JP7261429B2 - Sonar, ultrasonic transducer and manufacturing method thereof - Google Patents

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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及びその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a sonar for detecting objects such as schools of fish using ultrasonic waves, an ultrasonic transducer suitable for the sonar, and a method for manufacturing the same.

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。 Conventionally, there is known a sonar that detects an object to be detected such as a school of fish by transmitting and receiving ultrasonic waves (see, for example, Patent Document 1). The sonar has an ultrasonic transducer that transmits and receives ultrasonic waves, and a mechanism that tilts and rotates the central axis of the ultrasonic transducer. , is designed to detect underwater. Then, the result of underwater detection is displayed on the screen as a detected image. An ultrasonic transducer generally includes a disk-shaped piezoelectric element and an acoustic matching layer bonded to the irradiation surface of the piezoelectric element.

ところで、ソナーにおいて、より遠い距離の被探知物を探知したいという需要がある。このためには、超音波振動子を高感度にすることが必要である。また、超音波振動子を高電圧で駆動することにより、送波音圧を高める必要もある。なお、超音波振動子を高感度にする手法としては、図21,図22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、分割された複数の柱部103により構成し、かつ隣接する柱部103間に樹脂材料104を充填したコンポジット構造にすることが提案されている(例えば、特許文献2~4参照)。このようにすれば、振動部である各柱部103のそれぞれが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。つまり、圧電素子102が振動しやすくなるため、超音波振動子101の感度が高くなる。 By the way, in sonar, there is a demand for detecting objects at longer distances. For this purpose, it is necessary to make the ultrasonic transducer highly sensitive. In addition, it is necessary to increase the sound pressure of transmitted waves by driving the ultrasonic transducer with a high voltage. As a method for increasing the sensitivity of the ultrasonic transducer, as shown in FIGS. , and a composite structure in which a resin material 104 is filled between adjacent pillars 103 (see Patent Documents 2 to 4, for example). In this way, each column portion 103, which is a vibrating portion, is easily deformed, so that the piezoelectric element 102 is easily deformed at each site. That is, since the piezoelectric element 102 is easily vibrated, the sensitivity of the ultrasonic transducer 101 is increased.

特許第5979537号公報(請求項1、図4等)Japanese Patent No. 5979537 (claim 1, FIG. 4, etc.) 特開2002-22718号公報(図1等)Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-22718 (Fig. 1, etc.) 特開2018-113279号公報(図1,図4等)Japanese Patent Application Laid-Open No. 2018-113279 (Fig. 1, Fig. 4, etc.) WO2011/083611号公報(図3等)WO2011/083611 (Fig. 3, etc.)

ところで、超音波振動子101から超音波を送受信するためには、圧電素子102の両面側に電極105を形成し、両電極105間に電圧を印加することが必要である。ところが、特許文献2~4のようなコンポジット構造の超音波振動子101を用いたとしても、水深500m以上といった距離にいる魚群からの反射を捉えるためには、超音波振動子101を1.5kV程度の高電圧で駆動する必要がある。しかし、特許文献2~4のような従来の構造では、超音波振動子101を1.5kVで長期間に亘って連続駆動させると、電極105が損傷して圧電素子102から剥離してしまい、感度が低下してしまうという問題がある。 By the way, in order to transmit and receive ultrasonic waves from the ultrasonic transducer 101, it is necessary to form electrodes 105 on both sides of the piezoelectric element 102 and apply a voltage between the electrodes 105. FIG. However, even if the ultrasonic transducer 101 having a composite structure as in Patent Documents 2 to 4 is used, the ultrasonic transducer 101 must be applied at 1.5 kV in order to capture the reflection from a school of fish at a depth of 500 m or more. It is necessary to drive at a high voltage. However, in conventional structures such as those disclosed in Patent Documents 2 to 4, when the ultrasonic transducer 101 is continuously driven at 1.5 kV for a long period of time, the electrode 105 is damaged and separated from the piezoelectric element 102. There is a problem that the sensitivity is lowered.

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、圧電素子と電極部分との接合強度を高めることにより、感度低下を防止することができるソナー及び超音波振動子を提供することにある。また、別の目的は、作りやすく、歩留まりが高い超音波振動子の製造方法を提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a sonar and an ultrasonic transducer that can prevent a decrease in sensitivity by increasing the bonding strength between a piezoelectric element and an electrode portion. That's what it is. Another object of the present invention is to provide a method of manufacturing an ultrasonic transducer that is easy to manufacture and has a high yield.

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、分割された複数の振動部により構成され、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圧電素子とを備え、前記圧電素子の前記背面上に、導電メッシュが前記背面の全域に亘って配置されるとともに、前記導電メッシュは、縦横のワイヤが編み込まれることにより網目を構成するとともに、厚さ方向に起伏した形状を有し、前記縦横のワイヤ同士の交差部と振動部の端面とが接触した状態で、前記導電メッシュが接合材を介して前記圧電素子に接合されていることを特徴とするソナーをその要旨とする。 In order to solve the above problems, the invention according to claim 1 is a sonar having an ultrasonic transducer that transmits and receives ultrasonic waves and a mechanism that tilts and rotates the central axis of the ultrasonic transducer, The ultrasonic transducer is composed of a base material that also serves as an acoustic matching layer and a plurality of divided vibrating parts, and is made of a ceramic plate having a front surface joined to the base material and a back surface on the opposite side. a piezoelectric element having a shape, wherein a conductive mesh is arranged on the back surface of the piezoelectric element over the entire back surface, and the conductive mesh forms a mesh by weaving vertical and horizontal wires. In addition, the conductive mesh has an undulating shape in the thickness direction, and the conductive mesh is bonded to the piezoelectric element via a bonding material in a state where the crossing portions of the vertical and horizontal wires are in contact with the end surface of the vibrating portion . The subject matter is a sonar characterized by:

従って、請求項1に記載の発明によると、電極部分である導電メッシュと圧電素子との間に接合材が介在するのに加えて、接合材が導電メッシュの孔部にも入り込むことにより、導電メッシュが圧電素子に接合される。その結果、圧電素子と導電メッシュとの接合強度が高くなるため、たとえ超音波振動子を長期間に亘って連続駆動させたとしても、圧電素子から導電メッシュが剥離しにくくなる。よって、超音波振動子の感度低下を防止することができる。 Therefore, according to the first aspect of the invention, in addition to interposing the bonding material between the conductive mesh, which is the electrode portion, and the piezoelectric element, the bonding material enters the holes of the conductive mesh, thereby A mesh is bonded to the piezoelectric element. As a result, the bonding strength between the piezoelectric element and the conductive mesh is increased, so that the conductive mesh is less likely to separate from the piezoelectric element even if the ultrasonic transducer is continuously driven for a long period of time. Therefore, it is possible to prevent a decrease in sensitivity of the ultrasonic transducer.

なお、接合材としては、接合力が比較的強固なエポキシ系接着剤等の接着剤を用いることができる。なお、接着剤を用いる代わりに、はんだ等のロウ材を用いてもよい。 As the bonding material, an adhesive such as an epoxy adhesive having a relatively strong bonding force can be used. A brazing material such as solder may be used instead of the adhesive.

請求項2に記載の発明は、請求項1において、前記導電メッシュは、平織りの金網であることをその要旨とする。 The invention according to claim 2 is characterized in that, in claim 1, the conductive mesh is a plain-woven wire mesh.

従って、請求項2に記載の発明によると、導電メッシュの網目を構成する縦横のワイヤが編み込まれることにより、ワイヤが上下に起伏した形状となる。その結果、縦横のワイヤ同士の交差部と振動部の端面との接触圧が大きくなるため、導電メッシュを確実に電極として機能させることができる。また、導電メッシュには、細かい網目が密集しているため、網目の隙間に接合材が入り込みやすい。従って、圧電素子と導電メッシュとの接合強度がよりいっそう高くなる。なお、導電メッシュの形成材料としては、銅や銀などの電気抵抗が小さい金属線材を挙げることができる。 Therefore, according to the second aspect of the invention, the vertical and horizontal wires forming the mesh of the conductive mesh are woven into a shape in which the wires are undulated in the vertical direction. As a result, the contact pressure between the intersections of the vertical and horizontal wires and the end face of the vibrating portion increases, so that the conductive mesh can reliably function as an electrode. In addition, since fine meshes are densely packed in the conductive mesh, the bonding material is likely to enter the gaps of the meshes. Therefore, the bonding strength between the piezoelectric element and the conductive mesh is further increased. As a material for forming the conductive mesh, a metal wire having a low electric resistance such as copper or silver can be used.

請求項3に記載の発明は、請求項1または2において、前記接合材は、前記導電メッシュにおける前記網目の隙間及び前記複数の振動部間の空隙の双方に入り込んだ状態で固化することにより、前記導電メッシュを前記複数の振動部の端面に接合させていることをその要旨とする。 The invention according to claim 3 is characterized in that, in claim 1 or 2, the bonding material solidifies in a state in which it enters both the gaps between the meshes in the conductive mesh and the gaps between the plurality of vibrating parts, The gist is that the conductive mesh is joined to the end surfaces of the plurality of vibrating portions.

従って、請求項3に記載の発明によると、接合材が、導電メッシュにおける網目の隙間及び複数の振動部間の空隙の双方に入り込むことによって得られるアンカー効果により、圧電素子と導電メッシュとの接合強度がよりいっそう高くなる。その結果、圧電素子からの導電メッシュの剥離が確実に防止されるため、超音波振動子の信頼性が飛躍的に向上する。 Therefore, according to the third aspect of the invention, the bonding material joins the piezoelectric element and the conductive mesh by the anchor effect obtained by entering both the gaps in the mesh of the conductive mesh and the gaps between the plurality of vibrating parts. Strength is even higher. As a result, the separation of the conductive mesh from the piezoelectric element is reliably prevented, thereby dramatically improving the reliability of the ultrasonic transducer.

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、前記複数の振動部は、前記圧電素子の厚さ方向に沿って延びるように分割された複数の柱部であることをその要旨とする。 The invention according to claim 4 is the piezoelectric element according to any one of claims 1 to 3, wherein the plurality of vibrating portions are a plurality of pillars divided so as to extend along the thickness direction of the piezoelectric element. That is the gist of it.

従って、請求項4に記載の発明によると、複数の振動部が、圧電素子の厚さ方向に沿って延びるように分割された複数の柱部であるため、各柱部のそれぞれが高さ方向に変形しやすくなる。その結果、圧電素子が各部位において厚さ方向に変形しやすくなり、圧電素子が振動しやすくなるため、圧電素子の背面上に導電メッシュを配置したとしても、導電メッシュが剥離しやすくなる。そこで、導電メッシュを接合材を介して圧電素子の背面に接合することにより、導電メッシュの剥離を確実に防止することができる。なお、本明細書では、「柱部」を、振動部を圧電素子の厚さ方向から見たときの最大寸法が振動部の高さ以下となるものと定義する。 Therefore, according to the fourth aspect of the invention, since the plurality of vibrating portions are the plurality of pillars divided so as to extend along the thickness direction of the piezoelectric element, each of the pillars extends in the height direction. It becomes easy to transform into. As a result, the piezoelectric element is easily deformed in the thickness direction at each part, and the piezoelectric element is easily vibrated. Therefore, even if the conductive mesh is arranged on the back surface of the piezoelectric element, the conductive mesh is easily peeled off. Therefore, by bonding the conductive mesh to the back surface of the piezoelectric element via a bonding material, the peeling of the conductive mesh can be reliably prevented. In this specification, the term "columnar section" is defined as having a maximum dimension equal to or less than the height of the vibrating section when the vibrating section is viewed from the thickness direction of the piezoelectric element.

