(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
フロントマスとリアマスとの間に配置された振動子を含む送受波器において、フロントマスの内部に円板状の空隙を設け、空隙の音響放射面側を屈曲振動板として用い、その空隙内の外周部に円環状圧電振動子を設けたことを特徴とする送受波器。
【請求項２】
フロントマスとリアマスとの間に圧電セラミックの積層体を配したランジュバン振動子を含む送受波器において、フロントマスの内部に円板状の空隙を設け、空隙の音響放射面側を屈曲振動板として用い、その空隙内の外周部に円環状圧電振動子を設けたことを特徴とする送受波器。
【請求項３】
前記円環状圧電振動子の外周面が空隙の内周側面に接し、円環状圧電振動子の上下端面がフロントマス及び屈曲振動板に接しない構造とした請求項１或いは２に記載した送受波器。
【請求項４】
前記円環状圧電振動子の外周面が空隙の内周側面と接すること無く、円環状圧電振動子の上下端面がフロントマス及び屈曲振動板に接する構造とした請求項１或いは２に記載した送受波器。
【請求項５】
前記円環状圧電振動子のフロントマスあるいは屈曲振動板に接しない外周面または上下端面に、絶縁弾性体を挟んだ構造を有する請求項３或いは請求項４に記載した送受波器。
【請求項６】
円環状圧電振動子をフロントマスと屈曲振動板との間に挟み込む場合、円環状圧電振動子に圧縮応力を加える請求項１、２或いは４に記載した送受波器。
【請求項７】
屈曲振動板を、円環状圧電振動子を挟みボルトによりフロントマスに接合し、ボルトを締めることにより円環状圧電振動子に圧縮応力を加えることができる構造を有する請求項１、２或いは４に記載した送受波器。
【請求項８】
屈曲振動板を、円環状圧電振動子を挟み応力を加えた状態でフロントマスに溶接した構造を有する請求項１、２或いは４に記載した送受波器。
【請求項９】
円環状圧電振動子の伸縮を円環状圧電振動子の外周方向とした請求項３に記載した送受波器。
【請求項１０】
円環状圧電振動子の伸縮を円環状圧電振動子の外周方向の垂直方向とした請求項４に記載した送受波器。
【請求項１１】
前記屈曲振動板に円板状圧電振動子を接合した構造を有する請求項1から１０に記載した送受波器。
【請求項１２】
前記振動子を直流電圧のバイアスを加えた電歪振動子とする請求項１記載の送受波器。
【請求項１３】
前記円環状圧電振動子として、少なくとも２個以上の圧電振動子を円周状に配列した構造を有する請求項４記載の送受波器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水中で使用する送受波器に関し、特に広帯域化した送受波器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、図９の概観図、図１０の構造を表す断面図に示すように、フロントマス１とリアマス３の間に内部貫通孔のある圧電セラミック積層体２を配し、圧電セラミック積層体２に設けられた貫通孔を通して圧電セラミック積層体２に圧縮応力を加えるべきボルト９を設けたボルト締めランジュバン振動子を含む送受波器が知られている。
【０００３】
このようなボルト締めランジュバン型振動子を用いた送受波器の広帯域化方法として、図１１の概観図、図１２の断面図に示すように、フロントマス１の内部に空隙４を設け、フロントマス１の前面すなわち音響放射面側を屈曲振動板構造とすることにより、ボルト締めランジュバン型振動子の縦振動モードだけでなく屈曲振動板７の屈曲振動モードを重畳することにより広帯域化することが行われている。このような技術は特開２０００−２０９６９０号公報に示されてる。
【０００４】
また、図１３の概観図、図１４の断面図に示すように、屈曲振動板７の外面または内面に円板状の圧電振動板５を接して設け、この円板状圧電振動子５に加える電圧や位相を調整することにより、屈曲振動板７の振動振幅や位相を制御した屈曲振動を発生させ広帯域化することが提案されている。このような技術は特開２００１−１４８８９６号公報に示されている。
【０００５】
