JP2006246279A - 電気音響変換器 - Google Patents

Abstract

【課題】従来構造よりも小型化し得ると共に、簡易にして安価に製造し得る低周波数帯域を含む広帯域で使用可能な電気音響変換器を提供すること。
【解決手段】この電気音響変換器の場合、ボルト締めランジュバン型振動子として、フロントマス１１（１１′）とリアマス１２とを用いて複数（図１中では３個）の圧電振動子１０を挟み込んで接着剤により接着してからボルト１３により各部を締め付けて固定して成る構造を有し、且つフロントマス１１（１１′）の各圧電振動子１０側とは反対の端面に音響ゴム１４を接着した周知構造を有する以外、ここでのフロントマス１１（１１′）にあっての音響ゴム１４を接着する側の端面は、音響ゴム１４を接着した状態で複数の座ぐり穴状（或いは溝状でも良い）による空気室を形成するための複数の凹部としての座ぐり穴１５（或いは溝１６でも良い）が設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、主として水中（海水中）等の音響伝搬媒質中で使用されると共に、圧電振動子を備えた電気音響変換器であって、詳しくは低周波数帯域を含む広帯域で使用可能な小型構造の電気音響変換器に関する。

従来、この種の電気音響変換器に関連する周知技術としては、付加質量であるフロントマスとリアマスとを用いて複数の圧電振動子を挟み込んでボルトにより固定して成るボルト締めランジュバン型振動子におけるフロントマスの内部に円板状の空隙を設け、その空隙の音響放射面側を屈曲振動板として用い、空隙の外周部に円環状圧電振動子を設けることにより、より広帯域で使用可能とした送受波器（特許文献１参照）が挙げられる。因みに、この特許文献１における複数の圧電振動子は、圧電セラミック積層体に相当するものであり、これは複数の圧電セラミックシートを積層して焼成して得られる。

又、電気音響変換器に関連する他の周知技術としては、図５に示すような構造のもの（特許文献２参照）が挙げられる。

この電気音響変換器は、技術的概要を説明すると、ボルト締めランジュバン型振動子として、フロントマス３１とリアマス３２とを用いて複数（図５中では３個）の圧電振動子３０を挟み込んで接着剤により接着してからボルト３３により各部を締め付けて固定して成る構造を有する他、フロントマス３１の各圧電振動子３０側とは反対の端面に固有音響インピーダンスが約４×１０^６Ｋｇ／ｍ^２・ｓｅｃで長さがλ／４の音響整合層３４を設け、この音響整合層３４における露呈された端面に音響ゴム３５を接着した構造となっている。

この電気音響変換器の場合、各圧電振動子３０に信号電圧を印加すると、各圧電振動子３０が振動してフロントマス３１の端面から音響整合層３４，音響ゴム３５を介して音波が海水等の音響伝搬媒質中へ放射される。尚、ここでの音響整合層３４は、音響伝搬媒質としての海水の固有音響インピーダンスとの差が小さいために広帯域での電気音響変換特性を有するものとなっている。

更に、電気音響変換器に関連する周知技術としては、圧電セラミック積層体に圧縮応力を加えるボルトをフロントマス及びリアマスに係合したボルト締めランジュバン振動子を有する水中超音波トランスジューサであって、フロントマスの前面に凹部を設けると共に、屈曲振動板を強力接着剤及びボルトか、或いは電子ビーム溶着で固定し、屈曲振動板に圧電セラミック積層体の伸縮による剛体並進変位と自身の周辺支持の屈曲変位とを持たせ、凹部の寸法を最適化することで２つの振動モードが重畳するようにして広帯域化を図ったもの（特許文献３参照）が挙げられる。

特開２００３−１７４６９５号公報（要約、図１） 特開平４−２９３３号公報（明細書の段落［０００２］乃至［０００５］、図５） 特許第３００５６１１号（要約、図１）

上述した従来の電気音響変換器に関連する特許文献１に係る送受波器の場合、広帯域で使用可能であるという利点はあるが、フロントマス及びリアマスに挟まれた複数の圧電振動子としての圧電セラミック積層体を要する他、フロントマスの内部に設けた円板状の空隙の外周部に別途円環状圧電振動子を設ける構造であるため、フロントマスの構造が加工や製造の手間を要して部品点数を多くしてしまい、簡易にして安価に製造し難いという問題がある。

又、図５に示す特許文献２に係る電気音響変換器の場合においても、広帯域で使用可能であるという利点はあるが、フロントマスと音響ゴムとの間にλ／４の音響整合層を設ける構造であるため、各圧電振動子の配置方向における寸法（全長）が長くなってしまい、小型化を具現し難いという問題がある他、音響整合層における音速及び密度が特定されるために特殊な材料が必要となり、製品が高価になってしまうという問題もある。

