JP6991613B2 - 超音波送受波器 - Google Patents

Description

本発明は、超音波を利用して魚群を探知する魚群探知機用の超音波送受波器に関するものである。

従来、超音波振動子が収容されたケースを、信号伝送用のケーブルで吊り下げて水中に浸漬し、超音波振動子による超音波の送受信により魚群探知を行う超音波送受波器が知られている（例えば、特許文献１参照）。この超音波送受波器は、例えば、ワカサギ釣りなどのアイスフィッシングで用いられている。なお、超音波送受波器のケースは、アイスフィッシングにおいて氷にあけられた孔から水中に挿入されるものである。

特開２００１－１６６０５６号公報（段落［０００６］、図１，図２等）

ところで、超音波送受波器の探知精度を向上させるためには、超音波振動子の音響放射面を水平にして超音波を鉛直下向きに照射（送信）することが好ましく、従来では、超音波振動子の自重により音響放射面を水平にしている。ところが、ケースの中心と超音波振動子の重心とのズレが大きい場合には、超音波送受波器が水中で傾斜し、音響放射面も傾斜するため、照射される超音波の向き（音圧中心軸）が鉛直方向に対して傾斜してしまう。この場合、魚群を正確に探知できないため、魚群探知機での表示に誤差が生じ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、超音波送受波器の水中での姿勢を安定させることにより、超音波を鉛直下向きに送信して探知精度を向上させることができる超音波送受波器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、前記超音波振動子を収容する釣鐘状のケースと、前記ケースを吊り下げるためのケーブルとを備えた魚群探知機用の超音波送受波器であって、前記ケース内の底部に配置された前記超音波振動子の上側に錘が配置され、前記錘の上面よりも上方の空間を前記ケース内の上部領域と定義し、前記錘の上面よりも下方の空間を前記ケース内の下部領域と定義したときに、前記下部領域には充填剤が充填されている一方、前記上部領域には前記充填剤が充填されていない空洞部が存在していることを特徴とする超音波送受波器をその要旨とする。

従って、請求項１に記載の発明によれば、ケース内にある超音波振動子の上側に錘を配置することにより、超音波送受波器が適度に重くなるため、ケーブルで吊り下げた際に揺れにくくなり、超音波送受波器の水中での姿勢が安定する。しかも、ケース内の全体に充填剤を充填するのではなく、ケース内の上部領域に空洞部を残すようにして充填剤を充填することにより、超音波送受波器の重心を下げることができるため、超音波送受波器の水中での姿勢がよりいっそう安定する。その結果、超音波振動子の音響放射面が水平になるため、超音波を鉛直下向きに送信することができ、超音波送受波器の探知精度が向上する。

請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記錘は、前記ケーブルを挿通させるケーブル挿通孔を中心に有する略円錐台状をなし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、錘が略円錐台状をなすため、錘が例えば略円錐状をなす場合に比べて、ケース内における錘の上方に空間が生じやすくなる。その結果、超音波送受波器の重心を下げやすくなる。また、請求項２の錘は回転対称性を有するため、錘の重心がケースの中心に一致しやすくなり、超音波送受波器の傾斜が解消されやすくなる。その結果、超音波送受波器の水中での姿勢を容易に安定させることができ、超音波振動子の音響放射面が水平になるため、超音波送受波器の探知精度を容易に向上させることができる。また、錘が、略円錐台状をなし、ケース内における錘の上方空間を埋めない形状であるため、超音波送受波器全体を軽量化することができる。このため、ケース内に錘を収容したとしても、ケーブルへの負担を最小限に抑えることができる。さらに、錘が略円錐台状をなすため、釣鐘状のケース内に錘が収まりやすくなる。

請求項３に記載の発明は、請求項２において、前記ケーブルが挿通された前記ケーブル挿通孔内に、前記充填剤が充填されてい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、ケーブル挿通孔の内壁面とケーブルの外周面との隙間に充填された充填剤が硬化することにより、ケーブル挿通孔を有する錘に対してケーブルを固定することができる。

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、前記錘の底面に、前記ケーブルが有する配線を配置可能な凹部が形成されてい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、錘の底面に形成された凹部内に配線を配置することにより、錘が配線を踏んで傾く、といった問題を防止することができる。その結果、超音波送受波器の水中での姿勢が確実に安定し、超音波振動子の音響放射面が確実に水平になるため、超音波を確実に鉛直下向きに送信することができる。

請求項５に記載の発明は、請求項４において、前記凹部は、前記錘の中心から放射状に複数延びてい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、凹部が錘の中心から放射状に延びているため、錘の重心を錘の中心に一致させやすくなる。よって、錘が傾きにくくなるため、超音波送受波器の水中での姿勢をより確実に安定させることができる。また、錘に複数の凹部が形成されているため、配線が複数存在する場合であっても、全ての配線を凹部内に配置することができる。

請求項６に記載の発明は、請求項４または５において、前記凹部内に前記配線が配置され、前記配線が配置された前記凹部内に、前記充填剤が充填されていることをその要旨とする。

従って、請求項６に記載の発明によると、凹部の内側面と凹部内に配置された配線の外周面との隙間に充填剤が充填される。このため、充填剤が硬化することにより、凹部を有する錘に対して配線を固定することができる。また、錘と、同錘の下側にある超音波振動子とを、凹部内に充填された充填剤を介して固定することもできる。

