JPH11146476A - 送波器用振動源 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 良好な音響放射効率を得るとともに、水中使
用上の自由度を高める。 【解決手段】 それぞれが互いに直角な分極方向をもつ
内外二つの圧電振動子５，６からなり、これら両圧電振
動子５，６のうち内側に位置する圧電振動子５が、外側
に位置する圧電振動子６より大きい圧電定数およびポア
ソン比をもち、かつ振動子非接着面と直角な方向に分極
方向をもつ圧電振動子によって形成されている構成とし
てある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、水中に音波を放射
する電気音響変換器に使用して好適な送波器用振動源に
関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、電気音響変換器には、例えばジ
ルコニア酸・チタン酸鉛系の圧電材からなる圧電振動子
を有する送波器用振動源を備えたものが知られている。
この送波器用振動源の圧電振動子には、例えば図６に示
すように圧電定数（ｄ３３）およびポアソン比の比較的
大きいリード線５１付きの圧電振動子５２が用いられて
いる。

【０００３】このような送波器用振動源においては、圧
電振動子５２にリード線５１から電圧が印加されると、
同図に二点鎖線で示すように縦方向に伸長するととも
に、横方向に収縮する。このため、圧電振動子５２の上
下方向に放射される振動音のもつ位相と逆の位相をもつ
振動音が両側方に放射され、音響放射効率が悪い。

【０００４】また、このような送波器用振動源において
は、圧電定数（ｄ３１）およびポアソン比が比較的小さ
い圧電振動子を備えることにより、圧電振動子の両側方
に逆位相の振動音が殆ど放射されないようにすることが
考えられるが、この場合上下方向への放射音も小さくな
り、圧電定数（ｄ３３）およびポアソン比が比較的大き
い圧電振動子と同様に音響放射効率が悪い。

【０００５】そこで、良好な音響放射効率を得るため
に、従来より図７（ａ），（ｂ）および図８（ａ），
（ｂ）に示すような送波器用振動源が採用されている。
これら送波器用振動源につき、同図を用いて説明する。
先ず、図７（ａ）および（ｂ）に示す送波器用振動源に
ついて説明すると、同図において、符号６１で示す送波
器用振動源は、圧電振動子６２および金属カバー６３を
備えている。圧電振動子６２は、全体が円柱状の圧電振
動子によって形成されている。

【０００６】金属カバー６３は、両開口端面に内フラン
ジ６３ａ，６３ｂを有し軸線両方向に開口する円筒体か
らなり、圧電振動子６２の外周面に取り付けられてい
る。金属カバー６３の内周面と圧電振動子６２の外周面
との間には、音響吸収用の空気層６４が形成されている
か、あるいはコルク等の音響吸収（遮断）用部材（図示
せず）が充填されている。

【０００７】次に、図８（ａ）および（ｂ）に示す送波
器用振動源について説明すると、同図において、符号７
１で示す送波器用振動源は、図７（ａ）および（ｂ）に
示す送波器用振動源６１と同様に、圧電振動子７２と金
属カバー７３とを備えている。圧電振動子７２は、全体
が横長の矩形断面形状をもつ圧電振動子によって形成さ
れている。

【０００８】金属カバー７３は正面縦長の外形寸法をも
つ断面コ字状の二つのカバーエレメント７３ａ，７３ｂ
からなり、これら各カバーエレメント７３ａ，７３ｂが
圧電振動子７２の両側面に接着されている。各カバーエ
レメント７３ａ，７３ｂの横寸法は圧電振動子７２の横
寸法より十分に小さい寸法に設定され、その縦寸法は圧
電振動子７２の縦寸法と同一の寸法に設定されている。
各カバーエレメント７３ａ，７３ｂと圧電振動子７２と
の間には、音響吸収用の空気層７４が形成されている
か、あるいはコルク等の音響吸収（遮断）用部材（図示
せず）が充填されている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかるに、従来の送波
器用振動源においては、金属カバー６３，７３と圧電振
動子６２，７２との間に空気層６４，７４あるいは音響
吸収用部材（図示せず）が介在する構造であるため、水
深位置が相当深い位置で使用する場合に水圧によって発
生する応力が大きくなると、金属カバー６３，７３等が
破損し、水中使用上の自由度が低下するという問題があ
った。

