JP2007150878A - 広帯域振動子 - Google Patents

Abstract

【課題】 １つの振動子で２帯域以上の広帯域特性を確保することができるようにし、これにより、送受波器の小型軽量化を図ることができるとともに、実装スペースが小さい水中航走体に、２帯域以上の広帯域で標的の捜索、類別が可能なアクティブソナー装置を装備することができる広帯域振動子を提供する。
【解決手段】 軸方向に積層された複数の圧電振動子１１ａ〜１１ｄの両端部にそれぞれフロントマス１２及びリアマス１３が設けられたランジュバン型の広帯域振動子１０において、フロントマス１２は、数種の共振モードを形成すべく、先端側に樹脂部材１２ａ₁が配置されるように、音響放射面である圧電セラミック振動子１１ａの端面から先端側に向けて金属部材１２ｂ₂、樹脂部材１２ａ₂、金属部材１２ｂ₁、樹脂部材１２ａ₁の順に軸方向に交互に積層されて、４層構造とされている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ランジュバン型の広帯域振動子に関し、特に、アクティブソナー装置の送受波器に用いるのに好適な広帯域振動子に関する。

水中の標的に向かって超音波パルスを発射し、このパルスが標的を反射して戻ってくるまでに要した時間等を測定して、標的の捜索や類別を行うアクティブソナー装置の送受波器では、広帯域特性の超音波振動子（広帯域振動子）が多く用いられている。
従来のこの種の広帯域振動子としては、例えば、図８に示すものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

この広帯域振動子１Ａは、図８（ａ）に示すように、軸方向に積層された複数の圧電振動子１ａ〜１ｄの両端部にそれぞれフロントマス２及びリアマス３が接合され、フロントマス２の音響放射面（先端面）には、整合層４が接着等により取り付けられている。
整合層４は、負荷媒体である水との音響インピーダンスの整合を図るため、水と圧電振動子１ａ〜１ｄとの中間の音響インピーダンスを有するエポキシ樹脂等によって形成されている。

このように、フロントマス２の音響放射面に整合層４を取り付けることにより、図８（ｂ）に示すように、互いに近接する周波数である１次の共振モード及び２次の共振モードを得ることができる。これにより、整合層４を取り付けない場合の単一共振特性（図８（ｃ）の破線）に対して、単一共振特性の共振周波数を中心周波数として高低に広がる広帯域（図８（ｃ）の実線）となる。

また、フロントマス２の音響放射面に取り付けられる整合層を３層とし、１層の整合層の場合よりも広帯域化を図った広帯域振動子も提案されている（例えば、特許文献２参照）。
特開昭５８−０５０８９８号公報 特公平０６−０４２７５８号公報

上記従来の整合層付き広帯域振動子においては、フロントマス２の音響放射面に基本共振周波数の約１／４波長の長さの整合層４を付加することにより、互いに近接する２つの共振モードを得て広帯域化を図っている。

しかしながら、他の周波数帯域では、前記整合層４の長さがその帯域での共振周波数の約１／４波長とならないため、１帯域の広帯域性能については確保することができるが、２帯域以上での広帯域性能は確保することができない。
従って、２帯域以上の広帯域（比帯域幅約３０％）でアクティブソナー装置を使用する場合、各帯域に適した広帯域振動子を送受波器に搭載する必要が生じ、送受波器、ひいてはアクティブソナー装置の大型化をまねく原因になる。また、アクティブソナー装置が大型化することから、アクティブソナー装置を実装スペースが小さい小型水中航走体に装備することができないという問題がある。

