(57)【要約】  圧電アクチュエータ１００及び低周波水中音響トランスデューサ２００を提供し、第１の連結器１１０、第１の連結器１００に対向設置されている第２の連結器１２０、第１の圧電材料柱グループ１３０、第２の圧電材料柱グループ１４０及び第３の圧電材料柱グループ１５０を備える。第１の圧電材料柱グループ１３０は第１の連結器１１０と第２の連結器１２０との間に接続される。適当な電圧で励起させることによって、圧電アクチュエータ１００の純伸縮変位は第１の圧電材料柱グループ１３０、第２の圧電材料柱グループ１４０及び第３の圧電材料柱グループ１５０の変位を加えたものにほぼ等しい。圧電材料の軸方向においての変位の重畳を増幅させることができ、従って、圧電アクチュエータ１００を駆動機構とする低周波水中音響トランスデューサ２００の音波放射出力容量が増加する。本発明の実施例が提供する圧電アクチュエータ１００及び低周波水中音響トランスデューサ２００は従来の低周波水中音響トランスデューサの音波放射出力容量が限られる問題を改善した。【選択図】  図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の連結器、第１の連結器に対向設置されている第２の連結器、及び第１の圧電材料柱グループを備え、
前記第１の連結器の、前記第２の連結器に対向する表面には一組の第１の溝部が設置され、前記第２の連結器の、前記第１の連結器に対向する表面には、前記第１の溝部に対応する一組の第２の溝部が設置され、前記第１の溝部の数と前記第２の溝部の数はいずれも前記第１の圧電材料柱の数に等しく、
前記第１の圧電材料柱グループは、第１の圧電材料柱を第１の溝部と整合することで前記第１の連結器に接続し、
前記第１の圧電材料柱グループは、第１の圧電材料柱を第２の溝部と整合することで前記第２の連結器に接続することを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項２】
第２の圧電材料柱グループをさらに備え、
前記第１の連結器の、前記第２の連結器に対向する表面には一組の、前記第１の連結器を貫通する第１のスルーホールが設置され、前記第２の連結器の、前記第１の連結器に対向する表面には一組の第３の溝部が設置され、前記第１のスルーホールの数と前記第３の溝部の数はいずれも前記第２の圧電材料柱の数に等しく、
前記第２の圧電材料柱グループは、第２の圧電材料柱を第１のスルーホールに挿嵌することで前記第１の連結器に接続し、
前記第２の圧電材料柱グループは、第２の圧電材料柱を第３の溝部と整合することで前記第２の連結器に接続することを特徴とする請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項３】
第３の圧電材料柱グループをさらに備え、
前記第１の連結器の、前記第２の連結器に対向する表面には一組の第４の溝部が設置され、前記第２の連結器の、前記第１の連結器に対向する表面には、前記第２の連結器を貫通する一組の第２のスルーホールが設置され、前記第４の溝部の数と前記第２のスルーホールの数はいずれも前記第３の圧電材料柱の数に等しく、
前記第３の圧電材料柱グループは、第３の圧電材料柱を第４の溝部と整合することで前記第１の連結器に接続し、
前記第３の圧電材料柱グループは、第３の圧電材料柱を第２のスルーホールに挿嵌することで前記第２の連結器に接続することを特徴とする請求項２に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項４】
前記第１の圧電材料柱、第２の圧電材料柱及び第３の圧電材料柱は、いずれも円柱状の圧電材料柱であることを特徴とする請求項３に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項５】
前記円柱状の圧電材料柱は、いずれも積層圧電セラミックから構成されることを特徴とする請求項４に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項６】
前記第１の圧電材料柱、第２の圧電材料柱及び第３の圧電材料柱は、いずれも直方体形態の圧電材料柱であることを特徴とする請求項３に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項７】
前記直方体形態の圧電材料柱は、いずれも鉛系リラクサー強誘電体単結晶で製造されることを特徴とする請求項６に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項８】
前記直方体形態の各々圧電材料柱は、いずれも第１の単結晶活性素子及び第２の単結晶活性素子を備え、前記第１の単結晶活性素子の大きさは、第２の単結晶活性素子の大きさは同じであり、前記第１の単結晶活性素子は、接着手段により第２の単結晶活性素子に接続することを特徴とする請求項７に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項９】
中心機械予圧装置をさらに備え、前記第１の連結器及び第２の連結器はいずれもそれぞれ前記第１の連結器及び第２の連結器に位置する中心スルーホールをさらに有し、前記中心機械予圧装置は、前記第１の連結器の中心スルーホールに挿嵌され、かつ前記第２の連結器の中心スルーホールに挿嵌されることを特徴とする請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項１０】
請求項３ないし請求項９のいずれかの一つに記載の圧電アクチュエータと、
前放射ヘッドと、及び
後質量ブロックとを備え、
前記圧電アクチュエータの一端は、前記前放射ヘッドに接続し、前記圧電アクチュエータのもう一端は、前記後質量ブロックに接続することを特徴とする低周波水中音響トランスデューサ。
【請求項１１】
第１の連結器、前記第１の連結器に対向設置されている第２の連結器、第１の圧電材料柱グループ、第２の圧電材料柱グループ及び第３の圧電材料柱グループを備え、
各々の前記第１の圧電材料柱の両端は、それぞれ前記第１の連結器及び前記第２の連結器に接続し、
各々の前記第２の圧電材料柱の一端は前記第２の連結器に接続し、かつもう一端は第２の連結器を突き抜けて前記第１の連結器から遠ざかる方向に伸び、前記第２の圧電材料柱は前記第２の連結器に接続し、かつ前記第１の連結器に可動的に接続し、
各々の前記第３の圧電材料柱の一端は前記第１の連結器に接続し、かつもう一端は第１の連結器を突き抜けて前記第２の連結器から遠ざかる方向に伸び、前記第３の圧電材料柱は前記第１の連結器に接続し、かつ前記第２の連結器に可動的に接続することを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項１２】
前記第１の連結器の、前記第２の連結器に対向する表面には一組の第１の溝部が設置され、前記第２の連結器の、前記第１の連結器に対向する表面には、前記第１の溝部に対応する一組の第２の溝部が設置され、前記第１の溝部の数と前記第２の溝部の数はいずれも前記第１の圧電材料柱の数に等しく、
前記第１の圧電材料柱グループは、第１の圧電材料柱を第１の溝部と整合することで前記第１の連結器に固定接続し、前記第１の圧電材料柱グループは、第１の圧電材料柱を第２の溝部と整合することで前記第２の連結器に接続することを特徴とする請求項１１に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項１３】
前記第１の連結器の、前記第２の連結器に対向する表面には前記第１の連結器を貫通する一組の第１のスルーホールが設置され、前記第２の連結器の、前記第１の連結器に対向する表面には一組第３の溝部が設置され、前記第１のスルーホールの数と前記第３の溝部の数はいずれも前記第２の圧電材料柱の数に等しく、