【００１０】また、従来の送波器用振動源においては、
単一の圧電振動子を使用するものであるため、圧電定数
およびポアソン比が比較的大きい場合には圧電振動子か
ら逆位相をもつ振動音が放射され、一方圧電定数および
ポアソン比が比較的小さい場合には所定の振動面から小
さい振動音しか放射されず、共に良好な音響放射効率を
得ることができないという問題もあった。

【００１１】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
もので、水中使用上の自由度を得ることができるととも
に、良好な音響放射効率を得ることができる送波器用振
動源の提供を目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、本発明の請求項１記載の送波器用振動源は、それぞ
れが互いに内外において接着されかつそれぞれに独立し
て印加可能な電気信号によって振動する主副二つの圧電
振動子を備え、これら各圧電振動子が互いに直角な分極
方向をもつ圧電振動子からなり、これら両圧電振動子の
うち内側に位置する主圧電振動子が、外側に位置する副
圧電振動子より大きい圧電定数およびポアソン比をも
ち、かつ振動子非接着面と直角な方向に分極方向をもつ
圧電振動子によって形成されている構成としてある。し
たがって、主副二つの圧電振動子に同位相の電気信号を
印加して主圧電振動子を振動子非接着面と直角な方向に
振動させると、ポアソン比に応じて主圧電振動子が振動
子非接着面方向に収縮するとともに、副圧電振動子が主
圧電振動子の収縮分を補うように伸長し、主圧電振動子
における振動子非接着面方向の収縮が見かけ上無くな
る。

【００１３】請求項２記載の発明は、請求項１記載の送
波器用振動源において、主圧電振動子が円柱部材によっ
て形成され、副圧電振動子が軸線両方向に開口する円筒
部材によって形成されている構成としてある。したがっ
て、主副二つの圧電振動子に同位相の電気信号を印加し
て主圧電振動子を振動子軸線方向に振動させると、ポア
ソン比に応じて主圧電振動子が振動子径方向に収縮する
とともに、副圧電振動子が主圧電振動子の収縮分を補う
ように伸長し、主圧電振動子における振動子径方向の収
縮が見かけ上無くなる。

【００１４】請求項３記載の発明は、請求項２記載の送
波器用振動源において、副圧電振動子が周方向に並列す
る多数の振動子エレメントからなる構成としてある。し
たがって、主副二つの圧電振動子に同位相の電気信号を
印加して各振動子エレメントを振動子非接着面と直角な
方向に振動させると、ポアソン比に応じて各振動子エレ
メントが振動子非接着面方向に収縮するとともに、副圧
電振動子が各振動子エレメントの収縮分を補うように伸
長し、各振動子エレメントにおける振動子非接着面方向
の収縮が見かけ上無くなる。

【００１５】請求項４記載の発明は、請求項１記載の送
波器用振動源において、主圧電振動子が単一の角形部材
によって形成され、副圧電振動子が主圧電振動子を挟持
する二つの角形部材によって形成されている構成として
ある。したがって、主副二つの圧電振動子に同位相の電
気信号を印加して主圧電振動子を振動子厚さ方向に振動
させると、ポアソン比に応じて主圧電振動子が振動子幅
方向に収縮するとともに、副圧電振動子が主圧電振動子
の収縮分を補うように伸長し、主圧電振動子における振
動子幅方向の収縮が見かけ上無くなる。

【００１６】請求項５記載の発明は、請求項４記載の送
波器用振動源において、主圧電振動子が分極方向と直角
な方向に並列する多数の振動エレメントからなる構成と
してある。したがって、主副二つの圧電振動子に同位相
の電気信号を印加して各振動子エレメントを分極方向に
振動させると、ポアソン比に応じて各振動子エレメント
が分極方向と直角な方向に収縮するとともに、副圧電振
動子が各振動子エレメントの収縮分を補うように伸長
し、各振動子エレメントにおける分極方向と直角な方向
の収縮が見かけ上無くなる。

