JP2010141540A - 音波発信器 - Google Patents

Abstract

【課題】従来、大深度の水圧に耐えることができるとともに低周波数の音波を発振することができ、更に小型化することができる音波発信器は存在しない。
【解決手段】音波発信器１は、開口部及びその開口部に対向する底部２ａを有する箱２と、超磁歪素子及びこれに巻き付けられたコイルからなり、変位方向が箱２の開口部と底部２ａとの対向方向に一致するように箱２内に収められていて、基端が底部２ａに支持された超磁歪アクチュエータ３と、上記開口部に配置され、超磁歪アクチュエータ３の先端に支持された振動板５と、上記開口部と振動板５の周縁部とを接続しており、可撓性を有するシート６と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、音波を発振する音波発信器に関する。

従来、水中で音波等を発振させる装置としてセラミック発信器が使用されており、潜水艦のソナーや海洋工事での位置決めに広く用いられている。

音波を土中又は水中で発振させるためには、深度に応じて増大する水圧に対抗して振動板を振動させる駆動力が必要である。土中では、高周波数の音波よりも低周波数の音波の方が減衰が少ないため、マグネチック型水中スピーカ方式が低周波数の音波を発振させることに向いており有利と考えられる。しかしながら、一般に用いられている水中スピーカでは原理的に大きな駆動力が得られないため、大出力で音波を発振することができない。これは、マグネットとコイルとの間に働く電磁誘導の原理によるものであり、駆動力を大きくしようとすれば大電力化するしかなく、従って機器自体も大きくなってしまう。
特開２００８−１２２０７８号公報

上記のセラミック発信器は、超音波等の高い周波数の音波を発振させる用途に向いており、土中のように音波の周波数が高いとその振動が大きく減衰する場所で使用するのには不向きである。

また、水中スピーカは、水深が数ｍ程度までしか使えないものが多く、深い水中で使用できるものはない。特に、深度が深いと水圧も大きくなり、振動発生面は大きな力で押されるためこの水圧を押し返して振動するためには、大きな駆動力が必要とされる。しかしながら、それを実現する物は見当たらない。

また、水中は気中と違って媒質の質量が大きくその粘性も高い。そのため、気中で使用するスピーカを水中に沈めても気中で得られるような動作結果は得られない。例えば、スピーカを袋や箱に入れて防水し、水中に沈めてそれを鳴らしても水の中を伝播する音波の振動は微々たるものであるので、気中で得られる音と同じ量の音を水中で得ることはできない。

海洋工事及び土木工事では大深度での工事が多くなっている。そのような背景から、音波を水中や土中での位置計測又は通信等に利用するためには、大深度の水圧でも使用できる性能が要求される。また、土中では高い周波数の音波ほどその振動の減衰が大きいため、低い周波数の音波の発振が望まれるが、セラミック発信器では周波数が低い音波を発振させる用途に使用することができない。

このような理由から、地下水位を含む大深度の水圧に耐えることができ、かつ低周波数の音波を発振することができる音波発信器は現在見当たらない。また、建設工事ではボーリング孔内に沈めて使用する場合もあるので、音波発信器は極力小型であることが望まれるが、小型では出力が小さくなってしまうなど多くの問題を抱えているのが現状である。

本発明は、大深度の水圧に耐えることができるとともに低周波数の音波を発振することができ、更に小型化することができる音波発信器を提供することを目的とする。

上記課題を解決し上記目的を達成するために、本発明の音波発信器は、開口部及びその開口部に対向する底部を有する箱と、超磁歪素子及びこれに巻き付けられたコイルからなり、変位方向が前記箱の前記開口部と前記底部との対向方向に一致するように前記箱内に収められていて、基端が前記底部に支持された超磁歪アクチュエータと、前記開口部に配置され、前記超磁歪アクチュエータの先端に支持された振動板と、前記開口部と前記振動板の周縁部とを接続しており、可撓性を有する接続部と、を備える。

本発明の音波発信器は、大きな磁歪を生じさせ駆動力が大きい超磁歪素子を有しているので、低周波数の音波を発振することができるとともに、超磁歪素子が振動板を支持しているので、大深度の水圧でも音波を発振することができる。つまり、本発明の音波発信器は、大深度の水圧に耐えることができる。また、超磁歪素子の駆動力が大きいので、本発明の音波発信器は、小型化することができる。

