bodies Until now, it was not thought that using such ultrasonic detection would be practical. .

そのような目的には、非常に短い波長の、従って高周波の音波を用いる必要があ るとみられていたが、反射係数(reflectioncoefficient  ) (検出すべき物体から反射してもどってくるエネルギーの比率を示す指標 )、及び、伝搬媒体(propagatingmedium)中における超音波 信号の減衰(attenuation)の双方が周波数に依拠しているので、周 波数が十分に大きくなると、検出される信号が望ましくないほどに弱くなると予 想されていた。For such purposes, it is necessary to use sound waves of very short wavelength and therefore high frequency. However, the reflection coefficient ) (Indicator indicating the ratio of energy reflected back from the object to be detected) ), and ultrasound in a propagating medium. Since both signal attenuation is frequency dependent, When the wavenumber becomes large enough, the detected signal can be expected to become undesirably weak. was thought of.

しかしながら驚くべきことに、超音波システムは、上述のそれらの不利で上述の 以前のシステムはど煩わされなくてすむような方法で、空気中における糸のよう な線状体を検出するのに用いられつるということが見出された。Surprisingly, however, ultrasound systems have been shown to have the disadvantages mentioned above. Previous systems were designed to eliminate threads in the air in a hassle-free manner. It was discovered that vines can be used to detect linear bodies.

特に、波長が糸の径に匹敵するある周波数範囲にわたっては、もし波長と周波数 が正しく選ばれるなら、糸の径の減少によって起こる反射の減少は、干渉効果に よって発生する反射の増加によってつりあうという方法で、糸による音波の反射 や散乱を干渉効果が修正(modify) L/うるということが見出された。In particular, over a range of frequencies where the wavelength is comparable to the thread diameter, if the wavelength and frequency is chosen correctly, the reduction in reflection caused by the reduction in thread diameter is due to interference effects. The reflection of sound waves by the thread is balanced by the increase in reflection that occurs. It has been found that interference effects can modify L/scattering.

これは、そのような波長においては、反射は、糸の寸法の変化とともに大きくは 変化しないということを意味する。そのような波を用いる糸検出器は、それゆえ 、広いレンジの実用的な糸径に対して受容されるように作動しつる。This means that at such wavelengths, the reflection does not increase significantly as the thread dimensions change. It means no change. A thread detector using such waves is therefore , operates to accommodate a wide range of practical thread diameters.

本発明の第1の様相によれば、あらかじめ定められた位置を横切って長手方向に 延びるように支持された糸状体を検出する方法であって以下を具備する方法が提 供される:超音波を、上記あらかじめ定められた位置に向かって、上記糸状体の 長平方向軸に対して横切るように発信し、そして、上記あらかじめ定められた位 置から、糸状体によって反転(divert backl されたそのような波 を監視する。According to a first aspect of the invention, longitudinally extending across a predetermined position. A method for detecting a filament that is supported in an elongated manner is provided, which includes the following: Provided: Ultrasonic waves are applied to the filamentous body toward the predetermined position. The signal is transmitted transversely to the longitudinal axis, and the predetermined position is Such a wave that is diverted back by the filament from the position to monitor.

本発明の第2の様相によれば、装置のサポート部に関して、あらかじめ定められ た位置を横切って長手方向に延びるように糸状体を支えるための手段、及び、上 記サポート部に搭載されており、そのようにサポートされたそのような体の長平 方向軸に対して横切るように、上記あらかじめ定められた位置に向かって超音波 を発信するよう作動しつるとともに、その位置から、そのような体によって反転 されたそのような波を検出するようにも作動しつる超音波変換器手段を含む監視 手段とを含む装置が提供される。According to a second aspect of the invention, with respect to the support part of the device, a predetermined means for supporting the filament so as to extend longitudinally across the position; The length of such a body supported in this way is Ultrasound toward the predetermined position above, transverse to the direction axis from that position, with the tendrils actuated to transmit Monitoring comprising an ultrasonic transducer means also operative to detect such waves An apparatus is provided that includes means.

好ましくは、音波の波長は、糸状体の径の大きさくmagnitudelのオー ダーか、又はそれより小さい。Preferably, the wavelength of the sound wave is equal to the magnitude of the filament diameter. or smaller.

本発明の装置は、超音波電子−音響変換器を用いてよ(、その変換器は、第1の 電極構造を乗せている長(延びた作動面と、そして、上記作動面から離れた且つ 2の電極構造を乗せている第二の面とを持つ電子−音響素子を具備しており;第 1と第2の電極構造に接続されている、両電極間に電気駆動信号を印加するため の電気駆動回路であって、素子を振動させ、それによって、上記長く伸びる作動 面と運転された媒体中へ、その作動面から外方向に向かって超音波を伝搬させる 電気駆動回路があり; そして、上記電子−音響素子、電極構造及び駆動回路は、上記電気駆動信号の効 果が上記作動面に沿った異なる位置において異なり、そうでなければ、上記媒体 中で、上記長手方向軸に平行なそして上記作動面から上記方向にあらかじめ定め られた距離だけ離されたターゲットラインに沿った点で起こる破壊的な干渉効果 を中和(counter act)する。The device of the invention uses an ultrasonic electro-acoustic transducer (the transducer is a a length on which the electrode structure rests (an extended working surface, and a distance from said working surface; an electro-acoustic element having a second surface carrying a second electrode structure; 1 and a second electrode structure, for applying an electrical drive signal between both electrodes. an electric drive circuit for vibrating the element, thereby causing the elongated actuation Propagate ultrasound waves outward from the working surface into the medium driven by the surface There is an electric drive circuit; The electro-acoustic element, the electrode structure, and the drive circuit are configured to control the effect of the electric drive signal. effects are different at different locations along said working surface, otherwise said medium in a predetermined direction parallel to said longitudinal axis and from said actuating surface; Destructive interference effects that occur at points along the target line separated by a distance neutralize (counter act).

代替的に、又は追加的に、本発明の装置は、第1の電極構造を持つ作動面、及び 、上記作動面から離れ且つ第2の電極構造を持つ第2の面を有する圧電セラミッ ク素子を具備する超音波電子−音響変換器を用いてもよく、この変換器は、電気 駆動信号が上記第1と第21f極構造間に印加されて該素子を振動させ、よって 、超音波が、上記作動面に連結されているガス状媒体中へ、上記作動面からあら かじめ定められた距離のターゲット位置に向かって伝搬するような、発信モード を持っており、また、そのモード中においては、上記ターゲット位置において物 体から散乱して返ってくるそのような音波が、上記素子を振動させ、そのような 物の存在を指示する電気信号を生み出すような、受信モードを持っている短レン ジ検出システムにおいて用いられ;上記動作面が、上記動作面と上記ガス状媒体 の間における音響エネルギーの伝達を向上させるための、シリコーンゴムの薄い 層によっておおわれており、そして、上記素子の他の面の領域が、上記発信モー ドの終了と上記受信モードの開始との間に、上記素子内でエネルギーを消散させ るための、合成樹脂の固体減衰体に近接して連結されている。Alternatively or additionally, the device of the invention comprises an actuation surface with a first electrode structure; , a piezoelectric ceramic having a second surface remote from the actuation surface and having a second electrode structure; An ultrasonic electro-acoustic transducer may be used, which includes an electrical A drive signal is applied between the first and 21f pole structures to cause the element to vibrate, thus , ultrasonic waves are transmitted from the working surface into a gaseous medium coupled to the working surface. Transmission mode, such as propagating towards a target location at a predetermined distance , and in that mode, an object is located at the target position. Such sound waves scattered back from the body cause the above-mentioned element to vibrate, causing such A short lens that has a receiving mode that produces an electrical signal that indicates the presence of an object. the working surface is connected to the working surface and the gaseous medium; A thin layer of silicone rubber to improve the transmission of acoustic energy between and a region of the other side of the element is covered by a layer, and a region of the other side of the element is between the end of the mode and the start of the receive mode, the energy is dissipated in the element. It is connected in close proximity to a solid damping body of synthetic resin for the purpose of

音波の波形は、連続サイン波;他の連続波;単一バルス;列パルス;そして正弦 波の列、を含もいかなる形をとることができる。The waveforms of sound waves are continuous sine waves; other continuous waves; single pulses; train pulses; and sine waves. It can take any shape, including a train of waves.

音波の発生と監視の双方が、ある実施例においては、発信モードと受信モードの 各々で作動する1つの変換装置によって行われてもよい。短い音響パルスが放射 され;このパルスが糸まで進み、そしてその反射したエコーが帰るのに時間がか かる。実施例は、エコーが返る時間までには、変換装置が次に効果的に働けるよ うに、発信変換装置はそのパルス発信を完了しており、いかなる発信後振動も消 失している(すなわち変換装置が落ち着いている(settled) )ようで なければならない。Both the generation and monitoring of sound waves may be performed in transmitting and receiving modes in some embodiments. It may also be performed by one converting device operating on each. A short acoustic pulse is emitted It takes time for this pulse to travel to the thread and for the reflected echo to return. Karu. The embodiment is such that by the time the echo returns, the transducer is ready to work effectively next time. The transmitting converter has completed its pulse transmission and any post-transmission vibrations have disappeared. seems to be lost (i.e. the converter is settled). There must be.

変換装置は多種の形状をとりつるが、静電膜変換器と特に圧電セラミック変換器 が現在のところ好ましい。Transducers come in many different forms, but include electrostatic membrane transducers and especially piezoceramic transducers. is currently preferred.

発明のよりよい理解のため、そしてそれが効果あらしめるようにいかに実施され るかを示すために、実施例の形で参照が作られ、以下の添付の図に対して: 図1 (上へ参照)は織機のドローフレームの概略斜視図を示す。For a better understanding of the invention and how it can be effectively implemented. In order to illustrate, reference is made in the form of an example to the following attached figures: FIG. 1 (see above) shows a schematic perspective view of a draw frame of a loom.

図2は、本発明の前述の第2の様相を具現した装置を具備する、織機のドローフ レームの概略斜視図を示す。FIG. 2 shows a loom drawer equipped with a device embodying the aforementioned second aspect of the invention. 1 shows a schematic perspective view of a frame.

図3は、第2の装置の部品の概略計画図を示す。FIG. 3 shows a schematic diagram of the parts of the second device.

図4は、図2の装置に採用される電子回路のブロック図を示す。FIG. 4 shows a block diagram of the electronic circuitry employed in the device of FIG.

図5は、図3の部品の一部を形成する超音波変換装置の側面ダイヤグラム図を示 す。FIG. 5 shows a side diagram view of an ultrasonic transducer forming part of the components of FIG. vinegar.

図6は、図5の装置のさらに詳細な縦断面図を示す。FIG. 6 shows a more detailed longitudinal cross-sectional view of the device of FIG. 5.

図7は、図6のVII−VII線に沿って見た図6の装置の断面を示す。FIG. 7 shows a cross section of the device of FIG. 6 taken along the line VII-VII of FIG.

図8(A)と8(B)は、図6及び7の変換装置の部分の各々の部分側面及び後 面を示す。8(A) and 8(B) show the side and rear views of each of the converter sections of FIGS. 6 and 7. Show the face.

