JPH0772240A - 超音波受波器 - Google Patents

超音波受波器

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JPH0772240A
JPH0772240A JP16728993A JP16728993A JPH0772240A JP H0772240 A JPH0772240 A JP H0772240A JP 16728993 A JP16728993 A JP 16728993A JP 16728993 A JP16728993 A JP 16728993A JP H0772240 A JPH0772240 A JP H0772240A
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ultrasonic
ultrasonic wave
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Chogo Sekine
兆五 関根
Masayoshi Tanaka
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 超音波受波器で受波ビームの掃引を行う場
合、従来の装置では機械的に振るか、電子スキャンを行
っており、高速掃引時に信頼性が低い、高価な電子回路
が必要となる等の問題があった。これを解決する。 【構成】 複合圧電材料を受波ビームが指向性を持つよ
うな形状にして圧電振動子を形成し、微小電極を全面に
配設し、スイッチング回路を切り換えて順次シフトさせ
掃引を行う。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は超音波受波器、さらに詳
しくは超音波ビームの受波方向を任意の方向に高速に掃
引しながら超音波を受波し電気信号に変換する超音波受
波器に関する。
【0002】
【従来の技術】例えば魚群探知などを目的とする超音波
受波器は、鋭い指向性をもって超音波ビームを受波する
ように構成されており、水中の所定領域でビーム掃引
(スキャン)しながら該領域の魚探映像情報を電気信号
として出力する。従来の超音波受波器におけるビーム掃
引は、受波器そのものを機械的に振る、あるいはフェー
ズドアレイ配列を用いた電子スキャンを行わせる、など
の方法が取られている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】従来の超音波受波器は
以上のように、機械的手段あるいは電子スキャンを用い
てビーム掃引を行っており、このため装置が大型で複雑
になる。あるいは高価な回路が必要となる等の問題点が
あった。
【0004】本発明はかかる問題点を解決するためにな
されたものであり、機械的可動部分や複雑な回路を用い
ることなく、任意な方向に高速にビーム掃引が可能な超
音波受波器を得ることを目的としている。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明に係わる超音波受
波器は、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)や圧電ゴム
などの複合圧電材料を用い、且つ、超音波の受波指向性
を持たせて圧電振動子を構成し、この圧電振動子の一方
の電極を微小電極を万遍なく配設した構造とし、各微小
電極をシストしながら適当な数づつ短絡して行き、受波
ビームの掃引を行うこととした。
【0006】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面を用いて説明す
る。図1は本発明の第1の実施例を示す図で、図におい
て、10はポリフッ化ビニリデン(PVDF),圧電ゴ
ムなどの複合圧電材料で形成した圧電振動子で、縦(上
下)方向は円弧または放物線a−a’に沿った湾曲を成
し、横(左右)方向も同様に線b−b’に沿った湾曲を
なし、その厚さを一定とした板状とする。11は圧電振
動子10の外側面に設けられた(−)電極で、例えば薄
い銅箔で形成され、受波出力の(−)側となる。12は
圧電振動子10の内側面に設けられた微小な短冊状の
(+)電極で(以下、これを微小電極と称す)、同様に
薄い銅箔が用いられ、図に示すように微小な隙間13を
開け、X1 ,X2 ,X3 ・・・,XN と一様に配設され
る。14は多接点スイッチで、各微小電極X1 ,X2
3 ・・・,XN それぞれと接続された接点T1 ,T
2 ,T3 ・・・,TN が備えられ、また、これらの接点
の複数個を同時に短絡する短絡子15を有し、例えば接
点T5 〜T8 が短絡子15によって短絡されることで微
小電極X5 〜X8 の出力が短絡され、これらの電極X5
〜X8 は近似的に一枚の板状の放物面又は球面の微小電
極を構成する。
【0007】ポリフッ化ビニリデン(PVDF)などの
複合圧電材料は良く知られているように、高分子マトリ
クス中に大きな自発分極を持つ強誘電体粒子を分散させ
た圧電素子で、誘電体の粒径,粒度,圧電定数,電気機
械結合係数や基材高分子の種類によって、その特性を変
化させることができる。本発明はこのような特性を変化
させることができる複合圧電材料を用い、全体が一つの
圧電振動子でありながら出来るだけ超音波を受波した部
分だけから電圧が取り出せるような特性の複合圧電材料
を選択する。
【0008】次に本実施例では、このような圧電振動子
10を図1に示すように指向性を持たせる形状とする。
すなわち、図2に示すように縦(上下)方向,横(左
右)方向ともに線a−a’,b−b’に沿って湾曲さ
せ、矢印S方向からの超音波はsの位置のみに、M方向
からの超音波はmの位置のみに受波するような形状とす
る。これはビーム角を定めて水中実験によって湾曲率等
を決定すれば良い。
【0009】以上のような構成において多接点スイッチ
