JP2010141440A - 音響トランスデューサ - Google Patents

Abstract

【課題】効率の高い音響放射を可能とし、また大きな耐水圧を有し、かつ水圧による電気音響変換効率の低下や放射する音波の指向性変動の少ない音響トランスデューサを提供する。
【解決手段】円筒状アクティブ振動体１１は、圧電現象によって、円筒状圧電セラミック振動子１１ａに固有の周波数で径が一様に増減する呼吸振動を発生する。円筒状アクティブ振動体１１の両端の開口部は、円板状共振板１２，１２が設けられて封止され、全体がシース（又はモールド）１３により被覆されている。円板状共振板１２は、空洞Ｖに対して外部の液体の流入を防止する他、円筒状アクティブ振動体１１の呼吸振動に共振して、同呼吸振動と同一位相、同一振幅かつ固有の周波数と同一の周波数の径方向振動を発生する。また、円板状共振板１２は、その材質、形状及び寸法が、上記呼吸振動の位相、振幅及び固有の周波数と同一の周波数に対応するように設定されている。
【選択図】図１

Description

この発明は、音響トランスデューサに係り、たとえば、円筒形状の圧電振動子や、楕円筒形状のシェルで構成されたフレックステンショナル型送波器などを用いて水中に音響放射する音響トランスデューサに関する。

円筒形状の圧電振動子や、楕円筒形状のシェルで構成されたフレックステンショナル型送波器などを用いて水中に音響放射する音響トランスデューサでは、両端の開口部に緩衝材を介してエンドプレートが設けられ、同各開口部が封止されている。この緩衝材により、上記圧電振動子や送波器の振動に対するエンドプレートによる阻害が低減される。

この種の音響トランスデューサは、たとえば図９に示すように、円筒状アクティブ振動体１と、緩衝材２，２と、エンドプレート３，３と、シース（又はモールド）４とから構成されている。円筒状アクティブ振動体１は、円筒状圧電セラミック振動子１ａの外面及び内面に電極１ｂが形成されて構成されている。円筒状アクティブ振動体１の両端の開口部は、緩衝材２，２を介してエンドプレート３，３が設けられて封止され、全体がシース（又はモールド）４により被覆されている。円筒状アクティブ振動体１の内部には、空洞Ｖが形成されている。エンドプレート３，３は、空洞Ｖに対して外部の液体の流入を防止する。電極１ｂには、外部から円筒状アクティブ振動体１に交流電圧を印加するための図示しないケーブルが接続されている。

図１０は、図９の音響トランスデューサの動作を説明する模式図である。
この音響トランスデューサでは、円筒状アクティブ振動体１に交流電圧が印加されると、円筒状圧電セラミック振動子１ａの圧電現象によって、固有周波数で径が一様に増減する呼吸振動が発生し、変位ｄｐが発生すると共に音圧ｓａが発生する。この場合、緩衝材２，２が変位ｄｐに対応して変形することにより、円筒状アクティブ振動体１の振動に対するエンドプレート３，３による阻害が低減される。

図１１は、音響トランスデューサの他の構成例を示す断面斜視図であり、図９中の要素と共通の要素には共通の符号が付されている。
この音響トランスデューサでは、図９中の円筒状アクティブ振動体１に代えて、異なる構成の円筒状アクティブ振動体１Ａが設けられている。円筒状アクティブ振動体１Ａは、複数の矩形状圧電セラッミック振動子１ｃが円周上に配列かつ接合されてなる集合体で形成され、個々の振動子１ｃが円周方向すなわち厚さ方向に分極され、また、電極１ｄが各振動子１ｃの接合面に設けられている。この音響トランスデューサでも、上記図１０とほぼ同様の動作が行われる。

上記の音響トランスデューサの他、この種の関連する技術としては、たとえば、特許文献１に記載された低周波水中送波器がある。
この送波器は、屈曲円板型共振器と、円筒形のヘルムホルツ型共振器とから構成され、同ヘルムホルツ型共振器の両端開口に、アクティブ円板体及び金属ディスクからなる同屈曲円板型共振器がそれぞれ１枚ずつ接合された構造となっている。ヘルムホルツ型共振器は、円筒内部にシリコン油が充填されて外圧に対する補償が行われ、使用深度１０００ｍ以上の達成が可能となっている。この送波器では、屈曲円板型共振器の共振周波数にヘルムホルツ型共振器の共振周波数を一致させることで、音響放射面の振幅が増大し、ハイパワー放射が可能となっている。また、ヘルムホルツ型共振器の共振周波数は、円筒側面部に形成されているスリットを適当な寸法に調整することで可変される。
特開平０６−３１１５７７号公報（要約書、図１）

しかしながら、上記文献に記載の送波器を含む上記音響トランスデューサでは、次のような問題点があった。
すなわち、図９又は図１１の音響トランスデューサでは、緩衝材２，２により、円筒状アクティブ振動体１の振動に対するエンドプレート３，３による阻害が低減されるようになっているが、耐水圧を確保するために、緩衝材２，２が薄く形成されているので、同緩衝材２，２による効果が薄れ、効率や指向性が低下するという問題点がある。また、水圧が加わることにより、モールド材などが緩衝材２，２の部分に食い込むことがあり、円筒状アクティブ振動体１の側面の均一な振動が阻害され、水圧が増えるにつれて効率や指向性が低下する水圧特性が生ずるという問題点もある。

