JPH08195998A - 可搬型超音波水中センサ - Google Patents
可搬型超音波水中センサInfo
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- JPH08195998A JPH08195998A JP7022323A JP2232395A JPH08195998A JP H08195998 A JPH08195998 A JP H08195998A JP 7022323 A JP7022323 A JP 7022323A JP 2232395 A JP2232395 A JP 2232395A JP H08195998 A JPH08195998 A JP H08195998A
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
- G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G10K9/00—Devices in which sound is produced by vibrating a diaphragm or analogous element, e.g. fog horns, vehicle hooters or buzzers
- G10K9/12—Devices in which sound is produced by vibrating a diaphragm or analogous element, e.g. fog horns, vehicle hooters or buzzers electrically operated
- G10K9/122—Devices in which sound is produced by vibrating a diaphragm or analogous element, e.g. fog horns, vehicle hooters or buzzers electrically operated using piezoelectric driving means
-
- G—PHYSICS
- G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
- G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G10K9/00—Devices in which sound is produced by vibrating a diaphragm or analogous element, e.g. fog horns, vehicle hooters or buzzers
- G10K9/18—Details, e.g. bulbs, pumps, pistons, switches or casings
- G10K9/20—Sounding members
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
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- Acoustics & Sound (AREA)
- Multimedia (AREA)
- Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
- Piezo-Electric Transducers For Audible Bands (AREA)
- Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 高効率で小型軽量、堅固、安価な可搬型超音
波水中センサを提供すること。 【構成】 可搬型超音波水中センサ１５において、収納
ケース２２が円筒２４と円錐台２５を軸対称で一体に形
成されて振動体２２Ａを構成し、振動体２２Ａの円錐台
２５の裏面中心に圧電素子２１の中心を合わせて接着
し、円錐台２５の中心のたわみ振動が最大振幅となる振
動モードで振動体２２Ａの全体が共振し、振動体２２Ａ
の外側面の振動の節線上に振動体２２Ａの保持手段を設
置してなるもの。
波水中センサを提供すること。 【構成】 可搬型超音波水中センサ１５において、収納
ケース２２が円筒２４と円錐台２５を軸対称で一体に形
成されて振動体２２Ａを構成し、振動体２２Ａの円錐台
２５の裏面中心に圧電素子２１の中心を合わせて接着
し、円錐台２５の中心のたわみ振動が最大振幅となる振
動モードで振動体２２Ａの全体が共振し、振動体２２Ａ
の外側面の振動の節線上に振動体２２Ａの保持手段を設
置してなるもの。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、ダイバーや海中基地間
の交信のための超音波送受信器として用いて好適な可搬
型超音波水中センサに関する。
の交信のための超音波送受信器として用いて好適な可搬
型超音波水中センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、超音波水中センサとして、(a) 円
柱型圧電振動子の前面に送受波面を配置した厚み振動型
超音波水中センサと、(b) 円筒型圧電振動子に外接し中
心軸を共有する送受波面を配置した径方向振動型超音波
水中センサがある。
柱型圧電振動子の前面に送受波面を配置した厚み振動型
超音波水中センサと、(b) 円筒型圧電振動子に外接し中
心軸を共有する送受波面を配置した径方向振動型超音波
水中センサがある。
【０００３】（厚み振動型超音波水中センサ）（図８） 図８に従来の厚み振動型超音波水中センサ３０の断面図
を示す。センサ３０は、厚み振動ランジュバン型振動子
