JPH0582797B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は遠距離ソーナー、海洋資源探査などに
使用される低周波帯で多数個配列して用いられる
有指向性のハイパワー送波器に関するものであ
る。

（従来の技術とその問題点） 水中において低周波の超音波は高周波のそれと
比較して伝搬損失が少なく、より遠方まで到達す
ることができるため、ソーナー、海洋資源探査、
海流の調査等の分野で低周波の超音波を利用する
ことは数々の長所がある。従来から水中において
強力超音波を放射する送波器として動電形トラン
スジユーサと圧電形トランスジユーサが知られて
いる。動電形トランスジユーサは、大きな変位が
とりうる反面、発生力が小さいことにより低周波
で小型のトランスジユーサを得ることは極めて困
難である。これに対し圧電形トランスジユーサで
は、電気機械変換材料としてジルコンチタン酸鉛
系圧電磁器が用いられており、圧電磁器は水に比
べて約20倍以上も音響インピーダンスが大きいた
めに、発生力は極めて大きいという利点があるも
のの音響放射において媒質排除に必要な変位をと
ることができないという欠点がある。低周波にな
るに従い単位放射面積当りの音響放射インピーダ
ンスが極めて小さくなることを考慮すると、低周
波で効率の良い音響放射を行うためには、圧電磁
器の変位をより一層拡大させて音響放射を行う必
要がある。以下、従来の圧電形トランスジユーサ
について説明する。

水中に於て強力超音波を送波するトランスジユ
ーサとしてボルト締めランジユバントランスジユ
ーサが3KHz〜数10KHzの周波数帯において積極
的に用いられていることは周知の通りである。し
かしながらこのトランスジユーサを3KHz以下の
低周波帯で動作させようとする場合、変位拡大機
構を持たないために、重量、寸法があまりにも大
きくなりすぎ実用に供しなくなるといつた欠点を
有している。

そこで低周波数帯において小型化のはかれるト
ランスジユーサとして、例えばR.S.Woollett、
“Trend and Probrem in Sonar Transducer
Design”、IEEE Trans.on Ultrasonice
Engineering、pp116−124（1963、11）に記載さ
れているように、第２図に示す円板の屈曲振動を
利用した屈曲形トランスジユーサが知られてい
る。

第２図に示した円形平板を用いた屈曲トランス
ジユーサは、周知のように円形バイモルフ振動子
を送波器に用いたものである。図において１０は
ジルコンチタン酸鉛系圧電磁器板、１１はニツケ
ル、ステンレススチールなどの金属板であり、１
０，１１でバイモルフ振動子を構成し、バイモル
フ振動子自身を音響放射体としている。また１２
はキヤビテイ、１３はハウジングケースであり、
深海でこのトランスジユーサが作動されるときに
は１２のキヤビテイ内にシリコンオイルを入れて
内外圧のバランスをとれるようにしている。１４
はゴム製のダイヤフラムである。しかしながら１
０の圧電磁器板として製造上大面積の圧電磁器板
を得ることができないことから、多数のセグメン
ト磁器板をモザイク式に金属板１１に接着するこ
とによつてバイモルフ振動子が得られているのが
現状である。即ち、大面積の圧電磁器板が使えな
いために送波器としての媒質排除能力が十分では
なく、ハイパワー送波には適していない。また、
大面積の圧電磁器板が得られたとしても、構造上
バイモルフ振動子は撓みコンプライアンスがかな
り大きくそれほど大きな媒質排除能力は望むべく
もない。

（発明の目的） 本発明はこのような従来の低周波水中超音波ト
ランスジユーサの欠点を除去せしめて、低周波帯
において小型でハイパワー特性に優れ、多数個配
列させてアレイとして使用することも可能な有指
向性送波器を提供することにある。

（発明の構成） 本発明の送波器は剛性の大きな台座の上に圧電
磁器からなるアクテイブ柱状体と該アクテイブ柱
状体をはさんで配置される剛性及び強度のともに
大きな非アクテイブ柱状体を用い、アクテイブ柱
状体から出ている２本の短ヒンジと各非アクテイ
ブ柱状体から出ている短ヒンジと２個の第１段レ
バーで第一段変位拡大機構を形成し、さらに各第
１段レバーから出力される変位を伝える長ヒンジ
と台座から出ている長ヒンジとこれらと接続する
第２段レバーにより第２段変位拡大機構が形成さ
れ、該第二段レバーから出力される拡大された変
位を該第２段レバーと接続する連結棒でピストン
音響放射体に伝達する機構を備えた低周波水中超
音波送波器である。

（作用） 本発明の送波器は上記二段変位拡大機構とピス
トン音響放射体を有する構成とすることにより、
従来技術の諸問題を解決している。以下、図面に
従つて説明する。

