JP5212028B2 - 送波器とその駆動方法 - Google Patents

Description

本発明は、送波器とその駆動方法に関し、特に遠距離ソーナー、海洋資源探査等に用いて好適とされる、小型軽量で、低周波にて広帯域で音波を発信し、かつ水平距離探知能力の高い送波器とその駆動方法に関するものである。

例えば、遠距離ソーナーや海洋資源探査用ソーナーには、超音波やこれよりも周波数の低い音波が用いられる。これらの用途には、水中での伝搬損失が小さく、到達距離の長い数ｋＨｚ程度の周波数の音波が適しており、特にこうした周波数の音波を送波することのできる送波器が用いられている。これらの送波器には、所望の周波数の音波を高出力で発信できることが要求され、かつその使用状況に応じて、小型であることも要求される。しかしながら、送波される音波のエネルギーは周波数が低いと小さくなる。また、一般に送波器を小型化すれば、共振周波数は高くなる。このため、低周波の音波を小型の送波器で、かつ高出力で発信させることは困難である。低周波で高出力とするためには、特に振動における変位量（振幅）を大きくすることが必要となる。
一方、こうした送波器が発する周波数は一定ではなく、可変であることが好ましい。このため、発信できる音波の周波数帯域が広いことも要求される。
これらの要求を満たす送波器として、例えば特許文献１、２に記載された、圧電磁器（圧電セラミック）を用いた送波器がある。これらは、圧電磁器の圧電特性、すなわち、電圧印加による微小変形によって発生する微小変位を利用している。これらにおいては、特にこの圧電磁器の微小変位を増幅して、最終的に得られる変位量を大きくした構造がとられていた。

特許文献１には、図９に示される構造の屈曲円板型送波器が記載されている。この送波器６は、１対の金属ディスク６１中に形成された窪み部分にそれぞれ圧電磁器でできたアクティブ円板体６２がはめ込まれた構造を有している。これらの金属ディスク６１がヤング率の低い金属リング６３を介して貼り合わされ、金属ディスク６１の外周部近くでボルト６４により結合されている。そして、その外形廻りは、保護板６５を介してウレタン樹脂６６によりモールドされて保護されている。この構造によれば、圧電体であるアクティブ円板体６２本来の変位量が、これが組み込まれた金属ディスク６１の撓みとなって増幅され、大きな変位量を得ることができる。
特許文献２には、同様の構造において、金属ディスクの外周部に特に高強度のリング構造を介して金属ディスクを固定した構造が記載されている。この構造においても、やはり同様に大きな変位量を得ることができる。
これらの構造により、アクティブ円板体（圧電磁器）本来の変位量を増幅し、大きな変位量を得ることによって、低周波でも高出力の音波を発信する送波器を得ることができる。
一方、こうした圧電振動子（圧電磁器）はその共振特性のために、Ｑ値が一般に非常に高く、圧電振動子自身の発信周波数帯域幅は非常に狭い。これに対応して圧電磁器を用いて広い周波数帯域を得るものとして、特許文献３には、複数の円筒型圧電振動子をその中心軸をそろえて積層した構造において、それぞれの振動子に印加する電圧の位相および振幅を制御して広帯域化を図った超音波トランスジューサが開示されている。この超音波トランスジューサは、特に空中における超音波距離計あるいは障害物探査用のトランスジューサとして好適であった。
特開平５−２１９５８８号公報 特開平５−３４４５８２号公報 特開平１０−２４３４９８号公報

上記の特許文献１および特許文献２に記載された送波器は高出力ではあるものの、小型化した場合には、音波の放射面も小さくなるために音響負荷が小さくなり、その周波数帯域幅は小さくなる。従って、発信できる音波の周波数帯域は狭くなり、例えば、その比帯域幅（帯域幅／中心周波数）は高々１０〜２０％程度である。
逆に、特許文献３に記載の送波器（超音波トランスジューサ）の帯域幅はこれに対して充分広く、大気中での超音波発信に対しては充分な性能である。しかしながら、大気よりも音響特性インピーダンスが高い場合、特に水中での使用においては、充分な高出力を得ることは不可能であった。
従って、広帯域の周波数の音波を高出力で発信する、小型の送波器を得ることは困難であった。
本発明の課題は、従来技術の上記問題点を解決することであって、その目的は、小型でかつ広帯域の周波数の音波を高出力で発信することのできる送波器を提供できるようにすることである。

