JP2011077631A - 音響トランスデューサ - Google Patents

Abstract

【課題】低周波数の音響放射を可能にし、さらに、液体中に放射させる音響放射効率を向上させた、音響トランスデューサを提供する。
【解決手段】本発明の音響トランスデューサは、少なくとも１つの板状圧電振動子２と振動板３からなる少なくとも１つの屈曲振動体１で構成された屈曲振動モジュール７と、屈曲振動モジュール７を支持する支持部材９とを有する。また、複数の屈曲振動モジュール７が筒形状に配列されており、支持部材９は、筒形状に配列された屈曲振動モジュール７の中心に設けられたシャフト８から放射状に延び、隣接する屈曲振動モジュール７のそれぞれの振動板３の端部と接合している。
【選択図】図１

Description

本発明は、音響トランスデューサに関し、特に水中に音響放射が可能な音響トランスデューサに関する。

海底地殻観察などの海洋調査のように、水中を観測する場合には、光や電波ではなく音波が利用される。光や電波は水中では減衰しやすく、音波は水中でも非常に減衰しにくいからである。そこで、水中で音波を発生させる装置として、振動子を利用した音響トランスデューサが利用される。

音響トランスデューサには様々な種類がある。関連技術の一例として、中空の円筒形圧電振動子を用いる音響トランスデューサがある（例えば非特許文献１）。円筒形圧電振動子の内外面に電極を施し、厚さ方向、すなわち内外面電極間で分極し、内外面電極間に電圧を印加することで円筒形圧電振動子が半径方向で内側または外側に一様に変位する呼吸振動が励起される。この呼吸振動を利用し、円筒形圧電振動子の側面から液体へ音響を放射する。フリーフラッド構造の場合は、側面から音響を放射するほかに、中空部の内面から中空部内の液体に音響を放射し、液体の水柱共振を利用してさらに音響を外部に放射している。

関連技術の他の一例を説明する。図１９は、屈曲振動モジュールを筒形状に配置した音響トランスデューサの概略図であり、（ａ）は外観の概略図、（ｂ）はＡＡ’断面の概略図である。板状圧電振動子１０２の内外面に電極１０４が配置され、電極１０４の一方の面と振動板１０３が接合されて屈曲振動モジュール１０１が構成されている。この関連技術の音響トランスデューサは、屈曲振動モジュール１０１が筒形状に配置され、隣り合う屈曲振動モジュール１０１同士が接合されている（例えば特許文献１）。なお、屈曲振動モジュール１０１には、防水構造１１０が施されている。各屈曲振動モジュール１０１が屈曲振動モジュール１０１の厚さ方向に前後に屈曲を繰り返すことで、周囲の液体に音響を放射したり、屈曲振動モジュール１０１で囲まれた筒形状の内部の液体の水柱共振を利用して音響を放射したりする。

関連技術のさらに他の一例を説明する。図２０は、バレルステーブ型音響トランスデューサの概略図であり、（ａ）は外観の概略図、（ｂ）は屈曲振動モジュール１０１の断面の概略図、（ｃ）は内部の概略図である。なお、図示していないが、実際は外面すべて防水構造が施されている。

バレルステーブ型音響トランスデューサは、図２０（ａ）に示すように、複数の屈曲振動モジュール１０１が筒形状に配列され、隣り合う屈曲振動モジュール１０１同士は接合されず隙間１０５が設けられ、屈曲振動モジュール１０１の両端部がエンドプレート１０６に固定されている。

屈曲振動モジュール１０１は、図２０（ｂ）に示すように、板状圧電振動子１０２の両面に電極１０４が設けられ、一方の面が振動板１０３に接合されて構成されている。

図２０（ｃ）に示すように、エンドプレート１０６間の間隔が変化しないように、エンドプレート１０６は支持柱１０７により支持されている。

本構造の音響トランスデューサは、図２１に示すように、振動板１０３のエンドプレート１０６に接合した部分を支点として、振動板１０３がたわみ振動を行うため、隙間１０５が設けられている。

さらに、バレルステーブ型の変形としてディアボロ型と呼ばれる音響トランスデューサについて説明する（例えば特許文献２）。図２２は、ディアボロ型音響トランスデューサの概略図であり、（ａ）は外観の概略図、（ｂ）は（ａ）のＡＡ’断面の概略図である。

複数の振動板１０３が筒形状に配置され、振動板１０３の両端部はエンドプレート１０６に固定されている。また、エンドプレート１０６同士の間には、軸方向に円筒形圧電振動子１０９が積層されている。さらに中心軸がずれないように、エンドプレート１０６間にはシャフト１０８が設けられている。隣り合う振動板１０３同士は接合せず、隙間１０５を有している。振動板１０３は中心軸に向かって湾曲している。

エンドプレート１０６間に設けられた円筒形圧電振動子１０９が軸方向に伸縮する。図２３に、図２２に示す円筒形圧電素子１０９が軸方向に伸縮するときのエンドプレート１０６と振動板１０３の様子を示し、（ａ）が縮んだとき、（ｂ）が伸びたときである。なお、破線で示されているのが、伸縮していないときの状態である。

