CN113840668B - 测量设备用超声波振子 - Google Patents

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Abstract

本发明旨在提供一种能够在抑制制造成本的同时,增加适于超声波收发频段的测量设备用超声波振子。本发明的测量设备用超声波振子41包括兼作声匹配层的近似圆板状的基材42以及与基材42接合的近似圆板状的压电元件43。在压电元件上43以相互不交叉的方式形成有多个沿面方向延伸的槽部K1,隔着槽部K1配设有多个带状的振动部90。距压电元件43的中心O1的距离越远,振动部90的长度越短。另外,压电元件43在第一频段沿厚度方向振动,并且在比第一频段低的第二频段沿径向振动。

Description

测量设备用超声波振子
技术领域
本发明涉及一种收发超声波的测量设备用超声波振子。
背景技术
以往，已知有通过超声波的收发来检测鱼群等被探测物的声呐。声呐是一种测量设备，包括：收发超声波的超声波振子、以及使超声波振子进行以朝向铅直方向的旋转轴为中心的旋转运动或以与旋转轴正交的倾动轴为中心的倾斜运动的机构。并且，一边使超声波振子运动一边进行超声波的收发，从而使水中探测成为可能。然后，水中探测的探测结果会作为探测图像显示在屏幕上。此外，超声波振子一般包括声匹配层和与该声匹配层接合的压电元件。
但是，用于声呐的超声波振子采用圆板状的压电元件，超声波的频带较窄。近年来，由于搭载了同样的声呐的船舶越来越多，因此容易产生与其他船舶的串扰。为了避免串扰，只要避开附近船舶正在使用的驱动频率来收发超声波即可，但在频带较窄的情况下，能够变更的频率选择较少。因此，需要使用超声波频带较宽的超声波振子。
此外，作为拓宽超声波频带的方法，提出有以下方案：如图15、图16所示，由从厚度方向来看纵横排列的多个(例如100个以上)振动部103构成压电元件102，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1至6)。这样，各振动部103分别在该振动部103的高度方向上容易变形，因此压电元件102在各部位容易变形。最终导致压电元件102变得容易振动，因此超声波的机电耦合系数变高，频带也变宽。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本实开昭50-99879号公报(图1、图2等)
专利文献2：日本特开平4-119800号公报(图1至图4等)
专利文献3：WO91/15090号公报(图2、图3等)
专利文献4：日本特开2008-212453号公报(图2等)
专利文献5：日本特表2008-544262号公报(图1、图2等)
专利文献6：日本特开2011-155611号公报(图4等)
发明内容
在专利文献1至6所记载的现有技术中，柱状振动部103是通过形成纵横延伸的槽部而得到的，因此为了得到全部的振动部103，需要形成多个槽部。在这种情况下，由于槽部较难形成，存在超声波振子101的制造成本较高的问题。
本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于提供一种测量设备用超声波振子，其能够抑制制造成本，并且增加适于收发超声波的频段。
为了解决上述问题，权利要求1所述的发明旨在提供一种收发超声波的测量设备用超声波振子，其特征在于，包括兼作声匹配层的近似圆板状的基材以及近似圆板状的压电元件，其中，所述压电元件具有与所述基材接合的正面及位于其相反侧的背面；所述基材的面积大于所述压电元件的面积；在所述压电元件上以相互不交叉的方式形成有多个沿面方向延伸的槽部，并且隔着所述槽部配设有多个带状的振动部；距所述压电元件的中心的距离越远，所述振动部的长度越短；多个所述振动部在所述压电元件的所述正面侧的端部相互连接，所述压电元件在第一频段沿厚度方向振动，并且在比所述第一频段低的第二频段沿径向振动。
因此，根据权利要求1所述的发明，由于多个带状的振动部是通过在压电元件上形成槽部而得到的，因此各振动部分别沿高度方向容易变形，压电元件在各部位容易变形。其结果是，与在压电元件上形成槽部而得到多个柱状振动部的情况类似地，压电元件容易沿厚度方向振动，因此超声波的机电耦合系数变高，第一频段的范围变大。进而，压电元件不仅在第一频段沿厚度方向振动，还在与第一频段不同的频段、具体而言是在比第一频段低的第二频段沿径向振动，因此能够增加适于超声波接收发的频段。而且，在权利要求1中，通过以相互不交叉的方式形成沿面方向延伸的槽部而得到带状的振动部，因此与通过形成纵横延伸的槽部而得到上述柱状振动部的情况相比，形成振动部所需的槽部形成次数减少。因此，由于槽部的形成变得容易，从而能够降低超声波振子的制造成本。
另外，所谓“近似圆板状的基材”，不仅包括圆板状的基材，还包括椭圆板状的基材、长圆板状的基材等。类似地，“近似圆板状的压电元件”也不仅包括圆板状的压电元件，还包括椭圆板状的压电元件、长圆板状的压电元件等。
权利要求2所述的发明的要旨在于，在权利要求1中，所述振动部的宽度的最大值小于所述压电元件的厚度，所述压电元件的厚度小于所述压电元件的外径。
因此，根据权利要求2所述的发明，由于振动部的宽度的最大值小于压电元件的厚度，所以能够使振动部成为宽度比高度小的细长形状。其结果是，在振动部沿高度方向收缩时，振动部容易以变粗所收缩体积量的方式变形，在振动部沿高度方向伸长时，振动部容易沿宽度方向朝振动部的中央部侧变形。即，成为一种振动部容易沿高度方向振动的形状，即压电元件容易沿厚度方向振动的形状。另外，由于压电元件的厚度小于压电元件的外径，所以能够使振动部成为高度比长度小的细长形状。其结果是，在振动部沿长度方向收缩时，振动部容易以变粗所收缩体积量的方式变形，在振动部沿长度方向伸长时，振动部容易以变细所伸长体积量的方式变形。即，成为振动部容易沿长度方向振动的形状，即压电元件容易沿径向振动的形状。由此，机电耦合系数可靠地提高，因此收发灵敏度可靠地提高。
