WO2016093115A1

WO2016093115A1 - 振動体および振動体アレイ

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Publication number: WO2016093115A1
Application number: PCT/JP2015/083761
Authority: WO
Inventors: 晴好倉川
Original assignee: 株式会社村田製作所
Priority date: 2014-12-12
Filing date: 2015-12-01
Publication date: 2016-06-16

Abstract

　振動体（１０１）は、第１主面（１ａ）および第１主面（１ａ）とは反対側を向く第２主面（１ｂ）を有する支持板（１）と、支持板（１）の第１主面（１ａ）の側に設けられている圧電体（２）と、支持板（１）の第２主面（１ｂ）の側であって圧電体（２）と対向する位置に直接または他の層を介して設けられている音響整合層（３）とを備え、支持板（１）の第２主面（１ｂ）の側において支持板（１）に隣接するように支持板（１）に直接設けられている音響整合層（３）または前記他の層を隣接層と定義すると、前記隣接層は、支持板（１）に対して接着剤で貼り付けられており、前記隣接層の支持板（１）に貼り付けられている面に接する前記隣接層の面のうち、少なくとも１つの面に段差部（４）が設けられており、段差部（４）から支持板（１）にわたって、前記接着剤によるフィレット（６）が形成されている。

Description

振動体および振動体アレイ

　本発明は、超音波を送信または受信する振動体および振動体アレイに関するものである。

　圧電体と音響整合層とを備える振動体が知られている。圧電体は２つの電極に挟み込まれており、音響整合層は、前記２つの電極のうち一方を介して圧電体に接合されている。この振動体は超音波の送信と受信とのいずれにも使用することができる。

　この振動体を超音波の送信に用いる場合は、圧電体を挟み込む２つの電極によって圧電体に電圧が印加されることで、圧電体が変形し、縦振動が発生する。この縦振動が電極を介して音響整合層に伝わり、音響整合層からその先の空間に向けて超音波が送出される。

　この振動体を超音波の受信に用いる場合は、外部からの超音波が音響整合層に到達することで音響整合層が振動し、音響整合層から電極を介して圧電体へと振動が伝わり、圧電体において振動は電位差へと変換される。この電位差が２つの電極によって取り出されることによって、受信信号が得られる。

　この振動体は、電極としての支持板を挟んで圧電体と音響整合層とが対向する構造を含む。音響整合層は、支持板に対して接着剤で貼り付けられる。この接着剤が音響整合層の周囲にはみ出すと、はみ出した接着剤が音響整合層の外表面の不所望な位置にはい上がり、音響整合層の共振周波数がばらついてしまうという問題があった。

　はみ出した接着剤がもたらす問題に対処する技術としては、特開２００４－１９８２８３号公報（特許文献１）に記載されたものがある。特許文献１に記載された発明は、はみ出した接着剤が音響整合層の上面にはい上がり、その結果、超音波の指向性にばらつきが生じてしまうという現象に着目し、この現象を防止することを目的としたものである。特許文献１に記載された構成では、ケースが電極の一方の役割を果たしており、音響整合層をケースに対して接着する際に、音響整合層の底面に接着剤はみ出し防止手段として環状に溝部を設けることとしている。特許文献１によれば、ケースと音響整合層とを接着する際に、余剰な接着剤はこの溝部に入り込むので、はみ出した接着剤が音響整合層の上面に上昇することを防止することができるとされている。

特開２００４－１９８２８３号公報

　特許文献１に記載された技術を採用した場合、音響整合層の接着面側に接着剤はみ出し防止手段として溝部を設けることによって音響整合層の強度が低下しているので、音響整合層の反対側の面、すなわち、超音波発生面に対してさらに何らかの加工を行なう場合には強度的に耐えうるか不安が残る。

　また、接着剤はみ出し防止手段として設けられた溝部の中で接着剤がどのように分布するのかは管理することができず、部位によって空洞が偏って生じる可能性がある。このような偏りがあると、音響整合層の性能にばらつきが生じる。

　また、接着剤はみ出し防止手段として設けられる環状の溝部より外側の部分においても接着を行なう場合には、溝部より外側の部分で生じる余剰接着剤に対して溝部による吸収という効果が得られないので、結局、最外周に接着剤がはみ出してしまうことを完全には抑えられない。最外周に接着剤が無秩序にはみ出してしまうと、音響整合層の共振周波数がばらついてしまう。

　そこで、本発明は、接着剤のはみ出しによる音響整合層の共振周波数のばらつきを抑えることができる振動体および振動体アレイを提供することを目的とする。

　上記目的を達成するため、本発明に基づく振動体は、第１主面および上記第１主面とは反対側を向く第２主面を有する支持板と、上記支持板の上記第１主面の側に設けられている圧電体と、上記支持板の上記第２主面の側であって上記圧電体と対向する位置に直接または他の層を介して設けられている音響整合層とを備え、上記支持板の上記第２主面の側において上記支持板に隣接するように上記支持板に直接設けられている上記音響整合層または上記他の層を隣接層と定義すると、上記隣接層は、上記支持板に対して接着剤で貼り付けられており、上記隣接層の上記支持板に貼り付けられている面に接する上記隣接層の面のうち、少なくとも１つの面に段差部が設けられており、上記段差部から上記支持板にわたって、上記接着剤によるフィレットが形成されている。