前記第２の圧電材料柱グループは、第２の圧電材料柱を第１のスルーホールに挿嵌することで前記第１の連結器に接続し、前記第２の圧電材料柱グループは、第２の圧電材料柱を第３の溝部と整合することで前記第２の連結器に接続することを特徴とする請求項１１に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項１４】
前記第１の連結器の、前記第２の連結器に対向する表面には一組の第４の溝部が設置され、前記第２の連結器の、前記第１の連結器に対向する表面には、前記第２の連結器を貫通する一組の第２のスルーホールが設置され、前記第４の溝部の数と前記第２のスルーホールの数はいずれも前記第３の圧電材料柱の数に等しく、
前記第３の圧電材料柱グループは、第３の圧電材料柱を第４の溝部と整合することで前記第１の連結器に接続し、
前記第３の圧電材料柱グループは、第３の圧電材料柱を第２のスルーホールに挿嵌することで前記第２の連結器に接続することを特徴とする請求項１１に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項１５】
前記第１の連結器及び前記第２の連結器に接続され、かつ作業中前記第１の圧電材料柱が所定の圧縮応力下に置かれるように、前記第１の連結器及び前記第２の連結器にプレストレスを加えるように配置される第１のプレストレス機械装置をさらに備える、ことを特徴とする請求項１１に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項１６】
前記第１の連結器及び第２の連結器はいずれもそれぞれ前記第１の連結器及び第２の連結器に位置する中心スルーホールをさらに有し、
前記第１のプレストレス機械装置は第１のストレスバー、少なくとも一つの第１の弾性体及び少なくとも一つの第１のロック部を有し、前記第１のストレスバーの両端はそれぞれ前記第１の連結器及び第２の連結器の対応する中心スルーホールを貫通し、前記少なくとも一つのロック部と第１の連結器及び／又は第２の連結器との間の前記少なくとも一つの第１の弾性体は、前記少なくとも一つのロック部と第１の連結器及び／又は第２の連結器の間に押圧されることを特徴とする請求項１５に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項１７】
請求項１１ないし請求項１４のいずれかの一つに記載の圧電アクチュエータと、
前放射ヘッドと、及び
後質量ブロックとを備え、
前記第２の圧電材料柱は前記前放射ヘッドに接続し、前記第３の圧電材料柱は前記後質量ブロックに接続することを特徴とする低周波水中音響トランスデューサ。
【請求項１８】
前記第１の連結器及び前記第２の連結器に接続し、作業中前記第１の圧電材料柱が所定の圧縮応力下に置かれるように、前記第１の連結器及び前記第２の連結器にプレストレスを加えるように配置される第１のプレストレス機械装置をさらに備える、ことを特徴とする請求項１７に記載の低周波水中音響トランスデューサ。
【請求項１９】
前記第１の連結器は第１の連結器に位置する中心スルーホールをさらに有し、前記第２の連結器は前記第２の連結器に位置する中心スルーホールをさらに有し、
前記第１のプレストレス機械装置は第１のストレスバー、少なくとも一つの第１の弾性体及び少なくとも一つの第１のロック部を有し、前記第１のストレスバーの両端はそれぞれ前記第１の連結器及び第２の連結器の対応する中心スルーホールを貫通し、前記少なくとも一つのロック部と第１の連結器及び／又は第２の連結器との間の前記少なくとも一つの第１の弾性体は、前記少なくとも一つのロック部と第１の連結器及び／又は第２の連結器の間に押圧されることを特徴とする請求項１８に記載の低周波水中音響トランスデューサ。
【請求項２０】
前放射ヘッド及び後質量ブロックに接続し、作業中第２の圧電材料柱と第３の圧電材料柱とが所定の圧縮応力下に置かれるように、前放射ヘッド及び後質量ブロックにプレストレスを加えるように配置される第２のプレストレス機械装置をさらに備える、ことを特徴とする請求項１９に記載の低周波水中音響トランスデューサ。
【請求項２１】
第２のプレストレス機械装置は第２のストレスバー及び少なくとも一つの第２の弾性体を有し、
前記第１のストレスバーは自身の長さ方向に貫通する中心スルーホールを有し、前記第２のストレスバーは前記第１のストレスバーの中心スルーホールに可動的に嵌設され、かつ両端は該中心スルーホールの外まで伸び、前記第２のストレスバーの少なくとも一端は前記第２の弾性体を通じてそれぞれ前記前放射ヘッド及び／又は前記後質量ブロックに接続することで、前記前放射ヘッドと前記後質量ブロックとの間の第２の圧電材料柱及び第３の圧電材料柱に所定の圧縮応力を加えることを特徴とする請求項２０に記載の低周波水中音響トランスデューサ。
【請求項２２】
前記圧電アクチュエータの伸縮方向で可動的に、かつ前記伸縮方向に垂直する方向で前記圧電アクチュエータに接続される耐屈曲案内装置をさらに備える、ことを特徴とする請求項１７に記載の低周波水中音響トランスデューサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、出願番号がＣＮ２０１６１０７９８５４８．４であり、出願日が２０１６年８月３１日で、発明名称が「圧電アクチュエータ及び低周波水中音響トランスデューサ」である中国特許出願を優先権として主張し、その全ての内容は参照として本願に援用される。
【０００２】
本発明は、音響センサー分野に関わり、特に圧電アクチュエータ及び低周波水中音響トランスデューサに関わる。
【背景技術】
【０００３】
現在、音波を情報の伝搬媒体に利用することは、比較的に効果的な水中通信手段であり、水中音響トランスデューサは水中通信においてなくてはならない基幹部品である。現代のソーナー技術が迅速な発展を遂げ、応用条件が絶えず高まるにつれて、水中音響トランスデューサの低周波、軽量小型化は発展の大きな流れになっている。現在、比較的に広範囲で利用されている低周波トランスデューサは超磁歪材低周波水中音響トランスデューサ、フレックステンショナルトランスデューサ（ｆｌｅｘｔｅｎｓｉｏｎａｌ  ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）及びそのモデルチェンジ商品、フレクシャトランスデューサ（ｆｌｅｘｕｒａｌ  ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）などを含む。
【０００４】
しかしながら、従来の多くの低周波水中音響トランスデューサは、小型化することはできるものの、低周波水中音響トランスデューサの圧電材料が圧電材料の軸方向に沿う振動変位が小さく、トランスデューサの音波放射出力容量が限られる。
【発明の概要】
【０００５】
これに鑑みて、本発明は、従来の低周波水中音響トランスデューサの音波放射出力容量が限られる問題を解決するための、圧電アクチュエータ及び低周波水中音響トランスデューサを提供する。
【０００６】
上記目的を実現させるために、本発明の実施例は、第１の連結器（level connector）、第１の連結器に対向設置されている第２の連結器、及び第１の圧電材料柱グループを備え、前記第１の連結器の、前記第２の連結器に対向する表面には一組の第１の溝部が設置され、前記第２の連結器の、前記第１の連結器に対向する表面には、前記第１の溝部に対応する一組の第２の溝部が設置され、前記第１の溝部の数と前記第２の溝部の数はいずれも前記第１の圧電材料柱の数に等しく、前記第１の圧電材料柱グループは、第１の圧電材料柱を第１の溝部と整合することで前記第１の連結器に接続し、前記第１の圧電材料柱グループは、第１の圧電材料柱を第２の溝部と整合することで前記第２の連結器に接続する圧電アクチュエータを提供する。
【０００７】