３１を収納ケース３２に収納して構成される。厚み振動
ランジュバン型振動子３１は、圧電素子３１Ａ、前面体
３１Ｂ、背面体３１Ｃから構成されている。収納ケース
３２は、振動子３１の放射面を含み、通常液と振動子３
１との整合をとり易い材質（ウレタンゴム等）で構成さ
れている。３３Ａ、３３Ｂは振動子３１の駆動用導線で
ある。３４は収納ケース３２の密閉用の蓋である。収納
ケース３２の放射面からの超音波は矢印３５の方向に放
射される。
を示す。センサ３０は、厚み振動ランジュバン型振動子
３１を収納ケース３２に収納して構成される。厚み振動
ランジュバン型振動子３１は、圧電素子３１Ａ、前面体
３１Ｂ、背面体３１Ｃから構成されている。収納ケース
３２は、振動子３１の放射面を含み、通常液と振動子３
１との整合をとり易い材質（ウレタンゴム等）で構成さ
れている。３３Ａ、３３Ｂは振動子３１の駆動用導線で
ある。３４は収納ケース３２の密閉用の蓋である。収納
ケース３２の放射面からの超音波は矢印３５の方向に放
射される。
【０００４】尚、３６は振動子３１の縦振動モードであ
る。振動子３１の厚みは、縦振動モード３６と対応し、
共振周波数においてその総合厚みが半波長に等しくなる
ように設計される。縦共振周波数が 33KHz、前面体３１
Ｂと背面体３１ＣがSUS316からなる場合、振動子３１の
総合厚みは約80mmとなる。
る。振動子３１の厚みは、縦振動モード３６と対応し、
共振周波数においてその総合厚みが半波長に等しくなる
ように設計される。縦共振周波数が 33KHz、前面体３１
Ｂと背面体３１ＣがSUS316からなる場合、振動子３１の
総合厚みは約80mmとなる。
【０００５】（径方向振動型超音波水中センサ）（図
９） 図９に従来の径方向振動型超音波水中センサ４０の断面
図を示す。径方向振動型超音波水中センサ４０は、円筒
型径方向圧電振動子４１を収納ケース４２に収納して構
成される。収納ケース４２は、振動子４１の放射面を含
み、厚み振動型超音波水中センサ３０の収納ケース３２
におけると同様に、通常液と振動子４１との整合をとり
易い材質（ウレタンゴム等）で構成されている。４３
Ａ、４３Ｂは振動子４１の駆動用導線である。４４は収
納ケース４２の密閉用の蓋である。振動子４１と収納ケ
ース４２は中心軸を共有し、振動子４１が中心軸に垂直
な方向に径方向振動するため、放射面からの超音波は矢
印４５の方向に放射される。
９） 図９に従来の径方向振動型超音波水中センサ４０の断面
図を示す。径方向振動型超音波水中センサ４０は、円筒
型径方向圧電振動子４１を収納ケース４２に収納して構
成される。収納ケース４２は、振動子４１の放射面を含
み、厚み振動型超音波水中センサ３０の収納ケース３２
におけると同様に、通常液と振動子４１との整合をとり
易い材質（ウレタンゴム等）で構成されている。４３
Ａ、４３Ｂは振動子４１の駆動用導線である。４４は収
納ケース４２の密閉用の蓋である。振動子４１と収納ケ
ース４２は中心軸を共有し、振動子４１が中心軸に垂直
な方向に径方向振動するため、放射面からの超音波は矢
印４５の方向に放射される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】然しながら、従来の厚
み振動型超音波水中センサ３２は、下記、の問題点
がある。 厚み振動ランジュバン型振動子３１の厚みを共振周波
数の半波長に合致させるため、前述の如く例えば約80mm
の如くになり、センサ形状が重厚長大となり、可搬性に
欠ける。
み振動型超音波水中センサ３２は、下記、の問題点
がある。 厚み振動ランジュバン型振動子３１の厚みを共振周波
数の半波長に合致させるため、前述の如く例えば約80mm
の如くになり、センサ形状が重厚長大となり、可搬性に
欠ける。
【０００７】振動子３１が厚肉になるから、高価であ
る。
る。
【０００８】また、従来の径方向振動型超音波水中セン
サ４０は、小型軽量で可搬性に富むが、下記、の問
題点がある。 収納ケース４２が薄肉のウレタンゴム等から構成され
ていて落下等の衝撃により変形し易いために振動子４１
を十分に保護できず、落下等の衝撃に対して振動子４１
の破壊を惹起する虞れがある。
サ４０は、小型軽量で可搬性に富むが、下記、の問
題点がある。 収納ケース４２が薄肉のウレタンゴム等から構成され
ていて落下等の衝撃により変形し易いために振動子４１
を十分に保護できず、落下等の衝撃に対して振動子４１
の破壊を惹起する虞れがある。
【０００９】振動子４１が円筒状であり、高価であ
る。尚、超音波水中センサにあっては、高効率で消費電
力を低減できることが望まれる。
る。尚、超音波水中センサにあっては、高効率で消費電
力を低減できることが望まれる。
【００１０】本発明は、高効率で小型軽量、堅固、安価
な可搬型超音波水中センサを提供することを目的とす
る。
な可搬型超音波水中センサを提供することを目的とす
る。
【００１１】
【課題を解決するための手段】請求項１に記載の本発明
は、圧電素子を収納ケースに収納してなる可搬型超音波
水中センサにおいて、前記収納ケースが円筒と円錐台を
軸対称で一体に形成されて振動体を構成し、該振動体の
円錐台の裏面中心に前記圧電素子の中心を合わせて接着
し、該円錐台の中心のたわみ振動が最大振幅となる振動
モードで該振動体の全体が共振し、該振動体外側面の振
動の節線上に該振動体の保持手段を設置するようにした
ものである。
は、圧電素子を収納ケースに収納してなる可搬型超音波
水中センサにおいて、前記収納ケースが円筒と円錐台を
軸対称で一体に形成されて振動体を構成し、該振動体の
円錐台の裏面中心に前記圧電素子の中心を合わせて接着
し、該円錐台の中心のたわみ振動が最大振幅となる振動
モードで該振動体の全体が共振し、該振動体外側面の振
