JPS6143098A - 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】 （発明の産業上の利用分野） 本発明は遠距離ソーナー、海洋資源探査などに使用され
る低周波帯のハイパワー送波器に関するものである。

（従来技術） 水中において低周波の超音波は、高周波に比べて伝搬損
失が少なく、よシ遠方まで致達することができるため、
ン―ナー、海洋資源探査、海流の調査等の分野で低周波
の超音波を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
トランすジー一サと圧電形トランスジューサが知られて
いるり動電形トランスジューサ岐、大きな変位がとシう
る反面発生力が小さいことにより、低周波でＩｊ−型の
トランスジューサを得ることは極めて困難である。これ
に対し圧電形トランスジューサには電気音響変換材料と
してジルコンチタン酸鉛系圧電磁気が用いられてシシ、
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媒質排除（
音響放射）に必要な変位をとることができない■低周波
になるに従い単位放射面積ｓｂ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、圧電磁器の変位をよシ
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り 水中において強力超音波を送波するトランスジューサと
してボルト締めランクエバ／トランスジューサは３ｋＨ
ｚ〜数１０　ｋＨ，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０しかしながら、この
トランスジューサｋ　３　ｋＨｚ以下の低周波で動作さ
せようとする場合、変位拡大機構を持たないために重量
寸法があまルにも大きくなルすぎ実用に供しなくなると
いった欠点を有する。

そこで、低周波で小型化のはかれるトランスジューサと
して、例えばＲ，８＊Ｗｏｏｌｌｅｔｔ、　”Ｔｒｅｎ
ｄａｎｄ　Ｐｒｏｂｒｅｍ　ｉｎ　５ｏｎａｒ　Ｔｒａ
ｎｓｄｕｃｅｒ　Ｄｅｓｉｇｎ。

ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａ　ｏｎ　Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ
ｓ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ。

ｐｐ１１６−１２４（１９６３，１１）に記載されてい
るように、第１図に示す円板の屈曲振動を利用した屈出
形トランスジューサ、あるいはＧ、Ｂｒｉｇｈａｌｎａ
ｎｄ　　１ＬＧｒａｓａ、　　　”Ｐｒｅｓｅｎｔ　　
８ｔａｔｕｓ　　　ｉｎ　　Ｆｌｅｘｔｅ−ｎｓｉｏｎ
ａｌ　Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　
’ｐ　＋Ｌ＾Ｃ０ｕｌｔ＊８ｏｃ、Ａｍ、Ｖｏ１．６８
．　　Ｎｏ、４．　　ｐｐ、１０４６−１０５２（１９
８０，１０）に記載されているように第２図に示す楕円
形をした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０ （従来技術の問題点） 第１図に示した円形平板を用いた屈曲トランスジューサ
は、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、第１図においｃ１０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、１０１１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０また
、１２はキャビティ、１３はハウジングケースであるｏ
しかしながら１０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１１に接着することによっ
てバイモルフ振動子が得られているのが現状である０こ
のため送波器としての媒質排除能力が十分ではなく、ノ
）イバワー送波に′紘適していない。また大面積の圧電
磁器板が得られたとしてもバイモルフ振動子は構造上、
振動子の撓みコンプライアンスがかなル大きくそれｔｌ
ど大きな媒質排除能力は期待されるべくもない０第２図
に示した楕円シェルを用いた屈曲伸びトランスジューサ
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２１が図中の二重矢印で示すように柱状体２
０の数倍の変位で一様収縮する一種の変位拡大機構を有
するトランスジューサである（４分の１部分だけ矢印で
示す）。

圧電磁器柱状体２０の変位が数倍に拡大されてシェル外
表面から超音波が送波され、シェルという構造上バイモ
ルフ円板よ多大きな剛性が得られることから、第１図に
示したトランスジューサに比べてハイパワー送波に優れ
たトランスジ、−サである七されている口しかしながら
、第２図に示した屈曲伸びトランスジ具−サの性能には
楕円シェルの強−形状依存性がある。長径声に比べて短
径ａが、Ｊζさい。換言すれば離心率の大きな扁平な楕
円シェルはど、理論的に蝶音響整合性も良く音響放射効
率も良くなるわけである。ところが、以下に示す理由に
よシ、この楕円形シェルは任意の形状をとることができ
ない◎まず第１に、形状が扁平になるはど応力が曲率の
大きな部分近辺に集中すること０第２に圧電磁器柱状体
や電子機器の収納スベースをとらなければならないこと
による。

