JP2019533970A - 音響トランスデューサ - Google Patents

Abstract

音響トランスデューサ３０は、支持構造体３６、支持構造体３６によって支持される基部プレート３２及び基部プレート３２によって支持される圧電体３４を具備する能動組立体、並びに支持構造体３６によって支持され、能動組立体３２、３４の振動が受動振動子３８を駆動するように、支持構造体３６を介して能動組立体３２、３４に結合される受動振動子３８とを備える。能動組立体３２、３４及び受動振動子３８は、同じ共振周波数を有する。

Description

本出願は、２０１６年１０月３１日に出願されたオーストラリア特許出願第２０１６９０４４４６号の、出願日及び優先日の利益に基づき、その権利を主張し、出願された内容は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。

本発明は概ね音響トランスデューサに関し、特に水中音響トランスデューサに関するが、決して水中音響トランスデューサとしての排他的用途ではない。

音響又はソナートランスデューサは、たとえば海洋地球物理学的調査を実施するために使用される。それらは、ソノブイ内の音響信号送信機として、通信ブイ用の送信機として、又は能動発信源（ｓｏｕｒｃｅ）としての曳航式アレイにおいて使用され得る。

かかるトランスデューサの１種は、振動を発生させるために、典型的にはセラミック材料の圧電素子を使用するので、圧電ベンダと称する。この種のトランスデューサでは、圧電セラミックは一般に最も高価な構成部品であり、部品コストの約８０％に達することがある。それはまた通常、トランスデューサの質量にも大きく影響する。したがって、理想的には、設計においてできるだけ少ない量のセラミックを使用することが望ましいが、十分な電力処理能力を提供するのに必要なセラミックのボリュームには、セラミック構成部品のどんなかかるペアリング又はトリミングに対しても下限がある。

図１Ａ及び図１Ｂは、圧電ベンダ１０の形態の、かかる既知の音響トランスデューサの構成を概略的に示す。図１Ａは、上面図（明確にするために、封止防水オーバーモールドを省いている）であり、一方図１Ｂは、ベンダ１０の中心を通る断面図である。これらの図は、原寸に比例していないことに留意されたい。ベンダ１０は、２つの同一の円形基部プレート１２、１４を含む。各基部プレート１２、１４には、セラミック圧電体１６、１８がそれぞれ取り付けられており、それによって、そのそれぞれが基部プレート及び圧電体を備える、１対の能動組立体を形成する。ベンダ１０はまた、基部プレート１２、１４が取り付けられている環状支持構造体２０を備え、基部プレート１２、１４が、そのそれぞれの平衡位置を中心にして振動するように駆動されるときに、環状支持構造体は撓む。（支持構造体２０は、図１Ａの図では通常見えないはずであるが、理解を助けるために、その内周は破線で示されている。）この実例では、こうした構成部品は円形であるが、他の実例では、それらは楕円形又は矩形であり得る。すべてのこうした構成部品は、防水オーバーモールド２２に封入されている。

基部プレート１２、１４及び支持構造体２０は、内側の空隙２４を画定し、内側の空隙は、空気、他の何らかの気体、液体、又は適合する成分を含む液体で充填され得る。圧電体１６、１８は、能動組立体が同位相で振動し、同じ周波数で共振するように、電気的に駆動される。

米国特許第８，１３９，４４３号には、この一般的なタイプの音響トランスデューサアレイを含む、水中音響プロジェクタシステムが開示されている。

米国特許第８，１３９，４４３号

第１の広い態様において、本発明は、以下を備える音響トランスデューサを提供する。
支持構造体、
支持構造体によって支持された基部プレート、及び基部プレートによって支持された（通常は、基部プレートに接着された）圧電体を備える、能動組立体、及び
支持構造体によって支持され、能動組立体の振動が受動振動子を駆動するように、支持構造体を介して能動組立体に結合される、受動振動子。
ここで、能動組立体及び受動振動子は、同じ共振周波数を有する。

受動振動子は、ダイヤフラムのように作用するものとして、説明することができる。圧電体が適切に電気的に駆動されると、能動組立体及び受動振動子は、囲繞する媒体へ、ほぼ等しく放射状に伸びる。

