JP2000509649A - 低共振周波数を有する屈曲プレート音響トランスデューサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 好ましい実施形態では、屈曲プレート音響トランスデューサ（図３、150）は、開放された中央空洞（172）を有するハウジング（152）と、ハウジング（152）の内周表面に取付けられ、前記中央空洞（172）を横切って延在する屈曲プレート（154）と、前記屈曲プレート（154）の表面に取付けられている少なくとも１つのピエゾ電気素子（162、164）と、前記屈曲プレート（154）の外周付近の前記屈曲プレート（154）周辺に延在して形成され、前記ピエゾ電気素子（162、164）が付勢されるとき実質上ピストン運動をするように前記屈曲プレート（154）を運動させる機械的ヒンジ（194）とを含んでいる。

Description

【発明の詳細な説明】 低共振周波数を有する屈曲プレート音響トランスデューサ ［発明の技術的背景］ １．技術分野 本発明は、音響トランスデューサ、特にそれに限定されないが低共振周波数を 有する優秀な屈曲プレート音響トランスデューサに関する。 ２．関連技術の説明 屈曲プレート音響トランスデューサは、電気信号から音響または音響から電気 信号を生成するために広く使用されており、特に、音波の投射装置と受信機との 両者としてソノブイで使用される。典型的に、このようなトランスデューサは、 ハウジングの主軸に直交するハウジングの内部を横切って延在するアルミニウム 屈曲プレートを具備した円筒形アルミニウムハウジングを含んでいる。セラミッ クピエゾ電気素子が屈曲プレートの上部および下部表面のうちの少なくとも１つ に取付けられている。プレートはハウジングと一体の部片から形成されてもよく 、またエポキシ接着剤、ボルト、またはその他の類似の取付け手段によってハウ ジングに取付けられてもよい。 通常の屈曲プレートトランスデューサの共振周波数は、プレートの直径、プレ ートの厚さ、外部エッジの取付け状態により制御される。この周波数は（ｈ³／ ａ⁴）^1/2に比例し、ここで“ｈ”はプレートの厚さであり、“ａ”はプレートの 半径である。所定のパッケージの寸法を維持しながら、共振周波数は可能な限り 低いことが望ましいが、通常、標準的な取付け技術を使用して屈曲プレートトラ ンスデューサのエッジ取付け状態を繰返し制御することは非常に困難である。 本発明の特別な特徴、素子、利点を以下の説明と添付図面から説明し、それに よってこれらは明白になるであろう。 ［発明の要約］ 本発明は、好ましい実施形態で屈曲プレート音響トランスデューサを提供し、 これは開放された中央空洞を有するハウジングと、前記ハウジングの内周表面に 取付けられ前記中央空洞を横切って延在する屈曲プレートと、前記屈曲プレート 表面に取付けられた少なくとも１つのピエゾ電気素子と、前記屈曲プレートの外 周付近の前記屈曲プレート周辺に延在して形成され、前記ピエゾ電気素子が付勢 されたとき実質上ピストン運動をするように前記屈曲プレートを運動させる機械 的ヒンジとを具備している。 ［図面の簡単な説明］ 本発明と種々の特性は、例示の目的でのみ与えられ、本発明の技術的範囲の限 定を意図しない添付図面を参照することによって容易に理解されよう。 図１は、本発明が使用されるソノブイシステムの概略図である。 図２は、一般的な屈曲プレートトランスデューサの断面図である。 図３は、本発明の１実施形態にしたがって構成された屈曲プレートトランスデ ューサの断面図を含む斜視図である。 図４は、図３の屈曲プレートトランスデューサの一部の拡大した断面図である 。 図５は、図３の屈曲プレートトランスデューサの平面図である。 図６は、本発明の別の実施形態にしたがって構成された屈曲プレートトランス デューサの平面図である。 図７は、一般的な屈曲プレートトランスデューサの軸変位と半径距離のグラフ である。 図８は、本発明の屈曲プレートの軸変位と半径距離のグラフである。 ［好ましい実施例の詳細な説明］ 図面を参照すると、類似または同一の素子は種々の図面を通じて一貫した識別 符号を与えられ、図面番号の挿入参照によって、素子が他の図面でも見られるが 説明されている素子が示されている図面を読者は最良に見ることができる。 図１は本発明が使用されている典型的なソノブイシステムを示している。