JPS5832559B2 - 空中超音波パルスの伝送方式並びにこれに用いる超音波送受波具 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は超音波パルスを空中伝送する方式、更に詳しく
は指向角の狭小な厚み振動モードの超音波を空中にてク
リアな状態（雑音成分のない）で伝送する方式、並びに
、それに用いる送波具、受波具に関する。

従来、超音波パルスを空中伝送する方式としては、送波
具により超音波パルスを送波腰空中を伝播してきた超音
波パルスを受波具により受波してその信号を検波して超
音波パルスの包絡線に相当する電気信号を得る方法を実
用化するに当って、伝送する超音波パルスの時間的精度
を高く保つためには、送波具、受波具それぞれに機械的
Ｑの最適値が存在するが、従来技術ではこれらの送波具
、受波具のＱを制御して製作することは困難であった。

その結果、従来の送波具によって発生する超音波パ／Ｌ
／スが第２図Ａに示される如き、長い余振を伴った複雑
な振動をなすためこれを受波具で受波して電気的手段と
して時間精度を高く保ちながら取り出すことがきわめて
困難とされていたからである。

すなわち第２図Ａは従来の超音波送波具の圧電素子が１
つの駆動パルスによって発生する超音波パルスの概略を
示した説明図であるが、従来の送波具にパルストランス
を介して駆動パルスを印加すると、圧電効果により大き
く励振され、該圧電素子の共振特性により空中に一定周
波数（ｆｏ）の超音波パルスが発射される。

このようにして発射された超音波パルスは１駆動パルス
が圧電素子に印加された時大きな励振を示すが、１駆動
パルスがなくなった後にも機械的Ｑが不必要に高い場合
には尚、長（・余振を生じる代わりに厚み圧電素子の後
端面の振動が前端面の振動にやや遅れてケースを伝播し
て前端面にまわり込んで干渉する等送波具に与えられる
駆動パルスに対応した減衰特性の良好な超音波パルスの
発射は実用上困難とされていたことによるためである。

しかし超音波パルスの特性を考えると光、電波、レーザ
等に比べきわめて伝播速度が遅いこと及び通常の音波に
比べるときわめて指向性を良くしうろこと等を考慮する
時空中の近距離間の信号伝送手段として利用できれば、
きわめて高精度な計測、制御が可能となり、その他あら
ゆる分野において著しい有用性があること又、超音波の
特性として小型の超音波圧電素子で指向角を狭小にしう
ろことは知られているが、この特性を殺すことなく、厚
み圧電素子から指向角の狭小な超音波パルスを実用−Ｌ
取り出すことができれば超音波の上記特性を有意義に利
用できるほか従来不可能とされていた障害物に近接して
存在する目下動物体間の空中伝送も可能となり、その有
用性、利用分野の拡大は無限であろうことも今更説明す
るまでもないであろう。

本発明は、空中超音波の従来方式による叙上の欠点に鑑
み鋭意検討の結果なされたものであり、圧電素子を駆動
する信号パルスに対応した減衰特性のきわめて良好な超
音波パルスの発生を実用上−鮪ヒにし更に進んでその空
中伝送を可能ならしめたものである。

すなわち、後の説明によって明らかにされるであろう本
発明に係る同一構造で整合のとれた超音波送受波具を第
１図の如く同一直線上に対向させて配備し適当なＱを持
った送波具Ｓ内の圧電素子に１駆動パルスを印加しこれ
により第２図Ｂに示す如く該圧電素子を初めの１サイク
ルを大きな振幅で振動させ、圧電素子１のその後の減衰
振動の包絡線の時定数を小さいものにさせることにより
圧電素子に印加された。

駆動パルスと該パルスによって発生する超音波パルスの
振動を略１対１に対応させ上記超音波パルスを送波具Ｓ
により発射し受波具Ｒで受波した後電気的信号に変換さ
せる超音波パルスの空中伝送を可能ならしめたものであ
り、本発明の超音波パルスの空中伝送方式によって超音
波パルスが伝送される伝送領域は、送波具Ｓ′が指向角
の狭小な超音波パルスを発射する空間領域と送波具Ｓと
同一構造で整合のとれた特性を有し、かつ送波具Ｓに対
向設置された受波具Ｒが発射された超音波パルスを感知
しうる領域の両領域を満たす第１図Ｘで示される空間領
域（以下「発射感応領域」という。

