WO2020174640A1 - ソナー、超音波振動子及びその製造方法 - Google Patents

ソナー、超音波振動子及びその製造方法 Download PDF

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WO2020174640A1
WO2020174640A1 PCT/JP2019/007745 JP2019007745W WO2020174640A1 WO 2020174640 A1 WO2020174640 A1 WO 2020174640A1 JP 2019007745 W JP2019007745 W JP 2019007745W WO 2020174640 A1 WO2020174640 A1 WO 2020174640A1
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WO
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piezoelectric element
ultrasonic transducer
sonar
base material
ultrasonic
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PCT/JP2019/007745
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流田　賢治
修一 佐野
良延 大窪
重雄 山本
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本多電子株式会社
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S15/00—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems
    • G01S15/88—Sonar systems specially adapted for specific applications
    • G01S15/96—Sonar systems specially adapted for specific applications for locating fish
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
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    • G01S7/52—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S15/00
    • G01S7/521—Constructional features
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R17/00—Piezoelectric transducers; Electrostrictive transducers
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R31/00—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of transducers or diaphragms therefor

Definitions

  • the present invention relates to a sonar that detects an object to be detected such as a school of fish using ultrasonic waves, an ultrasonic transducer suitable for the sonar, and a manufacturing method thereof.
  • a sonar that detects an object to be detected such as a school of fish by transmitting and receiving ultrasonic waves has been known (for example, see Patent Document 1).
  • 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, and by transmitting and receiving ultrasonic waves while rotating the ultrasonic transducer. , Is designed to detect underwater. Then, the detection result of detecting underwater is displayed on the screen as a detection image.
  • the ultrasonic vibrator generally includes a disk-shaped piezoelectric element and an acoustic matching layer bonded to the irradiation surface of the piezoelectric element.
  • the ultrasonic transducer used in the sonar described in Patent Document 1 uses a disk-shaped piezoelectric element, and has a narrow ultrasonic frequency band and a narrow specific band.
  • the ultrasonic transducer used in the sonar described in Patent Document 1 uses a disk-shaped piezoelectric element, and has a narrow ultrasonic frequency band and a narrow specific band.
  • interference with other ships is likely to occur.
  • it is sufficient to remove the drive frequency used by a nearby ship and transmit/receive ultrasonic waves, but when the ratio band is narrow, there are few choices of frequencies that can be changed. Therefore, it is required to use an ultrasonic transducer having a wide ultrasonic specific band.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide a sonar that can widen the specific band of ultrasonic waves without increasing the size of the ultrasonic vibrator. Another object of the present invention is to provide an ultrasonic transducer capable of expanding the specific band of ultrasonic waves without increasing the size. Further, another object is to provide a method of manufacturing an ultrasonic transducer which is easy to manufacture and has a high yield.
  • the invention according to claim 1 is a sonar having an ultrasonic transducer for transmitting and receiving ultrasonic waves, and a mechanism for inclining 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 pillars that are divided so as to extend along the thickness direction, and the front surface and the opposite surface that are joined to the base material.
  • a piezoelectric element made of a ceramic plate having a back surface on the side, and the plurality of pillars are connected to each other at the front end of the piezoelectric element.
  • the piezoelectric element forming the ultrasonic transducer is formed by the plurality of pillars divided so as to extend along the thickness direction, the adjacent pillars are adjacent to each other. A gap is created between them.
  • the piezoelectric element is easily deformed in the thickness direction at each portion. That is, since the piezoelectric element is likely to vibrate, the electromechanical coupling coefficient of ultrasonic waves is increased and the specific band is widened. Therefore, when changing the frequency of the ultrasonic wave, the choices of the frequency that can be changed become wider.
  • the resonance frequency of the piezoelectric element is lowered by dividing the piezoelectric element into a plurality of pillar portions. That is, the resonance frequency of the piezoelectric element can be lowered without increasing the size of the ultrasonic transducer due to the thickening of the piezoelectric element. As a result, the driving frequency of the piezoelectric element is lowered and the attenuation of ultrasonic waves during propagation is reduced, so that the depth of ultrasonic waves emitted from the piezoelectric element can be extended.
  • the height of the pillar portion is 80% or more and less than 100% of the thickness of the piezoelectric element, and the entire front surface of the piezoelectric element is a front surface side.
  • the gist is that it is bonded to the base material via an electrode layer.
  • the height of the pillar portion is 80% or more of the thickness of the piezoelectric element, the gap generated between the adjacent pillar portions becomes deep. As a result, the pillar portion is easily deformed in the height direction, and the sensitivity of the ultrasonic transducer is increased. Moreover, since the height of the pillar is less than 100% of the thickness of the piezoelectric element, even if the piezoelectric element is divided into a plurality of pillars, the pillars are not separated from each other at the front end of the piezoelectric element. The thickness of the connected portion is secured. As a result, the strength of the piezoelectric element can be secured. Furthermore, since the entire front surface of the piezoelectric element is bonded to the base material, the contact area between the two becomes large, so the bonding strength between the piezoelectric element and the base material improves.
  • the invention according to claim 3 is the gist of claim 1 or 2, wherein the maximum dimension when the pillar portion is viewed from the thickness direction is 80% or less of the height of the pillar portion. To do.
  • the bending vibration of the pillar portion is reduced by setting the maximum dimension of the pillar portion when viewed from the thickness direction to 80% or less of the height of the pillar portion. As a result, it becomes easy to vibrate each pillar portion along the thickness direction of the piezoelectric element.
  • examples of the shape of the pillar portion include a polygonal columnar shape and a columnar shape.
  • the pillar portion has a polygonal pillar shape represented by, for example, a square pillar shape or a hexagonal pillar shape
  • the maximum dimension when the pillar portion is viewed from the thickness direction is the length of a diagonal line of the tip end surface (back surface) of the pillar portion.
  • the maximum dimension when the pillar portion is viewed from the thickness direction is the size of the diameter of the tip surface of the pillar portion.
  • the thickness of the base material is preferably smaller than the height of the pillar.
  • the base material is formed thinner than the piezoelectric element, so that the size of the ultrasonic transducer including the base material and the piezoelectric element can be reduced. Further, since the base material is formed thin, it is possible to reduce attenuation when ultrasonic waves pass through the base material.
  • a sonar dome that accommodates the ultrasonic transducer and the mechanism is provided, and an ultrasonic wave that propagates the ultrasonic wave in the sonar dome is provided.
  • the gist of the invention is that the ultrasonic wave propagating liquid is filled and the ultrasonic wave propagating liquid can flow into the gap between the adjacent column portions.
  • the ultrasonic waves emitted from the ultrasonic transducer can be reliably transmitted to the outside of the sonar through the ultrasonic wave propagating liquid and the sonar dome. Further, the reflected wave of the ultrasonic wave emitted from the ultrasonic vibrator and reflected by the object to be detected can be reliably transmitted to the ultrasonic vibrator via the sonar dome and the ultrasonic wave propagating liquid. Further, when the ultrasonic wave propagating liquid flows into the space between the adjacent pillars, the heat generated from the piezoelectric element when a voltage is applied to the ultrasonic vibrator is transmitted through the ultrasonic wave propagating liquid (and the sonar dome). Can be diffused outside the sonar.
  • the ultrasonic wave propagating liquid circulates in the sonar dome, so that heat generated from the piezoelectric element is easily diffused through the ultrasonic wave propagating liquid. Therefore, the life of the sonar can be improved and the performance of the sonar can be prevented from being degraded.
  • the intrinsic acoustic impedance of the base material is smaller than the intrinsic acoustic impedance of the piezoelectric element and larger than the intrinsic acoustic impedance of the ultrasonic wave propagating liquid.
  • the specific acoustic impedance of the base material is set between the specific acoustic impedance of the piezoelectric element and the specific acoustic impedance of the ultrasonic wave propagating fluid. As a result, the reflectance is reduced, so that the transmission/reception sensitivity of the ultrasonic transducer can be improved.
  • the base material can be appropriately selected in consideration of the inherent acoustic impedance, the 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 QUADRANT group), fluorosint (QUADRANT group). (Registered trademark), alumina porous body, and the like.
  • a sound velocity of a longitudinal wave propagating in the piezoelectric element is set to c1
  • a thickness of the piezoelectric element is set to t1
  • the inside of the base material is set.
  • the invention according to claim 7 is an ultrasonic transducer for transmitting and receiving ultrasonic waves, comprising a base material also serving as an acoustic matching layer, and a plurality of pillar portions divided so as to extend along the thickness direction. And a piezoelectric element made of a ceramic plate having a front surface joined to the base material and a back surface opposite to the front surface, and the plurality of pillars are connected to each other at the front end.
  • the gist is an ultrasonic transducer characterized in that.
  • the piezoelectric element forming the ultrasonic transducer is formed by a plurality of pillar portions divided so as to extend along the thickness direction, adjacent pillar portions are formed. A gap is created between them.
  • the piezoelectric element is easily deformed in the thickness direction at each portion. That is, since the piezoelectric element is likely to vibrate, the electromechanical coupling coefficient of ultrasonic waves is increased and the specific band is widened. Therefore, when changing the frequency of the ultrasonic wave, it is possible to expand the choices of the frequency that can be changed.
  • the resonance frequency of the piezoelectric element is lowered by dividing the piezoelectric element into a plurality of pillar portions. That is, the resonance frequency of the piezoelectric element can be lowered without increasing the size of the ultrasonic transducer due to the thickening of the piezoelectric element. As a result, the driving frequency of the piezoelectric element is lowered and the attenuation of ultrasonic waves during propagation is reduced, so that the depth of ultrasonic waves emitted from the piezoelectric element can be extended.
  • the invention according to claim 8 is the method for manufacturing an ultrasonic transducer according to claim 7, wherein a front electrode layer is formed on the front surface of the ceramic plate-like object to be the piezoelectric element.
  • An electrode layer forming step of forming a back electrode layer on the back surface of the ceramic plate, a joining step of joining the ceramic plate to the base material through the front electrode layer, and the joining After the step, by forming a plurality of notches on the back surface side of the ceramic plate-like object, the ceramic plate-like object is divided into the plurality of pillar parts in a state of being connected to each other at the front end portion.
  • the gist is a method for manufacturing an ultrasonic transducer, which includes a pillar forming step.