　本発明によれば、隣接層と支持板の間から接着剤がはみ出したとしても、はみ出した接着剤は隣接層に設けられた段差部の外側にはみ出してフィレットを形成するので、音響整合層の共振周波数に影響を与える部分への余剰接着剤の付着をなるべく回避でき、接着剤のはみ出しによる音響整合層の共振周波数のばらつきを抑えることができる。

　好ましくは、上記段差部は、上記隣接層の上記支持板に貼り付けられている面に接する上記隣接層の面から、外側に向かって張り出している。

　好ましくは、上記段差部は、上記隣接層の上記支持板に貼り付けられている面の外周を取り囲むように設けられている。

　本発明によれば、より確実に接着剤のはみ出しによる音響整合層の共振周波数のばらつきを抑えることができる。

　本発明に基づく振動体アレイは、第１主面および上記第１主面とは反対側を向く第２主面を有する支持板と、上記支持板の上記第１主面の側に設けられ、上記第１主面に沿って配列されている複数の圧電体と、上記支持板の上記第２主面の側であって上記複数の圧電体とそれぞれ１対１で対向するような位置において、上記支持板との間で振動を伝達可能なように上記支持板に直接または他の層を介して設けられ、上記第２主面に沿って配列されている複数の音響整合層とを備え、上記支持板の上記第２主面の側において上記支持板に隣接するように上記支持板に直接設けられている上記複数の音響整合層のいずれかまたは上記他の層を隣接層と定義すると、上記隣接層は、上記支持板に対して接着剤で貼り付けられており、上記隣接層の上記支持板に貼り付けられている面に接する上記隣接層の面のうち、少なくとも１つの面に段差部が設けられており、上記段差部から上記支持板にわたって、上記接着剤によるフィレットが形成されている。

　本発明によれば、接着剤のはみ出しによる音響整合層の共振周波数のばらつきを抑えることができる。また、送信および受信のいずれの用途においても、複数の振動体を並列に扱うことで送信受各振動体の特性のばらつきを平均化して使用することができる。さらに、振動体アレイに含まれる複数の振動体のうち有効にする振動体の組合せを調整することにより指向性の制御が可能になる。

本発明に基づく実施の形態１における振動体の第１の断面図である。本発明に基づく実施の形態１における振動体の第２の断面図である。音響整合層に段差部が設けられていない場合の周波数の変化に対するインピーダンスの変化を示すグラフである。音響整合層に段差部が設けられている場合の周波数の変化に対するインピーダンスの変化を示すグラフである。本発明に基づく実施の形態１における振動体の第１の例の平面図である。本発明に基づく実施の形態１における振動体の第２の例の平面図である。本発明に基づく実施の形態１の第１の変形例における振動体の要部断面図である。本発明に基づく実施の形態１の第２の変形例における振動体の要部断面図である。本発明に基づく実施の形態１の第３の変形例における振動体の斜視図である。本発明に基づく実施の形態２における振動体の第１の断面図である。本発明に基づく実施の形態２における振動体の第２の断面図である。本発明に基づく実施の形態３における振動体の断面図である。本発明に基づく実施の形態４における振動体の断面図である。本発明に基づく実施の形態５における振動体アレイの断面図である。本発明に基づく実施の形態５における振動体アレイの平面図である。本発明に基づく実施の形態６における振動体アレイの断面図である。本発明に基づく実施の形態６における振動体アレイの平面図である。本発明に基づく実施の形態７における振動体アレイの断面図である。本発明に基づく実施の形態７における振動体アレイの平面図である。本発明に基づく実施の形態７における振動体アレイを複数個並べて配置した状態の平面図である。本発明に基づく実施の形態８における振動体アレイの断面図である。本発明に基づく実施の形態９における振動体アレイの平面図である。図２２におけるＸＸＩＩＩ－ＸＸＩＩＩ線に関する矢視断面図である。本発明に基づく実施の形態９における振動体アレイの下面図である。

　本発明に基づいた実施の形態および実施例について、個数および量などに言及する場合、特に記載がある場合を除き、本発明の範囲は必ずしもその個数および量などに限定されない。同一の部品および相当部品には同一の参照番号を付す。重複する説明は繰り返さない場合がある。

　（実施の形態１）
　図１～図２を参照して、本発明に基づく実施の形態１における振動体１０１について説明する。図１は、振動体１０１の断面図である。振動体１０１は、支持板１と、圧電体２と、音響整合層３とを備える。

　支持板１は、導電体である。支持板１は、たとえば、高い弾性を有しかつ軽量なステンレスからなる。支持板１は、たとえば平板状である。支持板の厚みはたとえば０．２ｍｍである。支持板１は、第１主面１ａと、第１主面１ａとは反対側を向く第２主面１ｂとを有する。

　圧電体２は、支持板１の第１主面１ａ上に設けられている。圧電体２は、たとえばチタン酸ジルコン酸鉛系セラミックスからなる。圧電体２は、たとえば長さ２．３ｍｍ×幅２．３ｍｍ×高さ２．３ｍｍの立方体形状である。圧電体２における支持板１の第１主面１ａ側の一方主面には電極１５が形成されており、当該一方主面とは反対側を向く他方主面には、電極５が形成されている。圧電体２の一方主面は、導電性接着剤によって支持板１の第１主面１ａに接合されている。これにより、圧電体２の一方主面に設けられた電極は、支持板１と電気的に接続されている。また、圧電体２は、支持板１との間で振動を伝達可能なように第１主面１ａに接合されている。

