JP2671855B2 - 水中音響送波器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、海洋開発調査等に使用
される水中音響送波器に関し、特に、広帯域な特性を備
えた水中音響送波器に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、水中音響送波器は、ランジュ
バン型，円筒型，フレックステンショナル型等、いずれ
も送波器の固有振動（共振）周波数を利用して、音波を
放射する方式が採られている。これらの送波器は、主に
遠距離ソーナー用に使用するものであり、探知距離の向
上のため低周波化が図られる中で、いかに小型軽量で、
強力な超音波を効率的に放射できようにするか工夫され
たものとなっていた。

【０００３】このような、従来の送波器の一例として
は、アイトリプルイー・トランザクション・オン・ソニ
ックス・アンド・ウルトラソニックス（IEEE Trasactio
n onSonics and Ultrasoics ，p220−(1986.10) ）に記
載のボルト締めランジュバン型トランスジューサや、ア
イトリプルイー・トランザクション・オン・ウルトラソ
ニックス・エンジニアリング（IEEE Trasaction on Ul
trasoics Engineering, p116−124(1963.11)）に記載の
楕円形シェルを用いた屈曲伸び送波器などがある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】海洋開発調査用の水中
音響送波器には、多数の情報データの収集し伝達を行う
という目的のため、広帯域特性を備えていることが要求
される。しかしながら、前述した、従来の水中音響送波
器のように、固有振動（共振振動）周波数を利用してい
る送波器では、その帯域特性を広帯域なものにしようと
した場合、送波器の音波放射面の面積を広くする必要が
あり、その結果、送波器のサイズが大型化してしまうと
いう問題があった。また、従来の水中音響送波器におい
ては、送波器の小型化が優先されているために、周波数
の広帯域化には限界があった。

【０００５】

【発明の目的】本発明は、かかる従来例の有する不都合
を改善し、とくに送波器のサイズを大型化することな
く、周囲に対して球状呼吸に近似した音響放射能力及び
広帯域特性を得ることが可能な水中音響送波器を提供す
ることを、その目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明で
は、剛性材料で形成された立方体状の支持コアと、この
支持コアの六つの面にそれぞれ一端側が取り付けられ，
他端側が前記支持コアの各面に対して垂直な方向に駆動
される圧電アクチュエータとを備えている。そして、各
圧電アクチュエータの他端側に、前述した支持コアの各
面と平行に振動板を装備する、という構成をとってい
る。

【０００７】請求項２記載の発明では、前述した各圧電
アクチュエータが、音響放射面を構成する六つの振動板
を、それぞれ同相駆動するように構成する、という手法
をとっている。

【０００８】請求項３記載の発明では、前述した各圧電
アクチュエータが、偶数個の積層された圧電セラミック
素子から成り、各隣接した圧電セラミック素子の分極方
向を、積層方向に順次交互に配列する、という構成をと
っている。

【０００９】請求項４記載の発明では、前述した各圧電
アクチュエータは、その外側を樹脂でモールドされた構
造とする、という構成をとっている。これによって前述
した目的を達成しようとするものである。

【００１０】

【作用】 立方体状に形成された、支持コアの各面に一
端側が取り付けられている各圧電アクチュエータに、駆
動電圧が印加されると、前記各圧電アクチュエータの他
端側が、支持コアの各面に対して、それぞれ垂直な方向
に駆動される。その結果、前記各圧電アクチュエータの
他端側にそれぞれに連結されている略正方形の振動板が
振動する。前記それぞれの振動板は、音響放射面となる
立方体の６面を形成しているため、前記立方体状の音響
放射面から、周囲の水に対して、全方向に音波が放射さ
れる。

【００１１】そして、この際、各圧電アクチュエータ
は、共振周波数よりも、低い周波数で各振動板を振動さ
せる、非共振駆動を行う。これによって、各アクチュエ
ータに印加される駆動電圧に対応して各振動板が振動し
所定の超音波を出力する。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１乃至図３に基
づいて説明する。図１において、水中音響送波器１は、
剛性の高い材料によって立方体状に形成された支持コア
２が中心部に配設さられている。この支持コア２のそれ
ぞれの面には、圧電アクチュエータ３の一端側がそれぞ
れ取り付けられている。そして、圧電アクチュエータ３
の他端側には、ほぼ正方形状の振動板４が取り付けられ
ている。