図9は、図6から8とは異なる長く伸びた超音波変換器を含む糸検出器配置の概 略斜視図である。Figure 9 shows a schematic diagram of a thread detector arrangement including an elongated ultrasonic transducer different from Figures 6 to 8. It is a schematic perspective view.

図10は、変換器の長さに沿った位置を関数として、図9の変換器によって作ら れた音波の振幅を図示するグラフである。Figure 10 shows the results produced by the transducer of Figure 9 as a function of position along the length of the transducer. 2 is a graph illustrating the amplitude of a sound wave generated by

図11は、図10に対応している、図6及び図7の装置の特性を図解するグラフ である。FIG. 11 is a graph illustrating the characteristics of the device of FIGS. 6 and 7, corresponding to FIG. It is.

図12から15は、図8(A)及び8(B)の部分の代替的な形状の図を示す。12 to 15 show views of alternative shapes of the portions of FIGS. 8(A) and 8(B).

図16は、図6から8の装置によって生起された音波の振幅変化を示す極座標プ ロットである。FIG. 16 is a polar coordinate plot showing the amplitude variation of the sound waves produced by the apparatus of FIGS. 6 to 8. Lot.

図17は、図6から8の装置への及びそれからの発信及び反射音波を図示するダ イアグラム図を示す。FIG. 17 is a diagram illustrating the outgoing and reflected sound waves to and from the apparatus of FIGS. Diagram diagram is shown.

図18と19は、変換装置のディメンジョン(dimensioni内の変化効 果を図示するうえで用いられる、図17に対応する各々のダイアグラム図を示す 。Figures 18 and 19 show the change effects within the dimensions of the transformer. Each diagram corresponding to FIG. 17 used to illustrate the results is shown. .

図2のドローフレーム(draw frame)の主な構造は、図1のそれに相 当しているが、しかし、図2には前述のピッグティル(pigtaill 5  aとバルーンリング(balloon ring) 5 bとが示されている。The main structure of the draw frame in Figure 2 is similar to that in Figure 1. However, Figure 2 shows the above-mentioned pigtail 5. A and a balloon ring 5b are shown.

図2のドローフレームには、しかしながら、織機の全長に沿って延びるマウンテ ィングバー(mounting bar) 2の形をしたサポート部材が、各々 の出て来る糸3と機械の本体との間に、設けられている。センサーユニット1が バー2の上に載せられており、マウンティングバー2に平行で、ニップポイント 4(ローラー204の間)とピッグティル5aの間の点で糸3を横切る水平面内 、を動けるようになっている。そのような位置においては、糸の角度方向及び横 方向の動きは許容できる限度内にあり、そして、センサーユニット1を搭載する ための十分なスペースがある。The draw frame in Figure 2, however, has a mount that runs along the entire length of the loom. Support members in the form of mounting bars 2 each It is provided between the thread 3 that comes out and the main body of the machine. sensor unit 1 mounted on bar 2, parallel to mounting bar 2, and at the nip point 4 (between rollers 204) and the pig till 5a in a horizontal plane across the thread 3 at a point between , is now able to move. In such a position, the angular and transverse direction of the thread the directional movement is within acceptable limits, and the sensor unit 1 is mounted There's plenty of space for.

細長く伸びた超音波変換装置6は、センサーユニット1内に、当該装置6の縦軸 が上記水平面内に横たわるように、マウンティングバー2の軸に対しておよそ4 5°の角度をなして、搭載されている。織機の全体にわたって、個々のセンサー が、機械上の糸の間隔に応じてお互いに他と離れて置かれると理解されるであろ う。The elongated ultrasonic transducer 6 is installed in the sensor unit 1 with the longitudinal axis of the device 6 approximately 4 to the axis of the mounting bar 2, such that the They are mounted at an angle of 5°. Individual sensors throughout the loom It will be understood that the threads are placed apart from each other depending on the spacing of the threads on the machine. cormorant.

図3においてセンサーユニットlがさらに詳細に示されている。ユニットlは、 バー2に対して、プラグ(plug)留め具8によって取付けられていることが 好ましく、また、ユニット1は表示ライト(indicator lightl  7 (好ましくはLED)を有する。In FIG. 3 the sensor unit l is shown in more detail. Unit l is It may be attached to the bar 2 by a plug fastener 8. Preferably, the unit 1 also has an indicator light. 7 (preferably LED).

糸3の位置と角度は変ることがある。それゆえ、変換装置6から発せられる超音 波ビーム(beam)を集中させる( focus)ことは適当ではない。そう ではな(、糸が見つかると予測されるあらかじめ定められた領域内にデッドスポ ット(dead 5pots)が無いことが保証されるように、変換装置6は設 計される。The position and angle of thread 3 may vary. Therefore, the ultrasonic sound emitted from the converter 6 It is not appropriate to focus the wave beam. yes Then, dead spots are placed within a predetermined area where threads are expected to be found. The conversion device 6 is designed to ensure that there are no dead 5pots. It is measured.

糸3は、センサーユニット1から27,5〜42mm離れるように、水平面内で ±6mmの横方向の動きがあるように、調整される。鉛直からの角度変化は±1 0°と予測される。この動きは、糸がその中に見つかると予測される架空の長方 形(水平面内に)を造り出し、この長方形の最も近いエツジは変換装置6の縦軸 に平行である。このエツジは変換装置6から27.5mmft!れており、12 mmの長さがある。長方形の長さは14.5+nmである。3次元においては、 糸3が見つかると予測される体積(volume)は架空の平行六面体であり、 この平行六面体の寸法は上記長方形のものと同じであるが、その深さく奥行き) は変換装置6の視野の深さによって定められる。The thread 3 is placed in a horizontal plane at a distance of 27.5 to 42 mm from the sensor unit 1. Adjustments are made so that there is a lateral movement of ±6 mm. Angular change from vertical is ±1 Predicted to be 0°. This movement is based on an imaginary rectangle in which the thread is expected to be found. create a shape (in the horizontal plane), the nearest edge of this rectangle is the longitudinal axis of the transformation device 6 is parallel to This edge is 27.5mmft from the converter 6! 12 It has a length of mm. The length of the rectangle is 14.5+nm. In three dimensions, The volume in which thread 3 is predicted to be found is an imaginary parallelepiped, The dimensions of this parallelepiped are the same as the rectangle above, but the depth is greater) is determined by the depth of field of the conversion device 6.

図4は、センサーユニット1による糸の検知に関係する電子回路(素子)のブロ ックダイヤグラムを示す。FIG. 4 shows a block diagram of the electronic circuit (element) related to thread detection by the sensor unit 1. A diagram is shown below.

この回路は、(16)そのようなセンサーユニットをコントロールするコントロ ールボード9と、センサーユニット1内に位置するセンサーボード10との間に 分かれている。This circuit (16) is a controller that controls such a sensor unit. between the module board 9 and the sensor board 10 located inside the sensor unit 1. I know.

動作周波数は、i)音波が最大距離(85mm)を伝わるときに空気によって重 大には減衰(attenuate)されない、そして、ii)波長が細い糸の径 (0,1mm)に匹敵する、という要求を満たすように選ばれる。The operating frequency is: i) the weight of the sound wave when traveling the maximum distance (85 mm) due to air; and ii) the diameter of the thread with a narrow wavelength. (0.1 mm).

さらに、−個のトランスデユーサ−(変換器)がパルス−エコー技術のための発 信器と受信器の双方として用いられるので、発信振動(transmissio n oscillation)が減衰(decaylするよう発信と受信の間に 充分な数のサイクルがあるべきである。これは、動作周波数f、減衰特性(da mping characteristics) Q、そして受けた信号の振幅 (magnitudfl!lによって決定される。27.5mmの最も近い接近 では、減衰時間(decay time)は150μs以下である。In addition, - transducers are used as generators for pulse-echo technology. Since it is used as both a transmitter and a receiver, the transmission vibration between sending and receiving so that the oscillation is attenuated. There should be a sufficient number of cycles. This is based on the operating frequency f, the damping characteristic (da mping characteristics) Q, and the amplitude of the received signal (determined by magnitudfl!l; nearest approach of 27.5 mm In this case, the decay time is 150 μs or less.

糸の径とともに受信信号の変化を心にとめておけば、動作波長(そして周波数) は、減少する糸の径に伴う反射の減少が、干渉効果によって生ずる反射、又は後 方散乱(backscatter)の増加によってバランスされ、それによって 、糸寸法にあまり影響を受けない全反射係数(overall reflect ion coefficient)を得るような状況を達成するよう選択される 。選択された動作周波数は1.0MHzである。これは空気中で0.33闘の波 長を有し、通常の糸の径に匹敵する。この周波数においては、発信と反射の間に 150サイクルあり、パルス−エコー技術においては単一トランスデユーサーを 使用するに充分である。この周波数においては、反射された信号は、糸の径に対 し大いに独立である。Keeping in mind that the received signal changes with thread diameter, the operating wavelength (and therefore frequency) The decrease in reflection with decreasing thread diameter is due to interference effects or reflections caused by balanced by an increase in backscatter, thereby , the total reflection coefficient (overall reflect ion coefficient). . The selected operating frequency is 1.0 MHz. This is a wave of 0.33 fighting in the air It has a length comparable to the diameter of a normal thread. At this frequency, between emission and reflection, 150 cycles and a single transducer in pulse-echo technology sufficient for use. At this frequency, the reflected signal is proportional to the diameter of the thread. and is very independent.

マイクロプロセッサ−11は、ドライバー12を通じて、センサーボード10を 起動(activate)する、これは、トランスデユーサ−6の周波数(約I  MHzlに同調している信号を発生する発信器13を駆動する効果を有する。The microprocessor 11 controls the sensor board 10 through the driver 12. Activate, which increases the frequency of transducer 6 (approximately I It has the effect of driving the oscillator 13 which generates a signal tuned to MHz.

この信号は、ドライバー14によって増幅され、振幅+38Vで30の半サイク ル(half−cycleS)のバースト(burst)としてトランスデユー サ−6に印加される。This signal is amplified by driver 14 and is applied for 30 half-cycles with an amplitude of +38V. transducer as a burst of half-cycle The signal is applied to the circuit 6.

トランスデユーサ−は、これによって、糸3に反射される音波のバーストを放射 することとなる(Fig、 3) 、反射された信号は、トランスデユーサ−6 によって受信され、これによって、トランスデユーサ−は電気信号を発生させる こととなる。この検出された信号は、Q5を有する帯域通過(band−pas sl増幅器15によって3500倍の率で増幅される。The transducer thereby emits a burst of sound waves that is reflected by the thread 3. (Fig. 3), the reflected signal is transmitted to the transducer 6. is received by the transducer, which causes the transducer to generate an electrical signal. That will happen. This detected signal is band-pass (band-pass) with Q5. It is amplified by a factor of 3500 by the sl amplifier 15.