請求項5に記載の発明は、請求項1乃至4において、前記複数の振動部が、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いることをその要旨とする。 A fifth aspect of the invention is characterized in that, in the first to fourth aspects, the plurality of vibrating portions are connected to each other at the front end portion of the piezoelectric element.

従って、請求項5に記載の発明によると、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。従って、圧電素子の強度を確保することができる。 Therefore, according to the fifth aspect of the invention, even if the piezoelectric element is divided into a plurality of vibrating portions, the thickness of the portion where the vibrating portions are connected to each other at the front end of the piezoelectric element is ensured. . Therefore, the strength of the piezoelectric element can be secured.

請求項6に記載の発明は、請求項1乃至5において、前記導電メッシュの前記網目の寸法は、前記振動部を前記圧電素子の厚さ方向から見たときの最大寸法よりも細かいことをその要旨とする。 According to a sixth aspect of the present invention, in the first to fifth aspects, the size of the mesh of the conductive mesh is smaller than the maximum size of the vibrating portion when viewed from the thickness direction of the piezoelectric element. This is the gist.

従って、請求項6に記載の発明によると、導電メッシュの網目を構成するワイヤが、各振動部の端面の1つ1つに確実に接触する。つまり、個々の端面内に、接触点が複数存在することとなる。従って、導電メッシュを圧電素子に接合させることにより、導電メッシュが、確実に各振動部の端面の共通電極となる。 Therefore, according to the sixth aspect of the invention, the wires forming the meshes of the conductive mesh are reliably brought into contact with the end surfaces of the vibrating portions one by one. In other words, a plurality of contact points exist within each end surface. Therefore, by bonding the conductive mesh to the piezoelectric element, the conductive mesh reliably serves as a common electrode for the end surfaces of the vibrating portions.

ここで、振動部の端面の形状としては、平面視多角形状や平面視円形状などを挙げることができる。振動部が、例えば平面視四角形状や平面視六角形状に代表される平面視多角形状をなす場合、振動部を厚さ方向から見たときの最大寸法は、振動部の端面(背面)の対角線の長さとなる。また、振動部が平面視円形状をなす場合、振動部を厚さ方向から見たときの最大寸法は、振動部の端面の直径の大きさとなる。 Here, examples of the shape of the end face of the vibrating portion include a planar view polygonal shape, a planar view circular shape, and the like. For example, when the vibrating portion has a polygonal shape in plan view such as a rectangular shape or a hexagonal shape in plan view, the maximum dimension of the vibrating portion when viewed from the thickness direction is the diagonal line of the end surface (back surface) of the vibrating portion. is the length of Further, when the vibrating portion has a circular shape in a plan view, the maximum dimension when the vibrating portion is viewed from the thickness direction is the diameter of the end surface of the vibrating portion.

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、前記圧電素子の前記前面が前面側電極層を介して前記基材に接合され、前記前面側電極層は、均一な厚さのプレーン電極層であることをその要旨とする。 The invention according to claim 7 is the piezoelectric element according to any one of claims 1 to 6, wherein the front surface of the piezoelectric element is bonded to the base material via a front electrode layer, and the front electrode layer The gist of this is that it is a plain electrode layer with a sufficient thickness.

従って、請求項7に記載の発明によると、前面側電極層がプレーン電極層であるため、圧電素子と前面側電極層との接触面積が大きくなるとともに、前面側電極層と基材との接触面積が大きくなる。よって、圧電素子と基材との接合強度が向上する。 Therefore, according to the seventh aspect of the invention, since the front electrode layer is a plain electrode layer, the contact area between the piezoelectric element and the front electrode layer is increased, and the contact between the front electrode layer and the substrate is increased. area becomes larger. Therefore, the bonding strength between the piezoelectric element and the substrate is improved.

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。 In addition, the base material can be appropriately selected in consideration of specific acoustic impedance, frequency of ultrasonic waves, mechanical strength, and the like. Suitable materials for forming the base material include, for example, glass epoxy (FR-4), glass epoxy (CEM-3), polyphenyl sulfide (PPS), Duratron (registered trademark of the QUADRANT Group), Fluorosint (QUADRANT Group (registered trademark), porous bodies of alumina, and the like.

請求項8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、分割された複数の振動部により構成され、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圧電素子とを備え、前記圧電素子の前記背面上に、導電メッシュが前記背面の全域に亘って配置されるとともに、前記導電メッシュは、縦横のワイヤが編み込まれることにより網目を構成するとともに、厚さ方向に起伏した形状を有し、前記縦横のワイヤ同士の交差部と振動部の端面とが接触した状態で、前記導電メッシュが接合材を介して前記圧電素子に接合されていることを特徴とする超音波振動子をその要旨とする。 According to an eighth aspect of the present invention, there is provided an ultrasonic transducer for transmitting and receiving ultrasonic waves, comprising a base material that also serves as an acoustic matching layer, and a plurality of divided vibrating parts, which are joined to the base material. a piezoelectric element made of a ceramic plate having a front surface and a back surface on the opposite side, a conductive mesh is disposed on the back surface of the piezoelectric element over the entire back surface, and the The conductive mesh forms a mesh by weaving vertical and horizontal wires, and has an undulating shape in the thickness direction . 1. An ultrasonic transducer characterized in that said conductive mesh is bonded to said piezoelectric element via a bonding material.

従って、請求項8に記載の発明によると、電極部分である導電メッシュと圧電素子との間に接合材が介在するのに加えて、接合材が導電メッシュの孔部にも入り込むことにより、導電メッシュが圧電素子に接合される。その結果、圧電素子と導電メッシュとの接合強度が高くなるため、たとえ超音波振動子を長期間に亘って連続駆動させたとしても、圧電素子から導電メッシュが剥離しにくくなる。よって、超音波振動子の感度低下を防止することができる。 Therefore, according to the eighth aspect of the invention, in addition to interposing the bonding material between the conductive mesh, which is the electrode portion, and the piezoelectric element, the bonding material enters the holes of the conductive mesh, thereby A mesh is bonded to the piezoelectric element. As a result, the bonding strength between the piezoelectric element and the conductive mesh is increased, so that the conductive mesh is less likely to separate from the piezoelectric element even if the ultrasonic transducer is continuously driven for a long period of time. Therefore, it is possible to prevent a decrease in sensitivity of the ultrasonic transducer.

請求項9に記載の発明は、請求項8に記載の超音波振動子の製造方法であって、前記基材の片面に、前記圧電素子となるべきセラミックス製板状物を接合する接合工程と、前記接合工程後、前記セラミックス製板状物における前記背面側に複数の切り込みを形成することにより、前記前面側の端部において互いに繋がった状態で前記セラミックス製板状物を前記複数の振動部に分割する振動部形成工程と、前記振動部形成工程後、前記圧電素子の前記背面上に導電メッシュを前記複数の振動部の端面に接触させるようにして配置し、この状態で接合材を介して前記導電メッシュを接合するメッシュ設置工程とを含むことを特徴とする超音波振動子の製造方法をその要旨とする。 The invention according to claim 9 is the method for manufacturing the ultrasonic transducer according to claim 8, further comprising a bonding step of bonding a ceramic plate-like object to be the piezoelectric element to one side of the base material. After the joining step, a plurality of cuts are formed in the back side of the ceramic plate-like object, so that the ceramic plate-like object is connected to the plurality of vibrating portions at the end portion on the front side thereof. and after the vibrating portion forming step, a conductive mesh is arranged on the back surface of the piezoelectric element so as to be in contact with the end surfaces of the plurality of vibrating portions, and in this state, a bonding material is interposed. The gist of the method is a method for manufacturing an ultrasonic vibrator, comprising: a step of installing a mesh to join the conductive mesh.

従って、請求項9に記載の発明によると、セラミックス製板状物に切り込みを形成する前に、セラミックス製板状物を基材に接合するため、振動部形成工程を行う際には基材がセラミックス製板状物の「支持体」となる。その結果、切り込みを形成したとしてもセラミックス製板状物が破損しにくくなる。また、セラミックス製板状物のかなり深い位置まで切り込みを形成することができる。さらに、切り込みを形成することによってセラミックス製板状物の背面が分割された後に、導電メッシュを各振動部の端面に接触させるように配置するメッシュ設置工程を行うため、導電メッシュを配置するだけで、複数の端面と容易にコンタクトをとることができる。さらに、メッシュ設置工程において、接合材を介して導電メッシュを圧電素子に接合する際には、接合材が、導電メッシュにおける網目の隙間及び複数の振動部間の空隙の双方に入り込みやすくなるため、圧電素子と導電メッシュの接合強度が高くなる。しかも、接合材が各振動部間の空隙に入り込むことにより、振動部同士が接合材によって破損しにくくなるように支持される。つまり、切り込みを形成しやすくなるとともに導電メッシュを接合しやすくなるため、超音波振動子を作りやすくなる。また、超音波振動子を作りやすくなるとともに破損しにくくなることで不良品の発生率が低下するため、超音波振動子の歩留まりも高くなる。 Therefore, according to the ninth aspect of the invention, the ceramic plate is joined to the base material before the cut is formed in the ceramic plate. It becomes the "support" of the ceramic plate. As a result, even if a cut is formed, the ceramic plate-like object is less likely to break. In addition, the cut can be formed to a fairly deep position in the ceramic plate. Furthermore, after the back surface of the ceramic plate-shaped object is divided by forming the cuts, the mesh installation step is carried out so that the conductive mesh is placed in contact with the end face of each vibrating part. , multiple end faces can be easily contacted. Furthermore, in the mesh installation step, when the conductive mesh is bonded to the piezoelectric element via a bonding material, the bonding material easily enters both the gaps between the meshes of the conductive mesh and the gaps between the plurality of vibrating parts. The bonding strength between the piezoelectric element and the conductive mesh is increased. Moreover, since the bonding material enters the gaps between the vibrating portions, the vibrating portions are supported by the bonding material so as to be less likely to be damaged. In other words, it becomes easier to form cuts and to join the conductive mesh, making it easier to manufacture an ultrasonic transducer. In addition, since the ultrasonic transducers are easy to manufacture and less likely to be damaged, the rate of defective products is reduced, and the yield of the ultrasonic transducers is increased.

以上詳述したように、請求項1~8に記載の発明によると、圧電素子と電極部分との接合強度を高めることにより、超音波振動子の感度低下を防止することができる。また、請求項9に記載の発明によると、作りやすく、歩留まりが高い超音波振動子を製造することができる。 As described in detail above, according to the first to eighth aspects of the present invention, it is possible to prevent a decrease in the sensitivity of the ultrasonic transducer by increasing the bonding strength between the piezoelectric element and the electrode portion. Further, according to the ninth aspect of the invention, it is possible to manufacture an ultrasonic transducer that is easy to manufacture and has a high yield.

