JPH0774409A - 積層圧電変換器用素子間取り付け具 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 好適な一実施例では、圧電変換器積層物内の
セラミック素子用の素子間取り付け具が、そのセラミッ
ク素子の隣接する表面間に置かれた二つの金属板を含ん
でいる。この金属板は隣接する表面間の板の面積のほと
んどの部分が支持されず、従ってその板が高い度合いの
弾性を有するように、セラミック素子の表面に対して片
持ち梁式に支持されている。 【効果】 この構造が制御された振動特性と、高い静水
圧に対する構造的完全性と、偽の共振抑制あるいは除去
のための設計における融通性と、減衰、及び圧力勾配ハ
イドロホン積層物に対する特殊の用途を与える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は一般的には変換器に関す
るものであり、もっと詳細には、ある種の変換器で見ら
れる積層された圧電セラミック板を振動的に絶縁するた
めの新奇な構成要素に関するものであって、その構成要
素は特に低周波数圧力勾配ハイドロホンにおいて役に立
つ。

【０００２】

【従来の技術】圧電素子は周知の装置であり、圧電素子
は電位がそれらを横切って印加された場合に寸法的に変
化し、外部力を受けた場合に電位を発生する。

【０００３】ここで特に重要な変換器は、水面下の音響
を検出するためのハイドロホンにおいて有益性を有する
積層された圧電セラミック変換器である。そのような変
換器は、電気的には並列に接続されて音波を受信した場
合に電位を与える圧電セラミック板の積層物を含んでい
る。理想的には、各セラミック板は他の板と完全に独立
して振動できるように弾性的に取り付けられる。圧力勾
配モードで動作しているそのようなハイドロホンについ
て特定の問題が存在し、すなわち音波の振幅と同時に音
波の方向的挙動が検出される問題であり、ハイドロホン
はハイドロホン自身の種々の構成要素の相互作用により
作り出される偽の共振に非常に感じやすいことである。

【０００４】そのような変換器は低周波数で動作できる
ことが望ましいが、しかし今までは普通の圧力勾配変換
器は、不完全な振動絶縁のせいで、重要な低周波数帶域
において偽の共振が変換器素子の積層物に発生すること
で制限されていた。重要な帶域がセラミック積層物の構
成要素の共振周波数に近い場合にはこれは特に問題であ
る。偽の共振に影響されない改良された圧力勾配応答は
非常によい挙動精度を意味する。素子間共振が除去され
た場合に偽の共振からの解放が達成される。

【０００５】普通のハイドロホン変換器の設計者は最初
に、セラミック素子の隣接対の表面の間に弾性材料の詰
めものを介挿することにより偽の共振の問題を解決しよ
うと試みた。この改良された特性はしかしながら、偽の
共振が存在する帶域での低周波数では、高い挙動誤差が
多くのハイドロホンに存在した。最近の発達では、両側
に弾性環を有する穴明き板金属環を具えているサンドイ
ッチ構造が、セラミック素子の各対の間に置かれてい
る。この構造が前記の問題点を幾らかは軽減したが、取
り付けはまだ固すぎて、且つ偽の共振により生じる望ま
しくない振動信号がまだ残っていた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従って、偽の共振なし
に低周波数で動作できる圧電セラミック積層変換器を提
供することが本発明の主要な目的である。

【０００７】そのような変換器においてセラミック素子
の各対の間の素子間取り付け具を提供することが本発明
のもう一つの目的であり、その取り付け具は先の弾性取
り付け具の振動絶縁を増加して、先の弾性取り付け具に
比較して素子間の結合の固さを減少させている。