【００１７】請求項６記載の発明は、請求項１〜５のう
ちいずれか一記載の送波器用振動源において、各圧電振
動子が音響変換器の圧電振動子である構成としてある。
したがって、音響変換器における主副二つの圧電振動子
に同位相の電気信号を印加して主圧電振動子を振動子非
接着面と直角な方向に振動させると、ポアソン比に応じ
て主圧電振動子が振動子非接着面方向に収縮するととも
に、副圧電振動子が主圧電振動子の収縮分を補うように
伸長し、主圧電振動子における振動子非接着面方向の収
縮が見かけ上無くなる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態につき、
図面を参照して説明する。図１（ａ）および（ｂ）は本
発明の第一実施形態に係る送波器用振動源の使用例を示
す外観斜視図とそのｂ−ｂ局部断面図、図２は同じく本
発明の第一実施形態に係る送波器用振動源を示す断面図
である。同図において、符号１で示す電気音響変換器
は、送波器用振動源２とバッフル台３とケース４とを備
えている。送波器用振動源２は、圧電振動子５，６とリ
ード線７，８とを有している。

【００１９】圧電振動子５は、円柱状の主圧電振動子か
らなり、バッフル台３の上面に接着されている。そし
て、圧電振動子５は、全体が軸線方向に分極方向（図２
において矢印ａ方向）をもち、かつ比較的大きい圧電定
数（ｄ３３）およびポアソン比をもつ例えばジルコン酸
・チタン酸鉛系の圧電材料（「Ｎ−６材」）によって形
成されている。

【００２０】圧電振動子６は、軸線両方向に開口する円
筒状の副圧電振動子からなり、バッフル台３の上面およ
び圧電振動子５の外周面に接着されている。そして、圧
電振動子６は、全体が径方向に分極方向（図２において
矢印ｂ方向）をもち、かつ圧電振動子５の圧電定数およ
びポアソン比より小さい圧電定数（ｄ３３）およびポア
ソン比をもつ例えばチタン酸鉛系の圧電材料（「Ｎ−２
２００材）によって形成されている。

【００２１】リード線７は、二つのリード線からなり、
圧電振動子５の上下各端面（軸線方向各端面）に接続さ
れている。リード線８は、二つのリード線からなり、圧
電振動子６の内外各周面に接続されている。これによ
り、各圧電振動子５、６には、電気信号が各リード線
７，８から独立して印加される。

【００２２】バッフル台３は、全体がアルミニウム等の
平面円形状の金属板によって形成されている。これによ
り、送波器用振動源２からの振動音の下方への放射が阻
止される。

【００２３】ケース４は、バッフル台３の上面に配設さ
れ、かつ両圧電振動子５，６に被冠されており、全体が
ウレタン等の合成樹脂からなる有頭円筒体によって形成
されている。これにより、ケース内４の水密性が保た
れ、両圧電振動子５，６およびリード線７，８の一部が
保護される。

【００２４】次に、このように構成された電気音響変換
器の音響放射時における圧電振動子の動作につき、図３
（ａ）および（ｂ）を用いて説明する。図３（ａ）およ
び（ｂ）は本発明の第一実施形態に係る送波器用振動源
における圧電振動子の振動前状態と振動時の状態を示す
断面図である。すなわち、同図（ａ）に示す振動前の状
態から圧電振動子５，６に縦モード振動が同位相となる
電気信号を印加して圧電振動子５を振動子非接着面と直
角な方向（軸線方向）に振動させるとともに、圧電振動
子６を振動子非接着面方向（径方向）に振動させると、
ポアソン比に応じて同図（ｂ）に示すように圧電振動子
５が振動子非接着面方向（径方向）に径方向寸法Ｄ１ａ
から径方向寸法Ｄ１ｂに収縮するとともに、圧電振動子
６が圧電振動子５の収縮分を補うように径方向寸法Ｄ２
ａから径方向寸法Ｄ２ｂに伸長する。

【００２５】このとき、各圧電振動子５，６に印加する
電圧が制御されているため、圧電振動子全体（送波器用
振動源）の振動前径方向寸法（Ｄ１ａ＋２×Ｄ２ａ）と
振動時径方向寸法（Ｄ１ｂ＋２×Ｄ２ｂ）とが同一の寸
法である。

【００２６】なお、同図（ａ）および（ｂ）において、
符号Ｄは送波器用振動源２の径方向寸法（圧電振動子５
の振動前径方向寸法Ｄ１ａと圧電振動子６の振動前径方
向寸法２×Ｄ２ａとを加算した寸法あるいは圧電振動子
５の振動時径方向寸法Ｄ１ｂと圧電振動子６の振動時径
方向寸法２×Ｄ２ｂとを加算した寸法）を示す。

