JPS63251000A - 圧電振動子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 Ｕ産業上の利用分野コ 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、一層詳綱には、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。

［発明の背景コ 、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
る電気音言変換素子である。

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
ること等から音ツ測深機、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、
指向特性倍が二乗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３ｄ　Ｂ　’ｏ３を少する角度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の存在は前記音波を発生ず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
に形成する方式が知られている。

この方式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＝２０１ｏｇ　Ｂ　／　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
あるく第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、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
するためには前記音圧に係る振幅特性曲線を、例えば、
第３図すに示すように、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
成例について説明しよう。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１０ａと制振
電極１２ａ、１２ｂとに絶縁：ａ１４　ａ　、１４　ｂ
により区分し両端部においてその振動エネルギが抑圧さ
れるよう前記制振電極１２ａ、１２ｂと他方の面の励振
電極１０ｂとを接続すると共に、交流電源Ｅ、を供給す
るよう構成している。そのため、超音波輻射面Ｕ、から
放射される超音波は輻射面Ｕ。

の中央部から最も強く放射され、制振電極１２ａ、１２
ｂの作用により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。

然しなから、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１０ａと制振
電極１２ａ、１２ｂ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２０ｄ
Ｂ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、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含すると共に電気・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。

さらにまた、第５図に示す電気結線図からも容易に諒解
されるように、励振電極１０ａと制振電極１２ａ、１２
ｂ間に存在する絶縁溝１４ａ、１４ｂには高電圧が印加
されるために、その沿面距離を十分に確保する必要があ
り、圧電振動子の利用効率が低下するという欠点も指摘
されている。

その上、このような駆動電圧の印加構成は励振電極１０
ａと制振電極１２ａ、１２ｂとの間に電荷が貯留される
ので、これに起因して電気・超音波変換効率が低下する
という欠点も内在している。

［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７かも、例えば、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。、−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
ローブ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、相対向する電極面
を、互いに実質的に合同形状であって且つ夫々の面の中
心を直交する軸に対して上下左右対称な１個の励振電極
と一対の制振電極とを含む電極形状に形成し、夫々の面
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すると
共に、長手方向の単位長あたりの制振電極の面積を両端
部から中央部に指向して徐々に狭小となるように形成し
、さらに、一方の面の制振電極とこの制振電極と対向す
る他の電極面側の制振電極とを電気的に接続し且つ前記
２つの制振電極に抵抗を接続し当該抵抗を励振電極に接
続される駆動電圧源に接続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５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６図において、参照符号２０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２０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略合同図形的に電極パターンが形
成されている。

この場合、図中、正面部２２および背面部２４には、そ
の全面に亘ってその面の中央部を中心として両端部まで
延在する夫々１個の励振電極２６．２８と両端部から中
央部に指向して延在する二対の制振電極３０ａ、３０ｂ
と３２ａ、３２ｂとが配設され、励振電極２６．２８と
制振電極３０ａ、３０ｂと３２　ａ、３２ｂの接周面は
相互に絶縁溝３１ａ、３１ｂと３３２．３３ｂにより絶
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２６．２８の長手方向の単
位長あたりの電極面積は中央部を原点とするとその両端
部に指向してｃｏｓ二乗曲線に対応した徐々に減少する
面積配分に画成されると共に、制振電極３０ａ、３０ｂ
と３２ａ、３２ｂの長手方向の単位長あたりの電極面積
は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、曲線形状
の正石育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３０ａ。

３０ｂおよび３２ａ、３２ｂは共通に接続されると共に
、その共通接続点３４ａ、３４ｂから、例えば、１００
にΩ程度以上の高抵抗Ｒ，，Ｒ２が夫々励振電極２６．
２８と接続される。そして、高抵抗Ｒ，、Ｒ２と励振電
極２６．２８の共通接続点３６ａ、３６ｂ間には交流電
源Ｅ１が接続されている。ここで、交流電源Ｅ１は圧電
振動子２０から発生する超音波に共振する周波数を有す
る電圧源である。なお、前記の接続の説明に係る電気回
路結線図は第７図に示される。

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。

共振周波数に係る交流電源Ｅ１の印加によって前記圧電
振動子２０は輻射面Ｕ、から上方または輻射面Ｕｓの対
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２０の長手方向の両端
部側に同電位の制振電極３０ａ、３０ｂと３２ａ、３２
ｂが相対向して存在するため、圧電振動子２０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（励振されるように動作する。そして、この
場合、前記したように、励振電極２６．２８の華位長あ
たりの電極面積を、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Ｕ５カ槌放射される
超音波は、殆ど、サイドローブ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−のθ−３ｄＢ角とするためには、短手方向
の長さ１２が前記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！！１をｊ２１〉βと形成す
ることが好適である。

