JPH0431480B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は電気機械変換器に関し、特に主要な機
械的動作が円筒形又は球形の変換器の径方向にあ
り、変換器の膨脹、収縮を交互に生じさせるラジ
アル振動子型変換器（radial vibrator
transducer）に関するものである。

［従来の技術］ 「ラジアル振動子又は放射振動子」（radial
vibrator）として一般に知られている素子は、簡
単であり、電気機械又は電気音響変換器等に広く
用いられている。最も簡単なこの種の素子は、電
気的に駆動されると放射膨脹又はラジアル膨脹を
起こす活性物質（active material）からなる円
筒形又は球形の部材から構成される。例えば、内
表面と外表面とに電極を有し、径方向に分極させ
られる圧電セラミツク「ジルコン酸鉛又はチタン
酸鉛系統のようなもの（lead zirconate titanate
formulation）］筒又はリングが、ラジアル振動
子として作動することができる。このタイプの素
子は、より高い出力を得るために通常第１の円周
共振周波数又はブリージングモード（breathing
mode）共振周波数で作動させられる。

単独の円筒又は球のものでは、この共振周波数
が主に材料の種類とリング又は筒の直径によつて
定まる。そして共振周波数の制御を相当な程度ま
で行えるようにするために、活性物質からなる部
分と不活性物質からなる部分とを交互に組合せて
複合構造としてリングを組立てる多数の設計案が
提案されている。これらの方法では複合リングを
形成するために、樽を構成する複数の板（barrel
staves）のような、異なる物質からなる複数の棒
部材を一緒に接合している。不活性物質は、ラジ
アル共振周波数（radial resonance frequency）
を下げる役割を果す付加質量及び（又は）付加コ
ンプライアント（compliance）として作用する。

第１図は従来の分割リング状ラジアル振動子の
一例を示している。圧電材料即ち活性体（active
staves）１と不活性体２とが接着されて複合円筒
を形成しており、各活性体１は電気的に並列接続
され、電圧がリード線に印加されると、複合円筒
は素子の放射軸（radial axis）に沿つて膨脹又
は収縮を行う。第１図の矢印は分極の方向を示し
ており、図示しているように、電極は活性体１と
不活性体２との間の境界部分に配置されている。
第１図の素子は機械的又は音響エネルギーの発振
器又は受信器として用いることができ、この素子
は主機械共振周波数がほぼその中心になる周波数
帯で正常に動作する。第１図の従来の変換器の動
作は、第２図に示す簡易化された電気的等価回路
の類似動作に近似させることができるをは当該業
者には明らかであろう。この近似は固体のリング
にも、また第１図に示す分割されたリングに対し
ても同様に等しく適用される。この回路におい
て、Ｍはリングの全質量を表わし、リングの円周
コンプライアンスはキヤパシタＣで表される。
C₀はリングの拘束容量（cramped capacitance）
を表をし、φは活性物質の電気機械変成比を表わ
す。等価回路の右側の抵抗Ｒは媒体の放射抵抗
（radiation resistance）の電気的質量を表わし、
抵抗Ｒにおける等価電流ｕは発振子（radiator）
の動いている面の速度を表わす。

従来の素子の伝達電圧応答TVR（transmitting
voltage response）はこの等価回路近似から計算
され、電流ｕを変換器回路に入力される駆動電圧
Ｅで割つたものに比例する。素子の応答の決定に
おいて、以下の式(1)に示すように発振子のインピ
ーダンスは無視できる。

TVR∝ｕ／Ｅ＝jωcφ／（１−ω²Mc） ……(1) 伝達電圧応答は上記式の分母が０になる周波数
近傍で単一ピークを持つ。これは以下の式(2)に示
すもうな共振（角）周波数ωrで起る。

