JP3991827B2 - 屈曲型送波器 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、遠距離ソーナー，海洋資源調査などに使用され、円板状振動体の屈曲振動により水中に音波を放射する屈曲型送波器であって、低周波数域に複数の送波周波数帯を有するとともに、水平方向無指向性の送波を可能とする屈曲型送波器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
水中において低周波数（たとえば、数キロＨｚの周波数）の音波は、高周波数のそれと比較して伝搬損失が小さく、より遠方まで到達することができる。このため、低周波数の音波の送波器として、屈曲型送波器が開発され、ソーナーや海洋資源探査などに使用されてきた。
また、上記屈曲型送波器には、通常、圧電磁器からなるアクティブ振動体が用いられており、圧電磁器の振動振幅をより拡大し、円板状振動体から低周波で高出力の音響放射を行う技術が様々開発されてきた。
【０００３】
（従来例）
次に、従来例にかかる屈曲型送波器について、図面を参照して説明する。
図１４は、従来例にかかる屈曲型送波器の要部の構造を説明するための、概略図であり、（ａ）は平面図を、（ｂ）はＥ−Ｅ線における断面図を示している。
同図において、屈曲型送波器１０１は、対向して配設される一対の金属製の円板１０２ａ，１０２ｂと、円板１０２ａ，１０２ｂの外表面側にそれぞれ埋設された圧電磁器からなるアクティブ振動体１０３ａ，１０３ｂと、円板１０２ａ，１０２ｂの縁部によって挟まれるＯリング１０５と、円板１０２ａ，１０２ｂを挟持するバネバンド１０７とからなっている。
【０００４】
アクティブ振動体１０３ａ，１０３ｂは、円形薄板状の圧電磁器からなり、この圧電磁器は、厚み方向に分極されており、その分極方向に沿って電圧を印加すること、分極方向に対し垂直な方向に径広がり運動が励起される。なお、理解しやすいように、電圧を印加する配線等は省略してある。
各アクティブ振動体１０３ａ，１０３ｂは、それぞれ円板１０２ａ，１０２ｂの外表面側に形成された凹部に埋設され、エポキシ樹脂などの接着剤によって接着固定されている。
【０００５】
円板１０２ａ，１０２ｂは、上記凹部が形成された円板状としてあり、凹部と反対側の面の縁部に、Ｏリング１０５の位置決めを行う環状の溝が設けられている。この溝の深さは、屈曲型送波器１０１が組み上がった状態で、円板１０２ａ，１０２ｂが屈曲運動するために必要な隙間１５１を確保できる深さとしてある。
また、一対の円板１０２ａ，１０２ｂは、各アクティブ振動体１０３ａ，１０３ｂが外表面側を向くように対向して配設され、Ｏリング１０５を挟んだ状態でバネバンド１０７とボルト１７１によって連結されている。
なお、円板１０２ａ，１０２ｂの材料として、Ａｌ（アルミニウム）など金属が用いられる。
【０００６】
振動部材としてのＯリング１０５は、マルエージ鋼などの高強度な材料が用いられており、円板１０２ａ，１０２ｂとアクティブ振動体１０３ａ，１０３ｂからなる円板状振動体１０４ａ，１０４ｂの屈曲運動の振動振幅が減衰されることを防いでいる。
【０００７】
バネバンド１０７は、矩形状の金属板を側面から見ると“コ”の字状に折り曲げた形状としてあり、その上板および下板にボルト１７１を通すボルト孔が穿設されている。また、バネバンド１０７は、側板が弾性変形し容易に曲がりやすい構造となっているので、円板状振動体１０４ａ，１０４ｂの屈曲振動を妨げることなく円板状振動体１０４ａ，１０４ｂを連結できる。
また、屈曲型送波器１０１の外面は、ウレタン樹脂などの外部シース１１０により覆われており、屈曲型送波器１０１を水蜜保護している。
【０００８】
次に、上記構成の屈曲型送波器１０１の動作を、図面を参照して説明する。
図１５は、従来例にかかる屈曲型送波器の一次の屈曲振動モードを説明するための要部の概略断面図を示してある。
また、図１６は、従来例にかかる屈曲型送波器の三次の屈曲振動モードを説明するための要部の概略断面図を示してある。
【０００９】
図１５に示すように、屈曲型送波器１０１は、アクティブ振動体１０３ａ，１０３ｂに、屈曲型送波器１０１の一次固有振動数（たとえば、図２におけるＰ点）と同じ周波数の電圧信号を印加すると、円板状振動体１０４ａ，１０４ｂが一次の屈曲振動モードで対称に共振する。
ここで、一次の屈曲振動モードは、静止状態から、円板状振動体１０４ａ，１０４ｂの中央部が隣接する外表面側に屈曲し、円板状振動体１０４ａ，１０４ｂが凸状に変形し（図１５参照）、続いて、上記中央部が隣接する外表面側と反対方向（内表面側）に屈曲し、円板状振動体１０４ａ，１０４ｂが凹状に変形する（図示せず）振動を繰り返す振動モードである。
【００１０】
また、図１６に示すように、屈曲型送波器１０１は、アクティブ振動体１０３ａ，１０３ｂに、屈曲型送波器１０１の三次固有振動数（たとえば、図２におけるＲ点）と同じ周波数の電圧信号を印加すると、円板状振動体１０４ａ，１０４ｂが三次の屈曲振動モードで対称に共振する。
ここで、三次の屈曲振動モードは、円板状振動体１０４ａ，１０４ｂの中央部が、静止状態から内表面側に屈曲し、かつ、円板状振動体１０４ａ，１０４ｂの中央部と縁部の間の環状部が、隣接する外表面側に屈曲し（図１６参照）、続いて、中央部が隣接する外表面側に屈曲し、かつ、環状部が内表面側に屈曲する振動を繰り返す振動モードである。すなわち、円板状振動体１０４ａ，１０４ｂは、放射状に波打つように変形する。
なお、屈曲型送波器１０１は、円板状振動体１０４ａ，１０４ｂが三次の屈曲振動モードで機械共振することにより、音響出力を得ることができる。
【００１１】
上述したように、屈曲型送波器１０１は、円板１０２ａ，１０２ｂがＯリング１０５を介して連結してあり、断面を見ると（図１５参照）、円板１０２ａ，１０２ｂの端部が点支持された状態となり角度変位しやすくなるので、円板状振動体１０４ａ，１０４ｂの固有振動数が低下し、低周波数の送波を行うことができる。
さらに、点支持されることにより、円板状振動体１０４ａ，１０４ｂの屈曲振動の振幅が大きくなりハイパワー化することができる。
また、アクティブ振動体１０３ａ，１０３ｂは、円板１０２ａ，１０２ｂに埋設されているので、薄形化及び軽量化を実現することができる（例えば、特許文献１参照。）。
【００１２】
次に、屈曲型送波器のその他の従来技術としては、たとえば、ヘルムホルツ型共振器の両端開口にアクティブ円板体及び金属ディスクからなる屈曲円板型共振器をそれぞれ一枚ずつ接合し、ヘルムホルツ型共振器と屈曲円板型共振器の固有振動数を一致させ、さらに、ヘルムホルツ型共振器の円筒内部に油を充填し、外圧との補償を行うことにより、大深度におけるハイパワー放射（高出力放射）を行うことを可能とした屈曲型送波器がある（例えば、特許文献２参照。）。
【００１３】
【特許文献１】
特開平５−３４４５８２号公報 （第１項、第２項、特許請求の範囲）
【特許文献２】
特開平６−３１１５７７号公報 （第１項特許請求の範囲）
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した屈曲型送波器は、円板状振動体の一次の固有振動数で円板状振動体を共振させることにより、低周波数の音響放射を行うことができるものの、一次の固有振動数が円板状振動体の材質及び寸法・形状などにより決定されることから、一定以上の送波レベルを得られる周波数帯、すなわち、共振周波数が低周波数域に一つしか存在しないといった問題があった。
【００１５】
すなわち、一つの屈曲型送波器は、共振周波数が低周波数域に一つしか存在しないために、たとえば、海洋資源探査において、複数の音波を送波するには音波の数と同数の屈曲型送波器を準備する必要があった。また、ソーナーにおいて、反響音の区別を目的として複数の音波を送波するには、同様に音波の数と同数の屈曲型送波器を設ける必要があり、ソーナーの小型化や軽量化を図ることができないといった問題があった。
【００１６】
また、従来の屈曲型送波器は、円板状振動体の高次の固有振動数で円板状振動体を共振させることにより、二つ以上の周波数帯域で一定以上の送波レベルを有する音波を送波することができるものの、高次の固有振動数における円板状振動体の屈曲振動モードでは、水平方向無指向性の送波を行うこととができないといった問題があった。
【００１７】
