JPH047880B2

JPH047880B2 -

Info

Publication number: JPH047880B2
Application number: JP1944486A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Inoe
Original assignee: Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1986-01-30
Filing date: 1986-01-30
Publication date: 1992-02-13
Also published as: JPS62176396A

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計トランスジユーサに
係わるものである。（従来の技術）従来、水中において数ＫHz〜数十ＫHzの周波数
帯でハイパワー送波が可能な高効率超音波トラン
スジユーサとして、第３図に示すようなボルト締
めランジユバントランスジユーサが知られてい
る。このボルト締めランジユバントランスジユー
サは、第３図に示すようにAl−合金、Ti−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ツクス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
でできたりリアマス３３、及びリング状圧電セラ
ミツクス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によつて構成されており、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ツクス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
ツクリング３２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、一般に圧電セラミツク
スは圧縮応力に比べて引つ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
ワー時においても十分な使用に耐える構造となつ
ている。尚、このような構造のボルト締めランジ
ユバントランスジユーサは、周知の如く２分の１
波長共振モードが用いられる。（発明が決しようとする問題点）上記ボルト締めランジユバントランスジユーサ
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ユーサの長さ
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倍必要となる。さらにこのトランス
ジユ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ユバントランスジユーサの小
型・軽量化が強く要求されている。このトランス
ジユーサの小型量化をはかる場合には、圧電セラ
ミツクスの断面積に対してフロントマスの断面積
を大きくしか、フロントマスをできるだけ薄くし
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となる。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働く剪断力を小さ
くすることができるからである。この剪断力は、
圧電セラミツクリングが圧電的に伸縮した場合、
ボルトが圧電セラミツ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、周知の如くリング状圧電セラ
ミツクスに十分なバイアス応力を加えることは困
難となる。さらに通常このボルト締めランジユバ
ントランスジユ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
ト締めランジユバントランスジユーサに働く振動
応力はほとんど大部分リング状圧電セラミツクス
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つ
た。即ち、音響放射を行うフロントマスは、圧電
セラミツクスで発生した変位と同じだけ変位する
わけで、この変位は一般に小さく、音響放射面か
らトランスジユーサをみた機械的なインピーダン
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ユ
ーサとの間で音響インピーダンス不整合が生じ、
トランスジユーサの帯域幅が制限されるという弊
害があつた。従つてボルト締めランジユバントラ
ンスジユーサの水中におけるＱ値（3dB比帯域幅
の逆数）を５以下とすることは困難であつた。このように、従来のボルト締めランジユバント
ランスジユーサでトランスジユーサの小型軽量化
並びに広帯域化をはかろうとする場合一定の限界
があつた。本発明は、小型・軽量で高い電気音響変換効率
を有する広帯域トランスジユーサを実現すること
を目的とする。（問題を解決するための手段）本発明は屈曲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ツク積層体が配置
され、前記圧電セラミツク積層体に設けられた貫
通孔に圧電セラミツク積層体に圧縮応力を加える
ボルトが設けられ、前記屈曲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ツト又は
溝が形成され、さらに屈曲フロントマス外縁部近
傍からヒンジを介して音響放射フロントマスが設
け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）本発明は、従来のボルト締めランジユバントラ
ンスジユーサとは逆に、圧電セラミツク積層体と
ボルトとの間に生ずる剪断力を積極的に利用し、
あらかじめスリツトが形成された屈曲フロントマ
スの剛体回転を伴う屈曲振動を励振させる。この
とき屈曲フロントマスの外縁部には圧電セラミツ
ク積層体の数倍の拡大された変位が生ずるわけで
あるが、前記屈曲フロントマス外縁部からヒンジ
を介して音響放射フロントマスに拡大された変位
を伝達することにより広帯域に亘つて効率良く音
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図に示す。第１図において、１１は屈曲フロ
ントマス、１２はリアマス、１３は圧電セラミツ
ク積層体、１４はボルト、１４′はボルトヘツド、
１５はナツト、１７は圧電セラミツク積層体に生
じた変位を屈曲フロントマス１１に伝える首部、
１８は音響放射フロントマス、１９は屈曲フロン
トマスの変位を音響フロントマス１８に伝達する
ヒンジである。また、第２図にフロントマス部分
１１の正面図を示す。第２図において１６はスリ
ツト又は溝を示す。本発明に従つたトランスジユ
ーサの動作原理を第１１図に基づいて説明する。
屈曲フロントマス１１は、圧電セラミツク積層体
１３が圧電的に伸びた場合、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が伸びたと
き、逆にボルト１４内に圧電セラミツク積層体１
３の伸びを妨げようとする力が生ずる。この圧力
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、屈曲フロントマス１
１に剪断力が生じ、屈曲フロントマス１１が撓む
と、首部１７より外側にある屈曲フロントマス部
分と内側にある屈曲フロントマス部分では位相が
互いに逆相となる。本発明に従つたトランスジユ
ーサでは、屈曲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つても、外縁部で大き
な変位が得られれば良く、さらに本屈曲フロント
マス１１は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、屈曲フロント
マス外縁部の振動変位は圧電セラミツク積層体１
３の変位の数倍に達する。この屈曲フロントマス
外縁部における拡大された変位がヒンジ１９を介
して音響放射フロントマス１８に伝えられ、大き
な媒質排除量が得られるため極めて効果的な音響
放射が可能となるわけである。以上本発明に従つたトランスジユーサの動作原
理について述べたが、第２図に示すようなスリツ
トは溝１６が屈曲フロントマス１１に設けられる
と効果的な媒質排除が可能となる。このようなス
リツト又は溝１６を設けることにより、ボルトと
フロントマスとの接点、圧電セラミツク積層体か
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
しく拡大することができるわけである。従来のボルト締めランジユバントランスジユー
サでは、フロントマスの部分が剛体並進変位を行
うのみであり、このため媒質排除量は小さく帯域
幅もそれほど広くはなかつた。これに対し本発明
のトランスジユーサでは、屈曲フロントマスが変
位を拡大する機能を有しているため、ヒンジを介
して音響放射フロントマスに拡大されたピストン
変位が生ずる。このため小型軽量で音響放射から
トランスジユーサをみたときの入力機械インピー
ダンスを小さくすることができ、高効率広帯域化
を達成することができる。（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共振周波数が7KHzで、
音響放射面は一辺の長さ11.3cmの正方形である。
圧電セラミツク積層体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圧電セラミツク
スが用いられた。屈曲フロントマス１１にAl合
金、リアマス１２にステンレスチール、ボルト１
４及びナツト１５にCr−Mo鋼、首部１７にステ
ンレスチール、ヒンジ１９に高強度鋼、及び音響
放射フロントマス１８にハニカム構造のAl合金
が用いられた。また、屈曲フロントマス１１には
幅0.5mmのスリツト１６が形成された。本実施例のトランスジユーサは長さ13.1mm、重
さ1660ｇであつた。次にこのトランスジユーサを
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（水中におけるＱ値の
逆数）を測定した。結果を7kHzに共振をもつ従
来のボルト締めランジユバントランスジユーサと
比較して第１表に示す。