一実施例では、圧電体は圧電セラミック体である。他の実施例では、圧電体は単結晶体である。

基部プレートは、金属製であってもよい。受動振動子は、金属製であってもよい。

基部プレート及び受動振動子は、異なる（たとえば金属）組成のものであってもよいが、実施例では、基部プレート及び受動振動子は同じ金属組成のものであり、受動振動子は基部プレートと厚さが異なっており、それにより能動組立体及び受動振動子は、共通の共振周波数を有している。

一実施例では、受動振動子はプレートを含む。

一実施例では、トランスデューサは円形である（すなわち、たとえば図１Ａの図に見られるように）。他の実施例では、トランスデューサは、楕円形又は矩形であり、さらに他の形状も考えられる。

能動組立体、振動子、及び支持構造体によって画定された空隙は、液体であれ気体であれ、流体で充填することができる。

支持構造体は、基部プレート及び／又は受動振動子と一体であり得る。

第２の広い態様において、本発明は、以下を備えるトランスデューサアレイを提供する。
後述の特許請求の範囲のいずれか一項に記載の、複数の音響トランスデューサ。
ここで、複数の音響トランスデューサは、相互作用を利用し、それによって性能を向上させるために離間している。

第３の広い態様において、本発明は、音響トランスデューサの製造方法を提供し、この方法は以下を含む。
能動組立体の振動が、共通の共振周波数で受動振動子を駆動するように、基部プレート及び基部プレートによって支持された圧電体を備える能動組立体を、支持構造体を使って、受動振動子に結合するステップ。

一実施例では、圧電体は圧電セラミック体である。

別の実施例では、基部プレート及び受動振動子は同じ金属組成のものであり、受動振動子は基部プレートと厚さが異なっており、それにより能動組立体及び受動振動子は、共通の共振周波数を有している。

一実施例では、受動振動子は、プレートを含む。

特定の実施例では、トランスデューサは、円形、楕円形又は矩形である。

さらなる実施例では、能動組立体、振動子、及び支持構造体によって画定された空隙は、流体で充填されている。

一実施例では、支持構造体は、基部プレート及び／又は受動振動子と一体である。

本発明の上記態様のそれぞれの様々な個々の特徴のうちのいずれも、及び特許請求の範囲に記載のものを含む本明細書に記載の実施例の様々な個々の特徴のうちのいずれもが、好適且つ所望に応じて組み合わされ得ることに留意されたい。

本発明をより明確に確認することができるように、以下の添付図面を参照しながら、実例によって実施例をここで説明することにする。

背景技術による、圧電ベンダの概略図である。 背景技術による、圧電ベンダの概略図である。 本発明の実施例による、圧電ベンダの概略的な断面図である。 使用中の、図３の圧電ベンダの、概略的な断面図である。 背景技術のベンダ、及び図２の実施例によるベンダの両方に関する、送信感度（ｄＢ）対周波数のグラフである。 背景技術のベンダ、及び図２の実施例によるベンダの両方に関する、効率（％）対周波数（ｋＨｚ）のグラフである。 背景技術のベンダ、及び図２の実施例によるベンダの両方に関する、発信源レベル対駆動電圧のグラフである。

図２は、圧電ベンダ３０の形態の音響トランスデューサの、概略的な断面図（図１Ｂの断面図に相当する）である。ベンダ３０は、円形の基部プレート３２、及び基部プレート３２に接着された圧電体３４を具備する、能動組立体を備える。本実施例では、基部プレート３２は、金属製（たとえば鋼製）又はセラミック製（たとえばアルミナ）である。

ベンダ３０は、基部プレート３２が取り付けられた環状支持構造体３６又は「ヒンジ」、及びこれもまた基部プレート３２によって支持されるが、能動組立体に対して、基部プレート３２と反対側で支持される、プレートの形態の受動振動子３８を備える。こうした構成部品は、防水オーバーモールド４０内に封入されている。本実施例では、封入剤はポリウレタンであるが、他の実施例では、封入剤はゴム又は他の低弾性率材料でできている。

ベンダ３０は、使用中、圧電体３４に結合されている電源（図示せず）によって作動する。かかる電源は、通常、その出力を制御するために、電圧フィードバック、電流フィードバック、又は出力電力フィードバックを有する、増幅器を備える高電圧電源である。