）の如くきわめて狭小なものとなりうる。

したがって、本発明の目的は以下に述べる点にある。

（１）厚み振動型圧電素子が発射しうる超音波パルスの
空中伝送を実用上可能化にすること。

（２）１つの駆動パルスにより厚み振動型圧電素子の励
振を初めの１サイクルは振幅が大きく、後はすみやかに
減衰する機械的Ｑが適当で制動の良く効いた超音波パル
スを発生することにより上記駆動パルスに略１対１対応
した超音波パルスの空中伝送を実用上可能化すること。

又、本発明の別の目的は、 （３）上記超音波パルスの空中伝送を可能にした送受波
具を提供するにある。

この発明の上記並びに別の目的と利益は以下のこの発明
の望ましい実施例を採った図面にもとづく説明により更
に明らかとなろう。

先づこの発明方式に用いられる超音波パルス送波及び受
波具から説明すると、この送波具、受波具は全く同一な
断面構造をなし、直線上に望ましくは夫々の主軸が互い
に対向関係に配備されてななるものであるから、説明の
重複を避ける意図かう送波具のみについて述べると、と
の送波具は第３図Ａに於て、送波具Ｓは厚み振動型圧電
素子１の前端面を除く他が振動吸収部材又は振動制動部
材、又は振動制動部材２で囲繞密閉され、この部材２の
前部外周部を除いて他がケーシング３にて接触的に套嵌
され、音響伝導率のよい前面保護薄膜４０を備えた前面
カバー４が上記吸収部材又は制動部材２の前面外周部に
前記ケーシング３と接触的に被嵌されると共に上記前面
保護薄膜４０と上記圧電素子１の前端面との間に振動伝
達性接着剤層５が介在され更に上記ケーシング３と前面
カバ４との境界には振動制動性接着剤層６が介在されて
構成されている。

８は電極１１へ ９は電極１０へ夫々接続されるリード
であり、また、図例のものでは、ケーシング３の後面部
材３１に接して振動吸収性又は振動制動性兼封密性の後
面処理層７が設けられている。

次に上記構成部材の夫々について具体的に説明すると、
厚み振動型圧電素子１は公知の圧電素子のシリンダー状
のものであり、その材質、形状は殊更新しいものではな
い。

振動吸収部材又は振動制動部材２は圧電素子１の直径方
向に発せられる径振動並びに該素子１の後面から発生せ
られる厚み振動を主体的に吸収又は制動すると共に圧電
素子１を支持するためのものでポリウレタンフォームそ
の他のプラスチックフオームもしくはガラス繊維、スポ
ンジ等が用いられる。

ケーシング３は吸収部材又は制動部材２によって吸収さ
れ得なかった径方向、厚み方向の振動を補助的に吸収す
ると共に該部材２を機械的に補強し且つ外来する振動を
内部へ伝達するのを阻止するためのものであり、例えば
ポリアセタール樹脂その他硬質プラスチックスより得る
。

前面カバー４はその前面保護薄膜４０をもって素子１の
前面を覆ってジンアイ、湿気の内部への侵入を防止する
と共に前記吸収部材２の露出している前部外周部を囲繞
してケーシング３と同じ働きをなすものであり、上記保
護薄膜４０は圧電素子１の前面より発射される厚み振動
に共鳴して振動し、前面の空気を振わせこの厚み振動の
発生を容易にするためのものである。

その部材としては、ポリスチレン、その他バイポリマー
系軟質プラスチックスより選ばれるのが望ましい。

振動伝達性接着剤層５は素子１を薄膜４０に振動許容下
に接着するためのものであり、振動非吸収の接着剤より
選ばれる。

振動制動性接着剤層６は前面カバー４とケーシング３と
の接着の機能と共に振動吸収部材又は制動部材２によっ
て吸収された振動が素子１の前端面より放射される厚み
振動に励起されて所謂回り込み１．を生じて輻射振動を
なさないように振動吸収するためのもので狭指向性の超
音波を打ち出すためには不可避のものである。

図に於ける接着剤層６は素子１の直径方向に階段的に増
径せる一種の段付きフランジリングとして表わされてい
て、材料としてはシリコンゴムその他粘弾性のゴム系接
着剤が好んで用いられる。

後面処理層７は後面よりの厚み振動の十分な阻止をケー
シング３の後面部材３１と共同して実施すると共にり−
ド８，９のシールを兼ねたもので、材料としてはタール
、ピッチ等の瀝青材料が選ばれる。

