JPS61135297A - 低周波水中超音波送波器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は遠距離ソーナー、海洋資源探査などに使用され
る送波器に関するものである０（従来技術） 水中において低周波の超音波は高周波のそれと比較して
伝搬損失が少なく、より遠方まで到達することかできる
ため、ソーナー、海洋資源探査。

海流の調査等の分野で低周波の超音波金利用することは
数々の長所がある。従来から水中において強力超音波を
放射する送波器として動電形トランスジューサと圧電形
トランスジューサが知られている。動電形トランスジュ
ーサは、大きな変位がとシうる反面１発生力が小さいこ
とによシ低周波で小製のトランスジューサを得ることは
極めて困難である０これに対し圧電形トランスジューサ
では、電気機械変換材料としてジルコンチタン酸鉛系圧
電磁界が用いられておシ、圧電磁器は水に比べて約２０
倍以上も音響インピーダンスが大きいために、発生力は
極めて大きいが音響放射において媒質排除に必要な変位
をとることができないと匹う欠点がある０低周波になる
に従い単位放射面積当りの音響放射インピーダンスが極
めて小さくなることを考慮すると、低周波で効率の良い
音響放射を行うためには１．圧ｔｆｆｌ器の変位をよシ
一層拡大させて音響放射を行う必要がある。

以下、従来の圧電形トランスジューサについて説明する
。水中に於て強力超音波を送、波するトランスジユーサ
としてボルト締めランジュバントランスジェーサが３　
ｋＨｚ　”−数１０　ｋＨｚの周波数帯において積極的
に用いられていることは周知の通シである。しかしなが
ら、このトランスジューサを３　ｋＨｚ以下の低周波帯
で動作させようとする場合、変位拡大機構を持たないた
めに、重量１寸法があｔｂにも大きくなりすぎ実用に供
しなくなるといった欠点金有している。

そこで、低周波数帯において小型化のはかれるトランス
ジューサとして１例えばＲ，８，Ｗｏｏｌｌｅｔｔ。

＠Ｔｒｅｎｄ　ａｎｄ　Ｐｒｏｂｒｅｍ　ｉｎ　５ｏｎ
ａｒ　ＴｒａｎｓｄｕｃｅｒＤｅｓｉｇｎ　’、　ＩＥ
ＥＥ　Ｔｒａｎｓａ　ｏｎ　ＵｌｔｒａｓｏｎｉｃｓＥ
ｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ、ｐｐ１１６−１２４（１９６３
，１１）に記載されているように、第３図に示す円板の
屈曲振動を利用した屈曲形トランスジューサ、あるいは
Ｇｏ　Ｂｒｉｇｈａｍ　ａｎｄ　Ｂｅ　Ｇｒａｓｓ　＠
ＰｒｅｓｅｎｔＳｔａｔｕｓ　　ｉｎ　　Ｆｌｅｘｔｅ
ｎ＠１ｏｎａｌ　　ＴｒａｎｓｄｕｃｅｒＴｅｃｈｎｏ
ｌｏｇｙ”、Ｊ　＠Ａｃｏｕ　ａ　＊ａ　Ｓｏｃ　ａ　
ＡＪＴ１＊＠　Ｖｏ　１　＊　６８　＠Ｎｏ−４ｗ　ｐ
ｐ１０４６−１０５２（１９８０−１０）に記載されて
いるように第４図に示す楕円形シェルを用いた屈曲伸び
トランスジューサが知られているＯ （従来技術の問題点） 第３図に示した円形平板を用いた屈曲トランスジューサ
は１周知のように円形バイモルフ振動子を送波器に用い
たものである。同図においてＩＱはジルコンチタン酸鉛
系圧電磁器板、１１はニッケル、ステンレススチールな
どの金属板であシ。

１０．１１でバイモルフ振動子を構成し、バイモルフ振
動子自身を音響放射体としている。また１２はキャビテ
ィ、１３はハウジングケースである０しかしながら、１
０の圧電磁器板として大面積の圧電磁器板を得ることが
できないことから、多数のセグメント磁器板をモザイク
式に金属板１１Ｖｃ接着することによりてバイモルフ振
動子が得られているのが現状である０即ち、大面積の磁
器板が使えないために、送波器としての媒質排除能力が
十分ではなく、ハイパワー送波には適していない。

