JP6828944B1 - 計測機器用の超音波振動子 - Google Patents

Abstract

製造コストを抑えつつ、超音波の送受信に適した周波数帯を増やすことができる計測機器用の超音波振動子の提供を目的とする。本発明の計測機器用の超音波振動子４１は、音響整合層を兼ねる略円板状の基材４２と、基材４２に対して接合される略円板状の圧電素子４３とを備える。圧電素子４３には、互いに交差しないように面方向に延びる溝部Ｋ１が形成されるとともに、溝部Ｋ１を介して複数の帯状の振動部９０が配設される。振動部９０の長さは、圧電素子４３の中心Ｏ１からの距離が遠くなる程、短くなる。そして、圧電素子４３は、第１の周波数帯で厚さ方向に振動するとともに、第１の周波数帯よりも低い第２の周波数帯で径方向に振動する。選択図：図６

Description

本発明は、超音波を送受信する計測機器用の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検知するソナーが知られている。ソナーは、超音波を送受信する超音波振動子と、鉛直方向を向いた回転軸を中心とした旋回運動や回転軸に直交する傾動軸を中心とした傾動運動を超音波振動子に行わせる機構とを備えた計測機器である。そして、超音波振動子を運動させながら超音波の送受信を行うことにより、水中が探知でき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、音響整合層と、同音響整合層に接合された圧電素子とを備えている。

ところで、ソナー用の超音波振動子は、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、周波数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、超音波の周波数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。

なお、超音波を広帯域にする手法としては、図１５，図１６に示されるように、超音波振動子１０１を構成する圧電素子１０２を、厚さ方向から見て縦横に配列された複数（例えば１００以上）の振動部１０３により構成することが提案されている（例えば、特許文献１〜６参照）。このようにすれば、各振動部１０３のそれぞれが同振動部１０３の高さ方向に変形しやすくなるため、圧電素子１０２が各部位において変形しやすくなる。その結果、圧電素子１０２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、周波数帯域も広くなる。

実開昭５０−９９８７９号公報（第１図，第２図等） 特開平４−１１９８００号公報（第１図〜第４図等） ＷＯ９１／１５０９０号公報（第２図，第３図等） 特開２００８−２１２４５３号公報（図２等） 特表２００８−５４４２６２号公報（図１，図２等） 特開２０１１−１５５６１１号公報（図４等）

ところが、特許文献１〜６に記載の従来技術では、縦横に延びる溝部を形成することにより柱状の振動部１０３を得ているため、全ての振動部１０３を得るためには多くの溝部を形成する必要がある。この場合、溝部の形成が困難になるため、超音波振動子１０１の製造コストが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、製造コストを抑えつつ、超音波の送受信に適した周波数帯を増やすことができる計測機器用の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計測機器用の超音波振動子であって、音響整合層を兼ねる略円板状の基材と、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略円板状の圧電素子とを備え、前記基材の面積は前記圧電素子の面積よりも大きくなっており、前記圧電素子には、互いに交差しないように面方向に延びる溝部が複数形成されるとともに、前記溝部を介して複数の帯状の振動部が配設され、前記圧電素子の中心からの距離が遠くなる程、前記振動部の長さが短くなっており、複数の前記振動部が、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、前記圧電素子は、第１の周波数帯で厚さ方向に振動するとともに、前記第１の周波数帯よりも低い第２の周波数帯で径方向に振動することを特徴とする計測機器用の超音波振動子をその要旨とする。

従って、請求項１に記載の発明によれば、圧電素子に溝部を形成することにより複数の帯状の振動部を得ているため、各振動部のそれぞれが高さ方向に変形しやすくなり、圧電素子が各部位において変形しやすくなる。その結果、圧電素子に溝部を形成して複数の柱状の振動部を得る場合と同様に、圧電素子が厚さ方向に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、第１の周波数帯の範囲が広くなる。さらに、圧電素子は、第１の周波数帯で厚さ方向に振動するだけでなく、第１の周波数帯とは異なる周波数帯、具体的には、第１の周波数帯よりも低い第２の周波数帯で径方向にも振動するため、超音波の送受信に適した周波数帯を増やすことができる。しかも、請求項１では、互いに交差しないように面方向に延びる溝部を形成することにより帯状の振動部を得ているため、縦横に延びる溝部を形成して上記した柱状の振動部を得る場合に比べて、振動部の形成に必要な溝部の形成回数が減少する。よって、溝部の形成が容易になるため、超音波振動子の製造コストを低減することができる。

なお、「略円板状の基材」とは、円板状の基材だけでなく、楕円板状の基材や、長円板状の基材なども含むものとする。同様に、「略円板状の圧電素子」も、円板状の圧電素子だけでなく、楕円板状の圧電素子や、長円板状の圧電素子なども含むものとする。

請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記振動部の幅の最大値は前記圧電素子の厚さよりも小さく、前記圧電素子の厚さは前記圧電素子の外径よりも小さい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、振動部の幅の最大値が圧電素子の厚さよりも小さいため、振動部を、高さよりも幅が小さい細長形状とすることができる。その結果、振動部が高さ方向に収縮する際には、振動部が収縮した体積分だけ太くなるように変形しやすくなり、振動部が高さ方向に伸長する際には、振動部が幅方向に沿って振動部の中央部側に変形しやすくなる。つまり、振動部が高さ方向に振動しやすい形状、即ち、圧電素子が厚さ方向に振動しやすい形状となる。また、圧電素子の厚さが圧電素子の外径よりも小さいため、振動部を、長さよりも高さが小さい細長形状とすることができる。その結果、振動部が長さ方向に収縮する際には、振動部が収縮した体積分だけ太くなるように変形しやすくなり、振動部が長さ方向に伸長する際には、振動部が伸長した体積分だけ細くなるように変形しやすくなる。つまり、振動部が長さ方向に振動しやすい形状、即ち、圧電素子が径方向に振動しやすい形状となる。以上のことから、電気機械結合係数が確実に高くなるため、送受感度が確実に高くなる。