請求項７に記載の発明は、請求項１乃至６のいずれか１項において、前記ケースは、下端にて開口し、上端に行くに従って外径が徐々に小さくなる上ケースと、上端にて開口し、底部及び側壁を一体形成することによって断面凹状に構成される下ケースとからなり、前記下ケースに前記超音波振動子が収容され、前記上ケースの開口部に前記錘が収容され、前記充填剤の上端面が、前記上ケースの下端よりも上方に位置してい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、充填剤の上端面が上ケースの下端よりも上方に位置しているため、上ケースと下ケースとの接合部分がケース内に充填された充填剤に覆われる。その結果、接合部分からケース内への水の侵入が充填剤によって防止されるため、ケースの防水性能が向上する。また、充填剤が硬化することにより、上ケースと下ケースとを強固に接合することができる。

請求項８に記載の発明は、請求項７において、前記充填剤の上端面が、前記超音波振動子の上面から前記上ケースの内壁の頂部までの高さの半分以下の高さに位置し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、充填剤の上端面が、超音波振動子の上面から上ケースの内壁の頂部までの高さの半分以下の高さに位置することにより、ケース内の上部領域に確実に空洞部が残るようになる。その結果、超音波送受波器の重心が下がるため、超音波送受波器の水中での姿勢がよりいっそう安定する。また、充填剤がケース内全体には充填されないため、超音波送受波器を軽量化しやすくなる。さらに、超音波振動子の上側に配置された錘の外周面と上ケースの内壁との隙間に充填剤が充填可能となる。この場合、充填剤が硬化することにより、上ケースに対して錘を固定することができる。

請求項９に記載の発明は、請求項７または８において、前記錘の外周面に、前記錘の厚さ方向に延びる位置決め凹部が形成され、前記上ケースの内周面に、前記位置決め凹部に係合する位置決め凸部が設けられ、前記位置決め凹部と前記位置決め凸部との隙間に、前記充填剤が充填されてい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、錘の外周面に形成された位置決め凹部に対して、ケースの内周面に設けられた位置決め凸部が係合することにより、錘を正しい位置に位置決め固定することができる。しかも、位置決め凹部と位置決め凸部との隙間に充填剤が充填されるため、充填剤が硬化することにより、錘を確実に固定することができる。

請求項１０に記載の発明は、請求項７乃至９のいずれか１項において、前記下ケースの内壁は、前記底部に行くに従って内径が徐々に小さくなる形状をなし、前記内壁との当接により前記超音波振動子が前記下ケースの中心位置に案内された状態で、前記底部に前記超音波振動子が配設されていることをその要旨とする。

従って、請求項１０に記載の発明によると、下ケースの内径が底部に近付くに従って徐々に小さくなるため、超音波振動子を下ケース内に収容すると、超音波振動子が下ケースの中心位置に誘導される。よって、超音波振動子の位置決めが容易になる。

請求項１１に記載の発明は、請求項１乃至１０のいずれか１項において、前記超音波振動子は、主面側に複数の切り込みが形成された圧電素子を備え、前記圧電素子の外表面が前記充填剤に覆われるとともに、前記複数の切り込みに前記充填剤が充填されていることをその要旨とする。

従って、請求項１１に記載の発明によると、複数の切り込みに充填剤が充填されることにより、圧電素子において切り込みを介して配設された複数の振動部が相互に補強されるため、振動部でのクラックの発生を防止することができる。その結果、超音波振動子の信頼性が向上する。

請求項１２に記載の発明は、請求項１乃至１０のいずれか１項において、前記超音波振動子は、主面側に複数の切り込みが形成された圧電素子を備え、前記圧電素子の外表面が前記充填剤に覆われる一方、前記複数の切り込みが空隙となっていることをその要旨とする。

従って、請求項１２に記載の発明によると、切り込みが全体的に空隙になっており、切り込み内に充填剤が充填されていないため、圧電素子において切り込みを介して配設された複数の振動部の厚さ方向への変形が充填剤に妨げられなくて済む。その結果、充填剤の充填に起因する超音波振動子の感度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１～１２に記載の発明によると、超音波送受波器の水中での姿勢を安定させることにより、超音波を鉛直下向きに送信して探知精度を向上させることができる。

本実施形態における超音波送受波器を示す斜視図。 超音波送受波器を示す側面図。 図２のＡ－Ａ線断面図。 超音波送受波器を示す分解斜視図。 図２のＢ－Ｂ線断面図。 圧電素子を示す斜視図。 錘を示す斜視図。 錘を示す底面図。 超音波送受波器の電気的構成を示すブロック図。 他の実施形態における錘を示す底面図。 （ａ）～（ｃ）は、他の実施形態における錘を示す図。 他の実施形態における圧電素子を示す斜視図。 他の実施形態における錘を示す斜視図。 他の実施形態における錘を示す斜視図。 他の実施形態における上ケースを示す斜視図。

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～図３に示されるように、本実施形態の超音波送受波器１０は、水中に超音波を照射することにより、水中に存在する魚群を探知する魚群探知機用の機器である。超音波送受波器１０は、超音波を送受信する超音波振動子２１と、超音波振動子２１を収容するケース５０と、ケース５０を吊り下げるためのケーブル４０とを備えている。なお、本実施形態の超音波送受波器１０は、通常使用時において、ケーブル４０に吊り下げられた状態で使用される。

図１～図４に示されるように、ケース５０は、釣鐘状をなしており、ケース５０の下半部を構成する下ケース５１と、ケース５０の上半部を構成する上ケース６１とを有している。下ケース５１は、音響整合層としても機能するクロロプレンゴム、ネオプレンゴム、ポリウレタンなどの弾性体からなり、底面５２及び同底面５２に対して垂直な外周面５３を有している。また、下ケース５１は、上端にて開口する有底円筒状のケースであり、底部５４及び側壁５５を一体形成することによって断面凹状に構成されている。そして、下ケース５１の内部には、上ケース６１の下端部が嵌入されている。なお、下ケース５１の上端側開口部には、下ケース５１の内部に嵌入された上ケース６１の開口端（下端部）を当接させるための段差面５６が形成されている。

