JP2012204886A

JP2012204886A - センサの耐圧容器

Info

Publication number: JP2012204886A
Application number: JP2011065094A
Authority: JP
Inventors: Nobufumi Kikuchi; 宣史菊地
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2011-03-23
Filing date: 2011-03-23
Publication date: 2012-10-22
Anticipated expiration: 2031-03-23
Also published as: JP5699727B2

Abstract

【課題】小型・軽量化を図りながら、水圧下での耐圧容器の強度を確保するとともに、耐圧容器に振動子を組込む際の配列と位置決めを容易にし生産性・信頼性の向上を実現できるようにする。
【解決手段】
複数の振動子２３が配列された状態で収納される音響センサ（センサ）の耐圧容器２２において、複数の振動子２３のノード部と耐圧容器２２の内壁部との間に固定される支持部材３４を備え、支持部材３４を介して、耐圧容器２２と複数の振動子２３と支持部材３４が一体化して連結される構造を有する。
【選択図】図３

Description

この発明は、水中で探査、測定等に使用する送波器・受波器等のセンサの耐圧容器に関する。

水中（海中を含む）で探査、測定等に使用する送波器・受波器等の音響センサがある。たとえば図７の横断面図に示すように、この種の音響センサ１は、耐圧容器２の内部に複数の振動子３を配列したものである。耐圧容器２は、バックプレート６、サイドプレート７ａ、７ｂから構成され、振動子３は、リアマス８、圧電材９、フロントマス１０から構成される。振動子３を、オニオンスキンペーパー５を介してバックプレート６と音響ゴム４との間に挟み込むことで固定している。

図８（ａ）に示すように、音響センサ１は、発音時における振動子自身の振動モードに影響を与えないようにするため、振動子３の一方の端部を放射面１３とし、もう一方の端部を耐圧容器２の固定部とする構造が一般的である。
図８（ａ）は、音響センサ１を水中で使用した際に耐圧容器２の両側面に矢印方向の水圧１１を受けた状態を示している。また、図８（ｂ）は、耐圧容器２が水圧１１で変形したときの変形イメージと、耐圧容器２が等分布荷重を受けたときのたわみの計算式を示している。Ｙｍａｘは耐圧容器（サイドプレート７ａ又は７ｂ）の最大たわみ、ωは水圧（等分布荷重）、Ｌは耐圧容器（サイドプレート７ａ又は７ｂ）の支点間の長さ、Ｅは縦弾性係数、Ｉｚは断面２次モーメントである。

振動子３とバックプレート６の固定方法としては、上記した挟み込み以外にねじなどを介して固定する方法がある。振動子３の放射面１３は、音響ゴム４とフロントマス１０の接触面となる。音響ゴム４を形成する材料としては、振動子３で発生する振動を減衰しないように、弾性材料であるゴム材料あるいはモールド材料を使用する。

上記した音響センサの関連技術としては、特許文献１に記載の超音波水処理装置が知られている。この装置は、振動子、振動体としてのホーン、ホーンを保持する容器としてのケース、フランジ等を備え、振動子にて発生した超音波振動をホーンの各部を経由してホーン処理面へ伝播するものである。
また、別の関連技術としては、特許文献２に記載の水中超音波送受波器が知られている。この送受波器は、楕円シェルの内部に振動方向を一致させ、かつ間隙を設けて振動体としてのアクティブ柱状体を内包し、これにボルトを貫通させて楕円シェルの長軸端に固定したものである。

特開２００６−０４３６２２号公報特開平０４−３３４１９９号公報

しかしながら、角柱や円柱等の長い形状を有する振動子を耐圧容器の内部に複数配列して固定する構造の音響センサにおいて、振動子の従来の固定方法には以下のような問題がある。