本実施形態のソナーが搭載された船舶を示す説明図。FIG. 2 is an explanatory diagram showing a ship on which the sonar of the present embodiment is mounted; ソナー、昇降装置及び液晶モニターを示す概略構成図。FIG. 2 is a schematic configuration diagram showing a sonar, an elevating device, and a liquid crystal monitor; ソナーを示す概略断面図。Schematic cross-sectional view showing a sonar. ソナーを示す概略断面図。Schematic cross-sectional view showing a sonar. 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。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing an ultrasonic transducer housed in a case; 超音波振動子を示す平面図。FIG. 2 is a plan view showing an ultrasonic transducer; 超音波振動子を示す側面図。FIG. 2 is a side view showing an ultrasonic transducer; 柱部を示す断面図。Sectional drawing which shows a column part. 柱部を示す斜視図。The perspective view which shows a column part. ソナーの電気的構成を示すブロック図。2 is a block diagram showing the electrical configuration of the sonar; FIG. (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。(a) is a cross-sectional view showing the pillar portion during expansion, and (b) is a cross-sectional view showing the pillar portion during contraction. 超音波振動子の連続駆動による静電容量の変化を示すグラフ。Graph showing changes in capacitance due to continuous driving of an ultrasonic transducer. 超音波振動子の連続駆動による送受感度積の変化を示すグラフ。4 is a graph showing changes in the transmission/reception sensitivity product due to continuous driving of the ultrasonic transducer. 比較例1において、ランニング試験による感度変化を示すグラフ。4 is a graph showing changes in sensitivity in a running test in Comparative Example 1. FIG. 1-3コンポジット構造の圧電素子を示す概略斜視図。FIG. 2 is a schematic perspective view showing a piezoelectric element with a 1-3 composite structure; 2-2コンポジット構造の圧電素子を示す概略斜視図。FIG. 2 is a schematic perspective view showing a piezoelectric element having a 2-2 composite structure; 他の実施形態における超音波振動子を示す要部断面図。FIG. 10 is a cross-sectional view of a main part showing an ultrasonic transducer according to another embodiment; パンチングメッシュを示す要部平面図。FIG. 2 is a plan view of a main part showing a punching mesh; 他の実施形態における超音波振動子を示す概略平面図。FIG. 10 is a schematic plan view showing an ultrasonic transducer in another embodiment; 他の実施形態において、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。FIG. 10 is a schematic cross-sectional view showing an ultrasonic transducer housed in a case according to another embodiment; 従来技術における圧電素子を示す要部平面図。FIG. 2 is a plan view of a main part showing a piezoelectric element in the prior art; 従来技術における柱部を示す断面図。Sectional drawing which shows the column part in a prior art.

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。 An embodiment embodying the present invention will be described in detail below with reference to the drawings.

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。 As shown in FIG. 1, the sonar 11 of this embodiment is mounted on the bottom of a ship 10 and used. The sonar 11 is a device that detects an object to be detected S1 such as a school of fish existing in water by irradiating the water with ultrasonic waves W1. Also, as shown in FIG. 2, the sonar 11 is attached to the lifting device 12 . The elevating device 12 is a device that causes the sonar 11 to appear and disappear from the bottom of the ship and into the water by elevating the sonar 11 . Further, a liquid crystal monitor 13 is electrically connected to the sonar 11 and the lifting device 12 . The liquid crystal monitor 13 is installed in the steering room of the ship 10 and has an operation section 14 and a display section 15 .

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。 As shown in FIGS. 3 and 4, sonar 11 includes sonar dome 20 . The sonar dome 20 is made of a resin material such as ABS resin (acrylonitrile-butadiene-styrene resin), and includes an upper case 21 , a lower case 22 and a lid 23 . The upper case 21 is a bottomed cylindrical case that is open at its lower end, and the lower case 22 is a bottomed cylindrical case that is open at its upper end. The lower end of the lower case 22 is dome-shaped (hemispherical). The cover 23 is disc-shaped and serves to close the lower opening of the upper case 21 and the upper opening of the lower case 22 . An upper housing space 24 is formed by the lid 23 and the upper case 21 , and a lower housing space 25 is formed by the lid 23 and the lower case 22 .

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。 Further, the sonar dome 20 accommodates an ultrasonic transducer 41 that transmits and receives the ultrasonic wave W1, and a tilting and rotating mechanism 30 that tilts and rotates the central axis O1 of the ultrasonic transducer 41. As shown in FIG. The tilt rotation mechanism 30 includes a scan motor 31, a tilt motor 32, a case 40 that houses an ultrasonic transducer 41, and the like. The scan motor 31 is installed in the center of the lid 23 inside the upper accommodation space 24 . A stepping motor is used as the scan motor 31 of this embodiment. An output shaft 31 a of the scan motor 31 is inserted through a through hole 33 provided in the central portion of the lid 23 and protrudes into the lower accommodation space 25 . Further, the tip of the output shaft 31a is connected to the central portion of a disk-shaped support plate 34, and a support frame 35 is attached to the lower surface of the support plate 34. As shown in FIG. The support frame 35 is U-shaped with a pair of arms 35a.

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。 As shown in FIGS. 3 and 4, the case 40 is made of a resin material such as ABS resin and is formed into a bottomed cylindrical shape with one end open. It is attached to the connecting rotating shaft 36 . Therefore, when the output shaft 31a of the scan motor 31 rotates, the support plate 34, the support frame 35, the case 40, and the ultrasonic transducer 41 (the central axis O1 thereof) rotate about the output shaft 31a. Along with this, the irradiation direction of the ultrasonic wave W1 output from the ultrasonic transducer 41 changes along the circumferential direction of the output shaft 31a.

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。 Also, the tilt motor 32 is attached to the upper end of the support frame 35 . A stepping motor is used as the tilt motor 32 of this embodiment. The output shaft 32a of the tilt motor 32 is arranged parallel to the rotary shaft 36, and a pinion gear 32b is attached to the tip of the output shaft 32a. The pinion gear 32 b meshes with a substantially semicircular tilt gear 37 attached to the case 40 . Therefore, when the output shaft 32a of the tilt motor 32 rotates, the pinion gear 32b and the tilt gear 37 rotate, causing the case 40 and the ultrasonic transducer 41 (the central axis O1 thereof) to incline ( Rotate. Along with this, the irradiation angle of the ultrasonic wave W1 output from the ultrasonic transducer 41 also changes as the ultrasonic transducer 41 rotates.

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、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(Pa・s/m)以上14×10(Pa・s/m)以下、好ましくは3×10(Pa・s/m)以上9×10(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。 As shown in FIGS. 5 to 7, the ultrasonic transducer 41 has a substrate 42 and a piezoelectric element 43. As shown in FIG. The base material 42 is a resin plate-like object formed using glass epoxy (FR-4), which is a material that also serves as an acoustic matching layer, and has a disk shape with a thickness t2 (see FIG. 7) of 3.0 mm. is making Further, the specific acoustic impedance of the base material 42 is 2.3×10 6 (Pa·s/m) or more and 14×10 6 (Pa·s/m) or less, preferably 3×10 6 (Pa·s/m) or less. ) or more and 9×10 6 (Pa·s/m) or less. By doing so, the transmittance of the ultrasonic wave W1 at the boundary portion between the base material 42 and the piezoelectric element 43 is increased, so that the transmission/reception sensitivity of the ultrasonic transducer 41 is further increased.

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)。 As shown in FIGS. 6 and 7, four overhanging portions 44 are provided on the outer peripheral portion of the base material 42, and each of the overhanging portions 44 is provided with a screw hole 45. As shown in FIGS. Each screw hole 45 is arranged at equal angular intervals with the central axis O1 of the ultrasonic transducer 41 as a reference. Then, a screw (not shown) is inserted through each screw hole 45 , and the tip of the inserted screw is screwed into the case 40 . As a result, the ultrasonic transducer 41 is fixed to the case 40 (see FIG. 5).

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(Pa・s/m)となっている。この圧電素子43は、厚さt1(図7参照)が7.2mmの円板状をなしている。なお、圧電素子43の外径は基材42の外径よりも小さいため、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に接合されており、前面側電極層54は、均一な厚さのプレーン電極層である。 The piezoelectric element 43 is, for example, a ceramic plate made of lead zirconate titanate (PZT), which is a piezoelectric ceramic, and has a specific acoustic impedance of 32×10 6 (Pa·s/m). It has become. The piezoelectric element 43 has a disc shape with a thickness t1 (see FIG. 7) of 7.2 mm. Since the outer diameter of the piezoelectric element 43 is smaller than the outer diameter of the base material 42 , the area of the piezoelectric element 43 is smaller than the area of the base material 42 . The piezoelectric element 43 also has a front surface 51 bonded to the substrate 42 , a rear surface 52 opposite to the front surface 51 , and an outer peripheral surface 53 perpendicular to the front surface 51 and the rear surface 52 . Furthermore, as shown in FIGS. 5 and 8, a front electrode layer 54 is formed on the front surface 51 of the piezoelectric element 43 and a rear electrode layer 55 is formed on the rear surface 52 of the piezoelectric element 43 . In this embodiment, the entire front surface 51 of the piezoelectric element 43 is bonded to the substrate 42 via the front electrode layer 54 and the adhesive layer 56 (see FIG. 8). It is a plain electrode layer of uniform thickness.

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柱部57(振動部)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に形成することにより構成される。本実施形態では、各第1切り込みK1が互いに平行に配置されるとともに、各第2切り込みK2も互いに平行に配置されている。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。 As shown in FIGS. 5 to 9, the piezoelectric element 43 is composed of a plurality of divided columnar portions 57 (vibrating portions) extending along the thickness direction of the piezoelectric element 43. As shown in FIG. Each column portion 57 is configured by forming a plurality of first cuts K1 and a plurality of second cuts K2 orthogonal to the first cuts K1 in the back surface 52 of the piezoelectric element 43 . In this embodiment, the first cuts K1 are arranged parallel to each other, and the second cuts K2 are also arranged parallel to each other. Therefore, among the pillars 57, the pillars 57 that do not constitute the outer peripheral surface 53 are formed in the shape of a regular quadrangular prism. The columns 57 are arranged on a straight line along the X direction (see FIG. 6), and are also arranged on a straight line along the Y direction (see FIG. 6).

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。柱部57の高さH1(厚さ)は、切り込みK1,K2の深さと等しくなっている。ここで、高さH1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。よって、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、t1-H1の式から算出される値であり、基材42の厚さt2よりも小さくなっている。 The columns 57 are connected to each other at the ends of the piezoelectric elements 43 on the front surface 51 side. The height H1 (thickness) of the column portion 57 is equal to the depth of the cuts K1 and K2. Here, the height H1 is 6.7 mm, which is approximately 93% (≈6.7/7.2×100) of the thickness t1 (7.2 mm) of the piezoelectric element 43 . Therefore, the thickness t<b>2 (3.0 mm) of the base material 42 described above is smaller than the height H<b>1 of the column portion 57 . Further, the thickness H2 of the portion where the columnar portions 57 are connected to each other in the piezoelectric element 43 is a value calculated from the formula t1-H1, and is smaller than the thickness t2 of the base material .