図２３（ａ）に示すように、円筒形圧電振動子１０９が軸方向に縮むときは、エンドプレート１０６同士の間隔が小さくなる。それにともない、中心軸に向かって湾曲した振動板１０３がさらに湾曲する。

図２３（ｂ）に示すように、円筒形圧電振動子１０９が軸方向に伸びるときには、エンドプレート１０６同士の間隔が大きくなる。それにともない、中心軸に向かって湾曲した振動板１０３は軸方向に伸ばされ、湾曲が小さくなる。

ディアボロ型音響トランスデューサでは、このように円筒形圧電振動子１０９が軸方向に伸縮することで、振動板１０３が中心軸に向かってさらに湾曲、または軸方向に伸びて湾曲が小さくなる、という屈曲運動の繰り返しが振動となる。また、振動板１０３の屈曲運動は、隣り合う振動板１０３同士を接合していては困難であるため、隙間１０５を設けたほうが良い。

なお、図示していないが、バレルステーブ型音響トランスデューサ、ディアボロ型音響トランスデューサともに、全体を合成樹脂やゴムなどで覆う防水構造が施されている。

特開平２−２３８７９９号公報 米国特許第４９２２４７０号公報

海洋音響の基礎と応用，海洋音響学会編，成山堂書店発行，２００４年，ｐｐ．５８−６０

中空の円筒形圧電振動子の振動を直接利用する音響トランスデューサでは、円筒形圧電振動子からの音響の放射効率が一番良いのは、円筒形圧電振動子の円周方向の縦振動の一波長が円周の長さと一致する共振振動が発生するときである。一般に圧電振動子を構成する材料を伝わる音速が早いため、例えば、直径１０ｃｍの円筒形状では、約１０ｋＨｚの共振周波数となる。したがって、低周波数の効率の良い音響放射を行うためには、周波数の低下に伴い、一波長が長くなるため、より大きな直径の円筒形圧電振動子とすることが好ましく、音響トランスデューサが大型化してしまう。

また、円筒形圧電振動子の直径が小さく、共振周波数より低い呼吸振動周波数で使用せざるを得ない場合には、円筒形圧電振動子の厚さ、円筒形圧電振動子を構成する圧電材料の圧電定数、および印加電圧に応じて、一義的に呼吸振動の振幅が決定される。一般に低周波数の音響を放射するためには、高周波数の場合よりも大きな振幅が必要とされる。しかし、共振周波数よりも低い呼吸振動周波数で使用すると、呼吸振動の振幅が小さくなってしまい、効率の良い音響放射ができない。

このように、効率の良い低周波の音響放射を行うためには、円筒形圧電振動子の直径を大きくして、円筒形圧電振動子の共振周波数を低くすることが望まれる。ただし、寸法の制限から円筒形圧電振動子の直径をあまり大きくできず、共振周波数を十分小さくできない場合がある。

また、円筒形圧電振動子の呼吸振動で音響を放射する、フリーフラッド構造の音響トランスデューサでは、円筒形圧電振動子の軸方向において、外部に向かって膨らむ部分とへこむ部分が交互に発生する屈曲振動が生じる場合や、円筒形圧電振動子の周方向において、外部に向かって膨らむ部分とへこむ部分が交互に発生するたわみ振動が生じる場合がある。この屈曲運動は、円筒形圧電振動子の外面から放射する音響も内面から放射する音響もともに低下させるため、音響トランスデューサの音響放射効率が低下してしまう。

また、上記した関連技術の他の一例である屈曲振動モジュール１０１を筒形状に配置した音響トランスデューサでは、隣り合う屈曲振動モジュール１０１同士を接合している。図２４に、屈曲振動モジュール１０１を８つ用いた場合の音響トランスデューサの変位の一例を示す。図２４（ａ）に示すように、屈曲振動モジュール１０１が内側に凸になる場合には、接合部が外側に凸になり、図２４（ｂ）に示すように、屈曲振動モジュール１０１が外側に凸になる場合には、接合部が内側に凸になる場合がある。この場合、円周方向に外側に凸になる部分と、内側に凸になる部分が交互に形成される高次の屈曲運動が励起され、外部への音響放射が効率よく行えない。

バレルステーブ型音響トランスデューサは、屈曲振動モジュール１０１の振動板１０３の中央部分が最大変位となる。しかし、前述したように全体がゴムなどで覆われる防水構造が施されているため、この防水構造が、振動板１０３の振幅を妨げることがある。さらに、水圧が高いと音響トランスデューサの周囲の液体が防水構造を加圧し、より振動板１０３の振幅を妨げる。そのため、音響放射効率を向上させるのが困難である。

