JP7288239B2

JP7288239B2 - 積層型振動子

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Publication number: JP7288239B2
Application number: JP2019037256A
Authority: JP
Inventors: 一輝脇坂
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2019-03-01
Filing date: 2019-03-01
Publication date: 2023-06-07
Anticipated expiration: 2039-03-01
Also published as: JP2020141354A

Description

本発明は、積層型振動子に関し、特に送受波器に用いられる水中超音波用振動子に関する。

振動子として、周波数が大きく離れている２周波数を使用する送受波器に使用される振動子が知られている。

特許文献１は、２周波以上の振動子を同一面内に適切な配列長で配列し、指向性のサイドローブを低下させるようした「複合型振動子」を開示している。特許文献１に開示された複合型振動子は、高周波数用振動子をランジュバン型振動子に積層し、高周波数用振動子と低周波数用振動子とをそれぞれ適切な配列ピッチで配列することにより、２周波数の振動子を同一面内に配列して、サイドローブを低下させている。

より具体的に述べると、特許文献１において、その第４実施の形態の複合型振動子は、低周波数用圧電振動子と、フロントマス及びリアマスと、音響整合層と、複数の高周波数用圧電振動子と、バッキング板と、を含む。低周波数用圧電振動子は、低周波数の音響信号の送受波を行うための振動子である。フロントマス及びリアマスは、低周波数用圧電振動子の共振系を相互間で挟持するための部材である。音響整合層は、フロントマスの音響放射面側に配設されかつ低周波数用圧電振動子の作動帯域を拡大するための層である。複数の高周波数用圧電振動子は、音響整合層とフロントマスとの間に配設されかつ高周波数の音響信号の送受波を行うための振動子である。バッキング板は、複数の高周波数用圧電振動子とフロントマスとの間に配設されて複数の高周波数用圧電振動子各々を固着しかつ高周波数でのリアマス方向への振動伝達を抑圧するための板である。

特許第２９７２７４１号公報

しかしながら、特許文献１には、次に述べるような問題がある。

特許文献１に開示された複合型振動子は、負荷媒体である水とランジュバン型振動子との間に圧電素子(セラミック)を配設している。セラミックは基本的には音響インピーダンスが高いため、水との音響インピーダンスの整合を図ることが困難である。そのことから、特許文献１に開示された複合型振動子では、広帯域の作動帯域を確保することが難しくなり、感度性能が劣化してしまうことが課題として挙げられる。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであって、所望の作動帯域を確保することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の１つの態様として、積層型振動子は、低周波数の音響信号の送受波を行うための低周波数用圧電振動子と；前記低周波数用圧電振動子の共振系を形成しかつ前記低周波数用圧電振動子を相互間で挾持するためのフロントマス及びリアマスと；前記フロントマスの音響放射面側に配設されかつ前記低周波数用圧電振動子の作動帯域を拡大するための音響整合層と；前記音響整合層と前記フロントマスとの間に配設されかつ高周波数の音響信号の送受波を行うコンポジット振動子と；前記コンポジット振動子と前記フロントマスとの間に配設されて前記コンポジット振動子を固着するバッキング材と；を含み、前記コンポジット振動子は、前記低周波数用圧電振動子の作動帯域を拡大するための音響整合部材としても機能する。

本発明によれば、所望の作動帯域を確保することが可能である。

本発明の第１の実施例のコンポジット積層型振動子を示す断面図である。上記特許文献１（特許第２９７２７４１号公報）に記載された第４実施の形態（関連技術）の複合型振動子を示す断面図である。図１に示したコンポジット積層型振動子を示す断面図である。図２に示した複合型振動子と、図３に示したコンポジット積層型振動子とを簡易的に模擬した２次元軸対象解析モデルを用いた有限要素法解析により得られた送波電圧感度の比較結果を示す図である。本発明の第２の実施例のコンポジット積層型振動子を示す断面図である。図５の線VI－VIについての断面図である。スリットがある場合とスリットがない場合とにおける、コンポジット積層型振動子の指向特性を示す図である。

