JPH0754352B2 - 水中ソナ−・トランスデユ−サ - Google Patents

水中ソナ−・トランスデユ−サ

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JPH0754352B2
JPH0754352B2 JP62104860A JP10486087A JPH0754352B2 JP H0754352 B2 JPH0754352 B2 JP H0754352B2 JP 62104860 A JP62104860 A JP 62104860A JP 10486087 A JP10486087 A JP 10486087A JP H0754352 B2 JPH0754352 B2 JP H0754352B2
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アライド・コ−ポレ−シヨン
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    • G10K9/12—Devices in which sound is produced by vibrating a diaphragm or analogous element, e.g. fog horns, vehicle hooters or buzzers electrically operated
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
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    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は水中ソナー・トランスデユーサに関するもので
あり、更に詳しくいえば、クラスIV曲り伸び（flexoten
sional）トランスデユーサとして知られている種類のソ
ナー・トランスデユーサに関するものである。
〔従来の技術〕
そのような種類の水中ソナー・トランスデユーサは、横
断面が全体として長円形で、ある指定された長さの中空
殻で全体として構成される。その殻の中には１つまたは
それ以上の圧電セラミツク素子のスタツクが納められる
のが普通で、それらのセラミツク素子に十分な圧縮性応
力を予め加えるように構成される。圧電素子に交流電圧
が加えられると、それらの圧電素子は、長円形の殻の細
い端部を駆動するようにして伸縮する。その動きは、大
きい放射面である長円形の広い面で大きい運動に変えら
れる。
このような種類のトランスデユーサは知られており、長
円形の殻は、圧電素子のスタツクを支持するために希望
の内部スペースを有する希望の寸法になるように、金属
で、あるいはガラス繊維をエポキシ樹脂で固めた材料な
どで形成できる。いずれの場合にも、セラミツク素子の
スタツクを中空殻の内部に入れることができるように、
ワンピースの殻を大きく圧縮して平らにしてそれの内部
の長さを長くしなければならず、セラミツク素子のスタ
ツクを入れた後で圧縮力を除去すると殻は元の形に戻る
から、スタツクに静止圧縮力が予め加えられることにな
る。ある場合には、希望のしまりばめとなるように、ス
タツクにスペーサを組合わせて用いる。セラミツク材料
は張力に対する強度が非常に低いから、スタツクを圧縮
状態にバイアスさせることが必要である。動作中は、セ
ラミツク材料に加えられる応力が、それが駆動されてい
ない時の圧縮値を中心として振動する。しかし、その値
は深さによつて変化する。というのは、長円形の殻に加
えられる水圧が細い端部に加えられ、最初に予め加えら
れた圧縮性応力を小さくするからである。その結果とし
て、このトランスデユーサの使用深度は制限される。す
なわち、ある深度においては殻の細い端部が、予め加え
られている応力を全く無くしてしまうような程度まで移
動させられる。最初の予め加えられる応力を選択するこ
とによりその最大深度を調節できる。その最初に予め加
えられる応力は使用材料の強度に左右される。零深度に
おける予め加えられる応力が大きくなると、トランスデ
ユーサの使用可能な最大深度が大きくなる。また、セラ
ミツク材料はそれの減極（depoling）応力限界近くでは
圧縮応力を受けないから、セラミツクに最初に予め加え
られる応力が制限される。その結果として、最大深度を
深くするためにセラミツクに初めに加える応力を大きく
すると、最小動作深度に注意せねばならない。これは、
トランスデユーサ素子の励振により振動する応力がセラ
ミツクの全応力（振動応力プラス静止応力）をそれの減
極値まで危険なまでに接近した時に起る。
〔問題点〕
このような種類のトランスデユーサは全体として有用で
あるが、殻が一体形であるような構造にはいくつかの欠
点がある。セラミツク・スタツクに正しい大きさの応力
を予め加えられるような寸法の殻およびトランスデユー
サ・スタツクを設計および製作することは困難であるこ
とが明らかであろう。また、セラミツク素子のひび割れ
