JP2937172B2 - 振動送受波装置及び振動送受波方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、振動送受波装置及
び振動送受波方法に関するものであり、更に詳しくは、
電気音響変換装置であって、より具体的には、水中で使
用される振動送受波装置、例えばソーナー等に使用され
る指向性を持った水中送受波装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から、ソーナー等による水中物体や
標的等の探知、海洋資源の調査、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、遠方迄伝搬する等の長所を有する点で利用されてい
る。又、送受波器をアレイ配列する場合に於ける指向性
の形成等の観点から、音波を一方向のみに放射出来る半
楕円シェルを用いた片面放射型のフレックステンショナ
ル送受波器が提案されている。

【０００３】図４（Ａ）は、従来一般的に使用されてい
る片面放射型送受波器１の構成を示す図であり、振動駆
動源２と半楕円シェル部３とから構成されている。かか
る構成に於て、従来では、該半楕円シェル部３の長軸方
向に該振動駆動源２を配置し、該半楕円シェル部３の短
軸方向の片側の面を剛体４と接合又は一体成型した構造
としている。

【０００４】図４（Ｂ）に示す様に、該振動駆動源２を
駆動すると、該シェル部３による変位拡大機構により、
該シェル部３の短軸方向の片側の面５は、点線６で示す
様に大きく振動する。一方、該シェル部３の短軸方向の
もう一方の面は、該剛体４により拘束されているので、
振動を発生出来ない構造となっている。

【０００５】従って、該シェル部３の片面部５のみから
音波が放射される様な構造となっている。更に、かかる
従来の振動送受波装置に於いては、図４（Ｂ）に示す様
に、該シェル部３の両端部は、該剛体４により完全に固
定されているので、該振動駆動源２が、その長尺方向に
振動しようとしても、その両端部の変位が抑制されるこ
とから、当該振動駆動源２の振動は図４（Ｂ）の７の点
線で示される様な振動を発生する事になり、当該振動駆
動源２の振動効率が低下してしまうので、例えば電気音
響変換効率が低下すると言う問題が発生している。

【０００６】又、別の従来例として、特開平６−１０９
８３２号公報には、半楕円シェルの長軸方向に垂直な方
向、即ち短軸方向に当該シェル部を加振する方式を採用
している送受波器に付いて開示されている。係る振動送
受波装置は、比較的コンパクトな２個の振動駆動源をシ
ェル部の短軸径を中心として左右対象に設けた構造が示
されているが、当該振動駆動源の数が増加すると同時に
振動音響放射面が非対象となっており、電気音響変換効
率が低下すると同時に、軽量化、コンパクト化、が不可
能となると言う問題もあった。

【０００７】更に、特開平４−３３４１９９号公報に
は、水中超音波送受波器に関して記載されており、その
特徴としては、半楕円シェル部内に設けた振動駆動源
を、適宜のボルトを使用して該半楕円シェル部の長軸方
向端部に接合させ、水圧により発生する引っ張りに対す
る補強効果を持たせた構成が示されている。然しなが
ら、係る構成に於いては、長いボルトを該振動駆動源の
軸方向に貫通させる必要があり、構成が複雑となると同
時にコスト高にもなり、更には共振振動数も変化する等
の問題がなる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】つまり、上記した各従
来例に於ける第１の問題点としては、当該振動駆動源２
を縦振動のみの状態で駆動させる事が出来ず、余分な振
動モードが発生する事になり、その結果振動の変換効率
が低下することである。その理由は、従来の片面放射型
送受波器に於いては、何れの方式にしても、図４に示す
様に、振動駆動源の長軸方向からみて左右の構造が非対
称である為に、振動駆動源には左右非対称な負荷がかか
ることになる。

【０００９】その為、該振動駆動源には縦振動モードの
他に、図４（Ｂ）の破線７で示す様な曲げモーメント、
剪断モード等が発生し、効率を低下させる。又、横振動
の影響を低下させる為に該振動駆動源をコンパクトにし
ても、剪断モード等の影響を排除することは出来ない
為、やはり効率が低下する事になる。又、係る従来の送
受波器に於ける第２の問題点としては、該半楕円シェル
部を用いた両面放射型送受波器に比べると、音波の放射
効率が低い事である。