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。なお、上述した切り込みK1,K2の幅は、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80%以下、好ましくは60%以下(本実施形態では約51%(≒3.39/6.7×100))となる。この場合、柱部57の撓み振動が小さくなるため、各柱部57を、圧電素子43の厚さ方向に沿って振動させやすくなる。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。 As shown in FIGS. 6 to 9, the tip surface 58 (back surface 52) of the column portion 57 has a square shape in plan view, and the lengths L1 and L2 of the sides forming the tip surface 58 are equal to each other. They are equal and 2.4 mm each. The widths of the cuts K1 and K2 described above are equal to each other and are 100% or less, preferably 17% or more and 30% or less of the lengths L1 and L2. Moreover, the length of the diagonal line of the tip surface 58 is about 3.39 mm, and the length of this diagonal line is the maximum dimension L3 (see FIG. 9) when the column portion 57 is viewed from the thickness direction. The maximum dimension L3 is 80% or less, preferably 60% or less (approximately 51% (≈3.39/6.7×100) in this embodiment) of the height H1 of the column portion 57 . In this case, since the flexural vibration of the column portions 57 is reduced, each column portion 57 can be easily vibrated along the thickness direction of the piezoelectric element 43 . Further, the total area of the tip surface 58 of each column 57 is 25% or more and 80% or less, or 60% or more and 80% or less of the area of the front surface 51 (back surface 52) of the piezoelectric element 43 .

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。そして、本実施形態では、圧電素子43内を伝搬する縦波(超音波W1)の音速c1(4160m/s)、基材42内を伝搬する縦波(超音波W1)の音速c2(2460m/s)、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。このようにすれば、超音波W1の比帯域を広くすることができ、超音波振動子41の感度も高くなる。 Furthermore, the piezoelectric element 43 of the present embodiment is made of lead zirconate titanate (PZT), and the center frequency of the ultrasonic wave W1 that maximizes the sensitivity is 160 kHz or more and 200 kHz or less. The ratio (fractional band) is 27% or more and 52% or less. In this embodiment, the sound speed c1 (4160 m/s) of the longitudinal wave (ultrasonic wave W1) propagating in the piezoelectric element 43, the sound speed c2 (2460 m/s) of the longitudinal wave (ultrasonic wave W1) propagating in the base material 42, s), the thickness t1 (7.2 mm) of the piezoelectric element 43 and the thickness t2 (3.0 mm) of the base material 42 are (c2×t1)/(c1×t2)=0.8 or more and 1.7 or less. meet the relationship. By doing so, the relative band of the ultrasonic wave W1 can be widened, and the sensitivity of the ultrasonic transducer 41 is also increased.

図5,図6,図8,図9に示されるように、圧電素子43の背面52上には、銅メッシュ91(導電メッシュ)が背面52の全域に亘って配置されている。本実施形態の銅メッシュ91は、平織りの金網であり、複数の網目92により構成されている。各網目92は、平面視正方形状をなしており、一対の第1ワイヤ93と、両第1ワイヤ93に直交する一対の第2ワイヤ94とによって構成されている。各第1ワイヤ93は、X方向(図6参照)に沿って延びる銅線であり、互いに平行に配置されている。また、隣接する第1ワイヤ93間のピッチp1(図9参照)は、隣接する第1切り込みK1間のピッチP1の3分の1以下であって、先端面58を構成する辺の長さL1(2.4mm)の5分の1程度である。同様に、各第2ワイヤ94も、Y方向(図6参照)に沿って延びる銅線であり、互いに平行に配置されている。また、隣接する第2ワイヤ94間のピッチp2(図9参照)は、隣接する第2切り込みK2間のピッチP2の3分の1以下であって、先端面58を構成する辺の長さL2(2.4mm)の5分の1程度である。よって、網目92の寸法(ピッチp1,p2)は、互いに等しく、かつ柱部57を厚さ方向から見たときの最大寸法L3(約3.39mm)よりも細かくなっている。また、各網目92の隙間の面積の合計は、圧電素子43の背面52(前面51)の面積の10%以上30%以下となっている。 As shown in FIGS. 5, 6, 8 and 9, a copper mesh 91 (conductive mesh) is arranged over the entire back surface 52 of the piezoelectric element 43 . The copper mesh 91 of the present embodiment is a plain weave wire mesh and is composed of a plurality of meshes 92 . Each mesh 92 has a square shape in plan view, and is composed of a pair of first wires 93 and a pair of second wires 94 orthogonal to both first wires 93 . Each first wire 93 is a copper wire extending in the X direction (see FIG. 6) and arranged parallel to each other. In addition, the pitch p1 (see FIG. 9) between adjacent first wires 93 is one-third or less of the pitch P1 between adjacent first cuts K1, and the side length L1 It is about one-fifth of (2.4 mm). Similarly, each second wire 94 is also a copper wire extending along the Y direction (see FIG. 6) and arranged parallel to each other. In addition, the pitch p2 (see FIG. 9) between adjacent second wires 94 is one-third or less of the pitch P2 between adjacent second cuts K2, and the length L2 of the side forming tip surface 58 is It is about one-fifth of (2.4 mm). Therefore, the dimensions (pitches p1, p2) of the meshes 92 are equal to each other and are finer than the maximum dimension L3 (approximately 3.39 mm) when the column portion 57 is viewed from the thickness direction. Further, the total area of the gaps of the meshes 92 is 10% or more and 30% or less of the area of the back surface 52 (front surface 51) of the piezoelectric element 43. FIG.

図8に示されるように、銅メッシュ91は、縦横のワイヤ93,94が編み込まれることにより、ワイヤ93,94が上下に起伏した形状となっている。よって、銅メッシュ91は、第1ワイヤ93と第2ワイヤ94との交差部A1(図9参照)が各柱部57の先端面58に接触した状態で、接合材90(本実施形態ではエポキシ系接着剤)を介して背面52上の背面側電極層55に接合されている。また、接合材90は、銅メッシュ91における網目92の隙間と、各柱部57間の空隙K0(切り込みK1,K2)の一部(圧電素子43の背面52側開口部)との双方に入り込んだ状態で固化することにより、銅メッシュ91を各柱部57の先端面58に接合させている。その結果、各柱部57の先端面58にある背面側電極層55の1つ1つに対して、複数(本実施形態では36個)の交差部A1が確実に接触するため、銅メッシュ91の接合により、銅メッシュ91は、各柱部57の先端面58の共通電極となる。 As shown in FIG. 8, the copper mesh 91 has vertical and horizontal wires 93 and 94 that are woven into a shape in which the wires 93 and 94 are undulated. Therefore, the copper mesh 91 is formed with the joining material 90 (eg, epoxy It is bonded to the back side electrode layer 55 on the back side 52 via an adhesive). In addition, the bonding material 90 enters both the gaps between the meshes 92 in the copper mesh 91 and part of the gaps K0 (cuts K1 and K2) between the columns 57 (openings on the back surface 52 side of the piezoelectric element 43). The copper mesh 91 is joined to the tip end face 58 of each column portion 57 by solidifying in the bare state. As a result, a plurality of (36 in this embodiment) crossing portions A1 are in reliable contact with each of the back side electrode layers 55 on the tip surface 58 of each column portion 57, so that the copper mesh 91 By joining, the copper mesh 91 becomes a common electrode for the tip surface 58 of each column portion 57 .

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、銅メッシュ91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、銅メッシュ91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、銅メッシュ91の上には、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。 A first lead wire 62 is connected to the front electrode layer 54 and a second lead wire 63 is connected to the copper mesh 91, as shown in FIG. The first lead wires 62 are connected by soldering or the like to side terminals (not shown) extending outward from the front electrode layer 54 . The second lead wire 63 is connected to the outer periphery of the copper mesh 91 by soldering or the like. The first lead wire 62 and the second lead wire 63 are bound by a wiring tube 64 and pulled out of the case 40 . Although the first lead wire 62 is connected to the side terminal, a metal foil (not shown) such as copper foil is attached on the front side electrode layer 54 or on the surface 42a of the substrate 42 so that the metal foil is connected to the side terminal. Alternatively, the first lead wire 62 may be connected by soldering or the like. A sheet-like soundproof material 65 (backing material) is attached on the copper mesh 91 . The soundproof material 65 is for suppressing reverberation, and is attached to the inner peripheral surface of the case 40 as well. As the soundproof material 65, a resin material or rubber containing particles or fibers made of metal or ceramics, or a resin material having dispersed holes (sponge or the like) is used. can be used.

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(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(Pa・s/m))は、圧電素子43の固有音響インピーダンス(32×10(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や水の固有音響インピーダンス(1.5×10(Pa・s/m))よりも大きくなっている。 The sonar dome 20 shown in FIGS. 3 and 4 is filled with an ultrasonic wave propagating liquid (not shown) for propagating the ultrasonic wave W1. Further, part of the ultrasonic wave propagating liquid flows into the case 40 through a liquid passage (not shown) provided in the case 40, and the gap K0 (notch K1, K2) and fills the air gap K0. The ultrasonic wave propagating liquid of this embodiment is liquid paraffin and has a specific acoustic impedance of 1.2×10 6 (Pa·s/m). Therefore, the intrinsic acoustic impedance (2.3 to 14×10 6 (Pa·s/m)) of the substrate 42 described above is the intrinsic acoustic impedance (32×10 6 (Pa·s/m)) of the piezoelectric element 43. and larger than the specific acoustic impedance of ultrasonic propagating liquid and the specific acoustic impedance of water (1.5×10 6 (Pa·s/m)).

次に、ソナー11の電気的構成について説明する。 Next, the electrical configuration of the sonar 11 will be described.

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。 As shown in FIG. 10, the liquid crystal monitor 13 of the sonar 11 has a control device 70 that controls the entire device. The control device 70 is composed of a well-known computer including a CPU 71, a ROM 72, a RAM 73, and the like.

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。 The CPU 71 is electrically connected to the scan motor 31 and the tilt motor 32 via the motor driver 81, and controls them by various drive signals. Also, the CPU 71 is electrically connected to the ultrasonic transducer 41 via the transmission/reception circuit 82 . The transmission/reception circuit 82 outputs an oscillation signal to the ultrasonic transducer 41 to drive the ultrasonic transducer 41 . As a result, the ultrasonic transducer 41 irradiates (transmits) the ultrasonic wave W1 toward the water. Further, the transmitting/receiving circuit 82 is adapted to receive an electrical signal representing the ultrasonic waves W1 (reflected waves W2) received by the ultrasonic transducer 41 . Further, the CPU 71 is electrically connected to the lifting device 12, the operating section 14, the display section 15, and the GPS (Global Positioning System) receiving section 83, respectively.

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。 The CPU 71 shown in FIG. 10 controls the transmitting/receiving circuit 82 to irradiate the ultrasonic wave W1 from the ultrasonic transducer 41 and controls the driving of the lifting device 12 . The CPU 71 controls the motor driver 81 to drive the scan motor 31 and the tilt motor 32 respectively. The positional information of the ship 10 received by the GPS receiver 83 is input to the CPU 71 .

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。 The CPU 71 also receives, via the transmission/reception circuit 82, a reception signal generated when the ultrasonic transducer 41 receives the reflected wave W2. Then, the CPU 71 generates detected image data based on the received signal, and stores the generated detected image data in the RAM 73 . The CPU 71 controls the display unit 15 to display the detected image based on the detected image data stored in the RAM 73 .

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。 Next, a method for detecting the object S1 to be detected using the sonar 11 will be described.