第１の問題点として、図８（ａ）に示すように、音響センサの音響ゴム４は弾性材料から形成されているため強度部材とはならない。このため、強度部材であるバックプレート６、サイドプレート７ａ、７ｂから構成される耐圧容器２がコの字型の構造となり、振動子３を固定している。その結果、耐圧容器２が片持ち梁の構造となることである。
図８（ａ）に示すように、片持ち梁構造の耐圧容器２が水圧１１を受けると、サイドプレート７ａ、７ｂとバックプレート６との接合箇所に相当する支点１２を基点として、サイドプレート７ａ、７ｂが音響ゴム４の音響面１３側に最大たわみを生じる。その結果、サイドプレート７ａ、７ｂが振動子３のフロントマス１０に接触し、音響性能に悪影響を及ぼす。
従来の音響センサの構造で、サイドプレート７ａ、７ｂが振動子３に接触しないような耐圧容器２にするためには、バックプレート６、サイドプレート７ａ，７ｂの板厚の増加や、リブや補強部品などの追加により、耐圧容器２の剛性を確保することが必須となる。しかし、これに伴って、音響センサの小型・軽量化の妨げになるとともに、コスト面、製造性（補強部品の追加などによる構造の複雑化）などが問題となる。

第２の問題点として、音響センサの発音時の振動を抑制しないようにするためには、図７に示すように耐圧容器２と振動子３の間にクリアランス１６を設ける必要がある。
しかし、従来技術では、耐圧容器２と振動子３の間にクリアランスを設けた場合、耐圧容器２と振動子３が接触する部品を設けることができず、耐圧容器２の組立時にクリアランスの分だけバラツキが発生する。耐圧容器２の組立時に振動子３の配列や位置にバラツキが生じると、耐圧容器２に水圧が印加されたときに、振動子３や音響ゴム４が破損したり、音響センサの性能に影響を及ぼすなどの問題が生じる。

第３の問題点として、耐圧容器２の変形を抑制するために、たとえば振動子３のノード部に支持部材を設けた場合、振動子３と支持部材との接触箇所の面積を決めることで、支持部材の形状を適切な構造にする必要がある。
その理由は、振動子３のノード部は振動モードの点であり、音響性能への影響を小さくするためには、支持部材は点または線で振動子に連結されることが理想である。しかし、その場合、耐圧容器２に水圧が印加されたときに、振動子３の材質強度が持たず破損するため、振動子３と支持部材とが適切な接触面積を持つような支持部材の構造にする必要がある。しかし、従来技術では、適切な接触面積を持つような支持部材を設けた耐圧容器は実現されていない。

この発明は、上述の事情に鑑みてなされたもので、小型・軽量化を図りながら、水圧下での耐圧容器の強度を確保するとともに、耐圧容器に振動子を組込む際の配列と位置決めを容易にし生産性・信頼性の向上を実現できるセンサの耐圧容器を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、この発明の第１の構成は、複数の振動子が配列された状態で収納されるセンサの耐圧容器に係り、前記複数の振動子のノード部と前記耐圧容器の内壁部との間に固定される支持部材を備え、前記支持部材を介して、前記耐圧容器と前記複数の振動子と前記支持部材が一体化して連結される構造を有することを特徴としている。

この発明の構成によれば、センサの耐圧容器の内部に配列された複数の振動子がそのノード部に支持部材が固定されることで、耐圧容器、支持部材、振動子が一体化して連結されるため、耐圧容器の小型・軽量化を図りながら、耐圧容器の強度を確保することができる。