14を動作させ、短絡子15をT1→T2 →T3 →・・
・・TN-1 →TN →TN-1 ・・・→と順次ずらすことに
より、ビーム掃引を行う。これにより図2の矢印20に
示すように、ビームが絞れた状態で横(左右)方向の掃
引が可能となる。すなわち、短絡子15が接点T1 ,T
2 付近にあるときはsの位置で矢印S方向からの超音波
のみを受波し、多点スイッチ14が動作するに従って受
波位置が矢印21に沿って移動し、短絡子15が接点T
N-1 ,TN 付近になると、mの位置で矢印Mからの超音
波のみを受波し、短絡子15が折り返すことで、超音波
の受波方向も矢印20に沿って折り返し、ビーム掃引が
行われる。なお、多点スイッチ14に電子スイッチを用
いることで、機械的な動作部分を無くすことができ、且
つ高速掃引が可能となる。また、雑音特性改善のため各
微小電極X1 ,X2 ,・・・の出力に前置増幅器を挿入
しても良い。
【0010】図3,図4は本発明の第2の実施例を説明
するための図であり、図3において、30は図1,図2
の実施例1で説明した超音波振動子、31は超音波振動
子30の内側湾曲面に沿って設けられた球形状の音響レ
ンズであり、上から見た状態を示す。超音波振動子30
は円弧または放物線に沿った湾曲した形状であるため、
厳密に言えばその円弧または放物線の中心(焦点)を通
る超音波(N)と、そこから離れた位置を通る超音波
(O,P)とでは到達時間が異なり、位相のずれが生
じ、そのために指向性が劣化する。本実施例2では、音
響レンズ31を設けることにより、同方向からくる超音
波の位相を同相に近づけ、より鋭い指向性を持たせるこ
ととした。この場合の音響レンズ31は、通常の音響レ
ンズとは異なり、レンズ周辺から中心に向かうにつて
れ、音速が速くなるような音速分布を有する必要があ
る。図4の点線32は音響レンズ31が無い場合、実線
33は音響レンズ31を設けた場合の指向性を示す図で
あり、かなりの改善が行える。
【0011】図5は本発明の第3の実施例を説明するた
めの図であり、図において、50は本実施例における多
接点スイッチである。この多接点スイッチ50は、図1
に示す多接点スイッチ14の短絡子15の替わりに、一
括して動作する独立接点群51を備え、各微小電極ごと
の信号が取り出せるようになっており、取り出したそれ
ぞれの信号は、移相器52〜55で同位相に近づくよう
に調整されてから加算されて出力される。従って、横方
向の指向性をより一層改善することができる。
【0012】図6は本発明の第4の実施例を説明するた
めの図であり、本発明の圧電振動子を図1に示すような
板状ではなく、円筒形状60とし、多接点スイッチをロ
ータリースイッチとしたものであり、このような構成と
することにより、横方向360度の掃引が行えるように
なる。なお、円筒内を水あるいは音響特性が水に近い物
質61を充填し、または円筒内に音響レンズを配設する
ことにより、横方向360度の掃引が行え、しかも指向
性のよい超音波受波器を構成できる。
【0013】図7は本発明の第5の実施例を説明するた
めの図であり、この実施例では本発明の圧電振動子を一
定の厚さの半球状70とし、その外側面に(−)電極7
1を設け、その内側面は、例えば六角形,円形等の微小
チップ状の(+)電極、Y1,Y2 ・・・を微小な隙間
73を開けて全面密に規則正しく配列し、各チップ状の
微小電極それぞれが多接点スイッチと接続されて構成さ
れる。従って、例えば図(C)に示すように、多接点ス
イッチが接点s5 〜s11を短絡する場合、チップ状の微
小電極Y5 〜Y11が導通し、球面内部に近似的に小さな
球面電極が形成されることになり、この切り出された球
面電極と垂直方向に、指向性の強い絞られた細い範囲の
超音波ビームを受波できるようになる。そして、多接点
スイッチを動作させ、順次その位置を換えながら小さな
球面電極を球面内部で万遍に移動させることで、空間の
任意の方向の掃引が可能となり、線方向の掃引だけでな
く、面(エリア)の掃引が行えるようになる。
【0014】なお、上記実施例において、図3に示す音
響レンズを配設する実施例を除き、複合圧電材料の湾曲
面の内側(凹側)を、空気層,独立気泡入りゴムシー
ト,コルクゴム等で遮音して外側に受波感度を持たせ、
ここに受波ビームを合成させ、高速にビーム掃引させる
ことも可能である。さらに、現在得られるこの種の特性
を持つ複合圧電材料は、圧電効率が比較的低く、従って
本発明でも超音波受波器として説明しているが、理論上
は超音波送受波器を構成することも可能である。
【0015】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば超音
波ビームの掃引を単純に微小電極の出力の短絡変更のみ
で実現できるようにしたので、機械的可動部分や複雑な
電気回路を不要とし、低価格で信頼性の高い高速掃引が
可能な装置を構成できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例を示す図である。
【図2】図1に示す第1の実施例の動作を説明するため
の図である。
【図3】本発明の第2の実施例を説明するための図であ
る。
【図4】図3に示す第2の実施例の効果を説明するため
の図である。
【図5】本発明の第3の実施例を説明するための図であ
る。
【図6】本発明の第4の実施例を説明するための図であ
る。
【図7】本発明の第5の実施例を説明するための図であ
る。
【図8】図7に示す第5の実施例の動作を説明するため
の図である。
【符号の説明】
10 圧電振動子 11 外側面電極 12 短冊状の微小電極 13 隙間 14 多接点スイッチ 31 音響レンズ 50 第3の実施例における多接点スイッチ 52〜55 移相器 60 円筒形状の圧電振動子 61 音響特性物質 70 半球状の圧電振動子

