(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに交互に積層されることによって振動体を形成する、Ｎ（Ｎは１以上の整数）個の圧電振動子および（Ｎ＋１）個の電極と、
前記振動体の積層方向の一端側に配置されるフロントマスと、
前記振動体の積層方向の他端側に配置されるリアマスと、
前記フロントマスおよび前記リアマスと共に前記振動体を挟持するボルトと、
を備え、
前記Ｎ個の圧電振動子はそれぞれ、中央領域に第１挿通孔が形成されると共に該第１挿通孔の外周に沿って圧電材料および絶縁材料が交互に配置され、前記電極間で前記外周方向に回転可能に配置され、
前記（Ｎ＋１）個の電極はそれぞれ、中央領域に第２挿通孔が形成されると共に該第２挿通孔の外周に沿って導電部材および絶縁部材が交互に配置され、
前記ボルトは前記第１挿通孔および前記第２挿通孔に挿通される、
ことを特徴とするランジュバン型振動子。
【請求項２】
前記（Ｎ＋１）個の電極は積層方向にそれぞれ、＋電極または−電極として交互に機能する、請求項１に記載のランジュバン型振動子。
【請求項３】
前記圧電振動子は、外形が円形に形成されると共に、同形のそれぞれ２つの圧電材料および絶縁材料によって形成され、
前記電極は、外形が円形に形成されると共に、同形のそれぞれ２つの導電部材および絶縁部材によって形成され、
前記圧電振動子は９０度単位に回転する、
請求項１または２に記載のランジュバン型振動子。
【請求項４】
前記圧電振動子は、外形が六角形に形成されると共に、同形のそれぞれ３つの圧電材料および絶縁材料によって形成され、
前記電極は、外形が六角形に形成されると共に、同形のそれぞれ３つの導電部材および絶縁部材によって形成され、
前記圧電振動子は６０度単位に回転する、
請求項１または２に記載のランジュバン型振動子。
【請求項５】
前記フロントマスは、前記振動体が配置されている側と反対側に音響整合層を備える、請求項１乃至４のいずれか１項に記載のランジュバン型振動子。
【請求項６】
送信信号を出力する制御手段と、
前記送信信号に応じた一次電圧を印加する増幅手段と、
一次巻線に前記一次電圧が印加されることによって二次電圧を生成するトランスと、
前記二次電圧が印加される請求項１乃至５のいずれか１項に記載のランジュバン型振動子と、
を備えるアクティブソーナー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ランジュバン型振動子および該ランジュバン型振動子を備えたアクティブソーナーに関し、特に、水中に所定の周波数の超音波を放出するランジュバン型振動子および該ランジュバン型振動子を備えたアクティブソーナーに関する。
【背景技術】
【０００２】
水中に超音波を放射するアクティブソーナーの送受波器として、ボルト締めランジュバン型振動子を用いて振動を発生させるランジュバン型送受波器が知られている。ボルト締めランジュバン型振動子を用いた送受波器は、例えば、特許文献１に開示されている。
【０００３】
一般的なボルト締めランジュバン型振動子の正面図を図１２に示す。図１２のボルト締めランジュバン型振動子９００は、圧電振動子９１０と電極９２０とを厚さ方向に積層することによって形成された筒状のアクティブ振動体を、フロントマス９３０とリアマス９４０との間に配置し、該筒状のアクティブ振動体をボルト９５０によって締め付けることによって形成される。
【０００４】
このように形成されたボルト締めランジュバン型振動子９００は、アクティブ振動体に圧縮方向の荷重をかけた状態で圧電振動子９１０へ電圧を印加することにより、圧電振動子９１０が振動し、フロントマス９３０から所定周波数の超音波が放射される。ボルト締めランジュバン型振動子９００の水中における性能を表す送波電圧感度の一例を、図１３に実線で示す。なお、参考に、図１２のボルト締めランジュバン型振動子９００において、圧電振動子９１０とは異なる材料で作製された圧電振動子９１０’を適用した場合の送波電圧感度の一例を、図１３に点線で示す。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−１５０８７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ボルト締めランジュバン型振動子９００は、図１３に示すように、構成品の材質や形状等を変更することによって、周波数特性（送波電圧感度）が変化する。言いかえると、ボルト締めランジュバン型振動子９００は、一度製作してしまうと、その後にボルト締めランジュバン型振動子９００の周波数特性（送波電圧感度）を調整することは困難である。