本発明の実施形態の概要について説明する。

本発明の実施形態では、低周波数用ランジュバン型振動子に高周波数用振動子としてコンポジット振動子を積層している。コンポジット振動子は、圧電素子のセラミックと樹脂とを混ぜた振動子である。コンポジット振動子の圧電素子の体積を減らすことにより密度を下げ、結果として圧電素子単体よりも音響インピーダンスを低くすることができるという低音響インピーダンス特性を利用している。負荷媒体である水との間にコンポジット振動子を配設することで、水との音響インピーダンスの整合を図ることができ、コンポジット振動子は周知の音響整合層と同様に音響整合部材として作動し、低周波数の広帯域化の実現が可能となる。

換言すれば、本発明の実施形態では、高周波数用としてコンポジット振動子を採用することで、適切な配列長によるサイドローブの低下、およびコンポジット振動子の低音響インピーダンス特性を活かし、コンポジット振動子を音響整合部材としてみなし作動させる。このことで作動帯域を拡大する、２つの機能を両立するコンポジット積層型振動子により、広帯域化を目指している。

本発明の第１の実施例について、図面を参照して説明する。以下の説明において、前後上下左右の用語を用いて方向を説明するが、これらは説明のために用いるものであって、本発明を限定する趣旨ではない。

図１は本発明の第１の実施例のコンポジット積層型振動子１０を示す断面図である。ここでは、直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を使用している。図１に図示した状態では、直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）において、Ｘ軸は前後方向（奥行方向；軸方向）であり、Ｙ軸は左右方向（幅方向）であり、Ｚ軸は上下方向（高さ方向）である。

図１において、コンポジット積層型振動子１０は、２周波数（低周波数及び高周波数）にそれぞれ対応する低周波数用圧電振動子１１及び高周波数用コンポジット振動子１２を備えている。図示の例では、低周波数用圧電振動子１１は、軸方向Ｘに積層された第１乃至第４の低周波数用圧電振動子１１１、１１２、１１３、および１１４から成る。

第１乃至第４の低周波数用圧電振動子１１１～１１４は、フロントマス１３及びリアマス１４の間に挾持され、ボルト１５で締め付けられて固定されている。また、第１乃至第４の低周波数用圧電振動子１１１～１１４の各々は、円環状に形成されており、その円環の中空部分をボルト１５が通っている。第１乃至第４の低周波数用圧電振動子１１１～１１４は、隣り合った低周数波用圧電振動子と分極方向が交互になるような方向に配設されている。

ボルト１５からフロントマス１３までの全長は、２分の１波長（λ／２）（ここで、λは基本共振周波数における音響信号の波長を表す）に設定されている。フロントマス１３は、円柱形状をなしており、その円形の片面中心軸には、ボルト１５の先端部が螺合されるネジ穴１３１が設けられている。リアマス１４は、フロントマス１３よりも外径の小さい円筒形状をなしており、中心軸に形成された貫通孔１４１にボルト１５が挿通されるようになっている。

高周波数用コンポジット振動子１２の第１の端面１２ａは、第１の端面１６ａをフロントマス１３の第１の端面１３ａに固着されたバッキング材１６の第２の端面１６ｂに固着されている。バッキング材１６は、高周波数でリアマス１３の方向へ振動伝達を抑圧するための部材である。高周波数用コンポジット振動子１２の第２の端面１２ｂには、樹脂製の音響整合層１７が積層されて固着されている。音響整合層１７は、低周波数用圧電振動子１１の作動帯域を拡大するための層である。高周波数用コンポジット振動子１２は、低周波数用圧電振動子１１の作動帯域を拡大するための音響整合部材としても機能する。

音響整合層１７は、積層構造の存在する面の逆側が、ゴム等で作られた音響放射面１８に接着される。音響放射面１８は、音響整合層１７と接着された第１の面１８ａと逆の第２の面１８ｂを水中１９に接している。