本発明は、上述した従来の技術が有する問題を解決するために提案されたものであり、低周波数の複数の周波数帯域で、水平方向無指向性の送波を可能とする屈曲型送波器の提供を目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため本発明の屈曲型送波器は、伸縮振動するアクティブ振動体と円板からなる一対の円板状振動体が、支持部材を介して対向して配設され、前記一対の円板状振動体が一次の屈曲振動モードで対称に共振することにより、圧力波を送波する屈曲型送波器であって、前記円板と連結され、前記円板の振動方向に振動する振動部材を具備した構成としてある。
このようにすると、振動部材を円板と同位相又は逆位相で振動させることができるので、上記同位相となる周波数と逆位相となる周波数において、アクティブ振動体及び円板を一次の屈曲振動モードで共振させることができる。すなわち、屈曲型送波器は、低周波数の複数の周波数帯域で、水平方向無指向性を有する音波を送波することができる。
【００１９】
また、本発明の屈曲型送波器は、前記振動部材を円板状とし、該振動部材と前記円板との間に空隙を設けた構成としてあり、振動部材の構造が単純化されるので、設計及び製造を容易に行うことができる。
さらに、本発明の屈曲型送波器は、前記空隙を円空とした構成としてあり、同様に、設計及び製造を容易に行うことができる。
なお、円空とは、本明細書において、上面から見て円形の凹部に形成される空間をいうものとする。
【００２０】
また、本発明の屈曲型送波器は、前記振動部材を前記円板と一体成形した構成としてあり、このようにすると、円板と振動部材の製造費用のコストダウンを図ることができる。
【００２１】
また、本発明の屈曲型送波器は、前記振動部材を前記円板に、溶接，接着及び／又は機械的連結部材により連結した構成としてあり、たとえば、振動部材の形状が複雑で円板と振動部材を一体成形できない場合であっても、製造することができる。
【００２２】
また、本発明の屈曲型送波器は、複数の前記振動部材を前記円板に連結した構成としてあり、複数の振動部材を円板状振動体と同位相又は逆位相で振動させることができ、低周波数のより多くの周波数帯域で、水平方向無指向性を有する音波を送波することができる。
さらに、本発明の屈曲型送波器は、前記複数の振動部材の形状，寸法及び／又は材質を異ならせた構成としてあり、このようにすると、低周波数の複数の周波数帯域を容易に設定することができる。
【００２３】
また、本発明の屈曲型送波器は、前記複数の振動部材を、積み重ねて前記円板に連結した構成としてあり、このようにすると、円板状の振動部材であっても、低周波数のより多くの周波数帯域で、水平方向無指向性を有する音波を送波することができる。また、本発明の屈曲型送波器は、前記複数の振動部材を、同一面内に配設した構成としてもよく、このようにしても、低周波数のより多くの周波数帯域で、水平方向無指向性を有する音波を送波することができる。
さらに、本発明の屈曲型送波器は、前記支持部材を円筒状とした構成としてあり、このようにすると、支持部材内部に複数の振動部材を効率良く収納することができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の屈曲型送波器の好ましい実施形態について、図面を参照して説明する。
【００２５】
［第一実施形態］
図１は、第一実施形態にかかる屈曲型送波器の要部の構造を説明するための、概略図であり、（ａ）は平面図を、（ｂ）はＡ−Ａ線における断面図を示している。
同図において、屈曲型送波器１は、対向して配設される一対の金属製の円板２ａ，２ｂと、円板２ａ，２ｂにそれぞれ連結された円板状の振動部材６ａ，６ｂと、円板２ａ，２ｂの外表面側にそれぞれ埋設された圧電磁器からなるアクティブ振動体３ａ，３ｂと、円板２ａ，２ｂの縁部によって挟まれるＯリング５と、円板２ａ，２ｂを挟持するバネバンド７とからなっている。
【００２６】
振動部材６ａ，６ｂは、円板状としてあり、周縁部が円板２ａ，２ｂの内表面側に、それぞれ円空の空隙５２ａ，５２ｂを介して連結された構造としてある。
この振動部材６ａ，６ｂは、円板２ａ，２ｂとそれぞれ一体成形してあり、図示してないが、空隙５２ａ，５２ｂを形成するための中子を抜き出す抜き孔が振動部材６ａ，６ｂ及び／又は円板２ａ，２ｂに形成されている。
【００２７】
また、屈曲型送波器１は、支持部材５の直径寸法Ｄ及び振動部材６ａ，６ｂの厚さＴ２を調整することにより（たとえば、有限要素法を用いた振動解析プログラムによりシミュレーションを行うことにより）、円板状振動体４ａ，４ｂ（それぞれ、円板２ａ，２ｂ，振動部材６ａ，６ｂ及びアクティブ振動体３ａ，３ｂからなっている。）の機械共振周波数、具体的には、第一の共振周波数（たとえば、図２のＰ点）を設定することができる。
さらに、空隙５２ａ，５２ｂの直径寸法ｄ，円板２ａ，２ｂの厚さＴ１，及び，この厚さＴ１とアクティブ振動体３ａ，３ｂの厚さｔとの比を調整することにより、円板状振動体４ａ，４ｂの機械共振周波数、具体的には、第二の共振周波数（たとえば、図２のＱ点）を設定することができる。
なお、その他の構成については、上記従来例における屈曲型送波器１０１とほぼ同様としてある。
【００２８】
次に、上記構成の屈曲型送波器１の動作について、図面を参照して説明する。
図３は、第一実施形態にかかる屈曲型送波器の、第一の共振周波数における一次の屈曲振動モードを説明するための要部の概略断面図を示してある。
また、図４は、第一実施形態にかかる屈曲型送波器の、第二の共振周波数における一次の屈曲振動モードを説明するための要部の概略断面図を示してある。
【００２９】
図３に示すように、屈曲型送波器１は、アクティブ振動体３ａ，３ｂに、第一の共振周波数（たとえば、図２のＰ点）と同じ周波数の電圧信号を印加すると、円板２ａ，２ｂ（それぞれアクティブ振動体３ａ，３ｂを含む）は、一次の屈曲振動モードで対称に共振し、屈曲型送波器１の上下方向に音波を放射する。
この際、振動部材６ａ，６ｂは、支持部材５を支点にして、円板２ａ，２ｂ（それぞれアクティブ振動体３ａ，３ｂを含む）と同方向に屈曲振動する。
すなわち、第一の共振周波数における一次の屈曲振動モードとは、円板状振動体４ａ（４ｂ）を構成する、円板２ａ（２ｂ），アクティブ振動体３ａ（３ｂ）及び振動部材６ａ（６ｂ）が同方向に屈曲振動するモードである。
【００３０】
これに対し、図４に示すように、屈曲型送波器１は、アクティブ振動体３ａ，３ｂに、第二の共振周波数（たとえば、図２のＱ点）と同じ周波数の電圧信号を印加すると、円板２ａ，２ｂ（それぞれアクティブ振動体３ａ，３ｂを含む）は、一次の屈曲振動モードで対称に共振し、屈曲型送波器１の上下方向に音波を放射する。
この際、振動部材６ａ，６ｂが、空隙５２ａ，５２ｂの外径位置を支点にして、円板２ａ，２ｂ（それぞれアクティブ振動体３ａ，３ｂを含む）と反対方向に屈曲振動する。
すなわち、第二の共振周波数における一次の屈曲振動モードとは、円板状振動体４ａ（４ｂ）を構成する円板２ａ（２ｂ）とアクティブ振動体３ａ（３ｂ）が同一方向に屈曲振動し、かつ、振動部材６ａ（６ｂ）が反対方向に屈曲振動するモードである。
【００３１】
このように、本発明の第一実施形態にかかる屈曲型送波器１は、円板２ａ，２ｂの内表面側に、空隙５２ａ，５２ｂを介して円板状の振動部材６ａ，６ｂを設け、振動部材６ａ，６ｂを円板６ａ，６ｂの屈曲振動と同方向又は反対方向に振動させることにより、低周波数の音波を放射できる周波数帯を二つ得ることができる。
さらに、屈曲型送波器１は、第二の共振周波数（たとえば、図２のＱ点）で生じる共振が、一次の屈曲振動モード（図４）による振動であるため、音響放射面からほぼ等分布の音波を放射することができる。
【００３２】
また、屈曲型送波器１は、振動部材６ａ，６ｂを円板状とし、かつ、円空の空隙５２ａ，５２ｂを設けており、振動部材６ａ，６ｂや空隙５２ａ，５２ｂの構造が単純化されるので、設計及び製造を容易に行うことができる。
さらに、屈曲型送波器１は、振動部材６ａ，６ｂを円板２ａ，２ｂと一体成形した構成としてあり、このようにすると、円板２ａ，２ｂと振動部材６ａ，６ｂの製造費用のコストダウンを図ることができる。
【００３３】
＜使用例＞
本実施形態の屈曲型送波器１を製作し、送波感度の周波数特性等の測定をおこなった。
製作した屈曲型送波器１は、アクティブ振動体３ａ，３ｂとしてジルコン酸チタン酸鉛系圧電磁器を使用し、アルミニウム合金からなる円板２ａ，２ｂ及び振動部材６ａ，６ｂと、ステンレス鋼からなる支持部材５を使用してある。
また、各部の寸法配分は設定規格化周波数ｆ，音速Ｃ、λ＝Ｃ/ｆとしたときに、Ｄ＝０．１４λ、ｄ＝０．１０λ、ｔ＝０．０１９５Ｄ、Ｔ１＝０．０１９５Ｄ、Ｔ２＝０．０２９Ｄとした。
【００３４】