【０００７】
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、ランジュバン型振動子全体の寸法・形状・材質およびランジュバン型振動子を構成する各構成部品の寸法・形状・材質を変更することなく、ランジュバン型振動子から放射される超音波の音圧の周波数特性を調整できるランジュバン型振動子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために本発明に係るランジュバン型振動子は、互いに交互に積層されることによって振動体を形成する、Ｎ（Ｎは１以上の整数）個の圧電振動子および（Ｎ＋１）個の電極と、前記振動体の積層方向の一端側に配置されるフロントマスと、前記振動体の積層方向の他端側に配置されるリアマスと、前記フロントマスおよび前記リアマスと共に前記振動体を挟持するボルトと、を備え、前記Ｎ個の圧電振動子はそれぞれ、中央領域に第１挿通孔が形成されると共に該第１挿通孔の外周に沿って圧電材料および絶縁材料が交互に配置され、前記電極間で前記外周方向に回転可能に配置され、前記（Ｎ＋１）個の電極はそれぞれ、中央領域に第２挿通孔が形成されると共に該第２挿通孔の外周に沿って導電部材および絶縁部材が交互に配置され、前記ボルトは前記第１挿通孔および前記第２挿通孔に挿通される、ことを特徴とする。
【０００９】
上記目的を達成するために本発明に係るアクティブソーナーは、送信信号を出力する制御手段と、前記送信信号に応じた一次電圧を印加する増幅手段と、一次巻線に前記一次電圧が印加されることによって二次電圧を生成するトランスと、前記二次電圧が印加される上記のランジュバン型振動子と、を備える。
【発明の効果】
【００１０】
上述した本発明の態様によれば、ランジュバン型振動子全体の寸法・形状・材質およびランジュバン型振動子を構成する各構成部品の寸法・形状・材質を変更することなく、ランジュバン型振動子から放射される超音波の音圧の周波数特性を調整できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１の実施形態に係るランジュバン型振動子１０の正面図である。
【図２】第１の実施形態に係る（ａ）圧電振動子２ｋ、（ｂ）電極３ｋ、の上面図である。
【図３】第１の実施形態において、圧電振動子２ｋと電極３ｋとの積層状態の一例を示す上面透視図である。
【図４】第１の実施形態に係るアクティブソーナー８０のブロック構成図である。
【図５】第２の実施形態に係るランジュバン型振動子１００の正面図である。
【図６】第２の実施形態に係る（ａ）圧電振動子２ｎ０、（ｂ）電極３ｍ０、の上面図である。
【図７】第２の実施形態に係るランジュバン型振動子１００の正面図である。
【図８】第２の実施形態に係るランジュバン型振動子１００の正面図である。
【図９】第２の実施形態に係るランジュバン型振動子１００の送波電圧感度の一例である。
【図１０】第３の実施形態に係るランジュバン型振動子１００Ｂの正面図である。
【図１１】第３の実施形態に係る（ａ）圧電振動子２ｎ０Ｂ、（ｂ）電極３ｍ０Ｂ、の上面図である。
【図１２】一般的なボルト締めランジュバン型振動子９００の正面図である。
【図１３】一般的なボルト締めランジュバン型振動子９００の送波電圧感度の一例である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
＜第１の実施形態＞
