JPS63275974A - 超音波距離計の送受波器 - 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、超音波を空中に送受信する超音波距離計の送
受波器に関するものである。

更に詳述すれば、本発明は超音波距離計の送受波器の特
性の向上に関するものである。

（従来の技術） 第７図は従来より一般に使用されている従来例の構成説
明図である。

図において、ｈはセラミックス系よりなる円筒状の圧電
振動子である。ｈは音響マツチング層を兼ねたプラスチ
ックス類のケースである。３１は圧電振動子りの制動の
ためのダンピング材である。

４＠は圧電振動子１１よりの超音波の送・受信音の方向
変換を行い指向性をもたすための反射傘である。

以上の構成において、 （１）　　超音波の送信の場合 圧電振動子１ａに電気パルスを印加すると、圧電振動子
１亀は半径方向に呼吸振動を起し、外周部の法線方向の
空気中に向って超音波を発生する。この超音波は、反射
自４Ｉにより進行方向を変換され第８図に示すようなド
ーナツ状のビームとなって第７図の下方に進行する。

（２）　　超音波の受信の場合 第７図の下方から入射してきた超音波は、反射傘４１に
より収束されて、ケース２１を通過して、圧電振動子！
亀の外周部に応力を与える。圧電振動子１＠は、加えら
れた応力、に応じて、電極間に電界を発生する。

（発明が解決しようとする問題点） このような原理に基づく超音波送受信器の具体的用途と
して、距離計あるいはレベル計等がある。

このようなものにおいては、以下の特性が要求される。

（１）　　高ダンピング特性 超音波距離計は対象に向かつて超音波を放射し、反射し
て帰ってくるまでの時間ｔを測定することにより対象ま
での距ＭＬを求める計器である。ここに、 Ｃ；伝搬媒体中の音速 しかし、セラミックス系の圧電振動子１亀は、一般に大
きな慣性を持つため、第９図（Ａ）に示す電気駆動パル
スａがなくなったあとにも、第９図（Ｂ）に示すように
、減衰性の振動すが続く、これを、残留振動すと言うこ
とにすると、測定対象までの距離が短い場合には、第９
図（Ｃ）に示す如く、残留振動すが残っている間に、反
射波Ｃが到達してしまい、両者の分離・判別が不可能に
なることがある。すなわち、至近距離の測定が困難とな
る。

逆に、測定対象までの距離が長い場合には、第９図（Ｄ
）に示す如く、反射波振幅が、きわめて小くなるので、
受信電圧と電気的に大きく増幅する必要が生ずる。この
際、同時に残留振動すによる起電力も増幅するため、残
留振動すの方をまちがって検出しないためには、残留振
動すの振幅が、反８を波Ｃの振幅よりも小さくなる時点
まで、反射波Ｃの検出禁止領域（不感帯）ｅを、第９図
（Ｅ）に示す如く、設けておく必要がある。

以上の事から、遠距離を測定しようとすれば、近距離の
測定が不可能になり、一方、近距離まで測定できるよう
にする（不感帯を短くする）と、反射の小さい遠距離の
測定が困難になるという問題が生ずる。

この事態を避けるために、一般には、第７図に示すダン
ピング材３１により、圧電振動子りに制動をかける方法
がとられているが、この方法には、吹の２つの問題が存
在している。

■　広い温度範囲において、満足すべき、あるいは通切
な制動効果を有するダンピング材の選定がきわめて難か
しい。すなわち、多くの粘性物質は、？Ｒ度によりその
物性が大きく変化するため、現実には、低温から高温ま
で必要十分な制動特性の得られるダンピング材がなかな
か見出せない。

■　ダンピング材により制動を加えることは、振動を抑
制することを意味し、送信時の発生音圧の減少につなが
る。

（２）　　高い効率の送受信特性 省エネルギー、安全性等の面から低電力で音の送受信を
行えることが望ましい。

しかし、第７図従来例に示す送受波器は、以下の２つの
問題を有する。

■　ダンピング材３１により制動を加えているため、所
望の振動子振動振幅を得るためには、圧電振動子１１単
体の場合よりかなり大きな駆動電力、たとえば１０倍、
電圧で表現するとｌｋＶ程度を与える必要がある。

