JP2010212868A - 立体配列型送受波器、及び、立体配列型送受波器を備えた装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型化が可能であり、かつ、低周波の大きな音響出力を発生することができる立体配列型送受波器、及び、立体配列型送受波器を備えた装置の提供を目的とする。
【解決手段】立体配列型送受波器１は、１２個の両面放射型送受波手段２及び筐体３などを備えており、ほぼ正１２面体状の筐体３の各面上に、一つの両面放射型送受波手段２が配設されており、全ての両面放射型送受波手段２が同位相で駆動されることによって、全方向に音響放射が行われる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、立体配列型送受波器、及び、立体配列型送受波器を備えた装置に関する。

水中における目標の探知や通信には、一般的に、音響信号が用いられる。たとえば、水中における目標の遠距離探知や遠距離通信を行うためには、音波の吸収損失の少ない低周波を用いるとともに、信号の送信出力を大きくし、信号対雑音比を大きくする必要がある。
また、海洋探査に用いられる潜水艇との通信を行う水中音響通信装置や、潜水艦を探知するソーナーなどにおいては、送受波器が全指向性であることも重要である。

（本発明に関連する立体配列型送受波器）
次に、本発明に関連する立体配列型送受波器について、図面を参照して説明する。
図７は、本発明に関連する立体配列型送受波器の概略図であり、（ａ）は斜視図を示しており、（ｂ）は断面図を示している。
図７に示すように、球形送受波器１０１は、圧電セラミック１０２、及び、水密モールド１０３などを備えている。
この球形送受波器１０１は、圧電セラミック１０２がほぼ球状であり、全指向性である。

また、球形送受波器１０１は、圧電セラミック１０２の呼吸振動モードを用いている。したがって、その共振周波数における水中音波の波長は、振動子としての圧電セラミック１０２の直径とほぼ同じである。そのため、たとえば、２ｋＨｚの共振周波数を持つ球形送受波器１０１を実現するには、直径が約７５ｃｍのセラミックの球殻（圧電セラミック１０２）を作る必要がある。

また、本発明に関連する様々な技術が提案されている。
たとえば、特許文献１には、二枚の円板状の振動板と、その振動板の振動を受けるセラミック振動子とを備えた送受波器の技術が開示されている。
この送受波器は、セラミック振動子が二枚の振動板の間に挟持されるリング状に形成されたことを特徴としている。

また、特許文献２には、剛性材料で形成された立方体状の支持コアと、この支持コアの六つの面にそれぞれ一端側が取り付けられ、他端側が支持コアの各面に対して垂直な方向に駆動される圧電アクチュエータとを備え、各圧電アクチュエータの他端側に、支持コアの各面と平行に振動板を装備したことを特徴とする水中音響送波器の技術が開示されている。

また、特許文献３には、端面に電極をもつ２個の円筒状圧電振動子とこれらの圧電振動子の間に位置する導電リングとを同心状でかつ極性を反転して積層した６組の振動子積層と、正六面体の各面の中央にシャフトを設けた支持体と、各シャフトに設けられたねじ部に嵌合するねじ穴を有し各振動子積層の端面に圧接して各シャフトと各々の振動子積層とを同心状に固定する６個の負荷質量とからなる全方位計測用受波器の技術が開示されている。
この全方位計測用受波器は、支持体の中心部を原点とした直交３方位６方向に振動子積層と負荷質量を有する受波器と、各方位における２組の振動子積層の２個の導電リングが接続された１次側に中性点をもつ３個のトランスと、全トランスの中性点が接続される加算回路と、これらの受波器及び加算回路を収納する筐体とから構成されることを特徴としている。

ところで、上述したように、水中において遠距離探知や遠距離通信を行うためには、音波の吸収損失の少ない低周波を用いるとともに、信号の送信出力を大きくし、信号対雑音比を大きくする必要がある。
また、音響信号を送信する送受波器は、感度の高い共振周波数にて駆動することが一般的であるが、縦振動モードや厚み振動モードを用いた送受波器の共振周波数を１／２に下げるためには、その寸法を２倍とする必要がある。したがって、たとえば、上述した球形送受波器１０１が低周波を用いるためには、球形送受波器１０１を大型化する必要がある。
これに対し、たとえば、上述した特許文献１に記載されている屈曲振動を用いた両面放射型送受波器などは、小型化が可能であり、かつ、低い共振周波数を実現することができる。

