JP2972741B1 - 複合型振動子 - Google Patents

Abstract

【要約】 【課題】 ２周波数を使用する送受波器における高周波
数用振動子及び低周波数用振動子を、それぞれ約１／２
波長間隔で配列することができる複合型振動子を提供す
る。 【解決手段】 複合型振動子１は、低周波数用圧電振動
子１１１〜１１ｎ及び高周波数用圧電振動子１２１〜１
２ｍを備える。低周波数用圧電振動子１１１〜１１ｎ
は、それぞれ円環状に形成され、フロントマス１３及び
リアマス１４の間に挾持され、ボルト１５で締め付けら
れている。高周波数用圧電振動子１２１〜１２ｍは、各
々の一端面をフロントマス１３に固着され、相互に隙間
をもって配列されている。高周波数用圧電振動子１２１
〜１２ｍの他端面には、樹脂製の音響整合層１６が積層
されて固着されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、複合型振動子に関
し、特に送受波器に用いられる水中超音波用振動子に関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来、周波数が大きく離れている２周波
数を使用する送受波器では、周波数に応じた個別の振動
子、つまり高周波数用振動子及び低周波数用振動子を使
用している。

【０００３】この場合、低周波用振動子としては図１２
に示す整合層付ボルト締ランジュバン型振動子２が用い
られ、また高周波数用振動子としては図１３に示す積層
型振動子３が用いられている。

【０００４】ここで、整合層付ボルト締ランジュバン型
振動子２は、低周波数用圧電振動子１１１〜１１ｎと、
フロントマス１３と、リアマス１４と、音響整合層２６
とから構成されており、フロントマス１３とリアマス１
４との間に低周波数用圧電振動子１１１〜１１ｎを挟み
込んでボルト（図示せず）で締付ける構造を有してい
る。なお、音響整合層２６はフロントマス１３に固着さ
れ、その固着面に対向する面が音響放射面となってい
る。

【０００５】また、積層型振動子３は、高周波数用圧電
振動子１２１〜１２ｍの一端面をバッキング板３７に接
着して固定し、高周波数用圧電振動子１２１〜１２ｍの
他端面に音響整合層３６１〜３６ｍを接着した構造とな
っている。

【０００６】これら２種類の振動子は、各振動子周波数
に応じて、図１４に示すように、音響放射面が各周波数
の約１／２波長ピッチで所定のアレイを形成するよう混
合配列され、送受波器を形成している。

【０００７】つまり、隣り合う整合層付ボルト締ランジ
ュバン型振動子２の音響整合層２６の音響放射面が低周
波数λＬの約１／２波長ピッチ（λＬ／２）で格子状に
所定のアレイを形成し、積層型振動子３において隣り合
う高周波数用圧電振動子１２１〜１２ｍの音響整合層３
６１〜３６ｍの音響放射面が低周波数λＨの約１／２波
長ピッチ（λＨ／２）で格子状に所定のアレイを形成し
ている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来の送受波
器では、限られた面内に異なる周波数各々に対応した２
つの振動子を配列しているので、２つの振動子の混合配
列となり、場合によってはどちらか一方の配列が不連続
となる。すなわち、２つの振動子の間隔が必ずしも約１
／２波長間隔とすることができないため、指向性能でサ
イドローブレベルが大きくなり、性能劣化を起こしてし
まう。

【０００９】送受波器の各振動子を図１４に示すような
配列とした場合、高周波数用振動子は全ての振動子を約
１／２波長間隔で配列することができるが、低周波数用
振動子は振動子間に高周波振動子が入っている部分が約
１／２波長とはならない。その結果、図１５に示すよう
に、大きなサイドローブが生じることとなる。

