JPS60109400A - ボルト締めランジュバン振動子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、水中超音波トランスジューサに用いられるボ
ルト締めランジュバン振動子に係わり、ボルト締めラン
ジュバン振動子の小型軽量化と同時にハイパワー化をは
かることを目的とするものである。

従来、ボルト締めランジ−パン振動子は第１図に示した
ように、アルミ合金、チタン合金、鋼などの高剛性材料
からなるフロントマス１１．フロントマス１１とリアマ
ス１３の間に配置されたリング状圧電セラミックス１２
．フロントマスと同様にステンレススチール等の高剛性
材料からなるリアマス１３及びリング状圧電スラミック
ス１２に圧縮応力を加える機能を有するＣｒ−Ｍｏ鋼な
どの高張力合金からなるボルト１４．ナツト１５によっ
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
ックス１２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。

隣接するリング状圧電セラミックスどうしは図中の矢印
に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、一般にセラミックスは圧縮応
力に比べて引っ張り応力に対して弱いため、ポル１−１
４．ナツト１５であらかじめ静的なバイアス圧縮応力が
加えられており、ハイパワ一時においても十分使用に耐
える構造となっている。尚、このような構造のボルト締
めランジュバン振動子においては、周知の如く２分の１
波長共振モードが用いられ、圧電セラミックス１２部分
に振動節点があり、応力は圧電セラミック１２及びボル
ト１４部分に集中的に働くわけである。

上述した水中超音波トランスジー−サに用いられるボル
ト締めランジーパン去動子は、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
列された振動子アレイは必然的に大型でかつ極めて重い
ものになるため、最近、ボルト締めランジ−パン振動子
の小型、軽量化が強く要求されている。しかしながら、
従来、小型軽量化と同時にハイパワー化に適合した振動
子形状は得られていない。とくに艦船用ソーナーシステ
ムに用いられるボルト締めランジ−パン振動子は、限ら
れたスペースに所望の指向性を得るため多数個配列して
用いられており、軽量化のみならず振動子長を短くする
必要がある。

本発明は、ボルト締めランジュバン壁動子の小型、軽量
化と同時にハイパワー化を達成させるためになされたも
のであり、小型、軽量化と同時にハイパワー化を両立さ
せる最適な形状を有する振動子を提供するものである。

すなわち、本発明はフロントマス部、圧電セラミック部
、リアマス部からなる２分の１波長共撮ボルト締めラン
ジ−パン撮動子において、フロントマス部の音響放射断
面積を８１．　圧電セラミック部分の断面積を８２、ボ
ルト部の断面積を８３、リアマス部の断面積を８．、と
し、またフロントマス部の長さを１１、フロントマス部
の音響放射端から振動節点までの長さをｌｏとしたとき
に、圧電セラミック部の断面積Ｓ２に対してボルト部分
の断面積Ｓ３をかなり小さく設定し、フロントマス部の
音響放射端から振動節点までの前半部分に関し、　０−
０３　＜Ｓｔ／Ｓｓ　＜　０．２５　、０．１　＜ノｔ
　／ｌｏ　＜０．３５、振動節点からリアマス端部まで
の後半分に関してＳｔ　／８４　’：２０．１５とした
ことを特徴とするボルト締めランジ−パン振動子である
。

以下、本発明について詳述する。

本発明の目的とする最適形状を有するボルト締めランジ
−パン振動子を得るために、フロントマスから振動節点
までの前半部の４分の１波長部分と振動節点からリアマ
スまでの後半部分に分けて考える。まｒ、等価複合伝送
線路でボルト締めランジ−パン振動子の機械系における
考察を行い、ここにおいて小型化の目安になる規準化さ
れた振動子長並びに軽量化の目安となる規準化された振
動子質量と水中に３いて動作させたときのボルト及び圧
電セラミック部分に加わる応力との兼ね合いから、小型
軽量化と同時にハイパワ一時の機械的強度に優れた振動
子形状を明らかにする。さらに電気系を含めた解析を行
い、電気機械変換能率に密接に関係する容量比（容量比
が小さＧ）はどエネルギー変換能率が高い）と振動子形
状の関係をめ、最後に機械系と電気系を両方考慮し軽量
化と同時にハイパワー化のはかれる最適な振動子形状を
見い出す。