更に、特許文献３に係る水中超音波トランスジューサの場合、屈曲振動板に圧電セラミック積層体の伸縮による剛体並進変位と自身の周辺支持の屈曲変位とを持たせて２つの振動モードを重畳するものであるため、その周波数に対する感度特性では共振特性となってピークが生じてしまうことにより、広帯域な周波数に対して平坦な感度特性が得られないという問題がある。

要するに、既存の電気音響変換器の場合、低周波数帯域を含む広帯域での使用を可能にするものであっても、構造的に小型化を図り得て簡易にして安価に製造し得るものが開発されていないのが実態である。

本発明は、このような問題点を解決すべくなされたもので、その技術的課題は、従来構造よりも小型化し得ると共に、簡易にして安価に製造し得る低周波数帯域を含む広帯域で使用可能な電気音響変換器を提供することにある。

本発明によれば、付加質量であるフロントマスとリアマスとを用いて複数の圧電振動子を挟み込んでボルトにより固定して成るボルト締めランジュバン型振動子における該フロントマスの端面に音響ゴムを接着して構成される電気音響変換器において、フロントマスにあっての音響ゴムを接着する側の端面には、該音響ゴムを接着した状態で複数の空気室を形成するための複数の凹部が設けられた電気音響変換器が得られる。

又、本発明によれば、上記電気音響変換器において、複数の凹部は、座ぐり穴又は溝であり、複数の空気室は、座ぐり穴状又は溝状である電気音響変換器が得られる。

更に、本発明によれば、上記何れかの電気音響変換器において、複数の空気室には、密度と音速との積で示される音響インピーダンスが純水又は海水の音響インピーダンスよりも小さい低インピーダンス材が充填された電気音響変換器が得られる。

本発明の電気音響変換器の場合、従来構造を改良して音響整合層を要することなく、フロントマスにあっての音響ゴムを接着する側の端面に複数の座ぐり穴や溝による凹部を設け、これらの凹部が音響ゴムを装着した状態で複数の座ぐり穴状や溝状の空気室を形成できるようにしているので、ボルト締めランジュバン型振動子の出力インピーダンスが低下して音響伝搬媒質の放射インピーダンスに近付くようになり、その結果として特許文献３の場合のように共振特性を持つことなく低周波数帯域を含む広帯域で使用可能な製品を特許文献２の構造よりも小型化し、且つ特許文献１の構造よりも簡易にして安価に製造できるようになる。又、本発明の電気音響変換器では、各空気室に対して任意に音響インピーダンスが純水又は海水の音響インピーダンスよりも小さい低インピーダンス材を充填することにより、広帯域特性を調整することができ、更に精度良く特に低周波数用に有効な広帯域特性を向上させることができるようになる。

本発明の最良の形態に係る電気音響変換器は、付加質量であるフロントマスとリアマスとを用いて複数の圧電振動子を挟み込んでボルトにより固定して成るボルト締めランジュバン型振動子におけるフロントマスの端面に音響ゴムを接着して構成される基本構造において、フロントマスにあっての音響ゴムを接着する側の端面に、音響ゴムを接着した状態で複数の空気室を形成するための複数の凹部が設けられたものである。但し、複数の凹部は座ぐり穴又は溝であり、複数の空気室は座ぐり穴状又は溝状であることが好ましい。

即ち、ここではボルト締めランジュバン型振動子のフロントマスの音響ゴムを接着する側の端面に対して複数の座ぐり穴や溝による凹部を設けた上で音響ゴムを貼り付けて形成される複数の座ぐり穴状や溝状による空気室を有する電気音響変換器を構成することにより、低周波数帯域を含む広帯域で使用可能な製品を簡易にして安価に製造することができる。

又、本発明では、この電気音響変換器において、各空気室に対して任意に音響インピーダンスが純水又は海水の音響インピーダンスよりも小さい低インピーダンス材を充填するものである。このようにして広帯域特性を調整することで、精度良く特に低周波数用に有効な広帯域特性を向上させることができる。

図１は、本発明の実施例１に係る電気音響変換器の基本構造を一部透視して示した側面図である。

この電気音響変換器は、ボルト締めランジュバン型振動子として、フロントマス１１（１１′）とリアマス１２とを用いて複数（図１中では３個）の圧電振動子１０を挟み込んで接着剤により接着してからボルト１３により各部を締め付けて固定して成る構造を有し、且つフロントマス１１（１１′）の各圧電振動子１０側とは反対の端面に音響ゴム１４を接着した周知構造を有する以外、フロントマス１１（１１′）にあっての音響ゴム１４を接着する側の端面には、音響ゴム１４を接着した状態で複数の座ぐり穴状（或いは溝状でも良い）による空気室を形成するための複数の凹部としての座ぐり穴１５（或いは溝１６でも良い）が設けられている。

図２は、この電気音響変換器に備えられるフロントマス１１（１１′）の細部構造を示した平面図であり、同図（ａ）は複数の凹部として設けられた座ぐり穴１５を有するフロントマス１１に関するもの，同図（ｂ）は複数の凹部として儲けられた溝１６を有するフロントマス１１′に関するものである。