上記の目的を達成するため、本発明によれば、中心軸を有し、異なる共振周波数をもつ複数の屈曲型送波器が、共振周波数の高低順に前記中心軸方向に略一定間隔で積層されてなる第１の送波器ブロックと、前記第１の送波器ブロックと同等の構成を有し前記第１の送波器ブロックと前記中心軸方向に鏡面対称となるように配置された第２の送波器ブロックとからなる送波器であって、前記屈曲型送波器は、第１の金属ディスク板に電圧が印加されることによって変位を生じる第１のアクティブ板が固着されてなる第１の振動板と、第２の金属ディスク板に電圧が印加されることによって変位を生じる第２のアクティブ板が固着されてなる第２の振動板と、が間隙をおいてかつ前記中心軸方向に両者が鏡面対称をなす状態に結合されたものであり、かつ、隣接する前記屈曲型送波器同士の振動は互いに逆位相となるべく駆動されることを特徴とする送波器、が提供される。

また、上記の目的を達成するため、本発明によれば、中心軸を有し、異なる共振周波数をもつ複数の屈曲型送波器が、共振周波数の高低順に前記中心軸方向に略一定間隔で積層されてなる第１の送波器ブロックと、前記第１の送波器ブロックと同等の構成を有し前記第１の送波器ブロックと前記中心軸方向に鏡面対称となるように配置された第２の送波器ブロックとを有し、前記屈曲型送波器は、第１の金属ディスク板に電圧が印加されることによって変位を生じる第１のアクティブ板が固着されてなる第１の振動板と、第２の金属ディスク板に電圧が印加されることによって変位を生じる第２のアクティブ板が固着されてなる第２の振動板と、が間隙をおいてかつ前記中心軸方向に両者が鏡面対称をなす状態に結合されたものである送波器の駆動方法であって、隣接する前記屈曲型送波器同士の振動は互いに逆位相となるように駆動されることことを特徴とする送波器の駆動方法、が提供される。

本発明は、共振周波数の異なる複数の屈曲型送波器を積層して送波器ブロックを構成しているので、本発明によれば、広周波数帯域の音波を高出力で発信する送波器を提供することができる。さらに、一対の、共振周波数の異なる複数の屈曲型送波器を積層してなる送波器ブロックを鏡面対称に配置したものであるので、高い指向性の特性を実現したり、あるいは広範囲の音響放射を実現したりすることができ、水平距離探知能力の高い小型の送波器を提供することができる。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態となる送波器の構成を示す図である。この送波器１は、第１の屈曲型送波器１０と第２の屈曲型送波器２０とからなる第１のブロックと、これと同等の構成要素を有する第２のブロックとから構成される。これらの屈曲型送波器は、同一の交流発振器で駆動されることにより、その周波数に応じた音波を発信する。第１の屈曲型送波器１０と第２の屈曲型送波器２０は共に略円板状の形状をなしており、図１ではその積層構造の断面図が示されている。積層構造は、図１で示すように各屈曲型送波器の放射面の鉛直中心軸方向に略一定間隔で積層され、第１の屈曲型送波器１０と第２の屈曲型送波器２０の積層体を１つのブロックとして、さらに別の同様の組み合わせのブロックを、共振周波数の高い第２の屈曲型送波器２０が配される側が対称軸寄りとなるように、鉛直方向に鏡面対称で積層し、合計で４つの屈曲型送波器の積層構造としている。なお、ここでいう音波とは、人間にとって可聴である音波に加え、超音波も含むものとする。