また、下ケース５１の側壁５５の外周面５３には、溝部５７が形成されている。溝部５７は、通常の使用とは異なる使用態様、具体的には、超音波送受波器１０をボート（図示略）に取り付けて使用する際において、Ｕボルトや結束バンド等の締結部材（図示略）を嵌合させるためのものである。なお、締結部材は、超音波送受波器１０を保持具（図示略）に固定され、保持具は、ボートの船尾部分に取り付けられる。

図３に示されるように、下ケース５１の内壁５８は、底部５４に行くに従って内径が徐々に小さくなる形状をなしている。そして、下ケース５１には超音波振動子２１が収容されている。詳述すると、内壁５８との当接により超音波振動子２１が下ケース５１の中心位置に案内された状態で、底部５４の内面５４ａ上に超音波振動子２１が配設されている。また、超音波振動子２１は、音響整合層としても機能する基材２２と、基材２２に対して接合された圧電素子２３とを備えている。なお、圧電素子２３の中心軸Ｏ１と基材２２の中心軸Ｏ２とのズレ量は、基材２２の外径寸法の２％以下（本実施形態では０％）の大きさである。また、下ケース５１の中心軸Ｏ３と基材２２の中心軸Ｏ２とのズレ量は、下ケース５１の外径寸法の２％以下（本実施形態では０％）の大きさである。

なお、基材２２は、ガラスエポキシ（ＦＲ－４）を用いて形成された円板状の樹脂製板状物である。また、圧電素子２３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円板状のセラミックス製板状物である。圧電素子２３は、前面３１と、前面３１の反対側にある背面３２とを有している。さらに、圧電素子２３の前面３１には前面側電極（図示略）が形成され、圧電素子２３の背面３２には背面側電極（図示略）が形成されている。なお、本実施形態では、圧電素子２３の前面３１の全体が、前面側電極及び接着層（図示略）を介して基材２２に接合されている。そして、基材２２に接合される前面３１が、圧電素子２３が径方向に振動したときに超音波Ｗ１を照射（送信）するための音響放射面として機能する。

図３，図４，図６に示されるように、圧電素子２３は、同圧電素子２３の厚さ方向に沿って延びるように分割された複数の柱状の振動部３３により構成されている。各振動部３３は、圧電素子２３の背面３２（主面）側に縦横に延びる切り込みＫ１を複数形成することにより構成される。なお、各振動部３３は、圧電素子２３の前面３１の端部において互いに繋がっている。

図３，図４に示されるように、圧電素子２３の背面３２全体には、背面側電極を介して銅箔３４が貼付されている。本実施形態の銅箔３４は、従来周知の導電性フィラーを含み、接着剤（図示略）を介して背面３２に接着されている。なお、銅箔３４の貼付により、銅箔３４は、各振動部３３の先端面の共通電極となる。

そして、図３に示されるように、前面側電極には第１の配線４１が接続され、銅箔３４には第２の配線４２が接続されている。第１の配線４１は、前面側電極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の配線４２は、銅箔３４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の配線４１及び第２の配線４２は、はんだ付けによりケーブル４０に接続され、ケーブル４０は、ケース５０の上部に設けられた配線挿通孔６４を通ってケース５０外に引き出される。

図３，図４に示されるように、圧電素子２３の背面３２側には、シート状の防音材４３（バッキング材）が貼付されている。防音材４３は、残響を抑えるためのものである。なお、防音材４３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。

図１～図５に示されるように、上ケース６１は、下端６１ａにて開口し、上端に行くに従って外径が徐々に小さくなる形状をなしている。上ケース６１は、ＡＢＳ樹脂（アクリロニトリルブタジエンスチレン樹脂）やＰＣ樹脂（ポリカーボネート樹脂）などの、弾性を殆ど有しないために変形しにくい樹脂材料を用いて形成されている。即ち、上ケース６１は、下ケース５１を構成する材料（クロロプレンゴムなど）よりも硬い材料からなっている。さらに、上ケース６１の上端部には貫通孔６２が設けられ、貫通孔６２には、クロロプレンゴムやネオプレンゴムなどからなるブッシング６３が嵌合されている。ブッシング６３は、上記した配線挿通孔６４を中心に有する円環状をなしており、配線挿通孔６４を挿通するケーブル４０を固定する機能を有している。

図３，図５に示されるように、上ケース６１の内周面６５には、４つの位置決め凸部６６が設けられている。各位置決め凸部６６は、上ケース６１の下端部（開口部）に配置され、上ケース６１の中心軸Ｏ４を基準として等角度間隔（９０°間隔）で配置されている。また、各位置決め凸部６６は、板状をなしており、中心軸Ｏ４に向かって突出している。さらに、図３に示されるように、各位置決め凸部６６は、上ケース６１の周方向から見たときに略三角形状をなしている。各位置決め凸部６６の内端縁６６ａは、中心軸Ｏ４と平行に配置されている。また、各位置決め凸部６６の下端縁６６ｂは、上ケース６１の下端６１ａと同じ高さに位置している。

