JPS62176398A - 広帯域水中超音波トランスジユ−サ - 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、水中においてハイパワーで超音波を送波する
ことのできる広帯域圧電形トランスジューサに係わるも
のである。

（従来の技術） 従来、水中において数ＫＨｚ〜数十ＫＨｚの周波数帯で
ハイパワー送波が可能な超音波トランスジューサとして
、第３図に示すようなボルト締めランジュバントランス
ジューサが知られている。このボルト締めランジュバン
トランスジューサは、第３図に示すようにＡ１合金、Ｔ
ｉ合金、鋼などの高剛性材料からなるフロントマス３１
、フロントマス３１とリアマス３３の間に配置されたリ
ング状圧電セラミック３２、フロントマス３１と同様に
ステンレススチール等の高剛性材料でできたリアマス３
３、及びリング状圧電セラミック３２に圧縮応力を加え
る機能を有しＣｒ−Ｍｏ鋼などの高張力鋼からなるボル
ト３４、ナツト３５によって構成されており、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。こ
こでリング状圧電セラミック３２は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低機械結合係
数が得られる縦効果振動モード（３３モード）が用いら
れる。隣接する圧電セラミックリング３２どうしは、図
中に矢印で示すように互いに逆方向に分極処理が施され
、電気的に並列に接続することによりパワーアンプとの
整合がはかられている。また、一般に圧電セラミックス
は圧縮応力に比べて引っ張り応力に対して脆弱であるた
め、ボルト３４とナツト３５であらかじめ静的なバイア
ス応力が加えられており、ハイパワ一時においても十分
使用に耐える構造となっている。尚、このようなボルト
締めランジュバントランスジューサは、周知の如く２分
の１波長共振モードが用いられる。

（発明が解決しようとする問題点） 通常このボルト締めランジュバントランスジューサは、
音響放射面がピストン振動を行うように設計製造されて
いる。従来のボルト締めランジュバントランスジューサ
に働く振動応力はほとんど大部分リング状圧電セラミッ
クスとボルト部分に加わり、フロントマス３１、リアマ
ス３３はピストン並進変位を行うのみであった。即ち、
音響放射を行うフロントマスは、圧電セラミックで発生
した変位と同じだけ変位をするわけで、この変位は一般
に小さく、音響放射面からトランスジューサをみた入力
機械インピーダンスは、水を媒質とする音響放射インピ
ーダンスに比べてかなり大きい。このため水とトランス
ジューサとの間で音響インピーダンスの不整合が生じ、
トランスジューサの帯域幅が制限されるという整置があ
った。

従ってボルト締めランジュバントランスジューサ３ｄＢ
比帯域幅を２０％以上とすることは困難であった。

本発明は高い電気音響変換効率を有する広帯域水中超音
波トランスジューサを実現することを目的としている。

（問題を解決するための手段） 本発明は、フロントマスとリアマスとの間に、内部に貫
通孔のある圧電セラミック積層体が配置され、前記圧電
セラミック積層体に設けられた貫通孔に圧電セラミック
積層体に圧縮応力を加えるボルトが設けられ、前記フロ
ントマス部分において外縁部から中心部分にかけてスリ
ット又は溝が形成され、さらにスリット又は溝により分
割されたそれぞれ相対向するフロントマス部分の慣性質
量を等しくかつ、スリット又は溝を介して隣接するフロ
ントマス部分の慣性質量を互いに異ならしめて広帯域化
をはかった水中超音波トランスジューサである。

（作用） 本発明は、従来のボルト締めランジュバントランスジュ
ーサとは逆に、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、あらかじめ溝あるいはス
リットが形成されたフロントマスの剛体回転を伴う屈曲
振動を励振させることにより、フロントマスの並進変位
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。同図（ａ）は正面図、同図（ｂ）
は断面図である。第１図において、１１は屈曲振動を行
うフロントマス、１２はリアマス、１３は圧電セラミッ
ク積層体、１４はボルト、１４′　　はボルトヘッド、
１５はナツト、１６はスリット、１７は圧電セラミック
積層体に生じた変位をフロントマス１１に伝える首部で
ある。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。フロントマス１１は、圧電セ
ラミック積層体１３が圧電的に伸びた場合、前方に押し
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が伸びたとき、
逆にボルト１４内に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
径が大きいほどそれだけ大きくなる。このようにして結
局フロントマス剪断力が生じ、フロントマスが撓むわけ
である。フロントマス１１が撓むと、圧電セラミック積
層体より外側にあるフロントマス部分と内側にあるフロ
ントマス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、フロントマスの
中央部と外縁部で振動変位の位相が逆相になっても、こ
の屈曲フロントマス１１の外縁部分の媒質排除量が、屈
曲フロントマス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。さらに本屈曲フロントマス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、媒質排序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につ
いて述べたが、第１図に示すようにフロントマス外縁部
から中心部分に向かうようにスリット１６又は溝が設け
られると効果的な媒質排除が可能となる。スリット１６
を設けることにより、ボルトとフロントマスとの接点、
圧電セラミック積層体から突き出た首部１７とフロント
マスとの接点、つまりこの二つの接点の間をてこの腕と
して、てこの原理により、首部１７より外側にあるフロ
ントマス部分を剛体回転させることで、フロントマス外
縁部で振動変位を著るしく拡大することができるわけで
ある。さらにこのようなスリットを設けることにより、
スリット１６で分割された各部分フロントマスの慣性質
量を任意に設定することができる。慣性質量を設定する
手段として、分割された部分フロントマスの質量の配分
を変えること、部分フロントマスの形状を変えること、
首部１７とフロントマスの接点の位置を変えることが考
えられ、いずれも容易に実現可能なものである。この場
合注意しなければならないことは、トランスジューサの
中心軸に対して非対称な慣性質量の配分をしないことで
ある。フロントマスの慣性質量の配分が中心軸に対して
非対称となった場合、非軸対称振動が励振され、音響放
射に悪影響をもたらす。そのため、本発明のトランスジ
ューサでは、スリットにより分割された各相対向する部
分フロントマスの慣性質量を等しくしている。このよう
に、本発明のトランスジューサでは、隣接する部分フロ
ントマスの慣性質量を異ならせることにより、帯域内に
複数の共振周波数をもつ多重共振系のトランスジューサ
となっており、このため広帯域化を容易に達成すること
ができる。本発明のトランスジューサは従来の単−共振
系であるボルト締めランジュバントランスジューサとは
本質的に異るトランスジューサであると言える。

