(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
楕円筒シェル内に電気信号を音響信号に変換して水中に放射し、また音響信号を電気信号に変換して出力する振動素子積層体を内蔵する水中音響送受波器であって、楕円筒シェルと振動素子積層体とを楕円筒シェルの長軸方向から楕円筒シェルの側壁に設けた挟持板を介して締結ボルトを用いて締結固定し、これによって振動素子積層体に所定の圧縮力を加える構成とすると共に、楕円筒シェルの側壁に設けた挟持板の内側は、楕円筒シェルの側壁形状に倣って曲面を形成しており、その長さを少なくとも楕円筒シェルの側壁の高さに構成して成ることを特徴とする水中音響送受波器。
【請求項２】
楕円筒シェルの高さより長い一対の挟持板を設け、楕円筒シェルの長軸方向を挟込み、挟持板の楕円筒シェルから突出した部分に設けた貫通穴に締結ボルトを通して振動素子積層体と楕円筒シェルとを締結固定して成る請求項１記載の水中音響送受波器。
【請求項３】
内蔵する振動素子積層体の外側の位置に該当し、かつ楕円筒シェルの長軸方向の両側壁に貫通穴を設け、これら貫通穴に締結ボルトを通して楕円筒シェルと振動素子積層体とを締結固定して成る請求項１記載の水中音響送受波器。
【請求項４】
積層方向の中心部に貫通穴を有する振動素子積層体と、その外表面及び貫通穴側の内表面に所定間隙をおいて配設された外側密封カバー及び内側密封カバーと、これら密封カバー及び振動素子積層体の両端部を密封する接続部材とで振動素子積層体をモジュール化し、このモジュール化された振動素子積層体を楕円筒シェル内に装着すると共に、楕円筒シェルの長軸方向の両側壁に設けられた貫通穴及びモジュール化された振動素子積層体の貫通穴に締結ボルトを通して楕円筒シェルとモジュールとを締結固定して成る請求項１記載の水中音響送受波器。
【請求項５】
外側密封カバー及び内側密封カバーの少なくとも一方をゴム製の水密部材で構成し、水密部材と振動素子積層体との隙間に水分の少ないガスを封入してモジュールを形成して成る請求項４記載の水中音響送受波器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水中の目標物を探索するソーナー等の水中音響送受波器に係り、特に屈曲膨張型送受波器として好適な水中音響送受波器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の屈曲膨張型送受波器は、電気信号を機械的振動に変換する例えば圧電セラミックス等の材料で形成した振動素子を複数個接着積層して構成した振動素子積層体を、金属または強化プラスチック材料で形成した楕円筒シェルの長軸方向に挿入して接着固定し、楕円筒シェルの両端面を、Ｏリング等の楕円筒シェルの振動を妨げない封止手段を介して蓋で密封し、楕円筒シェル内部の結露による振動素子積層体の絶縁低下を防ぐために、内部へ水分の少ないガスを封入して構成している。
【０００３】
蓋の一方には、ケーブルが取り付けられ音波を送波するときは外部機器から振動素子積層体に任意の電気信号を送信し、また音波を受波するときは振動素子積層体から外部機器へ電気信号を送信する。
【０００４】
屈曲膨張型送受波器の作動原理を簡単に説明すると、外部機器で発生した任意の電気信号を振動素子積層体にケーブルを介して送信すると振動素子積層体が振動（微小変位伸縮）し、この振動が楕円筒シェルに伝達される。楕円筒シェルは振動素子積層体の微小振動により、長軸方向へ振動する。さらにこの振動が短軸方向を振動せしめ、短軸方向の面を音響放射面として水中に音波を放射する。これを逆にすると受波器として動作する。
【０００５】
屈曲膨張型送受波器は、音響放射面に存在する振動の節を支点にして梃子の原理により短軸方向をより大きな振幅で振動させるため、小さい振幅を大きな振幅に変換すると共に共振を低くすることが可能であるため、一般に低周波送受波器として用いられる。
【０００６】
屈曲膨張型送受波器は、上記のような構造と作動原理を持つため、外部から圧縮圧力が印加されると破損する恐れがある。即ち図５は圧力分布を模式的に示した送受波器の横断面図で、引張り応力により振動素子が破壊する様子を説明するものである。楕円筒シェル１の短軸方向面積が長軸方向の面積より広いため、外部からの圧縮圧力Ｆ１は短軸方向の方が大きくなり、楕円筒シェル１を短軸方向に収縮させ、同時に長軸方向へ伸長させる。結果として、振動素子２に引張り応力Ｆ２を発生させる。
【０００７】
一般に振動素子２に用いられる磁歪または電歪材料は、圧縮応力には高い強度を持つが、引張り応力には数十分の一の強度しかないという性質がある。このため外部から圧縮圧力が加わった場合、長軸方向への引っ張り応力発生のため振動素子２が破壊される恐れがある。
