JPS63250996A - 圧電振動子 - Google Patents

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。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は電歪現象を利用して超音波を発生する圧電振動
子に関し、１層詳細には、直方体圧電振動子の対向する
二面に電極パターンを適切に形成し、その両電極間に交
流電圧を印加することにより超音波の放射パターンに関
連して発生するサイドローブを著しく抑圧することを可
能とする圧電振動子に関する。

［発明の背景１ 圧電振動子は電気信号を音波信号に変換し、または音波
信号を電気信号に変換する、所謂、送受波機能を有する
電気音響変換素子である。

その中、超音波を発生する圧電振動子は超音波が液体中
、特に、水中でその信号減衰が比較的少ないこと、ある
いは波長に比べて音源の寸法を大きく選択することが比
較的容易であり音波の指向性を鋭くすることが可能であ
ること等から音響測深機、特に、魚群探知機に広く採用
されている。

ここで、音波の指向特性とは送受波機能を有する圧電振
動子から音波がどの範囲に送信され、また、どの範囲の
音波が受信されるかの特性を表現するもので、魚群探知
機の実用性に鑑み極めて重要なファクターであると謂え
よう。

第１図に圧電振動子から発生する音波の指向特性につい
ての例を示す。図から容易に諒解されるように、圧電振
動子２に直交する方向の中心軸４上の音圧が最も強く、
中心軸４からの変位角θの増加と共に音圧が減少する。

この場合、中心軸４上の音波ビームをメインローブＭと
称し、側方の音波ビームをサイドローブＳと称する。ま
た、同じ圧電振動子を使用して送受信を行う場合には、
指向特性が二乗倍にきくのでメインローブＭの中で音圧
が中心軸４の値より３　ｄＢｍ少する角度θ−３６Ｅも
指向特性を表す指標として重要である。

［発明が解決しようとする問題点］ ところで、第１図に示す音波の指向特性の中、サイドロ
ーブＳの存在は前記音波を発生ずる圧電振動子を魚群探
知機に採用した時にサイドローブＳに係る反射信号、例
えば、魚群等からの反射信号がメインローブＭからの反
射信号であると錯誤する場合が生じる。この場合、魚群
探知機のディスプレイ上に表示された魚群の方位を信頬
して、すなわち、魚群の方位を誤認した状態で投網を開
始しても当該投網域には魚群は存在せず操業効率を低下
させる欠点が指摘されている。

この不要なサイドローブＳを抑圧するため、直方体超音
波圧電振動子の対向する面の電極パターンを特別な形状
に形成する方策が知られている。

この方策に係る従来の技術思想について述べる前に、そ
の従来技術の問題点の所在を一層明確にするため、先ず
、圧電振動子の基本的な電極パターンとその電極パター
ンに付随して発生するサイドローブＳの大きさとの関係
について述べる。

通常、サイドローブＳの抑圧量はサイドローブ抑圧比Ｒ
；　Ｒ＝２０１ｏｇ　Ｂ　／　Ａとして表現される。こ
こで、参照符号ＡはメインローブＭの最大音圧レベルで
あり、参照符号ＢはサイドローブＳの最大音圧レベルで
ある（第１図参照）。

今、直方体圧電振動子６の電極パターンが、第２図に示
すように、対向する二面の全面が電極パターン８ａ、８
ｂである最も基本的な場合に、ｉの圧電振動子６の超音
波輻射面Ｕ３の表面においては、第３図ａに示すように
、発生する音圧レベルが長軸！に対して等振幅である振
幅特性曲線が得られる。そして、この場合のサイドロー
ブ抑圧比Ｒは略１３．５ｄＢとなることが知られている
。なお、このサイドローブ抑圧比Ｒを無限大にするため
には前記音圧に係る振幅特性曲線を、例えば、第３図す
に示すように、略ｃｏｓ二乗特性曲線に相似した特性曲
線にすればよいことが解明されている。

次に、この観点から従来技術に係る電極パターンの形成
例について検証してみよう。この技術的思想は、例えば
、特公昭第５８−３２５５８号に開示されている。すな
わち、この例では、第４図に示すように、直方体圧電振
動子の対向する二面の電極パターンの中、一方の面の電
極パターンを斜めの方向に切断して励振電極Ｃと制振電
極Ｅ、、Ｅ２とに区分し両端部においてその振動エネル
ギが抑圧される構成としている。そのため、超音波輻射
面Ｕ、から放射される超音波は輻射面Ｕ、の中央部から
最も強く放射され、端部に近づくに従って徐々に弱まる
如く放射されると記述されている。

然しなから、この場合において、そのパターン形状を精
細に検討すれば明らかなように、励振電極Ｃと制振電極
Ｅ、　、Ｅ２の配置形状が直線的であるので、直方体超
音波圧電振動子に係るサイドローブＳを抑制する効果が
不十分となる。すなわち、この従来技術においては、前
記音圧に係る振幅特性曲線の形状が略二等辺三角形の形
状となるので、サイドローブ抑圧比Ｒは略２０ｄＢであ
り、サイドローブＳに係る魚群等の反射信号をメインロ
ーブＭに係る反射信号として誤認する虞は解消されるに
至っていない。

