JP6201489B2 - 音波変換装置および音波変換方法 - Google Patents

Description

本発明は、音波変換装置および音波変換方法に関し、特に、電歪振動子に圧縮荷重をかけることにより広帯域で高出力を達成する音波変換装置および音波変換方法に関する。

水中用アクティブソーナーにおいて、遠方の標的の捜索を可能とするために、高出力の超音波変換器（超音波トランスデューサ）が求められる。このような超音波変換器としては、ランジュバン振動子が広く普及している。図７はランジュバン振動子を用いた超音波変換器を示す図である。図７を参照して、超音波トランスデューサ１００は電歪振動子１０１、フロントマス１０２、リアマス１０３、ボルト１０４とから構成されている。電歪振動子１０１の分極方向（紙面上下方向）を金属製部材であるフロントマス１０２、リアマス１０３で挟み込み、それらを金属製部材であるボルト１０４で締結する。これにより、ボルト１０４の軸方向が電歪振動子１０１の分極方向となるとともに、分極方向に電歪振動子１０１に圧縮荷重をかけた状態となる。電気信号の入力に伴い電歪振動子１０１はボルト１０４の軸方向に伸縮動作する。その伸縮によるエネルギーをフロントマス１０２、および、フロントマス１０２に密着した、ゴムなどで作られる音響放射部１０５を介して水中１０６に音響信号を放射する。

電歪振動子１０１は引っ張り方向に弱い材料であり、大きな電気信号を入力すると、電歪振動子１０１の伸縮により発生する応力により、電歪振動子１０１を破壊してしまう。そのため、リング状の電歪振動子１０１を金属ブロックで挟み、金属ブロックと電歪振動子１０１とをボルト締めする構成をとる。このような構成を採用することで、電歪振動子１０１に荷重がかかる。これはボルト締めランジュバン振動子と呼ばれる。超音波トランスデューサ１００は大きな電気信号の入力による電歪振動子１０１の破壊を防止し、音響放射部１０５から水中１０６へ大きな音響信号を出力することができる。しかし、ボルト締めランンジュバン振動子を用いた超音波変換器では、広帯域な使用周波数で高出力な音響信号を出力するために、高出力・狭帯域タイプの超音波変換器と広帯域タイプの超音波変換器の２つを組み合わせる必要があり、小型軽量化が困難であるという問題があった。

この問題を解決するために、ランジュバン振動子のフロントマスの音響信号放射面側に音響整合層を接続する超音波トランスデューサが特許文献１に記載されている。特許文献１の超音波トランスデューサは、上述の電歪振動子１０１に対応する４個の圧電セラミック振動子と、最前列の圧電セラミック振動子の先端面に配設された金属材質のフロントマスと、最後列の圧電セラミック振動子の後端面に配設された金属材質のリアマスとを有する。さらに、これらの圧電セラミック振動子とフロントマスとリアマスとをボルト締めして連結するための金属材質のボルトと、４つの電極と、フロントマスの音響放射面に音響整合層（上述の音響放射部１０５に相当）とから構成されたランジュバン振動子である。ランジュバン振動子の全長は、その基本共振周波数の２分の１波長に設定されている。また、音響整合層はフロントマスの材質と超音波伝達材質である水との中間の固有音響インピーダンスを有しており、ランジュバン振動子の基本周波数の８分の１波長に設定されている。この構成により、超音波トランスデューサ１つで水中へ放射（送波）する音響信号の基本共振周波数帯域での高出力特性と、２倍基本周波数付近での広帯域特性を得ることができるとしている。

特開平１０−１７８７００号公報

しかし、特許文献１に記載されたようなランジュバン振動子を用いた関連する超音波トランスデューサは、圧電セラミック振動子に荷重を負荷する構造を採用しており、その構成は圧電セラミック振動子の中心を貫通したボルト、金属材質のフロントマスおよびリアマスから構成されている。このような圧縮荷重構造を適用したランジュバン振動子は反共振を持ち、水中へ放射する音響信号の送波電圧感度の性能が極端に低下する周波数帯域が存在する。図８は、水中における超音波トラスデューサの性能を表す送波電圧感度の例を示す図である。図８の周波数１０７に示す箇所が荷重負荷の構造による性能低下が生じる周波数である。ここで、ボルトが高剛性であり、その質量がランジュバン振動子の中での割合が大きいと、送波電圧感度が低下する周波数１０７が使用周波数帯域付近に現れ、使用帯域が制限される。

