JP4466215B2 - 超音波送受波器 - Google Patents

Description

本発明は、周波数の広帯域化に適したボルト締めランジュバン型の超音波送受波器（以下、単に「送受波器」という。）に関する。

特許文献１に、ボルト締めランジュバン型の送受波器を広帯域化する技術が開示されている。図５は、特許文献１に記載の送受波器を示す断面図である。以下、この図面に基づき説明する。

送受波器１ｂは、円筒型アクティブ振動体９、リアマス７、フロントマス６、ボルト８、屈曲振動体２等を備えている。円筒型アクティブ振動体９、リアマス７、フロントマス６及びボルト８によってランジュバン型振動体３が構成されている。屈曲振動体２は、円板型アクティブ振動板４と内部に空洞を有する振動板５とを、接着剤で貼り合わせることにより構成されている。振動板５の空洞部分からみて円板型アクティブ振動板４を貼り合わせていない面は屈曲振動をおこす板であり、この面が音響放射面となる。

リアマス７の中心には穴があいており、フロントマス６の中心にはタップが切られている。リアマス７、フロントマス６及びボルト８によって、円筒型アクティブ振動体９に静的な応力バイアスが加えられている。フロントマス６の上面に設けた凹部内に円板型アクティブ振動板４が位置するようにして、屈曲振動体２とフロントマス６との結合部６０を溶接等によって完全に一体化している。また、円板型アクティブ振動板４へ駆動電圧を印加する際に、位相をシフトできるよう位相シフト器１０を取り付けている。

次に、動作について説明する。送受波器１ｂは、三つの振動モードを有しており、固有共振周波数の低い順に、円板型アクティブ振動板４と内部に空洞を有する振動板５とを貼り合わせた屈曲振動体２の周辺固定屈曲振動モードの周波数ｆａ、ランジュバン型振動体３全体で並進振動する縦振動モードの周波数ｆｂ、そして内部に空洞を有する振動板５の空洞より外側の板の周辺固定屈曲振動モードの周波数ｆｃである。

この３つの振動モードは、例えば、フロントマス６の凹部の内径をフロントマス６全径の８０％以上に設定し、かつ、振動板５の空洞部分の径をフロントマス６全径の５０〜７０％程度に設定することにより、ｆａ＜ｆｂ＜ｆｃの関係を得られる。

また、ランジュバン型振動体３全体の縦振動共振モードに対して、屈曲振動体２全体の屈曲振動モードが互いに逆相となるように、円板型アクティブ振動板４の駆動電圧の位相をシフトさせている。また、ランジュバン型振動体３の縦振動共振モードに対して、屈曲振動体２を構成する振動板５の空洞より外側の板の屈曲振動モードも互いに逆相となる。

つまり、並進変位の縦振動モードでは、ランジュバン型振動体３が伸びた場合に、音響放射面でも媒質排除の方向に伸びるように振動する。一方、屈曲振動体２全体の屈曲振動モード及び屈曲振動体２を構成する振動板５の空洞より外側の板の屈曲振動モードでは、ランジュバン型振動体３が縮む場合に媒質排除の方向に屈曲振動する。このように、縦振動モードと屈曲振動モードとの位相が互いに逆となるように駆動することにより、それぞれのモードが重畳し、広帯域化がなされるようになっている。

これまでの説明で明らかなように、送受波器１ｂでは、ランジュバン型振動体３の縦振動モードと、屈曲振動体２全体の屈曲振動モードと、屈曲振動体２を構成する振動板５の空洞より外側の板の屈曲振動モードとの、三つの振動モードを重畳できるため、帯域幅を広げることができる。

特許第３４０６９８６号公報

しかしながら、従来の送受波器１ｂでは、次のような問題点があった。なお、屈曲振動体２の屈曲振動モードによる第一番目の共振周波数と、ランジュバン型振動体３の縦振動モードによる第二番目の共振周波数との間の周波数帯を、以下「中間域」と呼ぶことにする。

（１）寸法を変えずに低周波数を広帯域化する場合、屈曲振動体２の屈曲振動モードによる第一番目の共振周波数における音圧レベルが低下するので、一定以上の音圧レベルが得られなかった。その理由は、低周波にした時に屈曲振動体２の面積が波長に対して小さいために、第一番目の共振周波数における音響放射での音響圧力が十分に得られないためである。

