(57)【要約】      （修正有）【課題】ハイパワーで長時間駆動しても円筒形圧電振動子の発熱を抑制可能であり、コンパクトかつ低コストに製造が可能な音響トランスデューサを提供する。【解決手段】液体の中で音波を放射する音響トランスデューサ１０は、複数の圧電素子セグメント２１および金属からなる複数の楔部材２２を円周方向に沿って互いに密着させて、外形形状が円筒形になるように配列した円筒形圧電振動子１１と、円筒形圧電振動子１１の外表面を覆う樹脂層１２と、楔部材２２及び樹脂層１２を貫通し、前記液体が流通する貫通穴１３と、を有する。【選択図】図１
2020162023.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体の中で音波を放射する音響トランスデューサであって、
複数の圧電素子セグメントおよび金属からなる複数の楔部材を円周方向に沿って互いに密着させて、外形形状が円筒形になるように配列した円筒形圧電振動子と、
前記円筒形圧電振動子の外表面を覆う樹脂層と、
前記楔部材及び前記樹脂層を貫通し、前記液体が流通する貫通穴と、を有することを特徴とする音響トランスデューサ。
【請求項２】
前記圧電素子セグメントは、複数の圧電素子を密着したものからなることを特徴とする請求項１に記載の音響トランスデューサ。
【請求項３】
前記貫通穴の内側面のうち、少なくとも前記楔部材と前記樹脂層との境界部分に樹脂被覆部を更に形成したことを特徴とする請求項１または２に記載の音響トランスデューサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、音響トランスデューサに関する。
【背景技術】
【０００２】
水中に音波を放射する円筒形の音響トランスデューサが知られている。音響トランスデューサを高出力化させる場合、大きな振動振幅を発生させるための大型の円筒形圧電振動子が必要になる。しかし、大型の円筒形圧電振動子は、全体を一体に成形することは困難である。そのため、円筒形圧電振動子をいくつかの圧電素子セグメントに分割し、各セグメントの間に締付および角度調整用の金属製の楔部材を挿入した分割成形タイプの音響トランスデューサも知られている。
【０００３】
このような分割成形タイプの音響トランスデューサは、大きな振動振幅を得るためにハイパワーで駆動すると、圧電素子セグメントを構成する個々の圧電素子どうしの境界面や、圧電素子と楔部材との境界面で、振動摩擦による発熱が大きくなる。こうした発熱によって圧電素子や楔部材高温になり、圧電素子の特性変化や消極現象が発生する懸念がある。また、圧電素子や楔部材の固定に用いる接着剤の熱劣化を引き起こす可能性もある。このため、分割成形タイプの音響トランスデューサをハイパワーで長時間駆動する場合には、十分な放熱性能を持たせる必要がある。
【０００４】
一方で、音響トランスデューサを水中で使用する場合、圧電素子セグメントへの液体の侵入を防ぐ必要がある。音響透過性の良い樹脂で円筒形圧電振動子の全体をモールドして防水を施す場合、一般的に樹脂は熱伝導率が低いために放熱が円滑に行われず、ハイパワーでの長時間駆動は困難である。
【０００５】
例えば、特許文献１には、圧電素子の間に冷却部材を通すことにより冷却ガスをトランスジューサに流過させる構造の高出力超音波トランスジューサが開示されている。
また、例えば特許文献２には、超音波トランスデューサの本体内で、冷却液体を内部領域から外部領域にかけて流動するように構成した超音波トランスデューサ冷却装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特表２００２−５１５７１７号公報
【特許文献２】特許第４７３９７５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に開示された高出力超音波トランスジューサは、不燃性の冷却ガスを循環させる機構が必要であり、構造が複雑で製造コスト、およびメンテナンスコストが高く、かつ大面積の設置スペースが必要になるという課題があった。
また、特許文献２に記載された超音波トランスデューサは、冷却液体供給装置など、外部から冷却液体を供給するための設備が必要であり、構造が複雑で製造コスト、およびメンテナンスコストが高いという課題があった。
【０００８】
そこでこの発明は、上述の課題を解決する音響トランスデューサを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
