JPH0553231B2 - - Google Patents

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５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にダンピングをか
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６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６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７図〜第１０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。

第８図は第７図における圧電膜の近傍の詳細を
示す縦断面図である。

圧電膜１９の上下には接着剤１９ａ，１９ｂを
介して、電極２１ａ，２１ｂが固定され、その上
は保護膜１９ｃ，１９ｄで覆われている。

この他に圧電膜１９に電極２１ａ，２１ｂを形
成するには例えば圧電膜に金属を直接スバツタす
ることにより形成しても良い。

なお、電極２１ａ，２１ｂとリード線２２ａ，
２２ｂとの接続は導電性接着剤が使用される。

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９図、第１０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なるように圧電
膜１９′を円筒形に曲げるとこの伸縮は第１０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f₀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、 f₀＝（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。

また、高分子の圧電膜は膜厚を薄くできるの
で、同一の駆動電圧に対して電界強度Ｅを大きく
でき、セラミツク系の圧電振動子に比べて総合的
な効率が良い利点がある。

＜発明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、以下に
説明する欠点がある。

圧電膜自体はPVDF等で代表されるように弗素
系の高分子材料であり、従つて耐食性は極めて良
好であり、ほとんどの腐蝕ガスに侵されることは
ないが、接着が極めて困難であるので、圧電膜に
電極を形成するときに困難を伴なう。

圧電膜に金属をスパツタして電極を形成する場
合には、スパツタ材料として金などを使用しても
結合が弱いので腐蝕性ガスの浸透あるいは圧電膜
の吸湿などによる伸びにより容易に剥離する欠点
がある。

また、第８図に示す圧電膜の構成で保護膜１９
ｃ，１９ｄ自体の耐食性やこれ等の保護膜１９
ｃ，１９ｄへの腐蝕性ガスの透過により電極２１
ａ，２１ｂの剥離や接着剤１９ａ，１９ｂの剥離
が生じやすい。この剥離が生じると媒質に空気層
が出来てここで反射するので音響変換効率が著し
く低下する。さらに、保護膜１９ｃ，１９ｄと接
着剤１９ａ，１９ｂが圧電膜１９に付加されるの
で、全体として剛性も大きくなり音響変換効率が
低下する欠点がある。

＜問題点を解決するための手段＞ この発明は、以上の問題点を解決するために、
反射傘を介して超音波を測定面に放出しここから
の反射超音波を先の反射傘を介して受信しこの放
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おいて、先
の反射傘の一端に固定され先の反射傘の内部であ
つてその中心軸方向に延長された棒状の保持体
と、高分子の圧電膜の両側にこの圧電膜とは離間
して一対の電極が配置され外側の電極は網目状の
開口部を有する面状の電極として形成されて先の
保持体の外面に固定された圧電膜部とよりなる圧
電膜振動子を具備するようにしたものである。

＜作 用＞ 電極を圧電膜から離して配置し、開口部のある
電極を介して測定面に超音波を送出し、測定面で
反射して戻つた超音波により圧電膜に発生した電
荷による誘導電荷を電極で検出することにより反
射超音波を検出する。

＜実施例＞ 以下、本発明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。

第１図は本発明の基本原理を説明する説明図で
ある。

第１図イは超音波を測定面に送出するときの原
理を示す説明図である。２５はその膜圧がt₁の圧
電膜であり、この圧電膜２５とは離れこれをサン
ドイツチ状に挟む位置に電極２６，２７が配置さ
れている。電極２７は開口部、例えば均一な開口
を持つ金属網で構成されており、これと電極２６
との距離はt₀である。

この電極２６，２７の間に圧電膜２５の厚み共
振周波数を含む高周波の駆動電圧Ｖを駆動電圧源
２８から印加すると、電極２６と２７の間に高周
波の電界が発生する。いま、圧電膜２５の誘電率
をε₁、空間の誘電率をε₀とすれば圧電膜２５に印
加される電界強度E₁は E₁＝Ｖ／｛t₁＋ε₁／ε₀（t₀−t₁）｝ となる。