本発明の音波発信器は、前記超磁歪アクチュエータを複数有していてもよい。その場合、前記振動板が円形であって、前記複数の超磁歪アクチュエータが、前記振動板の半分の半径を有する仮想同心円上に等間隔に配置されていることが望ましい。各超磁歪アクチュエータが、同じ力で前記振動板を支持することができるからである。

前記接続部は、例えばゴム製のシートである。

前記接続部は、ヒンジ構造を有していてもよい。その場合、前記接続部は、前記振動板と一体化していてもよい。

前記箱には、孔が設けられていてもよい。

上述したように、本発明では超磁歪素子に着目した。一般に、磁性体に磁場を与えると、その外形がわずかに変形する。この現象は、１８４７年にフランスのジュールによって発見され、磁歪（じわい）という。磁歪による磁性体の寸法変化は、１００万分の１〜１０万分の１（１〜１０ｐｐｍ）程度で、素子の長さが１００ｍであれば、伸びは０．１〜１ｍｍ程度である。

しかし、変位量が従来の１０００倍（１０００ｐｐｍ）以上の、例えば、テルビウム、ディスプロシウム及び鉄等により形成される超磁歪素子が開発された。超磁歪素子では、長さ１ｍで数ｍｍの変位が得られる。また、超磁歪素子の発生応力は４００ｋｇｆ/ｃｍ^２と非常に大きいため、１ｃｍ四方の面積の超磁歪素子で、４００ｋｇの重量の物を動かすことができる。この超磁歪素子に磁場を変化させるコイルを巻いたものが超磁歪アクチュエータと呼ばれる。本発明は、超磁歪アクチュエータを有する音波発信器を提供する。

本発明の特徴として、振動板自体の剛性で水圧に耐えるのではなく、超磁歪素子により振動板を支える点が挙げられる。したがって、振動板自体の剛性及び靭性に頼る必要がない。その結果、超磁歪素子が収められる防水ケースと振動板との接続部は、防水のみを考慮して設計されれば良く、またゴム又は樹脂等の柔軟な材質を使用することができる。これにより、超磁歪素子の動き（伸縮）をロス無く振動板に伝えることができる。

本発明は、大深度の水圧に耐えることができるとともに低周波数の音波を発振することができ、更に小型化することができる音波発信器を提供することができる。

以下に、本発明を実施するための最良の形態を図面を参照して説明する。

（実施の形態１）
先ず、実施の形態１の音波発信器１を説明する。

図１は実施の形態１の音波発信器１の断面図であり、図２は音波発信器１の上面図であり、図３は音波発信器１を構成するシート６の上面図である。

図１及び図２に示すように、音波発信器１は、箱２と、３個の超磁歪アクチュエータ３と、リード線４と、２枚の振動板５と、シート６とを有する。

箱２は、底部２ａと側面部２ｂとを有する器であって、底部２ａと対向する上部に開口部が設けられている。図１では、その開口部は、底部２ａより右側に位置する。箱２の側面部２ｂには、防水部２ｃが設けられている。防水部２ｃは、リード線４を箱２の内部から外部に引き出すことを可能とするとともに、それ以外の部分については箱２が水中に置かれたときに箱２の外部の水が箱２の内部に浸入することを防止する。なお、実施の形態１では、底部２ａが円板であり、側面部２ｂが円筒であることを想定している。しかしながら、底部２ａ及び側面部２ｂの形状は制限されない。

超磁歪アクチュエータ３は、振動板５により音波を発振させるために磁歪により振動するものであって、柱状の超磁歪素子と、超磁歪素子の外部に巻かれたコイルとで構成されている。実施の形態１では、３個の超磁歪アクチュエータ３が、超磁歪素子の変位方向が箱２の開口部と底部２ａとの対向方向に一致するように箱２の内部に収められている。また、各超磁歪アクチュエータ３は、その基端が底部２ａに支持されている。更にいうと、３個の超磁歪アクチュエータ３は、円板である振動板５の半径の半分の半径を有する仮想同心円上に等間隔に配置されている。

また、各超磁歪アクチュエータ３の一端は箱２の開口部に配置されている振動板５と接続している。振動板５寄りの超磁歪アクチュエータ３の一端には、外周に雄ねじが形成されている、棒状の固定部３ａが設けられており、その雄ねじは超磁歪アクチュエータ３と振動板５との接続に寄与している。

