WO2022176002A1 - 計測機器用の超音波振動子 - Google Patents
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Abstract
超音波の送受信に適した周波数帯域を広げることが可能な計測機器用の超音波振動子の提供を課題とする。本発明の計測機器用の超音波振動子４１は、略円形状の外形を有し、音響整合層を兼ねる基材４２と、略円形状の外形を有し、基材４２に対して接合される圧電素子４３とを備える。圧電素子４３には、中央部５７にて互いに連通しかつ放射状に延びる複数の溝部Ｋ１が形成されるとともに、溝部Ｋ１を介して複数の略扇状の振動部９０が配設される。圧電素子４３は、第１の周波数帯で厚さ方向に振動するとともに、第１の周波数帯よりも低い第２の周波数帯で振動部９０の半径方向に振動する。選択図：図４
Description
本発明は、超音波を送受信する計測機器用の超音波振動子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検知するソナーが知られている。ソナーは、超音波を送受信する超音波振動子と、鉛直方向を向いた回転軸を中心とした旋回運動や回転軸に直交する傾動軸を中心とした傾動運動を超音波振動子に行わせる機構とを備えた計測機器である。そして、超音波振動子を運動させながら超音波の送受信を行うことにより、水中が探知でき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、音響整合層と、同音響整合層に接合された圧電素子とを備えている。
ところで、ソナー用の超音波振動子は、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、周波数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、超音波の周波数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。
なお、超音波を広帯域にする手法としては、図２０，図２１に示されるように、超音波振動子１９１を構成する圧電素子１９２に、同一方向に延びる複数の溝部１９３を形成し、溝部１９３を介して複数の振動部１９４を配設することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。このようにすれば、各振動部１９４のそれぞれが圧電素子１９２の厚さ方向に変形しやすくなるため、圧電素子１９２が各部位において変形しやすくなる。その結果、圧電素子１９２が振動しやすくなるため、電気機械結合係数が高くなり、周波数帯域も広くなる。
ところが、特許文献１は、圧電素子１９２を主として厚さ方向に振動しやすくする技術であるため、超音波の送受信に適した周波数帯域が十分に得られているとは言い難い。ゆえに、超音波の周波数帯域をより広くすることが求められている。
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、超音波の送受信に適した周波数帯域を広げることが可能な計測機器用の超音波振動子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計測機器用の超音波振動子であって、略円形状の外形を有し、音響整合層を兼ねる基材と、略円形状の外形を有し、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圧電素子とを備え、前記圧電素子には、中央部にて互いに連通しかつ放射状に延びる複数の溝部が形成されるとともに、前記溝部を介して複数の略扇状の振動部が配設され、前記圧電素子は、第１の周波数帯で厚さ方向に振動するとともに、前記第１の周波数帯よりも低い第２の周波数帯で前記振動部の半径方向に振動することを特徴とする計測機器用の超音波振動子をその要旨とする。
従って、請求項１に記載の発明によれば、圧電素子に溝部を形成することにより複数の振動部を得ているため、各振動部のそれぞれが高さ方向に変形しやすくなる。その結果、圧電素子が厚さ方向に振動しやすくなるため、電気機械結合係数が高くなり、厚さ方向振動の周波数帯である第１の周波数帯の送受感度が高くなり、第１の周波数帯の範囲も広くなる。しかも、圧電素子に放射状の溝部を形成することにより略扇状の振動部を得ているため、半径方向振動の共振周波数で駆動したときに、振動部における中央部側の端部、即ち、略円形状の超音波振動子の中央部で振幅が大きくなる。その結果、振動部の半径方向振動の周波数帯である第２の周波数帯の送受感度が高くなる。以上のことから、厚さ方向振動及び半径方向振動の双方において、高感度な送受信を行うことができる。
