JPH04128500U - 超音波送受波器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】送信電力を大きくし、かつ受信感度を向上させ
る。 【構成】比較的大きな面積を有する送波用超音波振動子
１０の背面に比較的面積の小さな受波用超音波振動子２
６を設ける。電極面積比に応じ音圧が高まり受波感度が
向上する。また、振動子１０は有孔材料から、振動子２
６は非有孔材料から形成する。振動子１０により送信を
行う結果、送信電力を大きくとることができ、振動子２
６に非有孔材料を用いることにより受波感度が向上す
る。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は、魚群探知機等に利用され、水中で使用される超音波送受波器に関し 、特にその振動子構造の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】

従来から、超音波送受波器が魚群探知機等において用いられている。魚群探知 機は、水中に超音波を送波し、魚群等の反射体からの反射波を受波することによ り、魚群の大きさ、距離等を知る装置である。従って、魚群探知機等においては 超音波を送受波するための装置、すなわち超音波送受波器が必須である。

【０００３】 超音波送受波器は、通常、圧電材料から形成される超音波振動子を用いて構成 される。図３には、一従来例に係る超音波送受波器の構成が示されており、この 図に示される超音波送受波器は、ＰＺＴ等の圧電セラミクス材料から形成される 超音波振動子１０を備えている。

【０００４】 超音波振動子１０の表面には、銀等の電極１２及び１４が被覆形成されている 。電極１２及び１４には、それぞれ信号ケーブル１６及び１８が半田付け等によ り接続されている。振動子１０は、電極１２と１４の間に所定方向の電圧を印加 することにより分極処理が施されており、金属ケース２０内部に載置される。金 属ケース２０の内部には、遮音材２２が充填されている。遮音材２２は、コルク 、ポリウレタン樹脂等の材料であり、超音波振動子１０による放射効率を高める 機能を有している。超音波振動子１０は、遮音材２２と共に、例えば、ウレタン 樹脂で封止される。ウレタン樹脂の層２４はいわゆる整合層として機能する。こ こに、整合層とは、超音波振動子１０の音響インピーダンス（ＰＺＴから形成さ れる場合は３５×１０⁶ ｋｇ／ｍ² ｓ）と、海水の音響インピーダンス１．５× １０⁶ ｋｇ／ｍ² ｓとの音響的整合性をいわゆるλ／４整合の技術により確保す る層である。

【０００５】 従って、このような構成を有する従来の超音波送受波器において水中への送波 を行おうとする場合に、信号ケーブル１６と１８の間に電圧を供給し、この電圧 により超音波振動子１０を励振させる。すると、超音波振動子１０は図の上方向 に超音波を送波し、この超音波は水中の魚群等の反射体により反射される。反射 波は、整合層２４を介して再び超音波振動子１０により受信され、信号ケーブル １６及び１８からは受波に係る信号が出力される。送波に係る信号が例えばパル ス信号であった場合、送波時点と受波に係るパルスの到来時点と、の時間差から 魚群までの距離を知ることができ、受波に係るパルスの波高から魚群の規模を知 ることができる。

【０００６】 このように、従来においては、超音波送受波器を利用して魚群探知機等を構成 することが可能であった。

【０００７】

【考案が解決しようとする課題】

魚群探知機等の装置に超音波送受波器を適用する場合、できるだけ遠方を見渡 すため、送信電力を大きくしかつ受信感度を上げる必要がある。しかし、送信電 力を大きくするためには、超音波振動子の形状を大きくする必要があり、この結 果、装置構成が大型化するという問題点が生ずる。また、受信感度を向上させる ためには、本願出願人が先に提案した空孔を有する圧電材料から形成される超音 波振動子を用いれば良い（特開平１−１７２２８１号）。この材料は、加わる力 １Ｎ当りに発生する電荷量を表すｇ定数が大きく、このため、空孔を有さない材 料から形成される振動子に比べ受信感度が高い。反面、空孔を有することにより 機械的強度が弱く、多大の送信電力を注入すると機械的な破壊等を生ずるため、 送信電力を大きくできないという問題点がある。

【０００８】 本考案は、このような問題点を解決することを課題としてなされたものであり 、送信電力を大きくすると共に受信感度を向上させることが可能な超音波送受波 器を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】

このような目的を達成するために、本考案は、圧電材料から形成され電圧の印 加により超音波を送波する送波用超音波振動子と、圧電材料から形成され、送波 用超音波振動子を介して反射体からの反射に係る超音波を受波するよう送波用超 音波振動子に対して超音波の送波方向とは逆側に配置され、送波用超音波振動子 より輻射面が小さな受波用超音波振動子と、を備えることを特徴とする。