また、大面積の圧電磁器板が得られたとしても。

構造上バイモルフ振動子は撓みコンプライアンスがかな
り大きくそれほど大きな媒質排除能力は望むぺぐもない
。

第４図に示した屈曲伸びトランスジユーサは圧電磁器柱
状体２０が長軸方向に伸び変位をしたときに、シェル２
１が図中の二重矢印で示すように柱状体２０の数倍の変
位で収總する一種の変位拡大機構を有するトランスジユ
ーサである。（楕円シェルの４分の１部分だけ矢印で示
す）このトランスジー−サは楕円シェルを音響放射体く
用いているため、構造的にバイモルフ円板よシ大きな剛
性が得られることから、第３図のバイモルフ円板を用い
たトランスジユーサよりハイパワー送波に優れたトラン
スジューサであるとされている。しかしながら、屈曲伸
びトランスジユーサの性能には楕円シェルの強い形状依
存性がある０長径すに比べて短径ａが小さい、換言すれ
ば離心率の大きい扁平な楕円シェルはど、理論的には変
位拡大率が増加し、音響放射率も良くなる。

ところが不幸にして、以下に示す理由によシ。

この楕円シェルは任意の形状をとることができない。ま
ず第１に、形状が扁平になるほどますます応力がシェル
の曲率が大きな部分近辺に集中する。

第２に圧電磁器や電子機器の収納スペースをとらなけれ
ばならない。このＬうなととから、実用上長径に対する
短径の比ａ／ｂ　ｔ　Ｏ，３以下にすることは不可能で
ある◎従って、圧電磁器柱状体２０の変位に対して、楕
円シェルの最大に変位する部分は短軸の部分であるが、
ａ／ｂを０．３以上としなければならないことによプ、
この部分は５〜７倍の変位が発生するにすぎない。また
、このトランスジ為−すは長細部分と短軸部分の変位の
方向が全く逆であるため、媒質排除に関してそれだけ無
駄な動きがある。即ち、短軸部分の変位の割には媒質排
除量が小さく、楕円シェルの表面積で平均すると音響放
射に有効な平均変位は最大変位よシ相当小さくなるとい
う欠点がある０また。このトランスジユーサの指向性は
無指向性に近いものであシ、低周波ソーナートランスジ
ェーサとして鋭い指向性を要求された場合、この要求に
応えられないという欠点がある。

（発明の目的） 本発明は、このような従来のトランスジェーサの欠点を
除去せしめて、低周波帯において小屋でハイパワー特性
に優れ、多数個配列させてアレイとして使用することも
可能な有指向性送波器を提供するととくある◎ （発明の構成） 本発明の送波器は圧電磁器を用いたアクティブ柱状体と
、このアクティブ柱状体をその凹部内に保持するコ字形
ベースと、該アクティブ柱状体及びコ字形ペースに対し
ヒンジを介してそれぞれ接続する２個のレバーと、該レ
バーに連結棒を介して接続するピストン音響放射体とを
具備した低周波水中超音波送波器である。

（構成の詳細な説明） 本発明の送波器は上記変位拡大機構とピストン音響放射
体を有する構成とすることによシ、従来技術の問題点を
改善している◎以下、図面（従って説明する。

第１図は本発明の送波器の一構成例を示したもので、第
１図の送波器の動作原理について詳細に説明する。図に
おいて３１は圧電磁器を用いて構成されるアクティブ柱
状体で、電圧を印加することによシ縦振動を励振するこ
とができるものである◎このアクティブ柱状体は圧電磁
器層と電極とを交互に多数積層した構造とすることが考
えられる＠３２はコ字形ベース、３３はヒンジ、３４は
レバーでアシ、レバー３４の剛体回転ｔ−ＪＬ好に行う
ため、コ字形ベース３２はアクティブ柱状体の縦変位に
関して剛性が大きくなるように設計される。ヒンジ３３
はレバー３４に与える回転そ一メントを大きくするため
に、縦変位＃Ｃ関して比較的剛性が太きく、ｔたレバー
３４が回転しやすいように撓み変位に関しては柔軟であ
るように設計されるべきであるロ一方レバー３４は完全
剛体に近いなど優れていることは言うまでもない０即ち
。

このヒンジ３３とレバー３４は、この原理に基き、アク
ティブ柱状体の縦変位を大きなものに拡大する働きをす
る０変位拡大率は周知の如くほぼアクティブ柱状体３１
から出ているヒンジとコ字形ベース３２から出ているヒ
ンジの距離とコ字形ベースから出ているヒンジとレバー
の出力点との距離の比で決定される。従って、変位拡大
率は幾可学的形状を変えることによシ任意に設定するこ
とができる。