  • the ceramic plate-like material is bonded to the base material before forming the notches in the ceramic plate-like material, the base material is not formed when performing the pillar portion forming step. It becomes the “support” of the ceramic plate-like material. As a result, even if the notch is formed, the ceramic plate-like object is less likely to be damaged. In addition, it is possible to form a notch at a considerably deep position of the ceramic plate-like material. Further, since the back surface side electrode layer is formed on the back surface of the ceramic plate-shaped material before the back surface of the ceramic plate-shaped material is divided by forming the notch, the formation of the back surface side electrode layer is facilitated.
  • a voltage is applied between the front-side electrode layer and the back-side electrode layer to remove the ceramic plate-like material.
  • the gist of the present invention is to further perform a polarization treatment step of polarization in the thickness direction.
  • the polarization treatment step is performed before the pillar portion forming step, the front surface side electrode layer and the back surface side electrodes on the tip surfaces (back surfaces) of all the pillar portions are formed. Since it is not necessary to apply a voltage to the layer, the polarization can be easily performed.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing the ultrasonic transducer in a state of being housed in a case.
  • the top view which shows an ultrasonic transducer.
  • the side view which shows an ultrasonic transducer.
  • Sectional drawing which shows a pillar part.
  • the perspective view which shows a pillar part.
  • the block diagram which shows the electric constitution of a sonar.
  • (A) is sectional drawing which shows the pillar part at the time of extension
  • (b) is sectional drawing which shows the pillar part at the time of contraction
  • 6 is a graph showing the relationship between frequency and transmission/reception sensitivity product in Examples 1 to 4 and Comparative Example 3.
  • the sonar 11 of the present embodiment is used by being mounted on the bottom of the ship 10.
  • the sonar 11 is a device that detects an object S1 to be detected such as a school of fish existing in water by irradiating the water with ultrasonic waves W1.
  • the sonar 11 is attached to the lifting device 12.
  • the elevating device 12 is a device that raises and lowers the sonar 11 to move the sonar 11 in and out of the water from the bottom of the ship.
  • 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 unit 14 and a display unit 15.
  • the sonar 11 includes a sonar dome 20.
  • the sonar dome 20 is made of a resin material such as ABS resin (acrylonitrile butadiene styrene resin), and is composed of an upper case 21, a lower case 22 and a lid 23.
  • the upper case 21 is a bottomed cylindrical case that opens at the lower end
  • the lower case 22 is a bottomed cylindrical case that opens at the upper end.
  • the lower end of the lower case 22 has a dome shape (hemispherical shape).
  • the lid 23 has a disc shape and is for closing the lower end side opening of the upper case 21 and the upper end side opening of the lower case 22.
  • the lid 23 and the upper case 21 form an upper housing space 24, and the lid 23 and the lower case 22 form a lower housing space 25.
  • the sonar dome 20 houses an ultrasonic transducer 41 that transmits and receives the ultrasonic wave W1, and a tilt rotation mechanism 30 that tilts and rotates the central axis O1 of the ultrasonic transducer 41.
  • 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 central portion of the lid body 23 in the upper accommodation space 24.
  • a stepping motor is used as the scan motor 31 of this embodiment.
  • the output shaft 31 a of the scan motor 31 is inserted into a through hole 33 provided in the central portion of the lid body 23 and projects into the lower housing space 25.
  • the tip of the output shaft 31a is connected to the central portion of a disc-shaped support plate 34, and a support frame 35 is attached to the lower surface of the support plate 34.
  • the support frame 35 has a U-shape having a pair of arms 35a.
  • the case 40 is formed of a resin material such as ABS resin into a bottomed cylindrical shape having an opening at one end, and the case 40 has a space between both arm portions 35 a of the support frame 35. It is attached to the connecting rotary 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 central axis O1 of) the ultrasonic transducer 41 rotate about the output shaft 31a. Along with this, the irradiation direction of the ultrasonic waves W1 output from the ultrasonic transducer 41 changes along the circumferential direction of the output shaft 31a.
  • 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 in parallel with the rotation shaft 36, and the pinion gear 32b is attached to the tip portion thereof.
  • the pinion gear 32b 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 case 40 and the ultrasonic transducer 41 (the central axis O1 thereof) incline about the rotation shaft 36 as the pinion gear 32b and the tilt gear 37 rotate. Rotate. Accordingly, the irradiation angle of the ultrasonic wave W1 output from the ultrasonic vibrator 41 also changes with the rotation of the ultrasonic vibrator 41.
  • the ultrasonic transducer 41 includes a base material 42 and a piezoelectric element 43.
  • the base material 42 is a resin plate-like material formed by using glass epoxy (FR-4) which also serves as an acoustic matching layer, and has an outer diameter of 58.5 mm and a thickness t2 (see FIG. 7). It has a disc shape of 3.0 mm.
  • the intrinsic 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 more and 9 ⁇ 10 6 (Pa ⁇ s/m) or less.
  • each overhanging portion 44 is provided with a screw hole 45.
  • the screw holes 45 are arranged at equal angle (90°) intervals with respect to the central axis O1 of the ultrasonic transducer 41.
  • a screw (not shown) is inserted into each screw hole 45, and the tip end portion of the inserted screw is screwed to the case 40.
  • the ultrasonic transducer 41 is fixed to the case 40 (see FIG. 5).
  • the piezoelectric element 43 is, for example, a ceramic plate-like material formed using lead zirconate titanate (PZT), which is a piezoelectric ceramic, and has a specific acoustic impedance of 32 ⁇ 10 6 (Pa ⁇ s/m). Has become.
  • the piezoelectric element 43 has a disk shape with an outer diameter of 49.5 mm and a thickness t1 (see FIG. 7) of 7.2 mm. Therefore, since the outer diameter of the piezoelectric element 43 is smaller than the outer diameter (58.5 mm) 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 has a front surface 51 joined to the base material 42, a back surface 52 opposite to the front surface 51, and an outer peripheral surface 53 orthogonal to the front surface 51 and the back surface 52. Furthermore, as shown in FIGS. 5 and 8, a front surface side electrode layer 54 is formed on the front surface 51 of the piezoelectric element 43, and a back surface side electrode layer 55 is formed on the back surface 52 of the piezoelectric element 43. In this embodiment, the entire front surface 51 of the piezoelectric element 43 is bonded to the base material 42 via the front electrode layer 54 and the adhesive layer 56 (see FIG. 8).
  • the piezoelectric element 43 is composed of a plurality of pillar portions 57 divided so as to extend along the thickness direction.
  • Each pillar 57 is configured by forming a plurality of first cuts K1 and a plurality of second cuts K2 orthogonal to each first cut K1 on the back surface 52 side of the piezoelectric element 43.
  • the respective first cuts K1 are arranged in parallel with each other, have a width of 0.5 mm, and have a pitch P1 (see FIG. 6) between adjacent first cuts K1 of 2.9 mm.
  • the respective second cuts K2 are also arranged in parallel with each other, and have a width of 0.5 mm and a pitch P2 (see FIG.
  • the pillar portion 57 that does not form the outer peripheral surface 53 is formed in a regular square pillar shape.
  • the pillars 57 are arranged in a straight line along the X direction (see FIG. 6) and also in a straight line along the Y direction (see FIG. 6).
  • the respective pillar portions 57 are connected to each other at the end portion on the front surface 51 side of the piezoelectric element 43.
  • the height H1 (thickness) of the column portion 57 is 6.7 mm, which is about 93% of the thickness t1 (7.2 mm) of the piezoelectric element 43 ( ⁇ 6.7/7.2 ⁇ 100). Is.
  • the height H1 is equal to the depth of the cuts K1 and K2.
  • the thickness t2 (3.0 mm) of the base material 42 described above is smaller than the height H1 of the column portion 57.
  • the tip surface 58 (back surface 52) of the column portion 57 has a square shape in a plan view, and the lengths L1 and L2 of the respective sides forming the tip surface 58 are mutually different. They are equal and are 2.4 mm each. Therefore, the widths (0.5 mm) of the above-described cuts K1 and K2 are equal to each other, and are 100% or less of the lengths L1 and L2, preferably 17% or more and 30% or less (about 21% ( ⁇ 0. 5/2.4 ⁇ 100)).
  • 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) of the column portion 57 when viewed from the thickness direction.
  • the maximum dimension L3 is about 51% of the height H1 of the column 57 ( ⁇ 3.39/6.7 ⁇ 100). Furthermore, the total area of the tip surfaces 58 of the respective pillar portions 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 (rear surface 52) of the piezoelectric element 43.
  • the piezoelectric element 43 of the present embodiment is formed of lead zirconate titanate (PZT), and the center frequency of the ultrasonic wave W1 having the maximum sensitivity is 160 kHz or more and 200 kHz or less, and the frequency bandwidth and the center frequency are The ratio (ratio band) is 27% or more and 52% or less.
  • the sound velocity c1 of the longitudinal wave (ultrasonic wave W1) propagating in the piezoelectric element 43 is 4160 m/s.
  • the base material 42 is made of glass epoxy (FR-4), and the sound velocity c2 of the longitudinal wave (ultrasonic wave W1) propagating in the base material 42 is 2460 m/s.
  • a copper foil 61 is attached to the entire back surface 52 of the piezoelectric element 43 via a back electrode layer 55.
  • the copper foil 61 of the present embodiment is adhered to the back surface 52 via an adhesive (not shown) containing a conventionally known conductive filler. By adhering the copper foil 61, the copper foil 61 becomes a common electrode on the tip surface 58 of each pillar 57.
  • the first lead wire 62 is connected to the front electrode layer 54, and the second lead wire 63 is connected to the copper foil 61.
  • the first lead wire 62 is connected by soldering or the like to a side terminal (not shown) extending outward from the front electrode layer 54.
  • the second lead wire 63 is connected to the outer peripheral portion of the copper foil 61 by soldering or the like.
  • the first lead wire 62 and the second lead wire 63 are bound by the wiring tube 64 and drawn out of the case 40.
  • the first lead wire 62 is connected to the side surface terminal, a copper foil is formed on the front electrode layer 54 and the first lead wire 62 is connected to the copper foil by soldering or the like. Good.
  • a sheet-shaped soundproof material 65 is attached to the back surface 52 side of the piezoelectric element 43.
  • the soundproof material 65 is for suppressing reverberation, and is also attached to the inner peripheral surface of the case 40.
  • a resin material or rubber containing particles or fibers made of metal or ceramics, or a resin material having pores dispersedly provided (sponge etc.) is used. Can be used.
  • the sonar dome 20 shown in FIGS. 3 and 4 is filled with an ultrasonic wave propagating liquid (not shown) that propagates the ultrasonic wave W1. Further, a part of the ultrasonic wave propagating liquid flows into the case 40 via a liquid passage (not shown) provided in the case 40, and a gap K0 (cutout K1, between the adjacent column portions 57 in the piezoelectric element 43). K2) and fills the void K0.