これを回避するためには、圧電セラミック振動子の構成を変更する必要があり、使用目的に応じた使用周波数帯域を確保することが困難であった。

このように、ランジュバン振動子を用いた関連する超音波トランスデューサにおいては、圧電セラミック振動子である電歪振動子の構成を変更することなく、使用周波数帯域を確保することが困難である、という問題があった。

本発明の目的は、上述した課題である、ランジュバン振動子を用いた関連する超音波トランスデューサにおいては、電歪振動子の構成を変更することなく、使用周波数帯域を確保することが困難である、という課題を解決する音波変換装置および音波変換方法を提供することにある。

本発明の音波変換装置は、電気信号に応じて伸縮動作を行う電歪振動子と、前記電歪振動子を狭持する第１金属板および第２金属板と、前記第１金属板および前記第２金属板のいずれか一方の前記電歪振動子を狭持する面と反対の面に配置した音響放射部と、前記電歪振動子に圧縮荷重を負荷する荷重負荷構造、とを有し、前記荷重負荷構造は、前記電歪振動子の構成によって定まる周波数特性および所定の使用周波数帯域により定まる特性値を有する。

また、本発明の音波変換方法は、第１金属板と第２金属板によって狭持された電歪振動子に荷重負荷構造を用いて圧縮荷重を負荷し、前記電歪振動子の構成によって定まる周波数特性において所定の使用周波数帯域を確保するように前記荷重負荷構造の特性値を制御する。

本発明の音波変換装置および音波変換方法によれば、電歪振動子の構成を変更することなく、使用周波数帯域を確保することが可能になる。

本発明の第１の実施形態に係る音波変換装置の構成を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る音波変換装置の構成を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態に対応した２次元解析モデルを示す模式図である。 本発明の第２の実施形態における送波電圧感度特性の計算結果を示す図である。 本発明の第３の実施形態のワイヤー接合部の構成を示す断面図である。 本発明の第４の実施形態の音波変換装置の構成を示す断面図である。 関連する超音波トランスデューサの構成を示す断面図である。 関連する超音波トランスデューサの送波電圧感度特性を示す図である。 関連する超音波トランスデューサに対応した２次元解析モデルを示す模式図である。

以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。

本発明の音波変換装置は、電歪振動子と、第１金属板と、第２金属板と、音響放射部と、荷重負荷構造とから構成される。電歪振動子を、平板状の第１金属板であるフロントマスと第２金属板とで挟み込む。電歪振動子を狭持するフロントマスの面とは反対の面に音響放射部を設ける。また、荷重負荷構造は第１金属板と第２金属板を介して電歪振動子に圧縮荷重を負荷する。電歪振動子の構造によって定まる周波数特性を有した電歪振動子へ圧縮荷重を負荷することによって、所定の使用周波数帯域における周波数特性を確保することができる。以下にその具体的な実施形態を説明する。

〔第１の実施形態〕
本発明の第１の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明の第１の実施形態による音波変換装置の構成を示す断面図であり、音波変換装置の中心軸を含む面で切断した図である。図１を参照して、本発明の第１の実施形態の音波変換装置１の構成を説明する。