■　圧電振動子１暑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より約５
桁大きいため、圧電振動子Ｉｓが振動しても、空気中に
伝わるエネルギーはきわめてわずかである。これを改善
するために、音響マツチング層として圧電振動子１１よ
り音Δ的に軟らかい（音響インピーダンスρＣの小さい
）プラスチックよりなるケース２１を介して空気中に音
を放出することが行われている。また、このプラスチッ
ク層２１の厚さは１７４波長の時が、エネルギーの伝搬
効率が最大となる。しかし、温度変化によりプラスチッ
クの音速が変化すると、等価的なプラスチック層厚さが
！７４波長からずれることになり、音の伝搬効率が悪化
する。結局、マツチング層２１の存在は、送受信特性の
温度変化となってあられれる。

（２）　　シンプルな構造 以上述べたように、第７図従来例の送受波器は、その特
性を理想的なものに近づけるために、圧電振動子１ｉ以
外に、ダンピング材３１、音響マツチング層２１という
ような付随する要素を必要とし、その結果、逆に、温度
変化等に対してこれらの要素により特性が大きく影響を
受ける結果となっている。

理想的には、これらの余分な要素はないことが望ましい
。

本発明は、これらの問題点を解決するものである。

本発明の目的は、シンプルな構造で、高ダンピング特性
を有し、効率が良好な超音波送受波器を提供するにある
。

（問題点を解決するための手段） この目的を達成するために、本発明は、円柱状の保持体
と、該保持体の周面の両端部分を残してリング状に設け
られた凹部と、前記保持体の周面の１ｌｉＪ記両端部分
に固定され該凹部と室を構成する円筒状の高分子圧電膜
と、該高分子圧電膜の外周囲と内周面とにそれぞれ設け
られた電極板と、前記保持体の一端に頭部側が取付けら
れ送受信する超音波にｌ１ｉＪ記保持体の軸方向の指向
性を付与する円錐状の反射傘と、前記保持体に設けられ
前記室と外部とを連通ずる均圧孔とを具備してなる超音
波距離計の送受波器を構成した。

（作用） 以上の構成において、高分子圧電膜に電気パルスを印加
すると、高分子圧電膜は、半径方向に呼吸振動を起す。

この呼吸振動によって発生された超音波は、反射傘によ
り進行方向を変換され、ドーナツ状のビームとなって進
行する。

一方、高分子圧電膜に外部から圧力が加われば、高分子
圧電膜１の伸縮が生じ、電極間に電圧を発生する。

以下、実施例に基づき詳細に説明する。

（実施例） 第１図は、本発明の一実施例の構成説明図である。

図において、１は円筒状の高分子圧電膜である。

高分子圧電膜１は、第２図に示す如く、円周方向αに延
伸した後、第３図に示す如く、円筒状に形成される。こ
の場合は、ポリフッ化ビニリデン（ｐｖＤＦ）が用いら
れている。ＩＩ、　＋２は゛高分子圧電膜１の両面に設
けられた電極である。Ｉｌｌ、　１２＋は電４４＋１ｊ
１２にそれぞれ一端が取付けられたリード線である。２
は高分子圧電膜１を、その呼吸振動をできるだけ聞書し
ないように、上下端面において保持する円柱状の保持体
である。保持体２は、耐候性等に優れたプラスチック、
例えば、テフロン。

境化ビニール等が用いられている。２Ｉはは保持体２の
周面に設けられ、高分子圧電膜１と室３を構成する凹部
である。４は高分子圧電膜Ｉの−・端に頭部側が取付け
られ、送受信する超音波に指向性を付与する円錐状の反
射傘である。５は保持体２に設けられ室３と外部とを連
通ずる均圧孔である。

以上の構成において、高分子圧？！！膜１に電気パルス
を印加すると、高分子圧電膜１は延伸方向αに伸縮する
が、高分子圧電膜１は円筒状に形成されているので、半
径方向の呼吸振動に変換される。