本発明は、このような不都合を解消するためになされたものであり、１つの振動子で２帯域以上の広帯域特性を確保することができるようにし、これにより、送受波器の小型軽量化を図ることができるとともに、実装スペースが小さい水中航走体に２帯域以上の広帯域で標的の捜索、類別が可能なアクティブソナー装置を装備することができる広帯域振動子の提供を目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、軸方向に積層された複数の圧電振動子の一端部にフロントマス、他端部にリアマスが設けられたランジュバン型の広帯域振動子において、前記フロントマスを、音響インピーダンスの異なる樹脂部材及び金属部材を軸方向に交互に複数積層して多層構造とするとともに、前記樹脂部材を先端側に配置した構成としてある。
上記構成によれば、フロントマスを、音響インピーダンスの異なる樹脂部材及び金属部材を軸方向に交互に複数積層して多層構造とするとともに、樹脂部材を先端側に配置しているので、フロントマスの整合層として機能する部分の軸方向長さ（波長）を周波数帯域に応じて変化させることができる。
これにより、１つの広帯域振動子で２帯域以上の広帯域特性を確保することができる。この結果、送受波器の小型軽量化を図ることができるとともに、実装スペースが小さい水中航走体に２帯域以上の広帯域で標的の捜索、類別が可能なアクティブソナー装置を装備することができる。

請求項２に係る発明は、前記フロントマスの前記樹脂部材を多層構造とした構成としてある。
上記構成によれば、フロントマス側での比帯域幅を増加させることができるので、より広い広帯域性能を得ることができる。

請求項３に係る発明は、前記リアマスを、音響インピーダンスの異なる樹脂部材及び金属部材を軸方向に交互に複数積層して多層構造とするとともに、前記樹脂部材を先端側に配置した構成としてある。
上記構成によれば、リアマスについても整合層として機能する部分の軸方向長さ（波長）を周波数帯域に応じて変化させることができ、両面放射型のランジュバン型振動子とすることができる。

請求項４に係る発明は、前記リアマスの前記樹脂部材を多層構造とした構成としてある。
上記構成によれば、リアマス側での比帯域幅を増加させることができので、より広い広帯域性能を得ることができる。

請求項５に係る発明は、前記圧電振動子、前記フロントマス及び前記リアマスをボルトにより連結するボルト締めランジュバン型振動子とした構成としてある。

本発明によれば、１つの広帯域振動子で２帯域以上の広帯域特性を確保することができるので、送受波器の小型軽量化を図ることができるとともに、実装スペースが小さい水中航走体に、２帯域以上の広帯域で標的の捜索、類別が可能なアクティブソナー装置を装備することができる。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。図１は、本発明の第１実施形態であるランジュバン型広帯域振動子を説明するための図、図２は集中定数近似等価回路を示す図である。

本発明の第１の実施形態であるランジュバン型広帯域振動子１０は、図１（ａ）に示すように、軸方向に積層された４個の圧電セラミック振動子１１ａ〜１１ｄの一端部に複数層のフロントマス１２、他端部に金属製のリアマス１３が接着等の接合手段により接合されている。
圧電セラミック振動子１１ａ〜１１ｄは、リアマス１３と同じ外径の断面円形をなしており、各々極性が反転するように、フロントマス１２とリアマス１３との間において、＋電圧と−電圧とが交互に印加される電極１４ａ〜１４ｄを介して軸方向に積層されている。

フロントマス１２は、数種の共振モードを形成すべく、金属部材１２ｂ₁，１２ｂ₂及び樹脂部材１２ａ₁，１２ａ₂が、先端側に樹脂部材１２ａ₁が配置されるように、音響放射面である圧電セラミック振動子１１ａの端面から先端側に向けて金属部材１２ｂ₂、樹脂部材１２ａ₂、金属部材１２ｂ₁、樹脂部材１２ａ₁の順に軸方向に交互に積層され、４層構造とされている。樹脂部材１２ａ₁，１２ａ₂にはエポキシ系樹脂等が用いられ、金属部材１２ｂ₁，１２ｂ₂にはアルミニウムやステンレス鋼等が用いられる。

