CN111624611A - 声呐、超声波振子及其制造方法 - Google Patents

声呐、超声波振子及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种声呐。本发明的声呐具有：收发超声波的超声波振子(41)和使超声波振子(41)的中心轴倾斜及旋转的结构。超声波振子(41)具有兼作声匹配层的基材(42)、和由陶瓷制板状物构成的压电元件(43)。压电元件(43)由被分割的多个振动部(57)构成，且具有与基材(42)接合的前表面(51)及位于前表面(51)的相反侧的背表面(52)。另外，在压电元件(43)的背表面(52)上，导电网(91)涵盖背表面(52)全域而配置。并且，导电网(91)在与振动部(57)的端面(58)接触的状态下通过接合材料(90)而与振动部(57)的端面(58)相接合。通过提高压电元件与电极部分的接合强度，能够防止灵敏度下降。

Description

声呐、超声波振子及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种使用超声波探测鱼群等被探测物的声呐、适合声呐的超声波振子及其制造方法。
背景技术
现有技术中，已知有通过收发超声波来探测鱼群等被探测物的声呐(例如，参照专利文献1)。声呐具有收发超声波的超声波振子、和使超声波振子的中心轴倾斜及旋转的机构，通过一边使超声波振子旋转一边进行超声波的收发，来对水中进行探测。然后，将对水中进行探测的探测结果作为探测图像而显示在画面上。另外，超声波振子一般具有圆板状的压电元件和接合于压电元件的照射面的声匹配层。
另外，声呐需要探测更远距离的被探测物。因此，需要使超声波振子为高灵敏度。另外，由于通过高电压来驱动超声波振子，因此还需要提高发射声压。另外，作为使超声波振子成为高灵敏度的方法，如图21、图22所示，提出了使超声波振子101为复合结构，在该复合结构中，由被分割的多个柱部103构成压电元件102，且在相邻的柱部103间填充树脂材料104，其中所述压电元件102构成超声波振子101(例如，参照专利文献2～4)。这样一来，作为振动部的各柱部103分别易于变形，因此，压电元件102在各部位易于变形。即，压电元件102易于振动，因此，超声波振子101的灵敏度变高。
现有技术文献
专利文献
【专利文献1】日本特许第5979537号公报(权利要求1、图4等)
【专利文献2】日本特开2002-22718号公报(图1等)
【专利文献3】日本特开2018-113279号公报(图1、图4等)
【专利文献4】WO2011/083611号公报(图3等)
发明内容
另外，为了从超声波振子101收发超声波，需要在压电元件102的两表面侧形成电极105，且向两电极105间施加电压。然而，即使使用专利文献2～4那样的复合结构的超声波振子101，为了捕捉来自距离在水深500m以上的鱼群的反射，也需要以1.5kV左右的高电压来驱动超声波振子101。但是，在专利文献2～4的现有技术的结构中有以下问题，当以1.5kV长期地连续驱动超声波振子101时，会损伤电极105且使其从压电元件102剥离，由此会使灵敏度下降。
本发明是鉴于上述技术问题而完成的，其目的在于，提供一种通过提高压电元件与电极部分的接合强度，能够防止灵敏度下降的声呐和超声波振子。另外，另一目的在于，提供一种易于制作，且成品率高的超声波振子的制造方法。
为了解决上述技术问题，技术方案1所记载的发明的主旨是一种声呐，其具有收发超声波的超声波振子和使所述超声波振子的中心轴倾斜及旋转的机构，其特征在于，所述超声波振子具有：基材，其兼作声匹配层；和由陶瓷制板状物构成的压电元件，其由被分割的多个振动部构成，且具有与所述基材接合的前表面和位于前表面的相反侧的背表面，在所述压电元件的所述背表面上，导电网涵盖所述背表面全域而配置，并且，所述导电网在与所述多个振动部的端面接触的状态下通过接合材料与所述多个振动部的端面相接合。
因此，根据技术方案1所记载的发明，接合材料介于作为电极部分的导电网与压电元件之间，因此，接合材料还进入导电网的孔部，由此导电网与压电元件相接合。其结果，压电元件与导电网的接合强度变高，即使长期地连续驱动超声波振子，导电网也不易从压电元件剥离。因此，能够防止超声波振子的灵敏度下降。
另外，作为接合材料，能够使用接合力比较的牢固的环氧类粘接剂等粘接剂。另外，也可以代替粘接剂而使用焊料等钎料。
技术方案2所记载的发明的主旨在于，在技术方案1中，所述导电网是平织的金属网。
因此，根据技术方案2所记载的发明，通过编织构成导电网的网格的纵横的线材，线材成为上下起伏的形状。其结果，纵横的线材彼此的交叉部与振动部的端面的接触压力变大，因此，能够可靠地使导电网作为电极发挥作用。另外，在导电网中，由于细小的网格密集，因此，接合材料易于进入网格的隙间。因此，压电元件与导电网的接合强度进一步提高。另外，作为导电网的形成材料，能够举出铜、银等电阻小的金属线材。
技术方案3所记载的发明的主旨在于，在技术方案1或者2中，所述接合材料通过在进入所述导电网中的网格的隙间和所述多个振动部间的空隙双方的状态下固化，来使所述导电网与所述多个振动部的端面相接合。
因此，根据技术方案3所记载的发明，通过接合材料进入导电网中的网格的隙间和多个振动部间的空隙双方而得到的锚固效应，压电元件与导电网的接合强度进一步提高。其结果，可靠地防止导电网从压电元件剥离，因此，超声波振子的可靠性飞跃性提高。
技术方案4所记载的发明的主旨在于，在技术方案1至3中的任一技术方案中，所述多个振动部是以沿所述压电元件的厚度方向延伸的方式分割出的多个柱部。
