JPH0553379B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ＜産業上の利用分野＞ 本発明は、超音波を測定面に放出しここからの
反射超音波を受信しこの放出から受信までの時間
差等から測定面までの距離を測定する超音波距離
計の送受波器に係り、特にこの送受波器の温度に
よる感度の変化を小さくした超音波距離計の送受
波器に関する。

＜従来の技術＞ 従来の超音波距離計の送受波器の構成を第５図
に示しまずこれについてその概要を説明する。

１０はセラミツク系の圧電振動子であり、その
全体が円筒状に形成されその内外面には電極が形
成されており、ここからリード線１１ａ，１１ｂ
が引き出されている。

１２はダンピング材であり、圧電振動子１０を
取り囲んでこの圧電振動子１２にダンピングをか
ける。

１３はプラスチツク製のケースであり、周囲の
空気との間の音響マツチングをとる音響マツチン
グ層をも兼ねている。

１４は反射傘であり、圧電振動子１０からその
半径方向に放出された超音波パルスをその軸方向
に方向変換して測定面に放射する。

次に、以上のように構成された送受波器１５の
動作についてその概要を説明する。

リード線１１ａ，１１ｂを介して電気パルスを
圧電振動子１０に印加すると、圧電振動子１０は
その半径方向に呼吸振動を起こし空気中に向かつ
て超音波振動を発生する。この超音波振動は反射
傘１４で方向転換されてドーナツ状のビームＢと
なつて軸方向に進行する。逆に、軸方向から入射
して来た超音波パルスは反射傘１４で収束されて
圧電振動子１０の外周部に応力を与え、これに対
応して圧電振動子１０の電極に電界を発生させ、
この電界により生じた電荷がリード線１１ａ，１
１ｂを介して電気信号として受信される。

この場合、セラミツク系の圧電振動子１０は一
般に大きな慣性を持つので電気パルスがなくなつ
た後も暫くのあいだ減衰性の残留振動が続く。従
つて、測定距離が短いときにはこの残留振動があ
る間に測定面で反射した超音波パルスが受信さ
れ、残留振動と区別することができない。逆に、
測定距離が長いときには反射した超音波パルスの
振幅が小さくなるのでこれを大きく増幅する必要
があるが同時に残留振動による電圧も増幅する。
このため、残留振動と反射した超音波パルスとを
分離するために前者の振幅が後者のそれよりも小
さくなる時点まで後者の検出禁止区域（不感帯）
を伸ばさなければならない。つまり、遠距離を測
定するときには近距離の測定が不可能になり、逆
に近距離が測定出来るように不感帯を短くすると
反射パルスの小さな遠距離の測定が困難になると
いう問題がある。

そこで、この事態を避けるためにダンピング材
１２で圧電振動子１０に制動を加えている。

しかしながら、広い温度範囲に亘つて適切な制
動効果を示すダンピング材１２を選定することは
難しく、またダンピング材１２により制動を加え
ているので必要な振動振幅を得るためには圧電振
動子１０にかなり大きな駆動電圧、例えば1KV
程度も与える必要がある。

さらに、圧電振動子１０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
ピーダンスに比べて約５桁も大きいので、圧電振
動子１０のエネルギが充分に空気中に伝播しな
い。

そこで、これを解決するために音響マツチング
層として圧電振動子１０より音響的に軟らかい
（ρcの小さい）プラスチツクのケース１３を介し
て空気中に超音波を放出するが、この場合に最も
エネルギー伝播効率が良い１／４波長の厚さにプ
ラスチツクのケースの厚さを選定する。

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ケースの厚さが１／４波長か
らずれ、超音波パルスの伝播効率が低下する。

そこで、これ等の問題を解決するために本出願
人は昭和62年５月７日に特許願(2)「発明の名称：
超音波距離計の送受波器」を提案している。

以下、第６図〜第９図によりこの提案の概要に
ついて説明する。

１６は円柱状の例えば塩化ビニール等の保持体
であり、その側面には凹部１７が形成され、さら
にその中央部には凹部１７に貫通する均圧孔１８
に穿設されている。保持体１６の上端には反射傘
１４が配置されている。

保持体１６の周面には高分子の圧電膜１９が保
持体１６から離して配置され、その上部の周面部
と下部の周面部で固定され凹部１７との間に室２
０が形成されている。圧電膜１９の内面と外面に
はそれぞれ電極２１ａ，２１ｂが形成されここか
らリード線２２ａ，２２ｂが引き出されている。

この圧電膜１９はPVDF（ポリフツ化ビニリデ
ン）、Ｐ（VDF−TrFE）＜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−
TeFE）＜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＞、或いはＰ（VDCN−VAc）
＜シアノビニリデンと酢酸ビニルの交互共重合体
＞などの圧電性を示す高分子材料が用いられる。