【００１０】そこで、本発明の目的は、上記の問題点を
解消し、２周波数を使用する送受波器における高周波数
用振動子及び低周波数用振動子を、それぞれ約１／２波
長間隔で配列することができる複合型振動子を提供する
ことにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明による複合型振動
子は、低周波数の音響信号の送受波を行うための低周波
数用圧電振動子と、前記低周波数用圧電振動子の共振系
を形成しかつ前記低周波数用圧電振動子を相互間で挾持
するためのフロントマス及びリアマスと、前記フロント
マスの音響放射面側に配設されかつ前記低周波数用圧電
振動子の作動帯域を拡大するための音響整合層と、前記
音響整合層と前記フロントマスとの間に配設されかつ高
周波数の音響信号の送受波を行うための複数の高周波数
用圧電振動子とを備えている。

【００１２】すなわち、本発明の複合型振動子は、音響
整合層を有するボルト締めランジュバン型振動子におい
て、フロントマス前面に配設される音響整合層の一部を
複数の高周波数用圧電振動子で構成し、高周波数用圧電
振動子間に隙間を設けることで高周波数用圧電振動子の
音響インピーダンスが音響整合層の音響インピーダンス
と同じになるようにし、フロントマスから後部方向（低
周波数用圧電振動子のリアマスの方向）での音響インピ
ーダンスが高周波数用圧電振動子の音響インピーダンス
に対して大きく異なるようにし、そのミスマッチングに
よって高周波の後部方向への振動伝達を抑圧している。

【００１３】また、この複合型振動子において、高周波
数用圧電振動子とフロントマスとの間に音響インピーダ
ンスが高周波数用圧電振動子の音響インピーダンスに対
して大きく異なる層を約１／４波長設け、高周波での後
部方向への振動伝達抑圧の効果を大きくしている。

【００１４】さらに、複合型振動子の音響整合層と複数
の高周波数用圧電振動子との間において、複数の高周波
数用圧電振動子各々に高周波数用フロントマスを固着
し、高周波数用フロントマスとフロントマスとで共振系
を形成することで、高周波数用圧電振動子の長さを短く
することが可能となる。

【００１５】低周波数ではフロントマスの音響放射面の
前面に組込んだ高周波数用圧電振動子の音響インピーダ
ンスが、音響整合層の音響インピーダンスと同じになる
ように設計する。これによって、低周波数用圧電振動子
は、従来の整合層付ボルト締めランジュバン型振動子と
同じ広帯域作動が可能となる。

【００１６】また、高周波数ではフロントマスから後部
方向の音響インピーダンスが高周波数用圧電振動子の音
響インピーダンスに対して大きく異なるように、高周波
数用圧電振動子とフロントマスとの間に約１／４波長の
層を設ける。この音響インピーダンスのミスマッチング
によって、高周波の後部方向への振動伝達を抑圧するよ
うに設計する。これによって、高周波数用振動子は、従
来の積層型振動子と同じ広帯域作動が可能となる。

【００１７】したがって、高周波数用圧電振動子及び低
周波数用圧電振動子の２つの振動子を１つの振動子とし
て組み上げられるので、小型軽量化を図ることが可能に
なるとともに、２周波数を使用する送受波器における高
周波数用圧電振動子及び低周波数用圧電振動子がそれぞ
れ約１／２波長間隔で配列可能となり、指向性能が改善
可能となる。

【００１８】

【発明の実施の形態】本発明の６つの実施の形態例につ
いて図面を参照して説明する。

【００１９】本発明の第１実施の形態例について図１〜
図５を参照して説明する。

【００２０】図１（ａ）は本発明の第１実施の形態例の
複合型振動子の斜視図であり、図１（ｂ）は本発明の第
１実施の形態例の複合型振動子の側面図である。図１に
おいて、複合型振動子１は、２周波数（低周波数及び高
周波数）にそれぞれ対応する低周波数用圧電振動子１１
１〜１１ｎ及び高周波数用圧電振動子１２１〜１２ｍを
備えている。

【００２１】低周波数用圧電振動子１１１〜１１ｎは、
フロントマス１３及びリアマス１４の間に挾持され、ボ
ルト１５で締め付けられて固定されている。また、低周
波数用圧電振動子１１１〜１１ｎは、円環状に形成され
ており、その円環の中空部分をボルト１５が通ってい
る。

