JP5723765B2 - 印刷集積回路を備えた音響アンテナ - Google Patents

Description

本発明は、印刷集積回路を備えた音響アンテナ、特に、低コストの音響アンテナに関する。

音響変換技術は、従来、海中での応用に用いたり、放射される音響出力と使用可能な波長とに最高の折り合いを付けるものであって、「Ｔｏｎｐｉｌｚ（音響キノコ）」と呼ばれる。このシステムは、一般的に膨張／圧縮モードで動作する有効質量（質量―ばね―質量）型の回転対称の電気音響変換器である。

こうした音響キノコ型のトランスデューサが第１図に模式的に図示してある。このトランスデューサは、圧電（電歪）セラミックディスクのスタック１から本質的に構成される。このスタック１は、釣合い重りとして動作する肉厚ディスク２とこのディスク２よりも肉薄でホーンの動作をするディスク３との間に挟設してある。これら全てのディスクには、締付ロッド４の通路となる中心孔が形成してあり、締付ロッド４は、その締付用にナット５を備えている。

第１図に図示した構成要素は、それぞれ特定の役割がある。駆動機能は、圧電セラミックス製のピラー１で与えられるが、このピラー１は、反対側の面に形成した電極１Ａで互いに電気接続してある。セラミックスは、平行に結線してある。ホーン３は、周囲と音響的にカップリングするだけでなく、「曲げ振動モード」である自然モードで帯域拡大もできる。放射場（指向性パターン）の幾何学を決定するのは、構成要素である。釣合い重り２は、システムを安定化すると共に、放射エネルギを空間の単一方向に伝達する。プリストレスロッド４と締付ナット５は、膨張／圧縮モードにおける装置（トランスデューサ）の動作を確実にする。

このように、溶接するワイヤの数量は、（５０ｋＨｚを超える）高周波数のアンテナの売買が契約直後に取り消される原因となるものである。高周波数のアンテナとは、多数の小寸法のトランスデューサから、例えば、１５０ｋＨｚでは、１２８個の基本トランスデューサから構成されるが、それに限定されるものではない。この結線、溶接及び割出の項目は、自動化が非常に困難で、音響アンテナを装着する方法の中では最も重要な項目である。

本発明の目的は、容易に自動化でき、組立作業が最小限で済む低コストの音響アンテナを提供することである。「音響」という術語を簡略化のために採用しているが、アンテナの作動周波帯域は、音響周波数を超え、はるかに高くなりうることが良く理解されよう。作動周波数帯は、例えば、２０ｋＨｚから数百ｋＨｚ、代表的には１４０−１６０ｋＨｚまで拡張されることがあるが、それに限定されるものではない。

本発明の音響アンテナは、基本トランスデューサのアレイと少なくとも１本のコネクタとを備えており、各基本トランスデューサは、釣合い重りとホーンとの間に少なくとも１本のセラミックを備えており、全ての基本トランスデューサは、トランスデューサ間を電気接続するためとトランスデューサを互いに位置決めするために、共通の印刷回路に装着されており、少なくとも１本のコネクタは、前記印刷回路に固定されており、さらに、各トランスデューサは、印刷回路がセラミックと釣合い重りの間に締付けられるように装着されていることを特徴としている。

本発明の特徴によれば、基本トランスデューサは、以下の電気音響型、即ち圧電型か電歪型の何れかである。

本発明は、以下の実施例の記載から、より理解できるであろう。実施例の記載は、限定的にならないように記載してあり、また添付の図面に図解してある。

従来技術による「Ｔｏｎｐｉｌｚ（音響キノコ）」のアンテナ要素の簡略化した断面図である。 本発明による、印刷回路に装着した基本トランスデューサの断面図である。 ８個の基本トランスデューサを担持している印刷回路の本発明による一実施例のそれぞれ平面斜視図、正面図、底面斜視図、底面図、平面図であって、印刷回路の軌道は模式的に一部を図示してある。 本発明による６４−トランスデューサアンテナの印刷回路とトランスデューサとを一部図示した平面斜視図である。

本発明は、多数の要素を備えた高周波数の「Ｔｏｎｐｉｌｚ」アンテナの製造方法から、トランスデューサを支持材料に位置決めする作業、ならびに、トランスデューサの接続電極（あるいはトランスデューサの電力供給リード線）を溶接する作業を、排除することを目的としている。

好ましい実施例によれば、アンテナの全要素の電気接続を与えたりトランスデューサの相対的な配置を安定に固定するように、「Ｔｏｎｐｉｌｚ」のセラミック製のピラーを単一のセラミックに低減すること、「Ｔｏｎｐｉｌｚ」構造のアンテナ全体に共通な印刷回路に、異なるピラーをセラミックと釣合い重りとの間で固定することを、本発明は意図している。単一のセラミックを備えたトランスデューサに本発明は限定されるものではないこと、また、こうしたトランスデューサは１個を超えるセラミックを備えていることは良く理解されるところであろう。