以上、従来の送受波器の広帯域化には、フロントマスの内部に円板状の空隙を設け、間隙の音響放射面側を屈曲振動板として利用する方法や、屈曲振動板の外面または内面に円板状圧電振動子を設け、屈曲振動板の駆動源として利用する方法が提案されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の送受波器の広帯域化方法としてフロントマスに空隙を設け前面屈曲振動板の屈曲振動を縦振動に重畳する場合、所定の周波数に屈曲振動を設定するためには屈曲振動板の厚さや直径を所要の値に設定する必要が有るが、屈曲振動板の共振周波数を決める主たる要素として、屈曲振動板の厚さと空隙の直径がある。例えば、屈曲振動板の共振周波数を低くするためには、空隙の直径を大きくするか、屈曲振動板の厚さを薄くする。
【０００７】
ところで、これら送受波器は水中で使用することから、フロントマスの前面すなわち屈曲振動板には水圧により大きな外力が加わる。従って耐水圧性を向上させるためには空隙の直径を小さくするか、屈曲振動板の厚さを厚くする必要がある。しかしこれでは、要求される耐水圧によって屈曲振動板の共振周波数を所定の周波数まで低くできないという問題を生ずる。さらに、屈曲振動板は音響放射面を兼ねているが、水中に音響放射するときには放射インピーダンスに基づく大きな音響負荷が加わり、屈曲振動板が薄くあるいは空隙の直径が大きく音響放射インピーダンスに勝るだけの剛性を有しない場合は、屈曲振動板は高次の屈曲変位や内側への撓みを生じ、所望の屈曲振動モードによる音響放射効率を大幅に低下させることとなっていた。さらにまた、従来のボルト締めランジュバン振動子構造により生ずる縦振動モードについても、音響放射面が音響負荷にまけて高次の屈曲変位や内側への撓みを生じ、音響放射効率が低下してしまっていた。これは、本来縦振動や屈曲振動により、屈曲振動板の外側にある媒質を押し出し排除することにより音圧を発生させるのに対し、高次の屈曲振動の場合、高次の屈曲変位あるいは内側への撓みを生じると、細かいプラスマイナスの変位により媒質排除が互いに相殺されてしまうことや、屈曲振動板が撓んでしまい十分な媒体の排除がおこなえなくなるためである。
【０００８】
広帯域化のために円板状圧電振動子を屈曲振動板に接合した場合、屈曲振動板の厚さを薄くしたり、空隙の直径を大きくしたりすることによって縦振動や屈曲振動が音響放射インピーダンスに負けてしまう欠点は、円板状圧電振動子に駆動電圧を加えることによって屈曲振動を補強することができ、克服することができる。しかしながら、円板状圧電振動子と屈曲振動板は一体となった構造物として振動するために、共振周波数、耐水圧性等の要求に対しては、円板状圧電振動子を含む一体となった屈曲振動板の厚さや直径により構造寸法が決定されてしまい、結果的に駆動源としての最適設計を行うことができないという欠点があった。さらに屈曲振動板に円板状圧電振動子を接合する構造とした場合、密度の大きい圧電材料を屈曲振動板に接合することになり、屈曲振動板の質量が増えて屈曲振動の共振の先鋭度が高くなり広帯域化の効果を減じてしまうといった問題点もあった。従ってこの構造でも、耐水圧の確保と共振周波数の低減に対する相反する問題については依然として、解決することができなかった。
【０００９】
したがって、本発明の第１の目的は、水中で使用する広帯域送受波器において、共振周波数や耐水圧性を独立しうるなど、設計の自由度がより高く、より広帯域での使用を可能とする送受波器を提供することにある。
【００１０】
また、本発明の第２の目的は、耐水圧性を維持しながら、屈曲振動板を薄くしてより低周波数を放射できる送受波器を提供することにある。
【００１１】
また、本発明の第３の目的は、屈曲振動板を含むフロントマス部分の質量が増えることなく屈曲振動の共振の先鋭度が高くなることを防ぎ、広帯域化効果を減じることのない送受波器を提供することにある。
【００１２】
また、本発明の第４の目的は、屈曲振動板が高次の屈曲変位や内側への撓みを生ずることがなく、屈曲振動モードの音響放射効率の低下や、ボルト締めランジュバン振動子構造により生ずる縦振動モードの音響放射効率の低下がない送受波器を提供することにある。
【００１３】
また、本発明の第５の目的は、円環状圧電振動子の発生振幅の拡大が有効におこなわれて大きな振動振幅が得られ、電気音響変換効率が向上する送受波器を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、フロントマスとリアマスとの間に振動子を配置した送受波器において、フロントマスの内部に円板状の空隙を設け、空隙の音響放射面側を屈曲振動板として用い、空隙内の外周部に円環状圧電振動子を設けた送受波器が得られる。