（２）寸法を変えずに低周波数を広帯域化する場合、中間域での音圧レベルが著しく低下するので（図４のｆ１’〜ｆ２’）、一定以上の音圧レベルが得られるような周波数帯域に広帯域化ができなかった。その理由は、ランジュバン型振動体３と屈曲振動体２とが一体構造であるため、振動モードの結合が生じてしまうからである。つまり、図６のｆ’に示すように、屈曲振動体２の屈曲振動モードによる音響放射（網目表示部分）とランジュバン型振動体３の縦振動モードによる音響放射（斜線表示部分）とが、基準位置▽を境に逆方向となることにより、圧力が正負打ち消し合って音響放射ができなくなってしまうためである。

そこで、本発明の目的は、一定以上の音圧レベルを得られる周波数を広帯域化することができる送受波器を提供することにある。

本発明に係る超音波送受波器は、フロントマスとリアマスとの間に圧電セラミック積層体がボルトによって挟持されてなるランジュバン型振動体と、フロントマスの送受波面側に設けられるとともに圧電セラミック板を含んでなる屈曲振動体とを備えたものである。そして、屈曲振動体とフロントマスとは、これらの外周に設けられた変位拡大機構を介して結合されている。

従来技術では、屈曲振動体の周縁がフロントマスの周縁に結合され、この結合部を節点として屈曲振動体が振動する。これに対して、本発明では、屈曲振動体とフロントマスとが互いに離間するとともに外周の変位拡大機構を介して結合され、この変位拡大機構を節点として屈曲振動体が振動する。つまり、本発明では、屈曲振動体の節点の位置が従来技術よりも外側になるので、屈曲振動体の振動面の面積が波長に対して大きくなるため、低周波化を実現でき、音響圧力も大きくなる。

また、変位拡大機構は、屈曲振動体に同期して振動することにより屈曲振動体の変位を拡大する圧電振動体を有する。このとき、圧電振動体は、フロントマスを支点にして屈曲振動体に作用することにより、屈曲振動体の変位を拡大するもの、としてもよい。例えば、圧電振動体は、屈曲振動体とフロントマスとが離れようとするときは、より離れるようにこれらを引き離す力を加え、逆に屈曲振動体とフロントマスとが近付こうとするときは、より近付くようにこれらを押し付ける力を加える。これにより、音響圧力も更に大きくなる。

より具体的に言えば、圧電振動体は、第一及び第二のリング状圧電セラミック板で第一及び第二のリング状金属板を挟持してなるバイモルフ型、としてもよい。このとき、第一のリング状金属板は屈曲振動体に凸部を介して結合され、第二のリング状金属板はフロントマスに凸部を介して結合され、第一のリング状金属板と前記第二のリング状金属板とは凸部を介して結合された、としてもよい。また、屈曲振動体は、二枚の円状圧電セラミック板で円状金属板を挟持してなるバイモルフ型、としてもよい。

換言すると、本発明に係る送受波器は、ランジュバン型振動体のフロントマス及び円板型振動体のそれぞれの外周囲に変位拡大機構を設け、円板型振動体と変位拡大機構との固定は端点支持構造とし、また円板型振動体はバイモルフ構造とした手段を有する。また、本発明は、次のように表現することもできる。（１）．フロントマスとリアマスとの間に複数の円筒型アクティブ振動体を積層し全体をボルトで締める構造としたボルト締めランジュバン型振動体と、フロントマス前面部に設けられるとともに振動板及び円板型アクティブ振動体からなる屈曲振動板と、を備えた送受波器において、フロントマス及び円板型アクティブ振動体の外周囲に変位拡大機構を有した、ことを特徴とする送受波器。（２）．（１）において、円板型アクティブ振動体と変位拡大機構との固定を端点支持構造としたことを特徴とする送受波器。（３）．（１）において、円板型アクティブ振動体をバイモルフ構造としたことを特徴とする送受波器。