この糸検知システムは、糸からの反射−I MHzにおける30パルスの波列( wavetrain)又はバースト−を、織機上の駆動モーターの電源として用 いられるスイッチモード(switched mode)された電源によって生 み出される電気的ノイズのような鋭い電気的スパイクから、識別するよう設計さ れている。This yarn detection system detects the reflection from the yarn - a wave train of 30 pulses at I MHz ( wavetrain) or burst as the power source for the drive motor on the loom. A switched mode power supply allows Designed to distinguish from sharp electrical spikes such as electrical noise It is.

増幅器15のフィルターされた出力は、ラインドライバー16を通じて検出器1 7へ送られる。検出器17は、信号が、与えられた数の一連の1μs周期中にお ける、与えられた数の回数である予め定められたしきい値、を超えるか否かを検 出する。The filtered output of amplifier 15 is sent to detector 1 through line driver 16. Sent to 7. Detector 17 detects whether the signal is detected during a given number of series of 1 μs periods. A predetermined threshold, which is a given number of times, is exceeded. put out

増幅器15は比較的広い通過幅を持っているので、電気的スパイクはその鋭い形 を保っており、そしてそれゆえ、その間に糸の反射はそのしきい値を少な(とも 10回は横切るであろう時間周期の間に、1回か2回そのしきい値を横切るにす ぎない。これによって、反射信号は、そのような電気的ノイズから明瞭に識別さ れる。Since the amplifier 15 has a relatively wide pass width, the electrical spikes will have a sharp shape. , and therefore, during that time the reflection of the thread reduces its threshold It crosses that threshold once or twice during a time period that it would cross ten times. Ginai. This ensures that reflected signals are clearly distinguished from such electrical noise. It will be done.

検出器17からの信号は、さらなる解析のためにマイクロプロセッサ−11に送 られる。The signal from detector 17 is sent to microprocessor-11 for further analysis. It will be done.

糸検出システムは、糸からの微小反射信号は感知しなければならないが、織機や 電気的干渉からの他の種々の信号は、そのようなノイズが誤検出という結果をも たらす機会を最小にするために、感知すべきでない。運転中においては、糸3が 変換装置6から離れて位置されてもよい最小と最大の距離の両方が存在する。The yarn detection system must sense minute reflection signals from the yarn, but Various other signals from electrical interference may cause such noise to result in false positives. should not be detected in order to minimize the chance of During operation, thread 3 There are both minimum and maximum distances that may be located away from the conversion device 6.

音の速さが有限であるため、その範囲外では有効な反射を受けることができない という、パルス発信後の時間の範囲があるということを、これは意味する。もし 、回路がこの時間長さの外で不感知にされると、ノイズ、誤反射、その他の可能 性がなく、そのときは誤った結果を与える。Because the speed of sound is finite, it cannot be reflected effectively outside of that range. This means that there is a range of time after the pulse is sent. if , if the circuit is left insensitive outside of this length of time, noise, false reflections, and other possible It is meaningless and gives incorrect results in that case.

従って、27.5〜42.5mm離れた物体からの反射だけが考慮されるように 、反射信号はマイクロプロセッサ−11によってタイムゲート[time ga te) される。Therefore, only reflections from objects 27.5 to 42.5 mm away are considered. , the reflected signal is time gated by the microprocessor 11. te) to be done.

マイクロプロセッサ−11は、回路が糸が存在していないと表示する前に、遅れ を招来することもあり、切れた糸のための手直し行動をとるシステムを起動させ ることなく、短時間、例えば糸の点検のために運転者によって糸が移動されるこ とができるようにしている。Microprocessor-11 waits for a delay before the circuit indicates that the thread is not present. This may lead to problems, and a system is activated to take action to repair broken threads. The thread may not be moved by the driver for a short period of time, e.g. to inspect the thread, without I am trying to be able to do this.

図示の実施例では、検出システムは、1秒間に125回糸(3)を捜す。もし2 秒間糸を“見”なかったら、そこで糸3が切れたと決定する。マイクロプロセッ サ−11はホストシステム、すなわち、ソレノイドにロービング(roving )にブレーキをかけさせたり、表示ライト7を点灯させるような訂正処置を執る さらなるコントロールシステム(図示されず)、にメツセージを送る。糸3が修 復されたならば、センサーは、糸が本当に修復されていることを決定するため3 秒間の間に少な(とも4回はそれを“見”なければならない。システムは、次に 、ホストシステムに適切なメツセージを送り、表示ライト7を消灯する。In the illustrated example, the detection system searches for thread (3) 125 times per second. If 2 If the thread is not "seen" for a second, it is determined that thread 3 has broken. microprocessor The service 11 is connected to the host system, i.e., by roving the solenoid. ), take corrective action such as applying the brakes or turning on indicator light 7. Messages are sent to further control systems (not shown). Thread 3 is repaired Once repaired, the sensor will run 3 times to determine that the thread is indeed repaired. The system has to “see” it a few (four times) in a second. , sends an appropriate message to the host system and turns off the indicator light 7.

そのような決定システムは、低エラー運転を保証でき、修復制御システムを混乱 させることなく糸(yarn)が再度通されることを可能にする。検出システム は70μVの信号を感知できる。これは、注意深いノイズ低減とフィルタリング によって達成される。Such a decision system can guarantee low error operation and will not disrupt the repair control system. Allows the yarn to be rethreaded without threading. detection system can sense a 70μV signal. This is due to careful noise reduction and filtering achieved by.

センサーユニット1とトランスデユーサ−6のケースとそのトランスデユーサ− の前面電極は、全て、ゼロ電位ビン(図示されず)に接続されている。これは完 全なアースシールドを提供し、容量的(capacitively)に連結され たノイズ源から検出システムを絶縁する。Case of sensor unit 1 and transducer 6 and its transducer The front electrodes of are all connected to a zero potential bin (not shown). This is complete Provides complete earth shielding and is capacitively connected. Isolate the detection system from other noise sources.

図5の変換装置50は、ケース51、バッキング(backing1層52、バ ッキング層52と接触している能動圧電素子53、及び、圧電セラミック素子5 3の作動面と接触している音響整合(acoustic matching)層 54を含む。各々の接続ワイヤ55が、素子53の上記作動面と、反対側の面上 の各々の電極(図示されず)へ電気信号を伝えるために、用いられる。The conversion device 50 in FIG. 5 includes a case 51, a backing (backing 1 layer 52, an active piezoelectric element 53 in contact with the packing layer 52 and a piezoceramic element 5 an acoustic matching layer in contact with the working surface of 3; 54 included. Each connecting wire 55 is connected to the actuating surface of the element 53 and the opposite surface thereof. are used to transmit electrical signals to each electrode (not shown) of the.

装置50の使用にあたっては、圧電能動素子53は、電気的振動を機械的振動に 変換する役目及びその逆を果す。素子53は、通常は、発生すべき音波の周波数 で共鳴するように選択された寸法と構成材料を有している。In use of the device 50, the piezoelectric active element 53 converts electrical vibrations into mechanical vibrations. It plays the role of converting and vice versa. Element 53 typically determines the frequency of the sound wave to be generated. It has dimensions and materials of construction selected to resonate with the

整合(matchingl rW! 54は、能動素子53の作動面と外部のガ ス状の伝搬媒体との間を、エネルギーが効果的に伝わりやすいようにするために 設けられている。実用上、実用的な圧電材料の音響インピーダンスは関心のある 伝搬媒体(例えば空気)のそれらの数オーダー大きい大きさであるため、素子5 3と当該媒体との間のエネルギー伝達は、適当な整合層54が存在しなければき わめて低いことが判明した。従来の音響理論によれば、二つの媒体の間に整合層 を介在させるとき、整合層の厚さが該層内の音波の波長の図に等しいとき、そし て、その波長において、整合層の材料の音響インピーダンスが2つの媒体の各々 の音響のインピーダンスの幾何平均に等しいとき、2つの媒質間のエネルギー伝 達は最大となる。Matching (matchingl rW! In order to make it easier for energy to be transmitted effectively between the wire-like propagation medium It is provided. In practice, the acoustic impedance of practical piezoelectric materials is of interest. Due to their several orders of magnitude larger size of the propagation medium (e.g. air), the elements 5 Energy transfer between 3 and the medium is only possible if a suitable matching layer 54 is present. It turned out to be extremely low. According to traditional acoustic theory, there is a matching layer between the two media. when the thickness of the matching layer is equal to the wavelength of the sound wave in the layer, and Then, at that wavelength, the acoustic impedance of the material of the matching layer is equal to that of each of the two media. The energy transfer between two media is equal to the geometric mean of the acoustic impedance of is maximum.

バッキング層52は、能動素子53の振動を減衰させる役割をする。The backing layer 52 serves to damp vibrations of the active element 53.

図5の変換装置は、パルス−エコーシステム中で用いられてよく、このシステム において、第一(発信)運転モードにおいて、所定の超音波周波数の電気駆動信 号のバーストがその電極を通じて圧電素子53に印加されると、素子の上面(作 動面)(整合層54と接触している)を上記の超音波周波数で振動させて、それ によって、層54の自由表面から近接する空気中へと音波を伝えさせる。駆動信 号の上記第一のバーストの終了の後の所定の時間インターバルで始まる、第二( 受信)運転モードにおいては、装ff150は音波の受信器として用いられ、整 合層54の自由面上のそのような波が、圧電素子53の振動をもたらし、それに よって、受信された音波に対応する電気信号が接続ワイヤ55中に生起される。The transducer of FIG. 5 may be used in a pulse-echo system, which system In the first (transmission) operation mode, an electric drive signal of a predetermined ultrasonic frequency is transmitted. When a burst of signal is applied to the piezoelectric element 53 through its electrode, the upper surface of the element (the vibrating the moving surface) (in contact with the matching layer 54) at the above ultrasonic frequency; This causes sound waves to propagate from the free surface of layer 54 into the adjacent air. Drive signal The second ( In the receiving) operating mode, the device ff150 is used as a receiver of sound waves and Such waves on the free surface of the laminated layer 54 cause the piezoelectric element 53 to vibrate, causing it to Thus, an electrical signal corresponding to the received sound wave is generated in the connecting wire 55.

これらの電気信号を分析することによって、物が、上記作動面から所定の距離の ターゲット位置に存在するか否かを決定することが可能である。By analyzing these electrical signals, an object can be detected at a given distance from the working surface. It is possible to determine whether the target location is present or not.

織機中で糸の存在を検知するようなある応用においては、空間的な制約が、トラ ンスデユーサ−装置を、検出すべき物体にきわめて接近させて配置することを必 要とする。そのような場合は、しかし、発信モードの終了から受信モードの開始 までの間の上述の所定の時間インターバルは、きわめて短(なければならず、と いうのは、音波がトランスデユーサ−から検出すべき物体まで伝わって返ってく るまでにかかる時間が短いからである。前に考慮したトランスデユーサ−装置は 、そのようなパルス−エコーシステムにおいては、満足に動作することができず 、というのは、振動が、実現されるべき受信超音波信号の効果的な検知のために 十分な程度まで消失する、のにかかる時間が大きすぎたためである。In some applications, such as sensing the presence of yarn in a loom, spatial constraints can It is necessary to place the sensor device very close to the object to be detected. Essential. In such a case, however, from the end of outgoing mode to the start of receiving mode The above-mentioned predetermined time interval between This means that the sound waves travel from the transducer to the object to be detected and return. This is because it takes less time to complete the process. The transducer device considered earlier is , cannot operate satisfactorily in such a pulse-echo system. , since the vibrations are important for effective detection of the received ultrasound signals to be achieved. This is because it took too long for it to disappear to a sufficient extent.