ωr＝１／（MC）^1/2 ……(2) 以上で述べた解析の方法は、例えばニユーヨー
クのウイル・アンド・サンズ社（Wiley ＆
Sons）が1970年に発行したレオン・カンプ
（Leon Canp）著の「Underwater Acoustics」
の第136〜142頁やバルター（Butler）の1976年２
月発行第59巻第２号“Model for ａ ring
transducer with inactive segments”、J.Acoust
Soc.Am.、の第480〜482頁で述べられているよう
に、変換器業界では周知である。さらに完全で正
確な変換器の動作の予測はケイ・エム・フアーン
ハム（K.M.Farnham）によつて開発され、アメ
リカ合衆国、コネチカツト州、ニユー・ロンドン
のニユー・ロンドン研究所の変換器及びアレイ部
門（Trasducer and Arrays Division、Naval
Underwater Systems Center、New London
Labovatory）で利用できるようなコンピユータ
モデルを使うことによつて得ることができる。第
１図に示した従来の変換器について上述したプロ
グラムを用いて得た典型的な応答曲線のグラフ
を、第７図に曲線２０によつて示してある。

［発明が解決しようとする問題点］ 第１図の従来の変換器の重大な欠点は、変換器
の共振周波数と動作帯域とが、所定の寸法の素子
では独立して制御できないことである。またこの
変換器は放射面における機械的入力インピーダン
スが低いために、放射面における入力インピーダ
ンスが高いことが要求されるアレイ構成（array
configuration）にこの変換器を使用する場合に
問題がある。実用上の限界として、アレイの構成
要素の機械的入力インピーダンスは、全ての動作
可能な周波数に対してアレイの音響相互インピー
ダンスよりも高く保たれねばならない。したがつ
て機械的インピーダンスが小さくなる変換器応答
のピーク近傍の狭い帯域では、動作しなくなるこ
とになる。また第１図に示すような基本的素子で
は、得られる帯域幅で重大な実用上の制限を有す
る。動作帯域幅は、活性体１のリングの厚みを増
減することにより、或は不活性体２のコンプライ
アンスを変化させることにより変えることができ
る。しかしながら、この設計技術は次のような実
用的設計理由により制限を受ける。すなわち動作
周波数帯域幅を広げようとすると、活性体の厚み
は薄くなり、素子は機械的に弱くなるため、静水
圧の効果に耐えなければならない水中下での用途
に用いられる変換器では重大な欠陥となる。更
に、不活性物質の棒部材が共振周波数を減少する
ために取入れられると、素子の感度と電力取扱容
量とが減少することになり、高い音響出力レベル
を必要とする用途又は装置では重大な欠点とな
る。

ラジアル振動子の動作帯域幅を広げるために多
くの付加的技術が試みられている。一つの技術
は、変換器の複数の電気端子と素子の応答を調整
する増幅回路との間に誘導素子又は容量素子のよ
うな電気部品を接続して用いることである。この
ような特殊な電気端子を使う改良は、大きさ、重
さ及び複雑さを増大させることを犠牲にすれば、
制限された範囲内で帯域幅を広げることができ
る。またこの技術ではある回路接点に局所化され
た高電圧が発生し、高価な高電圧絶縁と遮蔽とが
必要になる。アレイ構成で動作させる時に同調さ
れた変換器は重大な実用上の問題に遭遇する。

変換器の動作帯域を広げる他の技術として外部
マツチング層（matching layer）を用いたもの
が知られている。変換器と媒体の音響インピーダ
ンスは第３図に示すように外部マツチング層を介
して調整される。第３図において、内部の活性リ
ング１′は、好ましくは媒体と同じ液体から成つ
ているマツチング層３によつて完全に囲まれてい
る。液体層であるマツチング層３は鋼のような物
質の固体リング４によつて囲まれている。この技
術によれば第７図の曲線２１に示されているよう
にいくらか帯域幅を広げることができる。しかし
ながら、これらの層には表面に適合し且つ完全に
素子を覆わなければならないという要件があるた
め、この要件が動作周波数帯域の範囲に大きな制
約を課している。いくつかの応用面では、この液
体マツチング層は望ましくない。これらの場合に
は、プラステイツクのような加工性のある固体
（campliant solid）を使用できるであろう。しか
しながら応答曲線の形は、マツチング層内の音密
度と音速のかなり鋭敏な関数になつているので、
条件にあつた材料を見出すことは困難である。さ
らに、外部マツチング層が用いられる場合いは、
少なくとも二つの周波数が動作帯域で生じ、その
場合前面の機械的入力インピーダンス（head
mechanical input impedance）は、アレイ構成
の動作では受け入れられないほど低くなる。この
ことは使用帯域幅を少なくとも20％減らすことに
なる。