上記のように構成されたランジュバン型広帯域振動子１０においては、基本共振周波数では、フロントマス１２の樹脂部材１２ａ₁、金属部材１２ｂ₁及び樹脂部材１２ａ₂が従来の整合層と同等に見なされる。これにより、樹脂部材１２ａ₁、金属部材１２ｂ₁及び樹脂部材１２ａ₂がないときの基本共振周波数の近傍に１次共振モード及び２次共振モード（図１（ｂ）参照）が形成され、第１の広帯域が確保される。
また、基本共振周波数の３倍周波数では、フロントマス１２の先端側の樹脂部材１２ａ₁が従来の整合層に見なされ、金属部材１２ｂ₁、樹脂部材１２ａ₂、金属部材１２ｂ₂が従来のフロントマスに見なされる。これにより、樹脂部材１２ａ₁がないときの３倍周波数の近傍に３次共振モード及び４次共振モード（図１（ｂ）参照）が形成され、高い周波数帯に第２の広帯域が確保される。ここで、金属部材１２ｂ₁，１２ｂ₂及び樹脂部材１２ａ₁，１２ａ₂は、２つの帯域が重なり合うように寸法等が調整されている。

図２は、ランジュバン型広帯域振動子１０の集中定数近似等価回路の一例を示したものである。図２において、キャパシタンスＣｄは制動容量、コイル巻き線比Ａは力係数、インダクタンスｍ１はランジュバン型振動子１０の等価質量、キャパシタンスＣ１はランジュバン型振動子１０のコンプライアンス、インダクタンスｍ２は整合層の質量、キャパシタンスＣ２は整合層のコンプライアンス、コイル巻き線比Ｓａは音響放射断面積、負荷Ｚａは水の音響放射インピーダンスと等価であり、Ｚａ端の振動速度及び音圧と、Ｃｄ端の電圧との関係から受波電圧感度を求めることができる。

そして、この集中定数近似等価回路を用いてシミュレーション計算すると、図１（ｃ）に示す受波電圧感度の周波数特性が得られる。なお、図１（ｃ）中、実線が本発明実施形態、破線は従来例である。従来例では、本実施形態のフロントマス１２の樹脂部材１２ａ₁、金属部材１２ｂ₁及び樹脂部材１２ａ₂を一体の樹脂製整合層としてある。
図１（ｃ）において、実線のｆｂ近傍が第１の広帯域、３ｆａ近傍が第２の広帯域である。ここで、ｆｂは本実施形態のフロントマス１２の樹脂部材１２ａ₁、金属部材１２ｂ₁及び樹脂部材１２ａ₂がないときの基本共振周波数、ｆａは本実施形態のフロントマス１２の樹脂部材１２ａ₁がないときの基本共振周波数である。

このように、この実施形態では、フロントマス１２を、音響インピーダンスの異なる樹脂部材１２ａ₁，１２ａ₂及び金属部材１２ｂ₁，１２ｂ₂を軸方向に交互に積層して４層構造とするとともに、樹脂部材１２ａ₁を先端側に配置しているので、フロントマス１２の整合層として機能する部分の軸方向長さ（波長）を周波数帯域に応じて変化させることができる。これにより、１つの広帯域振動子１０で２帯域の広帯域特性を確保することができる。
この結果、送受波器の小型軽量化を図ることができるとともに、実装スペースが小さい水中航走体に２帯域の広帯域で標的の捜索、類別が可能なアクティブソナー装置を装備することができる。

次に、図３を参照して、本発明の第２の実施形態であるランジュバン型広帯域振動子を説明する。なお、上記第１の実施形態と重複する部分については、図に同一符号を付して、その説明を省略する。
本発明の第２の実施形態であるランジュバン型広帯域振動子２０は、図３（ａ）に示すように、フロントマス１２の層数を増加させたものであり、必要とする広帯域数に応じて、音響インピーダンスの異なる樹脂部材１２ａ₁，１２ａ₂…１２ａ_n及び金属部材１２ｂ₁，１２ｂ₂…１２ｂ_nを軸方向に交互に積層するとともに、樹脂部材１２ａ1を先端側に配置して、２×ｎ層構造のフロントマス１２としたものである。
これにより、図３（ｂ）に示す受波電圧感度の周波数特性が得られる。