【００２２】高周波数用圧電振動子１２１〜１２ｍは、
各々の一端面をフロントマス１３に固着され、相互に隙
間をもって配列されている。高周波数用圧電振動子１２
１〜１２ｍ各々の他端面には、樹脂製の音響整合層１６
が積層されて固着されている。

【００２３】図２は本発明の第１実施の形態例の低周波
数における動作波形を示す図であり、図３は本発明の第
１実施の形態例の高周波数における動作波形を示す図で
ある。これら図１〜図３を参照してその動作を説明す
る。ここで、図２及び図３に示す波形図は、縦軸が振動
速度を示し、横軸が振動子の位置を示している。また、
波形図において実線は振動形態の１次の共振モードを示
し、破線は２次の共振モードを示している。

【００２４】上述した複合型振動子１を送受波器に配列
した場合、超音波を送受波する面は、音響整合層１６の
高周波数用圧電振動子１２１〜１２ｍ各々が固着された
面に対向する面である。

【００２５】音響整合層１６は、整合層無しの振動子で
の単共振モードを、図２及び図３に示す１次の共振モー
ドと、フロントマス１３及び音響整合層１６の面で位相
反転する２次の共振モードとにすることで広帯域特性と
している。

【００２６】まず、低周波数においては、高周波数用圧
電振動子１２１〜１２ｍが音響整合層１６と同じ音響イ
ンピーダンスとして作動するように、高周波数用圧電振
動子１２１〜１２ｍ相互の隙間の割合を決める。

【００２７】また、図１２に示す従来の振動子における
音響整合層２６を、音響整合層１６と圧電振動子１２１
〜１２ｍとで形成する。これによって、振動モードは、
図２に示すように、１次の共振モード及び２次の共振モ
ードの２つとなり、従来と同様な広帯域特性となる。す
なわち、低周波数においては複合型振動子１の全体が振
動形態を形成する。

【００２８】次に、高周波数においては、高周波数用圧
電振動子１２１〜１２ｍの後ろにあるフロントマス１３
の厚さをバッキング板となるような寸法とする。バッキ
ング板は、音響インピーダンスをミスマッチングさせる
ことで、フロントマス１３の後部方向（リアマス１４の
方向）への振動伝達を抑圧するために設けるもので、高
周波数の振動に対して低周波数用圧電振動子１１１〜１
１ｎやリアマス１４が関与しない構造とする。

【００２９】そのため、高周波数においては、図３に示
すように、高周波数用圧電振動子１２１〜１２ｍと音響
整合層１６との範囲で振動し、これは図１３に示す従来
の積層型振動子３と同様な広帯域特性となる。

【００３０】図４は本発明の第１実施の形態例の複合型
振動子１を２周波数対応の送受波器に用いた構成例を示
す図であり、図５は図４の構成における低周波数の指向
特性を示す図である。これらの図において、２周波数対
応の送受波器は、複合型振動子１を十字形に配置し、従
来と同様の整合層付ボルト締ランジュバン型振動子２を
格子状に配置している。

【００３１】従来、２周波数対応の送受波器では２つの
周波数各々に対応する２つの振動子を１つの送受波器に
組込んでいるため、図１４に示すような振動子配列とな
っている。その場合、整合層付ボルト締ランジュバン型
振動子２は積層型振動子３があるために配列が不連続と
なり、図１５に示すように、低周波指向性はサイドロー
ブレベルが高い指向性となる。

【００３２】しかしながら、図４に示すように、積層型
振動子３の代りに複合型振動子１を配置すると、高周波
数に関しては従来と変わりなく配列することができ、ま
た低周波数は配列の不連続部分が解消されるので、各振
動子対応の周波数に対して約１／２波長間隔で配列する
ことができる。これによって、複合型振動子１を用いた
送受波器における低周波指向性のサイドローブレベル
は、図５に示すように、大幅に改善される。

