JP6732274B1 - ソナー、超音波振動子 - Google Patents

Abstract

超音波振動子の大型化を伴うことなく、超音波の比帯域を広げることができるソナーを提供する。本発明のソナーは、超音波を送受信する超音波振動子４１と、超音波振動子４１の中心軸Ｏ１を傾斜及び回転させる機構とを有する。超音波振動子４１は、音響整合層を兼ねる基材４２と、セラミックス製板状物からなる圧電素子４３とを備える。圧電素子４３は、厚さ方向に沿って延びるように分割された複数の柱部５７により構成され、かつ基材４２に対して接合された前面５１及びその反対側にある背面５２を有する。なお、各柱部５７は、圧電素子４３の前面５１側の端部において互いに繋がっている。選択図：図７

Description

本発明は、超音波を利用して魚群などの被探知物を探知するソナー、ソナーに好適な超音波振動子に関するものである。

従来、超音波の送受信によって魚群などの被探知物を探知するソナーが知られている（例えば、特許文献１参照）。ソナーは、超音波を送受信する超音波振動子と、超音波振動子の中心軸を傾斜及び回転させる機構とを有しており、超音波振動子を回転させながら超音波の送受信を行うことにより、水中を探知するようになっている。そして、水中を探知した探知結果は、探知画像として画面に表示される。なお、超音波振動子は、一般的に、円板状の圧電素子と、圧電素子の照射面に接合された音響整合層とを備えている。

特許第５９７９５３７号公報（請求項１、図４等）

ところで、特許文献１に記載のソナーで使用される超音波振動子は、円板状の圧電素子を用いており、超音波の周波数帯域が狭く、比帯域も狭い。近年、同様のソナーを搭載した船舶が増加しているため、他の船舶との混信が生じやすくなってきている。混信を避けるためには、付近の船舶が使用している駆動周波数を外して超音波を送受信すればよいが、比帯域が狭い場合には、変更できる周波数の選択肢が少なくなってしまう。このため、超音波の比帯域が広い超音波振動子を用いることが求められている。

また、従来より、超音波の深達距離を伸ばすことも求められている。このためには、超音波振動子の送受感度を高めることに加えて、駆動周波数を低くすることが有効である。駆動周波数を低くすれば、水中を伝搬する際の超音波の減衰が小さくなるからである。なお、特許文献１に記載のソナーにおいて、駆動周波数を低くするためには、圧電素子を厚くするなどして、圧電素子の共振周波数を低くする必要がある。しかしながら、圧電素子を厚くすると、圧電素子と音響整合層とからなる超音波振動子が大型化して重量が増すため、超音波振動子を傾斜及び回転させる機構も大型で高トルクのものになる。その結果、超音波振動子を含むシステム全体が大きくなり、製造コストも高くなるという問題がある。

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、超音波振動子の大型化を伴うことなく、超音波の比帯域を広げることができるソナーを提供することにある。また、別の目的は、大型化を伴うことなく、超音波の比帯域を広げることができる超音波振動子を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、超音波を送受信する超音波振動子と、前記超音波振動子の中心軸を傾斜及び回転させる機構とを有するソナーであって、前記超音波振動子は、音響整合層を兼ねる基材と、厚さ方向に沿って延びるように分割された複数の柱部により構成され、かつ前記基材に対して接合された前面及びその反対側にある背面を有するセラミックス製板状物からなる円板状の圧電素子とを備え、前記複数の柱部が、前記圧電素子の前記前面側の端部において互いに繋がっており、前記圧電素子内を伝搬する縦波の音速をｃ１とし、前記圧電素子の厚さをｔ１とし、前記基材内を伝搬する縦波の音速をｃ２とし、前記基材の厚さをｔ２としたとき、（ｃ２×ｔ１）／（ｃ１×ｔ２）＝１．１０以上１．４２以下の関係を満たし、前記柱部を前記厚さ方向から見たときの最大寸法は、前記柱部の高さの４７％以上６８％以下であり、１００ｋＨｚ〜３４０ｋＨｚの範囲内で送受感度積が最大となる値を最大送受感度積と定義し、送受感度積が最大送受感度積よりも０ｄＢ〜６ｄＢ低くなる周波数の範囲を周波数帯域と定義し、周波数帯域における下限の周波数を下限周波数と定義し、周波数帯域における上限の周波数を上限周波数と定義し、下限周波数と上限周波数との中間値を中心周波数ｆｍと定義し、下限周波数と上限周波数との差を周波数帯域幅Δｆと定義したとき、周波数帯域幅Δｆと中心周波数ｆｍとの比である比帯域Δｆ／ｆｍが、０．２７以上であることを特徴とするソナーをその要旨とする。

従って、請求項１に記載の発明によると、超音波振動子を構成する圧電素子が、厚さ方向に沿って延びるように分割された複数の柱部によって構成されているため、隣接する柱部間に空隙が生じる。その結果、各柱部のそれぞれが高さ方向に変形しやすくなるため、圧電素子が各部位において厚さ方向に変形しやすくなる。つまり、圧電素子が振動しやすくなるため、超音波の電気機械結合係数が高くなり、比帯域も広くなる。よって、超音波の周波数を変更する場合に、変更できる周波数の選択肢が広くなる。また、請求項１に記載の発明では、圧電素子を複数の柱部に分割することにより、圧電素子の共振周波数を低くしている。即ち、圧電素子が厚くなることに起因する超音波振動子の大型化を伴わなくても、圧電素子の共振周波数を低くすることができる。その結果、圧電素子の駆動周波数が低くなり、伝搬時の超音波の減衰が小さくなるため、圧電素子から照射された超音波の深達距離を伸ばすことができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記柱部の高さは、前記圧電素子の厚さの８０％以上１００％未満であり、前記圧電素子の前記前面の全体が、前面側電極層を介して前記基材に接合されていることをその要旨とする。

従って、請求項２に記載の発明によると、柱部の高さが圧電素子の厚さの８０％以上であるため、隣接する柱部間に生じる空隙が深くなる。その結果、柱部が高さ方向に変形しやすくなるため、超音波振動子の感度が高くなる。しかも、柱部の高さが圧電素子の厚さの１００％未満であるため、圧電素子を複数の柱部に分割した構成であっても、圧電素子の前面側の端部において柱部同士が繋がる部分の厚さが確保される。その結果、圧電素子の強度を確保することができる。さらに、圧電素子の前面の全体が基材に接合されることから、両者の接触面積が大きくなるため、圧電素子と基材との接合強度が向上する。

ここで、柱部の形状としては、多角柱状や円柱状などを挙げることができる。柱部が、例えば四角柱状や六角柱状に代表される多角柱状をなす場合、柱部を厚さ方向から見たときの最大寸法は、柱部の先端面（背面）の対角線の長さとなる。また、柱部が円柱状をなす場合、柱部を厚さ方向から見たときの最大寸法は、柱部の先端面の直径の大きさとなる。

なお、基材の厚さは、柱部の高さよりも小さいことが好ましい。このようにすれば、基材が圧電素子よりも薄く形成されるため、基材と圧電素子とからなる超音波振動子の小型化を図ることができる。また、基材が薄く形成されることにより、超音波が基材を透過する際の減衰を低減することができる。