第２の圧電材料柱グループをさらに備え、前記第１の連結器の、前記第２の連結器に対向する表面には一組の、前記第１の連結器を貫通する第１のスルーホールが設置され、前記第２の連結器の、前記第１の連結器に対向する表面には一組の第３の溝部が設置され、前記第１のスルーホールの数と前記第３の溝部の数はいずれも前記第２の圧電材料柱の数に等しく、前記第２の圧電材料柱グループは、第２の圧電材料柱を第１のスルーホールに挿嵌することで前記第１の連結器に接続し、前記第２の圧電材料柱グループは、第２の圧電材料柱を第３の溝部と整合することで前記第２の連結器に接続する。
【０００８】
第２の圧電材料柱グループの各々の第２の圧電材料柱の一端は第１の連結器の第１のスルーホールに挿嵌し、もう一端は第２の連結器の第３の溝部と整合する。即ち、第２の圧電材料柱は、第２の連結器に固定接続するものの、第２の連結器を貫通せず、かつ第１の連結器に位置する第１のスルーホールに挿入され、第１の連結器を貫通する。
【０００９】
第２の圧電材料柱の数は三つであってもよく、即ち、第１の連結器に位置する第１のスルーホールの数も三つであり、第２の連結器に位置する第３の溝部の数も同じように三つである。
【００１０】
第３の圧電材料柱グループをさらに備え、前記第１の連結器の、前記第２の連結器に対向する表面には一組の第４の溝部が設置され、前記第２の連結器の、前記第１の連結器に対向する表面には、前記第２の連結器を貫通する一組の第２のスルーホールが設置され、前記第４の溝部の数と前記第２のスルーホールの数はいずれも前記第３の圧電材料柱の数に等しく、前記第３の圧電材料柱グループは、第３の圧電材料柱を第４の溝部と整合することで前記第１の連結器に接続し、前記第３の圧電材料柱グループは、第３の圧電材料柱を第２のスルーホールに挿嵌することで前記第２の連結器に接続する。
【００１１】
各々の第３の圧電材料柱の一端は第１の連結器の第４の溝部と整合し、もう一端は第２の連結器の第２のスルーホールに挿嵌する。即ち、第３の圧電材料柱は、第１の連結器に接続するものの、第１の連結器を貫通せず、かつ第２の連結器に位置する第２のスルーホールに挿入され、第２の連結器を貫通する。
【００１２】
第３の圧電材料柱の数は三つであってもよく、即ち、第１の連結器の第４の溝部の数も三つであり、第２の連結器の第２のスルーホールの数も同じように三つである。
【００１３】
好ましくは、上記の圧電アクチュエータにおいて、前記第１の圧電材料柱、第２の圧電材料柱及び第３の圧電材料柱は、いずれも円柱状の圧電材料柱である。
【００１４】
上記の、すべての圧電材料柱が、全部円柱状の圧電材料柱であってもよいというのは、圧電材料柱が、例えば矩形や四角形のようなその他の形状であってもよいということであり、本発明の保護範囲は圧電材料柱の具体的な形状により限定されない。
【００１５】
好ましくは、上記圧電アクチュエータにおいて、前記円柱状の圧電材料柱は、いずれも積層圧電セラミックから構成される。
【００１６】
圧電材料柱は、いずれも積層圧電セラミックから構成されてもよく、具体的に、各々の圧電材料柱は偶数の圧電セラミック薄片を直列に接着させて製造され、かつ隣接する二つの圧電セラミック薄片の分極方向は反対であり、このうち、圧電セラミックはＰＺＴ圧電セラミック及びその派生材料を含む。
【００１７】
圧電材料柱は、例えば径方向に分極した圧電セラミック管で構成されるような、その他の方法で形成されてもよく、本発明の保護範囲は圧電材料柱の具体的な形成方法により限定されない。
【００１８】
好ましくは、上記圧電アクチュエータにおいて、前記第１の圧電材料柱、第２の圧電材料柱及び第３の圧電材料柱は、いずれも直方体形態の圧電材料柱である。
【００１９】
上記の、すべての圧電材料柱が全部直方体形態の圧電材料柱であってもよいというのは、圧電材料柱が例えば角柱のような、その他の形状であってもよいということであり、本発明の保護範囲は圧電材料柱の具体的な形状により限定されない。
【００２０】
好ましくは、上記圧電アクチュエータにおいて、前記直方体形態の圧電材料柱は、いずれも鉛系リラクサー強誘電体単結晶で製造される。
【００２１】
具体的に、鉛系リラクサー強誘電体単結晶はPb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3、Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3、Pb(In1/2Nb1/2)O3-Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3、Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-Pb(Zr0.48Ti0.52)O3及びその派生材料を含むことができる。
【００２２】
圧電材料柱はその他の材料で製造されてもよく、本発明の保護範囲は圧電材料柱の具体的な製造材料により限定されない。
【００２３】
好ましくは、上記の圧電アクチュエータにおいて、前記直方体形態の各々圧電材料柱は、いずれも第１の単結晶活性素子及び第２の単結晶活性素子を備え、前記第１の単結晶活性素子の大きさは、第２の単結晶活性素子の大きさと同じであり、前記第１の単結晶活性素子は、接着手段により第２の単結晶活性素子に接続する。
【００２４】
第１の単結晶活性素子及び第２の単結晶活性素子の単結晶薄片の分極方向は［０１１］であり、［１００］方向では比較的に高い横方向の圧電係数を有する。このうち、［０１１］方向は単結晶の分極方向であり、［１００］方向は駆動方向である。
【００２５】
好ましくは、上記の圧電アクチュエータにおいて、中心機械予圧装置をさらに備え、前記第１の連結器及び第２の連結器はいずれもそれぞれ前記第１の連結器及び第２の連結器に位置する中心スルーホールをさらに有し、前記中心機械予圧装置は、前記第１の連結器の中心スルーホールに挿嵌され、かつ前記第２の連結器の中心スルーホールに挿嵌される。
【００２６】
第１の連結器は第１の連結器を貫通する中心スルーホールを有し、第２の連結器は第２の連結器を貫通する中心スルーホールを有し、第１の連結器の中心スルーホールの位置は第２の連結器の中心スルーホールの位置に対応する。中心機械予圧装置は第１の連結器の中心スルーホールに挿嵌してもよく、中心機械予圧装置は第２の連結器の中心スルーホールに挿嵌してもよい。
【００２７】
本発明の実施例は低周波水中音響トランスデューサをさらに提供し、該低周波水中音響トランスデューサは上記の圧電アクチュエータと、前放射ヘッドと、及び後質量ブロックとを備え、前記圧電アクチュエータの一端は、前記前放射ヘッドに接続し、前記圧電アクチュエータのもう一端は、前記後質量ブロックに接続する。
【００２８】
本発明の実施例は圧電アクチュエータを提供し、前記圧電アクチュエータは、第１の連結器、前記第１の連結器に対向設置されている第２の連結器、第１の圧電材料柱グループ、第２の圧電材料柱グループ及び第３の圧電材料柱グループを備える。
【００２９】
各々の前記第１の圧電材料柱の両端は、それぞれ前記第１の連結器及び前記第２の連結器に接続し、
各々の前記第２の圧電材料柱の一端は前記第２の連結器に接続し、かつもう一端は第２の連結器を突き抜けて前記第１の連結器から遠ざかる方向に伸び、前記第２の圧電材料柱は前記第２の連結器に接続し、かつ前記第１の連結器に可動的に接続し、
各々の前記第３の圧電材料柱の一端は前記第１の連結器に接続し、かつもう一端は第１の連結器を突き抜けて前記第２の連結器から遠ざかる方向に伸び、前記第３の圧電材料柱は前記第１の連結器に接続し、かつ前記第２の連結器に可動的に接続する。
【００３０】
好ましくは、第１の連結器の、第２の連結器に対向する表面には一組の、等角度に分かれた第１の溝部が設置され、第２の連結器の、第１の連結器に対向する表面には一組の、第１の溝部に対応する第２の溝部が設置され、第１の溝部の数と第２の溝部の数はいずれも第１の圧電材料柱の数に等しい。
【００３１】
第１の圧電材料柱グループは、第１の圧電材料柱を第１の溝部と整合することで第１の連結器に固定接続し、第１の圧電材料柱グループは、第１の圧電材料柱を第２の溝部と整合することで第２の連結器に接続する。
【００３２】