第１の屈曲型送波器１０は、同一の形状である振動板１１と振動板１２とから構成される。振動板１１は、金属ディスク板１１１と、その一方の表面の凹部に嵌合した形態で埋め込まれたアクティブ板１１２からなる。アクティブ板１１２の形状も略円板形状である。振動板１２も同様に、金属ディスク板１２１とアクティブ板１２２からなる。
金属ディスク板１１１、１２１はアルミ合金からなる。アクティブ板１１２、１２２は圧電体からなり、例えばハード系のジルコンチタン酸鉛系圧電セラミックスからなり、接着剤等で金属ディスク板１１１、１２１に固定されている。また、アクティブ板１１２、１２２が圧電特性をもつべく、自発分極が付与されている。この方向は、図１中の白矢印で示される方向であり、アクティブ板１１２では上向き、アクティブ板１２２では下向き、すなわち、逆方向となっている。図１中におけるアクティブ板１１２の上側、およびアクティブ板１２２の下面にはそれぞれ電極（図示せず）が形成されており、これらの電極は電気的に接続されており、入力１に接続されている。金属ディスク板１１１、１２１も電気的に接続されており、入力２に接続されている。
振動板１１におけるアクティブ板１１２が形成された側の面から見た他方の面の外周部に形成された凹部には凸部を有しリング状の形状である凸リング１３が嵌合されている。振動板１２のアクティブ板１２２が形成された側の面から見た他方の面の外周部に形成された凹部には凹リング１４が嵌合されている。凸リング１３には凸部が、凹リング１４には凹部が形成されており、図１に示されるように、凸リング（金属リング）１３の凸部が凹リング１４の凹部に振動板外周部ではまり込む形態で、振動板１１と振動板１２とはボルト締めあるいは接着剤などの手段により結合される。従って、第１の屈曲型送波器１０においては、上側にアクティブ板１１２、下側にアクティブ板１２２が配された形態となっている。凸リング１３、凹リング１４はリング状であり、Ｃｒ−Ｍｏ鋼等、耐摩耗性の高い金属材料からなる。なお、凸リング１３と凹リング１４の形状を調整することにより、組立後の振動板１１と振動板１２との間隔が調整できる。

以上の第１の屈曲型送波器１０については、特許文献１、２に記載のものと同様である。すなわち、入力１と入力２の間に交流信号が印加されると、圧電効果により、アクティブ板１１２にこれに応じた変位（振動）が発生する。アクティブ板１１２に発生した円板の径方向の変位が発生すると、これに応じて金属ディスク板１１１が変形するが、外周部で固定されているために、振動板１１には図１中の点線で示されるような撓みが発生する。すなわち、この振動板１１は周辺支持の屈曲振動が引き起こされる。この際の径広がり振動の電気機械結合係数は５０〜５５％程度である。同様に、振動板１２にも撓みが発生するが、前記の分極方向および電極構成のために、この撓みは図１中の破線で示されるように、振動板１１とは逆方向となる。この撓みはアクティブ板に印加された周波数に応じて発生し、これに応じた音波が発信される。この音波の送波感度は、この振動板１１および振動板１２の構成（材質、幾何学的構成）で決まる共振周波数（第１の共振周波数ｆ１）で最大となる。この振動の振幅はアクティブ板の径方向の振動の振幅よりも大きくなるため、高出力で音波が発信される。また、特許文献１、２に記載されたように、この屈曲型送波器１０は、小型としても低周波で高出力の音波を発信させることができる。

第２の屈曲型送波器２０の構成も第１の屈曲型送波器１０と同様である。すなわち、振動板２１、２２が凸リング（金属リング）２３と凹リング（金属リング）２４を介して結合されている。振動板２１は金属ディスク板２１１とアクティブ板２１２からなり、振動板２２は金属ディスク板２２１とアクティブ板２２２からなる。ただし、振動板２１、２２はその外径が振動板１１、１２よりも小さくなっている。このため、第２の屈曲型送波器２０が発信する音波の送波感度が最大となる周波数（第２の共振周波数ｆ２）は第１の共振周波数よりも高く、ｆ１＜ｆ２となる。また、第１の屈曲型送波器１０と第２の屈曲型送波器２０との間隔は適宜設定できる。
ここで、図１に示されるように、図１中では、アクティブ板２１２における分極方向は下向き、アクティブ板２２２における分極方向は上向きとなっている。換言すると、屈曲型送波器１０における下側のアクティブ板１２２の分極方向は、屈曲型送波器２０におけるアクティブ板１２２の側に位置するアクティブ板２１２の分極方向と同一方向となっている。すなわち、第１の屈曲型送波器１０と第２の屈曲型送波器２０においては、これらの分極方向は逆の構成となっている。