　音響整合層３は、支持板１の第２主面１ｂ上であって、圧電体２と対向する位置に設けられている。音響整合層３は、たとえば長さ２．３ｍｍ×幅２．３ｍｍ×高さ１．７ｍｍの直方体形状である。音響整合層３は、たとえば内部にガラスバルーンが分散されている樹脂からなる。支持板１の厚み方向を高さ方向と定義すると、音響整合層３の高さ方向に垂直な面である一方主面は、接着剤によって支持板１の第２主面１ｂに接合されている。また、音響整合層３は、支持板１との間で振動を伝達可能なように第２主面１ｂに接合されている。音響整合層３は、支持板１に直接接続されている。したがって、振動体１０１では、隣接層に該当するのは音響整合層３である。

　音響整合層３の一方主面側の端部には、段差部４が設けられている。段差部４は、音響整合層３の一方主面に接する音響整合層３の面、すなわち、音響整合層３の側面から外側に向かって張り出している凸部である。段差部４は音響整合層３と一体的に形成されている。段差部４における音響整合層３の一方主面側の面は、音響整合層３の一方主面から連なっている平面である。段差部４の高さはたとえば０．０５ｍｍである。平面視すると、図５に示すように、段差部４は、音響整合層３の４つの側面のうち互いに対向する２面から張り出されている。なお、段差部４は、隣接層における支持板１に接合されている面に接する隣接層の面のうち、少なくとも１つの面に設けられていればよい。図５に示した例では、音響整合層３は４つの側面を有しているが、このような場合、段差部４は、音響整合層３の４つの側面のうち、少なくとも１つの面に設けられていればよい。

　図１および図２に示すように、音響整合層３と支持板１との接合部の周囲には、音響整合層３と支持板１との接合部からはみ出した接着剤によってフィレット６が形成されている。フィレット６は音響整合層３の段差部４の外側に設けられている。詳述すると、フィレット６は、少なくとも段差部４の一方主面に接する段差部４の面、すなわち、段差部４の側面から支持板１にわたって裾広がりに形成されており、音響整合層３の段差部４以外の部分の側面には形成されない。支持板１と電極５とにはそれぞれ配線が接続されている。支持板１は端子６１と電気的に接続されている。一方、電極５は端子６２と電気的に接続されている。

　振動体１０１に含まれる支持板１の両端は、たとえばアルミニウムからなる筐体（図示せず）に固定されている。

　振動体１０１を送信用途に用いる場合について説明する。圧電体２には、必要に応じて増幅回路（図示せず）により昇圧された交流電圧が端子６１，６２を介して供給される。これにより、圧電体２では振動が発生する。振動は、支持板１を介して音響整合層３へと伝わる。図１において矢印９１で示すように、振動体１０１における音響整合層３側から気中などに向けて超音波が送信（送波）される。ここでいう「振動」は、「厚み縦振動」と明記していない場合であっても、厚み方向に伸びる状態と縮む状態とを交互に繰り返す厚み縦振動を主振動とする振動を意味する。以下の実施の形態においても同様である。

　振動体１０１を受信用途に用いる場合について説明する。振動体１０１には、図示しない抵抗およびコンデンサなどが接続されている。図２において矢印９２で示すように、振動体１０１が超音波を受信した際には、圧電体２は、支持板１とともに振動し、発生した受波信号が端子６１，６２を介して電圧値として受信アンプ（図示せず）に送られ、マイコン（図示せず）に入力される。マイコンにより、異物の有無や重送に関する情報を把握することが可能となる。振動体は、２個１組としてたとえばバンクノートカウンター、ソーターなどの金融機器に用いられる。本発明に基づく振動体および振動体アレイは、紙幣の枚数のカウントに用いることができる。また、紙幣に貼られたテープなどの異物の検知にも用いることができる。

　冒頭で述べたとおり、従来の超音波センサにおいては、音響整合層３の外周に接着剤が無秩序にはみ出してしまうと、音響整合層３の振動を阻害してしまい、音響整合層３の共振周波数がばらついてしまうという問題がある。これに対して、本実施の形態では、支持板１に対して接着剤で貼り付けられる隣接層に段差部４が設けられているので、隣接層から外周に接着剤がはみ出した場合には、はみ出した接着剤によるフィレット６は段差部４の外側に形成される。

　音響整合層３の側面は、音響整合層３の共振周波数に影響を与える部分である。本実施の形態では、このように音響整合層３の共振周波数に影響を与える音響整合層３の側面への余剰接着剤の付着をなるべく回避できるので、音響整合層３と支持板１との接合部からの接着剤のはみ出しによる音響整合層３の共振周波数のばらつきを抑えることができる。