なお、「略円形状の外形を有する基材」とは、円形状の外形を有する基材だけでなく、楕円形状の外形を有する基材や、長円形状の外形を有する基材なども含むものとする。同様に、「略円形状の外形を有する圧電素子」も、円形状の外形を有する圧電素子だけでなく、楕円形状の外形を有する圧電素子や、長円形状の外形を有する圧電素子なども含むものとする。
請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記圧電素子は、前記中央部に貫通孔を有する略円環状をなしており、前記貫通孔の内壁面は、複数の前記振動部における前記中央部側の端面を構成していることをその要旨とする。
従って、請求項２に記載の発明によると、圧電素子が中央部に貫通孔を有する略円環状をなすことにより、振動部における中央部側の端部が面で構成されて尖らないようになるため、振動部の欠けを防ぐことができる。
請求項３に記載の発明は、請求項１または２において、複数の前記振動部は、第１の径方向長さを有する１つ以上の第１の振動部と、前記第１の径方向長さよりも短い第２の径方向長さを有する１つ以上の第２の振動部と、前記第１の径方向長さよりも長い第３の径方向長さを有する１つ以上の第３の振動部とを含むことをその要旨とする。
従って、請求項３に記載の発明では、複数の振動部が、径方向長さが異なる３種類の振動部を含んでいる。この場合、各振動部に半径方向振動が生じるものの、個々の共振周波数が異なり、当該半径方向振動が生じる周波数帯が上下に少しずつずれるため、個々の周波数帯同士が合成されることで周波数帯（第２の周波数帯）の幅が広くなる。よって、超音波の周波数帯域がよりいっそう広くなる。
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、前記複数の溝部同士の交点が、前記圧電素子の中心から偏心し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、複数の溝部同士の交点が圧電素子の中心から偏心することにより、径方向長さが異なる複数種類の振動部を得ることができる。この場合、各振動部に半径方向振動が生じるものの、個々の共振周波数が異なり、当該半径方向振動が生じる周波数帯が少しずつずれるため、個々の周波数帯同士が合成されることで周波数帯（第２の周波数帯）の幅が広くなる。よって、超音波の周波数帯域がよりいっそう広くなる。また、溝部同士の交点を偏心させることにより、外形が円形状であっても、径方向長さが異なる複数種類の振動部を得ることができる。
請求項５に記載の発明は、請求項４において、前記圧電素子は真円状の外形を有しており、前記交点は、前記圧電素子の外径の１％以上１０％以下の長さだけ前記圧電素子の中心から偏心していることをその要旨とする。
従って、請求項５に記載の発明によると、複数の溝部同士の交点が、圧電素子の外径の１％以上１０％以下の長さだけ圧電素子の中心から偏心することにより、径方向長さが異なる複数種類の振動部を得ることができる。この場合、各振動部に半径方向振動が生じるものの、個々の共振周波数が異なり、当該半径方向振動が生じる周波数帯が少しずつずれるため、個々の周波数帯同士が合成されることで周波数帯（第２の周波数帯）の幅が広くなる。よって、超音波の周波数帯域がよりいっそう広くなる。
請求項６に記載の発明は、請求項１乃至４のいずれか１項において、前記圧電素子は略楕円状の外形を有していることをその要旨とする。
従って、請求項６に記載の発明によると、圧電素子が略楕円形状の外形を有することにより、複数の振動部が、径方向長さが異なる複数種類の振動部を含むようになる。この場合、各振動部に半径方向振動が生じるものの、個々の共振周波数が異なり、当該半径方向振動が生じる周波数帯が少しずつずれるため、個々の周波数帯同士が合成されることで周波数帯（第２の周波数帯）の幅が広くなる。よって、超音波の周波数帯域がよりいっそう広くなる。また、複数の溝部同士の交点を圧電素子の中心から偏心させなくても、径方向長さが異なる複数種類の振動部を得ることができる。
請求項７に記載の発明は、請求項１乃至６のいずれか１項において、前記圧電素子の外径は、前記圧電素子の厚さの２倍以上であることをその要旨とする。
従って、請求項７に記載の発明によると、圧電素子の外径が圧電素子の厚さの２倍以上であるため、圧電素子の中央部から外周側に向けて延びる振動部が半径方向に振動しやすい細長形状となる。その結果、電気機械結合係数が確実に高くなるため、半径方向振動の周波数帯である第２の周波数帯の範囲を確実に広くすることができる。
請求項８に記載の発明は、請求項１乃至７のいずれか１項において、前記圧電素子には、前記溝部を介して８個以上の前記振動部が配設されていることをその要旨とする。
従って、請求項８に記載の発明によると、圧電素子に８個以上の振動部を配設することにより、１個当りの振動部の幅が小さくなるため、各振動部のそれぞれが高さ方向に振動しやすい形状となる。つまり、圧電素子が厚さ方向に振動しやすい形状となるため、電気機械結合係数を高くすることができ、厚さ方向振動の周波数帯である第１の周波数帯の感度を高め、帯域を広くすることができる。