図３～図５，図７，図８に示されるように、上ケース６１の開口部には錘８１が収容されている。錘８１は、下ケース５１内の底部５４に配置された超音波振動子２１の上側に、防音材４３を介して配置されている。錘８１は、ケース５０を水中に沈める機能と、ケーブル４０でケース５０を吊り下げた際にケース５０が傾かないように重心を調整する機能とを有している。また、錘８１は、亜鉛や鉛などの比重が大きい材料からなり、ケーブル４０を挿通させるケーブル挿通孔８２を中心に有する扁平な略円錐台状をなしている。即ち、錘８１の高さは、錘８１の最大径（外径）の半分以下となっている。なお、錘８１（ケーブル挿通孔８２）の中心軸Ｏ５と圧電素子２３の中心軸Ｏ１とのズレ量は、圧電素子２３の外径寸法の２％以下（本実施形態では０％）の大きさである。また、錘８１の外周面８３の大部分（下端部を除く部分）は、傾斜面となっている。錘８１の中心軸Ｏ５に対する傾斜面の傾斜角度は、上ケース５１の中心軸Ｏ４に対する上ケース５１の内周面６５の傾斜角度とほぼ等しくなっている。また、錘８１の厚さは、錘８１の外径（最大径）よりも小さくなっている。

図３～図５，図７，図８に示されるように、錘８１の外周面８３には、４つの位置決め凹部８４が形成されている。各位置決め凹部８４は、錘８１の下端部に配置され、錘８１の中心軸Ｏ５を基準として等角度間隔（９０°間隔）で配置されている。また、各位置決め凹部８４は、錘８１の厚さ方向に延びており、錘８１の外周面８３及び底面８５にて開口している。なお、各位置決め凹部８４は、開口部にアールを有している。そして、各位置決め凹部８４の中央部には、上ケース６１側の位置決め凸部６６がそれぞれ係合している。このとき、位置決め凹部８４の底面には、位置決め凸部６６の内端縁６６ａが当接している。なお、超音波送受波器１０の完成状態における、位置決め凹部８４と位置決め凸部６６との隙間は、圧電素子２３の外径寸法の２％以下（本実施形態では０．５％）となっている。

図３，図４，図７，図８に示されるように、錘８１の底面８５には、ケーブル４０が有する第１の配線４１及び第２の配線４２を配置可能な凹部８６が４箇所に形成されている。各凹部８６の幅は、配線４１，４２の外径よりも大きくなっており、各凹部８６の深さも、配線４１，４２の外径よりも大きくなっている。また、各凹部８６は、互いに同じ長さを有しており、錘８１の中心Ｃ１から外周側に向かって放射状に延びている。各凹部８６は、錘８１の中心Ｃ１を基準として等角度間隔（９０°間隔）で配置されている。なお、本実施形態の錘８１は、回転対称性を有している。そして、各凹部８６の基端部はケーブル挿通孔８２に連通しており、各凹部８６の先端部は位置決め凹部８４に連通している。

そして、図３に示されるケース５０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（２液硬化タイプのエポキシ系接着剤や、ゴム系接着剤等）などからなる充填剤Ａ１が充填されている。充填剤Ａ１は、ケース５０内の上部領域に空洞部Ａ２を残すようにして充填されている。なお、上記した錘８１の厚さは、空洞部Ａ２の高さよりも小さくなっている。また、充填剤Ａ１の上端面Ａ３は、上ケース６１の下端６１ａよりも上方、具体的には、錘８１の上面８７と同じ高さに位置している。換言すると、充填剤Ａ１の上端面Ａ３は、超音波振動子２１の上面２１ａ（具体的には、圧電素子２３の背面３２）から上ケース６１の内壁の頂部６７（上端部）の内面までの高さの半分以下の高さに位置している。なお、充填剤Ａ１の一部は、圧電素子２３の外表面を覆うとともに、圧電素子２３において隣接する振動部３３間の空隙（切り込みＫ１）に充填されている。また、充填剤Ａ１の一部は、ケーブル４０が挿通された錘８１のケーブル挿通孔８２内や、配線４１，４２が配置された錘８１の凹部８６内に充填されている。さらに、充填剤Ａ１の一部は、錘８１の位置決め凹部８４と上ケース６１の位置決め凸部６６との隙間にも充填されている。

次に、超音波送受波器１０の電気的構成について説明する。

図９に示されるように、超音波送受波器１０の液晶モニター（図示略）は、機器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、送受信回路７４を介して超音波振動子２１に電気的に接続されている。送受信回路７４は、超音波振動子２１に対して発振信号を出力して、超音波振動子２１を駆動させるようになっている。その結果、超音波振動子２１は、超音波を水中に向けて照射（送信）する。また、送受信回路７４には、超音波振動子２１で受信した超音波（反射波）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、液晶モニターの操作部７５及び表示部７６に対してそれぞれ電気的に接続されている。

そして、図９に示されるＣＰＵ７１は、送受信回路７４に対して超音波振動子２１から超音波を照射させる制御を行う。また、ＣＰＵ７１は、超音波振動子２１が反射波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７４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７６に表示させる制御を行う。

