JP7365744B1 - 超音波送受波器 - Google Patents

Abstract

水中の広いエリアを比較的早く探査でき安価でコンパクトな構成の超音波送受波器を提供する。この超音波送受波器１１は、超音波を送受信する複数の超音波振動子３１がケース２１内に収容された状態でモールドされている。複数の超音波振動子３１は、中心に配置された１つの第１超音波振動子３１Ａと、第１超音波振動子３１Ａの周囲に均等な間隔で配置された５つ以上８つ以下の第２超音波振動子３１Ｂとからなる。第２超音波振動子３１Ｂの第２中心軸Ｃ２が、第１超音波振動子３１Ａの第１中心軸Ｃ１に対して角度θをなすように、第２音響放射面３４Ｂを傾斜させた状態で、第２超音波振動子３１Ｂが配置されている。選択図：図１

Description

本発明は、超音波を送受信する複数の超音波振動子を備えた超音波送受波器に関するものである。

従来、超音波の送受信によって魚群などの被探査物を検知するための装置として、スキャニングソナーがよく知られている。一般的なスキャニングソナーは、超音波を送受信する超音波振動子を有する超音波送受波器と、その超音波送受波器を旋回及び回転させる駆動機構とを備えている。そして、この種のスキャニングソナーでは、超音波送受波器を旋回及び回転させながら超音波の送受信を行い、水中を探査するようになっている。

ところで、上記のような駆動機構を持たない代わりに、平面や球面を有する支持体の上に多数の超音波振動子をマトリックス状あるいはアレイ状に配置したスキャニングソナーも従来いくつか提案されている（例えば、特許文献１，２参照）。

特開２００６－１０５８５０号公報 中華人民共和国特許公開ＣＮ－Ａ－１０９９５９９１５号公報

しかしながら、上記従来のスキャニングソナーの場合、多数の超音波振動子を有することから、装置全体が大型化しやすくコンパクトに構成することができなかった。また、チャンネル数が多いことから、チャンネルの切換制御のための構成が複雑になり、装置全体として高価なものとなりやすかった。さらに、一連のスキャンに時間がかかるため、水中の広いエリアの探査結果を短時間で得ることが難しかった。

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、水中の広いエリアを比較的早く探査することができ、しかも安価でコンパクトな構成とす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複数の超音波振動子がケース内に収容された状態でモールドされている超音波送受波器であって、複数の前記超音波振動子は、中心に配置された１つの第１超音波振動子と、前記第１超音波振動子の周囲に均等な間隔で配置された５つ以上８つ以下の第２超音波振動子とからなり、前記第１超音波振動子は、第１音響放射面及び前記第１音響放射面に直交する第１中心軸を有するとともに、前記第２超音波振動子は、第２音響放射面及び前記第２音響放射面に直交する第２中心軸を有し、前記第２中心軸が前記第１中心軸に対して角度をなすように前記第２音響放射面を傾斜させた状態で、前記第２超音波振動子が配置され、複数の前記超音波振動子を所定の位置及び傾きに保持する振動子ホルダが前記ケースとは別体に設けられ、複数の前記超音波振動子を保持した前記振動子ホルダは、前記ケース内に収容された状態で充填剤によってモールドされ、前記充填剤は、前記超音波振動子の音響整合層よりも固有音響インピーダンスが低く、防水性を有するとともに、外表面が前記ケースの開口部と面一になるように充填されることで前記ケースの開口部を塞いでいることをその要旨とする。

従って、請求項１に記載の発明によると、第１超音波振動子を中心としてその周囲に、均等な間隔で限られた少ない数の第２超音波振動子を傾斜させて配置している。このように配置することで、各々の第２超音波振動子の音響放射面が所定角度ずつ異なる方向を向いた状態となる。ゆえに、水中の広い探査エリアを限られた少ない数の超音波振動子でカバーすることが可能となり、広範囲を比較的早く探査することができる。しかも、超音波振動子の総数が少ないことから、装置をコンパクトに構成することができる。さらに、チャンネル数も少なくて済むため、切換制御のための構成が簡略化され、安価な装置とすることができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記第２中心軸が前記第１中心軸に対して２０°以上４０°以下の範囲から選択した１つの角度をなしていることをその要旨とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２において、複数の前記超音波振動子の音響放射面の全てが、１つの仮想球面上に位置するように配置されていることをその要旨とする。

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、前記振動子ホルダは、底部と周壁とを有するとともに前記超音波振動子を保持するカップ状の保持部を、前記超音波振動子と同数だけ備えることをその要旨とする。

請求項５に記載の発明は、請求項４において、前記振動子ホルダは、前記第２超音波振動子を保持する前記保持部の前記周壁の一部に切欠部を有する樹脂成型品であることをその要旨とする。

請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５のいずれか１項において、複数の前記超音波振動子は、互いに同じ大きさ及び形状を有していることをその要旨とする。

請求項７に記載の発明は、請求項６において、隣接する前記第２超音波振動子間の隙間の大きさは、前記超音波振動子の直径の２５％以下であり、前記第１超音波振動子と前記第２超音波振動子との隙間の大きさは、前記超音波振動子の直径の１０％以下であることをその要旨とする。

請求項８に記載の発明は、請求項１乃至７のいずれか１項において、複数の前記超音波振動子は、スカッパー取付具を兼ねる前記ケース、または、スカッパー取付具に装着可能なねじ構造を有する前記ケース内に収容されていることをその要旨とする。