【００１０】その理由は、両面放射型送受波器は、最も
変位発生量の多い短軸方向の２つの面から音波を放射す
るのに対し、片面放射型送受波器に於いては、半楕円シ
ェル部の短軸方向の片側の面のみから音波を放射する
為、音響負荷が半分しか加わらないので音波の放射効率
が悪いからである。本発明の目的は、上記した従来技術
の欠点を改良し、簡単な構成で、電気音響変換効率が高
く、且つ指向性の高い振動送受波装置を提供するもので
ある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は上記した目的を
達成するため、以下に記載されたような技術構成を採用
するものである。即ち、本発明の第１の態様としては、
中空楕円形のシェル部と当該シェル部の内部に配置され
ている振動駆動源とから構成された振動送受波装置に於
いて、当該シェル部の長軸方向側の一端部の一部を剛体
部と置換せしめると共に、当該シェル部の長軸方向側の
他の端部と該剛体部との間に該振動駆動源を当該楕円形
の長軸と一致する様に固定して配置せしめた振動送受波
装置であり、又本発明に係る第２の態様としては、中空
楕円形のシェル部と当該シェル部の内部に配置されてい
る振動駆動源とから構成された振動送受波装置に於い
て、当該シェル部の長軸方向側の一端部の一部を欠落さ
せて当該欠落部分に剛体部を配置せしめ、当該シェル部
の長軸方向側の他の端部と該剛体部との間に設けた振動
駆動源を当該振動駆動源の長尺方向にのみ振動させる事
によって、指向性の高い振動波を送信若しくは受信する
様にした振動送受波方法である。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明に係る振動送受波装置は
０、上記した様な技術構成を採用しているので、シェル
部の形状の当該シェル部の長軸方向からみて左右対称で
ある為、振動駆動源の駆動力を該シェル部の左右は均等
に伝達させ、該振動駆動源に縦振動のみを発生させるも
のである。

【００１３】又、本発明に係る当該振動送受波装置は、
剛体部との接合点を該シェル部の振動に係るノード部と
一致する様に設定されているので、当該シェル部の振動
を該剛体が阻害せしめることなく、該シェル部がスムー
ズに振動出来る他、変位発生量の多い半楕円シェル部の
短軸方向の２面から音波が放射されるので、指向性の高
い、且つ電気音響変換効率が高い振動送受波装置を得る
事が可能となる。

【００１４】

【実施例】以下、本発明に係る振動送受波装置の具体例
について図面を参照して詳細に説明する。即ち、図１
は、本発明に係る振動送受波装置１０の一具体例の構成
を示す図であり、図中、中空楕円形のシェル部１２と当
該シェル部１２の内部に配置されている振動駆動源１１
とから構成された振動送受波装置１０に於いて、当該シ
ェル部１２の長軸方向側の一端部２１の一部を剛体部１
３と置換せしめると共に、当該シェル部１２の長軸方向
側の他の端部２０と該剛体部１３との間に該振動駆動源
１１を当該楕円形の長軸と一致する様に固定して配置せ
しめた振動送受波装置１０が示されている。

【００１５】即ち、本発明に於いては、当該シェル部１
２の該楕円形は、長軸方向及び短軸方向の何れにも対称
に形成された正規の楕円形である事が望ましい。又、本
発明に係る当該振動駆動源１１は、当該中空楕円形シェ
ル部１２の該長軸方向に一列に配置されており、当該長
軸方向にのみ振動出来る様に構成させているものであ
る。

【００１６】本発明に係る振動送受波装置１０のより詳
細な具体例を以下に説明すると、図１に於て、本発明に
係る振動送受波装置１０は、振動駆動源１１と半楕円シ
ェル部１２に於ける長軸方向の一方の端部２１を、適宜
の手段によって切り落とし、そこに、別に用意した振動
しない様に構成された剛体１３を取り付けたものとから
構成されている。

【００１７】本発明に於て使用される当該楕円シェル部
１２は、従来使用されているものと同様の金属材料で構
成される事が望ましい。又、本発明に於て使用される該
振動駆動源１１は、特に限定されるものではないが、従
来一般的に使用されている圧電型振動素子、例えばセラ
ミックタイプの圧電素子を使用する事が望ましい。

