JP6083403B2 - 屈曲型送波器 - Google Patents

Description

本発明は、屈曲型送波器に関し、特に、振動体の屈曲振動により音波を発する板状振動子を備えた屈曲型送波器に関する。

海洋観測等の水中内を観測する分野においては、観測媒体として音波が用いられる。特に、音波の中でも減衰が少なくて伝播特性が良好である、低周波の音波を利用した各種の送波器が実用化されている。これらの低周波の送波器においては、効率よく音波を送受波するために、構造体の機械的共振を利用した振動子が用いられる。

一般的に、構造体の機械的共振周波数は、構造体の寸法が大きくなるほど低下する。このため、低周波の送波器を構成するには必然的に構造体の寸法が大きくなる。したがって、低周波の送波器では常に小型化と軽量化が求められる。

一方、金属等の薄板は、弾力性が低く、共振周波数を低くできる。薄板を振動板として用いる板状振動子は、構造が単純で小型軽量な振動子を実現できるため、低周波の送波器に広く用いられている。

例えば、特許文献１、２には、長尺の圧電振動子を金属薄板の音響放射面に貼り付けることによって形成したｎ個の板状振動子を円周上に配置することでｎ角形状柱体を形成し、該ｎ角形状柱体を上下の蓋により挟持し、さらに、緩衝材および絶縁シースにより覆うことによって形成した屈曲型送波器が開示されている。

また、特許文献３には、軸方向に複数のスリットを設けた金属等の円筒状振動板（音波放射用振動子）の内面あるいは外面に圧電振動子（駆動用振動子）を貼り付け、電気信号を印加することで圧電振動子を振動させ、振動板に屈曲振動を発生させて音波を放射させる、屈曲型送波器が開示されている。

特開２００８-２４４８９５号公報 特開２０１３−０５５５５１号公報 特開平０３−０１１８９８号公報

ここで、一般的な圧電振動子は、圧電磁器によって形成されている。圧電磁器は強度が大きくないため、過度な引っ張り応力等が負荷された場合には、破壊等されてしまう。このため、圧電振動子に高い水圧が加わる深い深度において特許文献１−３の屈曲型送波器を使用することは困難であり、特許文献１−３の屈曲型送波器を使用可能な深度はかなり限定されていた。

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、高い水圧が加わる深い深度において使用可能な、低周波の音波を送波できる板状振動子を備えた屈曲型送波器を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明に係る屈曲型送波器は、電圧が印加されることによって伸縮する直方体型の複数の振動片を長手方向に積層し、振動板の放射面上に配置することによって構成されたｎ（ｎ≧３）個の板状振動子と、振動板が屈曲振動できる状態で板状振動子を挟持する上部蓋および下部蓋と、板状振動子の外周を覆う被覆手段と、板状振動子へ電圧を印加する電圧印加手段と、を備える。

上述した本発明の態様によれば、高い水圧が加わる深い深度において低周波の音波を送波できる。

第１の実施形態に係る屈曲型送波器１００の分解斜視図である。 第１の実施形態に係る板状振動子２００の、（ａ）斜視図、（ｂ）側面図、（ｃ）直方体片圧電振動子２１１の側面図である。 第１の実施形態に係る屈曲型送波器１００を図２のＢ面で切断した時の断面図である。 第１の実施形態に係る上部蓋４００および下部蓋５００の斜視図である。 第１の実施形態に係る上部蓋４００および下部蓋５００の斜視図である。 第１の実施形態に係る屈曲型送波器１００を図２のＡ面で切断した時の断面図である。 第１の実施形態に係る屈曲型送波器１００の断面図である。 第１の実施形態に係る屈曲型送波器１００を水中に配置した時の板状振動子２００の状態の一例を示す図である。 第２の実施形態に係る板状振動子２００Ｂの側面図である。

＜第１の実施形態＞
本発明に係る第１の実施形態について説明する。本実施形態に係る屈曲型送波器１００の分解斜視図を図１に示す。図１に示すように、屈曲型送波器１００は、複数の板状振動子２００、円筒型支柱３００、上部蓋４００、下部蓋５００、図２には図示されない複数の固定用ネジ６００、緩衝材７００および絶縁シース８００によって構成される。本実施形態に係る屈曲型送波器１００は、８個の板状振動子２００、８本の固定用ネジ６００および８つの緩衝材７００を備える。