請求項３に記載の発明は、請求項２において、前記振動部の幅の最大値は、前記圧電素子の厚さの４分の１以上２分の１以下であることをその要旨とする。

従って、請求項３に記載の発明によると、振動部の幅の最大値が圧電素子の厚さの４分の１以上であるため、振動部の強度低下を防止することができる。また、振動部の幅の最大値が圧電素子の厚さの２分の１以下であることから、振動部が、高さ方向に振動しやすく幅方向に振動しにくい細長形状となるため、高さ方向への振動と幅方向への振動との複合振動が抑えられる。その結果、電気機械結合係数が確実に高くなるため、送受感度が確実に高くなる。

請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか１項において、前記圧電素子の外径は、前記圧電素子の厚さの２倍以上であることをその要旨とする。

従って、請求項４に記載の発明によると、圧電素子の外径が圧電素子の厚さの２倍以上であるため、振動部が長さ方向に振動しやすい細長形状となり、圧電素子が径方向に振動しやすい形状となる。その結果、電気機械結合係数が確実に高くなるため、送受感度が確実に高くなる。

請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４のいずれか１項において、前記溝部の深さは、前記圧電素子の厚さの８０％以上１００％未満であることをその要旨とする。

従って、請求項５に記載の発明によると、溝部の深さが圧電素子の厚さの８０％以上であるため、振動部が高さ方向に変形しやすくなり、圧電素子が厚さ方向に変形しやすくなる。その結果、送受感度が高くなる。しかも、溝部の深さが圧電素子の厚さの１００％未満であるため、溝部の形成によって圧電素子を複数の振動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振動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。

請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５のいずれか１項において、前記溝部が全体的に空隙となっていることをその要旨とする。

従って、請求項６に記載の発明では、溝部が全体的に空隙となっているため、溝部内には充填材が充填されていない。この場合、振動部の長さ方向への変形が充填材に妨げられることはないため、振動部が長さ方向に振動しやすくなり、ひいては、圧電素子が径方向に振動しやすくなる。しかも、振動部の高さ方向への変形も充填材に妨げられることはないため、振動部が高さ方向に振動しやすくなり、ひいては、圧電素子が厚さ方向に振動しやすくなる。従って、送受感度を確実に高くすることができる。

請求項７に記載の発明は、請求項１乃至５のいずれか１項において、１本の前記溝部について、前記溝部の内部領域が、充填材が充填される充填領域と、前記充填材が充填されない非充填領域とからなることをその要旨とする。

従って、請求項７に記載の発明によると、各振動部間にある溝部の内部領域が、充填材が充填される充填領域を有するため、充填材が充填領域に入り込むことにより、各振動部が補強される。その結果、振動部でのクラックの発生を防止できるため、超音波振動子の信頼性を向上させることができる。また、溝部の内部領域が、充填材が充填されない非充填領域を有するため、振動部の長さ方向への変形が充填材に妨げられなくて済む。その結果、振動部が長さ方向に振動しやすくなり、圧電素子が径方向に振動しやすくなるため、振動部の強度を確保しつつ、送受感度を高くすることができる。

請求項８に記載の発明は、請求項１乃至５のいずれか１項において、前記溝部の内部領域の全体に充填材が充填されていることをその要旨とする。

従って、請求項８に記載の発明によると、各振動部間にある溝部の内部領域の全体に充填材が入り込むことにより、各振動部が補強される。その結果、振動部でのクラックの発生を防止できるため、超音波振動子の信頼性を向上させることができる。

請求項９に記載の発明は、請求項７または８において、前記充填材の固有音響インピーダンスが前記圧電素子の固有音響インピーダンスの１０分の１以上であって、前記充填材の比重が１．５以下であることをその要旨とする。

従って、請求項９に記載の発明によると、充填材の固有音響インピーダンスを圧電素子の固有音響インピーダンスの１０分の１以上とすることにより、固有音響インピーダンスの差が小さくなって超音波が減衰しにくくなるため、圧電素子の径方向振動を用いて超音波の送受信を行うことができる。しかしながら、充填材の固有音響インピーダンスが高くなると、一般的に充填材の密度が高くなり、充填材が重くなってしまう。そこで、請求項９では、充填材の比重を１．５以下にすることにより、充填材を比較的軽くしているため、充填材が振動部の振動の負荷になりにくくなる。よって、充填材に起因する送受感度の低下を防止することができる。

以上詳述したように、請求項１〜９に記載の発明によると、製造コストを抑えつつ、超音波の送受信に適した周波数帯を増やすことができる。

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。 振動部を示す断面図。 （ａ）は外側振動部を示す斜視図、（ｂ）は内側振動部を示す斜視図。 ソナーの電気的構成を示すブロック図。 （ａ）は伸長時の振動部を示す断面図、（ｂ）は収縮時の振動部を示す断面図。 実施例及び比較例１〜３において、周波数と送受感度との関係を示すグラフ。 他の実施形態における超音波振動子を示す平面図。 他の実施形態における超音波振動子を示す平面図。 従来技術における圧電素子を示す要部平面図。 従来技術における振動部を示す断面図。

