JPS63250999A - 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、一層詳細には、直方体■型振動子の対向する
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。

［発明の背景コ 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１．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
向特性倍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　ｄＢＫ少する角度θ−３ｄ８も
指向特性を表す指標として重要である。

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す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頼
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プ抑圧比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、その直方体圧電振動子６
の超音波輻射面Ｕｓ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ｌ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
ドロープ抑圧比Ｒは略１３．５ｄＢとなることが知られ
ている。なお、このサイドロープ抑圧比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
例について検討してみよう。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、サイドロープ抑圧比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ＣＯ３二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、直方体状の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
略雰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。

［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
る直方体状の圧電振動子において、相対向する電極面を
、互いに実質的に合同な形状であって且つ夫々の面の中
心を直交する軸に対して上下左右対称な１個の励振電極
と一対の制振電極とを含む電極形状に形成し、夫々の面
の長手方向の単位長あたりの励振電極の面積を中央部か
ら両端部に指向して徐々に狭小となるように形成すると
共に、長手方向の単位長あたりの制振電極の面積を両端
部から中央部に指向して徐々に狭小となるように画成し
、一方の而の制振電極を対向する他の電極面の励振電極
に電気的に接続するよう構成することを特徴とする。

［実施態様］ 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状の圧電振動子を示す。この圧電振
動子１０の形状は正確には１肉の直方体形状であって、
その対向する二面に略合同図形的に電極パターンが形成
されている。

この場合、図中、正面部１２および背面部１４にはその
全面に亘ってその面の中央部を中心として両端部まで延
在する夫々１個の励振電極１６．１８と両端部から中央
部に指向して延在する一対の制振電極２０ａ、２０ｂと
２２ａ、２２ｂとが配設され、励振電極１６．１８と制
振電極２０ａ、２０ｂと２２ａ、２２ｂの周面は互いに
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１６．１８の長手方向の単
位長あたりの電極面積は中央部を原点として両端部に指
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２０ａ、２０ｂと２２
ａ、２２ｂの長手方向の単位長あたりの電極面積は両端
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、曲線形状の正確
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、正面部１２に画成された励振
電極１６は背面部１４に画成された一対の制振電極２２
ａ、２２ｂと電気的に接続されると共に、正面部１２に
画成された一対の制振電極２０ａ、２０ｂと背面部１４
に画成された励振電極１８と二よ電気的に接続されてい
る。そして、当該正面部１２の励振電極１６と背面部１
４の励振電極１８の間には交流電源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ＩＯは輻射面Ｕ、から上方または輻射面Ｕｓの対
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
部側に同電位の制振電極２０ａ、２０ｂと２２ａ、２２
ｂが相対向して存在するため、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。そして、この
場合、前記したように、励振電極１６．１８の単位長あ
たりの電極面積を、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Ｕｓ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−：１ｄｌｌ角とするためには、短
手方向の長さ１２が前記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！、を１．＞１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１２に配置さ
れた励振電極であり、参照符号２６ａ乃至２６ｄは制振
電極である。この場合、背面部１４には正面部１２と略
合同図形的に励振電極２８と制振電極３０ａ乃至３０ｄ
が形成され、正面部１２の励振電極２４と背面部１４の
制振電極３０ａ乃至３０ｄとは電気的に接続されると共
に、正面部１２の制振電極２６ａ乃至２６ｄと背面部１
４の励振電極２８とが電気的に接続される。そこで、励
振電極２４．２８間に交流電源Ｅ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２４．２８の長手方向の単位長あたりの電
極面積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とし、一方、
制振電極２６ａ乃至２６ｄ、３０ａ乃至３０ｄにあって
は長手方向の両端部側から中央部に指向して（１ｃｏｓ
二乗）曲線に比例する面積配分を持つ形状としている。

この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］ 以上のように、本発明によれば、圧電振動子の表裏に配
設した励振電極と制振電極とを上下左右対象の電極パタ
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ーン印刷
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
ることが可能となる効果を奏する。

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、
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−補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直方体圧電振動
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・・・正面部１４・
・・背面部　　　　　　１６．１８・・・励振電極２０
ａ、２０ｂ、２２ａ、２２　ｂ　・・・制振電極２４・
・・励振電極　　　　　２６ａ〜２６ｄ・・・制振電極
２８・・・励振電極　　　　　３０ａ〜３０ｄ・・・制
振電極Ｅ・・・交流電源　　　　　Ｍ・・・メインロー
ブＳ・・・サイドローブ　　　Ｕ９・・・超音波輻射面
Ｆ［Ｇ、３ 圧電振動子の長袖方向−一÷ 圧電振動子の長軸方向−一−ラ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）超音波を発生する直方体状の圧電振動子において
   、相対向する電極面を、互いに実質的に合同な形状であ
   って且つ夫々の面の中心を直交する軸に対して上下左右
   対称な１個の励振電極と一対の制振電極とを含む電極形
   状に形成し、夫々の面の長手方向の単位長あたりの励振
   電極の面積を中央部から両端部に指向して徐々に狭小と
   なるように形成すると共に、長手方向の単位長あたりの
   制振電極の面積を両端部から中央部に指向して徐々に狭
   小となるように画成し、一方の面の制振電極を対向する
   他の電極面の励振電極に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
   、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。