本発明の目的は、従来のものよりさらに広い周
波数範囲で動作し得るラジアル振動子型変換器を
提供することにある。

本発明の一実施例によれば、特別の電気端子部
品を用いることなく広い動作周波数帯域幅を実現
することができる。

本発明の一実施例によれば、また、単一の広い
動作周波数帯域又は二つ以上の分れた別個の動作
周波数帯域を備えた変換器を提供することができ
る。

さらに本発明の一実施例によれば、変換器をア
レイ構成で使用できるように、動作周波数帯域内
において機械的入力インピーダンスが放射面
（rad iating face）で高くなる変換器を提供する
ことである。

本発明の一実施例によれば、マツチング層を必
要とせずに広い動作周波数帯域幅を有する変換器
を提供することができる。

さらに本発明の一実施例によれば、高い伝達電
圧応答を有する変換器を提供することができる。

本発明の一実施例によれば、重大な効率の低下
なしに広帯域の周波数応答を実現することができ
る。

本発明の一実施例によれば、変換器の動作帯域
で比較的平坦な応答を実現することができる。

［問題点を解決するための手段］ 本出願の第１の発明は、その実施例を示す第４
図に示したように、ラジアル電気機械変換素子９
と、層構造を有し且つ前記ラジアル電気機械変換
素子に接触する少なくとも二つの機械的共振部材
１０とから成るラジアル振動子型変換器である。

また第２の発明は、径方向に電気機械的変換を
与えるラジアル変換器手段９、前記ラジアル変換
器手段上に装着され、前記ラジアル変換器を少な
くとも第一と第二の共振周波数で共振させること
を許容する少なくとも二つの共振手段１０とから
成るラジアル振動子型変換器である。

［発明の作用］ 本発明は活性リング又は球の外表面と放射媒体
（radiating medium）との間に複合構造の多数の
機械的共振部材又は共振手段を設けることによつ
て、上記の目的を達成する。機械的共振部材は同
一の構造及び材料から構成でき、また寸法及び材
料を異ならせることもできる。各共振部材又は共
振手段はコンプライアント層（compliant
layer）又はコンプライアント部材層と質量層
（mass layer）とを有している。質量層と活性材
料からなる活性リングとは互いにコンプライアン
ト部材層によつて分離されている。このコンプラ
イアント部材層は変換器を二つの共振周波数で振
動させるようにしている。二つの共振周波数のう
ちの一つの共振周波数は、コンプライアント部材
層を除いたとした場合の、質量が負荷されたリン
グの共振周波数として近似かれ得るもので、他の
共振周波数は機械的共振部材が鋼性を有する又は
硬い構造上に装着されるとした場合の共振周波数
として近似され得るものである。

［実施例］ 以下図面を参照して本発明の好ましい実施例を
説明する。

第４図には本発明の一実施例が示してあり、同
図において９はラジアル電気機械変換素子を構成
する活性リングであり、活性リング９の外側に
は、層構造（laminar structure）を有する複数
の共振部材１０が機械的に取付けられており、こ
れにより広帯域の動作周波数特性を得る。各共振
部材１０は、板（stave）と板との間隔が最少と
なるような樽板型配置で取付けられている。

第５図には一本の共振部材１０が示してある。
同図において１１はアルミニウム、鋼、金属マト
リツクス複合物（metal matrix composite）ま
たはエポキシ樹脂含有の黒鉛（graphite epoxy）
のような、曲げ共振をさけるのに十分強い材料か
ら作られた共振質量部又は質量層である。質量層
１１と活性リング９との間にはコンプライアント
部材層１２が挿入されている。コンプライアント
部材層はデユポン社（Dupont）が「VESPEL］
の商標で販売しているポリイミド樹脂
（polyimide plastic）又は、アムコ・ケミカル・
コーポレイシヨン（Amoco Chemical
Corporation）が「TORLON」の商標で販売し
ているポリアミド−イミド樹脂（polyamid−
imide plastic）のような樹脂から作ることがで
きるが、所望のコンプライアンスを得ることがで
きるものであれば他のいかなる物質でもよい。

