JPS62176397A - 無指向性水中超音波トランスジユ−サ - Google Patents
無指向性水中超音波トランスジユ−サInfo
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- JPS62176397A JPS62176397A JP1944586A JP1944586A JPS62176397A JP S62176397 A JPS62176397 A JP S62176397A JP 1944586 A JP1944586 A JP 1944586A JP 1944586 A JP1944586 A JP 1944586A JP S62176397 A JPS62176397 A JP S62176397A
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- acoustic radiation
- piezoelectric ceramic
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Landscapes
- Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
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。
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、水中においてノ１イパワーで超音波を送波す
ることのできる中心軸に対して無指向性の圧電トランス
ジューサに係わるものである。
ることのできる中心軸に対して無指向性の圧電トランス
ジューサに係わるものである。
（従来の技術）
従来、水中において中心軸に対して無指向性の高効率ハ
イパワー超音波トランスジューサとして、第３図に示す
ような円筒状圧電トランスジューサが知られている。こ
のトランスジューサはジルコンチタン酸鉛系圧電セラミ
ックスでできており、円筒の内外面に銀焼き付は電極が
施され、内厚方向に分極がなされている。この円筒状ト
ランスジューサは横効果の径拡がり振動モードが用いら
れ、第３図の矢印で示すように振動子、指向性は中心軸
Ｏ−０°に対して無指向性となる。
イパワー超音波トランスジューサとして、第３図に示す
ような円筒状圧電トランスジューサが知られている。こ
のトランスジューサはジルコンチタン酸鉛系圧電セラミ
ックスでできており、円筒の内外面に銀焼き付は電極が
施され、内厚方向に分極がなされている。この円筒状ト
ランスジューサは横効果の径拡がり振動モードが用いら
れ、第３図の矢印で示すように振動子、指向性は中心軸
Ｏ−０°に対して無指向性となる。
（発明が解決しようとする問題点）
上記円筒状圧電トランスジューサは径拡がり振動モード
で動作するため、円筒の内厚の中心を基準とした直径ｄ
と共振周波数庁とは反比例の関係にあり、このトランス
ジューサに用いられる圧電セラミックスの音速をｃｌと
すれば、ｆ、はｌ ｆ、ニー（１） ｄ で与えられる。即ち、共振周波数が２分の１，３分の１
゜４分の１になれば、直径はそれぞれ２倍、３倍、４倍
となる。
で動作するため、円筒の内厚の中心を基準とした直径ｄ
と共振周波数庁とは反比例の関係にあり、このトランス
ジューサに用いられる圧電セラミックスの音速をｃｌと
すれば、ｆ、はｌ ｆ、ニー（１） ｄ で与えられる。即ち、共振周波数が２分の１，３分の１
゜４分の１になれば、直径はそれぞれ２倍、３倍、４倍
となる。
従って、ある所望の共振周波数を有する円筒状圧電トラ
ンスジューサの設計をする場合、直径が決まってしまう
と他の設計パラメータは圧電セラミックスの音速Ｃ１だ
けとなる。しかしながら圧電セラミックス材料として、
電気機械結合係数の大きなジルコンチタン酸鉛系圧電セ
ラミックスが現在のところ最高の材料でありこの音速は ２８００〜３３００ｍ／ｓｅｃ程度でほとんど材料によ
る差はない。即ち、円筒状圧電トランスジューサの小型
化をはかろうとする場合に、圧電セラミックスの音速だ
けで寸法が決まってしまうことから一定の限界があった
。また、よりハイパワー化をはかろうとすると、圧電セ
ラミックスの引っ張り応力に対する強度は圧縮応力に対
する強度の１０分の１以下と小さいため、圧電セラミッ
クスのこのような特殊な材料強度からくる一定の限界が
あった。