【００１５】
更に、本発明によれば、円環状圧電振動子を空隙の内側面に接し、円環状圧電振動子の上下端面をフロントマス及び屈曲振動板に接しない構造とする送受波器が得られる。あるいは、前記円環状圧電振動子を空隙の内側面に接すること無く、円環状圧電振動子の上下端面がフロントマス及び屈曲振動板に接する構造とする送受波器が得られる。
【００１６】
また、本発明によれば、円環状圧電振動子のフロントマスあるいは屈曲振動板に接しない外周囲面または上下端面にゴムまたは合成樹脂等の軟質の絶縁弾性体を挟んだ構造とする送受波器が得られる。
【００１７】
また、本発明によれば、屈曲振動板を、圧電振動子を挟みボルトによりフロントマスに接合し、ボルトを締めることにより圧電振動子に圧縮応力を加えることができる構造とする送受波器が得られる。あるいは、屈曲振動板を、圧電振動子を挟み応力を加えた状態でフロントマスに溶接した構造とする送受波器が得られる。
【００１８】
以下、本発明の動作を従来技術と関連させながら説明する。従来、例えば、屈曲振動板の共振周波数を低周波数化するために屈曲振動板を薄くする、あるいは空隙の直径を大きくすることが考えられ、従来技術であれば、耐水圧を無視した設計となり屈曲振動板が変形してしまい、効率の良い音響放射ができなかったが、本発明においては、円環状圧電振動子を空隙に設けることにより水圧による屈曲振動板の撓みを防ぐことができるものである。耐水圧性を上げるために、単なる円環状の構造体を間に挟んだだけでは屈曲振動板の変位を妨げ、振動モードを変化させてしまうが、本発明では、屈曲振動板の振動に合わせた周期と位相の電圧を円環状圧電振動子に加えることにより、屈曲振動板の屈曲振動を妨げること無く耐水圧性を向上させることができる。
【００１９】
この場合、屈曲振動板の振動の節は、フロントマスとの接合点のままで、屈曲振動の共振周波数は変わらない。それは、円環状圧電振動子が屈曲振動板の振動の周期と位相に合わせて屈曲振動板を駆動するため、屈曲振動板にとって見れば、円環状圧電振動子はほとんど負荷にはならず、円環状圧電振動子の影響を受けず振動できるため、動的に振動の節となるような支持点とはならないからである。
【００２０】
水圧が加わった場合は、円環状圧電振動子は構造体として屈曲振動板を静的に支持することになる。水圧等静的な外力に対しては、空隙の直径すなわち屈曲振動板の直径を小さくしたのと同等の効果が得られる。ここで圧電振動子は圧縮応力には極めて強く、また圧縮応力が加わった状態でも圧電効果による動的な駆動力はほとんど影響を受けることが無い。
【００２１】
また、本発明においては、円環状圧電振動子を外周囲に設けるほど「てこの原理」による円環状圧電振動子の発生振幅の拡大が有効におこなわれ、大きな振動振幅が得られることとなり、電気音響変換効率が向上する。これは、円環状圧電振動子で発生した変位が拡大されて屈曲振動板に加わることになり、単なる屈曲振動板のいわゆるパッシブな振動だけでなく、円環状圧電振動子によるアクティブな振動を発生させることができるからである。しかも、円環状圧電振動子を設ける位置を適宜選定することにより、円環状圧電振動子が発生する応力を有効に屈曲振動板の振動変位に変換し、力の伝達を有効におこなうという面での整合を最適にすることができる。また、円環状圧電振動子の厚さを増したり、加える電圧を増すことによっても同様な効果を得ることができる。
【００２２】
本発明によれば屈曲振動板の厚さや空隙の直径などを、所要の共振周波数にあわせて適宜決定でき、耐水圧性は円環状圧電振動子を空隙に挟むことにより、屈曲振動板の共振周波数とは別に設計でき、従来と比較して耐水圧性を大幅に向上させることができる。また円環状圧電振動子の厚さや内外径差、駆動電圧を変えることにより電気音響変換効率の大幅な向上を図ることができる。更に、耐水圧性の要求により円環状圧電振動子は２個以上設けても良い。
【００２３】
また、円環状圧電振動子の内外径差を大きくすれば、大きな力を発生することができるから、例えば屈曲振動板が薄いものあるいは空隙の直径が大きい場合であっても音響放射インピーダンスの負荷に負けること無く、有効な音響放射が可能となる。
