水中音響送波器
【課題】音響放射能力の維持を図りながら、共振周波数の低周波数化ないし小型化を実現する水中音響送波器を提供すること。
【解決手段】水中音響送波器１は、断面が楕円の筒状ハウジングである楕円シェル２、振動素子３ａ積層体からなるアクティブ柱状体３、アクティブ柱状体３の振動変位を楕円シェル２に伝導するヒンジ部４、及び楕円シェル２の内壁に複数の突起部５を有する。突起部５は、第１材質５ａと、第１材質５ａよりも高密度の第２材質５ｂから形成される。突起部５の重心は、突起部５が単一の材質で形成されている場合の重心の位置より突起部の開放端側にある。好ましくは、突起部５の総体積における第２材質５ｂの体積割合は、２０％〜６０％である。
【解決手段】水中音響送波器１は、断面が楕円の筒状ハウジングである楕円シェル２、振動素子３ａ積層体からなるアクティブ柱状体３、アクティブ柱状体３の振動変位を楕円シェル２に伝導するヒンジ部４、及び楕円シェル２の内壁に複数の突起部５を有する。突起部５は、第１材質５ａと、第１材質５ａよりも高密度の第２材質５ｂから形成される。突起部５の重心は、突起部５が単一の材質で形成されている場合の重心の位置より突起部の開放端側にある。好ましくは、突起部５の総体積における第２材質５ｂの体積割合は、２０％〜６０％である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水中において音波を送波する水中音響送波器に関する。
【背景技術】
【０００２】
水中において、低周波音波は高周波音波と比較して伝搬損失が少なく、より遠方まで到達できる。そのため、低周波音波は、ソナー、海洋資源探査、海流の調査などの分野において利用されている。この低周波音波の探知能力にとっては、音波を発生させる音源のハイパワー化が重要事項である。このようなハイパワーを有する低周波送波器の代表的な存在として、特許文献１〜３及び非特許文献１に記載されているようなフレックステンショナル・トランスデューサ（Flextensional Transducer）（水中音響送波器）が知られている。図６に、特許文献２〜３及び非特許文献１に記載されている水中音響送波器の概略断面図を示す。水中音響送波器１１は、断面が楕円の筒状ハウジングである楕円シェル１２、圧電セラミックである複数の振動素子１３ａが楕円シェル１２の長軸に沿って積層したアクティブ柱状体１３、及びアクティブ柱状体１３の振動変位を楕円シェル１２に伝達するヒンジ部１４を有する。
【０００３】
水中音響送波器１１の音波放射の動作について説明する。アクティブ柱状体１３に電気エネルギーが供給されると、圧電効果によりアクティブ柱状体１３は積層方向（楕円シェル１２の長軸方向）に振動変位（機械エネルギー）を発生する。この振動変位は、ヒンジ部１４を通じて楕円シェル１２に伝導する。これにより、楕円シェル１２は、長軸方向と短軸方向で伸長と収縮を交互に繰り返す伸縮運動を行う。図６に、楕円シェル１２が長軸方向に伸長したときの変位を矢印で示す。楕円シェル１２が長軸方向に伸長したとき、楕円シェル１２は短軸方向に収縮する。このとき、短軸方向の変位は、長軸方向の変位よりも大きくなる。そして、楕円シェル１２が長軸方向に復元（収縮）するとき、短軸方向にも同時に復元（伸長）する。すなわち、楕円シェル１２がこの伸縮運動を繰り返すことにより、音波が楕円シェル１２から放射される。
【０００４】
ここで、楕円シェル１２の共振周波数を低くするためには、楕円シェル１２の寸法を大きくするか、又は楕円シェル１２を薄肉化する必要がある。図７に示すような特許文献１に記載の水中音響送波器１１においては、楕円シェル１２の内側の一部に、単一の材質からなる複数の突起部１５を設けている。この突起部１５は楕円シェル１２の見かけの密度を増加させている。これにより、特許文献１に記載の水中音響送波器１１においては、水中音響送波器１１の大きさを変更することなく、また楕円シェル１２の厚さを薄くすることなく、固有振動数の低下を図っている。
【０００５】
【特許文献１】特開昭６２−１３５１００号公報
【特許文献２】特開平５−５６４９４号公報
【特許文献３】米国特許３２７７４３３号明細書
【非特許文献１】ジャーナル・オブ・アコースティカル・ソサイアティー・オブ・アメリカ（Journal of Acoustical Society of America）、１９８０年、第６８巻、第４号、１０４６〜１０５２頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
図６に示すような水中音響送波器１１において、楕円シェル１２は、通常、音響インピーダンスにおいて水と整合が取りやすいアルミニウム合金等で構成されている。しかしながら、アクティブ柱状体１３のスチフネス（剛性）は楕円シェル１２のスチフネスに比べて相当大きいために、水中音響送波器１１の共振周波数は、楕円シェル１２自体の共振周波数の２倍ないしそれ以上の値となる。そのため、水中音響送波器１１の共振周波数を低くするためには、楕円シェル１２自体の伸縮モードに関する共振周波数を低下させる必要がある。
【０００７】
そこで、楕円シェル１２の共振周波数を低くするためには、楕円シェル１２の寸法を大きくするか、又は楕円シェル１２の肉厚を薄くする必要がある。しかしながら、楕円シェル１２の大型化は、望ましい手段ではない。また、楕円シェル１２の薄肉化は、機械的強度を低下させると共に、音響放射能力も低下させることになる。
【０００８】
図７に示すような特許文献１に記載の水中音響送波器１１においては、楕円シェル１２の内側に設けた突起部１５により見かけの密度を増加させている。しかしながら、突起部１５は、楕円シェル１２と同じ軽量材料、例えば密度２，８００ｋｇ／ｍ３程度のアルミニウム合金、で形成されている。そのため、共振周波数を低下させる効果は小さいものとなっている。このアルミニウム合金の突起部１５を大きくして共振周波数を低下させようとしても、伸縮時にアクティブ柱状体１３（電歪素子１３ａ）と接触しない程度までしか突起部１５を大きくすることができない。一方、この突起部１５の全体をアルミニウム合金より高密度の材料、例えばステンレススチール等、で形成した場合には、共振周波数をより低下させることはできる。しかしながら、突起部１５の重みにより楕円シェル１２の変位が小さくなるため、音響送波レベルが大きく低下する（例えば５ｄＢ以上）ことになる。
【０００９】
本発明の目的は、音響放射能力の維持を図りながらも、共振周波数の低周波数化ないし小型化を実現する水中音響送波器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の第１視点によれば、筒状ハウジングである楕円シェルの伸縮運動により音波を送波する水中音響送波器において、楕円シェルは、その内面に複数の突起部を有し、複数の突起部のうち少なくとも１つの突起部は、密度が異なる少なくとも２種類の材質で形成され、少なくとも１つの突起部の重心は、少なくとも１つの突起部が単一の材質で形成されている場合の重心の位置より突起部の開放端側にある水中音響送波器を提供する。
【００１１】