活性振動素子としての活性リング９はジルコン
酸鉛チタン酸鉛系統のものでアメリカ合衆国、オ
ハイオ州のベドフオードにあるバーニトロン・イ
ンコーポレイテツド社が製造する圧電セラミツク
材料から作られる電圧素子である。各共振部材１
０の側面１３は、他の共振部材の側面に沿つて適
合するようにするためにわずかに傾斜がつけられ
ており、またコンプライアント部材層１２の内面
１４は、活性リング１の曲面に合うようにするた
め、わずかに曲面がつけてある。変換器の電極は
図示していないが、活性リング９の内面と外面と
に取付けられており、周知の方法で径方向に分極
されている。変換器全体はエポキシ樹脂を使つて
組立てられるか、又は圧縮帯によつてゆるく組立
て保持することができる。圧縮帯を使用する圧縮
する加減の調整は従来の技術の範囲でできる。

第４図の変換器の近似的な電気等価回路は第６
図に示されている。この等価回路において、M₁
は媒体に接触する質量層１１の質量である。Ｍは
活性リング９の質量である。C₀は活性リング９
の拘束電気容量（Clamped electrical
capacitance）を表わし、Ｃは活性リング１のコ
ンプライアンスを表わし、また、C₁は活性リン
グ９と質量層１１とを分離するコンプライアント
部材層１２のコンプライアンスを表わす。φは活
性材料の電気機械的変成比を表わす。この変換器
に対する伝達電圧応答は次の式(3)から得られる。

TVR∝ｕ／Ｅ＝jωCφ／［１−ω²（MC＋M₁C＋M₁C₁）＋
ω⁴MM₁CC₁］……(3) 式(3)は二重の共振システムの応答を示してい
る。分母の表示は、先に述べた式(1)を実行して式
(2)を得たようにして、近似的な共振周波数を出す
ために解くことができる式(3)は、質量層１１の質
量とコンプライアント部材層１２のコンプライア
ンスの選定により、二つの共振モードの周波数と
インターモダル・カプリング（intermodal
coupling）とが調整されることを許容している。

この実施例の二つの共振周波数は、付加される
共振部材のコンプライアンスが除かれたとした場
合の質量が負荷されたリングが有する周波数及び
共振部材が硬い面上に装着されるとした場合の付
加される共振部材の周波数として更に単純に近似
することができる。しかしながら、これは近似で
あるため、最終形状に設計を調整するためにはす
こしの実験作業が必要である。先に述べたコンピ
ユータプログラムをこの実施例の伝達電圧応答を
計算するために用いて得たのが第７図の曲線２２
である。第７図の曲線２２は、電気端子も、また
同調部品も無い第３図の変換器の応答を示してい
る。ANST変換器基準Sl.20−1972（ANST
Transducer Standard Sl.20−1972）によつて定
義された理論伝達電圧応答も図示してある。

従来の応答曲線２０及び２１と本発明の上記実
施例の応答曲線２２とを比較すると分るように、
本発明を用いれば従来よりも使用できる周波数帯
域幅を広くすることができる。また本発明によれ
ば、帯域幅を増大させる一方で比較的高い信号レ
ベルと平坦な応答曲線とを得ることができる。更
に本発明によれば、アレイ構成において秀れた動
作をする。本発明によれば、応答が比較的高く、
同時に機械的入力インピーダンスが高いところで
広い帯域幅を得ることができ、従来技術を大幅に
改良することができる。また本発明は、変換器の
構成にマツチング層の機能を組込むことによつ
て、マツチング層の必要性を無くしている。

式(3)を使つて変換器の素子の質量とコンプライ
アンスとを調整すれば、二つの別個の動作帯域を
有する単一の変換器を提供することもまた可能で
ある。また、互いに近接した異なつた質量の複数
の質量層１１を有すること及び互いに近接した異
なつたコンプライアンスの複数のコンプライアン
ト部材層１２を有することも可能である。これら
の同一でない複数の共振部材によれば、非常な平
坦な応答曲線が得られる二以上の共振周波数とな
る。第８図に示すように、多数の質量層１１，１
１とコンプライアント部材層１２，１２とを有す
ることも追加的に可能である。Ｎ個の質量層１１
を有する実施の態様では（Ｎ＋１）個の共振周波
数が生じ、応答曲線のピークが互いに十分に近接
した位置になれば、非常に平坦な応答曲線を得る
ことができる。

尚当業者には明らかな通り、本発明のラジアル
振動子型変換器の動作周波数帯域幅を広げるため
に更に従来技術を本発明に適用すれば、更に動作
を改良することができるのは勿論である。

