JPS6143099A - 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外Ｗり３ 本発明は遠距離ソーテー、海洋資源探査などに使用され
る低周波（主として３ｋＨｚ以下）１帯で送波能力１８
０　ｄＢ　ｒｅ　１μＰｍ以上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−て低周波の超音波は高周波に比べて堺搬損界
が少なく、より遠方まで到達することができるため、ソ
ーテー、海洋資源探査、海流の調査等や分野で低周波の
超音波を利用することは数々の長所がある。従来から水
中忙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ＥｊＥｌｍ　）ランスジューサが知ら
れている。動電形トランスシュ、−サは、大きな変位が
とりうる反ｍＨｔ＋力が小さいことによル、低周波で小
型のト２イスジエーサを得ることは徹めて困難である。

これに対し圧電形トランスジユ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器瀘用いられてお
り、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）Ｋ必要り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忙は、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。

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ジュバントランスジューサは３ｋＨ
ｚ〜数１０ｋＨｚ　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。

しかしガからこのトランスジューサを３ｋｌｌｚ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りにも大きく々多すぎ実用に
供り、ｆｉくなるといつ苑欠点を有する。

そこで、低周波で小型化のはかれるトランスジューサと
１．７て、例えばＲ，８，Ｗｏｏｌｌｅｔｔ、“Ｔｒｅ
ｎｄａｎｄ　Ｐｒｏｂｒｅｍ　ｉｎ　８ｏｎａｒ　Ｔｒ
ａｎｓｄｕｃｅｒ　Ｄｅｓｉｇｎ、”１１ｉｊＥＥ　Ｔ
ｒａｎｓ、　ｏｎ　Ｕｌｔｒａｓｏｎｌｃｓ　Ｅｎｇｉ
ｎｅｅｒｉｎｇ。

ｐｐＨ６−１２４（１９６’３．１１）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曲
形）ランスジューサ、あるいはＧ、Ｂｒｉｇｈａｍ　ａ
ｎｄＢ、Ｇｒａａｓ、“Ｐｒｅｓｅｎｔ　８ｔａｔｕｓ
　ｌｎ　ＦｌｅｘｔｅｎｓｉｏｎａｌＴｒａｎｓｄｕｃ
ｅｒ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ”、　ＪｅＡｃｏｕｓｔ＋
８ｏｃ、　Ａｍ。

Ｖｏｌ−６８，Ｎｏ−４，ｐｐ−１０４６−１０５２（
１９８０，１０）に記載されているように第２１ｉＪＫ
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。

（従来技術の問題点） 第阜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セルフ振動子を送波器に用い
たもので、第１図においてｌＯはジルコンチタン酸鉛系
圧電磁器板、１１はニッケル、ステンレススチーク々ど
の金属板で鼠り、１０．１１でバイモルフ振動子を構成
［７、）（２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）−ウジングケー
スである。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彦いことから、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Ｋ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。このため送波器とじ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
圧電磁器板が碍子の撓みコンプライアンスがか々シ矢き
くそれなど大きな媒質排除能力は期待されるべく本ない
。

第２図に示した槽内シェルを珀い九屈曲伸びトランスジ
ューサは圧−磁器柱状体２０ｊ＾−′方向型矢印で示す
ようｔｔｃｍ状体２０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；、：
（４４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一
送波されミシエ゛ルという構造上バイモルフ円板よプ大
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”Ｋ比べて・・イパワー送波ｔｔｃｉｈたトラ
ンスジーサであるとされている。□しかし逐から、第２
図に示した屈曲伸びトランメジー−サの性能には楕円シ
王ルの強い形状依存−が返る。長径ｔｋ比゛ぺて短径ａ
が小さい、換言すれば離心率の大き々扁平□な楕円シェ
ルはど、理論的には音響整合性も良く音響放射効率も良
く々るわけである。ところが不幸にして、以下にボ′ｒ
−由により、この楕円形シエ゛ルは任意の形状をとるこ
とができないわけである。

まず第１Ｋ、形状が扁平になるほど応力が曲′率の大き
゛な部分ｊ−に集中すること。第２に圧□電磁器柱状体
や電子□゛機暮収納スペースをとら力ければならな（い
ビとによる二こめよう゛たことから実用上、長径に対す
る゛短径め比ａ　／　ｂを０．３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゛
しそ楕円シェルの最大に変位する部分゛は短軸の゛部分
であり、この部分はせいぜい５〜７倍；ア贅位か発生す
るにすぎない。゛さらに第２図に示したよう表トランス
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名も
のの、特定の１向性を持たせたフェイズドアレイ（Ｐｈ
ａｓｅ’ｄ’　Ａｒｒａｙ）や共形アレイ（Ｃｏｎｆｏ
ｒｍａｌ　Ａｒｒａｙ）　Ｋシーするととは不可能゛で
ある。