所望の作動帯域を確保するために、高周波数用コンポジット振動子１２は、次のように構成されている。高周波数用コンポジット振動子１２は、音響整合層１７との音響インピーダンスを限りなく等しくするように構成される。このように構成することにより、負荷媒体である水との音響インピーダンスの整合を図ることが可能となる。または、高周波数用コンポジット振動子１２内のセラミックと樹脂の比率を変更して音響インピーダンスを変更してもよい。あるいは、高周波数用コンポジット振動子１２は、樹脂の種類を変更して特性を変更させてもよい。

コンポジット積層型振動子１０は、低周波数用圧電振動子１１用の第１乃至第５の電極２１、２２、２３、２４および２５を有する。第１の電極２１は、フロントマス１３と第１の低周波数用圧電振動子１１１との間に配置されている。第２の電極２２は、第１の低周波数用圧電振動子１１１と第２の低周波数用圧電振動子１１２との間に配置されている。第３の電極２３は、第２の低周波数用圧電振動子１１２と第３の低周波数用圧電振動子１１３との間に配置されている。第４の電極２４は、第３の低周波数用圧電振動子１１３と第４の低周波数用圧電振動子１１４との間に配置されている。第５の電極２５は、第４の低周波数用圧電振動子１１４とリアマス１４との間に配置されている。

コンポジット積層型振動子１０は、高周波数用コンポジット振動子１２用の第１および第２のフレキシブル基板３１および３２を有する。第１のフレキシブル基板３１は、高周波数用コンポジット振動子１２の第１の端面１２ａ上に配置されている。第２のフレキシブル基板３２は、高周波数用コンポジット振動子１２の第２の端面１２ｂ上に配置されている。第１のフレキシブル基板３１は第１の電極３１ａを持ち、第２のフレキシブル基板３２は第２の電極３２ａを持つ。

次に図１を参照して、第１の実施例の動作の詳細を記載する。

第１、第３および第５の電極２１、２３、２５の組と、第２および第４の電極２２、２４の組がそれぞれ同電位になるように電線を接続して、交流電気信号を入力する。すると、第１乃至第４の低周波数用圧電振動子１１１～１１４でそれぞれ電気機械変換が行われ、第１乃至第４の低周波数用圧電振動子１１１～１１４は同期した伸縮動作を行う。この伸縮動作によるエネルギーは、音響放射面１８を伝達して水中１９に低周波数の音響信号として放射される。

交流電気信号の周波数、および電圧を変化させることで、所要の音響信号を得ることができる。

引き続いて、高周波数用コンポジット振動子１２の動作に関して図１を参照して、説明を記載する。

高周波数用コンポジット振動子１２から引き出した第１のフレキシブル基板３１の第１の電極３１ａと第２のフレキシブル基板３２の第２の電極３２ａに交流電気信号を入力する。すると、高周波数用コンポジット振動子１２で電気機械変換が行われ、高周波数用コンポジット振動子１２は伸縮動作を行う。この伸縮動作によるエネルギーは、音響放射面１８を伝達して水中１９に高周波数の音響信号として放射される。

次に、第１の実施例の効果について説明する。

図２は、上記特許文献１に記載された第４実施の形態（関連技術）の複合型振動子１０Ａを示す断面図である。図示の複合型振動子１０Ａは、高周波数用振動子として、複数の高周波数用圧電振動子１２Ａを使用している点を除いて、上記第１の実施例のコンポジット積層型振動子１０と同様の構成を有する。

図３は、上記第１の実施例に係るコンポジット積層振動子１０を示す断面図である。

図４は、図２に示した複合型振動子１０Ａと、図３に示したコンポジット積層型振動子１０とを簡易的に模擬した２次元軸対象解析モデルを用いた有限要素法解析により得られた送波電圧感度の比較結果を示す図である。図４において、横軸に周波数を表し、縦軸に送波電圧感度を表している。点線は複合型振動子１０Ａの送波電圧感度特性を示し、実線はコンポジット積層型振動子１０の送波電圧感度特性を示す。