音波変換装置１は、電歪振動子１１と、フロントマス１２と、音響放射部１５と、リアマス１３と、締結部２０と、螺子部１８と、ワイヤー１９とから構成されている。電歪振動子１１は１組の金属板（金属製部材で構成された平板）であるフロントマス１２とリアマス１３とに挟まれている。ここで、リアマス１３は中空形状とした。電歪振動子１１の分極方向をフロントマス１２とリアマス１３とで狭持する方向と一致させる。これにより、電歪振動子の電極（不図示）からの周期的な電気信号（例えば、交流信号）の入力に伴い音波変換装置１の中心軸に沿った方向に周期的な伸縮振動が発生する。リアマス１３の電歪振動子１１との接触面と反対の面に金属板である締結部２０（たとえばナット）が配置されている。フロントマス１２の中央部に設けた固定部に溶接あるいはフックなどに接続された高耐力の１本ないしは複数本のワイヤー１９は、電歪振動子１１とリアマス１３とのほぼ中央を通り、締結部２０の中央部に形成された雌螺子に勘合する螺子部１８が締結されている。ここで、フロントマス１２と、その中央部に設けた固定部と、締結部２０と、その中央部に設けた螺子部１８と、ワイヤー１９とが荷重負荷構造を構成する。以下ではワイヤー１９を１本とした場合を説明する。なお、ワイヤーの本数により荷重負荷構造の剛性を調整することができ、音波変換構造１全体の剛性に占める割合を制御することができる。

フロントマス１２の電歪振動子１１との接触面と反対側の面上に音響放射部１５を配置し、音響放射部１５が水中１６と接している。フロントマス１２を介して電歪振動子１１で生じた機械的な伸縮振動を音響放射部１５から水中１６へ放射する。音波変換装置１（具体的には、電歪振動子１１とフロントマス１２とリアマス１３と音響放射部１５）に対して締結部２０を廻して、螺子部１８が回転することなく、または、ワイヤー１９が捻れることなく、フロントマス１２から離れる方向に動かし、ワイヤー１９に張力をかける。これにより、フロントマス１２とリアマス１３（または締結部２０）とに狭持された電歪振動子１１に、音波変換装置１の中心軸に沿った方向（以降、中心軸方向という）に圧縮荷重がかかる。これにより、電歪素子１１によって電気エネルギーから変換された機械エネルギーがフロントマス１２、音響放射部１５を経て水中１６に放射する。

ワイヤー１９の直径はリアマス１３および電歪振動子１１の内径より十分に細い。また、ワイヤー１９の断面形状に特に限定はない。円形、楕円形、多角形であってもよく、筒状となっていてもよい。

また、電歪振動子１１は筒状（リング状）であればよい。具体的には、筒の周形状は円筒の形状、もしくは、三角形、四角形などの多角形である角筒の形状であってもよい。さらに、リアマス１３も電歪振動子１１と同じ筒形状であってもよい。締結部２０の外周形状は電歪振動子１１およびリアマス１３の外周形状と同じとする。これにより、ワイヤー１９の張力により電歪振動子１１の中心軸方向に均等に圧縮荷重をかけることができる。なお、リアマス１３および電歪振動子１１の外周面と締結部２０の外周面とは必ずしも一致しなくてもよい。リアマス１３および電歪振動子１１の外周面に対し締結部２０の外周面が突出していてもよい。また、締結部２０にもうけた螺子部１８の螺子部穴の大きさはリアマス１３の内径より小さくする。

なお、音波変換装置１の中心軸に沿った方向はフロントマス１２、電歪素子１１、リアマス１３、および、締結部２０を積層した方向と一致している。

以上のように、本発明の第１の実施形態では、音波変換装置１の中心に設けたワイヤー１９によりフロントマス１２とリアマス１３（または締結部２０）で狭持した電歪振動子１１に圧縮荷重をかけることで電歪振動子自信の伸張に伴う自己破壊を防止することができる。さらに、荷重負荷構造の構成により送波電圧感度が低下する周波数を制御することが可能である。そのため、電歪振動子の構成を変更することなく、音波変換装置１の使用する送信波の周波数帯域を確保することができる。

［第２の実施形態］
続いて、本発明の第２の実施形態について詳細に説明する。図２は本発明の第２の実施形態による音波変換装置の構成を示す断面図である。図１と同様に、図２は音波変換装置の中心軸を含む面で切断した図である。第２の実施形態では、第１の実施形態の電歪振動子を中心軸方向に複数に分割し、分割された電歪素子の間に電極が挿入された構成とした。なお、図１と同じ構成部品を同じ符号で記載している。図２を参照して、本発明の第２の実施形態の音波変換装置２の構成を説明する。