【０００８】現存している装置に使用できるそのような
変換器用の改良されたセラミック積層物を提供すること
が本発明の付加的な目的である。

【０００９】容易に且つ経済的に製造されるそのような
セラミック積層物を提供することが本発明の別の目的で
ある。

【００１０】圧力勾配ハイドロホンの応答を特に改良し
た変換器積層物を提供することが本発明の更にもう一つ
の目的である。

【００１１】本発明の特別の特徴と利点と同時に本発明
の別の目的が以下の説明と添付の図面とで解明されるで
あろう。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記の目的は、とりわ
け、好適な実施例では、圧電変換器積層物内のセラミッ
ク素子用の素子間取り付け具を設けることにより達成さ
れ、その取り付け具は、セラミック素子の隣接する表面
の間に置かれた二つの金属板を含んでいる。この金属板
は隣接する表面の間の板の面積のほとんどの部分が支持
されないで、且つ従ってその板が高度の弾性を有するよ
うにセラミック素子の表面に対して片持ち梁式に支持さ
れている。この構造が制御された振動的な特性、高静水
圧に対する構造的完全性、偽の共振抑制あるいは除去に
対する設計における融通性、減衰、及び圧力勾配ハイド
ロホン積層物用特殊用途を与える。

【００１３】

【実施例】添付の図面を参照して本発明を詳細に説明し
よう。図中の同じ又は同様な要素には種々の図面を通し
て同じ符号を付した。

【００１４】図１は本発明により構成されたセラミック
素子の積層物の斜視図であり、その積層物は一般的に参
照符号10により示されており、フランジ12上に取り付け
られ且つ14で示した複数の環状のセラミック素子を含ん
でおり、その素子は16で示した複数の素子間取り付け具
により相互に分離されている。素子間取り付け具16の構
造の詳細を以下に説明しよう。セラミック素子14は集中
管18により放射方向の運動に対して支持されている。

【００１５】図２は符号20により一般的に示された完全
なハイドロホンの斜視図であり、その中にはセラミック
積層物（図示せず）が置かれており、その積層物はセラ
ミック積層物10（図１参照）であってもよいし、あるい
は普通に構成されたセラミック積層物であってもよい。
ハイドロホン20はそのセラミック積層物を覆っている外
側ゴム入れ物22を含んでおり、且つその積層物とその入
れ物の内側面との間にはポリウレタンゴム（図示せず）
の層があり、その層が前記入れ物を前記積層物に接着
し、積層物へ音響圧力波を伝送するための音響伝達作用
物として働く。ハイドロホン20はそれの頂部に蓋板24を
有する。フランジ12はハイドロホン20を、水上か又は水
中のいずれかの艦船の外殻上に形成された保護ドーム内
に取り付けるために用いられるが、このハイドロホンは
水中聴音ブイ内に使用するために適用してもよい。

【００１６】図３は従来の素子間取り付け具の構造詳細
を図解している。ここで、外側表面がセラミック素子を
保護し圧縮応力を与えるためにガラスファイバーロービ
ング34で覆われた、二つの環状の圧電セラミック素子30
及び32が、参照符号36により一般的に示した素子間取り
付け具により分離されている。素子間取り付け具36は穴
明き環状金属板38を含んでおり、その板の両側でその板
の表面とセラミック素子30及び32の隣接する端部との間
に、弾性環40及び42が配置されている。弾性環状取り付
け帯44及び46がこれらのセラミック素子の内部振動絶縁
のために、セラミック素子30及び32の内側壁を取り囲ん
で配置されている。環状の２片支持輪組立品48が穴明き
板38の内周を囲み且つ取り付け帯44及び46の内面に対向
して固定されている。支持輪48は集中管18（図１参照）
により支持されており、且つ支持輪と集中管との間には
薄い弾性スペーサ（いずれも図３には示してない）が存
在する。弾性輪40及び42と弾性取り付け帯44及び46とは
コープレン(corprene)、ゴム、及び種々のポリメリック
ス(poiymerics)のような既知の弾性材料から形成され
る。支持輪48はフェノール材料から形成される。穴明き
板38は環のコンプライアンスを増大するために弾性環40
及び42とのその板の接触面積を減少するように穴が設け
られ、それにより隣接するそれぞれの環とのセラミック
素子32及びガラスファイバーロービング34の組み合わせ
の共振周波数を低減する。図示した従来の設計でもセラ
ミック素子30及び32は幾らか振動的に絶縁されるが、素
子間取り付け具36の隣接する構成要素42, 38及び40は互
いに完全に接触しているので、そのような絶縁の度合い
は制限される。