一方、アクティブ板２１２の上側の電極とアクティブ板２２２の下側の電極とは電気的に接続されており、入力１に接続されている。同様に、金属ディスク板２１１と金属ディスク板２２１とは電気的に接続されており、入力２に接続されている。従って、入力１と入力２の間に交流信号を印加すると、これに応じて第１の屈曲型送波器１０と第２の屈曲型送波器２０における各振動体は逆向きに振動し、交流の周波数に対応した音波が発信される。
つまり、図１に示されるように、第１の屈曲型送波器１０と第２の屈曲型送波器２０において発生する撓み（破線）は逆位相となる。すなわち、振動板１１の撓む方向と振動板２１の撓む方向は逆向きであり、かつ振動板１２の撓む方向と振動板２２の撓む方向も逆向きになる。
この状態は、等価回路で表現すると、−１：１の変成比を有するトランスが屈曲型送波器２０に内蔵されていることを意味する。このトランスが有効に働くため図１の送波器は水を負荷とする多重モードフィルタを構成する形となり、個々の屈曲型送波器１０、２０の単一モード比帯域幅の３倍以上の比帯域幅を得ることができる。これらの屈曲型送波器１０、２０をこの状態で駆動したときの電気系から見た等価回路を図２に示す。図２において、Ｃ_ｄ１、Ｌ_１、Ｒ_１、Ｃ_１、Ｚ_Ｌ１はそれぞれ屈曲型送波器１０の制動容量、等価質量、等価機械抵抗、等価コンプライアンス、負荷抵抗を表す。また、Ｃ_ｄ２、Ｌ_２、Ｒ_２、Ｃ_２、Ｚ_Ｌ２はそれぞれ屈曲型送波器２０の制動容量、等価質量、等価機械抵抗、等価コンプライアンス、負荷抵抗を表す。−１：１のトランスは屈曲型送波器１０が屈曲型送波器２０とは圧電磁器アクティブ円板体の分極方向が互いに逆方向であるために出現する。このトランスにより、この送波器１は、等価回路において差動接続型多重モードフィルタとして機能する。
従って、この送波器１の送波感度の周波数依存性は図３中の実線の通りとなる。ここで、破線の特性は、上記の電気的接続を変更して、屈曲型送波器１０と屈曲型送波器２０とを同位相で振動させた場合の特性である。ｆ_１は屈曲型送波器１０の共振周波数であり、ｆ_２は屈曲型送波器２０の共振周波数である。逆位相、同位相に関わらず、周波数がｆ_１とｆ_２でその送波感度は極大値をとるが、前記の等価回路におけるトランスの効果により、逆位相（実線）の場合には、ｆ_１とｆ_２の間でもその出力は大きく低下することはない。一方、同位相（破線）の場合には、このトランスの効果がないために、ｆ_１とｆ_２の間のｆ_３の周波数で大きく低下する領域が存在する。従って、逆位相とすることにより、より広い周波数帯域の音波を発信させることができる。

ここで、屈曲型送波器１０と屈曲型送波器２０とが逆位相で駆動される場合であっても、ｆ_１とｆ_２との間のｆ_３近傍周波数域ではこれらの極大値よりもその出力は減少する。この減少値を少なくして、ｆ_１とｆ_２の間での特性を平坦に近い特性とするためには、屈曲型送波器１０単体の送波感度特性と、屈曲型送波器２０単体の送波感度特性とが交差する点が、それぞれの最大利得（ｆ_１およびｆ_２での値）から３ｄＢ〜８ｄＢ低い領域にあることが好ましい。
前記の通り、屈曲型送波器１０、２０はそれぞれが小型で、音波を高出力で発信することができる。それぞれの共振周波数（ｆ_１、ｆ_２）は異なるが、これらを組み合わせて図１の構成の送波器１とすることにより、発信周波数の帯域、すなわち、ある一定の送波感度以上の値をとる周波数の帯域を広くすることができる。従って、この送波器は、広周波数帯域の音波を高出力で発信する、小型の送波器となる。

なお、この送波器においては、屈曲型送波器１０、２０が逆位相で振動するが、この動作をさせるために、図１とは異なる構成とすることもできる。図４はその送波器２の構成を示す図である。図４において、図１の部分と同等の部位には同一の参照番号が付せられている。この送波器２においては、送波器１とは屈曲型送波器２０の各アクティブ板における分極方向が異なり、かつ電気的接続が異なる。すなわち、アクティブ板２１２、２２２の分極方向が前記の送波器１とは逆向きとなっており、屈曲型送波器１０における下側のアクティブ板１２２の分極方向は、屈曲型送波器２０におけるアクティブ板１２２の側に位置するアクティブ板２１２の分極方向と逆方向となっている。同一屈曲型送波器におけるアクティブ板における分極方向は互いに逆方向となっている点は、図１における送波器１と同様である。また、アクティブ板２１２の上側の電極とアクティブ板２２２の下側の電極とは電気的に接続されており、金属ディスク板１１１と金属ディスク板１２１と共に入力１に接続されている。かつ、金属ディスク板２１１と金属ディスク板２２１とは電気的に接続されており、かつアクティブ板１１２の下側の電極とアクティブ板１２２の上側の電極と共に入力２に接続されている。
この送波器２においても、入力１と入力２間に交流信号を印加した場合に、屈曲型送波器１０、２０は逆位相で駆動される。従って、前記の送波器１と同様の効果がもたらされる。