第７図は第６図における圧電膜の近傍の詳細を
示す縦断面図である。

圧電膜１９の上下には接着剤１９ａ，１９ｂを
介して、電極２１ａ，２１ｂが固定され、その上
は保護膜１９ｃ，１９ｄで覆われている。電極２
１ａ，２１ｂとリード線２２ａ，２２ｂとは導電
性接着剤を使用して接続される。

次に、このように構成された送受波器２３の動
作について第８図、第９図を用いて説明する。

伸延分極された高分子の圧電膜１９′の両面に
形成された電極２１ａと２１ｂの間に電圧を加え
ると圧電膜１９′は点線で示すように伸延方向α
に伸縮する。このような板状の圧電膜１９′の厚
み方向の振動は主としてＭHz（メガヘルツ）の帯
域の周波数となる。

ここで、伸延方向が半径方向になるように圧電
膜１９′を円筒形に曲げるとこの伸縮は第９図に
点線βで示す様に半径方向となり、この方向の呼
吸振動に変換できる。

このときの圧電膜１９の共振周波数₀は、圧電
膜１９の曲率半径をＲ、弾性率をε、密度をρと
すれば、 ₀＝（ε／ρ）^1/2／（2πR） となる。そこで、仮にε＝11.3×10⁹（Ｎ／m²），
ρ＝1.8×10³（Kg／m³）、保持体１６の半径を10mm
とすれば、約40KHzの超音波距離計として空気中
での減衰の少ない適当な周波数となる。

この高分子の圧電膜を用いた超音波距離計の送
受波器は音響インピーダンスが小さく、水、空
気、などとのマツチングがとりやすく、内部での
エネルギの減衰が大きいので残留振動の短い超音
波パルスを放出でき、また可撓性があるので製
造、加工が容易である。

また、高分子の圧電膜は膜厚を薄くできるの
で、同一の駆動電圧に対して電界強度Ｅを大きく
でき、セラミツク系の圧電振動子に比べて総合的
な効率が良い利点がある。

＜発明が解決しようとする問題点＞ しかしながら、この様な従来の超音波距離計の
送受波器は、以上の各種の利点はあるが、以下に
説明する欠点がある。

(イ) 共振周波数₀は曲率半径Ｒに反比例して変化
するが、これは保持体１６の外形の温度膨脹に
より変化することを示し、また弾性率εも温度
の影響を受ける。例えば、保持体１６を硬質塩
化ビニール、圧電膜をPVDFとし、曲率半径Ｒ
をＲ＝10cmとすると20℃で₀＝40KHzとなる
が、温度により3KHz／20℃程度の周波数変動
を引き起こす。さらに (ロ) 高分子の圧電膜は共振の鋭さを示すＱフアク
タが大きいので、たとえ打ち込みの周波数を一
定に保つても温度変化によつて送受信の感度が
著しく低下する。

そこで、例えば温度を検出して打ち込み周波
数を共振周波数の近くに移動させる温度補償を
することなどが考えられるが、これは信号処理
が複雑になるという問題点がある。また、高分
子の圧電膜の周囲にダンピング材を設けてＱフ
アクタを低下させて温度変動による影響を低減
することなども考えられるが、実際にはうまく
機能しない。

＜問題点を解決するための手段＞ この発明は、以上の問題点を解決するために、
反射傘を介して超音波を測定面に放出しここから
の反射超音波を先の反射傘を介して受信しこの放
出から受信までの時間差等から測定面までの距離
を測定する超音波距離計の送受波器において、先
の反射傘の一端に固定され先の反射傘の内部であ
つてその中心軸方向に延長され異なる曲率を有す
る棒状の保持体とこの保持体の周面に間隔をもつ
て先の曲率で固定された高分子の圧電膜とよりな
る圧電膜振動子を有し、異なる曲率を持つ先の圧
電膜から先の反射傘を介して先の測定面に向かつ
て放出された超音波の合成の周波数特性が所定範
囲に亘つてほぼ平坦になるように先の曲率が選定
されるようにしたものである。

＜作用＞ 異なる曲率を持つ振動面から超音波を送出する
ようにして各曲率面から放出された超音波の合成
の周波数特性を中心周波数の前後の所定範囲に亘
つて平坦にして温度の変化による感度の低下を防
止する。