すなわち破壊を避けるために、その予め加える応力はス
タツク全体にわたつて一様でなければならない。したが
つて一体形殻は非常に高くつく。希望の応力を予め加え
られるようにするには殻の厚さを制御しなければならな
いが、その厚さは共振周波数に影響するから、トランス
デユーサの動作周波数範囲が制限されることになる。
〔発明の概要〕
水上を動く船のように深い深度での動作を必要としない
場合には、本発明の主題である別の構造のトランスデユ
ーサによりいいくつかの大きい利点がもたらされる。こ
の構造においては、殻は２つの独立した半殻すなわち放
射素子として構成される。セラミツク素子は中心ビーム
の両側に固定され、それから、セラミツク・スタツクの
各端部に１本ずつ取付けられる非常に頑丈な２本の端部
ビームに締めつけられる複数の応力ボルトによりセラミ
ツク・スタツクに応力が加えられる。端部ビームとセラ
ミツク素子の間の接触応力を不均一にして、応力ボルト
が締付けられた時にセラミツクを破壊させる事態をひき
起すような端部ビームの曲りはできるだけ小さくする必
要がある。こうすると、予め応力を加えられたセラミツ
ク・スタツクは独立した組立体として存在する。それか
ら２個の半殻の一方の縁部を各端部ビームに取付け、電
子ビーム溶接するとトランスデユーサはほぼ完成する。
適切な長円形の端部キヤツプが中心ビームと端部ビーム
に取付けられ、組立体全体を適切な弾性材料製のジヤケ
ツトで覆う。
上記構造の利点は、金属製の殻の場合には、２個の半殻
の構造が一体殻よりも安価なことである。別の利点は、
殻自体がセラミツク素子に応力を予め加える必要はない
から、スタツク組立体に取付けられた時に殻自体が応力
を受けることがないことである。したがつて殻の厚さは
トランスデユーサの共振周波数を制御するために必要な
だけ薄くでき、そのために軽くできる。別の利点は、薄
い殻の場合には、応力ボルトを用いることにより、予め
加える応力を容易に変えることができるから、応力ボル
トを用いない対応する一体殻よりも深い場所で使用でき
ることである。２個の半殻を用いたトランスデユーサに
ついて行つた実験によれば、ほぼ同じ面積の一体殻構造
のトランスデユーサと比較して、共振周波数を約２倍に
でき、したがつてより大きい距離に使用できることが判
明している。
〔実施例〕
本発明の実施例を詳しく説明する前に、まず従来技術を
示す第１図を参照する。希望の長さの全体として長円形
の殻10が鋼、またはエポキシ樹脂で固めたガラス繊維で
作られる。この殻の中には、十分な圧縮応力を予め加え
た状態でセラミツク圧電素子のスタツク12を入れなけれ
ばならないから、その殻の壁はある程度厚い。スタツク
12が組立てられると、それの長さは殻10の長円形開口部
14の長径より僅かに長い。このトランスデユーサを組立
てるためには、殻10の短径を横断して十分に大きい圧縮
力を加え、細い端部16を外方へ動かして、スタツク12を
長円形開口部14の中に入れることができるほど十分に開
口部の長径を長くしなければならない。加えていた力を
なくすと殻10は元の形に戻ろうとするが、スタツク12が
しまりばめされているから元の形へ戻ることはできな
い。もちろん、殻10とスタツク12の寸法を慎重に計算し
て、希望する大きさの応力が、一様にセラミツク素子に
加えられるようにせねばならない。殻10の壁の厚さはそ
の応力に関係するから、その厚さによりトランスデユー
サの共振周波数と周波数帯域幅を制御できる。
次に、本発明の実施例の説明に移る。
第２図は、本発明に従つて組立てられた、応力を予め加
えられているセラミツク・スタツクの半殻へ取付ける前
の様子を示す斜視図である。この図から、中心ビーム18
の各側に、互いに隔てられた圧電セラミツク素子の２つ
のスタツク20が接合されていることがわかるであろう。
それらのスタツクはセラミツク圧電素子の群（この場合
には16）に、１個の分極されない（unpolarized）素子
とを接合したものを加えて形成される。スタツクの高さ
が互いに小さい許容誤差以内に入るように、スタツクは
分極されない素子を研磨して形成される。それから、頑
丈な端部ビーム部材22,24が３本の応力ボルト26,28,30
によりスタツク20の外端部に固定される。ボルト28が中
心ビーム18の各側の両方のスタツクの間に物理的に位置
するように、ボルト28は組立体の中心に設けられる。応
力ボルトを通すための穴が全てのビーム18,22,24にあけ
られることに気がつくであろう。この組立体の最も重要
なことは、希望の応力をセラミツク・スタツク20に予め
伝えるために、応力ボルトにナツトを締付けることであ
る。その理由は、セラミツク材料が元来もろく、大きな
曲げ応力を加えてはならないからである。スタツク20の
製作には多少費用がかかり、組立中に素子にひびが入つ
たり、欠けたりした時はスタツク全体を良品と交換せね
ばならない。ボルト26,28,30が一様に引かれるようにす
るために、各ボルトには歪み計をなるべくとりつけ、そ
の歪み計によりボルトにかかる張力の僅かな違いも観察
できるようにする。もちろん、こうすることにより、希