さらに、レバーの出力点における拡大された変位は、連
結棒３５でピストン音響放射体３６に伝達されることに
より、効率の良い音響放射が可能である。

本発明の送波器は、アクティブ柱状体の微少変位が変位
拡大機構を通して音響放射端にシいて大きな変位が出力
され、高効率の音響放射が可能であるという長所を有し
ているが、この他にもレバー３４、ピストン音響放射体
３６の質量をアクティブ柱状体３１側に換算するとその
等価質量がほぼ変位拡大率の２乗倍となるので３４．３
６の実際の質量が小さくとも等価質量を大亀くすること
ができるため著しい低周波化を図る仁とができる。

また１本発明の送波器では、レバー３４やピストン音響
放射体３６の質量は変位拡大率と独立に任意に設定する
ことができるという長所を有しており、これは従来の平
板やシェルそれ自身による変位拡大機構には全くないも
のである。なぜなら、平板やシェルを用いた送波器では
等価質量を増加させる場合、平板やシェルの板厚を増す
方向にもって行かざるを得な−が、この場合剛性が増し
。

かえって共振周波数が上昇するという結果を招くからで
あるロ一方、板厚を薄くした場合は共振周波数が低下す
る反面音響放射に必要な剛性を保持することができなく
なるといりた欠点がある。

なお、第１図の３７はＱ−リングを示しており。

ピストン放射体３６のピストｙ運動を妨げることなく、
またキャビネット３８と滑らかな接触を得るために設け
られたものである。またＫ１図において連結棒３５はレ
バー３４の内側から突き出ておシ、コ字形ベース３２の
傍らを経由してピストン音響放射体３６に連結されてい
る。アクティブ柱状体３１ｔ−構成している圧電セラミ
ックスは張力に対して弱いが圧力に対しては極めて強靭
である０これを勘案して第１図では送波器が静水圧にさ
らされ場合、アクティブ柱状体に圧力が働くような構造
となりている。このような構造とすることによシ、第１
図の送波器は浅深度において、キャビネット３８の内外
の圧力バランスをとらなくとも全く支障なく動作するこ
とができる。

以上、第１図に示したレバー３４の内側から連結棒３５
が出ている構造の送波器について説明したが、レバー３
４の外側から連結棒３５が出ている第２図に示すような
構造の送波器も勿論可能である。との場合、静水圧がピ
ストン音響放射体３６に働いたとき、アクティブ柱状体
３１には張力が働く。しかしながら、浅深度で動作させ
る場合においては、あらかじめアクティブ柱状体にボル
ト等で圧力を加える機構を取り入れることによシ。

この問題を解決することがモきる。深々度で動作させる
場合、圧力バランス構造とする必要があるが、これは第
１図に示した送波器についても同様に必要であることは
言うまでもない◎ （実施例） 本発明の一実施例として、第１図に示した水中超音波送
波器について説明する゛。電気機械結合係数１ｃａａが
０．６１．比誘電率ε３３／ε０が１０８０のジルコン
チタン酸鉛系圧電セラミックスと電極とを交互に積層し
たアクティブ柱状体３１ｔ−作製し。

コ字形ペース３２．ヒンジ３３、レバー３４．連結棒３
５には高張力鋼、ピストン音響放射体３６にはアルミ合
金を用いた。ピストン音響放射体は一辺の長さ４８５に
の正方形状でラシ、この送波器の変位拡大率は５倍とな
っている。また、キャビネットはＦＲＰ製で送波器全体
の重量は４０に９である。次にこの送波器を水面下２０
ｍに沈めて共振周波数を測定したところ３３０Ｈｘｔ−
得たａｔた音響出力１８５ｄＢ　ｒｅ　１μＰａ　ａｔ
　１ｍが容易に得ることができた。

尚、従来のボルト締めランジェバン振動子を用いて共振
周波数が３３０　Ｈｚのハイパワー送波器を実現し二う
とすると、理論的に質量は５ｏｏｈ以上となり実用に供
し得ない。