このよう力ことから実用上、長径に対する短径の比ａ／
ｂ＠０．３以下にすることは不可能である０従りて、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アシ、仁の部分はせいぜい５
〜７倍の変位が発生するにすぎない◎さらに第２図に示
したようなトランスジューサは双方向性あるいは無視向
性に近い特性を有するものであるため無視向性送波器と
して適しているものの、特定の指向性を持たせたフェイ
ズドアレイ（Ｐｈａｓｅｄ　Ａｒｒａｙ　）や共形アレ
イ（Ｃｏｎｆｏｒｍａｌ　Ａｒｒａｙ　）に応用するこ
とは不可能である〇 （発明の目的） 本発明は、このような従来のトランスジューサの欠点を
除去せしめて、低周波帯において、小型でハイパワー特
性に優れた送波器を提供することにある。

（発明の構成） すなわち本発明は縦振動を励振することのできるアクテ
ィブ柱状体と、ヒンジ部分とベース部分からなる非アク
ティブ柱状体が並列に配置され、これらの両端はヒンジ
を介してレバーと接続してお夕、このレバーの端部には
レバーの変位をさらに拡大するコンベックス形シェルあ
るいはコンケーブ形シェルが形成された構造を具備した
ことを特徴とする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２段変位拡大機構を有する構成と
することによル従来技術の諸問題を解決し忙いる０以下
図面に従って説明する。

８３図はコンペックスシェＡ／を用いた本発明の送波器
の一例を示したもので、　（−１１は正面図、（ロ）は
底面図である０第゛３図の送波器の動作原理について詳
細に説明する・因子おいて３１Ｒ主として圧電磁器リン
グによって構成されるアクティブ柱状体でちゃ、電圧を
印加することによ）縦振動が励振されるものであるロア
クチイブ柱状体３１に並列に配置されている。ヒンジ部
３３，３３′及びベース部３１’からなシ高張力鋼など
の機械的強度の大きな材料からできている非アクティブ
柱状体は、縦変位に対しては相当大きな剛性を有し、撓
み変位に対しては柔軟であるよりに設計される。図の二
重矢印で示すようにアクティブ柱状体がξ１だけ変位す
ると、レバー３４．３４’は内側に角度θだけ回転し、
レバ一端Ｐ、Ｐ′において拡大された変位ξ、が発生す
る■　この場合レバーには十分剛性の大きな材料（たと
えば高張カステンレス鋼）を用いておシ、レバーは＃よ
とんど剛体回転に近い動きを示し、ヒンジ３２，３３あ
るいは３２′、３３′間の距離１２．、　　ヒンジ３３
とＰあるいはヒンジ部 ３３′とＰ′との距離ｔｌｅとすると、幾可学的に拡大
された変位ξ、は １６１眞−１ξｔ　ｌ　　　　　　　　（１１となる＠
例えば６＝３もとするとアクティブ柱状体の変位ξ１に
対し３倍の拡大さ些九変位がＰ。

ＰＩＡにおいて発生するわけである口このとき２との支
点の働きをする非アクティブ柱状体祉、アクティブ柱状
体で励振された縦振動に関する発生力を効率良くレバー
３４．３４’に伝達させるために、縦振動に関する剛性
を前述のように相当大きくする必要がある◎このための
対策の一例として第３図ではベース部分３１′がかなシ
太くなっている。

また、レバー３４．３４’が角度０だけ回転すると、レ
バーに当接するヒンジ３２．　３２＜、　　３３．　３
３’部分も角度θだけ撓み変形をおと、すわけであシ、
柱状体３１．３１’部分に撓みモーメントが発生し、こ
の撓みモーメントが発生し、この撓みモーメントの大き
さはヒンジ３２．　３２’、　　３３．　３３’＋２）
撓みコンプライアンスが小さい＃よど大きい・それと同
時に柱状体３１．３１’及びヒンジ３２，３２’。