望の圧縮性応力がスタツク20に加えられた時を知る手段
も得られる。もちろん、スタツク20内のセラミツク素子
は全て電気的に相互接続され、スタツク20から適当な駆
動増幅器（図示せず）へ電気的接続が行われるが、その
ような電気的接続は当業者にとつては周知のものであ
り、本発明の構成部分ではない。
第３図はこのトランスデユーサの組立の引き続く工程を
示すものである。第２図における組立が完了し、半殻を
取付けるばかりになつた強固な一体構造が形成されてい
る。第３図においては、１つの半殻32が所定位置に取付
けられている状態が示されている。その半殻32の縁部が
端部ビーム22と24に電子ビーム溶接されている。一対の
端部キヤツプ34,36がビーム18の端部にボルト止めされ
るばかりになつている様子が示されている。
第４図は、第３図に示す本発明のトランスデユーサが、
両方の半殻32と38が端部ビームに電子ビーム溶接されて
長円形外殻を形成している様子を示す斜視図である。こ
の段階まで組立が進んだら、後の組立作業は端部キヤツ
プをビーム18にボルト締めし、半殻をネオプレン（商品
名）または音に対してほぼ透明なその他の適当な弾性材
料で作られたジヤケツトまたはブーツ（図示せず）で覆
うことである。そのジヤケツトは端部キヤツプ34,36の
縁部に封止される。
このトランスデユーサの動作は先に述べたものとほぼ同
じであり、スタツク20の伸縮が端部ビーム22,24へ伝え
られて、それらのビームを振動させる。そのために半殻
32,38が多少外側へ曲り、周囲の水の内部に音波を発生
する。上記の構造により、一体殻の場合よりも大幅に薄
い半殻を使用でき、それにより、同等の一体殻で可能で
あるものよりもはるかに低い周波数で動作できる。本発
明のトランスデユーサでは構造のいくつかを従来のトラ
ンスデユーサよりはるかに容易に制御することが当業者
にはわかるであろう。たとえば、スタツクに予め加える
応力の大きさを一層容易に制御でき、半殻の厚さがスタ
ツクに予め加えられる応力とはもはや無関係であるか
ら、周波数帯域を広くし、共振周波数を低くすることが
可能となり、全金属製の一体殻構造と少くとも比較し
て、トランスデユーサの重量が減少し、製作コストが低
くなる。
【図面の簡単な説明】
第１図は一体殻を用いた従来の曲り張力トランスデユー
サの概略斜視図、第２図は本発明に従つて作られた、応
力を予め加えられたセラミツク・スタツクの半殻を組立
てる前の斜視図、第３図は１個の半殻が取付けられ、端
部キヤツプを取付けるばかりになつている第２図に示す
組立体に類似の組立体の斜視図、第４図は両方の半殻を
取付けたトランスデユーサの第３図に類似する斜視図で
ある。 18……中心ビーム、20……圧電セラミツク素子スタツ
ク、22,24……端部ビーム、26,28,30……応力ボルト、3
2,38……放射素子、34,36……キヤツプ部材。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 チヤールズ・アール・ジユデイ アメリカ合衆国77351テキサス州・リビン グストン・ルート５・0286−107・ボツク ス 310 (56)参考文献 特開 昭61−43098（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−43896（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−253997（ＪＰ，Ａ)

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】横断面が長円形の中空殻と、励振された時
    に前記殻の細い端部の相互間の距離を伸縮させる振動を
    するように前記殻の中に置かれた圧電トランスデューサ
    素子のスタックとを含む水中ソナー・トランスデューサ
    において、前記中空殻は、前記スタックの各端部にボル
    トで留められた端部ビームと、一対の弧状放射素子とを
    備え、前記端部ビームは、前記スタック中に希望の大き
    さの圧縮応力を予め発生させるために前記ボルトにより
    締め付けられ、各前記放射素子の一方の縁部は一方の前
    記端部ビームに固定され、各前記放射素子の他方の縁部
    は他方の前記端部ビームに固定されて、励振された時に
    前記スタックが行う伸縮が前記弧状の放射素子の大きい
    運動に変換されるようにされており、音に対して透明な
    覆い手段により少なくとも一部が覆われていることを特
    徴とする水中ソナー・トランスデューサ。
  2. 【請求項２】特許請求の範囲第１項記載の水中ソナー・
    トランスデューサであって、前記トランスデューサ素子
    のスタックは圧電素子の少なくとも２つの並置された別
    々の群を含み、前記ボルトは、前記群の相互間、およ
    び、前記少なくとも２つの群の外側に配設されているこ
    とを特徴とする水中ソナー・トランスデューサ。