【０００８】
また、外力が印加されなくても強力な音波を発生させるために振動素子を大振幅で伸縮させると、振動素子の収縮時における引張り応力が大きくなって破壊応力を越え、振動素子が破壊されてしまうこともある。
【０００９】
これに対処するため一般に、予め楕円筒シェルの長軸方向に対し圧縮力を印加しておく方法が採られる。屈曲膨張型送受波器において振動素子に圧縮力を印加するには、楕円筒シェルの短軸方向に圧力を加える（押し縮める）ことで長軸方向を伸長せしめ、この状態で振動素子積層体を挿入し、積層体と楕円筒シェルを接着する方法が採られ、短軸方向の圧力を開放したときの楕円筒シェルの復元力により振動素子積層体に圧縮力が印加される。しかしながら、この方法では楕円筒シェルの剛さ（スティフネス）によって決まる復元力以上の圧縮力は印加できなかった。
【００１０】
したがって、この復元力を越える高出力音波の発生は不可能であり、外力に対する耐久性も同様であるという問題があった。また、低周波化・広帯域化を図る場合、楕円筒シェルのスティフネスを小さくする必要があるため、上記問題は一層深刻になる。なお、この種の技術に関連するものとして例えば特開平４−３３４１９９号公報が挙げられる。
【００１１】
さらに楕円筒シェルの長軸方向に振動素子積層体を挿入して接着固定しているため、万一振動素子積層体が破損したことにより交換が必要となった場合、楕円筒シェル内部への振動素子積層体の組込みと結露防止用ガス再封入のための設備が必要となり、振動素子積層体の即時交換、修理が非常に困難で多大な時間を必要とする。
【００１２】
この問題の一部を解決するため、特開平２−１２３９００号公報に示される如く楕円筒シェル内部へ水が流入できるようにした構造が提案されている。これによれば、外部圧力が上昇しても、楕円筒シェル内へ流入した水の圧力も上昇するため、楕円筒シェル内外の圧力が同一（均圧）となり、振動素子への引張り力の印加を防ぐことができる。
【００１３】
しかし、楕円筒シェルの内部に水を浸入させる場合、楕円筒内部キャビティの体積コンプライアンスを低く保つ必要があるため、独立気泡スポンジ等の材料で楕円筒内面を裏打ちせねばならない。このため、上記のような静水圧でなく、水中爆発等による衝撃的圧力が印加された場合には、水の流入速度が衝撃力の伝搬より極めて遅く、均圧作用が時間的に間に合わないため、振動素子への引張り力の印加を防ぐことができなかった。また、大音響出力時の振動素子の引張り応力防止についても配慮されていなかった。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、本発明の目的は、上記従来技術の問題点を解決することにあり、具体的には下記の特徴を持つ水中音響送受波器を提供することである。
（１）楕円筒シェルを大振幅で振動させても振動素子にその引張り強度を超える応力が発生せず、従って高い音響出力が可能である。
【００１５】
（２）衝撃的圧力が印加されても振動素子にその引張強度を超える引張り応力が発生せず、従って破損が防止できる。
（３）楕円筒シェルのスティフネスを低くしても、上記（１）及び（２）の特徴が維持され、従って低周波化・広帯域化が図れる。
（４）万一振動素子が破損しても、交換が容易である。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための本発明の水中音響送受波器は、楕円筒シェル内に電気信号を音響信号に変換して水中に放射し、また音響信号を電気信号に変換して出力する振動素子積層体を内蔵する水中音響送受波器であって、楕円筒シェルと振動素子積層体とを楕円筒シェルの長軸方向から楕円筒シェルの側壁に設けた挟持板を介して締結ボルトを用いて締結固定し、これによって振動素子積層体に所定の圧縮力を加える構成としたことを特徴としている。
【００１７】
そして好ましくは、楕円筒シェルの側壁に設けた挟持板の内側は、楕円筒シェルの側壁形状に倣って曲面を形成しており、その長さを少なくとも楕円筒シェルの側壁の高さに構成することである。
【００１８】
代表的な構成例を次に示すと、（１）楕円筒シェルの高さより長い一対の挟持板を設け、楕円筒シェルの長軸方向を挟込み、挟持板の楕円筒シェルから突出した部分に設けた貫通穴に締結ボルトを通して振動素子積層体と楕円筒シェルとを締結固定するか、（２）内蔵する振動素子積層体の短軸方向外側の位置に該当し、かつ楕円筒シェルの長軸方向の両側壁に貫通穴を設け、これら貫通穴に締結ボルトを通して楕円筒シェルと振動素子積層体とを締結固定するか、（３）振動素子積層体の中心部及び楕円筒シェルの長軸方向の両側壁に貫通穴を設け、これら貫通穴に締結ボルトを通して楕円筒シェルと振動素子積層体とを締結固定することである。
