JPH0463349B2 - - Google Patents
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- JPH0463349B2 JPH0463349B2 JP62111493A JP11149387A JPH0463349B2 JP H0463349 B2 JPH0463349 B2 JP H0463349B2 JP 62111493 A JP62111493 A JP 62111493A JP 11149387 A JP11149387 A JP 11149387A JP H0463349 B2 JPH0463349 B2 JP H0463349B2
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- JP
- Japan
- Prior art keywords
- holder
- piezoelectric film
- polymer piezoelectric
- recess
- ring
- Prior art date
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- Expired - Lifetime
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- Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
- Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)
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。
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。
波器の特性の向上に関するものである。
(従来の技術)
第10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。
例の構成説明図である。
図において、1aはセラミツクス系よりなる円
筒状の圧電振動子である。2aは音響マツチング
層を兼ねたプラスチツクス製のケースである。3
aは圧電振動子1aの制動のためのダンピング材
である。4aは圧電振動子1a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。
筒状の圧電振動子である。2aは音響マツチング
層を兼ねたプラスチツクス製のケースである。3
aは圧電振動子1aの制動のためのダンピング材
である。4aは圧電振動子1a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1a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つて超音圧を発生す
る。この超音波は、反射傘4aにより進行方向を
変換され第11図に示すようなドーナツ状のビー
ムとなつて第10図の下方に進行する。
電振動子1a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つて超音圧を発生す
る。この超音波は、反射傘4aにより進行方向を
変換され第11図に示すようなドーナツ状のビー
ムとなつて第10図の下方に進行する。
(2) 超音波の受信の場合。
第10図の下方から入射してきた超音波は、反
射傘4aにより収束されて、ケース2aを通過し
て、圧電振動子1aの外周部に応力を与える。圧
電振動子1aは、加えられた応力に応じて、電極
間に電界を発生する。
射傘4aにより収束されて、ケース2aを通過し
て、圧電振動子1aの外周部に応力を与える。圧
電振動子1a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。
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、反射して帰つてくるまでの時間tを測定する
ことにより対象までの距離Lを求める計器であ
る。ここに、 L=1/2ct (1) c;伝搬媒体中の音速 しかし、セラミツクス系の圧電振動子1aは、
一般に大きな慣性を持つため、第12図Aに示す
電気駆動パルスaがなくなつたあとにも、第12
図Bに示すように、減衰性の振動bが続く、これ
を、残留振動b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12図Cに示す如
く、残留振動bが残つている間に、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。
し、反射して帰つてくるまでの時間tを測定する
ことにより対象までの距離Lを求める計器であ
る。ここに、 L=1/2ct (1) c;伝搬媒体中の音速 しかし、セラミツクス系の圧電振動子1aは、
一般に大きな慣性を持つため、第12図Aに示す
電気駆動パルスaがなくなつたあとにも、第12
図Bに示すように、減衰性の振動bが続く、これ
を、残留振動b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12図Cに示す如
く、残留振動bが残つている間に、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
10図Dに示す如く、反射波振幅が、きわめて小
さくなるので、受信電圧を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bによ
る起電力も増幅するため、残留振動bの方をまち
がつて検出しないためには、残留振動bの振幅
が、反射波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12
図Eに示す如く、設けておく必要がある。
10図Dに示す如く、反射波振幅が、きわめて小
さくなるので、受信電圧を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bによ
る起電力も増幅するため、残留振動bの方をまち
がつて検出しないためには、残留振動bの振幅
が、反射波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12
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。
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、一般には、第10図に
示すダンピング材3aにより、圧電振動子1aに
制動をかける方法がとられているが、この方法に
は、次の2つの問題が存在している。
示すダンピング材3aにより、圧電振動子1aに
制動をかける方法がとられているが、この方法に
は、次の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
は適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、温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。
は適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、温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。
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。
送受信を行えることが望ましい。
しかし、第10図従来例に示す送受波器は、以
下の2つの問題を有する。