また、樹脂部材１２ａ₁と金属部材１２ｂ₁との厚さ、及び樹脂部材１２ａ₂と金属部材１２ｂ₂との厚さが異なっており、樹脂部材１２ａ₁と樹脂部材１２ａ₂との厚さ、及び金属部材１２ｂ₁と金属部材１２ｂ₂との厚さが異なっている。更に、樹脂部材１２ａ₁及び樹脂部材１２ａ₂は、同一の樹脂でもよく、異なる樹脂でもよい。金属部材１２ｂ₁及び金属部材１２ｂ₂についても、同一の金属でもよく、異なる金属でもよい。

なお、１つの広帯域振動子２０で、例えば、３帯域の広帯域特性を確保するには、樹脂部材１２ａ_１，１２ａ_２，１２ａ_３及び金属部材１２ｂ_１，１２ｂ_２，１２ｂ_３の６層構造のようにする。
これにより、図３（ｃ）に示す受波電圧感度の周波数特性が得られる。

次に、図４を参照して、本発明の第３の実施形態であるランジュバン型広帯域振動子を説明する。なお、上記実施形態と重複する部分については、図に同一符号を付して、その説明を省略する。
本発明の第３の実施形態であるランジュバン型広帯域振動子３０は、両面放射型としたものであり、図４（ａ）に示すように、リアマス１３を、必要とする広帯域数に応じて、音響インピーダンスの異なる樹脂部材１３ａ1，１３ａ₂…１３ａ_n及び金属部材１３ｂ₁，１３ｂ₂…１３ｂ_nを軸方向に交互に積層するとともに、樹脂部材１３ａ₁を先端側に配置して、２×ｎ層構造としたものである。
これにより、図４（ｂ）に示す受波電圧感度の周波数特性が得られる。

次に、図５を参照して、本発明の第４の実施形態であるランジュバン型広帯域振動子を説明する。なお、上記実施形態と重複する部分については、図に同一符号を付して、その説明を省略する。
本発明の第４の実施形態であるランジュバン型広帯域振動子４０は、フロントマス１２の樹脂部材１２ａ₁を、分割部材１２１〜１２３によって構成して、多層（図５（ａ）では、３層）構造としたものである。
このようにすると、樹脂部材１２ａ₁が３重の整合層として機能することになり、各帯域で第１〜第４の共振モードが形成されて、比帯域幅が増加し、より広い広帯域性能を得ることができる。
これにより、図５（ｂ）に示す受波電圧感度の周波数特性が得られる。

次に、図６を参照して、本発明の第５の実施形態であるランジュバン型広帯域振動子を説明する。なお、上記実施形態と重複する部分については、図に同一符号を付して、その説明を省略する。
本発明の第５の実施形態であるランジュバン型広帯域振動子５０は、ボルト締めランジュバン型振動子とされており、図６に示すように、圧電セラミック振動子１１ａ〜１１ｄ、フロントマス１２の樹脂部材１２ａ₁，１２ａ₂及び金属部材１２ｂ₁，１２ｂ₂、リアマス１３が円筒状とされている。樹脂部材１２ａ₁及びリアマス１３の内周部には、それぞれねじ孔５１及びねじ孔５２が形成されている。
そして、圧電セラミック振動子１１ａ〜１１ｄ、樹脂部材１２ａ₁，１２ａ₂、金属部材１２ｂ₁，１２ｂ₂、リアマス１３の内周部にボルト５３を挿通して、該ボルト５３の両端部に樹脂部材１２ａ₁及びリアマス１３の内周部のねじ孔５１，５２を締め付けることにより、圧電セラミック振動子１１ａ〜１１ｄを軸方向内方に圧縮して、該圧電セラミック振動子１１ａ〜１１ｄに静的な圧縮応力バイアスを加えている。その他の構成及び作用効果は、上記第１の実施形態と同様である。

なお、本発明の圧電振動子、フロントマス、リアマス、樹脂部材、金属部材、ボルト等の構成は、上記各実施形態に例示したものに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。