小型、軽量でかつノ＼イパワー化のはかれる振動子を得
るために、まず始めに第２図に示すようζこ音響放射端
から振動節点までの振動子牛区間に一ついて理論的検討
を行う。第２図におＧ１て１１部（まフロントマス部分
、１２部は圧電セラミック部分、１４ｉＪ　ハボルト部
分、！、はフロントマス部分す、１２は圧電セラミック
部分の長さく＝ボルト部分の長さ）、ｌｏ（＝　ｌｌ、
＋４　）　は実効的な４分の１波長を示す。第２図に示
した半区間モデルの等価複合伝送線路を第３図に示す。

第３図において、第１部分（ｉ＝１．２．３）の密度を
ρ１．縦波速閲をＣＩ。

断面積をＳｌを位相定数をβ１（＝０１／Ｃ１、６）　
；角周波数、ω＝２πｆ）、特性インピーダンス密度を
Ｚ。。

（＝ｌ’ｒ’ｔ　）　を特性インピーダンスを”Ｏｉ　
（＝　ｚＯｉ　ｓ、　）とし、またＲａは音響放射イン
ピーダンスで次式で表わされる。

Ｒａ＝ρｏ　Ｃｏ　８＋　（１，） ただし　ρ０；水の密度 Ｃｏ；水の音速 Ｓｌ；放射断面積− たたし、圧電セラミック部分に関して実効的な縦波速度
をＣ２ｅ　（”　５　ｒ　ＳＸＳ　’電界一定時の弾性
コンプライアンス）とし、実効的な位相定数。

特性インピーダンス密度、特性インピーダンスをそれぞ
れβ２ａ　ｐ　ｚＯ２ｅｒ　Ｚ０２６　とする。第３図
の等価複合伝送線路の共掘関係式は、１−１′から左右
をみた各伝送線路のインピーダンスの総和を零とおくこ
とにより得られる。（振動子自身の共振周波数である力
１らＲａ：Ｑとした）即ち、Ｚｏ、ｊａｎ（β、ｌ、　
）−Ｚ（，２ｅｃｏｔ（β２ｅ　Ａ！２　）−Ｚ６．Ｃ
ｏ　ｔβ３１ｔ＝０（２） ここで、特性インピーダンスの比としＣＫ１２−　＝　
ＺＯ２＝／ＺＯＩ　（３）Ｋ工３ニＺｏａ／Ｚｏ１（４
） また、４分の１波畏を規準として規準定数α３．Ｃ２を
導入して、 とおくと、（２）式は次のようになる。

（８） 振動子各部の刊料を定め、ついでｉＵ？而績面Ｓ２／Ｓ
Ｉ＋Ｓ３／ＳＩ　を与えてやると（８）式はＣ１，Ｃ２
の２変数からなる方程式となる。即ち、Ｃ１を与えてや
るとＣ１に応じたＣ２がまり、寸法比１１ｔ／ｌ！ｔと
共振周波数の関係がめられる。１．ｇ２図に示した半区
間の振動子の全質量Ｍは Ｍ−ρＩ　Ａ’ｌ　ｓ、＋ρｔ　Ａ、　ｓ２＋ρ５ｌｓ
ｓｓ　（９）で与えられる。共振周波数と長さは反比例
の関係にあるから、共振周波数で規準化した単位音響放
射面積当りの軽汲化最適形状の目安はＭｆｒ／Ｓ、で与
えられる。さらにこれを圧電セラミック部分の特性音響
インピーダンス密度２０２（二ρ２Ｃ２゜）で規準化す
ると、規準化された振動子質量Ｍ。はｆｌｕ） で与えられる。