図４に示す結果より、コンポジット振動子１２を採用したことにより、複合型振動子１０Ａよりもコンポジット積層型振動子１０のほうが作動帯域ＢＷとなる分広帯域となっていることがわかる。これは、コンポジット振動子１２を使用した第１の実施例に係るコンポジット積層型振動子１０は、低音響インピ―ダンスの特性を利用し、コンポジット振動子１２を音響整合部材として作動させている為、複合型振動子１０Ａと比べ広い作動帯域ＢＷを示しているからである。

本発明の第２の実施例について、図面を参照して説明する。

図５は本発明の第２の実施例のコンポジット積層型振動子４０を示す断面図である。図６は図５の線VI－VIについての断面図である。ここでも、直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を使用している。図５および図６に図示した状態では、直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）において、Ｘ軸は前後方向（奥行方向；軸方向）であり、Ｙ軸は左右方向（幅方向）であり、Ｚ軸は上下方向（高さ方向）である。

図５おいて、コンポジット積層型振動子４０は、２周波数（低周波数及び高周波数）にそれぞれ対応する低周波数用圧電振動子４１及び高周波数用コンポジット振動子４２を備えている。図示の例では、低周波数用圧電振動子４１は、軸方向Ｘに積層された第１乃至第４の低周波数用圧電振動子４１１、４１２、４１３、および４１４から成る。

第１乃至第４の低周波数用圧電振動子４１１～４１４は、フロントマス４３及びリアマス４４の間に挾持され、ボルト４５で締め付けられて固定されている。また、第１乃至第４の低周波数用圧電振動子４１１～４１４の各々は、円環状に形成されており、その円環の中空部分をボルト４５が通っている。第１乃至第４の低周波数用圧電振動子４１１～４１４は、隣り合った低周波数用圧電振動子と分極方向が交互になるような方向に配設されている。

図６に示されるように、高周波数用コンポジット振動子４２は、圧電素子のセラミック４２２に溝加工処理を行い、その溝の中に樹脂４２４を充填した構造を有する。高周波数用コンポジット振動子４２は樹脂４２４の部分にスリット４２６を入れ、チャネルchがそれぞれ物理的に分割されている。

このように、チャネルchがスリット４２６により物理的に分割されているため、図２に示した複合型振動子１０Ａと同様に、各チャネルchを1/2波長ピッチ（λ_Ｈ／２）（ここで、λ_Ｈは高周波数の音響信号の波長を表す）で格子状に配列でき、サイドローブを低下することが可能となる。

図５に戻って、高周波数用コンポジット振動子４２の第１の端面４２ａは、第１の端面４６ａがフロントマス４３の第１の端面４３ａに固着されたバッキング材４６の第２の端面４６ｂに固着されている。高周波数用コンポジット振動子４２の第２の端面４２ｂには、樹脂製の音響整合層４７が積層されて固着されている。

音響整合層４７は、積層構造の存在する面の逆側が、ゴム等で作られた音響放射面４８に接着される。音響放射面４８は、音響整合層４７と接着された第１の面４８ａと逆の第２の面４８ｂを水中４９に接している。

前述したように、高周波用コンポジット振動子４２はそのチャネルchが物理的にそれぞれ分割されていることから、各チャネルch個別で送信、受信が可能となる。加えて各チャネルchを物理的に分割することで、図７で示すように、スリット４２６を入れることで、複合型振動子１０Ａと同じようにサイドローブを抑制することができる。なお、スリット４２６によりチャネルchを分割しても、コンポジット振動子４２としての機能は有しており、音響用整合部材としても作動する。

次に、第２の実施例の効果について説明する。

第１の効果は、上記第１の実施例の効果と同様に、所望の作動帯域ＢＷを確保することができることである。

第２の効果は、サイドローブを低下させることができることである。

以上、本発明の実施例について説明したが、本発明は、これらに限られるものではない。例えば、本発明は、これまで説明した実施例の一部又は全部を適宜組み合わせた形態、その形態に適宜変更を加えた形態をも含む。