【００１８】本発明に係る振動送受波装置１０は、特に
水中で使用する際に優れた効果を発揮する事が出来るの
で、当該振動送受波装置１０を水中で使用するのに適す
る様に、当該楕円シェル部１２の両側面部に適宜の蓋部
１４を取り付けると同時に、当該剛体１３の後部に水密
容器１５および適宜の筐体部或いは船体底部等（図示せ
ず）への取付け金具１６が設けられている。

【００１９】更に、当該蓋部１４と該楕円シェル部１２
とを水密的状態に保持する為、当該蓋部１４と該楕円シ
ェル部１２とを適宜のモールド部材１９で被覆しておく
事も望ましい。又、上記具体例に於て、該振動駆動源１
１は、上記水密容器１５内に設けられたマッチングトラ
ンス１７を介して電気的に接続された水密ケーブル１８
から供給される電気エネルギーにより振動駆動される様
に構成されている。

【００２０】係る具体例に於ける該振動駆動源１１は、
該楕円シェル部の長軸方向に配置されているので、当該
シェル部１２がシェル部１２の長軸方向方向から見て左
右対称となる構造となる。又、本発明に於ける該楕円シ
ェル部１２と該剛体１３との接合点が、当該シェル部１
２のノード部となる様に当該シェル部の形状、厚み、材
質を選択する事が望ましい。

【００２１】そして、当該楕円シェル部１２の短軸方向
の面を音響放射面として使用する事が可能となるので、
本発明に係る振動送受波装置１０は、音響放射面を２面
有する事になる。係る構造により、結果的には、当該振
動送受波装置１０の超音波の出力の指向方向は、当該シ
ェル部１２の長軸方向と一致する事になる。

【００２２】又、本発明に於いては、当該振動駆動源１
１は、当該シェル部１２の内部にはめ込まれており、従
って、当該シェル部１２の弾性力によって積極的に当該
振動駆動源１１に圧縮力が印加される事になり、所謂プ
リストレスが加えられる状態となるので、当該振動駆動
源１１の振動方向は、当該シェル部１２の長軸方向と一
致した方向となり、図４（Ｂ）に示す様な当該振動駆動
源１１の長軸方向と直角の方向への振動の発生は完全に
防止する事が可能となる。

【００２３】上記した様に、本発明に於ける振動送受波
装置１０に於いては、図２に示す様に、当該中空楕円形
のシェル部１２に於ける当該長軸方向の両側に存在し且
つ短軸方向側に膨出する部分Ｐ１、Ｐ２が音響放射面と
して機能する様に構成されているものである。更に、本
発明に係る該振動送受波装置１０に於いては、当該剛体
部１３は、当該シェル部１２の長軸方向側の一端部の一
部を欠落させた部分に任意の接合手段を介して接合固定
されているもので有って、当該中空楕円形のシェル部１
２と該剛体部１３との接合部分が、当該中空楕円形シェ
ル部１２の振動ノード部２３に相当する様に構成されて
いるものである。

【００２４】次に、本発明に係る振動送受波装置１０の
動作に付いて、図２を参照しながら説明する。図２に示
す様に、本発明に係る振動送受波装置１０の振動駆動源
１１に電力を供給すると該振動駆動源１１は、振動を開
始し、当該シェル部１２は、破線で示す状態と実線で示
す状態との間の振動を起こす。

【００２５】この時、該シェル部１２と該剛体１３との
接合部２４がノード部２３を形成しているので、当該剛
体１３は振動を起こさずに、且つ該シェル部１２の振動
を拘束しないので、該シェル部１２のみが自由に振動出
来る状態になる。又、該シェル部１２の形状が、該シェ
ル部１２の長軸方向からみて左右対称である為、当該振
動駆動源１１の駆動力を該シェル部１２の左右は均等に
伝達させ、該振動駆動源１１に縦振動のみを発生させ
る。

【００２６】一方、本発明に於いては、変位発生量の多
い楕円シェル部１２の短軸方向の２面から音波を放射す
る事が可能となる。本発明に係る振動送受波装置１０の
より詳細な具体例を以下に説明する。図１に於て、該振
動駆動源１１は、圧電セラミックを複数枚数積層した構
造に構成され、又該楕円シェル部１２は、正規の中空状
の楕円形状をしており、アルミ合金製で構成されたもの
であり、当該楕円形シェル部１２の長軸方向に於ける一
方の端部を切り落とし、その形状に於ける当該端部を切
り落とした端面にブロック状の剛体１３を接合したもの
である。