因此，根据技术方案4所记载的发明，多个振动部是以沿压电元件的厚度方向延伸的方式分割的多个柱部，因此，各柱部分别易于在高度方向上变形。其结果，压电元件在各部位上易于沿厚度方向变形，或者压电元件易于振动，因此，即使在压电元件的背表面上配置有导电网，导电网也易于剥离。因此，通过将导电网经由接合材料接合在压电元件的背表面，能够可靠地防止导电网的剥离。另外，本说明书中，将“柱部”定义为从压电元件的厚度方向观察振动部时的最大尺寸在振动部的高度以下的柱部。
技术方案5所记载的发明的主旨在于，在技术方案1至4中，所述多个振动部在所述压电元件的所述前表面侧的端部相互连接。
因此，根据技术方案5所记载的发明，即使构成为将压电元件分割为多个振动部，也确保振动部在压电元件的前表面侧的端部彼此连接的部分的厚度。因此，能够确保压电元件的强度。
技术方案6所记载的发明的主旨在于，在技术方案1至5中，所述导电网的网格的尺寸比从所述压电元件的厚度方向观察所述振动部时的最大尺寸小。
因此，根据技术方案6所记载的发明，构成导电网的网格的线材可靠地与各振动部的端面的每一个接触。即，在各个端面内存在多个接触点。因此，通过使导电网与压电元件接合，导电网可靠地成为各振动部的端面的共用电极。
在此，作为振动部的端面的形状，能举出俯视观察时呈多边形或俯视观察时呈圆形等。在振动部为例如俯视观察时呈四边形状或俯视观察时呈六边形状所代表的俯视观察时呈多边形的情况下，从厚度方向来观察振动部时的最大尺寸是振动部的端面(背表面)的对角线的长度。另外，在振动部俯视观察时呈圆形的情况下，从厚度方向来观察振动部时的最大尺寸是振动部的端面的直径大小。
技术方案7所记载的发明的主旨在于，在技术方案1至6中的任一技术方案中，所述压电元件的所述前表面隔着前表面侧电极层而与所述基材相接合，所述前表面侧电极层是厚度均匀的平电极层。
因此，根据技术方案7所记载的发明，前表面侧电极层是平电极层，因此，压电元件与前表面侧电极层的接触面积变大，并且前表面侧电极层与基材的接触面积变大。因此，压电元件与基材的接合强度提高。
另外，基材能够考虑声阻抗率、超声波的频率、机械强度等而适宜地选择。作为基材的优选形成材料，例如能举出玻璃环氧树脂(FR-4)、玻璃环氧树脂(CEM-3)、聚苯硫醚(PPS)、DURATRON(QUADRANT集团的注册商标)、FLUOROSINT(QUADRANT集团的注册商标)，氧化铝的多孔体等。
技术方案8所记载的发明的主旨是收发超声波的超声波振子，其特征在于，具有：基材，其兼作声匹配层；和由陶瓷制板状物构成的压电元件，其由被分割的多个振动部构成，且具有与所述基材接合的前表面和位于前表面的相反侧的背表面，在所述压电元件的所述背表面上，导电网涵盖所述背表面全域而配置，并且，所述导电网在与所述多个振动部的端面接触的状态下通过接合材料与所述多个振动部的端面相接合。
因此，根据技术方案8所记载的发明，除了接合材料基于作为电极部分的导电网与压电元件之间之外，接合材料还进入导电网的孔部，由此导电网与压电元件相接合。其结果，压电元件与导电网的接合强度变高，因此，即使长期连续驱动超声波振子，导电网也不易从压电元件剥离。因此，能够防止超声波振子的灵敏度降低。
技术方案9所记载的发明的主旨是技术方案8所记载的超声波振子的制造方法，其特征在于，包括接合工序、振动部形成工序和网设置工序，其中，在所述接合工序中，使应该成为所述压电元件的陶瓷制板状物与所述基材的单面接合；所述振动部形成工序在所述接合工序后，通过在所述陶瓷制板状物的所述背表面侧形成多个缺口，将所述陶瓷制板状物以在所述前表面侧的端部彼此连接的状态下分割为所述多个振动部；所述网设置工序在所述振动部形成工序后，通过在所述压电元件的所述背表面上以使导电网与所述多个振动部端面接触的方式来设置所述导电网，且在该状态下通过接合材料来使所述导电网与所述多个振动部端面相接合。
因此，根据技术方案9所记载的发明，在陶瓷制板状物上形成缺口之前，使陶瓷制板状物与基材接合，因此，进行振动部形成工序时基材成为陶瓷制板状物的“支承体”。其结果，即使形成缺口也不易损坏陶瓷制板状物。另外，能够使缺口形成到陶瓷制板状物的相当深的位置。并且，通过形成缺口而将陶瓷制板状物的背表面进行分割之后，进行以使导电网与各振动部的端面接触的方式来配置的网设置工序，因此，仅仅配置导电网，能够易于与多个端面接触。并且，在网设置工序中，当经由接合材料使导电网与压电元件接合时，接合材料易于进入导电网中的网格的隙间和多个振动部间的空隙双方，因此，压电元件与导电网的接合强度变高。并且，接合材料进入各振动部间的空隙，由此，振动部彼此以不易被接合材料损坏的方式来支承。即，易于形成缺口，并且易于使导电网接合，因此，易于制作超声波振子。另外，易于制作超声波振子且不易损坏超声波振子，由此不良品的发生率降低，超声波振子的成品率也变高。
发明效果
如以上详细叙述的那样，根据技术方案1～8所记载的发明，能够通过提高压电元件与电极部分的接合强度来防止超声波振子的灵敏度降低。另外，根据技术方案9所记载的发明，能够制造一种易于制作，成品率高的超声波振子。
附图说明
图1是表示搭载有本实施方式的声呐的船舶的说明图。
图2是表示声呐、升降装置和液晶显示器的概略结构图。
图3是表示声呐的概略剖视图。
图4是表示声呐的概略剖视图。
图5是表示收容在壳体中的状态的超声波振子的概略剖视图。
图6是表示超声波振子的俯视图。
图7是表示超声波振子的侧视图。
图8是表示柱部的剖视图。
图9是表示柱部的立体图。
图10是表示声呐的电气结构的框图。
图11中的(a)是表示伸长时的柱部的剖视图，(b)是表示收缩时的柱部的剖视图。
图12是表示由于超声波振子的连续驱动产生的静电容量的变化的曲线图。
图13是表示由于超声波振子的连续驱动产生的收发灵敏度积的变化的曲线图。
图14是表示在比较例1中基于运行试验的灵敏度变化的曲线图。
图15是表示1-3复合结构的压电元件的概略立体图。
图16是表示2-2复合结构的压电元件的概略立体图。
