JP2008244895A

JP2008244895A - 屈曲型送受波器

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Publication number: JP2008244895A
Application number: JP2007083123A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Shiba; 博史芝
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2007-03-27
Filing date: 2007-03-27
Publication date: 2008-10-09
Anticipated expiration: 2027-03-27
Also published as: US20080240472A1; US8515101B2; EP1976330B1; JP4910823B2; EP1976330A3; EP1976330A2

Abstract

【課題】電気信号の印加による伸縮に伴って振動する駆動用振動子と、駆動用振動子により駆動されて屈曲振動を発生して音波を放射する音波放射用振動子とを組み合せた板状振動子を備える屈曲型送受波器において、小型化及び軽量化を図る。
【解決手段】屈曲型送受波器１５は、例えば６個の板状振動子１ａ〜１ｆのすべての上部端及び下部端はそれぞれ上部蓋３及び下部蓋４により、緩衝材２ａ、２ｂを介して挟持されて６角形状柱体を形成するように一体化され、さらに、６角形状柱体は、上部蓋３及び下部蓋４とともに６角形状柱体の内部を貫通するように挿入された段付ボルト５及びこの段付ボルト５の両端部にねじ込まれたナット６ａ、６ｂにより挟持されている。
【選択図】図１

Description

この発明は、水中に音波を放射する電気音響変換器に係り、特に振動体の屈曲振動により水中に音波を放射する屈曲型送受波器に関する。

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が、音波の中でも減衰が少なくて伝播特性が良好であるという特長を有する、低周波の音波を利用した各種の送受波器が実用化されている。これらの低周波の送受波器では、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体（振動子）が用いられている。

一般に機械的構造体は、その寸法が大きくなるほど機械的共振周波数が低下するので、上述のような低周波の送受波器を構成するには必然的にその寸法は大きくなる。したがって、低周波の送受波器では、常に小型化と軽量化が求められ、小型の構造で機械的共振周波数を低下させた振動子の実現が技術的課題となっている。ここで、金属等の薄板は弾力性が低く共振周波数を低くできるために、その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ので、従来から低周波の送受波器に広く用いられている。

このような送受波器の中でも振動子の屈曲振動を利用した屈曲型送受波器が普及している。この屈曲型送受波器として、電気信号の印加による伸縮に伴って振動する圧電振動子から成る振動子（駆動用振動子）と、この振動子により駆動されて屈曲振動を発生して音波を放射する金属薄板から成る板状振動子（音波放射用振動子）とを組み合せた構成のものが提供されている（特許文献１、特許文献２）。

特許文献１に開示されている屈曲型送受波器は、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）を貼り付けた構成にして、圧電振動子に電気信号を印加することで振動させ、さらにその圧電振動子により振動板に屈曲振動を発生させて音波を放射させるもので、高能率で小型軽量化を実現するものである。また、特許文献２に開示されている屈曲型送受波器は、複数の振動子片を積層した円筒状振動子（駆動用振動子）の軸方向の両端部をボルトとナットを用いて一対の円盤状リングにより保持し、これら円盤状リングの円周及び外面を覆うようにそれぞれ軸方向に設けた複数のスリットにより分割した複数の曲面状振動板（第１の音波放射用振動子）及び一対の円盤状の端面振動板（第２の音波放射用振動子）を設けて鼓状に構成して、円筒状振動子に電気信号を印加したときに、曲面状振動板及び端面振動板からそれぞれ発生する２つの屈曲振動を用いて、低周波化及び広帯域化を図るものである。

ここで、特許文献１に開示されている屈曲送受波器は、振動板の軸方向の上下の端部がそれぞれ円筒体に固定されて連結された構成になっている。また、特許文献２に開示されている屈曲型送受波器は、曲面状振動板の軸方向の上下の端部がそれぞれ一対の円盤状リングに固定されるとともに、端面振動板の周囲が曲面状振動板の突部に固定されて連結された構成になっている。すなわち、特許文献１、特許文献２に開示されているいずれの屈曲型送受波器も、音波を放射する振動板の上下の端部が固定された構成になっている。

