JPH07111458B2

JPH07111458B2 - 超音波距離計

Info

Publication number: JPH07111458B2
Application number: JP8370788A
Authority: JP
Inventors: 武則三沢; 博大和田
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 1988-04-05
Filing date: 1988-04-05
Publication date: 1995-11-29
Anticipated expiration: 2010-11-29
Also published as: JPH01254884A

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して距離を測定する超
音波距離計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
構造の改善に関するものである。

＜従来の技術＞第11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。

図において、1aはセラミックス系よりなる円筒状の圧電
振動子である。2aは音響マッチング層を兼ねたプラスチ
ックス製のケースである。3a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持たすための
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こし、外周部の法線方向の空
気中に向かって超音波を発生する。この超音波は、反射
傘4aにより進行方向を変換され第12図に示すようなドー
ナツ状のビームとなって第11図の下方に進行する。

（２）超音波の受信の場合第11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、電極感に電界を発生する。

＜発明が解決しようとする課題＞この様な原理にもとずく超音波距離計においては、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って超音波を放射し、反射し
て帰ってくるまでの時間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＝（1/2）Ct （１） C;伝搬媒体中の音速しかし、セラミッ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13図（Ａ）にしめす電気駆動パル
スがなくなったあとにも、第13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13図
（Ｃ）に示すごとく、残留振動ｂが残っている間に、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13図
（Ｄ）に示すごとく、反射波振幅が、極めて小さくなる
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の方を間違っ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13
図（Ｅ）に示すごとく、設けておく必要がある。

以上の事から、遠距離を測定しょうとすれば、近距離の
測定が不可能となり、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、反射の小いさい遠距
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に、一般には、第11図にしめすダ
ンピング材3aにより、圧電振動子1aの制動を掛ける方法
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極めて難し
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
要充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
制する事を意味し、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
行える事が望ましい。

しかし、第11図従来例に示す送受波器は、以下の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為、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、例えば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、；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
るエネルギーは極めて僅かである。これを改善するため
に、音響マッチング層として、圧電振動子1aより音響的
に柔かい（音響インピーダンスρｃの小いさい）プラス
チックよりなるケース2aを介して、空気中に音を排出す
ることが行なわれている。また、このプラスチック層2a
の厚さは1/4波長のときが、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ックの音速
が変化すると、等価的なプラスチック層厚さが1/4波長
からずれる事になり、音の伝搬効率が悪化する。結局、
マッチチング層2aの存在は、送受信特性の温度変化とな
って現れる。

（３）シンプルな構造以上のべたように、第11図従来例の送受波器は、その特
性を理想的なものに近ずけるために、圧電振動子1a以外
に、ダンピング材3a、音響マッチング層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
る結果となっている。

理想的には、これらの余分な要素は無いことが望まし
い。

本発明は、この問題点を解決するものである。

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、効率が良く、水没時の防水が良好な超音波距離
計を提供するにある。

＜課題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リング状に設けら
れた凹部と、前記保持体の周面の前記凹部以外の部分に
固定され該凹部と室を構成する円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、前記保持体に設けられ前記室
と外部とを連通する均圧孔と、該均圧孔の外部開口部に
対向して設けられ水圧により該均圧孔の外部開口部を封
止する板状の封止蓋とを備える送受波器を具備してなる
超音波距離計を構成したものである。

＜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こす。
この呼吸振動によっ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って進
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
圧電膜の伸縮が生じ、電極間に電圧を発生する。

しかして、送受波器が水没した場合には、水圧により、
均圧孔の外部開口部は封止蓋により封止される。

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要部構成説明図である。

図において、１は円筒状の高分子圧電膜である。高分子
圧電膜１は、第２図に示す如く、円周方向αに延伸した
後、第３図に示す如く、円筒状に形成される。この場合
は、ポリフッ化ビニリデン（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。111,112は電極11,12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、耐候性等に勝れたプラスチック、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は均圧孔５の外部開口部に対向して設けられ水圧によ
り均圧孔５の外部開口部を封止する板状の封止蓋であ
る。封止蓋６は、一端を保持体２に固定され、この場合
は、弾性体よりなる。通常は封止蓋６と保持体２との間
には隙間61が存在する。