なお、超磁歪アクチュエータ３の個数は３個であるとは限定されない。１個又は複数個の超磁歪アクチュエータ３が、超磁歪素子の変位方向が箱２の開口部と底部２ａとの対向方向に一致するように箱２に収められているとともに、各超磁歪アクチュエータ３の一端が振動板５と接続しており、更に、基端が底部２ａに支持されていればよい。

リード線４は、一端が超磁歪アクチュエータ３を構成するコイルの一端と接続しており、他端が箱２に設けられている防水部２ｃを介して箱２の外部に引き出されている導線である。実施の形態１では、リード線４は３個の超磁歪アクチュエータ３に対応して６本存在するが、６本のリード線４は、箱２の内部で並列又は直列に接続されて入力用と出力用との２本にまとめられていてもよい。

振動板５は、超磁歪アクチュエータ３の振動に伴って振動し、低周波数の音波を発振する板であって、２枚の振動板５がシート６を挟んだ状態で箱２の開口部に配置されている。振動板５の形状は箱２の開口部より小さい円板であって、底部２ａ寄りの振動板５には、その振動板５の半径の半分の半径を有する仮想同心円上において等しい距離離れた３か所の位置に、孔が設けられている。各孔には、超磁歪アクチュエータ３の固定部３ａの外周に設けられている雄ねじと嵌合する雌ねじが設けられている。外側の振動板５には、その振動板５の半径の半分の半径を有する仮想同心円上において等しい距離離れた３か所の位置に、穴（凹部）が設けられている。各穴（凹部）には、超磁歪アクチュエータ３の固定部３ａの外周に設けられている雄ねじと嵌合する雌ねじが設けられている。

シート６は、箱２の側面部２ｂの直径と同等の直径を有する、ゴムにより形成された円形のシートであって、シート６には、図３に示すように、シート６の半径の半分の半径を有する仮想同心円上において等しい距離離れた３か所の位置に、孔が設けられている。シート６は、それらの各孔と、底部２ａ寄りの振動板５に設けられている各孔と、外側の振動板５に設けられている各穴（凹部）とが重なるように、２枚の振動板５により挟まれている。そして、各超磁歪アクチュエータ３の固定部３ａがシート６の各孔に入った状態で、各超磁歪アクチュエータ３が２枚の振動板５及びシート６に接続されている。

上述したように、固定部３ａの外周には雄ねじが設けられており、振動板５に設けられている孔又は穴（凹部）には上記雄ねじと嵌合する雌ねじが設けられている。そのため、固定部３ａがシート６の各孔に入ると、雄ねじと雌ねじとが嵌合し、それにより固定部３ａは振動板５に固定される。つまり、各超磁歪アクチュエータ３が、振動板５に接続し、振動板５に固定される。これにより、３個の超磁歪アクチュエータ３が振動板５を支持することになり、大深度の水圧でも振動板５は振動する。なお、ナット７により、固定部３ａが振動板５に固定される状態が保持されている。

シート６には、図３に示すように、外周にも複数の孔が設けられており、シート６は、それら外周の孔にねじ８が通され、ねじ８により箱２の側面部２ｂとリングを介して密着するように柔に接続されている。これにより、シート６は、振動板５と側面部２ｂとの空間を埋め、箱２の内部は密閉状態となる。

なお、シート６は、可撓性を有するものであれば、ゴム以外のシートに置き換えられてもよい。可撓性を有するシート６が振動板５及び側面部２ｂと接続しているので、振動板５は箱２に拘束されることなく振動する。つまり、振動板５と箱２とは相対的に変位する。

振動板５と箱２の側面部２ｂとのクリアランスが適切に設けられると、音波発信器１が水中に配置された場合、音波発信器１の外部の水圧による露出したシート６の変形及び破損を防ぐことができる。例えば、シート６の厚みが１ｍｍであれば、クリアランスは１ｍｍである。しかしながら、クリアランスは、シート６の材質、厚み及び、音波発信器１の外部の水圧等の条件により適切に変更される。

上述した音波発信器１のリード線４に電源が接続され、電流が電源からリード線４に供給されると、超磁歪アクチュエータ３が振動し、その振動により振動板５が振動し、それにより低周波数の音波が発振する。すなわち、音波発信器１は低周波数の音波を発振することができる。

また、音波発信器１は駆動力が大きい超磁歪素子を有している。そのため、音波発信器１の振動板５は大深度の水圧でも音波を発振することができる。また、３個の超磁歪アクチュエータ３が振動板５を支持しているので、振動板５は大深度の水圧でも音波を発振することができる。つまり、音波発信器１は、大深度の水圧に耐えて音波を発振することができる。また、超磁歪素子の駆動力が大きいので、音波発信器１は小型化することができる。