この呼吸振動によって発生された超音波は、反射傘４に
より進行方向を変換され、ドーナツ状のビームとなって
第１図の下方に進行する。

一方、高分子圧電膜１に外部から圧力が加われば、高分
子圧＠膜１の伸縮が生じ、電極１１．１２間に電圧を発
生する。

すなわち、第１図に示した送受波器は、第７図従来例と
同様の動作を行う。

高分子圧電膜１は、 （］）　　音響インピーダンスが小さく、水、空気等と
のマツチングがとりやすい。

（２）　　内部でのエネルギー派衰が大きく、継続時間
の短いパルスの送受信ができる。

（３）　　可撓性があるため薄膜への製造・加工が容易
である。

という特徴を有する。

これらの特徴を生かし、第１図に示したように、膜の長
さ方向の振動を半径方向の振動に変換して使用する。

この時の摸の共振周波数ｆｏは、膜の曲率半径をＥ Ｒ２弾性率をＣ、密度をρで示せば、（２）式となる。

よって、金板りに、Ｃ＝ｌ１３Ｘｌｏ”（Ｎ／ｍ’）、
ρ　＝１．８ｘｌｌｌ’（ｋｇ／ｍ’）とすれば、第１
図において、保持体２の半径をＩＱ＋ｎｍとすることに
より、約４０ｋＨｚの超音波の送受信が可能となる。

以下、高分子圧電ｖｌ利用による利点を、セラミックス
系の圧電振動子との比較において、具体的に説明する。

（１）　　送信の場合 ■　空気中に放射される音圧の絶対値は、振動源の周波
数および放射面Ｊｆｉが同一なら振動源の速度Ｖに比例
する。この速度■は、周波数一定なら振動源の変位Ｘに
比例するから、高分子圧電膜１に加える電圧Ｖと変位Ｘ
の変換効率について考えてみる。

高分子圧電膜１の両側に設けられた電極ＩＩ、　Ｈ間に
■なる電圧を加えたとすると、高分子圧電膜１の延伸方
向すなわち円筒の外周の伸び６ｇは次式により算出でき
る。

１Δｆｆｉ／Ｒｌ　＝　ｌ　Ｓ　ｌ　＝　　ｄ、、Ｅ　
＝　　ａ−ｖ／ｌ　　（３）ここに、Ｑは高分子圧電膜
１の長さく＝２πｒ：ｒ＝半径）、先は高分子圧電膜ｌ
の厚さｄ３１は圧電歪定数である。

（３）式より、ΔＱは、圧電歪定数ｄ３１が大きい程、
厚さｔが小さい程、大きな個となることがわかる。

Δρが大きい程、高分子圧電膜ｌの呼吸振動の振幅Ｘも
大きくなる。

高分子圧電膜１の圧電歪定数ｄＳ＋の伯は、一般に、セ
ラミックス系の圧電振動子１１、たとえば、Ｐ２Ｔの圧
電歪定数ｄ３１より一桁程小さいが、逆に板厚ｔは、き
わめて小さなものを作ることが可能である。結局、総合
的に、ＦＡＴよりも数倍効率よく、大きなΔｌ／Ｑを得
ることができる。

−例をあげると、高分子圧電膜１の圧電歪定数ｄ、、　
＝　ｌ０ｘｌＯ−”（Ｃ／Ｎ）　、厚さｔ　＝　４０μ
ｍ　、　Ｐ２Ｔの圧電歪定数ｄ３．　＝　１００ＸＩＱ
−”（Ｃ／Ｎ）、厚さｔ＝２ｍｍとすると、Δ１／１の
ｆ市は（圧電ｍ／ＰＩ丁）＝　５となる。

すなわち、セラミックス系の圧電振動子は、衝撃に弱い
所から、１０μｍオーダーの厚さの円筒閑を作ることは
不可能であるのに対して、高分子圧電膜１は、きわめて
薄くすることができるので、圧電歪定数ｄ１１が小さい
ことを補償することができる。

