JPS6318800A - 水中超音波トランスジユ−サ - 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、広帯域でかつ高効率特性を有するハイパワー
水中超音波トランスジューサに関するものである。

（従来波り 従来、周知の如く水中においてハイパワー送波が可能な
超音波トランスジューサとして、例えばアイトリプルイ
ー・トランザクション・オン・ソニックスアンドウルト
ラソニックス（ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ　ｏ
ｎＳｏｎｉｃｓ　ａｎｄ　ＵＩｔｒａｓｏｎｉｃｓ）の
１９８６年１０月号の２２０ページに記載されているよ
うに、ボルト締めランジュバントランスジューサ（別名
トンピルズトランスジューサ（Ｔｏｎｐｉｌｚ　Ｔｒａ
ｎｓｄｕｃｅｒ））が広く普及している。

また、水中超音波トランスジューサの中で、特に広帯域
でかつ高効率特性を有するトランスジューサとして、第
６図に示すような圧電セラミック振動子６１の音場側に
、振動子６１の共振周波数に対して４分の１波長の音響
整合板６２を設けたトランスジューサが知られている（
アイ・イー・イー、プロシーディンゲス（ＩＥＥ　Ｐｒ
ｏｃｅｅｄｉｎｇｓ、　Ｖｏｌ、１３１．　Ｐａｒｔ　
Ｆ。

Ｎｏ、３　、ｐｐ、２８５−２９７　、　Ｊｕｎｅ　１
９８４））。整合板６２は圧電セラミック振動子６エと
負荷媒質である水との中間のインピーダンスが用いられ
３．２Ｘ１０６〜４．５　Ｘ　１０６Ｍ５ＫＲａｙｌｓ
程度の固有音響インピーダンス（音速と密度の積で定義
される）で丁度水との音響インピーダンス整合が達成さ
れる。このような固有音響インピーダンスを有する整合
層材料は、通常エポキシ樹脂にガラスなどの無機微粒子
均一に分散させた複合材料が用いられ、無機微粒子の配
合度を調節することにより、所望の固有音響インピーダ
ンスの値が実現できる。

（発明が解決しようとする問題点） 従来の音響整合板のついた水中超音波トランスジューサ
は、広帯域かつ高効率であるという優れた特徴を有して
いるにも拘らず、音響整合板とセラミック振動子との接
着は専らエポキシ系接着剤にたよらざるを得す、このた
め音響整合板がセラミック振動子から剥離する恐れがあ
った。また、このような材質からなる音響整合層自身、
ハイパワー送波時に容易に応カー歪に関する非線形領域
に対し、これが原因となって送波波形の歪み及び音響放
射パワーの入力電力に対するリニアリティの劣化を生ず
るといった開門があった。従って、このようなトランス
ジューサの用途は小又は中勢力送波に限られ、ハイパワ
ー送波（例えばパラメトリックアレイ）には不向きなも
のであった。

従来の音響整合板の付いたトランスジューサでは、より
広帯域化を図るために音響整合板の数を増すことが行わ
れてきたが、この場合有機接着剤による接着個所が増大
し、信頼性が増大するといった欠点があった。さらに、
個々の音響整合板の長さは圧電セラミック振動子の２分
の１波長共振周波数に対して約４分の１波長となるので
、多重の音響整合板を有するトランスジューサはそれだ
け大型となるという問題があった。例えば２重の音響整
合板からなるトランスジューサ全体の長さは、トランス
ジューサの圧電セラミック振動子部分の長さの約２倍と
なる。

本発明の目的は、広帯域で高効率の音響放射特性を有し
、かつハイパワー送波が可能な小型のトランスジューサ
を実現することにある。

（問題点を解決するための手段） 本発明に従った水中超音波トランスジューサは、たとえ
ば機械的には継続、電気的には並列に接続された中空の
圧電セラミック振動子の中心部分にボルトを通し、前記
圧電セラミック振動子の両端部にそれぞれ金属マスを具
備し、この金属マスとボルト・ナツトにより、圧電セラ
ミック振動子に静的な圧縮応力を加えることができる、
所謂２分の１波長共振モードボルト締めランジュバン振
動子をその構成要素の１つに用いる。そしてこのボルト
締めランジュバン振動子を収納し、音場側に閉じられて
おりその閉じられた面が音響放射面となっている同じく
２分の１波長共振モードで動作する共振子を設ける。こ
の筒状共振子は軽量でかつ高強度を有する金属材料もし
くはウィスカーあるいは繊維強化複合材料が望ましい。

本発明に従ったトランスジューサは、前記ボルト締めラ
ンジュバン振動子と前記筒状共振子を結合子で強固に結
合させたことを特徴とする複合機械系の水中超音波トラ
ンスジューサである。