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 超音波振動子を形成する材料としてポリ
    フッ化ビニリデン(PVDF)や圧電ゴムなどの複合圧
    電材料を用いる手段、 超音波振動子の形状を超音波受波方向指向性を持たせる
    ため縦方向,横方向とも湾曲させ、厚さを一定とした長
    板状とする手段、 この長板状の超音波振動子の湾曲凹面(内面)に短冊形
    の微小電極を微小間隔を開けて縦長に一様に配設すると
    共に、湾曲凸面(外面)全体にもう一方の電極を設ける
    手段、 上記短冊形の微小電極それぞれと接続される接点を持つ
    多接点スイッチを設け、この多接点スイッチを動作させ
    ることにより、上記短冊形の微小電極の相隣る適当な数
    の電極同士を短絡し、且つ、短絡する電極を1微小電極
    づつ順次シフトさせながら上記もう一方の電極との間で
    超音波ビームの受波方向を掃引しながら受波電圧を得る
    手段、 を備えたことを特徴とする超音波受波器。
  2. 【請求項2】 上記各短冊形の微小電極の出力それぞれ
    に前置増幅器を挿入したことを特徴とする請求項第1項
    記載の超音波受波器。
  3. 【請求項3】 請求項第1項記載の超音波振動子の湾曲
    内面に音響レンズを配設したことを特徴とする超音波受
    波器。
  4. 【請求項4】 請求項第1項記載の多接点スイッチを、
    上記短冊形の微小電極の相隣る適当な数の電極それぞれ
    から別々に信号を取り出し、取り出したそれぞれの信号
    をそれぞれ適当な移相器を介して調整して同相に近づ
    け、これらの信号を加算して出力する構成としたことを
    特徴とする超音波受波器。
  5. 【請求項5】 上記複合圧電材料を用いて形成する圧電
    振動子の形状を円筒形状とし、多接点ロータリースイッ
    チを用いて横方向360度の掃引が可能なように構成し
    たことを特徴とする請求項第1項記載の超音波受波器。
  6. 【請求項6】 請求項第5項記載の円筒内に音響レンズ
    を配設したことを特徴とする超音波受波器。
  7. 【請求項7】 上記複合圧電材料を用いて形成する圧電
    振動子の形状を一定の厚さの半球状とする手段、 この半球状の圧電振動子の内面に微小チップ状の電極を
    微小間隔を開けて全面に規則正しく配設すると共に、こ
    の圧電振動子の外面にもう一方の電極を設ける手段、 上記微小チップ状の電極それぞれと接続される接点を持
    つ多接点スイッチを設け、この多接点スイッチを動作さ
    せることにより、装置を動かすことなく超音波ビームの
    受波方向を所定面(エリア)内を自由に掃引させる手
    段、 を備えたことを特徴とする請求項第1項記載の超音波受
    波器。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009204471A (ja) * 2008-02-28 2009-09-10 Port & Airport Research Institute 音響レンズを用いた映像取得装置
JP5802886B1 (ja) * 2014-11-04 2015-11-04 本多電子株式会社 球状超音波トランスデューサ、水中計測装置
WO2023162276A1 (ja) * 2022-02-28 2023-08-31 本多電子株式会社 超音波送受波器

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WO2023162276A1 (ja) * 2022-02-28 2023-08-31 本多電子株式会社 超音波送受波器

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