また、屈曲型送受波器として、軸方向に設けた複数のスリットにより分割した複数の円筒状振動板（音波放射用振動子）の内面の上下の端部をそれぞれ一対の円筒形振動体（駆動用振動子）に固定して連結し、円筒形振動体の軸方向の両端部を一対のプレートを介してボルトとナットにより保持する構成のものも提供されている（特許文献３）。さらに、携帯電話等において周囲に迷惑をかけることなく着信を知らせるために用いた振動板を支える支柱部に、振動板の応力集中を防止するための弾性体を設けた構成の報知用振動装置が知られている（特許文献４）。
特開平０３−０１１８９８号公報特許第３５２０８３７号公報特許第３６４９１５１号公報特許第３７８５５８７号公報

なお、特許文献４では、携帯電話等の受信時に支柱部により支持されている振動板が振動することによりその受信が報知されるが、この場合振動板は単に振動すれば報知の役目を果たすことができる。それゆえ、特に振動の周波数、すなわち、振動板から放射される周波数は特定の範囲に限らないので、本願発明のように必ず低周波の音波に対応して最大の効果を発揮する緩衝材を用いる必要はない。

ところで、特許文献１〜３に開示されている従来の屈曲型送受波器には、次のような問題がある。
特許文献１〜３に開示されている従来の屈曲型送受波器ではいずれも、図１５（ａ）にその主要部の概略構成を示すように、音波放射用振動子として機能する振動板２３の上下の端部２３ａ、２３ｂが一対の端部固定材２４に固定された構成になっている。これにより、屈曲振動が発生すると、図１５（ｂ）に概略を示すように、振動板２３の振動態様は点線で示すように端部固定材２４によって固定されていない自由部の長さＬ_１を半波長とするものになるため、共振周波数ｆｒ_１はその長さＬ_１によって定まることになる。この長さＬ_１は一対の端部固定材２４の両外側までの長さＬ_０より短くなっている。

したがって、自由部の長さＬ_１を半波長とする場合には、長さＬ_０を半波長とする場合に比べて共振周波数が高くなってしまうことになり、より共振周波数を低めたい場合には、長さＬ_１を大きくしなければならない。この結果、低周波化を図るには振動板２３の軸方向の長さ寸法が大きくなるだけでなく、全体の重量も増大することになる。

この発明は、上述の事情に鑑みてなされたもので、電気信号の印加による伸縮に伴って振動する駆動用振動子と、駆動用振動子により駆動されて屈曲振動を発生して音波を放射する音波放射用振動子とを組み合せた板状振動子を備える構成において、小型化及び軽量化を図ることができる屈曲型送受波器を提供することを目的とする。

上記問題を解決するために、請求項１記載の発明は、電気信号の印加による伸縮に伴って振動する駆動用振動子と、該駆動用振動子により駆動されて屈曲振動を発生して音波を放射する音波放射用振動子とを組み合せた板状振動子を備える屈曲型送受波器であって、ｎ個の上記板状振動子は、すべての上部端及び下部端がそれぞれ上部蓋及び下部蓋により緩衝材を介して挟持されてｎ角形状柱体を形成するように一体化されていることを特徴としている。

また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の屈曲型送受波器に係り、上記ｎ個の板状振動子により形成される上記ｎ角形状柱体は、上記上部蓋及び上記下部蓋とともに上記ｎ角形状柱体の内部を貫通するように挿入された段付ボルト及び該段付ボルトの両端部にねじ込まれたナットにより挟持されていることを特徴としている。

また、請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の屈曲型送受波器に係り、上記板状振動子は、板状の上記駆動用振動子が板状の上記音波放射用振動子に埋め込まれるように固定された構成になっていることを特徴としている。

また、請求項４記載の発明は、請求項１又は２記載の屈曲型送受波器に係り、上記板状振動子は、板状の上記駆動用振動子の一方の面が第１の板状の上記音波放射用振動子に固定されるとともに、上記駆動用振動子の他方の面が第２の板状の上記音波放射用振動子に空間を介して対向するように固定されて箱状の構成になっていることを特徴としている。