３３．３３’からなる系の撓みコンプライアンスが小さ
ければ小さい超どレバー３４，３４’の回転を阻害する
ことになるわけである。従って、ここにおいてヒンジ３
２．　３２’、　　３３．３３’として、縦コンブライ
プンスは少さく、撓みコンプライアンスは大きいヒンジ
（例えに平板状ヒンジ）が好適で、ある、。

さらに、ｐｅ　ｐ’Ａにおいて、ξ２だけコンペックス
シェ＃　３５　＠変位させるとコンベックスシェルの形
状効果によシ、ξ、の搭らに数倍の拡大された変位が図
の二重矢印に示されたように与えられるわけである◎こ
のように２段階の変位拡大機構を有するため、６本発明
のトランスジューサは音響放射面において極めて大きな
変位が与えられ、小型で音響放射・能力の優れたものと
言える０尚、３６はレバー３４ｐ３４ＱＣ設けられた小
突起を示しておりレバーの剛性を向上させるのに有効で
ある０次に、本発明の送波器に使用されるアクティブ、
柱状体の例を第４図に示す０第４図にもとすいてアクテ
ィブ柱状体について詳しく述べる。第４図において４Ｆ
は圧電磁器リングであシ、隣接する圧電磁器リングは互
いに分極方向が逆向きになるように装置され電気的には
並列に接続される。４２はボルト、４３はナツトで圧電
磁器リング４１に静的な圧縮応力を加える働きをする０
その理由は、圧電磁器は圧力に対する機械的強度が大き
い反面、張力に対して脆弱であるため、励振時に圧電磁
器リング４１ｉＣ張力を生じさせないために使用される
ものである。この結果、圧電磁器固有の張力限界の数倍
の駆動が可能となる。このような構造のアクティブ柱状
体は、すべての圧電磁器リング４１内で分極と電界のベ
ク）／ｌ／の方向は、一様に同相あるいは一様に逆相と
なる仁とによシ、全体が一様に伸び縮みを行うことがで
きるわけである。

本発明のコンベックスシェルを用いた他の構成として、
第５図に示すようにアクティブ柱状体３１とベース３１
′、ヒンジ３３，３３′Ｉ５．らなる非アクティブ柱状
体の配列位置を交換して低周波超音波送受波器を構成す
ることもできる０第５図（イ）は正面図、（ロ）は底面
図を示す０第５図においてアクティブ柱状体がξ、だけ
変位すると、非アクティブ柱状体をダこの支点として、
Ｐ点において拡大された変位ξ、が現われる。ヒンジ３
２，３ゴ間の距離ｔｌ、’、ヒンジ３２とＰ点の距離を
／、／とすると。

この場合幾可学的に拡大された変位ξ、はとなる。例え
ばｌ、’＝２１．’とすると、３倍の拡大された変位が
Ｐ点に現われる。さらにコンベックスシェルの形状効果
によルξ、のさらに数倍の拡大された変位が図の２重矢
印で示されたように与えられるわけである。

以上、コンベックス形シェルを用いた本発明に基ずく送
波器の例について説明してきたが、第６図及び第７図に
示すようにコンケーブ形のシェル３５′を用いた超音波
送波器は、二重矢印で示すようにコンベックス形シェル
とは音響放射の際の位相がπだけ異るだけて全く同様の
動作を行うことは明白である。第６図、第７図で３１は
アクティブ柱状体、３１′は非アクティブ柱状体のベー
ス部分、３２．３２’、３３．３３′はヒンジ、３４゜
３４戦レバーである。

（実施ガ） 本発明の」実施例としてコンベックス形シールを用いた
水中超音波送波器について第８図を参照して説明する〇 第３図に示したコンベックス形シェルを用いたトランス
ジューサを肉厚約９−のｐ′＆ｐＲハウジングケース８
１に収納したロトランスジューサとハウジングケースと
６音響的結合を防止し、またレバーの回転運動を妨げな
いようにする目的で、コルク及び合成ゴムを主成分とし
た音響デカップリ、ング材８２がレバーの側面及び底面
に配されている０音響放射を行うコンベックスシェル３
５は曲率半径が外径よりも大きなものが用いられ、ここ
では平面形状は５０ｍＸ４０ａａの長方形としたが、形
状は長方形に限らない０また厚さは１．５〜２．０譚と
したレバー３４，３４’、ヒンジ３２，３２’、３３３
３’及びコンベックスシェル３５状総べて高張力鋼から
できている◎試作トラシスジ−サの空中での共振周波数
は８５０Ｈｚ、質量ｔｉ５２Ｋｆである・アクティブ柱
状休め変位に対しコンベックスシェル−の中央部分では
１２倍の変位が得られている。