能動組立体３２、３４及び受動振動子３８は、同じ共振周波数を有するように構成されており、支持構造体３６を介して機械的に結合されている。したがって、圧電体３４及び能動組立体３２、３４が駆動されると、受動振動子３８は、能動組立体３２、３４に結合されているために、支持構造体３６内で誘起されたモーメントによって作動し、同じ共振周波数で振動する。

基部プレート３２、支持構造体３６、及び受動振動子３８は、内側の空隙４２を画定し、内側の空隙は、空気、他の何らかの気体、液体、又は適合する成分を含む液体で充填され得る。

受動振動子３８の物理的特性（その密度、厚さ、及び弾性率など）は、受動振動子が能動組立体３２、３４と同じ共振周波数を有するように選択される。それぞれの共振周波数を一致させるために、ベンダ３０をモデル化して（たとえば、ＦＥＡを用いて）、複雑な境界条件を考慮することが望ましい場合がある。本実施例では、受動振動子３８は、鋼又はアルミニウムなどの金属で、或いはアルミナなどのセラミックで作られている。可能性のある深度で配置するために、静圧に耐えることができることを条件として、他の材料を代わりに使用することができる。

支持構造体３６は、図２では別個の構成部品として示されているが、基部プレート３２又は受動振動子３８と一体的に形成されてもよい。支持構造体３６は、基部プレート３２又は受動振動子３８に課された、回転に関する制約を低減するために最小化された幅ｗを有する。やはり予想される静的及び動的負荷を条件として、支持構造体３６の材料の弾性限界によって、ヒンジをどの程度薄く作ることができるかが決定される。本実施例では、支持構造体３６は、鋼などの高張力金属で、又はアルミナなどのセラミックで作られている。可能性のある深度で配置するために、動的疲労及び静圧に十分に耐えることができることを条件として、他の材料を代わりに使用することができる。

図３は、それらの平衡位置、すなわち非駆動位置から最大変位にある、能動組立体３２、３４及び受動振動子３８を備える、使用中のベンダ３０の概略図（明確にするために、防水オーバーモールド４０を省いている）である。両方とも、囲繞する媒体へ放射状に伸びている。

図４は、破線の曲線で示される（図１Ａ及び図１Ｂで示されるタイプの）背景技術のベンダと、実線の曲線で示される本実施例によるベンダとの両方に関する、送信感度（ｄＢ）対周波数（共振周波数Ｆ_Ｒに対する）の測定した実験結果のグラフである。グラフは、要するに、固定駆動電圧に対する、周波数の関数としての出力電力を示している。図５は、やはり、破線の曲線で示される（図１Ａ及び図１Ｂで示されるタイプの）背景技術のベンダと、実線の曲線で示される本実施例によるベンダとの両方に関する、効率（％）対周波数（共振周波数Ｆ_Ｒ、本実例では３ｋＨｚに対する）の測定した実験結果のグラフである。

本実施例によるベンダの応答は、強度として測定され、背景技術のベンダと比較してほぼ半分（すなわち、６ｄＢ低い）であるが、本実施例によるベンダの効率は、有益に高く維持され、実際に背景技術のベンダと比較してほぼ減少していないことが観察されるであろう。また、低減衰材料の使用による改善を含む、受動振動子３８の材料の改善は、本実施例によるベンダの効率をさらに向上させるはずであると考えられる。送信電圧応答は（背景技術のベンダと比較して）低下するが、同等の性能を提供するために、この低下は、駆動電圧を同じ係数だけ増加させることによって補償することができる。

ベンダ３０を（そして特に、受動振動子３８を）慎重に設計することで、受動振動子３８の変位の振幅を、能動組立体３２、３４の変位の振幅と一致させることが可能になるはずである。次いで、同等の背景技術のベンダと同じ空隙の閾値を与える、放射面積が維持される。これは図６によって実証され、図６は、破線の曲線で示される（図１Ａ及び図１Ｂで示されるタイプの）背景技術のベンダと、実線の曲線で示される本実施例によるベンダとの両方に関する、発信源レベル（ｄＢ）対駆動電圧（ｋＶ）の測定した実験結果のグラフである。空隙の閾値もまた描かれ、点線で示されており、本実施例のベンダの空隙の閾値が、背景技術のベンダの空隙の閾値と厳密に一致することを実証している。