上記第１視点の好ましい形態によれば、突起部は、少なくとも２種類の材質が、突起部の高さ方向に積層して形成されている。さらに好ましい形態によれば、突起部は、第１材質と、第１材質より高密度の第２材質とが突起部の高さ方向に積層して形成され、第２材質が第１材質より突起部の開放端側にあり、複数の突起部における第２材質の総体積は、複数の突起部の総体積の２０％〜６０％である。
【００１２】
上記第１視点の好ましい形態によれば、楕円シェルの内部に、楕円シェルの長軸に沿って積層された複数の振動素子を有し、楕円シェルは、複数の振動素子の振動運動によって伸縮運動をし、突起部は、楕円シェルの伸縮運動時に振動素子に接触しない。
【００１３】
上記第１視点の好ましい形態によれば、楕円シェルの楕円形状を示す断面において、突起部は、楕円シェルと長軸の一端の交点と、楕円シェルと長軸の他端の交点との間において、楕円シェルと短軸の交点を中心として少なくとも５０％の領域に形成されている。
【００１４】
上記第１視点の好ましい形態によれば、楕円シェルの楕円形状を示す断面において、突起部は、根元側から開放端側に向けて、同径であるか、又は縮径している。
【００１５】
上記第１視点の好ましい形態によれば、第１材質はアルミニウム合金であり、第２材質はステンレススチールである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の水中音響送波器においては、突起部が付加質量となる（見かけの密度を増加させる）ことにより、共振周波数を低下させることができる。また、突起部において楕円シェルのより内側に重みを掛けることにより、音響送波レベルの低下を抑制することができる。
【００１７】
したがって、本発明の水中音響送波器によれば、全体の外形寸法を大きくすることなく、かつ音響送波レベルを大きく低下させることなく、共振周波数を低下させることができる（または、音響送波レベルを大きく低下させることなく、かつ共振周波数を高くすることなく、小型化することができる）。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明の第１実施形態に係る水中音響送波器について説明する。図１に、本発明の第１実施形態に係る水中音響送波器の断面図を示す。水中音響送波器１は、フレックステンショナル（Flextensional）型の水中音響送波器である。水中音響送波器１は、断面（開口）が楕円形状の筒状ハウジングである楕円シェル２と、楕円シェル内部において振動素子３ａが長軸方向に沿って積層したアクティブ柱状体３と、アクティブ柱状体３の振動変位を楕円シェル２に伝達するヒンジ部４と、複数の突起部５と、を有する。アクティブ柱状体３は、その両端に配したヒンジ部４を介して楕円シェル２の高曲率部分（長軸との交点付近）に接続されている。また、アクティブ柱状体３は、電気信号（電圧）が印加可能に構成されている。アクティブ柱状体３に電気信号が印加されると、アクティブ柱状体３は、楕円シェル２の長軸方向に振動する。アクティブ柱状体３の振動変位により、楕円シェル２は長軸方向と短軸方向で伸長と収縮を交互に繰り返す伸縮運動を行う。このとき、楕円シェル２の特性上、短軸方向の伸縮変位は、長軸方向の伸縮変位（アクティブ柱状体３の振動変位）よりも大きくなる。水中音響送波器１は、この楕円シェル２の伸縮運動により音波を放射する。
【００１９】
楕円シェル２の材質は、水中における音響放射に対する音響インピーダンスの整合をとるために、及び大きな音響送波レベルを得るために、アルミニウム合金が好ましい。振動素子３ａとしては、板状の圧電素子（電歪素子）又は磁歪素子、例えばジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）等の圧電セラミック、を使用することができる。ヒンジ部４の材質は、ステンレススチール、炭素鋼、モリブデン鋼等の強度の強いものが好ましく、又は楕円シェル２と同じ、例えばアルミニウム合金、であってもよい。
【００２０】
本発明の水中音響送波器１における楕円シェル２の内面（内壁）には複数の突起部５が形成されている。ここで、複数の突起部５のうち少なくとも１つの突起部は、密度の異なる複数の材質で形成されている。複数の突起部５のうち少なくとも１つ、好ましくは３０％以上、より好ましくは５０％以上、より好ましくは７０％以上、さらに好ましくは１００％、の突起部５の重心は、該突起部５が単一の材質で形成されている場合の重心の位置より突起部の開放端側（楕円シェル２の内側より）にある。また、突起部５を１つの材質で形成したとしても、細径化、凹部（穴）の形成、貫通孔の形成（空洞化）、多孔質化等により開放端側に重心を移動させることも可能である。
【００２１】
突起部５の質量は、楕円シェル２の共振周波数や音響送波レベルに応じて適宜設定することができる。例えば、突起部５を有する楕円シェル２の質量は、複数の突起部５によって、突起部を有さない楕円シェルの質量より５％〜４０％、より好ましくは１０％〜３０％、増大すると好ましい。
【００２２】
図１に示す形態においては、突起部５は、密度の異なる２種類の材質、第１材質５ａ及び第１材質５ａより高密度の第２材質５ｂ、を有し、根元側（外側）の第１材質５ａと開放端側（内側）の第２材質５ｂとが突起部５の高さ方向に積層して形成されている。第１材質５ａの材質は、好ましくは金属であり、例えば、楕円シェル２と同じにすることができる。このとき、第１材質５ａは、楕円シェル２の内面（内壁）の機械的加工によって楕円シェル２と一体的に形成することができる。または、楕円シェル２の内面に別部材として取り付けた（固定した）ものでもよい。第２材質５ｂの材質は、第１材質５ａの密度より高いものであり、好ましくは、第２材質５ｂの密度は、第１材質５ａの密度の１．５倍〜４倍、より好ましくは２倍〜４倍、さらに好ましくは２．５倍〜４倍である。第１材質５ａと第２材質５ｂの密度の差が大きいほど、突起部５の重心を開放端側に移動させやすくなる。例えば、第１材質５ａが密度約２，８００ｋｇ／ｍ３のアルミニウム合金である場合、第２材質５ｂとして、鉄、銅、ニッケル、もしくはこれらのうちの少なくとも１つを含む合金、又は密度約８，０００ｋｇ／ｍ３のステンレススチールを使用することができる。本発明の水中音響送波器１は、水中、特に海水中、において使用されるので、腐食防止の観点から、第２材質５ｂは、特にステンレススチールが好ましい。
【００２３】
水中音響送波器１における第２材質５ｂの総体積は、複数の突起部５の総体積に対して、好ましくは２０％〜６０％である。より好ましくは、第２材質５ｂを有する各突起部５において、第２材質５ｂの体積がその突起部５の体積の２０％〜６０％になるようにする。特に、音響送波レベルが多少低下したとしても共振周波数をより低くしたい場合には、第２材質５ｂの総体積を、複数の突起部５の総体積に対して、好ましくは４０％〜６０％、より好ましくは５０％〜６０％にする。一方、共振周波数を低くしたいが音響送波レベルはできるだけ低下させたくない場合には、第２材質５ｂの総体積を、複数の突起部５の総体積に対して、好ましくは２０％〜４０％、より好ましくは２０％〜３０％にする。ここで、第２材質５ｂの体積割合が２０％未満であると、共振周波数を効果的に低くすることができない。また、第２材質５ｂの体積割合が６０％を超えると、音響送波レベルが大きく低下してしまうことになる。
