JP2812309B2 - 板状振動体及び板状振動体を用いた送波器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、電気音響変換器
に関し、特にソーナー等に使用する板状振動体及び板状
振動体を用いた送波器に関する。

【０００２】

【従来の技術】ソーナによる水中物体や標的等の探知、
海洋資源の探査、海流の調査等の分野においては、低周
波の超音波が、水中での伝搬損失が少なく且つ遠方まで
伝搬する等の長所を有する点で利用されている。

【０００３】このような超音波放射用の送波器として、
電気機械エネルギー変換材料に圧電セラミックを用いた
圧電セラミック振動子形送波器が用いられている。特
に、振動発生効率が高く低周波の送波特性が良好な送波
器として、金属ディスクと圧電磁器等のアクティブ円板
体とを組み合わせた送波器構造により変位を拡大するよ
うにしたものが提案されている（特願平４−２２５６０
号、特願平４−１４７０２６号、特願平４−１４７０２
８号）。

【０００４】図５は、従来の板状振動体及びこれを組み
合わせた送波器である。板状振動体は、主面に窪みのあ
るアルミニウム合金等の金属ディスク２と、前記金属デ
ィスク２の窪みにはめ込み接着した圧電磁器のアクティ
ブ円板体１からなる板状振動体構成を有する。

【０００５】この板状振動体の駆動原理は、アクティブ
円板体１の両面に有する電極に駆動信号を印加すること
によりアクティブ円板体１を径方向に変位させ、この径
のひろがり振動によりアクティブ円板体１に接着する金
属ディスク２を窪み部の接着面を駆動して金属ディスク
２を屈曲させ、板状振動体全体の屈曲振動に変換するも
のである。

【０００６】また、送波器としては、板状振動体２枚を
周縁部において接合して構成する。実際の送波器として
は、周縁部の接合をＦＲＰ（Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏ
ｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ）により接合するか又はそ
の周囲を高硬度の材料の金属リングにより結合し金属リ
ング部をバネバンド等により固定する構造が採用され
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上述の板状振動体は、
比較的単純で薄型の基本構造を有しており、耐水圧特性
を劣化させることなく薄型、軽量化が可能な屈曲振動体
を実現できる点で利点を有し、前記板状振動体を２枚組
み合わせることにより効率のよい送波器を構成すること
ができる。

【０００８】しかしながら、従来の板状振動体の構造に
おいては、アクティブ円板体１と金属ディスク２との接
合面は全面が強固に接合されているため、アクティブ円
板体１の円周方向のひろがり振動が金属ディスク２の接
合面で拘束され、屈曲運動に効果的な径方向の伸縮も抑
制されることになり、アクティブ円板体１のひろがり運
動を屈曲運動に変換するうえでロスが生じるという問題
があった。

【０００９】また、従来の板状振動体の構造では、振動
周波数は金属ディスク２の硬度に依存するため選定した
金属ディスク２で決まる周波数をより低周波化すること
が困難であった。

【００１０】本発明は、アクティブ円板体のひろがり運
動を屈曲運動に効率よく変換することができ、且つ振動
の低周波化が容易な板状振動体及び該板状振動体を用い
た送波器を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明に係る板状振動体
は、ディスクと該ディスクに接着したアクティブ円板体
とからなる板状振動体において、前記ディスクにおける
前記アクティブ円板体との接着面にアクティブ円板体の
中心部より外周方向にむけて複数の溝を形成したことを
特徴とする。また、前記ディスクは一面に窪みを有する
金属ディスクとし該金属ディスクの窪みに前記アクティ
ブ円板体をはめ込まれた前記複数の溝を有する構成とす
ることができる。更に、前記アクティブ円板体は圧電磁
器を用いると好適である。

【００１２】また、本発明の送波器は、２枚の前記板状
振動体を用いその周縁部においてリングにより互いにア
クティブ円板体が外側面になるように結合したことを特
徴とする。そして、前記リングは各板状振動体に結合し
た２個のリングでなり互いの結合部の断面が凹凸形状を
有する構造とすることができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】次に、本発明の板状振動体の一実
施の形態として円盤状の振動体の例について図１（Ａ）
及び（Ｂ）を参照して説明する。図１（Ａ）は、本実施
の形態の板状振動体について圧電磁器のアクティブ円板
体が取り付けられた主面側からみた平面図であり、ま
た、同図（Ｂ）は板状振動体のイ−イ′面の断面図であ
る。