動の節線上に該振動体の保持手段を設置するようにした
ものである。
【００１２】請求項２に記載の本発明は、請求項１に記
載の本発明において更に、前記振動体が、円錐台の頂角
を90度とし、円錐台の厚みを円筒の厚みと等しくしてな
るようにしたものである
載の本発明において更に、前記振動体が、円錐台の頂角
を90度とし、円錐台の厚みを円筒の厚みと等しくしてな
るようにしたものである
【００１３】請求項３に記載の本発明は、請求項１又は
２に記載の本発明において更に、前記振動体に、該振動
体の制動キャパシタンス消去用のＮＩＣ（負性イミタン
ス変換器）を装着したものである。
２に記載の本発明において更に、前記振動体に、該振動
体の制動キャパシタンス消去用のＮＩＣ（負性イミタン
ス変換器）を装着したものである。
【００１４】
【作用】請求項１に記載の本発明によれば下記〜の
作用がある。 圧電素子の収納ケース全体を、弾性体のたわみ振動モ
ードの共振体で構成したため、超音波共振周波数（キャ
リア周波数＋音声による変調周波数）を、円錐台の厚み
と円錐台の底面径及び頂面径、並びに円筒の高さと円筒
の内外径の調整によって同調可能で、小型、軽量化を達
成できる。
作用がある。 圧電素子の収納ケース全体を、弾性体のたわみ振動モ
ードの共振体で構成したため、超音波共振周波数（キャ
リア周波数＋音声による変調周波数）を、円錐台の厚み
と円錐台の底面径及び頂面径、並びに円筒の高さと円筒
の内外径の調整によって同調可能で、小型、軽量化を達
成できる。
【００１５】圧電素子は円錐台の厚みに比して薄い板
状体にて構成されるため、落下等の衝撃に対し堅固とな
る。
状体にて構成されるため、落下等の衝撃に対し堅固とな
る。
【００１６】尚、収納ケースがSUS 等の金属、もしくは
エンジニアリングプラスチックから構成される場合に
は、落下等の衝撃に対して変形せずに圧電素子を十分に
保護するものとなり、落下等の衝撃に対し、より堅固と
なる。
エンジニアリングプラスチックから構成される場合に
は、落下等の衝撃に対して変形せずに圧電素子を十分に
保護するものとなり、落下等の衝撃に対し、より堅固と
なる。
【００１７】圧電素子が薄肉で、かつ単純形状の板状
体にて構成されるから、安価となる。
体にて構成されるから、安価となる。
【００１８】振動体全体がたわみ振動モードで共振す
るため、円筒の振動が円錐台（送受波面をもつ）の振動
を加速する効果がある。また、振動体の保持手段は、振
動体の振動の節（振動しない部分）を支持するため、支
持部分での振動摩擦損失を発生しない。従って、センサ
は高効率で、低消費電力になる。
るため、円筒の振動が円錐台（送受波面をもつ）の振動
を加速する効果がある。また、振動体の保持手段は、振
動体の振動の節（振動しない部分）を支持するため、支
持部分での振動摩擦損失を発生しない。従って、センサ
は高効率で、低消費電力になる。
【００１９】請求項２に記載の本発明によれば下記の
作用がある。 振動体の最適たわみ振動共振モードは、共振周波数で
円錐台の（送受波面の）中心のたわみ振動が最大振幅と
なるように、振動体の形状を有限要素法で求め、実際に
試作して確認する。このとき、円錐台の頂角を90度と
し、円錐台の厚みと円筒の厚みとを等しくした振動体
は、円板のたわみ振動からの類推が可能であり、変数が
少なく、実測値と有限要素法によるシミュレーションと
が良く合致し、感度良好な超音波水中センサを容易に得
ることができる。
作用がある。 振動体の最適たわみ振動共振モードは、共振周波数で
円錐台の（送受波面の）中心のたわみ振動が最大振幅と
なるように、振動体の形状を有限要素法で求め、実際に
試作して確認する。このとき、円錐台の頂角を90度と
し、円錐台の厚みと円筒の厚みとを等しくした振動体
は、円板のたわみ振動からの類推が可能であり、変数が
少なく、実測値と有限要素法によるシミュレーションと
が良く合致し、感度良好な超音波水中センサを容易に得
ることができる。
【００２０】請求項３に記載の本発明によれば下記の
作用がある。 圧電素子を薄い板状体にしたときの振動体の制動キャ
パシタンスによる受波感度の低減は、振動体にＮＩＣ
（負性イミタンス変換器）を接続することにより防止で
きる。
作用がある。 圧電素子を薄い板状体にしたときの振動体の制動キャ
パシタンスによる受波感度の低減は、振動体にＮＩＣ
（負性イミタンス変換器）を接続することにより防止で
きる。
【００２１】
【実施例】図１は本発明に係る可搬型超音波水中センサ
の一例を示す断面図、図２は水中通信機の一例を示すブ
ロック図、図３は本発明の振動体の等価回路図、図４は
本発明の受信波検出回路図、図５はＮＩＣの例を示す回
路図、図６は受信機の受信時の動作モデル、図７は受信
機の入力信号と出力信号を示す模式図である。
の一例を示す断面図、図２は水中通信機の一例を示すブ
ロック図、図３は本発明の振動体の等価回路図、図４は
本発明の受信波検出回路図、図５はＮＩＣの例を示す回
路図、図６は受信機の受信時の動作モデル、図７は受信
機の入力信号と出力信号を示す模式図である。
【００２２】超音波水中受信機１０は、図２に示す如
く、耐水圧ケース１１内に超音波送受波用電子回路１２
を収納し、該ケース１１にマイクロフォン１３、スピー
カ１４、本発明の超音波水中センサ１５（送受信器）を
一体的に取付けて構成されている。超音波送受波用電子
回路１２は、例えば、特開平3-68226 号公報に記載の構
成を採用できる。
く、耐水圧ケース１１内に超音波送受波用電子回路１２
を収納し、該ケース１１にマイクロフォン１３、スピー
カ１４、本発明の超音波水中センサ１５（送受信器）を
一体的に取付けて構成されている。超音波送受波用電子