なお、基材は、固有音響インピーダンス、超音波の周波数、機械的強度等を考慮して適宜選択することができる。基材の好適な形成材料としては、例えば、ガラスエポキシ（ＦＲ−４）、ガラスエポキシ（ＣＥＭ−３）、ポリフェニルサルファイド（ＰＰＳ）、ジュラトロン（ＱＵＡＤＲＡＮＴグループの登録商標）、フルオロシント（ＱＵＡＤＲＡＮＴグループの登録商標）、アルミナの多孔体などを挙げることができる。

請求項３に記載の発明は、超音波を送受信する超音波振動子であって、音響整合層を兼ねる基材と、厚さ方向に沿って延びるように分割された複数の柱部により構成され、かつ前記基材に対して接合された前面及びその反対側にある背面を有するセラミックス製板状物からなる円板状の圧電素子とを備え、前記複数の柱部が、前記前面側の端部において互いに繋がっており、前記圧電素子内を伝搬する縦波の音速をｃ１とし、前記圧電素子の厚さをｔ１とし、前記基材内を伝搬する縦波の音速をｃ２とし、前記基材の厚さをｔ２としたとき、（ｃ２×ｔ１）／（ｃ１×ｔ２）＝１．１０以上１．４２以下の関係を満たし、前記柱部を前記厚さ方向から見たときの最大寸法は、前記柱部の高さの４７％以上６８％以下であり、１００ｋＨｚ〜３４０ｋＨｚの範囲内で送受感度積が最大となる値を最大送受感度積と定義し、送受感度積が最大送受感度積よりも０ｄＢ〜６ｄＢ低くなる周波数の範囲を周波数帯域と定義し、周波数帯域における下限の周波数を下限周波数と定義し、周波数帯域における上限の周波数を上限周波数と定義し、下限周波数と上限周波数との中間値を中心周波数ｆｍと定義し、下限周波数と上限周波数との差を周波数帯域幅Δｆと定義したとき、周波数帯域幅Δｆと中心周波数ｆｍとの比である比帯域Δｆ／ｆｍが、０．２７以上であることを特徴とする超音波振動子をその要旨とする。

従って、請求項３に記載の発明によると、超音波振動子を構成する圧電素子が、厚さ方向に沿って延びるように分割された複数の柱部によって構成されているため、隣接する柱部間に空隙が生じる。その結果、各柱部のそれぞれが高さ方向に変形しやすくなるため、圧電素子が各部位において厚さ方向に変形しやすくなる。つまり、圧電素子が振動しやすくなるため、超音波の電気機械結合係数が高くなり、比帯域も広くなる。よって、超音波の周波数を変更する場合に、変更できる周波数の選択肢を広げることができる。また、請求項６に記載の発明では、圧電素子を複数の柱部に分割することにより、圧電素子の共振周波数を低くしている。即ち、圧電素子が厚くなることに起因する超音波振動子の大型化を伴わなくても、圧電素子の共振周波数を低くすることができる。その結果、圧電素子の駆動周波数が低くなり、伝搬時の超音波の減衰が小さくなるため、圧電素子から照射された超音波の深達距離を伸ばすことができる。

以上詳述したように、請求項１〜２に記載の発明によると、超音波振動子の大型化を伴うことなく、超音波の比帯域を広げることができるソナーを提供することができる。また、請求項３に記載の発明によると、大型化を伴うことなく、超音波の比帯域を広げることができる超音波振動子を提供することができる。

本実施形態のソナーが搭載された船舶を示す説明図。 ソナー、昇降装置及び液晶モニターを示す概略構成図。 ソナーを示す概略断面図。 ソナーを示す概略断面図。 ケースに収容した状態の超音波振動子を示す概略断面図。 超音波振動子を示す平面図。 超音波振動子を示す側面図。 柱部を示す断面図。 柱部を示す斜視図。 ソナーの電気的構成を示すブロック図。 （ａ）は伸長時の柱部を示す断面図、（ｂ）は収縮時の柱部を示す断面図。 実施例１〜４及び比較例３において、周波数と送受感度積との関係を示すグラフ。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に基づき詳細に説明する。

図１に示されるように、本実施形態のソナー１１は、船舶１０の船底部に搭載されて使用される。ソナー１１は、水中に超音波Ｗ１を照射することにより、水中に存在する魚群などの被探知物Ｓ１を探知する装置である。また、図２に示されるように、ソナー１１は昇降装置１２に取り付けられている。昇降装置１２は、ソナー１１を昇降させることにより、船底から水中に対してソナー１１を出没させる装置である。さらに、ソナー１１及び昇降装置１２には、液晶モニター１３が電気的に接続されている。液晶モニター１３は、船舶１０の操舵室内に設置されており、操作部１４及び表示部１５を有している。

図３，図４に示されるように、ソナー１１はソナードーム２０を備えている。ソナードーム２０は、ＡＢＳ樹脂（アクリロニトリルブタジエンスチレン樹脂）などの樹脂材料を用いて形成されており、上ケース２１、下ケース２２及び蓋体２３によって構成されている。上ケース２１は、下端にて開口する有底円筒状のケースであり、下ケース２２は、上端にて開口する有底円筒状のケースである。なお、下ケース２２の下端部はドーム状（半球状）をなしている。また、蓋体２３は、円板状をなし、上ケース２１の下端側開口及び下ケース２２の上端側開口を閉塞するためのものである。なお、蓋体２３と上ケース２１とによって上側収容空間２４が形成されるとともに、蓋体２３と下ケース２２とによって下側収容空間２５が形成される。

また、ソナードーム２０には、超音波Ｗ１を送受信する超音波振動子４１と、超音波振動子４１の中心軸Ｏ１を傾斜及び回転させる傾斜回転機構３０とが収容されている。傾斜回転機構３０は、スキャンモータ３１、チルトモータ３２、及び、超音波振動子４１を収容するケース４０等を備えている。スキャンモータ３１は、上部収容空間２４内において蓋体２３の中央部に設置されている。本実施形態のスキャンモータ３１としては、ステッピングモータが用いられている。そして、スキャンモータ３１の出力軸３１ａは、蓋体２３の中央部に設けられた貫通孔３３を挿通し、下側収容空間２５内に突出している。さらに、出力軸３１ａの先端は、円板状をなす支持板３４の中央部に接続され、支持板３４の下面には支持フレーム３５が取り付けられている。支持フレーム３５は、一対の腕部３５ａを有するコ字状をなしている。

また、図３，図４に示されるように、ケース４０は、ＡＢＳ樹脂などの樹脂材料を用いて一端が開口する有底円筒状に形成されており、支持フレーム３５の両腕部３５ａ間を繋ぐ回転軸３６に取り付けられている。よって、スキャンモータ３１の出力軸３１ａが回転すると、支持板３４、支持フレーム３５、ケース４０及び超音波振動子４１（の中心軸Ｏ１）は、出力軸３１ａを中心として回転する。これに伴い、超音波振動子４１から出力される超音波Ｗ１の照射方向は、出力軸３１ａの周方向に沿って変化する。