（発明の目的） 本発明は、このような従来のトランメーサ−サの欠点を
除去せしめて、低周波数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・εとｋある。

（発明の構成） 本発明は縦振動を勤皇すること９できる＄１のアクティ
ブ柱状体と、このアクティブ柱状体と変位が逆向きにな
るように榊成虐れた餉２のアクティブ柱状体が並列に配
置され、これらのナクテイブ柱状体の両端轄ヒンジを介
してレバーと接続し°ておｉ、さらにレバ一端部にレバ
ーの変位をさらに拡大するコンベックス彰シェルあるい
はコシケープ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。

（構成の詳細擾説明） 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
するととｋよシ従来技術の間龜点を改善している。以下
図面に従って説明する。

第３図はコンベックスシェルを珀いた本発明の（ロ）は
底面図である。第３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３．１　、３１’は圧電磁器
リングによって構成され□るアクティブ柱状体で一方の
柱状体が伸びたとき、もう一方の柱状体が縮むよう表変
位をするように１磁器の分極方向、電気端子の砲り方が
工夫されているもので□　ある。ここでｉ、簡−の為ア
クティブ柱状体３１゜３１′は全く同一のものとし、発
生変位もともに等クチイブ柱状体３１．３１’がξ、だ
け変位するとし゛バー３４．３４’は内側に角−〇だけ
回転しレバ一端Ｐ、Ｐ’点において拡大され九変位ξ！
が発生する。

えば高張力ヘテし・＝鋼）を用いておシ　Ｌ／　／＜　
−ははとんど剛体ｍｔｉ；、ＶＣ近い動きを示し、ヒン
ジ３２．３３あるいは３２’、　：ｌ　３’間の距離ｔ
Ｊｓ、ヒンジ３３どＰ、あるいはヒンジ３３′とＰ′と
の距離をｌ！とすると、幾何学的に拡大された変位ξｔ
Ｆｉ２１ｔ＋ｌｌ。

聞−ｍ−１ξ１１０．、　　　　（Ｌ）となり、例えば
１．　＝　ｊ、　　どすると３播め拡＊′１′れた変位
がＰ　、　Ｐ’点において発生するわけである。

さらＫ　Ｐ　、　Ｐ’点に訃いてξ、だけコシペッ゛ク
メシ゛エル３５を変位させるとコンベックスシェルの形
状効果によりξ＊Ｉ／ｅ比べてさらに数倍の−”大され
た変位が図の二重矢印に示されたように与え゛ら゛れ為
゛わけである。このように曇゛段階の変位拡大機構を有
するため本発明の）う／ス”ジエーサは音響放射−にお
いて極めて大き壜変゛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。今、簡単の丸め同一形状
の柱状体３１　、３１”を用いｔ説゛明したが、柱状体
の形状が簀々りそれセれの柱萩体の出力変位が異なって
いても本発明゛のト２′ｙス゛ジニーサの動作には支障
が力いａとは言うまでもな仏。

また、３６はレバーに設′け蔦れ鼻゛小突起を示してお
りレバーの剛性を向上するのに゛有妬であ°□る二□尚
、３４．３４’が角度０だけ自転す為と、レバーに’当
接するヒンジ３２，３２’、３３，３３’−分も角度０
だけ撓本変形をおこすわけ゛であり、柱状体３１．３１
’部分に撓みそ−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’　の撓み
゛□コンー／′２イアンスが小さい嫌ど大きい。従って
ピンクを一計す６鳩合、たてコンプライアンスはあ“る
”程度小さ“く、撓み゛コンプライアンスは大きいピン
ク（例えば手板状ヒンジ）を用いた方が食い。

さらに、本発明の送波器に使用するアクティブ柱状体の
例を第４図に示す。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ｃ′４１は
圧電磁器リングであり隣接する圧電磁器り／グは互いに
分□極方向が逆向きに澄るよ′うに配−され電気的には
並列に接続される。４゛２はポぶド、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。その理由社、圧電磁器は圧力に対する機械的強度
が大きい反゛−１張力に対しては麿ｉである九め、励振
９時に圧電ｉ”器リング４ｉＫ張力を生じさせないため
に使用□されるものでああ。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壜る。このよう樫
構造のアクティブ柱状体は、すべての圧電磁器リング４
１内で分極と電界のベクトルの方向は同相あるいは逆相
であることにより、全体が一様に伸び縮みを行うことが
できるわけである。