また、本発明は、次のように要約することができる。

従来の送受波器で寸法を変えずに低周波数化する場合、次のような問題点があった。（１）．屈曲振動体の屈曲振動モードによる第一番目の共振周波数における音圧レベルが低下し一定以上の音圧レベルを得られない。（２）．屈曲振動体の屈曲振動モードによる第一番目の共振周波数と、送受波器の縦振動モードによる第二番目の共振周波数との間において、周波数帯（中間域）における音圧レベルが著しく低下するため、一定以上の音圧レベルを得られるような周波数帯域の広帯域化ができない。

そこで、本発明では、図１に示すように、ランジュバン型振動体３のフロントマス６及び円板型の屈曲振動体２の外周囲に、端点支持部１００で互いに結合した変位拡大機構２０ａ，２０ｂを設け、屈曲振動体２と変位拡大機構２０ａとを端点支持部１０１ａで固定し、屈曲振動体２をバイモルフ構造とした。これにより、音響放射面の振幅量を増加させることができるので、屈曲振動体２の屈曲振動モードによる第一番目の共振周波数における音圧レベルを低下させずに一定以上の音圧レベルを得られる。更に、端点支持部１００の位置を屈曲振動モードによる振幅の正方向に押し上げるとともに端点支持部１００の直径を縮める方向に動くことにより、屈曲振動体２の端点支持部１０１を支点とした屈曲振動モードによる振幅量を増加させることができるため、中間域における音圧レベルも上昇させることができ、これにより低周波を広帯域化できる。

本発明に係る超音波送受波器によれば、フロントマスとリアマスとの間に圧電セラミック積層体がボルトによって挟持されてなるランジュバン型振動体と、フロントマスの送受波面側に設けられるとともに圧電セラミック板を含んでなる屈曲振動体と、を備えたものにおいて、屈曲振動体とフロントマスとを、これらの外周に設けた変位拡大機構を介して結合することにより、屈曲振動体の節点の位置を従来技術よりも外側にできるので、更なる低周波化を実現できるともに、低周波側での音響圧力を増大できる。

また、屈曲振動体に同期して振動することにより屈曲振動体の変位を拡大する圧電振動体を変位拡大機構が有する場合は、振動に伴う屈曲振動体とフロントマスとの間の距離の変化がより大きくなるので、更に音響圧力を増大できる。

換言すると、本発明によれば、次の効果を奏する。

第１の効果は、屈曲振動体の屈曲振動モードと送受波器全体の縦振動モードとを利用した低周波の音波放射ができるランジュバン型送受波器において、屈曲振動体の屈曲振動モードによる第一番目の共振周波数における音圧レベルを低下させずに一定以上の音圧レベルを得られることである。その理由は、図１に示す屈曲振動体２とフロントマス６との外周囲に変位拡大機構２０ａ，２０ｂを設けることで、音響放射面の振幅量を増加させることができるためである。

第２の効果は、屈曲振動体の屈曲振動モードと送受波器全体の縦振動モードとを利用した低周波の音波放射ができるランジュバン型送受波器において、これら二つの振動モードによる共振周波数間の周波数帯域（中間域）における音圧レベルを上昇させて広帯域化できることである。その理由は、図１に示す屈曲振動体２とフロントマス６との外周囲に変位拡大機構２０ａ，２０ｂを設けることで、端点支持部１００の位置を屈曲振動モードによる振幅の正方向に押し上げ、かつ、端点支持部１００の直径を縮める方向に動くことで屈曲振動体２を積極的にたわませることができるためである。

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。ただし、特許請求の範囲における「１．圧電セラミック積層体」、「２．圧電セラミック板」、「３．圧電振動体」、「４．リング状圧電セラミック板」、「５．リング状金属板」、「６．凸部」、「７．円状圧電セラミック板」及び「８．円状金属板」は、それぞれ具体化して「１．円筒型アクティブ振動体」、「２．円板型アクティブ振動体」、「３．変位拡大機構アクティブ振動体及び変位拡大機構振動板」、「４．変位拡大機構アクティブ振動体」、「５．変位拡大機構振動板」、「６．端点支持部」、「７．円板型アクティブ振動体」及び「８．振動板」と言い換える。

