JPS6118299A - ボルト締めランジュバン振動子 - 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、水中超音波トランスジューサ番こ用いられる
ボルト締めランジ−パン振動子に係わり、特にアクティ
ブソーナーに利用されるトランスジューサに関するもの
である。

（従来技術） ボルト締めランジュバン振動子は第１図に示すように、
アルミ合金、チタン合金などの高剛性材ら 料かｌなり音響放射を行うヘッドマス１１　、ヘッドマ
ス１１とリアマス１３の間に配置されたリング状圧電セ
ラミック１２．フロントマスと同様ζこステンレススチ
ール等の高剛性材料からなるリアマス１３゜及びリング
状圧電セラミック１２に正確応力を加える機能を有する
高張力鋼からなるボルト１４．ナツト１５によって構成
されている。この振動子は、あらかしめ大きな圧縮応力
が加えられる構造となりているため、圧電セラミック固
有の張力強度の数倍の強度が得られるため、ハイパワー
駆動が可能であるという大きな特徴を有している。隣接
するリング状圧電セラミック１２どうしは第１図の矢印
に示すように長手方向に互いに反対方向に分極処理が施
され、横効果縦振動モード（３１モード）に比べてはる
かに大きな電気機械結合係数が得られる縦効果縦振動モ
ード（３３モード）が用いられる。

これらのリング状圧電セラミ、り１２は、パワーアンプ
によって駆動されやすいように電気的に並列に接続され
る。尚、このような構造のボルト締めランジュバン振動
子においては、周知の如く２分の１波長共振モードが用
いられ、リング状圧電セラミックス１２部分に振動節点
が存在する。第１図においてへラドマス１１の音響放射
端から振動節点までの距離４　及び振動節点からリアマ
ス端面までの距離ｌ′ｏはそれぞれ実効的な４分の１波
長である。

（従来技術の問題点） 上述した水中超音波ドランスジー−サに用いられるボル
ト締めランジュバン振動子は、所望の指向性を得るため
に通常多数個配列されて用いられ、このように多数個配
列された振動子アレイは必然的に大型でかつ極めて重い
ものになるため、最近ボルト締めランジ−パン振動子の
小型、軽量化が強く要求されている。ボルト締めランジ
ュバン振動子の小型、軽量化をはかる最も有効な手段と
して、弁上等により、日本電子通信学会超音波研究会Ｕ
Ｓ８３−５８．ｐｐｉ７−２４　１水中超音波トランス
ジユーサの小型軽量化のための検討」と題された論文に
よりヘッドマスの厚さノ、を小さくすることがもっばら
なされている。しかしながら、ヘッドマスの厚さ１１を
薄くして行くと、確かに小型軽量化がはかられるが、ヘ
ッドマス１１が第１図の点線で示したように屈曲振動を
行うようｌこなる。

ヘッドマス自身が屈曲振動を行うと、ヘッドマス中心部
と周辺部で振動変位が異り、はなはだしくは中心部と周
辺部で位相が異り、もはやビ″ストン放射面とはみなさ
れなくなり、音響放射効率が著しく劣化するといった致
命的な問題がある。従って、従来ヘッドマスの厚さをむ
やみに薄くすることはできす、ボルト締めランジ−パン
振動子の小型軽量化をはかる場合、このヘッドマスの屈
曲振動が最大の障害となっていた。