また、チルトモータ３２は、支持フレーム３５の上端部に取り付けられている。本実施形態のチルトモータ３２としては、ステッピングモータが用いられている。チルトモータ３２の出力軸３２ａは、回転軸３６と平行に配置されており、その先端部にはピニオンギヤ３２ｂが取り付けられている。ピニオンギヤ３２ｂは、ケース４０に取り付けられた略半円状のチルト歯車３７に噛合している。よって、チルトモータ３２の出力軸３２ａが回転すると、ピニオンギヤ３２ｂ及びチルト歯車３７が回動するのに伴い、ケース４０及び超音波振動子４１（の中心軸Ｏ１）が回転軸３６を中心として傾斜（回転）する。これに伴い、超音波振動子４１から出力される超音波Ｗ１の照射角度も、超音波振動子４１の回転に伴って変化する。

図５〜図７に示されるように、超音波振動子４１は、基材４２及び圧電素子４３を備えている。基材４２は、音響整合層を兼ねる材料であるガラスエポキシ（ＦＲ−４）を用いて形成された樹脂製板状物であり、外径が５８．５ｍｍ、厚さｔ２（図７参照）が３．０ｍｍの円板状をなしている。また、基材４２の固有音響インピーダンスは、２．３×１０^６（Ｐａ・ｓ／ｍ）以上１４×１０^６（Ｐａ・ｓ／ｍ）以下、好ましくは３×１０^６（Ｐａ・ｓ／ｍ）以上９×１０^６（Ｐａ・ｓ／ｍ）以下となっている。このようにすれば、基材４２と圧電素子４３との境界部分での超音波Ｗ１の透過率が高まるため、超音波振動子４１の送受感度がより高くなる。

そして、図６，図７に示されるように、基材４２の外周部には４つの張出部４４が設けられ、各張出部４４にはそれぞれネジ孔４５が設けられている。各ネジ孔４５は、超音波振動子４１の中心軸Ｏ１を基準として等角度（９０°）間隔で配置されている。そして、各ネジ孔４５にネジ（図示略）を挿通させ、挿通したネジの先端部をケース４０に螺着させる。その結果、超音波振動子４１がケース４０に固定される（図５参照）。

また、圧電素子４３は、例えば、圧電セラミックスであるチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を用いて形成されたセラミックス製板状物であり、固有音響インピーダンスが３２×１０^６（Ｐａ・ｓ／ｍ）となっている。この圧電素子４３は、外径が４９．５ｍｍ、厚さｔ１（図７参照）が７．２ｍｍの円板状をなしている。よって、圧電素子４３の外径は基材４２の外径（５８．５ｍｍ）よりも小さいため、圧電素子４３の面積は基材４２の面積よりも小さくなる。また、圧電素子４３は、基材４２に対して接合された前面５１と、前面５１の反対側にある背面５２と、前面５１及び背面５２に直交する外周面５３とを有している。さらに、図５，図８に示されるように、圧電素子４３の前面５１には前面側電極層５４が形成され、圧電素子４３の背面５２には背面側電極層５５が形成されている。なお、本実施形態では、圧電素子４３の前面５１の全体が、前面側電極層５４及び接着層５６（図８参照）を介して基材４２に接合されている。

図５〜図９に示されるように、圧電素子４３は、厚さ方向に沿って延びるように分割された複数の柱部５７により構成されている。各柱部５７は、複数の第１切り込みＫ１と、各第１切り込みＫ１に直交する複数の第２切り込みＫ２とを、圧電素子４３における背面５２側に形成することにより構成される。各第１切り込みＫ１は、互いに平行に配置されており、幅が０．５ｍｍ、隣接する第１切り込みＫ１とのピッチＰ１（図６参照）が２．９ｍｍとなっている。同様に、各第２切り込みＫ２も、互いに平行に配置されており、幅が０．５ｍｍ、隣接する第２切り込みＫ２とのピッチＰ２（図６参照）が２．９ｍｍとなる。よって、各柱部５７のうち、外周面５３を構成しない柱部５７は、正四角柱状に形成される。また、各柱部５７は、Ｘ方向（図６参照）に沿って一直線上に配置されるとともに、Ｙ方向（図６参照）に沿っても一直線上に配置されている。

また、各柱部５７は、圧電素子４３の前面５１側の端部において互いに繋がっている。ここで、柱部５７の高さＨ１（厚さ）は、６．７ｍｍであり、圧電素子４３の厚さｔ１（７．２ｍｍ）の約９３％（≒６．７／７．２×１００）である。なお、高さＨ１は、切り込みＫ１，Ｋ２の深さと等しくなっている。また、上述した基材４２の厚さｔ２（３．０ｍｍ）は、柱部５７の高さＨ１よりも小さくなっている。さらに、圧電素子４３において柱部５７同士が繋がる部分の厚さＨ２は、０．５ｍｍ（＝ｔ１−Ｈ１）であり、基材４２の厚さｔ２よりも小さくなっている。

図６〜図９に示されるように、柱部５７の先端面５８（背面５２）は、平面視正方形状をなしており、先端面５８を構成する各辺の長さＬ１，Ｌ２は、互いに等しく、それぞれ２．４ｍｍとなっている。従って、上述した切り込みＫ１，Ｋ２の幅（０．５ｍｍ）は、互いに等しく、長さＬ１，Ｌ２の１００％以下、好ましくは１７％以上３０％以下（本実施形態では約２１％（≒０．５／２．４×１００））となる。また、先端面５８の対角線の長さは約３．３９ｍｍとなり、この対角線の長さが、柱部５７を厚さ方向から見たときの最大寸法Ｌ３（図９参照）となる。なお、最大寸法Ｌ３は、柱部５７の高さＨ１の約５１％（≒３．３９／６．７×１００）である。さらに、各柱部５７の先端面５８の面積の合計は、圧電素子４３の前面５１（背面５２）の面積の２５％以上８０％以下、６０％以上８０％以下となっている。

さらに、本実施形態の圧電素子４３は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）によって形成されており、感度が最大となる超音波Ｗ１の中心周波数が１６０ｋＨｚ以上２００ｋＨｚ以下、周波数帯域幅と中心周波数との比（比帯域）が２７％以上５２％以下となっている。なお、圧電素子４３内を伝搬する縦波（超音波Ｗ１）の音速ｃ１は４１６０ｍ／ｓとなっている。また、基材４２は、ガラスエポキシ（ＦＲ−４）によって形成されており、基材４２内を伝搬する縦波（超音波Ｗ１）の音速ｃ２が２４６０ｍ／ｓとなっている。そして、本実施形態では、音速ｃ１，ｃ２、圧電素子４３の厚さｔ１（７．２ｍｍ）、基材４２の厚さｔ２（３．０ｍｍ）が、（ｃ２×ｔ１）／（ｃ１×ｔ２）＝０．８以上１．７以下の関係を満たしている。

図５，図８に示されるように、圧電素子４３の背面５２全体には、背面側電極層５５を介して銅箔６１が貼付されている。本実施形態の銅箔６１は、従来周知の導電性フィラーを含む接着剤（図示略）を介して背面５２に接着されている。なお、銅箔６１の貼付により、銅箔６１は、各柱部５７の先端面５８の共通電極となる。