（作用） 本発明の水中超音波トランスジューサの動作原理を示す
ために代表的な一例を第１図に示す。第１図において１
１は中空の圧電セラミック振動子、１２及び１３は各々
リアマス、フロントマス、１４はボルト、１５は２分の
１波長モード筒状共振子、１６は縦結合子である。１７
はナツトであり、第１図に示したトランスジューサの場
合、リアマス１２、フロントマス１３部分の中心に穴が
あけられており、マス１２゜１３とボルト１４及びナツ
トナツト１７でもって圧電セラミック振動子１１の部分
に静的な応力バイアスを加えることができるようになっ
ている。周知の如く、圧電セラミックスは張力に対する
強度が圧力に対する強度の数分の１しかないため、この
ような静的圧縮応力を印加する手段を有するボルト縮め
ランジュバン振動子はハイパワーで強勢に励振する場合
特に優れたものであると言える。また、１５は２分の１
波長モード筒状共振子でＡ１合金、Ｔｉ合金などの金属
材料、あるいは炭素繊維などの繊維強化プラスチック、
ＳｉＣウィスカーなどを混入したウィスカー強化金属な
どが好ましく、いずれも軽量でかつ高強度特性を有する
材料である。１６は高強度の金属材料（例えばＣｒ−Ｍ
ｏ＠）からなる縦結合子で、フロントマス１３及び筒状
共振子１５と結合子１６との接合はボルト・ナツトを用
いること、あるいは溶接等により行うことができる。第
１図から明らかな如く、本トランスジューサは要所がす
べて高強度の金属材料もしくは繊維あるいはウィスカー
強化複合材料でできており、しかも機構部品間の接続は
何ら有機接着剤にたよる必要がなく、従来の整合板付ト
ランスジューサよりはるかに大きな機械的強度を容易に
実現することができるわけである。

第１図に示した本発明に基づくトランスジューサは、同
相モード（共振周波数ｆ１）と同相モードより共振周波
数の高い逆相モード（共振周波数ｆ２）の二つの共振モ
ードが存在する。同相モードはボルト締めランジュバン
振動子が伸びた場合、筒状共振子１５もともに伸び、あ
るいはボルト締めランジュバン振動子が縮んだ場合、筒
状共振子１５も縮むような振動モードであり、同相モー
ドにおいて縦結合子１６は殆ど変形を受けることがない
。逆相モードはボルト締めランジュバン振動子が伸びた
場合、筒状共振子１５は逆に縮み、あるいはボルト締め
ランジュバン振動子が縮んだ場合、筒状共振子１５は逆
に伸びるような振動モードであり、このとき縦結合子１
６には圧縮力あるいは張力が働き変形される。縦結合子
１６のスチフネスが大きいはど逆相モードの共振周波数
ｆ２は同相モードの共振周波数ｆ１より高くなりそれだ
け広帯域化が達成できる。

従ってトランスジューサの広帯域化をはかれば、それだ
け−層結合子１６が太くなるわけであるから機械的強度
は増大することになる。

２分の１波長筒状共振子１５は片端面１８が音響放射端
となっており、負荷である水とのインピーダンス整合に
重要な役割を果たす。本発明に基づくトランスジューサ
では広帯域化を達成する場合に、２分の１波長共振子１
５の材料として密度の小さな材料を用いた方が水に対す
るインピーダンス整合が有利となり、このためＴｉ合金
、Ａ１合金、炭素繊維強化プラスチック、繊維強化金属
、ウィスカー強化金属のような軽量でかつ高強度の材料
が望ましい。

本発明に基づくトランスジューサの動作及び水に対する
インピーダンス整合に関して、集中定数近似等価回路を
用いて把握することができる。本トランスジューサの集
中定数近似等価回路を第２図に示す。第２図においてＣ
ｄは制動容量、Ａは力係数、ｍｌ、ＣＩはそれぞれボル
ト締めランジュバン振動子の等価質量、等価コンプライ
アンス、ｍ２゜Ｃ２はそれぞれ結合子側からみた２分の
１波長筒状共振子の等価質量、等価コンプライアンス、
Ｎは２分の１波長共振子の非対称性の度合を表す機械変
成比であり、振動速度分布及び結合子と筒状共振子との
位置関係により定まるものである。Ｓａは音響放射断面
積であり、Ｚａは音響系における水の音響放射インピー
ダンスである。

本トランスジューサにおいて、縦結合子をはさんで左右
の共振子の等価質量及び共振周波数の等しいトランスジ
ューサ（ｍｌ　＝　ｍ２．　Ｃ１＝　Ｃ２）は勿論のこ
と、非対称な動作パラメータ法あるいは変成器フィルタ
を駆使して、ボルト締めランジュバン振動子と２分の１
波長共振子の共振周波数及び等価質量を異ならしめた非
対称な水中超音波トランスジューサ（ｍｌキｍ２．　Ｃ
１キＣ２）が構成できることは言うまでもない。

さらに、本発明に基づいたトランスジューサでは、構成
要素がすべて圧電上゛ラミックスと金属材料あるいは繊
維強化材料等からのみ実現できるわけであるから、安定
したハイパワー送波を達成することができる。