音波変換装置２は、第１の実施形態の音波変換装置１の構成部品に加え、リング状でありかつリングの中心軸方向に分極された電歪素子２２、２３、２４、２５と、電極３２、３３，３４、３５、３６と、カラー２１と、接合部１７とから構成されている。フロントマス１２の上面（リアマス１３と対向する面）の中央領域にワイヤー１９を固定する固定部１７を設け、その外側にカラー２１を設ける。カラー２１の上面（リアマス１３に対向する面）に電歪素子２２から２５と電極３２から３６とを交互に積み重ねる。電歪素子２２から２５は、隣り合った電歪素子と分極方向が交互になるように配置する。電極２２の上にリアマス１３を配置し、その上に締結部２０を配置する。ここで、フロントマス１２と、固定部１７と、締結部２０と、螺子部１８と、ワイヤー１９とが荷重負荷構造を構成する。

電歪素子２２から２５、電極３２から３６、カラー２１、リアマス１３から構成されるリング状積層構造３７の内側から、固定部１７に溶接またはフックなどによって接合されたワイヤー１９を引き出す。ワイヤー１９の固定部１７の固定点とは反対の先端を螺子部１８と勘合させる。螺子部１８を回転方向に固定した状態で、螺子部１８が音波変換装置２の中心軸方向かつフロントマス１２から離れる方向に移動するよう締結部２０をリング状積層構造３７に対して廻す。なお、螺子部１８を回転方向に固定しているのは、ワイヤー１９が締結部２０の回転に伴って捻れないようにするためである。ワイヤー１９はフロントマス１２の接合部１７に接合されているため、フロントマス１２もワイヤー１９に引っ張られてリアマス１３側に動こうとするが、フロントマス１２と締結部２０の間にはリング状積層構造３７が存在するため、フロントマス１２の音波変換装置２の中心軸方向の移動は抑制され、螺子部１８だけが音波変換装置２の中心軸に沿ったフロントマス１２から離れる方向に動く。このため、ワイヤー１９に音波変換装置２の中心軸に沿ったフロントマス１２へ近づく方向に張力がかかり、逆に、リング状積層構造３７には張力とは反対の方向に圧縮荷重がかかる。

また、フロントマス１２のリング状積層構造３７を設置した面とは反対側の面上に、ゴム等で作られた音響放射部１５が接着されている。音響放射部１５においてフロントマス１２との接着面と反対側の面が水中１６に接している。

リング状積層構造３７への圧縮荷重は電歪素子に発生する最大発生応力より大きい値に設定する。具体的には、電歪素子２２から２５に想定されうる最大電圧が入力された時、電気機械変換により電歪素子２２から２５に発生する応力の合計を最大発生応力と定義し、その値より大きい値を圧縮荷重に設定する。

なお、リング状積層構造３７の各積層構造物の間は、接着剤により固定されている。また、電極３２から３６は、電歪素子２２から２５の外周面より少なくとも一部が突起している。この突起部が電気信号入力の端子であり、電線を接合している。

電極３２、３３、３４の組と、電極３５、３６の組がそれぞれ同電位になるように電線を接続し、交流電気信号を入力する。電歪素子２２から２５でそれぞれ電気機械変換が生じ、電歪振動２２から２５は互いに同期して伸縮動作する。この伸縮動作によるエネルギーは、フロントマス１２と音響放射部１５を伝搬して水中１６に音響信号として放射される。ここで、交流電気信号の周波数、および入力電圧を変化させることで、所望の音響信号を得ることができる。

図２に示した第２の実施形態を図３に示す２次元軸対称モデルとして有限要素法解析を行った計算結果を図４に示す。また、関連する超音波トランスデューサについて、図９に示す２次元軸対称モデルを用いて有限要素法解析を行った計算結果も併せて図４に示す。図３では、図２と同じ構成要素は同じ符号で表している。なお、有限要素解析でのモデル化を簡単とするため、電極３２から３６は省略している。また、図９では、図３の解析モデルと同じように、フロントマス１０２の上面（ボルト１０４取り付け面）にカラー１２１を配置し、その上に電歪素子１２２から１２５が積層され、電歪素子１２２の上面にリアマス１０３が積層されている。リアマス１０３の上面にボルト１０４の頭部１０８が配置されている。