本発明の第１の実施形態について説明する。本実施形態に係るランジュバン型振動子の正面図を図１に示す。図１において、ランジュバン型振動子１０は、Ｎ（Ｎは１以上の整数）個の圧電振動子２１、２２、…、２Ｎ、Ｎ＋１個の電極３１、３２、…、３（Ｎ＋１）、フロントマス４０、リアマス５０およびボルト６０を備える。
【００１３】
Ｎ個の圧電振動子２１、２２、…、２ＮおよびＮ＋１個の電極３１、３２、…、３（Ｎ＋１）は交互に積層されることによって、振動体７０を形成する。Ｎ個の圧電振動子２１、２２、…、２ＮおよびＮ＋１個の電極３１、３２、…、３（Ｎ＋１）については後述する。
【００１４】
フロントマス４０は、例えば、アルミニウムやステンレス鋼等の金属材料によって形成されたブロック部材であり、振動体７０の積層方向の一端側に配置される。
【００１５】
リアマス５０は、例えば、アルミニウムやステンレス鋼等の金属材料によって形成されたブロック部材であり、振動体７０の積層方向の他端側に配置される。
【００１６】
ボルト６０は、例えば、クロムモリブデン鋼等の高張力合金によって形成され、フロントマス４０およびリアマス５０と共に、振動体７０を挟持する。
【００１７】
上記のように構成されたランジュバン型振動子１０は、振動体７０に圧縮方向の荷重をかけた状態で交流電圧が印加されることによって、圧電振動子２１、２２、…、２Ｎにおいて電気機械変換が行われ、圧電振動子２１、２２、…、２Ｎが伸縮動作を行う。そして、圧電振動子２１、２２、…、２Ｎが伸縮動作を行うことにより、フロントマス４０を介して水中等に所定周波数の超音波が放射される。
【００１８】
次に、本実施形態に係る圧電振動子２１、２２、…、２Ｎおよび電極３１、３２、…、３（Ｎ＋１）について、詳細に説明する。
【００１９】
圧電振動子２ｋ（ｋ＝１…Ｎ）の上面図を図２（ａ）に示す。図２（ａ）において、圧電振動子２ｋは、中央領域にボルト６０を挿通されるための第１挿通孔２ｋｃが形成されている。そして、圧電振動子２ｋは、該第１挿通孔２ｋｃの外周に沿って圧電材料２ｋａおよび絶縁材料２ｋｂが交互に配置されることによって形成される。さらに、本実施形態に係る圧電振動子２ｋは、電極３ｋと電極３（ｋ＋１）との間で、周方向に回転可能に配置されている。ここで、圧電振動子２ｋおよび第１挿通孔２ｋｃの外形は、円形に限定されない。
【００２０】
電極３ｋ（ｋ＝１…Ｎ＋１）の上面図を図２（ｂ）に示す。図２（ｂ）において、電極３ｋは、中央領域にボルト６０を挿通されるための第２挿通孔３ｋｃが形成されている。そして、電極３ｋは、該第２挿通孔３ｋｃの外周に沿って導電部材３ｋａおよび絶縁部材３ｋｂが交互に配置されることによって形成される。さらに、本実施形態において、Ｎ＋１個の電極３１、３２、…、３（Ｎ＋１）は、外部から所定の電圧が印加されることによって積層方向にそれぞれ、＋電極または−電極として交互に機能する。
【００２１】
なお、圧電振動子２ｋの圧電材料２ｋａ（および絶縁材料２ｋｂ）と、電極３ｋの導電部材３ｋａ（および絶縁部材３ｋｂ）とは、同数であることが望ましいが、必ずしも同数にする必要はない。
【００２２】
圧電振動子２ｋを同形のそれぞれ２つの圧電材料２ｋａおよび絶縁材料２ｋｂによって形成し、電極３ｋを同形のそれぞれ２つの導電部材３ｋａおよび絶縁部材３ｋｂによって形成した場合の、圧電振動子２ｋと電極３ｋとの積層状態を示す上面透視図を図３（ａ）、図３（ｂ）、図３（ｃ）に示す。
【００２３】
図３（ａ）においては、圧電振動子２ｋの圧電材料２ｋａと、電極３ｋ（および電極３ｋ＋１）の導電部材３ｋａ（および導電部材３（ｋ＋１）ａ）と、が最大面積で電気的に接続される。この場合、導電部材３ｋａおよび導電部材３（ｋ＋１）ａから電圧が印加されることにより、圧電材料２ｋａにおいて電気機械変換が行われ、大振幅の伸縮動作が発生する。
【００２４】
一方、図３（ｂ）においては、圧電振動子２ｋの圧電材料２ｋａは、電極３ｋ（および電極３ｋ＋）の導電部材３ｋａ（および導電部材３（ｋ＋１）ａ）と電気的に接続されない。この場合、導電部材３ｋａおよび導電部材３（ｋ＋１）ａから電圧が印加されても、圧電材料２ｋａにおいて伸縮動作は発生しない。
【００２５】