また、特許文献１に記載された送波器では、音響放射面は、アクティブ円板体の中心軸に沿った方向すなわち円板状の円形の面であり、円筒軸方向へ音響放射され、また、円筒形状の側面をなすヘルムホルツ型共振器及び金属ディスクの側面からの径方向への音響放射は殆どない。また、アクティブ円板体が金属ディスクに接合されているので、その上下の非対称性によりアクティブ円板体に発生する屈曲振動が利用される。このため、これらの円板体では、構造的な非対称性により必ず屈曲振動が励起される一方、径方向の一様振動は励起されず、上記の問題点は、改善されない。

この発明は、上述の事情に鑑みてなされたもので、従来と同様の外形寸法の構造で、より効率が高い音響放射を可能とし、また大きな耐水圧を有し、かつ水圧による電気音響変換効率の低下や放射する音波の指向性変動の少ない音響トランスデューサを提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、この発明の第１の構成は、音響トランスデューサに係り、円筒状に形成され、印加される交流電圧によって固有の周波数で径が増減する呼吸振動を発生する円筒状アクティブ振動体と、該円筒状アクティブ振動体の両端の開口部を封止するための一対のエンドプレートとを有し、前記各エンドプレートは、円板状に形成され、前記円筒状アクティブ振動体の呼吸振動と同一位相、同一振幅かつ同一周波数の径方向振動を発生する構成とされていることを特徴としている。

この発明の第２の構成は、音響トランスデューサに係り、楕円筒形状のシェルを有し、該シェルの内部の長径方向に所定数の振動子が積層されてなる駆動モジュールが組み込まれ、該駆動モジュールに印加される交流電圧により長径方向の振動が励振されて長径方向及び短径方向に交互に伸縮する固有の周波数の撓み振動を発生する楕円シェルと、該楕円シェルの両端の開口部を封止するための一対のエンドプレートとを有し、前記各エンドプレートは、前記短径方向（又は長径方向）に長い矩形板が前記長径方向（又は短径方向）に複数配列されて形成され、前記楕円シェルの撓み振動と同一位相、同一振幅かつ同一周波数の長さ方向の伸縮振動を発生する構成とされていることを特徴としている。

この発明の構成によれば、円板状に形成された各エンドプレートが、円筒状アクティブ振動体の呼吸振動と同一位相、同一振幅かつ同一周波数の径方向振動を発生するので、円筒状アクティブ振動体の呼吸振動を同各エンドプレートが阻害することがないため、良好な電気音響変換効率及び水圧特性の少ない音響トランスデューサを実現することができる。また、円筒状アクティブ振動体の外側面の振動分布が軸方向により一様になるため、より鋭い音響放射の指向性を有する音響トランスデューサを実現することができる。また、各エンドプレートと円筒状アクティブ振動体との間には、緩衝材がないか、あるいは、ごく薄い緩衝材があればよいので、より高い耐水圧が得られ、深い深度での使用が可能な水圧特性の少ない音響トランスデューサを実現することができる。また、同様の理由により、周囲の液体が内部に侵入しないように設けるシースや合成樹脂のモールドなどは、ごく薄いものでよく、より軽量な音響トランスデューサを実現することができる。

また、この発明の構成によれば、楕円シェルの短径方向（又は長径方向）に長い矩形板が長径方向（又は短径方向）に複数配列されて形成された各エンドプレートが、楕円シェルの撓み振動と同一位相、同一振幅かつ同一周波数の長さ方向の伸縮振動を発生するので、同楕円シェルの振動を妨げることなく防水構造を実現することができる。これにより、水圧特性の極めて少ない音響トランスデューサを実現することができる。また、楕円シェルの長径方向（又は短径方向）に複数の矩形板状圧電セラミック振動子が配列されていることにより、長径方向（又は短径方向）の振動に対する阻害を回避でき、音響放射効率の低下を防ぐことができる。

円筒状に形成され、印加される交流電圧により発生する圧電現象によって固有の周波数で径が一様に増減する呼吸振動を発生する円筒状アクティブ振動体と、同円筒状アクティブ振動体の両端の開口部を封止するための一対のエンドプレートとを有し、上記各エンドプレートが、円板状に形成され、上記円筒状アクティブ振動体の呼吸振動と同一位相、同一振幅かつ上記固有の周波数と同一の周波数の径方向振動を発生する構成とされている音響トランスデューサを提供する。

また、この発明の好適な形態では、上記各エンドプレートは、上記円筒状アクティブ振動体の上記呼吸振動に共振して上記径方向振動を発生する円板状共振板で構成されている。

また、この発明の好適な形態では、上記円板状共振板は、当該円板状共振板の材質、形状及び寸法が、上記呼吸振動の上記位相、振幅及び固有の周波数と同一の周波数に対応するように設定されている。

また、この発明の好適な形態では、上記各エンドプレートは、圧電現象によって上記円筒状アクティブ振動体の呼吸振動と同一位相、同一振幅かつ上記固有の周波数と同一の周波数の径方向振動が発生する円板状アクティブ振動体で構成されている。

また、この発明の好適な形態では、上記円板状アクティブ振動体は、圧電現象によって上記径方向振動が発生する円板状圧電振動子と、同円板状圧電振動子の両面に形成され、与えられた駆動電圧により同円板状圧電振動子に上記圧電現象を発生させるための電極と、上記円板状圧電振動子が両面に貼付され、上記円板状圧電振動子で発生した上記径方向振動に共振する円板状共振板とから構成されている。

また、この発明の好適な形態では、上記円板状アクティブ振動体は、上記円板状圧電振動子、電極及び円板状共振板の材質、形状及び寸法、及び上記駆動電圧が、上記呼吸振動の上記位相、振幅及び固有の周波数と同一の周波数に対応するように設定されている。