以上詳述したように、請求項１～８に記載の発明によると、水中の広いエリアを比較的早く探査することができ、しかも安価でコンパクトな構成とすることができる超音波送受波器を提供することができる。

本発明を具体化した第１実施形態の超音波送受波器を示す概略断面図。 第１実施形態の超音波送受波器を示す概略正面図。 第１実施形態の超音波送受波器を構成する超音波振動子の断面図。 第１実施形態の超音波送受波器を構成する超音波振動子の正面図。 第１実施形態において複数の超音波振動子の配置態様を示す概略斜視図。 第１実施形態にて使用する１つの超音波振動子について、周波数と送波電圧感度との関係を示したグラフ。 第１実施形態にて使用する１つの超音波振動子についての周波数ごとの指向特性を示したグラフ。 第１実施形態にて使用する、異なる方向を向けて配置した３つの超音波振動子についての指向特性を示したグラフ。 第２実施形態の超音波送受波器を示す概略断面図。 第２実施形態にて使用する振動子ホルダを斜め上側から見た斜視図。 第２実施形態にて使用する振動子ホルダを斜め下側から見た斜視図。 第２実施形態にて使用する振動子ホルダの底面図。 第２実施形態にて使用する振動子ホルダの側面図。 別の実施形態におけるスカッパー取付型の超音波送受波器を示す概略断面図。 別の実施形態におけるスカッパー取付型の超音波送受波器を示す概略断面図。 第２超音波振動子を５個配置した別の実施形態を示す概略斜視図。 第２超音波振動子を８個配置した別の実施形態を示す概略斜視図。 第２超音波振動子を４個配置した比較例を示す概略斜視図。

［第１の実施形態］

以下、本発明をスキャニングソナーに用いられる超音波送受波器１１に具体化した第１の実施形態を図１～図８に基づき詳細に説明する。

図１は本実施形態の超音波送受波器１１を示す概略断面図、図２は同じくその概略正面図である。

スキャニングソナーは、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などの被探査物を探査するための装置である。本実施形態のスキャニングソナーは、基本的に超音波送受波器１１を備えるほか、昇降装置、表示装置、制御装置等（いずれも図示略）を含んで構成されている。超音波送受波器１１は、船舶における船底に配置された状態で使用するために、昇降装置に取り付けられている。昇降装置は、超音波送受波器１１を昇降させることにより、超音波送受波器１１を水中に浸漬させる。表示装置は船舶の操舵室内に設置されており、操作部及び表示部を有している。制御装置も船舶の操舵室内に設置されており、表示装置及び制御装置に電気的に接続されている。この制御装置は、所定のプログラムに従って超音波送受波器１１を駆動制御し、超音波の送受信を行わせる。またこの制御装置は、所定のプログラムに従って表示装置を駆動制御し、水中探査結果を超音波画像として表示させる。

図１に示されるように、本実施形態の超音波送受波器１１は、超音波を送受信する複数の超音波振動子３１をケース２１内に収容した状態でモールドした構造を備えている。図３は超音波送受波器１１を構成する超音波振動子３１の断面図、図４は同じくその正面図である。図５は複数の超音波振動子３１の配置態様を示す概略斜視図である。

図３、図４に示されるように、本実施形態において使用される複数の超音波振動子３１は、互いに同じ大きさ及び形状を有する円板状の構造物である。各々の超音波振動子３１は、基材３２及び圧電素子３３を備えている。基材３２は、音響整合層を兼ねる円板状の樹脂製板材であり、本実施形態ではガラスエポキシ製の基材が使用されている。

圧電素子３３は圧電セラミックス製の板状物であって、本実施形態ではチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を用いて形成された円板状の板状物が使用されている。圧電素子３３は、基材３２に対して接合された前面４１と、前面４１の反対側にある背面４２と、前面４１及び背面４２に直交する外周面４３とを有している。圧電素子３３の前面４１には前面側電極４４が形成され、圧電素子３３の背面４２には背面側電極４５が形成されている。本実施形態では、圧電素子３３の前面４１の全体が、前面側電極４４及び図示しない接着層を介して基材３２に接合されている。

圧電素子３３は、平面視で互いに平行な溝部５２により分割されており、複数の略帯状の振動部５１を備えた構造を有している。この構造は、後述する比帯域０．２以上の広帯域振動子を実現するうえで有利なものとなっている。溝部５２の深さは特に限定されず任意であるが、例えば圧電素子３３の厚さの８０％～９５％程度に設定される。複数の溝部５２は直線状であって互いに交差しておらず、本実施形態では互いに平行に形成されている。溝部５２同士の間隔は特に限定されず任意であるが、例えば圧電素子３３の厚さの２５％～５０％程度の大きさに設定される。溝部５２同士の間隔をこの範囲内にすることで、厚さ方向に圧電素子３３が変形しやすくなり、電気機械結合係数を大きくすることができる。

