(57)【要約】【課題】広帯域で高効率の音響放射特性を有し、ハイパワー送波が可能で、かつ小型軽量の超音波トランスデューサを提供する。【解決手段】ヘッドマス１１とテールマス１２との間に、内部に貫通孔１４を有する圧電セラミックス積層体１３，１６を配し、圧電セラミックス積層体１３，１６の貫通孔１４を通してヘッドマス１１およびテールマス１２に係合され、圧電セラミックス積層体１３，１６に圧縮応力を加えるためのボルト１５を設けたボルト締めランジュバン振動子であって、ヘッドマス１１の前面に凸部２１を設けるとともに、当該凸部２１を覆うように音響キャップ１０をヘッドマス１１に固定する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヘッドマスとテールマスとの間に、内部に貫通孔を有する圧電セラミックス積層体を配し、前記圧電セラミックス積層体の前記貫通孔を通して前記ヘッドマスおよび前記テールマスに係合され、前記圧電セラミックス積層体に圧縮応力を加えるためのボルトを設けたボルト締めランジュバン振動子を有する超音波トランスデューサにおいて、前記ヘッドマスの前面に凸部を設けるとともに、当該凸部を覆うように音響キャップを前記ヘッドマスに固定したことを特徴とする超音波トランスデューサ。
【請求項２】
請求項１に記載の超音波トランスデューサであって、前記音響キャップは、前記凸部の周面を覆う筒部と、当該筒部の一端を閉塞するように一体形成された振動部と、を有することを特徴とする超音波トランスデューサ。
【請求項３】
請求項２に記載の超音波トランスデューサであって、前記筒部は、その内径が前記ヘッドマスの前記凸部の外径よりも大きい部分を有することを特徴とする超音波トランスデューサ。
【請求項４】
請求項１から請求項３までの何れか一項に記載の超音波トランスデューサであって、前記凸部の周面にはネジ部が形成されており、前記音響キャップの前記筒部の内面には前記ネジ部と係合し得るネジ部が形成されていることを特徴とする超音波トランスデューサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、広帯域圧電型トランスデューサの超音波トランスデューサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
水中において音響探知に用いる周波数帯域でハイパワー送波の可能な高効率超音波トランスデューサとして、ボルト締めランジュバン型トランスデューサ（以下ＢＬＴと略す）が従来から広く普及している。
【０００３】
ＢＬＴの基本的な構造は、ヘッドマスとテールマスとで積層セラミックスを挟み込み、これらをボルトで締め込んだものである。ヘッドマスにはアルミやマグネシウム等の軽い金属が一般的に使用される一方、テールマスにはステンレス鋼や真鍮等の重い金属が使用される。ＢＬＴの振動は高さ方向の共振を用いるのが一般であり、他振動モードとの結合のない綺麗な縦振動が得られる。
【０００４】
このＢＬＴを用いた音響送受波装置においては、音波競合を避けたりＦＭ変調による送信を行うために、駆動周波数を変化させたいケースがある。
このような広帯域化の要求に対し、下記特許文献１には、ヘッドマスの前面に凹部を設けて屈曲振動板をヘッドマス前面に固定することで、ＢＬＴの基本厚みモードと屈曲振動板の屈曲モードを重畳することによって広帯域化を図る構成が開示されている。
【０００５】
また、下記特許文献２は、屈曲フロントマス部分に外縁部から中心部分にかけてスリット又は溝が形成され、更に屈曲フロントマス外縁部近傍からヒンジを介して音響放射フロントマスが設けられ、屈曲フロントマス外縁部からヒンジを介して音響フロントマスに拡大された変位を伝達することにより広帯域化を図る構成が開示されている。
【０００６】
【特許文献１】
特許第３００５６１１号公報
【特許文献２】
特開昭６２−１７６３９６号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特許文献１の広帯域化の技術には、屈曲板の屈曲振動のストレスがヘッドマスとの結合部分に集中し、大振幅動作での長期間使用に向かないという問題がある。
また、特許文献２の広帯域化の技術には、音響フロントマスがヒンジを介して屈曲フロントマスに設けられる構成であるため、音響フロントマスの屈曲振動のストレスがヒンジに集中し、大振幅動作で長期間の使用に向かないという問題がある。
【０００８】
本発明は以上の課題に鑑みてされたものであり、その目的は、広帯域で高効率の音響放射特性を有し、耐久性に優れた小型軽量の超音波トランスデューサを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。
【００１０】
即ち、請求項１においては、ヘッドマスとテールマスとの間に、内部に貫通孔を有する圧電セラミックス積層体を配し、前記圧電セラミックス積層体の前記貫通孔を通して前記ヘッドマスおよび前記テールマスに係合され、前記圧電セラミックス積層体に圧縮応力を加えるためのボルトを設けたボルト締めランジュバン振動子を有する超音波トランスデューサにおいて、前記ヘッドマスの前面に凸部を設けるとともに、当該凸部を覆うように音響キャップを前記ヘッドマスに固定したことを特徴とする。