【００３３】図６は、本発明の第２実施の形態例の複合
型振動子の側面図である。

【００３４】図６において、本発明の第２実施の形態例
の複合型振動子６の円柱又は角柱低周波数用圧電振動子
１１は、図１に示す本発明の第１実施の形態例の低周波
数用圧電振動子１１１〜１１ｎを一つにし、さらにボル
ト１５を削除した以外は、複合型振動子１と同様の構成
となっており、同一構成要素には同一符号を付してあ
る。また、動作は、本発明の第１実施の形態例と同様で
ある。

【００３５】動作モードは、本発明の第１実施の形態例
と同様である。しかしながら、本発明の第２実施の形態
例では、円柱又は角柱低周波数用圧電振動子１１をボル
ト１５を介してフロントマス１３とリアマス１４で挾持
せずに高周波数用圧電振動子１２１〜１２ｍと同様の積
層型とすることで構成を簡素化できる。

【００３６】図７は、本発明の第３実施の形態例の複合
型振動子の側面図である。

【００３７】図７において、本発明の第３実施の形態例
の複合型振動子７は、音響整合層１６を高周波数用圧電
振動子１２１〜１２ｍ各々に合わせて、音響整合層１６
１〜１６ｍを配設した以外は図１に示す本発明の第１実
施の形態例の複合型振動子１と同様の構成となってお
り、同一構成要素には同一符号を付してある。また、同
一構成要素の動作は、本発明の第１実施の形態例と同様
である。

【００３８】動作モードは、本発明の第１実施の形態例
と同様である。しかしながら、本発明の第３実施の形態
例では、音響整合層１６１〜１６ｍを高周波数用圧電振
動子１２１〜１２ｍ各々に配設することにより、各高周
波数用圧電振動子１２１〜１２ｍが他の高周波数用圧電
振動子の振動状態への影響を軽減することができる。

【００３９】図８は、本発明の第４実施の形態例の複合
型振動子の側面図である。図８において、本発明の第４
実施の形態例の複合型振動子４は、高周波数用圧電振動
子１２１〜１２ｍとフロントマス１３との間にバッキン
グ板１７を挿入した以外は図１に示す本発明の第１実施
の形態例の複合型振動子１と同様の構成となっており、
同一構成要素には同一符号を付してある。また、同一構
成要素の動作は、本発明の第１実施の形態例と同様であ
る。

【００４０】バッキング板１７は、音響インピーダンス
が高周波数用圧電振動子１２１〜１２ｍの音響インピー
ダンスと大きく異なるように長さ約１／４波長の樹脂系
材料を使用している。また、バッキング板１７は、フロ
ントマス１３に対して音響インピーダンスが大きく異な
るようにされている。

【００４１】動作モードは、本発明の第１実施の形態例
と同様である。しかしながら、本発明の第４実施の形態
例では高周波数用圧電振動子１２１〜１２ｍとフロント
マス１３との間にバッキング板１７を挿入することによ
って、高周波数用圧電振動子１２１〜１２ｍの後部方向
の音響インピーダンスのミスマッチングがさらに大きく
なり、後部方向への振動伝達がさらに抑圧される。

【００４２】図９は、本発明の第５実施の形態例の複合
型振動子の側面図である。

【００４３】図９において、本発明の第５実施の形態例
の複合型振動子８は、第４実施の形態例の複合型振動子
４のバッキング板１７を高周波数用圧電振動子１２１〜
１２ｍ各々に配設したバッキング板１７１〜１７ｍとし
た以外は図８に示す本発明の第４実施の形態例と同様の
構成となっており、同一構成要素には同一符号を付して
ある。また、同一構成要素の動作は、本発明の第４実施
の形態例と同様である。

【００４４】動作モードは、本発明の第４実施の形態例
と同様である。しかしながら、本発明の第５実施の形態
例ではバッキング板１７１〜１７ｍを高周波数用圧電振
動子１２１〜１２ｍ各々に配設することにより、各高周
波数用圧電振動子が他の高周波数用圧電振動子の振動状
態への影響を軽減することができる。