以上詳述したように、請求項１～８に記載の発明によると、超音波の送受信に適した周波数帯域を広げることが可能な計測機器用の超音波振動子を得ることができる。
［第１実施形態］
以下、本発明を具体化した第１実施形態を図面に基づき詳細に説明する。
図１，図２に示されるように、本実施形態のソナー１１は、船舶（図示略）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を探知する計測機器である。
また、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、超音波を送受信するソナー１１用の超音波振動子４１と、超音波振動子４１を収納するケース４０と、超音波振動子４１を移動させる駆動機構３０とが収容されている。駆動機構３０は、スキャンモータ３１及びチルトモータ３２等を備えている。スキャンモータ３１は、上側収容空間２４内において蓋体２３の中央部に設置されている。本実施形態のスキャンモータ３１としては、ステッピングモータが用いられている。そして、スキャンモータ３１の回転軸３１ａは、鉛直方向に沿って延びており、蓋体２３の中央部に設けられた貫通孔３３を挿通して下側収容空間２５内に突出している。さらに、回転軸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。
図１，図２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いる。また、ケース４０には、回転軸３１ａに直交する傾動軸３６が設けられている。傾動軸３６は、２つの傾動軸部３６ａに分断されており、両傾動軸部３６ａは、ケース４０の両端部（図２では左側部及び右側部）から互いに反対方向に突出している。そして、両傾動軸部３６ａは、ベアリング（図示略）を介して支持フレーム３５の両腕部３５ａに設けられた貫通孔にそれぞれ嵌め込まれている。よって、スキャンモータ３１の回転軸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は、回転軸３１ａを中心とした旋回運動を行う。これに伴い、超音波振動子４１から出力される超音波の照射方向は、回転軸３１ａの周方向に沿って変化する。
図１，図２に示されるように、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、一対の傾動軸部３６ａ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は、傾動軸３６（傾動軸部３６ａ）を中心とした傾動運動を行う。これに伴い、超音波振動子４１から出力される超音波の照射角度も、超音波振動子４１の傾動に伴って変化する。
図３～図５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、略円形状の外形を有し、音響整合層を兼ねる樹脂製板状物である。そして、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、圧電素子４３（超音波振動子４１）の中心Ｏ１を基準として等角度間隔で配置されている。また、各ネジ孔４５には、基材４２の裏面４２ｂ側の開口部に座繰り加工が施されている。よって、ネジ孔４５にネジ（図示略）を挿通したとしても、ネジの頭部は基材４２の裏面４２ｂから突出しないため、ネジと超音波振動子４１を収容するソナードーム２０との干渉を避けることができる。
そして、各ネジ孔４５にネジを挿通し、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。なお、超音波振動子４１をケース４０に固定した際には、ケース４０と基材４２との間に隙間が生じるようになる。そして、この隙間が、ケース４０内外を連通する連通口４８となる。
また、圧電素子４３は、真円状の外形を有し、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る。図３～図５に示されるように、圧電素子４３の外径Ｄ１は基材４２の外径よりも小さいため、基材４２の面積は圧電素子４３の面積よりも大きくなる。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３，図６に示されるように、圧電素子４３の前面５１には前面側電極５４が形成され、圧電素子４３の背面５２には背面側電極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５４及び接着層５６（図６参照）を介して基材４２に接合されている。また、圧電素子４３は、前面側電極５４及び背面側電極５５の間に電圧を印加することにより、厚さ方向に分極されている。