図４は音波変換装置２が水中１６へ放射する送波信号の電圧感度を計算した結果であり、横軸は送波信号の周波数、縦軸は送波電圧感度である。さらに、図中の実線のグラフが本実施形態の計算結果であり、図中の点線のグラフが関連するランジュバン振動子である超音波トランスデューサについての計算結果である。

なお、本実施形態と関連する超音波トランスデューサの計算結果を比較しやすいように、図３および図９の解析モデルにおいて、積層した電歪素子、フロントマス、リアマス、カラーは両者とも同一寸法としている。また、図３では、螺子部と締結部とを同一材料で作成するものとし、解析上では螺子部と締結部との一体とした勘合体２８とみなしている。また、関連する超音波トランスデューサのボルト１０４の頭部１０８は本実施形態の勘合体２８と同一形状となるよう設定した。さらに、図３のワイヤー１９の直径はボルト１０４の直径より細くなるように設定した。

図４より、関連するランジュバン振動子である超音波トランスデューサの送波電圧感度が極端に低下する性能低下点である反共振点は周波数３８であり、本実施形態の送波電圧感度が極端に低下する性能低下点は周波数３９である。周波数３９は周波数３８より高周波側に移動していることがわかる。音波変換装置の使用周波数が帯域幅４０に示す領域とすると、ワイヤー１９を用いた音波変換装置の性能低下点である反共振点を使用帯域の外側、具体的には使用周波数帯域の上限の高周波側に移動させることができる。使用帯域内および使用帯域付近に反共振点となる性能劣化点がないことにより、電歪振動素子の構成を変更することなく、圧縮荷重する構成部材の寸法を調整することで、容易に所望の使用周波数帯域における送波電圧感度の良好な周波数特性を得ることができる。

以上のように、本発明の第２の実施形態では、第１の実施形態と同様に、電歪素子自信の伸張に伴う自己破壊を防止することができる。また、複数の電歪振動素子の全体構成および各電歪振動子の構成を変更することなく、音波変換装置２の送信波の使用周波数帯域を確保することができる。具体的には、剛性が低く、細いワイヤー１９に中心軸方向のみの張力を付与することで、電歪素子２２から２５への中心軸方向以外の不要な応力を抑制し、性能劣化する周波数を使用周波数帯域より高帯域側へシフトすることができる。

〔第３の実施形態〕
続いて、本発明の第３の実施形態について詳細に説明する。図５は本発明の第３の実施形態による音波変換装置のワイヤー接合部の構成を示す断面図である。第３の実施形態の音波変換装置は第２の実施形態と同じ構成である。ただし、ワイヤー１９の構成が異なる。つまり、第２の実施形態では１本のワイヤー１９を配置する構成であったが、第３の実施形態では複数本のワイヤー１９を配置する構成である。図５は、リアマス１３側から見たフロントマス１２の上面図であり、接合部１７の中に記載している黒丸「●」がワイヤー１９を示している。

２本のワイヤー１９を用いる場合、図５（ａ）に示すように固定部１７の中心４１からほぼ同じ距離、かつ、中心４１に対して点対称（もしくは、２回対称）となる位置に各々のワイヤー１９を接合する。

また、３本のワイヤー１９を用いる場合、図５（ｂ）に示すように接合部１７の中心４１からほぼ同じ距離、かつ、中心４１に対して３回対称となる位置に各々のワイヤー１９を接合する。また、図５（ｃ）に示すように固定部１７の中心４１からほぼ同じ距離、かつ、中心４１に対して点対称（もしくは、２回対称）となる位置と、中心４１とに各々のワイヤー１９を接合する。

また、４本のワイヤー１９を用いる場合、図５（ｄ）に示すように固定部１７の中心４１からほぼ同じ距離、かつ、中心４１に対して４回対称となる位置に各々のワイヤー１９を接合する。また、図５（ｅ）に示すように固定部１７の中心４１からほぼ同じ距離、かつ、中心４１に対して３回対称となる位置と、中心４１とに各々のワイヤー１９を接合する。