【００４５】図１０は、本発明の第６実施の形態例の複
合型振動子の側面図であり、図１１は、本発明の第６実
施の形態例の高周波数における動作波形を示す図であ
る。ここで、図１１に示す波形図は、縦軸が振動速度を
示し、横軸が振動子の位置を示している。また、波形図
において、実線は振動形態の１次の共振モードを示し、
破線は２次の共振モードを示している。

【００４６】これらの図において、本発明の第６実施の
形態例の複合型振動子５は、高周波数用圧電振動子１２
１〜１２ｍと音響整合層１６との間において高周波数用
圧電振動子１２１〜１２ｍ各々に高周波数用フロントマ
ス１８１〜１８ｍを固着した以外は図１に示す本発明の
第１実施の形態例の複合型振動子１と同様の構成となっ
ており、同一構成要素には同一符号を付してある。ま
た、同一構成要素の動作は、本発明の第１実施の形態例
と同様である。

【００４７】高周波数用圧電振動子１２１〜１２ｍ各々
に固着した高周波数用フロントマス１８１〜１８ｍは、
フロントマス１３とともに共振系を形成することとなる
ので、高周波数用圧電振動子１２１〜１２ｍ各々の長さ
を短くすることができる。

【００４８】本発明の第６実施の形態例の複合型振動子
５の振動形態は、図１１に示すように、フロントマス１
３が振動に関与するため、バッキング板としては低周波
数用圧電振動子１１１〜１１ｎの音響インピーダンスと
のミスマッチングを大きくすることで、フロントマス１
３の後部方向への振動伝達を抑圧することができる。

【００４９】このように、低周波数用圧電振動子１１１
〜１１ｎのフロントマス１３を高周波数用圧電振動子１
２１〜１２ｍのバッキング板とし、高周波数用圧電振動
子１２１〜１２ｍを音響整合層１６の一部として構成品
を兼用して利用し、２つの周波数各々に対応する異なっ
た２種類の低周波数用圧電振動子１１１〜１１ｎ及び高
周波数用圧電振動子１２１〜１２ｍを１つの複合型振動
子１，４，５，６，７，８として構成することによっ
て、小型軽量化を図ることができる。

【００５０】また、従来の整合層付ボルト締ランジュバ
ン型振動子２と積層型振動子３とを配列してなる２周波
数対応の送受波器において、積層型振動子３の代りに複
合型振動子１，４，５，６，７，８を配列することによ
って、音響放射面を各周波数に対して約１／２波長間隔
に配列することができるので、従来の配列の不連続を解
消することができ、低周波指向性のサイドローブレベル
の低減を図ることができ、指向性能を改善することがで
きる。

【００５１】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、低
周波数の音響信号の送受波を行うための低周波数用圧電
振動子と、低周波数用圧電振動子の共振系を形成しかつ
低周波数用圧電振動子を相互間で挾持するためのフロン
トマス及びリアマスと、フロントマスの音響放射面側に
配設されかつ低周波数用圧電振動子の作動帯域を拡大す
るための音響整合層と、音響整合層とフロントマスとの
間に配設されかつ高周波数の音響信号の送受波を行うた
めの複数の高周波数用圧電振動子とを備えることによっ
て、２周波数を使用する送受波器における高周波数用振
動子及び低周波数用振動子をそれぞれ約１／２波長間隔
で配列することができるという効果を奏する。

【００５２】なお、本発明は当該振動子を約１／２波長
間隔で複数配列することにより、指向性合成を実施した
ときに極端なサイドローブが出現することを避けること
ができるとともに、２周波数を使用することにより、高
い周波数領域では近距離で高分解能を有して形状を認識
し、低い周波数では比較的遠距離の物体の存在を同時に
探知することのできる多目的ソーナー分野全般に利用又
は活用できることを付け加えておく。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施の形態例の複合型振動子を示
し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は側面図である。

