JPH0529200B2 - - Google Patents

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］ 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が鋭
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、魚群探知機を実用性に鑑み極めて重
要なフア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、
指向特性倍が二乗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3dB減少する角度θ_-3dB
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
イ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式が知られている。

この方式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＝20log 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，
８ｂ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U_s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
ｂ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説明しよう。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１０ａと制振電極１２ａ，１
２ｂとに絶縁溝１４ａ，１４ｂにより区分し両端
部においてその振動エネルギが抑圧されるよう前
記制振電極１２ａ，１２ｂと他方の面の励振電極
１０ｂとを接続すると共に、交流電源E_aを供給
するよう構成している。そのため、超音波輻射面
U_sから放射される超音波は輻射面U_sの中央部か
ら最も強く放射され、制振電極１２ａ，１２ｂの
作用により端部に近づくに従つて徐々に弱まる如
く放射されると記述されている。

然しながら、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１０ａと制振電極１２ａ，１２ｂ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つていない。

さらに、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含
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。

さらにまた、第５図に示す電気結線図からも容
易に諒解されるように、励振電極１０ａと制振電
極１２ａ，１２ｂ間に存在する絶縁溝１４ａ，１
４ｂには高電圧が印加されるために、その沿面距
離を十分に確保する必要があり、圧電振動子の利
用効率が低下するという欠点も指摘されている。

その上、このような駆動電圧の印加構成は励振
電極１０ａと制振電極１２ａ，１２ｂとの間に電
荷が貯留されるので、これに起因して電気・超音
波変換効率が低下するという欠点も内在してい
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
されたものであつて、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、例
えば、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。

［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
対向する電極面を、互いに実質的に合同形状であ
つ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
ように形成し、さらに、一方の面の制振電極とこ
の制振電極と対向する他の電極面側の制振電極と
を電気的に接続し且つ前記２つの制振電極に抵抗
を接続し当該抵抗を励振電極に接続される駆動電
圧源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５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６図において、参照符号２０は本発明に係る
電気回路駆動部を含む直方体形状の圧電振動子を
示す。この圧電振動子２０の形状は正確には薄肉
の直方体形状であつて、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２２および背面部２４には、
その全面に亘つ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２６，２８
と両端部から中央部に指向して延在する二対の制
振電極３０ａ，３０ｂと３２ａ，３２ｂとが配設
され、励振電極２６，２８と制振電極３０ａ，３
０ｂと３２ａ，３２ｂの接周面は相互に絶縁溝３
１ａ，３１ｂと３３ａ，３３ｂにより絶縁される
ように形成されている。

この場合において、励振電極２６，２８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
するとその両端部に指向してcos二乗曲線に対応
した徐々に減少する面積配分に画成されると共
に、制振電極３０ａ，３０ｂと３２ａ，３２ｂ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
よつ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、制振電極３０ａ，３
０ｂおよび３２ａ，３２ｂは共通に接続されると
共に、その共通接続点３４ａ，３４ｂから、例え
ば、100kΩ程度以上の高抵抗R₁、R₂が夫々励振
電極２６，２８と接続される、そして、高抵抗
R₁、R₂と励振電極２６，２８の共通接続点３６
ａ，３６ｂ間には交流電源E_aが接続されている。
ここで、交流電源E_aは圧電振動子２０から発生
する超音波に共振する周波数を有する電圧源であ
る。なお、前記の接続の説明に係る電気回路結線
図は第７図に示される。

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。

共振周波数に係る交流電源E_aの印加によつて
前記圧電振動子２０は輻射面U_sから上方または
輻射面U_s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２０の長手方向の両端部側に同電位の制振
電極３０ａ，３０ｂと３２ａ，３２ｂが相対向し
て存在するため、圧電振動子２０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２６，
２８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U_sから放射される超音波は、殆ど、サイ
ドローブ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
動子と略同一のθ_-3dB角とするためには、短手方
向の長さl₂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l₁をl₁＞ｌと形
成することが好適である。

一方、第７図に示す電気回路図から容易に諒解
されるように、制振電極３０ａ，３０ｂと３２
ａ，３２ｂの共通接続点３４ａ，３４ｂには抵抗
R₁、R₂（R₁＝R₂）の分圧作用下にE_a／２［Ｖ］の
電圧が印加されるに過ぎないので、その結果、絶
縁溝３１ａ，３１ｂと３３ａ，３３ｂに係る絶縁
耐力は従来に比較して半分の値の耐力を有するよ
うに形成すればよい。すなわち、その沿面距離は
略半分の値とすることが可能となる。

さらに、励振電極２６と制振電極３０ａ，３０
ｂ間に貯留される電荷および励振電極２８と制振
電極３２ａ，３２ｂ間に貯留される電荷は交流電
源E_aの一サイクル毎に抵抗R₁、R₂を通じて放電
される構成であるため、電荷貯留に係る電気・超
音波変換効率の低下を防止することも可能とな
る。

第８図に本発明に係る圧電振動子の他の実施態
様を示す。第８図において、参照符号４０は正面
部２２に配置された励振電極であり、参照符号４
２ａ，４２ｂは制振電極である。この場合、背面
部２４には正面部２２と略合同図形的に励振電極
４４と制振電極４６ａ，４６ｂが形成されてい
る。そして、電気的には制振電極４２ａ，４２ｂ
と４６ａ，４６ｂは共通に接続されると共にその
共通接続点４８ａ，４８ｂから高抵抗R₁、R₂が
夫々励振電極４０，４４と接続される。そこで、
前記高抵抗R₁、R₂と励振電極４０，４４の共通
接続点４８ａ，４８ｂ間に駆動電源E_aが接続さ
れることにより輻射面U_sから超音波が放射可能
である。この場合においても、励振電極４０，４
４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４２ａ，４２ｂと４６ａ，４６ｂにあつて
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配分を持つ形状
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］ 以上のように、本発明によれば、圧電振動子の
対向する二面に実質的に合同図形に配設される励
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た上で制振電極に高
抵抗を接続して供給電源により駆動する構成とし
ている。そのため、下記に列記する種々の効果が
得られる。

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。

電極の形成方法はシルクスクリーン印刷方法
等を行えば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。

励振電極と制振電極間の沿面距離を従来の略
１／２とすることが可能となり圧電振動子の利用
効率が向上する。

抵抗によつて電荷の放電されるサイクルが確
保出来るため、電荷貯留に起因する電気・超音
波変換効率の劣化は軽減される。

励振電極と制振電極間に印加される電圧値が
１／２になるため電歪作用に起因して圧電振動子
自体にクラツクの発生する虞が解消する。

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ｂ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
図は第４図に係る電気回路結線図、第６図は本発
明に係る電気回路駆動部を含む直方体圧電振動子
の斜視説明図、第７図は第６図に係る電気回路結
線図、第８図は本発明に係る直方体圧電振動子の
他の実施態様を示す斜視説明図である。 ２０……圧電振動子、２２……正面部、２４…
…背面部、２６，２８……励振電極、３０ａ，３
０ｂ，３２ａ，３２ｂ……制振電極、E_a……交
流電源、Ｍ……メインローブ、Ｓ……サイドロー
ブ、U_s……超音波輻射面。