ディアボロ型音響トランスデューサは、前述のとおり、積層された円筒形圧電振動子１０９が軸方向に変位することで、エンドプレート１０６が変位させられ、エンドプレート１０６に両端部を固定されている振動板１０３が振動するようになっている。しかし、円筒形圧電振動子１０９の変位が振動板１０３に直接伝わらないので、駆動電圧に対する音響の放射効率があまりよくない。

本発明の目的は、上記課題である、低周波数の音響放射が困難であり、さらに、液体中に放射させる音響放射効率を向上させることが困難である、という問題を解決する、音響トランスデューサを提供することである。

本発明の音響トランスデューサは、少なくとも１つの板状圧電振動子と振動板からなる少なくとも１つの屈曲振動体で構成された屈曲振動モジュールと、屈曲振動モジュールを支持する支持部材とを有する。また、複数の屈曲振動モジュールが筒形状に配列されている。支持部材は、筒形状に配列された屈曲振動モジュールの中心に設けられたシャフトから放射状に延び、隣接する屈曲振動モジュールのそれぞれの振動板の端部と接合している。

本発明によると、音響トランスデューサは、複数の共振周波数を利用できるため、幅広い周波数帯で効率の良い音響放射を行うことができる。

本発明に係るホイール型音響トランスデューサの概略図であり、（ａ）は外観の概略図、（ｂ）は（ａ）のＸ部の断面の概略図である。 図１の音響トランスデューサの屈曲振動モジュールの変位の様子を示す図であり、（ａ）は外向きに変位する電圧を印加したとき、（ｂ）は内向きに変位する電圧を印加したときである。 ユニモルフ構造の屈曲振動体の概略図である。 バイモルフ構造の屈曲振動体の概略図である。 板状圧電振動子積層体を用いたユニモルフ構造の屈曲振動体の概略図である。 板状圧電振動子積層体を用いたバイモルフ構造の屈曲振動体の概略図である。 板状圧電振動子積層体の両端面にくさびを設け、ボルトで締める様子を示す概略図である。 支持部材と振動板との接合部を拡大した概略図である。 支持部材と振動板とをヒンジ構造で接合するときの様子を示す概略図である。 本発明に係る音響トランスデューサの他の一例の概略図であり、（ａ）は外観の概略図、（ｂ）は（ａ）のＹ部の断面の概略図である。 図１の音響トランスデューサのシャフトと支持部材のみの概略図を示す。 図１１の支持部材に圧電振動子積層体を用いたときの概略図を示す。 支持部材に圧電振動子積層体を用いた音響トランスデューサの概略図を示す。 圧電振動子積層体の分極方向を示す概略図である。 圧電振動子積層体を固定材で挟み、さらに張力材を巻きまわす様子を示す概略図である。 支持部材として圧電振動子積層体を用いた音響トランスデューサの変位の様子を示す概略図であり、（ａ）は屈曲振動モジュールが外側に凸になるとき、（ｂ）は屈曲振動モジュールが内側に凸になるときである。 屈曲振動体として、高さの高い屈曲振動体と高さの低い屈曲振動体を配置するときの様子を示す概略図である。 厚い板状圧電振動子と厚い振動板からなる厚い屈曲振動体と、薄い板状圧電振動子と薄い振動板からなる薄い屈曲振動体とで構成される屈曲振動モジュールを用いた音響トランスデューサの概略図であり、（ａ）は外観の外略図、（ｂ）は（ａ）のＺ部の断面の概略図である。 関連技術の屈曲振動モジュールを筒形状に配置した音響トランスデューサの一例の概略図であり、（ａ）は外観の概略図、（ｂ）はＡＡ’断面の概略図である。 関連技術のバレルステーブ型音響トランスデューサの一例の概略図であり、（ａ）は外観の概略図、（ｂ）は屈曲振動モジュールの断面の概略図、（ｃ）は内部の概略図である。 図２０の音響トランスデューサのたわみ振動の様子を示す概略図である。 関連技術のディアボロ型音響トランスデューサの一例の概略図であり、（ａ）は外観の概略図、（ｂ）は（ａ）のＡＡ’断面の概略図である。 図２２の音響トランスデューサの円筒形圧電素子が軸方向に伸縮するときのエンドプレートと振動板の様子を示し、（ａ）が縮んだとき、（ｂ）が伸びたときである。 屈曲振動モジュールを８つ用いた場合の音響トランスデューサの変位の一例であり、（ａ）は屈曲振動モジュールが内側に凸になる場合、（ｂ）は屈曲振動モジュールが外側に凸になる場合である。

以下に、添付の図面に基づき、本発明の実施の形態を説明する。なお、同一の機能を有する構成には添付図面中、同一の番号を付与し、その説明を省略することがある。

図１は、本発明に係るホイール（Ｗｈｅｅｌ）型音響トランスデューサの概略図であり、（ａ）は外観の概略図、（ｂ）は（ａ）のＸ部の断面の概略図である。なお、本発明の音響トランスデューサは、屈曲振動モジュール７全体に防水構造５が施されている。しかし、（ａ）においては、音響トランスデューサの構造がわかりやすいように防水構造５の一部分を省略している。