次にｌ。（”　ｌ、　＋１２　）が実効的な４分の１波
長であるが、ｌｏは共振周波数ｆｒに反比例する。即ち
ｆ、ｌｏ　が振動子長を最小にする目安となるが、圧電
セラミックの音速Ｃ２ｅで規準化を行う。小型化の目安
となる規準化された振動子長Ｌｎはで与えられる。

ここでＭｎのみならずＬｎ　に対しても考慮しているが
、ＭＨを小さくするような振動子形状とＬｎを小さくす
るような振動子形状は必ずしも一致しないからである。

計算に先立ち、通常ボルト締めランジ−パン振動子各部
分に用いられている材料の密度及び縦波速度を第１表に
示す。

第　１　表 第１表に示した材料を用い、１例として、音響放射面積
に対するボルト断面積の比Ｓｓ／Ｓ＋二〇〇〇６一定と
して、音響放射面積に対する圧電セラミック断面積Ｓｔ
／Ｓｔ　をパラメータにしたとき、実効的な４分の１波
長に対するフロントマスの長さの比１！ｒ／ｌｏ　と振
動子前半部の規準化された全質量Ｍ、の関係を第４図に
示す。第４図から、Ａ！Ｉ　７１３０が０〜０．４の範
囲のときには、ｌｌ＋／／７１！ｏの増加とともにＭｎ
は緩やかに増加しているが、　１１＋／ｌｏが０．４以
上になるとＭｎ　は急激に増加しており、振動子の軽量
化のためにはＳ２／Ｓ□、１３．／１１．を小さくする
方向にもって行けば良いことがわかる。尚、ボルトの断
面績Ｓ３は通常第４図に示したように圧電セラミック部
分の断面積Ｓ、に比べてかなり小さく設計される。これ
はＳａが８２に近づくにつれ電気機械変換効率が低ドす
る悪影響をもたらすことによる。ＳａがＳ、よりかなり
小さい範囲では、ＭｎはＳｓ／Ｓｒにほとんど影響をう
けない。このとき、音響放射面積８１に比べて圧電セラ
ミック部分及びボルト部分の断面積Ｓ、　、　Ｓａを小
さく設定すれば、それだけ軽量化が可能となるが、ボル
ト部分及び圧電セラミック部分に応力が集中することに
なり、単純に断面積Ｓ、　、　Ｓａを小さくしただけで
はハイパワーを考慮した軽量化は困難であることが推察
される。

次に、第４図と同様に断面積比Ｓ３／Ｓ１：＝：０．０
０６一定とし゛Ｃ１断面積比Ｓ、／Ｂ、をパラメータに
したときの、　ｌｌｓ／ｌｌｏと規準化された振動子侠
Ｌｎの関係を第５図に示す。第５図から同じｌ！、／７
ｉｏに対して断面積比を小さくした方が小型化に有利で
あり、さらにＴｏ／ｉｌｏを０３〜０５　としたときに
Ｌｎは最小となることがわかる。

次にボルトｍめランジュバン振動子の圧電セラミック部
分及びボルト部分に加わる振動応力について理論的検討
を行う、通常水中で送波を行う場合、振動子内部に働く
応力はイど中での振動状態とは異なり、音響放射端面に
おいて水の音響放射インピーダンスによる反作用がさら
に加わる。ここでは、水負荷時において音響放射面を単
位速度（１ｍ／５ｅｃ）で共振させた場合、圧市、セラ
ミック部分及びボルト部分に加わる応力を第３図に示し
た等価回路からめ、それら応力の振動子形状依存性を算
出する。圧電セラミック部分の応力に関し、最大の応力
を受ける部分は第３図２−２′にある振動節点であり、
ここにおける応力をＴｐｍとする。

第４図と同様にＳ３／Ｓ１：０．００６　一定としたと
きに８．　／Ｓ□をパラメータとしたときの寸法比１ｔ
／ｌｌ。

に対するＩ　Ｔｐｍ　ｌの関係を第６図に示す。’％／
Ｓ＋が小さいほど１１／ｉｏが大きいほどＩ　Ｔｐ、、
、ｌ　が増大していることがわかる。次に、全く同様に
してボルト部分に働く応力と振動子形状の関係をめる。