【００１１】
請求項２においては、請求項１に記載の超音波トランスデューサであって、前記音響キャップは、前記凸部の周面を覆う筒部と、当該筒部の一端を閉塞するように一体形成された振動部と、を有することを特徴とする。
【００１２】
請求項３においては、請求項２に記載の超音波トランスデューサであって、前記凸部の周面にはネジ部が形成されており、前記音響キャップの前記筒部の内面には前記ネジ部と係合し得るネジ部が形成されていることを特徴とする。
【００１３】
請求項４においては、請求項１から請求項３までの何れか一項に記載の超音波トランスデューサであって、前記凸部の周面にはネジ部が形成されており、前記音響キャップの前記筒部の内面には前記ネジ部と係合し得るネジ部が形成されていることを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
次に、発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る超音波トランスデューサの全体構成を示す断面図である。
【００１５】
この超音波トランスデューサ１は、ヘッドマス１１とテールマス１２との間に、内部に貫通孔１４を有する圧電セラミックス積層体１３，１６を配し、圧電セラミックス積層体１３，１６の貫通孔１４を通してヘッドマス１１およびテールマス１２に係合され、圧電セラミックス積層体１３，１６に圧縮応力を加えるためのボルト１５を設けたボルト締めランジュバン振動子を有する。このヘッドマス１１には、音響キャップ１０が固定されている。また、圧電セラミックス積層体１３と圧電セラミックス積層体１６との間に、電極板１００が設けられている。
【００１６】
ヘッドマス１１は、アルミニウムやマグネシウム等の軽金属で形成される。その形状は、本体部２４の前面に凸部２１を一体に設け、この本体部２４の底面中央にネジ孔２２を有する形状である。本体部２４の形状は特に限定されないが、図示のように先端に向かって広がる形状にすることが好ましい。凸部２１は、前記本体部２４の前面より幅が狭い柱体である。この凸部２１の周面であってその基部側には、ネジ部２３が形成されている。
【００１７】
音響キャップ１０は、ヘッドマス１１と同じように、軽金属で形成される。その形状は、ヘッドマス１１の凸部２１を覆う形状である。具体的には、音響キャップ２０は、凸部２１を覆う筒部３１と、筒部３１の先端側の一端を閉塞するように一体形成された振動部３２とを有する。筒部３１の内面であってその基部側には、凸部２１のネジ部２３と係合し得るネジ部３３が形成されている。この筒部３１は、前記ヘッドマス１１の本体部２４と連続する外形を有する。この筒部３１の形状は特に限定されないが、図示のように先端に向かうほど広がる形状にすることが好ましい。この筒部３１と一体の振動部３２は、円板状である。
【００１８】
この音響キャップ１０の筒部３１は、凹部３４を有する。この凹部３４の内径は、凸部２１の外径より大きくなっており、両者の間に、スリット状の空間３５が形成されている。また、この凹部３４の深さは、凸部２１の高さより深くなっており、両者の間に円板状の空間３６が形成されている。
【００１９】
圧電セラミックス積層体１３，１６は、厚さ方向に分極された、例えばジルコンチタン酸鉛系の圧電セラミックスでできたものである。これら圧電セラミックス積層体１３，１６は、その分極方向が互いに逆向きになるように配列され、電極板１００を介して電気的に並列に接続され駆動されるようになっている。
【００２０】
テールマス１２は、ステンレススチールや真鍮等の重金属で形成される。その形状は、貫通孔２５を有する筒体である。
【００２１】
ボルト１５は、高張力の金属材料で形成される。ボルト１５の先端のネジ棒４１をヘッドマス１１のネジ孔２２に係合させ、圧電セラミック１６、電極板１００、圧電セラミックス積層体１３、テールマス１２の順にボルト１５に通し、ボルト１５の終端のネジ棒４２にナット１７を係合させて、締めつける。
【００２２】
このボルト１５はナット１７の締めつけにより、圧電セラミックス積層体１３，１６に圧縮応力を加える。このように、ヘッドマス１１、テールマス１２、及び圧電セラミックス積層体１３，１６に静的な圧力バイアスを加える。圧電セラミック１３，１６は張力に対する強度が圧力に対する強度の数分の一しかないため、このような静的圧縮応力を印可するボルト１５が必要である。このボルト１５による締めつけにより、ボルト締めランジュバン振動子はハイパワーで強制的に励磁できるものとなる。
【００２３】
上述した構造のボルト締めランジュバン振動子の作動、特に音響キャップ１０付きのヘッドマス１１による広帯域化の作動を、図２及び図３により説明する。図２は、音響キャップ１０付きヘッドマス１１の振動状態のシミュレーション図であり、図３は、その振動特性を示すグラフ図である。
