JPH0634558B2 - 圧電振動子 - Google Patents

圧電振動子

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JPH0634558B2
JPH0634558B2 JP62086438A JP8643887A JPH0634558B2 JP H0634558 B2 JPH0634558 B2 JP H0634558B2 JP 62086438 A JP62086438 A JP 62086438A JP 8643887 A JP8643887 A JP 8643887A JP H0634558 B2 JPH0634558 B2 JP H0634558B2
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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ァ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。
[発明が解決しようとする問題点] 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
探知機のディ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
に形成する方策が知られている。
この方策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=20logB/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、その圧電振動
子6の超音波輻射面Us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に大して等振
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Usの中央部から最も強
く放射され、端部に近づくに従っ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ってい
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、その上で略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
のであって、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、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、超音波輻射面に大
して直交し、且つ、相対向する電極面の少なくとも一面
の電極を圧電振動子の長手方向と直交する方向に励振電
極と制振電極とを交互に区分した電極とし、夫々の励振
電極電極の電極面積は長手方向の中央部から両端部に向
かって徐々に狭小となるように形成し、夫々の制振電極
の電極面積は長手方向の両端部から中央部に向かって徐
々に狭小となるように形成すると共に他の一面の電極と
も電気的に接続し、前記励振電極の夫々に同一の位相で
同一の電圧を印加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図において、参照符号10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を示す。この直方体圧電振
動子10の形状は正確には薄肉の直方体形状であって、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にはその全面に亘って一様な背面電極14が
形成され、一方、正面部16には直方体圧電振動子10の長
手方向と直交する方向に励振電極18a乃至18iと制振電極
20a乃至20jが短冊状に交互に配設され、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18a乃至18iの電極幅は中央
部励振電極18eを原点として圧電振動子10の長手方向端
部に指向してcos二乗曲線に対応して徐々に減少する面
積配分に画成されると共に、制振電極20a乃至20jの電極
幅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
方法によって印刷形成することが可能であり、そのた
め、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、励振電極18a乃至18iは夫々電
気的に接続され、一方、制振電極20a乃至20j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、当該励振電極18a乃至18iの共通接続点22aと制
振電極20a乃至20jおよび背面電極14の共通接続点22b間
には交流電源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の印加によって前記圧
電振動子10は輻射面Usから上方または輻射面Us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10の長手方向の両端部側
に背面電極14と同電位であって且つパターン面積の大き
い制振電極20a、20j等が存在するため、圧電振動子10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。そこ
で、この場合、前記したように、励振電極18a乃至18iの
電極幅配置を、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Us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l
2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6図に本発明に係る圧電振動子の他の実施態様を示
す。第6図において、参照符号24は正面部16に配置され
た励振電極であり、参照符号26は制振電極である。この
場合、背面部12には背面電極28が形成され、正面部16の
制振電極26と背面部12の背面電極28は電気的に接続され
る。そこで、励振電極24と制振電極26間に交流電源(図
示せず)が印加されることにより輻射面Usから音波が
放射される。この場合においても、励振電極24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26に
あっ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、超音波の放射パターンに発生するサイド
ローブが略零に抑圧され、サイドローブに起因する反射
信号の発生を防止することができる。
さらに、サイドローブが略零に抑圧されることにより、
鮮明な反射映像が得られるという効果を奏する。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7図に示すように、上下の対称性は犠牲とな
るものの第6図の例とは異なり励振電極の引出口を直方
体形状の端面部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6図および第7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。 10…圧電振動子、12…背面部 14…背面電極、16…正面部 18a〜18i…励振電極、20a〜20j…制振電極 22a、22b…共通接続点 24…励振電極、26…制振電極 28…背面電極、E…交流電源 M…メインローブ、S…サイドローブ Us…超音波輻射面

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】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、且つ、相対向
    する電極面の少なくとも一面の電極を圧電振動子の長手
    方向と直交する方向に励振電極と制振電極とを交互に区
    分した電極とし、夫々の励振電極の電極面積は長手方向
    の中央部から両端部に向かって徐々に狭小となるように
    形成し、夫々の制振電極の電極面積は長手方向の両端部
    から中央部に向かって徐々に狭小となるように形成する
    と共に他の一面の電極とも電気的に接続し、前記励振電
    極の夫々に同一の位相で同一の電圧を印加することを特
    徴とする圧電振動子。
  2. 【請求項2】特許請求の範囲第1項記載の圧電振動子に
    おいて、交互に区分した電極の中、励振電極はその長手
    方向の軸線に沿って相互に接続し、制振電極は長辺に沿
    って相互に接続すると共に他の一面の電極とも電気的に
    接続してなる圧電振動子。
  3. 【請求項3】特許請求の範囲第1項または第2項記載の
    圧電振動子において、励振電極と制振電極の面積の狭小
    化形状は音波の指向特性の中、サイドローブを小さくす
    るために、非直線の関数に従う形状に構成してなる圧電
    振動子。
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