上記第５の実施形態と同一構造のボルト締めランジュバン型広帯域振動子において、図２に示す集中定数近似等価回路を用い、フロントマス１２の樹脂部材１２ａ₁の寸法（厚さ）及び材料を変化させた場合の周波数特性（周波数と受波電圧感度との関係）を比較観察した結果を図７に示す。
図７の実線部は、フロントマス１２の樹脂部材１２ａ₁，１２ａ₂の音響インピーダンス（ρｃ）を約３．３×１０⁶ｋｇ／ｍ²／ｓ²、金属部材１２ｂ₁をステンレス鋼、金属部材１２ｂ₂をアルミニウムとした場合の基本特性を示す。
図７の一点鎖線部は、樹脂部材１２ａ₁の音響インピーダンス（ρｃ）を約４．９×１０⁶ｋｇ／ｍ²／ｓ²に変化させた場合であり、基本特性より低周波域は若干帯域が広くなり、高周波域は帯域が高域移動し、帯域幅が狭くなっている。
図７の破線部は、樹脂部材１２ａ₁の厚さを薄くした場合であり、基本特性より低周波域は若干帯域が広くなり、高周波域は帯域が高域移動し、帯域幅は同等となっている。
以上の結果から、フロントマス１２の樹脂部材１２ａ₁の材料及び寸法を適宜変更することにより、多様な周波数特性が得られるのが判る。

本発明の第１の実施形態であるランジュバン型広帯域振動子を説明するための図であり、（ａ）は外観図、（ｂ）は共振モード図、（ｃ）は受波電圧感度の周波数特性図である。 集中定数近似等価回路を示す図である。 本発明の第２の実施形態であるランジュバン型広帯域振動子を説明するための図であり、（ａ）は外観図、（ｂ）は受波電圧感度の周波数特性図、（ｃ）は１つの広帯域振動子で３帯域の広帯域特性を確保したときの周波数特性図である。 本発明の第３の実施形態であるランジュバン型広帯域振動子を説明するための図であり、（ａ）は外観図、（ｂ）は受波電圧感度の周波数特性図である。 本発明の第４の実施形態であるランジュバン型広帯域振動子を説明するための図であり、（ａ）は外観図、（ｂ）は受波電圧感度の周波数特性図である。 本発明の第５の実施形態であるボルト締めランジュバン型広帯域振動子を説明するための外観図である。 第５の実施形態の受波電圧感度の周波数特性図である。 従来のランジュバン型広帯域振動子を説明するための図であり、（ａ）は外観図、（ｂ）は共振モード図、（ｃ）は受波電圧感度の周波数特性図である。

符号の説明

１０〜４０ ランジュバン型広帯域振動子
１１ａ〜１１ｄ 圧電セラミック振動子
１２ フロントマス
１２ａ₁，１２ａ₂ 樹脂部材
１２ｂ₁，１２ｂ₂ 金属部材
１３ リアマス
５６ ボルト

Claims (5)

1. 軸方向に積層された複数の圧電振動子の一端部にフロントマス、他端部にリアマスが設けられたランジュバン型の広帯域振動子において、
   前記フロントマスを、音響インピーダンスの異なる樹脂部材及び金属部材を軸方向に交互に複数積層して多層構造とするとともに、前記樹脂部材を先端側に配置したことを特徴とする広帯域振動子。
2. 前記フロントマスの前記樹脂部材を多層構造としたことを特徴とする請求項１に記載した広帯域振動子。
3. 前記リアマスを、音響インピーダンスの異なる樹脂部材及び金属部材を軸方向に交互に複数積層して多層構造とするとともに、前記樹脂部材を先端側に配置したことを特徴とする請求項１又は２に記載した広帯域振動子。
4. 前記リアマスの前記樹脂部材を多層構造としたことを特徴とする請求項３に記載した広帯域振動子。
5. 前記圧電振動子、前記フロントマス及び前記リアマスをボルトにより連結するボルト締めランジュバン型振動子としたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載した広帯域振動子。

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