【００２７】したがって、本実施形態においては、送波
器用振動源２の径方向収縮が見かけ上無くなるから、送
波器用振動源２の径方向振動を抑制して良好な音響放射
効率を得ることができる。この場合、送波器用振動源２
の径方向振動を抑制するために、各圧電振動子５，６に
印加する電圧および位相等を制御したが、圧電振動子５
の径方向寸法を変更してもよい。

【００２８】また、本実施形態においては、良好な音響
放射効率を得るために従来必要としたコルク等が不要と
なるから、水深が相当深い位置でも使用することがで
き、使用上の自由度を高めることができる。

【００２９】さらに、本実施形態においては、横モード
の振動（径方向振動）が小さくなるから、バッフル効果
によって音響放射面が圧電振動子５上のみの均一な振動
面となり、良好な音響放射上の指向性を得ることができ
る。

【００３０】なお、本実施形態においては、圧電振動子
６が軸線両方向に開口する円筒体からなる場合について
説明したが、周方向に並列する多数の振動子エレメント
からなるものでも実施形態と同様の効果を奏する。

【００３１】次に、本発明の第二実施形態につき、図４
（ａ）および（ｂ）を用いて説明する。図４（ａ）およ
び（ｂ）は本発明の第二実施形態に係る送波器用振動源
の使用例を示す外観斜視図とそのｂ−ｂ断面図である。
同図において、符号１１で示す電気音響変換器は、送波
器用振動源１２と、バッフル台１３とケース１４とを備
えている。送波器用振動源１２は、圧電振動子１５，１
６とリード線１７，１８とを有している。

【００３２】圧電振動子１５は、角形状の主圧電振動子
からなり、バッフル台１３の上面に接着されている。そ
して、圧電振動子１５は、全体が振動子非接着面と直角
な方向に分極方向をもち、かつ比較的大きい圧電定数
（ｄ３３）およびポアソン比をもつ例えばジルコン酸・
チタン酸鉛系の圧電材料（「Ｎ−６材」）によって形成
されている。

【００３３】圧電振動子１６は角形状の二つの副圧電振
動子からなり、それぞれがバッフル台１３の上面および
圧電振動子１５の各側面に接着されている。そして、圧
電振動子６は、全体が振動子非接着面方向に分極方向を
もち、かつ圧電振動子１５の圧電定数およびポアソン比
より小さい圧電定数（ｄ３１）およびポアソン比をもつ
例えばチタン酸鉛系の圧電材料（「Ｎ−２２００材」）
によって形成されている。

【００３４】リード線１７は、二つのリード線からな
り、圧電振動子１５の上下各端面に接続されている。リ
ード線１８は、二対のリード線からなり、各圧電振動子
１６の内外側面に接続されている。これにより、圧電振
動子１５，１６には、電気信号が各リード線１７，１８
から独立して印加される。

【００３５】バッフル台１３は、全体がアルミニウム等
の平面角形状の金属板によって形成されている。これに
より、送波器用振動源１２からの振動音の下方への放射
が阻止される。

【００３６】ケース１４は、バッフル台１３の上面に配
設され、かつ両圧電振動子１５，１６に被冠されてお
り、全体がウレタン等の合成樹脂からなる有頭角箱体に
よって形成されている。これにより、ケース内１４の水
密性が保たれ、両圧電振動子１５，１６およびリード線
１７，１８が保護される。

【００３７】このように構成された電気音響変換器にお
いて、音響放射時に送波器用振動源１２の振動子非接着
面方向収縮が見かけ上無くなるから、送波器用振動源１
２の振動子非接着面方向振動を抑制して良好な音響放射
効率が得られることおよび使用上の自由度が高められる
ことは、第一実施形態と同様である。

【００３８】また、本実施形態においては、第一実施形
態と同様に、横モードの振動（振動子非接着面方向振
動）が小さくなるから、良好な音響放射上の指向性を得
ることができる。

【００３９】なお、本実施形態においては、圧電振動子
が単一の圧電振動子からなる場合について説明したが、
本発明はこれに限定されず、第三実施形態として図５
（ａ）および（ｂ）に示すように圧電振動子２１が分極
方向と直角な方向に並列する多数の振動エレメント２１
ａからなるものでも実施形態と同様の効果を奏する。