例えば、上記第１および第２の実施例では、低周波数用圧電振動子１１、４１として、軸方向Ｘに積層された複数個の低周波数用圧電振動子１１１～１１４、４１１～４１４を用いているが、一つの低周波数用圧電振動子を用いてもよい。この場合、ボルト１５を削除することができる。

本発明に係る積層型振動子は、水中用アクティブソーナーの他、現在、ボルト締めランジュバン振動子を使用する機器、例えば、魚群探知機、超音波洗浄層とそれに類する洗浄用装置、超音波モーターや超音波手術装置など、ランジュバン振動子を駆動元に用いる装置等、ボルト締めランジュバン振動子の代替手段としての利用が考えられる。

１０コンポジット積層型振動子
１１低周波数用圧電振動子
１１１第１の低周波数用圧電振動子
１１２第２の低周波数用圧電振動子
１１３第３の低周波数用圧電振動子
１１４第４の低周波数用圧電振動子
１２高周波数用コンポジット振動子
１２ａ第１の端面
１２ｂ第２の端面
１３フロントマス
１３ａ第１の端面
１３１ネジ穴
１４リアマス
１４１貫通孔
１５ボルト
１６バッキング材
１６ａ第１の端面
１６ｂ第２の端面
１７音響整合層
１８音響反射面
１８ａ第１の面
１８ｂ第２の面
１９水中
２１第１の電極
２２第２の電極
２３第３の電極
２４第４の電極
２５第５の電極
３１第１のフレキシブル基板
３１ａ第１の電極
３２第２のフレキシブル基板
３２ａ第２の電極
４０コンポジット積層型振動子
４１低周波数用圧電振動子
４１１第１の低周波数用圧電振動子
４１２第２の低周波数用圧電振動子
４１３第３の低周波数用圧電振動子
４１４第４の低周波数用圧電振動子
４２高周波数用コンポジット振動子
４２ａ第１の端面
４２ｂ第２の端面
４２２セラミック
４２４樹脂
４２６スリット
４３フロントマス
４３ａ第１の端面
４４リアマス
４５ボルト
４６バッキング材
４６ａ第１の端面
４６ｂ第２の端面
４７音響整合層
４８音響反射面
４８ａ第１の面
４８ｂ第２の面
４９水中
Ｘ前後方向（奥行方向；軸方向）
Ｙ左右方向（幅方向）
Ｚ上下方向（高さ方向）
ＢＷ作動帯域
λ_Ｈ高周波数の音響信号の波長

Claims

低周波数の音響信号の送受波を行うための低周波数用圧電振動子と、
前記低周波数用圧電振動子の共振系を形成しかつ前記低周波数用圧電振動子を相互間で挾持するためのフロントマス及びリアマスと、
前記フロントマスの音響放射面側に配設されかつ前記低周波数用圧電振動子の作動帯域を拡大するための音響整合層と、
前記音響整合層と前記フロントマスとの間に配設されかつ高周波数の音響信号の送受波を行うコンポジット振動子と、
前記コンポジット振動子と前記フロントマスとの間に配設されて前記コンポジット振動子を固着するバッキング材と、
を含み、
前記コンポジット振動子は、前記低周波数用圧電振動子の作動帯域を拡大するための音響整合部材としても機能する積層型振動子。
前記コンポジット振動子の音響インピーダンスは、前記音響整合層の音響インピーダンスと等しい、請求項１に記載の積層型振動子。
前記コンポジット振動子は、
前記音響整合層と前記バッキング材との間に、前記高周波数の音響信号の波長の１／２波長ピッチで格子状に隙間を空けて配列された、複数の柱状の圧電振動子と、
前記隙間に充填された樹脂と、
から構成され、
前記コンポジット振動子の前記樹脂に、前記複数の柱状の圧電振動子を物理的に分割するように、スリットが入っている請求項１又は２に記載の積層型振動子。