さらに、図３（ｃ）においては、圧電振動子２ｋの圧電材料２ｋａと、電極３ｋ（および電極３ｋ＋１）の導電部材３ｋａ（および導電部材３（ｋ＋１）ａ）と、は互いの一部が電気的に接続される。この場合、導電部材３ｋａおよび導電部材３（ｋ＋１）ａから電圧が印加されることにより、圧電材料２ｋａにおいて電気機械変換が行われ、導電部材３ｋａおよび導電部材３（ｋ＋１）ａとの接触面積（図３（ｃ）における２ｋａ＋３ｋｂの面積）に応じた伸縮動作が発生する。
【００２６】
ここで、ランジュバン型振動子１０においては、圧電材料２ｋａにおける伸縮動作のエネルギーがフロントマス４０に伝達されることによって、フロントマス４０から伸縮動作のエネルギーに応じた所定周波数の超音波が放射される。従って、上述のように、圧電振動子２ｋを電極３ｋと電極３（ｋ＋１）との間で周方向に回転させることによって圧電材料２ｋａと、導電部材３ｋａおよび導電部材３（ｋ＋１）ａと、の接触面積を変化させることにより、圧電材料２ｋａの伸縮動作のエネルギーを変化させることができる。すなわち、圧電振動子２ｋを電極３ｋと電極３（ｋ＋１）との間で周方向に所望の角度回転させることによって、フロントマス４０から放射される超音波の音圧の周波数特性を調整することができる。
【００２７】
以上のように、本実施形態に係るランジュバン型振動子１０は、圧電材料２ｋａと絶縁材料２ｋｂとを周方向に交互に設置することによって圧電振動子２ｋを形成し、導電部材３ｋａと絶縁部材３ｋｂとを周方向に交互に設置することによって電極３ｋを形成すると共に、圧電振動子２ｋを電極３ｋと電極３（ｋ＋１）との間で周方向に回転可能に配置した。このように形成されたランジュバン型振動子１０は、圧電振動子２ｋが所望の角度だけ周方向に回転されることによって、圧電振動子２ｋの圧電材料２ｋａと電極３ｋ、３（ｋ＋１）の導電部材３ｋａ、３（ｋ＋１）ａとの接触面積が変化し、圧電材料２ｋａにおける伸縮動作のエネルギーが変化する。つまり、変化後の伸縮動作のエネルギーに応じた超音波が、ランジュバン型振動子１０のフロントマス４０から放射される。
【００２８】
従って、本実施形態に係るランジュバン型振動子１０は、ランジュバン型振動子１０全体の寸法・形状・材質およびランジュバン型振動子１０を構成する各構成部品の寸法・形状・材質を変更することなく、ランジュバン型振動子１０から放射される超音波の音圧の周波数特性を調整できる。
【００２９】
ここで、上述したランジュバン型振動子１０は、例えば、水中用送受波器、超音波モーター、圧電アクチュエータ、アクティブソーナー等に適用することができる。上述のランジュバン型振動子１０を適用したアクティブソーナーのブロック構成図を図４に示す。図４において、アクティブソーナー８０は、制御手段８１、増幅手段８２、トランス８３および図１のランジュバン型振動子１０を備える。なお、図４における矢印の向きは、一例を示すものであり、ブロック間の信号の向きを限定するものではない。
【００３０】
増幅手段８２は、制御手段８１から入力された送信信号を増幅し、トランス８３の一次巻線に一次電圧として印加する。トランス８３の一次巻線に一次電圧が印加されることによって、トランス８３の二次巻線に二次電圧が発生し、該発生した二次電圧によってランジュバン型振動子１０の圧電振動子２１、２２、…、２Ｎが駆動される。すなわち、圧電振動子２ｋにおいて、圧電振動子２ｋと導電部材３ｋａ、３（ｋ＋１）ａとの接触面積に応じた振幅の伸縮動作が発生し、該伸縮動作のエネルギーに応じた超音波がフロントマス４０を介してアクティブソーナー８０から放射される。
【００３１】
＜第２の実施形態＞
第２の実施形態について説明する。本実施形態に係るランジュバン型振動子の正面図を図５に示す。図５のランジュバン型振動子１００は、４つの圧電振動子２１０−２４０、５つの電極３１０−３５０、フロントマス４００、リアマス５００およびボルト６００によって構成される。
【００３２】
圧電振動子２１０−２４０はそれぞれ、同様の形状に形成され、電極３１０−３５０と共に厚さ方向に積層された状態で、フロントマス４００、リアマス５００およびボルト６００によって挟持される。圧電振動子２１０−２４０はそれぞれ、厚さ方向に分極されており、外部から電圧が印加されることによって厚さ方向に伸縮する。また、本実施形態に係る圧電振動子２１０−２４０は、電極３１０−３５０間において周方向にそれぞれ回転可能に配置される。圧電振動子２ｎ０（ｎ＝１〜４）の上面図を図６（ａ）に示す。