この屈曲型送波器１は、上述した二つの共振系（第一の共振周波数および第二の共振周波数における共振系）を有しており、送波電圧感度の周波数特性としては、図２の実線で示すように、二つの共振周波数（Ｐ点，Ｑ点）を有する特性を示した。すなわち、従来の屈曲型送波器１０１で得られる送波電圧感度の周波数特性（図２の破線参照）では、図１６に示す円板状振動体１０４ａ，１０４ｂの高次の屈曲振動モードにおける共振周波数（Ｒ点）よりも低い周波数帯域に、第二の共振周波数（Ｑ点）を得ることができた。
【００３５】
また、従来の屈曲型送波器１０１は、第二番目の共振周波数（Ｒ点）では、円板状振動体１０４ａ，１０４ｂの高次モード（図１６参照）で送波が行われるため、垂直方向に指向性が生じ、水平方向の音圧が著しく低下していた。
これに対し、本使用例の屈曲型送波器１は、図５に示すように、第一の共振周波数においては、全方向に均一な送波を行うことができた。また、図６に示すように、第二の共振周波数においても、任意の一方向（垂直方向）に対して数ｄＢ以下のずれが発生したものの、全方向にほぼ均一な送波を行うことができた。
すなわち、屈曲型送波器１は、第一および第二の共振周波数において、円板２ａ，２ｂ（それぞれアクティブ振動体３ａ，３ｂを含む）の１次の屈曲振動モードであるため、音響放射面からほぼ等分布の音波が放射され、全方向に無方向性で、かつ、高出力の音波を送波することができた。
【００３６】
［第二実施形態］
図７は、第二実施形態にかかる屈曲型送波器の要部の構造を説明するための、概略図であり、（ａ）は平面図を、（ｂ）はＢ−Ｂ線における断面図を示している。
同図に示すように、本実施形態では、上述した第一実施形態において、一体成形された振動部材６ａ，６ｂの代りに、円板からなる振動部材６１ａ，６１ｂを、ボルト７２およびナット７３を用いて円板２１ａ，２１ｂと連結したものである。
【００３７】
具体的には、同図に示すように、本実施形態にかかわる屈曲型送波器１ｄは、円板２１ａ，２１ｂの内表面側表面の中央部に円空の凹部を設けてあり、この凹部を振動部材６１ａ，６１ｂで覆うことにより、空隙５２ａと振動部材６１ａ，６１ｂを形成してある。
【００３８】
また、振動部材６１ａ，６１ｂは、周方向に八等分するように周縁部に、ボルト７２を挿入するボルト孔を穿設し、さらに、各ボルト孔を２２．５度回転させた位置に、支持部材としての鋼製の球５ｄを位置決めするくぼみを形成してある。
そして、円板２１ａ，２１ｂ及び振動部材６１ａ，６１ｂを、球５ｄを介して対向するように組み立て、ボルト７２及びナット７３で機械的に連結してある。
このようにすると、Ｏリング５を使用しなくても、円板２１ａ，２１ｂを点支持することができ、屈曲振動をスムースに行うことができる。
なお、本実施形態の屈曲型送波器１ｄのその他の構成及び動作については、第一実施形態の屈曲型送波器１と同様としてある。
【００３９】
このように、本実施形態にかかる屈曲型送波器１ｄは、振動部材６１ａを機械的に円板２１ａ，２１ｂと連結する構成としてあるので、空隙５２ａなどの寸法精度を高めることができ、円板２１ａ，２１ｂをより対称に共振させることができ、精度のよい音波を送波することができる。
また、たとえば、振動部材６１ａ，６１ｂの形状が複雑で円板２１ａ，２１ｂと振動部材６１ａ，６１ｂを一体成形できない場合であっても、容易に製造することができる。
なお、円板２１ａ，２１ｂと振動部材６１ａ，６１ｂとの連結は、機械的連結部材を用いた連結に限定されるものではなく、たとえば、溶接（ろう付けを含む。）やエポキシ樹脂なとの接着剤による接着を用いた連結としてもよいことは勿論である。
【００４０】
［第三実施形態］
図８は、第三実施形態にかかる屈曲型送波器の振動部材の構造を説明するための、概略上面図を示している。
同図に示すように、本実施形態では、上述した第二実施形態において、円板状の振動部材６１ａ，６１ｂの代りに、中央部が切り欠き加工により空いており、周縁部から中央に向かって四つの振動片が突設された振動部材６２ａ，６２ｂ（図示せず）を使用する構成としてある。
【００４１】
具体的には、同図に示すように、振動部材６２ａは、四つの振動片が点対称かつ左右対称な形状に突設してあり、これら振動片が振動部材６１ａ，６２ｂの代りに取り付けられ、屈曲振動方向に振動する。
また、各振動片は、形状、材質（具体的には、密度，剛性，ポアソン比などの固有振動数に関係する材料特性を意味する。）、大きさを同じにしてあるので、固有振動数が同じとなる。
なお、本実施形態の屈曲型送波器のその他の構成及び動作については、第二実施形態の屈曲型送波器１ｄと同様としてある。
【００４２】
このように、本実施形態にかかる屈曲型送波器は、振動片の形状などを変えることで、二次の共振周波数を容易に設定することができる。
また、振動片は、先端部が支持されたり連結されていないので、振動部材６１ａ，６１ｂと比べると固有振動数が低くなり、第二の共振周波数を第一の共振周波数に近づけることができる。
【００４３】
なお、振動部材の形状や構造は、上記振動部材６２ａ，６２ｂに限定されるものではなく、たとえば、図９に示すように、四つの振動片の他に、十字状の振動帯を点対称かつ左右対称に設けた振動部材６３ａ，６３ｂ（図示せず）としてもよい。
この振動部材６３ａ，６３ｂは、振動片と振動帯が異なる方向に振動することができ、すなわち、二つの振動モードを有しており、第一の固有振動モードは、各振動片と振動帯が同じ方向に振動するモードであり、第二の固有振動モードは、各振動片と振動帯が互いに異なる方向に振動するモードである。
【００４４】
したがって、この振動部材６３ａ，６３ｂが取り付けられた屈曲型送波器は、円板２１ａ，２１ｂを一次の屈曲振動モードで振動させた状態で、円板２１ａ，２１ｂと同方向に振動片及び振動帯が振動する第一の共振周波数と、円板２１ａ，２１ｂと振動帯が同方向に振動し、振動片が反対方向に振動する第二の共振周波数と、円板２１ａ，２１ｂと反対方向に振動片及び振動帯が振動する第三の共振周波数とを有することとなり、低周波数域に三つの送波可能な周波数帯を有することができる。
【００４５】
すなわち、本実施形態の屈曲型送波器は、複数の振動部材（たとえば、振動片や振動帯などを含む。）の形状，寸法及び／又は材質を異ならせることにより、低周波数の複数の周波数帯域を容易に設定することができる。
なお、「振動部材の材質」とは、具体的には、密度，剛性，ポアソン比などの固有振動数に関係する材料特性をいうものとする。
【００４６】
また、本実施形態の屈曲型送波器は、複数の振動部材（たとえば、振動片や振動帯など）を、同一面内に配設しており、このようにしても、低周波数のより多くの周波数帯域で、水平方向無指向性を有する音波を送波することができる。
さらに、本実施形態の振動片や振動帯は、一つの振動部材６２ａ，６３ａとして一体成形されているが、くぼみやボルト孔の配設された円環部を分割し複数の振動部材（図示せず）としてもよいことは勿論である。
【００４７】
［第四実施形態］
図１０は、第四実施形態にかかる屈曲型送波器の要部の構造を説明するための、概略図であり、（ａ）は平面図を、（ｂ）はＣ−Ｃ線における拡大断面図を示している。
同図に示すように、本実施形態では、上述した第二実施形態において、各円板状振動体に、さらに一組の空隙と振動部材を積み重ね、二組の空隙と振動部材を設けてある。
【００４８】
具体的には、同図に示すように、本実施形態にかかわる屈曲型送波器１ｅは、円板２２ａに、内表面側に向かって空隙５２ａ，振動部材６４ａ，空隙５３ａ，振動部材６５ａを形成し、同様に、円板２２ｂに、内表面側に向かって空隙５２ｂ，振動部材６４ｂ，空隙５３ｂ，振動部材６５ｂを形成し、さらに、円板２２ａ，２２ｂの外表面側の周縁部にフランジを周方向に突設し、このフランジどうしを支持部材としての円筒５ｅで連結した構成としてある。
【００４９】
振動部材６４ａ，６４ｂは、円板の周縁部に外表面側に環状の突起部を突設した形状としてあり、突起部を円板２２ａ，２２ｂの内表面側の表面に溶接してあり、突起部の高さが空隙５２ａ，５２ｂの深さとなる。
さらに、振動部材６５ａ，６５ｂは、同様に、円板の周縁部に外表面側に環状の突起部を突設した形状としてあり、突起部を振動部材６４ａ，６４ｂの内表面側の表面に溶接してあり、突起部の高さが空隙５３ａ，５３ｂの深さとなる。
【００５０】
また、屈曲型送波器１ｅは、円板２２ａ，２２ｂの外表面側の周縁部にフランジを形成し、このフランジの周方向に八等分する位置に、ボルト７１を挿入するボルト孔が穿設してある。
【００５１】
円筒５ｅは、両端面にボルト７１が締めこまれるねじ穴が穿設されており、円板２２ａ，２２ｂを連結する。