図5の装置50は、共鳴におけるその鋭さがその性質係数(quality f actorl Qによって記述されつる共鳴オシレーターと見なされる。いかな るオシレーターの減衰特性も、そのQ係数によって特性づけられ、Q係数は、振 動の各−サイクルに失われる振動子(oscillator’l エネルギーの 分数の逆数である。The apparatus 50 of FIG. 5 is characterized in that its sharpness at resonance is determined by its quality It is considered to be a resonant oscillator described by Q. I wonder The damping characteristics of an oscillator are also characterized by its Q factor, which is The oscillator’s energy lost during each cycle of motion. It is the reciprocal of a fraction.

高いQは鋭い共鳴を伴い、そしてその結果、電気振動を音波に変換する際の及び その逆の高い動作効率を伴う。高いQは、また、しかし、電気駆動信号を取り去 った後につづく残留振動の長い減衰時間を伴う。振動がAの係数だけ振幅におい て減衰するために必要とされる周期の数Nは、次の式で表現される:N=Q1n A いかなる所与の周波数においても各サイクルの存vc(期間)Tは固定されてい るので、従って、振動が係数Aだけ振幅において減衰するための必要な時間は次 式によって与えられる:かくして、短レンジ検出用途においては、高Qが動作効 率を最大にするという観点からは望ましいけれども、Qの値が高くなればなるほ ど、検出すべき物体のトランスデユーサ−装置からの最短分離がより高くならな ければならない、という困難が生じる。A high Q is accompanied by sharp resonances and, as a result, a The opposite is accompanied by high operating efficiency. A high Q, however, also removes the electrical drive signal. accompanied by a long decay time of the residual vibrations that follow. The vibration changes in amplitude by a factor of A. The number of periods N required to decay is expressed by the following formula: N=Q1n A The duration T of each cycle at any given frequency is fixed. Therefore, the time required for the vibration to decay in amplitude by a factor A is: Thus, in short range sensing applications, a high Q increases the operating efficiency. Although it is desirable from the perspective of maximizing the ratio, the higher the value of Q, the more However, the minimum separation of the object to be detected from the transducer device must be higher. The difficulty arises of having to do so.

実用的な理由のため、その最短分離を単純に増加させることは常に可能とは限ら ず、例えば、スペースが使えないためであったり、関与する長い距離にわたる減 衰が、反射する超音波の信頼性の高い検出のためには、大きすぎるためである。For practical reasons, it is not always possible to simply increase that minimum separation. For example, due to unavailability of space or due to long distance reductions involved. This is because the attenuation is too large for reliable detection of reflected ultrasound waves.

落ち看き時間(settling timelに影響を与える個別の要因につい て、ここでより詳しく議論する。Regarding the individual factors that affect the settling time will be discussed in more detail here.

図5の変換装置50は、圧電素子53と整合層54という2つの共鳴部品と、ケ ース51とバッキング層52という2つの非共鳴部品とからなる。The transducer 50 of FIG. 5 includes two resonant components, a piezoelectric element 53 and a matching layer 54, and a cage. It consists of two non-resonant components: a base 51 and a backing layer 52.

ケース51は、発信器としての積極的な機能はなにも行わず、それゆえ、可能な 限り振動しないように、また、装置を、装置が搭載されるサポート部材(回路基 板のようなもの)から音響的に絶縁するように、設計される。ケース51も、バ ッキング層52の延長継続として機能してもよい。Case 51 performs no active function as a transmitter and therefore In addition, the device should be installed on the support member (circuit board) on which the device is mounted. (such as a board). Case 51 is also It may function as an extended continuation of packing layer 52.

装置50の残りの部品は、1セツトの音響的に接続された発信器と見なされ、そ れら各々の発信器は独自の共鳴周波数と減衰特性を有する。後者の観点において 、各々の部品は、エネルギーを貯えることができ、(残った貯蔵エネルギーを消 費しながら)、装置への電気的駆動エネルギーが取り去られた後であっても鳴る (ring)ことができる。さらに、部品は互いに接しているため、それらの個 別の性質に応じて、振動のエネルギーは、異なる部品間を伝わる。The remaining components of device 50 can be considered a set of acoustically coupled transmitters, and Each of these oscillators has its own resonant frequency and attenuation characteristics. In the latter perspective , each component can store energy (and dissipate the remaining stored energy). (while spending), sounds even after the electrical drive energy to the device is removed (ring) is possible. Furthermore, since the parts are in contact with each other, their individual According to different properties, vibrational energy is transmitted between different parts.

電気的駆動信号がそのような1セツトの連結された発信器から取り去られるとき 、残りのエネルギーは、各発信器内のエネルギーロスと、固有に高いQを持つ発 信器から低めのQを持つそれらへのエネルギーの伝達とによって、消費される。When the electrical drive signal is removed from such a set of linked transmitters , the remaining energy is due to energy loss within each oscillator and the oscillator with an inherently high Q. energy is transferred from the transmitter to those with lower Q.

かくして、1システムの発信器、すなわち全変換装置、の全体の特定のQ値は、 各個別発信器の内部吸収エネルギーと、それらの間のエネルギー伝達に依拠する 。Thus, the overall specific Q value of one system of oscillators, i.e. all converters, is: Relies on internal absorption energy of each individual oscillator and energy transfer between them .

伝搬媒体としての空気とともに運転される特定の変換装置5゜においては、トラ ンスデユーサ−の全減衰時間を支配する要因は、整合層54の減衰時間であるこ とが見出された。これは、層54が好ましくは低密度のシリコーンゴムで作られ ることの理由であり、シリコーンゴムは、その低い音響インピーダンスゆえに、 整合層のための材料として最適である。In a particular converter 5° operated with air as the propagation medium, the traverse The factor that governs the total decay time of the damper is the decay time of the matching layer 54. was found. This means that layer 54 is preferably made of low density silicone rubber. This is because silicone rubber has a low acoustic impedance. It is ideal as a material for matching layers.

上述のように、整合層54は、従来、素子53と伝搬媒体、この場合は空気、の 音響インピーダンスの各々の値の幾何的平均に等しい音響インピーダンスを有す べきである。典型的な圧電材料は、およそ3 X 10 ’Rayls (kg m−”s−’)の音響インピーダンスを有しており、空気はわずか400 Ra ylsの音響インピーダンスを有しているので、整合層54のインピーダンスは 、従来は、1 、I X 10’Raylsあたりであった。しかし、そのよう な低い音響インピーダンスを有する連続均一固体は知られていなかった。As mentioned above, matching layer 54 conventionally connects element 53 to a propagation medium, in this case air. has an acoustic impedance equal to the geometric mean of each value of acoustic impedance Should. A typical piezoelectric material weighs approximately 3 x 10’ Rayls (kg air has an acoustic impedance of only 400 Ra yls, the impedance of the matching layer 54 is , conventionally, it was around 1, IX 10'Rayls. But like that Continuous homogeneous solids with such low acoustic impedance have not been known.

既知の最低の音響インピーダンスを有する固体は、低密度シリコンゴムである。The solid with the lowest known acoustic impedance is low density silicone rubber.

それは、1 、05 X 10”kgm−”近辺の通常好まれる密度において、 およそ10 ’Raylsのインピーダンスを有する。It has a normally preferred density of around 1,05 x 10"kgm-", It has an impedance of approximately 10' Rayls.

このようなシリコーンゴムの整合層を採用している多種の変換装置が利用できる 。しかし、同一の装置が超音波の発信と受信の双方として用いられねばならない ときは、そのような装置は短レンジにおける運転には適していない。というのは 、シリコーンゴムは固有に(naturallyl高Qであり(低吸収)、その ため、鳴り現象から信頼性を持って判別されるべき、検出されるべき物体から反 射されてくる超音波、を受信するのに十分な早さで、整合層に貯蔵された残留エ ネルギーが、消費しえないからである。A wide variety of converters are available that employ matching layers of silicone rubber such as . However, the same device must be used for both transmitting and receiving ultrasound waves. In some cases, such equipment is not suitable for short range operation. I mean , silicone rubber is inherently (naturally) high Q (low absorption) and its Therefore, the noise from the object to be detected should be reliably determined from the ringing phenomenon. The residual energy stored in the matching layer is fast enough to receive the incoming ultrasound. This is because energy cannot be consumed.

装置50の全効率的性質要因(overall effective qual ityfactor)を低減するには、支配的発信器、この場合ゴム整合層54 、の効率的性質係数を変えることが望ましい。好ましくは、各部品発信器の各々 の効率的性質係数も、その全効率的性質係数から、値において不当に異ならない 。Overall effective qualification of device 50 ityfactor), the dominant oscillator, in this case rubber matching layer 54 It is desirable to vary the efficient property coefficient of . Preferably, each of the component oscillators The efficient property coefficient of also does not unreasonably differ in value from its total efficient property coefficient. .

エネルギーは、整合層から3通りの方法で消費される:空気中への消散;圧電素 子中への伝達;及び、内部吸収。実際上は、最も重要な消散プロセスは、圧電セ ラミック素子中へのエネルギー伝達である。このプロセスをさらに詳細に検討す ると、ゴム材の性質係数Q rubberは次のようにして表わされる。Energy is dissipated from the matching layer in three ways: dissipation into the air; piezoelectric Transmission into the child; and internal absorption. In practice, the most important dissipative process is This is energy transfer into the lamic element. Consider this process in more detail. Then, the property coefficient Q rubber of the rubber material is expressed as follows.

ここで、Rは、圧電−ゴム境界における反射定数であり、そして、 1/αは、ゴム中を通る音波の振幅が波長の局の距離において減衰する係数であ る。where R is the reflection constant at the piezoelectric-rubber interface, and 1/α is the coefficient at which the amplitude of a sound wave passing through rubber is attenuated at the distance of the wavelength station. Ru.

上記表現から、内部減衰を増してαを下げるか、反射係数Rを減らすかのどちら かによって、Q ruThTh@rを減らすことができるのは明らかである。From the above expression, we can either increase the internal attenuation to lower α or reduce the reflection coefficient R. It is clear that QruThTh@r can be reduced depending on the

ゴム内部減衰は、細いガラスパウダー、フライアッシュ、プラスチック又は金属 粉のような枡形状の材料をシリコーンゴム材料に入れることによって増すことが できる。Rubber internal damping can be made of fine glass powder, fly ash, plastic or metal This can be increased by putting a square-shaped material such as powder into a silicone rubber material. can.