权利要求3所述的发明的要旨在于，在权利要求2中，所述振动部的宽度的最大值大于等于所述压电元件厚度的四分之一，小于等于所述压电元件厚度的二分之一。
因此，根据权利要求3所述的发明，由于振动部的宽度的最大值大于等于压电元件厚度的四分之一，因此能够防止振动部的强度降低。另外，由于振动部的宽度的最大值小于等于压电元件厚度的二分之一，所以振动部为一种容易沿高度方向振动且难以沿宽度方向振动的细长形状，因此能够抑制沿高度方向的振动和沿宽度方向的振动的复合振动。其结果是，机电耦合系数可靠地提高，因此收发灵敏度可靠地提高。
权利要求4所述的发明的要旨在于，在权利要求1至3的任一项中，所述压电元件的外径大于等于所述压电元件厚度的2倍。
因此，根据权利要求4所述的发明，由于压电元件外径大于等于压电元件厚度的2倍，所以振动部为一种容易沿长度方向振动的细长形状，压电元件为一种容易沿径向振动的形状。其结果是，机电耦合系数可靠地提高，因此收发灵敏度可靠地提高。
权利要求5所述的发明的要旨在于，在权利要求1至4的任一项中，所述槽部的深度大于等于所述压电元件厚度的80％，小于所述压电元件厚度的100％。
因此，根据权利要求5所述的发明，由于槽部的深度大于等于压电元件厚度的80％，所以振动部容易沿高度方向变形，压电元件容易沿厚度方向变形。其结果是，收发灵敏度变高。而且，由于槽部的深度小于压电元件厚度的100％，所以即使是通过形成槽部将压电元件分割成多个振动部这样的结构，也能够确保振动部在压电元件的正面侧端部彼此连接的部分的厚度。其结果是，能够确保压电元件的强度。进而，由于压电元件的正面整体与基材接合，两者的接触面积变大，因此压电元件与基材的接合强度提高。
权利要求6所述的发明的要旨在于，在权利要求1至5的任一项中，所述槽部整体为空隙。
因此，在权利要求6所述的发明中，由于槽部整体为空隙，所以在槽部内未填充填料。在这种情况下，由于振动部沿长度方向的变形不会被填料妨碍，所以振动部容易沿长度方向振动，进而压电元件容易沿径向振动。而且，由于振动部沿高度方向的变形也不会被填料妨碍，所以振动部容易沿高度方向振动，进而压电元件容易沿厚度方向振动。因此，能够可靠地提高收发灵敏度。
权利要求7所述的发明的要旨在于，在权利要求1至5的任一项中，对于1个所述槽部，所述槽部的内部区域由填充填料的填充区域和不填充所述填料的非填充区域构成。
因此，根据权利要求7所述的发明，由于位于各振动部间的槽部的内部区域具有填充填料的填充区域，因此，各振动部通过填入填充区域的填料而被加固。由此能够防止振动部产生裂纹，从而能够提高超声波振子的可靠性。另外，由于槽部的内部区域具有不填充填料的非填充区域，所以振动部沿长度方向的变形不会被填料妨碍。其结果是，振动部容易沿长度方向振动，压电元件容易沿径向振动，因此能够确保振动部的强度，并且提高收发灵敏度。
权利要求8所述的发明的要旨在于，在权利要求1至5中的任一项中，在所述槽部的整个内部区域填充有填料。
因此，根据权利要求8所述的发明，由于填料进入位于各振动部间的槽部的整个内部区域，各振动部被加固。因此能够防止振动部产生裂纹，从而能够提高超声波振子的可靠性。
权利要求9所述的发明的要旨在于，在权利要求7或8中，所述填料的固有声阻抗大于等于所述压电元件的固有声阻抗的十分之一，所述填料的比重小于等于1.5。
因此，根据权利要求9所述的发明，通过将填料的固有声阻抗设定为大于等于压电元件的固有声阻抗的十分之一，固有声阻抗的差变小，超声波不易衰减，因此能够使用压电元件的径向振动进行超声波的收发。但是，当填料的固有声阻抗变高时，通常填料的密度变高，填料变重。因此，在权利要求9中，通过设定填料的比重为小于等于1.5，使填料相对减轻，因此填料难以成为振动部的振动负载。因此，能够防止由填料引起的收发灵敏度的降低。
综上所述，根据权利要求1至9所述的发明，能够在抑制制造成本的同时，增加适于超声波收发的频段。
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、升降装置及监视器的概略结构图。
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是表示容纳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是表示振动部的剖视图。
图9(a)是表示外侧振动部的立体图，(b)是表示内侧振动部的立体图。
图10是表示声呐的电气结构的框图。
图11(a)是表示伸长时振动部的剖视图，(b)是表示收缩时振动部的剖视图。
图12是表示实施例及比较例1至3中的频率与收发灵敏度的关系的曲线图。
图13是表示其他实施方式的超声波振子的俯视图。
图14是表示其他实施方式的超声波振子的俯视图。
图15是表示现有技术中压电元件的主要部分俯视图。
图16是表示现有技术中振动部的剖视图。
具体实施方式
以下，基于附图对具体化本发明的一个实施方式进行详细说明。
如图1所示，本实施方式的声呐11搭载在船舶10的船底部进行使用。声呐11是一种通过向水中照射超声波U1来探测水中存在的鱼群等被探测物S0的测量设备。另外，如图2所示，声呐11安装在升降装置12上。升降装置12是一种通过升降声呐11而使声呐11从船底出没于水中的装置。此外，声呐11和升降装置12与液晶监视器13电连接。液晶监视器13设置在船舶10的操舵室内，包括操作部14和显示部15。
