JPH09322284A - 水中音響送受波器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】楕円筒シェルを大振幅で振動させても振動素子
にその引張り強度を超える応力が発生せず、高信頼、高
出力に優れ、かつ振動素子積層体の交換が容易な構造の
水中音響送受波器を実現する。 【解決手段】楕円筒シェル１内に装着する振動素子積層
体２を単体で密封モジュール化する。楕円筒シェル１の
外部（長軸方向）と密封されたモジュールとに貫通穴を
設け、モジュールを楕円筒シェル１内にボルト・ナット
５で固定する。モジュールは、貫通穴が設けられた振動
素子積層体２の表面を接続部材１２と例えばゴム製の内
側密封カバー１１及び外側密封カバー１３とで覆い密封
する。その際、振動素子積層体２と密封カバー間には隙
間を設け内部に水分の少ない例えば窒素ガスを封入す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、水中の目標物を探
索するソーナー等の水中音響送受波器に係り、特に屈曲
膨張型送受波器として好適な水中音響送受波器に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来の屈曲膨張型送受波器は、電気信号
を機械的振動に変換する例えば圧電セラミックス等の材
料で形成した振動素子を複数個接着積層して構成した振
動素子積層体を、金属または強化プラスチック材料で形
成した楕円筒シェルの長軸方向に挿入して接着固定し、
楕円筒シェルの両端面を、Ｏリング等の楕円筒シェルの
振動を妨げない封止手段を介して蓋で密封し、楕円筒シ
ェル内部の結露による振動素子積層体の絶縁低下を防ぐ
ために、内部へ水分の少ないガスを封入して構成してい
る。

【０００３】蓋の一方には、ケーブルが取り付けられ音
波を送波するときは外部機器から振動素子積層体に任意
の電気信号を送信し、また音波を受波するときは振動素
子積層体から外部機器へ電気信号を送信する。

【０００４】屈曲膨張型送受波器の作動原理を簡単に説
明すると、外部機器で発生した任意の電気信号を振動素
子積層体にケーブルを介して送信すると振動素子積層体
が振動（微小変位伸縮）し、この振動が楕円筒シェルに
伝達される。楕円筒シェルは振動素子積層体の微小振動
により、長軸方向へ振動する。さらにこの振動が短軸方
向を振動せしめ、短軸方向の面を音響放射面として水中
に音波を放射する。これを逆にすると受波器として動作
する。

【０００５】屈曲膨張型送受波器は、音響放射面に存在
する振動の節を支点にして梃子の原理により短軸方向を
より大きな振幅で振動させるため、小さい振幅を大きな
振幅に変換すると共に共振を低くすることが可能である
ため、一般に低周波送受波器として用いられる。

【０００６】屈曲膨張型送受波器は、上記のような構造
と作動原理を持つため、外部から圧縮圧力が印加される
と破損する恐れがある。即ち図５は圧力分布を模式的に
示した送受波器の横断面図で、引張り応力により振動素
子が破壊する様子を説明するものである。楕円筒シェル
１の短軸方向面積が長軸方向の面積より広いため、外部
からの圧縮圧力Ｆ₁は短軸方向の方が大きくなり、楕円
筒シェル１を短軸方向に収縮させ、同時に長軸方向へ伸
長させる。結果として、振動素子２に引張り応力Ｆ₂を
発生させる。

【０００７】一般に振動素子２に用いられる磁歪または
電歪材料は、圧縮応力には高い強度を持つが、引張り応
力には数十分の一の強度しかないという性質がある。こ
のため外部から圧縮圧力が加わった場合、長軸方向への
引っ張り応力発生のため振動素子２が破壊される恐れが
ある。

【０００８】また、外力が印加されなくても強力な音波
を発生させるために振動素子を大振幅で伸縮させると、
振動素子の収縮時における引張り応力が大きくなって破
壊応力を越え、振動素子が破壊されてしまうこともあ
る。

【０００９】これに対処するため一般に、予め楕円筒シ
ェルの長軸方向に対し圧縮力を印加しておく方法が採ら
れる。屈曲膨張型送受波器において振動素子に圧縮力を
印加するには、楕円筒シェルの短軸方向に圧力を加える
（押し縮める）ことで長軸方向を伸長せしめ、この状態
で振動素子積層体を挿入し、積層体と楕円筒シェルを接
着する方法が採られ、短軸方向の圧力を開放したときの
楕円筒シェルの復元力により振動素子積層体に圧縮力が
印加される。しかしながら、この方法では楕円筒シェル
の剛さ（スティフネス）によって決まる復元力以上の圧
縮力は印加できなかった。