だがこの処理層７はケーシング３による振動吸収あるい
は振動の制動が十分で且つリード８，９のシールが適性
になされるならばあえて使用される必要はない。

受波具Ｒは上記と全（同じ構成であるので、第３図Ｂに
示す如く送波具Ｓと同一の符号をもって示しである。

次に空中超音波パルスの伝送方式につき説明する。

その概略は上記により構成された送受波具を第１図のよ
うに相互に対向配備し、送波具間に第５図Ｃの如き超音
波パルスを空中伝送せしめ第５図ａで示される信号パル
スと第５図ｅで示される受波パルスを略１対１に対応さ
せて信号を空中伝送するものであり、本発明を実施する
ための電気回路は、超音波パルス駆動回路並びに送波具
で構成される送波回路部■と更に受波具Ｓと受波増巾検
波回路４３と増幅波形整形回路４４とからなる受波回路
部■とから成っている。

各回路の動作を説明すると、超音波パルス駆動回路４２
は、マルチバイブレータ４１により圧電素子１を励振付
勢させるのに必要な巾を有する駆動パルスに変換される
信号パルスにより圧電素子１を励振付勢し送波具Ｓから
狭指向角の超音波パルスを空中発射するためのものであ
り、マルチバイア”ｖ−夕４１は信号パルスの入力によ
り抵抗４２を目下変させることにより定まる周期のパル
スを発生する無安定マルチバイブレータであるが、本発
明においては信号パルスを圧電素子１を励振付勢させる
のに最適な１発の１駆動パルスになる如く発振周期が定
められている。

送波具Ｓは上記信号パルスに略１対Ｊに対応した超音波
パルスを対向する受波具に送波するものであり、受波具
Ｒは上記の超音波パルスを受波するものである。

受波用パルス増巾検波回路４３は、受波具Ｒにより受波
されピエゾ効果により発生せられた電圧を増巾検波する
ための回路であり、送受波具間の距離りが可変しても一
定レベルの振幅が得られるよう対数増ｒｉｊ器又はＡＧ
Ｃ増巾器を用いて構成されている。

増幅波形整形回路４４は、受波増巾検波回路により増巾
検波された超音波信号の包絡線に対応する電圧を増幅す
ると共に、波形整形し矩形のパルスとして上記超音波１
駆動回路４２に入力された信号パルスと略１幻ｌに対応
せられた電気信号を取り出すためのものである。

以上の如く構成された電気回路においていかにして本発
明の目的とする、超音波パルスの空中伝送がり能となる
かにつき、その動作原理を以下に詳細に説明する。

まずパルス信号（第５図ａ）がマルチバイブレータ４１
に入力されると、該マルチバイブレーク４１はパルス信
号が人力されたどき、圧電素子１を付勢するのに最適な
巾を有する１駆動パルス（第５図ｂ）に変換される。

この、駆動パルスは超音波パルス駆動回路４２へ導ひか
れトランジスタＱ１をＯＮ状態にし、パルストランスＰ
１を介して圧電素子を励振付勢し、第５図Ｃで示される
減衰特性の良好な超音波パルスを発生する。

かくして発生された超音波パルスは受波具Ｒで受波され
た後、受波増巾検波器４３により増巾され、第５図Ｃの
ことき波形の電圧に変換される６受波増巾検波器４３に
より検波された上記信号パルスと１苅１に対応した電圧
は更に波形整形され矩形の受波パルス（第５図ｅ）とし
て検知される。

したがって、上記信号パルス（第５図ａ）は超音波パル
ス（第５図Ｃ）に変換され、該超音波パルスに変換され
た後、受波パルス（第５図ｅ）として１対ｌに対応した
信号伝送が１１１能となることが十分理解されるであろ
う。

したがって以−［述べたことより明らかなように本発明
の超音波パルス空中伝送方式は従来の空中伝送方式にな
い以下の如き著しい効果を発する。

（１）超音波パルスの空中伝送が実用上可能とフ、仁っ
たため、送受波具間に障害物がない限り、送受波具を望
ましくは主軸を合致させて対向して設ければ、これら送
受波具に近接した障害物の存在の影響を受けることなく
比較的近距離範囲においても超音波パルスを計測制御等
あらゆる種類の信号手段として空中伝送することが川−
能となる。

（２）送受波具を１汀動させ乍らも外来ノイズに対し影
響のない信頼度の高い超音波パルスの空中伝送が可能と
なる。

なお、本発明の送受波具の圧電素子に機械的Ｑの著しく
良好なものを選択すれば、選択特性のきわめて良好で、
かつ感度の高い空中超音波パルスの伝送方式が可能とな
ることはいうまでもない。