如图3、图4所示，声呐11包括声呐罩20。声呐罩20使用ABS树脂(丙烯腈丁二烯苯乙烯树脂)等树脂材料形成，由上壳体21、下壳体22以及盖体23构成。上壳体21是在下端开口的有底圆筒状的壳体，下壳体22是在上端开口的有底圆筒状的壳体。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的下端侧开口及下壳体22的上端侧开口。另外，由盖体23和上壳体21形成上侧容纳空间24，并且由盖体23和下壳体22形成下侧容纳空间25。
另外，在声呐罩20中容纳有收发超声波U1的声呐11用超声波振子41、收纳超声波振子41的壳体40以及使超声波振子41移动的驱动机构30。驱动机构30包括扫描电机31和倾斜电机32等。扫描电机31在上侧容纳空间24内设置在盖体23的中央。本实施方式的扫描电机31使用步进电机。并且，扫描电机31的旋转轴31a沿铅直方向延伸，穿通设置在盖体23中央的通孔33而突出至下侧容纳空间25内。进而，旋转轴31a的前端与呈圆板状的支承板34的中央连接，在支承板34的下表面安装有支承框架35。支承框架35呈具有一对臂部35a的]字形。
如图3、图4所示，壳体40使用ABS树脂等树脂材料形成为一端开口的有底圆筒状。另外，在壳体40上设有与旋转轴31a正交的倾动轴36。倾动轴36被分割成两个倾动轴部36a，两倾动轴部36a从壳体40的两端部(图4中左侧部及右侧部)彼此向相反的方向突出。并且，两倾动轴部36a经由轴承(省略图示)分别嵌入设置于支承框架35的两臂部35a的通孔中。因此，当扫描电机31的旋转轴31a旋转时，支承板34、支承框架35、壳体40和超声波振子41以旋转轴31a为中心进行旋转运动。伴随于此，从超声波振子41输出的超声波U1的照射方向沿旋转轴31a的周向变化。
如图3、图4所示，倾斜电机32安装在支承框架35的上端部。本实施方式的倾斜电机32使用步进电机。倾斜电机32的输出轴32a与一对倾动轴部36a平行地配置，在其前端部安装有小齿轮32b。小齿轮32b与安装在壳体40上的近似半圆形的倾斜齿轮37啮合。因此，当倾斜电机32的输出轴32a旋转时，随着小齿轮32b和倾斜齿轮37的转动，壳体40和超声波振子41以倾动轴36(倾动轴部36a)为中心进行倾斜运动。伴随于此，从超声波振子41输出的超声波U1的照射角度也随着超声波振子41的倾动而变化。
如图5至图7所示，超声波振子41包括基材42和压电元件43。基材42是兼作声匹配层的圆板状的树脂材质板状物。而且，在基材42的外周部设有4个伸出部44，在各伸出部44上分别设有螺钉孔45。各螺钉孔45以压电元件43(超声波振子41)的中心O1为基准以等角度间隔配置。另外，在各螺钉孔45上，对基材42的背面42b侧的开口部实施锪孔加工。因此，即使将螺钉(省略图示)穿通螺钉孔45，螺钉的头部也不会从基材42的背面42b突出，因此能够避免螺钉与容纳超声波振子41的声呐罩20发生干扰。
然后，将螺钉穿通各螺钉孔45，将穿通的螺钉的前端部与壳体40螺合。其结果是，超声波振子41被固定在壳体40上。另外，在将超声波振子41固定到壳体40上时，在壳体40与基材42之间产生间隙。而且，该间隙成为连通壳体40内外的连通口48。
另外，压电元件43例如是使用作为压电陶瓷的锆钛酸铅(PZT)形成的近似圆板状的陶瓷材质板状物。如图5至图7所示，由于压电元件43的外径比基材42的外径小，所以基材42的面积比压电元件43的面积大。另外，压电元件43具有与基材42接合的正面51、位于正面51的相反侧的背面52以及与正面51及背面52正交的外周面53。进而，如图5、图8所示，在压电元件43的正面51形成有正面侧电极54，在压电元件43的背面52形成有背面侧电极55。另外，在本实施方式中，压电元件43的整个正面51经由正面侧电极54及粘接层56(参照图8)与基材42接合。另外，通过在正面侧电极54和背面侧电极55之间施加电压，压电元件43沿厚度方向极化。
如图5至图9所示，压电元件43由多个振动部90构成，所述多个振动部90以沿所述压电元件43的厚度方向延伸的方式被分割。各振动部90通过在压电元件43的背面52形成多个槽部K1而构成。各槽部K1以相互不交叉的方式沿面方向朝一个方向(在图6中为X方向)延伸。因此，各振动部90隔着槽部K1配置在与该槽部K1延伸的方向正交的方向(在图6中为Y方向)上。另外，各槽部K1相互平行地配置，并且以相对于倾动轴36的中心轴线A1(参照图6)成0°度的方式配置。即，各槽部K1与倾动轴36的中心轴线A1平行。进而，在本实施方式中，各槽部K1中位于中央的槽部K1位于倾动轴36的中心轴线A1上。另外，各槽部K1的宽度比振动部90的宽度小，在本实施方式中，大于等于振动部90宽度的十分之一且小于等于振动部90宽度的三分之一。另外，各槽部K1的宽度彼此相等。另外，由于在各槽部K1内没有填充任何由树脂材料(环氧树脂、聚氨酯树脂、有机硅树脂等)或粘接剂(环氧系粘接剂等)等构成的填料，因此各槽部K1整体为空隙K0。
如图6至图9所示，各振动部90由位于两端(在图6中为上端和下端)的一对外侧振动部91和配置在两外侧振动部91之间的多个内侧振动部92构成。各振动部90从背面看呈带状。具体而言，如图9(a)所示，外侧振动部91的表面93a(背面52)由2个边94a、94b构成，边94a从背面看呈圆弧状，边94b从背面看呈直线状。另外，如图9(b)所示，内侧振动部92的表面93b(背面52)由4个边95a、95b、95c、95d构成，边95a、95c从背面看呈圆弧状，边95b、95d从背面看呈直线状。另外，两外侧振动部91的外侧面96及各内侧振动部92的两端面97构成压电元件43的外周面53。