特開平０５−２６０５８４号公報 特開平０８−２５６３９６号公報 実開平０７−００２９８４号公報

しかしながら、上述した球形送受波器１０１は、全指向性送受波器であるものの、圧電セラミック１０２を球形に整形し、その外側をゴム等の水密の被覆（水密モールド１０３）で覆う構造であり、低周波化するためには、球の直径を大きくして、呼吸振動の共振周波数を下げる必要があった。ただし、そのために、大型の球形（たとえば、直径が７５ｃｍ程度のセラミックの球殻）又は半球形（たとえば、半径が３７．５ｃｍ程度のセラミックの半球殻）の圧電セラミック１０２を焼結することは、製造技術や設備的に困難であるといった問題があった。

なお、特許文献１〜３の技術は、本発明に関連する技術ではあるものの、上記の課題を解決することはできず、また、海洋探査に用いられる潜水艇との通信を行う水中音響通信装置や、潜水艦を探知するソーナーに適用することが困難である。

本発明は、以上のような問題を解決するために提案されたものであり、小型化が可能であり、かつ、低周波の大きな音響出力を発生することができる立体配列型送受波器、及び、立体配列型送受波器を備えた装置の提供を目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の立体配列型送受波器は、両面放射型送受波手段が、多面体の少なくとも二つの面上に配設された構成としてある。

また、本発明の立体配列型送受波器を備えた装置は、両面放射型送受波手段が多面体の少なくとも二つの面上に配設された立体配列型送受波器を、備えた構成としてある。

本発明の立体配列型送受波器、及び、立体配列型送受波器を備えた装置によれば、複数の両面放射型送受波手段を立体的に配列することにより、小型化が可能であり、かつ、低周波の大きな音響出力を発生することができる。

図１は、本発明の第一実施形態にかかる立体配列型送受波器の概略斜視図を示している。 図２は、本発明の第一実施形態にかかる立体配列型送受波器の、両面放射型送受波手段の概略拡大図であり、（ａ）は斜視図を示しており、（ｂ）は断面図を示している。 図３は、本発明の第一実施形態にかかる立体配列型送受波器の、両面放射型送受波手段の振動モードを説明するための概略拡大図を示している。 図４は、本発明の第一実施形態にかかる立体配列型送受波器の音響放射状態を説明するための概略斜視図を示している。 図５は、本発明の第二実施形態にかかる立体配列型送受波器の概略斜視図を示している。 図６は、本発明の第二実施形態にかかる立体配列型送受波器の作動状態を説明するための要部の概略拡大図を示している。 図７は、本発明に関連する立体配列型送受波器の概略図であり、（ａ）は斜視図を示しており、（ｂ）は断面図を示している。

［立体配列型送受波器の第一実施形態］
図１は、本発明の第一実施形態にかかる立体配列型送受波器の概略斜視図を示している。
図１において、本実施形態の立体配列型送受波器１は、１２個の両面放射型送受波手段２及び筐体３などを備えた構成としてある。この立体配列型送受波器１は、ほぼ正１２面体状の筐体３の各面に、一つの両面放射型送受波手段２が配設されている。

（筐体）
筐体３は、通常、ステンレスなどの腐食性に優れた金属製であり、ほぼ正１２面体状としてある。この筐体３は、通常、ほぼ正五角形の金属板を溶接することにより、容易に製造することができるので、製造原価のコストダウンを図ることができる。また、各金属板には、両面放射型送受波手段２を取り付けるための凹部や開口部が形成されており、両面放射型送受波手段２を容易に取り付けることができる。
なお、本実施形態では、筐体３を備えた構成としてあるが、これに限定されるものではなく、たとえば、両面放射型送受波手段２どうしを多面体状に連結するフレーム（図示せず）を有する構成としてもよい。すなわち、立体配列型送受波器１は、多面体状の形状を有している必要はなく、複数の両面放射型送受波手段２が、多面体（あるいは、仮想の多面体）の面上に（立体的に）配列されていればよい。