図１（ａ）に示すように、本実施形態の音響トランスデューサは、複数の屈曲振動体１が軸方向に積層され、１つの屈曲振動モジュール７が構成されており、複数の屈曲振動モジュール７が筒形状となるように配置されている。なお、屈曲振動モジュール７は、１つの屈曲振動体１のみで構成してもよい。また、図１（ａ）では示していないが、積層した屈曲振動体１同士の間には、緩衝材６が設けられている（図１（ｂ）参照）。屈曲振動モジュール７全体はゴムや合成樹脂などで覆う防水構造５が施されている。屈曲振動モジュール７で形成された筒の中心にはシャフト８が設けられており、シャフト８から屈曲振動モジュール７同士が隣接する部分まで支持部材９が設けられている。支持部材９は屈曲振動モジュール７の軸方向全体、つまり、屈曲振動モジュール７の側部同士が隣接している部分の上端から下端まで一体で設ける必要はなく、その上端および下端の範囲で複数に分けても良い。

屈曲振動体１は、図１（ｂ）に示すように、金属や樹脂などからなる振動板３の片側に板状圧電振動子２を貼付して構成されている（ユニモルフ構造、図３参照）。図１には示していないが、金属や樹脂などからなる振動板３の両側に板状圧電振動子２を貼付した構成であっても良い（バイモルフ構造、図４参照）。この屈曲振動体１同士を、緩衝材６を介しあるいは直接接合し、２つ以上配列することにより屈曲振動モジュール７が形成されている。なお上述したが、１つの屈曲振動体１で屈曲振動モジュール７を構成する場合は、緩衝材６は必要ない。また、屈曲振動体１の軸方向にリブを設けることで屈曲振動体１の軸方向の屈曲振動を抑制することができる。

板状圧電振動子２に電圧を印加すると、屈曲振動モジュール７が支持部材９を支点、すなわち節とした屈曲変位をする。図２（ａ）に示すように屈曲振動モジュール７が外向きに変位する電圧を印加した場合には、支持部材９は変位しないため、屈曲振動モジュール７は外向きに凸形状となる変位を発生する。図２（ｂ）に示すように屈曲振動モジュール７が内向きに変位する電圧を印加した場合には、支持部材９は変位しないため、内側に窪む変位をする。これにより板状圧電振動子２に交流電圧を印加することで屈曲振動モジュール７が内外方向に交互に屈曲振動をし、音響トランスデューサの外表面から外部への音響放射と、中空部内の液体に生じさせた水柱共振を利用した音響放射とを利用することができる。

ここで、本実施形態の音響トランスデューサの動作の詳細な説明をする。シャフト８から、隣り合う屈曲振動モジュール７の接合部に向けて設けられた支持部材９は、屈曲振動モジュール７の接合部を振動の支点とする機能を有する。屈曲振動モジュール７は印加された電圧により屈曲する。電圧の方向と屈曲する向きをすべての屈曲振動モジュール７で同様になるように後述する電極１０同士を接続することにより、筒形状に配列した屈曲振動モジュール７全体が外側に変位し液体を屈曲振動モジュール７の表面から外部へ押し出す。一方、印加電圧の方向が逆になるときには、屈曲振動モジュール７が一様に内側に変位し、屈曲振動モジュール７の外部から液体が屈曲振動モジュール７に向かって流れ込む。この屈曲振動モジュール７の変位の連続、すなわち振動により屈曲振動モジュール７の外表面からの音響放射が行なわれる。

また、音響トランスデューサの筒形状の中空部内にも液体が流入しており、屈曲振動モジュール７の振動により、中空部内の液体自身の共振である水柱共振が発生する。このような複数の屈曲振動モジュール７が筒形状に配列されている音響トランスデューサ全体が液体中に浸漬されるフリーフラッド構造の音響トランスデューサにおいては、これら音響トランスデューサの中空部内の液体への音響放射と、水柱共振の周波数を一致させることにより、音響トランスデューサ外部への効率のよい音響放射が可能となり、またこれらの共振周波数に若干差を持たせることにより広い周波数帯域をカバーする音響放射特性を持たせることができる。

本発明による音響トランスデューサの大きな特徴は支持部材９を設けたことにある。上述したように、支持部材９が設けられていないと、各屈曲振動モジュール７の両端の支持点（隣接する屈曲振動モジュール７の各端部）が動いてしまい、音響トランスデューサに高次の屈曲運動が励起される（図２４参照）。そのため、周方向に液体を外部に押し出す部分と流れ込む部分が交互に生じ、効率の良い音響放射ができない。

本発明では、屈曲振動モジュール７同士の隣接する部分に支持部材９が接合されているため、各屈曲振動モジュール７が振動しても、支持部材９との接合部は動かず、屈曲振動モジュール７が振動する際の節となる。そのため、各屈曲振動モジュール７が振動するときには、外部への液体の押し出しと、屈曲振動モジュール７表面への外部からの液体の流入とが規則的に交互に行われるため、効率の良い音響放射が行える。