【００１９】
さらには（４）積層方向の中心部に貫通穴を有する振動素子積層体と、その外表面及び貫通穴側の内表面に所定間隙をおいて配設された外側密封カバー及び内側密封カバーと、これら密封カバー及び振動素子積層体の両端部を密封する接続部材とで振動素子積層体をモジュール化し、このモジュール化された振動素子積層体を楕円筒シェル内に装着すると共に、楕円筒シェルの長軸方向の両側壁に設けられた貫通穴及びモジュール化された振動素子積層体の貫通穴に締結ボルトを通して楕円筒シェルとモジュールとを締結固定することである。この場合、好ましくは外側密封カバー及び内側密封カバーの少なくとも一方を例えばゴム製の水密部材で構成し、水密部材と振動素子積層体との隙間に水分の少ないガスを封入してモジュールを形成することである。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１を参照してその構成を説明すると、楕円筒シェル１内に電気信号を音響信号に変換して水中に放射し、また音響信号を電気信号に変換して出力する振動素子積層体２を内蔵する水中音響送受波器であって、楕円筒シェル１と振動素子積層体２とを楕円筒シェルの側壁に設けた挟持板３を介して締結ボルト４を用いて締結固定し、このボルト締めによって振動素子積層体２に所定の圧縮力を加える構成となっている。
【００２１】
同図に示した楕円筒シェル１は金属又は強化プラスチック製の楕円筒で形成され、その上下に同材質の楕円形状の密封用蓋６がＯリング７を介して密封されている。上部の蓋６には、信号伝送ケーブル９がフランジ１０により取り付けられている。８は振動素子積層体２の一部をなし楕円筒シェル内に振動素子積層体２を接続する部材である。
【００２２】
この振動素子積層体２は、平板状の圧電セラミックスを積層したものであり、楕円筒シェル１の長軸方向に部材８を介して装着されている。
挟持板３は、楕円筒シェル１との接触面に曲率を持たせ、上下両端部にボルト貫通穴が設けられている。このように挟持板３の内側に、楕円筒シェル１との接触面に倣った曲率を持たせることは、振動素子積層体２に必要な圧縮力を均一に印加する上で重要である。
【００２３】
以上説明したように、挟持板３を楕円筒シェル１の長軸側壁に当て、上下蓋６の近傍の位置に設けられた貫通穴を通して締結ボルト４とナット５とを用いて楕円筒シェル１と振動素子積層体２とを締結固定することによって振動素子積層体２に予備圧縮力を印加する構造としたので、次に示すような作用効果が実現できる。
【００２４】
（１）楕円筒シェル１を大振幅で振動させても振動素子積層体２にその引張り強度を超える応力が発生せず、従って高い音響出力が可能である。
（２）衝撃的圧力が印加されても振動素子積層体２にその引張強度を超える引張り応力が発生せず、従って破損が防止できる。
（３）楕円筒シェル１のスティフネスを低くしても、上記（１）及び（２）の特徴が維持され、従って低周波化・広帯域化が図れる。
【００２５】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図２〜図４を用いて具体的に説明する。
〈実施例１〉
図２は、楕円筒シェル１の長軸側壁にボルト貫通穴を設けた例である。挟持板３は、楕円筒シェル１の高さと同じ長さにしている。そして挟持板３の外側は平坦面であるが、内側は楕円筒シェル１との接触面に倣った曲率を持たせている。
【００２６】
楕円筒シェル１を挟持板３で挟み上下両方のボルト貫通穴（不図示）に締結用ボルト４を通しナット５と共に締付ける。この場合、楕円筒シェル１にボルト貫通穴があるため、ここから水が浸入しないように、図示しない封止材によって楕円筒シェル１及び挟持板３のボルト貫通穴部を封止する。
【００２７】
上記のように、締結ボルト４を用いて楕円筒シェル１と振動素子積層体２を締結固定し、振動素子積層体２に必要な予備圧縮力を印加する構造としたので、次に示すような作用効果が実現できる。
【００２８】
（１）楕円筒シェル１を大振幅で振動させても振動素子積層体２にその引張り強度を超える応力が発生せず、従って高い音響出力が可能である。
（２）衝撃的圧力が印加されても振動素子積層体２にその引張強度を超える引張り応力が発生せず、従って破損が防止できる。
（３）楕円筒シェル１のスティフネスを低くしても、上記（１）及び（２）の特徴が維持され、従って低周波化・広帯域化が図れる。
【００２９】
〈実施例２〉
