JPH10511523A - プレストレスされた環形状の音響トランスデューサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 プレストレスされた圧電セグメントの集合をなす音響環形状トランスデューサを説明している。本発明によれば、前記セグメント（１０１）は、締めくさび（１０９）によって分けられたセクタ（１０２）の集合を形成するようにグループ化されている。該セクタの集合は成形環（１０８）内に配置され、くさびは前記形成する環に逆らってセクタを動かし且つセグメントをプレストレスするようにねじ（１１１）によって中心方向へ引き締められる。ストレスゲージ（１０７）は、セクタ間の分散を最小にすると同時に、要求値に起因するストレスを制御及び調整するために用いられる。本発明は、低周波数を発生し、パワフルで、取り外し可能な音響トランスデューサに有用である。

Description

【発明の詳細な説明】 プレストレスされた環形状の音響トランスデューサ 本発明は、環の形状をとる圧電トランスデューサに関しており、それらに所定 値のストレスを加えるようにこの環をプレストレス（prestress）することを可 能にする手段を備えている。また、環に該プレストレスを加えるためのこれらの 手段を実現することを可能にする処理にも関する。 電気励起信号に基づく音波、特に低周波数の音波を得ることを可能にする圧電 トランスデューサの音響が水面下でしばしば用いられる。特に低周波の放射に適 したこのようなトランスデューサの特別の形態は、前後で分極されたセラミック セグメントの集合によって形成され、且つ各セグメント間の電極を介在して接着 することによってアセンブルされる矩形状断面のトーラスとなる。従って、励起 されたセグメントは、電極によって加えられる電気信号の速さで収縮し且つ伸張 し、セグメントのこの接線運動は、環の放射方向の伸張及び収縮に変換する。従 って、この運動は、通常海において、トランスデューサがその中に沈められる媒 体内で、環の軸に対して放射方向に対称に放射される音波の発生を引き起こす。 かなりの大きさの音響力を得るために、環は大きい振幅の圧電ストレスを受け ており、この影響は放射すべき音波の周波数が低くなればなるほどより注目され る。これらのストレ スの影響下で、最初に様々のセグメント間の境界面において、続いて特定の放射 レベルを越えて圧電セラミックのまっすぐな破断によって、環が分解されそうに なる。この欠点を緩和するために、中心方向へ向き且つ環の外側表面上に一様に 分布したセグメントに放射方向に力を加える手段の補助によってそれを圧縮する ことにより環をプレストレスすることが都合良い。これら放射状のストレスは、 確実に複数のセグメントを一緒に保持する傾向がある接線方向のストレスを含ん でおり、且つこれはこのタイプの材料がそれに特にもろいことで知られた張力の ストレスのセラミックでの発展を妨げる。 様々な種類のデバイスは、このようなストレスを得るようになされている。通 常のこれらの方法は、適切なたがを得るようにこのストラップの端を非常に強く 引っ張りながら同時に、環の周りに適切な材料のストラップを巻回することから なる。これらの方法の例は、例えば仏国特許第２，３４６，８６２号公報及び第 ２，４６３，９７９号公報に見られる。 従って、それにもかかわらず用いられた方法は、様々な欠点を有する。 特に、得られたプレストレスの最終値は、制御不可能の広い限定値の中で変動 する。システムが分解可能でも調整可能でもないために、これらの状態は、その 製造において非常に進んだ段階となると同時に、構成中の環のスクラッピングに 導き、従ってかなりの損失も引き起こす。 その上、様々な手段がセグメントの表面上のストラップの 摩擦と同様に、ストラップを引っ張ることを可能にするならば、これにより、発 生されたストレスは、一様に分布されず、通常リブのスタックに対応する特別の ポイントに集中される。音響放射を得るために捜される放射等方性を与えるなら ば、このような不規則性はかなりの障害の源となる。 