このように本発明のトランスジューサでは、てこの原理
に基づき媒質排除量を増大させ、かつ多重共振系となっ
ていることにより広帯域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、音響放射面が完全な正方形のフロントマスであって
も、首部１６とフロントマスとの接点を、第２図に示す
ように中心軸からの距離の設定を変えることにより、隣
接する部分フロントマスの慣性質量を異らせることがで
き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
ューサ中心周波数は７ＫＨｚで、音響放射面は長辺が１
４．５ｃｍ短辺が９．５ｃｍの矩形である。圧電セラミ
ック積層体に用いた圧電セラミックスは電気機械結合係
数に３３が０．６１、比誘電率８３３Ｔ／Ｃｏが１０８
０のジルコンチタン酸鉛系セラミックである。

７ｏ７）マス１１にＡ１合金、リアマス１２にステンレ
ススチール、ボルト１４及びナツト１５にＣｒ−Ｍｏ剛
、首部１７にＣｒ−Ｍｏ剛が用いられた。またフロント
マス１１には幅０．４ｍｍのスリット１６が形成された
。

次にこのトランスジューサを水密性ハウジングに実装し
、電気音響変換効率、水中における３ｄＢ比帯域幅を測
定した。結果を７ＫＨｚに共振を有するボルト締めラン
ジュバントランスジューサと比較して第１表に示す。第
１表本トランスジューサと従来のボルト締めランジュバ
ントランスジューサとの比較 従って、本トランスジューサはボルト締めランジュバン
トランスジューサと並ぶ高効率を有し、かつ広帯域化が
達成されている。

この実施例ではスリットの例を示したが溝であってもほ
ぼ同程度の効果が得られた。なお、フロントマスはその
屈曲振動の共振周波数が並進振動の共振周波数の０．５
倍から１．５倍程度が望ましい。

またフロントマスの形状は首部の直径に対して８〜１０
倍程度の円又はこの円と等しい面積を有する形状までが
望ましい。また３倍以下だと有効でない。

（発明の効果） 以上述べた如く、本発明に従うと、高効率でかつ広帯域
の水中超音波トランスジューサが得られ工業的価値も多
大である。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）、（ｂ）は本発明に従った水中超音波トラ
ンスジューサを示す図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は断
面図である。図において、１１はフロントマス、１２は
リアマス、１３は圧電セラミック積層体、１４はボルト
、１４′　　はボルトヘッド、１５はナツト、１６はフ
ロントマスに形成されたスリット、１７は首部、破線ａ
−ａ′及びｂ−ｂ’　はフロントマスの振動変位を示す
。 第２図は本発明に従ったトランスジューサに使用される
正方形状のフロントマスを示す図。 第３図は従来のボルト締めランジュバントランスジュー
サを示す図。図において、３１はフロントマス、３２は
圧電セラミックリング、３３はリアマス、３４はボルト
、３５はナツトを示す。 第２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　フロントマスとリアマスとの間に、内部に貫通孔のあ
   る圧電セラミック積層体が配置され、前記圧電セラミッ
   ク積層体に設けられた貫通孔に圧電セラミック積層体に
   圧縮応力を加えるボルトが設けられ、前記フロントマス
   部分において外縁部から中心部分にかけてスリット又は
   溝が形成され、さらにスリット又は溝により分割された
   それぞれ相対向するフロントマス部分の慣性質量を等し
   くしかつスリット又は溝を介して隣接するフロントマス
   部分の慣性質量を互いに異ならしめて広帯域化をはかっ
   たことを特徴とする水中超音波トランスジューサ。