反射係数Rは、シリコンゴムを適当に変質させてその音響インピーダンスが圧電 素子のそれに近づくようにすることにより、下げることができる。材料の音響イ ンピーダンスは、材料密度と材料中の音波の伝搬速度(関心周波数における)の 積によって与えられる。従って、圧電材料は、ゴムのそれとは1オーダー大きい 音響インピーダンスを有しており、セラミック/ゴム境界における反射係数を減 らすための1つのアプローチは、ゴム材料の密度を増やすことである。ゴムの密 度が増えると、音波のゴム/セラミック境界面における反射が減り、それによっ て、鳴りの間に、より多くのエネルギーが、ゴム層5から、バッキング層52に よって減衰される圧電素子53へ逃げることができる。この方法を用いることに より、トランスデユーサ−を、感度と短作動レンジとについて最適化することが 可能である。The reflection coefficient R is determined by appropriately modifying silicone rubber so that its acoustic impedance becomes piezoelectric. It can be lowered by approaching that of the element. Acoustic properties of materials Impedance is a function of the material density and the propagation velocity of sound waves in the material (at the frequency of interest). given by the product. Therefore, the piezoelectric material is an order of magnitude larger than that of rubber. It has acoustic impedance and reduces the reflection coefficient at the ceramic/rubber interface. One approach to this is to increase the density of the rubber material. rubber density As the temperature increases, the reflection of sound waves at the rubber/ceramic interface decreases, thereby increasing the During the ringing, more energy is transferred from the rubber layer 5 to the backing layer 52. Therefore, it can escape to the piezoelectric element 53 where it is attenuated. Using this method This allows the transducer to be optimized for sensitivity and short working range. It is possible.

上述のように、これまで、整合層の材料として密度lXl0”kgm −”近辺 のシリコーンゴムを採用するのが通例であった(例えば、General El ectric製専売符号GE RTV615のシリコーンゴム)。そのような場 合、ゴム材料を通る超音波の伝搬速度は100100O’であるので、ゴムの音 響インピーダンスは10 ’Rayls近辺である。本発明を具現化する装置に おいては、しかし、ゴムの密度は1.1〜2. I X 10”kgm−”に増 加している、そのため、音響インピーダンスは1.1〜2.1XIO’Rayl sの間に比例して増加している。従って、反射係数は減り、ゴムの効率的性質特 性Q rullI、@rが下がっており、そのためトランスデユーサ−の全性質 特性も下がっている。このような低下した全Qは、装置から12mm以下の距離 に置かれた物体を検出するために、高信頼性でトランスデユーサ−が作動するこ とができるのに十分低い落ち着き時間の値を提供することができる。As mentioned above, until now materials for matching layers have been used with a density around lXl0"kgm-" It was customary to use silicone rubber (for example, General El (Silicone rubber manufactured by ectric with exclusive code GE RTV615). such a place In this case, the propagation speed of the ultrasonic wave through the rubber material is 100100 O', so the sound of the rubber The acoustic impedance is around 10' Rayls. A device embodying the present invention However, the density of the rubber is between 1.1 and 2. IX increased to 10”kgm-” Therefore, the acoustic impedance is 1.1 to 2.1 It increases proportionally during s. Therefore, the reflection coefficient is reduced and the efficient properties of the rubber are The quality Q rul I, @r has decreased, so the overall properties of the transducer Characteristics are also declining. Such a reduced total Q may occur at a distance of 12 mm or less from the device. The transducer operates reliably to detect objects placed in the It is possible to provide settling time values low enough to allow

ゴム整合1の性質をさらに改造することによって、8mm以下というようなさら により短い距離で作動できるトランスデユーサ−を提供することも可能であろう 、と理解される。このような場合、所望の落ち着き時間を達成するには、材料充 填(loadingl (内部減衰を増やすため)と増大されたゴム密度の組合 せを採用することが必要であろう。By further modifying the properties of rubber matching 1, even It would also be possible to provide transducers that can operate over shorter distances. , it is understood. In such cases, material loading may be necessary to achieve the desired settling time. Combination of loadingl (to increase internal damping) and increased rubber density It may be necessary to adopt a

材料特性の注意深いコントロールと変換装置の上述の部分の設計とによって、出 願人は、望ましい短落ち着き時間とともに効率の良い運転が可能なようなトラン スデユーサ−の全Q値をコントロールすることが可能であることを見出した。こ の点において、本発明を具現化する装置が短レンジ検出用途に採用されるときは 、その低減された落ち着き時間のおかげで、検出すべき物体からの装置の最少の 分離もそれに対応して低減され、これによって、作動レンジのロスという、Q値 の低下に従来は伴なっていた不利益は、実際的な困難を意味しないようになる。By careful control of the material properties and the design of the above-mentioned parts of the converter, The applicant seeks to develop a transformer that enables efficient operation with a desirable short settling time. It has been found that it is possible to control the entire Q value of the diffuser. child In this respect, when a device embodying the present invention is employed for short range detection applications, , thanks to its reduced settling time, the minimum distance of the device from the object to be detected. Separation is correspondingly reduced, thereby reducing the Q factor, the loss of operating range. The disadvantages traditionally associated with a decline in

本発明を具現する装置の具体例が、図6及び7を参照しつつさらに詳細に述べら れる。この例において、変換装置は最小レンジ27.5闘にわたって高い信頼性 で作動することを要求される。A specific example of an apparatus embodying the invention will be described in further detail with reference to FIGS. 6 and 7. It will be done. In this example, the converter is highly reliable over a minimum range of 27.5 mm. required to operate.

作動の周波数は、最低0.1mmの径の糸を容易に検出するために十分小さい、 空気中における音波の波長0.33+omを提供するように、1畦Zが選ばれる 。The frequency of actuation is low enough to easily detect threads of diameter down to 0.1 mm. 1 furrow Z is chosen to provide the wavelength of sound waves in the air 0.33+om .

この最小レンジにおいて、音波が物体まで行って帰るのにかかる時間はおよそ1 50LLsである。これは、I MHzにおける振動の150サイクルに対応す る。トランスデユーサ−の振動の振幅が、この数のサイクルにおいて係数5X1 0’ (114dB)で減衰することがめられると仮定すると、上述の式(1) から、Qは36未満でなければならない。At this minimum range, the time it takes for a sound wave to travel to an object and back is approximately 1 It is 50LLs. This corresponds to 150 cycles of vibration at IMHz. Ru. The amplitude of the transducer vibration is increased by a factor of 5X1 in this number of cycles. Assuming that attenuation is expected to occur at 0' (114 dB), the above equation (1) Therefore, Q must be less than 36.

本実施例の装置は、30に近い全Q係数を持つように設計されている。このよう な値は、発信と受信における受容できる効率をもたらすが、しかし、シリコーン ゴムの固有のQ値と比較すると小さい(関心周波数における150のオーダーの )。The device of this example is designed to have a total Q-factor close to 30. like this values yield acceptable efficiency in transmitting and receiving, but silicone small compared to the intrinsic Q value of rubber (of the order of 150 at the frequency of interest). ).

装置50は、通常51の符号で示される、後部に開放された長方形の断面のプラ スチックケーシングを含む。ケーシング51は、その向い合った両端から突出す る各々のタブ60を有する。The device 50 comprises a rectangular cross-section plastic plate, generally designated 51, which is open at the rear. Including stick casing. The casing 51 protrudes from its opposite ends. each tab 60.

突出タブ60の各々は、回路基板のような、それによって装置が支えられるサポ ート部材(図示されず)内の対応する穴に係合するための位置決めピン61を有 する。ビン61とタブ6oは比較的小さい領域であるため、装置とサポートメン バーの間の接触面積は小さく、サポート部材からの装置の良好な音響絶縁をもた らす。これは、寄生的振動の発生を防止するのに望ましい。Each of the protruding tabs 60 supports a support, such as a circuit board, on which the device is supported. It has a locating pin 61 for engaging a corresponding hole in a seat member (not shown). do. Since the bin 61 and tab 6o are relatively small areas, the equipment and support The contact area between the bars is small and provides good acoustic isolation of the device from the support members. Ras. This is desirable to prevent the occurrence of parasitic vibrations.

各々のリブ62が、ケーシング51中をその全高さくFig、 6の平面に対し て垂直)を通じて延びている。Each rib 62 extends within the casing 51 with respect to the plane of FIG. vertically).

ケーシング51には、その前面に、長く伸びる圧電セラミックス素子53がそれ を通って突き出る、狭い長方形のスロット63が形成されている。素子53は、 長さく2)が20.9mm、高さが1mm、そして、厚さが1.5++mである 。素子53の1.5mmの厚さは(高さが1mmのとき)、セラミック材料中に おけるこの周波数(I MHz)の音波の波長がほぼ3龍であるので、およそI  MHzの共鳴周波数を持った構造を提供する。素子の長さは変更されてもよい が、しかし、物体の存在が検圧されるべき領域の望ましい範囲に依拠して遅1パ される。The casing 51 has an elongated piezoelectric ceramic element 53 on its front surface. A narrow rectangular slot 63 is formed projecting through it. The element 53 is The length 2) is 20.9 mm, the height is 1 mm, and the thickness is 1.5++ m. . The thickness of the element 53 is 1.5 mm (when the height is 1 mm). Since the wavelength of the sound wave at this frequency (I MHz) is approximately 3 times, approximately I Provides a structure with a resonant frequency of MHz. Element length may be varied However, the presence of objects may be delayed depending on the desired extent of the area to be detected. be done.

素、453は、好ましくは、ハード(cl、ass 4 )又はソフト(クラス 5)クイズの、商業的に手に入るチタン酸ジルコン酸鉛(leaci zi、r co+iat、p tj、tanate )セラミック素子から造らn、る。チ 5・ンW’;ルコ゛7・酉σ船セラミック材料に適した例は、企業コードP Z  T5 Hの名の元にMorgan k4atrocのVernit、ron  Divisionによって製造される。この材料は、比較的高超音波周波数にお いて高い作動効率を有する。圧電セラミック素子53は、約60の固有性質係数 (naturaJ、 quality factor) QIIIIIILOs 及び、3 X 10 ’Raylsの音響インピーダンスを持っている。453 is preferably hard (cl, ass 4) or soft (class 5) Quiz commercially available lead zirconate titanate co+iat, ptj, tanate) made from ceramic elements. blood An example suitable for ceramic materials is company code PZ. T5 In the name of H Morgan k4atroc's Vernit, ron Manufactured by Division. This material is sensitive to relatively high ultrasonic frequencies. and has high operating efficiency. The piezoceramic element 53 has a characteristic coefficient of approximately 60. (naturaJ, quality factor) QIIIIIILOs and has an acoustic impedance of 3 x 10' Rayls.

各々の前面及び後面電極70と71はセラミック素子53の前面(作動面)及び 後面に形成されている。前面の全長にわたって延びる前面電極7oは、素子の後 面上に接続点を提供するように素子53の一つの端の回りを包んでいる端部72 を有している。Respective front and rear electrodes 70 and 71 are connected to the front (actuation surface) and It is formed on the rear surface. A front electrode 7o extending over the entire length of the front surface is located at the rear of the element. An end 72 that wraps around one end of the element 53 to provide a connection point on the surface. have.

