JP5315264B2

JP5315264B2 - 電気音響変換器

Info

Publication number: JP5315264B2
Application number: JP2010024414A
Authority: JP
Inventors: 英樹大平
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 2010-02-05
Filing date: 2010-02-05
Publication date: 2013-10-16
Anticipated expiration: 2030-02-05
Also published as: JP2011166288A

Description

本発明は、ソーナー用の電気音響変換器に関し、特に目標物の距離と方向を探知するためのソーナーシステムに使用する電気音響変換器に関するものである。

ソーナーシステムは水中音波を使って船舶や水中の物体を捜索、探知、測距する装置である。従来のソーナーシステムに用いられる電気音響変換器には、特許文献１に開示されているように、径方向に分極された円筒形状の圧電振動子を用い、その外周面および内周面に、それらの面をそれぞれ４分割した電極を形成し、その分割された電極を平衡型変成器に接続して構成される電気音響変換器がある。

この構造による電気音響変換器は、圧電振動子の内周面と外周面の両電極を分割するので、製作するのに手間を要し、高価となる欠点があるため、これを安価にするべく、各種試みが行われている。例えば、特許文献２では径方向に分極された円筒形状の圧電振動子の外周面を全面電極にし、内周面だけを４分割の電極にする構造の電気音響変換器の提案がされている。

図５は上記構造を有する従来の圧電振動子の斜視図であり、図６はこの圧電振動子を用いた従来の電気音響変換器の構成を示す回路図である。図５、６に示すように、この構造の電気音響変換器は、円筒状圧電振動子１１の内周面の４分割された電極１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ、１３Ｄの互いに対向する２つの電極をそれぞれ２つの平衡型変成器１４Ａ、１４Ｂの１次側の両端に接続し、その平衡型変成器の２次側から、１次側に接続された２つの電極が対向する方向のダイポール指向性を有する信号、すなわちＸ方向ダイポール指向性、およびＹ方向ダイポール指向性の信号を得、平衡型変成器１４Ａ、１４Ｂの１次側の中点を接続した端子と外周面の全面電極１２との間から無指向性を有する信号を得ることができる。

特公昭６３−５７９９９号公報特公平５−６２７０６号公報

しかしながら、前記のような従来の電気音響変換器の場合は、圧電振動子が円筒形状であるために内周面の電極を分割して作製するのに手間を要し、また、分極方向が径方向であるため、均一な感度を得るためには外周面と内周面との間の厚さが均一である必要があり、このため研磨の手間がかかることや研磨分の余分な材料を必要とし、高価になるという問題があった。

従って、本発明の課題は、上記の従来技術の問題点を解決し、電極の作製が簡単に実施でき、研磨の手間が少なく、安価な電気音響変換器を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の電気音響変換器は、円筒形状の圧電振動子とｎ個（ｎは整数）の平衡型変成器を用いた電気音響変換器であって、前記圧電振動子は中心軸の方向に分極され、上端面または下端面の一方の端面に該端面のほぼ全面に形成された全面電極を有し、他方の端面に円周方向へ２ｎ個に分割して形成された２ｎ個の分割電極を有し、該２ｎ個の分割電極の前記中心軸に対して互いに対向する２つの分割電極をそれぞれ１組の電極対としてｎ組の電極対を構成し、前記ｎ個の平衡型変成器の１次側の両端にはそれぞれ前記ｎ個の電極対のうちの１つの電極対を接続し、前記平衡型変成器の２次側から、前記平衡型変成器の１次側に接続された電極対を構成する２つの分割電極が対向する方向のダイポール指向性を有する信号を得、前記ｎ個の平衡型変成器の１次側の中点をすべて接続した端子と前記全面電極との間から無指向性を有する信号を得ることを特徴とする。

すなわち、本発明の電気音響変換器の圧電振動子は、従来のように円筒形状の径方向ではなく中心軸方向に分極されており、電極は円筒形状の外周面や内周面ではなく円筒形状の上下端面に形成されており、円筒状圧電振動子の横効果振動を利用するものである。