【００２４】
また、円環状圧電振動子は屈曲振動板の外周付近に設けてあり、屈曲振動板の付加マスとして働くことはなくまた屈曲振動を妨げないことから、圧電振動子を設けることによって屈曲振動の共振の先鋭度があがってしまうことはない。逆に、屈曲振動板の共振の先鋭度が上昇することを許容できるのであれば、屈曲振動板に円板状圧電振動子を接合した構造とし、さらに円環状圧電振動子を設けることにより本発明の屈曲振動板の共振先鋭度の防止以外の効果を得ることができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を示した図面を参照して本発明を詳細に説明する。図１は本発明の第１の実施例の外観及び部分断面を示し、図２は構造を示す断面図を示す。これらの図において、フロントマス１とリアマス３の間に内部貫通孔のある圧電セラミック積層体２を配し、圧電セラミック積層体２に設けられた貫通孔を通して圧電セラミック積層体に圧縮応力を加えるべきボルト９を設けたボルト締めランジュバン振動子を含む送受波器において、フロントマス１の内部に円板状の空隙４を設け、空隙４の音響放射面側を屈曲振動板７として利用するとともに、その空隙内の外周部に円環状圧電振動子６をフロントマス１や屈曲振動板７に接して設け、屈曲振動板７の駆動源として利用した構造とする。
【００２６】
円環状圧電振動子６に駆動回路１４及び接続電線１３を介して所定の電圧を印加すると、円環状圧電振動子６は変形し屈曲振動板７に応力を与える。ここで、屈曲振動板７は周囲がフロントマス１に固定されているから、円環状圧電振動子６の発生した応力により屈曲振動板７にたわみ変形が生ずる。この屈曲振動板７の変形により、当初共振周波数や耐水圧の要求値により設計した屈曲振動板を所要の振動モードで効率よく振動させることができる。
また、屈曲振動板７に円板状圧電振動子を接合し、上記屈曲振動板７の共振周波数に一致させることにより、円板状圧電振動子による屈曲振動板７の駆動と円環状圧電振動子６による屈曲振動板７の駆動を重畳させて大きな振動振幅を得ることや、共振周波数とずらすことにより広帯域化を図ることができる。
【００２７】
第１の実施例において、円環状圧電振動子６の上下端面と外周面は、それぞれ屈曲振動板７、フロントマス１、および両者の接合部に接している。円環状圧電振動子が振動するときには、上下方向の厚さ方向に厚くなるような変位をしている場合には、ポアソン比のために径方向が減少する変位となる。厚さ方向の増加は屈曲振動板を外に押し出す方向に凸状の変位を誘起することになる。一方径方向の減少はフロントマスの内部を支点としてフロントマスと屈曲振動板の接合点、すなわち円環状圧電振動子の接合点を内側に引き込む変位となる。この変位は屈曲振動板を外側へ押し出す凸状の変位を誘起することになる。従って、円環状圧電振動子の厚さあるいは径方向の変位は、いずれも屈曲振動板を外側に押し出すような凸状の変位を誘起することとなり有効な駆動がおこなえる。
【００２８】
なお、円環状圧電振動子の電極面がフロントマスや屈曲振動板により短絡してしまう場合には、円環状圧電振動子の上下端面に未分極の圧電セラミックを挟むなど絶縁体で絶縁するか、フロントマスや屈曲振動板の一部または全部を絶縁材料で形成すればよい。また、本送受波器は、防水のために適宜樹脂モールド構造としたり、音響放射面以外の部分を水密容器に収納する。
【００２９】
本実施例では、ボルト締め構造のランジュバン振動子の例を示したが、ボルト締めしない通常のランジュバン振動子構造などについても同様に適用できる。また、本実施例では振動を発生する駆動体として圧電材料からなる振動子を用いたが、直流電圧のバイアスを加えた電歪材料からなる振動子用いるなど、適宜材料を選定することができる。
【００３０】
