(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒状で内周面と外周面にそれぞれ独立した電極を有し、肉厚方向に分極され、同じ外径を有する圧電素子を、中心軸が一致するように高さ方向に複数積み重ねて配置し、外部に取り出すケーブルのリード線を前記電極へ接続するとともに、前記圧電素子のうち少なくとも２つを電気的に直列に接続し、前記圧電素子の外周面に垂直な方向の音圧に対して受信感度を有する超音波受波機であって、前記圧電素子の一端を弾性体で蓋をし、前記圧電素子の間、前記弾性体と前記圧電素子との間、および前記圧電素子の内部に吸音材を配置し、前記圧電素子の内部における吸音材を前記リード線と緩衝しないように配置したことを特徴とする超音波受波機。
【請求項２】
前記圧電素子の外周面および前記吸音材の露出面が樹脂でモールドされていることを特徴とする請求項１に記載の超音波受波機。
【請求項３】
前記樹脂は、該樹脂で前記圧電素子の外周面をモールドした場合の電気的インピーダンスが、該樹脂がない場合の前記圧電素子の電気的インピーダンスに対して、その差が２０ｄＢ以内となる樹脂であることを特徴とする請求項２に記載の超音波受波器。
【請求項４】
前記弾性体は金属であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の超音波受波器。
【請求項５】
前記圧電素子の外周面に垂直な全方向に対して受信感度の変動が±１ｄＢ以内であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の超音波受波器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は圧電素子を用いて超音波発信源から放出された超音波の強度などを計測することにより距離を計測するために用いられる超音波受波機に関するものであり、特に水平方向の３６０°の全方位に対してほぼ均一な受波感度が得られるように圧電素子を円筒状の構造とした超音波受波機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、水平方向の３６０°の全方位にわたり均一な音圧を発生し、また受信するための音波の送受波機には円筒状の圧電素子が用いられてきた。送波機としては、例えば特許文献１および特許文献２に記載されているように、円筒状の圧電素子の内周面と外周面に電極を形成し、それらの間に交流電圧を印加することによってその円筒を呼吸振動させ、円筒の中心軸に対して垂直な３６０°の方向に音波を放出するスピーカが提案されている。
【０００３】
また、超音波送受波機としては円筒状の圧電素子を遮音材を介して円筒の中心軸方向に複数個配置した超音波送受波機が提案されており、特許文献３に示されている。図８はこのような従来の超音波送受波機の構造の一例を示す断面図である。この超音波送受波機では、内周面および外周面に電極を有し径拡がり振動を行う円筒状の複数の圧電素子１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄを高さ方向に円筒軸を揃えて配列し、その配列された圧電素子の両端部に金属製の蓋１７ａ、１７ｂを配置し、各圧電素子の内周面電極１３を互いにリード線１４で接続し、その一端を圧電素子の内部に内蔵した発振回路ブロック１８の出力端に接続している。発振回路ブロック１８の出力端の他端は金属性の蓋１７ａに接続されている。各圧電素子の外周面電極１２を除き、各圧電素子間および両端の圧電素子と蓋１７ａ、１７ｂとの間および圧電素子の内周面と内部円筒１６の外周面との間を、水密性があり圧電素子を支えるのに充分でかつ圧電素子の振動を妨げない硬度の樹脂１５でモールドしている。この超音波送受波機を水中に没すると蓋１７ａと圧電素子の外周面電極１２は同電位となるので、各々の圧電素子は発振回路ブロック１８に電気的に並列に接続された構造となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平９−３２７０９２号公報
【特許文献２】特開平９−３２７０９３号公報