そして、図５に示されるように、前面側電極層５４には第１のリード線６２が接続され、銅箔６１には第２のリード線６３が接続されている。第１のリード線６２は、前面側電極層５４から外側に延出された側面端子（図示略）に対してはんだ付けなどにより接続されている。第２のリード線６３は、銅箔６１の外周部に対してはんだ付けなどにより接続されている。そして、第１のリード線６２及び第２のリード線６３は、配線チューブ６４によって結束され、ケース４０外に引き出される。なお、第１のリード線６２は側面端子に接続されているが、前面側電極層５４上に銅箔を形成し、銅箔に対して第１のリード線６２をはんだ付けなどにより接続してもよい。また、圧電素子４３の背面５２側には、シート状の防音材６５が貼付されている。防音材６５は、残響を抑えるためのものであり、ケース４０の内周面にも貼付されている。なお、防音材６５としては、樹脂材料やゴムに対して、金属やセラミックスからなる粒子または繊維を含有させたものや、樹脂材料に対して空孔を分散的に設けたもの（スポンジなど）を用いることができる。

そして、図３，図４に示されるソナードーム２０内には、超音波Ｗ１を伝搬させる超音波伝搬液体（図示略）が充填されている。また、超音波伝搬液体の一部は、ケース４０に設けられた液体通路（図示略）を介してケース４０内に流入し、圧電素子４３において隣接する柱部５７間の空隙Ｋ０（切り込みＫ１，Ｋ２）に流入し、空隙Ｋ０を満たしている。なお、本実施形態の超音波伝搬液体は、流動パラフィンであり、固有音響インピーダンスが１．２×１０^６（Ｐａ・ｓ／ｍ）となっている。よって、上述した基材４２の固有音響インピーダンス（２．３〜１４×１０^６（Ｐａ・ｓ／ｍ））は、圧電素子４３の固有音響インピーダンス（３２×１０^６（Ｐａ・ｓ／ｍ））よりも小さく、かつ超音波伝搬液体の固有音響インピーダンスよりも大きくなっている。

次に、ソナー１１の電気的構成について説明する。

図１０に示されるように、ソナー１１の液晶モニター１３は、装置全体を統括的に制御する制御装置７０を備えている。制御装置７０は、ＣＰＵ７１、ＲＯＭ７２、ＲＡＭ７３等からなる周知のコンピュータにより構成されている。

ＣＰＵ７１は、モータドライバ８１を介してスキャンモータ３１及びチルトモータ３２に電気的に接続されており、各種の駆動信号によってそれらを制御する。また、ＣＰＵ７１は、送受信回路８２を介して超音波振動子４１に電気的に接続されている。送受信回路８２は、超音波振動子４１に対して発振信号を出力して、超音波振動子４１を駆動させるようになっている。その結果、超音波振動子４１は、超音波Ｗ１を水中に向けて照射（送信）する。また、送受信回路８２には、超音波振動子４１で受信した超音波Ｗ１（反射波Ｗ２）を示す電気信号が入力されるようになっている。さらに、ＣＰＵ７１は、昇降装置１２、操作部１４、表示部１５及びＧＰＳ（Global Positioning System ）受信部８３に対してそれぞれ電気的に接続されている。

そして、図１０に示されるＣＰＵ７１は、送受信回路８２に対して超音波振動子４１から超音波Ｗ１を照射させる制御を行うとともに、昇降装置１２を駆動させる制御を行う。ＣＰＵ７１は、モータドライバ８１に対してスキャンモータ３１及びチルトモータ３２をそれぞれ駆動させる制御を行う。ＣＰＵ７１には、ＧＰＳ受信部８３によって受信された船舶１０の位置情報が入力される。

また、ＣＰＵ７１は、超音波振動子４１が反射波Ｗ２を受信したことを契機として生成される受信信号を、送受信回路８２を介して受信する。そして、ＣＰＵ７１は、受信した受信信号に基づいて探知画像データを生成し、生成した探知画像データをＲＡＭ７３に記憶させる。ＣＰＵ７１は、ＲＡＭ７３に記憶された探知画像データに基づいて、探知画像を表示部１５に表示させる制御を行う。

次に、ソナー１１を用いて被探知物Ｓ１を探知する方法を説明する。

まず、ソナー１１、昇降装置１２及び液晶モニター１３の電源（図示略）をオンする。このとき、制御装置７０のＣＰＵ７１には、ＧＰＳ受信部８３から船舶１０の位置を示す位置情報が入力される。次に、ＣＰＵ７１は、送受信回路８２から超音波振動子４１に対して発振信号を出力させる制御を行い、超音波振動子４１を駆動させる。このとき、圧電素子４３の各柱部５７は、収縮（図１１（ｂ）参照）と伸長（図１１（ａ）参照）とを繰り返す。なお、柱部５７が高さ方向に収縮した際には、柱部５７が幅方向、具体的には、柱部５７の外周側（図１１（ｂ）の矢印Ｆ１参照）に逃げるように変形する。そして、柱部５７が高さ方向に伸長すると、柱部５７が幅方向、具体的には、柱部５７の中央部側（図１１（ａ）の矢印Ｆ２参照）に変形する。その結果、圧電素子４３が振動し、超音波振動子４１から水中に対して超音波Ｗ１が照射（送信）される。そして、超音波Ｗ１が被探知物Ｓ１（図１参照）に到達すると、超音波Ｗ１は、被探知物Ｓ１で反射して反射波Ｗ２となり、ソナー１１に向かって伝搬して超音波振動子４１に入力（受信）される。その後、超音波振動子４１が受信した超音波Ｗ１（反射波Ｗ２）は、受信信号に変換され、送受信回路８２を介してＣＰＵ７１に入力される。この時点で、被探知物Ｓ１が探知される。

また、ＣＰＵ７１は、モータドライバ８１を介してスキャンモータ３１を駆動させる制御を行い、超音波振動子４１の中心軸Ｏ１を回転させる。その結果、超音波Ｗ１の照射方向が徐々に変化し、これに伴って探知範囲も徐々に変化する。その後、作業者が電源をオフすると、制御装置７０により送受信回路８２が停止し、超音波Ｗ１の照射及び反射波Ｗ２の受信が終了する。

次に、超音波振動子４１の製造方法を説明する。

まず、基材４２を準備する。具体的には、ガラスエポキシ（ＦＲ−４）からなる樹脂製板状物を円板状に切削加工する。また、圧電素子４３となるべきセラミックス製板状物を準備する。具体的には、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる円板状のセラミックス焼結体を作製した後、表面研磨を行うことにより、セラミックス製板状物を得る。次に、電極層形成工程を行い、セラミックス製板状物の前面５１に前面側電極層５４を形成するとともに、セラミックス製板状物の背面５２に背面側電極層５５を形成する。具体的には、セラミックス製板状物の前面５１及び背面５２にそれぞれ銀ペーストを塗布し、塗布した銀ペーストを焼成することにより、電極層５４，５５を形成する。そして、電極層形成工程の後、分極処理工程をさらに行う。分極処理工程では、前面側電極層５４及び背面側電極層５５の間に電圧を印加することにより、セラミックス製板状物を厚さ方向に分極させる。

続く接合工程では、基材４２に対して、セラミックス製板状物を前面側電極層５４を介して接合する。具体的には、前面側電極層５４の表面及び基材４２の表面４２ａのいずれか一方に対して、接着層５６となる接着剤（エポキシ系接着剤など）を塗布し、基材４２に対して圧電素子４３を接着固定する。なお、接着剤を塗布する代わりに、はんだ等を用いたロウ付けを行ってもよい。

