JP3477270B2 - 超音波送受波器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【産業上の利用分野】本発明は、水中で超音波の送受信
を行い、物体の探知等を行うためのセンサー部分である
超音波送受波器の改良に関するものである。 【０００２】 【従来の技術】水中を高速で移動する航走体において
は、超音波送受波器は超音波の送受信を行うための音響
窓が航走体表面と同一面をなすように航走体に埋設した
形で取り付けられるが、航走時に発生するフローノイズ
あるいはキャビテーション小気泡を含む層流が超音波送
受波器の音響性能に悪影響を与えていた。これらの影響
を低減するため、航走体の形状あるいは外表面の処理
等、構造的な面での対策がなされる一方で、送受波器に
ついても多くの対策が検討され、中でも使用周波数の高
周波化が送受波器での有効な手段であり、メガヘルツ帯
の周波数を使用した超音波送受波器の実用化が進められ
ている。 【０００３】従来、数百ｋＨｚから数ＭＨｚ近傍の周波
数帯域で使用する送受波器は円板あるいは矩形板状の圧
電磁器振動子の厚み方向振動を利用し、かかる振動子を
位置決め及び固定用の台座等に接着・固定し、ゴム状弾
性体によるモールド等の手法で防水構造を付与した構成
が一般的であった。 【０００４】 【発明が解決しようとする課題】ところで、厚み方向振
動を利用する圧電磁器振動子では、厚さ方向の対向する
両面はそれぞれほぼ全面に銀あるいはニッケル等よりな
る金属電極を形成し、この電極で分極および電気信号の
授受を行っており、厚み方向振動は、振動子全体で一様
に励振される。このような振動子で高周波化に対応する
場合、振動子の厚さは共振周波数に反比例して減少し、
また送受波器の性能である指向幅を維持しようとすれば
振動子外径あるいは幅や長さ方向の寸法を小さくしなけ
ればならず、結果的に振動子の体積減少を招くが、これ
により接着・組立作業性の悪化という組立品の特性のば
らつきを増大させる要因を増やすという問題があった。 【０００５】厚み方向振動を利用する振動子において
は、よくみられる現象であるが、厚み方向振動以外の、
例えば、径方向あるいは幅や長さ方向振動の高次モード
共振等が寄生振動として現れやすいという問題がある。
２００〜３００ｋＨｚ程度の周波数であれば、振動子の
厚さの３分の２程度の深さまでスリットを加工して寄生
振動の共振周波数を厚み方向振動の共振周波数より高く
することで影響を防ぐことも可能であるが、ＭＨｚ帯ま
で高周波化すると振動子の厚さが１〜２ｍｍ、あるい
は、それ以下となるため、加工の面でも強度の面でも同
様の対策を講じることは難しい。さらに、指向特性の要
求から定まる振動子の外径あるいは幅等の寸法と、振動
子の厚み方向の寸法が、振動子の材料定数や形状から定
まる特定の寸法比に近づくと、厚み方向振動と寄生振動
間での結合振動が発生しやすくなる。結合振動が発生す
れば、本来の使用振動モードである厚み方向振動を有効
に励振できなくなると同時に、共振周波数の遷移を生
じ、目的とする周波数での使用が困難になる。 【０００６】また、高周波化により音波伝搬波長が短く
なることで、振動子を接着・固定するための接着剤層の
厚さの影響がみられるようになる。低い周波数で使用す
る場合、０．１〜０．２ｍｍという接着剤層の厚さは、
波長比で数十分の一程度であり、接着剤の機械的尖鋭度
Ｑｍの低さも無視できるが、高周波化により波長が１〜
２ｍｍ程度まで短くなると、接着剤層の厚さが無視でき
なくなり、そのＱｍの低さのため振動子の振動に対する
制動要因として機能し、同時に振動子の外周部分にはみ
出して硬化した接着剤も同様に制動要因となる。 【０００７】さらには、振動子の電極面に信号授受用の
リード線を接続するが、このリード線の持つ質量、剛性
あるいは弾性も無視できず、多くは接着剤と同様に振動
子の振動に対して制動効果を及ぼす。 【０００８】これらは、いずれも振動子の主たる振動姿
態である厚み方向振動の励振に対する障害であり、送受
波器としての感度低下を始めとする特性不良の原因とな