第１図は本発明の送波器の一構成例を示したも
ので第１図の送波器の動作原理について詳細に説
明する。図において２１は圧電磁器で構成される
アクテイブ柱状体で、電圧を印加することにより
縦振動を励振することができるものである。２２
は非アクテイブ柱状体、２３は短ヒンジ、２４は
第一段レバーであり、レバー２４の剛体回転を良
好に行なうため、非アクテイブ柱状体２２及び台
座２５は剛性が大きくなるように設計される。ま
た、短ヒンジ２３は第１段レバー２４に与える回
転モーメントを大きくするために、縦変位に対し
ては比較的剛性が大きく、またレバー２４が回転
しやすいように撓み変位に対しては柔軟であるよ
うに設計される。一方、レバー２４は完全剛体に
近いほど優れていることは言うまでもない。この
短ヒンジ２３とレバー２４はてこの原理に基き、
アクテイブ柱状体の縦変位をさらに大きなものに
拡大する働きをするわけである。さらに、第１段
レバーの出力点における拡大された変位は長ヒン
ジ２６に伝えられ、これと台座２５から出ている
長ヒンジ２６′でもつて、第２段レバー２７を回
転させる。ここで第２段レバー２７の回転角は、
第１段レバー２４から出力される縦変位がアクテ
イブ柱状体２１から出力される縦変位の数倍とな
つているため、第１段レバー２４の回転角の数倍
となることは明らかである。第２段レバーから出
力される縦変位は、第１段変位拡大機構と全く同
様にてこの原理によりさらに拡大されて連結棒２
８に伝達され、ピストン音響放射体２９を大振幅
で駆動することができるわけである。第１段レバ
ー２７、長ヒンジ２６，２６′から構成される第
２段変位拡大機構において、長ヒンジ２６，２
６′の縦変位に対する剛性は第２段レバー２７に
伝えられる力を大きくするために大きい方が都合
良く、また第２段レバーの回転をさまたげないた
めに、長ヒンジ２６，２６′の撓み変位に対する
剛性は小さい方が良いわけである。同様に連結棒
２８も縦変位に対する剛性は大きい方が良く、撓
み変位に対する剛性は小さい方が良い。

本発明の送波器は、アクテイブ柱状体２１の微
小変位が２段階の変位拡大機構を通して、音響放
射端面において大きな変位が出力され、高効率の
音響放射が可能であるという長所を有しているわ
けであるが、この他にもピストン音響放射体２９
の質量Ｍをアクテイブ柱状体側に換算してその等
価質量が、実際の質Ｍの変位拡大率の２乗倍とな
るので著るしい低周波小型化を図ることができ
る。また、本発明の送波器では、レバーとヒンジ
の幾何学的な位置や形状によつて変位拡大率を独
立に任意に設定することができるという長所を有
しており、これは従来の平板やシエルそれ自身に
よる変位拡大機構には全くなかつたものである。
その理由は、平板やシエルを用いた送波器では等
価質量を増加させる場合、平板やシエルの板厚を
増す方向にもつて行かざるを得ないが、この場合
撓み剛性が増しかえつて共振周波数が上昇すると
いつた結果となるからである。また、板厚を薄く
した場合は共振周波数が低下する反面、音響放射
に必要な剛性を保持することができなくなる。

なお第１図において３０は０−リングを示して
おり、ピストン音響放射体２９のピストン運動を
妨げることなく、またキヤビネツト３８と滑らか
な接触を得るために設けられたものである。ま
た、第１図において矢印は、アクテイブ柱状体が
伸びたときに各部分に生ずる変位を示しており、
本発明の送波器では、送波器が静水圧にさらされ
た場合、アクテイブ柱状体に圧力が働くような構
成となつている。アクテイブ柱状体を構成してい
る圧電セラミツクスは張力に対しては脆いが圧力
に対しては極めて強靭であるため、本発明の構成
を用いた送波器では浅深度で動作させる場合特別
にキヤビネツト３１の内外の圧力バランスをとな
らくとも全く支障はないという長所がある。

（実施例） 本発明の一実施例として第１図に示した水中超
音波送波器について説明する。アクテイブ柱状体
２１に電気機械結合係数0.61、比誘電率ε^T ₃₃／ε₀が
1080のジルコンチタン酸鉛系圧電磁器が用いら
れ、また短ヒンジ２３と接続する部分には高張力
鋼が用いられた。同様にレバー２４，２７、ヒン
ジ２３，２６，２６′、連結棒には高張力鋼、台
座２５、及びステンレススチール、ピストン音響
放射体３０にはアルミ合金が用いられた。本実施
例において第一段変位拡大機構の変位拡大率は３
倍、第二段変位拡大機構の変位拡大率は４倍とな
つており、従つて本実施例の送波器全体として変
位拡大率は12倍となつている。また、この送波器
は共振周波数が1.5KHzでハイパワー駆動に耐え、
共振周波数の波長に対して最大の送波器の寸法は
0.08となつている。即ち、本発明に従つた送波器
で、例えば200Hzのハイパワー送波器を製造する
場合、最大寸法が60cmとなり著るしい小型化がは
かられた。

（発明の効果） 以上詳述したように本発明に従えば、小型軽量
でかつ音響放射効率の優れた低周波ハイパワー送
波器を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す概略図、第２
図は従来の屈曲トランスジユーサを示す図であ
る。 図において、１０は圧電磁器板、１１は金属
板、１２はキヤビテイ、１３はハウジングケー
ス、１４はダイヤフラム、２１はアクテイブ柱状
体、２２は非アクテイブ柱状体、２３は短ヒン
ジ、２４は第一段レバー、２５は台座、２６，２
６′は長ヒンジ、２７は第二段レバー、２８は連
結棒、２９はピストン音響放射体、３０は０−リ
ング、３１はキヤビネツトである。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 台座の上に設置された圧電磁器からなるアク
   テイブ柱状体及び該アクテイブ柱状体をはさんで
   配置される非アクテイブ柱状体と、該アクテイブ
   柱状体から出ている２本の短ヒンジのそれぞれと
   各非アクテイブ柱状体から出ている短ヒンジとに
   接続する２個の第１段レバーと、各第１段レバー
   及び台座に対して長ヒンジを介して接続する２個
   の第２段レバーと、該第２段レバーに連結棒を介
   して接続するピストン音響放射体とを備えたこと
   を特徴とする低周波水中超音波送波器。