另外，在本实施方式中，各振动部90中位于中央的振动部90(内侧振动部92)的长度最长，与压电元件43的外径大致相等。并且，距压电元件43的中心O1的距离越远，振动部90的长度越短。另外，外侧振动部91的宽度W1大于内侧振动部92的宽度W2。
如图6至图9所示，两外侧振动部91及各内侧振动部92在压电元件43正面51侧的端部相互连接。另外，外侧振动部91的长度大于外侧振动部91的高度H1，内侧振动部92的长度大于内侧振动部92的高度H1。另外，外侧振动部91的长度小于内侧振动部92的长度，振动部90的长度的最小值大于振动部90的高度H1。而且，外侧振动部91的高度H1大于外侧振动部91的宽度W1，内侧振动部92的高度H1大于内侧振动部92的宽度W2。另外，振动部91、92的高度H1与槽部K1的深度相等。进而，上述基材42的厚度小于振动部91、92的高度H1。另外，压电元件43中振动部91、92彼此连接的部分的厚度H2小于基材42的厚度。此外，压电元件43的厚度H3(振动部91、92的高度H1)任意设置，例如，振动部91、92的“纵向振动”设置为目标共振频率。
进而，在本实施方式的压电元件43中，振动部90宽度(具体为外侧振动部91的宽度W1或内侧振动部92的宽度W2)的最大值小于压电元件43的厚度H3，具体而言，大于等于厚度H3的四分之一且小于等于厚度H3的二分之一。而且，振动部90宽度的最大值小于槽部K1的深度。另外，压电元件43的厚度H3小于压电元件43的外径。而且，压电元件43的外径为压电元件43的厚度H3的2倍以上。另外，槽部K1的深度小于压电元件43的厚度H3，具体而言，为厚度H3的80％以上且小于100％。
在本实施方式的压电元件43中，振动部90宽度的最大值W和压电元件43外径的最小值L满足0.05≤W/L≤0.1的关系，特别是满足0.07≤W/L≤0.1的关系。另外，本实施方式的最小值L与压电元件43的外径相等。这表示在压电元件43上存在10个以上的振动部90。这样一来，由于复合振动减少，特定部分的灵敏度变高，伴随与此，特定部分附近的灵敏度也变高，超声波U1的频段变宽。
如图6、图8所示，在两外侧振动部91的表面93a上以及各内侧振动部92的表面93b上分别形成有背面侧电极55。而且，以跨接多个背面侧电极55中每一个的方式贴附有带状的导电性部件即金属箔60(例如铜箔、黄铜箔、铝箔等)。另外，金属箔60通过焊锡等导电金属或含有以往公知的导电性填料的粘接剂等贴附在各背面侧电极55上。另外，通过贴附金属箔60，金属箔60成为两外侧振动部91的表面93a及各内侧振动部92的表面93b的共用电极。
而且，如图5所示，在正面侧电极54上连接有第一引线62，在背面侧电极55上连接有第二引线63。第一引线62通过焊接等方式与从正面侧电极54向外侧延伸出的侧面端子(省略图示)连接。第二引线63通过焊接等方式与多个背面侧电极55中的任意一个连接。并且，第一引线62和第二引线63由布线管64捆束，通过设置在壳体40上部的布线穿孔49后拉出到壳体40外。另外，第一引线62与侧面端子连接，但也可以在正面侧电极54上或基材42的表面42a粘贴铜箔等金属箔(省略图示)，通过焊接等方式将第一引线62与金属箔连接。
另外，在压电元件43的背面52侧粘贴有片状的隔音材料65(背衬材料)。隔音材料65用于抑制混响，在壳体40的内周面上也有粘贴。另外，隔音材料65可以使用含有由金属或陶瓷所构成的粒子或纤维的树脂材料或橡胶、或分散地设置了空孔的树脂材料(海绵等)。
并且，在图3、图4所示的声呐罩20内填充有用于传播超声波U1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在壳体40上的连通口48流入壳体40内，再流入压电元件43中相邻的振动部90之间的空隙K0(槽部K1)，将空隙K0填满。此外，本实施方式的超声波传播液体是液体石蜡。另外，上述基材42的固有声阻抗小于压电元件43的固有声阻抗，且大于超声波传播液体的固有声阻抗或水的固有声阻抗。
接着，对声呐11的电气结构进行说明。
如图10所示，声呐11的液晶监视器13包括统一控制整个装置的控制装置70。控制装置70由CPU71、ROM72、RAM73等构成的众所周知的计算机构成。
CPU71经由电机驱动器81与扫描电机31和倾斜电机32电连接，并通过各种驱动信号对它们进行控制。另外，CPU71经由收发电路82与超声波振子41电连接。收发电路82对超声波振子41输出振荡信号，驱动超声波振子41。其结果是，超声波振子41向水中照射(发送)超声波U1。另外，表示由超声波振子41接收到的超声波U1(反射波U2)的电信号被输入至收发电路82。另外，CPU71分别与升降装置12、操作部14、显示部15以及GPS(GlobalPositioning System：全球定位系统)接收部83电连接。
并且，图10所示的CPU71控制收发电路82由超声波振子41照射超声波U1，并且对升降装置12的驱动进行控制。CPU71控制电机驱动器81分别驱动扫描电机31和倾斜电机32。由GPS接收部83接收到的船舶10位置信息被输入至CPU71。
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U2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，并将生成的探测图像数据存储在RAM73中。CPU71基于存储在RAM73中的探测图像数据，控制显示部15显示探测图像。
接着，对使用声呐11探测被探测物S0的方法进行说明。