　（シミュレーション）
　以下に発明者が行なったシミュレーションについて説明する。まず、段差部が設けられていない音響整合層を用い、音響整合層の側面の下部に接着剤による一定高さのフィレットを生じさせ、振動の周波数の変化に対するインピーダンスの変化を調べた。フィレットの高さは、０．０５ｍｍ、０．１０ｍｍ、０．１５ｍｍ、０．２０ｍｍの４通りを試した。その結果を図３のグラフに示す。図３からわかるように、周波数とインピーダンスとの関係は、フィレットの高さが変化すると変動した。言い換えれば、周波数とインピーダンスとの関係は、フィレットの高さに依存することがわかった。

　次に、実施の形態１に示すように段差部が設けられた音響整合層を用い、段差部の側面に一定高さのフィレットを生じさせ、振動の周波数の変化に対するインピーダンスの変化を調べた。フィレットの高さは、０．０５ｍｍ、０．１０ｍｍ、０．１５ｍｍ、０．２０ｍｍの４通りを試した。その結果を図４のグラフに示す。図４からわかるように、周波数とインピーダンスとの関係は、フィレットの高さが変化してもほとんど変化しなかった。

　この実験結果から、音響整合層に段差部を設けておけば、たとえフィレットの高さが変化したとしてもインピーダンスの変化を抑制することができるので、音響整合層の共振周波数のばらつきを抑えることができることがわかった。

　なお、上述の実施の形態では、図５に示すように、段差部４は、音響整合層３の４つの側面のうち互いに対向する２面から張り出されていたが、これに限るものではない。たとえば、図６に示すように、段差部４は、音響整合層３の４つある側面の全てから張り出す形のものであってもよい。言い換えれば、段差部４は、平面視して、音響整合層３の外周を取り囲むように設けられていることが好ましい。段差部は、隣接層の支持板１に貼り付けられている面の外周を取り囲むように設けられているともいえる。このように外周を取り囲んでいれば、より確実に音響整合層３の共振周波数のばらつきを抑えることができる。

　（実施の形態１の第１の変形例）
　図７を参照して、本発明に基づく実施の形態１の第１の変形例における振動体について説明する。本変形例では、基本的な構成は、実施の形態１で説明した構成と同様であるが、実施の形態１に比べて以下の点で異なる。

　以下では、音響整合層３の一方主面とは図７における音響整合層３の下面を意味する。この変形例における振動体は、段差部４ａを備える。段差部４ａにおける音響整合層３の一方主面側の面、すなわち、図７における段差部４ａの下面は、音響整合層３の一方主面から連なっている平面であり、段差部４ａにおける音響整合層３の一方主面側の面と反対側の面は、曲面である。詳述すると、段差部４ａは音響整合層３と一体的に形成されているので、段差部４ａにおける音響整合層３の側面から連なる面は、音響整合層３の一方主面側に向かって凹んだ曲面に形成されている。

　（実施の形態１の第２の変形例）
　図８を参照して、本発明に基づく実施の形態１の第２の変形例における振動体について説明する。本変形例では、基本的な構成は、実施の形態１で説明した構成と同様であるが、実施の形態１に比べて以下の点で異なる。

　この変形例における振動体は、段差部４ｂを備える。段差部４ｂにおける音響整合層３の一方主面側の面、すなわち、図８における段差部４ｂの下面は、音響整合層３の一方主面から連なっている平面である。段差部４ｂにおける音響整合層３の一方主面側の面と反対側の面、すなわち、図８における段差部４ｂの上面のうち張出し方向の端部においては、上向きに突出する凸部が設けられている。段差部４ｂは、音響整合層３の側面から外側へと張り出すベース部４ｂ１と、ベース部４ｂ１の端部において上向きに突出する凸部４ｂ２とを含む。図８に示した例では、段差部４ｂの断面はＬ字形状である。なお、凸部４ｂ２は必ずしも段差部４ｂの張り出し方向の終端に設けられているとは限らない。凸部４ｂ２は複数個設けられていてもよい。

　（実施の形態１の第３の変形例）
　図９を参照して、本発明に基づく実施の形態１の第３の変形例における振動体について説明する。本実施の形態では、基本的な構成は、実施の形態１で説明した構成と同様であるが、実施の形態１に比べて以下の点で異なる。

　この変形例における振動体は、円柱形状の音響整合層３ｃを備える。音響整合層３ｃには段差部４ｃが設けられている。音響整合層３ｃにおいては、円柱の底面にあたる部分が接着剤によって第２主面１ｂに接合されている。したがって、音響整合層３の一方主面に接する面は、円柱の外周面に相当する。段差部４ｃは、円柱の下端部において円柱の外周面から外側に向かって張り出している凸部である。なお、図９においては、支持板１より下側に設けられる部分、すなわち、圧電体などは図示省略している。圧電体も円柱形状であってもよい。

　（実施の形態２）
　ここまで、支持板に音響整合層が直接接続されており、音響整合層に段差部が設けられている場合について示した。一方、音響整合層と支持板との間に他の層が設けられている場合であっても、当該他の層に段差部が設けられていれば、フィレットの高さにかかわらず上述の実施の形態１と同様の作用および効果が得られる。

　図１０を参照して、本発明に基づく実施の形態２における振動体について説明する。本実施の形態では、基本的な構成は、実施の形態１で説明した構成と同様であるが、実施の形態１に比べて以下の点で異なる。

