JP2009081770A - 広帯域送波器 - Google Patents

Abstract

【課題】 水中で使用される音響波の送波器において、特に低周波域で従来よりも大幅に広帯域化が可能な広帯域送波器を提供すること。
【解決手段】 金属ディスク２と、金属ディスク２の外側面に接着された金属ディスク２とほぼ同じ直径を有するアクティブ円板体１とから構成される円板状振動体６を２個有し、金属ディスク２は、内側面に半径方向に形成された複数の溝５と、溝５の中にそれぞれ設置されたボールベアリング３とを有し、２個の円板状振動体６は、金属ディスク２の内側面を対向させて配置され両端部にボールベアリング３を保持して形成された複数の金属シャフト４により結合され、ボールベアリング３と金属シャフト４の両端部が溝５の中を半径方向へ移動可能に構成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、水中で使用されるソナー等の電気音響変換器を利用した音響波の送波器に関し、特に低周波域で広帯域化が可能な広帯域送波器に関する。

水中において低周波の音響波は伝搬損失が小さいためより遠方まで到達することができるので、ソナーや海洋資源探査などに利用されている。

従来、このような低周波の音響波の送波器としては、下記の特許文献１、２、３に記載されているような電気機械エネルギー変換効率が高く、低周波送波特性に優れた屈曲型円板状振動体で構成した送波器が使用されている。

図６は従来の円板状振動体を組合せて構成された送波器の一例を示すであり、図６（ａ）は平面図、図６（ｂ）はＡ−Ａ断面図である。図６において、送波器は、圧電磁器を用いたアクティブ円板体２１が、それよりも大きな直径を有する円板状の金属ディスク２２の外側面の中央部に設けられた凹部へはめ込まれて接着され形成された２個の円板状振動体２３からなり、その２個の円板状振動体２３は互いに内側面を対向させて配置され、周縁部の接合部２４においてボルト２５により結合されている。

上記の従来の送波器の駆動原理は、アクティブ円板体２１の両面に形成された電極間へ交流駆動電圧を印加することにより生じたアクティブ円板体２１の径方向への伸縮変位が、接合部２４を支持端とした円板状振動体２３の全体屈曲振動変位として拡大されるものである。

また、特許文献２および３においては、小型化および低周波化と高い送波音圧を実現するため、２つの円板状振動体２３を結合するときに、その周縁部の結合部に強化プラスチックや金属のリングを挟んで結合する構造が記載されている。

特許公開平９−２００８８８号公報 特許公開平５−３４４５８２号公報 特許公開平５−２１９５８８号公報

上述の従来の送波器は、小型で軽量な低周波送波器を実現できる点で利点を有している。しかし、従来の送波器は、低周波化のため主に円板状振動体の最外周縁部において２つの円板状振動体を固定、結合しており、この結合点が支点となり円板状振動体の屈曲振動の共振周波数が決定される。すなわち、支点が固定されているため送波器の周波数特性はその支点の位置で決定される共振周波数においてしか高出力の送波音圧が得られないため、広帯域化が困難であった。

これを改善するため、上記特許文献１には２つの円板状振動体を構成する金属ディスクの厚さをそれぞれ変えて、共振周波数を異ならせて広帯域化する方法が記載されている。しかし、この場合も送波器の周波数帯域は２倍程度広帯域化するだけであり、広範な応用に対してはさらなる広帯域化が望まれていた。

そこで本発明の課題は、水中音響波の送波器において、低周波域で従来よりも大幅に広帯域化が可能な広帯域送波器を提供することである。

上記課題を解決するため、本発明の広帯域送波器は、円板状弾性体と該円板状弾性体の外側面に接着されたアクティブ円板体とから構成される円板状振動体を２個有し、前記円板状弾性体は内側面に該円板状ディスクの半径方向に形成された複数の溝と該溝の中にそれぞれ設置されたボールベアリングとを有し、前記２個の円板状振動体は前記円板状弾性体の内側面どうしを対向させて配置され、両端部に前記ボールベアリングを保持して形成された複数の金属シャフトにより結合され、前記ボールベアリングと前記金属シャフトの両端部が前記溝の中を前記半径方向へ移動可能であることを特徴とする。

また、前記ボールベアリングの位置が前記円板状振動体の屈曲変位の支点となり、該支点が前記アクティブ円板体の励振周波数に依存して前記円板状振動体の振幅が最大となる支点位置へ移動することが望ましい。

また、前記アクティブ円板体を圧電磁器で構成することが望ましい。

また、前記の少なくとも一方の円板状振動体において、前記複数の溝の中の前記ボールベアリングまたは前記金属シャフトの端部が弾性体により互いに結合されていてもよい。

上述のように、本発明においては、円板状振動体においてその屈曲振動の支点を半径方向に移動可能とする構造を有することにより、励振周波数に応じて共振周波数を変化させることが可能となる。これにより、低周波域で従来よりも大幅に広帯域化が可能な広帯域送波器が得られる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。