屈曲振動体１には、さまざまな構造が可能である。以下に屈曲振動体１の構造について詳細に説明する。

屈曲振動体１の第１の実施例として、図３に振動板３の片面に板状圧電振動子２を貼付して、板状圧電振動子２の両面に電極１０を設けたユニモルフ構造の例を示す。なお、図３から、後述する図７においては、図中手前側が音響トランスデューサの軸方向上側であり、図中奥行き側が音響トランスデューサの軸方向下側である。

板状圧電振動子２は電極１０間、即ち厚さ方向に分極されており、この電極１０間に接続線１１により電圧を印加することで板状圧電振動子２が幅方向に伸縮する横方向振動モード（３１モード）で振動する。

屈曲振動体１の第２の実施例として、図４に振動板３の両面に板状圧電振動子２を貼付して、板状圧電振動子２のそれぞれ両面に電極１０を設けたバイモルフ構造の例を示す。

ここで板状圧電振動子２は電極１０間方向に分極され、かつその方向は振動板３を中心として対称方向となっている。この場合、一方の外側電極と他方の内側電極とを接続し、一方の内側電極と他方の外側電極とを接続し、それぞれの接続線１１間に電圧を印加する。また、ここでは図示していないが、板状圧電振動子２の分極方向を振動板３に対して非対称の方向にすることにより、２つの板状圧電振動子２の外側電極同士を接続し、また内側電極同士を接続しその間に接続線により電圧を印加することにより同様の効果を得ることができる。

屈曲振動体１の第３の実施例として、図５に、板状圧電振動子２として、小さな圧電振動子を積層した板状圧電振動子積層体２’を利用した構造を示す。

この板状圧電振動子積層体２’は、小さな圧電振動子同士の接合面に電極１０を設けて並列に並べた構造である。この場合、振動板３が絶縁体である場合には必要ないが、導体の場合には図示していないが絶縁層を設ける必要がある。ここで分極方向は電極１０間の方向であり、隣り合う圧電振動子の分極方向は交互に反対方向になるようにする。各電極１０の接続は分極の方向にあわせて１つおきに交互に接続した２本の接続線１１を介して電圧を加える。本実施例の圧電振動子は分極方向と電極１０間に発生する電界方向が同一でかつ伸縮方向も同じ方向となる縦方向振動モード（３３モード）で振動する。

ここで説明した構造は振動板３の片側に板状圧電振動子２として板状圧電振動子積層体２’を利用したユニモルフ構造である。しかしながら、図６に示すように３３モードを使用する場合でも３１モードを使用する場合と同様にバイモルフ構造とすることができる。圧電振動子の分極方向が、振動板３を挟んだ位置にある圧電振動子とは逆方向になるようにすることにより一方の側の板状圧電振動子積層体２’が縮小方向に変位し、他方の側の板状圧電振動子積層体２’が伸長方向に変位しようすることになる。その結果として屈曲振動体１がたわみ変形することになる。また図示していないが、分極方向を同一として電極１０の接続方向が逆になるようにすることによって同じ効果を得ることができる。

しかし、より大きな音響出力を得ようとする場合には、板状圧電振動子積層体２’の伸長側に変位したときに発生する引張り応力が問題になる。一般に圧電振動子の引張り応力には圧縮応力に対して１／１０以下の耐力しかない。そこで、板状圧電振動子積層体２’に圧縮圧力であるプリストレスを加えることにより伸長時の引張り応力の発生を低減することができる。ここでは図７に示すように板状圧電振動子積層体２’の両端面にくさび１２を設け、ボルト１３で締めることにより板状圧電振動子積層体２’に静的な圧縮バイアス応力を加えることができる。また図示していないが、板状圧電振動子積層体２’そのものに貫通穴を設けボルトを通して圧縮バイアスを加える、あるいは板状圧電振動子積層体２’の両端にブロックを設け、この２つのブロックを板状圧電振動子積層体２’に沿って設けたボルトにより圧縮バイアスを加えるなどの方法とすることもできる。

次に、屈曲振動モジュール７と支持部材９との接合部について説明する。

図８に、支持部材９とユニモルフ構造の屈曲振動モジュール７との接合部１７を拡大した概略図を示す。隣接する屈曲振動モジュール７の振動板３と支持部材９とが接合部１７で接合されている。つまり、隣り合う振動板３同士を直接接合する必要がないため、隣り合う振動板３同士は間隔を有しており、支持部材９を介して隣り合う振動板３同士が接合される構造になっている。

振動板３と支持部材９とを削りだしなどで一体形成とする構造も可能である。この構造とすれば筒形状に配列した屈曲振動モジュール７の対称性がより良くなり、さらに安定した性能を得ることができる。