さらにまた、この発明に開示された圧電振動子の電極パ
ターン形状は振動子の中心に対して上下左右対称な条件
が満足されていないため不必要な振動を惹起し、放射パ
ターンに乱れが生ずる虞を内包すると共に電気・超音波
変換効率が低下するという種々の欠点を露呈している。

そこで、これらの欠点を解消するために、直方体超音波
圧電振動子を多数枚積層して上下左右対称な電極構成と
し、その上で略ｃｏｓ二乗電圧分布に従うように、夫々
の圧電振動子に電圧を供給する構成とする多層形圧電振
動子を得る試みもなされているが、係る構成においては
最終製品としての圧電振動子の製作に時間がかかり、結
局のところ、製造コストを上昇させるという新たな不都
合を露呈している。

［発明の目的］ 本発明は前記の不都合を悉く克服するためになされたも
のであって、直方体圧電振動子の対向する二面に電極パ
ターンを上下対称に、しかも略ｃｏｓ二乗曲線に従う形
状に配置した励振電極と制振電極とを配設している。こ
のため、その両電極間に交流電圧を印加することにより
超音波の放射パターンに発生するサイドローブＳを略零
に抑圧することが可能となり、その上、製造上も電極の
形成が極めて容易な超音波圧電振動子を提供することを
目的とする。

Ｃ目的を達成するための手段］ 前記の目的を達成するために、本発明は超音波を発生す
る直方体形状の圧電振動子において、相対向する電極面
の少なくとも一面の電極を圧電振動子の長手方向と直交
する方向に励振電極と制振電極とを交互に区分した電極
構成とし、夫々の励振電極の電極面積は長手方向の中央
部から両端部に指向して徐々に狭小となるように画成す
ると共に、夫々の制振電極の電極面積は長手方向の両端
部から中央部に指向して徐々に狭小となるように構成す
ると共に他の一面の電極とも電気的に接続するように構
成することを特徴とする。

［実３ｆｆ！態様］ 次に、本発明に係る圧電振動子について好適な実施態様
を挙げ、添付の図面を参照しながら以下詳細に説明する
。なお、第１図乃至第４図に示す構成要素と同一の構成
要素には同一の参照符号を付し、その詳細な説明は省略
する。

第５図において、参照符号１０は本発明に係る電気回路
駆動部を含む直方体圧電振動子を示す。

この直方体圧電振動子１０の形状は正確には薄肉の直方
体形状であって、その対向する二面に電極が形成されて
いる。この場合、図中、背面部１２にはその全面に亘っ
て一様な背面電極１４が形成され、一方、正面部１６に
は直方体圧電振動子１０の長手方向と直交する方向に励
振電極１８ａ乃至１８ｉと制振電極２０ａ乃至２０ｊが
短面状に交互に配設され、その両電極の周面ば絶縁され
るように形成されている。

この場合において、励振電極１８ａ乃至１８ｉの電極幅
は中央部励振電極１８ｅを原点として圧電振動子１０の
長手方向端部に指向してｃｏｓ二乗曲線に対応して徐々
に減少する面積配分に画成されると共に、制振電極２０
ａ乃至２０ｊの電極幅は長手方向の両端部から中央部に
指向して（１−ｃｏｓ二乗）の曲線に比例して徐々に減
少する面積配分として形成されている。なお、夫々の電
極はシルクスクリーン方法によって印刷形成することが
可能であり、そのため、正確性を保持しつつ且つ量産性
に適した電極形状とすることが出来る。

このような構成において、励振電極１８ａ乃至１８ｉは
夫々電気的に接続され、一方、制振電極２０ａ乃至２０
ｊは夫々電気的に接続されると共に、背面電極１４と接
続されている。そして、当該励振電極１８ａ乃至１８ｉ
の共通接続点２２ａと制振電極２０ａ乃至２０ｊおよび
背面電極１４の共通接続点２２ｂ間には交流電源Ｅが接
続されている。

本発明に係る直方体圧電振動子は基本的には以上のよう
に構成されるものであり、次にその作用並びに効果につ
いて説明する。

一般に、電歪現象を利用した圧電振動子には交流電圧を
印加する方法でその励振を行うとされており、実際には
、共振周波数に係る交流電源Ｅの印加によって前記圧電
振動子１０は輻射面Ｕ、から上方または輻射面Ｕｓと対
向する面から下方に向けて超音波を放射する。この場合
、超音波の指向特性は圧電振動子１０の長手方向の両端
部側に背面電極１４と同電位であって且つパターン面積
の大きい制振電極２０ａ、２０ｊ等が存在するため、圧
電振動子１０はその端部側においては制振され長手方向
に指向して中央部にいくに従い強く励振されるように動
作する。そこで、この場合、前記したように、励振電極
１８ａ乃至１８ｉの電極幅配置を、例えば、略ｃｏｓ二
乗特性に比例するように形成しているので、輻射面Ｕ、
から放射される超音波は、殆ど、サイドローブＳのない
放射パターンとすることが出来る。