フロントマスとの接合部分におけるボルトに働く振動応
力をＴｂｃ　、　４Ｆｉ動節点におけるボルトに働く振
動応力をＴｂｍとする。ｌ　Ｔｂｃｌ　−ｌ　ＴｂｍＩ
と振動子形状との関係を第６図と同様にして第７図に示
す。

第７図において実線は１Ｔｂｃｌ、点線はＩ　Ｔｂｍ　
ｌの特性を示す。＃＋　／ｌｌｏ　＞　０．２ではｌ　
Ｔｂｃ　ｌとＭ”ｂｍｌノ差はそれほどないが％　ｌＴ
ｂ１＜ｌＴｂｍ１となりＩＩｓ／ＩＪ。

が増大するにつれてＩＴｂｃＩ　、　ＩＴｂｍＩも増大
し、同時に１Ｔｂｃｌとｌ　”ｂ＋ｎ　Ｉは接近する。

しかし、ｌ、／ｌ。

〈０．１ではｌ！、／ｌｌｏが減少、即ちフロントマス
の長さが短くなるほど、逆にＩＴｂｅ　ｌ　、　ｌ　’
１１’　ｂｍ　ｌが増大するといったふるまいを行う。

これは、水の音響放射インピーダンスの反作用のため、
フロントマスが極めて薄くなると、ポルＩ−とフロント
マスの接合部に応力が集中するためである。

ボルト締めランジュバジ振動子において最も・機械的強
度の弱い部分は、フロントマスとボルトとの接合部分及
びセラミック中央部分である。振動子の小型軽量化と同
時にハイパワー化をはかるためには音響放射端における
一定の倣動速度に対して機械的強ＩＬ（Ｄ　滴い部分に
応力が集中しないよ゛うな振動子形状が望ましい。振動
子の小型＠風化のためには、去動子質量のみならす振動
子長まで考慮する８璧がある。機械振動系に関して、軽
量化のＦｉｇｕｒｅ　ｏｆ　Ｍｅｒｉ　ｔ　Ｆ”ＮｊＭ
ｍ、小型化のＦｉｇｕｒｅ　ｏｆＭｅｒｉｔ　ＦＭＭｔ
はそれぞれ次のように与えられる。

ｕ２１式は振動子の単位質量当りとり出し得る最大音響
パワーと密接な関係があり、ｆ’Ｍｔ’ｖｉｍ　が大き
いほど軽量化に対する振動子の形状が優れており、一方
（１３式は振動子の単位長さ当りとり出し得る最大音響
パワーと密接な関係があり、ＦＭＭｔ　が大きいほど小
型化に対する振動子形状が優れているわけである。そこ
で振動子の小型化と軽量化をともに考慮した新しイＦｉ
ｇｕｒｅ　ｏｆ　Ｍｅｒｉ　ｔ　１ｉ’ｆｖＩＭｍｚは
Ｆ　Ｍ　Ｍｍ　とＦ’　ＭＭｔの幾町平均で与えられと
なる。ＦＭＭ、ｎｚＯ値が大きいほど小型軽量化に優れ
た振動子形状を与えるものである。

次に、電気機械変換効率の目安（！：なる容量比ｒは、
第３図に示した圧電セラミック部分の等価伝送線路をＭ
ａｒｔｉｎの等画回路（Ｕ、Ｅ、Ｍａｒｔｉｎ　：’　
Ｖｉｂｒａｔｉｏｎｓ　ｏｔｏＣｏａｘｉａｌｌｙ　Ｓ
ｅｇｍｅｎｔｅｄ　。

Ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌｌｙ　Ｐｏ１ａｒｉｚｅｄ　
ｌｉ”ｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃＴｕｂｅｓ“、　Ｊｏ
ｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｃｏｕｓｔ、Ｓｏｃ、　Ａｍ。