■　高分子圧電膜１は、高分子であるために、内部にお
けるエネルギーの減衰が大きい。これは振動の高ダンピ
ング効果となってあられれ、従来例の超音波送受波器の
ように、特別なダンピング材３１により制動を加える必
要がない。

■　このことは、さらに、ダンピング材３龜によす る振動振幅の減少（従来例では、たとえば約−以！ｆｌ 下に減少していた。）を避けることができる。前記■項
における効率の差を考え合わせると、同じ電圧■を印加
した場合に得られる振幅Ｘの値は、従来例の数！θ倍〜
数１００倍もの大きさに達する。

■　−力、振動子から空気中へのエネルギーの透過率Ｔ
は ｚ、：振動子の音響インピーダンス ｚ、：空気の音響インピーダンス で示される。

高分子圧電膜の２．＃　　３Ｘ　ＩＱ′（ＭＳ／ｍ”）
、ＰＡＴのｚｌｍ　３Ｑｘ　ＩＱ’（Ｉｓ／ｍ”）、空
気の２ｉ−４ＱＱ（８３八３）をあてはめると、 Ｔｌ；高分子圧電膜と空気との透過率 Ｔ、　：　Ｐ２Ｔと空気との透過率 Ｐ２Ｔを使用する従来例では、この透過率の低さを改善
するために、音響マツチング層２１を使用しているが、
高分子圧電膜では、特にそのような手段を用いなくても
、比較的良い効率で伝搬が可能となる。

（２）受信の場合 ■　受信時に外部から加わった力Ｆ（方向は高分子圧電
膜１の延伸方向）により、高分子圧電膜１の両面間に発
生する開放端電圧Ｖは、次式によリ示される。

ｌ　Ｅ　ｌ　＝ｌ　ｖ／ｌ　　ｌ　＝ｇｘ＋・ｏ　＝ｇ
ｓ＋・Ｆ／Ｑ　・ｔ”　ｌ　Ｖ　ｌ　＝　Ｋ３１・Ｆ／
β　　　　　　　　　　　（５）ρ　：応力 ｇ３１：電圧比□力定数 高分子圧電膜１の電圧出力定数ｇｓ＋の値は、セラミッ
クス系、たとえば、Ｐ２Ｔの電圧出力定数ｇｘ＋の約１
０〜２０倍の個を持つから、同じ力Ｆでも、大きなＩＶ
Ｉが得られる。

■　送信の場合の項で述べたダンピング材有無の効果は
、受信時にも成立するから、総合的に受信時にも数１０
〜２Ｈ倍以上の効率アップが可能となる。

以上の結果、本発明装置によれば従来のセラミックス系
振動子を使用した方法と同等以上の機能および送受信効
率を、Ｉ／１００６以下の消９パワーで実現できる。

次に、試作した送受波器の特性を具体例をあげて説明す
る。

保持体２の半径を目皿、高さ３０ｍｍとして、５６μｍ
の厚さの高分子圧電膜１が上端下端部をそれぞれ２ｍｍ
幅で保持体２に貼り合せ支持された装置において、反射
傘４の前面８００馴の距離における送信および受信感度
は以下の萌が得られた。

送信；　１２０ｄＢ　　（ＯｄＢ＝　２Ｘｌ［ｌ−’μ
ｈｅｒ　）受（Ｆｆ　；　−３０ｄＢ　　（ＯｄＢ＝　
ＩＶ／　ｕ　ｂｔｒ　）これは、第７図従来例の送受波
器と比較して、送受信合計で５００〜目０ａ倍の特性同
上を示すものである。

なお、送信感度の測定においては、駆動回路の駆動電圧
をｌ’０Ｖｐ−ｐとし、高分子圧、π模１のキャパシタ
ンス成分による無効成分を消すために、適切なインダク
タンスで、両者の整合をとっている。

また、高分子圧電膜ｌの厚さは、上記具体例では、５Ｘ
ｌμｍとしたが、この厚さがあまり薄いと、円筒状にし
た場合、送受信に必要な自己の張力を維持できない。ま
た、製作も困難となる等の問題が生じ、一方、あまり厚
いと、ｌｌ′ｉＪ記（３）式により、送信感度が減少す
るという問題が生じる。