【００１０】したがって、この復元力を越える高出力音
波の発生は不可能であり、外力に対する耐久性も同様で
あるという問題があった。また、低周波化・広帯域化を
図る場合、楕円筒シェルのスティフネスを小さくする必
要があるため、上記問題は一層深刻になる。なお、この
種の技術に関連するものとして例えば特開平４−３３４
１９９号公報が挙げられる。

【００１１】さらに楕円筒シェルの長軸方向に振動素子
積層体を挿入して接着固定しているため、万一振動素子
積層体が破損したことにより交換が必要となった場合、
楕円筒シェル内部への振動素子積層体の組込みと結露防
止用ガス再封入のための設備が必要となり、振動素子積
層体の即時交換、修理が非常に困難で多大な時間を必要
とする。

【００１２】この問題の一部を解決するため、特開平２
−１２３９００号公報に示される如く楕円筒シェル内部
へ水が流入できるようにした構造が提案されている。こ
れによれば、外部圧力が上昇しても、楕円筒シェル内へ
流入した水の圧力も上昇するため、楕円筒シェル内外の
圧力が同一（均圧）となり、振動素子への引張り力の印
加を防ぐことができる。

【００１３】しかし、楕円筒シェルの内部に水を浸入さ
せる場合、楕円筒内部キャビティの体積コンプライアン
スを低く保つ必要があるため、独立気泡スポンジ等の材
料で楕円筒内面を裏打ちせねばならない。このため、上
記のような静水圧でなく、水中爆発等による衝撃的圧力
が印加された場合には、水の流入速度が衝撃力の伝搬よ
り極めて遅く、均圧作用が時間的に間に合わないため、
振動素子への引張り力の印加を防ぐことができなかっ
た。また、大音響出力時の振動素子の引張り応力防止に
ついても配慮されていなかった。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】したがって、本発明の
目的は、上記従来技術の問題点を解決することにあり、
具体的には下記の特徴を持つ水中音響送受波器を提供す
ることである。 （１）楕円筒シェルを大振幅で振動させても振動素子に
その引張り強度を超える応力が発生せず、従って高い音
響出力が可能である。

【００１５】（２）衝撃的圧力が印加されても振動素子
にその引張強度を超える引張り応力が発生せず、従って
破損が防止できる。 （３）楕円筒シェルのスティフネスを低くしても、上記
（１）及び（２）の特徴が維持され、従って低周波化・
広帯域化が図れる。 （４）万一振動素子が破損しても、交換が容易である。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の本発明の水中音響送受波器は、楕円筒シェル内に電気
信号を音響信号に変換して水中に放射し、また音響信号
を電気信号に変換して出力する振動素子積層体を内蔵す
る水中音響送受波器であって、楕円筒シェルと振動素子
積層体とを楕円筒シェルの長軸方向から楕円筒シェルの
側壁に設けた挟持板を介して締結ボルトを用いて締結固
定し、これによって振動素子積層体に所定の圧縮力を加
える構成としたことを特徴としている。

【００１７】そして好ましくは、楕円筒シェルの側壁に
設けた挟持板の内側は、楕円筒シェルの側壁形状に倣っ
て曲面を形成しており、その長さを少なくとも楕円筒シ
ェルの側壁の高さに構成することである。

【００１８】代表的な構成例を次に示すと、（１）楕円
筒シェルの高さより長い一対の挟持板を設け、楕円筒シ
ェルの長軸方向を挟込み、挟持板の楕円筒シェルから突
出した部分に設けた貫通穴に締結ボルトを通して振動素
子積層体と楕円筒シェルとを締結固定するか、（２）内
蔵する振動素子積層体の短軸方向外側の位置に該当し、
かつ楕円筒シェルの長軸方向の両側壁に貫通穴を設け、
これら貫通穴に締結ボルトを通して楕円筒シェルと振動
素子積層体とを締結固定するか、（３）振動素子積層体
の中心部及び楕円筒シェルの長軸方向の両側壁に貫通穴
を設け、これら貫通穴に締結ボルトを通して楕円筒シェ
ルと振動素子積層体とを締結固定することである。