図１及び図２は本発明に係る送受波器の一実施形態を示し、図１は概略断面図であり、図２は屈曲振動体側から見た平面図である。以下、この図面に基づき説明する。なお、図１及び図２では、電極等の図示を略している。

本実施形態の送受波器１ａは、ランジュバン型振動体３と屈曲振動体２とを備えたものである。ランジュバン型振動体３は、フロントマス６とリアマス７との間に、複数の積層された円筒型アクティブ振動体９がボルト８によって挟持されてなる。屈曲振動体２は、フロントマス６の送受波面側に設けられるとともに、円板型アクティブ振動体４ａ，４ｂを含んでなる。そして、屈曲振動体２とフロントマス６とは、互いに離間するとともに、これらの外周に設けられた変位拡大機構２０ａ，２０ｂを介して結合されている。

従来技術では、屈曲振動体の周縁がフロントマスの周縁に結合され、この結合部を節点として屈曲振動体が振動する。これに対して、本実施形態では、屈曲振動体２とフロントマス６とが互いに離間するとともに外周の変位拡大機構２０ａ，２０ｂを介して結合され、この変位拡大機構２０ａ，２０ｂを節点として屈曲振動体２が振動する。つまり、本実施形態では、屈曲振動体２の節点の位置が従来技術よりも外側になるので、屈曲振動体２の振動面の面積が波長に対して大きくなるため、低周波数化を実現でき、低周波数での音響圧力も大きくなる。

また、変位拡大機構２０ａ，２０ｂは、屈曲振動体２に同期して振動することにより屈曲振動体２の変位を拡大する変位拡大機構アクティブ振動体４０ａ，４０ｂをそれぞれ有する。このとき、変位拡大機構アクティブ振動体４０ａ，４０ｂは、フロントマス６を支点にして屈曲振動体２に作用することにより、屈曲振動体２の変位を拡大する。例えば、変位拡大機構アクティブ振動体４０ａ，４０ｂは、屈曲振動体２とフロントマス６とが離れようとするときは、より離れるようにこれらを引き離す力を加え、逆に屈曲振動体２とフロントマス６とが近付こうとするときは、より近付くようにこれらを押し付ける力を加える。これにより、音響圧力も更に大きくなる。

より具体的に言えば、変位拡大機構２０ａ，２０ｂは、二枚のリング状の変位拡大機構アクティブ振動体４０ａ，４０ｂで二枚のリング状の変位拡大機構振動板５０ａ，５０ｂを挟持してなるバイモルフ型圧電振動体を含む。このとき、変位拡大機構振動板５０ａは屈曲振動体２に凸状の端点支持部１０１ａを介して結合され、変位拡大機構振動板５０ｂはフロントマス６に凸状の端点支持部１０１ｂを介して結合され、変位拡大機構振動板５０ａ，５０ｂは凸状の端点支持部１００を介して互いに結合されている。また、屈曲振動体２は、二枚の円板型アクティブ振動体４ａ，４ｂで円状の振動板５を挟持してなるバイモルフ型圧電振動体である。

次に、本実施形態の送受波器１ａについて更に詳しく説明する。

本実施形態の送受波器１ａは、フロントマス６及び屈曲振動体２の各外周囲に、端点支持部１００を介して互いに結合した変位拡大機構２０ａ，２０ｂを有する。そして、屈曲振動体２と変位拡大機構２０ａとは端点支持部１０１ａを介して結合し、フロントマス６と変位拡大機構２０ｂとは端点支持部１０１ｂを介して結合した構造となっている。

ここで、屈曲振動体２は、径拡がり振動モードを励起する円板型アクティブ振動体４ａ，４ｂと振動板５とで構成されたバイモルフ構造である。ランジュバン型振動体３は、複数の円筒型アクティブ振動体９を積層したものをフロントマス６及びリアマス７で挟み、全体をボルト８で締め付けた構造である。屈曲振動体２とランジュバン型振動体３とは、それぞれ変位拡大機構２０ａ，２０ｂを繋ぐ端点支持部１００で結合している。円板型アクティブ振動体４ａ，４ｂの厚み方向に施した分極は逆向きにしてある。電気的には、円板型アクティブ振動体４ａ，４ｂと変位拡大機構アクティブ振動体４０ａ，４０ｂとに配線されたリード３０ａを、位相シフト器１０を介して円筒型アクティブ振動体９のリード３０ｂに接続した構造とする。