图17是表示其他实施方式中的超声波振子的主要部分剖视图。
图18是表示冲孔网的主要部分俯视图。
图19是表示其他实施方式中的超声波振子的概略俯视图。
图20是表示其他实施方式中收容于壳体的状态的超声波振子的概略剖视图。
图21是表示现有技术中的压电元件的主要部分俯视图。
图22是表示现有技术中的柱部的剖视图。
具体实施方式
以下，根据附图对使本发明具体化的一实施方式详细进行说明。
如图1所示，本实施方式的声呐11搭载于船舶10的船底部来使用。声呐11是通过向水中照射超声波W1来探测水中的鱼群等被探测物S1的装置。另外，如图2所示，声呐11被安装于升降装置12。升降装置12是通过使声呐11升降，来使声呐11从船底进入水中或者使声呐11从水中返回到船底的装置。并且，在声呐11及升降装置12上电气连接有液晶显示器13。液晶显示器13被设置于船舶10的操舵室内，具有操作部14和显示部15。
如图3、图4所示，声呐11具有声呐罩20。声呐罩20使用ABS树脂(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯树脂)等树脂材料而形成，由上壳体21、下壳体22和盖体23构成。上壳体21是在下端开口的有底圆筒形的壳体，下壳体22是在上端开口的有底圆筒形的壳体。另外，下壳体22的下端部呈圆顶状(半球状)。另外，盖体23呈圆板状，用于封闭上壳体21的下端侧开口和下壳体22的上端侧开口。另外，通过盖体23和上壳体21形成上侧收容空间24，并且通过盖体23和下壳体22形成下侧收容空间25。
另外，在声呐罩20中收容有：超声波振子41，其收发超声波W1；和倾斜旋转机构30，其使超声波振子41的中心轴O1倾斜和旋转。倾斜旋转机构30具有扫描用电机(scan motor)31、倾斜用电机(tilt motor)32以及收容超声波振子41的壳体40等。扫描用电机31在上侧收容空间24内被配置在盖体23的中央部。本实施方式的扫描用电机31使用步进电机。并且，扫描用电机31的输出轴31a贯插在设置于盖体23的中央部的通孔33中，且突出到下侧收容空间25内。并且，输出轴31a的顶端连接于呈圆板状的支承板34的中央部，在支承板34的下表面安装有支承架35。支承架35呈具有一对臂部35a的日文片假名“コ”字状。
另外，如图3、图4所示，壳体40使用ABS树脂等树脂材料而形成为一端开口的有底圆筒形，且被安装于连接支承架35的两臂部35a之间的旋转轴36。因此，当扫描用电机31的输出轴31a旋转时，支承板34、支承架35、壳体40以及超声波振子41(的中心轴O1)以输出轴31a为中心旋转。伴随于此，从超声波振子41输出的超声波W1的照射方向沿输出轴31a的周向而变化。
另外，倾斜用电机32安装在支承架35的上端部。本实施方式的倾斜用电机32使用步进电机。倾斜用电机32的输出轴32a与旋转轴36平行配置，在其顶端部安装有小齿轮32b。小齿轮32b与安装于壳体40的大致半圆状的倾斜齿轮(tilt gear)37啮合。因此，当倾斜用电机32的输出轴32a旋转时，伴随着小齿轮32b和倾斜齿轮37进行转动，壳体40和超声波振子41(的中心轴O1)以旋转轴36为中心倾斜(旋转)。伴随于此，从超声波振子41输出的超声波W1的照射角度也伴随着超声波振子41的旋转而变化。
如图5～图7所示，超声波振子41具有基材42和压电元件43。基材42是使用作为兼作声匹配层的材料的玻璃环氧树脂(FR-4)而形成的树脂制板状物，呈厚度t2(参照图7)为3.0mm的圆板状。另外，基材42的声阻抗率在2.3×106(Pa·s/m)以上且14×106(Pa·s/m)以下，更优选为在3×106(Pa·s/m)以上且9×106(Pa·s/m)以下。这样一来，提高基材42与压电元件43的边界部分的超声波W1的透过率，因此，超声波振子41的收发灵敏度变得更高。
并且，如图6、图7所示，在基材42的外周部设置有4个突出部44，在各突出部44分别设置有螺纹孔45。各螺纹孔45以超声波振子41的中心轴O1为基准以等角度间隔配置。并且，使螺钉(省略图示)贯插在各螺纹孔45中，且使贯插的螺钉的顶端部螺合于壳体40。其结果，超声波振子41被固定于壳体40(参照图5)。
另外，压电元件43例如是使用作为压电陶瓷的锆钛酸铅(PZT)而形成的陶瓷制板状物，声阻抗率为32×106(Pa·s/m)。该压电元件43呈厚度t1(参照图7)为7.2mm的圆板状。另外，压电元件43的外径比基材42的外径小，因此，压电元件43的面积也比基材42的面积小。另外，压电元件43具有：前表面51，其与基材42接合；背表面52，其位于前表面51的相反侧；和外周面53，其与前表面51及背表面52正交。并且，如图5、图8所示，在压电元件43的前表面51上形成有前表面侧电极层54，在压电元件43的背表面52上形成有背表面侧电极层55。另外，在本实施方式中，压电元件43的前表面51整体隔着前表面侧电极层54和粘接层56(参照图8)而与基材42相接合，前表面侧电极层54是厚度均匀的平电极层。
如图5～图9所示，压电元件43由以沿该压电元件43的厚度方向延伸的方式分割出的多个柱部57(振动部)构成。各柱部57通过在压电元件43的背表面52上形成多个第1缺口K1、与各第1缺口K1正交的多个第2缺口K2而构成。在本实施方式中，各第1缺口K1彼此平行配置，并且各第2缺口K2也彼此平行。因此，各柱部57中、不构成外周面53的柱部57形成为正四棱柱状。另外，各柱部57沿X方向(参照图6)配置在一直线上，并且也沿Y方向(参照图6)配置在一直线上。
另外，各柱部57在压电元件43的前表面51侧的端部相互连接。柱部57的高度H1(厚度)与缺口K1、K2的深度相等。在此，高度H1为6.7mm，为压电元件43的厚度t1(7.2mm)的约93％(≈6.7/7.2×100)。因此，上述的基材42的厚度t2(3.0mm)比柱部57的高度H1小。并且，在压电元件43中柱部57彼此连接的部分的厚度H2是根据式t1-H1计算出的值，比基材42的厚度t2小。