また、請求項５記載の発明は、請求項１乃至４のいずれか１つに記載の屈曲型送受波器に係り、上記ｎ角形状柱体の周囲が絶縁シースにより覆われていることを特徴としている。

また、請求項６記載の発明は、請求項１乃至５のいずれか１つに記載の屈曲型送受波器に係り、上記板状振動子に接続された電気信号線を上記ｎ角形状柱体の外部に取り出すための信号線取出し孔が、上記上部蓋に設けられていることを特徴としている。

この発明の屈曲型送受波器１５によれば、ｎ個の板状振動子１ａ〜１ｎのすべての上部端及び下部端はそれぞれ上部蓋３及び下部蓋４により、緩衝材２ａ、２ｂを介して挟持されてｎ角形状柱体を形成するように一体化されている。このような構成により、板状振動子の軸方向の長さを不要に大きくすることなく低周波の音波を放射することができるようになるので、小型化及び軽量化を図ることができる

屈曲型送受波器１５は、例えば６個の板状振動子１ａ〜１ｆが用いられて、これらの板状振動子１ａ〜１ｆのすべての上部端及び下部端はそれぞれ上部蓋３及び下部蓋４により、緩衝材２ａ、２ｂを介して挟持されて６角形状柱体を形成するように一体化されている。さらに、６角形状柱体は、上部蓋３及び下部蓋４とともに６角形状柱体の内部を貫通するように挿入された段付ボルト５及びこの段付ボルト５の両端部にねじ込まれたナット６ａ、６ｂにより挟持されている。

図１は、この発明の実施例１である屈曲型送受波器の概略構成を示す一部に切り欠き構成を含む斜視図、図２は図１のＡ―Ａ矢視断面図、図３は図１のＢ―Ｂ矢視断面図、図４は同屈曲型送受波器に用いられる板状振動子の概略構成を示す斜視図、図５は同屈曲型送受波器に用いられる上部蓋の概略構成を示す透視図、図６は同屈曲型送受波器に用いられる下部蓋の概略構成を示す斜視図である。また、図７は同屈曲型送受波器の構成を示し、（ａ）は主要部の概略構成を示す斜視図、（ｂ）は振動形態を示す概略図、図８は同屈曲型送受波器によって得られた規格化感度（縦軸）と規格化周波数（横軸）との関係を示す周波数特性図である。
この例の屈曲型送受波器１５は、図１〜図３に示すように、例えば６個の板状振動子１ａ〜１ｆが用いられて、これらの板状振動子１ａ〜１ｆのすべての上部端及び下部端はそれぞれ上部蓋３及び下部蓋４により、緩衝材２ａ、２ｂを介して挟持されて６角形状柱体を形成するように一体化されている。ここで、板状振動子１ｂ〜１ｄは配置の関係で、図１では見えなくなっている。ここで、緩衝材２ａ、２ｂとしては、一般に包装等に用いられているオニオンスキンペーパーを用いると効果的である。この緩衝材２ａ、２ｂは圧力も受けるので、比較的強度の強い（コムプライアンスの小さい）ものが要求されるが、このオニオンスキンペーパーはそれらの点で最適である。また、６角形状柱体は、上部蓋３及び下部蓋４とともに６角形状柱体の内部を貫通するように挿入された段付ボルト５及びこの段付ボルト５の両端部にねじ込まれたナット６ａ、６ｂにより挟持されている。このように、段付ボルト５と一対のナット６ａ、６ｂとを用いて、６個の板状振動子１ａ〜１ｆにより構成される６角形状柱体を上下部端から挟持することにより、ナット６ａ、６ｂによる過剰な締め付けが防止されるので、各板状振動子１ａ〜１ｆを破損することがなくなる。

この例では、板状振動子１ａ〜１ｆは、１つの板状振動子１ａに例をあげて示すと、図４に示すように、駆動用振動子としての板状の圧電素子１１ａが音波放射用振動子としての板状の振動基板１２ａに接着されることにより、埋め込まれるように固定された構成になっている。