屈曲振動体２及び変位拡大機構２０ａによる構造体の端点支持部１００を支点とした屈曲振動モードによる共振周波数ｆ１は、その寸法・剛性・重量から決定されるが、送受波器１ａ全長から決まる縦振動モードによる共振周波数ｆ２よりも低くなるように予め調整してある。屈曲振動体２による端点支持部１０１ａを支点とした屈曲振動モードによる共振周波数ｆ”は、共振周波数ｆ１と縦振動モードによる共振周波数ｆ２との間になるように調整してある。

ランジュバン型振動体３を構成している複数の円筒型アクティブ振動体９は、厚さ方向に分極され、その分極方向が互いに逆向きになるよう配列され、電気的に並列に接続されている。

本実施形態では、円板型アクティブ振動体４ａ，４ｂ、変位拡大機構アクティブ振動体４０ａ，４０ｂ及び円筒型アクティブ振動体９にジルコン酸チタン酸鉛系圧電磁器を用い、振動板５、変位拡大機構振動板５０ａ，５０ｂ、フロントマス６及びリアマス７にはアルミニウム合金を用い、ボルト８及び固定ネジ８０ａ，８０ｂ，８０ｃにはステンレス鋼を用いた。各部の寸法配分は、設定規格化周波数をｆ、音速をＣ、波長をλ（＝Ｃ/ｆ）、直径（最大部分）をφ、全長をＬとしたとき、φ＝０.１５λ、Ｌ＝０.４５λとした。また、屈曲振動体２及び変位拡大機構２０ａによる構造体の端点支持部１００を支点とする屈曲振動モードによる機械的共振周波数をｆ１とし、送受波器１ａの縦振動モードによる機械的共振周波数をｆ２としたとき、ｆ２＝（１／３）ｆ１となるように、その他の寸法を配分した。

図３は、本実施形態の送受波器の振動モードを示す説明図である。以下、本実施形態の送受波器の動作について、図１乃至図３を参照して説明する。

図１に示すリード３０ａ，３０ｂに電気信号を与えることにより、円板型アクティブ振動体４ａ，４ｂ、変位拡大機構アクティブ振動体４０ａ，４０ｂ及び円筒型アクティブ振動体９を励振させ機械的振動を発生させる。まず、屈曲振動体２及び変位拡大機構２０ａからなる構造体の屈曲振動モードで生じる機械的共振周波数ｆ１と同じ周波数の電気信号を与えると、屈曲振動体２及び変位拡大機構２０ａからなる構造体の端点支持部１００を支点とした屈曲振動モードが発生する（図３のｆ１）。このとき、屈曲振動体２の上方に音波放射が行われる。屈曲振動体２はバイモルフ構造であるため屈曲振動の駆動力が高く、更に屈曲振動体２及び変位拡大機構２０ａからなる構造体の外周囲部の変位量も変位拡大機構２０ａにより増す。

続いて、徐々に電気信号の周波数を上昇させ、中間域と同様の周波数ｆ”に合わせる。屈曲振動体２及び変位拡大機構２０ａからなる構造体は引き続き屈曲振動モードを発生し、ランジュバン型振動体３は複数積層した円筒型アクティブ振動体９全体が伸縮することにより縦振動モードを発生する。このとき、円板型アクティブ振動体４ａ、４ｂ及び変位拡大機構アクティブ振動体４０ａ，４０ｂとランジュバン型振動体３とが互いに逆相に駆動するように、位相シフト器１０によって予め調整しておく。これにより、ランジュバン型アクティブ振動体３が縦振動モードによって縮む方向に振動を行うと、屈曲型振動体２及び変位拡大機構２０ａ，２０ｂは伸びる方向、つまり駆動前の中立な音響面の位置から正の方向へ音響面が飛び出す方向へ屈曲モードによる振動を行う（図３のｆ”）。