（発明の目的） 本発明はボルト締めランジ−パン振動子の小型軽量化と
ともにハイパワー化を達成させるためになされたもので
ある。

（発明の構成） ゛本発明はリング状圧電セラミックと、この前後にそれ
ぞれ配置されるヘッドマス及びリアマスと、これらを結
合するボルトとを備えたボルト締めランジュバン振動子
において、ヘッドマス中夫部に孔部が形成され、該孔部
に前記ボルトと結合したサブヘッドマスが設置されてお
り、ヘッドマスと方向は除く）をなす面で接しており、
当該軸対称な面の中心軸方向から見たときのリング形状
又は正多角形リング形状の厚みの中心部分が形成する形
の面積を８１とし、前記リング状圧電セラミックの厚み
の中心部分が形成する円の面積をＳ！とするとき、 ＋　８　ｔ　　≦　８．　　＜　　８゜とすることを特
徴とするボルト締めランジュバン振動子である。　　　
　　　゛ （本発明の作用原理） 水中超音波トランスジューサ用ボルト締めランジ−パン
振動子の小型軽量化をはかるためには、　　゛材料面で
はへラドマス材料はＡＪ金合金ように軽量でかつ剛性の
大きな材料でなければならないが、形状面ではヘッドマ
スを従来のものより相当薄くする必要がある。しかしな
がら第１図に示した従来のボルト締めランジュバン振動
子では、ヘッドマスに加わる撓みモーメントのため、ヘ
ッドマス自身が屈曲振動を行い、中心部と周辺部分では
大幅に振動振幅が異り、はなはだしく、は位相が互いを
こ１８０°　異なるといった悪影響がある。

第２図に、ヘッドマスに働く撓みモーメントを解明する
ための第１図に示した振動子前半部の物環モデルを示す
。第２図において、Ｆはヘッドマス１１＃こ働く剪断力
、凡、は圧電セラミックリンク１２の平均半径、Ｙ−Ｙ
’は解析のために設けた音響放射面に平行な直線、矢印
は剪断力の方向、ＰＱはへラドマス１１と圧電セラミッ
クリング１２の力の作用点、Ｐ’　（＝Ｑ’　）はへラ
ドマス１１とボルト１４の力の作用点を示す。第２図に
示した物理モデルについて、ヘッドマスの屈曲振動の原
因となる撓みモーメントについて考察する。圧電セラミ
、夕部分が電圧を印加され圧電逆効果によって伸びた場
合、ボルト部分は圧電性をもたないわけであるから、ヘ
ッドマスを介して強制的に伸ばされる。このとき第２図
に示した方向に力Ｆか働き、ヘッドマスζこは合計２Ｒ
，Ｆなる撓みモーメントが発生する。圧電セラミ、マス
が圧電逆効果により縮んだ場合は、第２図と全く逆向き
の剪断力が働き全く逆向きの撓みモーメントが発生する
。この剪断力を小さくするためには、当然のことながら
剛性の小さなボルトを用いれば良いわけであるが、リン
グ状圧電セラミック部分に必要かつ十分な圧縮応力を供
給しなければならないため、ボルトの剛性を小さくする
ためには一定の限界がある。

本発明のへラドマスの屈曲振動を抑圧する原理は、剪断
力Ｆを十分小さくすることが困難であるが、モーメント
の腕の長さを小さくすることにより、撓みモーメントを
小さくすることにある。従来の第１図に示すような従来
の振動子ではモーメントの腕の長さは相当大きなものに
なっており、撓みモーメントもモーメント腕の長さに比
例して大きくなっている。

即ち、モーメント腕の長さを十分小さくできるような振
動子の形状が与えられれば、ヘッドマスの屈曲振動変位
は小さくなるわけである。次に、撓みモーメントを小さ
くした本発明のボルト締めランジュバン振動子のヘッド
マス周辺部分の構造の例を第３図に示す。

第３図において、３１はサブヘッドマス、３２はサブヘ
ッドマスに設けられた小穴起部であり、リング状圧電セ
ラミ、り１２＠からみた小突起はこの場合実効半径Ｒ，
の軸対称な円を形成し、ヘッドマス１１に接している。

本発明の構造では（Ｈｔ−Ｒ＋）がモーメント腕の長さ
となるが、鴇−４１・１を十分小さくすることができる
ため、ヘッドマスの′屈曲微動を抑圧することができる
わ・けである。尚、第３図においてタブヘッドマスがへ
ラドマスと接する小突起部分が形成するリング状図形を
円であるとしたが、正方形、正五角形、正六角形などの
正多角形であっても同じ効果が得られることは言うまで
もない。