上部蓋３の外形は、図５に示すように、６角形状柱体に対応させるため６角形に形成され、さらに６角形状柱体を機械的に安定に維持するために、６角形状柱体の内部に嵌入させるための６角形状の上部蓋突起部３ａが設けられている。また、上部蓋突起部３ａには略中央位置に信号線取出し孔７が設けられるとともに、信号線取出し孔７の両側位置には一対のボルト孔３ｂが設けられている。同様にして、下部蓋４の外形も６角形に形成されるとともに、上部蓋突起部３ａに対応した６角形状の下部蓋突起部４ａが設けられている。さらに、一対のボルト孔３ｂに対応した一対のボルト孔４ｂが設けられている。

板状振動子１ａ〜１ｆの電極（図示せず）には、上部蓋突起部３ａに設けられた信号線取出し孔７を通じて６角形状柱体の内部に導入された信号線８が電気的に接続されて、駆動用振動子としての例えば圧電素子１１ａに電気信号が印加されるようになっている。６角形状柱体の周囲は絶縁シース９により覆われて、屈曲型送受波器１５の全体が水密構造に保持されている。この例の屈曲型送受波器１５は、図２から明らかなように、中心軸１０から見た断面構造は構成部品が左右対称に配置されている。

次に、上述のような構成の屈曲型送受波器１５の製造方法を説明する。
まず、６個の板状振動子１ａ〜１ｆを用意してそれぞれの上端部及び下端部に断面がＬ字状の緩衝材２ａ、２ｂを貼り付ける。次に、それぞれの板状振動子１ａ〜１ｆを上部蓋３及び下部蓋４の外形よりも僅かに大きくなるように、６角形状柱体に配置して、板状振動子１ａ〜１ｆの各電極に信号線８をはんだ付けにより電気的に接続する。

次に、信号線８が接続された板状振動子１ａ〜１ｆを、予め段付ボルト５及び一対のナット６ａ、６ｂにより緩く仮止めされた上部蓋３及び下部蓋４の組立構造の下部蓋４側から差込んで、同時に信号線８を上部蓋３の信号線取出し孔７から外部に引き出す。次に、緩衝材２ａ、２ｂが貼り付けられた６個の板状振動子１ａ〜１ｆを、上部蓋３と下部蓋４との間に整列して配置し、ナット６ａ、６ｂを段付ボルト５に締めこんでいく。次に、このように組立てられた全体を、モールド法により形成した絶縁シース９により覆った水密構造を完成させて、屈曲型送受波器１５を製造する。

上述したようなこの例の構成の屈曲型送受波器１５において、信号線８から板状振動子１ａ〜１ｆに電気信号を印加すると、例えば圧電素子１１ａが伸縮することにより振動基板１２ａを駆動する。これに伴って、振動基板１２ａは屈曲振動を発生して径方向に音波を放射する。このような音波放射時に、この例では６個の板状振動子１ａ〜１ｆのすべての上部端及び下部端がそれぞれ上部蓋３及び下部蓋４により緩衝材２ａ、２ｂを介して挟持されている。この結果、図１５（ａ）の従来例に対比して、図７（ａ）にその主要部の概略構成を示すように、音波放射用振動子として機能する振動板２３（板状振動子１ａ〜１ｆに対応）の上下の端部２３ａ、２３ｂが一対の端部固定材２４に固定された構成とはならない。すなわち、振動板２３の両端部２３ａ、２３ｂは端部固定材２３に拘束されない構成となる。したがって、屈曲振動が発生すると、図７（ｂ）に概略を示すように、振動板２３の振動態様は点線で示すようになって、長さＬ_０を半波長とするものになるため、図８に示すように、共振周波数ｆｒ_０は従来の共振周波数ｆｒ_１よりも低くすることができる。したがって、振動板２３の軸方向の長さを不要に大きくすることを回避できるので、屈曲型送受波器１５の小型化及び軽量化を図ることができる。ここで、緩衝材２ａ、２ｂは、屈曲型送受波器１５で使用する低周波の音波に対応して最大の効果を発揮するような材料が選ばれる。