　本実施の形態における振動体１０２では、音響整合層３と支持板１との間に他の層として中間層７が介在している。支持板１の厚み方向を高さ方向と定義すると、中間層７の高さ方向に垂直な面である一方主面は、接着剤によって支持板１の第２主面１ｂに接合されている。また、中間層７は、支持板１との間で振動を伝達可能なように第２主面１ｂに接合されている。中間層７は、支持板１に直接接続されている。したがって、振動体１０２では、隣接層に該当するのは中間層７である。中間層７の音響インピーダンスの値は、音響整合層３の音響インピーダンス以上であって、圧電体２の音響インピーダンス以下である。なお、図１０に示した例では中間層７は単一層であるが、中間層７は単一層とは限らず複数層から形成されていてもよい。

　中間層７の一方主面側の端部には、段差部４が設けられている。段差部４は、中間層７の一方主面に接する中間層７の面、すなわち、中間層７の側面から外側に向かって張り出している凸部である。段差部４は中間層７と一体的に形成されている。段差部４における中間層７の一方主面側の面は、中間層７の一方主面から連なっている平面である。段差部４の高さはたとえば０．０５ｍｍである。段差部４は、隣接層における支持板１に接合されている面に接する隣接層の面のうち、少なくとも１つの面に設けられていればよい。すなわち、段差部４は、中間層７の４つの側面のうち、少なくとも１つの面に設けられていればよい。

　図１０および図１１に示すように、中間層７と支持板１との接合部の周囲には、中間層７と支持板１との接合部からはみ出した接着剤によってフィレット６が形成されている。フィレット６は中間層７の段差部４に設けられている。詳述すると、フィレット６は、少なくとも段差部４の一方主面に接する段差部４の面、すなわち、段差部４の側面から支持板１にわたって裾広がりに形成されており、中間層７および音響整合層３の側面には形成されない。

　隣接層が音響整合層ではない場合であっても、隣接層の側面、すなわち、中間層７の側面は、音響整合層の共振周波数に影響を与える部分である。本実施の形態では、このように隣接層の側面への余剰接着剤の付着をなるべく回避できるので、接着剤のはみ出しによる音響整合層の共振周波数のばらつきを抑えることができる。

　（実施の形態３）
　図１２を参照して、本発明に基づく実施の形態３における振動体について説明する。本実施の形態では、基本的な構成は、実施の形態１で説明した構成と同様であるが、実施の形態１に比べて以下の点で異なる。

　本実施の形態における振動体１０３では、圧電体２と支持板１との間に他の層として中間層８が介在している。支持板１の厚み方向を高さ方向と定義すると、中間層８の高さ方向に垂直な面である一方主面は、接着剤によって第１主面１ａに接合されている。また、中間層８は、支持板１との間で振動を伝達可能なように第１主面１ａに接合されている。中間層８は、支持板１に直接接続されている。中間層８の他方主面は、圧電体２の電極１５と接合されている。圧電体２の電極５と電極１５とからそれぞれ配線が引き出され、端子６２，６３が設けられている。振動体１０３では、隣接層に該当するのは音響整合層３である。中間層８の音響インピーダンスの値は、音響整合層３の音響インピーダンス以上であって、圧電体２の音響インピーダンス以下である。なお、図９に示した例では中間層８は単一層であるが、中間層８は単一層とは限らず複数層から形成されていてもよい。

　本実施の形態では、端子６２，６３間に電圧を印加することによって圧電体２を駆動して音響整合層３から超音波を送出することができ、外部から音響整合層３に超音波が入力された場合には、圧電体２に生じる振動を端子６２，６３間の電位差として取り出すことができる。

　本実施の形態では、隣接層としての音響整合層３に段差部４が設けられているので、実施の形態１と同様に、接着剤のはみ出しによる音響整合層の共振周波数のばらつきを抑えることができる。

　（実施の形態４）
　図１３を参照して、本発明に基づく実施の形態４における振動体について説明する。本実施の形態では、基本的な構成は、実施の形態１で説明した構成と同様であるが、実施の形態１に比べて以下の点で異なる。

　本実施の形態における振動体１０４では、圧電体が、圧電体２ａと圧電体２ｂとの２つに分かれており、圧電体２ａと圧電体２ｂとが支持板１を挟んでいる。圧電体２ｂは、音響整合層３と支持板１との間に介在している。支持板１の厚み方向を高さ方向と定義すると、圧電体２ｂの高さ方向に垂直な面である一方主面は、接着剤によって第２主面１ｂに接合されている。圧電体２ｂは、支持板１に直接接続されている。圧電体２ｂの一方主面には、電極１７が設けられ、圧電体２ｂの他方主面には、電極１６が設けられている。

　振動体１０４では、隣接層に該当するのは圧電体２ｂである。圧電体２ｂの一方主面側の端部には、段差部４が設けられている。段差部４は、圧電体２ｂの一方主面に接する圧電体２ｂの面、すなわち、圧電体２ｂの側面から外側に向かって張り出している凸部である。段差部４は圧電体２ｂと一体的に形成されている。段差部４における圧電体２ｂの一方主面側の面は、圧電体２ｂの一方主面から連なっている平面である。段差部４の高さはたとえば０．０５ｍｍである。段差部４は、隣接層における支持板１に接合されている面に接する隣接層の面のうち、少なくとも１つの面に設けられていればよい。すなわち、圧電体２ｂが４つの側面を有する場合には、段差部４は、圧電体２ｂの４つの側面のうち、少なくとも１つの面に設けられていればよい。