圧電膜２５はこの電界強度E₁により厚み振動
が起こされ超音波を発生する。この超音波の進行
方向の電極２７は網目状の開口部が設けられてい
るので、超音波はこの網目を回析して測定面に送
出されるので、この電極２７での反射による損失
はきわめて少ない。

第１図ロは超音波を測定面から受波したときの
検出の原理を説明する説明図である。測定面から
受波した超音波の音圧により圧電膜２５が歪み、
これにより電荷±ｑが発生する。この電荷±ｑに
より電極２６，２７に誘導電荷が発生する。この
誘導電荷は電荷増幅器２９で検出され、電圧に変
換されて図示しない変換部で送受波器と測定面の
距離を演算する。

第１図ハは第１図イの送波状態と第１図ロの受
波状態とを合成した状態を説明する説明図であ
る。スイツチ３０を駆動電圧線２８側と電荷増幅
器２９側とに切り換えて送波状態と受波状態とを
切り換える。

なお、第１図において超音波の送受波の方向は
図の上方としたが、下方も必要とする場合は電極
２６も開口しておく必要がある。開口は全体が均
一であることが好ましい。

第２図は本発明の具体的な１実施例であるが、
圧電膜の近傍を除いて第１図に示す送受波器とほ
ぼ同じである。

反射傘１４の内部には保持体３１の側面には圧
電膜部３２が形成され、この圧電膜部３２からリ
ード線３３ａ，３３ｂが引き出されている。

第３図は第１図に示す圧電膜部の近傍の詳細を
示す部分断面図である。

保持体３１の周面に形成された凹部には、最外
部に均一に開口した網で形成される電極３４が圧
電膜３５と絶縁性の枠３６を介して例えば絶縁性
のネジなどで固定され、さらに電極３７も同じく
絶縁性の枠３８を介して圧電膜３５に固定される
と共に保持体３１にも固定されている。

これ等の電極３４，３７は耐食性の観点から例
えばステンレス鋼あるいはハステロイＣなどを用
いる。

第４図は第３図における圧電膜部の構成を示す
射視図である。電極３４、枠３６、圧電膜３５、
枠３８および電極３７をこの順序で重ね合わせて
圧電膜部３２を形成する。そして、電極３４と圧
電膜３５との間隔、電極３７と圧電膜３５との間
隔はそれぞれ枠３６と３８の厚さで決定する。

＜発明の効果＞ 以上、実施例と共に具体的に説明したように本
発明によれば、圧電膜と電極とに対して間隔を取
つた状態で超音波を送出し或いは受信するので、
圧電膜と電極との間の剥離の問題がなくなり、腐
蝕性のガスの中で使用しても長寿命を維持でき、
また腐蝕に基づく音響変換効率の低下を招くこと
もない。

さらに、電極とリード線の接続に際してもこれ
等を間の溶接で接続することができるので、高い
信頼性が維持できる。

また、本発明は圧電膜に接着剤のような剛性を
高める要素を持たないので、音響変換効率も向上
する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理を説明する説明図、第２
図は本発明の１実施例を示す縦断面図、第３図は
第２図に示す送受波器の要部を説明する部分断面
図、第４図は第３図における圧電膜部の構成を説
明する説明図、第５図は従来の送受波器の構成を
示す縦断面図、第６図は第５図に示す送受波器の
超音波の放射を説明する説明図、第７図は従来の
第２の送受波器の構成を示す縦断面図、第８図は
第７図における圧電膜の近傍の構成を詳細に説明
する縦断面図、第９図、第１０図は第７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、１６，３１…保持体、１９，２５，３５…圧
電膜、２６，２７，３４，３７…電極、２８…駆
動電圧源、２９…電荷増幅器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 反射傘を介して超音波を測定面に放出しここ
   からの反射超音波を前記反射傘を介して受信しこ
   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おい
   て、 前記反射傘の一端に固定され前記反射傘の内部
   であつてその中心軸方向に延長された棒状の保持
   体と、高分子の圧電膜の両側にこの圧電膜とは離
   間して一対の電極が配置され外側の電極は網目状
   の開口部を有する面状の電極として形成されて前
   記保持体の外面に固定された圧電膜部とよりなる
   圧電膜振動子を 具備することを特徴とする超音波距離計の送受波
   器。