このように、この例の屈曲型送受波器１５によれば、例えば６個の板状振動子１ａ〜１ｆが用いられて、これらの板状振動子１ａ〜１ｆのすべての上部端及び下部端はそれぞれ上部蓋３及び下部蓋４により、緩衝材２ａ、２ｂを介して挟持されて６角形状柱体を形成するように一体化され、さらに、６角形状柱体は、上部蓋３及び下部蓋４とともに６角形状柱体の内部を貫通するように挿入された段付ボルト５及びこの段付ボルト５の両端部にねじ込まれたナット６ａ、６ｂにより挟持されている。
したがって、電気信号の印加による伸縮に伴って振動する駆動用振動子と、駆動用振動子により駆動されて屈曲振動を発生して音波を放射する音波放射用振動子とを組み合せた板状振動子を備える構成において、小型化及び軽量化を図ることができる。

図９は、この発明の実施例２である屈曲型送受波器の概略構成を示す一部に切り欠き構成を含む斜視図、図１０は図９のＣ―Ｃ矢視断面図、図１１は図１０のＤ―Ｄ矢視断面図、図１２は同屈曲型送受波器に用いられる箱状複合振動子の概略構成を示す斜視図、図１３は図１２のＥ―Ｅ矢視断面図、図１４は同屈曲型送受波器によって得られた規格化感度（縦軸）と規格化周波数（横軸）との関係を示す周波数特性図である。この例の屈曲型送受波器の構成が、上述の実施例１のそれと大きく異なるところは、板状振動子に代えて箱状複合振動子を用いるようにした点である。
この例の屈曲型送受波器１６は、図９〜図１１に示すように、実施例１の板状振動子１ａ〜１ｆに代えて、箱状複合振動子２０ａ〜２０ｆが用いられている。この例では、箱状複合振動子２０ａ〜２０ｆは、１つの箱状複合振動子２０ａに例をあげて示すと、図１２及び図１３に示すように、駆動用振動子としての板状の圧電素子２１ａの一方の面が第１の振動板２２ａに固定されるとともに、圧電素子２１ａ他方の面が第２の振動板２２ｂに空間を介して対向するように固定されて箱状の構成になっている。
これ以外は、上述した実施例１と略同様である。それゆえ、図９〜図１１において、図１〜図３、図５及び図６の構成部分と対応する各部には、同一の番号を付してその説明を省略する。

この例のように、箱状複合振動子２０ａ〜２０ｆを構成する例えば１つの板状の圧電素子２１ａの両面にそれぞれ第１の振動板２２ａ及び第２の振動板２２ｂを設けた構成とすることにより、それぞれの振動板２２ａ、２２ｂが音波放射面として作用するようになる。すなわち、第１の振動板２２ａからは共振周波数ｆｒ１の音波が放射され、一方、第２の振動板２２ｂからは共振周波数ｆｒ２の音波が放射されるようになる。そして、このように２つの共振周波数ｆｒ１、ｆｒ２を有する箱状複合振動子２０ａ〜２０ｆを備えた屈曲型送受波器１６は、図１４に示すように、周波数特性で２つのピークを持った双峰特性を示すようになる。したがって、実施例１と同様な効果に加えて、低周波でかつ広帯域な周波数特性を得ることができるようになる。なお、この例の屈曲型送受波器１６の製造方法は、実施例１で説明した製造方法に準じて行うことができる。

このように実施例２による屈曲型送受波器１６でも、上述のような構成の箱状複合振動子２０ａ〜２０ｆを備えることにより、実施例１の効果に加えて、低周波でかつ広帯域な周波数特性を得ることができる。