っていた。 【０００９】さらに、振動子の音響面となっている電極
面上にリード線及びこれを接続するための半田点が存在
し、指向特性乱れの一因となるなど、安定した特性の送
受波器を得ることが非常に困難であった。 【００１０】本発明は、水中超音波送受波器の高周波化
に伴う上述の問題を解決し、容易な方法で特性のばらつ
きの少ない送受波器を提供しようとするものである。 【００１１】 【課題を解決するための手段】円形あるいは矩形の圧電
磁器板のほぼ中央で、厚さ方向に対向する円形あるいは
矩形の対向電極と、前記対向電極より厚さ方向に対向し
ないように各々異なる方向に引出し電極を形成し、前記
引出し電極に電気信号の授受用の電線を接続して分極お
よび励振を行うよう構成した振動子と、少なくとも対向
電極が位置する範囲に凹み部分を設けて前記対向電極が
直接触れない構造とした台座からなり、前記振動子の対
向電極が台座の凹み部分に位置するように振動子の外周
部分のみを台座に接着して振動子を固定し、ゴム状弾性
体によるモールド等の方法により防水構造を付与したこ
とを特徴とする。 【００１２】水中を移動する航走体が備えている超音波
送受波器が、高速航走時に受ける悪影響を低減する方策
として、送受波器の使用周波数の高周波化が有効な手段
であり、メガヘルツ帯の周波数を使用した超音波送受波
器を実用化しようとしている。しかし、この超音波送受
波器に用いられる厚み方向振動を利用する圧電磁器振動
子について、高周波化に伴い次のような問題がある。
振動子の厚さだけではなく、指向特性の要求から振動面
の面積を小さくしなければならないことから、接着・組
立作業性の悪化による特性のばらつきの増大。厚み方
向振動特有の寄生振動が発生し易く、指向特性とのから
みで、振動面の寸法と、厚み方向の寸法比が特定の寸法
比に近づくと、厚み方向振動と寄生振動間で結合振動が
発生し、厚み方向振動を有効に励振できなくなり、さら
には目標とする共振周波数の遷移が生ずる。接着剤層
の厚さが無視できなくなり、振動子の振動に対する制動
要因になる。リード線の質量、剛性あるいは弾性も無
視できず、振動子の振動に対する制動要因になる。電
極面上のリード線及びこれを接続するための半田点が、
指向特性の乱れの一因となる。ということで、これらの
問題点を克服するために、前述の構造的な対策を講じて
解決した。 【００１３】 【実施例】以下、本発明を実施例を用いて説明する。 【００１４】従来の送受波器の構成例を図４（ａ）に上
面透視図、図４（ｂ）に概略断面図で示す。厚み方向両
面に各々ほぼ全面に電極を施した矩形圧電磁器振動子１
の両電極にリード線２６ａ，２６ｂを半田付けにより接
続し、振動子２１の後面は接着剤で台座２２に接着し固
定されている。ケース２３の貫通穴にリード線２６ａ，
２６ｂを通し、台座２２とケース２３を接着した後に、
前記リード線を気密端子２８ａ，２８ｂへ接続し、気密
端子をハウジング２５の所定位置へ接着する。ケース２
３をハウジング２５へ接着し、ケース２３の後方にでき
る空間には、水圧印加時の変型あるいは破損を防止する
ためエポキシ樹脂等の充填材２７を注入し硬化させた後
に、振動子２１の露出側にゴム状弾性体２４をモールド
して水密構造とする。 【００１５】ここで、振動子の形状寸法について検討す
る。厚み方向振動を利用する場合の振動子の厚さは、例
えば、共振周波数を１．５ＭＨｚとすれば約１．２ｍ
ｍ、共振周波数を３．０ＭＨｚとすれば約０．６ｍｍと
なる。また、振動子の厚さを１として指向特性の要求か
ら振動子の外径寸法を求めると、矩形板状の振動子の場
合、−６ｄＢ指向幅で１０度とすれば矩形板の辺長は約
５、−６ｄＢ指向幅で２０度とすれば辺長は約２．５と
なる。従って、１．５ＭＨｚの周波数で−６ｄＢ指向幅
で２０度を得ようとすれば、矩形板状の振動子では厚さ
約１．２ｍｍで辺長約３．０ｍｍ角の寸法となり、指向
幅をそのまま維持して周波数を３．０ＭＨｚに上げるな
らば厚さ約０．６ｍｍで辺長約１．５ｍｍ角の大きさ、
即ち、体積では、ほぼ４分の１となるように、高周波化
につれて振動子は著しく小型化してしまう。 【００１６】図５は、３ＭＨｚ近傍での使用を前提とし