次に、本発明の第２の実施例の構造と動作説明図を図３に示す。図３はフロントマス部分のみを示しており、他の部分は第１の実施例と同じである。第１の実施例では、円環状圧電振動子は空隙内の外周部に設け、フロントマスや屈曲振動板に接していたが、本実施例では円環状圧電振動子６の外周部分Ｐだけがフロントマス１に接し、円環状圧電振動子６の上下端面（図では左右端面）はフロントマス１や屈曲振動板７に接しない構造とする。本実施例においては、円環状圧電振動子の内外面に電極を設け、３１モードと呼ばれる円環状圧電振動子の呼吸振動モード（直径が増減するモード）を積極的に利用している。たとえば、図３に示すように円環状圧電振動子の外径が増加した場合、フロントマスの一部８を支点として、屈曲振動板７とフロントマス１の接合部を外に押し出す応力が発生し、これは屈曲振動板７の音響放射面に対して内側方向への屈曲変位に変換される。円環状圧電振動子６の上下端面は自由になっていることから、円環状圧電振動子６が外径方向に振動するときにポアソン比により発生する円環状圧電振動子６の上下端面方向の変形を妨げることがないため、効率の良い駆動がおこなえる。ここで、支点８となるフロントマス１内の点と、円環状圧電振動子６とフロントマスとの接合位置を適当に選定することにより、円環状圧電振動子で発生する振幅を「てこの原理」により拡大して屈曲振動板の振動振幅とすることができる。
【００３１】
次に、本発明の第３の実施例を図４に示す。図４においても、構造と動作説明図を示し、図示しないフロントマス部分以外は第１の実施例と同じである。第１の実施例では、円環状圧電振動子は空隙内の外周部に設け、フロントマスや屈曲振動板に接していたが、本実施例では円環状圧電振動子６の上下端面部分（図では左右端面部分）Ｑ、Ｒだけがフロントマス１と屈曲振動板７に接し、円環状圧電振動子６の外周面はフロントマスや屈曲振動板に接しない構造とする。
【００３２】
本実施例においては、円環状圧電振動子６の上下端面に電極を設け、３３モードと呼ばれる円環状圧電振動子６の厚み振動モード（厚さが伸縮するモード）を積極的に利用している。この場合、図４に示すように円環状圧電振動子６の厚さが増加すると、フロントマス１と屈曲振動板７の接合部の一部を支点８として、屈曲振動板７を音響放射面の外側方向に押し出す応力が発生し、これは屈曲振動板７の屈曲変位に変換される。円環状圧電振動子６の外周面は自由になっていることから、円環状圧電振動子６が厚さ方向に振動するときにポアソン比により発生する円環状圧電振動子６の外径方向の変形を妨げることがないため、効率の良い駆動がおこなえる。ここで、支点８となるフロントマス１と屈曲振動板７の接合点と、円環状圧電振動子６とフロントマス１および屈曲振動板７との接合点の位置を適当に選定することにより圧電振動子で発生する振幅を「てこの原理」により拡大して屈曲振動板の振動振幅とすることができる。なお、円環状圧電振動子の厚み振動モードを利用することから、円環状圧電振動子は必ずしも連続した一体の円環である必要はなく、複数の圧電振動子を円周状に配列した構造としても良い。
【００３３】
本発明の第１の実施例においては、空隙の外周部に設けられた円環状圧電振動子は、その上下端面と外周面は、それぞれ屈曲振動板、フロントマス、および両者の接合部に接している。この例では、円環状圧電振動子と構造物の接合面積が大きいことにより、円環状圧電振動子の内部に発生する応力は、円環状圧電振動子の内部の位置により不均一となる傾向がある。これは、円環状圧電振動子の破損や内部発熱などの原因となる可能性がある。
【００３４】
そこで、第２の実施例のように円環状圧電振動子の外周面のみを屈曲振動板とフロントマスの接合面に接合したり、第３の実施例のように円環状圧電振動子の上下端面のみを屈曲振動板とフロントマスに接合することにより、若干円環状圧電振動子の発生する応力を屈曲振動板の変位に変換する効率は低下するものの、円環状圧電振動子の内部での発生応力は均一となり、円環状圧電振動子の破損などを避けることができる。
【００３５】
本発明の「てこの原理」による振幅拡大効果は、屈曲振動板とフロントマスの接合部を支点とし、円環状圧電振動子の内外径のほぼ平均的な径の位置を力点とし、屈曲振動板を作用点とした「てこ」として機能する。従って、円環状圧電振動子が空隙の側面に接しているいないにかかわらず、「てこの原理」による振幅拡大を利用することができる。
【００３６】