さらに、５本のワイヤー１９を用いる場合、図５（ｆ）に示すように固定部１７の中心４１からほぼ同じ距離、かつ、中心４１に対して５回対称となる位置に各々のワイヤー１９を接合する。また、図５（ｇ）に示すように固定部１７の中心４１からほぼ同じ距離、かつ、中心４１に対して４回対称となる位置と、中心４１とに各々のワイヤー１９を接合する。

このように中心４１から所定の距離の円周上に、等間隔にワイヤーを配置する。また、ワイヤーの数が３本以上の場合、その内の１本のワイヤーを中心４１とし、ほかのワイヤーを前述の円周上に等間隔に配置する。複数本のワイヤーは、同じ材質、同じ直径であることが好ましいが、それに限るものではない。電歪素子２２から２５への圧縮荷重が均等にかけることができれば、各々のワイヤーの材質、直径を一致させる必要はない。

また、螺子部１８に向かう複数本のワイヤー１９は、固定部１７におけるワイヤーの相対的な位置関係を維持したまま延在し螺子部１８に接合される。つまり、接合部１７に接合された各々のワイヤーの接合部の相対的位置関係と螺子部１８に接合された各々のワイヤーの接合部の相対的位置関係は一致している。しかも、締結部２０を廻すことでワイヤー１９に張力をかけるとき、第１の実施形態および第２の実施形態と同様に、螺子部１８を回転させない。これにより、締結部２０が回転しても、各々のワイヤーの相対的位置関係を保持したまま張力をかけることができ、電歪素子２２から２５に均等に圧縮荷重をかけることができる。

以上のように、本発明の第３の実施形態では、ワイヤーを複数本とすることで１本あたりのワイヤーの張力を抑制しつつ、電歪素子へ均等な圧縮荷重をかけることができる。さらに、複数本のワイヤーを音波変換装置の中心およびその周辺に等間隔で配置することにより、音波変換装置に加わる外力、とくに、中心軸のまわり付加される外力に対して、音波変換装置の回転を防止することができる。
［第４の実施形態］
次に、本発明の第４の実施形態について詳細に説明する。図６は本発明の第４の実施形態による音波変換装置の構成を示す断面図である。図２と同様に、図６は音響変換装置の中心軸を含む面で切断した図である。第４の実施形態では、第２の実施形態と同様に電歪素子を中軸方向に複数に分割し、分割された電歪素子の間に電極が挿入された構成である。なお、図２と同じ構成部品には同じ符号を記載している。図６を参照して、本発明の第４の実施形態の音波変換装置３の構成を説明する。なお、第２の実施形態の音波変換装置２と異なる構成を中心に説明する。

音波変換装置３は、第２の実施形態の音波変換装置２とは電極の突出方向が異なっている。つまり、リング状の電極５２から５６は電線を接合する端子を内側に備えており、それらは各電極の内向きに突起している。電極５２、５３、５４の組と、電極５５、５６の組がそれぞれ同電位になるように電線を接続し、交流電気信号を入力する。

フロントマス１２の上面でカラー２１より外側の領域にワイヤー４９の固定部５０を設ける。固定部５０に溶接もしくはフック等を用いて高耐力のワイヤー４９を接合する。ワイヤー４９は金属製の線状のものであってもよいが、それに限るものではない。薄い平板状（リボン状）の金属製板でもよい。

第２の実施形態と同様に、フロントマス１２の上面にカラー２１を配置し、その上に電歪素子２２から２５と電極５２から５５を交互に積層する。なお、電歪素子の分極方向は音波変換装置３の中心軸方向に沿っている。さらに、隣り合った電歪素子はその分極方向が交互になるような方向に配置する。電極５２の上にリアマス１３を配置し、その上にテールプレート４６を配置する。リアマス１３との接触面とは反対側の面、つまり、テールプレート４６の上面において、軸対称（２回対称）となる外周領域にワイヤー４９を渡すためのガイド４７を各々設ける。また、フロントマス１２の固定部５０の軸対称となる外周領域に別の固定部となる巻き取り部５１を設ける。なお、固定部５０、２つのガイド４７、巻き取り部５１とは、音波変換装置３の上方から見て略一直線に並ぶよう配置する。固定部５０に接合したワイヤー４９は、テールプレート４６のガイド４７を跨いで巻き取り部５１で巻き取られる。本実施形態では、フロントマス１２、ワイヤー４９、テールプレート４６、固定部５０、巻き取り部５１が圧縮荷重構造を構成する部材である。