図１は本発明による広帯域送波器の第一の実施の形態を示す図であり、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）はＡ−Ａ断面図、図１（ｃ）はＢ−Ｂ断面図である。

図１において、本実施の形態の広帯域送波器は、円板状弾性体である金属ディスク２と金属ディスク２の外側面に接着された金属ディスク２とほぼ同じ直径を有するアクティブ円板体１とから構成される、円板状振動体６を２個有している。アクティブ円板体１としてはジルコンチタン酸鉛系圧電磁器を用い、金属ディスク２は、アルミニウム合金７０７５材等の軽量で機械的強度のある材料で構成され、アクティブ円板体１と金属ディスク２はその接触界面において強固に接着されている。

金属ディスク２は内側面に半径方向に形成された複数の溝５と、溝５の中にそれぞれ設置されたボールベアリング３とを有し、２個の円板状振動体６は金属ディスク２の内側面を対向させて配置され、両端部にボールベアリング３を保持するように形成された複数の金属シャフト４により結合され、ボールベアリング３と金属シャフト４の両端部が溝５の中を半径方向へ移動可能に構成されている。

ここで、ボールベアリング３の位置が円板状振動体６の屈曲振動の支点となり、金属シャフト４とその両端部に保持された２つのボールベアリング３とから、支点支持モジュールが構成されている。金属ディスク２に設けられた溝５は内部にボールベアリング３を保持する空洞であり、その金属ディスク２の内側面の半径方向と直交する方向の開口幅はボールベアリング３の径より小さく、金属シャフト４はその両端部において半径方向の両側からボールベアリング３を保持できるように形成されている。金属シャフト４の両端部は溝５の内部でボールベアリング３を金属ディスク２の半径方向の両側からも支持する構成であり、このため金属シャフト４はこのボールベアリング３と一体となって溝５内を移動することができる。金属シャフト４の両端部には、ボールベアリング３を収納し支持するために、２枚の板に挟まれた空隙、円筒状の空洞、もしくは半球状の凹みなどの構造を設けることが好適である。

支点支持モジュールのボールベアリング３は、円板状振動体６の半径方向への移動可能な自由度と回転自由度を持ち、金属ディスク２の厚み方向への移動自由度は持たないように溝５が構成され、アクティブ円板体１の励振周波数による円板状振動体６の半径方向への支点の移動を妨げないように、ボールベアリング３と溝５の内面との接触点の摩擦力が調整されている。

ここで、本実施の形態の広帯域送波器の形状としては、円板状振動体６の外径は数十〜数百ｍｍφ程度、金属ディスク２の厚さは１〜３０ｍｍ程度、アクティブ円板体１の厚さは１〜１０ｍｍ程度、金属シャフト４により支持される２つの円板状振動体６の間の間隔を１〜数十ｍｍとすることができ、円板状振動体６と外径に対する厚さの比は３０％以下程度が望ましい。またボールベアリング３は硬い金属材料やセラミック材料などで形成され、その外径は金属ディスク２の厚さに依存して決定される。

次に、本実施の形態の広帯域送波器の駆動原理について詳細に説明する。

図６に示した従来の送波器と同様に、アクティブ円板体１の表面および裏面の全面に電極が形成されており、両電極間には所定周波数の励振信号が印加される。これにより、アクティブ円板体１には半径方向への伸縮変位による振動が生じ、金属ディスク２もアクティブ円板体１との接着界面において、半径方向へ伸縮変位を生じる。

このとき、金属ディスク２の内側面においては伸縮変位の力は直接作用しないので、円板状振動体６はボールベアリング３と金属ディスク２との接触点が支点となり、円板面に垂直な方向の屈曲運動をすることとなる。この屈曲運動により、周辺の媒質に圧力振動が伝わり音波が放射される。

図２および図３は、それぞれ励振信号の周波数が、低周波の場合と高周波の場合について振動モードと支点位置の一例を示す本実施の形態の広帯域送波器の側断面図である。

図２のように励振信号の周波数が低周波の場合には、支点支持モジュールは円板状振動体６の屈曲振動の最大振幅が得られる位置であり、振動の節となる溝５の中の最外周縁部へ移動し、そのボールベアリング３と金属ディスク２との接触点が支点となって屈曲振動をすることとなる。よってこの励振周波数での駆動を継続する間は支点はその位置に留まり安定に振動する。

図３のように励振信号の周波数が高周波の場合においても、円板状振動体６の屈曲振動の最大振幅が得られる位置であり、振動の節となる溝５の中の内周側へ支点支持モジュールが移動し、そのボールベアリング３と金属ディスク２との接触点が支点となって屈曲振動をすることとなる。その励振周波数での駆動を継続する間は支点は、その位置に留まり安定に振動する。