好ましくは、第１の連結器の、第２の連結器に対向する表面には第１の連結器を貫通する一組の等角度に分かれた第１のスルーホールが設置され、第２の連結器の、第１の連結器に対向する表面には一組第３の溝部が設置され、第１のスルーホールの数と第３の溝部の数はいずれも第２の圧電材料柱の数に等しく、
第２の圧電材料柱グループは、第２の圧電材料柱を第１のスルーホールに挿嵌することで第１の連結器に接続し、第２の圧電材料柱グループは、第２の圧電材料柱を第３の溝部と整合することで第２の連結器に接続する。
【００３３】
好ましくは、第１の連結器の、第２の連結器に対向する表面には一組の等角度に分かれた第４の溝部が設置され、第２の連結器の、第１の連結器に対向する表面には、第２の連結器を貫通する一組の第２のスルーホールが設置され、第４の溝部の数と第２のスルーホールの数はいずれも第３の圧電材料柱の数に等しく、
第３の圧電材料柱グループは、第３の圧電材料柱を第４の溝部と整合することで第１の連結器に接続し、
第３の圧電材料柱グループは、第３の圧電材料柱を第２のスルーホールに挿嵌することで第２の連結器に接続する。
【００３４】
好ましくは、第１の溝部は環状アレイで設置され、第１の溝部の中心から前記環状アレイの中心までの連結線は第１の連結線であり、任意の隣接する二つの第１の連結線の夾角は同じである。
【００３５】
例えば、第１の溝部の数が３個である場合、任意の隣接する第１の溝部の夾角はすべて６０°であり、即ち、任意の隣接する二つの第１の連結線の夾角は６０°である。
【００３６】
好ましくは、第３の溝部は、環状アレイで配置され、第３の溝部の中心から前記環状アレイの中心までの連結線は第３の連結線であり、任意の隣接する二つの第３の連結線の夾角は同じである。
【００３７】
第１のスルーホールは、環状アレイで配置され、第１のスルーホールの中心から環状アレイの中心までの連結線は第２の連結線であり、任意の隣接する二つの第２の連結線の夾角は同じである。
【００３８】
例えば、第３の溝部の数が３個である場合、任意の隣接する第３の溝部の夾角はすべて６０°であり、即ち、任意の隣接する二つの第３の連結線の夾角は６０°である。
【００３９】
例えば、第１のスルーホールの数が３個である場合、任意の隣接する第１のスルーホールの夾角はすべて６０°であり、即ち、任意の隣接する二つの第２の連結線の夾角は６０°である。
【００４０】
好ましくは、第４の溝部は、環状アレイで配置され、第４の溝部の中心から前記環状アレイの中心までの連結線は第４の連結線であり、任意の隣接する二つの第４の連結線の夾角は同じである。
【００４１】
第２のスルーホールは、環状アレイで配置され、第２のスルーホールの中心から環状アレイの中心までの連結線は第５の連結線であり、任意の隣接する二つの第５の連結線の夾角は同じである。
【００４２】
同様に、第４の溝部と第２のスルーホールの数がいずれも３個である場合、隣接する二つの第４の溝部の夾角は６０°であり、隣接する二つの第２のスルーホールの夾角は６０°である。
【００４３】
好ましくは、圧電アクチュエータは第１の連結器及び第２の連結器に接続され、かつ作業中第１の圧電材料柱が所定の圧縮応力下に置かれるように、第１の連結器及び第２の連結器にプレストレスを加えるように配置される第１のプレストレス機械装置をさらに備える。
【００４４】
好ましくは、第１の連結器は第１の連結器に位置する中心スルーホールをさらに有し、第２の連結器は第２の連結器に位置する中心スルーホールをさらに有し、
第１のプレストレス機械装置は第１のストレスバー、少なくとも一つの第１の弾性体及び少なくとも一つの第１のロック部を有し、第１のストレスバーの両端はそれぞれ第１の連結器及び第２の連結器の対応する中心スルーホールを貫通し、少なくとも一つのロック部と第１の連結器及び／又は第２の連結器との間の少なくとも一つの第１の弾性体は、少なくとも一つのロック部と第１の連結器及び／又は第２の連結器の間に押圧される。
【００４５】
本発明の実施例は低周波水中音響トランスデューサを提供し、低周波水中音響トランスデューサは上記の圧電アクチュエータと、前放射ヘッドと、及び後質量ブロックとを備え、第２の圧電材料柱は前放射ヘッドに接続し、第３の圧電材料柱は後質量ブロックに接続する。
【００４６】
好ましくは、第１の連結器及び第２の連結器に接続し、作業中第１の圧電材料柱が所定の圧縮応力下に置かれるように、第１の連結器及び第２の連結器にプレストレスを加えるように配置される第１のプレストレス機械装置をさらに備える。
【００４７】
好ましくは、第１の連結器及び第２の連結器はいずれもそれぞれ第１の連結器及び第２の連結器に位置する中心スルーホールをさらに有し、
第１のプレストレス機械装置は第１のストレスバー、少なくとも一つの第１の弾性体及び少なくとも一つの第１のロック部を有し、第１のストレスバーの両端はそれぞれ第１の連結器及び第２の連結器の対応する中心スルーホールを貫通し、少なくとも一つのロック部と第１の連結器及び／又は第２の連結器との間の少なくとも一つの第１の弾性体は、少なくとも一つのロック部と第１の連結器及び／又は第２の連結器の間に押圧される。
【００４８】
好ましくは、前放射ヘッド及び後質量ブロックに接続し、作業中第２の圧電材料柱と第３の圧電材料柱とが所定の圧縮応力下に置かれるように、前放射ヘッド及び後質量ブロックにプレストレスを加えるように配置される第２のプレストレス機械装置をさらに備える。
【００４９】
好ましくは、第２のプレストレス機械装置は第２のストレスバー及び少なくとも一つの第２の弾性体を有し、
第１のストレスバーは自身の長さ方向に貫通する中心スルーホールを有し、第２のストレスバーは第１のストレスバーの中心スルーホールに可動的に嵌設され、かつ両端は該中心スルーホールの外まで伸び、第２のストレスバーの少なくとも一端は第２の弾性体を通じてそれぞれ前放射ヘッド及び／又は後質量ブロックに接続することで、前放射ヘッドと後質量ブロックとの間の第２の圧電材料柱及び第３の圧電材料柱に所定の圧縮応力を加える。
【００５０】
好ましくは、第１のプレストレス機械装置が加える圧縮応力は第２のプレストレス機械装置が加える圧縮応力の少なくとも２倍である。
【００５１】
好ましくは、圧電アクチュエータに、圧電アクチュエータの伸縮方向で可動的に接続し、かつ伸縮方向に垂直する方向で接続する耐屈曲案内装置をさらに備える。
【００５２】
本発明の実施例が提供する圧電アクチュエータ及び低周波水中音響トランスデューサは下記のような有益な効果を有する。
【００５３】
本発明の実施例が提供する圧電アクチュエータ及び低周波水中音響トランスデューサは第１の連結器、第２の連結器、第１の圧電材料柱グループ、第２の圧電材料柱グループ及び第３の圧電材料柱グループを備える。第１の圧電材料柱グループが収縮すると、第１の連結器と第２の連結器とは近くなり、第２の圧電材料柱グループの遠端と第３の圧電材料柱グループの遠端とは遠くなる。許容の電場又は電圧条件で、第１の圧電材料柱グループが収縮しかつ第２の圧電材料柱グループ及び第３の圧電材料柱グループが伸長するとき、全体的に、圧電アクチュエータの純伸縮変位は第１の圧電材料柱グループ、第２の圧電材料柱グループ及び第３の圧電材料柱グループの変位を加えたものにほぼ等しい。適当なＡＣ電圧で励起させることによって、圧電材料の軸方向においての変位の重畳を増幅させることができ、従って、圧電アクチュエータを駆動機構とする低周波水中音響トランスデューサの音波放射出力容量が増加する。本発明の実施例が提供する圧電アクチュエータ及び低周波水中音響トランスデューサは、従来の低周波水中音響トランスデューサの音波放射出力容量が限られる問題を改善した。本発明の実施例が提供する圧電アクチュエータは軸方向の変位が強化されたため、圧電強化アクチュエータと称することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