■ｏ１．３６　、　／Ｉ６８　、　ｐｐ、　１４９６−
１５０６．（１９６４）　）で表子ことにより、共振反
共振周波数の関係から容易にめられる。ｒが小さいほど
電気機械変換率が優れているわけであるから、音響放射
端から４分の１波長部分の振動子の電気系を含めた小型
軽量化のための１＋’ｉｇｕｒｅ　ｏ（Ｍｅｒｉ　ｔ　
ｐＭＬｎｔ　は次式７式％ 振動子各部の材料として第１表に示した材料を用い、圧
電セラミックスの電気機械結合係数をｋｓｓ　＝　０．
５０　としたときのＦＭｒｎ特性を第８図に示す。ここ
でフロントマスが薄くなり右／ｌｏが０．１以下になる
と、音響放射時にフロントマス自身が屈曲撮動を行い、
もはやフロントマスの音響放射面がピストン運動ができ
なくなるため音響放射効率が低下することは周知の通り
である。そこで、まずｌｌｓ／ｌｌｏが０．１より大き
い範囲が実用に供する。

Ｓ２／８１　が小さくなり０’、０３　より小さくなる
と、それほどＦＭＭｍｔが増大しない割には容量比γが
大きくなり、その結果ＦＭｍｔ　が低Ｆする。さらに、
Ｓ２／８１　＜　０．０３と圧電セラミック部分の断面
積が小さくなると圧電セラミック部分の肉厚が薄くなり
、ボルトを締めたときの静的応力に対して圧電セラミッ
クリングの径方向の強度が大きくとれないので実用上好
ましくない。また、Ｓｚ／８ｔが大きくなるに従いＬｎ
、　Ｍｎが増大するためＦＭｍｔは低下する。実用上要
求されるＦＭｍｔの値はに３３＝ｏ、５ｏのときｍ　６
　ＸＩＯ”ｔｎ２／Ｎである。しカシｆ、ｆから、従来
の振動子形状ではこれが満足されていない。第７図には
示していないが、さらに詳細に振動子形状に対するＦＭ
ｍｔ　を計算したところ１１ｊｒ／１１０＞　０．３５
　、　Ｓ２／Ｓ、　）　０．２５では、ＦＭ、−Ｈｔの
値が６　Ｘ　１０−８ｍ２／Ｎ　を超えないことが明ら
かになった。即ち、ＦＭｍｔ　を大きくする振動子形状
、換言すると小型軽量でかつハイパワー化のはかれる振
動子形状は、断面積に関し０．０３　＜８．／Ｓ、　＜
０．２５　。

長さに関し０．１　＜、　４　／ｌｌｏ　＜、　０．３
５であること力巧見い出される。

次に、フロントマス材料としてＭ合金と同程度もしくは
それ以上の剛性を有し、かつＡＪ曾金より密度の小さい
先進複合材料として最近注目されている炭素繊維強化樹
脂（Ｃ−ＦＲＰ）を用いたときのＦＭｍ特性を第９図に
示す。第９図から、第８図に示したＡ７合金をフロント
マスに用いたときのＦＭｍ値の極大値とｃ−ｐｉｔＰの
それとはほとんど一致するが、ＦＭｍの極大値はわずか
に右／７１！ｏが大きい方にシフトしている。しかし、
ＦＭｍを大きくする振動子形状の傾向は、フロントマス
材料が異なっているにも拘らず全く同じであることが明
らかである。

次に撮動節点からリアマスまでの後半部の４分の１波長
部分に関して、小型軽量化と同時にハイパワー化のはか
れる振動子形状についてのべる。

第１図に示したボルト締めランジ−パン振動子の振動節
点からリアマスまでの振動子牛区間の物理モデルを第１
０図に示す。第１０図において１２’　、１４’はそれ
ぞれ圧電セラミック部分及びボルト部分。