なおユニモルフ構造の屈曲振動体１からなる屈曲振動モジュール７であれば、振動板３の外側のみに板状圧電振動子２を設けることにより、音響トランスデューサの外表面には周囲の液体からの絶縁を保つための防水構造５が必要であるが、内面には電極部が無いため防水構造５を施さなくてもよい。

上記構造では振動板３と支持部材９は固定構造であることから、振動板３が振動すると振動板３と支持部材９との接合部１７を固定支持した構造となり、接合部近傍では屈曲振動モジュール７の変位が拘束される。

そこで図９に示すように振動板３と支持部材９との接合部１７の接合をヒンジ構造１６とする。このようにすることで、支持部材９は振動板３を自由支持した構造となり、接合部１７近傍では屈曲振動モジュール７の変位が拘束されることはなく、共振周波数を低下させやすい。本構造はバイモルフ構造に対しても適用可能である。

本発明に係る音響トランスデューサの他の一例について説明する。

図１０は、本発明に係る音響トランスデューサの他の一例の概略図であり、（ａ）は外観の概略図、（ｂ）は（ａ）のＹ部の断面の概略図である。なお、本発明の音響トランスデューサは、屈曲振動モジュール７全体に防水構造５が施されている。しかし、（ａ）においては、音響トランスデューサの構造がわかりやすいように防水構造５の一部分を省略している。また、上述の実施形態と同様な構造については説明を省略ずる。

図１０（ａ）に示すように、本実施形態の音響トランスデューサは、複数の屈曲振動体１が軸方向に積層され、１つの屈曲振動モジュール７が構成されており、複数の屈曲振動モジュール７が筒形状となるように配置されている。なお、屈曲振動モジュール７は、１つの屈曲振動体１のみで構成してもよい。また、図示していないが、積層した屈曲振動体１同士の間には、緩衝材６が設けられている。

前述の実施形態で示したフリーフラッド型音響トランスデューサとは異なり、両端部には、エンドプレート１４が設けられている。また、図１０（ｂ）に示すように、エンドプレート１４と両端部に位置する屈曲振動体１との間にはエンドプレート１４が屈曲振動体１の変位を阻害しないように緩衝材６’が設けられている。そのほかの構造は上述の実施形態と同様である。なお、図１０（ａ）では、緩衝材６、６’を省略している。

本実施形態の音響トランスデューサは、エンドプレート１４が設けられていることで、音響トランスデューサ内部への水の流入を避け、音響トランスデューサの外表面からのみ音響を放射することができる。

また、エンドプレート付き音響トランスデューサは、比較的浅い水深で安定した性能を発揮することができる。水深が深いところで使用する場合には、エンドプレート９と緩衝材６’が押し縮められて隣接する振動体３の振動を妨げることになる。そのため、深い水深では、上述したフリーフラッド型音響トランスデューサの使用が好ましい。

本発明に係る音響トランスデューサのさらに他の一例を説明する。

本実施形態は、支持部材９として圧電振動子の積層体９’を利用し、屈曲振動モジュール７を半径方向に変位させるものである。

図１１に、図１に示した音響トランスデューサのシャフト８と支持部材９のみの概略図、図１２に、図１１に示した支持部材９として圧電振動子を積層させた圧電振動子積層体９’を用いたときの概略図を示す。なお、防水構造５については図示していない。

上述した実施形態では、図１１に示すようにシャフト８から放射状に支持部材９が設けられている。これに対し、本実施形態では、図１２に示すように支持部材９が圧電振動子積層体９’で形成されている。

支持部材９として圧電振動子積層体９’を利用した場合、圧電振動子の電極間の短絡を防ぐために、防水構造（不図示）を設ける必要がある。

図１３に、支持部材９に圧電振動子積層体９’を用いた音響トランスデューサを示す。なお、防水構造については図示していない。

圧電振動子積層体９’の一方の端部はシャフト８と接合しており、他方の端部は屈曲振動モジュール７と接合している。なお、前述の実施形態と同様に、振動板３と屈曲圧電振動子２とで構成される屈曲振動体１を利用する屈曲振動モジュール７を筒形状に配置するのが好ましいが、屈曲振動モジュール７の代わりに屈曲圧電振動子２を接合していない振動板３のみを筒形状に配置しても良い。

図１４に示すように、圧電振動子積層体９’の圧電振動子同士の間には電極１０が設けられており、電極１０を１つおきに交互に接続するように接続線１１が設けられている。分極方向は、積層方向であり、かつ隣り合う振動子同士の分極方向が逆になるようにする。

このようにすることで、接続線１１に電圧を印加することで、圧電振動子積層体９’は半径方向に同時に伸縮する。この伸縮による変位を屈曲振動モジュール７に伝えることで屈曲振動モジュールを振動させ外部に音響放射を行う。

上述の実施形態と同様に、圧電振動子積層体９’には引張り応力が加わらない構造とすることが望ましく、その実現方法として、図１５に示すように、圧電振動子積層体９’を固定材１８で挟み、さらにガラスファイバやカーボンファイバなどの張力材１５を巻きまわすことにより圧縮バイアスを印加することができる。また、張力材１５ではなく、上述の実施形態と同様に圧電振動子積層体９’を貫通したボルトで圧縮バイアスを加えることもできる。

