(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電セラミックスに、ウレタン・エポキシ等の樹脂あるいはゴム等を充填した圧電複合材料で構成された電気音響変換部を複数有する超音波トランスデューサであって、
前記複数の電気音響変換部には、それぞれ該電気音響変換部をロール状に収納するとともに該ロール状に収納した該電気音響変換部を拡張するための伸縮チューブが装着されており、
さらに、
それらの伸縮チューブを接続するための複数のノズルを有する圧縮流体圧入用コンプレッサー部と、
制御部とを備え、
前記圧縮流体圧入用コンプレッサーの複数のノズルにはそれぞれ、前記圧縮流体の圧力値により開閉量が変換するベンを設け、前記制御部の制御により、前記複数の伸縮チューブに対し、圧縮流体を前記複数のノズルから順番に圧入するよう制御する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、前記電気音響変換部は、前記伸縮チューブの中にあらかじめ納められており、前記伸縮チューブ内は真空であ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１または２に記載の超音波トランスデューサであって、
前記圧縮流体として脱気した圧縮流体を用いた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、超音波を送受信する超音波トランスデューサに係り、詳しくは非動作時には小さく収納し、動作時にはアレイ長を瞬時に拡大する耐衝撃性に優れた超音波トランスデューサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来に、飛行機等より海へ投下し水中物体を探知するソノブイシステムがある。本システムは水中爆発や電気変換等を用いた音源から音を発生させ、水中物体からの反射音を複数個のソノブイにより受信し、個々の音響信号の位相差や振幅値より水中物体の方位、深度を検知するシステムである。従来は、ソノブイに使用していた超音波トランスデューサが無指向性であるために分解能が悪く、水中物体を探知するために複数個のソノブイが必要になり高コストで、かつ探知精度も悪かった。
【０００３】
この問題を解決する技術として特開平１０−２８２２２３号公報に記載の「水平直線アレイ展長装置」がある。これは、水密した圧電セラミックスをひもで複数個連結した超音波トランスデューサで、非動作時には円筒の筒の中に収納し、動作時には円筒カバーを自動で外れ、ひもを伸ばすことでアレイ長を拡大するタイプのソノブイであリ、この超音波トランスデューサの電気音響変換部には一般に圧電セラミックスが用いられている。しかし、質量、非動作時の収納スペース、アレイ長さを拡大すること、また水中投下時の衝撃力による材料破壊等については特に考慮されていない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ソノブイは超音波トランスデューサだけではなく、電子回路部、無線部、フロート部等を有し、これらを収納するスペースが限られており、超音波トランスデューサのスペースもかなり狭く(具体的には、直径約10cm、長さ約30cm)、軽量でなければならない。かつ飛行機等へ積載し投下するため、衝撃を受ける。
【０００５】
そこで本発明の目的は、小型軽量化に優れ、限られたスペースの中でアレイ長を最大限拡大できるとともに耐衝撃性に優れた超音波トランスデューサを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明は、圧電セラミックスに、例えばウレタン・エポキシ等の樹脂あるいはゴム等の弾性部材を充填した圧電複合材料であって、この圧電材料をロール状に巻き取る機構を備えた。
【０００７】
【発明の実施の形態】
円管あるいは球形の圧電セラミックスを複数個ひもで連結し、非動作時には円筒形の筒の中に収納し、動作時にこの筒を取り外しひもを伸ばすことでアレイ長を拡大する方法にあっては、超音波トランスデューサの電気音響変換部に圧電セラミックスを用いているために質量が重く、非動作時の収納スペースが大きくなり、アレイ長さを拡大することが困難である。また例え圧電セラミックスを小さくし収納スペースを確保できても、インピーダンスが大きくなってしまうため、熱雑音が大きくなったり、信号ケーブルによる電圧降下が発生し、電気音響性能が劣化する。
【０００８】
更に音響ビームを任意の方位にスキャンする場合は、各圧電セラミックスチャネルの電気信号を独立にするため、チャネル数の信号ケーブルが必要となり、大きくかさばってしまう。機械的強度面からは、セラミックスが衝撃に弱いため、水中投下時の衝撃力による材料破壊等を発生する。
【０００９】
本発明によれば、超音波トランスジューサの放射及び受音面を広く構成でき、低インピーダンス化できるため電気音響性能を劣化することなく、小型・軽量化に優れ、限られたスペースの中でアレイ長を瞬時に最大限拡大できるとともに耐衝撃性に優れた超音波トランスデューサを実現できる。以下、本発明に係る超音波トランスデューサの実施形態について説明する。