また、この発明の好適な形態では、上記円板状アクティブ振動体は、圧電現象によって上記径方向振動が発生する円板状圧電振動子と、同円板状圧電振動子の両面に形成され、与えられた駆動電圧により同円板状圧電振動子に上記圧電現象を発生させるための電極とから構成されている。

また、この発明の好適な形態では、上記円板状アクティブ振動体は、上記円板状圧電振動子及び電極の材質、形状及び寸法、及び上記駆動電圧が、上記呼吸振動の上記位相、振幅及び固有の周波数と同一の周波数に対応するように設定されている。

また、この発明の好適な形態では、上記円板状アクティブ振動体は、当該円板状アクティブ振動体の機械的強度を補強するための補強部材が設けられている。

また、この発明の好適な形態では、上記円筒状アクティブ振動体は、円筒状圧電振動子単体、又は複数の矩形状圧電振動子が円周上に配列かつ接合されてなる集合体で形成されている。

また、この発明の好適な形態では、楕円筒形状のシェルを有し、同シェルの内部の長径方向に所定数の圧電振動子が積層されてなる駆動モジュールが組み込まれ、同駆動モジュールに印加される交流電圧により長径方向の振動が励振されて長径方向及び短径方向に交互に伸縮する固有の周波数の撓み振動を発生する楕円シェルと、同楕円シェルの両端の開口部を封止するための一対のエンドプレートとを有し、上記各エンドプレートは、上記短径方向（又は長径方向）に長い矩形板が上記長径方向（又は短径方向）に複数配列されて形成され、上記楕円シェルの撓み振動と同一位相、同一振幅かつ上記固有の周波数と同一の周波数の長さ方向の伸縮振動を発生する構成とされている。

また、この発明の好適な形態では、上記各エンドプレートは、上記楕円シェルの上記撓み振動に共振して上記伸縮振動を発生する複数の矩形板状共振板で構成されている。

また、この発明の好適な形態では、上記矩形板状共振板は、当該矩形板状共振板の材質、形状及び寸法が、上記伸縮振動の上記位相、振幅及び固有の周波数と同一の周波数に対応するように設定されている。

また、この発明の好適な形態では、上記各エンドプレートは、圧電現象によって上記楕円シェルの上記撓み振動と同一位相、同一振幅かつ上記固有の周波数と同一の周波数の伸縮振動が発生する複数の矩形板状アクティブ振動体で構成されている。

また、この発明の好適な形態では、上記矩形板状アクティブ振動体は、圧電現象によって上記伸縮振動が発生する矩形板状圧電振動子と、同矩形板状圧電振動子の両面に形成され、与えられた駆動電圧により同矩形板状圧電振動子に上記圧電現象を発生させるための電極と、上記矩形板状圧電振動子が両面に貼付され、上記矩形板状圧電振動子で発生した上記伸縮振動に共振する矩形板状共振板とから構成されている。

また、この発明の好適な形態では、上記矩形板状アクティブ振動体は、上記矩形板状圧電振動子、電極及び矩形板状共振板の材質、形状及び寸法、及び上記駆動電圧が、上記伸縮振動の上記位相、振幅及び固有の周波数と同一の周波数に対応するように設定されている。

また、この発明の好適な形態では、上記矩形板状アクティブ振動体は、圧電現象によって上記伸縮振動が発生する矩形板状圧電振動子と、同矩形板状圧電振動子の両面に形成され、与えられた駆動電圧により同矩形板状圧電振動子に上記圧電現象を発生させるための電極とから構成されている。

また、この発明の好適な形態では、上記矩形板状アクティブ振動体は、上記矩形板状圧電振動子及び電極の材質、形状及び寸法、及び上記駆動電圧が、上記伸縮振動の上記位相、振幅及び固有の周波数と同一の周波数に対応するように設定されている。

また、この発明の好適な形態では、上記矩形板状アクティブ振動体は、当該矩形板状アクティブ振動体の機械的強度を補強するための補強部材が設けられている。

実施形態１

図１は、この発明の第１の実施形態である音響トランスデューサの要部の構成を示す断面斜視図である。
この形態の音響トランスデューサは、同図に示すように、円筒状アクティブ振動体１１と、円板状共振板１２，１２と、シース（又はモールド）１３とから構成されている。円筒状アクティブ振動体１１は、円筒状圧電セラミック振動子１１ａの外面及び内面に電極１１ｂが形成されて構成されている。電極１１ｂは、たとえば銀電極などで構成され、外部から円筒状アクティブ振動体１１に交流電圧を印加するための図示しないケーブルが接続されている。この円筒状アクティブ振動体１１は、印加される交流電圧により発生する圧電現象によって、円筒状圧電セラミック振動子１１ａに固有の周波数で径が一様に増減する呼吸振動を発生する。

円筒状アクティブ振動体１１の両端の開口部は、円板状共振板１２，１２が設けられて封止され、全体がシース（又はモールド）１３により被覆されている。シース１３の素材は、たとえばゴム、また、モールドの素材は合成樹脂である。シース（又はモールド）１３は、円筒状アクティブ振動体１１及び円板状共振板１２，１２の外表面に対して、水などの周囲の液体による電気的な短絡を防止あるいは機械的な損傷を防止する。円筒状アクティブ振動体１１の内部には、空洞Ｖが形成されている。円板状共振板１２は、空洞Ｖに対して外部の液体の流入を防止する他、特に、この実施形態では、円筒状アクティブ振動体１１の呼吸振動に共振して、同呼吸振動と同一位相、同一振幅かつ上記固有の周波数と同一の周波数の径方向振動を発生する。また、円板状共振板１２は、その材質、形状及び寸法が、上記呼吸振動の位相、振幅及び固有の周波数と同一の周波数に対応するように設定されている。