第４図に示すアクティブ柱状体をペアで用いて、一方が
伸びたとき他方が縮むよ２な動きを与える場合には、第
５図（ａ）＃　（ｂ）のような、構成にすれば良い。第
５図（１）Ｋ示すように、二つの柱状体の分極方向が全
く同じであれば゛絶−リング４４を入れて直列に結線す
れば゛良い。また、二つのアクティブそのまま並列に結
線すｋば良いわけである。

つ込て説明してきたが、第６図（イ）、（ロ）Ｋ示すよ
うにコツケープ形のシェル３５′を用いた一波器は、二
重矢印で示すようにシンニ・クス形シ霊ルλは音響放射
のさいの位相が・だけ誓るだｉで、全く同様の動作を行
う゛ことは明白モある。′ここで３１゜３１′はアクテ
ィブ柱状体、３２．３２’、３３，３３’はヒンジ、３
４．３４’はレバーである。

（実施例） 本発明の一実施例としてコンベックス形シェルを用いた
水中超音波送波器にりいて第７図を参照して説明する。

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
ジューサを肉厚的９Ｃ１ｌのＰＲ，ｐＨｌｉハウジング
ケース７１に収納し、トランスジューサとノ＼ウジング
との音響的な結合を防止しまたレバーの回転運動を妨げ
ないために１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７２がレバーの側面及び底面に配されて
いる。音響放射を行うコンベックスシェルは曲率半径が
外径よりも大きなものが用いられ、この場合は平面形状
が５００ＲＸ　４　、Ｑ　ｃＩＬの長方形としたが、形
状はこれ匹限らかい。また厚みは１．５〜２．０傷とし
た。レバー、とンヒ及ヒコンペツクδシェルはすべて高
張力鋼、からできている。このトランスジューサの卒中
での共振周波数は８５０　Ｈｚ、質量５８−である。ア
クティブ柱状体の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、グ暫用いた
ものを使用した。

し、音響放射端から１−離れ、些ところの音圧を測定し
たところ第８図のような特性を得た。尚、従来のボルト
締めランシュでン岬動子を用いて共、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ａｔは３００ＫＰ以十とカリ（発明の効果）　　　
　　　　一 本発明では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．　）　Ｑ変位竺大！
行量はアクティブ柱状体側に、換算するとｎ！倍となり
、である・即ち・１本発明のト、２″′ジ予−＝は低周
波化、小型化、高効率、化を同時Ｋ１、しかも容易忙行
うことのできるトランスジューサであると官長る。

尚、本発明の送波器において、アクティブ柱状体として
圧電磁器の替りにレアアニス元素を成分とする高性能磁
歪材料を用いることも勿ｉ可能でやること蝶言うまで、
も々い。

【図面の簡単な説明】

警１図は従来の屈曲トランスジューサを示す図、第２図
は従来の屈、呻伸びトランスジューサを示す図’、ｐ３
甲（イ）、（ロ）はフンペックス形シェルを用−い次本
発、！の送波器の一例を示、す図、＃！４図は本発明の
送波器に使用されるアクティ、プ柱状体の例を示す図、
第５図はアクティブ柱状体の構成を示す図、８６図（イ
）、（ロ）Ｆｉコンケープ形シエ／ｌ／を用い９た本発
！の送波器の例を示す図、第７図は本舛明Ｐ−波、器０
一実施例を示す図・第８図は本発明ｆ送波器の出力音圧
特性を示す図である。 図において、１０Ｆｉ圧電磁器板、１１は金属板、１２
はキャビティ、１３はノ＼ウジング４−ス、子０は圧電
磁器柱状体、２１は楕円シェル、３１．３１’はアクテ
ィブ柱状体、３２．３２’、３３，３３’　は［ンジ、
３４，３４′はレバー、３５はコンベックス形シェル、
３’５’はコンケープ形シェル、３６は小突起、４１は
圧電磁器リング、４２＃ｉボルト、４３はナツト、４４
は絶縁リング、７１Ｆｉハウジングケーδ、７２ｔｊ音
響デカツプリング材、矢印は分極方向、２重矢印は変悴
方向。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 縦振動を励振することのできる第１のアクティブ柱状体
   と、このアクティブ柱状体と変位が逆向きになるように
   構成された第２のアクティブ柱状体が並列に設置され、
   これらのアクティブ柱状体の両端はヒンジを介してレバ
   ーと接続しており、さらにレバー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。