接合工程後の柱部形成工程では、切削加工等を行うことにより、セラミックス製板状物における背面５２側に複数の切り込みＫ１，Ｋ２を形成する。このとき、セラミックス製板状物の厚さｔ１（７．２ｍｍ）の８０％以上１００％未満（本実施形態では約９３％）の深さ（本実施形態では６．７ｍｍ）となるように、各切り込みＫ１，Ｋ２を形成する。その結果、セラミック製板状物が複数の柱部５７に分割されるとともに、圧電素子４３の背面５２に形成された背面側電極層５５も複数（柱部５７と同数）に分割される。この時点で、圧電素子４３が完成する。なお、各柱部５７は、圧電素子４３の前面５１側の端部において互いに繋がった状態で分割されるため、前面５１に形成された前面側電極層５４までが分割されることはない。

その後、圧電素子４３の背面５２全体に銅箔６１を貼付し、銅箔６１を各柱部５７の先端面５８の共通電極とする。この時点で、超音波振動子４１が完成する。

なお、超音波振動子４１が完成した後、前面側電極層５４に対して側面端子（図示略）を介して第１のリード線６２をはんだ付けなどにより接続するとともに、銅箔６１に対して第２のリード線６３をはんだ付けなどにより接続する。次に、圧電素子４３の背面５２側に、残響を抑えるための防音材６５を貼付する。また、ケース４０の内側面にも防音材６５を貼付する。その後、超音波振動子４１の圧電素子４３をケース４０に収容する。そして、この状態で、基材４２に設けられた複数のネジ孔４５にネジ（図示略）を挿通させ、挿通したネジの先端部をケース４０に螺着させる。その結果、超音波振動子４１がケース４０に固定される（図５参照）。さらに、超音波振動子４１が固定されたケース４０を、ソナードーム２０内の回転軸３６に取り付ける。そして、ソナードーム２０内に超音波伝搬液体（図示略）を充填する。このとき、超音波伝搬液体の一部は、ケース４０に設けられた液体通路（図示略）を介してケース４０内に流入し、圧電素子４３において隣接する柱部５７間の空隙Ｋ０に流入する。この時点で、超音波振動子４１がソナードーム２０に組み込まれ、ソナー１１が完成する。

次に、超音波振動子の評価方法及びその結果を説明する。

本発明者らは、圧電素子が備える柱部の好適な振動態様について、試作により確認した。まず、測定用サンプルを次のように準備した。柱部の長さＬ１，Ｌ２が２．４ｍｍ、柱部の高さＨ１が６．８５ｍｍ、柱部を厚さ方向から見たときの最大寸法Ｌ３（対角線の長さ）が約３．３９ｍｍであって、最大寸法Ｌ３が高さＨ１の約５０％（≒３．３９／６．８５×１００）となる超音波振動子を準備し、これを実施例１（実施例２〜６，１０，１３，１４，１９，２１〜２９も同様）とした。長さＬ１，Ｌ２が２．４ｍｍ、高さＨ１が６．７ｍｍ、最大寸法Ｌ３が約３．３９ｍｍであって、最大寸法Ｌ３が高さＨ１の約５１％（≒３．３９／６．７×１００）となる超音波振動子を準備し、これを実施例７とした。長さＬ１，Ｌ２が３．０ｍｍ、高さＨ１が６．８５ｍｍ、最大寸法Ｌ３が約４．２４ｍｍであって、最大寸法Ｌ３が高さＨ１の約６２％（≒４．２４／６．８５×１００）となる超音波振動子を準備し、これを実施例８とした。長さＬ１，Ｌ２が２．４ｍｍ、高さＨ１が７．２５ｍｍ、最大寸法Ｌ３が約３．３９ｍｍであって、最大寸法Ｌ３が高さＨ１の約４７％（≒３．３９／７．２５×１００）となる超音波振動子を準備し、これを実施例９とした。長さＬ１，Ｌ２が２．４ｍｍ、高さＨ１が６．３５ｍｍ、最大寸法Ｌ３が約３．３９ｍｍであって、最大寸法Ｌ３が高さＨ１の約５３％（≒３．３９／６．３５×１００）となる超音波振動子を準備し、これを実施例１１とした。長さＬ１，Ｌ２が２．４ｍｍ、高さＨ１が５．８５ｍｍ、最大寸法Ｌ３が約３．３９ｍｍであって、最大寸法Ｌ３が高さＨ１の約５８％（≒３．３９／５．８５×１００）となる超音波振動子を準備し、これを実施例１２とした。長さＬ１，Ｌ２が３．０ｍｍ、高さＨ１が６．２ｍｍ、最大寸法Ｌ３が約４．２４ｍｍであって、最大寸法Ｌ３が高さＨ１の約６８％（≒４．２４／６．２×１００）となる超音波振動子を準備し、これを実施例１５とした。長さＬ１，Ｌ２が３．５ｍｍ、高さＨ１が６．２ｍｍ、最大寸法Ｌ３が約４．９５ｍｍであって、最大寸法Ｌ３が高さＨ１の約８０％（≒４．９５／６．２×１００）となる超音波振動子を準備し、これを実施例１６とした。長さＬ１，Ｌ２が２．４ｍｍ、高さＨ１が５．３ｍｍ、最大寸法Ｌ３が約３．３９ｍｍであって、最大寸法Ｌ３が高さＨ１の約６４％（≒３．３９／５．３×１００）となる超音波振動子を準備し、これを実施例１７（実施例１８も同様）とした。長さＬ１が２．４ｍｍ、長さＬ２が３．０ｍｍ、高さＨ１が６．８５ｍｍ、最大寸法Ｌ３が約３．８４ｍｍであって、最大寸法Ｌ３が高さＨ１の約５６％（≒３．８４／６．８５×１００）となる超音波振動子を準備し、これを実施例２０とした。長さＬ１，Ｌ２が４．０ｍｍ、高さＨ１が６．２ｍｍ、最大寸法Ｌ３が約５．６６ｍｍであって、最大寸法Ｌ３が高さＨ１の約９１％（≒５．６６／６．２×１００）となる超音波振動子を準備し、これを比較例１とした。長さＬ１，Ｌ２が２．４ｍｍ、高さＨ１が４．３５ｍｍ、最大寸法Ｌ３が約３．３９ｍｍであって、最大寸法Ｌ３が高さＨ１の約７８％（≒３．３９／４．３５×１００）となる超音波振動子を準備し、これを比較例２とした。圧電素子が柱部を有しておらず、高さＨ１（ここでは圧電素子の厚さ）が７．３５ｍｍ、最大寸法Ｌ３（ここでは圧電素子の外径）が４９．５ｍｍであって、最大寸法Ｌ３が高さＨ１の約６７３％（≒４９．５／７．３５×１００）となる超音波振動子を準備し、これを比較例３とした。実施例１〜２９及び比較例１〜３の各部の寸法を表１に示す。

次に、各測定用サンプル（実施例１〜２９及び比較例１〜３）に対して比較試験を行った。具体的には、まず、実施例１〜２９及び比較例１〜３の超音波振動子に対して１．５ｋＶｐｐの電圧を印加し、超音波振動子から０．５ｍ離れた位置にある直径５７ｍｍのフェノリック樹脂球に対して超音波（バースト波）を照射（送信）した。また、１００ｋＨｚ〜３４０ｋＨｚの間で周波数を複数段階に切り替え、切り替えたそれぞれの周波数において超音波を照射した。