巻き取り部５１の巻き取り方向は、音波変換装置３の中心軸に沿った方向と概ね一致している。巻き取り部５１によってワイヤー４９を巻き取ることで、電歪素子２２から２５、電極５２から５６、リング２１、リアマス１３、テールプレート４６から構成されるリング状積層構造５７を、音波変換装置３の中心軸に沿ったフロントマス１２へ向かう方向に押しつけ、圧縮方向の荷重をかける。なおリング状積層構造５７の各構成要素に間は、接着剤により固定される。

テールプレート４６の中央部に設けた貫通穴４８から電極５２から５６に接合された電線を引き出している。

リング状積層構造５７への圧縮荷重は電歪素子に発生する最大発生応力より大きい値に設定する。具体的には、電歪素子２２から２５に想定されうる最大電圧が入力された時、電気機械変換により電歪素子２２から２５に発生する応力の合計を最大発生応力と定義し、その値より大きい値を圧縮荷重と設定する。電歪素子は引っ張り方向の力に脆い性質をもつため、大きな電圧を入力した場合、電歪素子自身の伸縮により発生する応力によって破壊する可能性がある。しかし、他の実施形態と同様に、電歪素子にあらかじめ最大発生応力より大きな圧縮荷重をかけておくことで、破壊を防ぐことができる。

電極５２、５３、５４の組と、電極５５、５６の組がそれぞれ同電位になるように、電線を介して交流電気信号を入力すると、電歪素子２２から２５の各々の素子において電気機械変換が行われ、電歪素子２２から２５は伸縮動作する。この伸縮動作は、フロントマス４４と音響放射部５８を伝搬して水中１６に音響信号として放射される。

以上のように、交流電気信号の周波数、および電圧を変化させることで、所望の音響信号を得ることができる。また、リング状積層構造５７の外側からワイヤー４９によって圧縮荷重をかける構成によっても、音波変換装置３の送波電圧感度の性能低下点を使用周波数帯域の高周波側に移動させることができる。すなわち、電歪振動子の構成を変更することなく、ワイヤーがリング状積層構造を跨ぐ圧縮荷重構成においても各部材の寸法の調整することにより、使用周波数帯域における送信電圧感度の周波数特性を確保することが可能となる。

なお、第４の実施形態では、ワイヤー４９を１本としてリング状積層構造５７に圧縮加重をかけているが、これに限るものではない。例えば、複数本のワイヤーによって、リング状積層構造５７に圧縮加重をかけてもよい。この場合、各々のワイヤーを接合する接合部および取り巻き部をフロントマス１２の外周であり軸対称（２回対称）の位置に設ける。また、２つのガイドをテールプレート４６の上面の外周であり軸対称な位置に設ける。固定部、取り巻き部、および、２つのガイドを各々のワイヤーに対して用意し、それらの配置は、音波変換装置３の上方から見て一直線に配置されている。

第３の実施形態では複数本のワイヤー１９を中心軸方向に沿って配置しているが、それに限るものではない。フロントマス１２からフロントマス１３に向かってワイヤー１９を中心軸に対して傾斜させてもよい。ただし、中心軸を通るワイヤーがある場合、そのワイヤーは傾斜させない。傾斜させる各々のワイヤーの傾斜方向は中心軸を中心に放射状に広がらせ、その傾斜角は中心軸に対して同程度の角度とすることができる。

本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で、種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれるものであることはいうまでもない。

１、２、３ 音波変換装置
１１、１０１ 電歪振動子
１２、１０２ フロントマス
１３、１０３ リアマス
１５、１０５ 音響放射部
１６、１０６ 水中
１７、５０ 固定部
１８ 螺子部
１９、４９ ワイヤー
２０ 締結部
２２、２３、２４、２５ 電歪素子
２１、１２１ カラー
３２、３３、３４、３５、３６、５２、５３、５４、５５、５６ 電極
３７、５７ リング状積層構造
３８、３９、１０７ 周波数
４０ 帯域幅
４１ 中心
４６ テールプレート
４８ 貫通穴
４７ ガイド
５１ 巻き取り部
１００ 超音波トランスデューサ
１０４ ボルト