回路１２は、例えば、特開平3-68226 号公報に記載の構
成を採用できる。
【００２３】然るに、超音波水中センサ１５は、図１に
示す如く、圧電素子２１を収納ケース２２に収納して構
成される。２３は収納ケース２２の密閉用の蓋である。
２１Ａ、２１Ｂは圧電素子２１の駆動用導線である。
示す如く、圧電素子２１を収納ケース２２に収納して構
成される。２３は収納ケース２２の密閉用の蓋である。
２１Ａ、２１Ｂは圧電素子２１の駆動用導線である。
【００２４】このとき、収納ケース２２は円筒２４と円
錐台２５を軸対称で一体に形成されて振動体２２Ａを構
成する。収納ケース２２は、SUS 等の金属、もしくはエ
ンジニアリングプラスチック等で構成される。
錐台２５を軸対称で一体に形成されて振動体２２Ａを構
成する。収納ケース２２は、SUS 等の金属、もしくはエ
ンジニアリングプラスチック等で構成される。
【００２５】超音波水中センサ１５は、振動体２２Ａの
円錐台２５の裏面中心に圧電素子２１の中心を合わせて
接着し、該円錐台２５の（送受波面の）中心のたわみ振
動が最大振幅となる振動モードで、振動体２２Ａの全体
が共振するように構成される。図１において、２６は振
動体２２Ａの最適たわみ振動共振モード、２７Ａ、２７
Ｂ、２７Ｃは最適たわみ振動共振モード２６の振動の節
である。超音波は液中に矢印２８の方向に放射される。
即ち、超音波水中センサ１５にあっては、最適たわみ振
動共振モード２６が目的とする周波数（キャリア周波数
＋音声による変調周波数）で、円錐台２５の中心が最大
たわみ振動振幅となるように、振動体２２Ａの形状を有
限要素法で求め、実際に試作して確認する。
円錐台２５の裏面中心に圧電素子２１の中心を合わせて
接着し、該円錐台２５の（送受波面の）中心のたわみ振
動が最大振幅となる振動モードで、振動体２２Ａの全体
が共振するように構成される。図１において、２６は振
動体２２Ａの最適たわみ振動共振モード、２７Ａ、２７
Ｂ、２７Ｃは最適たわみ振動共振モード２６の振動の節
である。超音波は液中に矢印２８の方向に放射される。
即ち、超音波水中センサ１５にあっては、最適たわみ振
動共振モード２６が目的とする周波数（キャリア周波数
＋音声による変調周波数）で、円錐台２５の中心が最大
たわみ振動振幅となるように、振動体２２Ａの形状を有
限要素法で求め、実際に試作して確認する。
【００２６】超音波水中センサ１５は、振動体２２Ａの
保持手段を振動の節部のうち、実用的には節２７Ａ、２
７Ｂを支持すれば良いが、本実施例では、節２７Ｂに凹
部を設け、この凹部に嵌着したＯリング２９を介して蓋
２３に据え付けることとしている。
保持手段を振動の節部のうち、実用的には節２７Ａ、２
７Ｂを支持すれば良いが、本実施例では、節２７Ｂに凹
部を設け、この凹部に嵌着したＯリング２９を介して蓋
２３に据え付けることとしている。
【００２７】ここで、超音波水中センサ１５において、
円錐台２５の頂角を90度とし、その厚みを円筒２４の厚
みと等しくした振動体２２Ａは、円板のたわみ振動から
の類推が可能であり、変数が少なく、実測値と有限要素
法によるシミュレーションが以下のように良く合致し、
感度良好な超音波水中センサを得ることができる。
円錐台２５の頂角を90度とし、その厚みを円筒２４の厚
みと等しくした振動体２２Ａは、円板のたわみ振動から
の類推が可能であり、変数が少なく、実測値と有限要素
法によるシミュレーションが以下のように良く合致し、
感度良好な超音波水中センサを得ることができる。
【００２８】即ち、超音波水中センサ１５において、振
動体２２Ａの材質をSUS316、円錐台２５と円筒２４の厚
みを4mm 、円錐台２５の外径を32mm、円筒２４の長さを
13mm、圧電素子２１の直径と厚みをそれぞれ10mm、0.5m
m とした場合、有限要素法による共振周波数は33.5KHz
、試作実測値は34.5KHz であった。この超音波水中セ
ンサ１５の水中 1ｍでの送受波感度は約−50dBが得られ
た。
動体２２Ａの材質をSUS316、円錐台２５と円筒２４の厚
みを4mm 、円錐台２５の外径を32mm、円筒２４の長さを
13mm、圧電素子２１の直径と厚みをそれぞれ10mm、0.5m
m とした場合、有限要素法による共振周波数は33.5KHz
、試作実測値は34.5KHz であった。この超音波水中セ
ンサ１５の水中 1ｍでの送受波感度は約−50dBが得られ
た。
【００２９】次に、超音波水中センサ１５の送受波感度
を増大する受信波検出回路の構成について説明する。図
３は超音波水中センサ１５における振動体２２Ａの等価
回路である。
を増大する受信波検出回路の構成について説明する。図
３は超音波水中センサ１５における振動体２２Ａの等価
回路である。
【００３０】図において、Ｃｄは振動体制動キャパシタ
ンス、Ｌｍは振動体等価インダクタンス、Ｃｍは振動体
等価キャパシタンス、ｒｍは振動体等価抵抗である。振
動体等価質量をＭ、振動体等価スチフネスをＳ、振動体
等価機械抵抗をＲM 、振動体の力係数をＡとすれば、Ｌ
ｍ、Ｃｍ、ｒｍ、はそれぞれ次式で与えられる。
ンス、Ｌｍは振動体等価インダクタンス、Ｃｍは振動体
等価キャパシタンス、ｒｍは振動体等価抵抗である。振
動体等価質量をＭ、振動体等価スチフネスをＳ、振動体
等価機械抵抗をＲM 、振動体の力係数をＡとすれば、Ｌ
ｍ、Ｃｍ、ｒｍ、はそれぞれ次式で与えられる。
【００３１】Ｌｍ＝Ｍ／Ａ2 、Ｃｍ＝Ａ2 ／Ｓ、ｒｍ＝
ＲM ／Ａ2 。そして、振動体２２Ａの制動キャパシタン
スＣｄは、圧電素子２１の表面積に比例し、厚みに反比
例する。このため、本発明のたわみ振動用圧電素子２１
のように薄い板状体が適用される場合、Ｃｄが大容量と
なる。受信電圧はＣｄに反比例するため、Ｃｄが増大す