ここで、円筒５ｅの肉厚を薄くし、ヘルムホルツ型共振器としての機能を発揮可能な構成とするとよく、このようにすると、フランジと円筒５ｅは、ボルト７１により固定されるが、円筒５ｅが共振状態において変形することにより、円板２２ａ，２２ｂの屈曲振動振幅を大きくすることができ、高出力の音波を送波することができる。
なお、本実施形態の屈曲型送波器１ｅのその他の構成及び動作については、第二実施形態の屈曲型送波器１ｄと同様としてある。
【００５２】
次に、上記構成の屈曲型送波器１ｅの動作について、図面を参照して説明する。
図１１は、第四実施形態にかかる屈曲型送波器の、第一の共振周波数における一次の屈曲振動モードを説明するための要部の模式断面図を示してある。
また、図１２は、第四実施形態にかかる屈曲型送波器の、第二の共振周波数における一次の屈曲振動モードを説明するための要部の模式断面図を示してある。
さらに、図１３は、第四実施形態にかかる屈曲型送波器の、第三の共振周波数における一次の屈曲振動モードを説明するための要部の模式断面図を示してある。
【００５３】
図１１に示すように、屈曲型送波器１ｅは、アクティブ振動体３ａ，３ｂに、第一の共振周波数と同じ周波数の電圧信号を印加すると、円板２２ａ，２２ｂ（それぞれアクティブ振動体３ａ，３ｂを含む）は、一次の屈曲振動モードで対称に共振し、屈曲型送波器１ｅの上下方向に音波を放射する。
この際、振動部材６５ａ，６４ａ、６５ｂ，６４ｂは、各空隙５２ａ，５２ｂ，５３ａ，５３ｂの外径位置を支点にして、円板２２ａ，２２ｂ（それぞれアクティブ振動体３ａ，３ｂを含む）と同方向に屈曲振動する。
【００５４】
また、図１２に示すように、屈曲型送波器１ｅは、アクティブ振動体３ａ，３ｂに、第二の共振周波数と同じ周波数の電圧信号を印加すると、円板２２ａ，２２ｂ（それぞれアクティブ振動体３ａ，３ｂを含む）は、一次の屈曲振動モードで対称に共振し、屈曲型送波器１ｅの上下方向に音波を放射する。
この際、振動部材６４ａ、６４ｂは、外表面側に隣接する空隙５２ａ，５２ｂの外径位置を支点にして、円板２２ａ，２２ｂ（それぞれアクティブ振動体３ａ，３ｂを含む）と同方向に屈曲振動し、かつ、振動部材６５ａ、６５ｂは隣接する空隙５３ａ，５３ｂの外径位置を支点にして、円板２２ａ，２２ｂ（それぞれアクティブ振動体３ａ，３ｂを含む）と反対方向に屈曲振動する。
【００５５】
また、図１３に示すように、屈曲型送波器１ｅは、アクティブ振動体３ａ，３ｂに、第三の共振周波数と同じ周波数の電圧信号を印加すると、円板２２ａ，２２ｂ（それぞれアクティブ振動体３ａ，３ｂを含む）は、一次の屈曲振動モードで対称に共振し、屈曲型送波器１ｅの上下方向に音波を放射する。
この際、振動部材６５ａ，６４ａ、６５ｂ，６４ｂは、各空隙５２ａ，５２ｂ，５３ａ，５３ｂの外径位置を支点にして、円板２２ａ，２２ｂ（それぞれアクティブ振動体３ａ，３ｂを含む）と反対方向に屈曲振動する。
【００５６】
このように、屈曲型送波器１ｅは、振動部材として円板を使用し、この円板を複数段積み重ねることにより、複数の共振周波数を容易に設定することができる。
また、振動部材や空隙の形状や大きさを調整することにより、上記共振周波数を自由に設定することができる。
【００５７】
以上、本発明の好適な実施形態について説明してきたが、本発明は上記の実施形態によりなんら限定されるものではなく、本発明の適用範囲内で種々に変更することが可能である。
たとえば、アクティブ振動体として、一つの圧電磁器を使用したが、この構成に限定されるものではなく、複数の圧電磁器を配設した構成としてもよい。
また、大深度で使用する場合には、円板状振動体間の隙間に高圧の流体を封入したり、あるいは、外圧に対し調圧する調圧装置を取り付けてもよい。
さらに、板状の振動部材を使用し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、弦を利用した振動部材としてもよい。
【００５８】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の屈曲型送波器によれば、振動部材の屈曲振動を利用して、すなわち、振動部材を円板と同位相又は逆位相で振動させることができるので、同位相となる周波数と逆位相となる周波数において、アクティブ振動体及び円板を一次の屈曲振動モードで共振させることができ、低周波数の複数の周波数帯域で、水平方向無指向性を有する音波を送波することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、第一実施形態にかかる屈曲型送波器の要部の構造を説明するための、概略図であり、（ａ）は平面図を、（ｂ）はＡ−Ａ線における断面図を示している。
【図２】図２は、本発明の第一実施形態の使用例にかかる屈曲型送波器の、周波数に対する感度変化を説明するための感度変化グラフを示している。
【図３】図３は、第一実施形態にかかる屈曲型送波器の、第一の共振周波数における一次の屈曲振動モードを説明するための要部の概略断面図を示してある。
【図４】図４は、第一実施形態にかかる屈曲型送波器の、第二の共振周波数における一次の屈曲振動モードを説明するための要部の概略断面図を示してある。
【図５】図５は、本発明の第一実施形態の使用例にかかる、共振点Ｐにおける指向性を説明するための概略パターン図を示している。
【図６】図６は、本発明の第一実施形態の使用例にかかる、共振点Ｑにおける指向性を説明するための概略パターン図を示している。
【図７】図７は、第二実施形態にかかる屈曲型送波器の要部の構造を説明するための、概略図であり、（ａ）は平面図を、（ｂ）はＢ−Ｂ線における断面図を示している。
【図８】図８は、第三実施形態にかかる屈曲型送波器の振動部材の構造を説明するための、概略上面図を示している。
【図９】図９は、第三実施形態にかかる屈曲型送波器の振動部材の応用例の構造を説明するための、概略上面図を示している。
【図１０】図１０は、第四実施形態にかかる屈曲型送波器の要部の構造を説明するための、概略図であり、（ａ）は平面図を、（ｂ）はＣ−Ｃ線における拡大断面図を示している。
【図１１】図１１は、第四実施形態にかかる屈曲型送波器の、第一の共振周波数における一次の屈曲振動モードを説明するための要部の模式断面図を示してある。
【図１２】図１２は、第四実施形態にかかる屈曲型送波器の、第二の共振周波数における一次の屈曲振動モードを説明するための要部の模式断面図を示してある。
【図１３】図１３は、第四実施形態にかかる屈曲型送波器の、第三の共振周波数における一次の屈曲振動モードを説明するための要部の模式断面図を示してある。
【図１４】図１４は、従来例にかかる屈曲型送波器の要部の構造を説明するための、概略図であり、（ａ）は平面図を、（ｂ）はＥ−Ｅ線における断面図を示している。
【図１５】図１５は、従来例にかかる屈曲型送波器の一次の屈曲振動モードを説明するための要部の概略断面図を示してある。
【図１６】また、図１６は、従来例にかかる屈曲型送波器の三次の屈曲振動モードを説明するための要部の概略断面図を示してある。
【符号の説明】
１，１ｄ，１ｅ 屈曲型送波器
２ａ，２ｂ 円板
２１ａ ，２１ｂ 円板
２２ａ，２２ｂ 円板
３ａ，３ｂ アクティブ振動体
４ａ，４ｂ 円板状振動体
５ Ｏリング
５ｄ 球
５ｅ 円筒
６ａ，６ｂ 振動部材
７ バネバンド
５１ 隙間
５２ａ，５２ｂ 空隙
５３ａ，５３ｂ 空隙
６１ａ，６１ｂ 振動部材
６２ａ，６３ａ 振動部材
６４ａ，６４ｂ 振動部材
６４ａ，６５ｂ 振動部材
７１，７２ ボルト
７２ ナット
１０ 外部シース
１０１ 屈曲型送波器
１０２ａ，１０２ｂ 円板
１０３ａ，１０３ｂ アクティブ振動体
１０４ａ，１０４ｂ 円板状振動体
１０５ Ｏリング
１０７ バネバンド
１５１ 隙間
１７１ ボルト
１１０ 外部シース
【発明の属する技術分野】
本発明は、遠距離ソーナー，海洋資源調査などに使用され、円板状振動体の屈曲振動により水中に音波を放射する屈曲型送波器であって、低周波数域に複数の送波周波数帯を有するとともに、水平方向無指向性の送波を可能とする屈曲型送波器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
水中において低周波数（たとえば、数キロＨｚの周波数）の音波は、高周波数のそれと比較して伝搬損失が小さく、より遠方まで到達することができる。このため、低周波数の音波の送波器として、屈曲型送波器が開発され、ソーナーや海洋資源探査などに使用されてきた。
また、上記屈曲型送波器には、通常、圧電磁器からなるアクティブ振動体が用いられており、圧電磁器の振動振幅をより拡大し、円板状振動体から低周波で高出力の音響放射を行う技術が様々開発されてきた。