第２図には、印刷回路７に固着されている本発明の基本トランスデューサ６が図示してある。本発明によれば、印刷回路の絶縁材料は、例えば、使用するトランスデューサの特性に基づいて選定され、エポキシガラスやスクリーン印刷できる基材でも良いがそれに限定されるものではない。基本トランスデューサ６は、筒状セラミック８、ディスク状ホーン９及び釣合い重り１０を主たる構成要素としている。これらの三要素８ないし１０は、この印刷回路の開口を通るネジ１１を用いて以下の方法で印刷回路７に組付けてある。即ち、釣合い重り１０は、印刷回路７の一面に取り付けてあるが、筒状セラミック８は同回路の他面に取り付けてある。また、ホーン９は、セラミック８の自由面に取り付けてある。従って、ネジ１１（組付け・予応力ネジ）は、要素１０、７、８を自由に通ってホーン９のネジ付き軸孔にねじ込んである。これら全要素の基準軸は、参照数字１２で示してある。多数（１００以上）の他のトランスデューサを印刷回路７に固定することも無論可能であるが、一例として、トランスデューサ６の次のトランスデューサを固定するためにこの印刷回路に形成した孔１３が図示してある。異なるトランスデューサを印刷回路７に配置するトポロジーは、望ましい放射パターンが得られるように、そして、もし必要ならば、ビームを形成し方向付けるシステムが提供できるように、既知の方法で決定してある。

電気接続は、以下のように与えられる。印刷回路７は、二主面におけるトランスデューサの正負の各点を受けている。正の接続は、セラミックの一平面が印刷回路７と直接接触していることによって得られる。負の接続は、間接的に得られる。即ち、セラミックの他平面は（電導性の）ホーンと直接接触しており、ネジ１１は、ホーンを釣合い重りに電気接続しており、釣合い重りは、印刷回路７と直接接触している。ネジ１１は、例えば樹脂材料製の（図示していない）スリーブによってセラミックから電気絶縁してある。

印刷回路７上に形成されトランスデューサから延びる複数の導体のトポグラフィは、最適化してあり、これらの導体は、印刷回路に固定してある（不図示の）コネクタに接続してある。これらの導体は、伝達チャンネルの励起エネルギを（不図示の）パワー・コントロール電子装置から伝達すると共に、受電相では、信号を（不図示の）処理用電子回路へ伝送する。

図示を簡略化するために、第３図ないし第７図に図示した本発明の（保護ケースを取り外した）アンテナ１４の実施例は、全体を参照数字１５で示すトランスデューサを８基だけ備えている。しかしながら、実際には、アンテナは、例えば最少６４基のようなより多数のトランスデューサを備えているのが一般的であることが良く理解されるであろう。これらのトランスデューサ１５は、互いに整列してあるように図示してあるが、実際には、互いに整列してある必要性は必ずしも無いこと、印刷回路上に支持されたトランスデューサの配置は、得られるべき音響ビームの特性に基づいた既知の方法によることも良く理解されるであろう。

トランスデューサ１５は、プレート１６に固定してある。このプレート１６には、異なるトランスデューサと(図示していない)コネクタ間及び（同じく図示していない）他のコネクタとの電気接続用の導体が印刷してある。適切な信号受信・処理回路との接続も良く知られているが、ここでは説明しない。

（第２図のセラミック８のようなセラミックを貼り付ける）プレート１６の上面に導体１７が印刷してある。導体１７はそれぞれトランスデューサの固定孔を包囲する円形部を備えている。この円形部は、対応するセラミックの第一前面電極との接点を与えていると共に、導体１７が接続してある領域１８Ａに達するねじ状部によって、プレート１６の下面の（領域１８Ａの反対側の）領域１８Ｂにおいて、プレート１６を介して導体１９の断面に連続させてある。導体１９の端部は、（図示してないがプレート１６のマーク２０で示してある）コネクタに溶接してある。導体２１がプレート１６の下面に印刷してある。導体２１は、各セラミックの第２電極と電気接続してあり、導体１７と似た形状をしている。相違点は、導体２１の端部が第２のコネクタ（図示していないが、プレート１６上のマーク２２のみが図示してある）に溶接してある点である。プレート１６上に印刷した導体は、他の導通路を備えることや異なった方法でコネクタに接続することも無論可能である。

第８図に図示したアンテナ２３は、全体として参照数字２５で表す６４本のトランスデューサが固定してある印刷回路を備えたプレート２４から本質的に構成してある。４本のコネクタ（図には、参照数字２６と２７で示した２本のみが見える）がプレート２４に固定してある。印刷回路２４は、両面タイプであるから、その片面にのみ印刷した軌道２８のみが見えている。全体が、（不図示の）密封ケースに固定してある。同様にして、ケースに取り込める（前置増幅、増幅、プリプロセシング等の）電子回路も図示していない。