＜実施例＞ 以下、本発明の実施例について図面に基づき説
明する。なお、従来と同じ機能を持つ部分には同
一の符号を付して適宜にその説明を省略する。

第１図は本発明の１実施例の構成を示す縦断面
図である。

上部に平坦部２４を持つ反射傘１４の平坦部２
４に所定の曲率半径R₁を持つ円柱状の高分子の
圧電膜振動子２５の一端が固定されその他端には
圧電膜振動子２５の曲率半径R₁とは異なつた曲
率半径R₂を持つ圧電膜振動子２６が固定されて
いる。圧電膜振動子２５は共振周波数₁を、圧電
膜振動子２６は共振周波数₂を持ちこれ等が合体
されて中心の共振周波数f₃を持つ圧電膜振動子２
７を構成している。

そして、圧電膜振動子２７と反射傘１４とで送
受波器２８を構成する。

圧電膜振動子２５，２６の各々の構成は第２図
に示すように直径2R₁，2R₂を持つ保持体２９，
３０、これ等の周面に設けられた凹部３１，３
２、これ等の凹部を外部に開放する均圧孔３３，
３４、これ等の凹部の外周面に配置された圧電膜
３５，３６、およびこれ等の圧電膜の周面に設け
られた電極３７ａ，３７ｂ，３８ａ，３８ｂ等を
有し、圧電膜振動子２５と２６の各々は第６図に
示す構成と同じである。

次に、以上のように構成された第１図に示す送
受波器の作用について第３図を用いて説明する。

第３図は第１図における送受波器の周波数特性
を示す特性図である。横軸は共振周波数、縦軸は
感度Ｓを示している。圧電膜振動子２５は共振周
波数₁を頂点とする周波数特性を、圧電膜振動子
２６は共振周波数₂を頂点とする周波数特性をそ
れぞれ示しており、これ等を合成した周波数特性
は送受波器２７で示される曲線で、中心の共振周
波数₀に対して温度による周波数変化Δの間ほ
ぼ平坦な周波数特性を示している。

これに対して、従来の送受波器である送受波器
２３で示される曲線は共振周波数₀で最大の感度
を示すが、周波数変化Δの端の方でその感度が
大幅に低下している。

従つて、第１図に示す送受波器では温度変化に
対して強いことを示している。

第４図は本発明の各種の変形例を示す。第４図
イは曲率半径がそれぞれ異なり２つの保持体を半
円形としたものである。半円柱状の保持体３９の
曲率半径はR₄、半円柱状の保持体４０の曲率半
径はR₅（R₄＞R₅）とし、これ等は背中合わせに対
向して配置されてある。これにより、曲率半径
R₄とR₅にそれぞれ対応した共振周波数を含む超
音波が放出される。

第４図ロは保持体４１の断面の形状を楕円形と
して異なる共振周波数を持つようにした変形例を
示したものである。

第４図ハ保持体４２の形状を円錐台として異な
る共振周波数を持つようにした変形例を示したも
のである。

＜発明の効果＞ 以上、実施例と共に具体的に説明したように本
発明によれば、異なる曲率を持つ振動面から超音
波を送出するようにして各曲率面から放出された
超音波の合成の周波数特性を中心周波数の前後の
所定範囲に亘つて平坦にしたので、広い温度の変
化に対して感度が低下しないようにでき、この結
果として信号処理回路の構成が簡単となり、また
動作の安定度が向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の１実施例の構成を示す縦断面
図、第２図は第１図における圧電膜振動子の構成
の詳細を示す縦断面図、第３図は第１図における
送受波器の周波数特性を示す特性図、第４図は本
発明の各種の変形実施例を示す射視図、第５図は
従来の送受波器の構成を示す縦断面図、第６図は
第５図に示す送受波器を改良した第２の従来の送
受波器の構成を示す縦断面図、第７図は第６図に
おける圧電膜の近傍の構成を詳細に示す縦断面
図、第８図、第９図は第６図における圧電膜の動
作を示す射視図である。 １０……圧電振動子、１２……ダンピング材、
１３……ケース、１４……反射傘、１５，２３，
２８……送受波器、１６，２９，３０，３９，４
０，４１，４２……保持体、１９……圧電膜、２
５，２６，２７……圧電膜振動子。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 反射傘を介して超音波を測定面に放出しここ
   からの反射超音波を前記反射傘を介して受信しこ
   の放出から受信までの時間差等から測定面までの
   距離を測定する超音波距離計の送受波器におい
   て、前記反射傘の一端に固定され前記反射傘の内
   部であつてその中心軸方向に延長され異なる曲率
   を有する棒状の保持体とこの保持体の周面に間隔
   をもつて前記曲率で固定された高分子の圧電膜と
   よりなる圧電膜振動子を有し、異なる曲率を持つ
   前記圧電膜から前記反射傘を介して前記測定面に
   向かつて放出された超音波の合成の周波数特性が
   所定範囲に亘つてほぼ平坦になるように前記曲率
   が選定されたことを特徴とする超音波距離計の送
   受波器。