圧電素子３３の分割数（即ち振動部５１の本数）は特に限定されず任意に設定されるが、例えば４～１０程度であり、本実施形態では５つとされている。５つの振動部５１のうち、中央部に位置する振動部５１の長さが最も長く、その両側に位置する振動部５１の長さがそれに次いで長く、さらにその外側に位置する振動部５１の長さが最も短くなっている。また、振動部５１の幅は、最も外側に位置する振動部５１の幅が、それ以外のものの幅よりも大きくなっている。上記５つの振動部５１は、圧電素子３３の前面４１側の端部において互いに繋がっている。各々の振動部５１の長さは高さよりも大きく、高さは幅よりも大きくなっている。また、基材３２の厚さは振動部５１の高さよりも小さくなっている。また、圧電素子３３において振動部５１同士が繋がる部分の厚さは、圧電素子３３及び基材３２の厚さよりもかなり薄くなっている。例えば本実施形態では、当該繋がり部分の厚さを基材３２の厚さの５％～２０％程度としている。

圧電素子３３の背面４２における背面側電極４５は、５つの振動部５１の表面を架け渡すようにして形成されている。本実施形態では背面側電極４５として、銅、銀、錫などの電気抵抗が小さい金属材料からなる導電性金属箔が使用されている。そして、図１に示されるように、前面側電極４４には第１のリード線６１が電気的に接続され、背面側電極４５には第２のリード線６２が電気的に接続されている。これらのリード線６１、６２は、１本の配線用ケーブル６４内に収容されて結束されている。配線用ケーブル６４は、ケース２１の上部に設けられた配線挿通孔２９を通ってケース２１外に引き出されている。また、圧電素子３３の背面４２側には、超音波の残響を抑えるために、スポンジ等からなるシート状の防音材４７（バッキング材）が貼付されている。

図１、図２に示されるように、ケース２１は、ＡＢＳ樹脂などの樹脂材料を用いて形成され、一端に開口部２２を有する有底円筒状を呈している。このケース２１内には複数の超音波振動子３１が収容されている。具体的にいうと、複数の超音波振動子３１は、中心に配置された１つの第１超音波振動子３１Ａと、第１超音波振動子３１Ａの周囲に均等な間隔で配置された５つ以上８つ以下の第２超音波振動子３１Ｂとからなる。本実施形態では第２超音波振動子３１Ｂの数を６つとしている。また本実施形態では、第１超音波振動子３１Ａの音響放射面３４Ａと、各々の第２超音波振動子３１Ｂの音響放射面３４Ｂとが、全て１つの仮想球面上に位置している。

ここで、第１超音波振動子３１Ａにおいては、音響放射面３４Ａの中心を直交する第１中心軸Ｃ１の方向（第１超音波振動子３１Ａの法線ベクトルの方向ということもある。）が、音響放射方向であると把握することができる。また、第２超音波振動子３１Ｂにおいては、音響放射面３４Ｂの中心を直交する第２中心軸Ｃ２の方向（第２超音波振動子３１Ｂの法線ベクトルの方向ということもある。）が、音響放射方向であると把握することができる。そして、図１に示す超音波送受波器１１では、第２中心軸Ｃ２が第１中心軸Ｃ１に対して角度θをなすように第２音響放射面３４Ｂを傾斜させた状態で、各々の第２超音波振動子３１Ｂが配置されている。つまり、第１超音波振動子３１Ａの音響放射方向は、ケース２１の軸線方向と同じ方向（図１では下方向）を向いている。これに対し、各々の第２超音波振動子３１Ｂの音響放射方向は、ケース２１の軸線方向とは異なる方向を向いている。より具体的にいうと、本実施形態の各々の第２超音波振動子３１Ｂは、互いの音響放射面３４Ｂを内側に向けて（言い換えると、第１超音波振動子３１Ａがある側に向けて）傾斜配置されている（図１、図５を参照）。このとき、第２中心軸Ｃ２は第１中心軸Ｃ１に対して２０°以上４０°以下の範囲から選択した１つの角度θをなしていることがよく、本実施形態では前記角度θがそれぞれ約３０°となっている。なお、図１に示されるように、各々の第２中心軸Ｃ２と第１中心軸Ｃ１とは１点で集束した状態となっている。また、隣接する第２超音波振動子３１Ｂの第２中心軸Ｃ２同士も、２０°以上４０°以下の範囲から選択した１つの角度θ（ここでは約３０°）をなしている。

この超音波送受波器１１では、７つの超音波振動子３１が互いに密集した状態で配置されている。隣接する第２超音波振動子３１Ｂ間の隙間の大きさは、例えば超音波振動子３１の直径の２５％以下に設定され、本実施形態では５％以下に設定されている。つまり、隣接する第２超音波振動子３１Ｂ同士は、ほぼ隙間がない状態で配置されている。また、第１超音波振動子３１Ａと第２超音波振動子３１Ｂとの隙間の大きさは、例えば超音波振動子３１の直径の１０％以下に設定され、本実施形態では５％以下に設定されている。つまり、第１超音波振動子３１Ａ及び第２超音波振動子３１Ｂ同士も、ほぼ隙間がない状態で配置されている。

そして、上記のように互いに密集して配置された７つの超音波振動子３１は、図１、図２に示されるように、ケース２１内に収容された状態で充填剤２６によってモールドされている。この充填剤２６としては、超音波振動子３１の音響整合層である基材３２よりも固有音響インピーダンスが低く、防水性を有する樹脂材料（例えばウレタン樹脂等）が使用される。充填剤２６の外表面はケース２１の開口部２２と面一になるように充填されており、これによりケース２１の開口部２２が塞がれている。