【００２４】
ここで、突起部５の領域（範囲）について説明する。図２に、突起部５の領域を求めるための部分概略図を示す。図２は、１つの突起部５の断面図であり、図２（ａ）は、図１に示すような本発明の第１実施形態に係る突起部を示し、図２（ｂ）は、図７に示すような単一の材質から形成された突起部を示す。また、図２におけるハッチングは、突起部５の領域を示している。図２（ａ）における突起部５と楕円シェル２の境界線８は、突起部５の左側面と楕円シェル２の内面との交点１０ａと突起部５の右側面と楕円シェル２の内面との交点１０ｂとを結ぶ線である。本発明においては、この境界線８によって突起部５の領域を定めることとし、この領域を基に突起部５の重心の位置及び体積を求めることとする。
【００２５】
図２を参照して、突起部５の重心位置について説明する。図２（ａ）に示す突起部５は、図１と同様にして第１材質５ａと第２材質５ｂで形成されている。一方、図２（ｂ）に示す突起部１５は、図２（ａ）に示す突起部５と同じ大きさ及び同じ形状であるが、第１材質５ａのみで形成されている。図２（ａ）に示す突起部５と図２（ｂ）に示す突起部１５の重心９の位置を比較すると、第２材質５ｂは第１材質５ａより高密度であるので、図２（ａ）に示す突起部５の重心９の位置は、図２（ｂ）に示す突起部１５の重心９の位置よりも開放端（先端）側にある。このように、本発明においては、密度の異なる複数の材質を組み合わせることによって、単一部材で形成された突起部１５の重心位置より開放端側に突起部５の重心を移動させている。突起部５の重心位置を開放端側に形成することにより、音響送波レベルの低下を抑制することができる。例えば、重さは同一であるが重心位置が異なる２つの突起部がある場合に、この２つの突起部は、重さが同じであるので共振周波数の低下率は同じである。しかしながら、重心の位置が異なると、音響送波レベルの低下率が異なってくる。すなわち、重心位置が根元側にある突起部よりも開放端側にある突起部のほうが音響送波レベルの低下を小さくすることができる。なお、第２材質５ｂの形成箇所は、図１及び図２（ａ）に示すような突起部５の最先端に限定されることなく、突起部５の重心を移動させることができる箇所であればどこでもよい。
【００２６】
また、突起部５の体積は、図２（ａ）において境界線８によって区切られた第１材質５ａの体積と第２材質５ｂの体積（ハッチング領域の体積）の合計である。したがって、図２（ａ）に示す突起部５における第２材質５ｂの体積割合（％）は、［第２材質５ｂの体積］／［第１材質５ａの体積＋第２材質５ｂの体積］×１００となる。
【００２７】
突起部５の形状は、種々の形状を選択することができる。図３及び図４に、突起部５の概略斜視図を示す（第１材質及び第２材質は不図示）。突起部５は、例えば、図３に示すように、脈状（帯状）の突起にすることができる。または、突起部５は、図４に示すように、柱状（点状ないしブロック状）の突起であってもよい。また、図３に示す形態においては、突起部５は、楕円シェル２の開口間を垂直方向に延在しているが、突起部５の延在方向はこの方向に限定されない。例えば、脈状の突起部５は、楕円シェル２の周方向（図３に示す形態に対して垂直方向）に沿って延在していても、楕円シェル２開口間を斜行するように延在していても、又はらせん状（ネジ山状）に形成されていてもよい。また、突起部５は、楕円シェル２の伸縮運動時に互いに接触しないように、根元側から開放端側に向かって径（太さ）が変化しないか、又は縮径（細化）していると好ましい。
【００２８】
突起部５の大きさ（高さ、幅、長さ、間隔）は、所望の共振周波数及び音響送波レベルになるように適宜決定する。突起部５は、楕円シェル２が短軸方向に収縮したときに、突起部５の先端がアクティブ柱状体３に接触しない範囲まで高くすることができる。各突起部５の高さはそれぞれ任意に設定することができるが、楕円シェル２の低曲率部分（アクティブ柱状体３との間隔が大きい部分）にある突起部５の高さをより高くし、かつ第２材質の割合を大きくすると、低周波数化の効果を大きくすることができる。突起部５間の間隔は、楕円シェル２の伸縮運動時に突起部５が互いに接触しないように設定する。
【００２９】
図１に示す形態においては、突起部５は、楕円シェル２の一部（低曲率部分）にのみ形成されているが、互いに接触しない範囲において楕円シェル２内面の全面に亘って（一方のヒンジ部４から他方のヒンジ部４まで）形成してもよい。突起部５を楕円シェル２内面の一部に形成する場合、音響放射に寄与するのは低曲率のシェル部分であるので、突起部５は、低曲率側に形成するようにする。また、第２材質５ｂはすべての突起部に形成しなくてもよく、一部の突起部のみに形成することもできる。このとき、第２材質５ｂを有する突起部５が形成された領域Ｒ１は、楕円シェル２と長軸６の一端の交点２ａと、楕円シェル２と長軸６の他端の交点２ｂとの間の領域Ｒ２において、楕円シェル２と短軸７の交点２ｃを中心として、５０％以上、より好ましくは７０％以上、さらに好ましくは９０％以上を占めると好ましい。また、突起部５は、長軸６（アクティブ柱状体３）を中心として、楕円シェル２の両側に対称に形成すると好ましい。
【００３０】
本発明の水中音響送波器１によれば、楕円シェル２の内側に高密度の第２材質５ｂを有する突起部５を形成することにより、楕円シェル２の外形を大きくすることなく、図７に示すような第１材質５ａのみで形成された突起部１５を有する水中音響送波器１１よりも共振周波数を低下させることができる。さらに、突起部５の先端側に第２材質５ｂを形成することにより、音響送波レベルの低下を抑制することができる。
【００３１】
次に、本発明の第２実施形態に係る水中音響送波器について説明する。図５に、本発明の第２実施形態に係る水中音響送波器の断面図を示す。第１実施形態においては、突起部５は２種類の材質で形成されていたが、第２実施形態においては、突起部５は、３種類の材質で形成されている。すなわち、突起部５は、第１材質５ａ、第３材質５ｃ、及び第２材質５ｂが、突起部５の高さ方向に積層して構成されている。このとき、楕円シェル２は、突起部５により、５％〜４０％、より好ましくは１０％〜３０％質量が増加すると好ましい。突起部５の開放端（先端）側にある第２材質５ｂ及び／又は第３材質５ｃの密度は、第１材質５ａより高くする。好ましくは、第２材質５ｂ及び／又は第３材質５ｃの密度は、第１材質５ａの密度の１．５倍〜４倍、より好ましくは２倍〜４倍、さらに好ましくは２．５倍〜４倍にする。また、第２材質５ｂの密度は、第３材質５ｃの密度より高いと好ましい。複数の突起部５における第２材質５ｂと第３材質５ｃとを合わせた総体積は、複数の突起部５の総体積に対して２０％〜６０％になると好ましい。
【実施例１】
【００３２】
本発明の水中音響送波器を作製し、突起部を有さない水中音響送波器と共振周波数及び送波レベルを比較した。実施例１において作製した本発明の水中音響送波器（以下、「送波器Ａとする」は、第１実施形態に係る図１に示すような形態であり、楕円シェル、アクティブ柱状体、ヒンジ部及び突起部を有する。楕円シェルは、密度約２，８００ｋｇ／ｍ３のアルミニウム合金で作製し、突起部の第１材質は、楕円シェルと一体的に形成した。第２材質は密度約８，０００ｋｇ／ｃｍ３のステンレススチールで形成し、第１質量部の先端に接着剤とネジ留めで強固に固定した。第２材質の体積割合は、突起部の総体積に対して２０％とした。また、送波器Ａの比較対照として、突起部を有していない水中音響送波器（以下、「送波器Ｅ」とする）を作製した。送波器Ｅは、突起部（第１材質及び第２材質）を有していない以外は、送波器Ａと寸法、材質、構造等はすべて同一である。