【特許文献３】特開平８−３０７９９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記の超音波送受波機は原理的に送波機としておよび受波機として機能させることが可能である。しかしながら超音波受波機として用いるときの感度に着目した場合、上記の従来の送受波機の構造では十分な性能は得られない。すなわち、送波機としては比較的高い電力で駆動させることを前提としているため円筒面のほぼ全体が振動して送信に寄与するが、受波機として見た場合、感度を生ずる圧電素子の有効な部分が特定方向から入力する音圧に対して円筒面の一部分でしかないこと、即ち入力音圧の入射方向に対して垂直な平面部分が円筒面の一部の線状の部分しかないため、十分な感度を得ることが難しいためである。
【０００６】
また、上記の従来の送受波機の構成では、送波音圧の指向性を水平方向の３６０°の全方位に対して安定して得るために各々の圧電素子を電気的に並列に接続して各圧電素子が同位相で振動するように駆動しているが、受波機としては、入力音圧から圧電現象により電荷を発生する僅かな部分以外の部分、すなわち機械電気変換に寄与しない不活性な部分も静電容量を持つため、並列接続した場合には不活性な部分の静電容量がさらに増大し、発生電荷を吸収してしまうので、受信により得られる電圧が低下してしまい、受信感度が低下するという問題があった。
【０００７】
そこで、本発明の課題は、その指向特性を損なうことなく、従来に比べて受信感度を増大させることが可能な超音波受波器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため、円筒状で内周面と外周面にそれぞれ独立した電極を有し、肉厚方向に分極され、同じ外径を有する圧電素子を、中心軸が一致するように高さ方向に複数積み重ねて配置し、外部に取り出すケーブルのリード線を前記電極へ接続するとともに、前記圧電素子のうち少なくとも２つを電気的に直列に接続し、前記圧電素子の外周面に垂直な方向の音圧に対して受信感度を有する超音波受波機であって、前記圧電素子の一端を弾性体で蓋をし、前記圧電素子の間、前記弾性体と前記積み重ねた複数の圧電素子との間、および前記圧電素子の内部に吸音材を配置し、前記圧電素子の内部における吸音材を前記リード線と緩衝しないように配置したことを特徴とする。
【００１０】
また、前記圧電素子の外周面および前記吸音材の露出面が樹脂でモールドされていてもよい。
【００１１】
この場合、前記樹脂は、該樹脂で前記圧電素子の外周面をモールドした場合の電気的インピーダンスが、該樹脂がない場合の前記圧電素子の電気的インピーダンスに対して、その差が２０ｄＢ以内となる樹脂であることが望ましい。また、前記弾性体は金属であってもよい。
【００１２】
また、前記圧電素子の外周面に垂直な全方向に対して受信感度の変動が±１ｄＢ以内であることが望ましい。
【００１３】
本発明では上記のように、それぞれの圧電素子を電気的に直列に接続することにより不活性部分の静電容量を減少させ、音圧による歪より生じた発生電荷から生じる電圧を従来よりも増大させ、受信感度の向上をはかったものである。
【００１４】
また、本発明による超音波受波機においては、各圧電素子の外周面や吸音材の露出面などの外側を振動を妨げない硬度の樹脂でモールドすることにより水中での耐圧性と防水性を持たせ、かつ受信感度の増大をはかることができる。
【発明の効果】
【００１５】
以上のように、本発明によれば、その指向特性を損なうことなく、従来に比べて受信感度を増大させることが可能な超音波受波器が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明による超音波受波機に用いられる圧電素子の構造の一例を示す斜視図。
【図２】本発明による超音波受波機の第一の実施の形態の構成を示す外観の斜視図。
【図３】本発明による超音波受波機の第一の実施の形態の内部構造を示す断面図。
【図４】本発明による超音波受波機の第二の実施の形態の構成を示す断面図。
【図５】従来と同様な構造の超音波受波機の比較例の内部構造を示す断面図。
【図６】実施例と比較例について受波感度と音源からの距離の関係の測定結果を示す図。