以上のように構成された本実施形態の超音波送受波器１１を備えたスキャニングソナーにより、水中を探査する方法を説明する。まず、制御装置を駆動させて超音波送受波器１１に超音波の送受信を行わせる。即ち、各々の超音波振動子３１に対して発振信号を出力する制御を行い、超音波振動子３１を駆動させる。このとき、圧電素子３３の各振動部５１は、収縮と伸長とを繰り返す。振動部５１が高さ方向に収縮すると振動部５１が幅方向に若干膨らむように変形し、逆に振動部５１が高さ方向に伸長すると振動部５１が幅方向に若干細るように変形する。その結果、圧電素子３３が振動し、超音波振動子３１から水中に対して超音波が照射（送信）される。被探査物に到達した超音波の反射波は、超音波送受波器１１の各々の超音波振動子３１に入力（受信）される。制御装置は、各々の超音波振動子３１が受信した超音波の反射波を受信信号に変換して取り込み、これに基づき所定の演算処理を行う。そして制御装置は、演算処理により得られた水中探査結果を表示装置に表示させる。より具体的には、各々の超音波振動子３１の駆動タイミングを制御して送受信を行うことで、各々の受信信号の情報から各方位の水中探査結果が画像化され、表示装置に表示される。その結果、魚群等がどの方角及びどの程度の深さにいるのかということを、タイムラグなく常時監視することが可能となる。従って、本実施形態の超音波送受波器１１を備えたスキャニングソナーは、魚群等の移動方向を知るのに有効な手段となり得る。

次に、本実施形態の超音波送受波器１１の評価方法及びその結果について説明する。図６は、１つの超音波振動子３１について周波数と送波電圧感度との関係を示したグラフである。図７は、１つの超音波振動子３１について周波数ごとの指向特性を示したグラフである。図８は、異なる方向を向けて配置した３つの超音波振動子３１についての指向特性を示したグラフである。

まず、測定用サンプルとして、本実施形態の超音波振動子３１と基本的に同様の構成の超音波振動子を準備した（図４等を参照）。ここでは、超音波振動子３１の直径を２５ｍｍφ、圧電素子３３の厚さを９ｍｍ、基材３２の厚さを４ｍｍに設定した。また、圧電素子３３における溝部５２は４本とし、その深さは８．５ｍｍとし、圧電素子３３において振動部５１同士が繋がる部分の厚さは０．５ｍｍとした。

次に、測定用サンプルである超音波振動子３１を駆動して超音波を照射（送信）
させ、そのときの電圧振幅をオシロスコープにより測定し、送波電圧感度を算出した。このとき、４０ｋＨｚ～２６０ｋＨｚ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送信した。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３１の送波電圧感度（ｄＢ）を算出した。

その結果、図６のグラフに示すように、６０ｋＨｚ付近を中心とする位置、１６０ｋＨｚを中心とする位置の２箇所に送波電圧感度のピークが現れることがわかった。このとき１６０ｋＨｚ付近に現れるピークの振動は厚み方向振動であり、６０ｋＨｚ付近に現れるピークの振動は径方向振動であった。例えば、図６のグラフにおいて送波電圧感度１４５ｄＢを基準とした場合、約５０ｋＨｚ～７０ｋＨｚの周波数域、約１２０ｋＨｚ～２５０ｋＨｚの周波数域でこの値を超えていた。このことから、本実施形態の超音波振動子３１は、厚み方向振動により振動する上記の下方周波数域と、径方向振動より振動する上記の上方周波数域とにおいて使用可能な広帯域振動子であると結論付けられた。ちなみに、スキャニングソナーに用いる超音波送受波器１１を構成する超音波振動子３１としては、チャープ駆動が有効な比帯域０．２以上の広帯域振動子が望ましいと考えられる。この超音波振動子３１の比帯域を求めたところ０．２以上であったため、好ましい特性を備えていると言えるものであった。なお、超音波振動子３１の周波数と音響伝搬との関係では、周波数が低いほど超音波が水中深くまで到達する一方で、周波数が高いほど高分解能となる。従って、チャープ駆動による多周波の解析が可能になると、両方の利点を享受することができるばかりでなく、ノイズを低減することができるようになる。

次に、超音波振動子３１の指向特性を検証した。具体的には、測定用サンプルである１つの超音波振動子３１から超音波を照射し、照射時（送信時）の送波音圧を測定した。このとき０°～９０°の間で超音波振動子３１のチルト角度（傾動角度）を複数段階に変更し、変更したそれぞれのチルト角度において超音波を照射し、送波音圧を測定した。ここでは、音響放射面（基材３２の裏面）が鉛直方向における下方を向いた状態でのチルト角度を０°とし、音響放射面が側方を向いた状態でのチルト角度を９０°とする。さらに、超音波の周波数を６５ｋＨｚ、１４０ｋＨｚ、１８０ｋＨｚ、２４０ｋＨｚ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、送波音圧を測定した。その結果を図７のグラフに示す。

それによると、図７のグラフからも明らかなように、いずれの周波数においても大きなサイドローブは発生していなかった。よって、本実施形態の超音波振動子３１は、スキャニングソナーに用いる超音波送受波器１１に適用するにあたり、理想的な指向特性を備えたものであることが確認された。また、この超音波振動子３１の半減全角を実測したところ、各周波数で１９°～２６°であった。