首先，接通声呐11、升降装置12以及液晶监视器13的电源(省略图示)。此时，表示船舶10位置的位置信息由GPS接收部83输入至控制装置70的CPU71。接着，CPU71进行从收发电路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的各振动部90反复进行收缩(参照图11(b))和伸长(参照图11(a))。另外，在振动部90沿高度方向收缩时，振动部90向宽度方向，具体而言向振动部90的外周侧(参照图11(b)的箭头F1)以变粗所收缩体积量的方式变形。并且，当振动部90沿高度方向伸长时，振动部90向宽度方向，具体而言，向振动部90的中央部侧(参照图11(a)的箭头F2)变形。其结果是，压电元件43振动，从超声波振子41对水中照射(发送)超声波U1。
然后，当超声波U1到达被探测物S0(参照图1)时，超声波U1由被探测物S0反射而成为反射波U2，再向声呐11传播并输入(接收)到超声波振子41。然后，超声波振子41接收到的超声波U1(反射波U2)被转换为接收信号，经由收发电路82被输入CPU71。此时，被探测物S0被探测到。
进而，CPU71通过电机驱动器81进行驱动扫描电机31的控制，使超声波振子41以旋转轴31a为中心进行旋转运动。另外，CPU71通过电机驱动器81进行驱动倾斜电机32的控制，使超声波振子41以倾动轴36为中心进行倾斜运动。其结果是，超声波U1的照射方向逐渐变化，探测范围也随之逐渐变化。然后，当操作者关闭电源时，通过控制装置70使收发电路82停止，结束超声波U1的照射及反射波U2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)等构成的树脂材质板状物切削加工成圆形。另外，准备待制成压电元件43的陶瓷材质板状物。具体而言，制作由锆钛酸铅(PZT)构成的圆板状的陶瓷材质烧结体后，进行表面抛光，由此得到陶瓷材质板状物。接着，进行电极形成工序，在陶瓷材质板状物的正面51形成正面侧电极54，并且在陶瓷材质板状物的背面52形成背面侧电极55。具体而言，在陶瓷材质板状物的正面51及背面52分别涂敷银浆，对涂敷的银浆进行烧制，由此形成电极54、55。然后，通过在正面侧电极54和背面侧电极55之间施加电压，进行使陶瓷材质板状物沿厚度方向极化的极化处理。
在接下来的接合工序中，将陶瓷材质板状物经由正面侧电极54接合在基材42的一面上。具体而言，对正面侧电极54的表面及基材42的表面42a的任一面涂敷用于构成粘接层56的粘接剂(环氧系粘接剂等)，将陶瓷材质板状物粘接固定到基材42。另外，也可以使用焊锡等进行钎焊的方式代替涂敷粘接剂。
在接合工序后的振动部形成工序中，通过进行切削加工等工序，在陶瓷材质板状物的背面52侧形成多个槽部K1。其结果是，陶瓷材质板状物被分割成多个振动部90，并且形成在陶瓷材质板状物的背面52上的背面侧电极55也被分割成多个(数量与振动部90相同)。此时，压电元件43完成。另外，由于各振动部90以在压电元件43正面51侧的端部相互连接的状态被分割，所以不会分割到形成于正面51的正面侧电极54。然后，以跨接多个背面侧电极55的每一个的方式粘贴金属箔60，将各背面侧电极55作为各振动部90的表面93a、93b的共用电极。此时，超声波振子41完成。
另外，在超声波振子41完成后，经由侧面端子(省略图示)将第一引线62通过焊接等方式与正面侧电极54连接，并且通过焊接等方式将第二引线63与背面侧电极55连接。接着，在压电元件43的背面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。然后，将超声波振子41的压电元件43容纳在壳体40中。接下来，在该状态下，使螺钉(省略图示)穿通设置在基材42上的多个螺钉孔45，将穿通的螺钉的前端部与壳体40螺合。最终，超声波振子41被固定到壳体40上(参照图5)。进而，将固定有超声波振子41的壳体40容纳在声呐罩20内，使壳体40所具有的一对倾动轴部36a分别与设置于支承框架35的两臂部35a的通孔嵌合。然后，将超声波传播液体(省略图示)填充到声呐罩20内。此时，超声波振子41组装至声呐罩20，声呐11完成。
另外，超声波传播液体的一部分经由设置于壳体40的连通口48流入壳体40内，但不完全进入压电元件43中相邻的振动部90之间的槽部K1内。其结果是，空气残留在槽部K1的大部分内部区域。根据制法，也可以在槽部K1的整个内部区域填充超声波传播液体，但不填充的情况下施加在各振动部90上的负载更小，收发灵敏度更高。因此，在本实施方式中，没有必须向槽部K1的内部区域填充超声波传播液体的必要。在此，作为使超声波传播液体不进入槽部K1内的方法，可以考虑在压电元件43的外周面53上卷绕隔音材料65，或者强力地流入超声波传播液体而覆盖压电元件43的外周面53等。
接着，对超声波振子的评价方法及其结果进行说明。
首先，准备如下测定用样品。通过在呈圆板状的压电元件的背面形成多个沿一个方向延伸的槽部，准备形成有多个带状振动部的超声波振子(即，与本实施方式的超声波振子41同样的超声波振子)，将其作为实施例。具体而言，首先，将外径50mm、厚度7.2mm的压电元件粘接在外径54mm、厚度3.6mm的基材(玻璃环氧板)上。接着，以3.5mm的间距等间隔且平行地形成宽度0.5mm且深度为压电元件厚度的95％左右的11个槽部。然后，以跨接各振动部的表面上的各电极的方式焊接带状的铜箔，将其容纳到壳体中。
另外，准备在呈圆板状的压电元件的背面未形成槽部的超声波振子，将其作为比较例1。具体而言，首先，将压电元件粘接在基材上。然后，对压电元件背面上的电极实施布线，将其容纳到壳体中。