ると受信感度は低下する。
ＲM ／Ａ2 。そして、振動体２２Ａの制動キャパシタン
スＣｄは、圧電素子２１の表面積に比例し、厚みに反比
例する。このため、本発明のたわみ振動用圧電素子２１
のように薄い板状体が適用される場合、Ｃｄが大容量と
なる。受信電圧はＣｄに反比例するため、Ｃｄが増大す
ると受信感度は低下する。
【００３２】そこで、本発明にあっては、図４に示す如
く、振動体２２Ａに、振動体２２Ａの制動キャパシタン
スＣｄ消去用のＮＩＣ（負性イミタンス変換器）を装着
し、上述の受信感度の低減を防止することとした。図４
は受信波検出回路図であり、振動体２２Ａとその出力を
増幅するための前置信号増幅器ＡＭＰとの間にＮＩＣを
挿入し、振動体２２Ａの制動インピーダンス及び振動体
２２Ａの負荷アドミッタンスのうち、ＮＩＣアドミッタ
ンスを除いたアドミッタンスの和等、即ち振動体２２Ａ
の制動に障害となるアドミッタンス成分をＮＩＣの負荷
回路の等価並列抵抗又は等価並列容量を調整することに
よって発生させられた負性アドミッタンスにより相殺す
るものである。尚、ｒ0 は抵抗である。
く、振動体２２Ａに、振動体２２Ａの制動キャパシタン
スＣｄ消去用のＮＩＣ（負性イミタンス変換器）を装着
し、上述の受信感度の低減を防止することとした。図４
は受信波検出回路図であり、振動体２２Ａとその出力を
増幅するための前置信号増幅器ＡＭＰとの間にＮＩＣを
挿入し、振動体２２Ａの制動インピーダンス及び振動体
２２Ａの負荷アドミッタンスのうち、ＮＩＣアドミッタ
ンスを除いたアドミッタンスの和等、即ち振動体２２Ａ
の制動に障害となるアドミッタンス成分をＮＩＣの負荷
回路の等価並列抵抗又は等価並列容量を調整することに
よって発生させられた負性アドミッタンスにより相殺す
るものである。尚、ｒ0 は抵抗である。
【００３３】図５はＮＩＣの例を示す回路図である。端
子ａ−ａ’から見たＮＩＣの入力アドミッタンスをＹN
ｉ、端子ｂ−ｂ’に接続されたアドミッタンスＹL との
間には次式の関係が成立する。
子ａ−ａ’から見たＮＩＣの入力アドミッタンスをＹN
ｉ、端子ｂ−ｂ’に接続されたアドミッタンスＹL との
間には次式の関係が成立する。
【００３４】 ＹN ｉ＝−ＫＹL … (1) ここにおいて、Ｋは同ＮＩＣの回路定数により定まる正
の定数である。
の定数である。
【００３５】ＮＩＣはその回路構成上開放安定型ＮＩＣ
と短絡安定型ＮＩＣの２つの方式に大別できる。図示の
ＮＩＣは後者に属する。
と短絡安定型ＮＩＣの２つの方式に大別できる。図示の
ＮＩＣは後者に属する。
【００３６】次に、本発明方法に従って構成した前記超
音波水中センサ１５の受信時における制動効果について
説明する。
音波水中センサ１５の受信時における制動効果について
説明する。
【００３７】図６は前記超音波水中センサ１５の受信時
の動作モデルを示す。このモデルにおいて電気機械変換
の基本式は次式で表わされる。
の動作モデルを示す。このモデルにおいて電気機械変換
の基本式は次式で表わされる。
【数１】
【００３８】上式より超音波水中センサ１５の受信出力
Ｖは(2) 式でＩ＝０により(3) 式で表わされる。
Ｖは(2) 式でＩ＝０により(3) 式で表わされる。
【００３９】 Ｖ＝−（Ｆ／Ａ）・Ｙｍ／（Ｙｍ＋Ｙｏ＋Ｙｄ） …(3)
【００４０】図６において点線に囲まれた部分は受信時
の振動体２２Ａの等価回路、Ｖは超音波水中センサ１５
の出力電圧である。
の振動体２２Ａの等価回路、Ｖは超音波水中センサ１５
の出力電圧である。
【００４１】受信時の出力電圧の応答を検討するため
に、図６に基づいてＶを求めるラプラス変換を行なうと
次式(4) となる。
に、図６に基づいてＶを求めるラプラス変換を行なうと
次式(4) となる。
【数２】
【００４２】今図６のＹｏのアドミッタンスをＹ' ｏ
（ｓ）とすると、ＹｏはＹ' ｏ（ｓ）とＮＩＣのアドミ
ッタンスＹN ｉ（ｓ）として(5) 式で与えられ、これに
より(4) 式は(6) 式のように書きかえられる。
（ｓ）とすると、ＹｏはＹ' ｏ（ｓ）とＮＩＣのアドミ
ッタンスＹN ｉ（ｓ）として(5) 式で与えられ、これに
より(4) 式は(6) 式のように書きかえられる。
【００４３】 Ｙｏ（ｓ）＝Ｙ' ｏ（ｓ）＋ＹN ｉ（ｓ） …(5)
【数３】
【００４４】式(6) において次の(7) 式の関係を満足さ
せれば式(6) は(8) 式となる。 Ｙ' ｏ（ｓ）＋ＹN ｉ（ｓ) ＋Ｙｄ（ｓ）＝０ …(7) Ｖ（ｓ）＝−Ｆ（ｓ）／Ａ …(8)
せれば式(6) は(8) 式となる。 Ｙ' ｏ（ｓ）＋ＹN ｉ（ｓ) ＋Ｙｄ（ｓ）＝０ …(7) Ｖ（ｓ）＝−Ｆ（ｓ）／Ａ …(8)
【００４５】次の(9) 式は上記本発明による方法を用い
たときの受波感度と、従来の方法による場合の受波感度
の比を示す。
たときの受波感度と、従来の方法による場合の受波感度
の比を示す。
【数４】
【００４６】このように機械的入力信号に対して出力電
圧即ち超音波水中センサ１５の受信出力応答は極めて良
好となり受波感度も向上させることができる。
圧即ち超音波水中センサ１５の受信出力応答は極めて良
好となり受波感度も向上させることができる。
【００４７】次に(7) 式を満足する条件につき更に説明
する。(1) 式に示したＹL （図５参照）をＲL とＣL の
並列アドミッタンスと仮定すると、次の(10)、(11)式の
関係が成立するときに(7) 式の条件が成立する。
する。(1) 式に示したＹL （図５参照）をＲL とＣL の
並列アドミッタンスと仮定すると、次の(10)、(11)式の
関係が成立するときに(7) 式の条件が成立する。
【００４８】 Ｖｏ＝ＲL ／Ｋ …(10) Ｃｄ＝ＫＣL …(11)