【００３３】
図６（ａ）において、圧電振動子２ｎ０は、断面円形に形成され、中央部分にボルト６００を挿通させるための貫通穴２ｎ１が形成されている。そして、圧電振動子２ｎ０は、チタン酸ジルコン酸鉛やチタン酸バリウムなどの圧電セラミックス材料２ｎ２と、絶縁材料２ｎ３とが、周方向に交互に設置されることによって形成される。例えば、圧電振動子２ｎ０は、圧電セラミックス材料２ｎ２と、内部に絶縁材料２ｎ３が充填された部材と、をリング状に交互に配置することによって形成することができる。
【００３４】
電極３１０−３５０は、圧電振動子２１０−２４０と交互に積層され、積層された状態で、電極３１０の前面がフロントマス４００の後面に密着されると共に、電極３５０の後面がリアマス５００の前面に密着される。電極３ｍ０（ｍ＝１〜５）の上面図を図６（ｂ）に示す。
【００３５】
図６（ｂ）において、電極３ｍ０は、中央部分にボルト６００を挿通させるための貫通穴３ｍ１が形成され、周方向に導電性部材３ｍ２と絶縁部材３ｍ３とが交互に配置される。例えば、電極３１０の導電性部材３１２と圧電振動子２１０の圧電セラミックス材料２１２とが電気的に接続されることにより、圧電振動子２１０に電圧が印加される。ここで、上述のように、本実施形態において、圧電振動子２１０−２４０は、電極間において周方向に回転可能に配置されている。従って、例えば、圧電振動子２１０を、導電性部材３１２と圧電セラミックス材料２１２とがぴったり重なる位置から周方向に回転することにより、導電性部材３１２と圧電セラミックス材料２１２との接続面積が減少する。導電性部材３１２と圧電セラミックス材料２１２との接触面積が変化することにより、ランジュバン型振動子１００の送波電圧感度の周波数特性が変化する。圧電振動子２１０−２４０を回転させることによってランジュバン型振動子１００の送波電圧感度の周波数特性を制御することについては後述する。
【００３６】
また、図６（ｂ）において、電極３ｍ０の外周の一部には、図示しない短絡用電極と接続される突出部３ｍ４が形成されている。具体的には、電極３１０、３３０、３５０の突出部３１４、３３４、３５４は、図示しない第１取出電極と接続される。一方、電極３２０、３４０の突出部３２４、３４４は、図示しない第２取出電極と接続される。そして、第１取出電極および第２取出電極によって電極３１０−３５０に＋電圧と−電圧とが交互に印加されることにより、導電性部材３１２−３５２を介して圧電セラミックス材料２１２−２４２に＋電圧と−電圧とが交互に印加され、隣接する圧電振動子２１０−２４０の極性が互いに反転される。
【００３７】
フロントマス４００およびリアマス５００は、例えば、アルミニウムやステンレス鋼等の金属材料によって形成されたブロック部材である。本実施形態に係るリアマス５００は、圧電振動子２１０−２４０と略等しい径の断面円形に形成される。フロントマス４００およびリアマス５００の中央領域には、ボルト６００の雄ねじに対応する雌ねじ（図示略）が形成される。
【００３８】
ボルト６００は、例えば、クロムモリブデン鋼等の高張力合金によって形成され、圧電振動子２１０−２４０に圧縮応力を印加する機能を有する。すなわち、フロントマス４００およびリアマス５００の雌ねじとボルト６００の雄ねじとを嵌合させることによって、ボルト６００は、フロントマス４００およびリアマス５００と共に、圧電振動子２１０−２４０および電極３１０−３５０を交互に積層したものを挟持する。
【００３９】
フロントマス４００、リアマス５００およびボルト６００によって圧電振動子２１０−２４０に圧縮応力を印加することにより、圧電振動子２１０−２４０に大きな電圧を印加した場合であっても、圧電振動子２１０−２４０の伸縮動作により圧電振動子２１０−２４０自身が破壊することを抑制できる。すなわち、上記のように構成されたランジュバン型振動子１００は、圧電振動子２１０−２４０に大きな電圧が印加されることにより、圧電振動子２１０−２４０において該電圧が軸方向の伸縮動作に変換され、伸縮動作に応じたエネルギーをフロントマス４００を介して水中に伝達することで、水中に大振幅でより遠方まで届く所定周波数の音響信号を放射することができる。