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Ｕ１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Ｓ０を探知する計測機器である。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Ｕ１を送受信するソナー１１用の超音波振動子４１と、超音波振動子４１を収納するケース４０と、超音波振動子４１を移動させる駆動機構３０とが収容されている。駆動機構３０は、スキャンモータ３１及びチルトモータ３２等を備えている。スキャンモータ３１は、上側収容空間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の回転軸３１ａは、鉛直方向に沿って延びており、蓋体２３の中央部に設けられた貫通孔３３を挿通して下側収容空間２５内に突出している。さらに、回転軸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。

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いる。また、ケース４０には、回転軸３１ａに直交する傾動軸３６が設けられている。傾動軸３６は、２つの傾動軸部３６ａに分断されており、両傾動軸部３６ａは、ケース４０の両端部（図４では左側部及び右側部）から互いに反対方向に突出している。そして、両傾動軸部３６ａは、ベアリング（図示略）を介して支持フレーム３５の両腕部３５ａに設けられた貫通孔にそれぞれ嵌め込まれている。よって、スキャンモータ３１の回転軸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は、回転軸３１ａを中心とした旋回運動を行う。これに伴い、超音波振動子４１から出力される超音波Ｕ１の照射方向は、回転軸３１ａの周方向に沿って変化する。

図３，図４に示されるように、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、一対の傾動軸部３６ａ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は、傾動軸３６（傾動軸部３６ａ）を中心とした傾動運動を行う。これに伴い、超音波振動子４１から出力される超音波Ｕ１の照射角度も、超音波振動子４１の傾動に伴って変化する。

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円板状の樹脂製板状物である。そして、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、圧電素子４３（超音波振動子４１）の中心Ｏ１を基準として等角度間隔で配置されている。また、各ネジ孔４５には、基材４２の裏面４２ｂ側の開口部に座繰り加工が施されている。よって、ネジ孔４５にネジ（図示略）を挿通したとしても、ネジの頭部は基材４２の裏面４２ｂから突出しないため、ネジと超音波振動子４１を収容するソナードーム２０との干渉を避けることができる。

そして、各ネジ孔４５にネジを挿通し、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。なお、超音波振動子４１をケース４０に固定した際には、ケース４０と基材４２との間に隙間が生じるようになる。そして、この隙間が、ケース４０内外を連通する連通口４８となる。

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略円板状のセラミックス製板状物である。図５〜図７に示されるように、圧電素子４３の外径は基材４２の外径よりも小さいため、基材４２の面積は圧電素子４３の面積よりも大きくなる。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５４が形成され、圧電素子４３の背面５２には背面側電極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。また、圧電素子４３は、前面側電極５４及び背面側電極５５の間に電圧を印加することにより、厚さ方向に分極されている。

図５〜図９に示されるように、圧電素子４３は、同圧電素子４３の厚さ方向に沿って延びるように分割された複数の振動部９０により構成されている。各振動部９０は、圧電素子４３の背面５２に対して溝部Ｋ１を複数形成することにより構成される。各溝部Ｋ１は、互いに交差しないように面方向に沿って一方向（図６ではＸ方向）に延びている。よって、各振動部９０は、溝部Ｋ１を介して、同溝部Ｋ１が延びる方向とは直交する方向（図６ではＹ方向）に配設される。また、各溝部Ｋ１は、互いに平行に配置され、かつ傾動軸３６の中心軸線Ａ１（図６参照）に対して０°の角度をなすように配置されている。即ち、各溝部Ｋ１は、傾動軸３６の中心軸線Ａ１に対して平行となっている。さらに、本実施形態では、各溝部Ｋ１のうち、中央部に位置する溝部Ｋ１が、傾動軸３６の中心軸線Ａ１上に位置している。なお、各溝部Ｋ１の幅は、振動部９０の幅よりも小さく、本実施形態では、振動部９０の幅の１０分の１以上３分の１以下となっている。また、各溝部Ｋ１の幅は、互いに等しくなっている。また、各溝部Ｋ１内には、樹脂材料（エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、シリコーン樹脂等）や接着剤（エポキシ系接着剤等）などからなる充填材が何ら充填されていないため、各溝部Ｋ１は全体的に空隙Ｋ０となっている。

図６〜図９に示されるように、各振動部９０は、両端（図６では上端及び下端）に位置する一対の外側振動部９１と、両外側振動部９１間に配置される複数の内側振動部９２とにより構成されている。各振動部９０は、背面視で帯状をなしている。具体的に言うと、図９（ａ）に示されるように、外側振動部９１の表面９３ａ（背面５２）は、２つの辺９４ａ，９４ｂによって構成されており、辺９４ａが背面視で円弧状をなし、辺９４ｂが背面視で直線状をなしている。また、図９（ｂ）に示されるように、内側振動部９２の表面９３ｂ（背面５２）は、４つの辺９５ａ，９５ｂ，９５ｃ，９５ｄによって構成されており、辺９５ａ，９５ｃが背面視で円弧状をなし、辺９５ｂ，９５ｄが背面視で直線状をなしている。なお、両外側振動部９１の外側面９６、及び、各内側振動部９２の両端面９７は、圧電素子４３の外周面５３を構成している。

また、本実施形態では、各振動部９０のうち、中央部に位置する振動部９０（内側振動部９２）の長さが最も長く、圧電素子４３の外径と略等しくなっている。そして、圧電素子４３の中心Ｏ１からの距離が遠くなる程、振動部９０の長さが短くなる。また、外側振動部９１の幅Ｗ１は、内側振動部９２の幅Ｗ２よりも大きくなっている。