本実施形態では、屈曲振動モジュール７自身の振動とともに、圧電振動子積層体９’の伸縮によって励起される屈曲振動モジュール７の振動を利用することにより、屈曲振動モジュール７の共振周波数、水柱共振の共振周波数、および圧電振動子積層体９’が屈曲振動モジュール全体を半径方向に一様に振動させる共振の共振周波数の３つの共振周波数を使用することができる。この３つの共振周波数を少しずつずらし、またその位相関係を適切に設定することにより、より広帯域の音響放射が可能となる。また、本実施形態によれば、屈曲振動モジュール７の支点、つまり圧電振動子積層体９’と屈曲振動モジュール７の振動板３との接合部を屈曲振動モジュール７の共振にあわせて変位させることも可能であり、より大きな音響出力の放射が可能となる。

図１６は、支持部材９として圧電振動子積層体９’を用いた音響トランスデューサの変位の様子を示す概略図であり、（ａ）は屈曲振動モジュール７が外側に凸になるとき、（ｂ）は屈曲振動モジュール７が内側に凸になるときである。

図１６（ａ）に示すように、屈曲振動モジュール７が外に凸になるとき、圧電振動子積層体９’が支持部を半径方向外側に押し出す変位をする。そして、図１６（ｂ）に示すように、屈曲振動モジュール７が内に凸になるとき、圧電振動子積層体９’が支持部を半径方向内側に引き込む変位をする。このような動きをすることで、音響トランスデューサの外表面付近の液体をより大きく変位させることが可能である。

本発明に係る音響トランスデューサのさらに他の一例を説明する。

屈曲振動体１の高さあるいは振動板３や板状圧電振動子２の厚さに分布を持たせることが可能である。一般にフリーフラッド構造の音響トランスデューサは、中空部内の圧力分布は軸方向で中心が高く両端面は低い。つまり、音響トランスデューサの軸方向の中央付近では、板状圧電振動子２の振動による振動板３の変位を妨げる反力が大きいため、振動板３の変位が小さくなる。さらに、１つの屈曲振動体１で屈曲振動モジュール７を構成すると、中央部での屈曲振動モジュール７の変位が小さくなり、それに伴い両端部での屈曲振動モジュール７の変位も小さくなり、音響トランスデューサ全体に影響を及ぼすことになる。

そこで図１７に示すように、屈曲振動体１として、端部付近には高さの高い屈曲振動体１ａを、軸方向中央部では高さの低い屈曲振動体１ｂを配置する。すなわち、屈曲振動モジュール７を構成する個々の屈曲振動体１の高さを、軸方向の位置に応じて異ならせる。それによって、中央部付近では液体に対してより強い力を加えることができるので、音響トランスデューサの最適な駆動力を確保することが可能となる。

図１８（ａ）に外観の外略図、図１８（ｂ）に（ａ）のＺ部の断面の概略図を示す音響トランスデューサのように、屈曲振動体１を構成する振動板３や板状圧電振動子２の厚さを軸方向の位置に応じて異ならせる。具体的には、厚い板状圧電振動子２ａと厚い振動板３ａで構成する厚い屈曲振動体１’と、薄い板状圧電振動子２ｂと薄い振動板３ｂで構成する薄い屈曲振動板１’’を利用する。音響トランスデューサの軸方向で中央部付近には厚い屈曲振動板１’を、端部付近には薄い屈曲振動板１’’を配置し、屈曲振動モジュール７を構成する。このようにすることで、軸方向で中央部付近では液体に対してより強い力を加えることができるので、音響トランスデューサの最適な駆動力を確保することが可能となる。

また、屈曲振動体１の高さと、板状圧電振動子２の厚さと、振動板３の厚さとを同時に変化させても構わない。

本発明による音響トランスデユーサは、水中において特に低周波数の高出力音波を発生することに利用できる。この低周波高出力音波を利用することにより、海中を航走する航走体の検知や、海底下の埋没物体の探知、海底下の地層構造の調査などに使用可能である。

１ 屈曲振動体
２ 板状圧電振動子
３ 振動板
７ 屈曲振動モジュール
８ シャフト
９ 支持部材

Claims (17)