  • the ultrasonic wave propagating liquid of the present embodiment is liquid paraffin and has a specific acoustic impedance of 1.2 ⁇ 10 6 (Pa ⁇ s/m).
  • the intrinsic acoustic impedance of the base material 42 (2.3 to 14 ⁇ 10 6 (Pa ⁇ s/m)) is equal to the intrinsic acoustic impedance of the piezoelectric element 43 (32 ⁇ 10 6 (Pa ⁇ s/m)). Is smaller than the specific acoustic impedance of the ultrasonic wave propagating liquid.
  • the liquid crystal monitor 13 of the sonar 11 includes 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.
  • the CPU 71 is electrically connected to the scan motor 31 and the tilt motor 32 via a motor driver 81, and controls them by various drive signals. Further, 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, an electric signal indicating the ultrasonic wave W1 (reflected wave W2) received by the ultrasonic transducer 41 is input to the transmission/reception circuit 82. Further, the CPU 71 is electrically connected to the lifting device 12, the operation unit 14, the display unit 15, and the GPS (Global Positioning System) receiving unit 83.
  • GPS Global Positioning System
  • the CPU 71 shown in FIG. 10 controls the transmission/reception circuit 82 to irradiate the ultrasonic wave W1 from the ultrasonic transducer 41, and also controls the elevation device 12.
  • the CPU 71 controls the motor driver 81 to drive the scan motor 31 and the tilt motor 32, respectively.
  • the position information of the ship 10 received by the GPS receiver 83 is input to the CPU 71.
  • 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 detection image data based on the received signal received, and stores the generated detection 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.
  • each pillar portion 57 of the piezoelectric element 43 repeats contraction (see FIG. 11B) and expansion (see FIG. 11A).
  • the pillar portion 57 contracts in the height direction, the pillar portion 57 is deformed so as to escape in the width direction, specifically, to the outer peripheral side of the pillar portion 57 (see arrow F1 in FIG.
  • the pillar portion 57 extends in the height direction, the pillar portion 57 is deformed in the width direction, specifically, toward the central portion side of the pillar portion 57 (see the arrow F2 in FIG. 11A).
  • the piezoelectric element 43 vibrates, and the ultrasonic wave W1 is emitted (transmitted) from the ultrasonic vibrator 41 to the water.
  • the ultrasonic wave W1 reaches the detected object S1 (see FIG. 1)
  • the ultrasonic wave W1 is reflected by the detected object S1 and becomes a reflected wave W2, which propagates toward the sonar 11 and propagates to the ultrasonic transducer 41. Is input (received) to.
  • the ultrasonic wave W1 (reflected wave W2) received by the ultrasonic transducer 41 is converted into a reception signal and input to the CPU 71 via the transmission/reception circuit 82.
  • the detected object S1 is detected.
  • the CPU 71 also controls 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 wave W1 gradually changes, and the detection range also gradually changes accordingly. After that, when the worker turns off the power supply, the control device 70 stops the transmission/reception circuit 82, and the irradiation of the ultrasonic wave W1 and the reception of the reflected wave W2 are completed.
  • the base material 42 is prepared. Specifically, a resin plate made of glass epoxy (FR-4) is cut into a disc shape. Further, a ceramic plate-like material to be the piezoelectric element 43 is prepared. Specifically, after producing a disk-shaped ceramic sintered body made of lead zirconate titanate (PZT), surface polishing is performed to obtain a ceramic plate-shaped article. Next, an electrode layer forming step is performed to form a front side electrode layer 54 on the front surface 51 of the ceramic plate-shaped material and a back side electrode layer 55 on the back surface 52 of the ceramic plate-shaped material. Specifically, the silver paste is applied to the front surface 51 and the back surface 52 of the ceramic plate, respectively, and the applied silver paste is fired to form the electrode layers 54 and 55. Then, after the electrode layer forming step, a polarization treatment step is further performed. In the polarization treatment step, a voltage is applied between the front electrode layer 54 and the back electrode layer 55 to polarize the ceramic plate in the thickness direction.
  • the ceramic plate-like material is joined to the base material 42 via the front electrode layer 54.
  • an adhesive such as an epoxy-based adhesive
  • the piezoelectric element 43 is adhesively fixed. Instead of applying the adhesive, brazing using solder or the like may be performed.
  • a plurality of cuts K1 and K2 are formed on the back surface 52 side of the ceramic plate-like object by performing cutting work or the like.
  • a depth (6.7 mm in the present embodiment) of 80% or more and less than 100% (about 93% in the present embodiment) of the thickness t1 (7.2 mm) of the ceramic plate-shaped material is obtained.
  • the ceramic plate-like material is divided into a plurality of pillar portions 57, and the back 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 pillar portions 57).
  • the piezoelectric element 43 is completed.
  • the front electrode layer 54 formed on the front surface 51 is not divided.
  • a copper foil 61 is attached to the entire back surface 52 of the piezoelectric element 43, and the copper foil 61 is used as a common electrode on the tip surface 58 of each pillar 57. At this point, the ultrasonic transducer 41 is completed.
  • the first lead wire 62 is connected to the front electrode layer 54 via a side terminal (not shown) by soldering or the like, and the copper foil 61 is connected to the first lead wire 62.
  • the second lead wire 63 is connected by soldering or the like.
  • a soundproof material 65 for suppressing reverberation is attached to the back surface 52 side of the piezoelectric element 43. Further, the soundproof material 65 is also attached to the inner surface of the case 40. Then, the piezoelectric element 43 of the ultrasonic transducer 41 is housed in the case 40.
  • the ultrasonic transducer 41 is fixed to the case 40 (see FIG. 5). Further, the case 40 to which the ultrasonic transducer 41 is fixed is attached to the rotary shaft 36 in the sonar dome 20. Then, the sonar dome 20 is filled with an ultrasonic wave propagating liquid (not shown). At this time, a part of the ultrasonic wave propagating liquid flows into the case 40 via a liquid passage (not shown) provided in the case 40, and then flows into the space K0 between the adjacent pillar portions 57 in the piezoelectric element 43. .. At this point, the ultrasonic transducer 41 is incorporated into the sonar dome 20 to complete the sonar 11.
  • the inventors of the present invention confirmed a suitable vibration mode of the column portion included in the piezoelectric element by trial manufacture.
  • a measurement sample was prepared as follows.
  • the lengths L1 and L2 of the pillars are 2.4 mm
  • the height H1 of the pillars is 6.85 mm
  • the maximum dimension L3 (diagonal length) when the pillars are viewed from the thickness direction is about 3.39 mm. Therefore, an ultrasonic transducer having a maximum dimension L3 of about 50% of the height H1 ( ⁇ 3.39/6.85 ⁇ 100) is prepared, which is used in Example 1 (Examples 2 to 6, 10, The same applies to 13, 14, 19, 21 to 29).
  • the lengths L1 and L2 are 2.4 mm, the height H1 is 6.7 mm, the maximum dimension L3 is about 3.39 mm, and the maximum dimension L3 is about 51% of the height H1 ( ⁇ 3.39/6.7).
  • An ultrasonic transducer of ⁇ 100) was prepared, and this was set as Example 7.
  • the lengths L1 and L2 are 3.0 mm, the height H1 is 6.85 mm, the maximum dimension L3 is about 4.24 mm, and the maximum dimension L3 is about 62% of the height H1 ( ⁇ 4.24/6.85).
  • An ultrasonic transducer of ⁇ 100) was prepared, and this was set as Example 8.
  • the lengths L1 and L2 are 2.4 mm, the height H1 is 7.25 mm, the maximum dimension L3 is about 3.39 mm, and the maximum dimension L3 is about 47% of the height H1 ( ⁇ 3.39/7.25).
  • An ultrasonic transducer of ⁇ 100 was prepared, and this was set as Example 9.
  • the lengths L1 and L2 are 2.4 mm, the height H1 is 6.35 mm, the maximum dimension L3 is about 3.39 mm, and the maximum dimension L3 is about 53% of the height H1 ( ⁇ 3.39/6.35).
  • An ultrasonic transducer of ⁇ 100) was prepared and used as Example 11.
  • the lengths L1 and L2 are 2.4 mm, the height H1 is 5.85 mm, the maximum dimension L3 is about 3.39 mm, and the maximum dimension L3 is about 58% of the height H1 ( ⁇ 3.39/5.85).
  • An ultrasonic transducer of ⁇ 100) was prepared and used as Example 12.
  • the lengths L1 and L2 are 3.0 mm, the height H1 is 6.2 mm, the maximum dimension L3 is about 4.24 mm, and the maximum dimension L3 is about 68% of the height H1 ( ⁇ 4.24/6.2).
  • An ultrasonic transducer of ⁇ 100) was prepared, and this was set as Example 15.
  • the lengths L1 and L2 are 3.5 mm, the height H1 is 6.2 mm, the maximum dimension L3 is about 4.95 mm, and the maximum dimension L3 is about 80% of the height H1 ( ⁇ 4.95/6.2).
  • An ultrasonic transducer of ⁇ 100) was prepared, and this was used as Example 16.
  • the lengths L1 and L2 are 2.4 mm, the height H1 is 5.3 mm, the maximum dimension L3 is about 3.39 mm, and the maximum dimension L3 is about 64% of the height H1 ( ⁇ 3.39/5.3).
  • An ultrasonic transducer of ⁇ 100) was prepared and used as Example 17 (same as Example 18).
  • the length L1 is 2.4 mm, the length L2 is 3.0 mm, the height H1 is 6.85 mm, the maximum dimension L3 is about 3.84 mm, and the maximum dimension L3 is about 56% of the height H1 ( ⁇ 3.
  • An ultrasonic transducer of 0.84/6.85 ⁇ 100) was prepared and used as Example 20.
  • the lengths L1 and L2 are 4.0 mm, the height H1 is 6.2 mm, the maximum dimension L3 is about 5.66 mm, and the maximum dimension L3 is about 91% of the height H1 ( ⁇ 5.66/6.2).
  • An ultrasonic transducer of ⁇ 100) was prepared and used as Comparative Example 1.
  • the lengths L1 and L2 are 2.4 mm, the height H1 is 4.35 mm, the maximum dimension L3 is about 3.39 mm, and the maximum dimension L3 is about 78% of the height H1 ( ⁇ 3.39/4.35).