なお、前記のどちらの例でも、各屈曲型送波器における両アクティブ板の分極方向は互いに逆方向であったが、これに限られるものではない。これらの分極方向を同一方向とした場合でも、前記の例と同様の動作を行える構成であれば、同様の効果が得られる。この他、同様の動作を実現できる形態であれば、同様の効果が得られる。
また、特許文献１、２に記載されるように、各金属ディスク板および各アクティブ板を略円板形状とすることにより、特に高出力とすることができるが、これに限られるものではなく、これらの形状を適宜設定することも可能である。
また、本発明の第１の実施形態の送波器１では、図１に示すように、第１の屈曲型送波器１０と第２の屈曲型送波器２０を積層した一つのブロックを共振周波数の高い第２の屈曲型送波器２０が配される側が対称軸寄りとなるように、さらに鉛直中心軸方向で鏡面対称に別の同様な組み合わせブロックを略一定間隔に積層とすることで、水平距離探知能力の向上を図っている。このような送波器の配置順とすることで、対称軸上下のブロックの音圧レベルが強められ、水平方向への音圧分布（指向性）が伸長する。これは、同一の送波器を複数積層した場合の指向性よりも水平方向に鋭い指向性となり、指向性利得に換算して約３〜５ｄＢほど向上する。図５（ａ）、（ｂ）に第１の屈曲型送波器１０、および第２の屈曲型送波器２０のそれぞれの共振周波数ｆ_１、ｆ_２のときの送波器周囲の音圧分布（指向性）を示すが、水平方向への音圧が強められて、水平方向への音圧分布が鋭く伸長しているのがわかる。また、図５（ｃ）には、ｆ_１、ｆ_２の間の周波数域で少し送波感度の下がったポイントの周波数ｆ_３における音圧分布（指向性）を示すが、この場合もｆ_１、ｆ_２の場合と同様に、水平方向への音圧分布が鋭く伸長しており、本発明送波器は広帯域な周波数に亘って水平方向への音圧分布が伸長することがわかる。一般に、海洋における遠距離ソーナーや海洋資源探査用ソーナーでは、水平方向への距離探知能力の向上が強く求められている。本発明送波器は、上記のように水平方向の音圧分布（指向性）が鋭く伸長しており、その結果、指向性利得が高くなり、水平距離探知能力に優れるものである。
なお、本発明送波器の第１の実施の形態として、図１では異なる共振周波数をもつ２種類の屈曲型送波器１０、２０を用いた場合について示したが、その種類は２種類に限定する必要は無く、２以上の複数の種類においても同様な構成により同様な効果が得られることは明白である。

図６は、この送波器１の構成を示す概略斜視図である。図１に示されるように、屈曲型送波器１０、２０が積層された一つのブロックに、さらに鉛直方向鏡面対称にもう一ブロック積層されており、したがって、上から順に屈曲型送波器１０、２０、２０、１０の４つの屈曲送波器が略一定間隔で積層されている。各屈曲型送波器は送波器支持具９０によって、支柱となるワイヤー９１に固定される。なお、図６中では図１中に示された各配線は省略されているが、その配線ははんだ付け等を用いて適宜行うことができる。