【００１０】
図１より実施例を説明する。図１は伸縮型の超音波トランスデューサのアレイ拡張方法を説明した図である。図1（ａ）は発明の伸縮型超音波トランスデューサの収納形態である。電気音響変換部１をおもり部２により巻きとり、コンパクトに収納している。また、電気音響変換部１の電気信号を送出しつり下げるために電気音響変換部１の端部にコネクタ３を介してつり下げ部兼ケーブル部４を設けている。展開形態を図１（ｂ）（ｃ）に示す。展開時にはおもり部２の自重により鉛直下方におもり部２が落下することで、自動で電気音響変換部１を展開しアレイ長を拡張することができる。また電気音響変換部１とおもり部２が分離しないようにつり下げ部５にて連結している。
【００１１】
図１に示す超音波トランスデューサの電気音響変換部１は柱状またパウダ状の圧電セラミックスをウレタン・エポキシ等の樹脂やゴム等を充填して成形した圧電複合材料である。この材料は比重が圧電セラミックス約８に対して約３と小さく軽量で、また形状を自由に変形できる特徴があるため、図1（ａ）に示すようにロール状に巻くことが可能となり、スペースファクターが良くコンパクトに収納できる。動作時には、図１（ｂ）（ｃ）に示すようにロール状の電気音響変換部１を長く展開することによりアレイ長を拡大することができる。
【００１２】
また図２のように電極８（ａ）〜８（ｃ）を面で構成することができるため、インピーダンスも小さくでき圧電セラミックスと比較し電気音響性能の劣化も無い。更に音響ビームを任意の方位にスキャンする場合も、電極８（ａ）〜８（ｃ）を図２に示すように圧電複合材に薄い面で構成できるため、ケーブルでかさばることがなく小さくできる。
【００１３】
図２は伸縮型超音波トランスデューサの電極配線方法の例を説明した図である。
【００１４】
図２（ａ）〜（ｃ）は圧電部７のＡ面とＢ面に電極８（ａ）〜（ｃ）を構成し、チャネル分割するためにＡ面電極を８（ａ）、８（ｂ）のように分離し、左側に信号のパターンを通している。Ｂ面電極８（ｃ）は共通のグランド電極である。圧電部７で発生した電気信号は電極８、コネクタ部３を介してつり下げ部兼ケーブル部４により伝送する。この電極は水密モールド部６により海水と分離し絶縁されている。
【００１５】
図２（ｄ）〜（ｆ）は電極パターンを絶縁層９を介してＡ２層に別に設けた例である。このようにすることでＡ１層の電極8（ａ）8（ｂ）を大きく取ることができ、電気音響性能が図２（ａ）〜（ｃ）と比較し向上する。
【００１６】
また、機械的強度の面も圧電セラミックスを柔らかい樹脂で充填するため、衝撃力が印加されても樹脂やゴム（弾性材）で吸収し、耐衝撃性も良い。
【００１７】
図３は補強構造の例を示した図であり、補強した超音波トランスデューサを示す。図１のようにアレイに展開した場合、電気音響変換部１に張力が働くため、この張力を緩和するアレイミド繊維、ガラス、カーボン繊維等でできた補強部を電気音響変換部１に追加する必要がある。当然、ロール状に収納するため、補強部１０も変形できなければならない。
【００１８】
図３（ａ）は、アレミド繊維、ガラス、カーボン繊維等でできた補強繊維を樹脂やゴムで充填した補強部１０を電気音響変換部１に接着した超音波トランスデューサである。図３（ｂ）は、補強繊維を圧電部７とともに電気音響変換部１の中に埋め込んだ超音波トランスデューサである。
【００１９】
次に電気音響変換部１をスムーズにまっすぐ展開するためのアレイ長拡張方法について説明する。図１（ｂ）、（ｃ）には、重り部２を電気音響変換部１の端部に装着し、鉛直方向に自重により落下させることで、電気音響変換部１を展開する方法を示している。これでは潮流によるねじれる可能性があるため、図４は、電気音響変換部１、補強部１０の背面に伸縮チューブ１１（例えばタイヤのゴムチューブ等）を装着し、この伸縮チューブ１１に空気あるいは液体の圧縮流体１３を流体圧入用コンプレッサー部１２を介してアレイ展開時に圧入する。この伸縮チューブ１１は電気音響変換部１背面に圧縮流体をいれることにより見かけ上剛体の柱を形成することにより、図４（ｂ）〜（ｃ）のように電気音響変換部１をまっすぐ展開し維持することができる。この流体として外囲の海水を入れ込むのがベストであるが、その他にも比重を調整するため、比重の軽い油等を用いても良い。またこの伸縮チューブ゛１１の代わりに形状記憶合金を用いても良い。
【００２０】
展開動作について図４、６、７を用い説明する。図４は伸縮チューブ１１を図１に追加した伸縮型超音波トランスデューサのアレイ拡張方法を説明した図である。
【００２１】
まず最初に、図６のソノブイ２５（ａ）のように円筒の筒に収納しており飛行機等より空中から海面に投下される。海中では、電気音響変換部１、電子回路部１６、無線部１７、フロート部１８等を切り放し、円筒の筒１９（ａ）（ｂ）も自動的に外れ、図４のようにおもり部２の自重により電気音響変換部１がアレイ状に展開する。またこれと平衡し、図伸縮チューブ１１へ流体圧入用コンプレッサー部１２を介して圧縮流体１３を圧入し、流体の柱を作る。展開後のソノブイ２５（ｂ）を図７に示す。図７は鉛直方向だけでなく、水平方向にもアレイを展開している例である。この場合、圧縮流体１１に比重の軽い空気等を使用する場合は、浮力調整部24（ａ）〜24（ｂ）におもりを先端に装着し、比重の重い材料を使用する場合24（ａ）〜24（ｂ）は、おもりではなく先端に比重を調整するフロートが装着され、伸縮チューブ１１の流体の柱により真っ直ぐにアレイを展開している。縦と横に長いアレイを展開することにより、深度及び方位の分解能を向上することができる。