て、図４の構成の送受波器を製作する為に設計した正方
形板状の厚み方向振動子の特性を示す。図５（ａ）は振
動子単体のアドミタンス周波数特性、図５（ｂ）はゴム
状弾性体２４をモールドする前の同特性である。 【００１７】従来の方法での問題として振動子における
寄生振動の発生のしやすさがあったが、図５（ａ）の特
性においても厚み方向振動の共振ｆ_Aの他にもｆ_B，ｆ_C
と寄生振動の共振がみられる。厚み方向振動の共振が比
較的低い周波数で振動子の体積が大きければ、台座への
接着等で幅方向振動の高次モード共振等の寄生振動を制
動し、厚み方向振動を有効に利用することも困難ではな
いが、このように小型の振動子では接着剤層の厚さある
いはリード線接続の影響が無視できない。 【００１８】図５（ｂ）に示すように、振動子２１の台
座２２への接着およびリード線２６ａ、２６ｂの取り付
けにより、本来必要である厚み方向振動が制動されてし
まい、ｆ_Aのアドミタンス値は他の寄生振動ｆ_B，ｆ_Cと
同等程度まで低下している。アドミタンスはインピーダ
ンスの逆数であり、これはｆ_Aにおけるインピーダンス
が大きくなり、うまく励振できなくなっていることを示
している。この状態で送受波器として組み上げても、所
期の性能を得るのが困難であることは容易に推測でき
る。組立による特性変化のしかたが一様であれば、振動
子仕様の見直し、あるいは組立方法の見直し等の対策で
特性のばらつきを押さえることも可能だが、この変化の
しかたは一様ではなく、類似の変化傾向を示す場合でも
個々の変化量は大きく異なり、容易には制御できないた
め、結果的に特性のばらつきが大きい状況を許容する
か、多数を製作し特性で選別使用するという対応が通例
であった。 【００１９】図１および図２は、本発明による構成例で
あり、図１は振動子と台座の組立構造で（ａ）に上面
図、（ｂ）に断面図を示し、図２は送受波器の概略断面
図を示す。矩形板状振動子１のほぼ中央に円形の対向電
極９を形成し、この対向電極から振動子の前面と背面で
各々１８０度異なる方向へ引出し電極１０ａ，１０ｂを
形成し、さらに引出し電極１０ａ，１０ｂの端部にはリ
ード線が半田付けにより接続される。振動子１は外周部
分にのみ接着剤１１を塗布し台座２に接着・固定され
る。台座２においては、対向電極９の位置する範囲より
大きめに凹み部分１２を設けており、振動子１の背面に
ある対向電極が直接台座に触れない構造となっている。
このように構成した後に、ケース３の貫通穴にリード線
６ａ，６ｂを通したのち台座２とケース３を接着して組
み立て、リード線６ａ，６ｂを気密端子８ａ，８ｂへ接
続して、気密端子をハウジング５の所定の位置に接着す
る。ケース３をハウジング５へ接着し、ケース３後方の
空間へ充填材７を注入し硬化させた後にゴム状弾性体４
を振動子１の露出面側にモールドして水密構造とする。 【００２０】図１に示したような電極構造を持ち、厚み
方向振動を励振する振動子は、一般的にはエネルギー閉
込め型振動子として知られるものである。このような振
動子では、厚み方向振動は対向電極部分で強く励振され
対向電極から離れるに従って、その振動は指数関数的に
減衰し、結果的に対向電極部分の近傍に振動が閉じ込め
られるという現象を示す。このような特徴を利用して、
厚み方向振動がほとんど励振されない振動子１の周辺部
分のみを接着・固定し、また振動子１の端部へリード線
を接続することにより、振動子１のほぼ中央部分に位置
する対向電極９近傍の振動を制動することなく送受波器
の構成が可能となる。 【００２１】しかし、空気中での使用を前提とするなら
ば、このような振動子の利用だけで充分な効果も得られ
るが、水中で使用する場合、水圧の印加という状況を考
えなければならない。対向電極部分が台座に直接接触す
るような構成で水圧を印加した場合、その圧力により対
向電極と台座との接触状況が随時変化することになる
が、これは振動子からみた後方のインピーダンスが変化
することを意味する。このインピーダンスが変化すれ
ば、台座の方へ伝搬する音響的エネルギーが変化し、結