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。この呼吸振動によって発生
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って第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11,12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11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
ッ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。

（３）可撓性があるため薄膜への製造・加工が容易であ
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。

このときの膜の共振周波数f₀は、膜の曲率半半径をＲ、
弾性率をＥ、密度をρで示せば、（２）式となる。

f₀＝｛1/（２πＲ）｝（E/ρ）^1/2 ……（２）よって、今、仮に、Ｅ＝11.3×10⁹（N/m²）、ρ＝1.8×
10³8Kg/m）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、セラミックス
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、周波数一定なら振動源の変位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11,12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は次式により算出出来る。

｜Δl/l|＝|S|＝d₃₁E＝d₃₁・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）式より、Δｌは、圧電歪定数d₃₁が大きいほど、
厚さｔが小いさいほど、大きい値となる事が分る。が大
きいほど、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
ミックス系の圧電振動子1a、たとえば、pztの圧電歪定
数d₃₁より一桁小さいが、逆に板厚ｔは、極めて小いさ
いものを作る事が可能である。結局、総合的にPZTより
も数倍効率良く、大きなΔl/lを得る事が出来る。

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＝４μｍ、PZTの圧電歪定数d₃₁
＝100×10^-12（C/N）、厚さｔ＝２μｍとすると、Δl/l
の値は（圧電膜/PZT）＝５となる。

すなわち、セラミッ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のは不可能
であるのにたいして、高分子圧電膜１は、極めて薄くす
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い。これは振動の高ダンピ
ング効果となって現れ、従来例の超音波送受波器の様
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、例えば、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しめされる。

高分子圧電膜１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１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、音響マッチング層2aを使用しているが、高分
子圧電膜１では、とくにその様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った力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。

|E|＝|V/t|＝g₃₁・ρ＝g₃₁・F/l・ｔ ∴|V|＝g₃₁・F/l （５） ρ；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、セラミック
ス系、例えば、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倍以上の効率アップが可能となる。

以上の結果、本発明によれば、従来のセラミックス系振
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出来る。

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。

保持体２の半径を10mm、高さ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に張りあわせ支持された装置において、反射傘４
の全面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11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。

なお、送受信感度の測定においては、駆動回路の駆動電
圧を10V_P-Pとし、高分子圧電膜１のキャパシタンス成分
による無効成分を消すために、適切なインダクタンス
で、両者の整合をとっている。

また、高分子圧電膜１の厚さは、上記具体例では、50μ
ｍとしたが、この厚さが余り薄いと、円筒状にした場
合、送受信に必要な自己の張力を維持出来ない。また、
製作も困難になる等の問題が生じる。

一方、あまり厚いと、前記（３）式により、送受信感度
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、25〜10μｍが適切であ
る。

第５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ったグラフである。は
均圧孔５が無い場合、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に、均圧孔
５がない場合には、圧力の増加にともなって、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６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。

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
を実現出来る。

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。

（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１の音響インピーダンスは、セラミ
ックス系振動子の音響インピーダンスより一桁小いさい
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、薄くすることが出来る
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）が増大出来る。

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自身の有する高い圧電出力定
数g₃₁によって、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、音響マッチング層等を用いる必要
が無いため、これらの物性変化に基因する温度特性の変
化を避ける事が出来る。

（６）したがって、第11図従来例に比して、高性能を極
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。

（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出来る。

（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、良好な指向性を持った送受波器を実現出来る。

（10）送受波器が水没した場合には、水没時の水圧によ
って、封止蓋が自動的に均圧孔の外部開口部を塞ぐため
に、均圧孔への水の侵入を防止し、水没後の送受波器感
度の減少を防止することが出来る。

第７図は本発明の他の実施例の要部構成説明図である。

本実施例においては、保持体２の均圧孔５の周りに切れ
目のない突起22を設けたものである。

均圧孔５と封止蓋６とのシールがより完全なものが得ら
れる。

第８図は本発明の別の実施例の要部構成説明図である。

本実施例においては、封止蓋６に浮力の大きな浮力体62
を付け、封止蓋６の浮力によるシール圧力を上げるよう
にしたものである。

第９図は本発明の他の実施例の要部構成説明図である。

本実施例においては、封止蓋６は弾性材でなく、均圧孔
５とのシール面にシール体63を設け、封止蓋６の保持体
２への取付けに蝶番64を用いたものである。65は封止蓋
押えである。