（実施例） 以下本発明の実施例について図面を参照して詳細に説明
する。第４図に本発明の一実施例を示す断面図で、第４
図においてｌ。は音響放射端から振動節点までの実効的
４分の１波長、１１はへラドマスの厚さを示す。ここで
はｌ、　／ｌｌ０＝　０．２とした。第４図の振動子は
共振周波数１２ｋＨｚヘッドマス音蓄放射断゛面積が３
６ｍ、圧電セラミックの実効半径Ｒ１が形成する円の面
積Ｓ、は６．１６ｍ（＝πＲ孟）である。また、第４図
においてサブヘッドマス３１の小突起が形成する面積８
１（＝πＨ＋、）を種々変えていったとき、ヘッドマス
の音響放射面の共振周波数１２ｋＨｚ　　における変位
分布を外縁部を１と規準化して第５′ｒ！！Ｊに実線で
示Ｔ、ｆた第４図と、外見は全く同じ形状を有する第１
図に示すような従来の振動子のへラドマスの変位分布を
第５図に点線で示Ｔ０第５図においてｙは中心軸からの
距離、ξは規準化された変位を示す。従来の振動子では
、ヘッドマス中心付近の変位が負になっているが、これ
はヘッドマス周辺部の変位に対して位相が１８０°逆転
していることを示すものである。本発明のような構造を
有する振動子であっても８１／８．　＞１であれば破線
（８＋　／　８ｔ　＝　１．１　）で示すようにサブヘ
ッドマス自身の屈曲振動が励振されサブヘッドマス中心
部分とへラドマス外周部分とは位相が１８０°異ってし
まい、実用上の長所は半減する。菫た８１／８．　＜０
．５においてもヘッドマス自身の屈曲振動を十分に抑圧
することができない。

尚、以上の実施例においてへラドマスはすべてＡＩＪ合
金、圧電セラミ、りとしてジルコン・チタン酸鉛系圧電
セラミックス、ボルトとして高張力鋼、サブヘッドマス
としてＡＡ金合金用いた。

ボルト締めランジュバン振動子の小型軽量化をはかる場
合、ヘッドマス゛を薄肉化する必要があるが、従来の構
造であればヘッドマス自身が屈曲し、そのため音響放射
端における媒質排除量が激減し。

良好な音響放射が不可能になるといった欠点を有してい
た。本発明に従ったボルト締めランジュバン振動子では
、ヘッドマスの屈曲振動を抑圧して良好な音響放射が可
能である。

また、サブヘッドマス３１の外径がセラミックリングの
実効直径２Ｒ，とほとんど等しい場合は本発明の条件に
従う限り第６図に示したように小突起を設けなくとも良
好な音響放射を行うことができる。さらに、サブヘッド
マスとボルトが一体化されていても本発明の効果はいさ
さかも阻害されることはないことは言うまでもない。

（発明の効果） 以上述べた如く、本発明に従ったボルト締めランジュバ
ン振動子は小型、軽量化かつハイパワー化に優れており
、従来の振動子の性能を大幅に凌駕するものであり工業
的価値も甚大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のボルト締めランジュバン振動子の概略図
、第２図はボルト締めランジュバン振動子の前半部物理
モデルを示す図、第３図は本発明のボルト締めランジュ
バン振動子のへラドマス周辺部分を示す図、第４図は本
発明の一実施例を示す振動子の概略図、第５図は共振時
におけるヘッドマス音響放射面の変位分布を示す図、第
６図は本発明の他の一実施例を示す図である。 図において、１１はへラドマス、１２は圧電セラミック
ス、１３はリアマス、１４はボルト、１５はナツト。 ３１はサブヘッドマス、３２は小突起。 第１図 Ｙ′ 第２図 鵞５図 罵　６　図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 リング状圧電セラミックと、この前後にそれぞれ配置さ
   れるヘッドマス及びリアマスと、これらを結合するボル
   トとを備えたボルト締めランジュバン振動子において、
   ヘッドマス中央部に孔部が形成され、該孔部に前記ボル
   トと結合したサブヘッドマスが設置されており、ヘッド
   マスとサブヘッドマスは少なくとも当該振動子の中心軸
   と直角又は直角以外の所定の角度（当該所定の角度は中
   心軸と平行方向は除く）をなす面で接しており、当該軸
   対称な面の中心軸方向から見たときのリング形状又は正
   多角形リング形状の厚みの中心部分が形成する形の面積
   をＳ＿１とし、前記リング状圧電セラミックの厚みの中
   心部分が形成する円の面積をＳ＿２とするとき、 １／２Ｓ＿２≦Ｓ＿１≦Ｓ＿２ とすることを特徴とするボルト締めランジュバン振動子
   。