【０００３】
（従来例）
次に、従来例にかかる屈曲型送波器について、図面を参照して説明する。
図１４は、従来例にかかる屈曲型送波器の要部の構造を説明するための、概略図であり、（ａ）は平面図を、（ｂ）はＥ−Ｅ線における断面図を示している。
同図において、屈曲型送波器１０１は、対向して配設される一対の金属製の円板１０２ａ，１０２ｂと、円板１０２ａ，１０２ｂの外表面側にそれぞれ埋設された圧電磁器からなるアクティブ振動体１０３ａ，１０３ｂと、円板１０２ａ，１０２ｂの縁部によって挟まれるＯリング１０５と、円板１０２ａ，１０２ｂを挟持するバネバンド１０７とからなっている。
【０００４】
アクティブ振動体１０３ａ，１０３ｂは、円形薄板状の圧電磁器からなり、この圧電磁器は、厚み方向に分極されており、その分極方向に沿って電圧を印加すること、分極方向に対し垂直な方向に径広がり運動が励起される。なお、理解しやすいように、電圧を印加する配線等は省略してある。
各アクティブ振動体１０３ａ，１０３ｂは、それぞれ円板１０２ａ，１０２ｂの外表面側に形成された凹部に埋設され、エポキシ樹脂などの接着剤によって接着固定されている。
【０００５】
円板１０２ａ，１０２ｂは、上記凹部が形成された円板状としてあり、凹部と反対側の面の縁部に、Ｏリング１０５の位置決めを行う環状の溝が設けられている。この溝の深さは、屈曲型送波器１０１が組み上がった状態で、円板１０２ａ，１０２ｂが屈曲運動するために必要な隙間１５１を確保できる深さとしてある。
また、一対の円板１０２ａ，１０２ｂは、各アクティブ振動体１０３ａ，１０３ｂが外表面側を向くように対向して配設され、Ｏリング１０５を挟んだ状態でバネバンド１０７とボルト１７１によって連結されている。
なお、円板１０２ａ，１０２ｂの材料として、Ａｌ（アルミニウム）など金属が用いられる。
【０００６】
振動部材としてのＯリング１０５は、マルエージ鋼などの高強度な材料が用いられており、円板１０２ａ，１０２ｂとアクティブ振動体１０３ａ，１０３ｂからなる円板状振動体１０４ａ，１０４ｂの屈曲運動の振動振幅が減衰されることを防いでいる。
【０００７】
バネバンド１０７は、矩形状の金属板を側面から見ると“コ”の字状に折り曲げた形状としてあり、その上板および下板にボルト１７１を通すボルト孔が穿設されている。また、バネバンド１０７は、側板が弾性変形し容易に曲がりやすい構造となっているので、円板状振動体１０４ａ，１０４ｂの屈曲振動を妨げることなく円板状振動体１０４ａ，１０４ｂを連結できる。
また、屈曲型送波器１０１の外面は、ウレタン樹脂などの外部シース１１０により覆われており、屈曲型送波器１０１を水蜜保護している。
【０００８】
次に、上記構成の屈曲型送波器１０１の動作を、図面を参照して説明する。
図１５は、従来例にかかる屈曲型送波器の一次の屈曲振動モードを説明するための要部の概略断面図を示してある。
また、図１６は、従来例にかかる屈曲型送波器の三次の屈曲振動モードを説明するための要部の概略断面図を示してある。
【０００９】
図１５に示すように、屈曲型送波器１０１は、アクティブ振動体１０３ａ，１０３ｂに、屈曲型送波器１０１の一次固有振動数（たとえば、図２におけるＰ点）と同じ周波数の電圧信号を印加すると、円板状振動体１０４ａ，１０４ｂが一次の屈曲振動モードで対称に共振する。
ここで、一次の屈曲振動モードは、静止状態から、円板状振動体１０４ａ，１０４ｂの中央部が隣接する外表面側に屈曲し、円板状振動体１０４ａ，１０４ｂが凸状に変形し（図１５参照）、続いて、上記中央部が隣接する外表面側と反対方向（内表面側）に屈曲し、円板状振動体１０４ａ，１０４ｂが凹状に変形する（図示せず）振動を繰り返す振動モードである。
【００１０】
また、図１６に示すように、屈曲型送波器１０１は、アクティブ振動体１０３ａ，１０３ｂに、屈曲型送波器１０１の三次固有振動数（たとえば、図２におけるＲ点）と同じ周波数の電圧信号を印加すると、円板状振動体１０４ａ，１０４ｂが三次の屈曲振動モードで対称に共振する。
ここで、三次の屈曲振動モードは、円板状振動体１０４ａ，１０４ｂの中央部が、静止状態から内表面側に屈曲し、かつ、円板状振動体１０４ａ，１０４ｂの中央部と縁部の間の環状部が、隣接する外表面側に屈曲し（図１６参照）、続いて、中央部が隣接する外表面側に屈曲し、かつ、環状部が内表面側に屈曲する振動を繰り返す振動モードである。すなわち、円板状振動体１０４ａ，１０４ｂは、放射状に波打つように変形する。
なお、屈曲型送波器１０１は、円板状振動体１０４ａ，１０４ｂが三次の屈曲振動モードで機械共振することにより、音響出力を得ることができる。
【００１１】
上述したように、屈曲型送波器１０１は、円板１０２ａ，１０２ｂがＯリング１０５を介して連結してあり、断面を見ると（図１５参照）、円板１０２ａ，１０２ｂの端部が点支持された状態となり角度変位しやすくなるので、円板状振動体１０４ａ，１０４ｂの固有振動数が低下し、低周波数の送波を行うことができる。
さらに、点支持されることにより、円板状振動体１０４ａ，１０４ｂの屈曲振動の振幅が大きくなりハイパワー化することができる。
また、アクティブ振動体１０３ａ，１０３ｂは、円板１０２ａ，１０２ｂに埋設されているので、薄形化及び軽量化を実現することができる（例えば、特許文献１参照。）。
【００１２】
次に、屈曲型送波器のその他の従来技術としては、たとえば、ヘルムホルツ型共振器の両端開口にアクティブ円板体及び金属ディスクからなる屈曲円板型共振器をそれぞれ一枚ずつ接合し、ヘルムホルツ型共振器と屈曲円板型共振器の固有振動数を一致させ、さらに、ヘルムホルツ型共振器の円筒内部に油を充填し、外圧との補償を行うことにより、大深度におけるハイパワー放射（高出力放射）を行うことを可能とした屈曲型送波器がある（例えば、特許文献２参照。）。
【００１３】
【特許文献１】
特開平５−３４４５８２号公報 （第１項、第２項、特許請求の範囲）
【特許文献２】
特開平６−３１１５７７号公報 （第１項特許請求の範囲）
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した屈曲型送波器は、円板状振動体の一次の固有振動数で円板状振動体を共振させることにより、低周波数の音響放射を行うことができるものの、一次の固有振動数が円板状振動体の材質及び寸法・形状などにより決定されることから、一定以上の送波レベルを得られる周波数帯、すなわち、共振周波数が低周波数域に一つしか存在しないといった問題があった。
【００１５】
すなわち、一つの屈曲型送波器は、共振周波数が低周波数域に一つしか存在しないために、たとえば、海洋資源探査において、複数の音波を送波するには音波の数と同数の屈曲型送波器を準備する必要があった。また、ソーナーにおいて、反響音の区別を目的として複数の音波を送波するには、同様に音波の数と同数の屈曲型送波器を設ける必要があり、ソーナーの小型化や軽量化を図ることができないといった問題があった。
【００１６】
また、従来の屈曲型送波器は、円板状振動体の高次の固有振動数で円板状振動体を共振させることにより、二つ以上の周波数帯域で一定以上の送波レベルを有する音波を送波することができるものの、高次の固有振動数における円板状振動体の屈曲振動モードでは、水平方向無指向性の送波を行うこととができないといった問題があった。
【００１７】
本発明は、上述した従来の技術が有する問題を解決するために提案されたものであり、低周波数の複数の周波数帯域で、水平方向無指向性の送波を可能とする屈曲型送波器の提供を目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため本発明の屈曲型送波器は、伸縮振動するアクティブ振動体と円板からなる一対の円板状振動体が、支持部材を介して対向して配設され、前記一対の円板状振動体が一次の屈曲振動モードで対称に共振することにより、圧力波を送波する屈曲型送波器であって、前記円板と連結され、前記円板の振動方向に振動する振動部材を具備した構成としてある。
このようにすると、振動部材を円板と同位相又は逆位相で振動させることができるので、上記同位相となる周波数と逆位相となる周波数において、アクティブ振動体及び円板を一次の屈曲振動モードで共振させることができる。すなわち、屈曲型送波器は、低周波数の複数の周波数帯域で、水平方向無指向性を有する音波を送波することができる。
【００１９】
また、本発明の屈曲型送波器は、前記振動部材を円板状とし、該振動部材と前記円板との間に空隙を設けた構成としてあり、振動部材の構造が単純化されるので、設計及び製造を容易に行うことができる。