【００１９】さらには（４）積層方向の中心部に貫通穴
を有する振動素子積層体と、その外表面及び貫通穴側の
内表面に所定間隙をおいて配設された外側密封カバー及
び内側密封カバーと、これら密封カバー及び振動素子積
層体の両端部を密封する接続部材とで振動素子積層体を
モジュール化し、このモジュール化された振動素子積層
体を楕円筒シェル内に装着すると共に、楕円筒シェルの
長軸方向の両側壁に設けられた貫通穴及びモジュール化
された振動素子積層体の貫通穴に締結ボルトを通して楕
円筒シェルとモジュールとを締結固定することである。
この場合、好ましくは外側密封カバー及び内側密封カバ
ーの少なくとも一方を例えばゴム製の水密部材で構成
し、水密部材と振動素子積層体との隙間に水分の少ない
ガスを封入してモジュールを形成することである。

【００２０】

【発明の実施の形態】図１を参照してその構成を説明す
ると、楕円筒シェル１内に電気信号を音響信号に変換し
て水中に放射し、また音響信号を電気信号に変換して出
力する振動素子積層体２を内蔵する水中音響送受波器で
あって、楕円筒シェル１と振動素子積層体２とを楕円筒
シェルの側壁に設けた挟持板３を介して締結ボルト４を
用いて締結固定し、このボルト締めによって振動素子積
層体２に所定の圧縮力を加える構成となっている。

【００２１】同図に示した楕円筒シェル１は金属又は強
化プラスチック製の楕円筒で形成され、その上下に同材
質の楕円形状の密封用蓋６がＯリング７を介して密封さ
れている。上部の蓋６には、信号伝送ケーブル９がフラ
ンジ１０により取り付けられている。８は振動素子積層
体２の一部をなし楕円筒シェル内に振動素子積層体２を
接続する部材である。

【００２２】この振動素子積層体２は、平板状の圧電セ
ラミックスを積層したものであり、楕円筒シェル１の長
軸方向に部材８を介して装着されている。挟持板３は、
楕円筒シェル１との接触面に曲率を持たせ、上下両端部
にボルト貫通穴が設けられている。このように挟持板３
の内側に、楕円筒シェル１との接触面に倣った曲率を持
たせることは、振動素子積層体２に必要な圧縮力を均一
に印加する上で重要である。

【００２３】以上説明したように、挟持板３を楕円筒シ
ェル１の長軸側壁に当て、上下蓋６の近傍の位置に設け
られた貫通穴を通して締結ボルト４とナット５とを用い
て楕円筒シェル１と振動素子積層体２とを締結固定する
ことによって振動素子積層体２に予備圧縮力を印加する
構造としたので、次に示すような作用効果が実現でき
る。

【００２４】（１）楕円筒シェル１を大振幅で振動させ
ても振動素子積層体２にその引張り強度を超える応力が
発生せず、従って高い音響出力が可能である。 （２）衝撃的圧力が印加されても振動素子積層体２にそ
の引張強度を超える引張り応力が発生せず、従って破損
が防止できる。 （３）楕円筒シェル１のスティフネスを低くしても、上
記（１）及び（２）の特徴が維持され、従って低周波化
・広帯域化が図れる。

【００２５】

【実施例】以下、本発明の実施例を図２〜図４を用いて
具体的に説明する。 〈実施例１〉図２は、楕円筒シェル１の長軸側壁にボル
ト貫通穴を設けた例である。挟持板３は、楕円筒シェル
１の高さと同じ長さにしている。そして挟持板３の外側
は平坦面であるが、内側は楕円筒シェル１との接触面に
倣った曲率を持たせている。

【００２６】楕円筒シェル１を挟持板３で挟み上下両方
のボルト貫通穴（不図示）に締結用ボルト４を通しナッ
ト５と共に締付ける。この場合、楕円筒シェル１にボル
ト貫通穴があるため、ここから水が浸入しないように、
図示しない封止材によって楕円筒シェル１及び挟持板３
のボルト貫通穴部を封止する。