【００３３】
送波器Ａと送波器Ｅの共振周波数を比較したところ、送波器Ａの共振周波数は、送波器Ｅの共振周波数よりも１０％以上低かった。また、両送波器の送波電圧感度を比較したところ、送波器Ａと送波器Ｅの送波電圧感度はほとんど差がなかった。これより、突起部における体積割合が２０％の第２材質を有する本発明の水中音響送波器によれば、音響送波レベルを低下させることなく低周波数化を実現することができた。
【実施例２】
【００３４】
実施例２においては、第２材質の体積割合が６０％である本発明の水中音響送波器（以下、「送波器Ｂ」とする）を作製し、送波器Ｅと共振周波数を比較した。送波器Ｂは、第２材質の体積割合が異なる以外は、寸法、材質、構造等はすべて送波器Ａと同一である。
【００３５】
送波器Ｂと送波器Ｅの共振周波数を比較したところ、送波器Ｂの共振周波数は、送波器Ｅの共振周波数よりも１５％以上低かった。一方、送波器Ｂと送波器Ｅの送波電圧感度を比較したところ、送波器Ｂの送波電圧感度の低下は、送波器Ｅの送波電圧感度に対して２ｄＢ以下であった。これより、突起部における体積割合が６０％の第２材質を有する本発明の水中音響送波器によれば、音響送波レベルをほとんど低下させることなく、低周波数化を実現することができた。
【実施例３】
【００３６】
［比較例１］
突起部がすべて、楕円シェルと同じアルミニウム合金で形成された水中音響送波器（以下、「送波器Ｃ」とする）を作製し、送波器Ｅと共振周波数を比較した。送波器Ｃは、送波器Ａの第２材質がアルミニウム合金で形成されている以外は、寸法、材質、構造等はすべて送波器Ａと同一である。
【００３７】
送波器Ｃと送波器Ｅの共振周波数を比較したところ、送波器Ｃの共振周波数は、送波器Ｅの共振周波数よりも５％程度低くなっただけであった。これより、楕円シェルと同じ材料で突起部を形成しただけでは、低周波数化の効果は小さいことが判明した。
【実施例４】
【００３８】
［比較例２］
突起部がすべてステンレススチールで形成された水中音響送波器（以下、「送波器Ｄ」とする）を作製し、送波器Ｅと共振周波数を比較した。送波器Ｄは、送波器Ａの突起部（第１材質）がステンレススチールで形成されている以外は、寸法、材質、構造等はすべて送波器Ａと同一である。
【００３９】
送波器Ｄと送波器Ｅの共振周波数を比較したところ、送波器Ｄの共振周波数は、送波器Ｅの共振周波数よりも２０％近く低下した。しかしながら、送波器Ｄと送波器Ｅの送波電圧感度を比較したところ、送波器Ｄの音響送波レベルは、送波器Ｅの音響送波レベルに対して５〜１０ｄＢ低下した。これより、突起部を重くするだけでは、低周波数化を実現することができても、音響送波レベルまで低下させてしまうことが判明した。
【００４０】
以上の実施例及び比較例より、アルミニウム合金の第１材質とアルミニウム合金の密度の約２．９倍であるステンレススチールの第２材質とで突起部を形成し、第２材質の体積割合を２０％〜６０％にすると、音響送波レベルを大きく低下させることなく、共振周波数を低下させた水中音響送波器を実現可能となることが判明した。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明の水中音響送波器は、遠距離ソナー、海洋資源探査等の音響送波器として利用することができる。また、本発明の水中音響送波器には、水中音響受波器を付加することも可能である。
【００４２】
本発明は、上記実施形態に限定されることなく、本発明の範囲内における種々の変更、変形ないし改良を含む形態で実施可能であることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の第１実施形態に係る水中音響送波器の概略断面図。
【図２】突起部の範囲を説明するための部分概略図。
【図３】突起部の形状の一例を示す概略斜視図。
【図４】突起部の形状の一例を示す概略斜視図。
【図５】本発明の第２実施形態に係る水中音響送波器の概略断面図。
【図６】従来技術に係る水中音響送波器の概略断面図。
【図７】従来技術に係る水中音響送波器の概略断面図。
【符号の説明】
【００４４】
１ 水中音響送波器
２ 楕円シェル
２ａ，２ｂ 長軸との交点
２ｃ 短軸との交点
３ アクティブ柱状体
３ａ 振動素子
４ ヒンジ部
５ 突起部
５ａ 第１材質
５ｂ 第２材質
５ｃ 第３材質
６ 長軸
７ 短軸
８ 境界線
９ 重心
１０ 突起部側面と楕円シェル内面との交点
１１ 水中音響送波器
１２ 楕円シェル
１３ アクティブ柱状体
１３ａ 振動素子
１４ ヒンジ部
１５ 突起部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水中において音波を送波する水中音響送波器に関する。
【背景技術】
【０００２】
水中において、低周波音波は高周波音波と比較して伝搬損失が少なく、より遠方まで到達できる。そのため、低周波音波は、ソナー、海洋資源探査、海流の調査などの分野において利用されている。この低周波音波の探知能力にとっては、音波を発生させる音源のハイパワー化が重要事項である。このようなハイパワーを有する低周波送波器の代表的な存在として、特許文献１〜３及び非特許文献１に記載されているようなフレックステンショナル・トランスデューサ（Flextensional Transducer）（水中音響送波器）が知られている。図６に、特許文献２〜３及び非特許文献１に記載されている水中音響送波器の概略断面図を示す。水中音響送波器１１は、断面が楕円の筒状ハウジングである楕円シェル１２、圧電セラミックである複数の振動素子１３ａが楕円シェル１２の長軸に沿って積層したアクティブ柱状体１３、及びアクティブ柱状体１３の振動変位を楕円シェル１２に伝達するヒンジ部１４を有する。
【０００３】
水中音響送波器１１の音波放射の動作について説明する。アクティブ柱状体１３に電気エネルギーが供給されると、圧電効果によりアクティブ柱状体１３は積層方向（楕円シェル１２の長軸方向）に振動変位（機械エネルギー）を発生する。この振動変位は、ヒンジ部１４を通じて楕円シェル１２に伝導する。これにより、楕円シェル１２は、長軸方向と短軸方向で伸長と収縮を交互に繰り返す伸縮運動を行う。図６に、楕円シェル１２が長軸方向に伸長したときの変位を矢印で示す。楕円シェル１２が長軸方向に伸長したとき、楕円シェル１２は短軸方向に収縮する。このとき、短軸方向の変位は、長軸方向の変位よりも大きくなる。そして、楕円シェル１２が長軸方向に復元（収縮）するとき、短軸方向にも同時に復元（伸長）する。すなわち、楕円シェル１２がこの伸縮運動を繰り返すことにより、音波が楕円シェル１２から放射される。
【０００４】