【００２７】又、当該楕円シェル部１２の両側にある蓋
部４と剛体１３の後ろに設けられた水密容器１５及び適
宜の筐体の取付け金具１６、そして当該振動駆動源１１
と該水密容器内に設置されたマッチングトランス１７を
介して電気的に接続された水密ケーブル１８にて構成さ
れている。又当該楕円シェル部１２と該蓋部１４とは水
密の為適宜の材料によりモールド１９されている。

【００２８】図３は、本発明に係る振動送受波装置１０
の他の具体例の構成を示す図であり、基本的な構成は、
図１と実質的に同一であるが、当該シェル部１２と該剛
体１３との接合部に於ける当該シェル部１２の肉圧を薄
く成るように、薄肉部２５を構成したものである。即
ち、図３に示される様に、本具体例に於ける該振動送受
波装置１０は、振動駆動源１１と楕円形状の長軸方向の
一方を剛体１３及び水密容器１５で構成した金属製の楕
円シェル部１２と該振動駆動源１１と水密容器内に設置
されたマッチングトランス７を介して電気的に接続され
た水密ケーブル１８にて構成されている。

【００２９】更に、当該振動送受波装置１１の全体を水
密の為、適宜の材料によってモールド１９されている。
次に、本具体例に於いては、当該楕円シェル部の形状に
於ける該シェル部１２と該剛体１３との接合部の肉厚が
他の部分の肉厚よりも薄くしたものである。これによっ
て、当該シェル部１２の長軸方向の長さを短くしても、
当該シェル部１２と該剛体１３との接合部にノード部を
設定する事が可能になるので、当該振動送受波装置１０
全体の寸法を小型化出来る。

【００３０】上記した説明より明らかな様に、本発明に
係る第２の態様である振動送受波方法としては、例え
ば、中空楕円形のシェル部と当該シェル部の内部に配置
されている振動駆動源とから構成された振動送受波装置
に於いて、当該シェル部の長軸方向側の一端部の一部を
欠落させて当該欠落部分に剛体部を配置せしめ、当該シ
ェル部の長軸方向側の他の端部と該剛体部との間に設け
た振動駆動源を当該振動駆動源の長尺方向にのみ振動さ
せる事によって、指向性の高い振動波を送信若しくは受
信する様にした振動送受波方法である。

【００３１】更に、本発明に於ける振動送受波方法に於
いては、当該中空楕円形のシェル部に於ける当該長軸方
向の両側に存在し且つ短軸方向側に膨出する部分が音響
放射面として機能する様に構成されている事が望まし
く、又当該中空楕円形のシェル部と該剛体部との接合部
分が、当該中空楕円形シェル部の振動ノード部に相当す
る様に構成して振動させる様に構成されている事も望ま
しい。

【００３２】

【発明の効果】本発明に係る振動送受波装置及び振動送
受波方法は、上記した様な構成を採用しているので、第
１の効果は、当該振動駆動源を縦振動のみの状態で駆動
出来る為、余分な振動モードが発生せず、電気音響変換
効率を大幅に向上させる事が可能となる。

【００３３】その理由は、当該シェル部１２の全体の形
状が、振動駆動源の長軸方向からみて左右対称である
為、振動駆動源の駆動力を該シェル部１２の左右へ均等
に伝達させ、振動駆動源に縦振動のみを発生させる様に
構成する事が出来るからである。又、本発明に於いて
は、変位発生量の多い楕円シェル部の短軸方向の２つの
面から音波を放射する事が可能となっているからであ
る。

【００３４】又本発明に於ける第２の効果は、従来の振
動送受波装置と比較して、音響放射面積を２倍に出来る
ので、音波の放射効率が高く維持出来る。その理由は、
該シェル部１２の形状が当該シェル部の長軸方向からみ
て左右対称であるため、最も変位量が多い短軸方向の２
つの面から音波を放射出来るからである。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明に係る振動送受波装置の一具体
例の構成を説明する斜視図である。