１３はリアマス部分である。梶　は実効的な４分の１波
長、ｌ；　は圧電セラミック部分（＝ポルＩ一部分）の
長さ、１４はリアマス部分の長さである。■２゜１４′
は機械的に第２図に示したフロントマスから振動節点ま
での圧電セラミック部分及びボルト部分１４と連続した
もので、１２と１２′の材料、１４と１４′の材料はと
もに同一であり、また１２と１２’部分の断面積は等し
いものとする。ここでは最適な嘔動子の形状を見い出す
ために、振動子を前半分と後半分の２つに分けて考慮し
ているが、実際には１２と１２’、１４と１４′は一体
化されたものであり、フロントマスの音響放射端がある
速度で振動した場合、トランスジューサの前半分と後半
分におけるを動接点は共通であり、ここに働く応力は当
然のことであるが共に等しい。この振動節点において、
フロントマスの長さが極端に短くならない限り、最大応
力が発生するわけである。この部分における振動応力Ｔ
ｐｍ　＋　Ｔｂｍについては既にめられている。

１３部の密度をρ３．音速をＣ４＋断面積をＳ４とする
。■部の特性音響インピーダンスＺ。４２位相定数β４
は ＺＯ４＝　／’４　Ｃ４８４＝　ＺＯ４８４ｕ６）βｉ
４　＝　ω１４／Ｃｃ　＝　（”／２　）　Ｃ４（１７
）となる。第１０図に示す後半部の振動子の全資ｆＭ′
とする。後半分の振動子の質量に関して、共振周波数と
長さは反比例の関係にあり、また圧電セラミック部分の
断面形状が前半分と後半分とで等しいことから、圧電セ
ラミック部分の！特性ｆ書イノビーダンス２゜２ｅで規
準化することができる。規準化された全質量を幅とする
と、Ｍ几は たたし。

π　Ｉ ７“２：β２ｅ　１２　四 となる。振動子の前半部分で振動節点における応力が決
定されてしまうわけである力）ら、振動子の後半部分に
関して、規準化された質量Ｍ′ｎが小さく振動子後半部
の容量比γ′も小さいほどＦｉｇｕｒｅｏｆ　Ｍｅｒ口
が優れているわけである。後半部のＦｉｇｕｒｅ　ｏｆ
　Ｍｅｒｒ　ｔ　ＦＭ脅ｔは次式で与えられる。

ここで、Ｌ′ｎは振動子の後半分に関する規準化された
振動子長Ｃあり、 で与えられる。リアマス材料として、Ｍ合金。

ステンレススチール（ρ＝　７．９１　Ｘ　１０３ｋｇ
／ｍ”　。

ｃ　：５．００　ＸＩＯ３１ｃｙ／ｅｃ−）を用いたと
きのＦ　ＭＩＴｌｔの振動子形状依存性を各々第１１図
、第１２図に示す。いずれも、ｓｔ／ｓ＋が大きくなる
に従いＦ　Ｍ’ｍ　ｔも大きくなり、Ｓ２／Ｓ４が０．
１５以上になると飽和する傾向にあり、ＦＭ’、ｎｌ　
を大きくするための振動子の形状は全く同じ傾向にある
。またＭ合金とステンレススチールを比べると、密度の
大きなステンレススチールの方がＬ′ｎを小さくするこ
とができるのでそわたけＦ　Ｍ脅Ｌ　を大きくすること
に有利であることが明白である。Ｆ　ＭＨ）ｔの値さし
て１．１以上が望まれているが、リアマス材料としてＭ
合金のような密度の小さな材料を用いた場合はＦＭ缶ｔ
）１．１とすることは実現困難である。

Ｆ”：ｎｔ　＞　１．１を達成するためには第［２図よ
り８２／８４　’：Ａ）１５　とする必要かある。尚、
１４／１３０　＜　０．１であれば、リアマスの南械的
強度が弱くなり％特にハイパワ一時においてリアマス自
身が極めて撓みやすくなるため、パワーリニアリティが
大きくされなくなり好ましくない。またＳ２／８４が０
．７０以上になると、第１図に示すようなポルト１４．
ナツト１５を保持することが難かしくなり実用性がなく
なる。材料的にはＭｏ、Ｗのようなステンレススチール
より密度の大きな材料をリアマスに用いることによりさ
らにＦＭｆｎｔを大きくできることは言うまでもない。