如图6～图9所示，柱部57的顶端面58(背表面52)在俯视观察时呈正方形，构成顶端面58的各边的长度L1、L2彼此相等，分别为2.4mm。另外，上述的缺口K1、K2的宽度彼此相等，且在长度L1、L2的100％以下，更优选为在长度L1、L2的17％以上且30％以下。另外，顶端面58的对角线的长度为约3.39mm，该对角线的长度是当从厚度方向观察柱部57时的最大尺寸L3(参照图9)。另外，最大尺寸L3在柱部57的高度H1的80％以下，优选为在柱部57的高度H1的60％以下(在本实施方式中，为柱部57的高度H1的约51％(≈3.39/6.7×100))。在该情况下，柱部57的弯曲振动变小，因此，使各柱部57易于沿压电元件43的厚度方向振动。并且，各柱部57的顶端面58的面积的合计在压电元件43的前表面51(背表面52)的面积的25％以上且80％以下，60％以上且80％以下。
并且，本实施方式的压电元件43由锆钛酸铅(PZT)形成，灵敏度达到最大的超声波W1的中心频率在160kHz以上且200kHz以下，频带宽度与中心频率的比(分数带宽)在27％以上且52％以下。并且，在本实施方式中，在压电元件43内传播的纵波(超声波W1)的声速c1(4160m/s)、在基材42内传播的纵波(超声波W1)的声速c2(2460m/s)、压电元件43的厚度t1(7.2mm)、基材42的厚度t2(3.0mm)满足(c2×t1)/(c1×t2)＝0.8以上且1.7以下的关系。这样一来，通过扩大超声波W1的分数带宽，超声波振子41的灵敏度也变高。
如图5、图6、图8、图9所示，在压电元件43的背表面52上，铜网91(导电网)涵盖背表面52全域而配置。本实施方式的铜网91是平织的金属网，由多个网格92构成。各网格92在俯视观察时呈正方形状，由一对第1线材93和与两第1线材93正交的一对第2线材94构成。各第1线材93是沿X方向(参照图6)延伸的铜线，且相互平行配置。另外，相邻的第1线材93间的间距p1(参照图9)在相邻的第1缺口K1间的间距P1的三分之一以下，且为构成顶端面58的边的长度L1(2.4mm)的五分之一左右。同样，各第2线材94也是沿Y方向(参照图6)延伸的铜线，且相互平行配置。另外，相邻的第2线材94间的间距p2(参照图9)在相邻的第2缺口K2间的间距P2的三分之一以下，且为构成顶端面58的边的长度L2(2.4mm)的五分之一左右。因此，网格92的尺寸(间距p1、p2)彼此相等，且比从厚度方向来观察柱部57时的最大尺寸L3(约3.39mm)细。另外，各网格92的隙间的面积的合计为压电元件43的背表面52(前表面51)的面积的10％以上且30％以下。
如图8所示，铜网91通过对纵横线材93、94进行编织，成为线材93、94上下起伏的形状。因此，铜网91在第1线材93与第2线材94的交叉部A1(参照图9)与各柱部57的顶端面58接触的状态下，隔着接合材料90(在本实施方式中为环氧类粘接剂)而与背表面52上的背表面侧电极层55相接合。另外，接合材料90在进入铜网91中的网格92的隙间、和各柱部57间的空隙K0(缺口K1、K2)的一部分(压电元件43的背表面52侧开口部)双方的状态下固化，由此使铜网91与各柱部57的顶端面58相接合。其结果，由于多个(在本实施方式为36个)交叉部A1可靠地与位于各柱部57的顶端面58的每一背表面侧电极层55接触，因此，通过铜网91的接合，铜网91成为各柱部57的顶端面58的共用电极。
并且，如图5所示，第1导线62连接于前表面侧电极层54，第2导线63连接于铜网91。第1导线62通过焊接等而连接于从前表面电极层54向外侧延伸的侧面端子(省略图示)。第2导线63通过焊接等连接于铜网91的外周部。并且，第1导线62和第2导线63通过布线管64捆束在一起，且被引出到壳体40外。另外，第1导线62连接于侧面端子，但也可以在前表面侧电极层54上或基材42的表面42a上粘贴铜箔等金属箔(省略图示)，通过焊接等将第1导线62连接于金属箔。另外，在铜网91上粘贴有片状的隔音材料65(背衬材料)。隔音材料65是用于抑制混响的材料，也被粘贴在壳体40的内周面。另外，作为隔音材料65，能够使用使树脂材料或橡胶含有由金属、陶瓷构成的粒子或纤维的材料、使树脂材料分散地设置有空孔的材料(海绵等)。
并且，图3、图4所示的声呐罩20内被填充有传播超声波W1的超声波传播液体(省略图示)。另外，超声波传播液体的一部分经由设置于壳体40的液体通路(省略图示)而流入壳体40内，且流入在压电元件43中相邻的柱部57间的空隙K0(缺口K1、K2)中，将空隙K0填满。另外，本实施方式的超声波传播液体是液体石蜡，声阻抗率为1.2×106(Pa·s/m)。因此，上述的基材42的声阻抗率(2.3～14×106(Pa·s/m))比压电元件43的声阻抗率(32×106(Pa·s/m))小，且比超声波传播液体的声阻抗率或水的声阻抗率(1.5×106(Pa·s/m))大。
接着，对声呐11的电气结构进行说明。
如图10所示，声呐11的液晶显示器13具有总括控制装置整体的控制装置70。控制装置70由周知的计算机构成，该计算机由CPU71、ROM72、RAM73等构成。
CPU71经由电机驱动器81而电气连接于扫描用电机31及倾斜用电机32，根据各种驱动信号来控制扫描用电机31及倾斜用电机32。另外，CPU71经由收发电路82电气连接于超声波振子41。收发电路82向超声波振子41输出振荡信号，由此驱动超声波振子41。其结果，超声波振子41向水中照射(发送)超声波W1。另外，向收发电路82输入表示由超声波振子41接收到的超声波W1(反射波W2)的电气信号。并且，CPU71分别电气连接于升降装置12、操作部14、显示部15及GPS(Global Positioning System)接收部83。