  • An ultrasonic transducer of ⁇ 100) was prepared and used as Comparative Example 2.
  • the piezoelectric element does not have a pillar portion, the height H1 (here, the thickness of the piezoelectric element) is 7.35 mm, and the maximum dimension L3 (here, the outer diameter of the piezoelectric element) is 49.5 mm.
  • An ultrasonic transducer was prepared in which the dimension L3 was about 673% of the height H1 ( ⁇ 49.5/7.35 ⁇ 100), and this was set as Comparative Example 3.
  • Table 1 shows the dimensions of each part of Examples 1 to 29 and Comparative Examples 1 to 3.
  • Examples 1 to 29 and Comparative Examples 1 to 3 were compared to each measurement sample (Examples 1 to 29 and Comparative Examples 1 to 3). Specifically, first, a voltage of 1.5 kVpp was applied to the ultrasonic transducers of Examples 1 to 29 and Comparative Examples 1 to 3, and a diameter of 57 mm at a position 0.5 m away from the ultrasonic transducer. Ultrasonic waves (burst waves) were irradiated (transmitted) to the phenolic resin spheres. Further, the frequency was switched in a plurality of steps between 100 kHz and 340 kHz, and ultrasonic waves were applied at each of the switched frequencies.
  • a voltage of 1.5 kVpp was applied to the ultrasonic transducers of Examples 1 to 29 and Comparative Examples 1 to 3, and a diameter of 57 mm at a position 0.5 m away from the ultrasonic transducer. Ultrasonic waves (burst waves) were irradiated (transmitted) to the phenolic resin
  • the ultrasonic wave (reflected wave) reflected by the phenolic resin sphere is received by the ultrasonic vibrator about 670 ⁇ s after the transmission, and a voltage signal is generated at both ends of the ultrasonic vibrator. Therefore, the voltage amplitudes of the ultrasonic transducer during transmission and reception were measured with an oscilloscope, and the maximum transmission/reception sensitivity product, frequency band, lower limit frequency f1 and upper limit frequency f2 were calculated based on the results. Next, the center frequency fm and the frequency bandwidth ⁇ f were calculated based on the calculated lower limit frequency f1 and upper limit frequency f2. Further, the ratio band ⁇ f/fm was calculated based on the calculated center frequency fm and frequency band width ⁇ f.
  • the transmission/reception sensitivity product is the ratio of the reception voltage amplitude V 2 to the transmission voltage amplitude V 1 and is calculated from the equation of 20 ⁇ log(V 2 /V 1 ).
  • the maximum transmission/reception sensitivity product indicates a value at which the transmission/reception sensitivity product becomes maximum within the range of 100 kHz to 340 kHz.
  • the frequency band indicates a frequency range in which the transmission/reception sensitivity product is within 6 dB less than the maximum transmission/reception sensitivity product.
  • the lower limit frequency f1 indicates the lower limit frequency in the frequency band
  • the upper limit frequency f2 indicates the upper limit frequency in the frequency band.
  • the center frequency fm indicates an intermediate value between the lower limit frequency f1 and the upper limit frequency f2, and is calculated from the formula (f1+f2)/2.
  • the frequency bandwidth ⁇ f indicates the difference between the lower limit frequency f1 and the upper limit frequency f2.
  • the ratio band ⁇ f/fm indicates the ratio between the frequency band width ⁇ f and the center frequency fm.
  • Table 2 shows the values of Examples 1 to 29 and Comparative Examples 1 to 3.
  • the graph of FIG. 12 shows the results of Examples 1 to 4 and Comparative Example 3 in particular.
  • Example 1 the maximum transmission/reception sensitivity product is ⁇ 45.5 dB
  • the frequency band is 142 kHz or more and 230 kHz or less
  • the center frequency is 186 kHz
  • the ratio band ⁇ f/fm is 47%. It was confirmed that In Example 2 (see “ ⁇ ” in FIG.
  • the maximum transmission/reception sensitivity product is ⁇ 45.0 dB
  • the frequency band is 147 kHz or more and 235 kHz or less
  • the center frequency is 191 kHz
  • the specific band ⁇ f/fm is 46%. It was confirmed.
  • the maximum transmission/reception sensitivity product is ⁇ 47.0 dB
  • the frequency band is 138 kHz or more and 235 kHz or less
  • the center frequency is 187 kHz
  • the specific bandwidth ⁇ f/fm is 52%. It was confirmed.
  • Example 4 see “ ⁇ ” in FIG.
  • the maximum transmission/reception sensitivity product is ⁇ 45.0 dB
  • the frequency band is 150 kHz or more and 210 kHz or less
  • the center frequency is 180 kHz
  • the ratio band ⁇ f/fm is 33%. It was confirmed. Further, as shown in Table 2, it was also confirmed that in Examples 1 to 29, the specific bandwidth ⁇ f/fm was 24% or more.
  • Comparative Example 3 in which the piezoelectric element does not have the pillar portion, although the oscillation frequency of the ultrasonic wave W1 at the location where the maximum transmission/reception sensitivity product is calculated is around 290 kHz, It was confirmed that the maximum transmission/reception sensitivity product was lower than those in Examples 1 to 4 ( ⁇ 50.0 dB), and thus the sensitivity was low. Moreover, in Comparative Example 3, the frequency band is in a range higher than that of Examples 1 to 4 (270 kHz or more and 310 kHz or less), and the ratio band ⁇ f/fm is a value (14%) smaller than that of Examples 1 to 29. confirmed.
  • the center frequency fm becomes a value (290 kHz) higher than those in Examples 1 to 4, it is confirmed that the attenuation of the ultrasonic wave W1 when propagating in water is increased and the depth of the ultrasonic wave W1 is shortened. Was done. That is, it was confirmed that it is preferable to increase the maximum transmission/reception sensitivity product, increase the specific band ⁇ f/fm, and decrease the center frequency fm.
  • the thickness t1 of the piezoelectric element was measured in Examples 1 to 29 and Comparative Examples 1 to 3, and the ratio of the height H1 of the column portion to the thickness t1 was calculated.
  • the gap between the adjacent column portions is large. It was confirmed that the pillars are less likely to be deformed in the height direction (thickness direction of the piezoelectric element) because the height becomes shallow.
  • the thickness t2 of the base material was measured in Examples 1 to 29 and Comparative Examples 1 and 2, and the ratio of the thickness t2 of the base material to the height H1 of the pillar portion was calculated.
  • the base materials of Examples 1 to 22, 26, 27 and Comparative Examples 1 and 2 were made of glass epoxy (FR-4), and the base materials of Examples 23 to 25 were made of ABS resin.
  • the base material of Example 1 was formed of an epoxy resin containing alumina fibers, and the base material of Example 29 was formed of alumina.
  • the base material of Comparative Example 3 described above was formed of glass epoxy (FR-4).
  • the thickness t2 is less than 100% of the height H1 ( ⁇ t2/H1 ⁇ 100), that is, the thickness t2 of the base material is the height of the column portion. It was confirmed that it was smaller than H1 and the maximum product of transmission and reception sensitivity (see Table 2) was larger than ⁇ 50 dB. In this case, since the base material is formed thinner than the piezoelectric element, it has been confirmed that the ultrasonic transducer including the base material and the piezoelectric element can be downsized. It was also confirmed that the base material is formed thin and the maximum transmission/reception sensitivity product is increased, so that the attenuation when ultrasonic waves pass through the base material is reduced to an acceptable level. Table 4 shows the dimensions of each part of Examples 1 to 29 and Comparative Examples 1 and 2.
  • Example 1 to 29 and Comparative Examples 1 and 2 the pitch P1 between the first cuts K1 adjacent to each other in the piezoelectric element (see FIG. 6) and the second cuts adjacent to each other in the piezoelectric element are also included.
  • the pitch P2 between K2 (see FIG. 6) was measured.
  • Table 5 shows the values of Examples 1 to 29 and Comparative Example 1.
  • Examples 21, 24 and 27 in which the width of the first cut K1 is 50% of the length L1 and Examples 22, 25 and 28 in which the width of the first cut K1 is 100% of the length L1.
  • the maximum transmission/reception sensitivity product decreased to about -50.0 dB. That is, it was confirmed that the sensitivity tends to decrease as the ratio of the width of the first cut K1 to the length L1 increases.
  • Table 6 shows the values of Examples 1 to 29.
  • the piezoelectric element 43 that constitutes the ultrasonic transducer 41 is formed by the plurality of pillar portions 57 that are divided so as to extend along the thickness direction, so they are adjacent to each other.
  • a gap K0 is generated between the pillars 57.
  • each pillar portion 57 is easily deformed in the height direction, and when the pillar portion 57 contracts (see FIG. 11B), the pillar portion 57 is on the outer peripheral side (arrow F1 in FIG. 11B). (See) It becomes easier to escape.
  • the piezoelectric element 43 when the piezoelectric element 43 is viewed in a plan view, the piezoelectric element 43 is likely to be uniformly deformed in the thickness direction in both the central portion and the outer peripheral portion. That is, since the piezoelectric element 43 is likely to vibrate, the electromechanical coupling coefficient of the ultrasonic wave W1 is increased and the specific band is widened. Therefore, it is possible to perform work such as transmitting and receiving the ultrasonic wave W1 while switching the frequency in a plurality of steps.
  • the resonance frequency of the piezoelectric element 43 is lowered by dividing the piezoelectric element 43 into the plurality of pillar portions 57. That is, the resonance frequency of the piezoelectric element 43 can be lowered without increasing the size of the ultrasonic transducer 41 due to the thickening of the piezoelectric element 43. As a result, the driving frequency of the piezoelectric element 43 becomes low and the attenuation of the ultrasonic wave W1 when propagating in water becomes small, so that the depth of the ultrasonic wave W1 emitted from the piezoelectric element 43 can be extended.
  • the front electrode layer 54 formed on the front surface 51 of the piezoelectric element 43 is also divided. Therefore, even if the first lead wire 62 is connected to the front electrode layer 54 (side terminal), there is a problem in that electrical continuity cannot be achieved with the entire front electrode layer 54.
  • the front electrode layer 54 formed on the front surface 51 is not divided. In this case, if the first lead wire 62 is connected to the front electrode layer 54, electrical connection with the entire front electrode layer 54 can be ensured, so that the sonar 11 can be easily manufactured.
  • each pillar since the end surface of each pillar is bonded to the acoustic matching layer in a scattered manner, it is difficult for the vibration of the piezoelectric element to be transmitted to the acoustic matching layer, or the bonding strength between the piezoelectric element and the acoustic matching layer. There is a problem such as a decrease.