【００２２】
図５は複数の伸縮チューブ１１に圧縮流体１３を圧入する圧縮流体分配機構を示す。流体圧入用コンプレッサー部１２により圧縮した圧縮流体１３は先ず分配部１４へ圧入する。分配部１４は複数個のノズル１５（ａ）〜１５（Ｆ）を備えており、この先端に図４に示す伸縮型超音波トランスデューサを取り付けることにより複数個同時にアレイ長を拡張できる。ここで同時にアレイを展開するときに各伸縮型超音波トランスデューサがからまないようにするために、各ノズル１５に圧力値により開閉量が変化するベン２６を設けた。これは順番に各伸縮型超音波トランスデューサへ圧縮流体１３を圧入することができるため、同時では無く順番にアレイを展開することができる。
【００２３】
図６はソノブイの非動作時の収納形態を説明した図である。円筒の筒にフロート部１８、無線部１７、制御部２０、伸縮型超音波トランスデューサ１‘を収納している。金属ケース１９は着水時にとれ必要形態に展開する。
【００２４】
図７に本発明に関わる超音波トランスデューサの実施例を示す。前記に説明した伸縮型超音波トランスジューサ１‘をＴ字型に展開した例である。複数個の伸縮型超音波トランスデューサ１‘、電子回路部２０、無線部１７、フロート部１８等で構成し、外部あるいは伸縮型超音波トランスデューサ１‘で音響信号を送波し、水中物体からの反射波を伸縮型超音波ドランスデューサで受波する。受波の際に電気音響変換部を複数ＣＨに分割することで音響ビームをスキャンあるいは複数本の音響ビームで受波信号を待ち受けし、水中物体の深度及び方位を検出する。ここで深度を検出するのは伸縮型超音波トランスデユーサ１‘（ａ）で、方位信号を検出するのは伸縮型超音波トランスデユーサ１‘（ｂ）〜（ｃ）である。検出した信号は電子回路部２０、ケーブル部２２、２３、無線部１７を経て観測局へ信号を伝送する。
【００２５】
図８に本発明に関わる伸縮型超音波トランスジューサのアレイ拡張方法について説明する。電気音響変換部１は真空の伸縮チューブ１１の中にあらかじめ納めており、図１（ａ）のようにロール状に収納されており、図４で説明した原理で圧縮流体１３を伸縮チューブ１１へ圧入し、アレイへ展開する。ここで音響性能を阻害しないように電気音響変換部１に気泡が付かないように脱気した圧縮流体１３であり、また伸縮チューブ１１も音響透過性の良いものである必要がある。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように本発明は、小型軽量化に優れ、限られたスペースの中でアレイ長を瞬時に最大限拡大できるとともに耐衝撃性に優れた伸縮型超音波トランスデユーサを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の伸縮型超音波トランスデユーサのアレイ長拡張方法を示す図。
【図２】本発明の伸縮型超音波トランスデユーサの電極配線方法例を示す図。
【図３】本発明の伸縮型超音波トランスデユーサの補強方法例を示す図。
【図４】本発明の伸縮型超音波トランスデユーサのアレイ長拡張方法を示す図。
【図５】本発明の伸縮型超音波トランスデユーサ圧縮流体分配機構を示す図。
【図６】本発明の伸縮型超音波トランスデユーサの実施例を示す図。
【図７】本発明の伸縮型超音波トランスデユーサの実施例を示す図。
【図８】本発明の伸縮型超音波トランスデユーサのアレイ長拡張方法を示す図。
【符号の説明】
１…電気音響変換部、              １‘…伸縮型超音波トランスデユーサ、
２…おもり部、  ３…コネクタ部、    ４…つり下げ部兼ケーブル部、
５…つり下げ部、６…水密モールド部、７…圧電部、
８…電極部、    ９…絶縁層、      １０…補強部、    １１…伸縮チューブ、
１２…流体圧入用コンプレッサー部、１３…圧縮流体、
１４…分配部、１５…ノズル、      １６…電子回路部、１７…無線部、
１８…フロート部、      １９…金属ケース、          ２０…制御部、
２１…ケーブル収納部、  ２２…信号ケーブル、２３…つり下げケーブル、
２４…浮力調整部、      ２５…ソノブイ、            ２６…ベン。
【図１】
0004232274.tif 000002
【図２】
0004232274.tif 000003
【図３】
0004232274.tif 000004
【図４】
0004232274.tif 000005
【図５】
0004232274.tif 000006
【図６】
0004232274.tif 000007
【図７】
0004232274.tif 000008
【図８】
0004232274.tif 000009