次に、複数の超音波振動子３１を組み合わせて用いた場合の指向特性を検証した。具体的には、測定用サンプルである３つの超音波振動子３１を３０°ずつ傾けた状態で並べて配置した。そして、これら３つの超音波振動子３１から１４０ｋＨｚの超音波を照射し、照射時（送信時）の送波音圧を上記と同様の手法によりそれぞれ測定した。その結果を図８のグラフに示す。

それによると、図８のグラフからも明らかなように、各々の超音波振動子３１の超音波ビームは、大きなサイドローブを有しない理想的なものであった。また、３つの超音波振動子３１を３０°ずつ傾けた状態で配置した場合、３つのメインローブが３０°ずつずれて指向した状態となる。このため、３つの超音波振動子３１の超音波ビームは、約９０°という比較的広い範囲をカバーできるものとなることがわかった。

従って、本実施形態によれば以下の効果を得ることができる。

（１）本実施形態の超音波送受波器１１は、中心に配置された１つの第１超音波振動子３１Ａと、その周囲に均等な間隔で配置された６つの第２超音波振動子３１Ｂとを備えている。そして、第２中心軸Ｃ２が第１中心軸Ｃ１に対して角度θをなすように第２音響放射面３４Ｂを傾斜させた状態で、各々の第２超音波振動子３１Ｂが配置されている。つまり、第１超音波振動子３１Ａを中心としてその周囲に、均等な間隔で限られた少ない数の第２超音波振動子３１Ｂを傾斜させて配置している。このように配置することで、各々の第２超音波振動子３１Ｂの第２音響放射面３４Ｂが所定角度（約３０°）ずつ異なる方向を向いた状態となる。ゆえに、水中の広い探査エリアを限られた少ない数の超音波振動子３１でカバーすることが可能となり、広範囲を比較的早く探査することができる。しかも、超音波振動子３１の総数が少ないことから、装置をコンパクトに構成することができる。さらに、チャンネル数も少なくて済むため、切換制御のための構成が簡略化され、安価な装置とすることができる。

ちなみに、超音波送受波器１１を構成する超音波振動子３１の指向角を広くするには共振周波数が低いほうがよいが、そのためには超音波振動子３１の共振長を長くする必要がある。この場合、圧電素子３３の厚さを増すか径を大きくする必要があり、装置全体のコンパクト化を阻害する。その一方で、超音波送受波器１１の全体のサイズは、価格を抑えるためにできる限りコンパクトにしたいという要請がある。その点、本実施形態によれば、上記の相反する２つの課題を解決することが可能となる。

（２）本実施形態の超音波送受波器１１では、第２中心軸Ｃ２が第１中心軸Ｃ１に対して２０°以上４０°以下の範囲から選択した１つの角度θ（本実施形態では３０°）をなしている。このように各々の第２超音波振動子３１Ｂが１つの適切な角度θをもって傾斜配置されることにより、広いエリアを限られた少ない数の超音波振動子３１で無駄なく確実にカバーすることができる。

（３）本実施形態の超音波送受波器１１では、超音波振動子３１の音響放射面の全てが１つの仮想球面上に位置するように配置されている。よって、超音波振動子３１の音響放射面の全てが１つの仮想球面上に位置するように配置されていない場合に比べて、装置全体をコンパクトに構成しやすくなる。また、特定の超音波振動子３１から放射される超音波ビームが、別の超音波振動子３１の陰になって遮られるようなことがなくなる。よって、広いエリアを限られた少ない数の超音波振動子３１で確実にカバーすることができる。

（４）本実施形態の超音波送受波器１１では、複数の超音波振動子３１がケース２１内に収容された状態で充填剤２６によってモールドされている。この充填剤２６は、超音波振動子３１の音響整合層である基材３２よりも固有音響インピーダンスが低く、防水性を有する。またこの充填剤２６は、外表面がケース２１の開口部２２と面一になるように充填され、開口部２２を塞いでいる。従って、複数の超音波振動子３１が充填剤２６に埋設されて不可視となる結果、複数の超音波振動子３１が保護され、防水性が向上する。また、ケース２１の開口部２２側が凹凸のない超音波放射面となるので、見た目が煩雑になりにくく、水中での抵抗も低減される。

（５）本実施形態の超音波送受波器１１では、複数の超音波振動子３１は、互いに同じ大きさ及び形状を有している。従って、複数の超音波振動子３１の感度特性を揃えることができるため、測定精度に優れた超音波送受波器１１とすることができる。

（６）本実施形態の超音波送受波器１１では、隣接する第２超音波振動子３１Ｂ間の隙間の大きさは、超音波振動子３１の直径の２５％以下となっている。また、第１超音波振動子３１Ａと第２超音波振動子３１Ｂとの隙間の大きさは、超音波振動子３１の直径の１０％以下となっている。つまり、上記２種類の隙間の大きさが所定値以下に設定されているので、第１超音波振動子３１Ａ及び複数の第２超音波振動子３１Ｂを効率よく密集して配置することができる。よって、装置をコンパクトに構成しやすくなるという利点がある。

［第２の実施形態］

以下、第２の実施形態の超音波送受波器１１Ａを図９～図１３に基づき詳細に説明する。ここでは、第１の実施形態と同じ構成については共通の部材番号を付し、詳細な説明を省略する。図９は超音波送受波器１１Ａを示す概略断面図である。図１０は振動子ホルダ７１を斜め上側から見た斜視図、図１１は斜め下側から見た斜視図、図１２は底面図、図１３は側面図である。