ここで、楕円シェル１２の共振周波数を低くするためには、楕円シェル１２の寸法を大きくするか、又は楕円シェル１２を薄肉化する必要がある。図７に示すような特許文献１に記載の水中音響送波器１１においては、楕円シェル１２の内側の一部に、単一の材質からなる複数の突起部１５を設けている。この突起部１５は楕円シェル１２の見かけの密度を増加させている。これにより、特許文献１に記載の水中音響送波器１１においては、水中音響送波器１１の大きさを変更することなく、また楕円シェル１２の厚さを薄くすることなく、固有振動数の低下を図っている。
【０００５】
【特許文献１】特開昭６２−１３５１００号公報
【特許文献２】特開平５−５６４９４号公報
【特許文献３】米国特許３２７７４３３号明細書
【非特許文献１】ジャーナル・オブ・アコースティカル・ソサイアティー・オブ・アメリカ（Journal of Acoustical Society of America）、１９８０年、第６８巻、第４号、１０４６〜１０５２頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
図６に示すような水中音響送波器１１において、楕円シェル１２は、通常、音響インピーダンスにおいて水と整合が取りやすいアルミニウム合金等で構成されている。しかしながら、アクティブ柱状体１３のスチフネス（剛性）は楕円シェル１２のスチフネスに比べて相当大きいために、水中音響送波器１１の共振周波数は、楕円シェル１２自体の共振周波数の２倍ないしそれ以上の値となる。そのため、水中音響送波器１１の共振周波数を低くするためには、楕円シェル１２自体の伸縮モードに関する共振周波数を低下させる必要がある。
【０００７】
そこで、楕円シェル１２の共振周波数を低くするためには、楕円シェル１２の寸法を大きくするか、又は楕円シェル１２の肉厚を薄くする必要がある。しかしながら、楕円シェル１２の大型化は、望ましい手段ではない。また、楕円シェル１２の薄肉化は、機械的強度を低下させると共に、音響放射能力も低下させることになる。
【０００８】
図７に示すような特許文献１に記載の水中音響送波器１１においては、楕円シェル１２の内側に設けた突起部１５により見かけの密度を増加させている。しかしながら、突起部１５は、楕円シェル１２と同じ軽量材料、例えば密度２，８００ｋｇ／ｍ３程度のアルミニウム合金、で形成されている。そのため、共振周波数を低下させる効果は小さいものとなっている。このアルミニウム合金の突起部１５を大きくして共振周波数を低下させようとしても、伸縮時にアクティブ柱状体１３（電歪素子１３ａ）と接触しない程度までしか突起部１５を大きくすることができない。一方、この突起部１５の全体をアルミニウム合金より高密度の材料、例えばステンレススチール等、で形成した場合には、共振周波数をより低下させることはできる。しかしながら、突起部１５の重みにより楕円シェル１２の変位が小さくなるため、音響送波レベルが大きく低下する（例えば５ｄＢ以上）ことになる。
【０００９】
本発明の目的は、音響放射能力の維持を図りながらも、共振周波数の低周波数化ないし小型化を実現する水中音響送波器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の第１視点によれば、筒状ハウジングである楕円シェルの伸縮運動により音波を送波する水中音響送波器において、楕円シェルは、その内面に複数の突起部を有し、複数の突起部のうち少なくとも１つの突起部は、密度が異なる少なくとも２種類の材質で形成され、少なくとも１つの突起部の重心は、少なくとも１つの突起部が単一の材質で形成されている場合の重心の位置より突起部の開放端側にある水中音響送波器を提供する。
【００１１】
上記第１視点の好ましい形態によれば、突起部は、少なくとも２種類の材質が、突起部の高さ方向に積層して形成されている。さらに好ましい形態によれば、突起部は、第１材質と、第１材質より高密度の第２材質とが突起部の高さ方向に積層して形成され、第２材質が第１材質より突起部の開放端側にあり、複数の突起部における第２材質の総体積は、複数の突起部の総体積の２０％〜６０％である。
【００１２】
上記第１視点の好ましい形態によれば、楕円シェルの内部に、楕円シェルの長軸に沿って積層された複数の振動素子を有し、楕円シェルは、複数の振動素子の振動運動によって伸縮運動をし、突起部は、楕円シェルの伸縮運動時に振動素子に接触しない。
【００１３】
上記第１視点の好ましい形態によれば、楕円シェルの楕円形状を示す断面において、突起部は、楕円シェルと長軸の一端の交点と、楕円シェルと長軸の他端の交点との間において、楕円シェルと短軸の交点を中心として少なくとも５０％の領域に形成されている。
【００１４】
上記第１視点の好ましい形態によれば、楕円シェルの楕円形状を示す断面において、突起部は、根元側から開放端側に向けて、同径であるか、又は縮径している。
【００１５】
上記第１視点の好ましい形態によれば、第１材質はアルミニウム合金であり、第２材質はステンレススチールである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の水中音響送波器においては、突起部が付加質量となる（見かけの密度を増加させる）ことにより、共振周波数を低下させることができる。また、突起部において楕円シェルのより内側に重みを掛けることにより、音響送波レベルの低下を抑制することができる。
【００１７】
したがって、本発明の水中音響送波器によれば、全体の外形寸法を大きくすることなく、かつ音響送波レベルを大きく低下させることなく、共振周波数を低下させることができる（または、音響送波レベルを大きく低下させることなく、かつ共振周波数を高くすることなく、小型化することができる）。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明の第１実施形態に係る水中音響送波器について説明する。図１に、本発明の第１実施形態に係る水中音響送波器の断面図を示す。水中音響送波器１は、フレックステンショナル（Flextensional）型の水中音響送波器である。水中音響送波器１は、断面（開口）が楕円形状の筒状ハウジングである楕円シェル２と、楕円シェル内部において振動素子３ａが長軸方向に沿って積層したアクティブ柱状体３と、アクティブ柱状体３の振動変位を楕円シェル２に伝達するヒンジ部４と、複数の突起部５と、を有する。アクティブ柱状体３は、その両端に配したヒンジ部４を介して楕円シェル２の高曲率部分（長軸との交点付近）に接続されている。また、アクティブ柱状体３は、電気信号（電圧）が印加可能に構成されている。アクティブ柱状体３に電気信号が印加されると、アクティブ柱状体３は、楕円シェル２の長軸方向に振動する。アクティブ柱状体３の振動変位により、楕円シェル２は長軸方向と短軸方向で伸長と収縮を交互に繰り返す伸縮運動を行う。このとき、楕円シェル２の特性上、短軸方向の伸縮変位は、長軸方向の伸縮変位（アクティブ柱状体３の振動変位）よりも大きくなる。水中音響送波器１は、この楕円シェル２の伸縮運動により音波を放射する。
【００１９】
楕円シェル２の材質は、水中における音響放射に対する音響インピーダンスの整合をとるために、及び大きな音響送波レベルを得るために、アルミニウム合金が好ましい。振動素子３ａとしては、板状の圧電素子（電歪素子）又は磁歪素子、例えばジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）等の圧電セラミック、を使用することができる。ヒンジ部４の材質は、ステンレススチール、炭素鋼、モリブデン鋼等の強度の強いものが好ましく、又は楕円シェル２と同じ、例えばアルミニウム合金、であってもよい。
