JPS6313498A - 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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- JPS6313498A JPS6313498A JP15641286A JP15641286A JPS6313498A JP S6313498 A JPS6313498 A JP S6313498A JP 15641286 A JP15641286 A JP 15641286A JP 15641286 A JP15641286 A JP 15641286A JP S6313498 A JPS6313498 A JP S6313498A
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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）
本発明は広帯域で無指向性を有するハイパワー水中超音
波トランスジューサに関するものである。
波トランスジューサに関するものである。
（従来技術）
従来、無指向性を有するトランスジューサとして、周知
の如く第３図に示すようなラジアルモードで動作する円
筒状圧電セラミックトランスジューサが広く用いられて
いる。第３図に示すトランスジューサは、内外表面に銀
あるいは金焼きつけ電極３１．３２が形成され、この電
極３１．３２間に直流高電界を加えて矢印に示す如く、
肉厚方向に放射状に分極処理が施されている。このトラ
ンスジューサは電気端子３３．３４から交流電圧を印加
することによシ、直径が一様に伸縮する、所謂径拡がシ
振動モード（ラジアル・エクステンショナル・モード）
で中心軸Ｏ−θ′に関して二重矢印で示すように円筒の
外表面から無指向性の音響放射が行われる。
の如く第３図に示すようなラジアルモードで動作する円
筒状圧電セラミックトランスジューサが広く用いられて
いる。第３図に示すトランスジューサは、内外表面に銀
あるいは金焼きつけ電極３１．３２が形成され、この電
極３１．３２間に直流高電界を加えて矢印に示す如く、
肉厚方向に放射状に分極処理が施されている。このトラ
ンスジューサは電気端子３３．３４から交流電圧を印加
することによシ、直径が一様に伸縮する、所謂径拡がシ
振動モード（ラジアル・エクステンショナル・モード）
で中心軸Ｏ−θ′に関して二重矢印で示すように円筒の
外表面から無指向性の音響放射が行われる。
（発明が解決しようとする問題点）
従来の円筒状圧電セラミックトランスジューサは、中心
軸に対して無指向性の音響放射を行うことができるが、
以下のような問題点がある。
軸に対して無指向性の音響放射を行うことができるが、
以下のような問題点がある。
第３図から明らかな如く、従来のトランスジー−サはす
べて圧電セラミックスからできている。
べて圧電セラミックスからできている。
圧電セラミックスは密度が約８．ＯＸ １０”ｋｇ／ｍ
”で、掻払がシモードに関係する音速が３０００〜３５
００ｍ／ｓｅｃであるため、固有音響インピーダンス（
密度と音速の積で定義される）が２４Ｘ１０’〜２８Ｘ
１０’Ｍ Ｋ Ｓ ｒａｙｌｓと媒質である水の固有音
響インピーダンスの２０倍近くあり極めて大きい。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
のミスマツチングが生じ、得られる帯域幅は１５パーセ
ントからせいぜい３０％と制限されたものになる。従り
て、例えば従来のトランスジューサをソーナーシステム
に用いた場合、狭帯域特性のためにパルスの尾引きが長
くなり距離分解能が劣化するといった欠点があった。一
般に、パルスの尾引きの小さなコンパクトなパルス応答
特性を得ようとすると広帯域のトランスジューサが必要
不可決なものとなる。円筒状圧電セラミックトランスジ
ー−サはおいて広帯域のものを得ようとする目的で、水
とのインピーダンス整合を改善するためにはトランスジ
ューサの機械インピーダンスを小さくすること（これは
音響放射面積当たシのトランスジューサの質量を小さく
することに相当する）が必要であシ、従来肉厚を薄くす
ることが専ら行われてきた。しかしながら、トランスジ
ューサの肉厚を薄くすると圧電セラミックスの加工が難
かしくなること、及び機械的強度が著るしく劣化するこ
とによシ、ハイパワー音響放射が不可能となるといった
問題があった。
”で、掻払がシモードに関係する音速が３０００〜３５
００ｍ／ｓｅｃであるため、固有音響インピーダンス（