後面電極71は、素子の後面の全長にわたっては延びておらず、むしろ、2つの リブ62の間で約14闘の長さについて延びている。各々の接続ワイヤ55が、 電極70と71のそれらの内側端に接続されている。The rear electrode 71 does not extend the entire length of the rear surface of the element, but rather The ribs 62 extend approximately 14 mm in length. Each connection wire 55 is Connected to their inner ends of electrodes 70 and 71.

ケーシング51の後面内部は、エポキシ樹脂のような合成樹脂のバッキング層5 2によって充たされている。ポリウレタンや他の樹脂が代替的に用いられつる。Inside the rear surface of the casing 51 is a backing layer 5 of synthetic resin such as epoxy resin. It is filled by 2. Polyurethane and other resins may be used alternatively.

適したエポキシ樹脂は、企業所有名”Devcon five−minute’ として知られている。樹脂52は、圧電セラミック素子53の後部を取り囲んで いる。樹脂52は、比較的低いQ値を有し、そして、圧電素子53内での“鳴り ”によるエネルギーを消散させることができるよう、素子53の表面領域に密接 に接続されている。Suitable epoxy resins have the company-owned name “Devcon five-minute” known as. The resin 52 surrounds the rear part of the piezoelectric ceramic element 53. There is. The resin 52 has a relatively low Q value and does not cause "ringing" within the piezoelectric element 53. ” in close contact with the surface area of the element 53 so that the energy caused by the It is connected to the.

ゴム整合層54は前面電極70上に延びている。層54の厚さは、その層を通過 する超音波の波長の%6ご等11.いよう選ばれている。かくして、I MHz の周波数における音波:こと一つで、シリコーンゴム磨54を通過する波の波長 Li:およそj市であ6ので、Yの厚ざは好ましくは約0.25mmである。A rubber matching layer 54 extends over the front electrode 70. The thickness of layer 54 is %6 of the wavelength of the ultrasonic wave, etc.11. It has been chosen. Thus, I MHz Sound wave at the frequency of: simply the wavelength of the wave passing through the silicone rubber polishing 54 Li: Since j is approximately 6, the thickness of Y is preferably about 0.25 mm.

整合N54を形成するための適した材料は、ダウニトーニングによ・って企業所 有コード170の元に製造されている低密度シリコーンゴムである。この実施例 におけるゴムの密度は1 、38 X L O”kgm−11である。Suitable materials for forming matching N54 can be manufactured by down-toning. This is a low-density silicone rubber manufactured under the code 170. This example The density of the rubber in is 1.38×L O”kgm−11.

図6及び7の装置を用いるにあたって、装置は、その存在を監視すべき糸から2 7.5から42.5mmの間の距離におけるサポート部材料上に位置させられる 。装置の発信モードの間は、I MHzの周波数及び38Vの振幅において、3 0の半サイクルパルスのバーストがセラミック圧電素子53に前後面電極70と 71を通じて印加される。素子53の振動は、ついで、受信モードの前に消失さ せられ、引続く受信モードの間、糸から散乱してもどってくる超音波が、変換装 置によって受信され、圧電素子53はそのような受信波に依拠して振動せしめら れ、そして、そのような受信波に従って、接続ワイヤ55間で出力信号を供給す る。In using the apparatus of FIGS. 6 and 7, the apparatus is connected to the threads whose presence is to be monitored. located on the support material at a distance between 7.5 and 42.5 mm . During the transmit mode of the device, at a frequency of I MHz and an amplitude of 38 V, A burst of zero half-cycle pulses causes the ceramic piezoelectric element 53 to connect to the front and rear electrodes 70. 71. The vibration of element 53 then disappears before the receive mode. During the subsequent receive mode, the ultrasound waves scattered from the thread and returned to the transducer are The piezoelectric element 53 vibrates depending on the received waves. and provides an output signal between the connecting wires 55 in accordance with such received waves. Ru.

適切な信号処理回路に接続されるとき、超音波に対するI MHzにおける70 μ■の感度が達成されつる。70 at MHz for ultrasound when connected to a suitable signal processing circuit A sensitivity of μ■ is achieved.

図8(A)と8(B)は、図6.7の変換器の素子53と電極70と71をより 詳細に示す。Figures 8(A) and 8(B) further illustrate the transducer element 53 and electrodes 70 and 71 of Figure 6.7. Show in detail.

前面電極70は、素子53の作動面の全長にわたって延びており、素子53の1 つの端の回りに包み巻かれており、電極70の端部72が、素子53の後面にそ って、1關延びるようになっている。The front electrode 70 extends over the entire length of the active surface of the element 53 and covers one side of the element 53. The end 72 of the electrode 70 is attached to the rear surface of the element 53. So, it seems to be extended by one angle.

後面電極71は、素子53の全長にわたっては延びておらず、素子53の後面の 各々の長さ3mmの部分73と74は、電極71によってカバーされていない。The rear electrode 71 does not extend over the entire length of the element 53, but is located on the rear surface of the element 53. Portions 73 and 74, each 3 mm long, are not covered by electrode 71.

そのような電極構造を用いる理由が図9から11を参照しつつ説明される。The reason for using such an electrode structure will be explained with reference to FIGS. 9 to 11.

図9は、素子81の前後面の全面にわたって延びる各々の前面及び後面電極82 と83を持った長(伸びた圧電素子81を有する変換装置80を採用している典 型的な検出装置の簡略化された図を示す。電気駆動及び受信回路84は電極82 と83に接続されている。FIG. 9 shows front and rear electrodes 82 extending over the entire front and rear surfaces of the element 81. and 83 (a typical example employing a transducer 80 having an extended piezoelectric element 81) 1 shows a simplified diagram of a typical detection device; FIG. Electric drive and reception circuit 84 connects electrode 82 and 83.

監視されるべき糸85は、変換装置8oから小距離dにテンションがかかった状 態に保たれており、装置は、その長手方向軸が糸85の軸に垂直に伸びるように 配置されている。変換装置80から糸85への間隔dは、糸が、装置の近視野( near field)内にあるターゲット位置を占めるような間隔であり、そ の近視野は装置から距離22/4λ延びており、ここで2は素子の長さ、えは放 射された音波の空気中における波長である。The thread 85 to be monitored is placed under tension at a short distance d from the converter 8o. the device is maintained in such a way that its longitudinal axis extends perpendicular to the axis of the thread 85. It is located. The distance d from the conversion device 80 to the thread 85 is such that the thread is in the near field of the device ( The interval is such that it occupies the target position within the The near field extends a distance 22/4λ from the device, where 2 is the length of the element and This is the wavelength of the emitted sound wave in the air.

変換装置80を使用するにあたって、圧電素子81は、超音波信号の発信器及び 受信器の双方として働(。したがって、第1の作動モードにおいて、圧電素子8 1の共鳴周波数に基本的に等しい周波数にある電気駆動信号は、電気駆動及び受 信回路84によって電極82と83に印加される。そのようなパルス信号は、前 後方向に素子81を伸張及び収縮させ、電極82を持った素子81の前(作動) 面が、電気パルス信号に応じて変位させられる。従って、音波が、装置の前面か ら糸85の方向に放射される。In using the transducer 80, the piezoelectric element 81 serves as an ultrasonic signal emitter and Acts both as a receiver (so that in the first mode of operation, the piezoelectric element 8 An electrical drive signal at a frequency essentially equal to the resonant frequency of A signal is applied to electrodes 82 and 83 by a signal circuit 84 . Such a pulse signal The element 81 is expanded and contracted in the rear direction, and the element 81 with the electrode 82 is placed in front of the element 81 (operation). A surface is displaced in response to an electrical pulse signal. Therefore, if the sound waves are in front of the device It is radiated in the direction of the filament 85.

つづいて、第2作動モードにおいて、電気駆動及び受信回路84は、糸85によ って散乱し装M8oの方向へ返ってくる音波の、圧電素子上における衝突(im pingement)に対応して圧電素子81によって生起された電気信号を、 受信するために作動しつるようになる。回路84は、受信信号を解析して、それ らがターゲット領域における糸の存在に合致するか否かを決定する。Subsequently, in the second operating mode, the electric drive and reception circuit 84 is operated by the thread 85. The collision (im the electrical signal generated by the piezoelectric element 81 in response to the Becomes active to receive. Circuit 84 analyzes the received signal and determine whether they match the presence of threads in the target area.

前述のように、実用的な糸検出装置においては、糸の位置が変化しないことを保 証することは通常は可能でない。しかして、図9の糸85の位置は、装置80の 前後方向、及び、装置80の長平方向軸に平行な方向(図9のxxで示されたタ ーゲットラインに沿った)に、しばしば変化する。As mentioned above, in a practical thread detection device, it is necessary to ensure that the thread position does not change. It is usually not possible to prove it. Thus, the position of thread 85 in FIG. In the front-back direction and in the direction parallel to the longitudinal axis of the device 80 (taper indicated by xx in FIG. 9) along the target line).

後者の変化(X X ls沿い)の場合、実用的に、mtxxに沿った異なる位 置に達する超音波の結果的な振幅は、均一ではなく、図1oに図解的に示されて いるように、変わりやすい性質を示す。超音波の最大振幅は、装置8oの長手方 向中央点に真向いの位置において生起される。しかし、図10に示されているよ うに、合成振幅(resultant amplitudelは、中央点からの 距離が増加するにつれ急速に減少し、各々BとCで示されるデッドスポット(d ead 5potlの位置においては、装置8oからの超音波の合成振幅は、点 Aにおける振幅と比較して大いて小さくなっている。点Aからの距離がさらに増 すと、各々D及びEと称される位置においてさらなる最小に落ち込む前に、振幅 は再び上がる。For the latter change (along X The resulting amplitude of the ultrasound waves reaching the position is not uniform and is shown schematically in Figure 1o. It shows a changeable nature. The maximum amplitude of the ultrasonic wave is in the longitudinal direction of the device 8o. It occurs at a position directly opposite the central point. However, as shown in Figure 10 In other words, the resultant amplitude is the amplitude from the center point. The dead spots (d At the position of ead 5potl, the combined amplitude of the ultrasonic wave from the device 8o is at the point The amplitude is much smaller than that at A. The distance from point A further increases. The amplitude then drops to a further minimum at positions called D and E, respectively. rises again.

糸85が、中央位置Aに位置するときには、糸85に達する発信された超音波の 合成振幅はその最高にある。従って、比較的強い反射信号が生起され、その反射 信号は、今度は(in turn1回路84による検出のために有意義な(si gnificantl電気信号を起こす。しかし、図10から明らかなように、 発信された超音波信号の合成振幅は、中央位置Aから糸が遠くへ動くと、急速に 減少するので、検出された電気信号もともに相当に減少する。結局、BとCに近 い位置では、検出された信号は、背景ノイズから識別不能になるであろう。When the thread 85 is located at the center position A, the emitted ultrasonic waves reaching the thread 85 are The composite amplitude is at its highest. Therefore, a relatively strong reflected signal is generated and the reflected The signal is now meaningful (si Generates a gnificantl electrical signal. However, as is clear from Figure 10, The composite amplitude of the emitted ultrasonic signal increases rapidly as the thread moves away from the central position A. As the detected electrical signal decreases, the detected electrical signal also decreases considerably. In the end, it is close to B and C. At low locations, the detected signal will be indistinguishable from the background noise.