并且，图10所示的CPU71对收发电路82进行使超声波振子41照射超声波W1的控制，并进行驱动升降装置12的控制。CPU71进行使电机驱动器81分别驱动扫描用电机31和倾斜用电机32的控制。向CPU71输入由GPS接收部83接收到的船舶10的位置信息。
另外，CPU71经由收发电路82接收以超声波振子41接收到反射波W2为契机而生成的接收信号。然后，CPU71根据接收到的接收信号生成探测图像数据，且将所生成的探测图像数据存储在RAM73中。CPU71进行以下控制，即根据存储于RAM73的探测图像数据使探测画像显示于显示部15。
接着，对使用声呐11探测被探测物S1的方法进行说明。
首先，接通声呐11、升降装置12和液晶显示器13的电源(省略图示)。此时，从GPS接收部83向控制装置70的CPU71输入表示船舶10的位置的位置信息。接着，CPU71进行使收发电路82向超声波振子41输出振荡信号的控制，驱动超声波振子41。此时，压电元件43的各柱部57重复收缩(参照图11中的(b))和伸长(参照图11中的(a))。另外，当柱部57沿高度方向收缩时，柱部57以向宽度方向，具体而言向柱部57的外周侧(参照图11中的(b)的箭头F1)扩大的方式进行变形。并且，当柱部57沿高度方向伸长时，柱部57向宽度方向、具体而言向柱部57的中央部侧(参照图11中的(a)的箭头F2)变形。其结果，压电元件43进行振动，从超声波振子41向水中照射(发送)超声波W1。并且，当超声波W1到达被探测物S1(参照图1)时，超声波W1被被探测物S1反射而成为反射波W2，向声呐11传播且被输入超声波振子41(被超声波振子41接收)。在此之后，超声波振子41接收到的超声波W1(反射波W2)被转换为接收信号，且经由收发电路82输入CPU71。在该时间点，探测到被探测物S1。
另外，CPU71进行经由电机驱动器81驱动扫描用电机31的控制，使超声波振子41的中心轴O1旋转。其结果，超声波W1的照射方向逐渐变化，探测范围也随之逐渐变化。在此之后，当作业者断开电源时，通过控制装置70使收发电路82停止，结束超声波W1的照射和反射波W2的接收。
接着，对超声波振子41的制造方法进行说明。
首先，准备基材42。具体而言，将由玻璃环氧树脂(FR-4)构成的树脂制板状物切削加工为圆形。另外，准备应该成为压电元件43的陶瓷制板状物。具体而言，在制作出由锆钛酸铅(PZT)构成的圆板状的陶瓷制烧结体之后进行表面研磨，据此，得到陶瓷制板状物。接着，进行电极层形成工序，在陶瓷制板状物的前表面51形成前表面侧电极层54，并且在陶瓷制板状物的背表面52形成背表面侧电极层55。具体而言，在陶瓷制板状物的前表面51和背表面52分别涂布银浆，且对所涂布的银浆进行烧结，据此形成电极层54、55。并且，在电极层形成工序之后，进一步进行极化处理工序。在极化处理工序中，通过对前表面侧电极层54与背表面侧电极层55之间施加电压，来使陶瓷制板状物沿厚度方向极化。
接合工序中，使陶瓷制板状物隔着前表面侧电极层54而与基材42的单面接合。具体而言，对前表面侧电极层54的表面和基材42的表面42a中的任一方涂布成为粘接层56的粘接剂(环氧类粘接剂等)，将压电元件43粘接固定于基材42。另外，也可以代替涂布粘接剂，而进行使用焊料等的钎焊。
在接合工序后的柱部形成工序(振动部形成工序)中，通过进行切削加工等在陶瓷制板状物的背表面侧形成多个缺口K1、K2。此时，以成为陶瓷制板状物的厚度t1(7.2mm)的80％以上且小于100％的深度的方式，形成各缺口K1、K2。其结果，陶瓷制板状物被分割为多个柱部57，并且形成在压电元件43的背表面52的背表面侧电极层55也被分割为多个(数量与柱部57相同)。在该时间点，压电元件43制造完成。另外，各柱部57以在压电元件43的前表面51侧的端部彼此连接的状态来分割，因此，不会分割到形成于前表面51的前表面侧电极层54。
在柱部形成工序后的网设置工序中，在压电元件43的背表面52上配置铜网91，对铜网91施加按压力，据此使铜网91与各柱部57的顶端面58接触。然后，在使接合材料90进入铜网91的网格92的隙间与各柱部57间的一部分空隙K0(缺口K1、K2)这双方的状态下固化。其结果，铜网91与背表面侧电极层55接合，铜网91成为各柱部57的顶端面58的共用电极。在该时间点，超声波振子41制造完成。
另外，在超声波振子41制造完成之后，经由侧面端子(省略图示)，通过焊接等将第1导线62连接于前表面侧电极层54，并且通过焊接等将第2导线63连接于铜网91。接着，在压电元件43的背表面52侧粘贴用于抑制混响的隔音材料65。另外，在壳体40的内侧面也粘贴隔音材料65。在此之后，将超声波振子41的压电元件43收容在壳体40中。并且，在该状态下，使螺钉(省略图示)贯插在设置于基材42的多个螺纹孔45中，且使贯插的螺钉的顶端部螺合于壳体40。其结果，超声波振子41被固定于壳体40(参照图5)。并且，将固定有超声波振子41的壳体40安装于声呐罩20内的旋转轴36。然后，向声呐罩20内填充超声波传播液体(省略图示)。此时，超声波传播液体的一部分通过设置于壳体40的液体通路(省略图示)而流入壳体40内，且流入在压电元件43中相邻的柱部57间的空隙K0中。在该时间点，超声波振子41被组装于声呐罩20，声呐11制造完成。
接着，对超声波振子的评价方法及其结果进行说明。