【００１３】圧電アクチュエータ３は、図２に示すよう
に支持コア２の面に対して、垂直な方向に積層され、円
環状に形成された圧電セラミック素子６によって、中空
の円筒状に形成されている。この各圧電セラミック素子
６の上下の面には、それぞれリード線９，１０に接続さ
れた、リング状の電極７，８が設けられている。

【００１４】隣接した圧電セラミック素子６の分極方向
は、その積層方向に対して、交互になるように積層し、
その積層数は任意の偶数層（図２に実施例では六層）に
設定されている。そして、この図２に示すように圧電セ
ラミック素子６を配置することによって、隣接した圧電
セラミック素子６の間に挟み込んだリング状の電極７，
８を、隣接した両方の圧電セラミック素子６の電極とし
て兼用することができる。また、各電極２１は、圧電セ
ラミック素子６の積層方向に対して、一つおきに同極性
のリード線９，１０に接続されている。

【００１５】前述した各振動板４は、剛性が高く、しか
も軽量な材料によって形成されており、支持コア２の各
面にそれぞれ平行して設けられている。そして、振動板
４は支持コア２の六つの面に対応して６枚設けられてお
り、全体で立方体状の支持コア２を相似形に包囲する立
方体状の音響放射面を構成している。また、それぞれの
振動板４の４辺には、支持コア２に面する側に、斜めの
面取り部５が形成されており、立方体状に配置された、
それぞれの振動板４間の隙間を少なくするようにしてい
る。

【００１６】具体例を示すと、前記圧電アクチュエータ
３は、外径３０〔ｍｍ〕、内径１５〔ｍｍ〕、厚さ７
〔ｍｍ〕のジルコンチタン酸鉛系材料からなる圧電セラ
ミック素子６を六層、分極方向が、交互に逆極性となる
ように積層（全体の高さ４２〔ｍｍ〕）して構成した。
それぞれの圧電セラミック素子６に対しては、印加電圧
の極性が、互い違いとなるように、電極７，８と、リー
ド線９，１０とをそれぞれ結線した。

【００１７】そして、このように構成した圧電アクチュ
エータ３を六本用意し、図１に示すように、支持コア２
と振動板４にそれぞれ接合して、水中音響送波器１を組
み立てた。各圧電アクチュエータ３と支持コア２とは、
支持コア２の六つの面に、それぞれねじ穴を形成して圧
電アクチュエータ３の積層方向にボルトを通し、強力接
着剤を併用してボルト締めによって接合した。支持コア
２には、一辺６０〔ｍｍ〕の立方体状に加工したステン
レス材のブロックを用いた。また、振動板４には、一辺
の長さ１４０〔ｍｍ〕，厚さ１５〔ｍｍ〕の炭素繊維樹
脂（Ｃ−ＦＲＰ）製の正方形板を使用した。さらに、圧
電アクチュエータ３の部分は、水密性を保持するため、
厚さ３〔ｍｍ〕のウレタン樹脂１１で外側をモールドし
て密封した。

【００１８】前述したように構成された水中音響送波器
１は、圧電アクチュエータ３の各圧電セラミック素子６
に設けられている電極７，８相互間に、リード線９，１
０とを通じて外部から電圧を印加すると、圧電セラミッ
ク素子６は、前記電圧に応じて積層方向に伸縮する。そ
して、この伸縮によって、圧電アクチュエータ３の他端
側に取り付けられている振動板４が振動し、この振動は
送波器周囲の音波の伝達媒質である水に伝達されて、音
波として放射される。

【００１９】この圧電アクチュエータ３の伸縮は、その
固有振動（共振）周波数ｆr ではなく、ｆr よりかなり
低い周波数、すなわち非共振周波数で行われる。各圧電
アクチュエータ３の他端部に取り付けられている振動板
４には、圧電アクチュエータ３にリード線９，１０とを
通じて印加される駆動電圧に対応した大きさの変位が得
られる。このため、当該駆動電圧を高めることによっ
て、大変位を得ることも可能である。

【００２０】非共振周波数での振動は、振動板４を共振
駆動させる場合と比較して、エネルギー効率の点では劣
るが、その代わりに、周囲に放射される音波の帯域特性
を広くすることができる。

【００２１】そして、水中音響送波器１の振動板４は、
立方体状に組み合わせられているため、当該振動板４で
構成される立方体の六面全部が、音響放射面となってい
る。したがって、この水中音響送波器１では、全体のサ
イズが小型であるにもかかわらず、大きな音波の放射面
積が得られる。