また、筐体３は、１２個の各面のほぼ中央部に、一つの両面放射型送受波手段２が取り付けられている。これにより、立体配列型送受波器１は、全方位に対して、探知や通信を行うことができる。
なお、通常、多面体の全ての面上の位置に、それぞれ一つの両面放射型送受波手段２が設けられるが、これに限定されるものではない。たとえば、多面体の少なくとも二つの面に、それぞれ一つの両面放射型送受波手段２が設けられていてもよい。また、図示してないが、多面体の一つの面に、二つ以上の両面放射型送受波手段２を設けてもよい。

（両面放射型送受波手段）
図２は、本発明の第一実施形態にかかる立体配列型送受波器の、両面放射型送受波手段の概略拡大図であり、（ａ）は斜視図を示しており、（ｂ）は断面図を示している。
図２において、両面放射型送受波手段２は、基部２０、振動板２１、圧電セラミック２２及び水密モールド２３などを有している。
振動板２１は、金属などの弾性体からなる円板としてあり、周縁部が、基部２０とつながっている。基部２０は、通常、金属などの弾性体からなる円環状部材であり、振動板２１とともに機械加工により形成される（すなわち、振動板２１の周縁部が、基部２０に固定されている）。このようにして形成された一対の基部２０及び振動板２１は、基部２０どうしが溶接などによって接合される。これにより、所定の隙間をあけて対向する一対の振動板２１を、容易に、かつ、機械的強度（特に、振動板２１の周縁部と基部２０とがつながっている部分の機械的強度）に優れた状態で形成することができる。また、振動板２１の周縁部が、基部２０に固定されていることによって、振動板２１が変形しすぎることを抑制でき、圧電セラミック２２が割れるといった不具合を回避することができる。
なお、上記の構造は、これに限定されるものではなく、一対の振動板２１が、所定の隙間をあけて対向する構造であればよい。

圧電セラミック２２は、振動板２１とほぼ同じ、あるいは、僅かに小さい直径を有する円板状であり、一対の振動板２１の各外側の振動面上に設けられている。この圧電セラミック２２は、振動板２１を振動させ、あるいは、振動板２１の振動を検出する。また、このように振動板２１の外側の振動面上に圧電セラミック２２を設けることにより、圧電セラミック２２を駆動する配線（図示せず）などを容易に引き回すことができ、製造原価のコストダウンを図ることができる。
なお、振動板２１や圧電セラミック２２の直径や厚さは、適宜、設定される。
また、上記の両面放射型送受波手段２は、代表的な構成のものであり、図示してないが、様々な構成の両面放射型送受波器（たとえば、上述した特許文献１に開示された両面放射型送受波器）を、両面放射型送受波手段２として用いることができる。

上述した一対の振動板２１や圧電セラミック２２などは、ゴムなどからなる水密モールド２３によって覆われている。このようにすると、立体配列型送受波器１の全体を水密モールドする場合と比べると、製造原価のコストダウンを図ることができるとともに、水密モールドの信頼性を向上させることができる。

次に、上記構成の立体配列型送受波器１の動作などについて、図面を参照して説明する。
まず、両面放射型送受波手段２の振動モードについて説明する。
図３は、本発明の第一実施形態にかかる立体配列型送受波器の、両面放射型送受波手段の振動モードを説明するための概略拡大図を示している。
図３において、両面放射型送受波手段２は、一般的に、音響放射面２４が屈曲振動モードで振動する。この振動モードは、呼吸振動と比べると、小型で低い共振周波数の実現が可能であり、両面放射型送受波手段２は、振動子としての振動板２１の直径の５倍程度の波長で、共振する設計が実現している。

したがって、立体配列型送受波器１は、その直径（立体配列型送受波器１に外接する仮想球の直径）が、両面放射型送受波手段２の直径の２倍程度であるから、目標とする共振周波数の波長の２分の1程度（たとえば、２ｋＨｚの共振周波数を持つ立体配列型送受波器１を実現するには、直径が３０ｃｍ程度）となる。すなわち、上述した球形送受波器１０１は、２ｋＨｚの共振周波数を持つ送受波器を実現するには、直径が７５ｃｍ程度となるのと比べると、本実施形態の立体配列型送受波器１は、直径が３０ｃｍ程度となるので、大幅な小型化が可能である。