かくして、糸を図9の装置を用いて高信頼性で検出できる、線XXに沿った位置 の有用レンジは比較的小さく、変換器の長さβのおそら<10%にすぎないであ ろう。糸を検出するのに、Bと0位1間、及び、CとE位置間では、振幅が十分 にあるという事実は、もしそれがB及びC位置に近い糸を検出することが可能で ないとしたら、たいして実用的な価値はない。Thus, the position along line XX at which the thread can be reliably detected using the apparatus of FIG. The useful range of is relatively small, perhaps only <10% of the transducer length β. Dew. The amplitude is sufficient between B and 0 and 1 and between C and E positions to detect the thread. The fact that If not, it has little practical value.

図1oに示されている振幅変化は、変換器から放射された音波の回折と干渉に起 因する。図9の変換装置においては、装置80の前面上の各点が、小波(wav eletlの点源(paint 5ource)として作用し、各々のそのよう な点源からの波光面(vave front)は球状である。点源から放射され る小波は、原則的に、同じ振動の周波数と振幅とを有しており、それらの振動は 、お互いどうし常に同位相(in phase)にある。これらの源は、それゆ え、コヒーレントな源である。与えられた点におけるそれらの結合された効果は 、関心点における個々の源による変位を代数的に足し合わせることによって得ら れる;これは重ね合せの原理として知られている。The amplitude change shown in Figure 1o is caused by diffraction and interference of the sound waves emitted from the transducer. due to In the converter of FIG. 9, each point on the front surface of the device 80 corresponds to a wavelet (wav Acts as a point source of eletl (paint 5 sources), each such The wave front from a point source is spherical. radiated from a point source In principle, the wavelets have the same frequency and amplitude of vibration, and their vibrations are , are always in phase with each other. These sources are Well, it's a coherent source. Their combined effect at a given point is , obtained by algebraically summing the displacements due to the individual sources at the point of interest. This is known as the principle of superposition.

個々の源から非常に長距離の位置においては、変換器の前面上の各々の個々の源 からその関心位置までの距離は、実質的に同じである(その距離は変換器そのも のの寸法に比較して非常に長い)ので、個々の源からその位置に達する全部の小 波の位相もまた実質的に同じである。そのような遠い位1においては、それゆえ 、変換器は1つの点源とみなしてもよい。At very long distances from the individual sources, each individual source on the front of the transducer the distance from the point of interest to the transducer itself is essentially the same (very long compared to the dimensions of the The phases of the waves are also substantially the same. In such a far place 1, therefore , the transducer may be considered as a point source.

しかし、変換器に近い位置においては、個々の源からその関心位置に達する小波 の各々の位相は、その位置から源までの各々の距離によってお互いにかなり異な る。従って、小波は、ある位置においては(位置A、D及びE)お互いに建設的 に(constructively)干渉し、他の点(例えば図9におけるB及 びC)では破壊的(destructivelylに干渉し、図10に示される 振幅プロフィールを与える。However, at locations close to the transducer, small waves reaching the location of interest from individual sources The phases of each differ considerably from each other depending on their distance from their location to the source. Ru. Therefore, in some positions (positions A, D and E) the waves are constructive to each other. structurally interfere with other points (for example, B and B in FIG. 9). and C) are destructive and interfere with the destructive behavior shown in Figure 10. Gives the amplitude profile.

図9の装置において、糸85は、スペース上の理由、及び、関与する高周波数に おける超音波の減衰が比較的高いため、変換器に比較的近く配置されなければな らない。そのため、変換器が超音波の点源として機能することを保証するに十分 な距離だけ、変換器を糸から離すことはできない。In the device of FIG. 9, the thread 85 is must be located relatively close to the transducer due to the relatively high attenuation of the ultrasound at the No. Therefore, it is sufficient to ensure that the transducer acts as a point source of ultrasound waves. The transducer cannot be separated from the string by a distance of

この問題を軽減するため、図8(A)と8(B)に見られるように、図6と7の 装置の後面電極71は、部分73と74上には延びておらず、その結果、素子5 3の端部によって生起される振動の振幅は、その素子の残りの(中央の)SiJ !域内で生起されるそれよりも小さい。かくして、図6と7の装置の振幅プロフ ィルは、図9の装置80のそれとは基本的に異なる。特に、図11に示されてい るように、振幅の変化はかなり減じられており、そのため、最低点はもはや明瞭 ではない、かくして、中央位置A′の両サイドの第1のペアの最低点(位置B′ 及びC′における)における振幅は、対応する位置、図10のプロフィル中にお ける位置B及びCにおける振幅よりも有意義に大きい。したがって、位置B′及 びC′部においては、これらの位置における振幅が、返って来た波の信頼性ある 検出のために十分なほど大きいので、デッドスポットは生じない。To alleviate this problem, as seen in Figures 8(A) and 8(B), the The rear electrode 71 of the device does not extend over portions 73 and 74, so that element 5 The amplitude of the vibration caused by the edge of 3 is the same as that of the remaining (center) SiJ of the element. ! smaller than that occurring within the area. Thus, the amplitude profile of the devices of Figures 6 and 7 9 is fundamentally different from that of apparatus 80 of FIG. In particular, as shown in FIG. As shown, the change in amplitude has been significantly reduced, so that the lowest point is no longer clear. , thus the lowest point of the first pair on either side of central position A' (position B' and C') at the corresponding positions, the profiles in Fig. 10. is significantly larger than the amplitudes at locations B and C. Therefore, positions B′ and and C', the amplitudes at these locations are reliable It is large enough for detection so no dead spots occur.

か(して、図8(A)及び8(B)に示された特別な電極構造の故に、印加され た電気駆動信号の効果は、装置50の前(作動)面に沿った異なる位置において 異なり、よって、そうでなければターゲットラインXXに添ったい(つかの点に おいて起るであろう破壊的な干渉効果に対抗(counteract) してお り、これによって、糸がその中において高い信頼性で検出される位置の、変換装 置の長さ℃のおよそ70%にわたって延びる有用なレンジを提供する。(Thus, due to the special electrode structure shown in FIGS. 8(A) and 8(B), the applied The effect of the electrical drive signal is that at different locations along the front (actuation) surface of the device 50. Therefore, if not, I would like to follow the target line XX (at a certain point) counteract the destructive interference effects that may occur in This allows the translation device to be positioned within which the thread can be reliably detected. It provides a useful range extending over approximately 70% of the length of the station.

図12から15は、本発明を具現する装置中において用いられる代替的な好まし い素子、及び、それらの随伴する電極の各々の倒立面図である。12 to 15 illustrate alternative preferred embodiments for use in apparatus embodying the invention. FIG. 3 is an inverted view of each of the elements and their associated electrodes;

図12において、圧電素子90は、それの1つの面上に、単一の連続電極91が 設けられており、素子90の反対側の面上の電極構造92は、5つに分離された 互いに間を置いた部分92aから92eによって構成されている。92aから9 2eの各部分は、しかしながら、同じ電気信号を受ける。図8(A)及び8(B )中に示された装置と比較して、図12の装置がより複雑であるが、しかし、振 幅プロフィルのより精巧な制御を提供することは、明らかである。In FIG. 12, piezoelectric element 90 has a single continuous electrode 91 on one side thereof. The electrode structure 92 on the opposite side of the element 90 is separated into five parts. It is constituted by portions 92a to 92e spaced apart from each other. 92a to 9 Each part of 2e, however, receives the same electrical signal. Figures 8(A) and 8(B) ) Compared to the device shown in Figure 12, the device in Figure 12 is more complex; It is clear that it provides finer control of the width profile.

図13(A)の圧電素子100もまた、その1つの面に沿って連続した電極10 1を有しているが、その反対面上には、複数の個別的に駆動される分離された電 極部分102aから102kを有している。部分102aから102にへの各々 の駆動電圧は、図13CB)に示されているように、お互いに異なっている。個 々の電極部分102aかも102には、関係する素子の面上に単一の連続電極を 堆積させた後、その連続電極を線状に削り取る(scribe)ことによって形 成されてもよい。電極101もまた、複数の個々の電極部分として備えられても よい。The piezoelectric element 100 of FIG. 13(A) also has a continuous electrode 10 along one surface thereof. 1, but on the opposite side there are a plurality of individually driven, separated voltages. It has pole portions 102a to 102k. Each of sections 102a to 102 The driving voltages are different from each other, as shown in FIG. 13CB). Individual Each electrode portion 102a or 102 has a single continuous electrode on the face of the associated element. After deposition, the continuous electrode is shaped by scribing it into a line. may be made. Electrode 101 may also be provided as a plurality of individual electrode sections. good.

図14において、またもや、圧電素子110は、1つの面の全長に沿って延びる 単一の連続電極111を有しているが、反対側の面には、誘電体(dielec tric)層112が、第2電極113と素子10との間にはさみ込まれている 。層112の厚さは、素子110の長手方向中央点から両長平方向に遠ざかるに つれて漸次増している。In FIG. 14, the piezoelectric element 110 again extends along the entire length of one surface. It has a single continuous electrode 111 but has a dielectric material on the opposite side. tric) layer 112 is sandwiched between the second electrode 113 and the element 10. . The thickness of the layer 112 increases as the distance from the longitudinal center point of the element 110 increases in both elongated directions. It is gradually increasing.

図15(A)において、裸の圧電素子120は、その対向する両側を各々の第1 及び第2ポーリング(poling)電極121及び122と一時的(temp orarilyl に接触させることによって準備されている。第1ポーリング 電極121は、素子120の全長に沿って延びているが、第2ポーリング電極1 22は、その中央部長手方向領域上を延びているのみである。ポーリング電極1 21及び122は、例えば、導電性ゴムパッドであってよい。例λば2000− 3000Vの直流高電圧が、短い時間、例えば数分間、電極121と122間に 印加され、素子7oの温度はこの時間中におそらく90℃に上昇する。その後、 ポーリング電極121及び122は取去られ、そしてつぎに、図15(B)に示 されるように、全連続電極123と124が素子120の対向する複数面上に載 せられる。図15(B)の素子120を用いる際、素子120のその端部におけ る貧弱なポーリング(poorerpaling)が、好ましい振幅プロフィル を起こす。In FIG. 15(A), the bare piezoelectric element 120 has its opposing sides facing each other. and second poling electrodes 121 and 122 and a temporary (temp) electrode. prepared by contacting with orarilyl. 1st polling The electrode 121 extends along the entire length of the element 120, and the second poling electrode 1 22 only extends over its central longitudinal area. Poling electrode 1 21 and 122 may be conductive rubber pads, for example. Example λ2000- A high DC voltage of 3000V is applied between electrodes 121 and 122 for a short period of time, for example, several minutes. is applied, and the temperature of element 7o rises to perhaps 90° C. during this time. after that, The poling electrodes 121 and 122 are removed and then the electrodes shown in FIG. 15(B) are removed. All continuous electrodes 123 and 124 are mounted on opposing surfaces of element 120 so that be given When using the element 120 of FIG. 15(B), at the end of the element 120, Poor polling is the preferred amplitude profile. wake up

図8(A)及び8 (B) 、そして図12から15に示されている電極構造は 、静電素子(electrostatic elementlのような他の形態 の圧電素子に対しても効果的に応用でき、それらの他の素子の振幅プロフィルが 同様に改変できることは理解されるであろう。The electrode structures shown in Figures 8(A) and 8(B) and in Figures 12 to 15 are , other forms such as electrostatic elements It can also be effectively applied to other piezoelectric elements, and the amplitude profile of those other elements can be It will be understood that similar modifications may be made.