使用可能な現実的な個としては、２５〜１０μｍが適切
である。

また、第１図実施例において、高分子圧電膜ｌの固定を
、上下端面のみとしたのは、高分子圧電Ｍ　１の呼吸振
動を、できるだけ束縛しないように考慮したためであっ
て、他の個所に束縛点（固定点）を設けると、送受信感
度が急激に減少する。

すなわち、たとえば、第４図に示す如く、高分子圧電膜
１の側面の一部１３を束縛するのみで、送受信感度は、
それぞれ、 送信；　１１５ｄＢ 受信；　−３５ｄＢ に減少する。

すなわち、高分子圧電膜１の上下端のみを保持体２に固
定する事により感度の高いものが得られる。

第５図は第１図の構成において、均圧孔５の有無による
送受信総合感度の比較を行ったグラフである。■は均圧
孔５がない場合、■は均圧孔５がある場合を示す。

周囲圧力の変化により、圧力が増大した場合、均圧孔５
がない場合には、圧力の増加に伴って感度が急激に減少
するのに対し、均圧孔５がある場合には、感度の減少は
生じていない。

第６図は、送受波器の前方３ｍにおける反８を傘４から
の反射音の大きさを示した指向性をあられす。

反射傘４の効果により、半減角４以内の鋭い指向性が得
られ、距離計、あるいはレベル計として理想的な特性を
実現できる。

この結果 （１）　　高分子圧電膜ｌ自身の内部減衰が大きいため
、ダンピング材を使用しなくても、高ダンピング特性の
超音波の送受信が可能となる。

（２）　　ダンピング材を使用しないため、それによる
エネルギー損失がなく、高い効率の送受（ａが可能とな
る。

（３）　　高分子圧電膜１の音響インピーダンスは、セ
ラミックス系振動子の音響インピーダンスより一桁小さ
いので、空気中への音の送受信効率が良い。

（４）　　高分子圧電膜１の厚さは、薄くすることがで
きるので、送信時には電界強度を大きくでき、送信効率
（高分子圧電膜ｌの変位量）が増大できる。

また、受信時には、゛この薄さは出力に影響を及ぼさな
い。一方、高分子圧電膜１自身の有する高い電圧出力定
数ｇｓ＋によって、高い開放端電圧が得られる。

すなわち、送受信効率とも、大きな向上が可能となる。

（５）　　ダンピング材、音響マツチング層等を用いる
必要がないため、これらの物性変化に起因する温度特性
の変化を避けることができる。

（６）シたがって、第７図従来例に比して、高性能をき
わめて低消費パワーで実現可能である。

（７）　　高分子圧電ｌｌ！Ｊ１の固定を上下端面のみ
に限定したため、束縛のない、自由な呼吸振動が得られ
、その結果、大きな送受信感度が得られる。

（８）　　均圧孔５を有することにより、感度が周囲圧
力の影響を受けない送受波器を実現できる。

（９）　　反射傘４を使用することにより、距離計用と
して最適な良好な指向性をもった送受波器を実現できる
。

なお、前述の実施例において、保持体２はプラスチック
材よりなると説明したが、ステンレス等の金属とし、こ
れを高分子圧電膜１の内（１１Ｉ電極からの電極引き出
し部（リード部）として兼用してもよいことは勿論であ
る。

また、保持体２の材質を、アルミナ等のセラミックスと
すれば複雑な形状を一体焼成することが可能で追加工を
最小限におさえることができて、製造原価を下げること
ができる。