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。 First, power sources (not shown) of the sonar 11, the lifting device 12 and the liquid crystal monitor 13 are turned on. At this time, positional information indicating the position of the vessel 10 is input from the GPS receiver 83 to the CPU 71 of the control device 70 . Next, the CPU 71 controls the transmission/reception circuit 82 to output an oscillation signal to the ultrasonic transducer 41 to drive the ultrasonic transducer 41 . At this time, each column portion 57 of the piezoelectric element 43 repeats contraction (see FIG. 11(b)) and expansion (see FIG. 11(a)). Note that when the column portion 57 contracts in the height direction, the column portion 57 deforms in the width direction, specifically, so as to escape to the outer peripheral side of the column portion 57 (see arrow F1 in FIG. 11B). do. When the column portion 57 expands in the height direction, the column portion 57 deforms in the width direction, specifically, toward the central portion of the column portion 57 (see arrow F2 in FIG. 11A). As a result, the piezoelectric element 43 vibrates, and the ultrasonic wave W1 is irradiated (transmitted) from the ultrasonic transducer 41 to the water. Then, when the ultrasonic wave W1 reaches the object S1 (see FIG. 1) to be detected, the ultrasonic wave W1 is reflected by the object S1 to become a reflected wave W2, propagates toward the sonar 11, and reaches the ultrasonic transducer 41. is input (received) to After that, the ultrasonic wave W1 (reflected wave W2) received by the ultrasonic transducer 41 is converted into a received signal and input to the CPU 71 via the transmitting/receiving circuit 82 . At this point, the object to be detected S1 is detected.

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。 Further, the CPU 71 performs control to drive the scan motor 31 via the motor driver 81 to rotate the central axis O1 of the ultrasonic transducer 41 . As a result, the irradiation direction of the ultrasonic waves W1 gradually changes, and the detection range also gradually changes accordingly. After that, when the operator turns off the power, the transmission/reception circuit 82 is stopped by the control device 70, and the irradiation of the ultrasonic wave W1 and the reception of the reflected wave W2 are finished.

次に、超音波振動子41の製造方法を説明する。 Next, a method for manufacturing the ultrasonic transducer 41 will be described.

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、セラミック製板状物を厚さ方向に分極させる。 First, the base material 42 is prepared. Specifically, a resin plate made of glass epoxy (FR-4) is cut into a circular shape. Also, a ceramic plate-like object to be the piezoelectric element 43 is prepared. Specifically, after producing a disk-shaped ceramic sintered body made of lead zirconate titanate (PZT), the surface is polished to obtain a ceramic plate. Next, an electrode layer forming step is performed to form a front electrode layer 54 on the front surface 51 of the ceramic plate and a rear electrode layer 55 on the back surface 52 of the ceramic plate. Specifically, the electrode layers 54 and 55 are formed by applying a silver paste to the front surface 51 and the back surface 52 of the ceramic plate, respectively, and firing the applied silver paste. After the electrode layer forming process, a polarization treatment process is further performed. In the polarization treatment step, a voltage is applied between the front-side electrode layer 54 and the back-side electrode layer 55 to polarize the ceramic plate in the thickness direction.

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。 In the subsequent joining step, a ceramic plate is joined to one side of the substrate 42 via the front electrode layer 54 . Specifically, an adhesive (such as an epoxy-based adhesive) that forms the adhesive layer 56 is applied to either the surface of the front-side electrode layer 54 or the surface 42 a of the base material 42 , and the base material 42 is The piezoelectric element 43 is fixed by bonding. Brazing using solder or the like may be performed instead of applying the adhesive.

接合工程後の柱部形成工程(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%未満の深さとなるように、各切り込みK1,K2を形成する。その結果、セラミックス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。 In the pillar portion forming step (vibrating portion forming step) after the bonding step, a plurality of cuts K1 and K2 are formed on the back side of the ceramic plate-like object by cutting or the like. At this time, the cuts K1 and K2 are formed so as to have a depth of 80% or more and less than 100% of the thickness t1 (7.2 mm) of the ceramic plate. As a result, the ceramic plate is divided into a plurality of columnar portions 57, and the back side electrode layer 55 formed on the back surface 52 of the piezoelectric element 43 is also divided into a plurality (the same number as the columnar portions 57). At this point, the piezoelectric element 43 is completed. Since the columns 57 are connected to each other at the ends of the piezoelectric elements 43 on the front surface 51 side and divided, the front electrode layer 54 formed on the front surface 51 is not divided.

柱部形成工程後のメッシュ設置工程では、圧電素子43の背面52上に銅メッシュ91を配置し、銅メッシュ91に押圧力を加えることにより、銅メッシュ91を各柱部57の先端面58に接触させる。そして、接合材90を、銅メッシュ91における網目92の隙間と、各柱部57間の空隙K0(切り込みK1,K2)の一部との双方に入り込ませた状態で固化する。その結果、銅メッシュ91が背面側電極層55に接合し、銅メッシュ91が各柱部57の先端面58の共通電極となる。この時点で、超音波振動子41が完成する。 In the mesh installation process after the pillar forming process, the copper mesh 91 is placed on the back surface 52 of the piezoelectric element 43, and a pressing force is applied to the copper mesh 91 so that the copper mesh 91 is attached to the tip surface 58 of each pillar 57. make contact. Then, the bonding material 90 is solidified in a state in which it enters both the gaps between the meshes 92 of the copper mesh 91 and part of the gaps K0 (cuts K1 and K2) between the columns 57 . As a result, the copper mesh 91 is joined to the back side electrode layer 55 , and the copper mesh 91 becomes a common electrode for the tip surface 58 of each pillar 57 . At this point, the ultrasonic transducer 41 is completed.

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、銅メッシュ91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。 After the ultrasonic transducer 41 is completed, the first lead wire 62 is connected to the front electrode layer 54 via side terminals (not shown) by soldering or the like, and the copper mesh 91 is connected to the first lead wire 62 by soldering or the like. A second lead wire 63 is connected by soldering or the like. Next, a soundproof material 65 for suppressing reverberation is attached to the back surface 52 side of the piezoelectric element 43 . A soundproof material 65 is also attached to the inner surface of the case 40 . After that, the piezoelectric element 43 of the ultrasonic transducer 41 is housed in the case 40 . In this state, screws (not shown) are inserted through the plurality of screw holes 45 provided in the base material 42 , and the tips of the inserted screws are screwed into the case 40 . As a result, the ultrasonic transducer 41 is fixed to the case 40 (see FIG. 5). Furthermore, the case 40 to which the ultrasonic transducer 41 is fixed is attached to the rotating shaft 36 inside the sonar dome 20 . Then, the sonar dome 20 is filled with an ultrasonic propagation liquid (not shown). At this time, part of the ultrasonic wave propagating liquid flows into the case 40 through a liquid passage (not shown) provided in the case 40, and flows into the gap K0 between the adjacent pillars 57 in the piezoelectric element 43. . At this point, the ultrasonic transducer 41 is incorporated into the sonar dome 20 and the sonar 11 is completed.

次に、超音波振動子の評価方法及びその結果を説明する。 Next, an evaluation method and results of the ultrasonic transducer will be described.

本発明者らは、超音波振動子の好適な構造について、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。圧電素子の背面(各柱部の先端面)上に銅メッシュ(共通電極)をエポキシ系接着剤(接合材)を介して接合することにより作製した超音波振動子(即ち、本実施形態の超音波振動子41と同じ超音波振動子)を3つ準備し、これらを実施例1A,1B,1C(実施例1)とした。一方、圧電素子の背面上に銅箔テープ(共通電極)を導電テープ(接合材)を介して接合することにより作製した超音波振動子を3つ準備し、これらを比較例1A,1B,1C(比較例1)とした。また、圧電素子の背面上に銅箔(共通電極)をエポキシ系接着剤(接合材)を介して接合することにより作製した超音波振動子を3つ準備し、これらを比較例2A,2B,2C(比較例2)とした。 The present inventors confirmed the suitable structure of the ultrasonic transducer by trial production. First, a sample for measurement was prepared as follows. An ultrasonic transducer (that is, the ultrasonic vibrator of the present embodiment) is manufactured by bonding a copper mesh (common electrode) to the back surface of the piezoelectric element (the tip surface of each column) via an epoxy adhesive (bonding material). Three ultrasonic transducers (the same ultrasonic transducer as the ultrasonic transducer 41) were prepared, and these were used as Examples 1A, 1B, and 1C (Example 1). On the other hand, three ultrasonic transducers were prepared by bonding a copper foil tape (common electrode) to the back surface of the piezoelectric element via a conductive tape (bonding material), and these were prepared as Comparative Examples 1A, 1B, and 1C. (Comparative Example 1). Also, three ultrasonic vibrators were prepared by bonding a copper foil (common electrode) to the back surface of the piezoelectric element via an epoxy-based adhesive (bonding material). 2C (Comparative Example 2).

次に、各測定用サンプル(実施例1A~1C及び比較例1A~1C,2A~2C)に対してランニング試験を行った。具体的には、まず、実施例1A~1C及び比較例1A~1C,2A~2C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160kHzの超音波(バースト波)を連続的に照射(送信)した。そして、0日(照射開始時)、1日、6日、12日、26日、50日、80日が経過する度に、圧電素子の静電容量を測定した。具体的に言うと、圧電素子に接続された2つのリード線62,63の端部において、LCRメータを用いて静電容量を測定した。実施例1A~1C及び比較例1A~1C,2A~2Cにおける静電容量の値を表1に示す(表の数値の単位は(pF))。また、図12のグラフは、実施例1(「●」参照)、比較例1(「▲」参照)及び比較例2(「■」参照)における静電容量の変化を示している。

Figure 0007261429000001
Next, a running test was performed on each measurement sample (Examples 1A to 1C and Comparative Examples 1A to 1C and 2A to 2C). Specifically, first, a voltage of 1.5 kVpp was applied to the ultrasonic transducers of Examples 1A to 1C and Comparative Examples 1A to 1C and 2A to 2C, and 160 kHz ultrasonic waves (burst waves) were emitted (transmitted) continuously. Then, the capacitance of the piezoelectric element was measured every 0 days (at the start of irradiation), 1 day, 6 days, 12 days, 26 days, 50 days, and 80 days. Specifically, the capacitance was measured using an LCR meter at the ends of the two leads 62, 63 connected to the piezoelectric element. Table 1 shows capacitance values in Examples 1A to 1C and Comparative Examples 1A to 1C and 2A to 2C (the unit of numerical values in the table is (pF)). The graph of FIG. 12 shows changes in capacitance in Example 1 (see "●"), Comparative Example 1 (see "▴"), and Comparative Example 2 (see "▪").
Figure 0007261429000001

その結果、比較例1A~1Cでは、超音波の照射開始直後から静電容量が急激に低下し、照射開始から6日が経過した時点では、静電容量が大きく低下し、静電容量の低下率も大きくなることが確認された。また、比較例2A~2Cでは、超音波の照射開始から10日程度経過するまでは、静電容量は殆ど低下しないものの、その後大きく低下し、照射開始から50日が経過した時点では、静電容量が大きく低下し、静電容量の低下率も大きくなることが確認された。なお、静電容量の低下は、共通電極の剥離により電極面積が減少していることを示している。また、電極が剥離した状態で超音波振動子を連続的に駆動し続けると、剥離部分から放電が発生し、黒焦げになることが確認された。 As a result, in Comparative Examples 1A to 1C, the capacitance rapidly decreased immediately after the start of ultrasonic irradiation, and when 6 days had passed since the start of irradiation, the capacitance decreased significantly, and the capacitance decreased. It was confirmed that the rate increased. In Comparative Examples 2A to 2C, the capacitance hardly decreased until about 10 days after the start of irradiation with ultrasonic waves, but it decreased significantly after that. It was confirmed that the capacity decreased significantly and the rate of decrease in capacitance also increased. It should be noted that the decrease in capacitance indicates that the electrode area is reduced due to the peeling of the common electrode. Further, it was confirmed that when the ultrasonic vibrator was continuously driven while the electrode was peeled off, electric discharge was generated from the peeled portion, resulting in charring.