図３は、振動素子積層体２の中心部にボルト貫通穴を設けた例である。挟持板３は、実施例１と同様に外側は平坦面であるが、内側は楕円筒シェル１との接触面に倣った曲率を持たせている。そしてその中央部にはボルト貫通穴を設けている。組立ては、挟持板３を楕円筒シェル１の長軸側壁に当て、挟持板３及び楕円筒シェル１の貫通穴と共に、振動素子積層体２のボルト貫通穴に締結用ボルト４を通しナット５と共に締付ける。
【００３０】
この場合、楕円筒シェル１にボルト貫通穴があるため、ここから水が浸入しないように、図示しない封止材によって楕円筒シェル１及び挟持板３のボルト貫通穴部を封止する。
【００３１】
上記のように、楕円筒シェルと振動素子積層体の貫通穴に締結ボルトを通して楕円筒シェルと振動素子積層体を締結固定し、振動素子積層体２に必要な予備圧縮力を印加する構造としたので、実施例１と同様に次に示すような作用効果が実現できる。
【００３２】
（１）楕円筒シェル１を大振幅で振動させても振動素子積層体２にその引張り強度を超える応力が発生せず、従って高い音響出力が可能である。
（２）衝撃的圧力が印加されても振動素子積層体２にその引張強度を超える引張り応力が発生せず、従って破損が防止できる。
（３）楕円筒シェル１のスティフネスを低くしても、上記（１）及び（２）の特徴が維持され、従って低周波化・広帯域化が図れる。
【００３３】
〈実施例３〉
図４は、楕円筒シェル１内に装着する振動素子積層体２を単体で密封モジュール化し密閉構造とした例を示す断面図である。楕円筒シェル１の外部（長軸方向）と密封されたモジュールとに貫通穴を設け、モジュールを楕円筒シェル１内にボルト４・ナット５で固定する。モジュールは、貫通穴が設けられた振動素子積層体２の表面を例えばステンレス製の接続部材１２と例えばゴム製の内側密封カバー１１及び外側密封カバー１３とで覆い密封する。その際、振動素子積層体２と密封カバー間には隙間を設け内部に水分の少ないガス（例えば窒素ガス）を封入する。
【００３４】
このように振動素子積層体２、外側密封カバー１１、内側密封カバー１３、接続部材１２を予め組立て、外側密封カバー１１、内側密封カバー１３内に水分の少ないガスを封入して容易に密封モジュールとすることができる。
【００３５】
振動素子積層体２を水密モジュール化できるため、密封モジュール単位で振動素子積層体２を保管することができ、万一振動素子積層体２が破損した場合でも、すでに振動素子積層体２は水分の少ないガスで封入されてあるため、ガス再封入の設備が必要でなく、着脱自在で交換が容易になり即時交換できる。
【００３６】
なお、このような密封モジュールとする方式は、図１と図２の振動素子積層体２の例についても同様に適用できる。
【００３７】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明により所期の目的を達成することができた。すなわち、振動素子積層体２が振動する際、引張り応力の限界を超えて破壊しないようにボルトにて高い予備圧縮力で締付けることができるため高耐力化が図れる。
【００３８】
楕円筒シェル１と振動素子積層体２をボルト４により締結するため短軸方向に衝撃圧力が加わっても、振動素子積層体に引張り力が作用し破壊することがないような圧縮力を印加することができるため、衝撃的圧力に強い構造となる。
【００３９】
楕円筒シェル１のスティフネスを小さくしてもボルト４にて高い予備圧縮力で締付けることができるため、広帯域化、低周波化を図ることができる。
【００４０】
特に実施例３の場合には、振動素子積層体２を水密モジュール化できるため、万一振動素子積層体２が破損した場合でも容易に交換できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理を具体的に説明する水中音響送受波器の一部破断斜視図。
【図２】本発明の一実施例となる水中音響送受波器の一部破断斜視図。
【図３】同じく本発明の一実施例となる水中音響送受波器の一部破断斜視図。
【図４】同じく本発明の一実施例となる水中音響送受波器の一部破断斜視図。
【図５】引張り応力による振動素子破壊の説明をするための水中音響送受波器の断面模式図。
【符号の説明】
１…楕円筒シェル、
２…平板形状振動素子積層体、
３…挟持板、
４…締結用ボルト、
５…ナット、
６…密封用蓋、
７…Ｏリング、
８…接続部材、
９…信号伝送ケーブル、
１０…フランジ、
１１…外側密封カバー、
１２…接続部材（貫通穴有り）、
１３…内側密封カバー。
【図１】
0003593415.tif 000002
【図２】
0003593415.tif 000003
【図３】
0003593415.tif 000004
【図４】
0003593415.tif 000005
【図５】
0003593415.tif 000006