本発明の実施例又は従来技術の技術形態をさらに詳しく説明するために、以下では、実施例又は従来技術を説明するのに必要な図面について簡単に紹介する。下記の説明における図面は本発明の実施例に過ぎないということは明白であり、当業者は創造的な労働を経ずに、これらの図面に基づいてさらにその他の図面を得ることができる。
【００５５】
【図１】本発明の好ましい実施例が提供する第１の連結器の構造概略図である。
【図２】本発明の好ましい実施例が提供する第１の連結器の別の視角からの構造概略図である。
【図３】本発明の好ましい実施例が提供する第２の連結器の構造概略図である。
【図４】本発明の好ましい実施例が提供する第２の連結器の別の視角からの構造概略図である。
【図５】本発明の好ましい実施例が提供する圧電アクチュエータの一部分の構造概略図である。
【図６】本発明の好ましい実施例が提供する圧電アクチュエータの具体的な実施形態の構造概略図である。
【図７】本発明の好ましい実施例が提供する圧電アクチュエータの操作状態の簡略概略図である。
【図８】本発明の好ましい実施例が提供する低周波水中音響トランスデューサの構造概略図である。
【図９】本発明の好ましい実施例が提供する低周波水中音響トランスデューサの別の視角からの構造概略図である。
【図１０】本発明のもう一つの好ましい実施例が提供する圧電アクチュエータの一部分の構造概略図である。
【図１１】本発明のもう一つの好ましい実施例が提供する低周波水中音響トランスデューサの構造概略図である。
【符号の説明】
【００５６】
１００  圧電アクチュエータ
１１０  第１の連結器
１１１  第１の溝部
１１２  第１のスルーホール
１１３  第４の溝部
１１４  第１の底面
１１５  第２の底面
１２０  第２の連結器
１２１  第２の溝部
１２２  第３の溝部
１２４  第３の底面
１２５  第４の底面
１３０  第１の圧電材料柱グループ
１３１  第１の圧電材料柱
１４０  第２の圧電材料柱グループ
１４１  第２の圧電材料柱
１５０  第３の圧電材料柱グループ
１５１  第３の圧電材料柱
１６１  第１の単結晶活性素子
１６２  第２の単結晶活性素子
１７０  中心機械予圧装置
１８０  中心スルーホール
２００  低周波水中音響トランスデューサ
２１０  前放射ヘッド
２２０  後質量ブロック
【発明を実施するための形態】
【００５７】
以下では、本発明の実施例に関わる図面に合わせて、本発明の実施例における技術方案について明確かつ完全に説明を行う。説明される実施例は、本発明の実施例の一部の実施例にすぎず、全部の実施例ではないことは自明なことである。以下の図面で提供される、本発明の実施例に関する詳細な説明は、本発明の選定された実施例を説明しているに過ぎず、本発明の保護範囲を限定するものではない。本発明における実施例に基づいて、当業者が創造的な労働なしに得られる他のすべての実施例は、いずれも本発明の保護範囲内に入るべきものである。
【００５８】
実施例
図１、図２は、本発明の好ましい実施例が提供する第１の連結器１１０を示し、図３、図４は、本発明の好ましい実施例が提供する第２の連結器１２０を示しており、図５は、本発明の好ましい実施例が提供する圧電アクチュエータ１００の一部分の構造を示している。図１ないし図５に示すように、本発明の実施例が提供する圧電アクチュエータ１００は、第１の連結器１１０、第２の連結器１２０及び第１の圧電材料柱グループ１３０（第１の圧電材料柱１３１のグループ）を備える。第１の圧電材料柱グループ１３０は、それぞれ第１の連結器１１０及び第２の連結器１２０に接続する。
【００５９】
第１の連結器１１０は、一組の第１の溝部１１１、一組の第１のスルーホール１１２、一組の第４の溝部１１３及び中心スルーホール１８０を有し、図１に示すように、前記一組の第１の溝部１１１、前記一組の第１のスルーホール１１２、前記一組の第４の溝部１１３及び中心スルーホール１８０は、いずれも第１の連結器１１０の第１の底面１１４に設置される。第１の連結器１１０は、具体的に円盤状構造であってもよい。
【００６０】
図１に示すように、第１の溝部１１１、第１のスルーホール１１２及び第４の溝部１１３の数は、いずれも３個であってもよく、かつ第１の溝部１１１、第１のスルーホール１１２及び第４の溝部１１３は、第１の連結器１１０の第１の底面１１４に均一に分布される。
【００６１】
図２に示すように、第１のスルーホール１１２は前記第１の連結器１１０を貫通し、図２に示される第１の連結器１１０の第２の底面１１５に、第１の連結器１１０を貫通する第１のスルーホール１１２を示している。
【００６２】
図２に示すように、中心スルーホール１８０は、円盤状の第１の連結器１１０の円心に位置し、同様に、前記第１の連結器１１０を貫通する。
【００６３】
第２の連結器１２０は、一組の第２の溝部１２１、一組の第３の溝部１２２、一組の第２のスルーホール１２３及び中心スルーホール１８０を有し、図３に示すように、前記一組の第２の溝部１２１、前記一組の第３の溝部１２２、前記一組の第２のスルーホール１２３及び中心スルーホール１８０は、いずれも第２の連結器１２０の第３の底面１２４に設置される。第２の連結器１２０は、具体的に円盤状構造であってもよい。
【００６４】
第２の溝部１２１、第３の溝部１２２及び第２のスルーホール１２３の数も３個であってもよく、かつ第２の溝部１２１、第３の溝部１２２及び第２のスルーホール１２３は、円盤状の第２の連結器１２０の第３の底面１２４に均一に分布される。
【００６５】
図４に示すように、第２のスルーホール１２３は前記第２の連結器１２０を貫通し、図４に示される第２の連結器１２０の第４の底面１２５に、第２の連結器１２０を貫通する第２のスルーホール１２３を示している。
【００６６】
図４に示すように、中心スルーホール１８０は、円盤状の第２の連結器１２０の円心に位置し、同様に、前記第２の連結器１２０を貫通する。図５に示すように、第１の圧電材料柱グループ１３０は三つの第１の圧電材料柱１３１を有する。
【００６７】
図５に示される圧電アクチュエータ１００の部分構造において、第１の連結器１１０の第１の底面１１４は、第２の連結器１２０の第３の底面１２４に対向する。第１の連結器１１０の第１の底面１１４に位置する三つの第１の溝部１１１の位置は、それぞれ、第２の連結器１２０の第３の底面１２４に位置する三つの第２の溝部１２１の位置に対応する。
【００６８】
第１の連結器１１０に位置する三つの第１のスルーホール１１２の位置は、それぞれ、第２の連結器１２０の第３の底面１２４に位置する三つの第３の溝部１２２の位置に対応する。
【００６９】
第１の連結器１１０の第１の底面１１４に位置する三つの第４の溝部１１３の位置は、それぞれ、第２の連結器１２０に位置する三つの第２のスルーホール１２３の位置に対応する。
【００７０】
三つの第１の圧電材料柱１３１は、それぞれ第１の連結器１１０の三つの第１の溝部１１１に対応し、即ち、第１の圧電材料柱グループ１３０は、第１の圧電材料柱１３１を第１の溝部１１１と整合することで第１の連結器１１０に接続する。具体的に、第１の圧電材料柱１３１は、接着手段により第１の連結器１１０の第１の溝部１１１に対応して接着され、第１の圧電材料柱１３１の一端は、第１の連結器１１０の第１の底面１１４に位置する第１の溝部１１１と整合する。
【００７１】
三つの第１の圧電材料柱１３１は、それぞれ第２の連結器１２０の三つの第２の溝部１１１に対応し、即ち、第１の圧電材料柱グループ１３０は、第１の圧電材料柱１３１を第２の溝部１２１に整合することで第２の連結器１２０に接続する。図５に示すように、具体的に、第１の圧電材料柱１３１は、接着手段により第２の連結器１２０の第２の溝部１２１に対応して接着され、第１の圧電材料柱１３１のもう一端は、第２の連結器１２０の第３の底面１２４に位置する第２の溝部１２１と整合し、かつ第１の底面１１４は、第３の底面１２４に対向する。
【００７２】
図６に示すように、本発明の実施例が提供する圧電アクチュエータ１００は、第２の圧電材料柱グループ１４０（第２の圧電材料柱１４１のグループ）及び第３の圧電材料柱グループ１５０（第３の圧電材料柱１５１のグループ）をさらに備える。