図２は、図１及び図９の音響トランスデューサの指向特性を示す図である。
この図を参照して、この形態の音響トランスデューサの動作について説明する。
この音響トランスデューサでは、円筒状アクティブ振動体１１に交流電圧が印加されると、円筒状圧電セラミック振動子１１ａの圧電現象によって、固有の周波数で径が一様に増減する呼吸振動が発生し、円筒状アクティブ振動体１１の側面の変位が発生すると共に音圧が発生して周囲の液体中に音響放射が行われる。この場合、円板状共振板１２，１２では、円筒状アクティブ振動体１１の呼吸振動に共振して、同呼吸振動と同一位相、同一振幅かつ固有の周波数と同一の周波数の径方向振動が発生し、円筒状アクティブ振動体１１の呼吸振動に対する円板状共振板１２，１２による阻害が低減される。

図２では、音響トランスデューサを構成する円筒の軸に対する垂直面を基準（０度）とする指向特性が極座標で示されている。図１の音響トランスデューサでは、同図２に示すように、図９の音響トランスデューサの指向特性ｄａに比較して、鋭い指向特性ｄｂが得られる。これにより、電気音響変換効率が良好かつ水圧特性が少なくなる。

以上のように、この第１の実施形態では、円板状共振板１２，１２が、円筒状アクティブ振動体１１の径方向振動と同一位相、同一振幅かつ同一周波数の径方向振動を発生するので、良好な電気音響変換効率及び水圧特性の少ない音響トランスデューサが実現する。また、円板状共振板１２，１２と円筒状アクティブ振動体１１との間には、緩衝材がないか、あるいは、ごく薄い緩衝材があれば良いので、より高い耐水圧が得られ、深い深度での使用が可能な水圧特性の少ない音響トランスデューサが実現する。また、同様の理由により、シース（又はモールド）１３は、ごく薄いものでよく、より軽量な音響トランスデューサが実現する。

実施形態２

図３は、この発明の第２の実施形態である音響トランスデューサの要部の構成を示す断面斜視図であり、第１の実施形態を示す図１中の要素と共通の要素には共通の符号が付されている。
この形態の音響トランスデューサでは、同図３に示すように、図１中の円板状共振板１２，１２及びシース（又はモールド）１３に代えて、円板状共振板１２Ａ，１２Ａ、シース（又はモールド）１３Ａ、円板状圧電セラミック振動子１４，１４、及び電極１５，…，１５が設けられている。円板状圧電セラミック振動子１４は、圧電現象によって径方向振動が発生する。電極１５は、円板状圧電セラミック振動子１４の両面に形成（たとえば、貼付、被着など）され、与えられた駆動電圧により円板状圧電セラミック振動子１４に圧電現象を発生させる。

円板状共振板１２Ａは、両面に円板状圧電セラミック振動子１４，１４が貼付され、これらの円板状圧電セラミック振動子１４，１４で発生した径方向振動に共振して径方向振動が発生する。これらの円板状共振板１２Ａ、円板状圧電セラミック振動子１４及び電極１５により、円板状アクティブ振動体１６が構成されている。この円板状アクティブ振動体１６は、圧電現象によって円筒状アクティブ振動体１１の呼吸振動と同一位相、同一振幅かつ上記固有の周波数と同一の周波数の径方向振動が発生する。この場合、円板状アクティブ振動体１６では、円板状圧電セラミック振動子１４、電極１５及び円板状共振板１２Ａの材質、形状及び寸法、及び上記駆動電圧が、上記呼吸振動の位相、振幅及び固有の周波数と同一の周波数に対応するように設定されている。

また、２つの圧電セラミック振動子１４，１４は、通常使用されるバイモルフ構造ではなく、径方向振動が同じ方向に励起され、同時に径が拡大あるいは収縮するように、分極方向や電圧印加方向が設定され、屈曲振動が回避されるようになっている。また、圧電セラミック振動子１４，１４では、圧電定数や寸法及び形状も、円板状共振板１２Ａに屈曲共振が生じないように選択されている。なお、円板状共振板１２Ａの片面のみに円板状圧電セラミック振動子１４を貼付すると、同円板状共振板１２Ａに屈曲振動が発生するので、これを回避するために、両面に貼付する必要がある。これにより、圧電セラミック振動子１４，１４には、水圧による大きな引張り応力が発生しないため、耐水圧が確保される。シース（又はモールド）１３Ａ１３Ａは、円板状アクティブ振動体１６の形状に対応して、シース１３と異なる形状とされ、円筒状アクティブ振動体１１及び円板状アクティブ振動体１６の外表面に対して、水などの周囲の液体による電気的な短絡を防止あるいは機械的な損傷を防止する。他は、図１と同様の構成である。

図４は、図３の音響トランスデューサによる振動分布を説明する図である。
この図を参照して、この形態の音響トランスデューサの動作について説明する。
この音響トランスデューサでは、円筒状アクティブ振動体１１に交流電圧が印加されると、上記第１の実施形態と同様に、円筒状圧電セラミック振動子１１ａの圧電現象によって、固有の周波数で径が一様に増減する呼吸振動が発生し、図４に示すように、円筒状アクティブ振動体１１の側面の変位ｄｐが発生すると共に音圧ｓａが発生して周囲の液体中に音響放射が行われる。この場合、円板状アクティブ振動体１６では、圧電現象によって円筒状アクティブ振動体１１の呼吸振動と同一位相、同一振幅かつ固有の周波数と同一の周波数の径方向振動が発生し、円筒状アクティブ振動体１１の呼吸振動に対する阻害が低減される。