果的に送受波器としての感度変動をもたらすため好まし
くない。従って、振動子１の特徴を有効に利用するに
は、水圧変化に対して振動子１の後方のインピーダンス
が、ほとんど変化しないような構成をとる必要があり、
その方法としては、空隙を設けることが最も効果的であ
り、これは座グリ加工等で台座２に凹み部分１２を設け
ることで容易に達成できる。凹み部分１２の形成範囲
は、少なくとも対向電極９と同等の大きさが必要である
ことは明白であり、実用的には対向電極９より広い範囲
に凹み部分１２を形成することが望ましい。この振動子
１と台座２を除く部分は、従来の送受波器とほぼ同様の
構成であることから、この部分の置き換えのみで容易に
改善が可能である。 【００２２】図３は、３ＭＨｚ近傍での使用を前提とし
て製作した図１の構成の送受波器の特性であり、図３
（ａ）は振動子単体のアドミタンス周波数特性、図３
（ｂ）はゴム状弾性体４をモールドする前の同特性を複
数個について示したものである。 【００２３】図３（ａ）では、従来の全面電極を施した
振動子と同様に寄生振動の共振ｆ_b，ｆ_C等はみられる
が、厚み方向振動ｆ_Aと比較すると、従来よりは小さく
なっており、厚み方向振動の単一共振に近づいている。
図３（ｂ）では、ｆ_b，ｆ_Cの寄生振動が消えているが、
これは振動子１の外周部分のみを接着・固定することで
幅方向振動の高次モード共振等の寄生振動に制動効果が
現れていることを示している。これに対して厚み方向振
動ｆ_aは、アドミタンス値の変化も少なく、図５（ｂ）
の特性例で見られたように、アドミタンス値が振動子単
体の５分の１程度まで小さくなるというような極端な変
化もなく、厚み方向振動が良好に励振されていることを
示す。従来の構成でみられたような特性変化の乱れもな
く、５個の送受波器は、共振周波数もアドミタンス特性
の形状も、かなりよく揃った状態で組み立てられてい
る。 【００２４】 【発明の効果】以上に述べたように、本発明によれば、
送受波器の高周波化に対応して超音波の送受信を行う場
合に振動子の主たる振動モードとして利用される厚み方
向振動の励振において、その厚み方向振動を制動するこ
となく、また組立による特性のばらつきが少ない送受波
器を容易に得ることが可能である。

【図面の簡単な説明】 【図１】本発明による水中超音波送受波器の台座部分の
組立構造を示す図で、図１（ａ）は上面図、図１（ｂ）
は断面図。 【図２】本発明による送受波器の概略構成を示す断面
図。 【図３】本発明で使用する圧電磁器振動子の特性を示す
図で、図３（ａ）は単体のアドミタンス特性、図３
（ｂ）はモールド前の組立品のアドミタンス特性。 【図４】従来の水中超音波送受波器の概略構成図で、図
４（ａ）は上面透視図、図４（ｂ）は断面図。 【図５】従来構成で使用する圧電磁器振動子の特性を示
す図で、図５（ａ）は単体のアドミタンス特性、図５
（ｂ）はモールド前の組立品のアドミタンス特性。 【符号の説明】 １，２１ 圧電磁器または圧電磁器振動子 ２，２２ 台座 ３，２３ ケース ４，２４ ゴム状弾性体 ５，２５ ハウジング ６ａ，６ｂ，２６ａ，２６ｂ リード線 ７，２７ 充填材 ８ａ，８ｂ，２８ａ，２８ｂ 気密端子 ９ 対向電極 １０ａ，１０ｂ 引出し電極 １１ 接着剤 １２ 凹み部分

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 円形あるいは矩形板状の圧電磁器のほぼ
   中央で、厚さ方向に対向する円形あるいは矩形の対向電
   極と、前記対向電極より厚さ方向で対向しないように各
   々異なる方向に一対の引出し電極とを形成し、前記引出
   し電極に電気信号の授受用の電線を接続して分極および
   励振を行うよう構成した振動子と、前記対向電極が位置
   する範囲に凹み部分を設けて前記対向電極が直接触れな
   い構造とした台座とからなり、前記対向電極が前記台座
   の凹み部分に位置するように前記振動子の外周部分のみ
   を前記台座に接着して固定し、モールドによる防水構造
   を付与したことを特徴とする水中超音波送受波器。