第１の態様の音響トランスデューサは、液体の中で音波を放射する音響トランスデューサであって、複数の圧電素子セグメントおよび金属からなる複数の楔部材を円周方向に沿って互いに密着させて、外形形状が円筒形になるように配列した円筒形圧電振動子と、前記円筒形圧電振動子の外表面を覆う樹脂層と、前記楔部材及び前記樹脂層を貫通し、前記液体が流通する貫通穴と、を有する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、ハイパワーで長時間駆動しても円筒形圧電振動子の発熱を抑制可能であり、コンパクトかつ低コストに製造が可能な音響トランスデューサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、第一実施形態の音響トランスデューサを示す外観斜視図である。
【図２】図２は、楔部材およびその周辺領域を示す要部拡大平面図である。
【図３】最小構成の実施形態おける音響トランスデューサを示す外観斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、各実施形態について、図面を用いて説明する。すべての図面において同一または相当する構成には同一の符号を付し、共通する説明は省略する。
【００１３】
＜第一実施形態＞
音響トランスデューサの第一実施形態について、図１を参照して説明する。
図１は、第一実施形態の音響トランスデューサを示す外観斜視図である。また、図２は、楔部材およびその周辺領域を示す要部拡大平面図である。
音響トランスデューサ１０は、液体の中、例えば水中に配置され、水中で音波を放射する。
音響トランスデューサ１０は、円筒形圧電振動子１１と、樹脂層１２と、貫通穴１３とを有する。
【００１４】
円筒形圧電振動子１１は、外形形状が円筒形を成す。円筒形圧電振動子１１は、複数の圧電素子セグメント２１と、金属からなる複数の楔部材２２とを有する。円筒形圧電振動子１１は、圧電素子セグメント２１と楔部材２２とを円周方向に沿って互いに密着させて円筒形に成形している。本実施形態の円筒形圧電振動子１１は、４つの圧電素子セグメント２１と４つの楔部材２２とを交互に配列している。
【００１５】
圧電素子セグメント２１は、複数の圧電素子２１ａを互いに密着したものからなる。本実施形態の圧電素子セグメント２１は、４つの圧電素子２１ａを円周方向に沿って密着したものから構成されている。
圧電素子２１ａは、例えば、ジルコニウム酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸鉛（ＰＴ）、チタン酸ビスマスなどの一般的な圧電材料を用いることができる。
【００１６】
楔部材２２は、金属、例えば、鉄、アルミニウム、銅、ニッケル、亜鉛などの各種金属や金属合金などから形成されればよい。特に、楔部材２２は、熱伝導性の良い金属を用いることが好ましい。
【００１７】
こうした楔部材２２には、後述する貫通穴１３を形成する。なお、本実施形態では、楔部材２２は、円筒形圧電振動子１１の中心軸Ｃに対して平行な方向である縦幅が、圧電素子２１ａの縦幅よりも大きくなるように形成している。
【００１８】
樹脂層１２は、円筒形圧電振動子１１の外表面を覆うように形成されている。なお、本実施形態では、樹脂層１２は、貫通穴１３の内側面１３ａには形成しない。
樹脂層１２は、液体が透過したり浸透したりすることのない樹脂材料から構成する。本実施形態では、樹脂層１２は、防水性を有する樹脂材料、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、シリコンゴムなどによって構成する。
【００１９】
貫通穴１３は、楔部材２２及び樹脂層１２を貫通するように形成した穴である。貫通穴１３は、音響トランスデューサ１０を配置する液体、例えば水が楔部材２２の内部を流通することを可能にする。
本実施形態では、貫通穴１３は断面矩形に形成する。なお、貫通穴１３の断面形状は、矩形以外にも、例えば、円形、楕円形、多角形など、任意の形状にすることができる。また、１つの楔部材２２に対して複数の貫通穴１３を形成することもできる。
【００２０】
本実施形態では、貫通穴１３は、円筒形圧電振動子１１の中心軸Ｃに対して平行な方向に沿って延びるように形成する。なお、貫通穴１３は、円筒形圧電振動子１１の中心軸Ｃに対して直角に交わる方向に沿って延びるように形成することもできる。
【００２１】