  • the gap K0 between the adjacent pillar portions 57 is opened not on the joint surface (front surface 51) with the base material 42 also serving as the acoustic matching layer, but on the rear surface 52 opposite to the joint surface. There is.
  • the contact area between the front surface 51 of the piezoelectric element 43 and the front surface 42a side of the base material 42 is secured, so that the vibration of the piezoelectric element 43 is stably transmitted to the base material 42. Further, the bonding strength between the piezoelectric element 43 and the base material 42 is also improved.
  • the pillar portion 57 of the above embodiment has a regular square pillar shape, but may have another pillar shape such as a triangular pillar shape or a cylindrical shape.
  • the lengths L1 and L2 of the sides forming the tip surface 58 of the pillar 57 are equal to each other, but the lengths L1 and L2 may be different from each other. Further, in the above-described embodiment, the widths of the cuts K1 and K2 formed in the piezoelectric element 43 are equal to each other, but the widths of the cuts K1 and K2 may be different from each other.
  • the void K0 is formed between the adjacent column portions 57 in the piezoelectric element 43, but the void K0 should be filled with a resin material (epoxy resin, urethane resin, silicone resin, etc.). Therefore, part or all of the void K0 may be eliminated. However, it is preferable to have the void K0 because the ultrasonic wave propagating liquid can flow in.
  • a resin material epoxy resin, urethane resin, silicone resin, etc.
  • the piezoelectric element 43 made of lead zirconate titanate (PZT) is used in the ultrasonic transducer 41 of the above embodiment, but the material for forming the piezoelectric element 43 is not particularly limited.
  • PZT lead zirconate titanate
  • the material for forming the piezoelectric element 43 is not particularly limited.
  • a piezoelectric element made of a piezoelectric ceramic of 3 Nb 2/3 )O 3 —PbTiO 3 ) single crystal or LiNbO 3 single crystal may be used.
  • the copper foil 61 serving as the common electrode was attached to the entire back surface 52 of the piezoelectric element 43.
  • other metal foil such as brass foil or aluminum foil may be attached to the entire back surface 52.
  • the back surface 52 (and the end surface of the insulating resin on the back surface 52 side) is coated with a conductive paste and baked. Therefore, the common electrode may be formed.
  • a flexible substrate on which an electrode is formed may be brazed to the back surface 52 using a conductive metal such as solder to form a common electrode.
  • the soundproofing material 65 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 further attached to the outer peripheral surface 53 of the piezoelectric element 43. Good.
  • the ceramic plate-like material 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 joining step.
  • the polarization treatment step was performed.
  • the polarization treatment step may be performed after the joining step and before the pillar portion forming step, or after the pillar portion forming step.
  • the ultrasonic transducer 41 is mounted on the case 40 by screwing the tip end of the screw inserted through the screw hole 45 on the base material 42 side into the case 40 while the piezoelectric element 43 is housed in the case 40.
  • the ultrasonic vibrator 41 may be fixed to the case 40 by using an adhesive, or by filling a filler such as an epoxy resin, a polyurethane resin, a silicone resin into the case 40 to cure the ultrasonic vibration.
  • the child 41 may be fixed to the case 40.
  • the ultrasonic transducer 41 may be fixed without using the case 40.
  • the ultrasonic transducer 41 and the resin material Molding may be performed so as to integrate and.
  • the ultrasonic transducer 41 of the above embodiment is used for the sonar 11 that mechanically changes the irradiation direction of the ultrasonic wave W1, but it may be used for the sonar that electrically changes the irradiation direction of the ultrasonic wave 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. Furthermore, the ultrasonic transducer may be used in a measuring device such as a sounding machine that measures the depth of water or an aerial sensor that measures a distance in the air.
  • the pillar portion has a polygonal pillar shape, and a length of a diagonal line of a tip end surface of the pillar portion is 80% or less, preferably 60% or less of a height of the pillar portion. Sonar that is characterized.
  • the pillar portion has a cylindrical shape, and the diameter of the tip surface of the pillar portion is 80% or less, preferably 60% or less, of the height of the pillar portion. And sonar.
  • the characteristic 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. Sonar.

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Abstract

超音波振動子の大型化を伴うことなく、超音波の比帯域を広げることができるソナーを提供する。本発明のソナーは、超音波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機構とを有する。超音波振動子４１は、音響整合層を兼ねる基材４２と、セラミックス製板状物からなる圧電素子４３とを備える。圧電素子４３は、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により構成され、かつ基材４２に対して接合された前面５１及びその反対側にある背面５２を有する。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ている。 選択図：図７

Description

ソナー、超音波振動子及びその製造方法
　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。
　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。
特許第５９７９５３７号公報（請求項１、図４等）
　ところで、特許文献１に記載のソナーで使用される超音波振動子は、円板状の圧電素子を用いており、超音波の周波数帯域が狭く、比帯域も狭い。近年、同様のソナーを搭載した船舶が増加しているため、他の船舶との混信が生じやすくなってきている。混信を避けるためには、付近の船舶が使用している駆動周波数を外して超音波を送受信すればよいが、比帯域が狭い場合には、変更できる周波数の選択肢が少なくなってしまう。このため、超音波の比帯域が広い超音波振動子を用いることが求められている。
　また、従来より、超音波の深達距離を伸ばすことも求められている。このためには、超音波振動子の送受感度を高めることに加えて、駆動周波数を低くすることが有効である。駆動周波数を低くすれば、水中を伝搬する際の超音波の減衰が小さくなるからである。なお、特許文献１に記載のソナーにおいて、駆動周波数を低くするためには、圧電素子を厚くするなどして、圧電素子の共振周波数を低くする必要がある。しかしながら、圧電素子を厚くすると、圧電素子と音響整合層とからなる超音波振動子が大型化して重量が増すため、超音波振動子を傾斜及び回転させる機構も大型で高トルクのものになる。その結果、超音波振動子を含むシステム全体が大きくなり、製造コストも高くなるという問題がある。
　本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、超音波振動子の大型化を伴うことなく、超音波の比帯域を広げることができるソナーを提供することにある。また、別の目的は、大型化を伴うことなく、超音波の比帯域を広げることができる超音波振動子を提供することにある。さらに、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。