【図７】音源からの距離１ｍにおける受波電圧の指向性特性の測定結果を示す図。
【図８】従来の超音波送受波機の構造の一例を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明による超音波受波機に用いられる圧電素子の構造の一例を示す斜視図である。図１に示すように、圧電素子１は円筒形状をしておりその内周面に内周面電極２が、外周面には外周面電極３が銀ペーストの焼付けにより形成されている。圧電素子１は内周面電極２と外周面電極３を用いて肉厚方向に分極されており外周面に音波などの外力が加わり歪が生じると電荷を発生する。
【００１８】
図２は本発明による超音波受波機の第一の実施の形態の構成を示す外観の斜視図である。図１のように構成された同形状の２つの圧電素子１ａ、１ｂがそれぞれの円筒の中心軸が一致するように該円筒の高さ方向に積み重ねて配置されている。また圧電素子１ａ、１ｂは吸音材４ｂを介して積み重ねられ、圧電素子１ａの上面には吸音材４ａを介して金属製の蓋５が接着されている。また圧電素子１ｂの下面には吸音材４ｃを介して金属製の架台６が接着されている。蓋５と架台６は本実施の形態では金属性のものを用いたが、金属に限らず、外形を保ち圧電素子１ａ、１ｂを支えることができる強度のある弾性体であれば同じ作用効果が得られる。例えばフェノール樹脂なども使用可能である。圧電素子１ａ、１ｂは内部で電気的に接続され外部にケーブル７により取り出されている。
【００１９】
図３は本発明による超音波受波機の第一の実施の形態の内部構造を示す断面図である。図３に示すように、内部に蓋５および架台６と嵌合する中心円筒８を設置しており、架台６には中心円筒８と嵌合する窪みが設けられておりその窪みをガイドとして、中心円筒８を立てその内部にケーブル７を差し込んでいる。架台６の上に吸音材４ｃ、圧電素子１ｂ、吸音材４ｂ、圧電素子１ａ、吸音材４ａの順に外径が一致するよう接着して積み重ねられている。ケーブル７の一方のリード線９ｂは圧電素子１ｂの内周面電極２ｂに半田付けによって接続されている。またもう一方のリード線９ａは吸音材４ａの中をとおり圧電素子１ａの外周面側に取り出され、圧電素子１ａの外周面電極３ａに半田付けにより接続されている。圧電素子１ｂの外周面電極３ｂと圧電素子１ａの内周面電極２ａをリード線９ｃにより接続し、圧電素子１ａと圧電素子１ｂが電気的に直列になるように接続されている。圧電素子１ａ、１ｂの内周面と中心円筒８の間の空間には吸音材４ｄがリード線９ａ、９ｂ、９ｃと緩衝しないように充填されている。蓋５の内部には中心円筒８と嵌合する窪みが設けられており、その窪みをガイドとして蓋５の位置を決めて接着されている。
【００２０】
図４は本発明による超音波受波機の第二の実施の形態の構成を示す断面図である。基本的な構成は図３に示した第一の実施の形態と同様であるが、本実施の形態においては、積み重ねた圧電素子１ａおよび１ｂの外周面および吸音材４ａ、４ｂ、４ｃの露出面および蓋５の外側が樹脂でモールドされている点が異なる。すなわち、水中での使用を考慮し、防水性を高めるために全体をポリウレタン被覆１０にてモールドしている。ここで、モールドする樹脂は振動を妨げないような樹脂であればポリウレタンに限られない。特に、樹脂で圧電素子の外周面をモールドした場合の電気的インピーダンスが、樹脂がない場合の電気的インピーダンスに比べて２０ｄＢ以内の差であれば十分な感度が得られる。
【実施例】
【００２１】
次に、実施例として、上記の第一の実施の形態の超音波受波器を実際に試作した結果について説明する。図２、図３の圧電素子１ａ、１ｂとして、外径２４ｍｍ、内径２０ｍｍ、高さ１０ｍｍの圧電素子を作製した。吸音材４ａ、４ｃの厚みを３ｍｍとし、吸音材４ｂの厚みは１ｍｍとした。また、蓋５は厚み６ｍｍのステンレス板を用い、架台は厚み１０ｍｍのステンレス板を用いた。また、中心円筒８は外径１０ｍｍ、内径７ｍｍのステンレスパイプを用いた。
【００２２】