本実施形態では、円筒形圧電振動子１１の外表面を覆うように樹脂層１２を形成した後に、楔部材２２及び樹脂層１２を貫通するように貫通穴１３を形成している。このため、貫通穴１３の内側面１３ａには樹脂層１２が形成されず、貫通穴１３を流通する水と楔部材２２とが直接接して効率よく熱交換を行うことができる。
【００２２】
貫通穴１３の内側面１３ａのうち、少なくとも楔部材２２と樹脂層１２との境界部分には、更に樹脂被覆部１５を形成することが好ましい。
本実施形態では、樹脂被覆部１５は、貫通穴１３の内側面１３ａの２か所で、リング状を成す楔部材２２と樹脂層１２との境界部分を覆うように、防水性の樹脂を線状にポッティングしたものから構成される。
【００２３】
以上のような構成の本実施形態の音響トランスデューサ１０は、例えば水中に配置した後、圧電素子セグメント２１に向けて音声等の電気信号を印加すれば、圧電素子セグメント２１を構成する圧電素子２１ａの圧電変換によって圧電素子セグメント２１が振動し、電気信号に対応する音波を水中に放射する。
【００２４】
本実施形態の音響トランスデューサ１０では、圧電素子２１ａの振動によって生じた熱は、圧電素子セグメント２１に密着して形成された金属製の楔部材２２に向けて伝搬する。楔部材２２に貫通穴１３を形成することにより、この貫通穴１３には水が自在に流通することができる。これにより、楔部材２２に伝搬した熱は、貫通穴１３を流通する水に速やかに吸収される。
【００２５】
このように、楔部材２２の内部を貫通する貫通穴１３を形成して水を流通させることにより、圧電素子セグメント２１の振動によって発生した熱は貫通穴１３で楔部材２２と直接接する水によって速やかに効率よく吸収（熱交換）されるので、ハイパワーで長時間動作させても熱による特性変化や構成部品の熱劣化が生じることのない音響トランスデューサ１０を実現できる。
【００２６】
また、本実施形態の音響トランスデューサ１０では、楔部材２２の内部を貫通する貫通穴１３に音響トランスデューサ１０が設置される水中の水を自然に流通させるだけであり、冷媒を循環させる複雑な設備などが全く不要である。よって、ハイパワーで長時間動作が可能でありながら、簡易な構成で、メンテナンスも容易で、かつ低コストに製造が可能な音響トランスデューサ１０を実現できる。
【００２７】
＜音響トランスデューサの最小構成の実施形態＞
音響トランスデューサの最小構成の実施形態について、図３を参照して説明する。
音響トランスデューサ３０は、円筒形圧電振動子３１と、樹脂層３２と、貫通穴３３とを有する。
【００２８】
円筒形圧電振動子３１は、複数の圧電素子セグメント４１と、金属からなる複数の楔部材４２とを有する。円筒形圧電振動子３１は、圧電素子セグメント４１と楔部材４２とを円周方向に沿って互いに密着させて円筒形に成形している。本実施形態の円筒形圧電振動子３１は、２つの圧電素子セグメント４１と２つの楔部材４２とを交互に配列している。
【００２９】
圧電素子セグメント４１は、それぞれが１つの圧電素子である。
楔部材４２は、２つの圧電素子セグメント４１どうしの端部にそれぞれ配され、圧電素子セグメント４１と密着している。
樹脂層３２は、円筒形圧電振動子３１の外表面を覆うように形成されている。
【００３０】
貫通穴３３は、楔部材４２及び樹脂層３２を貫通するように形成した穴であり、音響トランスデューサ３０を配置する液体、例えば水が楔部材４２の内部を流通することを可能にする。
本実施形態の音響トランスデューサ３０においても、圧電素子セグメント（圧電素子）４１の振動によって生じた熱は、圧電素子セグメント４１に密着して形成された金属製の楔部材４２に向けて伝搬する。楔部材４２に貫通穴３３を形成することにより、この貫通穴３３には水が自在に流通することができる。これにより、楔部材４２に伝搬した熱は、貫通穴３３を流通する水に速やかに吸収（熱交換）され、ハイパワーで長時間動作させても熱による特性変化や構成部品の熱劣化が生じることのない音響トランスデューサ３０を実現できる。
【００３１】
以上、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものとする。
【符号の説明】
【００３２】
１０  音響トランスデューサ
１１  円筒形圧電振動子
１２  樹脂層
１３  貫通穴
２１  圧電素子セグメント
２１ａ  圧電素子
２２  楔部材
【図１】
2020162023.tif 000003
【図２】
2020162023.tif 000004
【図３】
2020162023.tif 000005