　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、厚さ方向に沿って延びるように分割された複数の柱部により構成され、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、前記複数の柱部が、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ソナーをその要旨とする。
　従って、請求項１に記載の発明によると、超音波振動子を構成する圧電素子が、厚さ方向に沿って延びるように分割された複数の柱部によって構成されているため、隣接する柱部間に空隙が生じる。その結果、各柱部のそれぞれが高さ方向に変形しやすくなるため、圧電素子が各部位において厚さ方向に変形しやすくなる。つまり、圧電素子が振動しやすくなるため、超音波の電気機械結合係数が高くなり、比帯域も広くなる。よって、超音波の周波数を変更する場合に、変更できる周波数の選択肢が広くなる。また、請求項１に記載の発明では、圧電素子を複数の柱部に分割することにより、圧電素子の共振周波数を低くしている。即ち、圧電素子が厚くなることに起因する超音波振動子の大型化を伴わなくても、圧電素子の共振周波数を低くすることができる。その結果、圧電素子の駆動周波数が低くなり、伝搬時の超音波の減衰が小さくなるため、圧電素子から照射された超音波の深達距離を伸ばすことができる。
　請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記柱部の高さは、前記圧電素子の厚さの８０％以上１００％未満であり、前記圧電素子の前記前面の全体が、前面側電極層を介して前記基材に接合されていることをその要旨とする。
　従って、請求項２に記載の発明によると、柱部の高さが圧電素子の厚さの８０％以上であるため、隣接する柱部間に生じる空隙が深くなる。その結果、柱部が高さ方向に変形しやすくなるため、超音波振動子の感度が高くなる。しかも、柱部の高さが圧電素子の厚さの１００％未満であるため、圧電素子を複数の柱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柱部同士が繋がる部分の厚さが確保される。その結果、圧電素子の強度を確保することができる。さらに、圧電素子の前面の全体が基材に接合されることから、両者の接触面積が大きくなるため、圧電素子と基材との接合強度が向上する。
　請求項３に記載の発明は、請求項１または２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％以下であることをその要旨とする。
　従って、請求項３に記載の発明によると、柱部を厚さ方向から見たときの最大寸法を柱部の高さの８０％以下とすることにより、柱部の撓み振動が小さくなる。その結果、各柱部を、圧電素子の厚さ方向に沿って振動させやすくなる。
　ここで、柱部の形状としては、多角柱状や円柱状などを挙げることができる。柱部が、例えば四角柱状や六角柱状に代表される多角柱状をなす場合、柱部を厚さ方向から見たときの最大寸法は、柱部の先端面（背面）の対角線の長さとなる。また、柱部が円柱状をなす場合、柱部を厚さ方向から見たときの最大寸法は、柱部の先端面の直径の大きさとなる。
　なお、基材の厚さは、柱部の高さよりも小さいことが好ましい。このようにすれば、基材が圧電素子よりも薄く形成されるため、基材と圧電素子とからなる超音波振動子の小型化を図ることができる。また、基材が薄く形成されることにより、超音波が基材を透過する際の減衰を低減することができる。
　請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか１項において、前記超音波振動子及び前記機構を収容するソナードームを備え、前記ソナードーム内に、前記超音波を伝搬させる超音波伝搬液体が充填され、隣接する前記柱部間の空隙に、前記超音波伝搬液体が流入可能となっていることをその要旨とする。
　従って、請求項４に記載の発明によると、超音波振動子から照射された超音波を、超音波伝搬液体及びソナードームを介して、ソナーの外部に確実に伝達させることができる。また、超音波振動子から照射されて被探知物で反射した超音波の反射波を、ソナードーム及び超音波伝搬液体を介して、超音波振動子に確実に伝達させることができる。さらに、超音波伝搬液体が隣接する柱部間の空隙に流入することにより、超音波振動子に電圧を印加した際に圧電素子から発生する熱を、超音波伝搬液体（及びソナードーム）を介してソナーの外部に拡散させることができる。また、超音波振動子が傾斜及び回転した際には、超音波伝搬液体がソナードーム内を循環するため、圧電素子から発生する熱を超音波伝搬液体を介して拡散させやすくなる。よって、ソナーの寿命が向上しうるとともに、ソナーの性能低下を防止することができる。
　請求項５に記載の発明は、請求項４において、前記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、かつ前記超音波伝搬液体の固有音響インピーダンスよりも大きいことをその要旨とする。
　圧電素子から基材を介して超音波を送受信する場合、超音波は、圧電素子と基材との界面、及び、基材と超音波伝搬流体との界面で反射しやすくなる。そこで、請求項５に記載の発明では、基材の固有音響インピーダンスを、圧電素子の固有音響インピーダンスと超音波伝搬流体の固有音響インピーダンスとの間に設定している。その結果、反射率が低減されるため、超音波振動子の送受感度を向上させることができる。
　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。
　請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５のいずれか１項において、前記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その要旨とする。従って、請求項６に記載の発明によると、超音波の比帯域を広くすることができ、超音波振動子の感度も高くなる。
　請求項７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、厚さ方向に沿って延びるように分割された複数の柱部により構成され、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、前記複数の柱部が、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超音波振動子をその要旨とする。
　従って、請求項７に記載の発明によると、超音波振動子を構成する圧電素子が、厚さ方向に沿って延びるように分割された複数の柱部によって構成されているため、隣接する柱部間に空隙が生じる。その結果、各柱部のそれぞれが高さ方向に変形しやすくなるため、圧電素子が各部位において厚さ方向に変形しやすくなる。つまり、圧電素子が振動しやすくなるため、超音波の電気機械結合係数が高くなり、比帯域も広くなる。よって、超音波の周波数を変更する場合に、変更できる周波数の選択肢を広げることができる。また、請求項７に記載の発明では、圧電素子を複数の柱部に分割することにより、圧電素子の共振周波数を低くしている。即ち、圧電素子が厚くなることに起因する超音波振動子の大型化を伴わなくても、圧電素子の共振周波数を低くすることができる。その結果、圧電素子の駆動周波数が低くなり、伝搬時の超音波の減衰が小さくなるため、圧電素子から照射された超音波の深達距離を伸ばすことができる。
　請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の超音波振動子の製造方法であって、前記圧電素子となるべき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、前記基材に、前記セラミックス製板状物を前記前面側電極層を介して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柱部に分割する柱部形成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。
　従って、請求項８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、柱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る前に、セラミックス製板状物の背面に背面側電極層を形成するため、背面側電極層の形成が容易になる。その結果、切り込みや背面側電極層を形成しやすくなり、ひいては、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。
　請求項９に記載の発明は、請求項８において、前記電極層形成工程の後、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をさらに行うことをその要旨とする。
　従って、請求項９に記載の発明によると、分極処理工程を柱部形成工程の前に行うようにすれば、前面側電極層と、全ての柱部の先端面（背面）にある背面側電極層との間に電圧を印加する作業を行わなくても済むため、分極を容易に行うことができる。
　以上詳述したように、請求項１～６に記載の発明によると、超音波振動子の大型化を伴うことなく、超音波の比帯域を広げることができるソナーを提供することができる。また、請求項７に記載の発明によると、大型化を伴うことなく、超音波の比帯域を広げることができる超音波振動子を提供することができる。さらに、請求項８，９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の製造方法を提供することにある。
本実施形態のソナーが搭載された船舶を示す説明図。 ソナー、昇降装置及び液晶モニターを示す概略構成図。 ソナーを示す概略断面図。 ソナーを示す概略断面図。 ケースに収容した状態の超音波振動子を示す概略断面図。 超音波振動子を示す平面図。 超音波振動子を示す側面図。 柱部を示す断面図。 柱部を示す斜視図。 ソナーの電気的構成を示すブロック図。 （ａ）は伸長時の柱部を示す断面図、（ｂ）は収縮時の柱部を示す断面図。 実施例１～４及び比較例３において、周波数と送受感度積との関係を示すグラフ。
　以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に基づき詳細に説明する。
　図１に示されるように、本実施形態のソナー１１は、船舶１０の船底部に搭載されて使用される。ソナー１１は、水中に超音波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。
　図３，図４に示されるように、ソナー１１はソナードーム２０を備えている。ソナードーム２０は、ＡＢＳ樹脂（アクリロニトリルブタジエンスチレン樹脂）などの樹脂材料を用いて形成されており、上ケース２１、下ケース２２及び蓋体２３によって構成されている。上ケース２１は、下端にて開口する有底円筒状のケースであり、下ケース２２は、上端にて開口する有底円筒状のケースである。なお、下ケース２２の下端部はドーム状（半球状）をなしている。また、蓋体２３は、円板状をなし、上ケース２１の下端側開口及び下ケース２２の上端側開口を閉塞するためのものである。なお、蓋体２３と上ケース２１とによって上側収容空間２４が形成されるとともに、蓋体２３と下ケース２２とによって下側収容空間２５が形成される。
　また、ソナードーム２０には、超音波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、上部収容空間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。
　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。
　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。
　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、外径が５８．５ｍｍ、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、２．３×１０６（Ｐａ・ｓ／ｍ）以上１４×１０６（Ｐａ・ｓ／ｍ）以下、好ましくは３×１０６（Ｐａ・ｓ／ｍ）以上９×１０６（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。
　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（９０°）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）。
　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３２×１０６（Ｐａ・ｓ／ｍ）となっている。この圧電素子４３は、外径が４９．５ｍｍ、厚さｔ１（図７参照）が７．２ｍｍの円板状をなしている。よって、圧電素子４３の外径は基材４２の外径（５８．５ｍｍ）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に接合されている。
　図５～図９に示されるように、圧電素子４３は、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側に形成することにより構成される。各第１切り込みＫ１は、互いに平行に配置されており、幅が０．５ｍｍ、隣接する第１切り込みＫ１とのピッチＰ１（図６参照）が２．９ｍｍとなっている。同様に、各第２切り込みＫ２も、互いに平行に配置されており、幅が０．５ｍｍ、隣接する第２切り込みＫ２とのピッチＰ２（図６参照）が２．９ｍｍとなる。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。
　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。ここで、柱部５７の高さＨ１（厚さ）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。なお、高さＨ１は、切り込みＫ１，Ｋ２の深さと等しくなっている。また、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、０．５ｍｍ（＝ｔ１－Ｈ１）であり、基材４２の厚さｔ２よりも小さくなっている。
