JP4911691B2

JP4911691B2 - 送受波器

Info

Publication number: JP4911691B2
Application number: JP2006252264A
Authority: JP
Inventors: 秀典氏家
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 2006-09-19
Filing date: 2006-09-19
Publication date: 2012-04-04
Anticipated expiration: 2026-09-19
Also published as: JP2008078718A

Description

本発明は、主として水中で超音波を利用して信号の送受を行う送受波器に関し、特に圧電振動子を弾性体により挟んでボルト締めして構成されるランジュバン型振動子を用いた送受波器に関する。

従来より水中での信号の送受には音波が用いられており、送受話器は下記特許文献１に示されるように圧電振動子または電歪振動子により構成されている。

図４は従来のランジュバン型振動子を用いた送受波器の一例を示す断面図である。図４において、円筒型圧電振動子４１がその中心軸方向の両側から２個の弾性体４２に挟まれボルト４５により締め付けられて一体構造となっている。弾性体４２は中心にボルト用の穴を開けた円柱形状の金属からなっている。円筒型圧電振動子４１に特定の周波数の電圧を印加して励振することにより中心軸方向に音波を発信し、また中心軸方向から到来する音波を円筒型圧電振動子４１により電気信号に変換し検出するものである。

特開２００１−１６６９３号公報

地上での通信と同様、水中での通信においても情報量を増加させるために広帯域化が要請されている。しかし、一般的に振動子の共振特性によってその帯域は制限されてしまう。図４に示す従来のランジュバン型振動子を用いた送受波器の周波数特性の一例を図５に示す。送受波器の弾性体４２を含めた中心軸方向の長さをＬ₀、音波の波長をλ₀、速度をＶ_sとすると、ｆ₀＝Ｖ_s／λ₀＝Ｖ_s／（２Ｌ₀）となる周波数ｆ₀で共振するため、図５に示すようにｆ₀で音圧感度が最大となる。通常、共振のＱ値が６〜７程度であり、また、通信可能距離や通信環境などの点から中心周波数ｆ₀は数ｋＨｚ〜数十ｋＨｚの低周波領域であるので、その３ｄＢ帯域幅Δｆは、２〜３ｋＨｚもしくはそれ以下に制限されてしまう。

また、帯域を広げるために、図４の弾性体４２の上に弾性定数の異なる弾性体を積み重ねて共振のＱ値を小さくする工夫も行われているが、形状が大きくなってしまうことや積層体の接着面などの信頼性の確保が難しいこと、設計の自由度がとれないこと等の問題がある。

そこで、本発明の課題は、低周波領域においても、小型で、かつ設計の自由度があり、広帯域化が可能な送受波器を提供することにある。

上記課題を達成するため、本発明の送受波器は、第一の円筒型圧電振動子の内部に前記第一の円筒型圧電振動子と外径が異なる第二の円筒型圧電振動子を配置し、前記第一および第二の円筒型圧電振動子をそれらの中心軸方向の両側から２つの弾性体により挟んでボルト締めしてなるランジュバン型振動子を備え、前記弾性体を含めた中心軸方向の長さが前記第一の円筒型圧電振動子を挟む部分と前記第二の円筒型圧電振動子を挟む部分とで異なり、前記第一および第二の円筒型圧電振動子をそれぞれ独立に駆動可能とした。

また、前記第一の円筒型圧電振動子を挟む部分の前記弾性体を含めた中心軸方向の長さと前記第二の円筒型圧電振動子を挟む部分の前記弾性体を含めた中心軸方向の長さの比が１／２〜３／２であってもよい。

以上のように、本発明によれば、２つの形状の異なる円筒型圧電振動子によりランジュバン型振動子を構成することにより、低周波領域においても小型で、かつ設計の自由度があり、広帯域化可能な送受波器を提供することができる。

本発明の実施の形態を以下に図面に基づき説明する。

図１は、本発明による送受波器の第一の実施例を示す断面図である。図１において、第一の円筒型圧電振動子１０の内部に円筒型圧電振動子１０と外径および長さが異なる第二の円筒型圧電振動子１１を配置し、第一および第二の円筒型圧電振動子１０、１１をそれらの中心軸方向の両側から２つの弾性体１２、１３により挟んでボルト締めしてランジュバン型振動子を構成している。

また、弾性体１２は図４の弾性体４２と同様に中心にボルト用の穴を開けた円柱形状の金属からなっているが、弾性体１３は弾性体を含めた中心軸方向の長さが第一の円筒型圧電振動子１０を挟む部分と第二の円筒型圧電振動子１１を挟む部分とで異なるように２つの円柱または円筒を組み合わせた構造となっている。

本実施例においては、円筒型圧電振動子１１は円筒型圧電振動子１０に比べて外径および長さが小さく、円筒型圧電振動子１０の内部に同軸に配置されている。また、弾性体１３と弾性体１２が円筒型圧電振動子１０を挟みこむ部分の長さをＬ₁、弾性体１３と弾性体１２が円筒型圧電振動子１１を挟みこむ部分の長さをＬ₂とすると、円筒型圧電振動子１０を挟みこんだ部分の共振周波数ｆ₁はｆ₁＝Ｖ_s／（２Ｌ₁）、円筒型圧電振動子１１を挟みこんだ部分の共振周波数ｆ₂はｆ₂＝Ｖ_s／（２Ｌ₂）となる。