次に、本発明の第４、５の実施例を図５及び図６に夫々示す。第２第３の実施例では、円環状圧電振動子６が空隙４内の外周部に設けられるとき、円環状圧電振動子６の外周部がフロントマス１と接合されたり、或いは、円環状圧電振動子６の上下端がフロントマス１及び屈曲振動板７と接合されており、接合部以外の、円環状圧電振動子とフロントマスあるいは屈曲振動板との間、或いは、円環状圧電振動子の外周面とフロントマスとの間には夫々所定の隙間を設けていた。本第４、５の実施例では円環状圧電振動子のフロントマスや屈曲振動板に接していないこの隙間部分に、絶縁弾性体を設けた構造としている。第４の実施例を示す図５においては、円環状圧電振動子６とフロントマス１あるいは屈曲振動板７との間に絶縁弾性体が挟みこまれている。また、第５の実施例を示す図６においては、円環状圧電振動子６の外周面とフロントマス１との間に絶縁弾性体が挟みこまれている。
【００３７】
第２第３の実施例では、円環状圧電振動子の電極は空隙の隙間により絶縁されているが、空隙内の湿度などにより電極間の絶縁が保てないことが生じる可能性がある。本実施例では、空隙の隙間を絶縁体で覆うことにより絶縁を保つものである。本実施例でも、円環状圧電振動子から発生する振動を妨げることは望ましくないので、ゴムまたは合成樹脂等の軟質の絶縁弾性体、例えば、構造弾性のあるシリコンゴム材料を挟んだ構造としている。
【００３８】
次に、本発明の第６の実施例を図７に示す。円環状圧電振動子が空隙内の外周部に設けられるとき、第３の実施例においては、この円環状圧電振動子がフロントマスと屈曲振動板とに接合していた。フロントマスと屈曲振動板に円環状圧電振動子を挟む構造とする場合は、より大きな振動振幅を得るために円環状圧電振動子に静的な圧縮応力を加えておくことが望ましい。そこで本実施例ではフロントマス１と屈曲振動板７を接合ボルト１２により応力を加えて接合する構造とする。ボルト締め付け前には、円環状圧電振動子６を挟んだ状態で、フロントマス１と屈曲振動板７をあわせても数ｍｍ程度の間隔があくようにしておき、フロントマス１に屈曲振動板７を接合ボルトにより接合するときに両者に応力を加え接した状態にすることにより、円環状圧電振動子６に圧縮応力を加える。ここで円環状圧電振動子６に加わる圧縮応力は、接合ボルト締め付け前に設けておくフロントマス１と屈曲振動板７との間隔や、円環状圧電振動子外周面とフロントマス１との隙間の間隔により決定される。この構造により、屈曲振動板の弾性を円環状圧電振動子の圧縮応力印加に利用することができ、とくに圧縮応力印加のための構造物を必要としない。
【００３９】
次に、本発明の第７の実施例を図８に示す。第６の実施例では、フロントマス１と屈曲振動板７を接合ボルト１２により応力を加えて接合する構造としたが、本第７の実施例では溶接により、応力を加えて接合する構造とした。図８において、溶接前には、円環状圧電振動子６を挟んだ状態で、フロントマス１と屈曲振動板７とをあわせても数ｍｍ程度の間隔があくようにしておき、フロントマス１に屈曲振動板７を溶接するときに両者に外部から応力を加え接した状態で溶接することにより、円環状圧電振動子に圧縮応力を加える。ここで円環状圧電振動子に加わる圧縮応力は、最初に設けておくフロントマスと屈曲振動板との間隔や、円環状圧電振動子外周面とフロントマスとの間隔により決定される。この構造により、屈曲振動板の弾性を円環状圧電振動子の圧縮応力印加に利用することができ、とくに圧縮応力印加のための構造物やボルトなどの機構を必要としない。
【００４０】
次に、本発明における振動モードと駆動方法について説明する。円環状圧電振動子の基本的な振動姿態として、円環状振動子の外周が径方向に拡大縮小する呼吸モードの振動と、円環状振動子の厚さ（＝高さ：内外径差ではない）が伸縮する厚みモードの振動がある。内外径方向に振動する呼吸モードの振動を駆動するためには、円環状圧電振動子の内外周面に電極を施し、その電極間に駆動電圧を加えることにより、効率的に駆動することができる。この駆動方法によると、円環状圧電振動子は内外面方向に分極されており、振動変位は円環状圧電振動子の円周方向に伸縮するように発生し、分極の方向と振動方向が直交していることから３１モード（横効果縦振動）の駆動方法という。この場合円環状の構造をしているために円周方向の円環状圧電振動子の振動は見かけ上円環状圧電振動子の径方向の振動つまり呼吸振動に見える。
【００４１】