密度と音速の積で定義される）が２４Ｘ１０’〜２８Ｘ
１０’Ｍ Ｋ Ｓ ｒａｙｌｓと媒質である水の固有音
響インピーダンスの２０倍近くあり極めて大きい。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
のミスマツチングが生じ、得られる帯域幅は１５パーセ
ントからせいぜい３０％と制限されたものになる。従り
て、例えば従来のトランスジューサをソーナーシステム
に用いた場合、狭帯域特性のためにパルスの尾引きが長
くなり距離分解能が劣化するといった欠点があった。一
般に、パルスの尾引きの小さなコンパクトなパルス応答
特性を得ようとすると広帯域のトランスジューサが必要
不可決なものとなる。円筒状圧電セラミックトランスジ
ー−サはおいて広帯域のものを得ようとする目的で、水
とのインピーダンス整合を改善するためにはトランスジ
ューサの機械インピーダンスを小さくすること（これは
音響放射面積当たシのトランスジューサの質量を小さく
することに相当する）が必要であシ、従来肉厚を薄くす
ることが専ら行われてきた。しかしながら、トランスジ
ューサの肉厚を薄くすると圧電セラミックスの加工が難
かしくなること、及び機械的強度が著るしく劣化するこ
とによシ、ハイパワー音響放射が不可能となるといった
問題があった。
本発明の目的は、広帯域で高効率の音響放射特性を有し
、かつハイパワー送波が可能な無指向性トランスジュー
サを実現することである。
、かつハイパワー送波が可能な無指向性トランスジュー
サを実現することである。
（問題を解決するための手段）
本発明に従ったトランスジューサの基本構成は、掻払が
り振動モードで動作する圧電セラミック円筒振動子と、
一方向にのみ繊維が配された繊維強化複合材料からなる
シートからなシ、該繊維強化複合材料でできたシートは
該圧電セラミック円筒振動子の円周方向に、繊維の方向
が円筒の中心軸に一致するように１被覆したものである
。また、必要に応じて炭素繊維、ガラス繊維あるいはア
ラミド繊維を該繊維強化複合材料シートの上から強く巻
きつけても良い。即ち、本発明に従りたトランスジュー
サは、圧電セラミック円筒振動子とその上に多重に巻か
れた中心軸方向に対する剛性の太き々繊維強化複合材料
からなるシートが一体となって一様な掻払がシ振動モー
ドで動作する無指向性の水中超音波トランスジューサで
ある。
り振動モードで動作する圧電セラミック円筒振動子と、
一方向にのみ繊維が配された繊維強化複合材料からなる
シートからなシ、該繊維強化複合材料でできたシートは
該圧電セラミック円筒振動子の円周方向に、繊維の方向
が円筒の中心軸に一致するように１被覆したものである
。また、必要に応じて炭素繊維、ガラス繊維あるいはア
ラミド繊維を該繊維強化複合材料シートの上から強く巻
きつけても良い。即ち、本発明に従りたトランスジュー
サは、圧電セラミック円筒振動子とその上に多重に巻か
れた中心軸方向に対する剛性の太き々繊維強化複合材料
からなるシートが一体となって一様な掻払がシ振動モー
ドで動作する無指向性の水中超音波トランスジューサで
ある。
（作用）
本発明に従った無指向性のハイパワー水中超音波トラン
スジューサの代表的な一例を第１図に示す。第１図に示
したトランスジューサの斜視図において、１１．１１’
は円筒状圧電セラミック振動子であシ、２１は円筒の中
心軸方向に繊維が配列された繊維強化複合材料でできた
シートを振動子１１ 、１１’の外表面に有機接着剤を
介して多重に巻きつけたものである。振動子１１．１１
’は従来の第３図に示した円筒状圧電セラミックトラン
スジューサと同様に掻払がシ振動を行い、１１と１１’
は同相で駆動される。効率的な音響放射を行うために、
繊維強化複合材料シートからなる円筒１２は、振動子１
１ 、１１’と一体となって掻払がシ振動モードで撮動
することが必要不可決である。トランスジューサが一様
な掻払がシ振動をするために、円筒１２は中心軸Ｏ−０
′方向に関する剛性が極めて大きいことが望まれる。本
トランスジニーサに用いる繊維強化複合材料からなるシ
ート２１は第２図に示すように、繊維の方向（矢印で示
す）が円筒の中心軸に一致するように（第２図の２軸）
配列されなければならない。また、円筒状圧電セラミッ
ク振動子１１．１１’に巻きつけやすいように、第２図
のＸ軸方向に対しては可撓性のある方がトランスジュー
サを作製しやすい。このような材料として、ガラス繊維
強化複合材料（Ｇ−ＦＲＰ）。
スジューサの代表的な一例を第１図に示す。第１図に示
したトランスジューサの斜視図において、１１．１１’