この超音波送受波器１１Ａは、複数の超音波振動子３１を所定の位置及び傾きに保持する固定台としての振動子ホルダ７１を備えている点が、第１の実施形態のものと異なっている。この振動子ホルダ７１は、本体７６と複数の保持部７２とを含んで構成された樹脂成形品である。本実施形態では保持部７２の数が、中心部に１つ、周辺部に６つの合計７つとなっている。即ち、この振動子ホルダ７１は、７つある超音波振動子３１と同数の保持部７２を備えている。本体７６は複数の連結部７８からなる部材であって、複数の保持部７２を支持している。複数の連結部７８は、隣接する保持部７２同士を互いに連結している。複数の連結部７８同士の間の領域は、本体７６を上下方向に連通する抜き穴７９となっている。

各々の保持部７２は、底部７３と周壁７４とを有する平面視で円形のカップ状をした部分である。振動子ホルダ７１の中心部に位置する１つの保持部７２は、第１超音波振動子３１Ａを保持するための保持部である。振動子ホルダ７１の周辺部に位置する６つの保持部７２は、第２超音波振動子３１Ｂを保持するための保持部である。中心部に位置する保持部７２に対して、周辺部に位置する６つの保持部７２は約３０°傾斜している。また、周辺部に位置する６つの保持部７２は、樹脂成型時の型抜きの便宜を図るために、周壁７４の一部に切欠部７５を有している。この切欠部７５は、周壁７４の半周程度にわたり、振動子ホルダ７１の最外周部に位置している。一方、中心部に位置する保持部７２は、周壁７４の一部に切欠部７５を有しておらず、完全な形状を有している。

各々の保持部７２の底部７３には、底部７３の表裏面に連通する配線用孔７７が形成されている。これらの配線用孔７７には、超音波振動子３１から引き出された第１のリード線６１及び第２のリード線６２がそれぞれ挿通されている。

本実施形態の超音波送受波器１１Ａは、次のような手順で組み付けられる。まず、振動子ホルダ７１を用意し、中央部の保持部７２に第１超音波振動子３１Ａを保持させ、周辺部の６つの保持部７２に第２超音波振動子３１Ｂを保持させる。このとき、第１超音波振動子３１Ａ及び第２超音波振動子３１Ｂは、接着剤等を用いて保持部７２の内面に接合されてもよい。また、第１超音波振動子３１Ａ及び第２超音波振動子３１Ｂの背面側に、図示しない防音材が配置されてもよい。次に、超音波振動子３１を保持した状態の振動子ホルダ７１をケース２１内に収容して位置決めする。具体的には、第１超音波振動子３１Ａの音響放射方向が、ケース２１の軸線方向と同じ方向になるように調整する。その際、振動子ホルダ７１の一部をケース２１の内面に当接させて位置決めを行ってもよい。その例を挙げると、例えば振動子ホルダ７１の本体７６に図示しない柱部を複数本突設させておく。そして、それら柱部をケース２１の内面の複数箇所に当接させることにより、確実な位置決めを図ってもよい。次に、この状態で充填剤２６を用いてモールドすることにより、複数の超音波振動子３１を保持した振動子ホルダ７１をケース２１内に封入して、超音波送受波器１１Ａの組み付けが完了する。

本実施形態の超音波送受波器１１Ａは、第１実施形態で挙げた効果に加えて以下の効果を奏する。

（１）本実施形態の超音波送受波器１１Ａは、複数の超音波振動子３１を所定の正しい位置及び傾きに保持する振動子ホルダ７１を備えている。従って、１つの第１超音波振動子３１Ａ及び６つの第２超音波振動子３１Ｂが、簡単にかつ確実に所定の正しい位置及び傾きに保持される。また、このような振動子ホルダ７１を用いることで、各超音波振動子３１同士を位置決めするときの面倒な作業が不要になる。よって、高品質であって製造が容易な超音波送受波器１１Ａとすることができる。

（２）本実施形態の超音波送受波器１１Ａの振動子ホルダ７１は、底部７３と周壁７４とを有するとともに、超音波振動子３１を保持するカップ状の保持部７２を超音波振動子３１と同数（ここでは７つ）だけ備えている。従って、超音波振動子３１と同数あるカップ状の保持部７２に各超音波振動子３１を保持させることにより、正しい位置及び角度で振動子ホルダ７１に各超音波振動子３１を安定的に支持させることができる。

（３）本実施形態の超音波送受波器１１Ａの振動子ホルダ７１は、第２超音波振動子３１Ｂを保持する保持部７２の周壁７４の一部に切欠部７５を有する樹脂成型品である。第２超音波振動子３１Ｂを保持する保持部７２はいずれも傾斜している。それゆえ、金型成型により樹脂成形品を作製する際に、型抜きが困難になることが予想される。その点、この振動子ホルダ７１では、当該保持部７２の周壁の一部（型抜きが困難な箇所）が切り欠かれているので、型抜きを簡単に行うことが可能となる。よって、製造が容易な超音波送受波器１１Ａとすることができる。