図４～図７に示されるように、圧電素子４３には、２４本の溝部Ｋ１が形成されるとともに、溝部Ｋ１を介して２４個の振動部９０が配設されている。各溝部Ｋ１は、圧電素子４３の中央部５７にて互いに連通しかつ放射状に延びている。そして、各溝部Ｋ１は、圧電素子４３の中心Ｏ１を基準として等角度間隔で配置されている。つまり、各溝部Ｋ１同士の交点は中心Ｏ１と一致している。また、各溝部Ｋ１の幅は、互いに等しくなっている。さらに、各溝部Ｋ１内には、樹脂材料（エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、シリコーン樹脂等）や接着剤（エポキシ系接着剤等）などからなる充填材が何ら充填されていないため、各溝部Ｋ１は全体的に空隙Ｋ０となっている。
図４に示されるように、各振動部９０は、背面視で略扇状をなしている。具体的に言うと、図７に示されるように、振動部９０の表面９１（背面５２）は、３つの辺９２，９３，９４によって構成されており、辺９２が背面視で円弧状をなし、辺９３，９４が背面視で直線状をなしている。なお、各振動部９０の外側面９５は、圧電素子４３の外周面５３を構成している。
図４～図７に示されるように、各振動部９０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。また、略扇状の振動部９０の半径方向長さＬ０は振動部９０の高さＨ１よりも大きくなっている。なお、振動部９０の高さＨ１は、溝部Ｋ１の深さと等しくなっている。さらに、上述した基材４２の厚さは、振動部９０の高さＨ１よりも小さくなっている。また、圧電素子４３において振動部９０同士が繋がる部分の厚さＨ２は、基材４２の厚さよりも小さくなっている。さらに、本実施形態では、圧電素子４３の外径Ｄ１が、圧電素子４３の厚さＨ３の２倍以上となっている。また、溝部Ｋ１の深さは、圧電素子４３の厚さＨ３よりも小さく、かつ、振動部９０の外周方向における最大幅の０．８倍以上となっている。
図６に示されるように、各振動部９０の表面９１上には、それぞれ背面側電極５５が形成されている。そして、複数の背面側電極５５の各々を架け渡すようにして、略円形状の導電性部材である金属箔６０（例えば、銅箔、黄銅箔、アルミニウム箔など）が貼付されている。また、金属箔６０は、はんだ等の導電金属や、従来周知の導電性フィラーを含む接着剤などにより、各背面側電極５５に貼付されている。なお、金属箔６０の貼付により、金属箔６０は、各振動部９０の表面９１の共通電極となる。
そして、図３に示されるように、前面側電極５４には第１のリード線６２が接続され、背面側電極５５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、複数の背面側電極５５のいずれか１つ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の上部に設けられた配線挿通孔４９を通ってケース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５４及び基材４２の表面４２ａに銅箔等の金属箔（図示略）を貼付し、金属箔に対して第１のリード線６２をはんだ付けなどにより接続してもよい。
また、圧電素子４３の背面５２側には、シート状の防音材６５（バッキング材）が貼付されている。防音材６５は、残響を抑えるためのものであり、ケース４０の内周面にも貼付されている。なお、防音材６５としては、樹脂材料やゴムに対して、金属やセラミックスからなる粒子または繊維を含有させたものや、樹脂材料に対して空孔を分散的に設けたもの（スポンジなど）を用いることができる。
そして、図１，図２に示されるソナードーム２０内には、超音波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に設けられた連通口４８を介してケース４０内に流入し、圧電素子４３において隣接する振動部９０間の空隙Ｋ０（溝部Ｋ１）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る。また、上述した基材４２の固有音響インピーダンスは、圧電素子４３の固有音響インピーダンスよりも小さく、かつ超音波伝搬液体の固有音響インピーダンスや水の固有音響インピーダンスよりも大きくなっている。
次に、ソナー１１を用いて被探知物を探知する方法を説明する。
まず、ソナー１１の電源（図示略）をオンする。次に、制御装置（図示略）は、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の各振動部９０は、収縮と伸長とを繰り返す。なお、振動部９０が高さ方向に収縮した際には、振動部９０が幅方向、具体的には、振動部９０の外周側（図７の矢印ｆ１参照）に、収縮した体積分だけ太くなるように変形する。そして、振動部９０が高さ方向に伸長すると、振動部９０が幅方向、具体的には、振動部９０の中央部側（図７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が照射（送信）される。