【００４９】上記条件が成立するときに出力Ｖ（ｔ）は
(8) 式を逆ラプラス変換を行なうことにより次の(12)式
で与えられる。 Ｖ（ｔ）＝−Ｆ（ｔ）／Ａ …(12)
(8) 式を逆ラプラス変換を行なうことにより次の(12)式
で与えられる。 Ｖ（ｔ）＝−Ｆ（ｔ）／Ａ …(12)
【００５０】図７（Ａ）は超音波水中センサ１５の入力
信号Ｆ（ｔ）を示す波形図、図７（Ｂ）は従来の方法に
よる場合の受信出力波形図、図７（Ｃ）は本発明方法に
よる場合の受信出力波形図である。
信号Ｆ（ｔ）を示す波形図、図７（Ｂ）は従来の方法に
よる場合の受信出力波形図、図７（Ｃ）は本発明方法に
よる場合の受信出力波形図である。
【００５１】各図から明らかなように、本発明によれ
ば、過途応答特性は完全に改善されていることが理解で
きる。
ば、過途応答特性は完全に改善されていることが理解で
きる。
【００５２】以下、上記実施例の作用について説明す
る。 圧電素子２１の収納ケース２２全体を、弾性体のたわ
み振動モードの共振体で構成したため、超音波共振周波
数（キャリア周波数＋音声による変調周波数）を、円錐
台２５の厚みと円錐台２５の底面径及び頂面径、並びに
円筒２４の高さと円筒２４の内外径の調整によって同調
可能で、小型、軽量化を達成できる。
る。 圧電素子２１の収納ケース２２全体を、弾性体のたわ
み振動モードの共振体で構成したため、超音波共振周波
数（キャリア周波数＋音声による変調周波数）を、円錐
台２５の厚みと円錐台２５の底面径及び頂面径、並びに
円筒２４の高さと円筒２４の内外径の調整によって同調
可能で、小型、軽量化を達成できる。
【００５３】圧電素子２１は円錐台２５の厚みに比し
て薄い板状体にて構成されるため、落下等の衝撃に対し
堅固となる。
て薄い板状体にて構成されるため、落下等の衝撃に対し
堅固となる。
【００５４】尚、収納ケース２２がSUS 等の金属、もし
くはエンジニアリングプラスチックから構成される場合
には、落下等の衝撃に対して変形せずに圧電素子２１を
十分に保護するものとなり、落下等の衝撃に対し、より
堅固となる。
くはエンジニアリングプラスチックから構成される場合
には、落下等の衝撃に対して変形せずに圧電素子２１を
十分に保護するものとなり、落下等の衝撃に対し、より
堅固となる。
【００５５】圧電素子２１が薄肉で、かつ単純形状の
板状体にて構成されるから、安価となる。
板状体にて構成されるから、安価となる。
【００５６】振動体２２Ａ全体がたわみ振動モードで
共振するため、円筒２４の振動が円錐台２５（送受波面
をもつ）の振動を加速する効果がある。また、振動体２
２Ａの保持手段は、振動体２２Ａの振動の節２７Ｂ（振
動しない部分）を支持するため、支持部分での振動摩擦
損失を発生しない。従って、センサ１５は高効率で、低
消費電力になる。
共振するため、円筒２４の振動が円錐台２５（送受波面
をもつ）の振動を加速する効果がある。また、振動体２
２Ａの保持手段は、振動体２２Ａの振動の節２７Ｂ（振
動しない部分）を支持するため、支持部分での振動摩擦
損失を発生しない。従って、センサ１５は高効率で、低
消費電力になる。
【００５７】振動体２２Ａの最適たわみ振動共振モー
ドは、共振周波数で円錐台２５の（送受波面の）中心の
たわみ振動が最大振幅となるように、振動体２２Ａの形
状を有限要素法で求め、実際に試作して確認する。この
とき、円錐台２５の頂角を90度とし、円錐台２５の厚み
と円筒２４の厚みとを等しくした振動体２２Ａは、円板
のたわみ振動からの類推が可能であり、変数が少なく、
実測値と有限要素法によるシミュレーションとが良く合
致し、感度良好な超音波水中センサを容易に得ることが
できる。
ドは、共振周波数で円錐台２５の（送受波面の）中心の
たわみ振動が最大振幅となるように、振動体２２Ａの形
状を有限要素法で求め、実際に試作して確認する。この
とき、円錐台２５の頂角を90度とし、円錐台２５の厚み
と円筒２４の厚みとを等しくした振動体２２Ａは、円板
のたわみ振動からの類推が可能であり、変数が少なく、
実測値と有限要素法によるシミュレーションとが良く合
致し、感度良好な超音波水中センサを容易に得ることが
できる。
【００５８】圧電素子２１を薄い板状体にしたときの
振動体２２Ａの制動キャパシタンスによる送受波感度の
低減は、振動体２２ＡにＮＩＣ（負性イミタンス変換
器）を接続することにより防止できる。
振動体２２Ａの制動キャパシタンスによる送受波感度の
低減は、振動体２２ＡにＮＩＣ（負性イミタンス変換
器）を接続することにより防止できる。
【００５９】以下、本実施例の具体的効果について説明
する。超音波水中センサ１５において、超音波共振周波
数３３KHz 、振動子直径32mmの振動体２２Ａの場合、従
来の厚み振動型超音波水中センサ３０（図８）に比し
て、重量比で1/8 、容積比で1/10となった。また、超音
波水中センサ１５は従来の径方向振動型超音波水中セン
サ４０（図９）に比して、圧電素子の価格で1/30とな
り、落下等による衝撃破壊に対して格段に強固な構造と
なった。
する。超音波水中センサ１５において、超音波共振周波
数３３KHz 、振動子直径32mmの振動体２２Ａの場合、従
来の厚み振動型超音波水中センサ３０（図８）に比し
て、重量比で1/8 、容積比で1/10となった。また、超音
波水中センサ１５は従来の径方向振動型超音波水中セン
サ４０（図９）に比して、圧電素子の価格で1/30とな
り、落下等による衝撃破壊に対して格段に強固な構造と
なった。
【００６０】また、超音波水中センサ１５の振動体２２
ＡにＮＩＣ（負性イミタンス変換器）を装着した場合
（図４）、水中 1ｍでの送受波感度は約−10dBが得ら
れ、ＮＩＣ接続の有無で約40dBの感度の改善が見られ
る。