ンスジューサの設計をする場合、直径が決まってしまう
と他の設計パラメータは圧電セラミックスの音速Ｃ１だ
けとなる。しかしながら圧電セラミックス材料として、
電気機械結合係数の大きなジルコンチタン酸鉛系圧電セ
ラミックスが現在のところ最高の材料でありこの音速は ２８００〜３３００ｍ／ｓｅｃ程度でほとんど材料によ
る差はない。即ち、円筒状圧電トランスジューサの小型
化をはかろうとする場合に、圧電セラミックスの音速だ
けで寸法が決まってしまうことから一定の限界があった
。また、よりハイパワー化をはかろうとすると、圧電セ
ラミックスの引っ張り応力に対する強度は圧縮応力に対
する強度の１０分の１以下と小さいため、圧電セラミッ
クスのこのような特殊な材料強度からくる一定の限界が
あった。
本発明は小型でハイパワー送波が可能であり、高い電気
音響変換効率を有する無指向性超音波トランスジューサ
を実現することにある。
音響変換効率を有する無指向性超音波トランスジューサ
を実現することにある。
（問題を解決するための手段）
本発明は、撓み変形が可能な矩形状の音響放射板が正ｎ
角形をなすように配列されたｎ個の音響放射板と、前記
正ｎ角形に配列されたｎ個の音響放射板の中心に配置さ
れる正ｎ角形の剛い柱体と、さらに前記各音響放射板と
前記柱体との間に内部に貫通孔のある圧電セラミック積
層体を配し、前記貫通孔を通して、圧電セラミック積層
体に圧縮応力を加えるボルトを設ける。そして前記ボル
トと前記音響整合板との接点、圧電セラミック積層体か
ら突き出た高強度材からなる首部と前記音響整合板との
接点の両接点をてこの腕として、てこの原理により前記
音響放射板外縁部の振動変位を太きくしたことを特徴と
する水中超音波トランスジューサである。
角形をなすように配列されたｎ個の音響放射板と、前記
正ｎ角形に配列されたｎ個の音響放射板の中心に配置さ
れる正ｎ角形の剛い柱体と、さらに前記各音響放射板と
前記柱体との間に内部に貫通孔のある圧電セラミック積
層体を配し、前記貫通孔を通して、圧電セラミック積層
体に圧縮応力を加えるボルトを設ける。そして前記ボル
トと前記音響整合板との接点、圧電セラミック積層体か
ら突き出た高強度材からなる首部と前記音響整合板との
接点の両接点をてこの腕として、てこの原理により前記
音響放射板外縁部の振動変位を太きくしたことを特徴と
する水中超音波トランスジューサである。
（作用）
本発明のトランスジューサは、音響放射板を正ｎ角形と
なるように放射状にｎ個配し同相で駆動され、中心軸に
対して従来の円筒状圧電トランスジューサと同じく無指
向性のトランスジューサである。本発明のトランスジュ
ーサでは、圧電セラミック積層体とボルトの間に生ずる
剪断力を積極的に利用し、音響放射板に剛体回転を伴う
屈曲振動を励振させることにより、音響放射板の並進変
位と前記屈曲振動を併せた形で効率良く音響放射を行う
ことを特徴としている。
なるように放射状にｎ個配し同相で駆動され、中心軸に
対して従来の円筒状圧電トランスジューサと同じく無指
向性のトランスジューサである。本発明のトランスジュ
ーサでは、圧電セラミック積層体とボルトの間に生ずる
剪断力を積極的に利用し、音響放射板に剛体回転を伴う
屈曲振動を励振させることにより、音響放射板の並進変
位と前記屈曲振動を併せた形で効率良く音響放射を行う
ことを特徴としている。
本発明に従った水中超音波トランスジューサを第１図（
ａ）、 （ｂ）に示す。第１図（ａ）は平面図、第１図
（ｂ）は平面図（ａ）の一点鎖線Ａ−Ａ’における断面
図を示す。
ａ）、 （ｂ）に示す。第１図（ａ）は平面図、第１図
（ｂ）は平面図（ａ）の一点鎖線Ａ−Ａ’における断面
図を示す。
第１図において、１１は屈曲振動を行う音響放射板、１
２は角柱、１３は圧電セラミック積層体、１４はボルト
、１５は圧電セラミック積層体に生じた変位を音響放射
板１１に伝えるヒンジ（首部）である。次に本発明に従
ったトランスジューサの動作原理を第１図に基づいて説
明する。音響放射板１１は圧電セラミック積層体１３が
圧電的に伸びたときに前方に伸ばし出される。しかしな
がら、ボルト１４は圧電的に伸ばされないので、圧電セ
ラミック積層体１３の伸びを妨げようとする力が生ずる
。この反力はボルト１４の直径が大きいほど大きくなる
。このようにして音響放射板１１に剪断力が生じ、音響
放射板が撓むわけである。音響放射板１１が撓むと、圧
電セラミック積層体より外側にある放射板部分と内側に