下の2つの問題を有する。
ダンピング材3a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1a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1kV程
度を与える必要がある。
め、所望の振動子振動振幅を得るためには、圧
電振動子1a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1kV程
度を与える必要がある。
圧電振動子1a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1a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1aより音響
的に軟らかい(音響インピーダンスρcの小さ
い)プラスチツクよりなるケース2a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、このプラスチツク層2aの厚さは1/4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ツクの音速が
変化すると、等価的なプラスチツク層厚さが1/
4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2aの存在は、
送受信特性の温度変化となつてあらわれる。
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1a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1aより音響
的に軟らかい(音響インピーダンスρcの小さ
い)プラスチツクよりなるケース2a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、このプラスチツク層2aの厚さは1/4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ツクの音速が
変化すると、等価的なプラスチツク層厚さが1/
4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2aの存在は、
送受信特性の温度変化となつてあらわれる。
(2) シンプルな構造。
以上述べたように、第10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1a以外に、ダンピング材3a、音響
マツチング層2a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
となつている。
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1a以外に、ダンピング材3a、音響
マツチング層2a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
となつている。
理想的には、これらの余分な要素はないことが
望ましい。
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。
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、効率が良好で堅牢な超音波送受
波器を提供するにある。
ング特性を有し、効率が良好で堅牢な超音波送受
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を残して周
方向の全周にわたつて設けられたリング状の凹部
と、前記保持体の外周面を覆つて設けられ前記凹
部が形成された部分以外の該保持体の周面に接す
る部分が固定され該凹部に対向する部分が該凹部
とリング状の室を構成する筒状の高分子圧電膜
と、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
が取り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、該
反射傘の開口部の中央部分に前記保持体の軸に直
交し前記超音波信号の進路を妨害しないように配
置された保護板と、該保護板と前記反射傘の開口
縁とを結び超音波を透過するリング状のネツト
と、前記保持体に設けられ一端が前記室に開口し
他端が外部に開口す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。
の保持体と、該保持体の周面の両端部を残して周
方向の全周にわたつて設けられたリング状の凹部
と、前記保持体の外周面を覆つて設けられ前記凹
部が形成された部分以外の該保持体の周面に接す
る部分が固定され該凹部に対向する部分が該凹部
とリング状の室を構成する筒状の高分子圧電膜
と、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
が取り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、該
反射傘の開口部の中央部分に前記保持体の軸に直
交し前記超音波信号の進路を妨害しないように配
置された保護板と、該保護板と前記反射傘の開口
縁とを結び超音波を透過するリング状のネツト
と、前記保持体に設けられ一端が前記室に開口し
他端が外部に開口す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。この呼吸振動によつて発生された超
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つて進行する。
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。この呼吸振動によつて発生された超
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つて進行する。
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。
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。
而して、高分子圧電膜を傷つけるような外力は
保護板とネツトにより遮げられる。
保護板とネツトにより遮げられる。
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。
る。
図において、1は超音波を送受信する円筒状の
高分子圧電膜である。高分子圧電膜1は、第3図
に示す如く、円周方向αに延伸した後、第4図に
示す如く、円筒状に形成される。この場合は、ポ
リフツ化ビニリデン(PVDF)が用いられてい
る。11,12は高分子圧電膜1の両面に設けら
れた電極である。111,121は電極11,1
2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
るだけ阻害しないように、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ツク、例えば、テフロン、塩
化ビニール等が用いられている。21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1の一端に頭
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と外部とを連通する均圧孔である。
6は、第2図に示す如く、反射傘4の開口部の中
央部分に保持体2の軸に直交し、超音波信号の進
路を妨害しないように配置された保護板である。
7は、第2図に示す如く、保護板6と反射傘4の
開口縁とを結び超音波を透過すすリング状のネツ