本发明人通过试制确认了超声波振子的优选结构。首先，如以下那样准备测定用样品。准备3个通过将铜网(共用电极)经由环氧类粘接剂(接合材料)接合在压电元件的背表面(各柱部的顶端面)上而制作的超声波振子(即，与本实施方式的超声波振子41相同的超声波振子)，将其作为实施例1A、1B、1C(实施例1)。另一方面，准备3个通过将铜箔带(共用电极)经由导电带(接合材料)接合在压电元件的背表面上而制作的超声波振子，将其作为比较例1A、1B、1C(比较例1)。另外，准备3个通过将铜箔(共用电极)经由环氧类粘接剂(接合材料)接合在压电元件的背表面上而制作的超声波振子，将其作为比较例2A、2B、2C(比较例2)。
接着，对各测定用样品(实施例1A～1C和比较例1A～1C、2A～2C)进行了运行试验。具体而言，首先，对实施例1A～1C和比较例1A～1C、2A～2C的超声波振子施加1.5kVpp的电压，从超声波振子连续地照射(发送)160kHz的超声波(burst wave：短促波)。然后，每当经过0天(照射开始时)、1天、6天、12天、26天、50天、80天时，测定压电元件的静电容量。具体而言，在连接于压电元件的2条导线62、63的端部，使用LCR测量计测定了静电容量。表1表示实施例1A～1C和比较例1A～1C、2A～2C中的静电容量的值(表的数值的单位为(pF))。另外，图12的曲线图表示实施例1(参照“●”)、比较例1(参照“▲”)和比较例2(参照“■”)中的静电容量的变化。
表1
Figure BDA0002383588320000141
其结果，在比较例1A～1C中确认到，从刚刚开始照射超声波之后起静电容量急剧下降，在从照射开始起经过6天的时间点，静电容量较大地下降，静电容量的降低率也变大。另外，在比较例2A～2C中确认到，从开始照射超声波起至经过10天左右为止，尽管静电容量几乎不下降，但在此之后较大地下降，在从照射开始起经过50天的时间点，静电容量较大地下降，静电容量的下降率也变大。另外，静电容量的下降表示由于共用电极的剥离而使电极面积减少。另外确认到，当在电极剥离的状态下连续地驱动超声波振子时，从剥离部分产生放电而烧焦。
另一方面，在实施例1A～1C中确认到，从开始照射超声波起经过80天的时间点，静电容量也几乎不下降，静电容量的下降率极小。因此确认到，如果采用将铜网经由环氧类粘接剂而接合于压电元件的实施例1A～1C，则静电容量的下降、即由于共用电极的剥离而造成的电极面积的减少被抑制。
另外，每当经过0天、1天、6天、12天、26天、50天、80天时，计算出超声波振子的收发灵敏度积。具体而言，对位于距超声波振子0.5m的位置的直径为57mm的酚醛树脂球照射超声波。另外，由酚醛树脂球反射的超声波(反射波)在从发送起约670μs后由超声波振子接收，在超声波振子的两端产生电压信号。此时，由示波器测定超声波振子发送时和接收时的电压振幅，根据测定结果进行运算，计算出收发灵敏度积。另外，收发灵敏度积是接收电压振幅V2相对于发送电压振幅V1的比，根据式20×log(V2/V1)而计算出。表2表示实施例1A～1C及比较例1A～1C、2A～2C中的收发灵敏度积的值(表的数值的单位为(dB))。另外，图13的曲线图表示实施例1及比较例1、2中的收发灵敏度积的变化。
表2
Figure BDA0002383588320000151
其结果，在比较例1A～1C中确认到，从刚刚开始照射超声波起收发灵敏度积急剧下降，在从开始照射起经过6天或者12天的时间点，收发灵敏度积较大地下降。另外，在比较例2A～2C中确认到，从开始照射超声波起直到经过10天左右为止，虽然收发灵敏度积几乎不发生变化，但在此之后较大地下降，在从开始照射起经过50天的时间点，收发灵敏度积较大地下降。
另一方面，在实施例1A～1C中确认到，即使从开始照射超声波起经过80天的时间点，收发灵敏度积也几乎不下降。因此确认到，如果采用将铜网经由环氧类粘接剂接合于压电元件的实施例1A～1C，则除了抑制共用电极的电极面积的减少之外，收发灵敏度积的降低也被抑制。
另外，在比较例1中，在130kHz～251kHz间将频率切换为多个阶段，在切换后的多个频率照射超声波。然后，通过使用示波器的上述方法，计算超声波振子的收发灵敏度积。另外，每当经过0天(初期阶段)、1天、6天、12天，在各个频率进行收发灵敏度积的计算。图14的曲线图表示比较例1中的收发灵敏度积的变化。
其结果确认到，在比较例1中，按初期阶段(参照图14的“◆”)→1天后(参照图14的“△”)→6天后(参照图14的“▼”)→12天后(参照图14的“□”)的顺序，即，随着从开始照射超声波起的时间经过，表示130kHz～251kHz间的收发灵敏度积的曲线图整体变低。另外，虽然省略了实施例1(实施例1A～1C)的曲线图，但在实施例1中确认到，即使从开始照射超声波起经过了时间，收发灵敏度积也几乎不下降(参照表2)，表示130kHz～251kHz间的收发灵敏度积的曲线图也几乎不变化。
因此，根据本实施方式，能够得到以下效果。
(1)在本实施方式的声呐11中，除了接合材料90介于作为电极部分的铜网91与压电元件43之间之外，接合材料90还进入铜网91中的网格92的隙间和多个柱部57间的空隙K0双方，由此，铜网91与压电元件43相接合。其结果，压电元件43与铜网91的接合强度变高，即使长期地连续驱动超声波振子41，铜网91也不易从压电元件43剥离。因此，能够防止超声波振子41的灵敏度降低。
(2)在本实施方式中，通过编织构成铜网91的网格92的纵横的线材93、94，线材93、94成为上下起伏的形状。其结果，纵横的线材93、94彼此的交叉部A1与柱部57的顶端面58的接触压力变大，因此，能够可靠地使铜网91作为电极发挥作用。另外，在铜网91上，由于细小的网格92密集，因此，接合材料90易于进入网格92的隙间。因此，压电元件43与铜网91的接合强度进一步提高。
