JPS61196697A - 低周波水中超音波送波器 - 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】 （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
動電形トランスジューサと圧電形トランスジューサが知
られている。動電形トランスジューサは、大きな変位が
とりつる反面、発生力が小さいことにより低周波で小型
のトランスジュ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ューサでは、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格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
点があるもののが音１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
拡大させて音蕾放射を行う必要がある。以下、従来の圧
電形トランすジー一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ューサとし
てボルト締めランジュバントランスジューサが３ＫＨｚ
〜数１０ＫＨｇ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
スジューサを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っ
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
ューサとして、例えばＲ，Ｓ、Ｗｏｏｌｌｅｔｔ　＋”
　Ｔｒｅｎｄ　ａｎｄ　Ｐｒｏｂｒｅｍ　ｉｎ　５ｏｎ
ａｒ　Ｔｒａｎｓｄｕｃ−ｅｒ　Ｄｅｓｉｇｎ“、　Ｉ
ＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ、　ｏｎ　Ｕｌｔｒａｓｏｎ　−１
ｃｓ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ＋　Ｉ）Ｉ）１１６−１
２４　（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
ジュ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ューサ
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はニッケル・ステンレススチールなど
の金属板であす、１０．１１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はキャビティ、１３はハウジングケースであり、
深海だ てこのトランスジューサＩ作動されるときにけ１２のキ
ャビティ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１０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
ることによっ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
ー特性には適していない。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
ュ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
なるアクティブ柱状体と該アクティ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ィブ柱
状体を用い、アクティブ柱状体から出ている２本の短ヒ
ンジと各非アクティ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、図面に従って説明する。

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ィブ柱状体で、
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は非アクティブ柱状体、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、非アクティブ柱状体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２
４は完全船体に近いは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
、アクティ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′でもって
、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
位がアクティブ柱状体２１から出力される縦変位の数倍
となっているため、第１段レバー２４０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２８に伝達され、ピスト
ン音響放射体２９を大振幅で駆動するととができるわけ
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
．２６′の縦変位に対する剛性は第２段レバー２７に伝
えられる力を太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、アクティブ柱状体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か、この他にもピス
トン音響放射体２９の質量Ｍをアクティブ柱状体側に換
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可学的
な位置や形状によっ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
平板やシェルそれ自身による変位拡大機構には全くなか
ったものである。その理由は、平板やシェルを用いた送
波器では等価質量を増加させる場合、平板やシェルの板
厚を増す方向にもって行かざるを得ないが、この場合撓
み剛性が増しかえって共振周波数が上昇するといった結
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Ｏ−リングを示しており、ピ
ストン青春放射体２９のピストン運動を妨けることなく
、またキャビネ、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
クティ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、アクティブ柱状体に圧力が働くような構成
となっている。アクティブ柱状体を構成している圧電セ
ラミッ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ャビネ、ト３１の内外の
圧力バランスをとらな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。アクティブ柱状体２１に電気機械
結合係数０．６１、比誘電率ε晶／ε。

、＜：１ｏｓｏ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２３．２
６．２６′、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倍となっており、従って本実施例の送波器全体とし
て変位拡大率は１２倍となっている。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０．０
８となっている。即ち、本発明に従った送波器で、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６０ｃｒｎ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
響放射効塾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
の屈曲トランスジューサを示す図である。 図において、１０け圧電磁器板、１１け金属板、１２は
キャビティ、１３はハウジングケース、１４はダイヤフ
ラム、２１はアクティブ柱状体、２２は非アクティブ柱
状体、２３は短ヒンジ、２４は第一段レバー、２５は台
座、２６．２６′は長ヒンジ、２７は第二段レバー、２
８は連結棒、２９はピストン音響放射体、３０は０−リ
ング、３１はキャビネ、、）”ｒ″４′６・　　　　　
、ヨ、、、オオ□内原　責αυ 鮨　１　図 ｔり ｚｌ；　　アクフイブ゛オ主１欠°イ本　　　　　ｚ７
；　　第二股レバ”−？２：　昨アワティフ゛ス主１に
４本　　　　２８；　　遁赤舌才拳ｚ３；　すｉヒンジ
゛°２９；　　ピストン肯雫万ダ清寸４本２４；　第一
段しバ“−３０：Ｏ−ソンク°゛２５；　台　＆　　　
　　　　　　　　　　　３１；　千ヤヒ”ネット２乙、
２乙′；長ヒンレ°゛

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 台座の上に設置された圧電磁器からなるアクティブ柱状
   体及び該アクティブ柱状体をはさんで配置される非アク
   ティブ柱状体と、該アクティ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ィブ柱状体から出て
   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。