トである。ネツト7は超音波の反射が無視できる
程度の線径及び密集度を有している。
高分子圧電膜である。高分子圧電膜1は、第3図
に示す如く、円周方向αに延伸した後、第4図に
示す如く、円筒状に形成される。この場合は、ポ
リフツ化ビニリデン(PVDF)が用いられてい
る。11,12は高分子圧電膜1の両面に設けら
れた電極である。111,121は電極11,1
2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
るだけ阻害しないように、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ツク、例えば、テフロン、塩
化ビニール等が用いられている。21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1の一端に頭
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と外部とを連通する均圧孔である。
6は、第2図に示す如く、反射傘4の開口部の中
央部分に保持体2の軸に直交し、超音波信号の進
路を妨害しないように配置された保護板である。
7は、第2図に示す如く、保護板6と反射傘4の
開口縁とを結び超音波を透過すすリング状のネツ
トである。ネツト7は超音波の反射が無視できる
程度の線径及び密集度を有している。
以上の構成において、高分子圧電膜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。この呼吸振動によつ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
のビームとなつて第1図の下方に進行する。
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。この呼吸振動によつ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
のビームとなつて第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、高分子圧電膜1の伸縮が生じ、電極11,1
2間に電圧を発生する。
ば、高分子圧電膜1の伸縮が生じ、電極11,1
2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10
図従来例と同様の動作を行う。
図従来例と同様の動作を行う。
高分子圧電膜1は、
(1) 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。
のマツチングがとりやすい。
(2) 内部でのエネルギー減衰が大きく、継続時間
の短いパルスの送受信ができる。
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。
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。
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。
この時の膜の共振周波数f0は、膜の曲率半径を
R、弾性率をCE、密度をρで示せば、(2)式とな
る。
R、弾性率をCE、密度をρで示せば、(2)式とな
る。
よつて、今仮りに、CE=11.3×109(N/m2)、
ρ=1.8×103(Kg,m3)とすれば、第1図におい
て、保持体2の半径を10mmとすることにより、約
40kHzの超音波の送受信が可能となる。
ρ=1.8×103(Kg,m3)とすれば、第1図におい
て、保持体2の半径を10mm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、高分子圧電膜1利用による利点を、セラ
ミツ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。
ミツ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積が同一なら振動源の速
度vに比例する。この速度vは、周波数一定な
ら振度源の変位に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。
の周波数および放射面積が同一なら振動源の速
度vに比例する。この速度vは、周波数一定な
ら振度源の変位に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1
1,12間にV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Δlは次式により算出できる。
1,12間にV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Δlは次式により算出できる。
―Δl/l―=―S―=d31E=d・V/t
(3) ここに、lは高分子圧電膜1の長さ(=
2πr:r=半径)、tは高分子圧電膜1の厚さ、
d31は圧電歪定数である。
(3) ここに、lは高分子圧電膜1の長さ(=
2πr:r=半径)、tは高分子圧電膜1の厚さ、
d31は圧電歪定数である。
(3)式より、Δlは、圧電歪定数d31が大きい程、
厚さtが小さい程、大きな値となることがわか
る。Δlが大きい程、高分子圧電膜1の呼吸振
動の振幅Xも大きくなる。
厚さtが小さい程、大きな値となることがわか
る。Δlが大きい程、高分子圧電膜1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d31の値は、一
般に、セラミツクス系の圧電振動子1a、たと
えば、PZT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、PZTよ
りも数倍効率よく、大きなΔl/lを得ること
ができる。
般に、セラミツクス系の圧電振動子1a、たと
えば、PZT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、PZTよ
りも数倍効率よく、大きなΔl/lを得ること
ができる。
一例をあげると、高分子圧電膜1の圧電歪定
数d31=10×10-12(C/N)、厚さt=40μm,
PZTの圧電歪定数d31=100×10-12(C/N)、
厚さt=2mmとすると、Δl/lの値は(圧電
膜/PZT)=5となる。
数d31=10×10-12(C/N)、厚さt=40μm,
PZTの圧電歪定数d31=100×10-12(C/N)、
厚さt=2mmとすると、Δl/lの値は(圧電
膜/PZT)=5となる。
すなわち、セラミツ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
膜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d31が小さいことを補償する
ことができる。
撃に弱い所から、10μmオーダーの厚さの円筒
膜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d31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。これは振
動の高ダンピング効果となつてあらわれ、従来
例の超音波送受信器のように、特別なダンピン
グ材3aにより制動を加える必要がない。
部におけるエネルギーの減衰が大き。これは振
動の高ダンピング効果となつてあらわれ、従来
例の超音波送受信器のように、特別なダンピン
グ材3a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3aによ
る振動振幅の減少(従来例では、たとえば約1/