前記の如く、本発明においては、円筒状圧電振動子の電極を形成する箇所が、製作が面倒な内周面や外周面ではなく上下端面であるので、電極の作製がスクリーン印刷により簡単に実施でき、研磨の手間が少なく、安価な電気音響変換器が得られる。

本発明による一実施の形態の電気音響変換器に使用する圧電振動子の斜視図。本発明による一実施の形態の電気音響変換器の構成を示す回路図。本発明による一実施の形態の電気音響変換器で得られる指向性のチャート図であり、Ｘ方向ダイポール指向性をシミュレーションした結果を示す図。本発明による一実施の形態の電気音響変換器で得られる指向性のチャート図であり、Ｙ方向ダイポール指向性をシミュレーションした結果を示す図。従来の圧電振動子の斜視図。従来の電気音響変換器の構成を示す回路図。

以下、本発明による電気音響変換器の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は本発明による一実施の形態の電気音響変換器に使用する圧電振動子の斜視図、図２は本実施の形態の電気音響変換器の構成を示す回路図である。図１、図２に示すように、本実施の形態の電気音響変換器は円筒状圧電振動子１と２個の平衡型変成器４Ａ、４Ｂを有し、円筒状圧電振動子１は円筒の中心軸の方向に分極され、円筒の下端面のほぼ全面に形成された全面電極２を有し、円筒の上端面にその端面を円周方向へ４個に分割して形成された４個の分割電極３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄを有し、この４個の分割電極の中心軸に対して互いに対向する２つの分割電極３Ａと３Ｃ、および３Ｂと３Ｄをそれぞれ１組の電極対として２組の電極対を構成し、平衡型変成器４Ａ、４Ｂの１次側の両端にはそれぞれ２個の電極対のうちの１つの電極対を接続し、平衡型変成器４Ａ、４Ｂの２次側端子５Ａ、５Ｂ、および６Ａ、６Ｂからそれぞれの平衡型変成器の１次側に接続された電極対を構成する２つの分割電極が対向する方向のダイポール指向性を有する信号を得、２個の平衡型変成器の１次側の中点をすべて接続した端子７Ａと全面電極２との間から無指向性を有する信号を得ている。

以下に本実施の形態の電気音響変換器の構成と動作の詳細を説明する。

図１に示すように、円筒状圧電振動子１の形状の具体的一例としては、外径２００ｍｍ、内径１７７ｍｍ、高さ２０ｍｍの円筒状圧電体を用い、上端面の分割電極３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄの隣り合う電極間に２ｍｍの隙間を明けて作製し、全面電極２を負極、分割電極３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄを正極として分極したものを使用できる。圧電体としてはＰＺＴなどの圧電セラミックスを使用できる。

図２に示すように、図１の円筒状圧電振動子１の分割電極３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄのうち、対向する電極３Ａと３Ｃを第一の平衡型変成器４Ａの１次側端子に接続し、第一の平衡型変成器４Ａの２次側端子５Ａと５ＢがＸ方向のダイポール指向性端子となり、３Ｂと３Ｄを第二の平衡型変成器４Ｂの１次側端子に接続し、第二の平衡型変成器４Ｂの２次側端子６Ａと６ＢがＹ方向のダイポール指向性端子となる。

第一の平衡型変成器４Ａと第二の平衡型変成器４Ｂの１次側中点を短絡して引き出した端子７Ａと円筒状圧電振動子１の全面電極２から引き出した端子７Ｂが無指向性端子となる。

図１の円筒状圧電振動子１が音波を受けるとき、対向する分割電極の下部の範囲にある圧電振動子の部分は、円筒内外間の音圧差による円環の拡がり振動と、円筒外周面の平面振動を同時に受ける。円筒状圧電振動子１の分極方向は高さ方向に同じ向きであるので、対向する分割電極３Ａと３Ｃ、あるいは３Ｂと３Ｄには、全面電極２を中点として円環の拡がり振動の信号が同位相に、平面振動の信号が逆位相に現れる。