（第２の実施の形態）
第１の実施の形態においては、異なる共振周波数をもつ２個の屈曲型送波器１０、２０の積層配列順を鏡面対称軸側が共振周波数の高い第２の屈曲型送波器２０を配置した例につきて説明したが、その逆に鏡面対称軸側に共振周波数が低い第１の屈曲型送波器１０を配置した場合においても独特の特徴が期待できる。図７は、本発明の第２の実施形態の送波器３の構成を示す図である。
この送波器３においても、第１の屈曲型送波器１０、第２の屈曲型送波器２０が用いられており、図７に示すように、鏡面対称軸側に第１の屈曲型送波器１０が配され、各屈曲型送波器が一定間隔で配置されている。第１、第２の屈曲型送波器１０、２０の個々の構成についてはアクティブ板の分極方向を含め、図１に示す送波器１の場合と同様である。
アクティブ板１１２、２１２の上側電極、アクティブ板１２２、２２２の下側電極はそれぞれ電気的に接続されており、入力１に接続されている。金属ディスク板１１１、１２１、２１１、２２１はそれぞれ電気的に接続されており、入力２に接続されている。これにより、第１の屈曲型送波器１０と第２の屈曲型送波器２０は送波器１の場合と同様に、逆相で駆動されることになる。

また、この第２の実施形態の送波器３においても、帯域幅を広げるためには、各屈曲型送波器自身のもつ発信利得特性が交差する部分が、第１の実施の形態と同様に、最大値より３ｄＢ〜８ｄＢ下がったところになるべく、共振周波数ｆ_１、ｆ_２を設定することが好ましい。このためには、各屈曲型送波器の幾何学的寸法を適宜設定し、共振周波数を設定する。
また、各屈曲型送波器は第１の実施の形態における場合と同様に、特許文献１、２に記載のものと同様である。すなわち、小型であり、音波を高出力で発信することができる。従って、この送波器３は、広周波数帯域の音波を高出力で発信する、小型の送波器となる。

図８に本発明の第２の実施形態の送波器３における第１の屈曲型送波器１０、および第２の屈曲型送波器２０のそれぞれの共振周波数ｆ_１、ｆ_２のときの送波器周囲の音圧分布（指向性）を示す。第１の実施形態の送波器１では、水平方向への音圧分布（指向性）が伸長するという特徴があったが、第２の実施形態の送波器３の音圧分布では水平方向への伸長はあまり見られず、全方位に広がる指向性をもつ。これは波長の長い低周波の屈曲型送波器２０が鏡面対称軸に近い位置に配されることで、音源として支配的に駆動され、かつ、周波数の異なる各屈曲型送波器の位相関係の影響を受けた結果として、このような音圧分布となっているものである。このような音圧分布をもつ第２の実施形態の送波器３は、指向性利得が稼げず距離探知能力は悪くなるものの、広範囲への音響放射が可能という効果がある。
なお、本発明送波器の第２の実施の形態として、図７では異なる共振周波数をもつ２種類の屈曲型送波器１０、２０を用いた場合について示したが、その種類は２種類に限定する必要は無く、２以上の複数の種類の屈曲型送波器を配置した場合においても同様な効果が得られる。
以下、本発明の実施例につき、詳細を説明する。

実施例１として、２種類の屈曲型送波器を組み合わせ鏡面対称に積層した、図１に示した構造の送波器を製造した。ここで、第１の屈曲型送波器における各アクティブ板はハード系のジルコンチタン酸鉛系圧電セラミックスで、その厚さは１０ｍｍ、直径１５０ｍｍの円板とした。各金属ディスク板はアルミ合金とし、その最大厚みは２０ｍｍ、直径２００ｍｍの円板とし、前記のアクティブ板を接着剤を用いてその表面に嵌合して埋め込んだ形態とした。凸リング、凹リング（金属リング）は共にＣｒ−Ｍｏ鋼とし、その外径は２００ｍｍ、内径は１９０ｍｍとした。凸リングの凸部の高さは、組立後の金属ディスク板の間隔が２ｍｍとなるように設定した。この組立時の固定はボルトにより行った。この第１の屈曲型送波器における共振周波数ｆ_１は３．５ｋＨｚであった。
第２の屈曲型送波器における各材質は第１の屈曲型送波器と同様とし、両アクティブ板は、厚さ９ｍｍ、直径１２０ｍｍの円板とした。金属ディスク板は厚さ１８ｍｍ、直径１５０ｍｍとした。凸リング、凹リングは共にＣｒ−Ｍｏ鋼とし、その外径は１５０ｍｍ、内径は１４２ｍｍとした。凸リングの凸部の高さは、組立後の金属ディスク板の間隔が２ｍｍとなるように設定した。この第２の屈曲型送波器における共振周波数ｆ_２は４．６ｋＨｚであった。
以上の屈曲型送波を間隔２５０ｍｍの等間隔で、上から第１の屈曲型送波器、第２の屈曲型送波器、そしてまた第２の屈曲型送波器送波器、第１の屈曲型送波器の順の組み合わせで図１の構成の送波器を作製した。この場合、各屈曲型送波器自身のもつ送波感度特性が交差する部分が、最大値より７ｄＢ下がったところで交差する特性となった。その結果、図３に示すように−６ｄＢ比帯域幅４８％の特性を得た。一方、個々の屈曲型送波器の−６ｄＢ比帯域幅は高々１５％であった。従って、その２倍以上の広帯域特性が得られた。送波器周囲の１ｍにての音圧レベルを測定し、指向特性を測定したところ、第１の屈曲型送波器の共振周波数において、図５に示した音圧分布と同様に、水平方向に鋭い指向性を示す特性が得られた。