（発明の効果） 以上詳述したように本発明に従えば小屋、軽量でかつ音
響放射効率の優れた低周波ハイパワー送波器を得ること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図は本発明に従う送波器の一例を示す概略
図、第３図は従来の屈曲トランスジューサを示す図、第
４図は従来の屈曲伸びトランスジニーすを示す図である
。 図において、１０は圧電磁器＆、ｌｌは金属惧、１２は
キャビティ、１３はケース、２０は圧電磁器柱状体、２
１は楕円シェル、３１はアクティブ柱状体、３２はコ字
形ペース、３３はヒンジ、３４はレバー、３５は連結棒
、３６はピストン音響放射体、３７はＯ−リング、３８
はキャビネツう ７１−１　　図 ３１ニアクチモ ３２゛コ字形ベース　　　　　　　　　３６：ピストン
音響放射体３３：ヒンジ　　　　　　　　　　　　　　
３７：０−リング３４ニレバー　　　　　　　　　　　
　　　３日：キャビネット７１−２　　図 ７Ｉ−３図 １ｏ：圧電磁器板 １１：金属板 １２：キャビティ １３：ケース ７ｉ−４図 ２０：圧電磁器柱状体 ２ド楕円シェル 手続補正書鴎式） 事件の表示　　　昭和５９年　特許　願第２５７８４６
号発明の名称　　低周波水中超音波送波器補正をする者 事件との関係　　　　　　　出　願　人東京都港区芝五
丁目３３番１号 ４゜ （連絡先　日本電気株式会社特許部） ６、補正の対象 明細書の発明の詳細な説明の欄 帆　補正の内容 （１）明細書第３頁第１７目から第１４行目においてｒ
Ｒ−８，Ｗｏｏｌｌｅｔｔ、　＠Ｔｒｅｎｄ　ａｎｄ　
Ｐｒｏｂｌｅｍ　１ｎＳｏｎａｒ　Ｔｒａｎｓｄｕｃｅ
ｒ　Ｄｅｓｉｇｎ”＋　ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ、　ｏｎ
Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ、ｐ
ｐ　１１６−１２４　（１９６：Ｌｌｌ）」とあるのを
「アイ・イー・イー・イー・トランプクシ１ン・オン・
ウルトラソニクス・エンジニアリング、１１６頁〜１２
４頁（１９６３年、１１月）に掲載され九アール・ニス
・ウーレットによる論文ソーナー用ト２ンスジェーサの
設計における情勢と問題」（Ｒ，８，Ｗｏｏｌｅｔｔ、
’Ｔｒｅｎｄ　ａｎｄ　Ｐｒｏｂｌｅｍ　ｉｎ　５ｏｎ
ａｒＴｒａｎｓｄｕｃｅｒ　Ｄｅｓｉｇｎ”ｔ　ＩＥＥ
Ｅ　Ｔｒａｎｓ、　ｏｎ　Ｕｌｔｒａ　−５ｏｎｉｃｓ
　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ、　ｐｐ　１１６−１２４（
１９６３，１１）　Ｊと補正する。 （２）明細書第３頁第１７行目から２０行目においてｒ
Ｇ、Ｂｒｉｇｈａｍ　ａｎｄ　Ｂ、Ｇｒａｓｓ、”Ｐｒ
ｅｓｅｎｔ　５ｔａｔｕｓ　１ｎＦｌｅｘｔｅｎｓｉｏ
ｎａｌ　Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
”。 Ｊ、Ａｃｏｕｓｔ、　Ｓｏｃ、Ａｍ、　、　Ｖｏｌ、　
６８．　Ｎｏ、４．ｐｐ　１０４６−１０５２　（１９
８０，１０）　Ｊとあるのを「ザ・ジャーナル・オン・
ジ・アコースティカル・ンサエティ・オン・アメリカ、
６８巻％４号、１０４６頁〜１０５２頁（１９８０年１
０月）に掲載されたジー・ブリガムとビー・グラスによ
る論文屈曲伸びトランスジェーサ技術の現状」（Ｇ、Ｂ
ｒｉｇｈａｍ　ａｎｄ　Ｂ、Ｇｒａｓｓ＊”Ｐｒｅｓｅ
ｎｔ　８ｔａｔｕ４ｉｎ　Ｆｌｅｘｔｅｎｓｉｏｎａｌ
　Ｔｒａｎｓｓｄｕｃｅｒ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ”。 Ｊ、　Ａｃｏｕｓｔ、　８ｏｃ、Ａｍ、　、　Ｖｏｌ、
　６８．　Ｎｏ、　４ｅ　ｐｐ　１０４６−１０５２　
（１９８０，１０）　Ｊと補正する。 代理人　弁理士　内　原　　・晋　、、゛・、・、ン゛

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 圧電磁器を用いたアクティブ柱状体と、このアクティブ
   柱状体をその凹部内に保持するコ字形ベースと、該アク
   ティブ柱状体及びコ字形ベースに対しヒンジを介してそ
   れぞれ接続する２個のレバーと、該レバーに連結棒を介
   して接続するピストン音響放射体とを具備したことを特
   徴とする低周波水中超音波送波器。