【００２０】
本発明の水中音響送波器１における楕円シェル２の内面（内壁）には複数の突起部５が形成されている。ここで、複数の突起部５のうち少なくとも１つの突起部は、密度の異なる複数の材質で形成されている。複数の突起部５のうち少なくとも１つ、好ましくは３０％以上、より好ましくは５０％以上、より好ましくは７０％以上、さらに好ましくは１００％、の突起部５の重心は、該突起部５が単一の材質で形成されている場合の重心の位置より突起部の開放端側（楕円シェル２の内側より）にある。また、突起部５を１つの材質で形成したとしても、細径化、凹部（穴）の形成、貫通孔の形成（空洞化）、多孔質化等により開放端側に重心を移動させることも可能である。
【００２１】
突起部５の質量は、楕円シェル２の共振周波数や音響送波レベルに応じて適宜設定することができる。例えば、突起部５を有する楕円シェル２の質量は、複数の突起部５によって、突起部を有さない楕円シェルの質量より５％〜４０％、より好ましくは１０％〜３０％、増大すると好ましい。
【００２２】
図１に示す形態においては、突起部５は、密度の異なる２種類の材質、第１材質５ａ及び第１材質５ａより高密度の第２材質５ｂ、を有し、根元側（外側）の第１材質５ａと開放端側（内側）の第２材質５ｂとが突起部５の高さ方向に積層して形成されている。第１材質５ａの材質は、好ましくは金属であり、例えば、楕円シェル２と同じにすることができる。このとき、第１材質５ａは、楕円シェル２の内面（内壁）の機械的加工によって楕円シェル２と一体的に形成することができる。または、楕円シェル２の内面に別部材として取り付けた（固定した）ものでもよい。第２材質５ｂの材質は、第１材質５ａの密度より高いものであり、好ましくは、第２材質５ｂの密度は、第１材質５ａの密度の１．５倍〜４倍、より好ましくは２倍〜４倍、さらに好ましくは２．５倍〜４倍である。第１材質５ａと第２材質５ｂの密度の差が大きいほど、突起部５の重心を開放端側に移動させやすくなる。例えば、第１材質５ａが密度約２，８００ｋｇ／ｍ３のアルミニウム合金である場合、第２材質５ｂとして、鉄、銅、ニッケル、もしくはこれらのうちの少なくとも１つを含む合金、又は密度約８，０００ｋｇ／ｍ３のステンレススチールを使用することができる。本発明の水中音響送波器１は、水中、特に海水中、において使用されるので、腐食防止の観点から、第２材質５ｂは、特にステンレススチールが好ましい。
【００２３】
水中音響送波器１における第２材質５ｂの総体積は、複数の突起部５の総体積に対して、好ましくは２０％〜６０％である。より好ましくは、第２材質５ｂを有する各突起部５において、第２材質５ｂの体積がその突起部５の体積の２０％〜６０％になるようにする。特に、音響送波レベルが多少低下したとしても共振周波数をより低くしたい場合には、第２材質５ｂの総体積を、複数の突起部５の総体積に対して、好ましくは４０％〜６０％、より好ましくは５０％〜６０％にする。一方、共振周波数を低くしたいが音響送波レベルはできるだけ低下させたくない場合には、第２材質５ｂの総体積を、複数の突起部５の総体積に対して、好ましくは２０％〜４０％、より好ましくは２０％〜３０％にする。ここで、第２材質５ｂの体積割合が２０％未満であると、共振周波数を効果的に低くすることができない。また、第２材質５ｂの体積割合が６０％を超えると、音響送波レベルが大きく低下してしまうことになる。
【００２４】
ここで、突起部５の領域（範囲）について説明する。図２に、突起部５の領域を求めるための部分概略図を示す。図２は、１つの突起部５の断面図であり、図２（ａ）は、図１に示すような本発明の第１実施形態に係る突起部を示し、図２（ｂ）は、図７に示すような単一の材質から形成された突起部を示す。また、図２におけるハッチングは、突起部５の領域を示している。図２（ａ）における突起部５と楕円シェル２の境界線８は、突起部５の左側面と楕円シェル２の内面との交点１０ａと突起部５の右側面と楕円シェル２の内面との交点１０ｂとを結ぶ線である。本発明においては、この境界線８によって突起部５の領域を定めることとし、この領域を基に突起部５の重心の位置及び体積を求めることとする。
【００２５】
図２を参照して、突起部５の重心位置について説明する。図２（ａ）に示す突起部５は、図１と同様にして第１材質５ａと第２材質５ｂで形成されている。一方、図２（ｂ）に示す突起部１５は、図２（ａ）に示す突起部５と同じ大きさ及び同じ形状であるが、第１材質５ａのみで形成されている。図２（ａ）に示す突起部５と図２（ｂ）に示す突起部１５の重心９の位置を比較すると、第２材質５ｂは第１材質５ａより高密度であるので、図２（ａ）に示す突起部５の重心９の位置は、図２（ｂ）に示す突起部１５の重心９の位置よりも開放端（先端）側にある。このように、本発明においては、密度の異なる複数の材質を組み合わせることによって、単一部材で形成された突起部１５の重心位置より開放端側に突起部５の重心を移動させている。突起部５の重心位置を開放端側に形成することにより、音響送波レベルの低下を抑制することができる。例えば、重さは同一であるが重心位置が異なる２つの突起部がある場合に、この２つの突起部は、重さが同じであるので共振周波数の低下率は同じである。しかしながら、重心の位置が異なると、音響送波レベルの低下率が異なってくる。すなわち、重心位置が根元側にある突起部よりも開放端側にある突起部のほうが音響送波レベルの低下を小さくすることができる。なお、第２材質５ｂの形成箇所は、図１及び図２（ａ）に示すような突起部５の最先端に限定されることなく、突起部５の重心を移動させることができる箇所であればどこでもよい。
【００２６】
また、突起部５の体積は、図２（ａ）において境界線８によって区切られた第１材質５ａの体積と第２材質５ｂの体積（ハッチング領域の体積）の合計である。したがって、図２（ａ）に示す突起部５における第２材質５ｂの体積割合（％）は、［第２材質５ｂの体積］／［第１材質５ａの体積＋第２材質５ｂの体積］×１００となる。
【００２７】
突起部５の形状は、種々の形状を選択することができる。図３及び図４に、突起部５の概略斜視図を示す（第１材質及び第２材質は不図示）。突起部５は、例えば、図３に示すように、脈状（帯状）の突起にすることができる。または、突起部５は、図４に示すように、柱状（点状ないしブロック状）の突起であってもよい。また、図３に示す形態においては、突起部５は、楕円シェル２の開口間を垂直方向に延在しているが、突起部５の延在方向はこの方向に限定されない。例えば、脈状の突起部５は、楕円シェル２の周方向（図３に示す形態に対して垂直方向）に沿って延在していても、楕円シェル２開口間を斜行するように延在していても、又はらせん状（ネジ山状）に形成されていてもよい。また、突起部５は、楕円シェル２の伸縮運動時に互いに接触しないように、根元側から開放端側に向かって径（太さ）が変化しないか、又は縮径（細化）していると好ましい。
【００２８】