1. 少なくとも１つの板状圧電振動子と振動板からなる少なくとも１つの屈曲振動体で構成された屈曲振動モジュールと、前記屈曲振動モジュールを支持する支持部材とを有する音響トランスデューサであり、
   複数の前記屈曲振動モジュールが筒形状に配列されており、前記支持部材は、筒形状に配列された前記屈曲振動モジュールの中心に設けられたシャフトから放射状に延び、隣接する前記屈曲振動モジュールのそれぞれの前記振動板の端部と接合していることを特徴とする、音響トランスデューサ。
2. 前記振動板と前記支持部材とはヒンジ構造で接合している、請求項１に記載の音響トランスデューサ。
3. 各々の前記屈曲振動モジュールは複数の前記屈曲振動体を含み、各々の前記屈曲振動モジュールを構成する個々の前記屈曲振動体の高さが軸方向位置に応じて異なっている、請求項１または２に記載の音響トランスデューサ。
4. 各々の前記屈曲振動モジュールは複数の前記屈曲振動体を含み、各々の前記屈曲振動モジュールを構成する個々の前記屈曲振動体の前記板状圧電振動子の厚さと前記振動板の厚さが軸方向位置に応じて異なっている、請求項１から３のいずれか１項に記載の音響トランスデューサ。
5. 前記屈曲振動体はユニモルフ構造で構成され、前記板状圧電振動子の両側に電極が設けられ、前記板状圧電振動子の分極方向は厚さ方向であり、かつ前記振動板とは逆向きになっている、請求項１から４のいずれか１項に記載の音響トランスデューサ。
6. 前記屈曲振動体はバイモルフ構造で構成され、各前記板状圧電振動子の両側に電極が設けられ、各前記板状圧電振動子の分極方向は厚さ方向であり、かつ前記振動板とは逆向きになっている、請求項１から４のいずれか１項に記載の音響トランスデューサ。
7. 前記屈曲振動体は複数の板状圧電振動子からなる板状圧電振動子積層体と前記振動板とからなるユニモルフ構造で構成され、前記板状圧電振動子積層体を構成している前記板状圧電振動子同士の接合面に電極が設けられ、１つおきに前記電極が接続され、前記板状圧電振動子の分極方向を前記電極間方向であり、かつ隣り合う分極方向同士が逆向きになっている、請求項１から４のいずれか１項に記載の音響トランスデューサ。
8. 前記屈曲振動体を複数の板状圧電振動子からなる板状圧電振動子積層体と前記振動板とからなるバイモルフ構造で構成され、前記板状圧電振動子積層体を構成している前記板状圧電振動子同士の接合面に電極が設けられ、１つおきに前記電極が接続され、前記板状圧電振動子の分極方向を前記電極間方向であり、かつ隣り合う分極方向同士が逆向きであり、さらに前記振動板を挟んで分極方向がお互いに逆向きになっている、請求項１から４のいずれか１項に記載の音響トランスデューサ。
9. 前記板状圧電振動子積層体の積層方向にプリストレスが加えられている、請求項７または８に記載の音響の放射方法。
10. 前記支持部材は、前記シャフトから放射状に圧電振動子が積層された圧電振動子積層体で構成されている、請求項１から９のいずれか１項に記載の音響トランスデューサ。
11. 前記圧電振動子積層体の積層方向にプリストレスが加えられている、請求項１０に記載の音響トランスデューサ。
12. 少なくとも１つの板状圧電振動子と振動板からなる少なくとも１つの屈曲振動体で構成された屈曲振動モジュールと、前記屈曲振動モジュールを支持する支持部材とを有する音響トランスデューサを利用した音響の放射方法であり、
    筒形状に配置した複数の前記屈曲振動モジュールに電圧を印加し、前記屈曲振動モジュールに、前記屈曲振動モジュールの中心に設けられシャフトから延びている前記支持部材と、隣接する前記屈曲振動モジュールのそれぞれの前記振動板の端部との接合部を節とした屈曲変位を生じさせる、音響の放射方法。
13. 前記振動板と前記支持部材とがヒンジ構造で接合され、接合部近傍で前記屈曲振動モジュールの変位が拘束されない状態で前記振動板を振動させる、請求項１２に記載の音響の放射方法。
14. 前記シャフトを複数の圧電振動子が積層された圧電振動子積層体で構成し、前記圧電振動子積層体に電圧を印加し、前記圧電振動子積層体を半径方向に伸縮させ前記屈曲振動モジュールを振動させる、請求項１２または１３に記載の音響の放射方法。
15. 分極方向を、前記圧電振動子同士の間に設けられた電極間方向であり、かつ隣り合う前記圧電振動子の分極方向が互いに逆向きになるようにし、前記電極に電圧を印加して、前記圧電振動子積層体を一様に伸縮させ、筒形状に配置された複数の前記屈曲振動モジュールを一様に筒形状の内側または外側に振動させる、請求項１４に記載の音響の放射方法。
16. 前記圧電振動子積層体が半径方向に伸びる変位のときに筒形状に配置された複数の前記屈曲振動モジュールを筒形状の外側に変位させ、前記圧電振動子積層体が半径方向に縮む変位のときに筒形状に配置された複数の前記屈曲振動モジュールを筒形状の内側に変位させる、請求項１４または１５に記載の音響の放射方法。
17. 前記圧電振動子積層体にプリストレスを加え、前記圧電振動子積層体の引っ張り応力を低減させた状態で前記圧電振動子積層体を半径方向に伸縮させる、請求項１４から１６のいずれか１項に記載の音響の放射方法。

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