は円筒状圧電セラミック振動子であシ、２１は円筒の中
心軸方向に繊維が配列された繊維強化複合材料でできた
シートを振動子１１ 、１１’の外表面に有機接着剤を
介して多重に巻きつけたものである。振動子１１．１１
’は従来の第３図に示した円筒状圧電セラミックトラン
スジューサと同様に掻払がシ振動を行い、１１と１１’
は同相で駆動される。効率的な音響放射を行うために、
繊維強化複合材料シートからなる円筒１２は、振動子１
１ 、１１’と一体となって掻払がシ振動モードで撮動
することが必要不可決である。トランスジューサが一様
な掻払がシ振動をするために、円筒１２は中心軸Ｏ−０
′方向に関する剛性が極めて大きいことが望まれる。本
トランスジニーサに用いる繊維強化複合材料からなるシ
ート２１は第２図に示すように、繊維の方向（矢印で示
す）が円筒の中心軸に一致するように（第２図の２軸）
配列されなければならない。また、円筒状圧電セラミッ
ク振動子１１．１１’に巻きつけやすいように、第２図
のＸ軸方向に対しては可撓性のある方がトランスジュー
サを作製しやすい。このような材料として、ガラス繊維
強化複合材料（Ｇ−ＦＲＰ）。
炭素繊維強化複合材料（０−ＦＲＰ）が好適である。
第２図に示したこのような複合材料からなるシート２１
は、円周方向に関しては繊維が入っていないため、径振
動モードに関してマトリックスとなっているプラスチッ
クスの音速となる。これは圧電セラミックスの音速よシ
かなう小さい。
は、円周方向に関しては繊維が入っていないため、径振
動モードに関してマトリックスとなっているプラスチッ
クスの音速となる。これは圧電セラミックスの音速よシ
かなう小さい。
従って、掻払がシ振動モードに関して、本発明に従って
円筒１２をＧ−ＦＲＰあるいは０−ＦＲＰとしたトラン
スジューサは、従来の圧電セラミック円筒単体でできた
トランスジューサよシ寸法が小さく実現できることにな
り、小型化の点で有利となる。さらに、本発明に従った
トランスジューサは単位音響放射面積当シの実効的な質
量が従来のトランスジー−サよシ相当小さくなるので、
水との音響インピーダンス整合が著るしく改善され、広
帯域のトランスジューサが実現できる。
円筒１２をＧ−ＦＲＰあるいは０−ＦＲＰとしたトラン
スジューサは、従来の圧電セラミック円筒単体でできた
トランスジューサよシ寸法が小さく実現できることにな
り、小型化の点で有利となる。さらに、本発明に従った
トランスジューサは単位音響放射面積当シの実効的な質
量が従来のトランスジー−サよシ相当小さくなるので、
水との音響インピーダンス整合が著るしく改善され、広
帯域のトランスジューサが実現できる。
周知の如く、圧電セラミックスは張力に対して脆く、圧
縮力に対し強い、このため、ハイパワートランスジュー
サを実現するためＫは圧電セラミックスに圧縮バイアス
応力をかけて使用した方が有利となる。本発明に従った
トランスジューサでは、円筒状圧電セラミック振動子１
１ 、１１’の外側に複合材料シートをある程度の張力
を伴って巻きつけるが、このとき振動子１１．１１’に
一定の最適なバイアス応力を量産時において安定して与
えることは難かしい。この対策として必要に応じてガラ
ス愼維、炭素繊維あるいはアラミド繊維を、円筒１２の
表面に巻きつけることによって、圧電振動子１１ 、１
１’に圧縮応力を供給することは極めて有効である。
縮力に対し強い、このため、ハイパワートランスジュー
サを実現するためＫは圧電セラミックスに圧縮バイアス
応力をかけて使用した方が有利となる。本発明に従った
トランスジューサでは、円筒状圧電セラミック振動子１
１ 、１１’の外側に複合材料シートをある程度の張力
を伴って巻きつけるが、このとき振動子１１．１１’に
一定の最適なバイアス応力を量産時において安定して与
えることは難かしい。この対策として必要に応じてガラ
ス愼維、炭素繊維あるいはアラミド繊維を、円筒１２の
表面に巻きつけることによって、圧電振動子１１ 、１
１’に圧縮応力を供給することは極めて有効である。
（実施例）
本発明に従ったトランスジューサの一実施例を同じく第
１図に示す。第１図において１１ 、１１’は円筒状圧
電セラミック振動子で内外面に銀焼きつけ電極が形成さ
れている。この電極を用いて直流高電界（４ＫＶ／ｍｍ
）を１００℃の油中で印加することによって分極処理が
なされ、機動子１１ 、１１’は周知の如く横効果３１
モードで掻払がシ振動を行う、この場合、振動子１１
、１１’は同相で駆動される。
１図に示す。第１図において１１ 、１１’は円筒状圧
電セラミック振動子で内外面に銀焼きつけ電極が形成さ