ここ でそれぞれ参照符号20、22によりそれぞれ示されている第１、第２のソノブイは 海中に配備され、それぞれのソノブイは電子回路およびバッテリ（図示せず）を 含むブイ24、26と、海用錨28、30と、相互接続ケーブルと懸垂手段の下端部に配 置された屈曲プレートトランスデューサ32、34を含んでいる。ソノブイ20は投射 装置として作用し、ソノブイ22は受信機として作用する。ソノブイ20、22が航空 機、ヘリコプター、または船から通常の手段により配備されていることが理解さ れよう。 使用において、ソノブイ20の屈曲プレートトランスデューサ32は音波40を放射 する。音波40は水中の目標、ここでは潜水艦42から反射され、ソノブイ22の屈曲 プレートトランスデューサ34により受信される音波44を生成し、そのソノブイは ＲＦ信号46を経て監視ヘリコプタ48へその事実を報告する。この構成はバイスタ ティック構成と呼ばれる。しかしながら、適切な制御回路が設けられるならば、 屈曲プレートトランスデューサ32もまた音波40を水中へ送信し、潜水艦42から反 射44を受信することができ、したがってただ１つのソノブイしか必要としない。 図２は全体を参照符号50で示されている通常の屈曲プレートトランスデューサ の構造を示している。トランスデューサ50は円筒形ハウジング52を含み、円筒形 ハウジングは、その内部空洞を横切って延在しハウジングの主軸に直交する屈曲 プレート54を有する。この場合、ハウジング50と屈曲プレート54は一体構造であ るが、屈曲プレートはまた一般的な手段によりハウジングに取付けられている別 体の素子であってもよい。セラミックピエゾ電気素子60、62はそれぞれ屈曲プレ ート54の上部および下部表面に取付けられている。ベースプレート70はハウジン グ52の底部を閉じ、ハウジングの内部壁と屈曲プレート54の下部表面とベースプ レートの内部表面との間で、Ｏリング74により密封されている空気チャンバ72を 限定している。適切な固定手段（図示せず）が80のように複数の穴を通って挿入 され、それによってベースプレート70をハウジング54へ固定する。電気信号がセ ラミック素子60、62へ与えられたとき、屈曲プレート54は与えられた信号の周波 数で屈曲することが理解されよう。 ベースプレート70は、そこに取付けられているセラミック62、64に類似のセラ ミックによって、プレート54に類似の屈曲プレートトランスデューサと置換され ることができ、それによって双方向トランスデューサを生成する。 図３は参照符号150により示されている屈曲プレートトランスデューサを示し ており、その素子は屈曲プレートトランスデューサ50（図２）と同一の参照符号 の頭に“１”が付加されている。また、図４に示されているように、屈曲プレー ト154の外周近くに切り込まれた平行の円形溝190、192が設けられている点を除 いてトランスデューサ150はトランスデューサ50と同一であり、溝190は溝19 ２の外側であり、屈曲プレート154の上部表面に切り込まれ、溝192は屈曲プレー トの下部表面に切り込まれている。溝190、192はしたがってＺ型のウェブまたは “機械的ヒンジ”194を形成する。 ヒンジ194は所定の幾何学形状のプレートのために屈曲プレート154の共振周波 数、モード形状、境界条件を制御する。付加的に、ヒンジ194は屈曲プレート154 の共振周波数に影響しないように外部エッジの境界条件の影響を減少する。これ は屈曲プレート154の周囲の円周の一貫したエッジ条件を維持する必要性をなく す。 ヒンジ194はまた変形された屈曲プレート154のモード形態を変更する。変形さ れた形態の屈曲プレート154は大きな変形を受けるヒンジ194によりプレートの中 心を横切って平坦になり、したがってモード形態を一般的なカンチレバーの屈曲 プレートのピストンプロフィールに近付ける。このヒンジを設けられたモード形 態は実質上（所定の動作のために大きくされた容積変位により）放射された音響 パワーを改良し、キャビテーションしきい値を上昇し、共振周波数を低下させる 。溝190、192の幅および間隔と共にその深さは、所定の応用における屈曲プレー ト154の実効的なスチフネスとその結果的な共振周波数およびモード形態を決定 する。 前述したように、ヒンジ194は屈曲プレート154の共振周波数が所定の直径と厚 さの一般的な屈曲プレートの共振周波数から下げられることを許容する。付加的 なセラミックが屈曲プレート154に付加されるとき、屈曲プレート154の共振周波 数は、ヒンジ194のスチフネスが中心プレートのスチフネスよりも小さくなるま で増加する。