以上、この発明の実施例を図面により詳述してきたが、具体的な構成はこの実施例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、板状振動子あるいは箱状複合振動子の数は一例として６個を用いる例で説明したが、３個以上であれば任意の数（ｎ個）を選ぶことができる。また、絶縁シースの形成方法はモールド法に限らずに、予め整形されたゴム等の水密製を有する弾性材のケースを用いることもできる。また、この発明の屈曲型送受波器は、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の分野に広く活用することができる。

この発明の実施例１である屈曲型送受波器の概略構成を示す一部に切り欠き構成を含む斜視図である。図１のＡ―Ａ矢視断面図である。図１のＢ―Ｂ矢視断面図である。同屈曲型送受波器に用いられる板状振動子の概略構成を示す斜視図である。同屈曲型送受波器に用いられる上部蓋の概略構成を示す透視図である。同屈曲型送受波器に用いられる下部蓋の概略構成を示す斜視図である。同屈曲型送受波器の構成を示し、（ａ）は主要部の概略構成を示す斜視図、（ｂ）は振動形態を示す概略図である。同屈曲型送受波器によって得られた規格化感度（縦軸）と規格化周波数（横軸）との関係を示す周波数特性図である。この発明の実施例２である屈曲型送受波器の概略構成を示す一部に切り欠き構成を含む斜視図である。図９のＣ―Ｃ矢視断面図である。図９のＤ―Ｄ矢視断面図である。同屈曲型送受波器に用いられる箱状複合振動子の概略構成を示す斜視図である。図１２のＥ―Ｅ矢視断面図である。同屈曲型送受波器によって得られた規格化感度（縦軸）と規格化周波数（横軸）との関係を示す周波数特性図である。従来の屈曲型送受波器の構成を示し、（ａ）は主要部の概略構成を示す斜視図、（ｂ）は振動形態を示す概略図である。

符号の説明

１ａ〜１ｆ板状振動子
２ａ、２ｂ、２５緩衝材
３上部蓋
３ａ上部蓋突起部
３ｂ、４ｂボルト孔
４下部蓋
４ａ下部蓋突起部
５段付ボルト
６ａ、６ｂナット
７信号線取出し孔
８信号線
９絶縁シース
１０中心軸
１１ａ、２１ａ圧電素子
１２ａ振動基板
１５，１６屈曲型送受波器
２０ａ〜２０ｆ箱状複合振動子
２２ａ、２２ｂ、２３振動板
２３ａ、２３ｂ振動板の上下の端部
２４端部固定材

Claims

電気信号の印加による伸縮に伴って振動する駆動用振動子と、該駆動用振動子により駆動されて屈曲振動を発生して音波を放射する音波放射用振動子とを組み合せた板状振動子を備える屈曲型送受波器であって、
ｎ個の前記板状振動子は、すべての上部端及び下部端がそれぞれ上部蓋及び下部蓋により緩衝材を介して挟持されてｎ角形状柱体を形成するように一体化されていることを特徴とする屈曲型送受波器。
前記ｎ個の板状振動子により形成される前記ｎ角形状柱体は、前記上部蓋及び前記下部蓋とともに前記ｎ角形状柱体の内部を貫通するように挿入された段付ボルト及び該段付ボルトの両端部にねじ込まれたナットにより挟持されていることを特徴とする請求項１記載の屈曲型送受波器。
前記板状振動子は、板状の前記駆動用振動子が板状の前記音波放射用振動子に埋め込まれるように固定された構成になっていることを特徴とする請求項１又は２記載の屈曲型送受波器。
前記板状振動子は、板状の前記駆動用振動子の一方の面が第１の板状の前記音波放射用振動子に固定されるとともに、前記駆動用振動子の他方の面が第２の板状の前記音波放射用振動子に空間を介して対向するように固定されて箱状の構成になっていることを特徴とする請求項１又は２記載の屈曲型送受波器。
前記ｎ角形状柱体の周囲が絶縁シースにより覆われていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１つに記載の屈曲型送受波器。
前記板状振動子に接続された電気信号線を前記ｎ角形状柱体の外部に取り出すための信号線取出し孔が、前記上部蓋に設けられていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１つに記載の屈曲型送受波器。