円筒状アクティブ振動体１１の変位ｄｐと円板状アクティブ振動体１６の変位ｆｅが同等となり、円筒状アクティブ振動体１１と円板状アクティブ振動体１６との接合部分にストレスが生じないので、シースや合成樹脂によるモールドなどが薄く、あるいは、なくても、水などの液体の浸入を確実に防止することが可能となる。また、この構造とすれば、円筒状アクティブ振動体１１の両端面と円板状アクティブ振動体１６，１６との接合面に緩衝材を入れる必要はなく、耐水圧も大きくすることができる。また、円板状アクティブ振動体１６は、円筒状アクティブ振動体１１の呼吸振動の周波数で呼吸方向の振動変位が得られれば良いので、その厚みは、所用の耐水圧性に応じて自由に設定することができる。この音響トランスデューサでも、第１の実施形態と同様に、図２に示すような、鋭い指向特性ｄｂが得られる。

実施形態３

図５は、この発明の第３の実施形態である音響トランスデューサの要部の構成を示す断面斜視図であり、第２の実施形態を示す図３中の要素と共通の要素には共通の符号が付されている。
この形態の音響トランスデューサでは、同図５に示すように、図３中の円板状アクティブ振動体１６，１６及びシース（又はモールド）１３Ａに代えて、異なる構成の円板状アクティブ振動体１６Ａ，１６Ａ及びシース（又はモールド）１３Ｂが設けられている。円板状アクティブ振動体１６Ａは、図３中の円板状圧電セラミック振動子１４及び電極１５，１５と異なる形状の円板状圧電セラミック振動子１４Ａ及び電極１５Ａ，１５Ａから構成されている。円板状圧電セラミック振動子１４Ａは、圧電現象によって径方向振動が発生する。

電極１５Ａ，１５Ａは、円板状圧電セラミック振動子１４Ａの両面に形成（たとえば、貼付、被着など）され、与えられた駆動電圧により円板状圧電セラミック振動子１４Ａに圧電現象を発生させる。この場合、円板状アクティブ振動体１６Ａでは、円板状圧電セラミック振動子１４Ａ及び電極１５Ａの材質、形状及び寸法、及び上記駆動電圧が、上記呼吸振動の位相、振幅及び固有の周波数と同一の周波数に対応するように設定されている。シース（又はモールド）１３Ｂは、円板状アクティブ振動体１６Ａの形状に対応して、シース１３Ａと異なる形状とされ、円筒状アクティブ振動体１１及び円板状アクティブ振動体１６Ａの外表面に対して、水などの周囲の液体による電気的な短絡を防止あるいは機械的な損傷を防止する。他は、図３と同様の構成である。この音響トランスデューサでも、第２の実施形態とほぼ同様の動作が行われ、同様の利点がある。

実施形態４

図６は、この発明の第４の実施形態である音響トランスデューサの要部の構成を示す断面斜視図であり、第３の実施形態を示す図５中の要素と共通の要素には共通の符号が付されている。
この形態の音響トランスデューサでは、同図６に示すように、図５中の円板状アクティブ振動体１６Ａ，１６Ａ及びシース（又はモールド）１３Ｂに代えて、異なる構成の円板状アクティブ振動体１６Ｂ，１６Ｂ及びシース（又はモールド）１３Ｃが設けられている。円板状アクティブ振動体１６Ｂ，１６Ｂは、図５中の円板状圧電セラミック振動子１４Ａ及び電極１５Ａ，１５Ａと異なる形状の円板状圧電セラミック振動子１４Ｂ及び電極１５Ｂ，１５Ｂ、及び補強プレート１７，１７から構成されている。円板状圧電セラミック振動子１４Ｂは、圧電現象によって径方向振動が発生する。

電極１５Ｂ，１５Ｂは、円板状圧電セラミック振動子１４Ｂの両面に形成（たとえば、貼付、被着など）され、与えられた駆動電圧により円板状圧電セラミック振動子１４Ｂに圧電現象を発生させる。補強プレート１７，１７は、金属又は合成樹脂などの剛性の高い材料で構成され、電極１５Ｂ，１５Ｂが形成された円板状圧電セラミック振動子１４Ｂの両面に形成（貼付、被着など）されている。補強プレート１７，１７は、円板状アクティブ振動体１６Ｂの機械的強度を補強する機能を有している。円板状圧電セラミック振動子１４Ｂは、引張り応力に弱いので、水圧などの応力が大きくなると損傷することがあるが、補強プレート１７，１７は、この引張り応力を低減する働きがあり、円板状アクティブ振動体１６Ｂを、大きな水圧に耐える構造とする。なお、円板状圧電セラミック振動子１４Ｂのいずれか一方の面のみに補強プレート１７が形成されていても、両面に形成されている場合に準じた機能を有する。

シース（又はモールド）１３Ｃは、円板状アクティブ振動体１６Ｂの形状に対応して、シース１３Ｂと異なる形状とされ、円筒状アクティブ振動体１１及び円板状アクティブ振動体１６Ｂの外表面に対して、水などの周囲の液体による電気的な短絡を防止あるいは機械的な損傷を防止する。他は、図５と同様の構成である。この音響トランスデューサでも、第３の実施形態とほぼ同様の動作が行われ、同様の利点がある他、大きな耐水圧性が得られる。