そして、フェノリック樹脂球で反射した超音波（反射波）は、送信から約６７０μｓ後に超音波振動子で受信され、超音波振動子の両端に電圧信号を生じる。そこで、超音波振動子の送信時及び受信時の電圧振幅をオシロスコープにより測定し、その結果に基づいて最大送受感度積、周波数帯域、下限周波数ｆ１及び上限周波数ｆ２を演算した。次に、演算して算出した下限周波数ｆ１及び上限周波数ｆ２に基づいて、中心周波数ｆｍ及び周波数帯域幅Δｆを算出した。さらに、算出した中心周波数ｆｍ及び周波数帯域幅Δｆに基づいて、比帯域Δｆ／ｆｍを算出した。なお、送受感度積は、送信電圧振幅Ｖ_１に対する受信電圧振幅Ｖ_２の比であり、２０×log（Ｖ_２／Ｖ_１） の式から算出されるものである。そして、最大送受感度積は、１００ｋＨｚ〜３４０ｋＨｚの範囲内で送受感度積が最大となる値を示している。周波数帯域は、送受感度積が最大送受感度積よりも６ｄＢ低減以内の周波数の範囲を示している。下限周波数ｆ１は周波数帯域における下限の周波数を示し、上限周波数ｆ２は周波数帯域における上限の周波数を示している。中心周波数ｆｍは、下限周波数ｆ１と上限周波数ｆ２との中間値を示しており、（ｆ１＋ｆ２）／２の式から算出されるものである。周波数帯域幅Δｆは、下限周波数ｆ１と上限周波数ｆ２との差を示している。比帯域Δｆ／ｆｍは、周波数帯域幅Δｆと中心周波数ｆｍとの比を示している。実施例１〜２９及び比較例１〜３の各値を表２に示す。また、図１２のグラフは、特に実施例１〜４及び比較例３の結果を示している。

その結果、図１２に示されるように、圧電素子が複数の柱部に分割された実施例１〜４では、最大送受感度積が算出される箇所での超音波Ｗ１の発振周波数が１７０ｋＨｚ辺りにあることが確認された。そして、実施例１（図１２の「◆」及び表２参照）では、最大送受感度積が−４５．５ｄＢ、周波数帯域が１４２ｋＨｚ以上２３０ｋＨｚ以下、中心周波数が１８６ｋＨｚ、比帯域Δｆ／ｆｍが４７％となることが確認された。実施例２（図１２の「■」及び表２参照）では、最大送受感度積が−４５．０ｄＢ、周波数帯域が１４７ｋＨｚ以上２３５ｋＨｚ以下、中心周波数が１９１ｋＨｚ、比帯域Δｆ／ｆｍが４６％となることが確認された。実施例３（図１２の「▲」及び表２参照）では、最大送受感度積が−４７．０ｄＢ、周波数帯域が１３８ｋＨｚ以上２３５ｋＨｚ以下、中心周波数が１８７ｋＨｚ、比帯域Δｆ／ｆｍが５２％となることが確認された。実施例４（図１２の「▼」及び表２参照）では、最大送受感度積が−４５．０ｄＢ、周波数帯域が１５０ｋＨｚ以上２１０ｋＨｚ以下、中心周波数が１８０ｋＨｚ、比帯域Δｆ／ｆｍが３３％となることが確認された。さらに、表２に示されるように、実施例１〜２９では、比帯域Δｆ／ｆｍが２４％以上になることも確認された。

一方、圧電素子が柱部を有しない比較例３（図１２の「●」及び表２参照）では、最大送受感度積が算出される箇所での超音波Ｗ１の発振周波数が２９０ｋＨｚ辺りにあるものの、最大送受感度積が実施例１〜４よりも低い値（−５０．０ｄＢ）となるため、感度が低くなることが確認された。しかも、比較例３では、周波数帯域が実施例１〜４よりも高い範囲（２７０ｋＨｚ以上３１０ｋＨｚ以下）となり、比帯域Δｆ／ｆｍが実施例１〜２９よりも小さい値（１４％）となることが確認された。また、中心周波数ｆｍが実施例１〜４よりも高い値（２９０ｋＨｚ）となるため、水中を伝搬する際の超音波Ｗ１の減衰が大きくなり、超音波Ｗ１の深達距離が短くなることが確認された。つまり、最大送受感度積を高くし、比帯域Δｆ／ｆｍを大きくし、中心周波数ｆｍを低くすることが好ましいことが確認された。

また、比較試験を行うにあたり、実施例１〜２９及び比較例１〜３において、圧電素子の厚さｔ１を計測し、厚さｔ１に対する柱部の高さＨ１の比率を算出した。その結果、高さＨ１（４．３５ｍｍ）が厚さｔ１（７．３５ｍｍ）の約５９％（≒４．３５／７．３５×１００）となる比較例２では、隣接する柱部間の空隙が浅くなるため、柱部が高さ方向（圧電素子の厚さ方向）に変形しにくくなることが確認された。また、高さＨ１（７．３５ｍｍ）が厚さｔ１（７．３５ｍｍ）の１００％、即ち、複数の柱部に分割されていない単純な円板形状の圧電素子となる比較例３では、圧電素子が厚さ方向に変形しにくくなることが確認された。一方、高さＨ１が厚さｔ１の８０％以上１００％未満となる実施例１〜２９及び比較例１では、柱部が高さ方向に変形しやすくなることが確認された。実施例１〜２９及び比較例１〜３の各部の寸法を表３に示す。

また、比較試験を行うにあたり、実施例１〜２９及び比較例１，２において、基材の厚さｔ２を計測し、柱部の高さＨ１に対する基材の厚さｔ２の比率を算出した。なお、実施例１〜２２，２６，２７及び比較例１，２の基材をガラスエポキシ（ＦＲ−４）によって形成し、実施例２３〜２５の基材をＡＢＳ樹脂によって形成し、実施例２８の基材をアルミナ繊維を含有するエポキシ樹脂によって形成し、実施例２９の基材をアルミナによって形成した。因みに、上述した比較例３の基材は、ガラスエポキシ（ＦＲ−４）によって形成した。

その結果、実施例１〜２９及び比較例１，２では、厚さｔ２が高さＨ１の１００％未満（≒ｔ２／Ｈ１×１００）、即ち、基材の厚さｔ２が柱部の高さＨ１よりも小さくなり、最大送受感度積（表２参照）が−５０ｄＢよりも大きくなることが確認された。この場合、基材が圧電素子よりも薄く形成されるため、基材と圧電素子とからなる超音波振動子を小型化できることが確認された。また、基材が薄く形成され、最大送受感度積が大きくなることにより、超音波が基材を透過する際の減衰が許容できる程度に小さくなることが確認された。実施例１〜２９及び比較例１，２の各部の寸法を表４に示す。

さらに、比較試験を行うにあたり、実施例１〜２９及び比較例１，２において、圧電素子において隣接する第１切り込みＫ１間のピッチＰ１（図６参照）と、同じく圧電素子において隣接する第２切り込みＫ２間のピッチＰ２（図６参照）とを計測した。次に、柱部の先端面の面積（＝Ｌ１×Ｌ２）、及び、ピッチＰ１とピッチＰ２との積（面積）を算出し、（Ｐ１×Ｐ２）に対する（Ｌ１×Ｌ２）の比率（電極面積比）を算出した。実施例１〜２９及び比較例１の各値を表５に示す。