ある放射板部分では位相が互いに逆相となる。本発明に
従ったトランスジューサでは、音響放射板の中央部と外
縁部で振動変位の位相が逆相となっても、この音響放射
板１１の外縁部分の媒質排除量（体積速度）が、音響放
射板１１の内側部分の媒質排除量より圧倒的に大きけれ
ば、全体としての媒質排除量は相当なものになる。さら
に本音響放射板１１はこの他に圧電セラミック積層体の
伸びによる剛体並進変位が加わるため、最終的には破線
ａ−ａ’からｂ−ｂ′のように変位を行い、媒質排除能
力は一層向上するわけである。
２は角柱、１３は圧電セラミック積層体、１４はボルト
、１５は圧電セラミック積層体に生じた変位を音響放射
板１１に伝えるヒンジ（首部）である。次に本発明に従
ったトランスジューサの動作原理を第１図に基づいて説
明する。音響放射板１１は圧電セラミック積層体１３が
圧電的に伸びたときに前方に伸ばし出される。しかしな
がら、ボルト１４は圧電的に伸ばされないので、圧電セ
ラミック積層体１３の伸びを妨げようとする力が生ずる
。この反力はボルト１４の直径が大きいほど大きくなる
。このようにして音響放射板１１に剪断力が生じ、音響
放射板が撓むわけである。音響放射板１１が撓むと、圧
電セラミック積層体より外側にある放射板部分と内側に
ある放射板部分では位相が互いに逆相となる。本発明に
従ったトランスジューサでは、音響放射板の中央部と外
縁部で振動変位の位相が逆相となっても、この音響放射
板１１の外縁部分の媒質排除量（体積速度）が、音響放
射板１１の内側部分の媒質排除量より圧倒的に大きけれ
ば、全体としての媒質排除量は相当なものになる。さら
に本音響放射板１１はこの他に圧電セラミック積層体の
伸びによる剛体並進変位が加わるため、最終的には破線
ａ−ａ’からｂ−ｂ′のように変位を行い、媒質排除能
力は一層向上するわけである。
以上、本発明に従ったトランスジューサの動作原理の概
略について述べたが屈曲変位拡大機構は、ボルト１４と
音響放射板１１との接点、圧電セラミック積層体１３か
ら突きでた高強度材料（たとえば鉄、チタン）からなる
ヒンジ１５との接点、つまりこの二つの接点の間をてこ
の腕としててこの原理を用いている。従って、音響放射
板１１の外縁部で振動変位を著しく拡大することができ
る。なおヒンジ１５は必ずしも必要でない。
略について述べたが屈曲変位拡大機構は、ボルト１４と
音響放射板１１との接点、圧電セラミック積層体１３か
ら突きでた高強度材料（たとえば鉄、チタン）からなる
ヒンジ１５との接点、つまりこの二つの接点の間をてこ
の腕としててこの原理を用いている。従って、音響放射
板１１の外縁部で振動変位を著しく拡大することができ
る。なおヒンジ１５は必ずしも必要でない。
このような本発明では、媒質排除量が増やせば音響放射
も増大することにより、高効率ハイパワーのトランスジ
ューサを達成することができる。尚、長さが大きな音響
放射板を本トランスジューサに用いる場合、外縁部分に
おいて第２図に示すような補強部２１を設けると、音響
放射板の剛体回転モードにおける剛性が増しさらに慣性
質量も増大するので低周波小型化に大いに寄与すること
は言うまでもない。第２図（ａ）は音響放射板１１の平
面図、（ｂ）は正面図である。
も増大することにより、高効率ハイパワーのトランスジ
ューサを達成することができる。尚、長さが大きな音響
放射板を本トランスジューサに用いる場合、外縁部分に
おいて第２図に示すような補強部２１を設けると、音響
放射板の剛体回転モードにおける剛性が増しさらに慣性
質量も増大するので低周波小型化に大いに寄与すること
は言うまでもない。第２図（ａ）は音響放射板１１の平
面図、（ｂ）は正面図である。
従来の円筒状トランスジューサでは、トランスジューサ
の直径が決まると一意的に共振周波数が決まってしまう
ため、小型化をはかることが困難であったが、本発明に
従ったトランスジューサでは、音響放射板に回転慣性が
備わっており、小型のトランスジューサを得ようとする
場合には、ヒンジ間隔を音響放射板の数分の１に小さく
とり、あるいはまた第２図に示したような補強部を設け
ることにより、容易に実現することができる。
の直径が決まると一意的に共振周波数が決まってしまう
ため、小型化をはかることが困難であったが、本発明に
従ったトランスジューサでは、音響放射板に回転慣性が
備わっており、小型のトランスジューサを得ようとする