図２（ａ）に示すフロントマス１１の場合、縦方向，横方向にそれぞれ５個ずつ総計２５個の円形の座ぐり穴１５が均一なピッチで設けられている。尚、ここでの座ぐり穴１５の総数や形状、或いは配設パターンについては、あくまでも一例を示したものであり、ボルト締めランジュバン型振動子に要求される出力インピーダンスに応じて任意に変更することが可能である。

図２（ｂ）に示すフロントマス１１′の場合、横方向に帯状に延びた溝１６が縦方向に所定の間隔で総計５本並設されている。尚、ここでの溝１６の総数や形状、或いは配設のパターンについても、あくまでも一例を示したものであり、ボルト締めランジュバン型振動子に要求される出力インピーダンスに応じて任意に変更することが可能である。

何れにしても、このような座ぐり穴１５（溝１６）が複数設けられたフロントマス１１（１１′）の端面（音響ゴム１４を接着する側の端面）に水密性を保つために音響ゴム１４を接着剤によりこれらの設置箇所を避けて接着すると、音響ゴム１４とフロントマス１１（１１′）との間にそれぞれ座ぐり穴状（溝状）の空気室が形成される構造となり、音響放射面に複数の空気室が形成されることにより、ボルト締めランジュバン型振動子の出力インピーダンスが低下して音響伝播媒質の放射インピーダンスに近付き、その結果として広帯域の電気音響変換特性が得られる。

図３は、本発明の実施例２に係る電気音響変換器の基本構造を一部透視して示した側面図である。

この電気音響変換器は、実施例１の構造をそのままにして、フロントマス１１（１１′）に設けられた座ぐり穴１５（溝１６）に対し、密度と音速との積で示される音響インピーダンスが純水又は海水の音響インピーダンスよりも小さい低インピーダンス材１７を充填した上、フロントマス１１（１１′）の端面（音響ゴム１４を接着する側の端面）に水密性を保つために音響ゴム１４を接着剤によりこれらの設置箇所を避けて接着した構造のものである。

このようにフロントマス１１（１１′）と音響ゴム１４との間において座ぐり穴状（溝状）に形成された各空気室内に任意に低インピーダンス材１７を充填すれば、音響放射面に低インピーダンス材を含ませた構造として広帯域特性の調整を行うことができ、実施例１の構造よりもボルト締めランシュバン型振動子の出力インピーダンスが低下して音響伝播媒質の放射インピーダンスに近付くため、更に精度良く特に低周波数用に有効な広帯域特性を向上させることができ、広帯域の電気音響変換特性が得られる。

図４は、この電気音響変換器における周波数に対する感度特性の測定結果を図５に示す特許文献２に係る従来構造の場合と対比して示したものである。

図４からは、実線で示される実施例２の特性の場合、広帯域な周波数に対して平坦な感度特性が得られているのに対し、点線で示される図５に示した従来構造の場合には共振特性があるために平坦でないことにより、実施例２の構造によれば広帯域の電気音響変換特性を得られることが判る。

本発明の実施例１に係る電気音響変換器の基本構造を一部透視して示した側面図である。 図１に示す電気音響変換器に備えられるフロントマスの細部構造を示した平面図であり、（ａ）は複数の凹部として設けられた座ぐり穴を有するフロントマスに関するもの，（ｂ）は複数の凹部として設けられた溝を有するフロントマスに関するものである。 本発明の実施例２に係る電気音響変換器の基本構造を一部透視して示した側面図である。 図３に示す電気音響変換器における周波数に対する感度特性の測定結果を図５に示す従来構造の場合と対比して示したものである。 従来の電気音響変換器の基本構造を一部透視して示した側面図である。

符号の説明

１０，３０ 圧電振動子
１１，３１ フロントマス
１２，３２ リアマス
１３，３３ ボルト
１４，３５ 音響ゴム
１５ 座ぐり穴
１６ 溝
１７ 低インピータンス材
３４ 音響整合層

Claims (3)

1. 付加質量であるフロントマスとリアマスとを用いて複数の圧電振動子を挟み込んでボルトにより固定して成るボルト締めランジュバン型振動子における該フロントマスの端面に音響ゴムを接着して構成される電気音響変換器において、前記フロントマスにあっての前記音響ゴムを接着する側の端面には、該音響ゴムを接着した状態で複数の空気室を形成するための複数の凹部が設けられたことを特徴とする電気音響変換器。
2. 請求項１記載の電気音響変換器において、前記複数の凹部は、座ぐり穴又は溝であり、前記複数の空気室は、座ぐり穴状又は溝状であることを特徴とする電気音響変換器。
3. 請求項１又は２記載の電気音響変換器において、前記複数の空気室には、密度と音速との積で示される音響インピーダンスが純水又は海水の音響インピーダンスよりも小さい低インピーダンス材が充填されたことを特徴とする電気音響変換器。
   

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