この発明の実施形態である音響センサの基本構造を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）の矢視Ａ−Ａ線に沿う縦断面図である。図１（ａ）の矢視Ｂ−Ｂ線に沿う、同音響センサの構成を示す横断面図である。音響センサの耐圧容器に水圧が印加された場合を示す図であり、（ａ）は、耐圧容器の変形イメージを示す横断面図、（ｂ）は、耐圧容器のたわみとたわみを示す模式図である。音響センサの振動子の位置決め構造を示す図であり、（ａ）は、振動子の配列及び位置決め構造を示す模式図、（ｂ）は、音響センサの組立時における振動子の位置決め構造を示す横断面図である。音響センサの振動子と支持部材との接触箇所を示す模式図である。支持部材の形状の例を示す斜視図である。従来の音響センサの構成を示す横断面図である。従来の音響センサの耐圧容器に水圧が印加された場合を示す図であり、（ａ）は、耐圧容器の変形イメージを示す横断面図、（ｂ）は、耐圧容器のたわみとたわみを示す模式図である。

この発明の耐圧容器は、前記複数の振動子の配列方向に沿って前記複数の振動子の両側に間隔をおいて配置されるサイドプレート部材と、前記サイドプレート部材の一方の端面に固定されるバックプレート部材と、前記サイドプレート部材の他方の端面に固定される弾性部材と、前記複数の振動子のノード部と前記耐圧容器の前記サイドプレート部材の内壁部との間に固定される支持部材とを備え、前記支持部材を介して、前記耐圧容器と前記複数の振動子と前記支持部材が一体化して連結される構造とすることで、達成される。

実施形態

以下、図面を参照して、この発明の実施形態について説明する。
図１は、この発明の実施形態である音響センサの基本構造を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）の矢視Ａ−Ａ線に沿う縦断面図である。また、図２は、音響センサにおける図１（ａ）の矢視Ｂ−Ｂ線に沿う横断面図である。
図１に示すように、この実施形態の音響センサ２１は、耐圧容器２２の内部に複数の振動子２３が長手方向に等間隔で配列されるとともに、耐圧容器２２の端面に音響ゴム２４が接合されたものである。

図２に示すように、耐圧容器２２は、バックプレート２６、サイドプレート２７ａ、２７ｂから構成されている。複数の振動子２３は、それぞれ、細長い角柱状に形成されており、リアマス２８、圧電材２９、フロントマス３０から構成されている。複数の振動子２３は、音響ゴム２４と、ＯＳペーパ２５を介したバックプレート２４との間に挟み込まれている。

耐圧容器２２の内部に複数の振動子２３が配列された状態では、サイドプレート２７ａ、２７ｂは、各振動子２３の配列方向に沿って各振動子２３の両側に所定の間隔をおいて位置する。バックプレート２６は、サイドプレート２７ａ、２７ｂの一方の端面に固定されている。音響ゴム２４は、サイドプレート２７ａ、２７ｂの他方の端面に固定されている。

また、各振動子２３のノード部には、各振動子２３の長手方向の中心線に対して対称に支持部材３４が固定されている。支持部材３４は、各振動子２３のノード部と耐圧容器２２のサイドプレート２７ａ、２７ｂの内壁部との間に配置される。
各振動子２３のノード部の両側に支持部材３４が固定されているため、支持部材３４を介して、耐圧容器２２と各振動子２３と支持部材３４が一体化して連結される構造となる。耐圧容器２２と各振動子２３と支持部材３４が一体化して連結されるため、音響センサ２１を水中（海中を含む）で使用した際に耐圧容器２２が水圧で変形した際に、高水圧下においても耐圧容器２２の変形を抑制することが可能となる。この場合、各振動子２３は強度部材としての機能を有する。

図３は、音響センサの耐圧容器に水圧が印加された場合を示す図であり、同図（ａ）は、耐圧容器の変形イメージを示す横断面図、また、同図（ｂ）は、耐圧容器のたわみとたわみを示す模式図である。
図３（ａ）に示すように、音響センサの耐圧容器２２の両側面に対して矢印方向に水圧３１が印加された場合を例にとる。水圧３１により耐圧容器２２が変形したとき、上記したように各振動子２３のノード部の両側に支持部材３４が固定されているため、支持部材３４を介して、耐圧容器２２と支持部材３４と各振動子２３が一体化して連結される。これにより、各振動子２３に圧縮応力がかかることで、耐圧容器２２の変形を抑制することが可能となる。