図１Ａ及び図１Ｂの背景技術のベンダ１０と比較すると、ベンダ３０の受動振動子３８は、基部プレート１４よりも厚く、それによって、省かれたセラミック圧電体１８によってもたらされる、さもなければあるはずの剛性を補償する。しかし、受動振動子が一般に、セラミック圧電体１８の圧電セラミックよりもはるかに堅いので、受動振動子３８は、能動組立体（基部プレート１４及びセラミック体１８を備える）の全厚よりも薄く、トランスデューサアレイにおける本発明によるベンダの、より密なパッキング及びより近接した配置が可能となる。かかるトランスデューサアレイは、ベンダの相互結合の現象を利用することができると考えられる。

さらに、ベンダ３０の全体の質量は、背景技術のベンダ１０と比較して低減され得る。

本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、多くの修正がなされ得ることが、本発明の当業者には理解されよう。

以下の特許請求の範囲及び本発明の上記の説明において、明示的な言い回し又は必要な含意のために、文脈上別段の要求がある場合を除き、単語「ｃｏｍｐｒｉｓｅ」又は「ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ」若しくは「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ」などの変形例は、包括的な意味で用いられる。すなわち、記載された特徴の存在を明示するために使用されるが、本発明の様々な実施例におけるさらなる特徴の存在又は追加を排除するために使用されるものではない。

本明細書でどんな先行技術が参照される場合でも、かかる参照は、かかる先行技術が、どんな国においても当技術分野における一般常識の一部を形成すると認めることを構成するものではないことを理解されたい。

Claims (15)

1. 支持構造体と、
   前記支持構造体によって支持された基部プレート、及び前記基部プレートによって支持された圧電体を備える、能動組立体と、
   前記支持構造体によって支持され、前記支持構造体を介して前記能動組立体に結合される受動振動子であって、それにより前記能動組立体の振動が前記受動振動子を駆動する、受動振動子と
   を備え、前記能動組立体及び前記受動振動子は、同じ共振周波数を有する、音響トランスデューサ。
2. 前記圧電体は、圧電セラミック体である、請求項１に記載の音響トランスデューサ。
3. 前記基部プレート及び前記受動振動子は同じ金属組成のものであり、前記受動振動子は前記基部プレートと厚さが異なっており、それにより前記能動組立体及び前記受動振動子は、共通の共振周波数を有している、請求項１又は２に記載の音響トランスデューサ。
4. 前記受動振動子はプレートを含む、請求項１から３までのいずれか一項に記載の音響トランスデューサ。
5. 前記トランスデューサは円形である、請求項１から４までのいずれか一項に記載の音響トランスデューサ。
6. 前記トランスデューサは楕円形又は矩形である、請求項１から４までのいずれか一項に記載の音響トランスデューサ。
7. 前記能動組立体、前記振動子、及び前記支持構造体によって画定された空隙は、流体で充填されている、請求項１から６までのいずれか一項に記載の音響トランスデューサ。
8. 前記支持構造体は、前記基部プレート及び／又は前記受動振動子と一体である、請求項１から７までのいずれか一項に記載の音響トランスデューサ。
9. 請求項１から８までのいずれか一項に記載の、複数の音響トランスデューサ
   を備え、前記複数の音響トランスデューサは、相互作用を利用し、それによって性能を向上させるために離間している、トランスデューサアレイ。
10. 音響トランスデューサを製造する方法であって、
    基部プレート及び前記基部プレートによって支持された圧電体を備える能動組立体を、支持構造体を使って、受動振動子に結合するステップであって、それにより前記能動組立体の振動が、共通の共振周波数で前記受動振動子を駆動する、ステップ
    を含む、方法。
11. 前記圧電体は、圧電セラミック体である、請求項１０に記載の方法。
12. 前記基部プレート及び前記受動振動子は同じ金属組成のものであり、前記受動振動子は前記基部プレートと厚さが異なっており、それにより前記能動組立体及び前記受動振動子は、共通の共振周波数を有している、請求項１０又は１１に記載の方法。
13. 前記受動振動子はプレートを含む、請求項１０から１２までのいずれか一項に記載の方法。
14. 前記トランスデューサは、円形、楕円形、又は矩形である、請求項１０から１３までのいずれか一項に記載の方法。
15. 前記能動組立体、前記振動子、及び前記支持構造体によって画定された空隙は、流体で充填されている、請求項１０から１４までのいずれか一項に記載の方法。