JPS62176399A - 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３〜数１０ＫＨｚ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
２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２図に示すように、アルミ合金、チ
タン合金、鋼などの高剛性材料からなるフロントマス２
１、フロントマス２１とリアマス２３の間に配置された
リング状゛圧電セラミックス２２、フロントマス２１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２３及びリング状圧電セラミック２２に圧縮応力を
加える機能を有しＣｒ−Ｍｏ鋼などの高張力合金からな
るボルト２４、ナツト２５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ス２２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。隣接する圧電セラミックリング２２ど
うしは、図中の矢印で示すように互いに反対方向に分極
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
応力に対して弱いため、ボルト２４、ナツト２５であら
かじめ静的なバイアス圧縮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；このような構造のボルト締めランジュバン振動子
において、周知の如く２分の１波長共振モードが用いら
れ、圧電セラミックス２２部分に振動節点があり、応力
は圧電セラミックリング２２及びボルト２４部分に集中
的に働く。

（発明が解決しようとする問題点） 上述したボルト締めランジュバントランスジューサは、
２分の１波長共振を用いているため、形状が同じであれ
ば、共振周波数とトランスジューサの長さとは反比例の
関係にあり、周波数が２分の１になれば長さは２倍とな
る。さらに、このトランスジューサ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
数個配列されたアレイは必然的に低周波において使用さ
れるものほど大型でかつ重いものになる。

このため、近年ボルト締めランジュバントランスジュー
サの小型・軽量化が強く要求されている。

このトランスジューサの小型軽量化をはかる場合には、
圧電セラミックスの断面積に対してフロントマスの［Ｆ
ｔｍ積ヲ太きくしがつ、フロントマスをできるたけ薄く
した方が良い。

しかしながら、フロントマスを薄くするとフロントマス
自身がたわみやすくなり効率の良い音響放射が困難にな
る。一方、このフロントマスの撓みを軽減するためにボ
ルト直径を十分小さくすることが考えられる。即ちボル
トの直径を小さくすればフロントマスに（動く剪断力を
小さくすることができるからである。この剪断力は、圧
電セラミックリングが圧電的に伸縮した場合、ボルトが
圧電セラミックスの伸縮をさまたげようとするために生
ずる。

しかしながら、ボルトの直径を小さくした場合、周知の
如く圧電セラミックリングに十分なバイアス応力を加え
ることは不可能である。このようにボルト締めランジュ
バントランスジューサでもってトランスジューサの小型
・軽量化をはかろうとする場合一定の限界があった。

本発明はこのような照点を解決し、小型軽量で高い音響
放射効率を有するトランスジューサを実現することを目
的とする。

（問題点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を配し、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が設けられ、前記フロン
トマス部分は並進変位の他にボルトとフロントマスとの
接合部、圧電セラミック積層体あるいはこの積層体らフ
ロントマス間に設置される首部とフロントマスとの接合
部の両接合部に基き屈曲変位をし、てこの原理によりフ
ロントマス外縁部分の振動変位を大きくとり、音響放射
効率を高め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、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の例を第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あるいは溝１６が
設けられるとさらに効果的な媒質排除が可能となる。こ
のようなスリットあるいは溝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
あるいは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、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
。

このようにして、本発明では媒質排除量が増せば音響放
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。

また、従来のボルト締めランジュバントランスジューサ
では、フロントマスの部分が剛体並進変位するのみであ
ったが、本発明ではフロントマスの外縁部が剛体回転す
るために、フロントマスに回転慣性が与えられ、小型軽
量のトランスジューサを得ようとする場合には圧電積層
体１３の外径の数倍程度の値に屈曲フロントマス１１の
外径を設定することにより容易に実現することがでる。

（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。まずフロントマスにス
リットが入れられていないトランスジューサについて述
べる。このトランスジューサは、共振周波数が７．８Ｋ
Ｈｚで音響放射面は一辺の長さ１０．５ｃｍの正方形で
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ｅ
３３Ｔ／ｅＯが１０８０のジルコンチタン酸鉛系圧電セ
ラミックスが用いられた。また屈曲フロントマス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＠、首部１７にステン
レススチールが用いられた。トランスジューサの長さは
１３．２ｃｍ、重さは１７３６ｇであった。てこの原理
による変位拡大率の目安は、首部１７の直径に対する屈
曲フロントマスと等しい面積を有する円の直径の比で与
えられる。本実施例のトランスジューサの場合、その比
は３．７である。

尚、その比が３以下の場合は、実験的に、従来のボルト
締めトランスジューサに比べて、音響放射性能に優れた
トランスジューサを得ることはできなかった。

さらに本トランスジューサは、従来のボルト締めランジ
ュバントランスジューサの振動モードであるピストン振
動モードの共振周波数付近にフロントマスの屈曲振動モ
ードの共振周波数がくるようにフロントマスの形状寸法
が求められた。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Ｑ
を測定した。

次にフロントマス１１に幅０．５ｍｍのスリット１６が
形成された水中超音波トランスジューサを作成した。こ
のとき、空中においてトランスジューサの共振周波数は
スリットが形成されていないときに比して７００Ｈｚ低
下した。前記と同様に水中における動作特性を測定した
。従来の７ＫＨｚ帯で使用されているボルト締めランジ
ュバン振動子と比較して第１表に示す。

第１表 本発明のトランスジューサは、従来のボルト締めランジ
ュバントランスジューサと比較して、とくに軽量化に対
して有利であり、また従来のトランスジューサでは水中
におけるＱ値を５以下とするのは困難であったが、本ト
ランスジューサは水中において水との音響インピーダン
スの整合の面で優れているため、広帯域でかつ電気音響
変換効率も高い。本実施例ではスリットの例を示したが
これは溝でもよい。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に比べ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。

（発明の効果） 以上述べた如く、本発明のトランスジューサは音響放射
を行うフロントマス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、軽量でか
つ音響放射効率の優れたトランスジューサを得ることが
できる。

【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は屈曲フロントマス、１
２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または溝、１７は
首部。 第２図は従来のボルト締めランジュバントランスジュー
サを示す図で図において、２１はフロントマス、２２は
圧電セラミックリング、２３はリアマス、２４はボルト
、２５はナツトである。 、じ・

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、フロントマスは並進
   変位の他に、ボルトとフロントマスとの接合部、圧電セ
   ラミック積層体あるいは、この積層体フロントマス間に
   設置される首部とフロントマスとの接合部の両接合部に
   基き屈曲変位をすることを特徴とする水中超音波トラン
   スジューサ。