　中間層７と支持板１との接合部の周囲には、中間層７と支持板１との接合部からはみ出した接着剤によってフィレット６が形成されている。フィレット６は圧電体２ｂの段差部４に設けられている。詳述すると、フィレット６は、少なくとも段差部４の一方主面に接する段差部４の面、すなわち、段差部４の側面から支持板１にわたって裾広がりに形成されており、圧電体２ｂおよび音響整合層３の側面には形成されない。

　本実施の形態では、支持板１から引き出された配線の先には端子６１が設けられている。電極５と電極１６とからそれぞれ引き出された配線の先には端子６２，６４が設けられている。本実施の形態では、端子６１，６２間および端子６１，６４間にそれぞれ電圧を印加することによって圧電体２ａ，２ｂを駆動して音響整合層３から超音波を送出することができ、外部から音響整合層３に超音波が入力された場合には、圧電体２ｂに生じる振動を端子６１，６４間の電位差として取り出し、圧電体２ａに生じる振動を端子６１，６２間の電位差として取り出すことができる。

　本実施の形態では、隣接層としての圧電体２ｂに段差部４が設けられているので、実施の形態１と同様に、接着剤のはみ出しによる音響整合層の共振周波数のばらつきを抑えることができる。

　（実施の形態５）
　図１４～図１５を参照して、本発明に基づく実施の形態５における振動体アレイについて説明する。本実施の形態における振動体アレイに含まれる振動体の個々の基本的な構成は、実施の形態１で説明した構成と同様であるが、実施の形態１に比べて以下の点で異なる。

　本実施の形態における振動体アレイ２０１では、１つの支持板１に対して、複数の圧電体２と、複数の音響整合層３とが設けられている。

　振動体アレイ２０１を平面図で示すと、図１５のようになる。図１４および図１５に示したように音響整合層３の各々は外周を取り囲むように段差部４を有している。このような音響整合層３を複数個集めて並べて支持板１に貼り付けることによって、図１５に示すように、複数の音響整合層３はマトリックス状に配列されている。

　本実施の形態における振動体アレイ２０１においても、個々の振動体に注目すれば、実施の形態１と同様の効果が得られる。本実施の形態では、振動体が単独ではなく振動体アレイとなっていることにより、送信および受信のいずれの用途においても、複数の振動体を並列に扱う形となるので、各振動体の特性のばらつきを平均化して使用することができる。また、振動体アレイに含まれる複数の振動体のうちいずれを有効にするかを選択することができるので、有効にする振動体の組合せを適宜調整することにより指向性の制御が可能となる。

　（実施の形態６）
　図１６および図１７を参照して、本発明に基づく実施の形態６における振動体アレイについて説明する。本実施の形態では、基本的な構成は、実施の形態５で説明した構成と同様であるが、実施の形態５に比べて以下の点で異なる。

　本実施の形態における振動体アレイ２０２では、複数の音響整合層３は、個別に別部材として作製されてから集められて貼り付けられたものではなく、単一の連続したブロック状の部材に切込み９を設けることによって形成されたものである。切込み９を入れる際に切れ残り部１０が設けられることによって、複数の音響整合層３は互いにつながっている。平面図で示すと、図１７のようになる。

　図１７では、実施の形態５における音響整合層３が２×３に配置されることで合計６個で１つのブロック３１をなしている。この配列はあくまで一例であって、１つのブロックに含まれる音響整合層３の縦および横の個数はここで示した以外の数であってもよい。

　ブロック３１は、支持板１に直接接続されている。したがって、振動体アレイ２０２では、隣接層に該当するのはブロック３１である。支持板１の厚み方向を高さ方向と定義すると、ブロック３１の高さ方向に垂直な面である一方主面は、接着剤によって第２主面１ｂに接合されている。ブロック３１の一方主面側の端部には、段差部４が設けられている。段差部４は、切込み９を入れる際の切れ残り部１０として形成されていてもよい。段差部４は、ブロック３１の一方主面に接するブロック３１の面、すなわち、ブロック３１の側面から外側に向かって張り出している凸部である。段差部４はブロック３１と一体的に形成されている。段差部４におけるブロック３１の一方主面側の面は、中間層７の一方主面から連なっている平面である。段差部４の高さはたとえば０．０５ｍｍである。段差部４は、隣接層における支持板１に接合されている面に接する隣接層の面のうち、少なくとも１つの面に設けられていればよい。すなわち、段差部４は、ブロック３１の４つの側面のうち、少なくとも１つの面に設けられていればよい。

　本実施の形態においても、実施の形態５と同様の効果を得ることができる。本実施の形態では、切れ残り部１０によって複数の音響整合層３がつながっているので、組立て時に複数の音響整合層３は散逸することなく扱いやすい。また、音響整合層３同士の相対的な位置関係もおのずと定まっているので、より確実に音響整合層３の共振周波数のばらつきを抑えることができる。