【００１７】図４は参照符号50により一般的に示した本
発明により構成された素子間取り付け具を図解してい
る。図３で図解した従来の構造におけるものと似てい
て、且つ同じ機能を有する要素にはダッシュ（′）を付
けた参照符号を付した。ここで、取り付け具50は弾性環
40′及び42′の間に置かれた二つの環状の金属製平行板
52及び54を含んでいる。板52及び54はそれ自身外側環状
フランジ、すなわち帯58を有するＴ字形の金属取り付け
環56により分離されている。Ｔ字形の取り付け環56の頂
部は、板の外周の近くの穴明き板52及び54の対向する表
面の小さい面積と掛合し、かくして板を分離し且つ支持
している。取り付け環56の内側端部は支持板48′と掛合
し、一方帯58は板52及び54の外周と掛合している。環状
ウエブ57が帯58を取り付け環56の内側端部と相互結合し
ている。板52及び54の実質的に片持ち梁式支持構造がそ
れらにばね作用性の比較的高い度合いを与え、かくして
セラミック素子30′及び32′の絶縁の高い度合いを与え
る。ウエブ57は軸方向に曲がるよりも放射方向に容易に
は非常に圧縮し難く、高い静水圧条件のもとで増強され
た構造的完全性を与える。

【００１８】板52及び54の内側端部が自由に動けるよう
にするために、スペース70がこの板の内周と支持板48′
との間に設けられており、且つスペース72が(1) セラミ
ック素子30′及び32′の内部に延在する板52及び54の部
分の表面の間、及び(2) 取り付け帯44′及び46′と支持
板48′との隣接する表面の間に設けられている。

【００１９】板52及び54は図示のように受け入れられる
ことができ、あるいは板52および54は図３の板38のよう
に穴を明けられてもよい。環40′及び42′のコンプライ
アンスを調整する能力と一緒に、板52および54のコンプ
ライアンスをかくして調整することができることが、偽
の周波数の位置を変移させ、あるいは偽の周波数の帶域
幅を脱調させることが望まれる状況の変化を調節する設
計のかなりの柔軟性となる。

【００２０】図４に示した種類の素子間取り付け具が積
層物内のセラミック素子の各対の間に設けられることは
理解できるであろう。

【００２１】本発明によるセラミック素子積層物の全体
構造は従来のように構成された積層物と本質的に同じで
あるから、現存する装置に容易に組み込むことができ
る。

【００２２】図５は図３の取り付け具36のような素子間
取り付け具により構成されたセラミック積層物と比較し
た、図４の取り付け具50のような素子間取り付け具によ
り構成されたセラミック積層物の動作の改善を図解して
いる。曲線Ａは本発明により構成された（図４参照）セ
ラミック積層物により発生したものであり、偽の周波数
がないことを実証している。曲線ＢとＣとは圧縮の二つ
の異なる度合いのもとで、従来のように構成された（図
３参照）セラミック積層物により発生したものであり、
周波数F1とF2とにおいてそれぞれ有害な偽の共振を実証
している。縦軸（出力）が二つの電圧間の差として測定
されているから、これらの共振は窪みとして現れる。

【００２３】図６は同様ではあるがもっと著しい、特定
の実例における、比較的低い６℃の温度での本発明の取
り付け技術を用いたハイドロホンの実際の応答（曲線
Ａ）と比較した、従来の積層物取り付け具の応答比較
（曲線Ｂ）を与えている。図６の曲線は正規化された
（単位の寸法に対して目盛られた）周波数の関数として
受信電圧感度を比較している。周波数F₀における従来技
術の装置のはっきりした偽の応答に注意されたい。本発
明において偽の共振がないことが非常に低い周波数まで
拡張された本発明の素子間取り付け具の使用したハイド
ロホンの動作能力を許容する。

【００２４】本発明は環状セラミック板に適用されてい
るとして説明してきたが、この性質の振動絶縁を必要と
するいかなる形の板にも同様に適用できることは理解さ
れるべきである。前述の発明はハイドロホン変換器受信
器を最良化するために適用されてきたが、望ましくない
偽の共振を発現する送信器又はいかなるその他同様の変
換器においてもセラミック素子を分離するために同様に
適用することができることも本発明の意思の内であるこ
とも理解されるべきである。