10以下に減少していた。)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Vを印加した場合に得られる振幅
Xの値は、従来例の数10倍〜数100倍もの大き
さに達する。
る振動振幅の減少(従来例では、たとえば約1/
10以下に減少していた。)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Vを印加した場合に得られる振幅
Xの値は、従来例の数10倍〜数100倍もの大き
さに達する。
一方、振動子から空気中へのエネルギーの透
過率Tは T=4Z1Z2/(Z1+Z2)2 (4) Z1;振動子の音響インピーダンス Z2;空気の音響インピーダンス で示される。
過率Tは T=4Z1Z2/(Z1+Z2)2 (4) Z1;振動子の音響インピーダンス Z2;空気の音響インピーダンス で示される。
高分子圧電膜のZ13×106(NS/m3)、PZT
のZ130×106(NS/m3)、空気のZ2400
(NS/m3)をあてはめると、 T1/T2=0.53×10-3/0.053×10-3=10 T1;高分子圧電膜と空気との透過率 T2;PZTと空気との透過率 PZT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2a
を使用しているが、高分子圧電膜1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。
のZ130×106(NS/m3)、空気のZ2400
(NS/m3)をあてはめると、 T1/T2=0.53×10-3/0.053×10-3=10 T1;高分子圧電膜と空気との透過率 T2;PZTと空気との透過率 PZT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2a
を使用しているが、高分子圧電膜1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つた力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
より示される。
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
より示される。
―E―=―V/t―=g31・σ=g31・F/
l・t ∴ ―V―=g31・F/l (5) σ;応力 g31;電圧出力定数 高分子圧電膜1の電圧出力定数g31の値は、
セラミツクス系、たとえば、PZTの電圧出力
定数g31の約10〜20倍の値を持つから、同じ力
Fでも、大きな―V―が得られる。
l・t ∴ ―V―=g31・F/l (5) σ;応力 g31;電圧出力定数 高分子圧電膜1の電圧出力定数g31の値は、
セラミツクス系、たとえば、PZTの電圧出力
定数g31の約10〜20倍の値を持つから、同じ力
Fでも、大きな―V―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10〜200倍以上の効率アツプが可能
となる。
効果は、受信時にも成立するから、総合的に受
信時にも数10〜200倍以上の効率アツプが可能
となる。
以上の結果、本発明装置によれば従来のセラミ
ツ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、1/1000以下の消費パワーで
実現できる。
ツ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、1/1000以下の消費パワーで
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。
て説明する。
保持体2の半径を10mm、高さを30mmとして、
50μm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800mmの距離におけ
る送信および受信感度は以下の値が得られた。
50μm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800mmの距離におけ
る送信および受信感度は以下の値が得られた。
送信;120dB(0dB=2×10-4μbar)
受信;−30dB(0dB=1V/μbar)
これは、第10図従来例の送受波器と比較し
て、送受信合計で500〜1000倍の特性向上を示す
ものである。
て、送受信合計で500〜1000倍の特性向上を示す
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10Vp−pとし、高分子圧電膜1のキ
ヤ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、両者の整合をとつてい
る。
駆動電圧を10Vp−pとし、高分子圧電膜1のキ
ヤ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、両者の整合をとつてい
る。
また、高分子圧電膜1の厚さは、上記具体例で
は、50μm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、前記(3)式により、
送信感度が減少するという問題が生じる。
は、50μm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、前記(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値としては、25〜100μmが
適切である。
適切である。
また、第1図実施例において、高分子圧電膜1
の固定を、上下端面のみとしたのは、高分子圧電
膜1の呼吸振動を、できるだけ束縛しないように
考慮したためであつて、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5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。
の固定を、上下端面のみとしたのは、高分子圧電
膜1の呼吸振動を、できるだけ束縛しないように
考慮したためであつて、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5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。
体2に固定する事により感度の高いものが得られ
る。
第6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つたグラフで
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。
無による送受信総合感度の比較を行つたグラフで
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、圧力の増加に伴つて感
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。
均圧孔5がない場合には、圧力の増加に伴つて感
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7図は、送受波器の前方3mにおける反射傘
4からの反射音の大きさを示した指向性をあらわ
す。
4からの反射音の大きさを示した指向性をあらわ
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。
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。
而して、高分子圧電膜1を使用した超音波距離
計の送受波器の欠点は、高分子圧電膜1自体の機
械的強度が小さいことにある。