一方、実施例1A~1Cでは、超音波の照射開始から80日が経過した時点であっても、静電容量は殆ど低下せず、静電容量の低下率は極めて小さいことが確認された。従って、圧電素子に対して銅メッシュをエポキシ系接着剤を介して接合した実施例1A~1Cを採用すれば、静電容量の低下、即ち、共通電極の剥離に起因する電極面積の減少を抑えられることが確認された。 On the other hand, in Examples 1A to 1C, the capacitance hardly decreased even after 80 days from the start of ultrasonic irradiation, and it was confirmed that the rate of decrease in capacitance was extremely small. Therefore, by adopting Examples 1A to 1C in which the copper mesh is bonded to the piezoelectric element via an epoxy adhesive, the decrease in the capacitance, that is, the decrease in the electrode area due to the peeling of the common electrode can be suppressed. It was confirmed that

また、0日、1日、6日、12日、26日、50日、80日が経過する度に、超音波振動子の送受感度積を算出した。具体的には、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を照射した。なお、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。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、送受感度積を算出した。なお、送受感度積は、送信電圧振幅Vに対する受信電圧振幅Vの比であり、20×log(V/V) の式から算出されるものである。実施例1A~1C及び比較例1A~1C,2A~2Cにおける送受感度積の値を表2に示す(表の数値の単位は(dB))。また、図13のグラフは、実施例1及び比較例1,2における送受感度積の変化を示している。

Figure 0007261429000002
In addition, the transmission/reception sensitivity product of the ultrasonic transducer was calculated each time 0, 1, 6, 12, 26, 50, and 80 days passed. Specifically, ultrasonic waves were applied to a 57 mm diameter phenolic resin ball located 0.5 m away from the ultrasonic oscillator. The ultrasonic waves (reflected waves) reflected by the phenolic resin spheres are received by the ultrasonic transducer about 670 μs after transmission, and voltage signals are generated across the ultrasonic transducer. At this time, the voltage amplitude during transmission and reception of the ultrasonic transducer was measured with an oscilloscope, and the transmission/reception sensitivity product was calculated by performing calculations based on the measurement results. The transmission/reception sensitivity product is the ratio of the reception voltage amplitude V2 to the transmission voltage amplitude V1 , and is calculated from the formula 20×log( V2 / V1 ). Table 2 shows the values of the transmit/receive sensitivity in Examples 1A to 1C and Comparative Examples 1A to 1C and 2A to 2C (the unit of the numerical values in the table is (dB)). Also, the graph of FIG. 13 shows changes in the transmit/receive sensitivity product in Example 1 and Comparative Examples 1 and 2. In FIG.
Figure 0007261429000002

その結果、比較例1A~1Cでは、超音波の照射開始直後から送受感度積が急激に低下し、照射開始から6日または12日が経過した時点では、送受感度積が大きく低下することが確認された。また、比較例2A~2Cでは、超音波の照射開始から10日程度経過するまでは、送受感度積は殆ど低下しないものの、その後大きく低下し、照射開始から50日が経過した時点では、送受感度積が大きく低下することが確認された。 As a result, it was confirmed that in Comparative Examples 1A to 1C, the transmission/reception sensitivity area rapidly decreased immediately after the start of ultrasonic irradiation, and that the transmission/reception sensitivity area significantly decreased 6 days or 12 days after the start of irradiation. was done. Further, in Comparative Examples 2A to 2C, although the transmittance/reception sensitivity hardly decreased until about 10 days after the start of ultrasonic irradiation, the transmittance/reception sensitivity decreased significantly thereafter, and 50 days after the start of irradiation, the transmittance/reception sensitivity decreased. It was confirmed that the product is greatly reduced.

一方、実施例1A~1Cでは、超音波の照射開始から80日が経過した時点であっても、送受感度積は殆ど低下しないことが確認された。従って、圧電素子に対して銅メッシュをエポキシ系接着剤を介して接合した実施例1A~1Cを採用すれば、共通電極の電極面積の減少を抑えられるだけでなく、送受感度積の低下も抑えられることが確認された。 On the other hand, in Examples 1A to 1C, it was confirmed that the transmission/reception sensitivity hardly decreased even after 80 days from the start of ultrasonic irradiation. Therefore, by adopting Examples 1A to 1C in which the copper mesh is bonded to the piezoelectric element via an epoxy adhesive, not only is it possible to suppress the decrease in the electrode area of the common electrode, but also the decrease in the transmission/reception sensitivity area is suppressed. It was confirmed that

また、比較例1において、130kHz~251kHz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積を算出した。なお、0日(初期段階)、1日、6日、12日が経過する度に、それぞれの周波数において送受感度積の算出を行った。図14のグラフは、比較例1における送受感度積の変化を示している。 Further, in Comparative Example 1, the frequency was switched in a plurality of steps between 130 kHz and 251 kHz, and ultrasonic waves were applied at each switched frequency. Then, the transmission/reception sensitivity product of the ultrasonic transducer was calculated using the above method using an oscilloscope. The transmit/receive sensitivity product was calculated at each frequency every time 0 days (initial stage), 1 day, 6 days, and 12 days passed. The graph of FIG. 14 shows changes in the transmit/receive sensitivity product in Comparative Example 1. In FIG.

その結果、比較例1では、初期段階(図14の「◆」参照)→1日後(図14の「△」参照)→6日後(図14の「▼」参照)→12日後(図14の「□」参照)の順番、即ち、超音波の照射開始からの時間が経過するのに従って、130kHz~251kHz間の送受感度積を示すグラフが全体的に低くなることが確認された。なお、実施例1(実施例1A~1C)のグラフは省略したが、実施例1では、超音波の照射開始からの時間が経過したとしても、送受感度積は殆ど低下せず(表2参照)、130kHz~251kHz間の送受感度積を示すグラフも殆ど変化しないことが確認された。 As a result, in Comparative Example 1, the initial stage (see “◆” in FIG. 14) → 1 day later (see “△” in FIG. 14) → 6 days later (see “▼” in FIG. 14) → 12 days later (see “▼” in FIG. 14) It was confirmed that the graph showing the transmission/reception sensitivity product between 130 kHz and 251 kHz decreased as a whole in the order of (see "□"), that is, as the time elapsed from the start of ultrasonic irradiation. Although the graphs of Example 1 (Examples 1A to 1C) are omitted, in Example 1, even if time elapses from the start of irradiation of ultrasonic waves, the transmission/reception sensitivity product hardly decreases (see Table 2). ), and it was confirmed that the graph showing the transmission/reception sensitivity product between 130 kHz and 251 kHz also hardly changed.

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。 Therefore, according to this embodiment, the following effects can be obtained.

(1)本実施形態のソナー11では、電極部分である銅メッシュ91と圧電素子43との間に接合材90が介在するのに加えて、接合材90が銅メッシュ91における網目92の隙間及び複数の柱部57間の空隙K0の双方にも入り込むことにより、銅メッシュ91が圧電素子43に接合される。その結果、圧電素子43と銅メッシュ91との接合強度が高くなるため、たとえ超音波振動子41を長期間に亘って連続駆動させたとしても、圧電素子43から銅メッシュ91が剥離しにくくなる。よって、超音波振動子41の感度低下を防止することができる。 (1) In the sonar 11 of the present embodiment, in addition to the bonding material 90 being interposed between the copper mesh 91 and the piezoelectric element 43, which are the electrode portions, the bonding material 90 is interposed between the meshes 92 of the copper mesh 91 and The copper mesh 91 is joined to the piezoelectric element 43 by entering both of the gaps K0 between the plurality of pillars 57 . As a result, since the bonding strength between the piezoelectric element 43 and the copper mesh 91 increases, even if the ultrasonic transducer 41 is continuously driven for a long period of time, the copper mesh 91 is less likely to separate from the piezoelectric element 43. . Therefore, a decrease in sensitivity of the ultrasonic transducer 41 can be prevented.

(2)本実施形態では、銅メッシュ91の網目92を構成する縦横のワイヤ93,94が編み込まれることにより、ワイヤ93,94が上下に起伏した形状となる。その結果、縦横のワイヤ93,94同士の交差部A1と柱部57の先端面58との接触圧が大きくなるため、銅メッシュ91を確実に電極として機能させることができる。また、銅メッシュ91には、細かい網目92が密集しているため、網目92の隙間に接合材90が入り込みやすい。従って、圧電素子43と銅メッシュ91との接合強度がよりいっそう高くなる。 (2) In the present embodiment, the vertical and horizontal wires 93 and 94 forming the mesh 92 of the copper mesh 91 are woven into a shape in which the wires 93 and 94 are undulated vertically. As a result, the contact pressure between the intersections A1 of the vertical and horizontal wires 93 and 94 and the tip surface 58 of the column portion 57 increases, so that the copper mesh 91 can reliably function as an electrode. In addition, since fine meshes 92 are densely packed in the copper mesh 91 , the bonding material 90 is likely to enter the gaps between the meshes 92 . Therefore, the bonding strength between the piezoelectric element 43 and the copper mesh 91 is further increased.

(3)例えば、銅メッシュ91を、圧電素子43の前面51の全域に亘って配置することも考えられる。しかしながら、超音波W1は、圧電素子43の前面51から照射されて音響整合層を兼ねる基材42を通過するため、前面51側に銅メッシュ91が存在すると、超音波W1が銅メッシュ91を透過する際に散乱してしまい、超音波W1が被探知物S1に到達できない可能性がある。一方、本実施形態では、銅メッシュ91を、照射面である前面51の反対側(即ち、超音波W1が照射されない側)にある圧電素子43の背面52の全域に亘って配置している。その結果、超音波振動子41から超音波W1を散乱することなく照射させることができる。また、超音波W1が圧電素子43の背面52側に漏れたとしても、超音波W1が背面52側にある銅メッシュ91を透過するため、超音波W1が分散及び減衰する。よって、銅メッシュ91を、好適なバッキング材としても機能させることができる。 (3) For example, it is conceivable to dispose the copper mesh 91 over the entire front surface 51 of the piezoelectric element 43 . However, since the ultrasonic wave W1 is irradiated from the front surface 51 of the piezoelectric element 43 and passes through the base material 42 that also serves as an acoustic matching layer, if the copper mesh 91 exists on the front surface 51 side, the ultrasonic wave W1 is transmitted through the copper mesh 91. There is a possibility that the ultrasonic waves W1 may not reach the object S1 due to the scattering of the ultrasonic waves W1. On the other hand, in the present embodiment, the copper mesh 91 is arranged over the entire rear surface 52 of the piezoelectric element 43 on the opposite side of the front surface 51, which is the irradiated surface (that is, the side not irradiated with the ultrasonic wave W1). As a result, the ultrasonic wave W1 can be emitted from the ultrasonic transducer 41 without being scattered. Further, even if the ultrasonic wave W1 leaks to the back surface 52 side of the piezoelectric element 43, the ultrasonic wave W1 is dispersed and attenuated because it passes through the copper mesh 91 on the back surface 52 side. Therefore, the copper mesh 91 can also function as a suitable backing material.