また、比較試験を行うにあたり、実施例１〜２９において、圧電素子において隣接する第１切り込みＫ１間のピッチＰ１と柱部の長さＬ１とに基づいて、第１切り込みＫ１の幅（＝Ｐ１−Ｌ１）を算出し、長さＬ１に対する第１切り込みＫ１の幅の比率を算出した。その結果、第１切り込みＫ１の幅が長さＬ１の５０％となる実施例２１，２４，２７や、第１切り込みＫ１の幅が長さＬ１の１００％となる実施例２２，２５，２８，２９のうち、実施例２２，２４，２５，２９では、最大送受感度積が−５０．０ｄＢ程度に低下することが確認された。即ち、長さＬ１に対する第１切り込みＫ１の幅の比率が高くなると、感度が低下する傾向にあることが確認された。実施例１〜２９の各値を表６に示す。

さらに、比較試験を行うにあたり、実施例１〜２９において、圧電素子内を伝搬する縦波の音速ｃ１と、基材内を伝搬する縦波の音速ｃ２とを計測した。そして、音速ｃ１，ｃ２、圧電素子の厚さｔ１及び基材の厚さｔ２に基づいて、（ｃ２×ｔ１）／（ｃ１×ｔ２）の値を算出した。その結果、実施例１〜２９では、（ｃ２×ｔ１）／（ｃ１×ｔ２）が０．８以上１．７以下となることが確認された。この場合、表２，表６にも示されるように、超音波の比帯域を広くすることができ、超音波振動子の感度も高くなることが確認された。実施例１〜２９の各値を表７に示す。

従って、本実施形態によれば以下の効果を得ることができる。

（１）本実施形態のソナー１１では、超音波振動子４１を構成する圧電素子４３が、厚さ方向に沿って延びるように分割された複数の柱部５７によって構成されているため、隣接する柱部５７間に空隙Ｋ０が生じる。その結果、各柱部５７が高さ方向に変形しやすくなり、しかも、柱部５７の収縮時（図１１（ｂ）参照）に、柱部５７が外周側（図１１（ｂ）の矢印Ｆ１参照）に逃げやすくなる。このため、圧電素子４３を平面視で見たときに、圧電素子４３が中心部においても外周部においても厚さ方向に均等に変形しやすくなる。つまり、圧電素子４３が振動しやすくなるため、超音波Ｗ１の電気機械結合係数が高くなり、比帯域も広くなる。ゆえに、周波数を複数段階に切り替えながら超音波Ｗ１を送受信する、といった作業が可能となる。

また、本実施形態では、圧電素子４３を複数の柱部５７に分割することにより、圧電素子４３の共振周波数を低くしている。即ち、圧電素子４３が厚くなることに起因する超音波振動子４１の大型化を伴わなくても、圧電素子４３の共振周波数を低くすることができる。その結果、圧電素子４３の駆動周波数が低くなり、水中を伝搬する際の超音波Ｗ１の減衰が小さくなるため、圧電素子４３から照射された超音波Ｗ１の深達距離を伸ばすことができる。

（２）例えば、圧電素子４３を複数の柱部５７で完全に分割すると、圧電素子４３の前面５１に形成された前面側電極層５４も分割されてしまう。このため、前面側電極層５４（側面端子）に対して第１のリード線６２を接続したとしても、前面側電極層５４の全体と導通を図ることができないという問題がある。一方、本実施形態では、各柱部５７が、圧電素子４３の前面５１側の端部において互いに繋がっているため、前面５１に形成された前面側電極層５４が分割されることはない。この場合、前面側電極層５４に第１のリード線６２を接続すれば、前面側電極層５４全体との導通を確実に図ることができるため、ソナー１１を容易に作製することができる。

（３）例えば、特開２０１６−２５６１１号公報、特開２０１６−２１３６６６号公報、特開２０１２−１８２７５８号公報に記載の従来技術には、音響整合層と、音響整合層に接合された圧電素子とを備え、圧電素子が複数の柱部に分割された構造が提案されている。また、複数の柱部で完全に分割し、その柱部間を樹脂等で充填した構造、いわゆる１−３コンポジット構造の圧電素子を、音響整合層に接合する構造も提案されている。しかしながら、各柱部の端面が音響整合層に対して散点的に接合された構造であるため、圧電素子の振動が音響整合層に伝わりにくくなったり、圧電素子と音響整合層との接合強度が低下したりするといった問題がある。一方、本実施形態では、音響整合層を兼ねる基材４２との接合面（前面５１）ではなく、接合面の反対側にある背面５２において、隣接する柱部５７間の空隙Ｋ０が開口している。その結果、圧電素子４３の前面５１と基材４２の表面４２ａ側との接触面積が確保されるため、圧電素子４３の振動が基材４２に安定して伝わるようになる。また、圧電素子４３と基材４２との接合強度も向上する。

なお、上記実施形態を以下のように変更してもよい。

・上記実施形態の柱部５７は、正四角柱状をなしていたが、三角柱状や円柱状等の他の柱状をなしていてもよい。

・上記実施形態では、柱部５７の先端面５８を構成する各辺の長さＬ１，Ｌ２が互いに等しくなっていたが、長さＬ１，Ｌ２は互いに異なっていてもよい。また、上記実施形態では、圧電素子４３に形成された切り込みＫ１，Ｋ２の幅も互いに等しくなっていたが、切り込みＫ１，Ｋ２の幅は互いに異なっていてもよい。

・上記実施形態の超音波振動子４１では、圧電素子４３において隣接する柱部５７間に空隙Ｋ０が生じていたが、空隙Ｋ０を樹脂材料（エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、シリコーン樹脂等）で埋めることにより、空隙Ｋ０の一部または全部をなくしてもよい。但し、空隙Ｋ０があるほうが、超音波伝搬液体が流入可能となるために好ましい。

・上記実施形態の超音波振動子４１では、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる圧電素子４３を用いたが、圧電素子４３の形成材料は特に限定されるものではない。例えば、ニオブ酸カリウムナトリウム系（ニオブ酸アルカリ系）、チタン酸バリウム系、ＰＭＮ−ＰＴ（Ｐｂ（Ｍｇ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３−ＰｂＴｉＯ_３）単結晶、ＰＺＮＴ（Ｐｂ（Ｚｎ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３−ＰｂＴｉＯ_３）単結晶、ＬｉＮｂＯ_３単結晶の圧電セラミックスからなる圧電素子を用いてもよい。

・上記実施形態では、圧電素子４３の背面５２全体に共通電極としての銅箔６１が貼付されていた。しかし、銅箔６１を背面５２全体に貼付する代わりに、黄銅箔やアルミニウム箔などの他の金属箔を背面５２全体に貼付してもよい。また、金属箔を貼付する代わりに、隣接する柱部５７間の空隙Ｋ０を絶縁樹脂で埋めた後、背面５２（及び絶縁樹脂の背面５２側の端面）に導電ペーストを塗布して焼成することにより、共通電極を形成してもよい。さらに、金属箔を貼付する代わりに、電極が形成されたフレキシブル基板を、はんだなどの導電金属を用いて背面５２にロウ付けすることで、共通電極としてもよい。