実施形態５

図７は、この発明の第５の実施形態である音響トランスデューサの要部の構成を示す断面斜視図である。
この形態の音響トランスデューサは、同図７に示すように、楕円シェル２１と、駆動モジュール２２と、矩形板状アクティブ振動体２３，２３と、シース（又はモールド）２４とから構成されている。楕円シェル２１は、フレックステンショナル型送波器として構成され、楕円筒形状のシェルを有し、内部の長径方向に所定数の圧電振動子が積層されて構成された駆動モジュール２２が組み込まれ、同駆動モジュール２２に印加される交流電圧により長径方向の振動が励振されて長径方向及び短径方向に交互に伸縮する固有の周波数の撓み振動を発生する。

矩形板状アクティブ振動体２３，２３は、楕円シェル２１の両端の開口部を封止機能を有し、特に、この実施形態では、短径方向に長い矩形板状圧電セラミック振動子２３ａが長径方向に複数配列されて形成され、また、各矩形板状圧電セラミック振動子２３ａの両面に電極２３ｂ，２３ｂが形成されている。電極２３ｂは、たとえば銀電極などで構成されている。各矩形板状圧電セラミック振動子２３ａの間には、図示しない薄い緩衝材が設けられている。電極２３ｂは、与えられた駆動電圧により矩形板状圧電セラミック振動子２３ａに圧電現象を発生させる。これにより、矩形板状アクティブ振動体２３は、楕円シェル２１の撓み振動と同一位相、同一振幅かつ上記固有の周波数と同一の周波数の長さ方向の伸縮振動を発生する。この矩形板状アクティブ振動体２３では、矩形板状圧電セラミック振動子２３ａ及び電極２３ｂの材質、形状及び寸法、及び上記駆動電圧が、上記振動の位相、振幅及び固有の周波数と同一の周波数に対応するように設定されている。シース（又はモールド）２４は、この音響トランスデューサ全体を被覆し、水などの周囲の液体による電気的な短絡を防止あるいは機械的な損傷を防止する。楕円シェル２１の内部には、空洞Ｖが形成されている。

この音響トランスデューサでは、駆動モジュール２２に印加される交流電圧により、楕円シェル２１の長径方向の振動が励振されて長径方向及び短径方向に交互に伸縮する固有の周波数の撓み振動が発生することにより、音圧ｓａが発生する。この状態で、矩形板状アクティブ振動体２３の長さ方向（すなわち、伸縮方向ｆｄ）の伸縮振動の位相、振幅及び周波数が楕円シェル２１の撓み振動の位相、振幅及び周波数と等しくなるように駆動されることにより、同楕円シェル２１の振動を妨げることなく防水構造が実現される。これにより、水圧特性の極めて少ない音響トランスデューサが実現する。また、楕円シェル２１の長径方向に複数の矩形板状圧電セラミック振動子２３ａが配列され、各矩形板状圧電セラミック振動子２３ａの間に緩衝材が設けられていることにより、長径方向の振動に対する阻害が回避され、音響放射効率の低下を防ぐことができる。

また、矩形板状圧電セラミック振動子２３ａの配列方向は、振動変位の少ない長径方向が望ましいが、長径方向ではなく、短径方向に配列しても、ほぼ同様の利点が得られる。この場合、楕円シェル２１の短径方向の振動に対しては、矩形板状アクティブ振動体を長さ方向に振動させ、その位相、振幅及び周波数が楕円シェル２１の撓み振動の位相、振幅及び周波数と等しくなるように駆動することで、楕円シェル２１の短径方向の振動を妨げることが低減される。

以上、この発明の実施形態を図面により詳述してきたが、具体的な構成は同実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更などがあっても、この発明に含まれる。
たとえば、上記第１乃至第４の実施形態では、円筒状アクティブ振動体１１が用いられているが、同円筒状アクティブ振動体１１に代えて、図８に示すように、異なる構成の円筒状アクティブ振動体１１Ａを用いても良い（請求項１１に対応）。円筒状アクティブ振動体１１Ａは、複数の矩形状圧電セラッミック振動子１１ｃが円周上に配列かつ接合されてなる集合体で形成され、個々の振動子１１ｃが円周方向すなわち厚さ方向に分極され、また、電極１１ｄが各振動子１１ｃの接合面に設けられている。

円筒状アクティブ振動体１１Ａの両端の開口部は、緩衝材１８，１８を介して円板状共振板１２，１２が設けられて封止され、全体がシース（又はモールド）１３により被覆されている。緩衝材１８，１８は、各電極１１ｄ間の短絡を避けるための絶縁の働きがあるが、円板状共振板１２，１２が絶縁材料で構成されている場合には、省略しても良い。この音響トランスデューサでも、上記第１乃至第４の実施形態とほぼ同様の動作が行われる。また、図８中の円板状共振板１２，１２に代えて、図３中の円板状アクティブ振動体１６，１６、図５中の円板状アクティブ振動体１６Ａ，１６Ａ、又は図６中の円板状アクティブ振動体１６Ｂ，１６Ｂが設けられていても良い。

また、上記第５の実施形態では、エンドプレートとして、矩形板状アクティブ振動体２３，２３が設けられているが、楕円シェル２１の撓み振動に共振して伸縮振動を発生する矩形板状共振板で構成されていても良い（請求項１４に対応）。この場合、矩形板状共振板は、その材質、形状及び寸法が、上記伸縮振動の位相、振幅及び固有の周波数と同一の周波数に対応するように設定されている（請求項１５に対応）。