以上、理論的に考察したＦｉｇｕｒｅ　ｏｆ　Ｍｅｒｉ
ｔ　ＦＬｖｉｍ１Ｆ　Ｍｉ−１１ｔに関し、ＹＭｍｔ　
が大きいほど電気音響変換効率に優れ、また圧電セラミ
ック及びボルト部分に加わる振動応力が同一であれば振
動子質量×振動子長当りの音響放射端面の振動速度Ｖを
大きくすることができる。撮動速度Ｖは音響放射エネル
ギーＰａの平方根に比例する。また、ＦＭＭｔが大きい
ほど電気音響変換効率に優れ、小型軽量の振動子を実現
することができる。即ち、音響放射断面積Ｓ１．共振周
波数ｆ、が同一であれば、”ｍＡ　ｓ　”Ｍｍｌが大き
いはどＦｉｇｕｒｅ　ｏｆ　Ｍｅｒｉｔただし　Ｍｔ：
振動子全質量 Ｌｔ：振動子差 の値を大きくすることができるわけである。

次に本発明の一実施例として１０　ＫＨｚ　帯に共振周
波数を有し、また音響放射面積Ｓ１が同一である第２表
に示すような形状の異なるＡ、Ｂ、Ｃ，Ｄ４椎類の水中
超音波送受波器用ボルト締めランジ−パン振動子を試作
し、　Ｆｉｇｕｒｅ　ｏｆ　Ｍｅｒｉｔ　について評価
を行った。尚、振動子Ａ、Ｂ、Ｃ，Ｄは（／１ずれも圧
電セラミックスとしてｋｓｓ　＝　０．５０を有するＮ
ＦｉＰＥＣ−１、フロントマス材料としてＭ合金。

リアマス材料としてステンレススチール、ボルトナツト
材料としてＣｒ　−Ｍｏ　鋼を使用している。近年、ソ
ーナーシステムの測深距離が伸びており。

それに平行して振動子にも小型軽量化並びに）１イパワ
ー化が要求されている。具体的に１０１田ｚ　ｆｉの振
動子に関して、ＦＭの値で１５０（閑４ｇ・ｒｎ　）　
２以上が要求されている。

第２表 第２表に示したＡ、Ｂ、Ｃ，Ｄ４つの形状を有する振動
子から計算したＦＭｍｔｔ　ＦＭｍＡの値を第８図及び
第１１図にプＤッ卜する。ｌｉ’ｉｇｕｒｅ　ｏｆ　Ｍ
ｅｒｉｔの実験的評価に関し、振動子を実験的に駆動し
、電気入力パワーに対する音響出力パワーの関係をめ、
電気入力パワーに対する音響出力パワーの直線性が急激
に劣化したときの音響出力パワーをＰａとしく至）式に
従ってＦＭをめる。振動子ＡはＦ’ｂＡ：、ｔ　）　１
．１を満たしているがＦｉｓｉｍｔ＞　６　Ｘ　１０−
８？７Ｚ２／Ｎ　を満たしていない。振動子ＢはＦ　Ｍ
ｍｔ＞６　Ｘ　１０　ｍ２／Ｎ及びＦ　ＭＱｌ　）　１
．１をぎりぎりであるがともに満たしている。振動子Ｃ
はＦＭｍｔ、＞６ＸＩＱ　’　Ｎ／ｍ２及びＦｉｌ、ｉ
脅ｚ　）　１．１をともに満足していない。また振動子
りはＦ　Ｍｍｔ　＞　６　Ｘ　１Ｏ−８Ｎ７’ｍ２　及
びＦ　Ｍ’ｍｔ　＞　１．１をともに余裕をもって満た
している。結果を第３表に示す。

第３表 第８必、第１２図に示したＦＭ、ｚ　、　ＦＭ六１１　
の値が大きい振動子はど、実際に小型軽量で力）っ出力
音圧の大きな振動子が得られることが明らかである。と
くにＦ　Ｍ脅を及びＦＭＳｔの値がともに大きな振動子
りは小型軽量でかつハイパワー特性に優れていることが
わかる。