【００２７】上記のように、締結ボルト４を用いて楕円
筒シェル１と振動素子積層体２を締結固定し、振動素子
積層体２に必要な予備圧縮力を印加する構造としたの
で、次に示すような作用効果が実現できる。

【００２８】（１）楕円筒シェル１を大振幅で振動させ
ても振動素子積層体２にその引張り強度を超える応力が
発生せず、従って高い音響出力が可能である。 （２）衝撃的圧力が印加されても振動素子積層体２にそ
の引張強度を超える引張り応力が発生せず、従って破損
が防止できる。 （３）楕円筒シェル１のスティフネスを低くしても、上
記（１）及び（２）の特徴が維持され、従って低周波化
・広帯域化が図れる。

【００２９】〈実施例２〉図３は、振動素子積層体２の
中心部にボルト貫通穴を設けた例である。挟持板３は、
実施例１と同様に外側は平坦面であるが、内側は楕円筒
シェル１との接触面に倣った曲率を持たせている。そし
てその中央部にはボルト貫通穴を設けている。組立て
は、挟持板３を楕円筒シェル１の長軸側壁に当て、挟持
板３及び楕円筒シェル１の貫通穴と共に、振動素子積層
体２のボルト貫通穴に締結用ボルト４を通しナット５と
共に締付ける。

【００３０】この場合、楕円筒シェル１にボルト貫通穴
があるため、ここから水が浸入しないように、図示しな
い封止材によって楕円筒シェル１及び挟持板３のボルト
貫通穴部を封止する。

【００３１】上記のように、楕円筒シェルと振動素子積
層体の貫通穴に締結ボルトを通して楕円筒シェルと振動
素子積層体を締結固定し、振動素子積層体２に必要な予
備圧縮力を印加する構造としたので、実施例１と同様に
次に示すような作用効果が実現できる。

【００３２】（１）楕円筒シェル１を大振幅で振動させ
ても振動素子積層体２にその引張り強度を超える応力が
発生せず、従って高い音響出力が可能である。 （２）衝撃的圧力が印加されても振動素子積層体２にそ
の引張強度を超える引張り応力が発生せず、従って破損
が防止できる。 （３）楕円筒シェル１のスティフネスを低くしても、上
記（１）及び（２）の特徴が維持され、従って低周波化
・広帯域化が図れる。

【００３３】〈実施例３〉図４は、楕円筒シェル１内に
装着する振動素子積層体２を単体で密封モジュール化し
密閉構造とした例を示す断面図である。楕円筒シェル１
の外部（長軸方向）と密封されたモジュールとに貫通穴
を設け、モジュールを楕円筒シェル１内にボルト４・ナ
ット５で固定する。モジュールは、貫通穴が設けられた
振動素子積層体２の表面を例えばステンレス製の接続部
材１２と例えばゴム製の内側密封カバー１１及び外側密
封カバー１３とで覆い密封する。その際、振動素子積層
体２と密封カバー間には隙間を設け内部に水分の少ない
ガス（例えば窒素ガス）を封入する。

【００３４】このように振動素子積層体２、外側密封カ
バー１１、内側密封カバー１３、接続部材１２を予め組
立て、外側密封カバー１１、内側密封カバー１３内に水
分の少ないガスを封入して容易に密封モジュールとする
ことができる。

【００３５】振動素子積層体２を水密モジュール化でき
るため、密封モジュール単位で振動素子積層体２を保管
することができ、万一振動素子積層体２が破損した場合
でも、すでに振動素子積層体２は水分の少ないガスで封
入されてあるため、ガス再封入の設備が必要でなく、着
脱自在で交換が容易になり即時交換できる。

【００３６】なお、このような密封モジュールとする方
式は、図１と図２の振動素子積層体２の例についても同
様に適用できる。

【００３７】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明により所期
の目的を達成することができた。すなわち、振動素子積
層体２が振動する際、引張り応力の限界を超えて破壊し
ないようにボルトにて高い予備圧縮力で締付けることが
できるため高耐力化が図れる。

【００３８】楕円筒シェル１と振動素子積層体２をボル
ト４により締結するため短軸方向に衝撃圧力が加わって
も、振動素子積層体に引張り力が作用し破壊することが
ないような圧縮力を印加することができるため、衝撃的
圧力に強い構造となる。