次に、立体配列型送受波器１の音響放射状態について説明する。
図４は、本発明の第一実施形態にかかる立体配列型送受波器の音響放射状態を説明するための概略斜視図を示している。
図４において、立体配列型送受波器１は、全ての両面放射型送受波手段２が同位相で駆動されることによって、全方向に音響放射が行われる。すなわち、立体配列型送受波器１は、全指向性送受波器を実現することができる。また、立体配列型送受波器１の共振周波数は、両面放射型送受波手段２の共振周波数によってほぼ決定されることから、容易に低周波数化を実現することができる。

以上説明したように、本実施形態の立体配列型送受波器１によれば、１２個の両面放射型送受波手段２をほぼ正１２面体状の筐体３の各面に配設することにより、小型化が可能であり、かつ、低周波の大きな音響出力を発生することができる。したがって、水中における遠距離探知や遠距離通信を好適に行うことができる。

［立体配列型送受波器の第二実施形態］
図５は、本発明の第二実施形態にかかる立体配列型送受波器の概略斜視図を示している。
図５において、本実施形態の立体配列型送受波器１ａは、上述した第一実施形態の立体配列型送受波器１と比べると、ほぼ正６面体状の筐体３ａの各面に、一つの両面放射型送受波手段２が配設されている点などが相違する。なお、本実施形態の他の構成は、立体配列型送受波器１とほぼ同様としてある。
したがって、図５において、図１と同様の構成部分については同一の符号を付して、その詳細な説明を省略する。

上記構成の立体配列型送受波器１ａの動作などについて、図面を参照して説明する。
図６は、本発明の第二実施形態にかかる立体配列型送受波器の作動状態を説明するための要部の概略拡大図を示している。
図６において、立体配列型送受波器１ａは、両面放射型送受波手段２を作動させると、立体的に配列された両面放射型送受波手段２の内側の内部媒質４にも音響放射される。この場合、内部媒質４の大きさは、共振周波数の５分の1から４分の１程度である。なお、上述した立体配列型送受波器１においても、２分の1程度である。したがって、内部媒質４の音圧分布は、ほぼ一定であり、複数の両面放射型送受波手段２の内面に対し同位相の大きな音響負荷が加わることとなる。

一般的に、機械音響変換能率η_ｍａは、式（１）で示される。
η_ｍａ=(ｒ_０／(ｒ_０＋ｒ_１)) 式（１）
なお、式（１）において、ｒ_１は振動子の内部機械抵抗であり、ｒ_０は音響負荷抵抗である。

本実施形態の立体配列型送受波器１ａにおいて、各両面放射型送受波手段２の外側の音響放射面２４の音響負荷抵抗は、両面放射型送受波手段２を単体で駆動する場合の片面の音響負荷抵抗と同一であるが、内側の音響放射面２４の音響負荷抵抗は、他の両面放射型送受波手段２と同位相で、小さな空間の音響媒質（内部媒質４）に音圧を加えることとなり、非常に大きな音響負荷抵抗が両面放射型送受波手段２に加わることとなる。したがって、立体配列型送受波器１ａは、単体の両面放射型送受波手段２より高い機械音響変換能率を得ることができる。これにより、大出力の音響放射を効率よく行うことができる。
なお、上述した立体配列型送受波器１についても、立体配列型送受波器１ａと比べると、機械音響変換能率が低下するものの、単体の両面放射型送受波手段２より高い機械音響変換能率を得ることができる。

以上説明したように、本実施形態の立体配列型送受波器１ａによれば、第一実施形態の立体配列型送受波器１とほぼ同様の効果を奏するとともに、単体の両面放射型送受波手段２より高い機械音響変換能率を得ることができる。したがって、水中における遠距離探知や遠距離通信を好適に行うことができる。