更に、これらの欠点は、環の径が大きくなればなるほど無視できなくなる。現 在、環の径は、所望の放射周波数に直接に関係される。所望の周波数が低くなれ ばなるほど環を大きくしなければならず、この場合に、所望のより大きい放射パ ワーが大きくなればなるほど、所望のプレストレスの必要性はより大きくなり、 これにより重要な点は、前述の欠点となる。 これらの欠点を緩和するために、本発明の目的は、環の形状に配置された圧電 セグメントの集合からなるタイプのプレストレスされた環状音響トランスデュー サにおいて、そのセグメントは、実質的に同一のセクタを形成するようにグルー プ化されており、該セクタの間をくさび形状のギャップで区切るためにこれらの セクタの端に固定され、その狭い方の端が環の内側方向を向いている端片と、こ れらのギャップに整合され且つそれらの中に配置されたくさび形状の締め付け鍵 と、セクタの集合を保持することを可能にする成形環と、該成形環によって前記 セグメントをプレストレスするために前記締め付け鍵が前記環の内側方向へスラ イドすることを可能にする締め付け手段とを更に備えているトランスデューサで ある。 他の実施形態によれば、前記トランスデューサは、前記セグメントに加えられ た接線方向のストレスの測定を可能とする前記セクタの内側表面に固定された歪 みゲージを更に備えている。 他の実施形態によれば、前記締め付け手段は、前記締め付け鍵の内側表面に作 られたホール内に固定され、ねじがねじ込まれた際に該鍵に及ぼされる張力を与 えるように該セクタの端片を支持するワッシャを装着しているねじによって形成 されている。 他の実施形態によれば、一方は前記締め付け鍵及び前記成形環の間で、他方は これらと同一の締め付け鍵及び前記締め付け手段の間に残存するギャップは、調 整が行われる際に充填物が挿入されている。 他の実施形態によれば、前記成形層の動的なスティフネスは、前記圧電セグメ ントのそれよりも実質的に１０分の１である。 本発明は、更に、主にこのようなトランスデューサを調整する処理を提案して おり、前記締め付け手段は、各セクタの所望の値に等しい同一のストレスを得る ように歪みゲージによって与えられた読み取りをモニタしながら同時に、前進し て締め付けられる。 本発明の他の特徴及び効果は、以下に表す添付図に関して、限定しない例によ って与えられる以下の説明の中で明らかにされる。 図１は、本発明による環状トランスデューサの等角投影の 遠近図である。 図２は、この環を調整するためのくさびの等角遠近図である。 図３は、図２のような２つのくさびの間に横たわる環のセクタの等角遠近図で ある。 図１に表された例となる実施形態において、トランスデューサを形成する圧電 環は、従来技術に用いられるものと同様に完全な台形状断面のプリズムの形状を 有する基本セグメント１０１の集合をアセンブルすることによって作られる。 しかしながら、本発明によれば、環はセグメントのサブセットと共に結合する 実質的に同一セクタ１０２の集合に分割される。例として、実際の実施形態にお いて、環の径は２０ｃｍのオーダであり、各々が８個のセグメントを含む５つの セクタに分割される。 図３の表現は、分離したこれらのセクタの１つである。それは、例えば、ＰＺ Ｔのような圧電セラミックからなる８個の基本セグメント１０１から形成されて いる。これらのセグメントは、電気励起電圧に応用できる電極１０３の介在と共 に接着されている。公知の技術によれば、セグメントは反対方向に交互に接線方 向へ分極されている。電極１０３は、該電極に加えるべきこれらの電圧を有効に する接続１０４及び１０５に交互に結合されている。 更に、セクタの端は、一番端のセグメントの外側表面に接着された金属片を備 えている。これらの金属片は、くさび形状であり、それらの外側の横方向の表面 が、図１に表されて いるように、環の半径の方向に角度αをなす。この角度αは、くさび形の幅が環 の外側の表面よりも環の内側表面の方が大きくなるようにする。 