次に、超音波送受波器１０の使用方法を説明する。

本実施形態の超音波送受波器１０は、ワカサギ釣りなどのアイスフィッシングで用いられる。アイスフィッシングでは、超音波振動子２１が収容されたケース５０を、ケーブル４０で吊り下げて水中に浸漬する。そして、超音波振動子２１による超音波の送受信により、魚群探知を行う。具体的には、まず、超音波送受波器１０及び液晶モニターの電源（図示略）をオンする。なお、液晶モニターは、例えば作業者に把持された状態で使用される。次に、制御装置７０のＣＰＵ７１は、送受信回路７４からケーブル４０を介して超音波振動子２１に発振信号を出力させる制御を行い、超音波振動子２１を駆動させる。このとき、圧電素子２３の振動部３３は、厚さ方向への伸縮と伸長とを繰り返す。その結果、圧電素子２３が振動し、超音波振動子２１から水中に対して超音波が照射（送信）される。そして、超音波が魚群や湖底に到達すると、超音波は、魚群や湖底で反射して反射波となり、超音波送受波器１０に向かって伝搬して超音波振動子２１に入力（受信）される。その後、超音波振動子２１が受信した超音波（反射波）は、受信信号に変換され、ケーブル４０及び送受信回路７４を介してＣＰＵ７１に入力される。ＣＰＵ７１は、この一連の送受信によって得られた受信信号の振幅と時間（タイミング）の情報とを画像化して表示部７６に表示させる。

次に、超音波送受波器１０の製造方法を説明する。

まず、基材２２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形状に切削加工する。また、圧電素子２３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、セラミックス製板状物の前面３１に前面側電極を形成するとともに、セラミックス製板状物の背面３２に背面側電極を形成する。具体的には、セラミックス製板状物の前面３１及び背面３２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、前面側電極及び背面側電極を形成する。そして、前面側電極及び背面側電極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。

次に、基材２２の片面に対して、セラミックス製板状物を前面側電極を介して接合する。具体的には、前面側電極の表面及び基材２２の表面のいずれか一方に対して、接着層となる接着剤（エポキシ系接着剤など）を塗布し、基材２２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、はんだ等を用いたロウ付けを行ってもよい。

次に、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３２側に複数の切り込み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３３に分割されるとともに、セラミックス製板状物の背面３２に形成された背面側電極も複数（振動部３３と同数）に分割される。この時点で、圧電素子２３が完成する。なお、各振動部３３は、圧電素子２３の前面３１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３１に形成された前面側電極までが分割されることはない。その後、圧電素子２３の背面３２全体に銅箔３４を貼付し、銅箔３４を、各振動部３３の先端面の共通電極とする。この時点で、超音波振動子２１が完成する。

なお、超音波振動子２１が完成した後、前面側電極に対して側面端子（図示略）を介して第１の配線４１をはんだ付けなどにより接続するとともに、銅箔３４に対して第２の配線４２をはんだ付けなどにより接続する。次に、圧電素子２３の背面３２側に、残響を抑えるための防音材４３を貼付する。さらに、第１の配線４１とケーブル４０とをはんだ付けにより接続するとともに、第２の配線４２とケーブル４０とをはんだ付けにより接続した後、それぞれの接続部分に収縮チューブを被せて絶縁処理を行う。

その後、超音波振動子２１を下ケース５１に収容する。なお、下ケース５１の内壁は、底部５４に行くに従って内径が徐々に小さくなる形状をなすため、超音波振動子２１は、内壁との当接により、水平な状態を保持しつつ、下ケース５１の中心位置に案内される。そして、下ケース５１の中心軸Ｏ３と基材２２の中心軸Ｏ２とのズレ量が下ケース５１の外径寸法の２％以下の大きさとなるように、超音波振動子２１を配置した状態で、超音波振動子２１を下ケース５１に接着する。具体的には、下ケース５１の内面５４ａ及び基材２２の裏面のいずれか一方に対して、接着剤（エポキシ系接着剤など）を塗布し、下ケース５１に対して超音波振動子２１を接着固定する。

さらに、ケース５０内に充填剤Ａ１を充填する。具体的には、まず、上ケース６１の貫通孔６２にブッシング６３を嵌合させる。次に、ケーブル４０を、錘８１のケーブル挿通孔８２に挿通する。なお、凹部８６の基端部はケーブル挿通孔８２に連通し、凹部８６の先端部は位置決め凹部８４に連通しているため、ケーブル４０を、錘８１の側方から凹部８６を介してケーブル挿通孔８２に挿入することができる。その後、配線４１，４２を錘８１の凹部８６内に配置し、テープ（図示略）等を用いて配線４１，４２を固定する。次に、上ケース６１を逆さまにした状態で、ケーブル４０をブッシング６３の配線挿通孔６４に挿通させた後、上ケース６１の開口部に錘８１を収容する。このとき、錘８１の外周面８３が上ケース６１の内周面６５に当接することにより、上ケース６１内における錘８１の下方には空間が生じる。なお、ケーブル４０の抜け防止のため、ケーブル４０における錘８１とブッシング６３との間の位置に、結び目を設けてもよいし、結束バンドを締結してもよい。

次に、ケーブル挿通孔８２から上ケース６１内に対して液状の充填剤Ａ１を流し込む。さらに、下ケース５１を逆さまにした状態で、下ケース５１を上ケース６１に被せて嵌合し、ケース５０を形成する。なお、補強のために、上ケース６１と下ケース５１との接触部に予め接着剤（図示略）を塗布しておいてもよい。そして、上ケース６１内に充填した充填剤Ａ１が硬化する前に、ケース５０の上下を反転させ、下ケース５１の底面５２を下方に向けた状態で、ケース５０を水平な平坦面（図示略）に載置する。その結果、上ケース６１内の充填剤Ａ１が、ケーブル挿通孔８２を通過して下ケース５１側に流れ込み、これに伴って、上ケース６１の上部領域に空洞部Ａ２が生じる。さらに、充填剤Ａ１は、錘８１の上面８７から下ケース５１の内面５４ａ（底面）まで行き渡るため、上ケース６１と下ケース５１との接合部分が充填剤Ａ１に覆われ、ケース５０の密封状態が確保される。また、充填剤Ａ１の一部は、圧電素子２３において隣接する振動部３３間の空隙（切り込みＫ１）に充填される。そして、錘８１は、ケース５０とケーブル４０とに案内されながら下ケース５１側に移動（落下）し、防音材４３上に載置される。このとき、錘８１の中心軸Ｏ５と圧電素子２３の中心軸Ｏ１とのズレ量は、圧電素子２３の外径寸法の２％以下の大きさとなる。