また、図３（ｂ）に示すように、耐圧容器２が等分布荷重（水圧）ωを受けたときの耐圧容器（サイドプレート２７ａ又は２７ｂ）の最大たわみＹｍａｘは、耐圧容器（サイドプレート２７ａ又は２７ｂ）の支点間の長さＬ、縦弾性係数Ｅ、断面２次モーメントＩｚ、耐圧容器（サイドプレート２７ａ又は２７ｂ）の支点からのはねだし長さλを用いて、次の計算式で表すことができる。
Ｙｍａｘ＝（５ω・Ｌ^４／３８４Ｅ・Ｉｚ）＋（ω・λ^２・Ｌ^２・Ｅ・Ｉｚ）
Ｌ＞＞λ としたとき
Ｙｍａｘ＝０．０１３Ｘ
Ｘ＝ω・Ｌ^４／Ｅ・Ｉｚ

ここで、耐圧容器２２は水圧３１を受けたとき、サイドプレート２７ａとバックプレート２４の接合箇所に相当する支点３２と、支持部材３４とが支持となることで、両端支持梁での変形モードにより変形する。

図４は、音響センサの振動子の位置決め構造を示す図であり、（ａ）は、振動子の配列及び位置決め構造を示す模式図、（ｂ）は、音響センサの組立時における振動子の位置決め構造を示す横断面図である。
各振動子２３を耐圧容器２２の内部に組み込む前に、図４（ａ）に示すように、あらかじめ１つの支持部材３４に各振動子２３を取り付けることで、各振動子２３を位置決めしておく。その後、支持部材３４に取り付けた各振動子２３を耐圧容器２２の内部に組み込む際に、支持部材３４を耐圧容器２２のサイドプレート２７ａ、２７ｂに突き当てる。これにより、耐圧容器２２の内部に精度良く各振動子２３をまとめて配列することができる。

また、支持部材３４を用いることで、耐圧容器２２の内部の任意の位置に振動子２３を組み込むことができる。これにより、図４（ｂ）に示すように、音響センサの組立時において振動子２３は耐圧容器２２の内部において位置決めされる。支持部材３４は、耐圧容器２２の内部に各振動子２３を配列して位置決めするための配列・位置決め用部品としての機能を有する。

図５は、音響センサの振動子と支持部材との接触箇所を示す模式図である。
振動子２３の位置決めに用いる支持部材３４は、図５に示すように、振動子２３のノード部に接触させて固定するため、振動子２３のノード部に対する支持部材３４の接触箇所３５の接触面積は、できるだけ小さくし、かつ、音響センサを水中で使用する際の使用環境における最大水圧に耐える構造にする必要がある。
振動子２３のノード部に対する支持部材３４の接触箇所３５の接触面積は、できるだけ小さい方が音響センサの音響性能に及ぼす影響が小さい。しかし、接触面積が小さすぎると、振動子２３の材質の許容耐力（または疲労応力）を超え、振動子２３が破損する可能性がある。

このため、振動子２３の破損を防止しながら、振動子２３のノード部に対する支持部材３４の接触箇所３５の接触面積を最小にするため、接触面積の計算式は以下のように考えることができる。以下に示す接触面積の計算例は振動子２３を角柱状とした場合の一例であり、振動子を角柱状以外のたとえば円柱形状とした場合でも考え方は同様である。

音響センサを水中で使用する際の使用環境における耐圧容器２２が受ける水圧３１（最大水圧）の下で、振動子２３のノード部にかかる圧縮荷重をＦmax、振動子２３の横幅をａ（長さ一定）、振動子２３の縦幅をｂとする。この場合の、振動子２３のノード部に対する支持部材３４の接触箇所３５の接触面積Ａは、次の式で表すことができる。
Ａ＝ａ×ｂ
すなわち、振動子２３の縦幅ｂの長さを最小にすることで、接触面積Ａを最小にすることができる。