厚さ方向に振動する厚みモードの振動を駆動するためには、円環状圧電振動子の上下端面に電極を施し、その電極間に駆動電圧を加えることにより効率的に駆動することができる。この駆動方法によると、円環状圧電振動子は厚さ方向に分極されており、振動変位は円環状圧電振動子の厚み方向に伸縮するように発生し、分極の方向と振動方向が一致していることから３３モード（縦効果縦振動）の駆動方法という。これらは、代表的な圧電振動子の駆動方法を示したものであって、効率は低くなるものの、円環状圧電振動子の上下端面に電極を施した場合に３１モードで径方向振動を励振することや、円環状圧電振動子の内外面に電極を施し３１モードで厚さ方向振動を励振することなども可能である。
【００４２】
本発明においては、屈曲振動板の固有振動にあわせて、円環状圧電振動子を駆動することが必要となる。この場合、従来のボルト締めランジュバン構造に用いている圧電セラミック積層体に加える電圧の位相と円環状圧電振動子に加える電圧の位相は必ずしも一致せず、圧電振動子の駆動条件や、屈曲振動板やボルト締めランジュバン振動子の各共振周波数の上下関係などにより適宜選定する必要がある。例えば、円環状圧電振動子が屈曲振動板とフロントマスに接する構造の場合で、円環状圧電振動子の上下端面に電極を施し３３モードで駆動するとし、かつ屈曲振動板の共振周波数がボルト締めランジュバン振動子の共振周波数より高い場合には、屈曲振動板の屈曲振動はボルト締めランジュバン振動子の縦振動とほぼ同相となるから、縦振動の共振付近ではそれぞれの圧電振動子へ加える電圧は同相で良い。すなわちボルト締めランジュバン振動子の縦振動の駆動力による屈曲振動板の動きが外側に凸になるとき、屈曲振動により屈曲振動板も外側に凸になる振動姿態となるからである。
【００４３】
上記で、仮に屈曲振動板の共振周波数がボルト締めランジュバン振動子の共振周波数より低い場合には、縦振動の共振付近では屈曲振動板の振動はボルト締めランジュバン振動子の縦振動とほぼ逆相となるから、それぞれの圧電振動子へ加える電圧は逆相となる。すなわちボルト締めランジュバン振動子の駆動力による屈曲振動板の動きが外側に凸になるとき、屈曲振動により屈曲振動板が内側に凸になる振動姿態となるからである。
【００４４】
また、円環状圧電振動子が、屈曲振動板やフロントマスに接すること無く、空隙の内側面にのみ接している場合には、円環状圧電振動子の外径が拡大する振動姿態のときに屈曲版は内側に凸となる振動姿態となる。従って、例えば屈曲振動板の共振周波数がボルト締めランジュバン振動子の共振周波数より高い場合は、逆相に駆動する必要があり、屈曲振動板の共振周波数がボルト締めランジュバン振動子の共振周波数より低い場合には、同相に駆動する必要がある。
【００４５】
このように、圧電振動子に加える電圧の位相は、円環状圧電振動子の付加構造や圧電振動子の駆動方法、屈曲振動板やボルト締めランジュバン振動子の共振周波数の設定条件等に合わせて適宜変更する必要がある。また構造によっては、励起される屈曲振動板の屈曲振動とボルト締めランジュバン振動子の縦振動との間には必ずしも同相あるいは逆相ではなく、特定の位相差を持つ場合もあるので、駆動電圧にも適宜位相差を付与する必要がある。また、円環状圧電振動子を設ける位置、駆動電圧、位相の周波数特性を適宜選定することにより、ボルト締めランジュバン振動子の基本共振周波数や屈曲振動板の基本共振周波数だけではなく高次の屈曲振動を駆動することなどより広い帯域にわたって送波電圧感度を平坦化することも可能である。これら各圧電振動子に電圧を供給する駆動回路は、個々の圧電振動子に対応させて設けても良いし、どちらかの駆動信号を基準として、電圧や位相を調整できる位相回路を介して他の圧電振動子の駆動信号としてもよい。
【００４６】
また、圧電振動子への配線、特に屈曲振動板への配線は、フロントマスに配線材が貫通できるほどの微少な貫通穴を設けることで実現できる。フロントマスに設けた穴が微少であれば、前記した各振動に影響を及ぼすことはない。
【００４７】
【発明の効果】
本発明によれば、共振周波数、耐水圧性等といった屈曲振動板の設計と、駆動力を発生する円環状圧電振動子の厚さや直径の設計とを別々にかつ自由におこなえる送受波器が得られる。すなわち、低周波数化のために要求される屈曲振動板の共振周波数や送受波器の耐水圧要求から必要となる屈曲振動板の厚さなどは、屈曲振動板の寸法構造を適宜最適寸法に設計すればよく、これと独立に、円環状圧電振動子の設計は高出力化に必要な駆動力や駆動振幅を確保するに必要な構造寸法とすることができるためである。