进而，通过在呈圆板状的压电元件的背面形成多个沿纵横方向延伸的槽部，准备形成有多个柱状振动部的超声波振子，将其作为比较例2。具体而言，首先，将压电元件粘接在基材上。接着，等间隔且平行地形成11个槽部。进而，使压电元件旋转90°后，等间隔且平行地形成同样的11个槽部。然后，在各振动部的表面上的各个电极上焊接铜箔，将其容纳在壳体中。
另外，通过在呈矩形板状的压电元件的背面形成多个沿一个方向延伸的槽部，准备形成有多个带状振动部的超声波振子，将其作为比较例3。具体而言，首先，将纵36mm×横36mm的压电元件粘接在纵40mm×横40mm的基材上。接着，等间隔且平行地形成10个槽部。然后，以跨接各振动部的表面上各电极的方式焊接带状的铜箔，将其容纳在壳体中。
接着，对于各测定用样品(实施例和比较例1至3)，计算出超声波振子的收发灵敏度。具体地说，将超声波振子的放射面浸泡在水中，向位于距离放射面1m位置处的FRP板垂直地照射超声波。另外，超声波是电压振幅为100V的猝发波。并且，由FRP板反射的超声波(反射波)被超声波振子接收，在超声波振子的两端产生电压信号。此时，利用示波器测定超声波振子进行发送及接收时的电压振幅，根据测定结果进行运算，由此计算出收发灵敏度。此外，收发灵敏度是接收电压的振幅Vr与发送电压的振幅Vs之比，由公式20×log(Vr/Vs)算出。
另外，在各测定用样品中，在20kHz至400kHz之间将频率切换为多个阶段，在切换后的各个频率下照射超声波。然后，采用使用示波器的上述方法，计算出超声波振子的收发灵敏度。图12的曲线图表示实施例及比较例1至3中的频率与收发灵敏度的关系。
由其结果可确认出，在圆板状的压电元件上形成有沿一个方向延伸的槽部的实施例中，压电元件在收发灵敏度于230kHz左右时处于峰值的第一频段中沿厚度方向振动，并且在比第一频段低的、收发灵敏度于75kHz左右时处于峰值的第二频段中沿径向振动。而且，确认了例如大于等于-45dB时的收发灵敏度的范围在第一频段为130kHz至350kHz左右，在第二频段为50kHz至80kHz左右。另外还可知，在实施例中，130kHz至350kHz左右的收发灵敏度与比较例2、3相同，但与比较例1相比，高15dB左右。另外，在实施例中，通过将圆板状的压电元件粘接在圆板状的基材上而形成仅向一个方向延伸的槽部，从而容易沿圆板的径向产生振动。由此可知，在实施例中，50kHz至80kHz左右的收发灵敏度比所有的比较例1至3高10dB左右。由以上可知，在实施例中，第一频段和第二频段都适于超声波的收发。
另一方面可知，在圆板状的压电元件上未形成任何槽部的比较例1中，压电元件在收发灵敏度于200kHz左右时处于峰值的频段中沿厚度方向振动，并且在收发灵敏度于50kHz左右时处于峰值的频段中沿径向振动。但是，在比较例1中，收发灵敏度整体上较低。由此可知，在以200kHz左右作为峰值的频段当中，例如大于等于-45dB时的收发灵敏度的范围在200kHz至230kHz左右，而在以50kHz左右作为峰值的频段中，所述收发灵敏度的范围仅在50kHz左右，因此和实施例相比较来说是非常窄的。由此可知，在比较例1中，超声波的混响较长。即，比较例1中上述两个频段中的任意一个都不适于超声波的收发。
另外还可知，在圆板状的压电元件上形成有纵横延伸的槽部的比较例2中，压电元件在收发灵敏度于230kHz时处于峰值的频段中沿厚度方向振动，并且在收发灵敏度于75kHz时处于峰值的频段中沿径向振动。而且通过确认可知，在以230kHz作为峰值的频段中，例如大于等于-45dB时的收发灵敏度的范围在130kHz至350kHz左右，而在以75kHz作为峰值的频段中，所述收发灵敏度的范围在50kHz至80kHz左右。但是通过确认可知，在比较例2中，虽然130kHz至350kHz左右的收发灵敏度与实施例相同，但50kHz至80kHz左右的收发灵敏度整体上比实施例低。综上所述，在比较例2中，以230kHz作为峰值的频段适于超声波的收发，但以75kHz作为峰值的频段不适于超声波的收发。
还可知，在矩形状的压电元件上形成有沿一个方向延伸的槽部的比较例3中，压电元件在收发灵敏度于240kHz时处于峰值的频段中沿厚度方向振动，并且在收发灵敏度于55kHz时处于峰值的频段中沿径向振动。而且通过确认可知，在以240kHz作为峰值的频段中，例如大于等于-45dB时的收发灵敏度的范围在130kHz至350kHz左右，而在以55kHz作为峰值的频段中，所述收发灵敏度的范围仅在55kHz左右。另外，在比较例3中确认可知，形成于振动部前端面的电极的面积较小，受此影响，130kHz至350kHz左右的收发灵敏度比实施例略低，不及实施例。另外，在比较例3中，55kHz左右的收发灵敏度比实施例低。由以上可知，在比较例3中，以240kHz作为峰值的频段适于超声波的收发，但以55kHz作为峰值的频段不适于超声波的收发。
因此，根据本实施方式，能够得到以下的效果。
在本实施方式的超声波振子41中，通过在压电元件43上形成槽部K1而得到多个带状的振动部90，因此各振动部90各自容易沿高度方向变形，压电元件43在各部位容易变形。其结果是，与在压电元件上形成槽部而得到多个柱状振动部的情况相同，压电元件43容易沿厚度方向振动，因此超声波U1的机电耦合系数变高，第一频段的范围变宽。进而，压电元件43不仅在第一频段沿厚度方向振动，还在与第一频段不同的频段、具体而言在比第一频段低的第二频段沿径向振动。另外，举例而言，第二频段的收发灵敏度的峰值甚至可以高到-35dB左右，与第一频段的收发灵敏度的峰值(-30dB左右)相当。因此，能够增加适于超声波U1的收发的频段。而且，由于振动部90呈带状，所以与振动部呈柱状的情况相比，各振动部90容易沿径向振动。由此，超声波U1的机电耦合系数变得更高，第二频段的范围也变宽。综上所述，通过切换到沿厚度方向振动的第一频段(130kHz至350kHz左右)和沿径向振动的第二频段(50kHz至80kHz左右)来驱动超声波振子41，能够在各个频段收发超声波U1。