その後、ケース５０を静置し、充填剤Ａ１を硬化させる。また、充填剤Ａ１の種類に応じて加熱処理を行い、充填剤Ａ１を硬化させる。この時点で、超音波送受波器１０が完成する。

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送受波器１０では、ケース５０内にある超音波振動子２１の上側に錘８１を配置することにより、超音波送受波器１０が適度に重くなるため、ケーブル４０で吊り下げた際に揺れにくくなり、超音波送受波器１０の水中での姿勢が安定する。しかも、ケース５０内の全体に充填剤Ａ１を充填するのではなく、ケース５０内の上部領域に空洞部Ａ２を残すようにして充填剤Ａ１を充填することにより、超音波送受波器１０の重心を下げることができるため、超音波送受波器１０の水中での姿勢がよりいっそう安定する。その結果、超音波振動子２１の音響放射面（具体的には、圧電素子２３の前面３１）が水平になるため、超音波を鉛直下向きに送信することができ、超音波送受波器１０の探知精度が向上する。

（２）本実施形態では、錘８１の高さが錘８１の最大径の半分以下であるため、錘８１は、かなり扁平な形状となる。その結果、ケース５０内において錘８１の上方に生じる空間が大きくなり、錘８１が軽量化されるため、超音波送受波器１０の重心を下げやすくなる。

（３）本実施形態では、錘８１の中心Ｃ１から凹部８６が放射状に延びており、各凹部８６は、錘８１の中心Ｃ１を基準として等角度間隔で配置されている。つまり、本実施形態の錘８１は回転対称性を有しているため、錘８１の重心は錘８１の中心Ｃ１に一致する。その結果、錘８１が傾きにくくなるため、超音波送受波器１０の水中での姿勢をより確実に安定させることができる。

（４）また、本実施形態では、偶数個（４個）の凹部８６が錘８１に形成され、各凹部８６は中心Ｃ１を基準として等角度間隔で配置されているため、全ての凹部８６において、所定の凹部８６ａと、中心Ｃ１を介して凹部８６ａの反対側にある凹部８６ｂとが一直線に延びるように配置される（図８参照）。この場合、凹部８６の配置が回転対称となることから、錘８１の重心が中心軸Ｏ５上となるため、超音波送受波器１０の水中での姿勢をより確実に安定させることができる。

（５）本実施形態では、圧電素子２３の中心軸Ｏ１と基材２２の中心軸Ｏ２とのズレ量が０％であり、中心軸Ｏ１と錘８１の中心軸Ｏ５とのズレ量が０％であり、中心軸Ｏ２と下ケース５１の中心軸Ｏ３とのズレ量が０％である。即ち、各中心軸Ｏ１～Ｏ３，Ｏ５のズレ量が小さく抑えられるため、超音波送受波器１０の重心を確実に位置合わせすることができる。

（６）本実施形態では、圧電素子２３に形成された複数の切り込みＫ１に充填剤Ａ１が充填されることにより、圧電素子２３において切り込みＫ１を介して配設された複数の振動部３３が相互に補強されるため、振動部３３でのクラックの発生を防止することができる。その結果、超音波振動子２１の信頼性が向上する。

なお、上記実施形態を以下のように変更してもよい。

・上記実施形態では、錘８１の底面８５に、中心Ｃ１から外周側に延びる４本の凹部８６が形成されていた。しかし、凹部８６は、５本以上であってもよいし、３本以下であってもよい（図１０では２本）。また、凹部８６は、中心Ｃ１から外周側に延びるものでなくてもよい。例えば、錘８１の中心Ｃ１と錘８１の外周部との間に配置された、平面視円形状、平面矩形状などの凹部であってもよい。

・上記実施形態では、錘８１の外周面８３に４つの位置決め凹部８４が形成され、上ケース６１の内周面６５に４つの位置決め凸部６６が設けられていた。しかし、位置決め凹部８４及び位置決め凸部６６は、５つ以上であってもよいし、３つ以下であってもよい。また、位置決め凹部８４及び位置決め凸部６６は、ともに設けられていなくてもよい。

・上記実施形態では、ケーブル挿通孔８２を中央に有する略円錐台状の錘８１が用いられていたが、他の形状をなす錘を用いてもよい。例えば、図１１（ａ）に示されるように、底面１０１に行くに従って内径が徐々に大きくなるケーブル挿通孔１０２を有する錘１０３を用いてもよい。このようにすれば、上ケース６１に下ケース５１を嵌合する際に、ケーブル４０の余剰部分を、ケーブル挿通孔１０２の底面１０１側の開口空間内に収容することができる。また、図１１（ｂ）に示されるように、ケーブル挿通孔１０４を中心に有する略円板状の錘１０５を用いてもよい。さらに、互いに分割された複数の錘部１０６からなる錘１０７（図１１（ｃ）参照）を用いてもよい。また、ケース５０内の上部領域に空間を残すようにして粒状の錘（鉛玉）を収容してもよい。