【図２】本発明の第１実施の形態例の低周波数における
動作波形を示す図である。

【図３】本発明の第１実施の形態例の高周波数における
動作波形を示す図である。

【図４】本発明の第１実施の形態例による複合型振動子
を２周波数対応の送受波器に用いた構成例を示す図であ
る。

【図５】本発明の第１実施の形態例による複合型振動子
を２周波数対応の送受波器に用いた構成例における低周
波数の指向特性を示す図である。

【図６】本発明の第２実施の形態例の複合型振動子の側
面図である。

【図７】本発明の第３実施の形態例の複合型振動子の側
面図である。

【図８】本発明の第４実施の形態例の複合型振動子の側
面図である。

【図９】本発明の第５実施の形態例の複合型振動子の側
面図である。

【図１０】本発明の第６実施の形態例の複合型振動子の
側面図である。

【図１１】本発明の第６実施の形態例の高周波数におけ
る動作波形を示す図である。

【図１２】従来の整合層付ボルト締ランジュバン型振動
子の斜視図である。

【図１３】従来の積層型振動子の斜視図である。

【図１４】従来の２周波数対応の送受波器の構成例を示
す図である。

【図１５】従来の２周波数対応の送受波器の構成例にお
ける低周波数の指向特性を示す図である。

【符号の説明】

１，４，５，６，７，８ 複合型振動子 １１ 円柱又は角柱低周波数用圧電振動子 １３ フロントマス １４ リアマス １５ ボルト １６ 音響整合層 １７ バッキング板 １１１〜１１ｎ 低周波数用圧電振動子 １２１〜１２ｍ 高周波数用圧電振動子 １７１〜１７ｍ バッキング板 １８１〜１８ｍ 高周波数用フロントマス

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 村石 幸太郎 東京都港区芝五丁目７番１号 日本電気 株式会社内 (72)発明者 内野 雅直 東京都港区芝五丁目７番１号 日本電気 株式会社内 (56)参考文献 特開 平10−20022（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−82100（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H04R 17/10 330 G01S 7/521

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 低周波数の音響信号の送受波を行うため
   の低周波数用圧電振動子と、前記低周波数用圧電振動子
   の共振系を形成しかつ前記低周波数用圧電振動子を相互
   間で挾持するためのフロントマス及びリアマスと、前記
   フロントマスの音響放射面側に配設されかつ前記低周波
   数用圧電振動子の作動帯域を拡大するための音響整合層
   と、前記音響整合層と前記フロントマスとの間に配設さ
   れかつ高周波数の音響信号の送受波を行うための複数の
   高周波数用圧電振動子とを有することを特徴とする複合
   型振動子。
2. 【請求項２】 前記複数の高周波数用圧電振動子各々の
   間に配設されかつ前記音響整合層との音響インピーダン
   スを等しくするための隙間を含むことを特徴とする請求
   項１記載の複合型振動子。
3. 【請求項３】 前記複数の高周波数用圧電振動子と前記
   フロントマスとの間に配設されて前記複数の高周波数用
   圧電振動子各々を固着しかつ高周波数での前記リアマス
   方向への振動伝達を抑圧するためのバッキング板を含む
   ことを特徴とする請求項１又は２記載の複合型振動子。
4. 【請求項４】 前記音響整合層と前記複数の高周波数用
   圧電振動子との間に配設されかつ前記複数の高周波数用
   圧電振動子各々の共振系を前記フロントマスとの間で形
   成するための複数の高周波数用フロントマスを含むこと
   を特徴とする請求項１、２又は３記載の複合型振動子。
5. 【請求項５】 前記低周波数用圧電振動子が単一の柱状
   部材であることを特徴とする請求項１記載の複合型振動
   子。
6. 【請求項６】 前記低周波数用圧電振動子が複数であっ
   て、前記フロントマス及び前記リアマスの間に挾持され
   かつボルトで締め付けられていることを特徴とする請求
   項１記載の複合型振動子。