（４）本実施形態の超音波送受波器１１Ａの振動子ホルダ７１は、ケース２１内に収容された状態で充填剤２６によってモールドされている。充填剤２６は、超音波振動子３１の音響整合層を兼ねる基材３２よりも固有音響インピーダンスが低く、防水性を有する。また、充填剤２６は、外表面がケース２１の開口部２２と面一になるように充填されることで、開口部２２を塞いでいる。従って、複数の超音波振動子３１及び振動子ホルダ７１が充填剤２６に埋設されて不可視となる。その結果、これらが保護され、防水性が向上する。また、ケース２１の開口部２２側が凹凸のない超音波放射面となるので、見た目が煩雑になりにくく、また、水中での抵抗を低減することもできる。

なお、本発明の実施の形態は以下のように変更してもよい。

・例えば、図１４に示す別の実施形態の超音波送受波器１１Ｂのようにしてもよい。この超音波送受波器１１Ｂは、スカッパー取付型の超音波送受波器であり、船底８０に設けられた排水孔（スカッパー孔）８１に取り付け可能な構造を有している。通常、スカッパー孔８１には円筒状のスカッパー取付具が嵌め込まれる。スカッパー取付具はナットで固定され、その上部開口には蓋が被せられる。本実施形態では、ケース２１Ａ自体が円筒状のスカッパー取付具と同様の構造を有しており、スカッパー取付具を兼ねるものとなっている。具体的にいうと、スカッパー取付具を兼ねるケース２１Ａの外周面には、フランジ部８６と雄ねじ溝部８５とが設けられている。そして、スカッパー孔８１にケース２１Ｂが嵌め込まれ、この状態で雄ねじ溝部８５にナット８３の雌ねじ部８７を螺着することで、ケース２１Ａがスカッパー孔８１に固定されている。従って、この超音波送受波器１１Ｂも、既存のスカッパー孔８１を利用して船底８０に簡単にかつ水密的に取り付けられることができる。

・また、図１５に示す別の実施形態の超音波送受波器１１Ｃのようにしてもよい。この超音波送受波器１１Ｃもスカッパー取付型の超音波送受波器である。この超音波送受波器１１Ｃを構成するケース２１Ｂは、船底８０に設置されているスカッパー取付具８２に装着可能なねじ構造を有している。具体的にいうと、スカッパー取付具８２の内周面には雌ねじ溝部８２ａが設けられており、外周面には雄ねじ溝部８２ｂが設けられている。ケース２１Ｂの外周面全体には、雄ねじ溝部８２ａにねじ止めされる雌ねじ部８４が設けられている。そして、雌ねじ溝部８２ａと雌ねじ部８４との螺合によって、ケース２１Ｂがスカッパー取付具８２を介してスカッパー孔８１に固定されている。従って、この超音波送受波器１１Ｃは、既存のスカッパー孔８１を利用して船底８０に簡単にかつ水密的に取り付けられることができる。なお、上述した図１４の超音波送受波器１１Ｂは、船底８０の外側から取り付ける必要がある。その反面、超音波送受波器１１Ｂには、既存のスカッパー孔８１を拡径加工せずそのまま利用できるという利点がある。図１５の超音波送受波器１１Ｃは、取り付けのために既存のスカッパー孔８１を若干拡径するか、あるいは超音波振動子３１を若干小さくする必要がある。その反面、超音波送受波器１１Ｃには、既存のスカッパー孔８１に対して船底８０の内側から取り付けることができるという利点がある。

・上記実施形態では、１つの第１超音波振動子３１Ａの周囲に均等な間隔で６つの第２超音波振動子３１Ｂを配置した例を示したが、これに限定されない。例えば、図１６に示す別の実施形態のように、１つの第１超音波振動子３１Ａの周囲に均等な間隔で５つの第２超音波振動子３１Ｂを配置してもよい。この例においては、第１超音波振動子３１Ａの法線ベクトルに対する第２超音波振動子３１Ｂの法線ベクトルの傾きを例えば３０°に設定する。また、隣接する第２超音波振動子３１Ｂ同士の法線ベクトルの傾きを例えば３４°に設定する。そしてこの場合、各々の超音波振動子３１の半減全角が３４°以上あれば、９４°という比較的広い範囲を超音波ビームでカバーすることができる。あるいは、第１超音波振動子３１Ａの法線ベクトルに対する第２超音波振動子３１Ｂの法線ベクトルの傾きを例えば３４°に設定する。また、隣接する第２超音波振動子３１Ｂ同士の法線ベクトルの傾きを例えば３９°に設定する。そしてこの場合、各々の超音波振動子３１の半減全角が４０°以上あれば、１０８°という比較的広い範囲を超音波ビームでカバーすることができる。

また、図１７に示す別の実施形態のように、１つの第１超音波振動子３１Ａの周囲に均等な間隔で８つの第２超音波振動子３１Ｂを配置してもよい。この例においては、第１超音波振動子３１Ａの法線ベクトルに対する第２超音波振動子３１Ｂの法線ベクトルの傾きを例えば３０°に設定する。また、隣接する第２超音波振動子３１Ｂ同士の法線ベクトルの傾きを例えば２２°に設定する。そしてこの場合でも、上記実施形態や図１６のものと同等の比較的広い範囲を超音波ビームでカバーすることができる。ただし、振動子数の増加によって全体が若干大きくなることから、第２超音波振動子３１Ｂの数は７つ以下とすることが好ましく、６つ以下とすることがより好ましい。