板状振動子２００の斜視図を図２（ａ）に、側面図を図２（ｂ）に、直方体片圧電振動子２１１の側面図を図２（ｃ）に示す。図２（ａ）、（ｂ）に示すように、板状振動子２００は、断面台形型（楔型）の長尺の四角柱に形成された振動板２２０の外側面に圧電用振動子２１０を貼り合せ、振動板２２０の上面および下面に上側凸部２３０および下側凸部２４０をそれぞれ固定することによって形成される。

ここで、本実施形態に係る圧電用振動子２１０は、図２（ｂ）、（ｃ）に示すように、対向する２面に電極２１２、２１３が配置された偶数個の直方体片圧電振動子２１１を、隣り合う直方体片圧電振動子２１１の圧電特性の分極方向が互いに異なる方向となるように積層することによって構成される。直方体片圧電振動子２１１が請求項の振動片に該当する。

ここで、圧電特性の分極方向が互いに異なる方向となるように積層することにより、全ての直方体片圧電振動子２１１の伸縮が一致する。すなわち、直方体片圧電振動子２１１は、分極方向に正の方向の電圧が印加された時に伸びる方向に変位し、分極方向に負の方向の電圧が印加された時に縮む方向に変位する。一方、互いに貼り合わされた電極は同電位となる。従って、直方体片圧電振動子２１１を圧電特性の分極方向が同じになるように配置した場合、互いに隣接する２つの直方体片圧電振動子２１１は、一方が伸びる方向に変位し、他方が縮む方向に変位する。この場合、伸縮が打ち消され、結果として、圧電用振動子２１０は伸縮しない。従って、直方体片圧電振動子２１１は、圧電特性の分極方向が互い違いとなるように積層される。各直方体片圧電振動子２１１の分極方向を図２（ｂ）に黒矢印で示す。

なお、積層する直方体片圧電振動子２１１の数は偶数であることが望ましい。例えば、奇数個の直方体片圧電振動子２１１を積層した場合、圧電用振動子２１０の両端に位置する電極２１２、２１３は一方が＋（プラス）に、他方が−（マイナス）になる。この場合、圧電用振動子２１０の両端に位置する電極２１２、２１３間でショートする危険性がある。これに対して、偶数個の直方体片圧電振動子２１１を積層する場合は圧電用振動子２１０の両端に位置する電極２１２、２１３は同相になるため、ショートする危険性がない。

そして、互いに隣接する直方体片圧電振動子２１１の電極２１２、２１３間を、直方体片圧電振動子２１１よりも弾性定数の低い接着剤２１４を用いて貼り合せることによって、圧電用振動子２１０が形成される。

円筒型支柱３００は、図１には図示されない８本の固定用ネジ６００がそれぞれ挿通される８個の穴部３１０が形成された筒状体である。本実施形態に係る円筒型支柱３００は、周囲に８個の板状振動子２００が配置され、その状態で、上部蓋４００と下部蓋５００との間に固定される。８個の板状振動子２００を円筒型支柱３００の周囲に配置した時の断面図、すなわち、図１の屈曲型送波器１００をＢ面で切断した時の断面図を図３に示す。

図３において、圧電用振動子２１０をそれぞれ外側に向けて、８個の板状振動子２００を円筒型支柱３００の周囲に配置し、それらを一体化することによって、八角形状柱体が形成される。ここで、板状振動子２００の振動板２２０の側面を八角形状柱体の内側に向かって楔状に面取りする（幅を小さくする）ことにより、八角形状柱体を小型化できる。

上部蓋４００および下部蓋５００は板金等によって形成された板体である。上部蓋４００を上方から見た時および下部蓋５００を下方から見た時の斜視図を図４に、上部蓋４００を下方から見た時および下部蓋５００を上方から見た時の斜視図を図５に示す。

図４、図５に示すように、上部蓋４００および下部蓋５００には、固定用ネジ６００がそれぞれ挿通される８個の穴部４１０、５１０が形成されている。また、図５に示すように、上部蓋４００の下面および下部蓋５００の上面にはそれぞれ、８個の板状振動子２００の上側凸部２３０および下側凸部２４０が嵌合される、直方体型の８つの凹部４２０、５２０が形成されている。

固定用ネジ６００は、一般的なネジを適用することができ、上部蓋４００の穴部４１０、円筒型支柱３００の穴部３１０および下部蓋５００の穴部５１０へ挿通されることによって、それらを互いに固定する。また、緩衝材７００および絶縁シース８００は、屈曲型送波器１００を外力から保護する。