また、セラミックスは、耐候、耐薬品性にすぐれている
という特徴も有している。

また、セラミックス表面に金属コーティング（メタライ
ジング）を施せば、これを内側電極の引き出し部として
利用できるという利点を付加できる。

なお、前述の実施例においては、高分子圧電膜ｌはポリ
フッ化ビニリデン（ＰＶＤＥ）からなると説明したが、
これに限ることはなく、たとえば、フッ化ビニリデンと
トリプルオロエチレンの共重合体（Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦ
Ｉり　）　、フッ化ビニリデンとテトラフルオロエチレ
ンの共重合体（Ｐ（ＶＤＦ−ＴｅＦＥ）　）、または、
シアノビニリデンと酢酸ビニルの交互共重合体（Ｐ（Ｖ
ＤＣＮ−ＶＡＣ）　）でもよく、要するに、良好な圧電
性を示すものであればよい。これらの材料においては、
延伸操作は必らずしも必要ではなく、高電圧印加に、よ
る分極操作のみでもよい。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明は、円柱状の保持体と、該
保持体の周面の両端部分を残してリング状に設けられた
凹部と、前記保持体の周面の前記両端部分に固定され該
凹部と室を構成する円筒状の高分子圧電膜と、該高分子
圧電膜の外周面と内周面とにそれぞれ設けられた電極板
と、前記保持体の一端に頭部側が取付けられ送受信する
超音波に前記保持体の軸方向の指向性を付与する円錐状
の反射傘と、前記保持体に殺けられ前記室と４１部とを
連通ずる均圧孔とを具備してなる超音波距離計の送受波
器を構成した。

この結果、（１）高分子圧電膜自身の内部減衰が大きい
ため、ダンピング材を使用しなくても、高ダンピング特
性の超音波の送受信が可能となる。（２）ダンピング材
を使用しないため、それによるエネルギー損失がなく、
高い効率の送受信が可能となる。（３）高分子圧電膜１
の音響インピーダンスは、セラミックス系振動子の音響
インピーダンスより一桁小さいので、空気中への音の送
受信効率が良い。（４）高分子圧電膜の厚さは、薄くす
ることができるので、送信時には電界強度を大きくでき
、送信効率（高分子圧電膜の変位量）が増大できる。

また、受信時には、このｗＩさは出力に影響を及ぼさな
い。一方、高分子圧電膜自身の有する高い電圧出力定数
ｇｓ＋によって、高い開放＠電圧が得られる。すなわち
、送受信効率とも、大きな向上が可能となる。（５）ダ
ンピング材、音響マツチング層等を用いる必要がないた
め、これらの物性変化に起因する温度特性の変化を避け
ることができる。

（６）シたがって、従来例に比して、高性能をきわめて
低消費パワーで実現可能である。（７）高分子圧電膜の
固定を上下端面のみに限定したため、束縛のない、自由
な呼吸振動が得られ、その結果、大きな送受信感度が得
られる。（８）均圧孔を有することにより、感度が周囲
圧力の影響を受けない送受波器を実現できる。（９）反
射傘を使用することにより、距離計用として最適な良好
な指向性をもった送受波器を実現できる。

したがって、本発明によれば、シンプルな構造で、高ダ
ンピング特性を有し、効率が良好な超音波受波器を実現
することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の構成説明図、第２図は第１
図の部品説明図、第３図から第６図は第１図の動作説明
図、第７図は従来より一般に使用されている従来例の構
成説明図、第８図、第９図は第７図の動作説明図である
。 ｌ・・・高分子圧電膜、ＩＩｊ口・・・電極、１１１２
口１・・・リード線、２・・・保持体、２１・・・凹部
、３・・・室、４・・・反射傘、５・・・均圧孔。 第７図 第２図 第３図 ｒ　　　刀０λｔこ１圧力　　（仙ｍり人気圧 第７図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 円柱状の保持体と、 該保持体の周面の両端部分を残してリング状に設けられ
   た凹部と、 前記保持体の周面の前記両端部分に固定され該凹部と室
   を構成する円筒状の高分子圧電膜と、該高分子圧電膜の
   外周面と内周面とにそれぞれ設けられた電極板と、 前記保持体の一端に頭部側が取付けられ送受信する超音
   波に前記保持体の軸方向の指向性を付与する円錐状の反
   射傘と、 前記保持体に設けられ前記室と外部とを連通する均圧孔
   とを具備してなる超音波距離計の送受波器。