【００４８】
また、本発明によれば、耐水圧性を維持しながら、屈曲振動板を薄くしてより低い周波数を放射できる送受波器が得られる。すなわち、水圧が加わった場合は、円環状圧電振動子は構造体として屈曲振動板を静的に支持することになり、水圧等静的な外力に対しては、空隙の直径すなわち屈曲振動板の直径を小さくしたのと同等の効果が得られるためである。ここで圧電振動子は圧縮応力には極めて強く、また圧縮応力が加わった状態でも圧電効果による動的な駆動力はほとんど影響を受けることが無い。
【００４９】
また、本発明によれば、屈曲振動板を含むフロントマス部分の質量が増えず屈曲振動の共振の先鋭度が高くなることがなく、広帯域化効果を減じることのない送受波器が得られる。すなわち、円環状圧電振動子は屈曲振動板の外周付近に設けられ、屈曲振動板の付加マスとして働くことはなく、また屈曲振動を妨げないことから、圧電振動子を設けることによって屈曲振動の共振の先鋭度があがってしまうことはないからである。
【００５０】
また、本発明によれば、屈曲振動板が高次の屈曲変位や内側への撓みを生ずることがなく、屈曲振動モードの音響放射効率の低下や、ボルト締めランジュバン振動子構造により生ずる縦振動モードの音響放射効率の低下がない送受波器が得られる。すなわち、円環状圧電振動子が屈曲振動板の振動の周期と位相に合わせて屈曲振動板を駆動するため、屈曲振動板にとって見れば、円環状圧電振動子はほとんど負荷にはならず、円環状圧電振動子の影響を受けず振動できるため、円環状圧電振動子部分は動的に振動の節となるような支持点とはならないからである。本発明においては、屈曲振動板の振動の節は、フロントマスとの接合点のままで、屈曲振動の共振周波数は変わらない。
【００５１】
また、本発明によれば、円環状圧電振動子の発生振幅を拡大して、音響放射インピーダンスに整合した屈曲振動板の最適振動振幅を発生することができ、電気音響変換効率が向上する送受波器が得られる。すなわち、円環状圧電振動子を外周囲に設けるほど「てこの原理」による円環状圧電振動子の発生振幅の拡大が有効におこなわれ、大きな振動振幅が得られることとなり、電気音響変換効率が向上する。これは、円環状圧電振動子で発生した変位が拡大されて屈曲振動板に加わることになり、単なる屈曲振動板のいわゆるパッシブな振動だけでなく、円環状圧電振動子によるアクティブな振動を発生させることができるからである。しかも、円環状圧電振動子を設ける位置を適宜選定することにより、円環状圧電振動子が発生する応力を有効に屈曲振動板の振動変位に変換し、力の伝達を有効におこなうという面での整合を最適にすることができる。また、円環状圧電振動子の厚さを増したり、加える電圧を増すことによっても同様な効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態で第１の実施例を示す外観図（一部断面図）。
【図２】本発明の第１の実施例の構造を示す断面図。
【図３】本発明の第２の実施例を示す構造図および動作の説明図。
【図４】本発明の第３の実施例を示す構造図および動作の説明図。
【図５】本発明の第４の実施例の構造を示す図。
【図６】本発明の第５の実施例の構造を示す図。
【図７】本発明の第６の実施例の構造を示す図。
【図８】本発明の第７の実施例を示す構造図。
【図９】第１の従来送受波器を示す外観図。
【図１０】図９の従来例の構造を示す図。
【図１１】第２の従来送受波器を示す外観図（一部断面図）。
【図１２】図１１の従来例の構造を示す図。
【図１３】第３の従来送受波器を示す外観図（一部断面図）。
【図１４】図１３の従来例の構造を示す図。
【符号の説明】
１：フロントマス
２：圧電セラミック積層体
３：リアマス
４：空隙
５：円板状圧電振動体
６：円環状圧電振動子
７：屈曲振動板
８：支点
９：ボルト
１０：溶接部
１１：絶縁弾性体
１２：接合ボルト
１３：接続電線
１４：駆動回路
【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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【図１４】
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