なお、シート６は、本発明の音波発信器の接続部の一例である。

また、振動板５は２枚用意されなくてもよい。例えば、１枚の振動板５とシート６とが重ね合わされ、シート６の外周が箱２の側面部２ｂに接続されていてもよい。要するに、可撓性を有するシート６は、振動板５及び側面部２ｂと接続していればよい。しかしながら、２枚の振動板５がシート６を挟む構成の方が、大深度においても水圧に耐えることができる効果がより大きく発揮される。

（実施の形態２）
次に、実施の形態２の音波発信器１１を説明する。

図４は実施の形態２の音波発信器１１の断面図であり、図５は音波発信器１１の上面図である。

図４及び図５に示すように、音波発信器１１は、箱２と、３個の超磁歪アクチュエータ３と、リード線４と、振動板１５と、接続部１６とを有する。

実施の形態１の音波発信器１が２枚の振動板５とシート６とを有するのに対し、実施の形態２の音波発信器１１は、振動板５及びシート６に代わって振動板１５と接続部１６とを有する。その点が実施の形態１と実施の形態２との相違点である。したがって、以下の説明では、その相違点を説明する。

振動板１５は、超磁歪アクチュエータ３の振動に伴って振動し、低周波数の音波を発振する板であって、箱２の開口部に配置されている。振動板１５の形状は箱２の開口部より小さい円板であって、振動板１５は、固定部３ａにより各超磁歪アクチュエータ３に接続されている。

接続部１６は、振動板１５の外周に設けられているリング状のものであって、ヒンジ構造を有している。接続部１６には、外周に複数の孔が設けられており、接続部１６は、それら外周の孔にねじ８が通され、ねじ８により箱２の側面部２ｂとリングを介して密着するように柔に接続されている。これにより、接続部１６は、振動板１５と側面部２ｂとの空間を埋め、箱２の内部は密閉状態となる。可撓性を持つヒンジ構造を有する接続部１６が振動板１５及び側面部２ｂと接続しているので、振動板１５は箱２に拘束されることなく自由に振動する。実施の形態２では、振動板１５と接続部１６とは一体化している。

なお、ヒンジ構造を有する接続部１６の幅及び厚みは、音波発信器１１が水中に配置された場合の水圧による変形及び破損を防止するとともに、その場合の音波発信器１１の外の水が音波発信器１１の内部に浸入することを防止することができるように、適切に設計されればよい。

また、振動板１５、接続部１６、及び側面部２ｂのねじ８の固定部は、塩化ビニル等により一体化されていてもよい。

（実施の形態３）
次に、実施の形態３の音波発信器２１を説明する。

図６は実施の形態３の音波発信器２１の断面図であり、図７は音波発信器２１の上面図であり、図８は音波発信器２１の下面図である。

図６から図８に示すように、音波発信器２１は、箱２２と、３個の超磁歪アクチュエータ３と、リード線４と、振動板１５と、接続部２６とを有する。

実施の形態２の音波発信器１１が箱２を有するのに対し、実施の形態３の音波発信器２１は、箱２に代わって箱２２を有する。その点が実施の形態２と実施の形態３との相違点である。また、実施の形態２の音波発信器１１がヒンジ構造を有する接続部１６を有するのに対し、実施の形態３の音波発信器２１は、接続部１６に代わって接続部２６を有する。したがって、以下の説明では、その相違点を説明する。

箱２２は、孔２２２が設けられた底部２２ａと側面部２ｂとを有する器であって、底部２２ａと対向する上部に開口部が設けられている。箱２の底部２ａには孔は設けられていないが、箱２２の底部２２ａには孔２２２が設けられている。その点が実施の形態２の音波発信器１１を構成する箱２と実施の形態３の音波発信器２１を構成する箱２２との相違点である。孔２２２には通水管Ａが接続される。通水管Ａの長さは、生じる負圧が振動板１５からの圧力波に影響しない範囲内に延ばされる。

なお、超磁歪アクチュエータ３は、柱状の超磁歪素子と、超磁歪素子の外部に配置されたコイルと、皿バネ等により構成されている。コイルはエナメル線等により形成されているので、コイルとリード線４との接続部分が防水されていれば、音波発信器２１は、水中に置かれても、ショートすることなく正常に動作する。