而且，在本实施方式中，以相互不交叉的方式形成有沿面方向延伸的槽部K1，由此得到带状的振动部90。因此，与形成纵横延伸的槽部而得到上述柱状振动部的情况相比，形成振动部90所需的槽部K1的形成次数减半，槽部K1的形成变得容易。因此，能够降低超声波振子41的制造成本。
进而，在本实施方式中，距压电元件43的中心O1的距离越远，振动部90的长度越短。在这种情况下，虽然各振动部90会产生长度方向振动，但各个共振频率不同，产生该长度方向振动的频段一点一点地偏移，因此，通过将各个频段彼此合成，使频段的宽度变宽(参照图12的实施例的第二频段)。因此，超声波U1的频段变得更宽。
例如，在超声波振子的压电元件上形成有柱状振动部的情况下，若长时间驱动超声波振子，则很有可能因疲劳破坏而在振动部产生裂纹。而且，当在产生裂纹的状态下以高电压持续驱动超声波振子时，从裂纹的产生部位断续地产生放电，在此影响下，存在压电元件的其他振动部也发生压电特性降低、收发灵敏度降低的问题。另一方面，在本实施方式中，在压电元件43上形成有带状的振动部90。此时，与柱状振动部相比，振动部90在平面方向上变长，由此压电元件43正面51侧的端部(振动部90彼此连接的部分)与振动部90的接合面积变大，振动部90成为不易倾倒的稳定形状，因此能够防止振动部90的强度降低。因此，即使长时间驱动超声波振子41，也难以产生由裂纹的产生引发的上述问题。即，通过抑制裂纹的产生，能够提高超声波振子41的可靠性。
在本实施方式中，由于外侧振动部91的宽度W1比内侧振动部92的宽度W2大，所以外侧振动部91在宽度方向上大于内侧振动部92。由此，整个外侧面96露出于压电元件43外部的外侧振动部91的强度变高，能够可靠地防止在外侧振动部91产生裂纹。因此，能够在由于外露而更容易受到外力作用的外周部进行压电元件43的加固，超声波振子41的可靠性进一步提高。
进而，在本实施方式中，通过使振动部90在平面方向上变长来加固压电元件43，因此不需要用填料填充各振动部90间的空隙K0(槽部K1)。在这种情况下，由于振动部90在长度方向上的变形不会被填料妨碍，所以振动部90容易沿长度方向振动，进而压电元件43容易沿径向振动。而且，振动部90在高度方向的变形也不会被填料妨碍，因此振动部90容易沿高度方向振动，进而压电元件43容易沿厚度方向振动。因此，能够可靠地扩大超声波U1的频段。
例如，通过使形成于压电元件43的背面52侧的槽部K1到达压电元件43的正面51，用多个振动部90完全分割压电元件43时，形成于压电元件43正面51的正面侧电极54也被分割。因此，即使将第一引线62与正面侧电极54(侧面端子)连接，也存在无法实现与整个正面侧电极54导通的问题。另一方面，在本实施方式中，各振动部90在压电元件43正面51侧的端部相互连接，因此形成于正面51的正面侧电极54不会被分割。此时，如果在正面侧电极54上连接第一引线62，则能够可靠地实现与整个正面侧电极54的导通，因此能够容易地制作声呐11。另外，各振动部90在压电元件43正面51侧的端部相互连接，由此压电元件43的整个正面51与基材42的表面42a接触。因此，两者的接触面积得以保证，压电元件43与基材42的接合强度提高。其结果是，超声波振子41的可靠性进一步提高。
另外，也可以如下变更上述实施方式。
·在上述实施方式的超声波振子41中，槽部K1整体为空隙K0，但槽部K1的一部分也可以填充有填料。例如，如图13所示，关于各个槽部K1，槽部K1的内部区域也可以由填充填料111的填充区域R1和不填充填料111的非填充区域R2构成。另外，在图13中，在各槽部K1的两端设置有填充区域R1，在各槽部K1中除了两端以外的部分设置有非填充区域R2，但填充区域R1和非填充区域R2的位置没有特别限定，可以适当变更。另外，非填充区域R2的体积比填充区域R1的体积大，但也可以比填充区域R1的体积小，也可以与填充区域R1的体积相等。另外，如图14所示，也可以在各槽部K1的整个内部区域填充填料112。
另外，如果填料111、112的固有声阻抗大于等于压电元件43的固有声阻抗的十分之一，则固有声阻抗的差变小，超声波U1不易衰减，因此能够利用压电元件43的径向振动进行超声波U1的收发。但是，若填料111、112的固有声阻抗变高，则通常填料111、112的密度变高，填料111、112变重，因此会有因填料111、112的存在而妨碍振动部90的振动、收发灵敏度降低的问题。因此，为了解决该问题，例如优选将填料111、112的比重设定为1.5以下。这样一来，由于填料111、112相对较轻，所以填料111、112难以成为振动部90振动的负担。其结果是，能够防止由于填料111、112引起的收发灵敏度的降低。另外，作为其他方法，也可以考虑通过降低填料111、112的固有声阻抗来抑制收发灵敏度的降低。但是，在这种情况下，压电元件43的径向振动变弱，因此优选减小填料111、112的比重。
·在上述实施方式中，外侧振动部91的宽度W1和内侧振动部92的宽度W2互不相同，但宽度W1、W2也可以彼此相等。另外，在上述实施方式中，形成于压电元件43的槽部K1的宽度彼此相等，但槽部K1的宽度也可以互不相同。
·在上述实施方式的超声波振子41中，使用了由锆钛酸铅(PZT)构成的压电元件43，但压电元件43的形成材料没有特别限定。例如，也可以使用由铌酸钾钠系(碱性铌酸系)、钛酸钡系、PMN-PT(Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3)单晶、PZNT(Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3)单晶、LiNbO3单晶的压电陶瓷构成的压电元件。