【００４０】
次に、圧電振動子２１０−２４０を周方向に回転させることによって、ランジュバン型振動子１００の送波電圧感度の周波数特性を制御する方法について説明する。ランジュバン型振動子１００の送波電圧感度の周波数特性を変更する場合、例えば、図７に示すように、圧電振動子２２０を電極３２０、３３０間で周方向に回転させる。これにより、圧電振動子２２０の圧電セラミックス材料２２２と電極３２０、３３０の導電性部材３２２、３３２との接触面積が減少し、ランジュバン型振動子１００の送波電圧感度の周波数特性が変化する。
【００４１】
詳細には、圧電振動子２２０を周方向に９０度回転させた場合、圧電振動子２１０、２３０、２４０には、電極３１０−３５０の導電性部材３１２−３５２から圧電セラミックス材料２１２、２３２、２４２へ＋電圧と−電圧とが印加される。これにより、圧電振動子２１０、２３０、２４０において電気機械変換が行われ、圧電振動子２１０、２３０、２４０は、大振幅の伸縮動作を行う。一方、圧電振動子２２０は、電極３２０、３３０の導電性部材３２２−３３２と、圧電セラミックス材料２２２は電気的に接続されないことから、電圧が印加されない。そして、圧電振動子２２０は、圧電振動子２１０、２３０、２４０の伸縮動作に同期した伸縮動作のみを行う。
【００４２】
この場合、圧電振動子２１０、２３０、２４０の圧電セラミックス材料２１２、２３２、２４２における伸縮によるエネルギー（＜圧電セラミックス材料２１２−２４２の伸縮によるエネルギー）が、フロントマス４００を介して水中に伝達され、水中へエネルギーに応じた周波数特性の超音波が放射される。すなわち、圧電振動子２２０を周方向に９０度回転させることにより、ランジュバン型振動子の振動変位の周波数特性が変わり、水中に伝達されるエネルギーが小さくなり、水中に放射される超音波の送波電圧感度の周波数特性が変化する。
【００４３】
さらに、圧電振動子２２０に加えて圧電振動子２３０を、電極３３０−電極３４０の間で周方向に回転させた場合のランジュバン型振動子１００の正面図を図８に示す。図８のランジュバン型振動子１００は、圧電振動子２２０、２３０が周方向に９０度回転されることにより、圧電振動子２１０、２４０の圧電セラミックス材料２１２、２４２のみに、電極３１０、３２０、３４０、３５０の導電性部材３１２、３２２、３４２、３５２から＋電圧と−電圧とが印加される。これにより、圧電振動子２１０、２４０の圧電セラミックス材料２１２、２４２の伸縮動作に応じたエネルギー（≪圧電セラミックス材料２１２−２４２の伸縮によるエネルギー）が、フロントマス４００を介して水中に伝達され、水中へエネルギーに応じた周波数特性の超音波が放射される。すなわち、図８に示したランジュバン型振動子１００からは、図５および図７に示したランジュバン型振動子１００とはさらに異なる周波数特性の超音波が放射される。
【００４４】
以上のように、周方向に９０度回転させる圧電振動子２１０−２５０の数を変更することにより、伸縮動作に応じて生成されるエネルギーの変化によって振動変位の周波数特性を変更することができ、ランジュバン型振動子１００の送波電圧感度の周波数特性を変更することができる。
【００４５】
ここで、上記のように構成されたランジュバン型振動子１００の送波電圧感度を、有限要素法解析によって演算した結果を図９に示す。図９において、図５に示した状態（回転なし）のランジュバン型振動子１００の送波電圧感度を実線で、図７に示した状態（圧電振動子２２０を９０度回転）のランジュバン型振動子１００の送波電圧感度を点線で示す。ここで、横軸は周波数、縦軸は送波電圧感度である。
【００４６】