［発明の効果］ 本発明によれば、従来のものより動作周波数帯
域を広くすることができ、また動作周波数帯域内
において機械的入力インピーダンスが放射面で高
くなる変換器を提供することができる。さらに本
発明によれば、伝達電圧応答を高くすることがで
きる上、大きな効率の低下なしに広帯域の周波数
応答を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の変換器の要素と構造を示す図、
第２図は第１図の変換器の電気等価回路図、第３
図はマツチング層を有する従来の変換器の横断面
図、第４図は本発明の一実施例に係る変換器を示
す図、第５図は本発明の変換器で用いる共振部材
の一例を示す図、第６図は第４図の実施例に係る
変換器の電気等価回路図、第７図は従来の変換器
と第４図に示した本発明の変換器の応答の比較
図、第８図は本発明で用いることのでる共振部材
の他の実施例を示す図である。 １……活性体、２……不活性体、３及び４……
マツチング層、９……活性リング、１０……共振
部材、１１……質量層、１２……コンプライアン
ト部材層、１３……側面、１４……内面。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ラジアル電気機械変換素子と、層構造を有し
   且つ前記ラジアル電気機械変換素子に接触する少
   なくとも二つの機械的共振部材とから成るラジア
   ル振動子型変換器。 ２ 前記機械的共振部材のそれぞれは、前記ラジ
   アル電気機械変換素子と接触するコンプライアン
   ト部材層と、前記コンプライアント部材層に接触
   する質量層とからなる特許請求の範囲第１項に記
   載のラジアル振動子型変換器。 ３ 前記コンプライアント部材層はプラステイツ
   クからなることを特徴とする特許請求の範囲第２
   項に記載のラジアル振動子型変換器。 ４ 前記機械的共振部材は同一の共振周波数を有
   しないで異なつた共振周波数を有していることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項に記載のラジア
   ル振動子型変換器。 ５ 前記機械的共振部材はそれぞれ２以上の層を
   有しており、各層はコンプライアント部材層と質
   量層とが交互になつていることを特徴とする特許
   請求の範囲第１項に記載のラジアル振動子型変換
   器。 ６ 前記コンプライアント部材層はプラステイツ
   クからなることを特徴とする特許請求の範囲第５
   項に記載のラジアル振動子型変換器。 ７ 前記ラジアル電気機械変換素子は湾曲した放
   射面を有することを特徴とする特許請求の範囲第
   １項に記載のラジアル振動子型変換器。 ８ 径方向に電気機械的変換を与えるラジアル変
   換器手段と、前記ラジアル変換器手段上に装着さ
   れ、前記ラジアル変換器手段を少なくとも第一と
   第二の共振周波数で共振させることを許容する少
   なくとも二つの共振手段とから成るラジアル振動
   子型変換器。 ９ 前記第一の共振周波数は、前記ラジアル変換
   器手段と前記少なくとも二つの共振手段とを一緒
   にしたものによつて調整され、前記第二の共振周
   波数は、前記共振手段単独で調整されることを特
   徴とする特許請求の範囲第８項に記載のラジアル
   振動子型変換器。 １０ 前記変換器は少なくとも第三の共振周波数
   で共振し、前記第二の共振周波数は単独で考えた
   前記二つの共振手段の一つにより調整され、前記
   第三の共振周波数は単独で考えた前記二つの共振
   手段の他の一つにより調整されることを特徴とす
   る特許請求の範囲第９項に記載のラジアル振動子
   型変換器。 １１ 前記第一と第二の共振周波数は単一の動作
   周波数帯域を形成することを特徴とする特許請求
   の範囲第８項に記載のラジアル振動子型変換器。 １２ 前記第一と第二の共振周波数は二つの分離
   した動作帯域を形成することを特徴とする特許請
   求の範囲第８項に記載のラジアル振動子型変換
   器。 １３ 前記各共振手段は、前記第一と第二の共振
   周波数での共振を許容する少なくとも一つのコン
   プライアント手段と、前記コンプライアント手段
   に接触する少なくとも一つの共振質量層とから構
   成されることを特徴とする特許請求の範囲第８項
   に記載のラジアル振動子型変換器。 １４ 前記コンプライアント手段はプラステイツ
   クから構成されることを特徴とする特許請求の範
   囲第１３項に記載のラジアル振動子型変換器。