(4)特開2005-323630公報に記載の従来技術には、フレキシブル基板に網目状の電極パターンを形成する技術が提案されている。しかしながら、電極パターンは、基板の表面上に形成された厚さ数十μm程度の網目状パターンであって、ワイヤを編み込んだ金網ではない。この場合、接合材を網目の隙間に入り込ませることができないため、アンカー効果が得られることはなく、他部材との接合強度を高くすることはできない。一方、本実施形態では、接合材90が、厚さ数百μm程度の銅メッシュ91における網目92の隙間に入り込むことによってアンカー効果が得られるため、圧電素子43と銅メッシュ91との接合強度を高くすることができる。 (4) Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-323630 proposes a technique of forming a mesh-like electrode pattern on a flexible substrate. However, the electrode pattern is a mesh pattern with a thickness of about several tens of μm formed on the surface of the substrate, and is not a wire mesh woven with wires. In this case, since the bonding material cannot enter the gaps of the mesh, the anchor effect cannot be obtained, and the bonding strength with other members cannot be increased. On the other hand, in the present embodiment, since the bonding material 90 enters the gaps between the meshes 92 of the copper mesh 91 having a thickness of about several hundred μm, an anchor effect can be obtained. can be higher.

なお、上記実施形態を以下のように変更してもよい。 In addition, you may change the said embodiment as follows.

・上記実施形態では、圧電素子43の背面52上に、1枚の銅メッシュ91が背面52の全域に亘って配置されていた。しかし、銅メッシュ91を複数の銅メッシュ片に分割し、分割したそれぞれの銅メッシュ片を背面52のエリアごとに配置し、全ての銅メッシュ片で背面52の全域を覆うようにしてもよい。このようにすれば、それぞれのエリアごとに、圧電素子43を個別に駆動することができる。 - In the above embodiment, one sheet of copper mesh 91 is arranged on the back surface 52 of the piezoelectric element 43 over the entire area of the back surface 52 . However, the copper mesh 91 may be divided into a plurality of copper mesh pieces, each divided copper mesh piece may be arranged for each area of the back surface 52, and the entire area of the back surface 52 may be covered with all the copper mesh pieces. In this way, the piezoelectric elements 43 can be individually driven for each area.

・上記実施形態の銅メッシュ91では、隣接する第1ワイヤ93間のピッチp1と隣接する第2ワイヤ94間のピッチp2とが互いに等しくなっていたが、ピッチp1,p2は互いに異なっていてもよい。 - In the copper mesh 91 of the above embodiment, the pitch p1 between the adjacent first wires 93 and the pitch p2 between the adjacent second wires 94 are equal to each other. good.

・上記実施形態の超音波振動子41では、隣接する柱部57間の空隙K0の一部に接合材90が入り込んでいたが、空隙K0全体に接合材90が入り込んでいてもよいし、接合材90が入り込んでいなくてもよい。なお、接合材90が入り込んでいない場合には、空隙K0に超音波伝搬液体が流入可能となる。また、超音波伝搬液体が流入しない場合には、圧電素子43内の熱を空隙K0を介して外部に放出することができる。 - In the ultrasonic transducer 41 of the above-described embodiment, the bonding material 90 enters a part of the gap K0 between the adjacent column portions 57, but the bonding material 90 may enter the entire gap K0, or The material 90 does not have to enter. Note that when the bonding material 90 does not enter, the ultrasonic wave propagating liquid can flow into the gap K0. Moreover, when the ultrasonic wave propagating liquid does not flow, the heat in the piezoelectric element 43 can be released to the outside through the gap K0.

・上記実施形態の圧電素子43は、分割された複数の柱部57が前面51側の端部において互いに繋がった構造を有し、背面52側に銅メッシュ91が接合されていた。しかし、図15に示されるように、複数の柱部111(振動部)に完全に分割され、かつ隣接する柱部111間に樹脂材料112が充填された1-3コンポジット構造の圧電素子113を形成し、圧電素子113の背面114側に銅メッシュを接合してもよい。また、図16に示されるように、壁状をなす複数の振動部121に完全に分割され、かつ隣接する振動部121間に樹脂材料122が充填された2-2コンポジット構造の圧電素子123を形成し、圧電素子123の背面124側に銅メッシュを接合してもよい。 The piezoelectric element 43 of the above-described embodiment has a structure in which a plurality of divided pillars 57 are connected to each other at the ends on the front surface 51 side, and the copper mesh 91 is joined to the rear surface 52 side. However, as shown in FIG. 15, a piezoelectric element 113 having a 1-3 composite structure, which is completely divided into a plurality of columnar portions 111 (vibrating portions) and filled with a resin material 112 between adjacent columnar portions 111, is used. may be formed and a copper mesh may be bonded to the back surface 114 side of the piezoelectric element 113 . Further, as shown in FIG. 16, a piezoelectric element 123 having a 2-2 composite structure, which is completely divided into a plurality of wall-shaped vibrating portions 121 and filled with a resin material 122 between adjacent vibrating portions 121, is provided. may be formed and a copper mesh may be bonded to the back surface 124 side of the piezoelectric element 123 .

・上記実施形態では、圧電素子43の背面52全体に対して、導電メッシュである銅メッシュ91が接合されていた。しかし、銅メッシュ91を背面52全体に接合する代わりに、銅箔に複数の孔部132を設けた構造を有するパンチングメッシュ131などの他の導電メッシュを背面52全体に接合してもよい(図17,図18参照)。なお、パンチングメッシュ131は、各柱部57の先端面58に接触し、かつ、各孔部132が各柱部57間の空隙K0に連通した状態で、接合材133を介して圧電素子43に接合されている。そして、接合材133は、パンチングメッシュ131の表面(上面)上に塗布されるとともに、孔部132と空隙K0との双方に入り込んでいる。 - In the above-described embodiment, the copper mesh 91, which is a conductive mesh, is bonded to the entire back surface 52 of the piezoelectric element 43 . However, instead of bonding the copper mesh 91 to the entire back surface 52, another conductive mesh such as a punching mesh 131 having a structure in which a plurality of holes 132 are provided in a copper foil may be bonded to the entire back surface 52 (Fig. 17, see FIG. 18). Note that the punching mesh 131 is in contact with the tip surface 58 of each column 57, and each hole 132 communicates with the gap K0 between the columns 57. are spliced. The bonding material 133 is applied onto the surface (upper surface) of the punching mesh 131 and enters both the holes 132 and the gaps K0.

・上記実施形態の振動部は、先端面58が平面視正方形状をなす柱部57であったが、先端面が平面視矩形状、平面視三角形状、平面視円形状等の他の形状をなす柱部であってもよい。また、上記実施形態の圧電素子43は、先端面58が平面視正方形状をなす複数の柱部57に分割されていたが、先端面が平面視半円状をなす2つの振動部141(図19参照)に分割されていてもよいし、先端面が平面視扇形状をなす3つ以上の振動部に分割されていてもよい。つまり、振動部は、同振動部を圧電素子の厚さ方向から見たときの最大寸法が振動部の高さ以下となるものでなくてもよい。 In the vibrating portion of the above-described embodiment, the tip surface 58 is the column portion 57 having a square shape in plan view, but the tip surface may have other shapes such as a rectangular shape in plan view, a triangular shape in plan view, a circular shape in plan view, or the like. It may be a pillar portion. In the piezoelectric element 43 of the above-described embodiment, the front end surface 58 is divided into a plurality of pillars 57 having a square shape in plan view. 19), or may be divided into three or more vibrating portions each having a fan-like tip surface in a plan view. That is, the maximum dimension of the vibrating portion when viewed from the thickness direction of the piezoelectric element does not have to be equal to or less than the height of the vibrating portion.

・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(Mg1/3Nb2/3)O-PbTiO)単結晶、PZNT(Pb(Zn1/3Nb2/3)O-PbTiO)単結晶、LiNbO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。 In the ultrasonic transducer 41 of the above embodiment, the piezoelectric element 43 made of lead zirconate titanate (PZT) is used, but the material for forming the piezoelectric element 43 is not particularly limited. For example, potassium sodium niobate (alkaline niobate), barium titanate, PMN-PT (Pb(Mg 1/3 Nb 2/3 )O 3 —PbTiO 3 ) single crystal, PZNT (Pb(Zn 1/ 3Nb 2/3 )O 3 —PbTiO 3 ) single crystal or LiNbO 3 single crystal piezoelectric elements may be used.

・上記実施形態の防音材56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。 The soundproofing material 56 of the above embodiment is attached to the back surface 52 side of the piezoelectric element 43 and the inner peripheral surface of the case 40 , but the soundproofing material 65 is also attached to the outer peripheral surface 53 of the piezoelectric element 43 . good too.

・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。 The ultrasonic transducer 41 of the above embodiment is used in the sonar 11 that mechanically changes the irradiation direction of the ultrasonic waves W1, but it can also be used in the sonar that electrically changes the irradiation direction of the ultrasonic waves W1. good. Further, the ultrasonic transducer may be used in a fish finder that does not change the irradiation direction of the ultrasonic wave W1, that is, does not have the tilt rotation mechanism 30. FIG. Further, the ultrasonic transducer may be used for measuring instruments such as depth sounders for measuring the depth of water and airborne sensors for measuring distances in the air.

・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。 In the above embodiment, with the piezoelectric element 43 housed in the case 40, the tip of the screw inserted through the screw hole 45 on the base material 42 side is screwed into the case 40, whereby the ultrasonic transducer 41 is connected to the case 40. 40, it may be fixed by other methods. For example, the ultrasonic vibrator 41 may be fixed to the case 40 using an adhesive, or a filler such as epoxy resin, polyurethane resin, or silicone resin may be poured into the case 40 and hardened to prevent ultrasonic vibration. Child 41 may be fixed to case 40 . Furthermore, the ultrasonic transducer 41 may be fixed without using the case 40 . For example, a mold is arranged on the base material 42 so as to cover the piezoelectric element 43, and a resin material (epoxy resin, urethane resin, etc.) is poured into the mold and hardened, whereby the ultrasonic transducer 41 and the resin material are bonded together. You may perform molding which integrates with.