更に、少なくとも１つの歪みゲージ１０７がセクタの内側表面に配置されてお り、これはこの内側表面のセクタに加えられストレスを測定することを可能にす る。この歪みゲージは、例えば、ゲージがその上に接着される表面の伸張又は収 縮が公知の方法によりこれら電極の抵抗の変化を生じるように配置された金属電 極を支持する薄膜の公知の形態に作られる。 ５つのセクタの集合は、圧電環の形状及び寸法を規定することを可能にする成 形環１０８の内側に配置されている。この環は、例えば、内側表面を慎重に磨い たエポキシガラスから製造される。 セクタの寸法は、クリアランスが２つの隣接するセクタの端の金属片の間に残 存するように工夫されている。くさび形状を有する調整鍵１０９は、このクリア ランスを充填する。それゆえ、図２に表された一例のこれら鍵は、セクタ間に配 置され、成形環１０８の内側でロックすべきこれらセクタを可能にする。これら 鍵の２つの横方向の表面の間の角度は、セクタの端片の角度アルファに対応する ように設計され、従って鍵が外側表面の正しい位置にある際に、鍵と端片との間 の接触のポイントで過度のストレスを避けるように、できる限り角度のクリアラ ンスが小さいこれらの端片の外側表面に加えられる。 集合のアセンブリを実行するために、環の内側へ方向付けられた鍵１０９の表 面は、ねじ切りされたホール１１０を有して供給されており、ここで数は３つで 、環の内側へ方向付けられたそれらの端片１０６の表面を支持すると同時に、こ れらのホール内へねじ込まれる。締め付け部材を受け入れることを可能にする。 これら締め付け片は、ほとんど完成されたかもしれないが、表された例となる実 施形態において、ワッシャ１１２がねじ１１１に通されて構成される。これらの ねじは、ねじ切りされたホール内へねじ込まれ、それによりワッシャ上で、それ らが片１０６を保持する。従って、伸張は環の内側方向へくさび形状鍵１０９上 に及ぼされ、これが角度αならば、セクタ１０１を分離し、且つこれらのセクタ 及び鍵の集合によって形成された環を拡げる傾向がある。この拡がる影響下で圧 電環は、成形環１０８の内側に締め付けて支持するように取り込まれ、それによ って最初に正しい位置に片の集合を保持する。 従って、得られたアセンブリがチェックされ、次に、より丈夫なねじで締め付 けることによって、それらのプレストレッシングを保証することが可能となる。 この影響下において、調整鍵１０９は、それらと成形環との間の部分を増加し、 且つそれゆえ成形環上のセクタのストレス負荷を増大すると同時に、環の中心方 向へ前進する。反作用によって、これは、この成形環によってこれらのセクタの プレストレッシングを引き起こす。締め付けは、必要とされるプレストレスが得 られるまで、交差シーケンスのねじを前進して締め付けるこ とによって従来の方法で実行される。 プレストレスの値及び一様性を保証するために、本発明は、初めの方で説明し た歪みゲージ１０７を用いることを目的とする。このために、歪みゲージは、こ れらのゲージでストレスを決めることを可能にする測定手段１１３に結合される 。これらのゲージが配置されたその位置でのストレス即ち［ｓｉｃ］は、公知の 相乗係数以内で示し、全体のストレスは各セクタを形成するセラミックに加えら れる。セクタは、従って一様に分布して得られ且つ測定されたストレスに対して 十分に小さくなる。より大きい環の場合に、多数のセクタを用いることはたぶん 好都合となる。もちろん、所望の全体のストレスを得て、且つ局所的に測定され る［ｓｉｃ］であるストレス間での不一致をできる限り最小にするように、ねじ の締め付けは、ストレスの変化を連続してチェックすると同時に、前進して実行 される。 完成した調整が得られる際に、鍵１０９及び成形環１０８の間のギャップｅは 、充填材を有して、締め付け手段とこれらと同一の鍵との間のどのような残りの ギャップに対しても充填することが多分できる。この充填材は、例えば続く微妙 な調整を可能にすることができるように、比較的弾力のあるポリウレタンである のが好ましい。 