また、エンドプレートとしての矩形板状アクティブ振動体は、圧電現象によって伸縮振動が発生する矩形板状圧電振動子と、同矩形板状圧電振動子の両面に形成され、与えられた駆動電圧により同矩形板状圧電振動子に圧電現象を発生させるための電極と、同矩形板状圧電振動子が両面に貼付され、同矩形板状圧電振動子で発生した伸縮振動に共振する矩形板状共振板とから構成されていても良い（請求項１７に対応）。この場合、矩形板状圧電振動子、電極及び矩形板状共振板の材質、形状及び寸法、及び上記駆動電圧が、上記伸縮振動の位相、振幅及び固有の周波数と同一の周波数に対応するように設定されている（請求項１８に対応）。また、これらの矩形板状アクティブ振動体は、当該矩形板状アクティブ振動体の機械的強度を補強するための補強部材が両面又は片面に設けられていても良い（請求項２１に対応）。

また、上記各実施形態での圧電セラミック振動子は、単体で用いる場合に所要の共振周波数や変位などが実現できない場合には、薄い圧電振動材料を複数積層した圧電セラミック積層体を使用して実現しても良い。また、上記各実施形態では、圧電セラミック振動子が用いられているが、交流電圧が印加されて径方向に伸縮する材料であれば、たとえば電歪材などを用いても、上記各実施形態とほぼ同様の作用、効果が得られる。

この発明は、円筒形状の圧電振動子や、フレックステンショナル型送波器などを用いて水中に音響放射する音響トランスデューサ全般に適用できる。

この発明の第１の実施形態である音響トランスデューサの要部の構成を示す断面斜視図である。 図１及び図９の音響トランスデューサの指向特性を示す図である。 この発明の第２の実施形態である音響トランスデューサの要部の構成を示す断面斜視図である。 図３の音響トランスデューサによる振動分布を説明する図である。 この発明の第３の実施形態である音響トランスデューサの要部の構成を示す断面斜視図である。 この発明の第４の実施形態である音響トランスデューサの要部の構成を示す断面斜視図である。 この発明の第５の実施形態である音響トランスデューサの要部の構成を示す断面斜視図である。 音響トランスデューサの変形例を示す断面斜視図である。 音響トランスデューサの構成例を示す断面斜視図である。 図９の音響トランスデューサの動作を説明する模式図である。 音響トランスデューサの他の構成例を示す断面斜視図である。

符号の説明

１１ 円筒状アクティブ振動体（単体）
１１ａ 円筒状圧電セラミック振動子（円筒状圧電振動子）
１１ｂ 電極
１１Ａ 円筒状アクティブ振動体（集合体）
１１ｃ 矩形状圧電セラッミック振動子（矩形状圧電振動子）
１２，１２Ａ 円板状共振板
１３，１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ シース（又はモールド）
１４，１４Ａ，１４Ｂ 円板状圧電セラミック振動子（円板状圧電振動子）
１５，１５Ａ，１５Ｂ 電極
１６，１６Ａ，１６Ｂ 円板状アクティブ振動体
１７ 補強プレート（補強部材）
１８ 緩衝材
２１ 楕円シェル
２２ 駆動モジュール
２３ 矩形板状アクティブ振動体
２３ａ 矩形板状圧電セラミック振動子（矩形板状圧電振動子）
２３ｂ 電極
２４ シース（又はモールド）

Claims (21)