図６〜図９に示されるように、両外側振動部９１及び各内側振動部９２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。また、外側振動部９１の長さは外側振動部９１の高さＨ１よりも大きくなっており、内側振動部９２の長さは内側振動部９２の高さＨ１よりも大きくなっている。なお、外側振動部９１の長さは、内側振動部９２の長さよりも小さくなっており、振動部９０の長さの最小値は、振動部９０の高さＨ１よりも大きくなっている。そして、外側振動部９１の高さＨ１は外側振動部９１の幅Ｗ１よりも大きくなっており、内側振動部９２の高さＨ１は内側振動部９２の幅Ｗ２よりも大きくなっている。なお、振動部９１，９２の高さＨ１は、溝部Ｋ１の深さと等しくなっている。さらに、上述した基材４２の厚さは、振動部９１，９２の高さＨ１よりも小さくなっている。また、圧電素子４３において振動部９１，９２同士が繋がる部分の厚さＨ２は、基材４２の厚さよりも小さくなっている。なお、圧電素子４３の厚さＨ３（振動部９１，９２の高さＨ１）は任意に決定されるが、例えば、振動部９１，９２の「縦方向振動」が、目的とする共振周波数となるように決定される。

さらに、本実施形態の圧電素子４３では、振動部９０の幅（具体的には、外側振動部９１の幅Ｗ１、または、内側振動部９２の幅Ｗ２）の最大値が、圧電素子４３の厚さＨ３よりも小さく、具体的には、厚さＨ３の４分の１以上２分の１以下となっている。しかも、振動部９０の幅の最大値は、溝部Ｋ１の深さよりも小さくなっている。また、圧電素子４３の厚さＨ３は、圧電素子４３の外径よりも小さくなっている。そして、圧電素子４３の外径は、圧電素子４３の厚さＨ３の２倍以上となっている。また、溝部Ｋ１の深さは、圧電素子４３の厚さＨ３よりも小さく、具体的には、厚さＨ３の８０％以上１００％未満となっている。

本実施形態の圧電素子４３では、振動部９０の幅の最大値Ｗと、圧電素子４３の外径の最小値Ｌとが、０．０５≦Ｗ／Ｌ≦０．１の関係、特には、０．０７≦Ｗ／Ｌ≦０．１の関係を満たしている。なお、本実施形態の最小値Ｌは、圧電素子４３の外径と等しくなっている。このことは、圧電素子４３に、１０本以上の振動部９０が存在することを示している。このようにすれば、複合振動が減少し、特定部分の感度が高くなるため、これに伴って特定部分付近の感度も高くなり、超音波Ｕ１の周波数帯域が広くなる。

図６，図８に示されるように、両外側振動部９１の表面９３ａ上及び各内側振動部９２の表面９３ｂ上には、それぞれ背面側電極５５が形成されている。そして、複数の背面側電極５５の各々を架け渡すようにして、帯状の導電性部材である金属箔６０（例えば、銅箔、黄銅箔、アルミニウム箔など）が貼付されている。また、金属箔６０は、はんだ等の導電金属や、従来周知の導電性フィラーを含む接着剤などにより、各背面側電極５５に貼付されている。なお、金属箔６０の貼付により、金属箔６０は、両外側振動部９１の表面９３ａ及び各内側振動部９２の表面９３ｂ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５４には第１のリード線６２が接続され、背面側電極５５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、複数の背面側電極５５のいずれか１つ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の上部に設けられた配線挿通孔４９を通ってケース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５４上または基材４２の表面４２ａに銅箔等の金属箔（図示略）を貼付し、金属箔に対して第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（バッキング材）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Ｕ１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に設けられた連通口４８を介してケース４０内に流入し、圧電素子４３において隣接する振動部９０間の空隙Ｋ０（溝部Ｋ１）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る。また、上述した基材４２の固有音響インピーダンスは、圧電素子４３の固有音響インピーダンスよりも小さく、かつ超音波伝搬液体の固有音響インピーダンスや水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Ｕ１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Ｕ１（反射波Ｕ２）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Ｕ１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Ｕ２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Ｓ０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の各振動部９０は、収縮（図１１（ｂ）参照）と伸長（図１１（ａ）参照）とを繰り返す。なお、振動部９０が高さ方向に収縮した際には、振動部９０が幅方向、具体的には、振動部９０の外周側（図１１（ｂ）の矢印Ｆ１参照）に、収縮した体積分だけ太くなるように変形する。そして、振動部９０が高さ方向に伸長すると、振動部９０が幅方向、具体的には、振動部９０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Ｕ１が照射（送信）される。

そして、超音波Ｕ１が被探知物Ｓ０（図１参照）に到達すると、超音波Ｕ１は、被探知物Ｓ０で反射して反射波Ｕ２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Ｕ１（反射波Ｕ２）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Ｓ０が探知される。

さらに、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、回転軸３１ａを中心とした旋回運動を超音波振動子４１に行わせる。また、ＣＰＵ７１は、モータドライバ８１を介してチルトモータ３２を駆動させる制御を行い、傾動軸３６を中心とした傾動運動を超音波振動子４１に行わせる。その結果、超音波Ｕ１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Ｕ１の照射及び反射波Ｕ２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）等からなる樹脂製板状物を円形状に切削加工する。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製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５４，５５を形成する。そして、前面側電極５４及び背面側電極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を行う。

続く接合工程では、基材４２の片面に対して、セラミックス製板状物を前面側電極５４を介して接合する。具体的には、前面側電極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に対してセラミックス製板状物を接着固定する。なお、接着剤を塗布する代わりに、はんだ等を用いてロウ付けを行ってもよい。