【００１０】 さらに、請求項２は、送波用超音波振動子が非有孔材料から、受波用超音波振 動子が有孔材料から、それぞれ形成されることを特徴とする。

【００１１】 そして、請求項３は、送波用超音波振動子が圧電セラミクス材料から、受波用 超音波振動子が有機圧電材料又はゴムに圧電セラミクス粉体を混入した複合圧電 材料から、それぞれ形成されることを特徴とする。

【００１２】

【作用】

本考案においては、送波及び受波がそれぞれ異なる超音波振動子により行われ る。すなわち、送波は、比較的大きな形状を有する送波用超音波振動子によって 行われ、受波は、この送波用超音波振動子の背面に設けられかつ輻射面がより小 さな受波用超音波振動子によって行われる。受波の際に送波用超音波振動子に加 わる力をＦ₁ 、音圧をＰ₁ とし、受波用超音波振動子に加わる力をＦ₂ 、音圧を Ｐ₂ 、とするならば、受波用超音波振動子が送波用超音波振動子を介して超音波 を受波する結果、Ｆ₁ ＝Ｆ₂ であるため、受波用超音波振動子に加わる音圧Ｐ＝ （Ｓ₁ ／Ｓ₂ ）Ｐ₁ となる。但し、Ｓ₁ は送波用超音波振動子の送波面積、Ｓ₂ は受波用超音波振動子の受波面積である。ここに、Ｓ₁ ＞Ｓ₂ であるため、音圧 Ｐ₂ はＰ₁ よりも大きい。従って、単一の振動子を用いて送波及び受波を行った 場合に比べ音圧が高く、従って受波感度が向上した超音波送受波器が得られる。 更に、請求項２においては、送波用超音波振動子を形成する材料として注入電 力を比較的大きくとることができる非有孔材料が用いられ、受波用超音波振動子 を形成する材料として比較的受信感度の良好な有孔材料が用いられる。従って、 請求項１において得られる作用に加え、さらに送信電力の向上及び受波感度の向 上という作用が得られる。

【００１３】 そして、請求項３においては、請求項２と同様の作用が得られる。すなわち、 請求項３において受波用超音波振動子を形成する材料として有機圧電材料又は複 合圧電材料が用いられる。これらは、前述の有孔材料と同様、受波感度を高める 作用を奏する。

【００１４】

【実施例】

以下、本考案の好適な実施例について図面に基づき説明する。なお、図３に示 される従来例と同様の構成には同一の符号を付し、説明を省略する。

【００１５】 図１には、本考案の一実施例に係る超音波送受波器における振動子構造が、図 ２にはその組立状況が、それぞれ示されている。図１に示されるように、本実施 例においては、空孔を含まないＰＺＴ材料から形成された超音波振動子１０の他 、空孔を含むＰＺＴ材料から形成された超音波振動子２６が用いられている。空 孔を含まない振動子１０は例えば５０ｍφから形成されており、空孔を含む振動 子２６は例えば５〜１０ｍφの振動子である。振動子２６の上下両面にはそれぞ れ銀等の電極２８及び３０が形成されており、電極２８は、導電性を有するエポ キシ樹脂３２によって振動子１０の電極１４に接着されている。超音波振動子２ ６は、例えばＰＺＴ粉末にメタクリル樹脂を１０〜４０％（体積比）で混合し、 加圧成形、焼成、銀による電極２８及び３０の形成等の工程を経て、製造される 振動子である。この振動子においては、焼成の際にメタクリル樹脂が焼失しメタ クリル樹脂が存在していた部分について空孔が形成される。この結果、空孔を含 まない材料が形成される振動子１０に比べ、ｇ定数が大きい振動子が得られる。

【００１６】 このように、２個の振動子１０及び１６から構成される振動子構造は、図３に 示される従来例と同様に金属ケース２０内に封入される。この場合、エポキシ樹 脂３２によって電極１４と２８とが電気的に接続されているため、信号ケーブル １８は、両電極１４及び１８についてのケーブルとして機能する。また、この実 施例においては、電極３０に係る信号ケーブル３４が設けられている。

【００１７】 この実施例に係る超音波送受波器を用いて水中に超音波を送波しようとする場 合、信号ケーブル１６と１８の間に送信機から所定の電圧を印加する。この電圧 、すなわち送信信号は、振動子１０において超音波に変換され、ウレタン樹脂か ら形成される整合層２４を介して水中に送波される。この場合、振動子１０を形 成する材料として非有孔（すなわち緻密な）ＰＺＴを用いているため、比較的送 信電力を大きく保つことができる。