　（実施の形態７）
　図１８および図１９を参照して、本発明に基づく実施の形態７における振動体アレイ２０３について説明する。本実施の形態では、基本的な構成は、実施の形態５で説明した構成と同様であるが、実施の形態５に比べて以下の点で異なる。

　本実施の形態では、複数の音響整合層３が切れ残り部１０によってつながっているだけでなく、支持板１の反対側に配置されている複数の圧電体２も同様の構造となっている。すなわち、単一の連続したブロック状の部材に切込み１１を設けることによって形成されたものである。切込み１１を入れる際に切れ残り部１２が設けられることによって、複数の圧電体２は互いにつながっている。平面図で示すと、図１９のようになる。

　図１９では、実施の形態５における圧電体２が２×３に配置され、合計６個で１つのブロック３２をなしている。ブロック３２における支持板１の第１主面１ａ側の一方主面と、当該一方主面と対向する他方主面とには、電極１５，５が形成されている。ブロック３２は、外周の四辺のうち長辺に沿って段差部４を有するが、短辺に沿っては段差部４を有していない。

　本実施の形態においても、実施の形態５と同様の効果を得ることができる。本実施の形態では、組立て時に複数の音響整合層３が散逸することなく扱いやすいだけでなく、複数の圧電体２も散逸することなく扱いやすい。また、音響整合層３同士だけでなく圧電体２同士の相対的な位置関係もおのずと定まっているので、より確実に音響整合層３の共振周波数のばらつきを抑えることができる。

　図１９に示すブロック３２は、短辺に段差部４を有していない。したがって、短辺側に別のブロック３２を近接させて並べる際に、異なるブロック３２同士の距離を、１つのブロック３２内での音響整合層３同士の距離と等しくすることができる。図２０では、それぞれ複数の音響整合層３を含む複数のブロック３２が示されているが、支持板１の反対側の表面には、複数のブロック３２に対向する位置にそれぞれ複数の圧電体２を含む複数のブロックが配列される。また、図１７に示すように、１枚の支持板１の表面に複数のブロック３２を並べて配列したものの全体を１つの振動体アレイとみなしてよい。

　（実施の形態８）
　図２１を参照して、本発明に基づく実施の形態８における振動体アレイについて説明する。本実施の形態では、基本的な構成は、実施の形態５および実施の形態７で説明した構成と同様であるが、以下の点で異なる。

　本実施の形態における振動体アレイ２０４では、実施の形態４で示した振動体１０４と同様に、圧電体が圧電体２ａと圧電体２ｂとの２つに分かれており、圧電体２ａと圧電体２ｂとが支持板１を挟んでいる。支持板１の厚み方向を高さ方向と定義すると、圧電体２ｂの高さ方向に垂直な面である一方主面は、接着剤によって第２主面１ｂに接合されている。圧電体２ｂは、支持板１に直接接続されている。圧電体２ｂの一方主面には、電極１７が設けられ、圧電体２ｂの他方主面には、電極１６が設けられている。

　振動体アレイ２０４では、隣接層に該当するのは圧電体２ｂである。圧電体２ｂの一方主面側の端部には、段差部４が設けられている。段差部４は、圧電体２ｂの一方主面に接する圧電体２ｂの面、すなわち、圧電体２ｂの側面から外側に向かって張り出している凸部である。段差部４は圧電体２ｂと一体的に形成されている。段差部４における圧電体２ｂの一方主面側の面は、圧電体２ｂの一方主面から連なっている平面である。段差部４の高さはたとえば０．０５ｍｍである。段差部４は、隣接層における支持板１に接合されている面に接する隣接層の面のうち、少なくとも１つの面に設けられていればよい。すなわち、圧電体２ｂが４つの側面を有する場合、段差部４は、圧電体２ｂの４つの側面のうち、少なくとも１つの面に設けられていればよい。

　図２１における支持板１より上側の部分は、圧電体２ｂと音響整合層３とを積層したものを一体的に形成した後で、切込み１３を入れることによって形成されている。圧電体２ｂの一部は、切込み１３によって切断されずに残されて切れ残り部１４となっている。

　支持板１より下側の部分は、圧電体２ａと電極５とが一体的に形成されたものに対して、一括して切込みを入れることによって形成されている。

　本実施の形態における振動体アレイ２０４は、実施の形態４で説明した振動体１０４をアレイ化したものに相当する。本実施の形態においても、実施の形態５と同様の効果を得ることができる。

　本実施の形態では、図２１における支持板１より上側の部分についても、下側の部分についても、積層体を一体的に形成した後で切込みを入れる製造方法について言及したが、本実施の形態における振動体アレイ２０４を得るには、適宜他の製造方法を用いてもよい。

　（実施の形態９）
　図２２～図２４を参照して、本発明に基づく実施の形態９における振動体アレイについて説明する。本実施の形態では、基本的な構成は、実施の形態５で説明した構成と同様であるが、実施の形態５に比べて以下の点で異なる。

　本実施の形態における振動体アレイ２０５は平面図で示すと図２２のようになる。図２２におけるＸＸＩＩＩ－ＸＸＩＩＩ線に関する矢視断面図は図２３のようになる。図２２では、音響整合層３が配置された側の面が示されているが、これと反対側の面は、図２４に示すようになる。