図９から分かるように、送波電圧感度の最大点は、図５に示した状態（回転なし）のランジュバン型振動子１００では、Ａ×１．０２ｋＨｚ付近であるのに対し、図７に示した状態（圧電振動子２２０を９０度回転）のランジュバン型振動子１００では、Ａ×０．９７ｋＨｚ付近である。すなわち、圧電振動子２２０を９０度回転させることによって、周波数特性を変化させることができる。Ａは周波数、Ｂは送波電圧感度を示すが、本方式の振動子の寸法次第でＡとＢの数値は変わるため、本グラフは比率によって示している。
【００４７】
以上のように、本実施形態に係るランジュバン型振動子１００は、圧電セラミックス材料２ｎ２と絶縁材料２ｎ３とを周方向に交互に設置することによって圧電振動子２ｎ０を形成すると共に、導電性部材３ｍ２と絶縁部材３ｍ３とを周方向に交互に設置することによって電極３ｍ０を形成した。そして、ランジュバン型振動子１００において、上記のように形成した圧電振動子２ｎ０を、電極３ｍ０間において周方向にそれぞれ回転可能に配置した。これにより、所望の圧電振動子２ｎ０を周方向に回転することによって圧電セラミックス材料２ｎ２と導電性部材３ｍ２との接触面積を変更し、圧電セラミックス材料２ｎ２の伸縮動作によって生成されるエネルギーの大きさを変更することができる。すなわち、本実施形態に係るランジュバン型振動子１００は、ランジュバン型振動子１００全体の寸法・形状・材質およびランジュバン型振動子１００を構成する各構成部品の寸法・形状・材質を変更することなく、ランジュバン型振動子１００から放射される超音波の送波電圧感度の周波数特性を調整できる。
【００４８】
なお、本実施形態においては、圧電振動子２ｎ０を電極３ｍ０間において周方向に９０度回転させる例について説明したが、回転させる角度は９０度に限定されない。例えば、４５度ずつ回転させることによってさらにランジュバン型振動子１００の送波電圧感度の周波数特性を細かく調整することができる。また、フロントマス４００と音響放射面との間にエポキシ樹脂等で作られる音響整合層を配置してもよい。
【００４９】
＜第３の実施形態＞
第３の実施形態について説明する。本実施形態に係るランジュバン型振動子の正面図を図１０に、圧電振動子の上面図を図１１（ａ）に、電極の上面図を図１１（ｂ）に示す。図１０において、ランジュバン型振動子１００Ｂは、４つの圧電振動子２１０Ｂ−２４０Ｂ、５つの電極３１０Ｂ−３５０Ｂ、フロントマス４００Ｂ、リアマス５００Ｂおよび図１０には図示しないボルト６００によって構成される。本実施形態においても、圧電振動子２１０Ｂ−２４０Ｂおよび電極３１０Ｂ−３５０Ｂは、厚さ方向に交互に積層された状態で、フロントマス４００Ｂ、リアマス５００Ｂおよびボルト６００によって挟持される。
【００５０】
図１０および図１１から分かるように、図１０のランジュバン型振動子１００Ｂと、第２の実施形態で説明した図５のランジュバン型振動子１００との違いは、圧電振動子２１０Ｂ−２４０Ｂ、電極３１０Ｂ−３５０Ｂ、フロントマス４００Ｂおよびリアマス５００Ｂの断面が、六角形に形成されていることである。
【００５１】
圧電振動子２ｎ０Ｂは、図１１（ａ）に示すように、断面が六角形に形成され、中央部分にボルト６００を挿通させるための貫通穴２ｎ１Ｂが形成されている。そして、圧電振動子２ｎ０Ｂは、圧電セラミックス材料２ｎ２Ｂと絶縁材料２ｎ３Ｂとが貫通穴２ｎ１Ｂの外周に沿って交互に設置されることによって形成される。
【００５２】
一方、電極３ｍ０Ｂは、図１１（ｂ）に示すように、断面が六角形に形成され、中央部分にボルト６００を挿通させるための貫通穴３ｎ１Ｂが形成されている。そして、電極３ｍ０Ｂは導電性部材３ｍ２Ｂと絶縁部材３ｍ３Ｂとが貫通穴３ｎ１Ｂの外周に沿って交互に設置されることによって形成される。また、電極３ｍ０Ｂの一つの頂点には、図１１（ｂ）には図示しない突出部３ｍ４Ｂが形成されている。そして、突出部３ｍ４Ｂと接続された第１取出電極および第２取出電極から電圧が印加されることにより、電極３１０Ｂ−３５０Ｂに、＋電圧と−電圧とが交互に印加される。
【００５３】