以上、詳述した如く１本発明に従えば小型艇ｉでかつハ
イパワー特性に優れた水中超音波トランスジューサ用ボ
ルト締めランジ−パン振動子が得られ、工業的価値も多
大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は水中超音波トランスジー−サに用いられるボル
ト締めランジ−パン振動子の概略図、第２図は音響放射
端から振動節点までの振動子前半区間のモデル図、第３
図は第２図の等価回路図、第４図は振動子前半部の規準
化された質ｉｔ　Ｍｎと振動子形状との関係を示す図、
第５図は振動子前半部の規準化された長さＬｎと振動子
形状との関係を示す図、第６図は圧電セラミック部の振
動節点における応力Ｉｌｌ　、ｍとＪ辰動子形状との関
係を示す図、第７因はフロントマスとの接合部分におけ
るボルトに働く応力Ｔｂｃｂポルト部の振動節点に働く
応力”ｂｍと振動子形状との関係を示す図、第８図は振
動子前半部の電気系を言めた小型軽量化のためのＦｉｇ
ｕｒｅ　ｏｆ　Ｍｅｒｉｔ　Ｆｆ！’４ｍｔ　と振動子
形状との関係を示す図、第９図はフロントマス材料にＣ
−Ｆ　）％Ｐを用いたときのＦＭｍｔと振動子形状との
関係を示す図、第１Ｏ図はボルト締めランジュバン振動
子の振動節点からリアマス端部までの振動子牛区間の物
理モデル図、第１１図、第１２図はそれぞれリアマス材
料として１％−ｌ、ステンレススチールを用いたときの
振動子後半部のＦｉｇｕｒｅ　ｏｆＭｅｒｉｔ　ＦＭ合
１を特性図を示す。 ＩＭＣオイ’Ｃ，１１はフロントマス、１２，１．２’
は比重セラミ、クリング、１３はリアマス％１４　、１
４’は７トルト、１５はナツトｂ　ｌｌはフロントマス
の長さ、１２゜ｌ≦は圧電セラミ、り部分の長さ、１４
（ま１ノアマスの長さ、ｌｏ、　ｌ≦は実効的な４分の
１波長、Ｓ。 はフロントマスの断面積、Ｓ４はリアマスの断１ｆＬｉ
積、ｋ３３は心気機械結合係数、ｌＬａ０ま詮Ｊ、４ｊ
放身１インピーダンス、ＺＯＩ　ＨＺＯ□、　７．、、
は特性音響インピーグンス、／Ｊ１．β２ｅ＋β、は位
４１」定数。 ギ　２　図 ０　０．２　０．４　０．６　０８　７０Ｘ　１０８ １、／ＬＯ １、／ＩＯ ０　０１　０．２　０．３　０．４　０．５ＯＯｆ　Ｏ
，２０，３０，４０５ Ｌ４／Ｌ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 フロントマス部、圧電セラミック部、リアマス部からな
   る２分の１波長共振ボルト締めランジ−パン振動子にお
   いて、フロントマス部の音響放射断面積を８１．圧電セ
   ラミック部分の断面積を８２゜ボルト部の断面積を８ｇ
   、’Ｊアマス部の断面積を８４とし、またフロントマス
   部の長さをＪｌｍ　フロントマス部の音響放射端から振
   動節点までの長さをｌ。としたときに、圧電セラミック
   部の断面積Ｓ。 に対してボルト部分の断面積Ｓ、をかなり小さく設定し
   、フロントマス部の音響放射端から振動節点までの前半
   部分に関し、０．０３　＜８２／Ｓｓ＜０．２５　。 ０．１　＜　１１／ｌｏ＜０．３５　、振動節点からリ
   アマス端部までの後半分に関してＳｔ／８４＞０１１５
   としたことを特徴とするボルト締めランジュバン振動子
   。