ＡにＮＩＣ（負性イミタンス変換器）を装着した場合
（図４）、水中 1ｍでの送受波感度は約−10dBが得ら
れ、ＮＩＣ接続の有無で約40dBの感度の改善が見られ
る。
【００６１】そして、超音波水中センサ１５をＳＳＢ方
式のダイバー通話用水中通信機に適用した結果、最大通
話距離1Km 、9Vのアルカリ電池１個でデューテイ10％仕
様のとき、10時間以上の実用が可能となった。
式のダイバー通話用水中通信機に適用した結果、最大通
話距離1Km 、9Vのアルカリ電池１個でデューテイ10％仕
様のとき、10時間以上の実用が可能となった。
【００６２】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、高効率で
小型軽量、堅固、安価な可搬型超音波水中センサを提供
することができる。
小型軽量、堅固、安価な可搬型超音波水中センサを提供
することができる。
【図１】図１は本発明に係る可搬型超音波水中センサの
一例を示す断面図である。
一例を示す断面図である。
【図２】図２は水中通信機の一例を示すブロック図であ
る。
る。
【図３】図３は本発明の振動体の等価回路図である。
【図４】図４は本発明の受信波検出回路図である。
【図５】図５はＮＩＣの例を示す回路図である。
【図６】図６は受信機の受信時の動作モデルである。
【図７】図７は受信機の入力信号と出力信号を示す模式
図である。
図である。
【図８】図８は従来の厚み振動型超音波水中センサを示
す断面図である。
す断面図である。
【図９】図９は従来の径方向振動型超音波水中センサを
示す断面図である。
示す断面図である。
１５ 超音波水中センサ ２１ 圧電素子 ２２ 収納ケース ２２Ａ 振動体 ２４ 円筒 ２５ 円錐台 ２６ 最適たわみ振動共振モード ２７Ａ、２７Ｂ、２７Ｃ 振動の節
Claims (3)
- 【請求項１】 圧電素子を収納ケースに収納してなる可
搬型超音波水中センサにおいて、 前記収納ケースが円筒と円錐台を軸対称で一体に形成さ
れて振動体を構成し、 該振動体の円錐台の裏面中心に前記圧電素子の中心を合
わせて接着し、該円錐台の中心のたわみ振動が最大振幅
となる振動モードで該振動体の全体が共振し、 該振動体外側面の振動の節線上に該振動体の保持手段を
設置することを特徴とする可搬型超音波水中センサ。 - 【請求項２】 前記振動体が、円錐台の頂角を90度と
し、円錐台の厚みを円筒の厚みと等しくしてなる請求項
１記載の可搬型超音波水中センサ。 - 【請求項３】 前記振動体に、該振動体の制動キャパシ
タンス消去用のＮＩＣ（負性イミタンス変換器）を装着
した請求項１又は２記載の可搬型超音波水中センサ。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7022323A JPH08195998A (ja) | 1995-01-18 | 1995-01-18 | 可搬型超音波水中センサ |
| US08/587,957 US5636182A (en) | 1995-01-18 | 1996-01-17 | Portable ultrasonic underwater sensor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7022323A JPH08195998A (ja) | 1995-01-18 | 1995-01-18 | 可搬型超音波水中センサ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08195998A true JPH08195998A (ja) | 1996-07-30 |
Family
ID=12079515
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7022323A Withdrawn JPH08195998A (ja) | 1995-01-18 | 1995-01-18 | 可搬型超音波水中センサ |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5636182A (ja) |
| JP (1) | JPH08195998A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100464925B1 (ko) * | 1997-12-11 | 2005-05-17 | 국방과학연구소 | 음파탐지기의수중청음기고정구조 |
| JP2013509765A (ja) * | 2009-10-29 | 2013-03-14 | ローベルト ボツシユ ゲゼルシヤフト ミツト ベシユレンクテル ハフツング | 流動媒体内で使用される超音波トランスデューサー |
| CN106471568A (zh) * | 2014-08-14 | 2017-03-01 | 海尔曼超声波技术两合有限公司 | 具有解耦部件的振动元件 |
| JP2018527820A (ja) * | 2015-08-25 | 2018-09-20 | ローベルト ボッシュ ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング | ハウジングおよびこのハウジングに配置されたダイヤフラムエレメントを有する音響センサ |
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| US5835454A (en) * | 1997-01-14 | 1998-11-10 | Drexelbrook Controls, Inc. | Transducer shroud for improved transducer operation in the treatment of waste water |