又、本発明の送受波具によれば、以ｆの如き顕著な効果
を発する。

（イ）送波具の厚み振動型圧電素子を励振付勢すること
により指向角の狭小なかつ外来ノイズの影響のない超音
波の発射が実用上可能となる。

（ロ）厚み振動型圧電素子の１つの駆動パルスの励振付
勢により、該駆動パルスと略１対１幻応した減衰特性の
良好な超音波パルスの空中発射の実用化が可能となる。

（・ウ 受波具については、送波具と同一のものを用
いれば外来ノイズの影響のない送波具の発射する超音波
パルスの受波が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の空中超音波パルス伝送方式の説明図で
あり、第２図Ａは従来の送波具の発射する超音波パルス
を示す模式図であり、第２図Ｂは本発明の送波具により
発射される超音波パルスを示す模式図、第３図Ａは本発
明の送波具の実施例断面図、第３図Ｂは受波具の実施例
断面図、第４図は本発明の空中超音波パルス伝送方式を
実施するための電気回路図。 第５図は第４図ａ”ｅの個所における動作波形図である
。 （図面の主要符号）、Ｓ：送波具、Ｒ：受波具、Ｘ：超
音波パルス発射感応領域、１：圧電素子、２：振動吸収
部材、３：ケーシング、４：前面カバー、５：接着剤層
、４０：前面保護薄膜、６：振動吸収性接着剤層、γ：
後面処理層、８，９：リード、１０，１１：電極。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 厚み振動型圧電素子の前端面を除いて他を振動吸収
   部材あるいは振動制動部材で囲繞密閉すると共に、この
   振動吸収部材あるいは振動制動部材の前部外周部を除い
   て他をケーシングにて接触的に套嵌し、音響伝導率のよ
   い前面保護薄膜を備えた前面カバーを上記振動吸収部材
   あるいは振動制動部材の前部外周部に前記ケーシングと
   接触的に被嵌して、上記前面保護薄膜と上記圧電素子前
   端面との間に振動伝達性接着剤層を介在せしめ、更に上
   記ケーシングと前面カバーとの境界に振動制動性接着剤
   層を介在せしめて一組の超音波送波具並びに受波具を構
   成すること、これら送受波具を直線上に互いに対向関係
   となるように対置させること、この送波具に信号パルス
   を間欠的に印加して、上記信号パルスと対応する指向角
   の狭小な超音波パルスを上記ケーシングされた厚み振動
   型圧電素子の前端面より発射すること、及びかくして発
   射された超音波パルスを上記受波具によって受波してそ
   れに対応した電圧を受波具の圧電素子より取り出すこと
   よりなる空中超音波パルスの伝送方式。 ２ 厚み振動型圧電素子の前端面を除く他が振動吸収部
   材あるいは振動制動部材で囲繞密閉され、この吸収部材
   あるいは振動制動部材の前部外周部を除いて他がケーシ
   ングにて接触的に套嵌され、音響伝導率のよい前面保護
   薄膜を備えた前面カバーが、上記吸収部材の前部外周部
   に前記ケーシングと接触的に被嵌されると共に上記前面
   保護薄膜と上記圧電素子前端面との間に振動伝達性接着
   剤層が介在され、更に上記ケーシングと前面カバーとの
   境界には振動制動性接着剤層が介在されて構成された一
   組の送波具並びに受波具が夫々の主軸がほぼ直線上に互
   いに対向関係となるように配備された空中超音波パルス
   の伝送方式に用いる超音波送受波具。 ３ 上記ケーシングの後面に接して振動吸収性兼封密性
   の後面処理層が設けられている特許請求の範囲第２項記
   載の送受波具。 ４ 上記振動吸収部材がポリウレタンフォームその他の
   軟質プラスチックフオーム、スポンジ、ガラス繊維より
   選ばれ、上記ケーシングがポリアセタール樹脂その他の
   硬質性プラスチックより選ばれ、上記前面カバーはポリ
   エチレン、ポリスチレン、その他ノ゛イポリマー系軟質
   プラスチックより選ばれ、上記振動伝達性接着剤層が振
   動吸収性のない硬質の接着剤より選ばれ且つ、上記振動
   制動性接着剤層がシリコンゴムその他粘弾性のゴム系接
   着剤より選ばれた特許請求の範囲第２項又は第３項記載
   の送受波具。 ５ 上記後面処理層が瀝青材料より選ばれた特許請求の
   範囲第３項又は第４項記載の送受波具。