(3)例如，还考虑将铜网91涵盖压电元件43的前表面51全域而配置。然而，超声波W1被从压电元件43的前表面51照射且通过兼作声匹配层的基材42，因此，若在前表面51侧存在铜网91，则当超声波W1透过铜网91时会发生散射，超声波W1可能无法到达被探测物S1。另一方面，在本实施方式中，将铜网91涵盖压电元件43的背表面52全域而配置，其中所述压电元件43的背表面52位于作为照射面的前表面51的相反侧(即，不被照射超声波W1的一侧)。其结果，能够不使超声波W1散射而从超声波振子41照射超声波W1。另外，即使超声波W1在压电元件43的背表面52侧发生泄漏，超声波W1也会透过位于背表面52侧的铜网91，因此超声波W1发生分散和衰减。因此，能够使铜网91作为优选的背衬材料来发挥作用。
(4)在特开2005-323630公报所记载的现有技术中提出以下技术，在柔性基板上形成网格状的电极图案。然而，电极图案是形成于基板的表面上的厚度为数十μm左右的网格状图案，不使编织线材而得到的金属网。在该情况下，无法使接合材料进行网格的隙间，因此，无法得到锚固效应，无法提高与其他部件的接合强度。另一方面，在本实施方式中，接合材料90进入厚度为数百μm左右的铜网91中的网格92的隙间中，据此得到锚固效应，因此能够提高压电元件43与铜网91的接合强度。
另外，也可以对上述实施方式如以下那样进行变更。
在上述实施方式中，在压电元件43的背表面52上，1张铜网91涵盖背表面52全域而配置。但是，也可以将铜网91分割为多个铜网片，将分割后的各个铜网片按背表面52的区域进行配置，由全部铜网片覆盖背表面52全域。这样一来，能够按各个区域中的每一个区域单独地驱动压电元件43。
在上述实施方式的铜网91中，相邻的第1线材93间的间距p1与相邻的第2线材94间的间距p2彼此相等，但间距p1、p2也可以彼此不同。
在上述实施方式的超声波振子41中，接合材料90进入相邻的柱部57间的空隙K0的一部分中，但接合材料90也可以进入空隙K0整体，接合材料90也可以不进入。另外，在接合材料90不进入的情况下，超声波传播液体能够流入空隙K0。另外，在超声波传播液体没有流入的情况下，能够通过空隙K0将压电元件43内的热向外部散出。
上述实施方式的压电元件43具有被分割的多个柱部57在前表面51侧的端部彼此连接的结构，在背表面52侧接合有铜网91。但是，如图15所示，也可以形成将多个柱部111(振动部)完全分割，且在相邻的柱部111间填充有树脂材料112的1-3复合结构的压电元件113，使铜网接合在压电元件113的背表面114侧。另外，如图16所示，也可以形成将呈壁状的多个振动部121完全分割，且在相邻的振动部121间填充有树脂材料122的2-2复合结构的压电元件123，使铜网接合在压电元件123的背表面124侧。
在上述实施方式中，作为导电网的铜网91与压电元件43的背表面52整体接合。但是，也可以代替使铜网91与背表面52整体接合，而使具有在铜箔上设置有多个孔部132的结构的冲孔网131等其他导电网与背表面52整体接合(参照图17、图18)。另外，冲孔网131在与各柱部57的顶端面58接触、且各孔部132与各柱部57间的空隙K0连通的状态下，经由接合材料133与压电元件43接合。并且，接合材料133被涂布于冲孔网131的表面(上表面)上，并且进入孔部132和空隙K0双方。
上述实施方式的振动部是顶端面58俯视观察时呈正方形状的柱部57，但也可以是顶端面在俯视观察时呈矩形状、俯视观察时呈三角形状、俯视观察时呈圆形状等其他形状的柱部。另外，上述实施方式的压电元件43被分割为顶端面58在俯视观察时呈正方形状的多个柱部57，但也可以分割为顶端面俯视观察时呈半圆状的2个振动部141(参照图19)，也可以分割为顶端面俯视观察时呈扇形状的3个以上的振动部。即，振动部的从压电元件的厚度方向观察该振动部时的最大尺寸也可以不是振动部的高度以下的尺寸。
在上述实施方式的超声波振子41中，使用由锆钛酸铅(PZT)构成的压电元件43，但压电元件43的形成材料并不特别地限定于此。例如，可以使用由铌酸钾钠类(碱金属铌酸盐类)、钛酸钡类、PMN-PT(Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3)单晶、PZNT(Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3)单晶、LiNbO3单晶的压电材料构成的压电元件。
上述实施方式的隔音材料56被粘贴于压电元件43的背表面52侧和壳体40的内周面，但隔音材料65还可以粘贴在压电元件43的外周面53。
上述实施方式的超声波振子41被用于机械地改变超声波W1的照射方向的声呐11，但也可以将其用于电气地改变超声波W1的照射方向的声呐。另外，也可以将超声波振子用于不改变超声波W1的照射方向、即不具有倾斜旋转机构30的鱼群探测机。并且，也可以将超声波振子用于例如测量水的深度的测深机、在空气中测量距离的空中传感器等测量仪器。
在上述实施方式中，在将压电元件43收容在壳体40中的状态下，使贯插在基材42侧的螺纹孔45中的螺钉的顶端部螺合于壳体40，由此将超声波振子41固定于壳体40，但也可以通过其他方法固定。例如，可以使用粘接剂将超声波振子41固定于壳体40，也可以通过使环氧树脂、聚氨酯树脂、硅树脂等填充剂流入壳体40内且使其硬化，来将超声波振子41固定于壳体40。并且，也可以不使用壳体40而固定超声波振子41。例如，在基材42上以覆盖压电元件43的方式配置模具，使树脂材料(环氧树脂、氨脂树脂等)流入模具内并使其硬化，进行使超声波振子41和树脂材料一体化的模具成型。