このとき、図３のｆ”に示すように、変位拡大機構２０ａ，２０ｂはそれぞれが対向する方向へ口が開くように能動的に振動しているため、端点支持部１００をより高い位置（屈曲振動モードにより振動している方向）に押し上げる。また、端点支持部１００の直径を縮める方向に動くため、屈曲振動体２は端点支持部１０１ａを支点として外周囲方向から押し潰されるように変位量を増すように積極的にたわむ。その結果、端点支持部１０１ａを支点とした屈曲振動体２の屈曲振動モードを励起するような形となり、中性面を境に正方向に振動している部分が増加し、屈曲振動体２の上方に音波放射が行われる。

更に、送受波器１ａの縦振動モードによる機械的共振周波数ｆ２と同じ値に電気信号の周波数を設定すると、屈曲振動体２、変位拡大機構２０ａ，２０ｂ及びランジュバン型振動体３を合わせた送受波器１ａ全体の伸縮による縦振動モードが発生する（図３のｆ２）。このとき、屈曲振動体２の上方に音波放射が行われる。

送受波器１ａから得る音圧レベルの周波数特性は，図４の実線で示すように、従来技術で得られる音圧レベルの周波数特性（図４の破線）に比べ、低周波における第一の共振周波数ｆ１での音圧レベルが上昇し、また中間域ｆ１〜ｆ２における音圧レベル差を△ＳＬまで減少させる（図４の実線）。このように、より低周波からの広帯域化を同一寸法で図ることができる。

次に、本実施形態の送受波器１ａについて、言葉を換えてもう一度説明する。

まず、図１に示す屈曲振動体２、ランジュバン型振動体３及び変位拡大機構２０ａ，２０ｂに、同時に励振信号を入力する。すると、図３のｆ１に示すように、屈曲振動体２と変位拡大機構２０ａとを合わせた構造体が、それぞれに設置した円板型アクティブ振動体４ａ，４ｂと変位拡大機構アクティブ振動体４０ａとの径拡がりモードにより端点支持部１００を支点とした屈曲振動モードを励起する。また、屈曲振動モードによる共振周波数ｆ１は、送受波器１ａ全長に依存せず、屈曲振動体２と変位拡大機構２０ａとの厚み寸法・重さ・剛性及び外径寸法で決定される。

屈曲振動体２は、振動板５の両面にそれぞれ円板型アクティブ振動体４ａ，４ｂを設置したバイモルフ構造であるため、大きな変位量を得ることができる。また、変位拡大機構２０ａ，２０ｂは、それ自身に設置された変位拡大機構アクティブ振動体４０ａ，４０ｂにより積極的に屈曲振動体２を屈曲振動モードの音響放射方向へ押出すため、音響放射面全体にわたり屈曲振動モードによる振幅量ζを増加させる。一般に、音圧レベルをＰとすると
Ｐ≒α・λ^-2・Ｓ・ζ
（α：媒質条件により決まる係数、λ：波長、Ｓ：音響放射面積、ζ：振幅量。）
で表されるため、振幅量によって音圧レベルを増加することができる。

徐々に励振信号の周波数を増加させていくと、ランジュバン型振動体３、屈曲振動体２及び変位拡大機構２０ａ，２０ｂで構成される送受波器１ａ全体の縦振動モード（図３のｆ２）が励起される。縦振動モードによる共振周波数ｆ２は、送受波器１ａ全長により決定される。これら屈曲振動モードと縦振動モードとによる二つの共振周波数間（中間域ｆ１〜ｆ２）における振動モードは、屈曲振動体２の屈曲振動モードと送受波器１ａの縦振動モードとが同時に発生し、二つの振動モードが重畳した形となる。

このとき、従来の送受波器１ｂ（図５）では、フロントマス６と振動板５とが結合部６０で一体に結合しているため、図６のｆ’に示すようにランジュバン型振動体３の縦振動モードの振幅に結合する形で屈曲振動体２全体が縦方向に振動する。そのため、屈曲振動体２は屈曲振動を行っているものの、縦振動モードによる音響放射は基準位置▽を境として屈曲振動体２の中心部の音響放射方向と逆方向に行われる（図６のｆ’）。したがって、屈曲振動体２の振動面は音響放射の中性面を境に正方向に振幅が生じる部分と負方向に振幅が生じる部分とが存在するため、音響放射圧力が正負打ち消し合い、音圧レベルが著しく低下していた（図４の△ＳＬ’）。