【００７３】
図６に示される圧電アクチュエータ１００において、第１の連結器１１０の第１の底面１１４は、第２の連結器１２０の第３の底面１２４に対向する。第１の連結器１１０の第１の底面１１４に位置する三つの第１の溝部１１１の位置は、それぞれ、第２の連結器１２０の第３の底面１２４に位置する三つの第２の溝部１２１の位置に対応する。
【００７４】
第１の連結器１１０に位置する三つの第１のスルーホール１１２の位置は、それぞれ、第２の連結器１２０の第３の底面１２４に位置する三つの第３の溝部１２２の位置に対応する。
【００７５】
第１の連結器１１０の第１の底面１１４に位置する三つの第４の溝部１１３の位置は、それぞれ、第２の連結器１２０に位置する三つの第２のスルーホール１２３の位置に対応する。
【００７６】
図６に示すように、第２の圧電材料柱グループ１４０は、三つの第２の圧電材料柱１４１を有する。三つの第２の圧電材料柱１４１は、それぞれ第１の連結器１１０の三つの第１のスルーホール１１２に対応し、即ち、第２の圧電材料柱グループ１４０は、第２の圧電材料柱１４１を第１のスルーホール１１２に挿嵌することで第１の連結器１１０に接続する。図６に示すように、第２の圧電材料柱１４１の一端は、第１の連結器１１０に位置する第１のスルーホール１１２に挿嵌され、第１のスルーホール１１２を突き抜けて、第１の連結器１１０を貫通し、第１の連結器１１０の第２の底面１１５から突き出ることができる。第２の圧電材料柱１４１は、挿嵌により第１の連結器１１０に接続するので、第１の連結器１１０に対し運動又は変位可能である。
【００７７】
三つの第２の圧電材料柱１４１は、それぞれ第２の連結器１２０の三つの第３の溝部１２２に対応し、即ち、第２の圧電材料柱グループ１４０は、第２の圧電材料柱１４１を第３の溝部１２２と整合することで第２の連結器１２０に接続する。具体的に、第２の圧電材料柱１４１は、接着手段により第２の連結器１２０の第３の溝部１２２に対応して接着され、第２の圧電材料柱１４１のもう一端は、第２の連結器１２０の第３の底面１２４に位置する第３の溝部１２２と整合する。
【００７８】
図６に示すように、第３の圧電材料柱グループ１５０は、三つの第３の圧電材料柱１５１を有する。三つの第３の圧電材料柱１５１は、それぞれ第１の連結器１１０の三つの第４の溝部１１３に対応し、即ち、第３の圧電材料柱グループ１５０は、第３の圧電材料柱１５１を第４の溝部１１３と整合することで第１の連結器１１０に接続する。具体的に、第３の圧電材料柱１５１は、接着手段により、第１の連結器１１０の第４の溝部１１３に対応して接着され、第３の圧電材料柱１５１の一端は、第１の連結器１１０の第１の底面１１４に位置する第４の溝部１１３と整合する。
【００７９】
三つの第３の圧電材料柱１５１は、それぞれ第２の連結器１２０の三つの第２のスルーホール１２３に対応し、即ち、第３の圧電材料柱グループ１５０は、第３の圧電材料柱１５１を第２のスルーホール１２３に挿嵌することで第２の連結器１２０に接続する。図６に示すように、第３の圧電材料柱１５１のもう一端は、第２の連結器１２０に位置する第２のスルーホール１２３に挿嵌され、第２のスルーホール１２３を突き抜けて、第２の連結器１２０を貫通し、第２の連結器１２０の第４の底面１２５から突き出ることができる。第３の圧電材料柱１５１は、挿嵌により第２の連結器１２０に接続するので、第２の連結器１２０に対し運動又は変位可能である。
【００８０】
第１の溝部１１１は、環状アレイ(ａｎｎｕｌａｒ  ａｒｒａｙ)で配置され、第１の溝部１１１の中心から前記環状アレイの中心までの連結線は第１の連結線であり、任意の隣接する二つの第１の連結線の夾角は同じである。例えば、第１の溝部１１１の数が３個である場合、任意の隣接する第１の溝部１１１の夾角はすべて６０°であり、即ち、任意の隣接する二つの第１の連結線の夾角が６０°である。
【００８１】
第３の溝部１２２は、環状アレイで配置され、第３の溝部１２２の中心から前記環状アレイの中心までの連結線は第３の連結線であり、任意の隣接する二つの第３の連結線の夾角は同じである。例えば、第３の溝部１２２の数が３個である場合、任意の隣接する第３の溝部１２２の夾角はすべて６０°であり、即ち、任意の隣接する二つの第３の連結線の夾角が６０°である。
【００８２】
第１のスルーホール１１２は、環状アレイで配置され、第１のスルーホール１１２の中心から環状アレイの中心までの連結線は第２の連結線であり、任意の隣接する二つの第２の連結線の夾角は同じである。例えば、第１のスルーホール１１２の数が３個である場合、任意の隣接する第１のスルーホール１１２の夾角はすべて６０°であり、即ち、任意の隣接する二つの第２の連結線の夾角が６０°である。
【００８３】
また、図１において、第１の連結器１１０における周方向に沿って配列されている第１の溝部１１１、第１のスルーホール１１２及び第４の溝部１１３は交替で配置される。同じように、第２の連結器１２０における第２の溝部１２１、第３の溝部１２２及び第２のスルーホール１２３は交替で配置される。
【００８４】
図９に示すように、該圧電アクチュエータ１００は、中心機械予圧装置（Ｃｅｎｔｒａｌ  ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｐｒｅｌｏａｄｉｎｇ  ｍｅｃｈａｎｉｓｍ）１７０をさらに備え、第１の連結器１１０の中心スルーホール１８０は、第２の連結器１２０の中心スルーホール１８０に対向し、該中心機械予圧装置１７０は、第１の連結器１１０の中心スルーホール１８０を貫通し、同時に第２の連結器１２０の中心スルーホール１８０を貫通する。
【００８５】
本発明の実施例が提供する圧電アクチュエータ１００は、第１の連結器１１０、第２の連結器１２０、第１の圧電材料柱１３１、第２の圧電材料柱１４１、第３の圧電材料柱１５１及び中心機械予圧装置１７０を備える。ここで、第１の圧電材料柱１３１は、グルーブマッチングでそれぞれ第１の連結器１１０及び第２の連結器１２０に接続する。第２の圧電材料柱１４１は、第１の連結器１１０を貫通し、かつグルーブマッチングで第２の連結器１２０に接続する。第３の圧電材料柱１５１は、グルーブマッチングで第１の連結器１１０に接続し、かつ第２の連結器１２０を貫通する。中心機械予圧装置１７０は、第１の連結器１１０及び第２の連結器１２０を貫通する。
【００８６】
適当なＡＣ電圧で励起させることによって、第１の圧電材料柱１３１を収縮させると同時に（即ち、第１の圧電材料柱グループ１３０が収縮するとき）、第２の圧電材料柱１４１及び第３の圧電材料柱１５１は伸長する（即ち、第２の圧電材料柱グループ１４０及び第３の圧電材料柱グループ１５０は伸長する）、又は、第１の圧電材料柱１３１を伸長させると同時に（即ち、第１の圧電材料柱グループ１３０が伸長するとき）、第２の圧電材料柱１４１及び第３の圧電材料柱１５１は収縮（即ち、第２の圧電材料柱グループ１４０及び第３の圧電材料柱グループ１５０は収縮する）する。結果、各材料柱グループの軸方向の変位が重畳し、軸方向においてさらに大きい変位を実現する。また、第１の圧電材料柱１３１、第２の圧電材料柱１４１、第３の圧電材料柱１５１の数は、いずれも三つであるため、圧電材料柱と第１の連結器１１０又は第２の連結器１２０との接続がより堅固になり、圧電アクチュエータ１００は、震動又は衝撃負荷によって簡単に壊れない。
【００８７】
図７に示される概略図を参照すると、概略図として、図７においては、各部分の変位を拡大処理しており、実際の状況では変位がそれほど明らかでない。ここで、左右両側の点線は、各部分の変位の変化を観察しやすくするための補佐線である。
【００８８】