・上記実施形態では、基材42が露出した状態で、超音波振動子41がケース40に固定されていた。しかし、図20に示されるように、一端が開口する有底円筒状に形成されたケース部151と、円板状に形成された蓋部152とによってケース150を構成し、超音波振動子41全体をケース部151に収容した状態で、ケース部151の開口部を蓋部152で塞いてもよい。このようにすれば、超音波振動子41全体がケース150によって密封されるため、超音波振動子41が収容されたケース150をそのまま水中に入れることが可能となる。よって、この図20の構造を、魚群探知機として用いることができる。なお、蓋部152は、クロロプレンゴムやポリウレタン樹脂などを用いて形成されており、基材42の裏面42b全体に接触している。蓋部152の固有音響インピーダンスは、基材42の固有音響インピーダンス(2.3~14×10(Pa・s/m))よりも小さく、かつ水の固有音響インピーダンス(1.5×10(Pa・s/m))よりも大きいことが好ましい。また、蓋部152を基材42に対して接着してもよい。 - In the above embodiment, the ultrasonic transducer 41 is fixed to the case 40 with the base material 42 exposed. However, as shown in FIG. 20, a case 150 is constituted by a case portion 151 formed in a bottomed cylindrical shape with one end open and a lid portion 152 formed in a disk shape, and the ultrasonic transducer 41 The opening of the case portion 151 may be closed with the lid portion 152 while the entire device is housed in the case portion 151 . In this way, the entire ultrasonic transducer 41 is sealed by the case 150, so that the case 150 in which the ultrasonic transducer 41 is accommodated can be submerged in water. Therefore, the structure of FIG. 20 can be used as a fish finder. Note that the lid portion 152 is formed using chloroprene rubber, polyurethane resin, or the like, and is in contact with the entire back surface 42b of the base material 42 . The specific acoustic impedance of the lid portion 152 is smaller than the specific acoustic impedance of the base material 42 (2.3 to 14×10 6 (Pa·s/m)), and the specific acoustic impedance of water (1.5×10 6 (Pa·s/m)). Also, the lid portion 152 may be adhered to the base material 42 .

・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、柱部形成工程後かつメッシュ設置工程前に行ってもよいし、メッシュ設置工程後に行ってもよい。 In the above embodiment, the ceramic plate is polarized in the thickness direction by applying a voltage between the front electrode layer 54 and the back electrode layer 55 after the electrode layer forming step and before the bonding step. It was undergoing a polarization treatment process. However, the polarization treatment process may be performed after the joining process and before the column formation process, after the column formation process and before the mesh installation process, or after the mesh installation process.

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。 Next, in addition to the technical ideas described in the claims, technical ideas grasped by the above-described embodiments are listed below.

(1)請求項1乃至7のいずれか1項において、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80%以下であることを特徴とするソナー。 (1) The sonar according to any one of claims 1 to 7, wherein the maximum dimension of the column when viewed from the thickness direction is 80% or less of the height of the column. .

(2)請求項1乃至7のいずれか1項において、前記基材の固有音響インピーダンスは、前記圧電素子の固有音響インピーダンスよりも小さく、かつ水の固有音響インピーダンスよりも大きいことを特徴とするソナー。 (2) A sonar according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the intrinsic acoustic impedance of the base material is smaller than the intrinsic acoustic impedance of the piezoelectric element and greater than the intrinsic acoustic impedance of water. .

(3)請求項1乃至7のいずれか1項において、前記基材の固有音響インピーダンスは、2.3×10(Pa・s/m)以上14×10(Pa・s/m)以下であることを特徴とするソナー。 (3) In any one of claims 1 to 7, the intrinsic acoustic impedance of the base material is 2.3×10 6 (Pa·s/m) or more and 14×10 6 (Pa·s/m) or less. A sonar characterized by:

(4)請求項1乃至7のいずれか1項において、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)=0.8以上1.7以下の関係を満たすことを特徴とするソナー。 (4) In any one of claims 1 to 7, let c1 be the sound velocity of the longitudinal wave propagating in the piezoelectric element, t1 be the thickness of the piezoelectric element, and t1 be the thickness of the longitudinal wave propagating in the base material. A sonar that satisfies the following relationship: (c2×t1)/(c1×t2)=0.8 or more and 1.7 or less, where c2 is the speed of sound and t2 is the thickness of the base material.

(5)請求項9において、前記セラミックス製板状物の前記前面に前面側電極層を形成するとともに前記セラミックス製板状物の前記背面に背面側電極層を形成する電極層形成工程と、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とをさらに含むことを特徴とする超音波振動子の製造方法。 (5) In claim 9, an electrode layer forming step of forming a front side electrode layer on the front surface of the ceramic plate-like article and forming a back side electrode layer on the back side of the ceramic plate-like article; After the electrode layer forming step and before the bonding step, a polarization treatment step of applying a voltage between the front side electrode layer and the back side electrode layer to polarize the ceramic plate in a thickness direction. A method for manufacturing an ultrasonic transducer, further comprising:

11…ソナー
30…機構としての傾斜回転機構
41…超音波振動子
42…基材
43,113,123…圧電素子
51…セラミックス製板状物(圧電素子)の前面
52,114,124…セラミックス製板状物(圧電素子)の背面
54…前面側電極層
57,111…振動部としての柱部
58…振動部の端面としての先端面
90,133…接合材
91…導電メッシュとしての銅メッシュ
92…網目
121,141…振動部
131…導電メッシュとしてのパンチングメッシュ
K0…複数の振動部間の空隙
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…振動部を厚さ方向から見たときの最大寸法
O1…中心軸
W1…超音波
11 Sonar 30 Tilting and rotating mechanism as a mechanism 41 Ultrasonic transducer 42 Substrates 43, 113, 123 Piezoelectric elements 51 Front surfaces of plate-like objects (piezoelectric elements) made of ceramics 52, 114, 124 Made of ceramics Back surface 54 of plate (piezoelectric element) front electrode layers 57, 111 column 58 as vibrating part front end surfaces 90, 133 as end faces of vibrating part bonding material 91 copper mesh 92 as conductive mesh Meshes 121, 141 Vibrating portion 131 Punching mesh K0 as a conductive mesh Gap between a plurality of vibrating portions K1 First cut K2 Second cut L3 Vibrating portion from the thickness direction Maximum dimension when viewed O1...Center axis W1...Ultrasonic wave

Claims (9)

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、分割された複数の振動部により構成され、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圧電素子とを備え、
前記圧電素子の前記背面上に、導電メッシュが前記背面の全域に亘って配置されるとともに、
前記導電メッシュは、縦横のワイヤが編み込まれることにより網目を構成するとともに、厚さ方向に起伏した形状を有し、
前記縦横のワイヤ同士の交差部と振動部の端面とが接触した状態で、前記導電メッシュが接合材を介して前記圧電素子に接合されている
ことを特徴とするソナー。
A sonar having an ultrasonic transducer for transmitting and receiving ultrasonic waves and a mechanism for tilting and rotating a central axis of the ultrasonic transducer,
The ultrasonic transducer is composed of a base material that also serves as an acoustic matching layer and a plurality of divided vibrating parts, and is made of a ceramic plate having a front surface joined to the base material and a back surface on the opposite side. and a piezoelectric element made of a shaped object,
A conductive mesh is disposed on the back surface of the piezoelectric element over the entire back surface, and
The conductive mesh forms a mesh by weaving vertical and horizontal wires, and has an undulating shape in the thickness direction,
A sonar according to claim 1 , wherein said conductive mesh is bonded to said piezoelectric element via a bonding material in a state in which crossing portions of said vertical and horizontal wires are in contact with an end surface of said vibrating portion.
前記導電メッシュは、平織りの金網であることを特徴とする請求項1に記載のソナー。 2. A sonar as in claim 1, wherein said conductive mesh is plain weave wire mesh. 前記接合材は、前記導電メッシュにおける前記網目の隙間及び前記複数の振動部間の空隙の双方に入り込んだ状態で固化することにより、前記導電メッシュを前記複数の振動部の端面に接合させていることを特徴とする請求項1または2に記載のソナー。 The bonding material joins the conductive mesh to the end surfaces of the plurality of vibrating portions by solidifying in a state in which the bonding material enters both the gaps in the mesh of the conductive mesh and the gaps between the plurality of vibrating portions. 3. The sonar according to claim 1 or 2, characterized in that: 前記複数の振動部は、前記圧電素子の厚さ方向に沿って延びるように分割された複数の柱部であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載のソナー。 The sonar according to any one of claims 1 to 3, wherein the plurality of vibrating sections are a plurality of divided columnar sections extending along the thickness direction of the piezoelectric element. 前記複数の振動部が、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いることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載のソナー。 5. The sonar according to any one of claims 1 to 4, wherein the plurality of vibrating portions are connected to each other at the front end portion of the piezoelectric element. 前記導電メッシュの前記網目の寸法は、前記振動部を前記圧電素子の厚さ方向から見たときの最大寸法よりも細かいことを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載のソナー。 6. The sonar according to any one of claims 1 to 5, wherein the mesh size of the conductive mesh is smaller than the maximum size of the vibrating portion when viewed from the thickness direction of the piezoelectric element. . 前記圧電素子の前記前面が前面側電極層を介して前記基材に接合され、前記前面側電極層は、均一な厚さのプレーン電極層であることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載のソナー。 7. The piezoelectric element according to any one of claims 1 to 6, wherein the front surface of the piezoelectric element is bonded to the substrate via a front electrode layer, and the front electrode layer is a plain electrode layer having a uniform thickness. or the sonar according to item 1. 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、
分割された複数の振動部により構成され、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圧電素子と
を備え、
前記圧電素子の前記背面上に、導電メッシュが前記背面の全域に亘って配置されるとともに、
前記導電メッシュは、縦横のワイヤが編み込まれることにより網目を構成するとともに、厚さ方向に起伏した形状を有し、
前記縦横のワイヤ同士の交差部と振動部の端面とが接触した状態で、前記導電メッシュが接合材を介して前記圧電素子に接合されている
ことを特徴とする超音波振動子。
An ultrasonic transducer that transmits and receives ultrasonic waves,
a base material that also serves as an acoustic matching layer;
a piezoelectric element composed of a plurality of divided vibrating portions and made of a ceramic plate having a front surface joined to the base material and a back surface on the opposite side;
A conductive mesh is disposed on the back surface of the piezoelectric element over the entire back surface, and
The conductive mesh forms a mesh by weaving vertical and horizontal wires, and has an undulating shape in the thickness direction,
An ultrasonic transducer , wherein the conductive mesh is bonded to the piezoelectric element via a bonding material in a state in which intersections of the vertical and horizontal wires are in contact with end surfaces of the vibrating portion.
請求項8に記載の超音波振動子の製造方法であって、
前記基材の片面に、前記圧電素子となるべきセラミックス製板状物を接合する接合工程と、
前記接合工程後、前記セラミックス製板状物における前記背面側に複数の切り込みを形成することにより、前記前面側の端部において互いに繋がった状態で前記セラミックス製板状物を前記複数の振動部に分割する振動部形成工程と、
前記振動部形成工程後、前記圧電素子の前記背面上に導電メッシュを前記複数の振動部の端面に接触させるようにして配置し、この状態で接合材を介して前記導電メッシュを接合するメッシュ設置工程と
を含むことを特徴とする超音波振動子の製造方法。
A method for manufacturing an ultrasonic transducer according to claim 8,
a bonding step of bonding a ceramic plate-shaped object to be the piezoelectric element to one side of the base material;
After the bonding step, by forming a plurality of cuts on the back side of the ceramic plate, the ceramic plate is attached to the plurality of vibrating portions while being connected to each other at the front end. a vibrating portion forming step to be divided;
After the vibrating portion forming step, the conductive mesh is arranged on the back surface of the piezoelectric element so as to be in contact with the end faces of the plurality of vibrating portions, and in this state, the mesh installation is performed by bonding the conductive mesh via a bonding material. A method for manufacturing an ultrasonic transducer, comprising the steps of:
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