【００２２】更に、六つの圧電アクチュエータ３の各圧
電セラミック素子６に同期した電圧を、リード線９，１
０を通じて印加し、これによって立方体状の音響放射面
を構成する６枚の振動板４を同相で振動させることで、
単位放射面積当たりの音響インピーダンスを呼吸球のご
とく大きくすることができる。すなわち、本実施例の非
共振水中音波送波器は、サイズが小型の割には、音響負
荷が十分かかる構成となっている。

【００２３】したがって、本実施例における送波器の帯
域特性は、１００％を越えるほどの非常に平坦な広帯域
特性を備えており、しかも、音響放射面の振幅に対して
得られる、送波レベルは、片面放射の送波器、あるい
は、フレックステンショナル型送波器のような、両面放
射型の送波器と比較して、非常に大きくなる。

【００２４】なお、前述した実施例の送波器の固有振動
（共振）周波数は、約１５〔KHz 〕である。この送波器
を水槽に入れて音響放射面を構成している各振動板４を
同相で駆動し、その音響放射面から１〔ｍ〕離れた点に
おける音圧を測定したところ、図３に示すように、１０
０〔Ｈｚ〕において、１８１〔ｄＢｒｅｌμＰａ〕の音
圧が得られ、また、帯域も、約２００〔％〕以上の広帯
域な特性を得ることができた。

【００２５】また、送波器の周囲に放射される音の周波
数は、圧電アクチュエータ３の特性にも左右されるが、
数十〔Ｈｚ〕〜数百〔Ｈｚ〕程度の範囲のものとなる。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によると、
六つのほぼ正方形の振動板によって構成される立方体状
の音響放射面の作用により、送波器のサイズを大型化す
ることなく音響放射面積を球状呼吸に近似した大きさと
することが可能となり、また、振動板の駆動に圧電アク
チュエータを用いていることにより、非共振振動で音波
が放射されるため、非常に平坦な広帯域特性を得ること
ができる。

【００２７】更に、音響放射面を構成するの六つの振動
板を、それぞれの圧電アクチュエータが、同相で駆動す
るように構成している場合には、呼吸球と同等に周囲に
所定の超音波を同時に送信出力することができる。

【００２８】また、それぞれの圧電アクチュエータが偶
数個の積層された圧電セラミック素子から構成され、隣
接した圧電セラミック素子の分極方向が積層方向に交互
に配列されている場合には、圧電アクチュエータの駆動
効率を高めることができ、各圧電セラミック素子に、駆
動電圧を印加するための電極の数を少なくして、構造を
単純化することができる。

【００２９】さらに、圧電アクチュエータの外側をウレ
タン等の樹脂でモールドされた水密構造とした場合に
は、圧電アクチュエータの電極部へ水の侵入を、確実に
防止することができ、かかる点において圧電アクチュエ
ータの耐久性増大を図り得るという従来にない優れた水
中音響送波器を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す一部省略した斜視図で
ある。

【図２】図１内に開示した圧電アクチュエータの構成を
示す斜視図である。

【図３】図１の実施例の送波特性を示す線図である。

【符号の説明】

１ 水中音響送波器 ２ 支持コア ３ 圧電アクチュエータ ４ 振動板 ５ 面取り部 ６ 圧電セラミック素子 ７，８ 電極 ９，１０ リード線 １１ ウレタン樹脂

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 剛性材料で形成された立方体状の支持コ
   アと、この支持コアの六つの面にそれぞれ一端側が取り
   付けられ，他端側が前記支持コアの各面に対して垂直な
   方向に駆動される圧電アクチュエータとを備え、 前記各圧電アクチュエータの他端側に、前記支持コアの
   各面と平行に振動板を装備したことを特徴とする水中音
   響送波器。
2. 【請求項２】 前記各圧電アクチュエータが、音響放射
   面を構成する六つの振動板を、それぞれ同相駆動するよ
   うに構成されていることを特徴とした請求項１記載の水
   中音響送波器。
3. 【請求項３】 前記各圧電アクチュエータが、偶数個の
   積層された圧電セラミック素子から成り、各隣接した圧
   電セラミック素子の分極方向が、積層方向に順次交互に
   配列されていることを特徴とした請求項１又は２記載の
   水中音響送波器。
4. 【請求項４】 前記圧電アクチュエータが、外側を樹脂
   でモールドされた構造となっていることを特徴とする請
   求項１，２又は３記載の水中音響送波器。