・上記実施形態では、錘８１を収容した上ケース６１を逆さまにした状態で、ケーブル挿通孔８２から上ケース６１内に対して液状の充填剤Ａ１を流し込んでいたが、充填剤Ａ１を流し込む時間を短縮するために、上ケース６１と錘との間に、上ケース６１内の空気を逃がすための隙間を設けるようにしてもよい。例えば、図１３に示されるように、錘１１１の外周面１１２（傾斜面）に、錘１１１の底面側と上面１１３側とを連通させる複数（ここでは４つ）の溝部１１４を形成し、各溝部１１４を介して上ケース６１内の空気を逃がすようにしてもよい。また、図１４に示されるように、錘１１５の外周面１１６に複数（ここでは４つ）の突起１１７を設け、錘１１５を上ケース６１に収容した際に、各突起１１７の先端面を上ケース６１の内周面６５に当接させることにより、上ケース６１と錘１１５との間に空気を逃がすための隙間を生じさせるようにしてもよい。さらに、図１５に示されるように、上ケース６１の内周面６５において各位置決め凸部６６の上方位置に複数の突起６８を設け、錘８１を上ケース６１に収容した際に、各突起６８の先端面を錘８１の外周面８３に当接させることにより、上ケース６１と錘８１との間に空気を逃がすための隙間を生じさせるようにしてもよい。あるいは、上ケース６１の内周面６５と錘８１の外周面８３との間に、空気を逃がすための隙間を生じさせる部材（スペーサ）を挟み込むようにしてもよい。

・上記実施形態のケース５０は、上ケース６１と下ケース５１とを接合することにより構成されたものであったが、ケースは一体形成されたものであってもよい。

・上記実施形態では、上ケース６１の下端部を下ケース５１の上端側開口から下ケース５１の内部に嵌入させることにより、上ケース６１と下ケース５１とを接合していたが、他の方法によって両者を接合するようにしてもよい。例えば、ケース５０内に充填した充填剤Ａ１を硬化させることにより、上ケース６１と下ケース５１とを接合してもよい。また、上ケース６１（または下ケース５１）に設けたネジ挿通孔にネジを挿通し、挿通したネジの先端部を下ケース５１（または上ケース６１）に螺着させることにより、上ケース６１と下ケース５１とを接合してもよい。さらに、接着剤を用いて上ケース６１と下ケース５１とを接合してもよい。

・上記実施形態において、充填剤Ａ１の充填によってケース５０内の上部領域に残された空洞部Ａ２に、発泡スチロール、エアキャップ、スチロールビーズなどのような、充填剤Ａ１よりも比重の小さい材料からなる浮力材を充填してもよい。このようにすれば、超音波送受波器１０に浮力を持たせることができるとともに、超音波送受波器１０の水中での姿勢を安定させることができる。

・上記実施形態の超音波振動子２１では、圧電素子２３の外表面が充填剤Ａ１に覆われるとともに、圧電素子２３に形成された複数の切り込みＫ１に充填剤Ａ１が充填されていた。しかし、各切り込みＫ１は空隙となっていてもよい。この場合、切り込みＫ１内に充填剤Ａ１が充填されないため、切り込みＫ１を介して配設された複数の振動部３３の厚さ方向への変形が充填剤Ａ１に妨げられなくて済む。その結果、充填剤Ａ１の充填に起因する超音波振動子２１の感度低下を防止することができる。なお、各切り込みＫ１を空隙にする方法としては、圧電素子２３の外周面にテープ（図示略）やスポンジ（図示略）を巻き付けたり、各切り込みＫ１の両端を充填樹脂等で埋めたりすることにより、各切り込みＫ１への充填剤Ａ１の侵入を防止することなどが挙げられる。

・上記実施形態の超音波振動子２１は、縦横に延びる切り込みＫ１を形成することにより、複数の柱状の振動部３３に分割された構造の圧電素子２３を備えていた。しかし、図１２に示されるように、超音波振動子２１は、一方向に延びる切り込みＫ２を形成することにより、複数の帯状の振動部９１に分割された構造の圧電素子９０を備えていてもよい。このようにすれば、縦横に延びる切り込みＫ１を形成して柱状の振動部３３を得る場合に比べて、振動部９１の形成に必要な切り込みＫ２の形成回数が半分になり、切り込みＫ２の形成が容易になる。よって、超音波振動子２１の製造コストを低減することができる。また、振動部９１が帯状をなすため、柱状の振動部３３に比べて、振動部９１が平面方向に長くなる。その結果、振動部９１の強度が高くなるため、超音波振動子２１の信頼性が向上する。さらに、超音波振動子２１は、切り込みＫ１を有しない円板状の圧電素子を備えていてもよいし、円環状や矩形状の圧電素子を備えていてもよい。また、ゴム素材に圧電セラミックス粒子を混合してなる０－３コンポジット構造の圧電素子や、多孔質の圧電セラミックスからなる圧電素子（ポーラス素子）などを用いてもよい。

・上記実施形態では、圧電素子２３と下ケース５１との間に音響整合層として機能する基材２２が挟み込まれていたが、下ケース５１も音響整合層として機能するため、基材２２は省略されていてもよい。また、基材２２は、１種類の素材からなるものに限定される訳ではなく、複数種類の素材を積層してなる多層整合層などであってもよい。

・上記実施形態では、音響整合層として機能する基材２２を、圧電素子２３及び下ケース５１に接着していた。しかし、基材２２を省略し、下ケース５１と圧電素子２３との間が一定の距離となる空隙が生じるようにスペーサを配置し、空隙に充填材を流し込んで硬化することにより、音響整合層を形成してもよい。

・上記実施形態では、下ケース５１の側壁５５の外周面５３に溝部５７が形成されていたが、溝部５７は設けられていなくてもよい。

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１乃至１２のいずれか１項において、前記錘の厚さが、前記錘の外径よりも小さく、前記空洞部の高さよりも小さいことを特徴とする超音波送受波器。