れている。この電極を用いて直流高電界（４ＫＶ／ｍｍ
）を１００℃の油中で印加することによって分極処理が
なされ、機動子１１ 、１１’は周知の如く横効果３１
モードで掻払がシ振動を行う、この場合、振動子１１
、１１’は同相で駆動される。
１２は中心軸Ｏ−０′方向に炭素繊維を配した０−ＦＴ
ＬＰ円筒であシ１．厚さ０．５ｍｍの０−ＦＲＰシート
を５重に巻いたものである。この場合、圧電振動子１１
、１１’に圧縮応力が加わるように、０−ＦＲＰシー
トの内側にエポキシ系接着剤を塗布して、シートに張力
を加えながら強固に巻かれている。従って、円筒１２は
中心軸Ｏ−０′方向に関する撓み変形に対しては高い剛
性を示し、円筒状圧電セラミック振動子の掻払がシ振動
モードに呼応して、トランスジューサ全体として二重矢
印で示す如く、一様な掻払がシ振動モードで振動するこ
とができるわけである。さらに、本実施例においては、
振動子１１ 、１１’は一様な圧縮バイアス応力を加え
て、動作時の機械的強度を増大させる目的で、円筒１２
の外表面をガラス繊維で緊密に巻いた。
ＬＰ円筒であシ１．厚さ０．５ｍｍの０−ＦＲＰシート
を５重に巻いたものである。この場合、圧電振動子１１
、１１’に圧縮応力が加わるように、０−ＦＲＰシー
トの内側にエポキシ系接着剤を塗布して、シートに張力
を加えながら強固に巻かれている。従って、円筒１２は
中心軸Ｏ−０′方向に関する撓み変形に対しては高い剛
性を示し、円筒状圧電セラミック振動子の掻払がシ振動
モードに呼応して、トランスジューサ全体として二重矢
印で示す如く、一様な掻払がシ振動モードで振動するこ
とができるわけである。さらに、本実施例においては、
振動子１１ 、１１’は一様な圧縮バイアス応力を加え
て、動作時の機械的強度を増大させる目的で、円筒１２
の外表面をガラス繊維で緊密に巻いた。
本実施例における円筒振動子１１ 、１１’は全く同一
形状のもので、肉厚は５ｍｍ、高さは３重Ｍである。
形状のもので、肉厚は５ｍｍ、高さは３重Ｍである。
本トランスジューサの高さは１２備、外径は１０ｆｆｉ
である。本実施例のトランスジューサは、周知の如く、
トランスジューサの上下面をＰＲＰ円板で菱をして、ネ
オブレ／ゴムで全体をモールドすることにより水密を保
持することができ、この状態で、中心周波数９．５ＫＨ
ｚで動作し、送波及び受波感度においていずれも４０％
を超える比帯域幅を実現することができる。さらに、本
トランスジューサが、振動子１１．１１’に対してバイ
アス応力印加機構を有すること、及び水との音響整合が
向上したことにより、トランスジューサ単位質量当たり
の音響放射パワーにおいて、従来の円筒状圧電セラミッ
クトランスジー−サを大きく上まわることが可能である
。
である。本実施例のトランスジューサは、周知の如く、
トランスジューサの上下面をＰＲＰ円板で菱をして、ネ
オブレ／ゴムで全体をモールドすることにより水密を保
持することができ、この状態で、中心周波数９．５ＫＨ
ｚで動作し、送波及び受波感度においていずれも４０％
を超える比帯域幅を実現することができる。さらに、本
トランスジューサが、振動子１１．１１’に対してバイ
アス応力印加機構を有すること、及び水との音響整合が
向上したことにより、トランスジューサ単位質量当たり
の音響放射パワーにおいて、従来の円筒状圧電セラミッ
クトランスジー−サを大きく上まわることが可能である
。
（発明の効果）
以上詳述した如く、本発明に従えば広帯域でかつハイパ
ワー特性に優れた水中超音波トランスジューサを提供す
ることができる。
ワー特性に優れた水中超音波トランスジューサを提供す
ることができる。
第１図は本発明に基づく無指向性円筒状トランスジュー
サの例を示す図。第２図は本発明のトランスジューサに
用いる繊維強化複合材料を示す図。 第３図は従来の無指向性円筒状圧電セラミックトランス
ジューサを示す図。 図において、 １１．１１’は円筒状圧電セラミック
振動子、１２は繊維強化複合材料でできたシートを多重
に巻いてなる円筒、ｏ−ｏ’は円筒の中心軸、２１は複
合材料でできたシート、３１．３２は電極、３３．３４
は電気端子である。 第１図 第２図 第３図
サの例を示す図。第２図は本発明のトランスジューサに
用いる繊維強化複合材料を示す図。 第３図は従来の無指向性円筒状圧電セラミックトランス
ジューサを示す図。 図において、 １１．１１’は円筒状圧電セラミック
振動子、１２は繊維強化複合材料でできたシートを多重
に巻いてなる円筒、ｏ−ｏ’は円筒の中心軸、２１は複
合材料でできたシート、３１．３２は電極、３３．３４