突起部５の大きさ（高さ、幅、長さ、間隔）は、所望の共振周波数及び音響送波レベルになるように適宜決定する。突起部５は、楕円シェル２が短軸方向に収縮したときに、突起部５の先端がアクティブ柱状体３に接触しない範囲まで高くすることができる。各突起部５の高さはそれぞれ任意に設定することができるが、楕円シェル２の低曲率部分（アクティブ柱状体３との間隔が大きい部分）にある突起部５の高さをより高くし、かつ第２材質の割合を大きくすると、低周波数化の効果を大きくすることができる。突起部５間の間隔は、楕円シェル２の伸縮運動時に突起部５が互いに接触しないように設定する。
【００２９】
図１に示す形態においては、突起部５は、楕円シェル２の一部（低曲率部分）にのみ形成されているが、互いに接触しない範囲において楕円シェル２内面の全面に亘って（一方のヒンジ部４から他方のヒンジ部４まで）形成してもよい。突起部５を楕円シェル２内面の一部に形成する場合、音響放射に寄与するのは低曲率のシェル部分であるので、突起部５は、低曲率側に形成するようにする。また、第２材質５ｂはすべての突起部に形成しなくてもよく、一部の突起部のみに形成することもできる。このとき、第２材質５ｂを有する突起部５が形成された領域Ｒ１は、楕円シェル２と長軸６の一端の交点２ａと、楕円シェル２と長軸６の他端の交点２ｂとの間の領域Ｒ２において、楕円シェル２と短軸７の交点２ｃを中心として、５０％以上、より好ましくは７０％以上、さらに好ましくは９０％以上を占めると好ましい。また、突起部５は、長軸６（アクティブ柱状体３）を中心として、楕円シェル２の両側に対称に形成すると好ましい。
【００３０】
本発明の水中音響送波器１によれば、楕円シェル２の内側に高密度の第２材質５ｂを有する突起部５を形成することにより、楕円シェル２の外形を大きくすることなく、図７に示すような第１材質５ａのみで形成された突起部１５を有する水中音響送波器１１よりも共振周波数を低下させることができる。さらに、突起部５の先端側に第２材質５ｂを形成することにより、音響送波レベルの低下を抑制することができる。
【００３１】
次に、本発明の第２実施形態に係る水中音響送波器について説明する。図５に、本発明の第２実施形態に係る水中音響送波器の断面図を示す。第１実施形態においては、突起部５は２種類の材質で形成されていたが、第２実施形態においては、突起部５は、３種類の材質で形成されている。すなわち、突起部５は、第１材質５ａ、第３材質５ｃ、及び第２材質５ｂが、突起部５の高さ方向に積層して構成されている。このとき、楕円シェル２は、突起部５により、５％〜４０％、より好ましくは１０％〜３０％質量が増加すると好ましい。突起部５の開放端（先端）側にある第２材質５ｂ及び／又は第３材質５ｃの密度は、第１材質５ａより高くする。好ましくは、第２材質５ｂ及び／又は第３材質５ｃの密度は、第１材質５ａの密度の１．５倍〜４倍、より好ましくは２倍〜４倍、さらに好ましくは２．５倍〜４倍にする。また、第２材質５ｂの密度は、第３材質５ｃの密度より高いと好ましい。複数の突起部５における第２材質５ｂと第３材質５ｃとを合わせた総体積は、複数の突起部５の総体積に対して２０％〜６０％になると好ましい。
【実施例１】
【００３２】
本発明の水中音響送波器を作製し、突起部を有さない水中音響送波器と共振周波数及び送波レベルを比較した。実施例１において作製した本発明の水中音響送波器（以下、「送波器Ａとする」は、第１実施形態に係る図１に示すような形態であり、楕円シェル、アクティブ柱状体、ヒンジ部及び突起部を有する。楕円シェルは、密度約２，８００ｋｇ／ｍ３のアルミニウム合金で作製し、突起部の第１材質は、楕円シェルと一体的に形成した。第２材質は密度約８，０００ｋｇ／ｃｍ３のステンレススチールで形成し、第１質量部の先端に接着剤とネジ留めで強固に固定した。第２材質の体積割合は、突起部の総体積に対して２０％とした。また、送波器Ａの比較対照として、突起部を有していない水中音響送波器（以下、「送波器Ｅ」とする）を作製した。送波器Ｅは、突起部（第１材質及び第２材質）を有していない以外は、送波器Ａと寸法、材質、構造等はすべて同一である。
【００３３】
送波器Ａと送波器Ｅの共振周波数を比較したところ、送波器Ａの共振周波数は、送波器Ｅの共振周波数よりも１０％以上低かった。また、両送波器の送波電圧感度を比較したところ、送波器Ａと送波器Ｅの送波電圧感度はほとんど差がなかった。これより、突起部における体積割合が２０％の第２材質を有する本発明の水中音響送波器によれば、音響送波レベルを低下させることなく低周波数化を実現することができた。
【実施例２】
【００３４】
実施例２においては、第２材質の体積割合が６０％である本発明の水中音響送波器（以下、「送波器Ｂ」とする）を作製し、送波器Ｅと共振周波数を比較した。送波器Ｂは、第２材質の体積割合が異なる以外は、寸法、材質、構造等はすべて送波器Ａと同一である。
【００３５】
送波器Ｂと送波器Ｅの共振周波数を比較したところ、送波器Ｂの共振周波数は、送波器Ｅの共振周波数よりも１５％以上低かった。一方、送波器Ｂと送波器Ｅの送波電圧感度を比較したところ、送波器Ｂの送波電圧感度の低下は、送波器Ｅの送波電圧感度に対して２ｄＢ以下であった。これより、突起部における体積割合が６０％の第２材質を有する本発明の水中音響送波器によれば、音響送波レベルをほとんど低下させることなく、低周波数化を実現することができた。
【実施例３】
【００３６】
［比較例１］
突起部がすべて、楕円シェルと同じアルミニウム合金で形成された水中音響送波器（以下、「送波器Ｃ」とする）を作製し、送波器Ｅと共振周波数を比較した。送波器Ｃは、送波器Ａの第２材質がアルミニウム合金で形成されている以外は、寸法、材質、構造等はすべて送波器Ａと同一である。
【００３７】
送波器Ｃと送波器Ｅの共振周波数を比較したところ、送波器Ｃの共振周波数は、送波器Ｅの共振周波数よりも５％程度低くなっただけであった。これより、楕円シェルと同じ材料で突起部を形成しただけでは、低周波数化の効果は小さいことが判明した。
【実施例４】
【００３８】
［比較例２］
突起部がすべてステンレススチールで形成された水中音響送波器（以下、「送波器Ｄ」とする）を作製し、送波器Ｅと共振周波数を比較した。送波器Ｄは、送波器Ａの突起部（第１材質）がステンレススチールで形成されている以外は、寸法、材質、構造等はすべて送波器Ａと同一である。
【００３９】
送波器Ｄと送波器Ｅの共振周波数を比較したところ、送波器Ｄの共振周波数は、送波器Ｅの共振周波数よりも２０％近く低下した。しかしながら、送波器Ｄと送波器Ｅの送波電圧感度を比較したところ、送波器Ｄの音響送波レベルは、送波器Ｅの音響送波レベルに対して５〜１０ｄＢ低下した。これより、突起部を重くするだけでは、低周波数化を実現することができても、音響送波レベルまで低下させてしまうことが判明した。
【００４０】
以上の実施例及び比較例より、アルミニウム合金の第１材質とアルミニウム合金の密度の約２．９倍であるステンレススチールの第２材質とで突起部を形成し、第２材質の体積割合を２０％〜６０％にすると、音響送波レベルを大きく低下させることなく、共振周波数を低下させた水中音響送波器を実現可能となることが判明した。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明の水中音響送波器は、遠距離ソナー、海洋資源探査等の音響送波器として利用することができる。また、本発明の水中音響送波器には、水中音響受波器を付加することも可能である。