本発明による超音波受波機の感度改善効果を確認するため、実施例と同時に従来と同様な構造の超音波受波機の比較例を試作した。その比較例の内部構造の断面図を図５に示す。圧電素子１ａ、１ｂ、吸音材４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、蓋５、架台６の寸法や構成は上記の実施例と同じとした。但し、比較例においては、各圧電素子とケーブルの接続方法のみ図８に示した従来の超音波受波機と同様な構造となるようにしている。すなわち、圧電素子１ａ、１ｂの内周面電極２ａ、２ｂ間をリード線９ｄにて接続し、それをさらにケーブル７の一方のリード線９ｂに接続した。ケーブル７の他方のリード線９ａは中心円筒８に接続した。リード線９ａを中心円筒８に接続することで、この構成の超音波受波機を水中に没すると圧電素子１ａ、１ｂの外周面電極３ａ、３ｂとステンレス製の蓋５、架台６、中心円筒８は同電位となり、圧電素子１ａ、１ｂは並列接続されることとなる。
【００２３】
なお図８の従来例では発振回路を円筒内部に収納しているが、本試作では受波機としての性能の比較であるため発振器は配置していない。
【００２４】
図６は上記の実施例と比較例について受波感度（出力電圧）と音源からの距離の関係の測定結果を示す図である。無響水槽中に圧電素子の反共振周波数と一致する周波数の超音波を発振するスピーカを配し、実施例または比較例の超音波受波機をスピーカからの距離が同じになるように配したとき、図３、図４、図５それぞれのケーブル７からの出力電圧をオシロスコープにて直接計測したものである。図６から、音源からの距離に応じて出力電圧は減衰していくが、距離１ｍにおいては実施例の構成では比較例に比べておよそ２．５倍の出力電圧が観測され、従来構造に比較して感度の改善が得られることが確認できた。
【００２５】
図７は音源からの距離１ｍにおける受波電圧の指向性特性の測定結果を示す図である。無響水槽中に圧電素子の反共振周波数と一致する周波数の超音波を発振するスピーカを配し、実施例または比較例の超音波受波機を回転台に取り付け、スピーカからの距離１ｍの位置に水没させて超音波受波機を回転させた時の図３、図４、図５それぞれのケーブル７からの出力電圧をオシロスコープにて直接計測したものである。比較例と同様、実施例においても３６０°の全方位にわたって均一な出力電圧が確認でき、従来構造と同じ指向特性を持つことが確認できた。この全方位に対する受信感度の変動は通常の用途では±１ｄＢ以内であることが望ましい。
【００２６】
本発明による超音波受波機は、従来の超音波受波機と同様に全方向から送られてくる超音波を受信することができ、かつ、受信感度が従来よりも改善されるので、超音波の発信源からの距離を従来よりも遠距離から検出することができる。例えば超音波受波機を魚網などに取り付けておき、漁船より超音波を発振していれば、網入れの位置や深さを知ることができる。
【００２７】
なお、本発明は上記の実施の形態や実施例に限定されるものではないことはいうまでもなく、目的や用途に応じて設計変更が可能である。例えば、高さ方向に積み重ねて配置される圧電素子の数および直列に接続される圧電素子の数、圧電素子や蓋、架台、吸音材などの形状や材質、表面をモールドする場合の樹脂の材料なども目的に合わせて選択可能である。
【符号の説明】
【００２８】
１、１ａ、１ｂ、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ  圧電素子
２、２ａ、２ｂ、１３  内周面電極
３、３ａ、３ｂ、１２  外周面電極
４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ    吸音材
５、１７ａ、１７ｂ    蓋
６    架台
７    ケーブル
８    中心円筒
９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ、１４    リード線
１０    ポリウレタン被覆
１５    樹脂
１６    内部円筒
１８    発振回路ブロック
【図１】
0005481184.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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