本発明は、以下５点の作用効果が得られる。
１．スタック／締付型の音響キノコ型トランスデューサの装着が容易であること。
２．トランスデューサの相互の位置決めが（印刷回路で決定される）特性で非常に精度が向上し、それによって、形成したアンテナの放射特性の再現性を確実なものとすること。
３．小型のトランスデューサにおいて、（熱変形、組付けるパーツの特性のドリフト等）溶接に起因する性能分散を除去すること。
４．印刷回路によってトランスデューサの配線を自動的に割出すこと。
５．アンテナの電気／音響制御（各トランスデューサのそれぞれの制御）が自動化できること。実際、アンテナのケーシングに配設してあるテスト回路にもコネクタを接続でき、遠隔制御して適切なテストを本来の場所で直接できる。
６．上述した全ての作用効果によって、時間短縮が可能であるので生産コストが低減できる。

印刷回路を介して現出しがちなチャンネル間の振動結合（「漏話」）は、動作の最適化のおかげで有限要素法で最少になる。この最少化は、特に釣合い重り１０の各トランスデューサの各要素の重量を最適化することによって得られる。この最適化は、印刷回路の変形を最大限減少し支持板においてトランスデューサ変位を最大限減少するために、トランスデューサの構造の振動の節が前記印刷回路の表面にあるようにするために行う。（一般的には、印刷回路版にトランスデューサを固定するロッドは、セラミックよりもはるかに高弾性であり、ロッドがトランスデューサに作用する予応力は、トランスデューサを締付けるためには十分ではないが、トランスデューサの要素と印刷回路との間の電気接触を確実にするには十分である。）トランスデューサを最適化するために、各トランスデューサの構造は、小容量要素の格子として図示してある。この格子内では、音響量のそれぞれを、初期条件と境界条件を既知のものとしてキルヒホッフの定理を適用して計算する。

１ セラミックディスクのスタック
１Ａ 電極
２ 圧肉ディスク
３ ディスク
４ 締付ロッド
５ ナット
６ 基本トランスデューサ
７ 印刷回路
８ 筒状セラミック
９ ディスク状ホーン
１０ 釣合い重り
１１ ネジ
１２ 基準軸
１３ 孔
１４ アンテナ
１５ トランスデューサ
１６ プレート
１７ 導体
１８Ａ、１８Ｂ 領域
１９ 導体
２０ コネクタ
２１ 導体
２２ マーク
２３ アンテナ
２４ プレート
２５ トランスデューサ
２６、２７ コネクタ
２８ 軌道

Claims (4)

1. 基本トランスデューサ（１５）のアレイと少なくとも１本のコネクタ（２６，２７）とを備えており、各基本トランスデューサは、釣合い重り（１０）とホーン（９）との間に少なくとも１本のセラミック（８）を備えており、全ての基本トランスデューサは、各トランスデューサ（１５）を電気接続するためとトランスデューサを互いに位置決めするために、共通の印刷回路（７，１６）に装着されており、少なくとも１個のコネクタ（２６，２７）は、前記印刷回路に固定されており、さらに、各トランスデューサは、印刷回路がセラミックと釣合い重りの間に締付けられるように装着されており、
   前記印刷回路（７，１６）は、各基本トランスデューサ（１５）を電気的に接続し、各基本トランスデューサ（１５）を個別に制御するための導体（１７，２１）を備えており、各基本トランスデューサ（１５）は、前記個別の基本トランスデューサの相当するセラミック（８）の第一前面電極との接点を与える導体（１７）に個別に接続されており、各基本トランスデューサ（１５）は、前記個別の基本トランスデューサのセラミック（８）の第二電極との電気接続を与える他の導体（２１）に個別に接続されており、これらの導体（１７，２１）は、送電では、励起エネルギをパワー・コントロール電子装置から伝送するとともに、受電相では、信号を信号受信・処理用電子回路へ伝送し、そして各トランスデューサの各要素の重量を有限要素方法により最適化することにより、トランスデューサの構造の振動の節が前記印刷回路の表面にあるようにすることにより、チャンネル間の漏話が最小化されていることを特徴とする装着が容易な、海中での応用のための音響アンテナ。
2. 基本トランスデューサは、圧電型か電歪型の何れかである電気音響型であることを特徴とする請求項１の音響アンテナ。
3. 複数の基本トランスデューサは互いに整列されていることを特徴とする請求項１または２の音響アンテナ。
4. 基本トランスデューサは、互いに整列はされていないが、印刷回路上に支持された基本トランスデューサの配置は、得られるべき音響ビームの特性に基づいていることを特徴としている請求項１ないし３のいずれかの音響アンテナ。

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