接合工程後の振動部形成工程では、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側に複数の溝部Ｋ１を形成する。その結果、セラミックス製板状物が複数の振動部９０に分割されるとともに、セラミックス製板状物の背面５２に形成された背面側電極５５も複数（振動部９０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、各振動部９０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５４までが分割されることはない。その後、複数の背面側電極５５の各々を架け渡すようにして金属箔６０を貼付し、各背面側電極５５を、各振動部９０の表面９３ａ，９３ｂの共通電極とする。そして、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、背面側電極５５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内に収容し、ケース４０が有する一対の傾動軸部３６ａを、支持フレーム３５の両腕部３５ａに設けられた貫通孔にそれぞれ嵌合させる。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。

なお、超音波伝搬液体の一部は、ケース４０に設けられた連通口４８を介してケース４０内に流入するが、圧電素子４３において隣接する振動部９０間の溝部Ｋ１内には完全には入り込まない。その結果、溝部Ｋ１の内部領域の大半には、空気が残るようになる。製法によっては、溝部Ｋ１の内部領域の全体に超音波伝搬液体を充填することも可能であるが、充填しないほうが各振動部９０にかかる負荷が小さく、送受感度が高い。よって、本実施形態では、敢えて溝部Ｋ１の内部領域に超音波伝搬液体を充填しないようにする。ここで、溝部Ｋ１内に超音波伝搬液体を入り込ませない方法としては、圧電素子４３の外周面５３に防音材６５を巻き付けたり、勢い良く超音波伝搬液体を流し込んで圧電素子４３の外周面５３を覆ったりすることなどが考えられる。

次に、超音波振動子の評価方法及びその結果を説明する。

まず、測定用サンプルを次のように準備した。円板状をなす圧電素子の背面に対して一方向に延びる溝部を複数形成することにより、複数の帯状の振動部が形成された超音波振動子（即ち、本実施形態の超音波振動子４１と同様の超音波振動子）を準備し、これを実施例とした。具体的には、まず、外径５０ｍｍ、厚さ７．２ｍｍの圧電素子を、外径５４ｍｍ、厚さ３．６ｍｍの基材（ガラスエポキシ板）に接着した。次に、幅０．５ｍｍであって、圧電素子の厚さの９５％程度の深さとなる１１本の溝部を、ピッチ３．５ｍｍで、等間隔かつ平行に形成した。そして、各振動部の表面上にある電極の各々を架け渡すようにして、帯状の銅箔をはんだ付けし、これをケースに収容した。

また、円板状をなす圧電素子の背面に溝部が形成されてない超音波振動子を準備し、これを比較例１とした。具体的には、まず、圧電素子を基材に接着した。そして、圧電素子の背面上にある電極に対して配線を施し、これをケースに収容した。

さらに、円板状をなす圧電素子の背面に対して縦横に延びる溝部を複数形成することにより、複数の柱状の振動部が形成された超音波振動子を準備し、これを比較例２とした。具体的には、まず、圧電素子を基材に接着した。次に、１１本の溝部を等間隔かつ平行に形成した。さらに、圧電素子を９０°回転させた後、同様の１１本の溝部を等間隔かつ平行に形成した。そして、各振動部の表面上にある電極の各々に銅箔をはんだ付けし、これをケースに収容した。

また、矩形板状をなす圧電素子の背面に対して一方向に延びる溝部を複数形成することにより、複数の帯状の振動部が形成された超音波振動子を準備し、これを比較例３とした。具体的には、まず、縦３６ｍｍ×横３６ｍｍの圧電素子を、縦４０ｍｍ×横４０ｍｍの基材に接着した。次に、１０本の溝部を等間隔かつ平行に形成した。そして、各振動部の表面上にある電極の各々を架け渡すようにして、帯状の銅箔をはんだ付けし、これをケースに収容した。

次に、各測定用サンプル（実施例及び比較例１〜３）に対して、超音波振動子の送受感度を算出した。具体的には、超音波振動子の放射面を水中に浸漬し、放射面から１ｍ離れた位置にあるＦＲＰ板に対して超音波を垂直に照射した。なお、超音波は、電圧振幅が１００Ｖのバースト波とした。そして、ＦＲＰ板で反射した超音波（反射波）は、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。このとき、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、測定結果に基づいて演算を行うことにより、送受感度を算出した。なお、送受感度は、送信電圧の振幅Ｖｓに対する受信電圧の振幅Ｖｒの比であり、２０×log（Ｖｒ／Ｖｓ） の式から算出されるものである。

また、各測定用サンプルにおいて、２０ｋＨｚ〜４００ｋＨｚ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、オシロスコープを用いた上記の手法を用いて、超音波振動子の送受感度を算出した。図１２のグラフは、実施例及び比較例１〜３における周波数と送受感度との関係を示している。

その結果、円板状の圧電素子に対して一方向に延びる溝部を形成した実施例では、圧電素子が、２３０ｋＨｚで送受感度がピークとなる第１の周波数帯で厚さ方向に振動するとともに、第１の周波数帯よりも低く、７５ｋＨｚで送受感度がピークとなる第２の周波数帯で径方向に振動することが確認された。そして、送受感度が例えば−４５ｄＢ以上となる範囲は、第１の周波数帯で１３０ｋＨｚ〜３５０ｋＨｚ付近となり、第２の周波数帯で５０ｋＨｚ〜８０ｋＨｚ付近となることが確認された。また、実施例では、１３０ｋＨｚ〜３５０ｋＨｚ付近の送受感度が、比較例２，３とは同等であるものの、比較例１よりは１５ｄＢ程度高くなることが確認された。なお、実施例では、円板状の圧電素子を円板状の基材に接着して一方向のみに延びる溝部を形成することにより、円板の径方向に振動が生じやすくなっている。このため、実施例では、５０ｋＨｚ〜８０ｋＨｚ付近の送受感度が全ての比較例１〜３よりも１０ｄＢ程度高くなることが確認された。以上のことから、実施例は、第１の周波数帯及び第２の周波数帯の両方が、超音波の送受信に適していることが確認された。