［立体配列型送受波器を備えた装置の一実施形態］
また、本発明は、立体配列型送受波器を備えた装置の発明としても有効である。
本実施形態の立体配列型送受波器を備えた装置は、図示してないが、上述した立体配列型送受波器１を備えた構成としてある。すなわち、立体配列型送受波器１を備えた装置は、小型化が可能であり、かつ、低周波の大きな音響出力を発生することができる。したがって、水中における遠距離探知や遠距離通信を好適に行うことができる。
なお、立体配列型送受波器１を備えた装置として、海洋音響トモグラフィー装置、海洋水中音響通信装置、潜水艦探知のためのソーナーなどが挙げられる。

以上説明したように、本実施形態の立体配列型送受波器を備えた装置によれば、小型化が可能であり、かつ、低周波の大きな音響出力を発生することができる。したがって、水中における遠距離探知や遠距離通信を行うことが可能なソーナーや水中音響通信装置を提供することができる。
なお、立体配列型送受波器を備えた装置は、上述したソーナーや水中音響通信装置に限定されるものではない。たとえば、ソーナーや水中音響通信装置を備えた船舶なども、立体配列型送受波器を備えた装置に含まれる。

以上、本発明の立体配列型送受波器、及び、立体配列型送受波器を備えた装置について、好ましい実施形態を示して説明したが、本発明に係る立体配列型送受波器、及び、立体配列型送受波器を備えた装置は、上述した実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の範囲で種々の変更実施が可能であることは言うまでもない。
例えば、上述した実施形態では、ほぼ正１２面体状の筐体３やほぼ正６面体状の筐体３ａの各面に、一つの両面放射型送受波手段２を配設した構成としてあるが、これに限定されるものではない。たとえば、このほかの正多面体の面上に、両面放射型送受波手段２を配置したり、あるいは、他の多面体の面上に、両面放射型送受波手段２を配置してもよい。このようにすると、使用状況に応じた立体配列型送受波器、及び、立体配列型送受波器を備えた装置を実現することができる。

また、本発明の立体配列型送受波器は、水中において低周波数であり、かつ、大出力の音響出力を用いる分野に利用することができる。たとえば、海洋音響トモグラフィー用の音源、海洋水中音響通信等の音源、潜水艦探知のためのソーナーの音源等として、好適に適用することができる。

１、１ａ 立体配列型送受波器
２ 両面放射型送受波手段
３、３ａ 筐体
４ 内部媒質
２０ 基部
２１ 振動板
２２ 圧電セラミック
２３ 水密モールド
２４ 音響放射面
１０１ 球形送受波器
１０２ 圧電セラミック
１０３ 水密モールド

Claims (10)

1. 両面放射型送受波手段が、多面体の少なくとも二つの面上に配設されたことを特徴とする立体配列型送受波器。
2. 前記両面放射型送受波手段が、同位相で駆動されることを特徴とする請求項１に記載の立体配列型送受波器。
3. 前記多面体が、正多面体であることを特徴とする請求項１又は２に記載の立体配列型送受波器。
4. 前記両面放射型送受波手段が、多面体状の筐体に取り付けられたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の立体配列型送受波器。
5. 前記両面放射型送受波手段が、対向する一対の振動板と、前記振動板を振動させ、及び／又は、前記振動板の振動を検出する圧電セラミックとを有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の立体配列型送受波器。
6. 前記圧電セラミックが、板状であり、前記振動板の振動面上に設けられたことを特徴とする請求項５に記載の立体配列型送受波器。
7. 前記両面放射型送受波手段が、基部を有し、前記振動板の周縁部が、前記基部に固定されていることを特徴とする請求項５又は６に記載の立体配列型送受波器。
8. 前記両面放射型送受波手段が、水密モールドを有することを特徴とする請求項５〜７のいずれか一項に記載の立体配列型送受波器。
9. 両面放射型送受波手段が多面体の少なくとも二つの面上に配設された立体配列型送受波器を、備えたことを特徴とする立体配列型送受波器を備えた装置。
10. 前記両面放射型送受波手段が、同位相で駆動されることを特徴とする請求項９に記載の立体配列型送受波器を備えた装置。

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