さらに、本発明の屈曲型送波器は、前記空隙を円空とした構成としてあり、同様に、設計及び製造を容易に行うことができる。
なお、円空とは、本明細書において、上面から見て円形の凹部に形成される空間をいうものとする。
【００２０】
また、本発明の屈曲型送波器は、前記振動部材を前記円板と一体成形した構成としてあり、このようにすると、円板と振動部材の製造費用のコストダウンを図ることができる。
【００２１】
また、本発明の屈曲型送波器は、前記振動部材を前記円板に、溶接，接着及び／又は機械的連結部材により連結した構成としてあり、たとえば、振動部材の形状が複雑で円板と振動部材を一体成形できない場合であっても、製造することができる。
【００２２】
また、本発明の屈曲型送波器は、複数の前記振動部材を前記円板に連結した構成としてあり、複数の振動部材を円板状振動体と同位相又は逆位相で振動させることができ、低周波数のより多くの周波数帯域で、水平方向無指向性を有する音波を送波することができる。
さらに、本発明の屈曲型送波器は、前記複数の振動部材の形状，寸法及び／又は材質を異ならせた構成としてあり、このようにすると、低周波数の複数の周波数帯域を容易に設定することができる。
【００２３】
また、本発明の屈曲型送波器は、前記複数の振動部材を、積み重ねて前記円板に連結した構成としてあり、このようにすると、円板状の振動部材であっても、低周波数のより多くの周波数帯域で、水平方向無指向性を有する音波を送波することができる。また、本発明の屈曲型送波器は、前記複数の振動部材を、同一面内に配設した構成としてもよく、このようにしても、低周波数のより多くの周波数帯域で、水平方向無指向性を有する音波を送波することができる。
さらに、本発明の屈曲型送波器は、前記支持部材を円筒状とした構成としてあり、このようにすると、支持部材内部に複数の振動部材を効率良く収納することができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の屈曲型送波器の好ましい実施形態について、図面を参照して説明する。
【００２５】
［第一実施形態］
図１は、第一実施形態にかかる屈曲型送波器の要部の構造を説明するための、概略図であり、（ａ）は平面図を、（ｂ）はＡ−Ａ線における断面図を示している。
同図において、屈曲型送波器１は、対向して配設される一対の金属製の円板２ａ，２ｂと、円板２ａ，２ｂにそれぞれ連結された円板状の振動部材６ａ，６ｂと、円板２ａ，２ｂの外表面側にそれぞれ埋設された圧電磁器からなるアクティブ振動体３ａ，３ｂと、円板２ａ，２ｂの縁部によって挟まれるＯリング５と、円板２ａ，２ｂを挟持するバネバンド７とからなっている。
【００２６】
振動部材６ａ，６ｂは、円板状としてあり、周縁部が円板２ａ，２ｂの内表面側に、それぞれ円空の空隙５２ａ，５２ｂを介して連結された構造としてある。
この振動部材６ａ，６ｂは、円板２ａ，２ｂとそれぞれ一体成形してあり、図示してないが、空隙５２ａ，５２ｂを形成するための中子を抜き出す抜き孔が振動部材６ａ，６ｂ及び／又は円板２ａ，２ｂに形成されている。
【００２７】
また、屈曲型送波器１は、支持部材５の直径寸法Ｄ及び振動部材６ａ，６ｂの厚さＴ２を調整することにより（たとえば、有限要素法を用いた振動解析プログラムによりシミュレーションを行うことにより）、円板状振動体４ａ，４ｂ（それぞれ、円板２ａ，２ｂ，振動部材６ａ，６ｂ及びアクティブ振動体３ａ，３ｂからなっている。）の機械共振周波数、具体的には、第一の共振周波数（たとえば、図２のＰ点）を設定することができる。
さらに、空隙５２ａ，５２ｂの直径寸法ｄ，円板２ａ，２ｂの厚さＴ１，及び，この厚さＴ１とアクティブ振動体３ａ，３ｂの厚さｔとの比を調整することにより、円板状振動体４ａ，４ｂの機械共振周波数、具体的には、第二の共振周波数（たとえば、図２のＱ点）を設定することができる。
なお、その他の構成については、上記従来例における屈曲型送波器１０１とほぼ同様としてある。
【００２８】
次に、上記構成の屈曲型送波器１の動作について、図面を参照して説明する。
図３は、第一実施形態にかかる屈曲型送波器の、第一の共振周波数における一次の屈曲振動モードを説明するための要部の概略断面図を示してある。
また、図４は、第一実施形態にかかる屈曲型送波器の、第二の共振周波数における一次の屈曲振動モードを説明するための要部の概略断面図を示してある。
【００２９】
図３に示すように、屈曲型送波器１は、アクティブ振動体３ａ，３ｂに、第一の共振周波数（たとえば、図２のＰ点）と同じ周波数の電圧信号を印加すると、円板２ａ，２ｂ（それぞれアクティブ振動体３ａ，３ｂを含む）は、一次の屈曲振動モードで対称に共振し、屈曲型送波器１の上下方向に音波を放射する。
この際、振動部材６ａ，６ｂは、支持部材５を支点にして、円板２ａ，２ｂ（それぞれアクティブ振動体３ａ，３ｂを含む）と同方向に屈曲振動する。
すなわち、第一の共振周波数における一次の屈曲振動モードとは、円板状振動体４ａ（４ｂ）を構成する、円板２ａ（２ｂ），アクティブ振動体３ａ（３ｂ）及び振動部材６ａ（６ｂ）が同方向に屈曲振動するモードである。
【００３０】
これに対し、図４に示すように、屈曲型送波器１は、アクティブ振動体３ａ，３ｂに、第二の共振周波数（たとえば、図２のＱ点）と同じ周波数の電圧信号を印加すると、円板２ａ，２ｂ（それぞれアクティブ振動体３ａ，３ｂを含む）は、一次の屈曲振動モードで対称に共振し、屈曲型送波器１の上下方向に音波を放射する。
この際、振動部材６ａ，６ｂが、空隙５２ａ，５２ｂの外径位置を支点にして、円板２ａ，２ｂ（それぞれアクティブ振動体３ａ，３ｂを含む）と反対方向に屈曲振動する。
すなわち、第二の共振周波数における一次の屈曲振動モードとは、円板状振動体４ａ（４ｂ）を構成する円板２ａ（２ｂ）とアクティブ振動体３ａ（３ｂ）が同一方向に屈曲振動し、かつ、振動部材６ａ（６ｂ）が反対方向に屈曲振動するモードである。
【００３１】
このように、本発明の第一実施形態にかかる屈曲型送波器１は、円板２ａ，２ｂの内表面側に、空隙５２ａ，５２ｂを介して円板状の振動部材６ａ，６ｂを設け、振動部材６ａ，６ｂを円板６ａ，６ｂの屈曲振動と同方向又は反対方向に振動させることにより、低周波数の音波を放射できる周波数帯を二つ得ることができる。
さらに、屈曲型送波器１は、第二の共振周波数（たとえば、図２のＱ点）で生じる共振が、一次の屈曲振動モード（図４）による振動であるため、音響放射面からほぼ等分布の音波を放射することができる。
【００３２】
また、屈曲型送波器１は、振動部材６ａ，６ｂを円板状とし、かつ、円空の空隙５２ａ，５２ｂを設けており、振動部材６ａ，６ｂや空隙５２ａ，５２ｂの構造が単純化されるので、設計及び製造を容易に行うことができる。
さらに、屈曲型送波器１は、振動部材６ａ，６ｂを円板２ａ，２ｂと一体成形した構成としてあり、このようにすると、円板２ａ，２ｂと振動部材６ａ，６ｂの製造費用のコストダウンを図ることができる。
【００３３】
＜使用例＞
本実施形態の屈曲型送波器１を製作し、送波感度の周波数特性等の測定をおこなった。
製作した屈曲型送波器１は、アクティブ振動体３ａ，３ｂとしてジルコン酸チタン酸鉛系圧電磁器を使用し、アルミニウム合金からなる円板２ａ，２ｂ及び振動部材６ａ，６ｂと、ステンレス鋼からなる支持部材５を使用してある。
また、各部の寸法配分は設定規格化周波数ｆ，音速Ｃ、λ＝Ｃ/ｆとしたときに、Ｄ＝０．１４λ、ｄ＝０．１０λ、ｔ＝０．０１９５Ｄ、Ｔ１＝０．０１９５Ｄ、Ｔ２＝０．０２９Ｄとした。
【００３４】
この屈曲型送波器１は、上述した二つの共振系（第一の共振周波数および第二の共振周波数における共振系）を有しており、送波電圧感度の周波数特性としては、図２の実線で示すように、二つの共振周波数（Ｐ点，Ｑ点）を有する特性を示した。すなわち、従来の屈曲型送波器１０１で得られる送波電圧感度の周波数特性（図２の破線参照）では、図１６に示す円板状振動体１０４ａ，１０４ｂの高次の屈曲振動モードにおける共振周波数（Ｒ点）よりも低い周波数帯域に、第二の共振周波数（Ｑ点）を得ることができた。
【００３５】
また、従来の屈曲型送波器１０１は、第二番目の共振周波数（Ｒ点）では、円板状振動体１０４ａ，１０４ｂの高次モード（図１６参照）で送波が行われるため、垂直方向に指向性が生じ、水平方向の音圧が著しく低下していた。
これに対し、本使用例の屈曲型送波器１は、図５に示すように、第一の共振周波数においては、全方向に均一な送波を行うことができた。また、図６に示すように、第二の共振周波数においても、任意の一方向（垂直方向）に対して数ｄＢ以下のずれが発生したものの、全方向にほぼ均一な送波を行うことができた。