【００２５】前記の説明で明らかにされた目的が十分に
達成されることが分かったであろうし、本発明の範囲か
ら逸脱することなくある種の変換をすることができるか
ら、上記の説明に含まれ、又は添付の図面に示された全
てのことが、解説としてのみ説明されたものであり概念
を制限するものではないつもりである。

【００２６】特許請求の範囲の記載は、本発明の総称的
な且つ明確な特徴の全部を覆うように、且つ言葉の問題
としてそれらの間に陥ると言われ得る本発明の範囲の全
部の報告を覆うように企図した。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明により構成されたセラミック素子
の積層物の斜視図である。

【図２】図２は完全なハイドロホン変換器の斜視図であ
る。

【図３】図３はハイドロホン用セラミック素子の積層物
の従来の構造を示す部分的な断面の立面図である。

【図４】図４は本発明により構成されたハイドロホン用
セラミック素子の積層物の構造を示す部分的な断面の立
面図である。

【図５】図５は図３の積層物を超える図４の積層物の動
作での改善を図解するグラフである。

【図６】図６は本発明により達成できる低温における改
善を示す図５と同様なグラフである。

【符号の説明】

10 積層物 12 フランジ 14 環状セラミック素子 16 素子間取り付け具 18 集中管 20 完全なハイドロホン 22 外側ゴム入れ物 24 蓋板 30, 30′, 32, 32′環状圧電セラミック素子 34 ガラスファイバーロービング 36 素子間取り付け具 38 穴明き環状金属板 40, 40′, 42, 42′弾性環 44, 44′, 46, 46′弾性環状取り付け帯 48 環状２片支持輪組立品 48′支持板 50 素子間取り付け具 52, 54 環状金属平行板 56 Ｔ字形金属取り付け環 57 環状ウエブ 58 外側環状フランジ、すなわち帯 70, 72 スペース

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジョン コッブ コンドン アメリカ合衆国 インディアナ州 46807 フォート ウェイン イルスレイ ドラ イブ 1108

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】変換器積層品の二つの圧電セラミック素子
   の隣接する表面間に用いる素子間取り付け具において、 前記セラミック素子を相互に振動的に絶縁するために、
   前記隣接する表面間に置かれた機械的ばね部材を具えて
   いることを特徴とする積層圧電変換器用素子間取り付け
   具。
2. 【請求項２】前記ばね部材が前記表面に平行に置かれた
   二つの板を具えており、前記板は前記表面間の前記板の
   面積の少なくともほとんどの部分が相互に対して支持さ
   れないように片持ち梁式に支持されていることを特徴と
   する請求項１記載の積層圧電変換器用素子間取り付け
   具。
3. 【請求項３】前記板と前記表面との間に置かれた弾性材
   料の層を更に具えていることを特徴とする請求項２記載
   の積層圧電変換器用素子間取り付け具。
4. 【請求項４】(a) 前記セラミック素子が環状であり、 (b) 前記ばね部材が環状板であり、且つ (c) 前記環状板が前記環状板の隣接した縁の近くの対向
   する表面の小さい部分と掛合する支持手段により相互に
   分離して支持されている ことを特徴とする請求項２記載の積層圧電変換器用素子
   間取り付け具。
5. 【請求項５】前記支持手段が、高い静水圧条件のもとで
   の構造的完全性を増強する一方で、環状板を保持し分離
   するための、軸方向には可撓性で放射方向には剛性であ
   る環を具えていることを特徴とする請求項４記載の積層
   圧電変換器用素子間取り付け具。
6. 【請求項６】前記環は断面が前記環状板と掛合する外側
   の軸方向に延在する帯を有して一般的にＴ字状であり、
   軸方向に曲がるよりも放射方向には非常に圧縮され難い
   放射方向に延在する環状ウエブが、それにより増強され
   た高い静水圧構造的完全性を与えることを特徴とする請
   求項５記載の積層圧電変換器用素子間取り付け具。