JPH0441879B2 - - Google Patents
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- Publication number
- JPH0441879B2 JPH0441879B2 JP61019445A JP1944586A JPH0441879B2 JP H0441879 B2 JPH0441879 B2 JP H0441879B2 JP 61019445 A JP61019445 A JP 61019445A JP 1944586 A JP1944586 A JP 1944586A JP H0441879 B2 JPH0441879 B2 JP H0441879B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- acoustic radiation
- transducer
- piezoelectric ceramic
- radiation plate
- ceramic laminate
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
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- Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
Description
（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中心軸に対して無指向性の
圧電トランスジユ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ユーサとし
て、第３図に示すような円筒状圧電トランスジユ
ーサが知られている。このトランスジユーサはジ
ルコンチタン酸鉛系圧電セラミツクスでできてお
り、円筒の内外面に銀焼き付け電極が施され、内
厚方向に分極がなされている。この円筒状トラン
スジユ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０−0′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ユーサは径拡がり振
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frとは反比例の関係
にあり、このトランスジユーサに用いられる圧電
セラミツクスの音速をClとすればfrは fr＝Cl／πd (1) 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。 従つて、ある所望の共振周波数を有する円筒状
圧電トランスジユーサの設計をする場合、直径が
決まつてしまうと他の設計パラメータは圧電セラ
ミツクスの音速Clだけとなる。しかしながら圧電
セラミツクス材料として、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ツクスが現
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ユーサの小型化をは
かろうとする場合に、圧電セラミツクスの音速だ
けで寸法が決まつてしまうことから一定の限界が
あつた。また、よりハイパワー化をはかろうとす
ると、圧電セラミツクスの引つ張り応力に対する
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、圧電セラミツ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つた。 本発明は小型でハイパワー送波が可能であり、
高い電気音響交換効率を有する無指向性超音波ト
ランスジユ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ツク積層体を配
し、前記貫通孔を通して、圧電セラミツク積層体
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、圧電セラミツ
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
動変位を大きくしたことを特徴とする水中超音波
トランスジユーサである。 （作用） 本発明のトランスジユーサは、音響放射板を正
ｎ角形を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
ジユーサと同じく無指向性のトランスジユーサで
ある。本発明のトランスジユーサでは、圧電セラ
ミツ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伴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。 本発明に従つた水中超音波トランスジユーサを
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。第１図において、１１は屈曲振動を行う
音響放射板、１２は角柱、１３は圧電セラミツク
積層体、１４はボルト、１５は圧電セラミツク積
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。次に本発明に従つたトランス
ジユ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は圧電セラミツク積層体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、圧電セラミツク積層体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
ミツ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
発明に従つたトランスジユーサでは、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つ
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ツク積層体の伸
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、本発明に従つたトランスジユーサの動作
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
セラミツク積層体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。従つて、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
ーのトランスジユ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ユー
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ユーサでは、トランス
ジユーサの直径が決まると一意的に共振周波数が
決まつてしまうため、小型化をはかることが困難
であつたが、本発明に従つたトランスジユーサで
は、音響放射板に回転慣性が備わつており、小型
のトランスジユ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
波トランスジユーサについて説明する。第１図に
示すトランスジユーサは外径寸法が11.5cmで高さ
は12cmである。圧電セラミツク積層体１３の圧電
セラミツクスとして電気機械結合係数k33が0.61、
比誘電率ε33Ｔ／ε0が1080のジルコンチタン酸鉛
系セラミツクスが用いられた。音響放射板１１に
Al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に同じくCr−Mo
剛を用いた。このトランスジユーサをゴムブーツ
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
状トランスジユーサと比較して第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
状トランスジユーサと比べると体積で約半分以下
の小型になる。
送波することのできる中心軸に対して無指向性の
圧電トランスジユ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ユーサとし
て、第３図に示すような円筒状圧電トランスジユ
ーサが知られている。このトランスジユーサはジ
ルコンチタン酸鉛系圧電セラミツクスでできてお
り、円筒の内外面に銀焼き付け電極が施され、内
厚方向に分極がなされている。この円筒状トラン
スジユ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０−0′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ユーサは径拡がり振
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frとは反比例の関係
にあり、このトランスジユーサに用いられる圧電
セラミツクスの音速をClとすればfrは fr＝Cl／πd (1) 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。 従つて、ある所望の共振周波数を有する円筒状