上述の部材を用いて屈曲型送波器１００を組み立てる場合、次のように行う。すなわち、円筒型支柱３００の周囲に圧電用振動子２１０がそれぞれ外側に向くように８個の板状振動子２００を配置して一体化することにより、八角形状柱体を形成する。そして、板状振動子２００の上側凸部２３０を上部蓋４００の凹部４２０にそれぞれ勘合させると共に、下側凸部２４０を下部蓋５００の凹部５２０にそれぞれ勘合させる。この状態で、上部蓋４００の穴部４１０、円筒型支柱３００の穴部３１０および下部蓋５００の穴部５１０へ固定用ネジ６００を挿通させてねじ止めすることによって、八角形状柱体を上部蓋４００および下部蓋５００の間に固定する。

八角形状柱体を上部蓋４００および下部蓋５００の間にねじ止めすることによって、板状振動子２００を上部蓋４００および下部蓋５００間に挟持した時の断面図、すなわち、図１の屈曲型送波器１００をＡ面で切断した時の断面図を図６に示す。図６に示すように、上部蓋４００、円筒型支柱３００および下部蓋５００は固定用ネジ６００によって互いに固定され、板状振動子２００は、上下にそれぞれギャップｄが形成された状態で、上部蓋４００および下部蓋５００間に挟持される。

その後、図７に示すように、互いに隣接する板状振動子２００間に形成された間隙に緩衝材７００を充填し、その外周を絶縁シース８００で覆うことによって、屈曲型送波器１００が形成される。

上記のように形成された屈曲型送波器１００は、例えば、水中で使用される。水中に屈曲型送波器１００を配置した時の板状振動子２００の状態の一例を図８（ａ）、直方体片圧電振動子２１１が伸び方向に変位した時の、中央領域に位置する板状振動子２００の部分側面図の一例を図８（ｂ）に示す。

図８に示すように、水中に屈曲型送波器１００を配置した場合、板状振動子２００には八角形状柱体の内部方向に向かう静的な水圧がかかる。これにより、板状振動子２００は、八角形状柱体の内部方向に屈曲する。一般的な圧電用振動子は圧電磁器で形成されることから脆く、圧電用振動子を１つの部材で構成する場合、屈曲変形によって過度な引張応力が加わることにより、圧電用振動子が破壊される場合がある。これに対して、本実施形態に係る屈曲型送波器１００は、上述したように、複数個の直方体片圧電振動子２１１を積層し、直方体片圧電振動子２１１よりも弾性定数の低い接着剤２１４によって貼り合せることによって圧電用振動子２１０を形成した。この場合、直方体片圧電振動子２１１の界面に塗布した接着剤２１４が応力緩和の働きを成すため、図８（ｂ）に示すように、直方体片圧電振動子２１１に負荷される引張応力が緩和される。従って、本実施形態に係る屈曲型送波器１００は、良好な耐水圧特性を有し、屈曲型送波器１００を水中に配置した場合でも圧電用振動子２１０が水圧によって破壊されてしまうことを抑制できる。

そして、１２個の直方体片圧電振動子２１１が積層された圧電用振動子２１０を備える屈曲型送波器１００と、一枚の圧電磁器で形成された圧電用振動子９１０を備える一般的な屈曲型送波器９００と、を用いて耐水圧試験を行った。その結果、１２個の直方体片圧電振動子２１１を積層して形成された圧電用振動子２１０を備える屈曲型送波器１００は、一般的な屈曲型送波器９００と比較して、破壊強度が約１．２倍に向上した。

上述の実施形態では、８個の板状振動子２００を円筒型支柱３００の外周に配置して一体化することによって八角形状柱体を形成したが、これに限定されない。ｎ（ｎ≧３）個の板状振動子２００を円筒型支柱３００の外周に配置してｎ角形状柱体を形成できれば良く、板状振動子２００の断面形状や数は、ｎ角形状柱体の角数ｎによって最適値に設計される。同様に、積層される直方体片圧電振動子２１１の数は１２個に限定されない。直方体片圧電振動子２１１の数は、圧電用振動子２１０に負荷される引張応力の大きさ等に応じて最適値に設定される。

＜第２の実施形態＞
第２の実施形態について説明する。第１の実施形態では、同じ形状の直方体片圧電振動子２１１を積層することによって圧電用振動子２１０（板状振動子２００）を形成したが、本実施形態では、厚さが異なる直方体片圧電振動子を積層して板状振動子を形成する。本実施形態に係る板状振動子２００Ｂの側面図を図９に示す。