（２）請求項１１または１２において、前記超音波振動子は、音響整合層としても機能する基材と、前記基材に対して接合された前記圧電素子とを備え、前記圧電素子の中心軸と前記基材の中心軸とのズレ量が前記基材の外径寸法の２％以下の大きさであることを特徴とする超音波送受波器。

（３）請求項１１または１２において、前記超音波振動子は、音響整合層としても機能する基材と、前記基材に対して接合された前記圧電素子とを備え、前記ケースは、下端にて開口する上ケースと、上端にて開口する下ケースとからなり、前記下ケースの中心軸と前記基材の中心軸とのズレ量が前記下ケースの外径寸法の２％以下の大きさであることを特徴とする超音波送受波器。

（４）請求項１１または１２において、前記錘の中心軸と前記圧電素子の中心軸とのズレ量が前記圧電素子の外径寸法の２％以下の大きさであることを特徴とする超音波送受波器。

（５）請求項１乃至１２のいずれか１項において、前記錘は、前記ケーブルを挿通させるケーブル挿通孔を中心に有し、前記ケーブルが有する配線を配置可能な凹部を底面に有し、前記凹部が前記ケーブル挿通孔に連通していることを特徴とする超音波送受波器。

１０…超音波送受波器
２１…超音波振動子
２１ａ…超音波振動子の上面
２３，９０…圧電素子
３２…圧電素子の主面としての背面
４０…ケーブル
４１…配線としての第１の配線
４２…配線としての第２の配線
５０…ケース
５１…下ケース
５４…下ケースの底部
５５…下ケースの側壁
５８…下ケースの内壁
６１…上ケース
６１ａ…上ケースの下端
６５…上ケースの内周面
６６…位置決め凸部
６７…上ケースの内壁の頂部
８１，１０３，１０５，１０７，１１１，１１５…錘
８２，１０２，１０４…ケーブル挿通孔
８３，１１２，１１６…錘の外周面
８４…位置決め凹部
８５，１０１…錘の底面
８６，８６ａ，８６ｂ…凹部
Ａ１…充填剤
Ａ２…空洞部
Ａ３…充填剤の上端面
Ｃ１…錘の中心
Ｋ１，Ｋ２…切り込み

Claims (12)

1. 超音波を送受信する超音波振動子と、前記超音波振動子を収容する釣鐘状のケースと、前記ケースを吊り下げるためのケーブルとを備えた魚群探知機用の超音波送受波器であって、
   前記ケース内の底部に配置された前記超音波振動子の上側に錘が配置され、
   前記錘の上面よりも上方の空間を前記ケース内の上部領域と定義し、前記錘の上面よりも下方の空間を前記ケース内の下部領域と定義したときに、前記下部領域には充填剤が充填されている一方、前記上部領域には前記充填剤が充填されていない空洞部が存在している
   ことを特徴とする超音波送受波器。
2. 前記錘は、前記ケーブルを挿通させるケーブル挿通孔を中心に有する略円錐台状をなしていることを特徴とする請求項１に記載の超音波送受波器。
3. 前記ケーブルが挿通された前記ケーブル挿通孔内に、前記充填剤が充填されていることを特徴とする請求項２に記載の超音波送受波器。
4. 前記錘の底面に、前記ケーブルが有する配線を配置可能な凹部が形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の超音波送受波器。
5. 前記凹部は、前記錘の中心から放射状に複数延びていることを特徴とする請求項４に記載の超音波送受波器。
6. 前記凹部内に前記配線が配置され、前記配線が配置された前記凹部内に、前記充填剤が充填されていることを特徴とする請求項４または５に記載の超音波送受波器。
7. 前記ケースは、下端にて開口し、上端に行くに従って外径が徐々に小さくなる上ケースと、上端にて開口し、底部及び側壁を一体形成することによって断面凹状に構成される下ケースとからなり、
   前記下ケースに前記超音波振動子が収容され、前記上ケースの開口部に前記錘が収容され、
   前記充填剤の上端面が、前記上ケースの下端よりも上方に位置している
   ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の超音波送受波器。
8. 前記充填剤の上端面が、前記超音波振動子の上面から前記上ケースの内壁の頂部までの高さの半分以下の高さに位置していることを特徴とする請求項７に記載の超音波送受波器。
9. 前記錘の外周面に、前記錘の厚さ方向に延びる位置決め凹部が形成され、
   前記上ケースの内周面に、前記位置決め凹部に係合する位置決め凸部が設けられ、
   前記位置決め凹部と前記位置決め凸部との隙間に、前記充填剤が充填されている
   ことを特徴とする請求項７または８に記載の超音波送受波器。
10. 前記下ケースの内壁は、前記底部に行くに従って内径が徐々に小さくなる形状をなし、
    前記内壁との当接により前記超音波振動子が前記下ケースの中心位置に案内された状態で、前記底部に前記超音波振動子が配設されている
    ことを特徴とする請求項７乃至９のいずれか１項に記載の超音波送受波器。
11. 前記超音波振動子は、主面側に複数の切り込みが形成された圧電素子を備え、
    前記圧電素子の外表面が前記充填剤に覆われるとともに、前記複数の切り込みに前記充填剤が充填されている
    ことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の超音波送受波器。
12. 前記超音波振動子は、主面側に複数の切り込みが形成された圧電素子を備え、
    前記圧電素子の外表面が前記充填剤に覆われる一方、前記複数の切り込みが空隙となっている
    ことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の超音波送受波器。

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