なおここではテクティプ柱状体として第４図に示しえよ
うな圧電磁器リングによって構成し九０状にこのトラン
スジューサをハイパワーで駆動し、音響放射端′から１
ｍ離れた点における音圧を測定したところ第９図のよう
な特性を得た０尚、従来のボルト締めランジュバン振動
子を用いて共振周波数が８５０　Ｈｚのハイパワー送波
器を実現しようとすると、理論的に質量は３００に以上
とな）実用忙供し得ない。　　　　゛ （発明の効果） 以上述べ麩ような本発明に基ずく水中低周波送波器の優
れた効果として、アクティブ柱状体の変位に対して音響
放射端においてｎ倍（ｎ＞１）の変位拡大を行うことが
できるわけであるから、音イ員り 響放射端の質量はアクティブ柱状体質に換算するとｎ２
倍とな夛、軽量で低周波のトラシスジー−サが得られる
わけである。即ち、本発明のトランス　　゛ジェーサは
低周波化、小型化、高効率化を同時に、しかも容易に行
うことのできるトランスジューサであると言える。

尚、本発明の送波器において、アクティブ柱状体として
圧電磁器の替シにレアアース元素を成分とする高性能磁
歪材料を用いることも勿論可能であることは言うまでも
カい。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の屈曲トランスジユーサを示す図◎第２図
は従来の屈曲伸びトランスジユーサを示す図、第３図（
イ）、（ロ）はコンベックス形シェルヲ用イた本発明の
送波器の一例を示す図、第４図は本発明の送波器に使用
されるアクティブ柱状体を示す図、第５図はコンベック
スシェルを用いた本発明の送波器の他の構成例を示す図
、第６図、第７図はコンケーブ形シェルを用いた本発明
による送波器の例を示す図、第８図は本発明の送波器の
一実施例を示す図、第９図は本発明の送波器の一実施例
における出力音圧特性図である。 ９忙おいて、１０は圧電磁器板、１１は金属板、１２は
キャビティ：１３はハウジングケース。 ２０は圧電磁器柱状体、２１は楕円シェル、３１はアク
ティブ柱状体、３ｆは非アクティブ柱状体のベース部分
、３２，３２’、３３，３３’はヒンジ、３４．３４’
ａし／（−１ａ５はコンベックス形シェル、３５’ｔｉ
コンケーブ形シエル、３６は小突起、４１は圧電磁器リ
ング、４２はボルト、４３はす一ット、８１はハウジン
グケース、８２は音響デカ、ブリング材、矢印は分極方
向、二重矢印は変位方向會示すロ ア　丁′＼ 、　　　　　　　　代理人弁理士内　原　　晋　　　　
、乎　４　　図 ４３　４１４１４１　ＩＩＩ　４１　＃　４２３６　　
　　３１　　　　　あ 亭　８　　口 Ｄｄ７／９Ｊ日ｐ 手続補正書（自発） ２、発明の名称　　低周波水中超音波送波器３゜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 （４２３）日本電気株式会社 −代表者関本忠弘 ４、代理人 東京都港区芝五丁目３７番８号住友三田ビル（連絡先　
日本電気株式会社特許部） ５、補正の対象 明細書の発明の詳細な説明の欄 ６、補正の内容 ／）明細書第２頁第２行目に「致達」とめるのを「到達
」と補正する。 ♂）明細書＃！２頁第１４行目に「気が」とあるのをＦ
器が」と補正する。 （ン明細書第３頁第１８行目に「屈出形トランスジュー
サ」とあるのを「屈曲形トランスジューサ」と補正する
。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 縦振動を励振することのできるアクティブ柱状体と、ヒ
   ンジ部分とベース部分からなる非アクティブ柱状体が並
   列に配置され、これらの両端はヒンジを介してレバーと
   接続しており、このレバーの端部にはレバーの変位をさ
   らに拡大するコンベックス形シェルあるいはコンケーブ
   形シェルが形成された構造を具備したことを特徴とする
   低周波水中超音波送波器。