【表】従つて本トランスジユーサは従来のボルト締め
ランジユバントランスジユーサと比較して軽量化
に対して有利であり、た水中において水との音響
インピーダンス整合の面ですぐれており、電気音
響変換効率も高い。なおスリツト１６でなく溝を
形成しても同等の効果が得られる。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
ントマスの直径は首部の直径の３倍程度以上で８
〜10倍程度以下の円又はこの円と等しい面積を有
する形状が望ましい。（発明の効果）以上述べた如く、本発明のトランスジユーサは
屈曲フロントマスで変位拡大を行い、ヒンジを介
して音響放射を行うフロントマスに拡大された変
位を伝達しているため、軽量で高効率広帯域の水
中超音波トランスジユーサを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に従つた水中超音波トランス
ジユーサを示す図で、図において１１は屈曲フロ
ントマス、１２はリアマス、１３は圧電セラミツ
ク積層体、１４はボルト、１４′はボルトヘツド、
１５はナツト、１７は首部、１８は音響放射フロ
ントマス、１９はヒンジ、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図は屈
曲フロントマスの正面図で、１６はスリツト又は
溝を示す。第３図は、従来のボルト締めランジユ
バントランスジユーサを示す図で、図において、
３１はフロントマス、３２は圧電セラミツクリン
グ、３３はリアマス、３４はボルト、３５はナツ
トを示す。

Claims

【特許請求の範囲】

１屈曲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ツク積層体が配置され、
前記圧電セラミツク積層体に設けられた貫通孔に
圧電セラミツク積層体に圧縮応力を加えるボルト
が設けられ、前記屈曲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ツト又は溝が形
成され、さらに屈曲フロントマス外縁部近傍から
ヒンジを介して音響放射フロントマスが設けられ
ていることを特徴とする水中超音波トランスジユ
ーサ。