【図２】図２は、本発明に係る振動送受波装置に於ける
動作の例を説明する断面図である。

【図３】図３は、本発明に於ける振動送受波装置の他の
具体例の構成の例を示す断面図である。

【図４】図４（Ａ）〜図４（Ｂ）は、従来の振動送受波
装置の一具体例の構成及びその動作を説明する図であ
る。

【符号の説明】

１…振動送受波装置 ２…振動駆動源 ３…楕円形シェル部 ４…剛体部 １０…振動送受波装置 １１…振動駆動源 １２…シェル部 １３…剛体部 １４…蓋部 １５…水密部 １６…金具 １７…マッチングトランス １８…水密ケーブル ２０、２１…シェル部の長軸方向の端部 ２３…ノード部 ２４…接合部 ２５…薄肉部

Claims (13)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 中空楕円形のシェル部と当該シェル部の
   内部に配置されている振動駆動源とから構成された振動
   送受波装置に於いて、当該シェル部の長軸方向側の一端
   部の一部を剛体部と置換せしめると共に、当該シェル部
   の長軸方向側の他の端部と該剛体部との間に該振動駆動
   源を当該楕円形の長軸と一致する様に固定して配置せし
   めた事を特徴とする振動送受波装置。
2. 【請求項２】 当該シェル部の該楕円形は、正規の楕円
   形である事を特徴とする請求項１記載の振動送受波装
   置。
3. 【請求項３】 当該振動駆動源は、当該中空楕円形シェ
   ル部の該長軸方向にのみ振動出来る様に構成させている
   事を特徴とする請求項１又は２に記載の振動送受波装
   置。
4. 【請求項４】 当該中空楕円形のシェル部に於ける当該
   長軸方向の両側に存在し且つ短軸方向側に膨出する部分
   が音響放射面として機能する様に構成されている事を特
   徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の振動送受波装
   置。
5. 【請求項５】 当該剛体部は、当該シェル部の長軸方向
   側の一端部の一部を欠落させた部分に接合固定されてい
   る事を特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の振動
   送受波装置。
6. 【請求項６】 当該中空楕円形のシェル部と該剛体部と
   の接合部分が、当該中空楕円形シェル部の振動ノード部
   に相当する様に構成されている事を特徴とする請求項１
   乃至５の何れかに記載の振動送受波装置。
7. 【請求項７】 当該振動送受波装置は、水中で使用され
   るものである事を特徴とする請求項１乃至７の何れかに
   記載の振動送受波装置。
8. 【請求項８】 中空楕円形のシェル部と当該シェル部の
   内部に配置されている振動駆動源とから構成された振動
   送受波装置に於いて、当該シェル部の長軸方向側の一端
   部の一部を欠落させて当該欠落部分に剛体部を配置せし
   め、当該シェル部の長軸方向側の他の端部と該剛体部と
   の間に設けた振動駆動源を当該振動駆動源の長尺方向に
   のみ振動させる事によって、指向性の高い振動波を送信
   若しくは受信する様にした事を特徴とする振動送受波方
   法。
9. 【請求項９】 当該シェル部の該楕円形は、正規の楕円
   形である事を特徴とする請求項８記載の振動送受波方
   法。
10. 【請求項１０】 当該振動駆動源は、当該中空楕円形シ
    ェル部の該長軸方向にのみ振動出来る様に構成させてい
    る事を特徴とする請求項１又は２に記載の振動送受波装
    置。
11. 【請求項１１】 当該中空楕円形のシェル部に於ける当
    該長軸方向の両側に存在し且つ短軸方向側に膨出する部
    分が音響放射面として機能する様に構成されている事を
    特徴とする請求項８乃至１０の何れかに記載の振動送受
    波方法。
12. 【請求項１２】 当該中空楕円形のシェル部と該剛体部
    との接合部分が、当該中空楕円形シェル部の振動ノード
    部に相当する様に構成されている事を特徴とする請求項
    ８乃至１１の何れかに記載の振動送受波方法。
13. 【請求項１３】 当該振動送受波方法は、水中で使用さ
    れるものである事を特徴とする請求項８乃至１２の何れ
    かに記載の振動送受波方法。