　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。従って、上述した切り込みＫ１，Ｋ２の幅（０．５ｍｍ）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（本実施形態では約２１％（≒０．５／２．４×１００））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の約５１％（≒３．３９／６．７×１００）である。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。
　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。なお、圧電素子４３内を伝搬する縦波（超音波Ｗ１）の音速ｃ１は４１６０ｍ／ｓとなっている。また、基材４２は、ガラスエポキシ（ＦＲ－４）によって形成されており、基材４２内を伝搬する縦波（超音波Ｗ１）の音速ｃ２が２４６０ｍ／ｓとなっている。そして、本実施形態では、音速ｃ１，ｃ２、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。
　図５，図８に示されるように、圧電素子４３の背面５２全体には、背面側電極層５５を介して銅箔６１が貼付されている。本実施形態の銅箔６１は、従来周知の導電性フィラーを含む接着剤（図示略）を介して背面５２に接着されている。なお、銅箔６１の貼付により、銅箔６１は、各柱部５７の先端面５８の共通電極となる。
　そして、図５に示されるように、前面側電極層５４には第１のリード線６２が接続され、銅箔６１には第２のリード線６３が接続されている。第１のリード線６２は、前面側電極層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、銅箔６１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上に銅箔を形成し、銅箔に対して第１のリード線６２をはんだ付けなどにより接続してもよい。また、圧電素子４３の背面５２側には、シート状の防音材６５が貼付されている。防音材６５は、残響を抑えるためのものであり、ケース４０の内周面にも貼付されている。なお、防音材６５としては、樹脂材料やゴムに対して、金属やセラミックスからなる粒子または繊維を含有させたものや、樹脂材料に対して空孔を分散的に設けたもの（スポンジなど）を用いることができる。
　そして、図３，図４に示されるソナードーム２０内には、超音波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１．２×１０６（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（２．３～１４×１０６（Ｐａ・ｓ／ｍ））は、圧電素子４３の固有音響インピーダンス（３２×１０６（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よりも大きくなっている。
　次に、ソナー１１の電気的構成について説明する。
　図１０に示されるように、ソナー１１の液晶モニター１３は、装置全体を統括的に制御する制御装置７０を備えている。制御装置７０は、ＣＰＵ７１、ＲＯＭ７２、ＲＡＭ７３等からなる周知のコンピュータにより構成されている。
　ＣＰＵ７１は、モータドライバ８１を介してスキャンモータ３１及びチルトモータ３２に電気的に接続されており、各種の駆動信号によってそれらを制御する。また、ＣＰＵ７１は、送受信回路８２を介して超音波振動子４１に電気的に接続されている。送受信回路８２は、超音波振動子４１に対して発振信号を出力して、超音波振動子４１を駆動させるようになっている。その結果、超音波振動子４１は、超音波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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　次に、超音波振動子４１の製造方法を説明する。
　まず、基材４２を準備する。具体的には、ガラスエポキシ（ＦＲ－４）からなる樹脂製板状物を円板状に切削加工する。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、セラミックス製板状物を厚さ方向に分極させる。
　続く接合工程では、基材４２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。
　接合工程後の柱部形成工程では、切削加工等を行うことにより、セラミックス製板状物における背面５２側に複数の切り込み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（本実施形態では約９３％）の深さ（本実施形態では６．７ｍｍ）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。
　その後、圧電素子４３の背面５２全体に銅箔６１を貼付し、銅箔６１を各柱部５７の先端面５８の共通電極とする。この時点で、超音波振動子４１が完成する。
　なお、超音波振動子４１が完成した後、前面側電極層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、銅箔６１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。
　次に、超音波振動子の評価方法及びその結果を説明する。
　本発明者らは、圧電素子が備える柱部の好適な振動態様について、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。柱部の長さＬ１，Ｌ２が２．４ｍｍ、柱部の高さＨ１が６．８５ｍｍ、柱部を厚さ方向から見たときの最大寸法Ｌ３（対角線の長さ）が約３．３９ｍｍであって、最大寸法Ｌ３が高さＨ１の約５０％（≒３．３９／６．８５×１００）となる超音波振動子を準備し、これを実施例１（実施例２～６，１０，１３，１４，１９，２１～２９も同様）とした。長さＬ１，Ｌ２が２．４ｍｍ、高さＨ１が６．７ｍｍ、最大寸法Ｌ３が約３．３９ｍｍであって、最大寸法Ｌ３が高さＨ１の約５１％（≒３．３９／６．７×１００）となる超音波振動子を準備し、これを実施例７とした。長さＬ１，Ｌ２が３．０ｍｍ、高さＨ１が６．８５ｍｍ、最大寸法Ｌ３が約４．２４ｍｍであって、最大寸法Ｌ３が高さＨ１の約６２％（≒４．２４／６．８５×１００）となる超音波振動子を準備し、これを実施例８とした。長さＬ１，Ｌ２が２．４ｍｍ、高さＨ１が７．２５ｍｍ、最大寸法Ｌ３が約３．３９ｍｍであって、最大寸法Ｌ３が高さＨ１の約４７％（≒３．３９／７．２５×１００）となる超音波振動子を準備し、これを実施例９とした。長さＬ１，Ｌ２が２．４ｍｍ、高さＨ１が６．３５ｍｍ、最大寸法Ｌ３が約３．３９ｍｍであって、最大寸法Ｌ３が高さＨ１の約５３％（≒３．３９／６．３５×１００）となる超音波振動子を準備し、これを実施例１１とした。長さＬ１，Ｌ２が２．４ｍｍ、高さＨ１が５．８５ｍｍ、最大寸法Ｌ３が約３．３９ｍｍであって、最大寸法Ｌ３が高さＨ１の約５８％（≒３．３９／５．８５×１００）となる超音波振動子を準備し、これを実施例１２とした。長さＬ１，Ｌ２が３．０ｍｍ、高さＨ１が６．２ｍｍ、最大寸法Ｌ３が約４．２４ｍｍであって、最大寸法Ｌ３が高さＨ１の約６８％（≒４．２４／６．２×１００）となる超音波振動子を準備し、これを実施例１５とした。長さＬ１，Ｌ２が３．５ｍｍ、高さＨ１が６．２ｍｍ、最大寸法Ｌ３が約４．９５ｍｍであって、最大寸法Ｌ３が高さＨ１の約８０％（≒４．９５／６．２×１００）となる超音波振動子を準備し、これを実施例１６とした。長さＬ１，Ｌ２が２．４ｍｍ、高さＨ１が５．３ｍｍ、最大寸法Ｌ３が約３．３９ｍｍであって、最大寸法Ｌ３が高さＨ１の約６４％（≒３．３９／５．３×１００）となる超音波振動子を準備し、これを実施例１７（実施例１８も同様）とした。長さＬ１が２．４ｍｍ、長さＬ２が３．０ｍｍ、高さＨ１が６．８５ｍｍ、最大寸法Ｌ３が約３．８４ｍｍであって、最大寸法Ｌ３が高さＨ１の約５６％（≒３．８４／６．８５×１００）となる超音波振動子を準備し、これを実施例２０とした。長さＬ１，Ｌ２が４．０ｍｍ、高さＨ１が６．２ｍｍ、最大寸法Ｌ３が約５．６６ｍｍであって、最大寸法Ｌ３が高さＨ１の約９１％（≒５．６６／６．２×１００）となる超音波振動子を準備し、これを比較例１とした。長さＬ１，Ｌ２が２．４ｍｍ、高さＨ１が４．３５ｍｍ、最大寸法Ｌ３が約３．３９ｍｍであって、最大寸法Ｌ３が高さＨ１の約７８％（≒３．３９／４．３５×１００）となる超音波振動子を準備し、これを比較例２とした。圧電素子が柱部を有しておらず、高さＨ１（ここでは圧電素子の厚さ）が７．３５ｍｍ、最大寸法Ｌ３（ここでは圧電素子の外径）が４９．５ｍｍであって、最大寸法Ｌ３が高さＨ１の約６７３％（≒４９．５／７．３５×１００）となる超音波振動子を準備し、これを比較例３とした。実施例１～２９及び比較例１～３の各部の寸法を表１に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　次に、各測定用サンプル（実施例１～２９及び比較例１～３）に対して比較試験を行った。具体的には、まず、実施例１～２９及び比較例１～３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（バースト波）を照射（送信）した。また、１００ｋＨｚ～３４０ｋＨｚ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、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。そこで、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、その結果に基づいて最大送受感度積、周波数帯域、下限周波数ｆ１及び上限周波数ｆ２を演算した。次に、演算して算出した下限周波数ｆ１及び上限周波数ｆ２に基づいて、中心周波数ｆｍ及び周波数帯域幅Δｆを算出した。さらに、算出した中心周波数ｆｍ及び周波数帯域幅Δｆに基づいて、比帯域Δｆ／ｆｍを算出した。なお、送受感度積は、送信電圧振幅Ｖ１に対する受信電圧振幅Ｖ２の比であり、２０×log（Ｖ２／Ｖ１） の式から算出されるものである。そして、最大送受感度積は、１００ｋＨｚ～３４０ｋＨｚの範囲内で送受感度積が最大となる値を示している。周波数帯域は、送受感度積が最大送受感度積よりも６ｄＢ低減以内の周波数の範囲を示している。下限周波数ｆ１は周波数帯域における下限の周波数を示し、上限周波数ｆ２は周波数帯域における上限の周波数を示している。中心周波数ｆｍは、下限周波数ｆ１と上限周波数ｆ２との中間値を示しており、（ｆ１＋ｆ２）／２の式から算出されるものである。周波数帯域幅Δｆは、下限周波数ｆ１と上限周波数ｆ２との差を示している。比帯域Δｆ／ｆｍは、周波数帯域幅Δｆと中心周波数ｆｍとの比を示している。実施例１～２９及び比較例１～３の各値を表２に示す。また、図１２のグラフは、特に実施例１～４及び比較例３の結果を示している。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　その結果、図１２に示されるように、圧電素子が複数の柱部に分割された実施例１～４では、最大送受感度積が算出される箇所での超音波Ｗ１の発振周波数が１７０ｋＨｚ辺りにあることが確認された。そして、実施例１（図１２の「◆」及び表２参照）では、最大送受感度積が－４５．５ｄＢ、周波数帯域が１４２ｋＨｚ以上２３０ｋＨｚ以下、中心周波数が１８６ｋＨｚ、比帯域Δｆ／ｆｍが４７％となることが確認された。実施例２（図１２の「■」及び表２参照）では、最大送受感度積が－４５．０ｄＢ、周波数帯域が１４７ｋＨｚ以上２３５ｋＨｚ以下、中心周波数が１９１ｋＨｚ、比帯域Δｆ／ｆｍが４６％となることが確認された。実施例３（図１２の「▲」及び表２参照）では、最大送受感度積が－４７．０ｄＢ、周波数帯域が１３８ｋＨｚ以上２３５ｋＨｚ以下、中心周波数が１８７ｋＨｚ、比帯域Δｆ／ｆｍが５２％となることが確認された。実施例４（図１２の「▼」及び表２参照）では、最大送受感度積が－４５．０ｄＢ、周波数帯域が１５０ｋＨｚ以上２１０ｋＨｚ以下、中心周波数が１８０ｋＨｚ、比帯域Δｆ／ｆｍが３３％となることが確認された。さらに、表２に示されるように、実施例１～２９では、比帯域Δｆ／ｆｍが２４％以上になることも確認された。
　一方、圧電素子が柱部を有しない比較例３（図１２の「●」及び表２参照）では、最大送受感度積が算出される箇所での超音波Ｗ１の発振周波数が２９０ｋＨｚ辺りにあるものの、最大送受感度積が実施例１～４よりも低い値（－５０．０ｄＢ）となるため、感度が低くなることが確認された。しかも、比較例３では、周波数帯域が実施例１～４よりも高い範囲（２７０ｋＨｚ以上３１０ｋＨｚ以下）となり、比帯域Δｆ／ｆｍが実施例１～２９よりも小さい値（１４％）となることが確認された。また、中心周波数ｆｍが実施例１～４よりも高い値（２９０ｋＨｚ）となるため、水中を伝搬する際の超音波Ｗ１の減衰が大きくなり、超音波Ｗ１の深達距離が短くなることが確認された。つまり、最大送受感度積を高くし、比帯域Δｆ／ｆｍを大きくし、中心周波数ｆｍを低くすることが好ましいことが確認された。
　また、比較試験を行うにあたり、実施例１～２９及び比較例１～３において、圧電素子の厚さｔ１を計測し、厚さｔ１に対する柱部の高さＨ１の比率を算出した。その結果、高さＨ１（４．３５ｍｍ）が厚さｔ１（７．３５ｍｍ）の約５９％（≒４．３５／７．３５×１００）となる比較例２では、隣接する柱部間の空隙が浅くなるため、柱部が高さ方向（圧電素子の厚さ方向）に変形しにくくなることが確認された。また、高さＨ１（７．３５ｍｍ）が厚さｔ１（７．３５ｍｍ）の１００％、即ち、複数の柱部に分割されていない単純な円板形状の圧電素子となる比較例３では、圧電素子が厚さ方向に変形しにくくなることが確認された。一方、高さＨ１が厚さｔ１の８０％以上１００％未満となる実施例１～２９及び比較例１では、柱部が高さ方向に変形しやすくなることが確認された。実施例１～２９及び比較例１～３の各部の寸法を表３に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　また、比較試験を行うにあたり、実施例１～２９及び比較例１，２において、基材の厚さｔ２を計測し、柱部の高さＨ１に対する基材の厚さｔ２の比率を算出した。なお、実施例１～２２，２６，２７及び比較例１，２の基材をガラスエポキシ（ＦＲ－４）によって形成し、実施例２３～２５の基材をＡＢＳ樹脂によって形成し、実施例２８の基材をアルミナ繊維を含有するエポキシ樹脂によって形成し、実施例２９の基材をアルミナによって形成した。因みに、上述した比較例３の基材は、ガラスエポキシ（ＦＲ－４）によって形成した。