計の送受波器の欠点は、高分子圧電膜1自体の機
械的強度が小さいことにある。
この欠点をおぎなうには、膜に金属やセラミツ
クス等の補強板を重ねるなどが考えられるが、こ
の種の方法では、高分子圧電膜1の特長を損うこ
とになり具合が悪い。
クス等の補強板を重ねるなどが考えられるが、こ
の種の方法では、高分子圧電膜1の特長を損うこ
とになり具合が悪い。
振動や衝撃などに対しては、膜自体の質量は、
小であるから問題はないとすると、実用上は直接
膜に加わる外力、たとえば、手で強くさわると
か、鋭利なものが触れるとか等に対して考慮すれ
ばよい。
小であるから問題はないとすると、実用上は直接
膜に加わる外力、たとえば、手で強くさわると
か、鋭利なものが触れるとか等に対して考慮すれ
ばよい。
本発明においては、送受波器本体部分は保護板
6に接近してもうけられているので、ネツト7の
張られた開口部分から送受波器本体部分への角度
は深くなり、ネツト7を突き抜けてくる外力は、
送受波器本体部分へは容易に触れることできな
い。なお、ネツト7による超音波の反射は、反射
時間が短いので、不感帯の設定により除去できる
ので問題はない。
6に接近してもうけられているので、ネツト7の
張られた開口部分から送受波器本体部分への角度
は深くなり、ネツト7を突き抜けてくる外力は、
送受波器本体部分へは容易に触れることできな
い。なお、ネツト7による超音波の反射は、反射
時間が短いので、不感帯の設定により除去できる
ので問題はない。
この結果
(1) 高分子圧電膜1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。
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。
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
ラミツ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。
ラミツ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1の変位量)が増大で
きる。
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1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g31によつて、高い開放端
電圧が得られる。
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g31によつて、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。
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。
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) したがつて、第10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。
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1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。
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。
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つた送受波器を実
現できる。
して最適な良好な指向性をもつた送受波器を実
現できる。
(10) 保護板6とネツト7が設けられているので、
高分子圧電膜1に直接加わる外力による高分子
圧電膜1の損傷を防止することができる。
高分子圧電膜1に直接加わる外力による高分子
圧電膜1の損傷を防止することができる。
第8図は、本発明の他の実施例の構成説明図で
ある。
ある。
本実施例においては、保護板6の裏面に吸音材
よりなる吸音板61をはりつけたものである。多
重反射を防止することができる。
よりなる吸音板61をはりつけたものである。多
重反射を防止することができる。
第9図は、本発明の別の実施例の構成説明図で
ある。
ある。
本実施例においては、保持体2と保護板6とが
一体構成とし保持体20としたものである。部品
点数を減じ、安価にすることができる。
一体構成とし保持体20としたものである。部品
点数を減じ、安価にすることができる。
なお、前述の実施例において、保持体2,2a
はプラスチツ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の内側
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。
はプラスチツ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の内側
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2,2aの材質を、アルミナ等の
セラミツ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。
セラミツ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、セラミツクスは、耐候、耐薬品性にすぐ
れているという特徴も有している。
れているという特徴も有している。
また、セラミツクス表面に金属コーテイング
(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。
(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
1はポリフツ化ビニリデン(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、
フツ化ビニリデンとトリフルオロエチレンの共重
合体(P(VDF−TrFE))、フツ化ビニリデンと
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(VDCN−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。
1はポリフツ化ビニリデン(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、
フツ化ビニリデンとトリフルオロエチレンの共重
合体(P(VDF−TrFE))、フツ化ビニリデンと
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(VDCN−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を残して周方向の
全周にわたつて設けられたリング状の凹部と、前
記保持体の外周面を覆つて設けられ前記凹部が形
成された部分以外の該保持体の周面に接する部分
が固定され該凹部に対向する部分が該凹部とリン
グ状の室を構成する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り
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、該反射傘
の開口部の中央部分に前記保持体の軸に直交し前
記超音波信号の進路を妨害しないように配置され
た保護板と、該保護板と前記反射傘の開口縁とを
結び超音波を透過するリング状のネツトと、前記
保持体に設けられ一端が前記室に開口し他端が外