| JP3416648B2 (ja) * | 1997-08-23 | 2003-06-16 | フラウンホーフアー−ゲゼルシヤフト・ツウル・フエルデルンク・デル・アンゲバンテン・フオルシユンク・エー・フアウ | 音響トランスデューサー |
| JP3324593B2 (ja) * | 1999-10-28 | 2002-09-17 | 株式会社村田製作所 | 超音波振動装置 |
| US7461810B2 (en) | 2004-11-12 | 2008-12-09 | Georgia-Pacifiic Consumer Products Lp | Tissue roll dispenser |
| JP2009225423A (ja) * | 2008-02-21 | 2009-10-01 | Seiko Epson Corp | 無線通信システム、送信装置、受信装置および情報処理装置 |
| US8665101B2 (en) * | 2009-11-16 | 2014-03-04 | Aquarius Spectrum Ltd. | System method and device for leak detection and localization in a pipe network |
| DE102018106333A1 (de) * | 2018-03-19 | 2019-09-19 | HELLA GmbH & Co. KGaA | Sensorvorrichtung zur Erfassung von Schall, insbesondere zur Erfassung von Körperschall an einem Fahrzeug |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| US3943388A (en) * | 1974-06-27 | 1976-03-09 | Fred M. Dellorfano, Jr. | Electroacoustic transducer of the flexural vibrating diaphragm type |
| JPS554528A (en) * | 1978-06-27 | 1980-01-14 | Sumitomo Bakelite Co Ltd | Method and apparatus for measuring gas concentration |
| JPS60173999A (ja) * | 1984-02-17 | 1985-09-07 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 超音波セラミツクマイクロホン |
| US4755975A (en) * | 1985-02-08 | 1988-07-05 | Ngk Spark Plug Co., Ltd. | Piezoelectric transducer for transmitting or receiving ultrasonic waves |
| US4823042A (en) * | 1986-07-18 | 1989-04-18 | Rich-Mar Corporation | Sonic transducer and method for making the same |
-
1995
- 1995-01-18 JP JP7022323A patent/JPH08195998A/ja not_active Withdrawn
-
1996
- 1996-01-17 US US08/587,957 patent/US5636182A/en not_active Expired - Fee Related
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| JP2013509765A (ja) * | 2009-10-29 | 2013-03-14 | ローベルト ボツシユ ゲゼルシヤフト ミツト ベシユレンクテル ハフツング | 流動媒体内で使用される超音波トランスデューサー |
| CN106471568A (zh) * | 2014-08-14 | 2017-03-01 | 海尔曼超声波技术两合有限公司 | 具有解耦部件的振动元件 |
| JP2017526520A (ja) * | 2014-08-14 | 2017-09-14 | ヘルマン ウルトラシャルテクニーク ゲーエムベーハー ウント コー．カーゲーＨｅｒｒｍａｎｎ Ｕｌｔｒａｓｃｈａｌｌｔｅｃｈｎｉｋ Ｇｍｂｈ ＆ Ｃｏ．Ｋｇ | 分離された構成部品を備える振動要素 |
| US10974278B2 (en) | 2014-08-14 | 2021-04-13 | Herrmann Ultraschalltechnik Gmbh & Co. Kg | Vibration element with decoupled component |
| JP2018527820A (ja) * | 2015-08-25 | 2018-09-20 | ローベルト ボッシュ ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング | ハウジングおよびこのハウジングに配置されたダイヤフラムエレメントを有する音響センサ |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US5636182A (en) | 1997-06-03 |
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