もちろん、成形環１０８は、これにより構成されたトランスデューサの音響特 性に影響を及ぼし、同様に、それにも関わらず他の既に公知のプレストレッシン グシステムの場合となる。特に、圧電環の作用を過度に妨げない正確な結果を得 るために、動的なスティフネスがセラミックからなる圧電環のスティフネスの約 １０分である成形環を用いることが好ましい。 プレストレッシング用の公知のシステムと比較して、このデバイスは、特に実 現しやすく、それゆえ低価である。更に基準寸法及びこれは、場合によっては、 それらの欠点のイベントの単一セグメントを丁度置き換えることを可能にする。 ストレスは、著しく一様な方法で分布され、時間中のそれらの変化は［ｓｉｃ］ 非常に小さい。それは、このプレストレスを微妙に調整することが動作状態の機 能か又は時間中に正しくドリフトするためのどちらか一方を完全に可能にする。 更に、アセンブリは分解可能であり、従って初めの方で説明した修理も可能とな る。最後に金属片１０６及び１０９は、場合によっては、特に環が非常に高い電 気パワーで負荷された際にヒートシンクを増進する。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ボキヨン パスカル フランス国，92402 クールブボワ セデ, ボワト ポスタル 329（番地なし） ト ムソン−セーエスエフ エスセーペイ内 (72)発明者 ラクール オリヴィエ フランス国，92402 クールブボワ セデ, ボワト ポスタル 329（番地なし） ト ムソン−セーエスエフ エスセーペイ内

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．環の形状に配置された圧電セグメント（１０１）の集合からなるタイプのプ レストレスされた環状音響トランスデューサにおいて、 そのセグメントは、実質的に同一のセクタ（１０２）を形成するようにグルー プ化されており、該セクタの間をくさび形状のギャップで区切るためにこれらの セクタの端に固定され、その狭い方の端が環の内側方向を向いている端片（１０ ６）と、これらのギャップに整合され且つそれらの中に配置されたくさび形状の 締め付け鍵（１０９）と、セクタの集合を保持することを可能にする成形環（１ ０８）と、該成形環によって前記セグメントをプレストレスするために前記締め 付け鍵が前記環の内側方向へスライドすることを可能にする締め付け手段（１１ ０−１１２）とを更に備えていることを特徴とするトランスデューサ。 ２．前記セグメントに加えられた接線方向のストレスの測定を可能とする前記セ クタの内側表面に固定された歪みゲージ（１０７）を更に備えていることを特徴 とする請求項１に記載のトランスデューサ。 ３．前記締め付け手段は、前記締め付け鍵（１０９）の内側表面に作られたホー ル内に固定され、ねじがねじ込まれた際に該鍵に及ぼされる張力を与えるように 該セクタの端片（１０６）を支持するワッシャ（１１２）を装着しているねじ（ １１１）によって形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のトラ ンスデューサ。 ４．一方は前記締め付け鍵（１０９）及び前記成形環（１０８）の間で、他方は これらと同一の締め付け鍵及び前記締め付け手段（１１０−１１２）の間に残存 するギャップは、調整が行われる際に充填物が挿入されることを特徴とする請求 項１から３のいずれか１項に記載のトランスデューサ。 ５．前記成形層（２０８）の動的なスティフネスは、前記圧電セグメント（１０ １）のそれよりも実質的に１０分の１であることを特徴とする請求項１から４の いずれか１項に記載のトランスデューサ。 ６．前記締め付け手段（１１０−１１２）は、各セクタの所望の値に等しい同一 のストレスを得るように歪みゲージ（１０７）によって与えられた読み取りをモ ニタしながら同時に前進して締め付けられることを特徴とする請求項２から５の いずれか１項に記載のトランスデューサ。