場合には、ヒンジ間隔を音響放射板の数分の１に小さく
とり、あるいはまた第２図に示したような補強部を設け
ることにより、容易に実現することができる。
（実施例）
本発明の一実施例として第１図に示す水中超音波トラン
スジューサについて説明する。第１図に示すトランスジ
ューサは外径寸法が１１．５ｃｍで高さは１２ｃｍであ
る。圧電セラミック積層体１３の圧電セラミックスとし
て電気機械結合係数に３３が０．６１、比誘電率８３３
Ｔｌε０が１０８０のジルコンチタン酸鉛系セラミック
スが用いられた。音響放射板１１にＡ１合金、柱体１２
にステンレススチール、ボルト１４にＣｒ−Ｍｏ剛、ヒ
ンジ１５に同じ＜ Ｃｒ−Ｍｏ剛を用いた。このトラン
スジューサをゴムブーツで被覆し水密を保持して、電気
音響変換効率、比帯域幅の測定を行い、結果を同一外形
寸法の円筒状トランスジューサと比較して第１表に示す
。電気音響変換効率と比帯域幅がともに改善されている
のが判かる。また同じ共振周波数の従来の円筒状トラン
スジューサ゛と比べると体積で約半分以下の小型になる
。
スジューサについて説明する。第１図に示すトランスジ
ューサは外径寸法が１１．５ｃｍで高さは１２ｃｍであ
る。圧電セラミック積層体１３の圧電セラミックスとし
て電気機械結合係数に３３が０．６１、比誘電率８３３
Ｔｌε０が１０８０のジルコンチタン酸鉛系セラミック
スが用いられた。音響放射板１１にＡ１合金、柱体１２
にステンレススチール、ボルト１４にＣｒ−Ｍｏ剛、ヒ
ンジ１５に同じ＜ Ｃｒ−Ｍｏ剛を用いた。このトラン
スジューサをゴムブーツで被覆し水密を保持して、電気
音響変換効率、比帯域幅の測定を行い、結果を同一外形
寸法の円筒状トランスジューサと比較して第１表に示す
。電気音響変換効率と比帯域幅がともに改善されている
のが判かる。また同じ共振周波数の従来の円筒状トラン
スジューサ゛と比べると体積で約半分以下の小型になる
。
なお音響放射板はその面積はこれを円形にしたときその
直径がヒンジの約３倍から１００倍程が望ましい。また
音響放射板の屈曲振動の周波数は並進振動の周波数の約
０．５倍から１．５倍程度が望ましい。
直径がヒンジの約３倍から１００倍程が望ましい。また
音響放射板の屈曲振動の周波数は並進振動の周波数の約
０．５倍から１．５倍程度が望ましい。
（発明の効果）
以上述べた如く本発明に従ったトランスジューサでは、
音響放射を行う音響放射板の並進変位のみならず屈曲変
形に伴う剛体回転変位を積極的に利用しているため、電
気音響変換効率の優れたトランスジューサである、また
従来の同じ共振周波数の円筒状トランスジューサに比べ
て著しい小型化を達成することができる。
音響放射を行う音響放射板の並進変位のみならず屈曲変
形に伴う剛体回転変位を積極的に利用しているため、電
気音響変換効率の優れたトランスジューサである、また
従来の同じ共振周波数の円筒状トランスジューサに比べ
て著しい小型化を達成することができる。
第１図（ａ）、（ｂ）は本発明に従った水中超音波トラ
ンスジューサの例を示す図で（ａ）は平面図、（ｂ）は
新面図、第２図（ａ）、（ｂ）は本発明のトランスジュ
ーサに使用される音響放射板の一例を示す図で（ａ）は
平面図、（ｂ）は正面図、第３図は従来の円筒状圧電ト
ランスジューサである。 図において、１１は音響放射板、１２は柱体、１３は圧
電セラミック積層体、１４はボルト、１５はヒンジ、２
１は補強部、３０は円筒状圧電セラミックトラオ １
図 升２図
ンスジューサの例を示す図で（ａ）は平面図、（ｂ）は
新面図、第２図（ａ）、（ｂ）は本発明のトランスジュ
ーサに使用される音響放射板の一例を示す図で（ａ）は
平面図、（ｂ）は正面図、第３図は従来の円筒状圧電ト
ランスジューサである。 図において、１１は音響放射板、１２は柱体、１３は圧
電セラミック積層体、１４はボルト、１５はヒンジ、２
１は補強部、３０は円筒状圧電セラミックトラオ １
図 升２図
Claims (1)
- 撓み変形が可能な矩形状の音響放射板が正ｎ角形をな
すように配列されたｎ個の音響放射板と、前記正ｎ角形
に配列されたｎ個の音響放射板の中心に配置される正ｎ
角形の剛い柱体と、さらに前記各音響放射板と前記柱体
との間に配置される内部に貫通孔のある圧電セラミック
積層体と、前記圧電セラミック積層体に設けられた貫通
孔を通して、圧電セラミック積層体に圧縮応力を加える
ボルトとを備え、ボルトと前記音響放射板との接合部、
圧電セラミック積層体又は該積層体から突き出た高強度