一方、円板状の圧電素子に対して何ら溝部が形成されていない比較例１では、圧電素子が、２００ｋＨｚ付近で送受感度がピークとなる周波数帯で厚さ方向に振動するとともに、５０ｋＨｚ付近で送受感度がピークとなる周波数帯で径方向に振動することが確認された。しかしながら、比較例１では、送受感度が全体的に低いことが確認された。よって、送受感度が例えば−４５ｄＢ以上となる範囲は、２００ｋＨｚ付近をピークとする周波数帯で２００ｋＨｚ〜２３０ｋＨｚ付近となり、５０ｋＨｚ付近をピークとする周波数帯で５０ｋＨｚ付近のみとなるため、実施例よりも極めて狭いことが確認された。ゆえに、比較例１では、超音波の残響が長くなってしまうことが確認された。即ち、比較例１は、上述した２つの周波数帯のいずれも、超音波の送受信には適さないことが確認された。

また、円板状の圧電素子に対して縦横に延びる溝部を形成した比較例２では、圧電素子が、２３０ｋＨｚで送受感度がピークとなる周波数帯で厚さ方向に振動するとともに、７５ｋＨｚで送受感度がピークとなる周波数帯で径方向に振動することが確認された。そして、送受感度が例えば−４５ｄＢ以上となる範囲は、２３０ｋＨｚをピークとする周波数帯で１３０ｋＨｚ〜３５０ｋＨｚ付近となり、７５ｋＨｚをピークとする周波数帯で５０ｋＨｚ〜８０ｋＨｚ付近となることが確認された。しかしながら、比較例２では、１３０ｋＨｚ〜３５０ｋＨｚ付近の送受感度が実施例と同等であるものの、５０ｋＨｚ〜８０ｋＨｚ付近の送受感度は実施例よりも全体的に低いことが確認された。以上のことから、比較例２は、２３０ｋＨｚをピークとする周波数帯が超音波の送受信に適しているものの、７５ｋＨｚをピークとする周波数帯は、超音波の送受信には適さないことが確認された。

さらに、矩形状の圧電素子に対して一方向に延びる溝部を形成した比較例３では、圧電素子が、２４０ｋＨｚで送受感度がピークとなる周波数帯で厚さ方向に振動するとともに、５５ｋＨｚで送受感度がピークとなる周波数帯で径方向に振動することが確認された。そして、送受感度が例えば−４５ｄＢ以上となる範囲は、２４０ｋＨｚをピークとする周波数帯で１３０ｋＨｚ〜３５０ｋＨｚ付近となり、５５ｋＨｚをピークとする周波数帯で５５ｋＨｚ付近のみとなることが確認された。なお、比較例３では、１３０ｋＨｚ〜３５０ｋＨｚ付近の送受感度が、振動部の先端面に形成された電極の面積が小さい影響でやや低く、実施例よりも劣ることが確認された。また、比較例３では、５５ｋＨｚ付近の送受感度が実施例よりも低いことが確認された。以上のことから、比較例３は、２４０ｋＨｚをピークとする周波数帯が超音波の送受信に適しているものの、５５ｋＨｚをピークとする周波数帯は、超音波の送受信には適さないことが確認された。

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）本実施形態の超音波振動子４１では、圧電素子４３に溝部Ｋ１を形成することにより複数の帯状の振動部９０を得ているため、各振動部９０のそれぞれが高さ方向に変形しやすくなり、圧電素子４３が各部位において変形しやすくなる。その結果、圧電素子に溝部を形成して複数の柱状の振動部を得る場合と同様に、圧電素子４３が厚さ方向に振動しやすくなるため、超音波Ｕ１の電気機械結合係数が高くなり、第１の周波数帯の範囲が広くなる。さらに、圧電素子４３は、第１の周波数帯で厚さ方向に振動するだけでなく、第１の周波数帯とは異なる周波数帯、具体的には、第１の周波数帯よりも低い第２の周波数帯で径方向にも振動する。また、第２の周波数帯の送受感度は、例えばピークで−３５ｄＢ程度であり、第１の周波数帯の送受感度のピーク（−３０ｄＢ程度）に匹敵するほど高い。このため、超音波Ｕ１の送受信に適した周波数帯を増やすことができる。しかも、振動部９０は帯状をなすため、振動部が柱状をなす場合よりも、各振動部９０が径方向に振動しやすくなる。これにより、超音波Ｕ１の電気機械結合係数がいっそう高くなり、第２の周波数帯の範囲も広くなる。以上のことから、厚さ方向に振動する第１の周波数帯（１３０ｋＨｚ〜３５０ｋＨｚ付近）と、径方向に振動する第２の周波数帯（５０ｋＨｚ〜８０ｋＨｚ付近）とに切り替えて超音波振動子４１を駆動することにより、それぞれの周波数帯で超音波Ｕ１を送受信することが可能となる。

しかも、本実施形態では、互いに交差しないように面方向に延びる溝部Ｋ１を形成することにより帯状の振動部９０を得ている。このため、縦横に延びる溝部を形成して上記した柱状の振動部を得る場合に比べて、振動部９０の形成に必要な溝部Ｋ１の形成回数が半分になり、溝部Ｋ１の形成が容易になる。よって、超音波振動子４１の製造コストを低減することができる。

さらに、本実施形態では、圧電素子４３の中心Ｏ１からの距離が遠くなる程、振動部９０の長さが短くなっている。この場合、各振動部９０に長さ方向振動が生じるものの、個々の共振周波数が異なり、当該長さ方向振動が生じる周波数帯が少しずつずれるため、個々の周波数帯同士が合成されることで周波数帯の幅が広くなる（図１２の実施例の第２の周波数帯を参照）。よって、超音波Ｕ１の周波数帯域がよりいっそう広くなる。