圧電トランスジユーサの設計をする場合、直径が
決まつてしまうと他の設計パラメータは圧電セラ
ミツクスの音速Clだけとなる。しかしながら圧電
セラミツクス材料として、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ツクスが現
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ユーサの小型化をは
かろうとする場合に、圧電セラミツクスの音速だ
けで寸法が決まつてしまうことから一定の限界が
あつた。また、よりハイパワー化をはかろうとす
ると、圧電セラミツクスの引つ張り応力に対する
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、圧電セラミツ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つた。 本発明は小型でハイパワー送波が可能であり、
高い電気音響交換効率を有する無指向性超音波ト
ランスジユ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ツク積層体を配
し、前記貫通孔を通して、圧電セラミツク積層体
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、圧電セラミツ
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
動変位を大きくしたことを特徴とする水中超音波
トランスジユーサである。 （作用） 本発明のトランスジユーサは、音響放射板を正
ｎ角形を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
ジユーサと同じく無指向性のトランスジユーサで
ある。本発明のトランスジユーサでは、圧電セラ
ミツ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伴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。 本発明に従つた水中超音波トランスジユーサを
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。第１図において、１１は屈曲振動を行う
音響放射板、１２は角柱、１３は圧電セラミツク
積層体、１４はボルト、１５は圧電セラミツク積
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。次に本発明に従つたトランス
ジユ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は圧電セラミツク積層体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、圧電セラミツク積層体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
ミツ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
発明に従つたトランスジユーサでは、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つ
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ツク積層体の伸
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、本発明に従つたトランスジユーサの動作
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
セラミツク積層体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。従つて、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
ーのトランスジユ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ユー
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ユーサでは、トランス
ジユーサの直径が決まると一意的に共振周波数が
決まつてしまうため、小型化をはかることが困難
であつたが、本発明に従つたトランスジユーサで
は、音響放射板に回転慣性が備わつており、小型
のトランスジユ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
波トランスジユーサについて説明する。第１図に
示すトランスジユーサは外径寸法が11.5cmで高さ
は12cmである。圧電セラミツク積層体１３の圧電
セラミツクスとして電気機械結合係数k33が0.61、
比誘電率ε33Ｔ／ε0が1080のジルコンチタン酸鉛
系セラミツクスが用いられた。音響放射板１１に
Al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に同じくCr−Mo
剛を用いた。このトランスジユーサをゴムブーツ
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
状トランスジユーサと比較して第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
状トランスジユーサと比べると体積で約半分以下
の小型になる。
【表】
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10倍程度が望
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つたトランスジユー
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
ランスジユーサである。また従来の同じ共振周波
数の円筒状トランスジユーサに比べて著しい小型
化を達成することができる。
ときその直径がヒンジの約３倍から10倍程度が望
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つたトランスジユー
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
ランスジユーサである。また従来の同じ共振周波
数の円筒状トランスジユ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は本発明に従つた水中超音波トラ
ンスジユーサの例を示す図でａは平面図、ｂは断
面図、第２図ａ，ｂは本発明のトランスジユーサ
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
ランスジユーサである。 図において、１１は音響放射板、１２は柱体、
１３は圧電セラミツク積層体、１４はボルト、１
５はヒンジ、２１は補強部、３０は円筒状圧電セ
ラミツクトランスジユーサ。
ンスジユーサの例を示す図でａは平面図、ｂは断
面図、第２図ａ，ｂは本発明のトランスジユーサ
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
ランスジユーサである。 図において、１１は音響放射板、１２は柱体、
１３は圧電セラミツク積層体、１４はボルト、１
５はヒンジ、２１は補強部、３０は円筒状圧電セ
ラミツクトランスジユーサ。
Claims (1)
- １ 撓み変形が可能な矩形状の音響放射状が正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ツク積層体と、
前記圧電セラミツク積層体に設けられた貫通孔を
通して、圧電セラミツ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、圧電セラミツ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
スジユーサ。
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 JPS62176397A (ja) | 1987-08-03 |
| JPH0441879B2 true 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) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2658363B2 (ja) * | 1989-03-13 | 1997-09-30 | 日本電気株式会社 | ソーナー用送受波器 |
| JP5387293B2 (ja) * | 2009-09-29 | 2014-01-15 | 日本電気株式会社 | 音響トランスデューサ |
| JP5445323B2 (ja) | 2010-05-17 | 2014-03-19 | 日本電気株式会社 | 音響トランスデューサ |
Family Cites Families (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
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS62176397A (ja) | 1987-08-03 |
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