図７において、上の部分の圧電アクチュエータ１００は未作動状態にあり、下の部分の圧電アクチュエータ１００は作動状態にある。この二つの状態で、第１の連結器１１０の位置は変わらない。第１の連結器１１０の位置及び上記二つの補佐線を基準とする。未作動状態から作動状態に変わるとき、第１の圧電材料柱１３１が収縮して変位Ｄ１が生じ、第２の圧電材料柱１４１が伸長して変位Ｄ２が生じ、第３の圧電材料柱１５１が伸長して変位Ｄ３が生じる。未作動状態の圧電アクチュエータ１００に比較して、作動状態の圧電アクチュエータの総変位は、第１の圧電材料柱１３１、第２の圧電材料柱１４１及び第３の圧電材料柱１５１の変位を足したもので、即ちＤ１＋Ｄ２＋Ｄ３である。
【００８９】
第１の圧電材料柱１３１、第２の圧電材料柱１４１及び第３の圧電材料柱１５１は、いずれも円柱状圧電材料柱であってもよい。さらに、圧電材料柱の、軸心線に垂直する各断面は同じであってもよい。応用状況に基づいて、第１の圧電材料柱１３１、第２の圧電材料柱１４１及び第３の圧電材料柱１５１の数は、調整可能である。
【００９０】
円柱状の圧電材料柱は、いずれも積層圧電セラミックで構成されてもよく、圧電セラミックはチタン酸ジルコン酸鉛圧電セラミック（ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｃｅｒａｍｉｃ  ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ、ＰＺＴ）及びその派生材料を含む。
【００９１】
第１の圧電材料柱１３１、第２の圧電材料柱１４１及び第３の圧電材料柱１５１は、径方向に分極された圧電セラミック管、一つの圧電結晶又は接着された圧電単結晶活性素子で構成されてもよい。
【００９２】
また、第１の連結器１１０と第２の連結器１２０は、軽量で強度の高い金属又は合金で製造され、材料には、アルミニウム合金、マグネシウム合金、チタニウム合金、アルミベリリウム合金、アルミニウム基とマグネシウム基複合材料が含まれるものの、これに限定されない。模擬実験から、第１の連結器１１０、第２の連結器１２０の材料がアルミニウム合金であり、かつ第１の圧電材料柱１３１、第２の圧電材料柱１４１及び第３の圧電材料柱１５１が、積層ＰＺＴ圧電セラミックで構成された場合、第１の連結器１１０及び第２の連結器１２０の屈曲変位は、大体圧電アクチュエータ１００の軸方向における全変位の５％であることを確認した。
【００９３】
第１の連結器１１０及び第２の連結器１２０は、一定の厚さを有する円盤状であってもよく、具体的には、短円柱状に近い連結器であってもよい。短円柱状構造は、上記圧電材料柱と溝部との確実の接続を保障し、これにより、第１の連結器１００及び第２の連結器１２０が動く過程で、屈曲し変形しにくいようにする。
【００９４】
本発明の実施例が提供する圧電アクチュエータ１００の中心機械予圧装置１７０は、第１の圧電材料柱グループ１３０、第２の圧電材料柱グループ１４０及び第３の圧電材料柱グループ１５０に圧縮応力を加えるために使われ、上記圧電アクチュエータ１００は圧縮応力のもとで作業する。
【００９５】
図８を参照すると、図８は本発明の実施例が提供する低周波水中音響トランスデューサ２００を示す。該低周波水中音響トランスデューサ２００は、上記のような圧電アクチュエータ１００によって駆動される。該低周波水中音響トランスデューサ２００は、前放射ヘッド（ｆｒｏｎｔ  ｒａｄｉａｔｉｏｎ  ｈｅａｄ）２１０及び後質量ブロック（ｔａｉｌ  ｍａｓｓ）２２０をさらに有し、圧電アクチュエータ１００の第２の圧電材料柱１４１は前放射ヘッド２１０に接続し、圧電アクチュエータ１００の第３の圧電材料柱１５１は後質量ブロックに接続しており、中心機械予圧装置１７０を通じて圧電アクチュエータ１００に予圧力を提供する。
【００９６】
図８に示される低周波水中音響トランスデューサ２００の共振周波数は、各部品、即ち、一体としての前放射ヘッド２１０、第１の連結器１１０、第２の連結器１２０、第１の圧電材料柱グループ１３０、第２の圧電材料柱グループ１４０、第３の圧電材料柱グループ１５０、後質量ブロック２２０及び中心機械予圧装置１７０の結合共振の最低値である。該低周波水中音響トランスデューサ２００は、多モード結合共振を効果的に利用して作業周波数帯を広げることができる。
【００９７】
図１０を参照すると、図１０は本発明のもう一つの好ましい実施例が提供する圧電アクチュエータ１００を示しており、図１０に示される圧電アクチュエータ１００と図６に示される圧電アクチュエータの相違点は、図１０に示される圧電アクチュエータ１００の第１の圧電材料柱１３１、第２の圧電材料柱１４１及び第３の圧電材料柱１５１は、いずれも直方体形態の構造であり、かつ第１の圧電材料柱グループ１３０、第２の圧電材料柱グループ１４０、第３の圧電材料柱グループ１５０の材料は、鉛系リラクサー強誘電体単結晶（ｌｅａｄ−ｂａｓｅｄ  ｒｅｌａｘｏｒ  ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｓｉｎｇｌｅ  ｃｒｙｓｔａｌｓ）である。
【００９８】
図１０に示すように、具体的に、各直方体形態の圧電材料柱は、いずれも第１の単結晶活性素子１６１及び第２の単結晶活性素子１６２を含むことができ、前記第１の単結晶活性素子１６１の大きさと第２の単結晶活性素子１６２の大きさは同じであり、前記第１の単結晶活性素子１６１と第２の単結晶活性素子１６２は、接着手段により接続する。
【００９９】
鉛系リラクサー強誘電体単結晶は、横方向の圧電性能がより優れている。鉛系リラクサー強誘電体単結晶は、具体的にPb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3、Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3、Pb(In1/2Nb1/2)O3-Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3、Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-Pb(Zr0.48Ti0.52)O3及びその派生材料を含むことができる。
【０１００】
図１１を参照すると、図１１は図１０に示された圧電アクチュエータ１００により駆動される低周波水中音響トランスデューサ２００を示す。図１１に示される低周波水中音響トランスデューサ２００は、図８に示される低周波水中音響トランスデューサ２００に比べて、その相違点は、図１１に示される低周波水中音響トランスデューサ２００の圧電アクチュエータ１００が図８に示される低周波水中音響トランスデューサ２００の圧電アクチュエータ１００と異なることである。［０１１］方向に分極されたPZN-5.5%PT d32横モード単結晶薄片で製造されている、同じ大きさの低周波水中音響トランスデューサの中心周波数は、積層ＰＺＴ圧電セラミックにより駆動されたものに比べて１／４低い。
【０１０１】
必要に応じて、導電性エポキシ又は非導電性エポキシを選択して、第１の連結器１１０、第２の連結器１２０及び対応する圧電材料柱を接着することができる。
【０１０２】
また、低周波水中音響トランスデューサ２００は第１のプレストレス機械装置(ｐｒｅ−ｓｔｒｅｓｓ  ｍｅｃｈａｎｉｓｍ)をさらに備える。第１のプレストレス機械装置は、第１の連結器１１０及び第２の連結器１２０に接続し、作業中、第１の圧電材料柱１３１が所定の圧縮応力のもとに置かれるように、第１の連結器１１０及び第２の連結器１２０にプレストレスを加えるように配置される。
【０１０３】