・上記実施形態の防音材６５は、圧電素子４３の背面５２側とケース４０の内周面とに貼付されていたが、防音材６５は、さらに圧電素子４３の外周面５３に貼付されていてもよい。

・上記実施形態では、電極層形成工程後かつ接合工程前に、前面側電極層５４及び背面側電極層５５の間に電圧を印加することにより、セラミックス製板状物を厚さ方向に分極させる分極処理工程を行っていた。しかし、分極処理工程を、接合工程後かつ柱部形成工程前に行ってもよいし、柱部形成工程後に行ってもよい。

・上記実施形態では、圧電素子４３をケース４０に収容した状態で、基材４２側のネジ孔４５を挿通したネジの先端部をケース４０に螺着させることにより、超音波振動子４１がケース４０に固定されていたが、他の方法によって固定するようにしてもよい。例えば、接着剤を用いて超音波振動子４１をケース４０に固定してもよいし、ケース４０内にエポキシ樹脂、ポリウレタン樹脂、シリコーン樹脂などの充填剤を流し込んで硬化させることにより、超音波振動子４１をケース４０に固定してもよい。さらに、ケース４０を用いずに超音波振動子４１を固定してもよい。例えば、基材４２上において圧電素子４３を覆うように金型を配置し、金型内に樹脂材料（エポキシ樹脂やウレタン樹脂など）を流し込んで硬化させることにより、超音波振動子４１と樹脂材料とを一体化するモールド成形を行ってもよい。

・上記実施形態の超音波振動子４１は、超音波Ｗ１の照射方向を機械的に変更するソナー１１に用いられていたが、超音波Ｗ１の照射方向を電気的に変更するソナーに用いてもよい。また、超音波振動子を、超音波Ｗ１の照射方向を変更しない、即ち、傾斜回転機構３０を有しない魚群探知機に用いてもよい。さらに、超音波振動子を、例えば、水の深さを計測する測深機や、空気中で距離を計測する空中センサなどの計測機器に用いてもよい。

次に、特許請求の範囲に記載された技術的思想のほかに、前述した実施形態によって把握される技術的思想を以下に列挙する。

（１）請求項３において、前記柱部は多角柱状をなしており、前記柱部の先端面の対角線の長さは、前記柱部の高さの８０％以下、好ましくは６０％以下であることを特徴とするソナー。

（２）請求項３において、前記柱部は円柱状をなしており、前記柱部の先端面の直径は、前記柱部の高さの８０％以下、好ましくは６０％以下であることを特徴とするソナー。

（３）請求項５において、前記基材の固有音響インピーダンスは、２．３×１０^６（Ｐａ・ｓ／ｍ）以上１４×１０^６（Ｐａ・ｓ／ｍ）以下であることを特徴とするソナー。

（４）請求項８または９において、前記電極層形成工程後かつ前記接合工程前に、前記前面側電極層及び前記背面側電極層の間に電圧を印加することにより、前記セラミックス製板状物を厚さ方向に分極させる分極処理工程をさらに行うことを特徴とする超音波振動子の製造方法。

１１…ソナー
２０…ソナードーム
３０…機構としての傾斜回転機構
４１…超音波振動子
４２…基材
４３…圧電素子
５１…セラミックス製板状物（圧電素子）の前面
５２…セラミックス製板状物（圧電素子）の背面
５４…前面側電極層
５５…背面側電極層
５７…柱部
Ｈ１…柱部の高さ
Ｋ０…隣接する柱部間の空隙
Ｋ１…切り込みとしての第１切り込み
Ｋ２…切り込みとしての第２切り込み
Ｌ３…柱部を厚さ方向から見たときの最大寸法
Ｏ１…中心軸
ｔ１…圧電素子の厚さ
ｔ２…基材の厚さ
Ｗ１…超音波

Claims (3)

1. 超音波を送受信する超音波振動子と、前記超音波振動子の中心軸を傾斜及び回転させる機構とを有するソナーであって、
   前記超音波振動子は、音響整合層を兼ねる基材と、厚さ方向に沿って延びるように分割された複数の柱部により構成され、かつ前記基材に対して接合された前面及びその反対側にある背面を有するセラミックス製板状物からなる円板状の圧電素子とを備え、
   前記複数の柱部が、前記圧電素子の前記前面側の端部において互いに繋がっており、
   前記圧電素子内を伝搬する縦波の音速をｃ１とし、前記圧電素子の厚さをｔ１とし、前記基材内を伝搬する縦波の音速をｃ２とし、前記基材の厚さをｔ２としたとき、（ｃ２×ｔ１）／（ｃ１×ｔ２）＝１．１０以上１．４２以下の関係を満たし、
   前記柱部を前記厚さ方向から見たときの最大寸法は、前記柱部の高さの４７％以上６８％以下であり、
   １００ｋＨｚ〜３４０ｋＨｚの範囲内で送受感度積が最大となる値を最大送受感度積と定義し、送受感度積が最大送受感度積よりも０ｄＢ〜６ｄＢ低くなる周波数の範囲を周波数帯域と定義し、周波数帯域における下限の周波数を下限周波数と定義し、周波数帯域における上限の周波数を上限周波数と定義し、下限周波数と上限周波数との中間値を中心周波数ｆｍと定義し、下限周波数と上限周波数との差を周波数帯域幅Δｆと定義したとき、周波数帯域幅Δｆと中心周波数ｆｍとの比である比帯域Δｆ／ｆｍが、０．２７以上である
   ことを特徴とするソナー。
2. 前記柱部の高さは、前記圧電素子の厚さの８０％以上１００％未満であり、前記圧電素子の前記前面の全体が、前面側電極層を介して前記基材に接合されていることを特徴とする請求項１に記載のソナー。
3. 超音波を送受信する超音波振動子であって、
   音響整合層を兼ねる基材と、
   厚さ方向に沿って延びるように分割された複数の柱部により構成され、かつ前記基材に対して接合された前面及びその反対側にある背面を有するセラミックス製板状物からなる円板状の圧電素子と
   を備え、前記複数の柱部が、前記前面側の端部において互いに繋がっており、
   前記圧電素子内を伝搬する縦波の音速をｃ１とし、前記圧電素子の厚さをｔ１とし、前記基材内を伝搬する縦波の音速をｃ２とし、前記基材の厚さをｔ２としたとき、（ｃ２×ｔ１）／（ｃ１×ｔ２）＝１．１０以上１．４２以下の関係を満たし、
   前記柱部を前記厚さ方向から見たときの最大寸法は、前記柱部の高さの４７％以上６８％以下であり、
   １００ｋＨｚ〜３４０ｋＨｚの範囲内で送受感度積が最大となる値を最大送受感度積と定義し、送受感度積が最大送受感度積よりも０ｄＢ〜６ｄＢ低くなる周波数の範囲を周波数帯域と定義し、周波数帯域における下限の周波数を下限周波数と定義し、周波数帯域における上限の周波数を上限周波数と定義し、下限周波数と上限周波数との中間値を中心周波数ｆｍと定義し、下限周波数と上限周波数との差を周波数帯域幅Δｆと定義したとき、周波数帯域幅Δｆと中心周波数ｆｍとの比である比帯域Δｆ／ｆｍが、０．２７以上である
   ことを特徴とする超音波振動子。

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