材からなるヒンジと前記音響放射板との接合部の両接合
部をてこの腕として、てこの原理により前記音響放射板
外縁部の振動変位を生じせしめることを特徴とする水中
超音波トランスジューサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1944586A JPS62176397A (ja) | 1986-01-30 | 1986-01-30 | 無指向性水中超音波トランスジユ−サ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1944586A JPS62176397A (ja) | 1986-01-30 | 1986-01-30 | 無指向性水中超音波トランスジユ−サ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS62176397A true JPS62176397A (ja) | 1987-08-03 |
| JPH0441879B2 JPH0441879B2 (ja) | 1992-07-09 |
Family
ID=11999505
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1944586A Granted JPS62176397A (ja) | 1986-01-30 | 1986-01-30 | 無指向性水中超音波トランスジユ−サ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS62176397A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH02238799A (ja) * | 1989-03-13 | 1990-09-21 | Nec Corp | ソーナー用送受波器 |
| JP2011077631A (ja) * | 2009-09-29 | 2011-04-14 | Nec Corp | 音響トランスデューサ |
| US8570836B2 (en) | 2010-05-17 | 2013-10-29 | Nec Corporation | Acoustic transducer |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS49129492A (ja) * | 1973-04-11 | 1974-12-11 | ||
| JPS6118299A (ja) * | 1984-07-04 | 1986-01-27 | Nec Corp | ボルト締めランジュバン振動子 |
-
1986
- 1986-01-30 JP JP1944586A patent/JPS62176397A/ja active Granted
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS49129492A (ja) * | 1973-04-11 | 1974-12-11 | ||
| JPS6118299A (ja) * | 1984-07-04 | 1986-01-27 | Nec Corp | ボルト締めランジュバン振動子 |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH02238799A (ja) * | 1989-03-13 | 1990-09-21 | Nec Corp | ソーナー用送受波器 |
| JP2011077631A (ja) * | 2009-09-29 | 2011-04-14 | Nec Corp | 音響トランスデューサ |
| US8565043B2 (en) | 2009-09-29 | 2013-10-22 | Nec Corporation | Acoustic transducer |
| US8570836B2 (en) | 2010-05-17 | 2013-10-29 | Nec Corporation | Acoustic transducer |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0441879B2 (ja) | 1992-07-09 |
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