（実施例１） 本発明のトランスジューサの一実施例を第３図に示す。

第３図において、１１は長手方向に分極されたジルコン
チタン酸鉛系圧電セラミックスでできたリングで、隣接
するリングは分極方向が逆向きになるように配列され、
各リングは電気的に並列に接続され駆動される。１２及
び１３はステンレススチール製の金属マスで、このうち
金属マス１３はネジ溝が切ってあり、Ｃｒ−Ｍｏ１製の
ボルト１４．ナツト１７とともに圧電セラミックリング
に静的な圧縮バイアスを加える機能を有する。１５はＡ
１合金でできた２分の１波長筒状共振子であり、音響放
射面１８は撓み変形を極力抑えるためにコンベック状と
なっている。また、筒状共振子１５の後部は、段付きの
効果により全体の長さを短くするために肉厚が厚くなっ
ている。１６はＣｒ−Ｍｏ＠縦結合子で筒状共振子１５
、金属マス１３との接合は、共振子１５、金属マス１３
にネジ溝を切り込むことによりなされている。

本実施例のトランスジューサは、２分の１波長筒状共振
子として、Ａ１合金のような強度の大きな材料を用いて
おり、さらに水との広帯域音響整合を向上させるため、
中空構造となっており、音響放射端からみた実効的な機
械インピーダンスを小さくしている。このため、２００
ｄＢ　ｒｅ　１ｐＰａ　ａｔ　１ｍｅｔｅｒのハイパワ
ー送波を極めて容易に行うことができ、また比帯域幅５
０％を超える広帯域特性は勿論のこと、水との音響整合
性に優れているため電気音響エネルギー変換効率が８０
％以上の高効率送波が可能である。

（実施例２） 本発明に基づくトランスジューサの他の一実施例を第４
図に示す。ボルト締めランジュバン振動子の構成要素１
１．１３．１４．１７は実施例１のトランスジューサの
それと同じであるが左右逆向きに配置されている。金属
マス１３及び縦結合子１６はＣｒ−ＭｏＭ製で一体化さ
れている。２分の１波長筒状共振子１５は１５ａ、　１
５ｂ、　１５ａ部からなり、音響放射を行う１５ａ部分
は朱子繊状に炭素繊維が高密度に配された炭素繊維強化
樹脂でできており、撓み変形に対する剛性が極めて大き
くなっている。１５ｂ部分はＡ１合金製の筒で、１５ａ
部分は、ステンレススチール製の後蓋で、段付きの効果
により、２分の１波長筒状共振子１５の全長を短くする
のに有効である。１５ａ部と１５ｂ、１５ｂ部と１５ａ
部との接合はボルトにより強固に行われている。また、
縦結合子１６と１５ａ部分の接合はナツトにより強固に
行われている。本実施例２において、２分の１波長筒状
共振子１５において、１５ａと１５ｂ、１５ａ部は一体
化されていないが、接続個所がいずれも振動の腹に近い
部分であるので、ハイパワー動作時においても振動応力
が集中せず安定した音響パワーを取り出すことができる
。さらに、本実施例２のトランスジューサでは、２分の
１波長筒状共振子において、音響放射面１５ａに低密度
で高剛性を有する炭素繊維強化プラスチックスを適用し
、さらに１５ｂとして筒状のＡ１合金を用いているため
、ゆうに比帯域幅５０％を超える広帯域トランスジュー
サが実現できる゛。

（実施例３） 本発明に基づくトランスジューサの他の一実施例を第５
図に示す。ボルト締めランジュバン振動子部分は実施例
１と同様である。本実施例では。ボルト締めランジュバ
ン振動子と２分の１波長筒状共振子と機械的に結合させ
る結合子は実施例１，２とは異り撓み結合子５１を用い
ている。撓み結合子５１は撓み変形を受けるので、機械
的強度の大きな材料で構成することが望ましく、ここで
はＣｒ−ＭｏＭとした。

また筒状共振子１５にはＡ１合金が採用されている。

筒状共振子１５と撓み結合子５１とはボルトにより強固
に接合されている（図示せず）。本トランスジューサも
実施例１，２と同様にハイパワー駆動が可能で、高効率
広帯域特性が容易に実現できることは明白である。

（発明の効果） 以上詳述した如く、本発明に従えば広帯域・高効率でか
つハイパワー特性に優れた小型の水中超音波トランスジ
ューサを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図本発明に基づく水中超音波トランスジューサの基
本構造図、第２図は本発明に基づく水中超音波トランス
ジューサの等価回路図、第３図、第４図。 第５図は本発明に基づく水中超音波トランスジューサの
実施例を示す図、第６図は従来の整合板付き水中超音波
トランスジューサのを示す図。 図において、１１は中空の圧電セラミック振動子、１２
．１３は金属マス、１４はボルト、１５は２分の１波長
筒状共振子、１５ａ、　１５ｂ、　１５ｃは筒状共振子
１５の構成要素、１６は縦結合子、１７はナツト、１８
は音響放射面、５１は撓み結合子、６１は圧電セラミッ
ク振動子、′Ａ−１図 ；７２　図 オ　３　図 升　４　図 オ　５　図 オ　６　口

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　２分の１波長共振モードボルト締めランジュバン振動
   子と、このボルト締めランジュバン振動子を内部に収納
   し少なくとも音場側は閉じられている２分の１波長モー
   ド共振子が、結合子を介して結合していることを特徴と
   する水中超音波トランスジューサ。