この点で、ヒンジ194はプレートの共振周波数を制御する。付加的 なセラミックが付加されるか、またはプレートの厚さが増加されるならば、スチ フネスの実質的な増加は生じないが、付加的な質量がシステムの共振周波数を低 下させる傾向がある。これは厚さの増加がシステムのスチフネスの増加と共振周 波数の増加とを起こす一般的な屈曲プレートと明白に対照的である。 図５は屈曲プレートトランスデューサ150の平面図であり、図６は本発明の別 の実施形態にしたがった屈曲プレートトランスデューサの平面図であり、参照符 号150'で示され、図６の素子は図５の類似した素子にプライム参照符号が与えら れている。図６で示されているように、溝190'は複雑な形状であり、類似の溝19 2'が屈曲プレート154'の下部表面に切り込まれていることが理解されよう。溝19 0'の複雑な形状が正弦波形状を有して示されているが、任意の適切な複雑な形状 が使用されてもよい。断面では、溝190'、192'が図４の溝190、192と類似のプロ フィールを有することも理解されよう。本発明の技術的範囲内で多数の他の変形 があり、それによって特定の応用の所望のヒンジ動作を実現する。 図７は従来の一般的な屈曲プレートの軸方向変位と中心からの半径距離のグラ フであり、図８は本発明にしたがったヒンジを有する屈曲プレートの同一パラメ ータの図である。モード形態が示しているようにプレートの中心における所定の 変位に対して、ヒンジを設けられたプレートが一般的なプレートよりも大きな容 積を変位する。この増加した容積は屈曲プレートのモード形態を変更するヒンジ によるものである。ヒンジはプレートのセラミック面が軸方向で移動するという ピストンのような方法で移動することを可能にする。従来の一般的なプレートは 放物線関数で表面変位を有する古典的なカンチレバーモード形態（図７）を有し ている。ヒンジを設けられたプレートの増加した容積変位はトランスデューサの 音響出力を増加する。したがって、所定の寸法で、ヒンジを設けられた屈曲プレ ートトランスデューサは比較可能な一般的な屈曲プレートトランスデューサより も高い音源レベルを有することができる。 溝190、192、190'、192'は機械加工、スタンピングまたはキャスティングのよ うな任意の適切な一般的手段によりそれぞれの屈曲プレートに形成されることが できる。 したがって、前述の説明で説明されまたは説明により明白にされた本発明の特 別な特徴、素子は、実効的に達成され、ある変更が本発明の技術的範囲から逸脱 せずに前述の構造が作られるので、前述の説明に含まれるかまたは添付図面で示 された全ての事柄は限定ではなく単なる例示として解釈されるべきである。 以下の請求の範囲はここで説明した本発明の全ての一般的および特別な特徴と 、本発明の技術的範囲の全ての記述とをカバーすることが意図されることも理解 されよう。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．（ａ）開放された中央空洞（172）を有するハウジング（152）と、 （ｂ）ハウジング（152）の内周表面に取付けられ、前記中央空洞（172）を横 切って延在する屈曲プレート（154）と、 （ｃ）前記屈曲プレート（154）の表面に取付けられている少なくとも１つの ピエゾ電気素子（162、164）と、 （ｄ）前記屈曲プレート（154）の外周付近の前記屈曲プレート（154）周辺に 延在して形成され、前記ピエゾ電気素子（162、164）が付勢されるとき実質上ピ ストン運動をするように前記屈曲プレート（154）を移動させる機械的ヒンジ（1 94）とを具備している屈曲プレート音響トランスデューサ（図３、150）。 ２．前記機械的ヒンジ（194）が前記屈曲プレート（154）の厚さの減少された領 域を含んでいる請求項１記載の屈曲プレート音響トランスデューサ（図３、150 ）。 ３．前記中央空洞（172）は円筒形であり、前記屈曲プレート（154）は円形であ り、前記機械的ヒンジ（194）は前記屈曲プレート（154）の上部および下部表面 に切り込まれた２つの同心の円形溝（190、192）から形成されている請求項１記 載の屈曲プレート音響トランスデューサ（図３、150）。 ４．前記中央空洞は円筒形であり、前記屈曲プレート（154）は円形であり、前 記機械的ヒンジ（194'）は前記屈曲プレート（154）の上部および下部表面に切 り込まれた２つの複雑な形状の溝（190'）から形成されている請求項１記載の屈 曲プレート音響トランスデューサ（図６、150'）。 ５．前記複雑な形状の溝（190'）は正弦波形状である請求項４記載の屈曲プレー ト音響トランスデューサ（図６、150'）。 ６．（ａ）水中に配置され、それぞれ第１および第２の音響トランスデューサ（ 32、34）がその下端に設置されている第１および第２のソノブイ（20、22）を具 備し、 （ｂ）前記第１の音響トランスデューサ（32）は音響発生トランスデューサで あり、前記第２の音響トランスデューサ（34）は前記第１の音響トランスデュー サにより発生されて前記水中目標（42）から反射された音波を受信する音響受信 トランスデューサであり、 少なくとも前記第１の音響トランスデューサは屈曲プレート音響トランスデュー サ（図３、150）であり、この音響トランスデューサは、 （ｃ）開放された中央空洞（172）を有するハウジング（152）と、 （ｄ）前記ハウジング（152）の内周表面に取付けられ前記中央空洞（172）を 横切って延在する屈曲プレート（154）と、 （ｅ）前記屈曲プレート（154）の表面に取付けられている少なくとも１つの ピエゾ電気素子（162、164）と、 （ｆ）前記屈曲プレート（154）の外周付近の前記屈曲プレート（154）周辺に 延在して形成され、前記ピエゾ電気素子（162、164）が付勢されるとき実質上ピ ストン運動をするように前記屈曲プレート（154）を運動させる機械的ヒンジ（1 94）とを具備している水中目標検出システム（図１）。 ７．前記機械的ヒンジ（194）が前記屈曲プレート（154）の厚さの減少された領 域を含んでいる請求項６記載の水中目標検出システム（図１）。 ８．前記中央空洞（172）は円筒形であり、前記屈曲プレート（154）は円形であ り、前記機械的ヒンジ（194）は前記屈曲プレート（154）の上部および下部表面 に切り込まれた２つの同心の円形溝（190、192）から形成されている請求項６記 載の水中目標検出システム（図１）。 ９．前記中央空洞は円筒形であり、前記屈曲プレート（154）は円形であり、前 記機械的ヒンジ（194'）は前記屈曲プレート（154）の上部および下部表面に切 り込まれた２つの複雑な形状の溝（190'）から形成されている請求項６記載の水 中目標検出システム（図１）。 １０．前記複雑な形状の溝（190'）は正弦波形状である請求項９記載の水中目標 検出システム（図１）。 １１．（ａ）水中に配置され、音響トランスデューサ（32）がその下端に設置さ れているソノブイ（20）を具備し、 （ｂ）前記音響トランスデューサ（32）は音響発生トランスデューサであり、 かつ、前記音響トランスデューサにより発生され前記水中目標（42）から反射さ れた音波を受信する音響受信トランスデューサであり、 前記音響トランスデューサは屈曲プレート音響トランスデューサ（図３、150 ）であり、この音響トランスデューサは、 （ｃ）開放された中央空洞（172）を有するハウジング（152）と、 （ｄ）前記ハウジング（152）の内周表面に取付けられ前記中央空洞（172）を 横切って延在する屈曲プレート（154）と、 （ｅ）前記屈曲プレート（154）の表面に取付けられている少なくとも１つの ピエゾ電気素子（162、164）と、 （ｆ）前記屈曲プレート（154）の外周付近で前記屈曲プレート（154）周辺に 延在して形成され、前記ピエゾ電気素子（162、164）が付勢されるとき実質上ピ ストン運動をするように前記屈曲プレート（154）を運動させる機械的ヒンジ（1 94）とを具備している水中目標検出システム（図１）。 １２．前記機械的ヒンジ（194）が前記屈曲プレート（154）の厚さの減少された 領域を含んでいる請求項１１記載の水中目標検出システム（図１）。 １３．前記中央空洞（172）は円筒形であり、前記屈曲プレート（154）は円形で あり、前記機械的ヒンジ（194）は前記屈曲プレート（154）の上部および下部表 面に切り込まれた２つの同心の円形溝（190、192）から形成されている請求項１ １記載の水中目標検出システム（図１）。 １４．前記中央空洞は円筒形であり、前記屈曲プレート（154）は円形であり、 前記機械的ヒンジ（194'）は前記屈曲プレート（154）の上部および下部表面に 切り込まれた２つの複雑な形状の溝（190'）から形成されている請求項１１記載 の水中目標検出システム（図１）。 １５．前記複雑な形状の溝（190'）は正弦波形状である請求項１４記載の水中目 標検出システム（図１）。