図16から19を参照しつつ以下説明する理由のため、これは長く伸びた圧電素 子の作動面のより狭い寸法である、1.otnmの好ましい高さを変換器は有す る。For reasons explained below with reference to Figures 16 to 19, this is an elongated piezoelectric element. The narrower dimensions of the working surface of the child, 1. The transducer has a preferred height of otnm Ru.

糸は、変換器の垂直視野の遠野領域に位置されるということに注意すべきである 。この領域は、Dを変換器の高さとして、変換器からD” / (4ん)で定め られる距離から始まる。It should be noted that the thread is located in the far field region of the vertical field of view of the transducer. . This area is defined by D”/(4) from the transducer, where D is the height of the transducer. Start from the distance you can reach.

例えば波長先の音を発生する高さDの変換器にとって、発生した音波は、高さD のスリットに当たる平面波によって発生した回折パターンに相当するだろう。そ れは、かくして、Sinθ=λ/D 等式A によって与えられる半角(half angle)θを持った主ローブ(pri mary 1obe) 、及び、図16に見られる多くの二次ローブからなる。For example, for a transducer with a height D that generates sound at a wavelength ahead, the generated sound wave has a height D This would correspond to the diffraction pattern generated by a plane wave hitting the slit. So This is thus, Sinθ=λ/D Equation A The main lobe (pri Mary 1 obe) and many secondary lobes seen in FIG.

音波は、垂直に対してαの角度で配置されている糸3まで進み、そして変換器に 向かって反射される。図16かられかるように、主ローブの振幅は二次ローブの それよりもはるかに大きい。The sound wave travels to the thread 3, which is placed at an angle α to the vertical, and enters the transducer. reflected towards. As can be seen from Fig. 16, the amplitude of the main lobe is the same as that of the secondary lobe. Much bigger than that.

かくして、なんらかの認められつる信号がもし受信されなければならないなら、 主ローブからの音は変換器上に反射して返ってこなければならない。図17から 分るように、域垂直に対してθの角度で枝先面(wave−front)ととも に進むビームの上部区域は、垂直に対してαの角度にある糸3に当たり、ビーム が垂直に対して(2α−〇)の角度で進むように、反射される。この部分のビー ムは、変換器の下2d(α−〇)の高さにおいて、変換器に到達する。ビームが 変換器に当たるためには、この距離は変換器の高さの半分未満でなければならな い。すなわち2d(α−θ) <D/2 述べたように、dは最大42.5mmモしてαは最大10”であってよい。図6 及び7の装置の作動周波数、すなわちI MHzを用いれば、等式Aを用いてθ を置換すれば、これは次を意味する。D<2.0011!l又はD>28mn+ Dが2.0mmより大きい、例えば5mm、ときは、図18に示されているよう に、狭い音の円錐が変換器から生起され、角度10°に置かれた糸3による反射 後に変換器を見失う。Thus, if some recognized signal is to be received, Sound from the main lobe must be reflected back onto the transducer. From Figure 17 As can be seen, with the wave-front at an angle θ with respect to the zone normal, The upper section of the beam, which advances to , hits the thread 3 at an angle α to the vertical is reflected so that it travels at an angle of (2α−〇) with respect to the vertical. Bee in this part The beam reaches the transducer at a height of 2d(α-0) below the transducer. The beam In order to hit the transducer, this distance must be less than half the height of the transducer. stomach. That is, 2d(α−θ)<D/2 As mentioned, d can be up to 42.5 mm and α can be up to 10''. and 7, the operating frequency of the device, i.e. I MHz, then using equation A, θ If we replace , this means: D<2.0011! l or D>28mn+ When D is larger than 2.0 mm, for example 5 mm, as shown in FIG. , a narrow cone of sound is generated from the transducer and reflected by the thread 3 placed at an angle of 10°. Later, I lost track of the converter.

さらなる制限は、破壊的(destructive)な干渉を避けるためには、 返って(る信号の位相は、変換器の表面を横切る1サイクルよりも有意に小さい だけ変化しなけらばならない。それはDαくん 又はαとλを代入して(substitute)D<1.9mm かくして、Dを1.9mm未満に選ぶことによって、糸がその最大角度10’に あるとき、反射したビームは変換器に当り、表面を横切る成分(compone nt)は破壊的には干渉しない、しかし、受信信号振幅を減らすこととなるので 、ビームは発散しすぎ(図19に示されているように)ないことが大切である。A further restriction is that in order to avoid destructive interference, The phase of the signal in return is significantly smaller than one cycle across the surface of the transducer. only has to change. That's Dα-kun Or by substituting α and λ, D<1.9mm Thus, by choosing D to be less than 1.9 mm, the thread can be adjusted to its maximum angle of 10'. At some point, the reflected beam hits the transducer and picks up a component across the surface. nt) will not interfere destructively, but will reduce the received signal amplitude, so , it is important that the beam is not too divergent (as shown in Figure 19).

理解しつるように、変換器(0,5mm高さの)によって生起された広い円錐は 、垂直から角度をもって配置された糸の検出を可能にするが、しかし、反射のわ ずかの部分のみが変換器によって受信されるにすぎない、変換器に落ちる枝先面 の部分よりも半角θをビームが持っていたら、 41θ 41ん 振幅もまたD、開口の寸法、に比例するので、受信された信号の圧力振幅(pr essure amplitude)は:F/G、6゜ 要約書 色抜体Ω菫1 1、あらかじめ定められた位置を横切って長平方向に延びるように支持された糸 状体の存在は: 超音波を、上記あらかじめ定められた位置に向かって、上記糸状体の長手方向軸 に対して横切るように発信し、そして、上記あらかじめ定められた位置から、糸 状体によって反転されたそのような波を監視することによりなる方法によって、 検出される。As can be understood, the wide cone created by the transducer (of 0,5 mm height) is , allows the detection of threads placed at an angle from the vertical, but the reflection A branch tip that falls into a transducer, only a small portion of which is received by the transducer. If the beam has a half angle θ than the part of 41θ 41mm Since the amplitude is also proportional to D, the dimension of the aperture, the pressure amplitude (pr Essure amplitude) is: F/G, 6° abstract Colorless body Omega Sumire 1 1. A thread supported so as to extend in the longitudinal direction across a predetermined position. The existence of a body is: Direct the ultrasound toward the predetermined location along the longitudinal axis of the filament. The thread is sent across from the above predetermined position. By the method consisting of monitoring such waves that are inverted by the body, Detected.

補正書の翻訳文提出書 (特許法第184条の8′!###) 平成5年1月25日Submission of translation of written amendment (Patent Law Article 184-8'!###) January 25, 1993

Claims (10)

【特許請求の範囲】[Claims] 1.あらかじめ定められた位置を横切って長手方向に延びるように支持された糸 状体を検出する方法であって:超音波を、上記あらかじめ定められた位置に向か って、上記糸状体の長手方向軸に対して横切るように発信し、そして、上記あら かじめ定められた位置から、糸状体によって反転(divert back)さ れたそのような波を監視する糸状体の検出方法。1. a thread supported so that it extends longitudinally across a predetermined position A method for detecting a shaped object, the method comprising: directing ultrasonic waves to the predetermined position. , the signal is transmitted transversely to the longitudinal axis of the filament, and the above-mentioned Divert back from a predetermined position by the filament. A method for detecting filaments that monitors such waves. 2.装置のサポート部に関して、あらかじめ定められた位置を横切って長手方向 に延びるように糸状体を支えるための手段、及び、上記サポート部に搭載されて おり、そのようにサポートされたそのような体の長手方向軸に対して横切るよう に、上記あらかじめ定められた位置に向かって超音波を発信するよう作動しうる とともに、その位置から、そのような体によって反転されたそのような波を検出 するようにも作動しうる超音波変換器手段を含む監視手段を含む装置。2. longitudinally across a predetermined position with respect to the support of the device. a means for supporting the filamentous body so as to extend therein; and a means mounted on the support portion; and transverse to the longitudinal axis of such a body so supported the ultrasonic wave to the predetermined location. as well as detecting such waves inverted by such a body from that position Apparatus comprising monitoring means comprising ultrasonic transducer means also operable to 3.音波の波長は、糸状体の径の大きさ(magnitude)のオーダーか、 又はそれより小さい、請求の範囲2記載の装置。3. The wavelength of the sound wave is on the order of the magnitude of the diameter of the filament, or smaller. 4.上記超音波変換手段が、交互に、超音波を発信するとともに、そのような体 から受信したそのような波を検出するように作動しうる単一の超音波変換器を有 する、請求の範囲2又は3記載の装置。4. The ultrasonic converting means alternately transmits ultrasonic waves and has a single ultrasonic transducer operable to detect such waves received from 4. The apparatus according to claim 2 or 3. 5.上記超音波変換手段が、圧電セラミック素子を含む、請求の範囲2、3又は 4記載の装置。5. Claims 2, 3 or 3, wherein the ultrasonic transducing means includes a piezoelectric ceramic element. 4. The device according to 4. 6.上記監視手段が、さらに、上記超音波変換手段によって生起された信号がそ のような反転された波に起因するものか否かを見分けるための電子信号処理回路 を含む、請求の範囲2から5のいずれか1記載の装置。6. Said monitoring means further comprises: a signal generated by said ultrasonic transducing means; An electronic signal processing circuit for distinguishing whether a wave is caused by an inverted wave such as 6. A device according to any one of claims 2 to 5, comprising: 7.上記超音波の周波数が0.8から1.2MHzの範囲内である、請求の範囲 2から6のいずれか1記載の装置。7. Claims wherein the frequency of the ultrasonic waves is within the range of 0.8 to 1.2 MHz. 7. The device according to any one of 2 to 6. 8.上記周波数が実質的に1.0MHzである、請求の範囲7記載の装置。8. 8. The apparatus of claim 7, wherein said frequency is substantially 1.0 MHz. 9.上記糸状体が織機のドローフレームによって支えられている糸である、請求 の範囲2から8のいずれか1記載の装置。9. A claim in which the thread-like body is a thread supported by a draw frame of a loom. The device according to any one of ranges 2 to 8. 10.請求の範囲2から9のいずれか1記載の装置を採用する請求の範囲1記載 の方法。10. Claim 1 employing the device according to any one of Claims 2 to 9 the method of.
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