図９の板状振動子２００Ｂは、積層する直方体片圧電振動子２１１Ｂの厚みを長手方向に変化させた。例えば、直方体片圧電振動子２１１Ｂの厚さは、振動板２２０Ｂ上の中央領域で薄く、振動板２２０Ｂの両端付近に向かって厚くなる。

全ての直方体片圧電振動子２１１Ｂを一定の電圧で駆動した場合、厚みが薄い中央付近の直方体片圧電振動子２１１Ｂほど印加電界が大きく、厚みが厚い端部領域の直方体片圧電振動子２１１Ｂは印加電界が小さくなる。ここで、屈曲振動する板状振動子２００Ｂでは、中央付近ほど変形変位量が大きくなることから、変形変位量が大きい中央付近の直方体片圧電振動子２１１Ｂほど印加電界を大きくすることができ、電気と機械振動のエネルギー変換効率を高くできる。

例えば、振動板２２０Ｂの中央領域に配置される直方体片圧電振動子２１１Ｂの厚さを、図２（ｂ）に示した圧電用振動子２１０を構成する均等厚の直方体片圧電振動子２１１の厚さの０．５倍とし、振動板２２０Ｂの端部領域に配置される直方体片圧電振動子２１１Ｂの厚さを、図２（ｂ）に示した直方体片圧電振動子２１１の厚さの１．５倍として板状振動子２００Ｂを形成した。

そして、第１の実施形態に係る図２（ｂ）の屈曲型送波器１００（均等厚の直方体片圧電振動子２１１によって板状振動子２００を形成）と、本実施形態に係る図９の屈曲型送波器１００Ｂ（厚みが傾斜された直方体片圧電振動子２１１Ｂによって板状振動子２００Ｂを形成）と、を水中において同じ電位で駆動させた。

その結果、本実施形態に係る屈曲型送波器１００Ｂは、均等厚さの直方体片圧電振動子２１１によって形成された板状振動子２００を有する図１の屈曲型送波器１００と比較して、消費電力が大きくなることなく板状振動子２００Ｂの変形変位量を大きくすることができた。

本願発明は上記実施形態に限定されるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があってもこの発明に含まれる。例えば、板状振動子の数は一例として８個を用いる場合を説明したが、８個に限定されず、３以上の任意の数を選ぶことができる。この発明の屈曲型送波器は、水中に投下して使用する小型音源ブイ、船舶から吊下して使用される低周波音源等に広く適用することができる。

１００ 屈曲型送波器
２００ 板状振動子
２１０ 圧電用振動子
２１１ 直方体片圧電振動子
２１２、２１３ 電極
２１４ 接着剤
２２０ 振動板
２３０ 上側凸部
２４０ 下側凸部
３００ 円筒型支柱
４００ 上部蓋
５００ 下部蓋
６００ 固定用ネジ
７００ 緩衝材
８００ 絶縁シース

Claims (7)

1. 電圧が印加されることによって伸縮する直方体型の複数の振動片を長手方向に積層し、振動板の放射面上に配置することによって構成されたｎ（ｎ≧３）個の板状振動子と、
   前記振動板が屈曲振動できる状態で前記ｎ個の板状振動子を挟持する上部蓋および下部蓋と、
   前記板状振動子の外周を覆う被覆手段と、
   前記板状振動子へ電圧を印加する電圧印加手段と、
   を備え、
   前記複数の振動片は、圧電特性の分極方向が、前記上部蓋と前記下部蓋の間の長手方向に互い違いとなるように積層される
   屈曲型送波器。
2. 前記ｎ個の板状振動子は、前記積層された振動片を外側に向けた状態で中空ｎ角形状柱体を形成し、
   前記上部蓋および下部蓋は、前記中空ｎ角形状柱体の上端および下端を挟持する、
   請求項１に記載の屈曲型送波器。
3. 中空ｎ角形状柱体を形成する板状振動子の振動板は、中空ｎ角形状柱体の内部方向に向かって幅が小さくなる、請求項２に記載の屈曲型送波器。
4. 前記積層された複数の振動片は、該振動片の弾性定数よりも小さい弾性定数を有する接着剤によって互いに貼り合わされている、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の屈曲型送波器。
5. 前記複数の振動片は偶数個である、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の屈曲型送波器。
6. 前記振動片の積層方向に対向する２面には、電極がそれぞれ配置されている、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の屈曲型送波器。
7. 前記積層された複数の振動片の積層方向の厚さは、振動板の中央領域に配置された振動片から端部領域に配置された振動片に向かって徐々に厚くなる、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の屈曲型送波器。