【００３９】楕円筒シェル１のスティフネスを小さくし
てもボルト４にて高い予備圧縮力で締付けることができ
るため、広帯域化、低周波化を図ることができる。

【００４０】特に実施例３の場合には、振動素子積層体
２を水密モジュール化できるため、万一振動素子積層体
２が破損した場合でも容易に交換できるという効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理を具体的に説明する水中音響送受
波器の一部破断斜視図。

【図２】本発明の一実施例となる水中音響送受波器の一
部破断斜視図。

【図３】同じく本発明の一実施例となる水中音響送受波
器の一部破断斜視図。

【図４】同じく本発明の一実施例となる水中音響送受波
器の一部破断斜視図。

【図５】引張り応力による振動素子破壊の説明をするた
めの水中音響送受波器の断面模式図。

【符号の説明】

１…楕円筒シェル、 ２…平板形状振動素子積層体、 ３…挟持板、 ４…締結用ボルト、 ５…ナット、 ６…密封用蓋、 ７…Ｏリング、 ８…接続部材、 ９…信号伝送ケーブル、 １０…フランジ、 １１…外側密封カバー、 １２…接続部材（貫通穴有り）、 １３…内側密封カバー。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高橋 愼一 神奈川県横浜市戸塚区戸塚町216番地 株 式会社日立製作所情報通信事業部内 (72)発明者 末吉 賢浩 神奈川県横浜市戸塚区戸塚町216番地 株 式会社日立製作所情報通信事業部内

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】楕円筒シェル内に電気信号を音響信号に変
   換して水中に放射し、また音響信号を電気信号に変換し
   て出力する振動素子積層体を内蔵する水中音響送受波器
   であって、楕円筒シェルと振動素子積層体とを楕円筒シ
   ェルの長軸方向から楕円筒シェルの側壁に設けた挟持板
   を介して締結ボルトを用いて締結固定し、これによって
   振動素子積層体に所定の圧縮力を加える構成として成る
   水中音響送受波器。
2. 【請求項２】楕円筒シェルの側壁に設けた挟持板の内側
   は、楕円筒シェルの側壁形状に倣って曲面を形成してお
   り、その長さを少なくとも楕円筒シェルの側壁の高さに
   構成して成る請求項１記載の水中音響送受波器。
3. 【請求項３】楕円筒シェルの高さより長い一対の挟持板
   を設け、楕円筒シェルの長軸方向を挟込み、挟持板の楕
   円筒シェルから突出した部分に設けた貫通穴に締結ボル
   トを通して振動素子積層体と楕円筒シェルとを締結固定
   して成る請求項１もしくは２記載の水中音響送受波器。
4. 【請求項４】内蔵する振動素子積層体の外側の位置に該
   当し、かつ楕円筒シェルの長軸方向の両側壁に貫通穴を
   設け、これら貫通穴に締結ボルトを通して楕円筒シェル
   と振動素子積層体とを締結固定して成る請求項１もしく
   は２記載の水中音響送受波器。
5. 【請求項５】振動素子積層体の中心部及び楕円筒シェル
   の長軸方向の両側壁に貫通穴を設け、これら貫通穴に締
   結ボルトを通して楕円筒シェルと振動素子積層体とを締
   結固定して成る請求項１もしくは２記載の水中音響送受
   波器。
6. 【請求項６】積層方向の中心部に貫通穴を有する振動素
   子積層体と、その外表面及び貫通穴側の内表面に所定間
   隙をおいて配設された外側密封カバー及び内側密封カバ
   ーと、これら密封カバー及び振動素子積層体の両端部を
   密封する接続部材とで振動素子積層体をモジュール化
   し、このモジュール化された振動素子積層体を楕円筒シ
   ェル内に装着すると共に、楕円筒シェルの長軸方向の両
   側壁に設けられた貫通穴及びモジュール化された振動素
   子積層体の貫通穴に締結ボルトを通して楕円筒シェルと
   モジュールとを締結固定して成る請求項１もしくは２記
   載の水中音響送受波器。
7. 【請求項７】外側密封カバー及び内側密封カバーの少な
   くとも一方をゴム製の水密部材で構成し、水密部材と振
   動素子積層体との隙間に水分の少ないガスを封入してモ
   ジュールを形成して成る請求項６記載の水中音響送受波
   器。