音響センサを水中で使用する際に水圧３１（最大水圧）の下での振動子２３のノード部にかかる圧縮荷重Ｆｍａｘは、耐圧容器２２から支持部材３４を介して、振動子２３のノード部に対する支持部材３４の接触箇所３５（接触面積Ａ）に負荷される。その時の振動子２３にかかる圧縮応力σは、次の式で表すことができる。
σ＝Ｆｍａｘ／Ａ
よって、振動子２３のノード部に対する支持部材３４の接触箇所３５の接触面積Ａを最小にするには、振動子２３の材質の許容耐力（または疲労応力）をσｓとした時、σｓ≧σを満たす振動子２３の縦幅ｂを選定すれば良い。

また、振動子２３のノード部に対する支持部材３４の接触箇所３５の接触面積Ａを最小にしたときの最小接触面積Ａｍｉｎにおいては、許容耐力σｓと圧縮応力σとの関係はσｓ＝σで表されるが、必要により安全率を考慮する。
設計による安全率を考慮した場合、安全率をＳｆとすると、圧縮応力σは、次の式で表すことができる。
σ＝（Ｆmax／Ａ）×Ｓｆ

上記した方法で得られた振動子２３のノード部に対する支持部材３４の接触箇所３５の接触面積を基に、支持部材３４の形状を選択する。この実施形態では、支持部材３４の形状は角柱状としているが、これに限らず、図６に示すような各種の形状が考えられる。

図６は、支持部材の形状の例を示す斜視図である。
図６に示すように、支持部材の形状としては、この実施形態の角柱状以外に、板状、台形状、Ｌ型形状などが考えられる。また、支持部材に用いる材質としては、弾性材料が好ましく、具体例としてはＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastics）などの複合材料、ゴムなどの樹脂材料、コルクなどが考えられる。

この実施形態によれば、以下の効果がある。
第１の効果は、音響センサの耐圧容器２２の内部に配列された複数の振動子２３がそのノード部に支持部材３４が固定されることで、支持部材３４を介して、耐圧容器２２と支持部材３４と振動子２３が一体化して連結される。このため、耐圧容器２２の小型・軽量化を図りながら、耐圧容器２２の強度（剛性）を確保できる音響センサを提供することができる。
その理由は、耐圧容器２２の内部の各振動子２３を強度部材と考え、各振動子２３のノード部に適切な接触面積を有する支持部材３４を固定する構造とする。このため、水中または海中での音響センサ２１の使用時に図３のように耐圧容器２２の両側面に水圧３１を受けた際に、耐圧容器２２は支点３２と支持部材３４が支持となることで、両端支持梁での変形モードにより変形する。
この実施形態の耐圧容器２２の両端支持梁での変形モードを、従来構造の図８（ａ）の片持ち梁での変形モードと比較した場合、最大たわみは１／１０となり、最大たわみが発生する部位も異なる。
ただし、この実施形態の図３（ｂ）に示す計算式と、従来構造の図８（ｂ）に示す計算式は、等分布荷重を受けたときのたわみの計算式である。Ｙｍａｘ：耐圧容器の最大たわみ、ω：水圧（等分布荷重）、Ｌ：耐圧容器の支点間の長さ、Ｅ：縦弾性係数、Ｉｚ：断面２次モーメントとし、λ：支点からのはねだし長さは、両者の単純比較のため、非常に小さいものとし、図８（ｂ）のＬの長さと同じと考えた場合とする。

第２の効果は、支持部材３４を振動子２３の配列および位置決め用の部品として用いることにより、音響センサの組立性、機械的位置決め精度、品質の向上を図り、生産性・信頼性の向上を実現することができる。
その理由は、図４（ａ）のように支持部材３４を配列・位置決め用部品として用いて複数の振動子２３の配列および位置決めを行うことで、各振動子２３を耐圧容器２２に組み込む前に精度良く配列でき、各振動子２３の耐圧容器２２への組み込み時に、各振動子２３を耐圧容器内部の所望の位置に確実に固定することができる。