在上述实施方式中，在露出基材42的状态下，超声波振子41被固定于壳体40。但是，如图20所示，也可以为：通过形成于一端开口的有底圆筒形的壳体部151、和形成为圆板状的盖部152来构成壳体150，在将超声波振子41整体收容在壳体部151中的状态下，由盖部152封闭壳体部151的开口部。这样一来，超声波振子41整体被壳体150密封，因此，能够将收容有超声波振子41的壳体150直接放入水中。因此，能够将该图20的结构作为鱼群探测机。另外，盖部152使用氯丁橡胶、聚氨酯树脂等，且与基材42的背面42b整体接触。盖部152的声阻抗率比基材42的声阻抗率(2.3～14×106(Pa·s/m))小，且优选为比水的声阻抗率(1.5×106(Pa·s/m))大。另外，也可以将盖部152粘结于基材42。
在上述实施方式中，在电极层形成工序后且接合工序前，对前表面侧电极层54与背表面侧电极层55之间施加电压，据此，进行了使陶瓷制板状物沿厚度方向极化的极化处理工序。但是，也可以在接合工序后且柱部形成工序前进行极化处理工序，也可以在柱部形成工序后且网设置工序前进行极化处理工序，也可以在网设置工序后进行极化处理工序。
接着，除了技术方案所记载的技术思想之外，下面举出通过前述的实施方式而把握的技术思想。
(1)在技术方案1至7中的任一技术方案中，为一种声呐，其特征在于，从所述厚度方向来观察所述柱部时的最大尺寸在所述柱部的高度的80％以下。
(2)在技术方案1至7中的任一技术方案中，为一种声呐，其特征在于，所述基材的声阻抗率比所述压电元件的声阻抗率小，且比水的声阻抗率大。
(3)在技术方案1至7中任一技术方案中，为一种声呐，其特征在于，所述基材的声阻抗率在2.3×106(Pa·s/m)以上且14×106(Pa·s/m)以下。
(4)在技术方案1至7任一技术方案中，为一种声呐，其特征在于，当设在所述压电元件内传播的纵波的声速为c1，设所述压电元件的厚度为t1，设在所述基材内传播的纵波的声速为c2，设所述基材的厚度为t2时，满足(c2×t1)/(c1×t2)＝0.8以上且1.7以下的关系。
(5)在技术方案9中，为一种超声波振子的制造方法，其特征在于，包括：电极层形成工序，在所述陶瓷制板状物的所述前表面形成前表面侧电极层，并且在所述陶瓷制板状物的所述背表面形成背表面侧电极层；和极化处理工序，且在所述电极层形成工序后且所述接合工序前，对所述前表面侧电极层与所述背表面侧电极层之间施加电压，由此使所述陶瓷制板状物沿厚度方向极化。
附图标记说明
11:声呐；30:作为机构的倾斜旋转机构；41:超声波振子；42:基材；43、113、123:压电元件；51:陶瓷制板状物(压电元件)的前表面；52、114、124:陶瓷制板状物(压电元件)的背表面；54:前表面侧电极层；57、111:作为振动部的柱部；58:作为振动部的端面的顶端面；90、133:接合材料；91:作为导电网的铜网；92:网格；121、141:振动部；131:作为导电网地冲孔网；K0:多个振动部间的空隙；K1:作为缺口的第1缺口；K2:作为缺口的第2缺口；L3:从厚度方向观察振动部时的最大尺寸O1:中心轴；W1:超声波。

Claims (9)

1.一种声呐，其具有收发超声波的超声波振子和使所述超声波振子的中心轴倾斜及旋转的机构，其特征在于，
所述超声波振子具有：基材，其兼作声匹配层；和
由陶瓷制板状物构成的压电元件，其由被分割的多个振动部构成，且具有与所述基材接合的前表面和位于前表面的相反侧的背表面，
在所述压电元件的所述背表面上，导电网涵盖所述背表面全域而配置，并且，
所述导电网在与所述多个振动部的端面接触的状态下通过接合材料与所述多个振动部的端面相接合。
2.根据权利要求1所述的声呐，其特征在于，
所述导电网是平织的金属网。
3.根据权利要求1或2所述的声呐，其特征在于，
所述接合材料通过在进入所述导电网中的网格的隙间和所述多个振动部间的空隙双方的状态下固化，来使所述导电网与所述多个振动部的端面相接合。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的声呐，其特征在于，
所述多个振动部是以沿所述压电元件的厚度方向延伸的方式分割出的多个柱部。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的声呐，其特征在于，
所述多个振动部在所述压电元件的所述前表面侧的端部相互连接。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的声呐，其特征在于，
所述导电网的网格的尺寸比从所述压电元件的厚度方向观察所述振动部时的最大尺寸小。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的声呐，其特征在于，
所述压电元件的所述前表面隔着前表面侧电极层而与所述基材相接合，所述前表面侧电极层是厚度均匀的平电极层。
8.一种超声波振子，其收发超声波，其特征在于，
具有：基材，其兼作声匹配层；和
由陶瓷制板状物构成的压电元件，其由被分割的多个振动部构成，且具有与所述基材接合的前表面和位于前表面的相反侧的背表面，
在所述压电元件的所述背表面上，导电网涵盖所述背表面全域而配置，并且，
所述导电网在与所述多个振动部的端面接触的状态下通过接合材料与所述多个振动部的端面相接合。
9.根据权利要求8所述的超声波振子的制造方法，其特征在于，
包括接合工序、振动部形成工序和网设置工序，其中，
在所述接合工序中，使应该成为所述压电元件的陶瓷制板状物与所述基材的单面接合；
所述振动部形成工序在所述接合工序后，通过在所述陶瓷制板状物的所述背表面侧形成多个缺口，将所述陶瓷制板状物以在所述前表面侧的端部彼此连接的状态下分割为所述多个振动部；
所述网设置工序在所述振动部形成工序后，通过在所述压电元件的所述背表面上以使导电网与所述多个振动部端面接触的方式来设置所述导电网，且在该状态下通过接合材料来使所述导电网与所述多个振动部端面相接合。
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