は電気端子である。 第１図 第２図 第３図
Claims (2)
- （１）圧電セラミック円筒振動子と、一方向にのみ繊維
が配された繊維強化複合材料からなるシートを備え、該
繊維強化複合材料でできたシートは、該圧電セラミック
円筒振動子の外周面にその繊維方向が円筒振動子の中心
軸に一致するように被覆されていることを特徴とする無
指向性水中超音波トランスジューサ。 - （２）特許請求の範囲の第１項のトランスジューサにお
いて、繊維強化複合材料シートの上から炭素繊維、ガラ
ス繊維、あるいはアラミド繊維を巻きつけたことを特徴
とする無指向性水中超音波トランスジューサ。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP15641286A JPS6313498A (ja) | 1986-07-02 | 1986-07-02 | 無指向性水中超音波トランスジユ−サ |
| DE87305864T DE3787677T2 (de) | 1986-07-02 | 1987-07-02 | Ungerichteter Ultraschallwandler. |
| EP87305864A EP0251797B1 (en) | 1986-07-02 | 1987-07-02 | Non-directional ultrasonic transducer |
| US07/069,057 US4823041A (en) | 1986-07-02 | 1987-07-02 | Non-directional ultrasonic transducer |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP15641286A JPS6313498A (ja) | 1986-07-02 | 1986-07-02 | 無指向性水中超音波トランスジユ−サ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6313498A true JPS6313498A (ja) | 1988-01-20 |
| JPH0511711B2 JPH0511711B2 (ja) | 1993-02-16 |
Family
ID=15627182
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP15641286A Granted JPS6313498A (ja) | 1986-07-02 | 1986-07-02 | 無指向性水中超音波トランスジユ−サ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS6313498A (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH03279532A (ja) * | 1990-03-28 | 1991-12-10 | Natl House Ind Co Ltd | 雁行型廊下の下地用受け梁の取り付け構造 |
| JPH07284197A (ja) * | 1994-04-08 | 1995-10-27 | Nec Corp | ダイポール放射型低周波水中送波器 |
| US6115319A (en) * | 1997-02-14 | 2000-09-05 | Hitachi, Ltd. | Dynamic RAM having word line voltage intermittently boosted in synchronism with an external clock signal |
| CN103883076A (zh) * | 2014-02-26 | 2014-06-25 | 长沙理工大学 | 基于压电陶瓷的智能混杂复合frp预应力筋及其制备方法 |
| US9185495B2 (en) | 2010-06-30 | 2015-11-10 | Nec Corporation | Oscillation device and electronic apparatus |
-
1986
- 1986-07-02 JP JP15641286A patent/JPS6313498A/ja active Granted
Cited By (5)
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0511711B2 (ja) | 1993-02-16 |
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