また、支点支持モジュール内のボールベアリング３は、回転自由度を持つため、円板状振動体６の屈曲振動を妨げることなく効率的に円板状振動体６が駆動可能となるために、屈曲振動の振幅を増大させ、高出力化を可能とする。

図４は、水中における本実施の形態の広帯域送波器の周波数−送波電圧感度特性と、従来の送波器の周波数−送波電圧感度特性のＦＥＭ解析結果の一例を示す図である。ここで図の横軸は従来の送波器の励振の中心周波数をゼロとして正規化した周波数（正規化周波数）であり、縦軸は同じく従来の送波器の送波電圧感度の最大値をゼロとして正規化した送波電圧感度（正規化送波電圧感度）である。この解析では本実施の形態の広帯域送波器と従来の送波器の基本形状は同一とした。

本実施の形態の広帯域送波器では、それぞれの励振周波数に対応した最大振幅が得られる支点位置に支点支持モジュールが移動することにより、破線で示した各支点位置に対応した出力がその移動可能な範囲で重ねあわされた特性となり、広帯域な特性が得られる。図４においては、従来の送波器に比べ周波数帯域幅で４．６倍の帯域改善と、共振周波数の送波電圧感度で２．７ｄＢの感度改善が得られている。

図５は、本発明による広帯域送波器の第二の実施の形態を示す平面図である。図１の第一の実施の形態においては溝５は金属ディスク２の円周方向の８箇所で半径方向に放射状に設置されているが、本実施の形態においては溝５は金属ディスク２の円周方向の１２箇所で半径方向に放射状に設置されている。支点支持モジュールの設置点は多い方が円板状振動体の屈曲振動の支点としては望ましい。

さらに、この第二の実施の形態においては、円板状振動体６において、溝５の中の金属シャフト４の各端部が、金属ディスク２に設けた弾性体に各々互いに結合されている。ここでは、具体的には１つの円環状のゴムのような弾性体７をすべての金属シャフト４の各端部の外側にそれぞれ結合することにより、弾性体７の弾力性をもって金属シャフト４の両端部のすべてを外周部側から中心に向かって均一に押すようにする。これにより、各支点支持モジュール間を強く結合している。この構成は励振周波数に対応した共振周波数のスムーズな変化を実現するために有効である。

なお、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではないことは言うまでもなく、各部の形状、材料は目的や要求性能に応じて設計変更可能である。

本発明による広帯域送波器の第一の実施の形態を示す図であり、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）はＡ−Ａ断面図、図１（ｃ）はＢ−Ｂ断面図。 励振信号の周波数が低周波の場合について、振動モードと支点位置の一例を示す本実施の形態の広帯域送波器の側断面図。 励振信号の周波数が高周波の場合について、振動モードと支点位置の一例を示す本実施の形態の広帯域送波器の側断面図。 本実施の形態の広帯域送波器の周波数−送波電圧感度特性と、従来の送波器の周波数−送波電圧感度特性のＦＥＭ解析結果の一例を示す図。 本発明による広帯域送波器の第二の実施の形態を示す平面図。 従来の円板状振動体を組合せて構成された送波器の一例を示す図。図６（ａ）は平面図、図６（ｂ）はＡ−Ａ断面図。

符号の説明

１、２１ アクティブ円板体
２、２２ 金属ディスク
３ ボールベアリング
４ 金属シャフト
５ 溝
６、２３ 円板状振動体
７ 弾性体
２４ 接合部
２５ ボルト

Claims (4)

1. 円板状弾性体と該円板状弾性体の外側面に接着されたアクティブ円板体とから構成される円板状振動体を２個有し、前記円板状弾性体は内側面に該円板状弾性体の半径方向に形成された複数の溝と該溝の中にそれぞれ設置されたボールベアリングとを有し、前記２個の円板状振動体は前記円板状弾性体の内側面どうしを対向させて配置され、両端部に前記ボールベアリングを保持して形成された複数の金属シャフトにより結合され、前記ボールベアリングと前記金属シャフトの両端部が前記溝の中を前記半径方向へ移動可能であることを特徴とする広帯域送波器。
2. 前記ボールベアリングの位置が前記円板状振動体の屈曲変位の支点となり、該支点が前記アクティブ円板体の励振周波数に依存して前記円板状振動体の振幅が最大となる支点位置へ移動することを特徴とする請求項１に記載の広帯域送波器。
3. 前記アクティブ円板体を圧電磁器で構成したことを特徴とする請求項１又は２に記載の広帯域送波器。
4. 前記の少なくとも一方の円板状振動体において、前記複数の溝の中の前記ボールベアリングまたは前記金属シャフトの端部が、弾性体と互いに結合されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の広帯域送波器。

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