第10図は本発明の別の実施例の要部構成説明図である。

本実施例においては、保持体２にガイド棒65を設け、封
止蓋６がガイド棒66に沿って、移動出来るようにしたも
のである。

なお、前述の実施例においては、保持体２はプラスチッ
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出し部
（リード部）として兼用しても良いことは勿論である。

また、保持体２の性質を、アルミナ等のセラミックスと
すれば、複雑な形状を一体焼成することが可能で追加工
を最小限に押えることができて、製造原価を下げること
ができる。

また、セラミックスは、耐候、耐薬品性に勝れていると
いう特徴も有している。

また、セラミックス表面に金属コーティング（メタライ
ジング）を施せば、これを内側電極の引出し部として利
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
フッ化ビニリデン（PVDE）からなると説明したが、これ
に限ることはなく、例えば、フッ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））、フッ
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
ニルとの交互共重合体（Ｐ（VCN−VAC））でもよく、要
するに、良好な圧電性を示すものであれば良い。これら
の材料においては、延伸操作は必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。

また、前述の説明においては、封止蓋６は、一端を保持
体２に固定されていると説明したが、隙間61が形成され
ればよく、封止蓋６により均圧孔５が密閉されない程
度、封止蓋６の大部分が保持体２に固定されても良いこ
とは勿論である。

＜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リング状に設けられた凹
部と、前記保持体の周面の前記凹部以外の部分に固定さ
れ該凹部と室を構成する円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、前記保持体に設けられ前記室と外部とを連通す
る均圧孔と、該均圧孔の外部開口部に対向して設けられ
水圧により該均圧孔の外部開口部を封止する板状の封止
蓋とを備える送受波器を具備してなる超音波距離計を構
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。

（３）高分子圧電膜の音響インピーダンスは、セラミッ
クス系振動子の音響インピーダンスより一桁小いさいの
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、薄くすることが出来るの
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）が増大出来る。

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圧電出力定数
によって、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、音響マッチング層等を用いる必要
が無いため、これらの物性変化に起因する温度特性の変
化を避ける事が出来る。

（６）したがって、従来例に比して、高性能を極めて低
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。

（10）送受波器が水没した場合には、水没時の水圧によ
って、封止蓋が自動的に均圧孔の外部開口部を塞ぐため
に、均圧孔への水の侵入を防止し、水没後の層受波器感
度の減少を防止することが出来る。

従って、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、効率が良く、水没時の防水が良好な超
音波距離計を実現することが出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の要部構成説明図、第２図は
第１図の部品説明図、第３図から第６図は第１図の動作
説明図、第７図から第10図はそれぞれ本発明の他の実施
例の要部構成説明図、第11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12図，第13図は第11図の
動作説明図である。１……高分子圧電膜、11,12……電極、111,121……リー
ド線、２……保持体、21……凹部、３……室、４……反
射傘、５……均圧孔、６……封止蓋、61……隙間、62…
…浮力体、63……シール体、64……蝶番、65……封止蓋
押え、66……ガイド棒。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭53−140025（ＪＰ，Ａ) 実開昭53−158227（ＪＰ，Ｕ) 実開昭60−169585（ＪＰ，Ｕ) 特公平４−63347（ＪＰ，Ｂ２) 特公平４−63348（ＪＰ，Ｂ２) 特公平４−63349（ＪＰ，Ｂ２)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】円柱状の保持体と、該保持体の周面の両端部を残してリング状に設けられた
凹部と、前記保持体の周面の前記凹部以外の部分に固定され該凹
部と室を構成する円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、前記保持体に設けられ前記室と外部とを連通する均圧孔
と、該均圧孔の外部開口部に対向して設けられ水圧により該
均圧孔の外部開口部を封止する板状の封止蓋とを備える
送受波器を具備してなる超音波距離計。