なお、その際、メインローブＭの指向特性パターンを第
２図に示す基本的な電極構成の圧電振動子と略同−のθ
−１＋ＩＩ＋角とするためには、短手方向の長さ！２が
基本圧電振動子と同一という条件のもとで、その長手方
向の長さ２．を２゜〉Ｐと形成することが好適である。

第６図に本発明に係る圧電振動子の他の実施態様を示す
。第６図において、参照符号２４は正面部１６に配置さ
れた励振電極であり、参照符号２６は制振電極である。

この場合、背面部１２には背面電極２８が形成され、正
面部１６の制振電極２６と背面部１２の背面電極２８は
電気的に接続される。

そこで、励振電極２４と制振電極２６間に交流電源（図
示せず）が印加されることにより輻射面Ｕ。

から音波が放射される。この場合においても、励振電極
２４の電極パターンを長手方向中央の点を原点として両
端部側に指向して略ｃｏｓ二乗曲線に比例する面積区分
、制振電極２６にあっては長手方向の両端部側から中央
部に指向して（１−ｃｏｓ二乗）曲線に比例する面積区
分を持つ形状とすることによりサイドローブの抑圧可能
な超音波放射パターンを得ることが出来る。

［発明の効果コ 以上のように、本発明によれば、励振電極と制振電極と
を上下左右対称の電極パターンに形成し、しかもその電
極面積をｃｏｓ二乗曲線に従うパターン形状に形成して
いる。そのため、放射される超音波の指向特性が鋭くな
り、超音波の放射パターンに発生するサイドローブを略
零に抑圧することが可能となる。しかも、電極の形成方
法はシルクスクリニン印刷方法としているため製造コス
トを上昇させることなしに複雑な形状の電極パターンの
形成も極めて容易に実現することが可能である効果を奏
する。

以上、本発明について好適な実施態様を挙げて説明した
が、本発明はこの実施態様に限定されるものではなく、
例えば、第７図に示すように、上下の対称性は犠牲とな
るものの第６図の例とは異なり励振電極の引出口を直方
体形状の端面部に配置する形状とする等、本発明の要旨
を逸脱しない範囲において種々の改良並びに設計の変更
が可能なことは勿論である。

【図面の簡単な説明】

第１図は圧電振動子から発生する超音波の指向特性の説
明図、 第２図は従来の基本的電極形状を有する圧電振動子の斜
視説明図、 第３図ａは第２図に示す圧電振動子に係る振幅特性曲線
図、 第３図すはｃｏｓ二乗振幅特性曲線図、第４図は従来技
術に係る圧電振動子の斜視説明図、 第５図は本発明に係る電気回路駆動部を含む圧電振動子
の斜視説明図、 第６図および第７図は本発明に係る圧電振動子の他の実
施態様を示す斜視説明図である。 １０・・・圧電振動子　　　　１２・・・背面部１４・
・・背面電極　　　　　１６・・・正面部１８ａ〜１８
ｉ・・・励振電極　２０ａ〜２０ｊ・・・制振電極２２
ａ、２２ｂ・・・共通接続点 ２４・・・励振電極　　　　　２６・・・制振電極２８
・・・背面電極　　　　　Ｅ・・・交流電源Ｍ・・・メ
インロープ　　　Ｓ・・・サイドローブＵｓ・・・超音
波輻射面 Ｆ！０．３ 圧電振動子の長袖方向−一

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）超音波を発生する直方体形状の圧電振動子におい
   て、相対向する電極面の少なくとも一面の電極を圧電振
   動子の長手方向と直交する方向に励振電極と制振電極と
   を交互に区分した電極構成とし、夫々の励振電極の電極
   面積は長手方向の中央部から両端部に指向して徐々に狭
   小となるように画成すると共に、夫々の制振電極の電極
   面積は長手方向の両端部から中央部に指向して徐々に狭
   小となるように構成すると共に他の一面の電極とも電気
   的に接続するよう構成することを特徴とする圧電振動子
   。
2. （２）特許請求の範囲第１項記載の圧電振動子において
   、交互に区分した電極の中、励振電極はその長手方向の
   軸線に沿って相互に接続し、制振電極は長辺に沿って相
   互に接続すると共に他の一面の電極とも電気的に接続し
   てなる圧電振動子。
3. （３）特許請求の範囲第１項または第２項記載の圧電振
   動子において、励振電極と制振電極の面積の狭小化形状
   は音波の指向特性の中、サイドローブが小さくなるよう
   、非直線の関数に従う形状に構成してなる圧電振動子。