【００１４】本実施の形態においては、アクティブ円板
体１として円盤状の振動体を用いる。例えば、ジルコン
チタン酸鉛系圧電磁器等の圧電セラミック系の電気機械
エネルギー変換材料を用いた圧電磁器を用い、また、金
属ディスク２はアルミニウム合金等の金属でなる円盤状
のディスクを用いる。金属ディスク２の主面には円盤状
の圧電磁器のアクティブ円板体１がはめ込まれるように
対応する形状の窪みを有し、この窪みにはめ込まれた圧
電磁器のアクティブ円板体１と金属ディスク２とは接触
面において強固に接着され、その基本構造は前記従来例
とほぼ同様である。

【００１５】本実施の形態の板状振動体はその特徴とし
て、金属ディスク２は圧電磁器のアクティブ円板体１が
接着する円形面の中央から放射状に所定幅、所定の深さ
の溝を設けたところにある。即ち、図１（Ａ）に示すよ
うに金属ディスク２の主面側に円形の中心から半径方向
に複数の溝３を形成しており、このため、溝３の部分は
圧電磁器のアクティブ円板体１とは接合しない構造を有
している。

【００１６】次に、本実施の形態の板状振動体の振動の
駆動原理について説明する。

【００１７】従来例と同様に圧電磁器のアクティブ円板
体１には主面側及びその裏側にほぼ全面にわたる電極パ
ターン（図示せず）が形成されており、両電極間には所
定の周波数の駆動信号が印加される。このため、圧電磁
器のアクティブ円板体１は径方向の呼吸振動が生じ、こ
の結果、圧電磁器のアクティブ円板体１の表面は面積変
化を生じる。ここで圧電磁器のアクティブ円板体は金属
ディスク２と接着されているから圧電磁器のアクティブ
円板体１の前記面積変化が金属ディスク２の接着面を径
方向に拡大及び縮小することになり、金属ディスク２は
接着面がこれと直角の上下方向に屈曲するように駆動さ
れ従来例と同様に屈曲振動を起こすことになる。ここ
で、従来例のようにアクティブ円板体１が金属ディスク
２に全面において接着された構造では、板状振動体が屈
曲振動を起こすためには圧電磁器１の径方向の駆動に加
えて円周方向にも駆動力を必要とするため円板を曲げ難
く変位拡大の効率が悪い。

【００１８】本実施の形態においては、金属ディスク２
のアクティブ円板体１の接着面側に半径方向に所定の深
さの複数の溝を形成し、この溝部分はアクティブ円板体
１と接着しておらず、アクティブ円板体１からみて金属
ディスク２の円形面は実質上長方形に近い曲げやすい扇
型の板に分離され半径方向の伸縮の駆動力が有効に働
き、各扇形の板を効率的に曲げることが可能となる。

【００１９】また、この構成によれば、従来例の溝のな
い金属ディスク２に比べ複数の溝が形成されているた
め、全体として金属ディスクの剛性が低下しアクティブ
円板体１による同じ駆動力に対して金属ディスクの屈曲
振動の変位を大きくしうるものであることがわかる。

【００２０】更に、一般にこのような板状振動体による
振動（共振）周波数（ｆ）は、ｆ＝（１／２π）（ｓ／
ｍ）^1/2 （ｓ：ステフネス、ｍ：等価質量）の式により
表され、本実施の形態は、金属ディスクに溝を設けるこ
とにより金属ディスクの弾性率が低下し前記ｓを小さく
することができるので、前記式から分かるように振動
（共振）周波数が低くなり板状振動体の低周波化が実現
できる。

【００２１】本実施の形態の以上のような特性の傾向は
金属ディスクに形成する溝の数を増加するほど、また、
溝の深さを大きくとるほど顕著に現れる。

【００２２】図２及び図３は、本発明の他の実施の形態
を示すものである。図２は、金属ディスク２に形成する
溝の配置又は形状の各種の形態を示すものであり、図３
は、溝の深さ、形状の各種の形態を示すものである。こ
のような各種の溝の配置及び深さ方向等の形状を組み合
わせにより、板状振動体の屈曲モードを制御することも
できる。一般に板状振動体の屈曲振動は、基本的に中央
部を中心に媒体方向に生じる凹凸振動であるため、この
効率を高めるには溝の深さも中央部に向け深くなるよう
に形成するのが有効である。