1. 円筒状に形成され、印加される交流電圧によって固有の周波数で径が増減する呼吸振動を発生する円筒状アクティブ振動体と、
   該円筒状アクティブ振動体の両端の開口部を封止するための一対のエンドプレートとを有し、
   前記各エンドプレートは、
   円板状に形成され、前記円筒状アクティブ振動体の呼吸振動と同一位相、同一振幅かつ同一周波数の径方向振動を発生する構成とされていることを特徴とする音響トランスデューサ。
2. 円筒状に形成され、印加される交流電圧により発生する圧電現象によって固有の周波数で径が一様に増減する呼吸振動を発生する円筒状アクティブ振動体と、
   該円筒状アクティブ振動体の両端の開口部を封止するための一対のエンドプレートとを有し、
   前記各エンドプレートは、
   円板状に形成され、前記円筒状アクティブ振動体の呼吸振動と同一位相、同一振幅かつ前記固有の周波数と同一の周波数の径方向振動を発生する構成とされていることを特徴とする音響トランスデューサ。
3. 前記各エンドプレートは、
   前記円筒状アクティブ振動体の前記呼吸振動に共振して前記径方向振動を発生する円板状共振板で構成されていることを特徴とする請求項２記載の音響トランスデューサ。
4. 前記円板状共振板は、
   当該円板状共振板の材質、形状及び寸法が、前記呼吸振動の前記位相、振幅及び固有の周波数と同一の周波数に対応するように設定されていることを特徴とする請求項３記載の音響トランスデューサ。
5. 前記各エンドプレートは、
   圧電現象によって前記円筒状アクティブ振動体の呼吸振動と同一位相、同一振幅かつ前記固有の周波数と同一の周波数の径方向振動が発生する円板状アクティブ振動体で構成されていることを特徴とする請求項２記載の音響トランスデューサ。
6. 前記円板状アクティブ振動体は、
   圧電現象によって前記径方向振動が発生する円板状圧電振動子と、
   該円板状圧電振動子の両面に形成され、与えられた駆動電圧により該円板状圧電振動子に前記圧電現象を発生させるための電極と、
   前記円板状圧電振動子が両面に貼付され、前記円板状圧電振動子で発生した前記径方向振動に共振する円板状共振板とから構成されていることを特徴とする請求項５記載の音響トランスデューサ。
7. 前記円板状アクティブ振動体は、
   前記円板状圧電振動子、電極及び円板状共振板の材質、形状及び寸法、及び前記駆動電圧が、前記呼吸振動の前記位相、振幅及び固有の周波数と同一の周波数に対応するように設定されていることを特徴とする請求項６記載の音響トランスデューサ。
8. 前記円板状アクティブ振動体は、
   圧電現象によって前記径方向振動が発生する円板状圧電振動子と、
   該円板状圧電振動子の両面に形成され、与えられた駆動電圧により該円板状圧電振動子に前記圧電現象を発生させるための電極とから構成されていることを特徴とする請求項５記載の音響トランスデューサ。
9. 前記円板状アクティブ振動体は、
   前記円板状圧電振動子及び電極の材質、形状及び寸法、及び前記駆動電圧が、前記呼吸振動の前記位相、振幅及び固有の周波数と同一の周波数に対応するように設定されていることを特徴とする請求項８記載の音響トランスデューサ。
10. 前記円板状アクティブ振動体は、
    当該円板状アクティブ振動体の機械的強度を補強するための補強部材が設けられていることを特徴とする請求項８又は９記載の音響トランスデューサ。
11. 前記円筒状アクティブ振動体は、
    円筒状圧電振動子単体、又は複数の矩形状圧電振動子が円周上に配列かつ接合されてなる集合体で形成されていることを特徴とする請求項２乃至１０のいずれか一に記載の音響トランスデューサ。
12. 楕円筒形状のシェルを有し、該シェルの内部の長径方向に所定数の振動子が積層されてなる駆動モジュールが組み込まれ、該駆動モジュールに印加される交流電圧により長径方向の振動が励振されて長径方向及び短径方向に交互に伸縮する固有の周波数の撓み振動を発生する楕円シェルと、
    該楕円シェルの両端の開口部を封止するための一対のエンドプレートとを有し、
    前記各エンドプレートは、
    前記短径方向（又は長径方向）に長い矩形板が前記長径方向（又は短径方向）に複数配列されて形成され、前記楕円シェルの撓み振動と同一位相、同一振幅かつ同一周波数の長さ方向の伸縮振動を発生する構成とされていることを特徴とする音響トランスデューサ。
13. 楕円筒形状のシェルを有し、該シェルの内部の長径方向に所定数の圧電振動子が積層されてなる駆動モジュールが組み込まれ、該駆動モジュールに印加される交流電圧により長径方向の振動が励振されて長径方向及び短径方向に交互に伸縮する固有の周波数の撓み振動を発生する楕円シェルと、
    該楕円シェルの両端の開口部を封止するための一対のエンドプレートとを有し、
    前記各エンドプレートは、
    前記短径方向（又は長径方向）に長い矩形板が前記長径方向（又は短径方向）に複数配列されて形成され、前記楕円シェルの撓み振動と同一位相、同一振幅かつ前記固有の周波数と同一の周波数の長さ方向の伸縮振動を発生する構成とされていることを特徴とする音響トランスデューサ。
14. 前記各エンドプレートは、
    前記楕円シェルの前記撓み振動に共振して前記伸縮振動を発生する複数の矩形板状共振板で構成されていることを特徴とする請求項１３記載の音響トランスデューサ。
15. 前記矩形板状共振板は、
    当該矩形板状共振板の材質、形状及び寸法が、前記伸縮振動の前記位相、振幅及び固有の周波数と同一の周波数に対応するように設定されていることを特徴とする請求項１４記載の音響トランスデューサ。
16. 前記各エンドプレートは、
    圧電現象によって前記楕円シェルの前記撓み振動と同一位相、同一振幅かつ前記固有の周波数と同一の周波数の伸縮振動が発生する複数の矩形板状アクティブ振動体で構成されていることを特徴とする請求項１３記載の音響トランスデューサ。
17. 前記矩形板状アクティブ振動体は、
    圧電現象によって前記伸縮振動が発生する矩形板状圧電振動子と、
    該矩形板状圧電振動子の両面に形成され、与えられた駆動電圧により該矩形板状圧電振動子に前記圧電現象を発生させるための電極と、
    前記矩形板状圧電振動子が両面に貼付され、前記矩形板状圧電振動子で発生した前記伸縮振動に共振する矩形板状共振板とから構成されていることを特徴とする請求項１６記載の音響トランスデューサ。
18. 前記矩形板状アクティブ振動体は、
    前記矩形板状圧電振動子、電極及び矩形板状共振板の材質、形状及び寸法、及び前記駆動電圧が、前記伸縮振動の前記位相、振幅及び固有の周波数と同一の周波数に対応するように設定されていることを特徴とする請求項１７記載の音響トランスデューサ。
19. 前記矩形板状アクティブ振動体は、
    圧電現象によって前記伸縮振動が発生する矩形板状圧電振動子と、
    該矩形板状圧電振動子の両面に形成され、与えられた駆動電圧により該矩形板状圧電振動子に前記圧電現象を発生させるための電極とから構成されていることを特徴とする請求項１６記載の音響トランスデューサ。
20. 前記矩形板状アクティブ振動体は、
    前記矩形板状圧電振動子及び電極の材質、形状及び寸法、及び前記駆動電圧が、前記伸縮振動の前記位相、振幅及び固有の周波数と同一の周波数に対応するように設定されていることを特徴とする請求項１７記載の音響トランスデューサ。
21. 前記矩形板状アクティブ振動体は、
    当該矩形板状アクティブ振動体の機械的強度を補強するための補強部材が設けられていることを特徴とする請求項１９又は２０記載の音響トランスデューサ。

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