好ましくは、第１の連結器１１０及び第２の連結器１２０は、いずれも第１の連結器１１０と第２の連結器１２０にそれぞれ位置する中心スルーホールをさらに有する。第１のプレストレス機械装置は、第１のストレスバー、少なくとも一つの第１の弾性体及び少なくとも一つの第１のロック部を有する。好ましくは、弾性体には少なくとも一つのロック部が設置される。第１のストレスバーの両端は、それぞれ第１の連結器１１０と第２の連結器１２０における対応する中心スルーホールを突き抜ける。弾性体が一つであるとき、第１の連結器１１０と第１のロック部の間、又は第２の連結器１２０と第１のロック部の間にある第１の弾性体は、それぞれ第１の連結器１１０と第１のロック部の間、又は第２の連結器１２０と第１のロック部の間に押圧される。弾性体が二つであるとき、二つの第１の弾性体のうちの一つは、第１の連結器１１０と一つの第１のロック部の間に位置しかつプレスされ、もう一つは、第２の連結器ともう一つの第１のロック部の間に位置しかつ押圧される。第１の弾性体は、ばね座金又は皿ばねであってもよい。第１のロック部は、ロックナットであってもよく、第１のストレスバーの端部のねじ山に接続する。
【０１０４】
また、低周波水中音響トランスデューサ２００は第２のプレストレス機械装置をさらに備え、第２のプレストレス機械装置は、前放射ヘッド２１０及び後質量ブロック２２０に接続し、作業中、第２の圧電材料柱１４１と第３の圧電材料柱１５１とが所定の圧縮応力のもとに置かれるように、第２のプレストレス機械装置は、前放射ヘッド２１０及び後質量ブロック２２０にプレストレスを加えるように配置される。
【０１０５】
好ましくは、第２のプレストレス機械装置は第２のストレスバー及び少なくとも一つの第２の弾性体を有する。第１のストレスバーは自身の長さ方向に貫通する中心スルーホールを有し、第２のストレスバーは第１のストレスバーの中心スルーホールに可動的に嵌設され、かつ両端は該中心スルーホールの外まで伸びる。第２のストレスバーの少なくとも一端は、第２の弾性体を通じてそれぞれ前放射ヘッド２１０及び／又は後質量ブロック２２０に接続することで、作業中、第２の圧電材料柱１４１及び第３の圧電材料柱１５１に所定の圧縮応力を加える。即ち、第２の弾性体が一つである場合、第２のストレスバーの一端は、第２の弾性体を通って前放射ヘッドに接続し、又は、第２の弾性体を通って後質量ブロックに接続する。第２の弾性体が二つである場合、第２のストレスバーの両端は、二つの第２の弾性体を通って前放射ヘッドと後質量ブロックとに接続する。
【０１０６】
第１のプレストレス機械装置は第１の圧電材料柱１３１に圧縮応力Ｆ１を加える。前放射ヘッド２１０は第２の圧電材料柱１４１を通じて第２の連結器１２０に接続し、後質量ブロック２２０は第３の圧電材料柱１５１を通じて第１の連結器１１０に接続する。そのため、第２のプレストレス機械装置が、前放射ヘッド２１０、後質量ブロック２２０に所定の圧縮応力Ｆ２を加えると、第１の連結器１１０と第２の連結器１２０との間に接続されている第１の圧電材料柱１３１にも引張応力Ｆ２（圧縮応力Ｆ１の反対方向）が加わる。
【０１０７】
好ましくは、第１のプレストレス機械装置が加える圧縮応力は、第２のプレストレス機械装置が加える圧縮応力の少なくとも２倍である。これは、本発明の実施例の第１の圧電材料柱グループ１３０、第２の圧電材料柱グループ１４０、第３の圧電材料柱グループ１５０及び材料柱においての各関連する接続パーツが、常に所定の圧縮応力のもとで作業することを保障する。第２の弾性体は、ばね座金とロック構造の組み合わせであってもよい。
【０１０８】
説明しなければならないのは、第１のプレストレス機械装置及び第２のプレストレス機械装置は、その他の構造で構成してもよい。例えば、第１のストレスバー（適当なばね座金とロック構造を組み合わせる）を設置するものの、第１のストレスバーを第１の連結器１１０と第２の連結器１２０との周方向に沿って均一に配置する。これで、第１の連結器１１０、第２の連結器１２０及び第１の圧電材料柱１３１にプレストレスを加えやすくなる。
【０１０９】
好ましくは、さらに耐屈曲案内装置を有し、案内装置は、圧電アクチュエータ１００の伸縮方向で可動的に、かつ伸縮方向に垂直する方向で圧電アクチュエータ１００に接続する。
【０１１０】
また、チャンバを有している外殻を配置してもよく、圧電アクチュエータ１００は、その外殻のチャンバ内に配置され、外殻により圧電アクチュエータ１００の各構成部品が保護される。
【０１１１】
本発明の実施例が提供する圧電アクチュエータ１００及び低周波水中音響トランスデューサ２００は、第１の連結器１１０、第２の連結器１２０及び第１の圧電材料柱グループ１３０を備える。第１の圧電材料柱１３１の一端は、第１の連結器１１０に位置する一組の第１の溝部１１１と整合し、第１の圧電材料柱１３１のもう一端は、第２の連結器１２０に位置する一組の第２の溝部１２１と整合する。第１の圧電材料柱１３１の収縮又は伸長に連動して、第１の連結器１１０及び第２の連結器１２０が変位することができる。そのうえ、第２の圧電材料柱１４１と第３の圧電材料柱１５１の変位は、第１の連結器１１０及び第２の連結器１２０の変位に重畳してもよい。
【０１１２】
適当なＡＣ電圧で励起させることによって、圧電材料の軸方向においての変位の重畳を増幅させることができ、従って、圧電アクチュエータ１００を駆動機構とする低周波水中音響トランスデューサ２００の音波放射出力容量が増加する。本発明の実施例が提供する圧電アクチュエータ１００及び低周波水中音響トランスデューサ２００は、従来の低周波水中音響トランスデューサ２００の音波放射出力容量が限られる問題を改善した。
【０１１３】
本発明の実施例の目的、技術案とメリットをより分かりやすくするために、上記では、本発明の実施例に関わる図面と合わせて、本発明の実施例における技術案について明確かつ完全に説明を行った。勿論、ここで説明する実施例は本発明の一部の実施例にすぎず、全部の実施例ではないことは自明なことである。通常の場合、ここの図面で説明され、又は示された本発明の実施例の構成部品は様々な配置で分布され、又は設計されることができる。
【０１１４】
従って、上記の図面で提供した、本発明の実施例に関する詳細な説明は、本発明の選定された実施例を説明しているに過ぎず、本発明の保護範囲を限定するものではない。本発明の実施例に基づいて、当業者が創造的な労働を経ずに得た全てのその他の実施例は、いずれも本発明の保護範囲に入るべきものである。
【０１１５】
以下の図面において、類似する符号と字母は類似項を表し、従って、図面で定義されると、その後の図面では再び定義や解釈しない。
【０１１６】
本発明の説明において、説明しなければならないのは、指示する方位や位置関係は、図面に基づく方位や位置関係であり、又は該発明商品を使用する際によく置かれる方位や位置関係であり、本発明の説明や説明の簡略性を図るためのものにすぎず、装置又は素子が必ずしも特定の方位を持って特定の方位で構成又は操作される必要があることを提示又は暗示するものではなく、本発明を制限するものと理解してはいけない。
【０１１７】
本発明の説明において、別に明確に規定又は限定をしない限り、「接続」、「連結」などは、広い意味で理解しなければならず、例えば、固定連結とか着脱可能な連結であってもよく、又は一体連結であってよく、直接接続とか中間媒体を介しての間接接続であってもよく、二つの素子の内部の間の連通であってもよい。当業者は、具体的な状況に応じて、上述した用語を本発明の具体的な意味で理解してもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１１８】
本発明の、上記設計により得られた圧電アクチュエータ１００及び低周波水中音響トランスデューサ２００は、使用の際、適当な電圧で励起させることによって、圧電材料の軸方向においての変位の重畳を増幅させることができ、圧電アクチュエータ１００を駆動機構とする低周波水中音響トランスデューサ２００の音波放射出力容量を増加する。本発明の、上記設計により得られた圧電アクチュエータ１００及び低周波水中音響トランスデューサ２００は、従来の低周波水中音響トランスデューサ２００の音波放射出力容量が限られる問題を改善することができ、産業に適する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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