　本実施の形態では、２×１２の合計２４個の音響整合層３が一体的な板材から作り出されている。すなわち、図２２および図２３に示すように一体的な板材に切込み９を入れることによって２４個の音響整合層３に切り分けられている。切込み９は板材を完全に切断することなく、一部つながった状態で残している。したがって、２４個の音響整合層３は散逸することなく一体物として扱うことができ、支持板１に接着剤で貼り付けられている。２４個の音響整合層３の塊は、長辺側に断続的に段差部４を有している。

　本実施の形態では、圧電体２に関しても、図２３および図２４に示すように一体的な圧電材料の板材に切込み１１を入れることによって２４個の圧電体２に切り分けられている。切込み１１は圧電材料の板材を完全に切断することなく、一部つながった状態で残している。したがって、２４個の圧電体２は散逸することなく一体物として扱うことができ、支持板１に貼り付けられている。

　本実施の形態においても、実施の形態５と同様の効果を得ることができる。
　本実施の形態では、実施の形態５～８で示したものより多くの数の振動体が集まった例として振動体アレイ２０５を示した。なお、本実施の形態における振動体アレイ２０５では、２×１２の合計２４個の振動体が集まって１つの振動体アレイを構成しているが、１つの振動体アレイに含まれる振動体の数は、これに限らず他の個数であってもよい。縦および横の配列の数も本実施の形態で示したものに限らない。

　本実施の形態では、１つの振動体アレイに属する音響整合層３の集合は全て１つの板材から切込み９によって切り分けたものとしたが、元々１つの板材である構成に限るものではなく、元々複数の板材であってもよい。すなわち、各板材から切込み９によって複数個の音響整合層３を切り出すこととし、これらの複数の板材を寄せ集めて配置することによって１つの振動体アレイを構成することとしてもよい。

　ここまで、音響整合層３に注目して説明しているが、１つの振動体アレイに属する音響整合層３の他に圧電体２に関しても同様のことがいえる。

　なお、実施の形態１の第１の変形例及び実施の形態１の第２の変形例に示した段差部の形状は、音響整合層３に設けられた段差部に適用が限られるものではなく、いずれの種類の隣接層においても、隣接層に設けられた段差部に適用することができる。

　なお、上述の実施の形態では、圧電素子はチタン酸ジルコン酸鉛系セラミックスからなるものとしているが、圧電素子の材料はこれに限るものではない。たとえば、ニオブ酸カリウムナトリウム系、アルカリニオブ酸系セラミックスなどの非鉛系圧電セラミックスの圧電材料などからなるものであってもよい。

　なお、今回開示した上記実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。

　１　支持板、１ａ　第１主面、１ｂ　第２主面、２，２ａ，２ｂ　圧電体、３，３ｃ　音響整合層、４，４ａ，４ｂ，４ｃ　段差部、４ｂ１　ベース部、４ｂ２　凸部、５，１５，１６，１７　電極、６　フィレット、７，８　中間層、９，１１，１３　切込み、１０，１２，１４　切れ残り部、３１，３２　ブロック、６１，６２，６３　端子、９１，９２　矢印、１０１，１０２，１０３，１０４　振動体、２０１，２０２，２０３，２０４，２０５　振動体アレイ。

Claims

　第１主面および前記第１主面とは反対側を向く第２主面を有する支持板と、
　前記支持板の前記第１主面の側に設けられている圧電体と、
　前記支持板の前記第２主面の側であって前記圧電体と対向する位置に直接または他の層を介して設けられている音響整合層とを備え、
　前記支持板の前記第２主面の側において前記支持板に隣接するように前記支持板に直接設けられている前記音響整合層または前記他の層を隣接層と定義すると、前記隣接層は、前記支持板に対して接着剤で貼り付けられており、前記隣接層の前記支持板に貼り付けられている面に接する前記隣接層の面のうち、少なくとも１つの面に段差部が設けられており、
　前記段差部から前記支持板にわたって、前記接着剤によるフィレットが形成されている、振動体。
　前記段差部は、前記隣接層の前記支持板に貼り付けられている面に接する前記隣接層の面から、外側に向かって張り出している、請求項１に記載の振動体。
　前記段差部は、前記隣接層の前記支持板に貼り付けられている面の外周を取り囲むように設けられている、請求項１に記載の振動体。
　第１主面および前記第１主面とは反対側を向く第２主面を有する支持板と、
　前記支持板の前記第１主面の側に設けられ、前記第１主面に沿って配列されている複数の圧電体と、
　前記支持板の前記第２主面の側であって前記複数の圧電体とそれぞれ１対１で対向するような位置において、前記支持板との間で振動を伝達可能なように前記支持板に直接または他の層を介して設けられ、前記第２主面に沿って配列されている複数の音響整合層とを備え、
　前記支持板の前記第２主面の側において前記支持板に隣接するように前記支持板に直接設けられている前記複数の音響整合層のいずれかまたは前記他の層を隣接層と定義すると、前記隣接層は、前記支持板に対して接着剤で貼り付けられており、前記隣接層の前記支持板に貼り付けられている面に接する前記隣接層の面のうち、少なくとも１つの面に段差部が設けられており、前記段差部から前記支持板にわたって、前記接着剤によるフィレットが形成されている、振動体アレイ。