在上述实施方式的超声波振子41中，使用了由玻璃环氧树脂(FR-4)构成的基材42，但基材42的形成材料可以在考虑固有声阻抗、超声波U1的频率、机械强度等方面的基础上进行适当变更。例如，也可以使用由玻璃环氧树脂(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)、氧化铝的多孔体构成的基材。
在上述实施方式中，也可以将超声波振子41的驱动方式切换为驱动全部振动部90的全驱动模式(第一方式)和驱动各振动部90中距压电元件43中心O1最近的振动部90的部分驱动模式(第二方式)。
上述实施方式的超声波振子41被用于机械地变更超声波U1照射方向的声呐11上，但也可以用于其他测量设备。例如，超声波振子也可以被用于电气地变更超声波U1照射方向的声呐上。另外，也可以将超声波振子用于不变更超声波U1的照射方向、即不具有驱动机构30的鱼群探测器。进而，超声波振子也可以用于例如测量水的深度的测深机、或在空气中测量距离的空中传感器等测量设备。
接着，除了权利要求书所记载的技术思想之外，以下还列举由上述实施方式掌握的技术思想：
(1)一种测量设备用超声波振子，其特征在于，在权利要求2或3中，所述振动部的宽度的最大值小于所述槽部的深度，所述槽部的深度小于所述压电元件的厚度。
(2)一种测量设备用超声波振子，其特征在于，在权利要求7中，所述非填充区域的体积大于所述填充区域的体积。
(3)一种测量设备用超声波振子，其特征在于，在权利要求1至9的任意一项中，所述第一频段的收发灵敏度的峰值与所述第二频段的收发灵敏度的峰值之差大于等于5dB，小于等于10dB。
(4)一种测量设备用超声波振子，其特征在于，在权利要求1至9的任意一项中，所述第二频段表示比收发灵敏度的峰值降低6dB以内的频率的范围。
(5)一种测量设备用超声波振子，其特征在于，在权利要求1至9的任意一项中，所述第二频段在频率宽度为40kHz以内的特定范围内，收发灵敏度大于等于-45dB。
(6)一种测量设备用超声波振子，其特征在于，在权利要求1至9的任意一项中，当所述振动部的宽度的最大值为W，所述压电元件的外径的最小值为L时，满足W/L≤0.1的关系。
(7)一种测量设备用超声波振子，其特征在于，在权利要求1至9的任意一项中，多个所述振动部由一对外侧振动部和配置在所述一对外侧振动部之间的多个内侧振动部构成，所述外侧振动部的宽度大于所述内侧振动部的宽度。
(8)一种测量设备用超声波振子，其特征在于，在权利要求1至9的任意一项中，能够将所述超声波振子的驱动方式切换为驱动全部所述振动部的第一方式、和驱动多个所述振动部中距所述压电元件中心最近的所述振动部的第二方式。
附图标记
11作为测量设备的声呐；
41超声波振子
42基材
43压电元件
51压电元件的正面
52压电元件的背面
90振动部
91作为振动部的外侧振动部
92作为振动部的内侧振动部
111、112填料
H3压电元件的厚度
K0空隙
K1槽部
O1压电元件的中心
R1填充区域
R2非填充区域
U1超声波
W振动部的宽度的最大值

Claims (9)

1.一种收发超声波的测量设备用超声波振子，其特征在于，包括兼作声匹配层的近似圆板状的基材以及近似圆板状的压电元件，其中，所述压电元件具有与所述基材接合的正面及位于其相反侧的背面；所述基材的面积大于所述压电元件的面积；在所述压电元件上以相互不交叉的方式形成有多个沿面方向延伸的槽部，并且隔着所述槽部配设有多个带状的振动部；距所述压电元件的中心的距离越远，所述振动部的长度越短；多个所述振动部在所述压电元件的所述正面侧的端部相互连接，所述压电元件在第一频段沿厚度方向振动，并且在比所述第一频段低的第二频段沿径向振动。
2.根据权利要求1所述的测量设备用超声波振子，其特征在于，所述振动部的宽度的最大值小于所述压电元件的厚度，所述压电元件的厚度小于所述压电元件的外径。
3.根据权利要求2所述的测量设备用超声波振子，其特征在于，所述振动部的宽度的最大值大于等于所述压电元件厚度的四分之一，小于等于所述压电元件厚度的二分之一。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的测量设备用超声波振子，其特征在于，所述压电元件的外径大于等于所述压电元件厚度的2倍。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的测量设备用超声波振子，其特征在于，所述槽部的深度大于等于所述压电元件厚度的80％，小于所述压电元件厚度的100％。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的测量设备用超声波振子，其特征在于，所述槽部整体为空隙。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的测量设备用超声波振子，其特征在于，对于1个所述槽部，所述槽部的内部区域由填充填料的填充区域和不填充所述填料的非填充区域构成。
8.根据权利要求1至5中任一项所述的测量设备用超声波振子，其特征在于，在所述槽部的整个内部区域填充有填料。
9.根据权利要求7或8所述的测量设备用超声波振子，其特征在于，所述填料的固有声阻抗大于等于所述压电元件的固有声阻抗的十分之一，所述填料的比重小于等于1.5。
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