（２）例えば、超音波振動子の圧電素子に柱状の振動部が形成されている場合、超音波振動子を長期間に亘って駆動させると、疲労破壊により振動部にクラックが発生する可能性が高い。そして、クラックが発生した状態で超音波振動子を高電圧で駆動し続ける場合には、クラックの発生部位から断続的に放電を生じてしまい、その影響で、圧電素子の他の振動部においても圧電特性の低下を引き起こし、送受感度が低下してしまう、といった問題がある。一方、本実施形態では、圧電素子４３に帯状の振動部９０を形成している。この場合、柱状の振動部に比べて振動部９０が平面方向に長くなることで、圧電素子４３の前面５１側の端部（振動部９０同士が繋がる部分）と振動部９０との接合面積が大きくなり、振動部９０が倒れにくい安定した形状となるため、振動部９０の強度低下を防止することができる。よって、たとえ超音波振動子４１を長期間に亘って駆動させたとしても、クラックの発生に起因する上記の問題が生じにくくなる。つまり、クラックの発生を抑制することによって、超音波振動子４１の信頼性を向上させることができる。

（３）本実施形態では、外側振動部９１の幅Ｗ１が内側振動部９２の幅Ｗ２よりも大きくなるため、外側振動部９１が内側振動部９２よりも幅方向に大きくなる。よって、外側面９６全体が圧電素子４３の外部に露出する外側振動部９１の強度が高くなり、外側振動部９１でのクラックの発生が確実に防止される。このため、外側に露出するために外力が作用しやすい外周部において圧電素子４３を補強することができ、超音波振動子４１の信頼性がよりいっそう高くなる。

（４）さらに、本実施形態では、振動部９０が平面方向に長くなることで圧電素子４３が補強されるため、各振動部９０間の空隙Ｋ０（溝部Ｋ１）を充填材で埋めなくても済む。この場合、振動部９０の長さ方向への変形が充填材に妨げられることはないため、振動部９０が長さ方向に振動しやすくなり、ひいては、圧電素子４３が径方向に振動しやすくなる。しかも、振動部９０の高さ方向への変形も充填材に妨げられることはないため、振動部９０が高さ方向に振動しやすくなり、ひいては、圧電素子４３が厚さ方向に振動しやすくなる。従って、超音波Ｕ１の周波数帯域を確実に広げることができる。

（５）例えば、圧電素子４３の背面５２側に形成した溝部Ｋ１を圧電素子４３の前面５１まで到達させることにより、圧電素子４３を複数の振動部９０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５４も分割されてしまう。このため、前面側電極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、各振動部９０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５４が分割されることはない。この場合、前面側電極５４に第１のリード線６２を接続すれば、前面側電極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。また、各振動部９０が圧電素子４３の前面５１側の端部において互いに繋がることにより、圧電素子４３の前面５１全体が基材４２の表面４２ａに接触する。このため、両者の接触面積が確保され、圧電素子４３と基材４２との接合強度が向上する。その結果、超音波振動子４１の信頼性がよりいっそう高くなる。

なお、上記実施形態を以下のように変更してもよい。

・上記実施形態の超音波振動子４１では、溝部Ｋ１が全体的に空隙Ｋ０となっていたが、溝部Ｋ１の一部に充填材が充填されていてもよい。例えば、図１３に示されるように、それぞれの溝部Ｋ１について、溝部Ｋ１の内部領域が、充填材１１１が充填される充填領域Ｒ１と、充填材１１１が充填されない非充填領域Ｒ２とからなっていてもよい。なお、図１３では、各溝部Ｋ１の両端に充填領域Ｒ１が設定され、各溝部Ｋ１において両端を除く部分に非充填領域Ｒ２が設定されているが、充填領域Ｒ１及び非充填領域Ｒ２の位置は、特に限定される訳ではなく、適宜変更可能である。また、非充填領域Ｒ２の体積は、充填領域Ｒ１の体積よりも大きくなっているが、充填領域Ｒ１の体積より小さくてもよいし、充填領域Ｒ１の体積と等しくてもよい。また、図１４に示されるように、各溝部Ｋ１の内部領域の全体に充填材１１２が充填されていてもよい。

なお、充填材１１１，１１２の固有音響インピーダンスが圧電素子４３の固有音響インピーダンスの１０分の１以上であれば、固有音響インピーダンスの差が小さくなって超音波Ｕ１が減衰しにくくなるため、圧電素子４３の径方向振動を用いて超音波Ｕ１の送受信を行うことができる。しかしながら、充填材１１１，１１２の固有音響インピーダンスが高くなると、一般的に充填材１１１，１１２の密度が高くなり、充填材１１１，１１２が重くなるため、充填材１１１，１１２の存在によって振動部９０の振動が妨げられてしまい、送受感度が低下するという問題がある。よって、この問題を解決するためには、例えば、充填材１１１，１１２の比重を１．５以下にすることが好ましい。このようにすれば、充填材１１１，１１２が比較的軽くなるため、充填材１１１，１１２が振動部９０の振動の負荷になりにくくなる。その結果、充填材１１１，１１２に起因する送受感度の低下を防止することができる。なお、別の手法として、充填材１１１，１１２の固有音響インピーダンスを低くすることにより、送受感度の低下を抑えることも考えられる。しかし、この場合には圧電素子４３の径方向振動が弱くなるため、充填材１１１，１１２の比重を小さくすることが好ましい。