部に開口す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。
体と、該保持体の周面の両端部を残して周方向の
全周にわたつて設けられたリング状の凹部と、前
記保持体の外周面を覆つて設けられ前記凹部が形
成された部分以外の該保持体の周面に接する部分
が固定され該凹部に対向する部分が該凹部とリン
グ状の室を構成する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り
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、該反射傘
の開口部の中央部分に前記保持体の軸に直交し前
記超音波信号の進路を妨害しないように配置され
た保護板と、該保護板と前記反射傘の開口縁とを
結び超音波を透過するリング状のネツトと、前記
保持体に設けられ一端が前記室に開口し他端が外
部に開口す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)高分子圧電膜の音響インピーダンスは、セ
ラミツ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、この薄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g31によつて、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)したがつて、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方性をもつた
送受波器を実現できる。(10)保護板6とネツト7が
設けられているので、高分子圧電膜1に直接加わ
る外力による高分子圧電膜1の損傷を防止するこ
とができる。
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)高分子圧電膜の音響インピーダンスは、セ
ラミツ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、この薄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g31によつて、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)したがつて、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方性をもつた
送受波器を実現できる。(10)保護板6とネツト7が
設けられているので、高分子圧電膜1に直接加わ
る外力による高分子圧電膜1の損傷を防止するこ
とができる。
したがつて、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、効率が良好で堅牢
な超音波送受波器を実現することができる。
で、高ダンピング特性を有し、効率が良好で堅牢
な超音波送受波器を実現することができる。
第1図は本発明の一実施例の構成説明図、第2
図は第1図の平面図、第3図は第1図の部品説明
図、第4図から第7図は第1図の動作説明図、第
8図は本発明の他の実施例の構成説明図、第9図
は本発明の別の実施例の構成説明図、第10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11図は第10図の平面図、第12図は第
10図の動作説明図である。 1……高分子圧電膜、11,12……電極、1
11,121……リード線、2,20……保持
体、21……凹部、3……室、4……反射傘、5
……均圧孔、6……保護板、61……吸音板、7
……ネツト。
図は第1図の平面図、第3図は第1図の部品説明
図、第4図から第7図は第1図の動作説明図、第
8図は本発明の他の実施例の構成説明図、第9図
は本発明の別の実施例の構成説明図、第10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11図は第10図の平面図、第12図は第
10図の動作説明図である。 1……高分子圧電膜、11,12……電極、1
11,121……リード線、2,20……保持
体、21……凹部、3……室、4……反射傘、5
……均圧孔、6……保護板、61……吸音板、7
……ネツト。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1 円柱状の保持体と、 該保持体の周面の両端部を残して周方向の全周
にわたつて設けられたリング状の凹部と、 前記保持体の外周面を覆つて設けられ前記凹部
が形成された部分以外の該保持体の周面に接する
部分が固定され該凹部に対向する部分が該凹部と
リング状の室を構成する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り付けられ送受
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、 該反射傘の開口部の中央部分に前記保持体の軸
に直交し前記超音波信号の進路を妨害しないよう
に配置された保護板と、 該保護板と前記反射傘の開口縁とを結び超音波
を透過するリング状のネツトと、 前記保持体に設けられ一端が前記室に開口し他
端が外部に開口する均圧孔と を具備してなる超音波距離計の送受波器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11149387A JPS63275975A (ja) | 1987-05-07 | 1987-05-07 | 超音波距離計の送受波器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11149387A JPS63275975A (ja) | 1987-05-07 | 1987-05-07 | 超音波距離計の送受波器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS63275975A JPS63275975A (ja) | 1988-11-14 |
| JPH0463349B2 true JPH0463349B2 (ja) | 1992-10-09 |
Family
ID=14562671
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11149387A Granted JPS63275975A (ja) | 1987-05-07 | 1987-05-07 | 超音波距離計の送受波器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS63275975A (ja) |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS53158227U (ja) * | 1977-05-18 | 1978-12-12 | ||
| DE3320935A1 (de) * | 1983-06-09 | 1984-12-13 | Siemens AG, 1000 Berlin und 8000 München | Ultraschall-sensor |
| JPS60169585U (ja) * | 1984-04-18 | 1985-11-11 | 愛知車輌株式会社 | 超音波センサ |
-
1987
- 1987-05-07 JP JP11149387A patent/JPS63275975A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS63275975A (ja) | 1988-11-14 |
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