　その結果、実施例１～２９及び比較例１，２では、厚さｔ２が高さＨ１の１００％未満（≒ｔ２／Ｈ１×１００）、即ち、基材の厚さｔ２が柱部の高さＨ１よりも小さくなり、最大送受感度積（表２参照）が－５０ｄＢよりも大きくなることが確認された。この場合、基材が圧電素子よりも薄く形成されるため、基材と圧電素子とからなる超音波振動子を小型化できることが確認された。また、基材が薄く形成され、最大送受感度積が大きくなることにより、超音波が基材を透過する際の減衰が許容できる程度に小さくなることが確認された。実施例１～２９及び比較例１，２の各部の寸法を表４に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
　さらに、比較試験を行うにあたり、実施例１～２９及び比較例１，２において、圧電素子において隣接する第１切り込みＫ１間のピッチＰ１（図６参照）と、同じく圧電素子において隣接する第２切り込みＫ２間のピッチＰ２（図６参照）とを計測した。次に、柱部の先端面の面積（＝Ｌ１×Ｌ２）、及び、ピッチＰ１とピッチＰ２との積（面積）を算出し、（Ｐ１×Ｐ２）に対する（Ｌ１×Ｌ２）の比率（電極面積比）を算出した。実施例１～２９及び比較例１の各値を表５に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
　また、比較試験を行うにあたり、実施例１～２９において、圧電素子において隣接する第１切り込みＫ１間のピッチＰ１と柱部の長さＬ１とに基づいて、第１切り込みＫ１の幅（＝Ｐ１－Ｌ１）を算出し、長さＬ１に対する第１切り込みＫ１の幅の比率を算出した。その結果、第１切り込みＫ１の幅が長さＬ１の５０％となる実施例２１，２４，２７や、第１切り込みＫ１の幅が長さＬ１の１００％となる実施例２２，２５，２８，２９のうち、実施例２２，２４，２５，２９では、最大送受感度積が－５０．０ｄＢ程度に低下することが確認された。即ち、長さＬ１に対する第１切り込みＫ１の幅の比率が高くなると、感度が低下する傾向にあることが確認された。実施例１～２９の各値を表６に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000006
　さらに、比較試験を行うにあたり、実施例１～２９において、圧電素子内を伝搬する縦波の音速ｃ１と、基材内を伝搬する縦波の音速ｃ２とを計測した。そして、音速ｃ１，ｃ２、圧電素子の厚さｔ１及び基材の厚さｔ２に基づいて、（ｃ２×ｔ１）／（ｃ１×ｔ２）の値を算出した。その結果、実施例１～２９では、（ｃ２×ｔ１）／（ｃ１×ｔ２）が０．８以上１．７以下となることが確認された。この場合、表２，表６にも示されるように、超音波の比帯域を広くすることができ、超音波振動子の感度も高くなることが確認された。実施例１～２９の各値を表７に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000007
　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）本実施形態のソナー１１では、超音波振動子４１を構成する圧電素子４３が、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によって構成されているため、隣接する柱部５７間に空隙Ｋ０が生じる。その結果、各柱部５７が高さ方向に変形しやすくなり、しかも、柱部５７の収縮時（図１１（ｂ）参照）に、柱部５７が外周側（図１１（ｂ）の矢印Ｆ１参照）に逃げやすくなる。このため、圧電素子４３を平面視で見たときに、圧電素子４３が中心部においても外周部においても厚さ方向に均等に変形しやすくなる。つまり、圧電素子４３が振動しやすくなるため、超音波Ｗ１の電気機械結合係数が高くなり、比帯域も広くなる。ゆえに、周波数を複数段階に切り替えながら超音波Ｗ１を送受信する、といった作業が可能となる。
　また、本実施形態では、圧電素子４３を複数の柱部５７に分割することにより、圧電素子４３の共振周波数を低くしている。即ち、圧電素子４３が厚くなることに起因する超音波振動子４１の大型化を伴わなくても、圧電素子４３の共振周波数を低くすることができる。その結果、圧電素子４３の駆動周波数が低くなり、水中を伝搬する際の超音波Ｗ１の減衰が小さくなるため、圧電素子４３から照射された超音波Ｗ１の深達距離を伸ばすことができる。
　（２）例えば、圧電素子４３を複数の柱部５７で完全に分割すると、圧電素子４３の前面５１に形成された前面側電極層５４も分割されてしまう。このため、前面側電極層５４（側面端子）に対して第１のリード線６２を接続したとしても、前面側電極層５４の全体と導通を図ることができないという問題がある。一方、本実施形態では、各柱部５７が、圧電素子４３の前面５１側の端部において互いに繋がっているため、前面５１に形成された前面側電極層５４が分割されることはない。この場合、前面側電極層５４に第１のリード線６２を接続すれば、前面側電極層５４全体との導通を確実に図ることができるため、ソナー１１を容易に作製することができる。
　（３）例えば、特開２０１６－２５６１１号公報、特開２０１６－２１３６６６号公報、特開２０１２－１８２７５８号公報に記載の従来技術には、音響整合層と、音響整合層に接合された圧電素子とを備え、圧電素子が複数の柱部に分割された構造が提案されている。また、複数の柱部で完全に分割し、その柱部間を樹脂等で充填した構造、いわゆる１－３コンポジット構造の圧電素子を、音響整合層に接合する構造も提案されている。しかしながら、各柱部の端面が音響整合層に対して散点的に接合された構造であるため、圧電素子の振動が音響整合層に伝わりにくくなったり、圧電素子と音響整合層との接合強度が低下したりするといった問題がある。一方、本実施形態では、音響整合層を兼ねる基材４２との接合面（前面５１）ではなく、接合面の反対側にある背面５２において、隣接する柱部５７間の空隙Ｋ０が開口している。その結果、圧電素子４３の前面５１と基材４２の表面４２ａ側との接触面積が確保されるため、圧電素子４３の振動が基材４２に安定して伝わるようになる。また、圧電素子４３と基材４２との接合強度も向上する。
　なお、上記実施形態を以下のように変更してもよい。
　・上記実施形態の柱部５７は、正四角柱状をなしていたが、三角柱状や円柱状等の他の柱状をなしていてもよい。
　・上記実施形態では、柱部５７の先端面５８を構成する各辺の長さＬ１，Ｌ２が互いに等しくなっていたが、長さＬ１，Ｌ２は互いに異なっていてもよい。また、上記実施形態では、圧電素子４３に形成された切り込みＫ１，Ｋ２の幅も互いに等しくなっていたが、切り込みＫ１，Ｋ２の幅は互いに異なっていてもよい。
　・上記実施形態の超音波振動子４１では、圧電素子４３において隣接する柱部５７間に空隙Ｋ０が生じていたが、空隙Ｋ０を樹脂材料（エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、シリコーン樹脂等）で埋めることにより、空隙Ｋ０の一部または全部をなくしてもよい。但し、空隙Ｋ０があるほうが、超音波伝搬液体が流入可能となるために好ましい。
　・上記実施形態の超音波振動子４１では、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる圧電素子４３を用いたが、圧電素子４３の形成材料は特に限定されるものではない。例えば、ニオブ酸カリウムナトリウム系（ニオブ酸アルカリ系）、チタン酸バリウム系、ＰＭＮ－ＰＴ（Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３－ＰｂＴｉＯ３）単結晶、ＰＺＮＴ（Ｐｂ（Ｚｎ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３－ＰｂＴｉＯ３）単結晶、ＬｉＮｂＯ３単結晶の圧電セラミックスからなる圧電素子を用いてもよい。
　・上記実施形態では、圧電素子４３の背面５２全体に共通電極としての銅箔６１が貼付されていた。しかし、銅箔６１を背面５２全体に貼付する代わりに、黄銅箔やアルミニウム箔などの他の金属箔を背面５２全体に貼付してもよい。また、金属箔を貼付する代わりに、隣接する柱部５７間の空隙Ｋ０を絶縁樹脂で埋めた後、背面５２（及び絶縁樹脂の背面５２側の端面）に導電ペーストを塗布して焼成することにより、共通電極を形成してもよい。さらに、金属箔を貼付する代わりに、電極が形成されたフレキシブル基板を、はんだなどの導電金属を用いて背面５２にロウ付けすることで、共通電極としてもよい。
　・上記実施形態の防音材６５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。
　・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、柱部形成工程後に行ってもよい。
　・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。
　・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。
　次に、特許請求の範囲に記載された技術的思想のほかに、前述した実施形態によって把握される技術的思想を以下に列挙する。
　（１）請求項３において、前記柱部は多角柱状をなしており、前記柱部の先端面の対角線の長さは、前記柱部の高さの８０％以下、好ましくは６０％以下であることを特徴とするソナー。
　（２）請求項３において、前記柱部は円柱状をなしており、前記柱部の先端面の直径は、前記柱部の高さの８０％以下、好ましくは６０％以下であることを特徴とするソナー。
　（３）請求項５において、前記基材の固有音響インピーダンスは、２．３×１０６（Ｐａ・ｓ／ｍ）以上１４×１０６（Ｐａ・ｓ／ｍ）以下であることを特徴とするソナー。
　（４）請求項８または９において、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をさらに行うことを特徴とする超音波振動子の製造方法。
１１…ソナー
２０…ソナードーム
３０…機構としての傾斜回転機構
４１…超音波振動子
４２…基材
４３…圧電素子
５１…セラミックス製板状物（圧電素子）の前面
５２…セラミックス製板状物（圧電素子）の背面
５４…前面側電極層
５５…背面側電極層
５７…柱部
Ｈ１…柱部の高さ
Ｋ０…隣接する柱部間の空隙
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…柱部を厚さ方向から見たときの最大寸法
Ｏ１…中心軸
ｔ１…圧電素子の厚さ
ｔ２…基材の厚さ
Ｗ１…超音波

Claims (9)

  1. 　超音波を送受信する超音波振動子と、前記超音波振動子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、厚さ方向に沿って延びるように分割された複数の柱部により構成され、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、
    　前記複数の柱部が、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
    ことを特徴とするソナー。
  2. 　前記柱部の高さは、前記圧電素子の厚さの８０％以上１００％未満であり、前記圧電素子の前記前面の全体が、前面側電極層を介して前記基材に接合されていることを特徴とする請求項１に記載のソナー。
  3. 　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請求項１または２に記載のソナー。
  4. 　前記超音波振動子及び前記機構を収容するソナードームを備え、前記ソナードーム内に、前記超音波を伝搬させる超音波伝搬液体が充填され、隣接する前記柱部間の空隙に、前記超音波伝搬液体が流入可能となっていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のソナー。
  5. 　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、かつ前記超音波伝搬液体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請求項４に記載のソナー。
  6. 　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請求項１乃至５のいずれか１項に記載のソナー。
  7. 　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、
    　厚さ方向に沿って延びるように分割された複数の柱部により構成され、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、前記複数の柱部が、前記前面側の端部において互いに繋がっている
    ことを特徴とする超音波振動子。
  8. 　請求項７に記載の超音波振動子の製造方法であって、
    　前記圧電素子となるべき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、
    　前記基材に、前記セラミックス製板状物を前記前面側電極層を介して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柱部に分割する柱部形成工程と
    を含むことを特徴とする超音波振動子の製造方法。
  9. 　前記電極層形成工程の後、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をさらに行うことを特徴とする請求項８に記載の超音波振動子の製造方法。
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