Claims (8)

1. 電気信号に応じて伸縮動作を行う電歪振動子と、
   前記電歪振動子を狭持する第１金属板および第２金属板と、
   前記第１金属板および前記第２金属板のいずれか一方の前記電歪振動子を狭持する面と反対の面に配置した音響放射部と、
   前記電歪振動子に圧縮荷重を負荷する荷重負荷構造、とを有し、
   前記荷重負荷構造は、前記電歪振動子の構成によって定まる周波数特性および所定の使用周波数帯域により定まる特性値を有し、
   前記荷重負荷構造は、線状の剛体からなるワイヤーと、前記ワイヤーを前記第１金属板および前記第２金属板に固定する固定部、とを備え、
   前記周波数特性は、前記電歪振動子の構成によって定まる反共振周波数を含み、
   当該反共振周波数は、前記使用周波数帯域の上限よりも高周波側である
   音波変換装置。
2. 前記ワイヤーの一端は、前記第１金属板の前記電歪振動子を狭持した面の中央に接合し、
   前記第２金属板の中央に螺旋部を備え、前記螺旋部の前記電歪振動子に対向する面に前記ワイヤーの他端を接合し、
   前記荷重負荷構造は、前記螺旋部を回転させずに前記第２金属板を回転することで、ワイヤーの張力を前記電歪振動子と前記第２金属板とを圧縮荷重として負荷する
   請求項１に記載の音波変換装置。
3. 前記ワイヤーは複数本からなり、前記第１金属板の前記電歪振動子を狭持した面の中心およびその周辺に各々のワイヤーの一端を接合し、接合した面内の各々のワイヤーの相対的位置関係と相似となる位置関係で、各々のワイヤーの他端が前記螺旋部に接合している請求項２に記載の音波変換装置。
4. 電気信号に応じて伸縮動作を行う電歪振動子と、
   前記電歪振動子を狭持する第１金属板および第２金属板と、
   前記第１金属板および前記第２金属板のいずれか一方の前記電歪振動子を狭持する面と反対の面に配置した音響放射部と、
   前記電歪振動子に圧縮荷重を負荷する荷重負荷構造、とを有し、
   前記荷重負荷構造は、前記電歪振動子の構成によって定まる周波数特性および所定の使用周波数帯域により定まる特性値を有し、
   前記荷重負荷構造は、帯状の剛体からなる金属板と、前記金属板を前記第１金属板に固定する第１固定部および第２固定部、とを備え、
   前記周波数特性は、前記電歪振動子の構造によって定まる反共振周波数を含み、
   当該反共振周波数は、前記使用周波数帯域の上限よりも高周波側である
   音波変換装置
5. 前記金属板は前記第１金属板、前記第２金属板、および、前記電歪振動子を跨いで配置され、前記第２金属板の上面に設けたガイドに前記金属板が当接する
   請求項４に記載の音波変換装置。
6. 前記第１固定部または前記第２固定部のいずれか一方が前記金属板を巻き取る巻き取り部であり、前記巻き取り部は、前記金属板を巻き取り、前記金属板の張力を前記電歪振動子と前記第２金属板とを圧縮荷重として負荷する
   請求項４または５に記載の音波変換装置。
7. 前記金属板は複数本からなり、
   前記金属板のぞれぞれは前記第１固定部および前記巻き取り部を備え、
   前記第１固定部および前記巻き取り部は、前記第１金属板の前記電歪振動子を狭持した面の外周部の軸対称な位置に配置しており、前記第１固定部および前記巻き取り部によって前記位置は前記金属板ごとに異なる
   請求項６に記載の音波変換装置。
8. 前記電歪振動子は複数の電歪素子を有し、前記電歪素子の積層方向に沿って前記電歪素子の分極方向が交互となるように配置している
   請求項１から７のいずれか１項に記載の音波変換装置。

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