すなわち、屈曲型送波器１は、第一および第二の共振周波数において、円板２ａ，２ｂ（それぞれアクティブ振動体３ａ，３ｂを含む）の１次の屈曲振動モードであるため、音響放射面からほぼ等分布の音波が放射され、全方向に無方向性で、かつ、高出力の音波を送波することができた。
【００３６】
［第二実施形態］
図７は、第二実施形態にかかる屈曲型送波器の要部の構造を説明するための、概略図であり、（ａ）は平面図を、（ｂ）はＢ−Ｂ線における断面図を示している。
同図に示すように、本実施形態では、上述した第一実施形態において、一体成形された振動部材６ａ，６ｂの代りに、円板からなる振動部材６１ａ，６１ｂを、ボルト７２およびナット７３を用いて円板２１ａ，２１ｂと連結したものである。
【００３７】
具体的には、同図に示すように、本実施形態にかかわる屈曲型送波器１ｄは、円板２１ａ，２１ｂの内表面側表面の中央部に円空の凹部を設けてあり、この凹部を振動部材６１ａ，６１ｂで覆うことにより、空隙５２ａと振動部材６１ａ，６１ｂを形成してある。
【００３８】
また、振動部材６１ａ，６１ｂは、周方向に八等分するように周縁部に、ボルト７２を挿入するボルト孔を穿設し、さらに、各ボルト孔を２２．５度回転させた位置に、支持部材としての鋼製の球５ｄを位置決めするくぼみを形成してある。
そして、円板２１ａ，２１ｂ及び振動部材６１ａ，６１ｂを、球５ｄを介して対向するように組み立て、ボルト７２及びナット７３で機械的に連結してある。
このようにすると、Ｏリング５を使用しなくても、円板２１ａ，２１ｂを点支持することができ、屈曲振動をスムースに行うことができる。
なお、本実施形態の屈曲型送波器１ｄのその他の構成及び動作については、第一実施形態の屈曲型送波器１と同様としてある。
【００３９】
このように、本実施形態にかかる屈曲型送波器１ｄは、振動部材６１ａを機械的に円板２１ａ，２１ｂと連結する構成としてあるので、空隙５２ａなどの寸法精度を高めることができ、円板２１ａ，２１ｂをより対称に共振させることができ、精度のよい音波を送波することができる。
また、たとえば、振動部材６１ａ，６１ｂの形状が複雑で円板２１ａ，２１ｂと振動部材６１ａ，６１ｂを一体成形できない場合であっても、容易に製造することができる。
なお、円板２１ａ，２１ｂと振動部材６１ａ，６１ｂとの連結は、機械的連結部材を用いた連結に限定されるものではなく、たとえば、溶接（ろう付けを含む。）やエポキシ樹脂なとの接着剤による接着を用いた連結としてもよいことは勿論である。
【００４０】
［第三実施形態］
図８は、第三実施形態にかかる屈曲型送波器の振動部材の構造を説明するための、概略上面図を示している。
同図に示すように、本実施形態では、上述した第二実施形態において、円板状の振動部材６１ａ，６１ｂの代りに、中央部が切り欠き加工により空いており、周縁部から中央に向かって四つの振動片が突設された振動部材６２ａ，６２ｂ（図示せず）を使用する構成としてある。
【００４１】
具体的には、同図に示すように、振動部材６２ａは、四つの振動片が点対称かつ左右対称な形状に突設してあり、これら振動片が振動部材６１ａ，６２ｂの代りに取り付けられ、屈曲振動方向に振動する。
また、各振動片は、形状、材質（具体的には、密度，剛性，ポアソン比などの固有振動数に関係する材料特性を意味する。）、大きさを同じにしてあるので、固有振動数が同じとなる。
なお、本実施形態の屈曲型送波器のその他の構成及び動作については、第二実施形態の屈曲型送波器１ｄと同様としてある。
【００４２】
このように、本実施形態にかかる屈曲型送波器は、振動片の形状などを変えることで、二次の共振周波数を容易に設定することができる。
また、振動片は、先端部が支持されたり連結されていないので、振動部材６１ａ，６１ｂと比べると固有振動数が低くなり、第二の共振周波数を第一の共振周波数に近づけることができる。
【００４３】
なお、振動部材の形状や構造は、上記振動部材６２ａ，６２ｂに限定されるものではなく、たとえば、図９に示すように、四つの振動片の他に、十字状の振動帯を点対称かつ左右対称に設けた振動部材６３ａ，６３ｂ（図示せず）としてもよい。
この振動部材６３ａ，６３ｂは、振動片と振動帯が異なる方向に振動することができ、すなわち、二つの振動モードを有しており、第一の固有振動モードは、各振動片と振動帯が同じ方向に振動するモードであり、第二の固有振動モードは、各振動片と振動帯が互いに異なる方向に振動するモードである。
【００４４】
したがって、この振動部材６３ａ，６３ｂが取り付けられた屈曲型送波器は、円板２１ａ，２１ｂを一次の屈曲振動モードで振動させた状態で、円板２１ａ，２１ｂと同方向に振動片及び振動帯が振動する第一の共振周波数と、円板２１ａ，２１ｂと振動帯が同方向に振動し、振動片が反対方向に振動する第二の共振周波数と、円板２１ａ，２１ｂと反対方向に振動片及び振動帯が振動する第三の共振周波数とを有することとなり、低周波数域に三つの送波可能な周波数帯を有することができる。
【００４５】
すなわち、本実施形態の屈曲型送波器は、複数の振動部材（たとえば、振動片や振動帯などを含む。）の形状，寸法及び／又は材質を異ならせることにより、低周波数の複数の周波数帯域を容易に設定することができる。
なお、「振動部材の材質」とは、具体的には、密度，剛性，ポアソン比などの固有振動数に関係する材料特性をいうものとする。
【００４６】
また、本実施形態の屈曲型送波器は、複数の振動部材（たとえば、振動片や振動帯など）を、同一面内に配設しており、このようにしても、低周波数のより多くの周波数帯域で、水平方向無指向性を有する音波を送波することができる。
さらに、本実施形態の振動片や振動帯は、一つの振動部材６２ａ，６３ａとして一体成形されているが、くぼみやボルト孔の配設された円環部を分割し複数の振動部材（図示せず）としてもよいことは勿論である。
【００４７】
［第四実施形態］
図１０は、第四実施形態にかかる屈曲型送波器の要部の構造を説明するための、概略図であり、（ａ）は平面図を、（ｂ）はＣ−Ｃ線における拡大断面図を示している。
同図に示すように、本実施形態では、上述した第二実施形態において、各円板状振動体に、さらに一組の空隙と振動部材を積み重ね、二組の空隙と振動部材を設けてある。
【００４８】
具体的には、同図に示すように、本実施形態にかかわる屈曲型送波器１ｅは、円板２２ａに、内表面側に向かって空隙５２ａ，振動部材６４ａ，空隙５３ａ，振動部材６５ａを形成し、同様に、円板２２ｂに、内表面側に向かって空隙５２ｂ，振動部材６４ｂ，空隙５３ｂ，振動部材６５ｂを形成し、さらに、円板２２ａ，２２ｂの外表面側の周縁部にフランジを周方向に突設し、このフランジどうしを支持部材としての円筒５ｅで連結した構成としてある。
【００４９】
振動部材６４ａ，６４ｂは、円板の周縁部に外表面側に環状の突起部を突設した形状としてあり、突起部を円板２２ａ，２２ｂの内表面側の表面に溶接してあり、突起部の高さが空隙５２ａ，５２ｂの深さとなる。
さらに、振動部材６５ａ，６５ｂは、同様に、円板の周縁部に外表面側に環状の突起部を突設した形状としてあり、突起部を振動部材６４ａ，６４ｂの内表面側の表面に溶接してあり、突起部の高さが空隙５３ａ，５３ｂの深さとなる。
【００５０】
また、屈曲型送波器１ｅは、円板２２ａ，２２ｂの外表面側の周縁部にフランジを形成し、このフランジの周方向に八等分する位置に、ボルト７１を挿入するボルト孔が穿設してある。
【００５１】
円筒５ｅは、両端面にボルト７１が締めこまれるねじ穴が穿設されており、円板２２ａ，２２ｂを連結する。
ここで、円筒５ｅの肉厚を薄くし、ヘルムホルツ型共振器としての機能を発揮可能な構成とするとよく、このようにすると、フランジと円筒５ｅは、ボルト７１により固定されるが、円筒５ｅが共振状態において変形することにより、円板２２ａ，２２ｂの屈曲振動振幅を大きくすることができ、高出力の音波を送波することができる。
なお、本実施形態の屈曲型送波器１ｅのその他の構成及び動作については、第二実施形態の屈曲型送波器１ｄと同様としてある。
【００５２】
次に、上記構成の屈曲型送波器１ｅの動作について、図面を参照して説明する。
図１１は、第四実施形態にかかる屈曲型送波器の、第一の共振周波数における一次の屈曲振動モードを説明するための要部の模式断面図を示してある。
また、図１２は、第四実施形態にかかる屈曲型送波器の、第二の共振周波数における一次の屈曲振動モードを説明するための要部の模式断面図を示してある。
さらに、図１３は、第四実施形態にかかる屈曲型送波器の、第三の共振周波数における一次の屈曲振動モードを説明するための要部の模式断面図を示してある。