これに対し、本実施形態の送受波器１ａのように変位拡大機構２０ａ，２０ｂを設けると、ランジュバン型振動体３が縦振動モードを励起している時、図３のｆ”に示すように変位拡大機構２０ａ，２０ｂがちょうど口を開くように能動的に振動している。そのため、変位拡大機構２０ａ，２０ｂは、端点支持部１００をより高い位置（屈曲振動モードにより振動している方向）に押し上げるとともに、端点支持部１００の直径を縮める方向に作用する。これにより、端点支持部１０１ａ，１０１ｂを支点として屈曲振動体２を外周囲方向から押しつぶすように積極的にたわませる。その結果、端点支持部１０１ａ，１０１ｂを支点とした屈曲振動体２の屈曲振動モードを励起するような形となり、中性面を境に正方向に振動している部分が増加する。このように、従来、音圧レベルが著しく低下していた中間域の振動モードを改善することにより、中間域の音圧レベルも上昇させることが可能となるので、従来と同一寸法で低周波数から高周波数にわたる広帯域化が可能となる。

本発明の活用例として、遠距離ソーナー、海洋資源調査などがある。また、本発明は、その名称を便宜上「超音波送受波器」としたが、超音波に限らず音波の送受波にも用いることができる。

本発明に係る送受波器の一実施形態を示す概略断面図である。 図１の送受波器の屈曲振動体側から見た平面図である。 図１の送受波器の振動モードを示す説明図である。 図１の送受波器における音圧レベル周波数特性の一例を示すグラフである。 従来の送受波器を示す概略断面図である。 従来の送受波器の振動モードを示す説明図である。

符号の説明

１ａ 送受波器
２ 屈曲振動体
３ ランジュバン型振動体
４ａ，４ｂ 円板型アクティブ振動体（圧電セラミック板、円状圧電セラミック板）
５ 振動板（円状金属板）
６ フロントマス
７ リアマス
８ ボルト
９ 円筒型アクティブ振動体（圧電セラミック積層体）
１０ 位相シフト器
２０ａ，２０ｂ 変位拡大機構
３０ａ，３０ｂ リード
４０ａ，４０ｂ 変位拡大機構アクティブ振動体（圧電振動体、リング状圧電セラミック板）
５０ａ，５０ｂ 変位拡大機構振動板（圧電振動体、リング状金属板）
６０ 結合部
８０ａ，８０ｂ，８０ｃ 固定ネジ
１００，１０１ａ，１０１ｂ 端点支持部（凸部）

Claims (5)

1. フロントマスとリアマスとの間に圧電セラミック積層体がボルトによって挟持されてなるランジュバン型振動体と、前記フロントマスの送受波面側に設けられるとともに圧電セラミック板を含んでなる屈曲振動体と、を備えた超音波送受波器において、
   前記屈曲振動体と前記フロントマスとが、これらの外周に設けられた変位拡大機構を介して結合され、
   前記変位拡大機構は、前記屈曲振動体に同期して振動することにより当該屈曲振動体の変位を拡大する圧電振動体を有する、
   ことを特徴とする超音波送受波器。
2. 前記圧電振動体は、前記フロントマスを支点にして前記屈曲振動体に作用することにより、当該屈曲振動体の変位を拡大するものである、
   請求項１記載の超音波送受波器。
3. 前記圧電振動体は、第一及び第二のリング状圧電セラミック板で第一及び第二のリング状金属板を挟持してなるバイモルフ型である、
   請求項１又は２記載の超音波送受波器。
4. 前記第一のリング状金属板は前記屈曲振動体に凸部を介して結合され、前記第二のリング状金属板は前記フロントマスに凸部を介して結合され、前記第一のリング状金属板と前記第二のリング状金属板とは凸部を介して結合された、
   請求項３記載の超音波送受波器。
5. 前記屈曲振動体は、二枚の円状圧電セラミック板で円状金属板を挟持してなるバイモルフ型である、
   請求項１乃至４のいずれかに記載の超音波送受波器。

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