【００２３】図４は、前記板状振動体を２枚用いて送波
器を構成した本発明の送波器の一実施の形態を示す図で
ある。

【００２４】本実施の形態は、主面が円形に窪み且つ窪
み内平面上に複数の溝を有するアルミニウム合金等の金
属ディスク２と、その窪み内部に円板状の圧電セラミッ
ク振動子（ＰＺＴ）をはめ込んだ円板状振動体を２枚の
高強度の材料により製作された金属ディスク２の円周近
傍に沿う金属リング３を介してアクティブ円板体１が互
いに外表面側となるように結合させた構造を採用してい
る。金属リングの詳細な形状、構造としては、各アクテ
ィブ円板体１に結合した２個のリングを用い、各リング
の結合部は、断面が互いにかみ合って結合する断面が円
形形状のそれぞれ凹凸部を有する。

【００２５】前記実施の形態の構成において、各アクテ
ィブ円板体１の圧電磁器のアクティブ円板体１には電極
間に駆動信号を印加し径方向の拡大及び縮小振動を同期
的に生じるようにして板状振動体に屈曲振動を起こさせ
る。前記金属リングの凹凸部構造により金属ディスク２
の周辺支持を行うことができるので、固定支持による振
動の拘束を回避しアクティブ円板体１と金属ディスク２
との一体的な振動を効率的且つハイパワー化することが
できる。そして、本実施の形態においては、各円板状振
動体が金属ディスク２に設けた溝構造を採用しているた
めに、金属ディスク２の剛性が低くなり屈曲運動が生じ
やすく、また、振動周波数は低周波化され極めて良好な
振動特性を得ることができる。

【００２６】上述の実施の形態においては、アクティブ
円板体の形状を円形もので説明したが、広がり振動を生
じる楕円形状又は矩形に近い形状等のものでよい。ま
た、アクティブ円板体は単一体のものに限られるもので
なく、複数の部分に区切られたものであっても広がり振
動を起こす構成のものであればよいことは前記原理から
明らかである。また、金属ディスクの材料はアルミニウ
ム合金のほかにステンレス鋼その他の金属が使用でき
る。

【００２７】

【発明の効果】本発明によれば、ディスクにおけるアク
ティブ円板体との接合面に複数の溝を設けているため
に、アクティブ円板体の径方向のひろがり運動が効率よ
くディスクに伝達され屈曲運動が生じやすく同じ駆動信
号によってよりハイパワー化が可能となる。また、ディ
スクの剛性が低下し振動周波数の低周波化が可能であり
良好な振動特性を得ることができる。また、板状振動体
として単純な構造を有するために送波器として薄型・軽
量化が実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態を説明する図である。図
１（Ａ）は、板状振動体主面側から見た平面図であり、
図１（Ｂ）は、イ−イ′面の断面図である。

【図２】本発明の金属ディスクの溝の配置の各種の形態
を示すものである。

【図３】本発明の金属ディスクの溝の深さ、形状の各種
の形態を示すものである。

【図４】本発明の送波器の一実施の形態を示す図であ
る。

【図５】従来の板状振動体を示す図である。

【符号の説明】

１ 圧電磁器 ２ 金属ディスク ３ 金属リング ４ 溝

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ディスクと該ディスクに接着したアクテ
   ィブ円板体とからなる板状振動体において、前記ディス
   クにおける前記アクティブ円板体との接着面にアクティ
   ブ円板体の中心部より外周方向にむけて複数の溝を形成
   したことを特徴とする板状振動体。
2. 【請求項２】 一面に窪みを有する金属ディスクと該金
   属ディスクの窪みにはめ込まれたアクティブ円板体とか
   らなる板状振動体において、金属ディスクの窪みにおけ
   る前記アクティブ円板体との接着面に径方向に複数の溝
   を形成したことを特徴とする板状振動体。
3. 【請求項３】 前記アクティブ円板体は圧電磁器で構成
   したことを特徴とする請求項１又は２記載の板状振動
   体。
4. 【請求項４】 ２枚の板状振動体をその周縁部において
   リングにより互いにアクティブ円板体が外側面になるよ
   うに結合したことを特徴とする請求項１、２又は３記載
   の板状振動体を用いた送波器。
5. 【請求項５】 前記リングは各板状振動体に結合した２
   個のリングでなり互いの結合部の断面が凹凸形状を有す
   ることを特徴とする請求項４記載の送波器。