実施例２として、実施例１の送波器の鏡面対称の配列順を逆にした、図７に示した構造の送波器を製造した。ここで、第１の屈曲型送波器における各アクティブ板はハード系のジルコンチタン酸鉛系圧電セラミックスで、その厚さは１０ｍｍ、直径１５０ｍｍの円板とした。各金属ディスク板はアルミ合金とし、その最大厚みは２０ｍｍ、直径２００ｍｍの円板とし、前記のアクティブ板を接着剤を用いてその表面に嵌合して埋め込んだ形態とした。凸リング、凹リング（金属リング）は共にＣｒ−Ｍｏ鋼とし、その外径は２００ｍｍ、内径は１９０ｍｍとした。凸リングの凸部の高さは、組立後の金属ディスク板の間隔が２ｍｍとなるように設定した。この組立時の固定はボルトにより行った。この第１の屈曲型送波器における共振周波数ｆ_１は３．５ｋＨｚであった。
第２の屈曲型送波器における各材質は第１の屈曲型送波器と同様とし、両アクティブ板は、厚さ９ｍｍ、直径１２０ｍｍの円板とした。金属ディスク板は厚さ１８ｍｍ、直径１５０ｍｍとした。凸リング、凹リングは共にＣｒ−Ｍｏ鋼とし、その外径は１５０ｍｍ、内径は１４２ｍｍとした。凸リングの凸部の高さは、組立後の金属ディスク板の間隔が２ｍｍとなるように設定した。この第２の屈曲型送波器における共振周波数ｆ_２は４．６ｋＨｚであった。
以上の屈曲型送波を間隔２５０ｍｍの等間隔で、上から第２の屈曲型送波器、第１の屈曲型送波器、そしてまた第１の屈曲型送波器送波器、第２の屈曲型送波器の順の組み合わせで図７の構成の送波器を作製した。この場合、各屈曲型送波器自身のもつ送波感度特性が交差する部分が、最大値より６ｄＢ下がったところで交差する特性となった。送波器周囲の１ｍにての音圧レベルを測定し、指向特性を測定したところ、第１の屈曲型送波器の共振周波数において、図８に示した音圧分布と同様なほぼ無指向な特性を得た。

本発明の第１の実施の形態となる送波器の構造を示す断面図。 本発明の第１の実施の形態となる送波器の動作の等価回路図。 本発明の第１の実施の形態となる送波器の送波感度の周波数特性図。 本発明の第１の実施の形態となる送波器の変更例を示す断面図。 本発明の第１の実施の形態となる送波器の音圧分布特性を示す図。（ａ）周波数ｆ_１のときの音圧分布 （ｂ）周波数ｆ_２のときの音圧分布 （ｃ）周波数ｆ_３のときの音圧分布 本発明の第１の実施の形態となる送波器の構成を示す概略斜視図。 本発明の第２の実施の形態となる送波器のの構造を示す断面図。 本発明の第２の実施の形態となる送波器の音圧分布特性を示す図。（ａ）周波数ｆ_１のときの音圧分布 （ｂ）周波数ｆ_２のときの音圧分布 従来の送波器の一例を示す図。

符号の説明

１、２、３、６ 送波器
１０、２０ 屈曲型送波器
１１、１２、２１、２２ 振動板
１１１、１２１、２１１、２２１ 金属ディスク板
１１２、１２２、２１２、２２２ アクティブ板
１３、２３ 凸リング（金属リング）
１４、２４ 凹リング（金属リング）
６１ 金属ディスク
６２ アクティブ円板体
６３ 金属リング
６４ ボルト
６５ 保護板
６６ ウレタン樹脂
９０ 送波器支持具
９１ ワイヤー