一方、第７図に示す電気回路図から容易に諒解されるよ
うに、制振電極３０ａ、３０ｂと３２ａ、３２ｂの共通
接続点３４ａ、３４ｂには抵抗Ｒ，，Ｒ２（Ｒ，＝Ｒ２
）の分圧作用下にＥ、／２　ｒＶ］の電圧が印加される
に過ぎないので、その結果、絶８１？ｍ３１　ａ　、３
１　ｂと３３ａ、３３ｂに係る絶縁耐力は従来に比較し
て半分の値の耐力を有するように形成すればよい。すな
わち、その沿面距離は略半分の値とすることが可能とな
る。

さらに、励振電極２６と制振電極３０ａ、３Ｏｂ間に貯
留される電荷および励振電極２８と制振電極３２ａ、３
２ｂ間に貯留される電荷は交流電源Ｅ１の一サイクル毎
に抵抗Ｒ，，Ｒ２を通じて放電される構成であるため、
電荷貯留に係る電気・超音波変換効率の低下を防止する
ことも可能となる。

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
。第８図において、参照符号４０は正面部２２に配置さ
れた励振電極であり、参照符号４２ａ、４２ｂは制振電
極である。この場合、背面部２４には正面部２２と略合
同図形的に励振電極４４と制振電極４６ａ、４６ｂが形
成されている。そして、電気的には制振電極４２ａ、４
２ｂと４６３．４６ｂは共通に接続されると共にその共
通接続点４８ａ、４８ｂから高抵抗Ｒ，、ＲＺが夫々励
振電極４０．４４と接続される。そこで、前記高抵抗Ｒ
＋　、Ｒｚと励振電極４０．４４の共通接続点４８ａ、
４８ｂ間に駆動電源Ｅ、が接続されることにより輻射面
Ｕ、から超音波が放射可能である。この場合においても
、励振電極４０．４４の長手方向の単位長あたりの電極
面積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とし、一方、制
振電極４２ａ、４２ｂと４６ａ、４６ｂにあっては長手
方向の両６Ｍｊ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配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。

［発明の効果コ 以上のように、本発明によれば、圧電振動子の対向する
二面に実質的に合同図形に配設される励振電極と制振電
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
した上で制振電極に高抵抗を接続して供給電源により駆
動する構成としている。そのため、下記に列記する種々
の効果が得られる。

■　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を略零に抑圧する
ことが可能となる。

■　電極の形成方法はシルクスクリーン印刷方法等を行
えば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。

■　励振電極と制振電極間の沿面距離を従来の略１／２
とすることが可能となり圧電振動子の利用効率が向上す
る。

■　抵抗によって電荷の放電されるサイクルが確保出来
るため、電荷貯留に起因する電気・超音波変換効率の劣
化は軽減される。

■　励振電極と制振電極間に印加される電圧値が１７２
になるため電歪作用に起因して圧電振動子自体にクラッ
クの発生する虞が解消する。

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、
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図すは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図は第４図に係る電気回路結線図、第６図は本発明
に係る電気回路駆動部を含む直方体圧電振動子の斜視説
明図、 第７図は第６図に係る電気回路結線図、第８図は本発明
に係る直方体圧電振動子の他の実施態様を示す斜視説明
図である。 ２０・・・圧電振動子　　　　２２・・・正面部２４・
・・背面部　　　　　　２６．２８・・・励振電極３０
ａ、３０ｂ、３２ａ、３２ｂ−制振電極Ｅ３・・・交流
電源　　　　Ｍ・・・メインロープＳ・・・サイドロー
ブ　　　Ｕ、・・・超音波輻射面３ｅ５ａ ＦＩＧ、３ 圧電拡動Ｙの！ａ山方力１川−

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）超音波を発生する直方体形状の圧電振動子におい
   て、相対向する電極面を、互いに実質的に合同形状であ
   って且つ夫々の面の中心を直交する軸に対して上下左右
   対称な１個の励振電極と一対の制振電極とを含む電極形
   状に形成し、夫々の面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
   なるように形成すると共に、長手方向の単位長あたりの
   制振電極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し、さらに、一方の面の制振電極と
   この制振電極と対向する他の電極面側の制振電極とを電
   気的に接続し且つ前記２つの制振電極に抵抗を接続し当
   該抵抗を励振電極に接続される駆動電圧源に接続するよ
   う構成することを特徴とする圧電振動子。
2. （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面積の狭小化形状は、音波の指
   向特性の中サイドローブが小さくなるよう、非直線の関
   数に従う形状に構成してなる圧電振動子。