箱２２を構成する底部２２ａに孔２２２が設けられているので、音波発信器２１は、空気室部分が存在しなくなるため、理論的には１万ｍ以上の水深度でも正常に動作する。

なお、孔２２２は底部２２ａではなく、側面部２ｂに設けられていてもよい。

接続部２６は、振動板１５と側面部２ｂとの間を埋める、ゴム等の可撓性を有するものであって、振動板１５及び側面部２ｂと接続している。これにより、箱２２の上部では内部と外部とが遮断され、かつ、振動板１５は箱２２に拘束されることなく振動する。

なお、接続部２６は、接続部１６に置き換えられてもよい。

また、振動板１５及び接続部２６は、実施の形態１において説明した振動板５とシート６とに置き換えられてもよい。

上述したように、本実施の形態の音波発信器１、音波発信器１１、及び音波発信器２１は、超磁歪アクチュエータ３を有するので、水中及び土中で効率よく音波を発信することができる。

また、超磁歪アクチュエータ３を構成する超磁歪素子は、電磁コイルで駆動するため、本実施の形態の音波発信器１、音波発信器１１、及び音波発信器２１は、極めて低い周波数の音波を発信することができる。

また、超磁歪アクチュエータ３を構成する超磁歪素子は、電磁石により駆動するため、超磁歪アクチュエータ３は、通常のアンプで動作させることができ、セラミック方式のような特殊な高電圧出力装置は必要とされない。

また、シート６及び接続部１６といった、振動板５又は振動板１５と箱２の側面部２ｂとを接合する接続部の厚み、形状、及び幅の全部又は一部を変えることにより、音波発信器１、音波発信器１１、及び音波発信器２１は、深度１００ｍ以上の場所に置かれても、性能は維持される。

また、超磁歪アクチュエータ３を構成する超磁歪素子は駆動力が大きく、側面部２ｂの直径等の箱２のサイズに応じて箱２の内部に収められる超磁歪アクチュエータ３のサイズを変えることができるので、原理的には、音波発信器１、音波発信器１１、及び音波発信器２１が置かれる深度に制限はない。

また、音波発信器１、音波発信器１１、及び音波発信器２１は、構造がシンプルなので、小型化することができる。

更に、超磁歪アクチュエータ３を構成する超磁歪素子は、長ければ振幅が大きく、太ければ駆動力が大きいので、音波を伝播させる媒質に応じて、自由度の高い設計が可能である。

実施の形態１の音波発信器１の断面図 音波発信器１の上面図 音波発信器１を構成するシート６の上面図 実施の形態２の音波発信器１１の断面図 音波発信器１１の上面図 実施の形態３の音波発信器２１の断面図 音波発信器２１の上面図 音波発信器２１の下面図

符号の説明

１ 音波発信器
２ 箱
２ａ 底部
２ｂ 側面部
２ｃ 防水部
３ 超磁歪アクチュエータ
３ａ 固定部
４ リード線
５ 振動板
６ シート
７ ナット
８ ねじ
１１ 音波発信器
１５ 振動板
１６ 接続部
２１ 音波発信器
２２ 箱
２２ａ 底部
２２２ 孔
２６ 接続部

Claims (7)

1. 開口部及びその開口部に対向する底部を有する箱と、
   超磁歪素子及びこれに巻き付けられたコイルからなり、変位方向が前記箱の前記開口部と前記底部との対向方向に一致するように前記箱内に収められていて、基端が前記底部に支持された超磁歪アクチュエータと、
   前記開口部に配置され、前記超磁歪アクチュエータの先端に支持された振動板と、
   前記開口部と前記振動板の周縁部とを接続しており、可撓性を有する接続部と、
   を備える音波発信器。
2. 前記超磁歪アクチュエータを複数有する請求項１記載の音波発信器。
3. 前記振動板は円形であり、前記複数の超磁歪アクチュエータは、前記振動板の半分の半径を有する仮想同心円上に等間隔に配置されている請求項２記載の音波発信器。
4. 前記接続部は、ゴム製のシートである請求項１から３のいずれか一項に記載の音波発信器。
5. 前記接続部は、ヒンジ構造を有している請求項１から３のいずれか一項に記載の音波発信器。
6. 前記接続部は、前記振動板と一体化している請求項５記載の音波発信器。
7. 前記箱には、孔が設けられている請求項１から６のいずれか一項に記載の音波発信器。

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