・上記実施形態では、外側振動部９１の幅Ｗ１と内側振動部９２の幅Ｗ２とが互いに異なっていたが、幅Ｗ１，Ｗ２は互いに等しくてもよい。また、上記実施形態では、圧電素子４３に形成された溝部Ｋ１の幅が互いに等しくなっていたが、溝部Ｋ１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、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。

・上記実施形態の超音波振動子４１では、ガラスエポキシ（ＦＲ−４）からなる基材４２を用いたが、基材４２の形成材料は、固有音響インピーダンス、超音波Ｕ１の周波数、機械的強度等を考慮して適宜変更することができる。例えば、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）、アルミナの多孔体からなる基材を用いてもよい。

・上記実施形態において、超音波振動子４１の駆動態様を、全ての振動部９０を駆動する全駆動モード（第１の態様）と、各振動部９０のうち圧電素子４３の中心Ｏ１からの距離が最も短い距離にある振動部９０を駆動する部分駆動モード（第２の態様）とに切替可能にしてもよい。

・上記実施形態の超音波振動子４１は、超音波Ｕ１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、他の計測機器に用いられていてもよい。例えば、超音波振動子を、超音波Ｕ１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Ｕ１の照射方向を変更しない、即ち、駆動機構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２または３において、前記振動部の幅の最大値は前記溝部の深さよりも小さく、前記溝部の深さは前記圧電素子の厚さよりも小さいことを特徴とする計測機器用の超音波振動子。

（２）請求項７において、前記非充填領域の体積が、前記充填領域の体積よりも大きいことを特徴とする計測機器用の超音波振動子。

（３）請求項１乃至９のいずれか１項において、前記第１の周波数帯の送受感度のピークと前記第２の周波数帯の送受感度のピークとの差は、５ｄＢ以上１０ｄＢ以下であることを特徴とする計測機器用の超音波振動子。

（４）請求項１乃至９のいずれか１項において、前記第２の周波数帯は、送受感度のピークよりも６ｄＢ低減以内の周波数の範囲を示していることを特徴とする計測機器用の超音波振動子。

（５）請求項１乃至９のいずれか１項において、前記第２の周波数帯は、周波数幅が４０ｋＨｚ以内となる特定の範囲内において、送受感度が−４５ｄＢ以上となることを特徴とする計測機器用の超音波振動子。

（６）請求項１乃至９のいずれか１項において、前記振動部の幅の最大値をＷとし、前記圧電素子の外径の最小値をＬとしたとき、Ｗ／Ｌ≦０．１の関係を満たすことを特徴とする計測機器用の超音波振動子。

（７）請求項１乃至９のいずれか１項において、複数の前記振動部が、一対の外側振動部と、前記一対の外側振動部間に配置される複数の内側振動部とにより構成され、前記外側振動部の幅が前記内側振動部の幅よりも大きくなっていることを特徴とする計測機器用の超音波振動子。

（８）請求項１乃至９のいずれか１項において、前記超音波振動子の駆動態様を、全ての前記振動部を駆動する第１の態様と、複数の前記振動部のうち前記圧電素子の中心からの距離が最も短い位置にある前記振動部を駆動する第２の態様とに切替可能であることを特徴とする計測機器用の超音波振動子。

１１…計測機器としてのソナー
４１…超音波振動子
４２…基材
４３…圧電素子
５１…圧電素子の前面
５２…圧電素子の背面
９０…振動部
９１…振動部としての外側振動部
９２…振動部としての内側振動部
１１１，１１２…充填材
Ｈ３…圧電素子の厚さ
Ｋ０…空隙
Ｋ１…溝部
Ｏ１…圧電素子の中心
Ｒ１…充填領域
Ｒ２…非充填領域
Ｕ１…超音波
Ｗ…振動部の幅の最大値

Claims (9)

1. 超音波を送受信する計測機器用の超音波振動子であって、
   音響整合層を兼ねる略円板状の基材と、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略円板状の圧電素子とを備え、
   前記基材の面積は前記圧電素子の面積よりも大きくなっており、
   前記圧電素子には、互いに交差しないように面方向に延びる溝部が複数形成されるとともに、前記溝部を介して複数の帯状の振動部が配設され、
   前記圧電素子の中心からの距離が遠くなる程、前記振動部の長さが短くなっており、
   複数の前記振動部が、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、
   前記圧電素子は、第１の周波数帯で厚さ方向に振動するとともに、前記第１の周波数帯よりも低い第２の周波数帯で径方向に振動する
   ことを特徴とする計測機器用の超音波振動子。
2. 前記振動部の幅の最大値は前記圧電素子の厚さよりも小さく、前記圧電素子の厚さは前記圧電素子の外径よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の計測機器用の超音波振動子。
3. 前記振動部の幅の最大値は、前記圧電素子の厚さの４分の１以上２分の１以下であることを特徴とする請求項２に記載の計測機器用の超音波振動子。
4. 前記圧電素子の外径は、前記圧電素子の厚さの２倍以上であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の計測機器用の超音波振動子。
5. 前記溝部の深さは、前記圧電素子の厚さの８０％以上１００％未満であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の計測機器用の超音波振動子。
6. 前記溝部が全体的に空隙となっていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の計測機器用の超音波振動子。
7. １本の前記溝部について、前記溝部の内部領域が、充填材が充填される充填領域と、前記充填材が充填されない非充填領域とからなることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の計測機器用の超音波振動子。
8. 前記溝部の内部領域の全体に充填材が充填されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の計測機器用の超音波振動子。
9. 前記充填材の固有音響インピーダンスが前記圧電素子の固有音響インピーダンスの１０分の１以上であって、前記充填材の比重が１．５以下であることを特徴とする請求項７または８に記載の計測機器用の超音波振動子。