図２は、本実施例の送受波器の周波数特性の一例を示す図である。図２のように本実施例の周波数特性は、周波数ｆ₁での破線で示す共振特性と周波数ｆ₂での破線で示す共振特性を重畳した実線で示す特性となり、その３ｄＢ帯域Δｆは図５に示した従来の送受波器に比べて２倍程度以上とすることができる。図５においては共振の等価的なＱ値も従来の半分程度以下となる。

この周波数特性は、長さＬ₁とＬ₂の選択、円筒型圧電振動子１０と１１の形状の設計により目的にあわせて最適化可能である。さらに本実施例においては、円筒型圧電振動子１０と１１の駆動端子をそれぞれ独立に取り出す構造とし、それらの駆動信号の振幅や位相を独立に制御することにより、周波数ｆ₁での共振特性と周波数ｆ₂での共振特性を独立に制御し、それらを重畳した周波数特性を調整することも可能である。以上のように本実施例の送受波器は従来の送受波器に比べて得られる特性における設計の自由度が大きい。

また、本実施例においては帯域幅を広げるために従来のように円筒型圧電振動子を挟む弾性体を複数個積み重ねる必要がないので小型化が可能である。

なお、本実施例において使用する円筒型圧電振動子１０、１１は、ＰＺＴなどの一般的な圧電材料により構成することができ、また、弾性体１２、１３はアルミニウムやステンレス、真ちゅうなどの金属材料、または前記材料と音速、密度等の弾性定数が同程度の他の材料を用いることができる。本実施例の送受波器の形状は使用する周波数により決定されるが、外径は１０〜２０ｃｍ程度、長さは２０〜５０ｃｍ程度である。

図３は、本発明による送受波器の第二の実施例を示す断面図である。図３において、第一の円筒型圧電振動子２０の内部に円筒型圧電振動子２０と外径および長さが異なる第二の円筒型圧電振動子２１を配置し、第一および第二の円筒型圧電振動子２０、２１をそれらの中心軸方向の両側から２つの弾性体２２、２３により挟んでボルト締めしてランジュバン型振動子を構成している。

また、弾性体２２は図４の弾性体４２と同様に中心にボルト用の穴を開けた円柱形状の金属からなっているが、弾性体２３は弾性体を含めた中心軸方向の長さが第一の円筒型圧電振動子２０を挟む部分と第二の円筒型圧電振動子２１を挟む部分とで異なるように２つの円柱または円筒を組み合わせた構造となっている。

本実施例においては、円筒型圧電振動子２１は円筒型圧電振動子１０に比べて外径が小さく、長さは長く、円筒型圧電振動子２０の内部に同軸に配置されている。また、弾性体２３と弾性体２２が円筒型圧電振動子２０を挟みこむ部分の長さはＬ₁₁、弾性体２３と弾性体２２が円筒型圧電振動子２１を挟みこむ部分の長さはＬ₂₂であり、第一の実施例と同様に、それらの長さに応じた２つの共振周波数を持ち、広い周波数帯域が得られる。

以上のように本実施例においても、低周波領域においても小型でかつ設計の自由度があり、広帯域化可能な送受波器が得られる。

なお、周波数ｆ₁とｆ₂が離れすぎると使用可能な周波数帯域が分離してしまうので、それを防ぐためにはＬ₁とＬ₂、またはＬ₁₁とＬ₂₂の長さの比は１／２〜３／２であることが望ましい。

本発明において、第一の円筒型圧電振動子と第二の円筒型圧電振動子の長さが同じで、それらを挟む弾性体の中心軸方向の長さが異なっている場合にも互いに異なる２つの共振周波数が得られ、本発明の効果が得られる。また、第一の円筒型圧電振動子と第二の円筒型圧電振動子の長さが異なり、それらを挟む弾性体を含めた中心軸方向の長さが同じとなる場合でも、第一及び第二の円筒型圧電振動子を挟む部分のそれぞれの弾性的構造が異なり、等価的な音速が異なるので、互いに異なる２つの共振周波数が得られ、本発明の目的が達せられる。この場合には、Δｆの増加の効果は小さいが、製造や取扱い上の利点が生ずる。

また、本発明は上述の実施例に限られるものではなく、目的とする周波数特性に応じて円筒型圧電振動子や弾性体の形状、材料を選択、設計することができる。

本発明による送受波器の第一の実施例を示す断面図。第一の実施例の送受波器の周波数特性の一例を示す図。本発明による送受波器の第二の実施例を示す断面図。従来のランジュバン型振動子を用いた送受波器の一例を示す断面図。従来のランジュバン型振動子を用いた送受波器の周波数特性の一例を示す図。

符号の説明

１０、１１、２０、２１、４１円筒型圧電振動子
１２、１３、２２、２３、４２弾性体
１５、２５、４５ボルト

Claims

第一の円筒型圧電振動子の内部に前記第一の円筒型圧電振動子と外径が異なる第二の円筒型圧電振動子を配置し、前記第一および第二の円筒型圧電振動子をそれらの中心軸方向の両側から２つの弾性体により挟んでボルト締めしてなるランジュバン型振動子を備え、前記弾性体を含めた中心軸方向の長さが前記第一の円筒型圧電振動子を挟む部分と前記第二の円筒型圧電振動子を挟む部分とで異なり、前記第一および第二の円筒型圧電振動子をそれぞれ独立に駆動可能としたことを特徴とする送受波器。
前記第一の円筒型圧電振動子を挟む部分の前記弾性体を含めた中心軸方向の長さと前記第二の円筒型圧電振動子を挟む部分の前記弾性体を含めた中心軸方向の長さの比が１／２〜３／２であることを特徴とする請求項１記載の送受波器。