本実施形態に係るランジュバン型振動子１００Ｂにおいて送波電圧感度の周波数特性を調整する場合、例えば、図１０に示すように、圧電振動子２１０Ｂを電極３１０Ｂ、３２０Ｂ間で周方向に６０度回転させる。これにより、圧電振動子２１０Ｂの圧電セラミックス材料２１２Ｂと電極３１０Ｂ、３２０Ｂの導電性部材３１２Ｂ、３２２Ｂとが非接触となり、ランジュバン型振動子１００Ｂの送波電圧感度の周波数特性が変化する。詳細には、圧電振動子２２０Ｂ−２４０Ｂの圧電セラミックス材料２２２Ｂ−２４２Ｂの伸縮動作によって生じたエネルギー（＜圧電セラミックス材料２１２Ｂ−２４２Ｂの伸縮によるエネルギー）が、フロントマス４００Ｂを介して水中に伝達され、エネルギーに応じた周波数特性の超音波が水中に放射される。すなわち、圧電振動子２１０Ｂを周方向に６０度回転させることにより、水中に伝達されるエネルギーが変化し、水中に放射される超音波の送波電圧感度の周波数特性が変化する。
【００５４】
以上のように、本実施形態に係るランジュバン型振動子１００Ｂは、圧電セラミックス材料２ｎ２Ｂと絶縁材料２ｎ３Ｂとを周方向に交互に配置することによって圧電振動子２ｎ０Ｂを形成すると共に、導電性部材３ｍ２Ｂと絶縁部材３ｍ３Ｂとを周方向に交互に配置することによって電極３ｍ０Ｂを形成した。このように形成されたランジュバン型振動子１００Ｂは、所望の圧電振動子２ｎ０Ｂを周方向に回転させることによって圧電セラミックス材料２ｎ２Ｂと導電性部材３ｍ２Ｂとの接触面積を変更し、圧電セラミックス材料２ｎ２Ｂの伸縮動作によって生成されるエネルギーの大きさを変更することにより、ランジュバン型振動子１００Ｂの送波電圧感度の周波数特性を調整する。
【００５５】
従って、本実施形態に係るランジュバン型振動子１００Ｂは、ランジュバン型振動子１００Ｂ全体の寸法・形状・材質およびランジュバン型振動子１００Ｂを構成する各構成部品の寸法・形状・材質を変更することなく、ランジュバン型振動子１００Ｂから放射される超音波の送波電圧感度の周波数特性を調整できる。
【００５６】
ここで、本実施形態においては、フロントマス４００Ｂおよびリアマス５００Ｂも断面六角形に形成したが、フロントマス４００Ｂおよびリアマス５００Ｂの断面形状は、必ずしも圧電振動子２１０Ｂ−２４０Ｂおよび電極３１０Ｂ−３５０Ｂの断面形状と一致させる必要はない。また、本実施形態においても、フロントマス４００Ｂと音響放射面との間にエポキシ樹脂等で作られる音響整合層を配置することができる。
【００５７】
上述したランジュバン型振動子１０、１００、１００Ｂは、ボルト締めランジュバン型振動子を使用する機器、例えば、水中用送受波器、超音波モーター、圧電アクチュエータ、アクティブソーナー等に適用することができる。
【００５８】
本願発明は上記実施形態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。
【符号の説明】
【００５９】
１０    ランジュバン型振動子
２１、２２、…、２Ｎ    圧電振動子
３１、３２、…、３（Ｎ＋１）    電極
４０    フロントマス
５０    リアマス
６０    ボルト
７０    振動体
８０    アクティブソーナー
８１    制御手段
８２    増幅手段
８３    トランス
１００、１００Ｂ    ランジュバン型振動子
２１０−２４０、２１０Ｂ−２４０Ｂ    圧電振動子
２１１−２４１、２１１Ｂ−２４１Ｂ    貫通穴
２１２−２４２、２１２Ｂ−２４２Ｂ    圧電セラミックス材料
２１３−２４３、２１３Ｂ−２４３Ｂ    絶縁材料
３１０−３５０、３１０Ｂ−３５０Ｂ    電極
３１１−３５１、３１１Ｂ−３５１Ｂ    貫通穴
３１２−３５２、３１２Ｂ−３５２Ｂ    導電性部材
３１３−３５３、３１３Ｂ−３５３Ｂ    絶縁部材
３１４−３５４、３１４Ｂ−３５４Ｂ    突出部
４００、４００Ｂ    フロントマス
５００、５００Ｂ    リアマス
６００    ボルト
９００    ボルト締めランジュバン型振動子
９１０    圧電振動子
９２０    電極
９３０    フロントマス
９４０    リアマス
９５０    ボルト
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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