JPH0564918B2 - - 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
ドロープ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を鋭
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、魚群探知機の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
向特性が二乗倍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の存在は前記超音波を発生する圧
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。

そこで、次に、この方式に係る従来の技術的思
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＝201_pgＢ／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検証してみよう。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Ｃと制振電極E₁，E₂と
に区分し両端部においてその振動エネルギが抑圧
される構成としている。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、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Ｃと制振電極E₁，E₂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が係るサイドロ
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。

さらにまた、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
内包すると共に電気・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。

そこで、これらの欠点を解消するために、直方
体超音波圧電振動子を多数枚積層して上下左右対
称な電極構成とし、その上でcos二乗電圧分布に
従うように、夫々の圧電振動子に電圧を供給する
構成とする多層形圧電振動子を得る試みもなされ
ているが、係る構成においては最終製品としての
圧電振動子の製作に時間がかかり、結局のとこ
ろ、製造コストを上昇させるという新たな不都合
を露呈している。

［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プ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、超
音波輻射面に対して直交しかつ相対向する電極面
の少なくとも一方の面に当該面の中心点を通る直
交軸に対して上下左右対称な形状の励振電極と上
下左右対称な複数個の制振電極とを配設し、圧電
振動子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
るように形成し、かつ前記複数の制振電極の前記
単位長あたり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すると共に他の面
の電極と電気的に結合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４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５図および第６図において、参照符号１０
ａ，１０ｂ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
１０ａ，１０ｂ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電極が形成され
ている。この場合、図中、背面部１２にはその全
面に亘つて一様な背面電極１４が形成される。一
方、正面部１６には圧電振動子１０ａ，１０ｂの
長手方向の中央部に励振電極１８，２０が配設さ
れている。実際、両端部に制振電極２２ａ，２２
ｂ，２４ａ，２４ｂが配設され、その両電極の周
面は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１８，２０の長手
方向の単位長あたりの電極面積は長手方向の中央
部を原点として両端部に指向してcos二乗曲線に
対応して徐々に減少する面積配分に形成されると
共に、制振電極２２ａ，２２ｂ，２４ａ，２４ｂ
の単位長あたりの電極面積は長手方向の両端部か
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２２ａ，２２
ｂと２４ａ，２４ｂは夫々電気的に接続されると
共に、背面電極１４と接続されている。そして、
前記励振電極１８，２０と制振電極２２ａ，２２
ｂおよび背面電極１４の共通接続点２２ｃと制振
電極２４ａ，２４ｂおよび背面電極１４の共通接
続点２４ｃ間には夫々交流電源Ｅが接続されてい
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。

一般に、電歪現象を利用した圧電振動子には交
流電圧を印加する方法でその励振を行うとされて
おり、実際には、共振周波数に係る交流電源Ｅの
印加によつて前記圧電振動子１０ａ，１０ｂは輻
射面U_Sから上方または輻射面U_Sと対向する面か
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１０ａ，１０ｂの
長手方向の両端部側に背面電極１４と同電位であ
つて且つ長手方向単位長あたりのパターン面積の
大きい制振電極２２ａ，２２ｂ，２４ａ，２４ｂ
が存在するため、圧電振動子１０ａ，１０ｂはそ
の端部側においては制振され長手方向の指向して
中央部にいくに従い強く励振されるように動作す
る。そこで、この場合、前記したように、励振電
極の電極形状を長手方向の中央部から両端部に指
向して、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Ｓ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。

第７図および第８図に本発明に係る圧電振動子
の他の実施態様を示す。なお、第７図、第８図の
実施態様においては圧電振動子の略左半部を省略
して描出している。この場合、その左半部の形状
は中央垂線に対して右半部の形状と対称に形成さ
れている。第７図、第８図において、参照符号２
６ａ，２６ｂは正面部１６に配置された励振電極
であり、参照符号２８ａ，２８ｂは制振電極であ
る。この場合、背面部１２には背面電極３０ａ，
３０ｂが形成され、正面部１０の制振電極２８
ａ，２８ｂと背面部１２の背面電極３０ａ，３０
ｂとは夫々電気的に接続される（図示せず）。そ
こで、励振電極２６ａ，２６ｂと制振電極２８
ａ，２８ｂ間に交流電圧Ｅ（図示せず）が印加さ
れることにより輻射面U_Sから音波が放射される。
この場合においても、励振電極２６ａ，２６ｂの
電極パターン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、制振電極２８ａ，２８ｂ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区分を持つ形状とするこ
とによりサイドローブＳ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、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ている。そのため、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略零に抑圧するこ
とが可能となる。さらに、励振電極および制振電
極は電極面の中心点を通る直交軸に対し上下左右
に対称な形状に形成されているために不要な振動
モードが生ずることがなく、放射パターンが乱れ
るようなことがないという効果も得られる。しか
も、電極の形成方法はシルクスクリーン印刷方法
としているため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効果を奏する。

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、例えば、第９図に示すように、第
５図乃至第８図の例とは異なり電極形状を直線的
に配置する形状とする等、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
図および第６図は本発明に係る電気回路駆動部を
含む圧電振動子の斜視説明図、第７図乃至第９図
は本発明に係る圧電振動子の他の実施態様を示す
斜視説明図である。 １０ａ，１０ｂ……圧電振動子、１２……背面
部、１４……背面電極、１６……正面部、１８，
２０……励振電極、２２ａ，２２ｂ……制振電
極、２２ｃ……共通接続点、２４ａ，２４ｂ……
制振電極、２４ｃ……共通接続点、２６ａ，２６
ｂ……励振電極、２８ａ，２８ｂ……制振電極、
３０ａ，３０ｂ……背面電極、Ｅ……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。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 超音波を発生する直方体形状の圧電振動子に
   おいて、調音波輻射面に対して直交しかつ相対向
   する電極面の少なくとも一方の面に当該面の中心
   点を通る直交軸に対して上下左右対称な形状の励
   振電極と上下左右対称な複数個の制振電極とを配
   設し、圧電振動子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し、かつ前記複数の制振
   電極の前記単位長あたり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すると
   共に他の面の電極と電気的に結合するよう構成す
   ることを特徴とする圧電振動子。 ２ 特許請求の範囲第１項記載の圧電振動子にお
   いて、励振電極と制振電極の単位長あたりの面積
   の狭小化形状は音波の指向特性の中、サイドロー
   プが小さくなるよう、非直線の関数に従う形状に
   構成してなる圧電振動子。