【００４０】また、本発明における圧電振動子の材質
は、前述した実施形態に限定されるものでないことは勿
論である。

【００４１】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、そ
れぞれが互いに直角な分極方向をもつ圧電振動子からな
り、これら両圧電振動子のうち内側に位置する主圧電振
動子が、外側に位置する副圧電振動子より大きい圧電定
数およびポアソン比をもち、かつ振動子非接着面と直角
な方向に分極方向をもつ圧電振動子によって形成されて
いるので、主副二つの圧電振動子に同位相の電気信号を
印加して主圧電振動子を振動子非接着面と直角な方向に
振動させると、ポアソン比に応じて主圧電振動子が振動
子非接着面方向に収縮するとともに、副圧電振動子が主
圧電振動子の収縮分を補うように伸長し、主圧電振動子
における振動子非接着面方向の収縮が見かけ上無くな
る。

【００４２】したがって、圧電振動子の振動子非接着面
方向振動を抑制して良好な音響放射効率を得ることがで
きる。

【００４３】また、良好な音響放射効率を得るために従
来必要としたコルク等が不要となるから、水深が相当深
い位置でも使用することができ、使用上の自由度を高め
ることができる。

【００４４】さらに、振動子非接着面方向の振動を抑制
できることは、バッフル効果によって音響放射面が均一
な振動面となり、良好な音響放射上の指向性を得ること
もできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）および（ｂ）は本発明の第一実施形態に
係る送波器用振動源の使用例を示す外観斜視図とそのｂ
−ｂ局部断面図である。

【図２】本発明の第一実施形態に係る送波器用振動源を
示す断面図である。

【図３】（ａ）および（ｂ）は本発明の第一実施形態に
係る送波器用振動源における圧電振動子の振動前状態と
振動時状態を示す断面図である。

【図４】（ａ）および（ｂ）は本発明の第二実施形態に
係る送波器用振動源の使用例を示す外観斜視図とそのｂ
−ｂ断面図である。

【図５】（ａ）および（ｂ）は本発明の第三実施形態に
係る送波器用振動源の使用例を示す外観斜視図とそのｂ
−ｂ断面図である。

【図６】圧電振動子における電圧印加時の動作について
説明するために示す断面図である。

【図７】（ａ）および（ｂ）は従来の送波器用振動源
（１）を示す外観斜視図とｂ−ｂ断面図である。

【図８】（ａ）および（ｂ）は従来の送波器用振動源
（２）を示す外観斜視図とｂ−ｂ断面図である。

【符号の説明】

１ 電気音響変換器 ２ 送波器用振動源 ３ バッフル台 ４ ケース ５，６ 圧電振動子 ７，８ リード線

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 それぞれが互いに内外において接着さ
   れ、かつそれぞれに独立して印加可能な電気信号によっ
   て振動する主副二つの圧電振動子を備え、 これら各圧電振動子が互いに直角な分極方向をもつ圧電
   振動子からなり、 これら両圧電振動子のうち内側に位置する主圧電振動子
   が、外側に位置する副圧電振動子より大きい圧電定数お
   よびポアソン比をもち、かつ振動子非接着面と直角な方
   向に分極方向をもつ圧電振動子によって形成されている
   ことを特徴とする送波器用振動源。
2. 【請求項２】 前記主圧電振動子が円柱部材によって形
   成され、前記副圧電振動子が軸線両方向に開口する円筒
   部材によって形成されていることを特徴とする請求項１
   記載の送波器用振動源。
3. 【請求項３】 前記副圧電振動子が周方向に並列する多
   数の振動子エレメントからなることを特徴とする請求項
   ２記載の送波器用振動源。
4. 【請求項４】 前記主圧電振動子が単一の角形部材によ
   って形成され、前記副圧電振動子が前記主圧電振動子を
   挟持する二つの角形部材によって形成されていることを
   特徴とする請求項１記載の送波器用振動源。
5. 【請求項５】 前記主圧電振動子が分極方向と直角な方
   向に並列する多数の振動エレメントからなることを特徴
   とする請求項４記載の送波器用振動源。
6. 【請求項６】 前記各圧電振動子が音響変換器の圧電振
   動子であることを特徴とする請求項１〜５のうちいずれ
   か一記載の送波器用振動源。