  3. 【請求項３】特許請求の範囲第１項記載の水中ソナー・
    トランスデューサであって、前記弧状放射素子の縁部が
    前記端部ビームに溶接されていることを特徴とする水中
    ソナー・トランスデューサ。
  4. 【請求項４】特許請求の範囲第１項記載の水中ソナー・
    トランスデューサであって、前記覆い手段は、前記放射
    素子および前記端部ビームにより形成された開口端それ
    ぞれを塞ぐキャップ部材と、それらのキャップ部材にシ
    ールされ、前記端部ビームと前記放射素子を覆う弾性材
    料のジャケットとを含むことを特徴とする水中ソナー・
    トランスデューサ。
  5. 【請求項５】特許請求の範囲第１項記載の水中ソナー・
    トランスデューサであって、前記圧縮性の予応力は、前
    記スタックの励振の結果生じた振動応力に加え合わされ
    た時に、前記トランスデューサ素子を減極させる値より
    も小さい値に維持されることを特徴とする水中ソナー・
    トランスデューサ。
  6. 【請求項６】特許請求の範囲第２項記載の水中ソナー・
    トランスデューサであって、前記トランスデューサは前
    記端部ビームの間に配置される第３のビームを含み、前
    記スタックは、その第３のビームの両側に支持される等
    しい数の前記圧電素子群を含むことを特徴とする水中ソ
    ナー・トランスデューサ。
  7. 【請求項７】特許請求の範囲第１項記載の水中ソナー・
    トランスデューサであって、前記トランスデューサは前
    記端部ビームの間に配置される第３のビームを含み、前
    記トランスデューサ素子のスタックは少なくとも２つの
    別々の圧電素子群を含み、それらの群は前記第３のビー
    ムの両側に等しく分割されることを特徴とする水中ソナ
    ー・トランスデューサ。
  8. 【請求項８】特許請求の範囲第１項記載の水中ソナー・
    トランスデューサであって、前記弧状の放射素子には予
    め応力が加えられないことを特徴とする水中ソナー・ト
    ランスデューサ。
  9. 【請求項９】特許請求の範囲第１項記載の水中ソナー・
    トランスデューサであって、前記弧状の放射素子の厚さ
    は、前記トランスデューサの共振周波数を制御するため
    に選択できることを特徴とする水中ソナー・トランスデ
    ューサ。
  10. 【請求項１０】横断面が全体として長円形の中空の殻
    と、励振された時に前記殻の細い端部の相互間の距離を
    伸縮させる振動をするように前記殻の中に置かれた圧電
    素子トランスデューサのスタックと、このスタックに圧
    縮性の静止力を加える圧縮手段とを含む水中ソナー・ト
    ランスデューサにおいて、 前記殻は一対の端部ビームと横断面が弧状の一対の放射
    素子とを含み、前記殻の中を長手方向に延びる中心ビー
    ムが設けられ、前記スタックは偶数の圧電素子群を含
    み、それらの圧電素子群の半分が前記中心ビームの各側
    に設けられ、前記圧電素子群の外端部に前記端部ビーム
    が接触しており、 前記圧縮手段は複数の応力ボルトを含み、それらの応力
    ボルト、締付けられた時に希望の圧縮力が前記圧電素子
    群にほぼ一様に加えられるように、前記端部ビーム相互
    を連結するよう延びており、 前記放射素子の一方の縁部が前記端部ビームの一方に固
    定され、前記放射素子の他方の縁部が前記端部ビームの
    他方に固定されて、前記スタックが交流により励振され
    た時に、前記端部ビームが前記中心ビームに接近した
    り、前記中心ビームから離れたりするように動かされ
    て、前記弧状の放射素子を大きく動かすようになされて
    おり、 前記ビームの端部に固定される全体として長円形のキャ
    ップ部材が設けられ、前記放射素子と前記端部ビームと
    を覆っていて前記殻の中に水が入ることを防ぐために前
    記キャップ部材に封止される弾性材料製のジャケットが
    設けられている、ことを特徴とする水中ソナー・トラン
    スデューサ。
  11. 【請求項１１】特許請求の範囲第10項記載の水中ソナー
    ・トランスデューサであって、各前記圧電素子群の各側
    に前記応力ボルトが配設されて、前記素子にほぼ一様な
    応力を予め加える手段を構成することを特徴とする水中
    ソナー・トランスデューサ。
  12. 【請求項１２】特許請求の範囲第10項記載の水中ソナー
    ・トランスデューサであって、前記弧状放射素子の縁部
    は前記端部ビームへ電子ビーム溶接されることを特徴と
    する水中ソナー・トランスデューサ。
JP62104860A 1986-04-30 1987-04-30 水中ソナ−・トランスデユ−サ Expired - Fee Related JPH0754352B2 (ja)

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