第３の効果は、振動子２３と支持部材３４の接触面積を求め、支持部材３４の形状を決めることで、換言すれば音響センサの使用環境に適した形状の支持部材を選択することで、音響影響に及ぼすセンサ性能や機械的特性などの影響を最小限にした音響センサを実現することができる。
その理由は、振動子のノード部と支持部材との接触は点または線が理想であるが、実用上は振動子の材料強度を確保することが難しいため、音響センサの使用環境での耐圧容器にかかる最大水圧と振動子の許容耐力（または疲労応力）により、適切な接触面積を求める。これにより、音響性能に及ぼす影響を最小限にした支持部材の形状を選択することができる。

以上、この発明の一実施形態を図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更などがあってもこの発明に含まれる。
上記した実施形態では、振動子２３を固定する構造として、図３（ａ）のように振動子２３の支点３２と振動子２３のノード部に支持部材３４で固定する構造を例にあげたが、これに限らない。たとえば、振動子２３を支持部材３４のみで固定する構造、振動子２３の複数のノード部を連結する構造にも適用できる。

この発明の耐圧容器は、振動子を収納した耐圧容器と音響ゴムからなる音響センサへの適用に限らず、振動子を収納した耐圧容器を備える他のセンサなどの用途にも適用できる。

２１音響センサ（センサ）
２２耐圧容器
２３振動子
２４音響ゴム（弾性部材）
２６バックプレート（バックプレート部材）
２７ａ、２７ｂサイドプレート（サイドプレート部材）
３１水圧
３２支点
３４支持部材
３５接触箇所

Claims

複数の振動子が配列された状態で収納されるセンサの耐圧容器であって、
前記複数の振動子のノード部と前記耐圧容器の内壁部との間に固定される支持部材を備え、
前記支持部材を介して、前記耐圧容器と前記複数の振動子と前記支持部材が一体化して連結される構造を有することを特徴とするセンサの耐圧容器。
複数の振動子が配列された状態で収納されるセンサの耐圧容器であって、
前記複数の振動子の配列方向に沿って前記複数の振動子の両側に間隔をおいて配置されるサイドプレート部材と、
前記サイドプレート部材の一方の端面に固定されるバックプレート部材と、
前記サイドプレート部材の他方の端面に固定される弾性部材と、
前記複数の振動子のノード部と前記耐圧容器の前記サイドプレート部材の内壁部との間に固定される支持部材とを備え、
前記支持部材を介して、前記耐圧容器と前記複数の振動子と前記支持部材が一体化して連結される構造を有することを特徴とするセンサの耐圧容器。
前記複数の振動子を前記耐圧容器に組み込む前に、前記支持部材を前記複数の振動子のノード部に取り付けることで、前記支持部材を前記複数の振動子の配列および位置決めを行うための部品として用いることを特徴とする請求項１又は２記載のセンサの耐圧容器。
前記振動子のノード部と、前記サイドプレート部材と前記バックプレート部材の接合箇所に相当する支点とにより支持される両端支持梁の構造を有することを特徴とする請求項２記載のセンサの耐圧容器。
前記耐圧容器は水中で使用され、
前記水中での使用時に前記耐圧容器が受ける水圧の下で前記振動子のノード部にかかる圧縮荷重と前記振動子の大きさを基に、前記振動子と前記支持部材との接触箇所の面積が最小になるように決定されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一に記載のセンサの耐圧容器。
前記支持部材の形状は、角柱状、板状、台形状、Ｌ型形状を含む形状のなかから決定されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一に記載のセンサの耐圧容器。
前記支持部材の材質は、弾性材料を含む材質のなかから決定されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一に記載のセンサの耐圧容器。