【００５３】
図１１に示すように、屈曲型送波器１ｅは、アクティブ振動体３ａ，３ｂに、第一の共振周波数と同じ周波数の電圧信号を印加すると、円板２２ａ，２２ｂ（それぞれアクティブ振動体３ａ，３ｂを含む）は、一次の屈曲振動モードで対称に共振し、屈曲型送波器１ｅの上下方向に音波を放射する。
この際、振動部材６５ａ，６４ａ、６５ｂ，６４ｂは、各空隙５２ａ，５２ｂ，５３ａ，５３ｂの外径位置を支点にして、円板２２ａ，２２ｂ（それぞれアクティブ振動体３ａ，３ｂを含む）と同方向に屈曲振動する。
【００５４】
また、図１２に示すように、屈曲型送波器１ｅは、アクティブ振動体３ａ，３ｂに、第二の共振周波数と同じ周波数の電圧信号を印加すると、円板２２ａ，２２ｂ（それぞれアクティブ振動体３ａ，３ｂを含む）は、一次の屈曲振動モードで対称に共振し、屈曲型送波器１ｅの上下方向に音波を放射する。
この際、振動部材６４ａ、６４ｂは、外表面側に隣接する空隙５２ａ，５２ｂの外径位置を支点にして、円板２２ａ，２２ｂ（それぞれアクティブ振動体３ａ，３ｂを含む）と同方向に屈曲振動し、かつ、振動部材６５ａ、６５ｂは隣接する空隙５３ａ，５３ｂの外径位置を支点にして、円板２２ａ，２２ｂ（それぞれアクティブ振動体３ａ，３ｂを含む）と反対方向に屈曲振動する。
【００５５】
また、図１３に示すように、屈曲型送波器１ｅは、アクティブ振動体３ａ，３ｂに、第三の共振周波数と同じ周波数の電圧信号を印加すると、円板２２ａ，２２ｂ（それぞれアクティブ振動体３ａ，３ｂを含む）は、一次の屈曲振動モードで対称に共振し、屈曲型送波器１ｅの上下方向に音波を放射する。
この際、振動部材６５ａ，６４ａ、６５ｂ，６４ｂは、各空隙５２ａ，５２ｂ，５３ａ，５３ｂの外径位置を支点にして、円板２２ａ，２２ｂ（それぞれアクティブ振動体３ａ，３ｂを含む）と反対方向に屈曲振動する。
【００５６】
このように、屈曲型送波器１ｅは、振動部材として円板を使用し、この円板を複数段積み重ねることにより、複数の共振周波数を容易に設定することができる。
また、振動部材や空隙の形状や大きさを調整することにより、上記共振周波数を自由に設定することができる。
【００５７】
以上、本発明の好適な実施形態について説明してきたが、本発明は上記の実施形態によりなんら限定されるものではなく、本発明の適用範囲内で種々に変更することが可能である。
たとえば、アクティブ振動体として、一つの圧電磁器を使用したが、この構成に限定されるものではなく、複数の圧電磁器を配設した構成としてもよい。
また、大深度で使用する場合には、円板状振動体間の隙間に高圧の流体を封入したり、あるいは、外圧に対し調圧する調圧装置を取り付けてもよい。
さらに、板状の振動部材を使用し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、弦を利用した振動部材としてもよい。
【００５８】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の屈曲型送波器によれば、振動部材の屈曲振動を利用して、すなわち、振動部材を円板と同位相又は逆位相で振動させることができるので、同位相となる周波数と逆位相となる周波数において、アクティブ振動体及び円板を一次の屈曲振動モードで共振させることができ、低周波数の複数の周波数帯域で、水平方向無指向性を有する音波を送波することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、第一実施形態にかかる屈曲型送波器の要部の構造を説明するための、概略図であり、（ａ）は平面図を、（ｂ）はＡ−Ａ線における断面図を示している。
【図２】図２は、本発明の第一実施形態の使用例にかかる屈曲型送波器の、周波数に対する感度変化を説明するための感度変化グラフを示している。
【図３】図３は、第一実施形態にかかる屈曲型送波器の、第一の共振周波数における一次の屈曲振動モードを説明するための要部の概略断面図を示してある。
【図４】図４は、第一実施形態にかかる屈曲型送波器の、第二の共振周波数における一次の屈曲振動モードを説明するための要部の概略断面図を示してある。
【図５】図５は、本発明の第一実施形態の使用例にかかる、共振点Ｐにおける指向性を説明するための概略パターン図を示している。
【図６】図６は、本発明の第一実施形態の使用例にかかる、共振点Ｑにおける指向性を説明するための概略パターン図を示している。
【図７】図７は、第二実施形態にかかる屈曲型送波器の要部の構造を説明するための、概略図であり、（ａ）は平面図を、（ｂ）はＢ−Ｂ線における断面図を示している。
【図８】図８は、第三実施形態にかかる屈曲型送波器の振動部材の構造を説明するための、概略上面図を示している。
【図９】図９は、第三実施形態にかかる屈曲型送波器の振動部材の応用例の構造を説明するための、概略上面図を示している。
【図１０】図１０は、第四実施形態にかかる屈曲型送波器の要部の構造を説明するための、概略図であり、（ａ）は平面図を、（ｂ）はＣ−Ｃ線における拡大断面図を示している。
【図１１】図１１は、第四実施形態にかかる屈曲型送波器の、第一の共振周波数における一次の屈曲振動モードを説明するための要部の模式断面図を示してある。
【図１２】図１２は、第四実施形態にかかる屈曲型送波器の、第二の共振周波数における一次の屈曲振動モードを説明するための要部の模式断面図を示してある。
【図１３】図１３は、第四実施形態にかかる屈曲型送波器の、第三の共振周波数における一次の屈曲振動モードを説明するための要部の模式断面図を示してある。
【図１４】図１４は、従来例にかかる屈曲型送波器の要部の構造を説明するための、概略図であり、（ａ）は平面図を、（ｂ）はＥ−Ｅ線における断面図を示している。
【図１５】図１５は、従来例にかかる屈曲型送波器の一次の屈曲振動モードを説明するための要部の概略断面図を示してある。
【図１６】また、図１６は、従来例にかかる屈曲型送波器の三次の屈曲振動モードを説明するための要部の概略断面図を示してある。
【符号の説明】
１，１ｄ，１ｅ 屈曲型送波器
２ａ，２ｂ 円板
２１ａ ，２１ｂ 円板
２２ａ，２２ｂ 円板
３ａ，３ｂ アクティブ振動体
４ａ，４ｂ 円板状振動体
５ Ｏリング
５ｄ 球
５ｅ 円筒
６ａ，６ｂ 振動部材
７ バネバンド
５１ 隙間
５２ａ，５２ｂ 空隙
５３ａ，５３ｂ 空隙
６１ａ，６１ｂ 振動部材
６２ａ，６３ａ 振動部材
６４ａ，６４ｂ 振動部材
６４ａ，６５ｂ 振動部材
７１，７２ ボルト
７２ ナット
１０ 外部シース
１０１ 屈曲型送波器
１０２ａ，１０２ｂ 円板
１０３ａ，１０３ｂ アクティブ振動体
１０４ａ，１０４ｂ 円板状振動体
１０５ Ｏリング
１０７ バネバンド
１５１ 隙間
１７１ ボルト
１１０ 外部シース
Claims (10)
- 伸縮振動するアクティブ振動体と円板からなる一対の円板状振動体が、支持部材を介して対向して配設され、前記一対の円板状振動体が一次の屈曲振動モードで対称に共振することにより、圧力波を送波する屈曲型送波器であって、
前記円板と連結され、前記円板の振動方向に振動する振動部材を具備したことを特徴とする屈曲型送波器。 - 前記振動部材を円板状とし、該振動部材と前記円板との間に空隙を設けたことを特徴とする請求項１記載の屈曲型送波器。
- 前記空隙を円空としたことを特徴とする請求項２記載の屈曲型送波器。
- 前記振動部材を前記円板と一体成形したことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の屈曲型送波器。
- 前記振動部材を前記円板に、溶接，接着及び／又は機械的連結部材により連結したことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の屈曲型送波器。
- 複数の前記振動部材を前記円板に連結したことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の屈曲型送波器。
- 前記複数の振動部材の形状，寸法及び／又は材質を異ならせたことを特徴とする請求項６のいずれかに記載の屈曲型送波器。
- 前記複数の振動部材を、積み重ねて前記円板に連結したことを特徴とする請求項６又は７記載の屈曲型送波器。
- 前記複数の振動部材を、同一面内に配設したことを特徴とする請求項６又は７記載の屈曲型送波器。
- 前記支持部材を円筒状としたことを特徴とする請求項８記載の屈曲型送波器。
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