Claims (11)

1. 中心軸を有し、異なる共振周波数をもつ複数の屈曲型送波器が、共振周波数の高低順に前記中心軸方向に略一定間隔で積層されてなる第１の送波器ブロックと、前記第１の送波器ブロックと同等の構成を有し前記第１の送波器ブロックと前記中心軸方向に鏡面対称となるように配置された第２の送波器ブロックとからなる送波器であって、
   前記屈曲型送波器は、第１の金属ディスク板に電圧が印加されることによって変位を生じる第１のアクティブ板が固着されてなる第１の振動板と、第２の金属ディスク板に電圧が印加されることによって変位を生じる第２のアクティブ板が固着されてなる第２の振動板と、が間隙をおいてかつ前記中心軸方向に両者が鏡面対称をなす状態に結合されたものであり、かつ、
   同一送波器ブロック内において、隣接する前記屈曲型送波器同士の振動は互いに逆位相となるように駆動されることを特徴とする送波器。
2. 前記第１のアクティブ板は前記第１の金属ディスク板に形成された凹部内に収容され、前記第２のアクティブ板は前記第２の金属ディスク板に形成された凹部内に収容されていることを特徴とする請求項１に記載の送波器。
3. 前記第１の金属ディスク板の外周部に第１の金属リングが固着され、前記第２の金属ディスク板の外周部に第２の金属リングが固着されており、前記第１の金属リングと前記第２の金属リングとが接触する態様にて第１の振動板と第２の振動板とが結合されていることを特徴とする請求項１または２に記載の送波器。
4. 前記第１の金属リングと前記第２の金属リングの内、いずれか一方には凸部が、いずれか他方は凹部が形成され、前記凸部の高さと前記凹部の深さによって前記第１の金属ディスク板と前記第２の金属ディスク板との間の間隙幅が決定されることを特徴とする請求項３に記載の送波器。
5. 前記第１のアクティブ板と前記第２のアクティブ板とは、圧電セラミックにより構成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の送波器。
6. 前記各屈曲型送波器における２枚のアクティブ板の分極方向は、前記アクティブ板の面に垂直な方向であり、かつ互いに逆向きであることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の送波器。
7. 同一の送波器ブロックに属する隣接する屈曲型送波器において、第１のアクティブ板同士、および、第２のアクティブ板同士は、同一方向に分極され、隣接する屈曲型送波器には逆相の電圧が印加されることを特徴とする請求項６に記載の送波器。
8. 同一の送波器ブロックに属する隣接する屈曲型送波器において、第１のアクティブ板同士、および、第２のアクティブ板同士は、逆方向に分極され、隣接する屈曲型送波器には同相の電圧が印加されることを特徴とする請求項６に記載の送波器。
9. 隣接する屈曲型送波器の送波感度の周波数特性が、各屈曲型送波器の最大利得から３ｄＢ〜８ｄＢ低い点で交差するように、各屈曲型送波器の共振周波数が設定されていることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の送波器。
10. 前記中心軸方向に、前記複数の屈曲型送波器の外側に、複数の支柱ワイヤーが延在しており、各屈曲型送波器と前記複数の支柱ワイヤーとの間が支持部材によって連結されていることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の送波器。
11. 中心軸を有し、異なる共振周波数をもつ複数の屈曲型送波器が、共振周波数の高低順に前記中心軸方向に略一定間隔で積層されてなる第１の送波器ブロックと、前記第１の送波器ブロックと同等の構成を有し前記第１の送波器ブロックと前記中心軸方向に鏡面対称となるように配置された第２の送波器ブロックとを有し、
    前記屈曲型送波器は、第１の金属ディスク板に電圧が印加されることによって変位を生じる第１のアクティブ板が固着されてなる第１の振動板と、第２の金属ディスク板に電圧が印加されることによって変位を生じる第２のアクティブ板が固着されてなる第２の振動板と、が間隙をおいてかつ前記中心軸方向に両者が鏡面対称をなす状態に結合されたものである送波器の駆動方法であって、
    同一送波器ブロック内において、隣接する前記屈曲型送波器同士の振動は互いに逆位相となるように駆動されることを特徴とする送波器の駆動方法。