この分割電極３Ａと３Ｃ、あるいは３Ｂと３Ｄを図２のように分極方向が逆になるように直列に接続し、平衡型変成器４Ａ、あるいは４Ｂを介して信号を取り出すと、２次側端子５Ａと５Ｂ、あるいは６Ａと６Ｂには１次側での同位相の円環の拡がり振動の信号は打ち消され、逆位相の平面振動の信号のみが出力される。

この結果、平衡型変成器４Ａの２次側端子５Ａと５Ｂからは分割電極３Ａと３Ｃが対向する方向、すなわちＸ方向にダイポール指向性を有する信号が得られ、平衡型変成器４Ｂの２次側端子６Ａと６Ｂからは分割電極３Ｂと３Ｄが対向する方向、すなわちＹ方向にダイポール指向性を有する信号が得られる。

平衡型変成器４Ａと４Ｂの中点を結ぶ端子７Ａと全面電極２の端子７Ｂ間の信号は、対向する分割電極３Ａと３Ｃ、あるいは３Ｂと３Ｄ間で逆位相である平面振動の信号は打ち消され、同位相の円環の拡がり振動の信号のみが出力され、無指向性の信号が得られる。

図３、図４は、本発明による一実施の形態の電気音響変換器で得られる指向性のチャート図である。図３は、上述の具体例の形状の円筒状圧電振動子に対し５．５ｋＨｚの送信信号を送ったとき、２次側端子５Ａ、５Ｂから得られるＸ方向ダイポール指向性をシミュレーションした結果を示し、図４は同様に２次側端子６Ａ、６Ｂから得られるＹ方向ダイポール指向性をシミュレーションした結果を示す。従来と同様にＸおよびＹ方向のダイポール指向性が得られることがわかる。

以上のように、本実施の形態の電気音響変換器の円筒状圧電振動子では、分割電極が円筒の端面に形成されるのでスクリーン印刷で簡単に作製できる。また、分極方向が中心軸の方向、すなわち高さ方向であるので、その高さを均一にすればよく、従来のように外周面と内周面の間の厚さを均一にするための研磨の手間が不要となり、従来よりも安価に作製できる。

なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではないことはいうまでもなく、目的や用途に応じて設計変更可能である。例えば、円筒形状の圧電振動子の分割電極の数２ｎは２または６以上の数であってもよく、その数に対応して平衡型変成器の数も設定できる。また、圧電振動子の形状や材料なども目的に応じて設計可能である。

１、１１円筒状圧電振動子
２、１２全面電極
３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ、１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ、１３Ｄ（分割）電極
４Ａ、４Ｂ、１４Ａ、１４Ｂ平衡型変成器
５Ａ、５Ｂ、６Ａ、６Ｂ２次側端子
７Ａ、７Ｂ端子

Claims

円筒形状の圧電振動子とｎ個（ｎは整数）の平衡型変成器を用いた電気音響変換器であって、前記圧電振動子は中心軸の方向に分極され、上端面または下端面の一方の端面に該端面のほぼ全面に形成された全面電極を有し、他方の端面に円周方向へ２ｎ個に分割して形成された２ｎ個の分割電極を有し、該２ｎ個の分割電極の前記中心軸に対して互いに対向する２つの分割電極をそれぞれ１組の電極対としてｎ組の電極対を構成し、前記ｎ個の平衡型変成器の１次側の両端にはそれぞれ前記ｎ個の電極対のうちの１つの電極対を接続し、前記平衡型変成器の２次側から、前記平衡型変成器の１次側に接続された電極対を構成する２つの分割電極が対向する方向のダイポール指向性を有する信号を得、前記ｎ個の平衡型変成器の１次側の中点をすべて接続した端子と前記全面電極との間から無指向性を有する信号を得ることを特徴とする電気音響変換器。