【００２４】
ヘッドマス１１の凸部２１を覆うように音響キャップ１０がその基部でヘッドマス１１に固定されている。この音響キャップ１０は、図２（Ａ）（Ｂ）に示すように、凸部２１の回りで自由度を有する。そのため、音響キャップ１０付きのヘッドマス１１の本来の縦方向振動に加えて、音響キャップ１０の周囲の先端部分ａを振動の節とし、その表面部の中央ｂを腹とするたわみ振動が発生する。
【００２５】
そのため、この構造のボルト締めランジュバン振動子は、図３に示すように、固有振動周波数として、全体として並進変位する縦振動モードの周波数ｆ１と、音響キャップ１０付きヘッドマス１１のたわみ振動による屈曲モードの周波数ｆ２が共存する。この二つの共振モードの重畳により広帯域化が実現できる。
【００２６】
また、音響キャップ１０のたわみ振動による屈曲モードは、音響キャップ１０の周囲の先端部分（角）ａを振動の節としており、固定のための基部から離れている。そのため、このたわみ振動で最もストレスが発生する部分（角）が、音響キャップ１０という一体構造に形成できる。また、音響キャップ１０の端で固定されており、前記たわみ振動によるストレスが固定部分に及び難い。そのため、たわみ振動に対する耐久性が格段に優れる。
【００２７】
この音響キャップ１０は、凸部２１の周面を覆う筒部３１と、筒部３１の一端を閉塞するように一体形成された振動部３２からなる構造であるため、振動部３２が先端に位置することになり、たわみ振動に対する耐久性が特に優れる。
【００２８】
この音響キャップ１０は、凸部２１に被さる凹部３４を有し、その間にスリット状の空間３５が形成されている。この空間３５の大きさを変えることにより、音響キャップ１０によるたわみ振動による屈曲モードの周波数ｆ２を変更することが容易にできる。そのため、この空間３５の大きさを調整することにより、この二つの共振モードの重畳により広帯域化の設定が容易にできる。
【００２９】
この音響キャップ１０の内面のネジ部３３と、凸部２１の外周のネジ部２３とが係合する構造であるため、別途の部材を用いることなく両者を完全に一体化できる。そのため、小型化を可能にし、製造工程を簡素化し、耐久性に優れたものにできる。
【００３０】
この音響キャップ１０は先端に向かうほど広がる末広がり形状となっている。そのため、たわみ振動の節となる角を外方に位置させることができる。その結果、音響キャップ１０のたわみ振動によるストレスを緩和できる肉厚みを確保できる。そのため、たわみ振動に対する耐久性が特に優れる。
【００３１】
なお、以上説明した実施形態は、以下のように変更して実施することができる。
【００３２】
音響キャップ１０、ヘッドマス１１、テールマス１２及び圧電セラミック積層体１３，１６は、それぞれ断面が円形の場合である。しかし、これらは円形に限らず、四角断面、六角断面のように多角形断面を有する場合であってもよい。
【００３３】
音響キャップ１０とヘッドマス１１の固定はネジを用いたが、ネジ固定に限らず、溶接固定されたものであってもよい。
【００３４】
【発明の効果】
本発明は、以上のように構成したので、以下に示すような効果を奏する。
【００３５】
即ち、請求項１に示すように、音響キャップ付きのヘッドマスとしたので、広帯域で高効率の音響放射特性を有するものにできる。また、音響キャップの屈曲により最もストレスが発生する部分がキャップという一体構造になっており、特に耐久性に優れたものとすることができる。
【００３６】
請求項２に示すように、音響キャップを筒部と振動部の一体構造とすると、耐久性にすぐれたものとすることができる。
【００３７】
請求項３に示すように、音響キャップの筒部が前記凸部より大きくすると、両者の間に生じる空間の調整により、高効率の広帯域化を適切なものにすることができる。
【００３８】
請求項４に示すように、凸部のネジ部と音響キャップ内面のネジ部とを係合するようにすると、音響キャップを確実に固定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る超音波トランスデューサの全体構成を示す断面図。
【図２】本発明の一実施形態に係る超音波トランスデューサの作動状態を示すシミュレーション図。
【図３】本発明の一実施形態に係る超音波トランスデューサの作動特性を示すグラフ図。
【符号の説明】
１      トランスデューサ
１０    音響キャップ
１１    ヘッドマス
１２    テールマス
１３，１６    圧電セラミックス積層体
１４    貫通孔
２１    凸部
２３    ネジ部
３１    筒部
３２    振動部
３３    ネジ部
３４    凹部
３５    空間
３６    空間
【図１】
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【図２】
2004312119.tif 000004
【図３】
2004312119.tif 000005