ここで、図１８に示す比較例のように、１つの第１超音波振動子３１Ａの周囲に均等な間隔で４つの第２超音波振動子３１Ｂを配置した構成について検討する。この場合、隣接する第２超音波振動子３１Ｂ同士を近づけて密に配置することができず、それらの間に大きな隙間が生じてしまう。この例においては、第１超音波振動子３１Ａの法線ベクトルに対する第２超音波振動子３１Ｂの法線ベクトルの傾きを例えば３４°に設定する。また、隣接する第２超音波振動子３１Ｂ同士の法線ベクトルの傾きを例えば４６．５°に設定する。そしてこの場合には、超音波ビームに死角ができてしまうため、好ましくないことがわかる。よって、各々の超音波振動子３１の半減全角を４０°以上にする必要性が生じる。

・上記実施形態では、図１０～図１３に示したような構造の振動子ホルダ７１を用いたがこれに限定されない。例えば、吸音材を省略する代わりに、振動子ホルダ７１自体に吸音材としての機能を付与してもよい。また、振動子ホルダ７１は金型成型法以外の方法（例えば３Ｄプリンティング等）で作製されてもよいほか、樹脂以外の材料（例えば金属等）を用いて作製されてもよい。

・上記実施形態では、複数の超音波振動子３１は互いに同じ大きさ及び形状を有しているとしたが、これに限定されない。例えば大きさが異なっていてもよく、あるいは形状が異なっていても勿論よい。

・上記実施形態では、複数の超音波振動子３１の音響放射面の全てが１つの仮想球面上に位置するように配置したが、これに限定されず、１つまたは複数の音響放射面が仮想球面上にない構造を採用しても勿論よい。

・上記実施形態では、各々の第２超音波振動子３１Ｂが、互いの音響放射面３４Ｂを内側に向けて（言い換えると、第１超音波振動子３１Ａがある側に向けて）傾斜配置されていたが、これに限定されない。これとは逆に、各々の第２超音波振動子３１Ｂが、互いの音響放射面３４Ｂを外側に向けて（言い換えると、第１超音波振動子３１Ａがない側に向けて）傾斜配置されていてもよい。

・上記実施形態では、圧電素子３３は、平面視で互いに平行な溝部５２により分割されており、複数の略帯状の振動部５１を備えた構造を有していたが、これに限定されない。例えば、平面視で放射状の複数の溝部５２により、圧電素子３３を分割してもよい。

１１、１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ…超音波送受波器
２１、２１Ａ、２１Ｂ…ケース
２２…ケースの開口部
２６…充填剤
３１…超音波振動子
３１Ａ…第１超音波振動子
３１Ｂ…第２超音波振動子
３４Ａ…第１音響放射面
３４Ｂ…第２音響放射面
７１…振動子ホルダ
７２…保持部
７３…底部
７４…周壁
７５…切欠部
Ｃ１…第１中心軸
Ｃ２…第２中心軸
θ…角度

Claims (8)

1. 超音波を送受信する複数の超音波振動子がケース内に収容された状態でモールドされている超音波送受波器であって、
   複数の前記超音波振動子は、中心に配置された１つの第１超音波振動子と、前記第１超音波振動子の周囲に均等な間隔で配置された５つ以上８つ以下の第２超音波振動子とからなり、
   前記第１超音波振動子は、第１音響放射面及び前記第１音響放射面に直交する第１中心軸を有するとともに、前記第２超音波振動子は、第２音響放射面及び前記第２音響放射面に直交する第２中心軸を有し、
   前記第２中心軸が前記第１中心軸に対して角度をなすように前記第２音響放射面を傾斜させた状態で、前記第２超音波振動子が配置され、
   複数の前記超音波振動子を所定の位置及び傾きに保持する振動子ホルダが前記ケースとは別体に設けられ、
   複数の前記超音波振動子を保持した前記振動子ホルダは、前記ケース内に収容された状態で充填剤によってモールドされ、
   前記充填剤は、前記超音波振動子の音響整合層よりも固有音響インピーダンスが低く、防水性を有するとともに、外表面が前記ケースの開口部と面一になるように充填されることで前記ケースの開口部を塞いでいる
   ことを特徴とする超音波送受波器。
2. 前記第２中心軸が前記第１中心軸に対して２０°以上４０°以下の範囲から選択した１つの角度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. 複数の前記超音波振動子の音響放射面の全てが、１つの仮想球面上に位置するように配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の超音波送受波器。
4. 前記振動子ホルダは、底部と周壁とを有するとともに前記超音波振動子を保持するカップ状の保持部を、前記超音波振動子と同数だけ備え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. 前記振動子ホルダは、前記第２超音波振動子を保持する前記保持部の前記周壁の一部に切欠部を有する樹脂成型品であ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. 複数の前記超音波振動子は、互いに同じ大きさ及び形状を有していることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の超音波送受波器。
7. 隣接する前記第２超音波振動子間の隙間の大きさは、前記超音波振動子の直径の２５％以下であり、
   前記第１超音波振動子と前記第２超音波振動子との隙間の大きさは、前記超音波振動子の直径の１０％以下である
   ことを特徴とする請求項６に記載の超音波送受波器。
8. 複数の前記超音波振動子は、スカッパー取付具を兼ねる前記ケース、または、スカッパー取付具に装着可能なねじ構造を有する前記ケース内に収容されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の超音波送受波器。

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