【００４２】
本発明は、上記実施形態に限定されることなく、本発明の範囲内における種々の変更、変形ないし改良を含む形態で実施可能であることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の第１実施形態に係る水中音響送波器の概略断面図。
【図２】突起部の範囲を説明するための部分概略図。
【図３】突起部の形状の一例を示す概略斜視図。
【図４】突起部の形状の一例を示す概略斜視図。
【図５】本発明の第２実施形態に係る水中音響送波器の概略断面図。
【図６】従来技術に係る水中音響送波器の概略断面図。
【図７】従来技術に係る水中音響送波器の概略断面図。
【符号の説明】
【００４４】
１ 水中音響送波器
２ 楕円シェル
２ａ，２ｂ 長軸との交点
２ｃ 短軸との交点
３ アクティブ柱状体
３ａ 振動素子
４ ヒンジ部
５ 突起部
５ａ 第１材質
５ｂ 第２材質
５ｃ 第３材質
６ 長軸
７ 短軸
８ 境界線
９ 重心
１０ 突起部側面と楕円シェル内面との交点
１１ 水中音響送波器
１２ 楕円シェル
１３ アクティブ柱状体
１３ａ 振動素子
１４ ヒンジ部
１５ 突起部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒状ハウジングである楕円シェルの伸縮運動により音波を送波する水中音響送波器において、
前記楕円シェルは、その内面に複数の突起部を有し、
前記複数の突起部のうち少なくとも１つの突起部は、密度が異なる少なくとも２種類の材質で形成され、
前記少なくとも１つの突起部の重心は、前記少なくとも１つの突起部が単一の材質で形成されている場合の重心の位置より前記突起部の開放端側にあることを特徴とする水中音響送波器。
【請求項２】
前記突起部は、前記少なくとも２種類の材質が、前記突起部の高さ方向に積層して形成されていることを特徴とする請求項１に記載の水中音響送波器。
【請求項３】
前記突起部は、第１材質と、前記第１材質より高密度の第２材質とが前記突起部の高さ方向に積層して形成され、
前記第２材質が前記第１材質より前記突起部の開放端側にあり、
前記複数の突起部における前記第２材質の総体積は、前記複数の突起部の総体積の２０％〜６０％であることを特徴とする請求項２に記載の水中音響送波器。
【請求項４】
前記楕円シェルの内部に、前記楕円シェルの長軸に沿って積層された複数の振動素子を有し、
前記楕円シェルは、前記複数の振動素子の振動運動によって伸縮運動をし、
前記突起部は、前記楕円シェルの伸縮運動時に前記振動素子に接触しないことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の水中音響送波器。
【請求項５】
前記楕円シェルの楕円形状を示す断面において、
前記突起部は、前記楕円シェルと長軸の一端の交点と、前記楕円シェルと長軸の他端の交点との間において、前記楕円シェルと短軸の交点を中心として少なくとも５０％の領域に形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の水中音響送波器。
【請求項６】
前記楕円シェルの楕円形状を示す断面において、
前記突起部は、根元側から開放端側に向けて、同径であるか、又は縮径していることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の水中音響送波器。
【請求項７】
前記第１材質はアルミニウム合金であり、
前記第２材質はステンレススチールであることを特徴とする請求項３〜６のいずれか一項に記載の水中音響送波器。
【請求項１】
筒状ハウジングである楕円シェルの伸縮運動により音波を送波する水中音響送波器において、
前記楕円シェルは、その内面に複数の突起部を有し、
前記複数の突起部のうち少なくとも１つの突起部は、密度が異なる少なくとも２種類の材質で形成され、
前記少なくとも１つの突起部の重心は、前記少なくとも１つの突起部が単一の材質で形成されている場合の重心の位置より前記突起部の開放端側にあることを特徴とする水中音響送波器。
【請求項２】
前記突起部は、前記少なくとも２種類の材質が、前記突起部の高さ方向に積層して形成されていることを特徴とする請求項１に記載の水中音響送波器。
【請求項３】
前記突起部は、第１材質と、前記第１材質より高密度の第２材質とが前記突起部の高さ方向に積層して形成され、
前記第２材質が前記第１材質より前記突起部の開放端側にあり、
前記複数の突起部における前記第２材質の総体積は、前記複数の突起部の総体積の２０％〜６０％であることを特徴とする請求項２に記載の水中音響送波器。
【請求項４】
前記楕円シェルの内部に、前記楕円シェルの長軸に沿って積層された複数の振動素子を有し、
前記楕円シェルは、前記複数の振動素子の振動運動によって伸縮運動をし、
前記突起部は、前記楕円シェルの伸縮運動時に前記振動素子に接触しないことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の水中音響送波器。
【請求項５】
前記楕円シェルの楕円形状を示す断面において、
前記突起部は、前記楕円シェルと長軸の一端の交点と、前記楕円シェルと長軸の他端の交点との間において、前記楕円シェルと短軸の交点を中心として少なくとも５０％の領域に形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の水中音響送波器。
【請求項６】
前記楕円シェルの楕円形状を示す断面において、
前記突起部は、根元側から開放端側に向けて、同径であるか、又は縮径していることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の水中音響送波器。
【請求項７】
前記第１材質はアルミニウム合金であり、
前記第２材質はステンレススチールであることを特徴とする請求項３〜６のいずれか一項に記載の水中音響送波器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００７−２７４１１３（Ｐ２００７−２７４１１３Ａ）
【公開日】平成１９年１０月１８日（２００７．１０．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−９４５８７（Ｐ２００６−９４５８７）
【出願日】平成１８年３月３０日（２００６．３．３０）
【出願人】（０００００４２３７）日本電気株式会社 (19,353)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１０月１８日（２００７．１０．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年３月３０日（２００６．３．３０）
【出願人】（０００００４２３７）日本電気株式会社 (19,353)
【Ｆターム（参考）】
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