【００１８】 また、このようにして送信された超音波が魚群等により反射されて受波される 場合、受波に係る超音波は整合層２４及び振動子１０を介して振動子２６により 受波される。振動子２６は、空孔を有する材料から形成されているため受信感度 が高く、さらに振動子１０よりも電極面積が小さいため、面積比に応じ高められ た音圧で受波を行うこととなる。従って、信号ケーブル１８と３４の間に現れる 電圧は、振動子１０のみで受波を行った場合に比べ高い電圧となる。すなわち感 応電圧が高く、良好な受信動作が実現されることとなる。

【００１９】 さらには、この実施例においては、送信動作が全て振動子１０において行われ ているため、送信電力の注入に伴う機械的な歪みが専ら振動子１０において生ず る。従って、この機械的歪みによる振動子１０または２６の破壊は生じ難い。

【００２０】 このように、本実施例によれば、機械的な破壊を生ずることなく送信電力を大 きくすることができると共に、受信に係る感度を向上させることができる。

【００２１】 なお、以上の説明においては、振動子１０及び２６を形成する材料としてＰＺ Ｔを仮定したが、これは他の種類の圧電セラミクス材料であっても良い。すなわ ち、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ₃ ：ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）の他、ＢａＴｉ Ｏ₃ ：チタン酸バリウム、ＰｂＴｉＯ₃ ：チタン酸鉛を用いても良い。さらに、 空孔を形成する手段はＰＭＭＡの混合以外であっても良い。

【００２２】 さらに進んで、振動子２６を空孔を有する圧電セラミクス以外から形成するよ うにしても良い。例えば、空孔を有していないＰｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ₃ 、ＢａＴ ｉＯ₃ 又はＰｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ₃ から形成するようにしても、面積比に起因す る感度向上は実現される。あるいは、有機圧電材料又は複合圧電材料を用いても 良く、この場合、材質に起因する感度向上も実現される。有機圧電材料としては 、例えば、ＰＶＤＦ：ポリ弗化ビニリデン、ＰＶＤＦ共重合体、Ｐ（ＶＤＦ／Ｔ ｒＦＥ）：弗化ビニリデンと３弗化エチレンの共重合体、Ｐ（ＶＤＣＮ／ＶＡｃ ）：シアン化ビニリデンと酢酸ビニルの共重合体等をあげることができ、複合圧 電材料としては、ＮＢＲ：ブタジエンとアクリロニトリルの共重合体、ＳＢＲ： ブタジエンとスチレンのラジカル共重合体もしくはウレタンゴムに圧電セラミク ス粉体を混入した材料をあげることができる。

【００２３】

【考案の効果】

以上説明したように、本考案によれば、比較的面積の大きい送信用超音波振動 子と比較的面積の小さい受波用超音波送受波器を用い、送波用超音波振動子を介 して受波用超音波振動子により受波を行うようにしたため、送信電力を大きくし 受波感度を向上させることが可能となる。

【００２４】 さらに、請求項２によれば、送波用超音波振動子を非有孔材料から、受波用超 音波振動子を有孔材料から、それぞれ形成するようにしたため、受波感度を高め ることが可能となる。

【００２５】 そして、請求項３によれば、請求項２と同様の効果を得ることができ、加えて 、受波用超音波振動子の製造の際の加工が簡単となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の一実施例に係る超音波送受波器におけ
る振動子構造を示す側面図である。

【図２】この実施例の組立状況を示す断面図である。

【図３】一従来例に係る超音波送受波器の構成を示す断
面図である。

【符号の説明】

１０，２６ 振動子 １２，１４，２８，３０ 電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)考案者 熊本 進 東京都三鷹市下連雀五丁目１番１号 日本 無線株式会社内

Claims (3)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】圧電材料から形成され電圧の印加により超
   音波を送波する送波用超音波振動子と、圧電材料から形
   成され、送波用超音波振動子を介して反射体からの反射
   に係る超音波を受波するよう送波用超音波振動子に対し
   て超音波の送波方向とは逆側に配置され、送波用超音波
   振動子より輻射面が小さな受波用超音波振動子と、を備
   えることを特徴とする超音波送受波器。
2. 【請求項２】請求項１記載の超音波送受波器において、
   送波用超音波振動子が非有孔材料から、受波用超音波振
   動子が有孔材料から、それぞれ形成されることを特徴と
   する超音波送受波器。
3. 【請求項３】請求項１記載の超音波送受波器において、
   送波用超音波振動子が圧電セラミクス材料から、受波用
   超音波振動子が有機圧電材料又はゴムに圧電セラミクス
   粉体を混入した複合圧電材料から、それぞれ形成される
   ことを特徴とする超音波送受波器。