そして、超音波が魚群などの被探知物（図示略）に到達すると、超音波は、被探知物で反射して反射波となり、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（反射波）は、受信信号に変換されて制御装置に入力される。この時点で、被探知物が探知される。
さらに、制御装置は、スキャンモータ３１を駆動させる制御を行い、回転軸３１ａを中心とした旋回運動を超音波振動子４１に行わせる。また、制御装置は、チルトモータ３２を駆動させる制御を行い、傾動軸３６を中心とした傾動運動を超音波振動子４１に行わせる。その結果、超音波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、超音波の照射及び反射波の受信が終了する。
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形状に切削加工する。また、圧電素子４３となるべきセラミックス製板状物を準備する。具体的には、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる円板状のセラミックス製焼結体を作製した後、表面研磨を行うことにより、セラミックス製板状物を得る。次に、セラミックス製板状物の前面５１に前面側電極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５４，５５を形成する。そして、前面側電極５４及び背面側電極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を行う。
次に、基材４２の片面に対して、セラミックス製板状物を前面側電極５４を介して接合する。具体的には、前面側電極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に対してセラミックス製板状物を接着固定する。なお、接着剤を塗布する代わりに、はんだ等を用いてロウ付けを行ってもよい。
その後、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２４本の溝部Ｋ１を形成する。その結果、セラミックス製板状物が２４個の振動部９０に分割されるとともに、セラミックス製板状物の背面５２に形成された背面側電極５５も２４枚（振動部９０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、各振動部９０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５４までが分割されることはない。その後、複数の背面側電極５５の各々を架け渡すようにして金属箔６０を貼付し、各背面側電極５５を、各振動部９０の表面９１の共通電極とする。そして、この時点で、超音波振動子４１が完成する。
従って、本実施形態によれば以下の効果を得ることができる。
（１）本実施形態の超音波振動子４１では、圧電素子４３に溝部Ｋ１を形成することにより複数の振動部９０を得ているため、各振動部９０のそれぞれが高さ方向に変形しやすくなる。その結果、圧電素子４３が厚さ方向Ｆ１（図７参照）に振動しやすくなるため、電気機械結合係数が高くなり、厚さ方向振動の周波数帯である第１の周波数帯の送受感度が高くなり、第１の周波数帯の範囲も広くなる。しかも、圧電素子４３に放射状の溝部Ｋ１を形成することにより略扇状の振動部９０を得ているため、半径方向振動の共振周波数で駆動したときに、振動部９０における中央部５７側の端部、即ち、略円形状の超音波振動子４１の中央部で振幅が大きくなる。その結果、振動部９０の半径方向振動の周波数帯である第２の周波数帯の送受感度が高くなる。以上のことから、厚さ方向振動及び半径方向振動の双方において、高感度な送受信を行うことができる。
（２）本実施形態の圧電素子４３は、第１の周波数帯で厚さ方向Ｆ１に振動するだけでなく、第１の周波数帯とは異なる周波数帯、具体的には、第１の周波数帯よりも低い第２の周波数帯で半径方向Ｆ２（図７参照）にも振動する。そこで、厚さ方向Ｆ１に振動する第１の周波数帯（例えば２００ｋＨｚ付近）と、半径方向Ｆ２に振動する第２の周波数帯（例えば５０ｋＨｚ付近）とに切り替えて超音波振動子４１を駆動すれば、それぞれの周波数帯で超音波を送受信することが可能となる。また、ソナー１１に１つの超音波振動子４１を設けるだけで、２つの周波数帯において超音波の送受信が可能となるため、ソナー１１の軽量化、小型化、低コスト化を図ることができる。
なお、第２の周波数帯で超音波振動子４１を駆動（低周波駆動）する場合には、高周波に比べて減衰しにくく深い探知が可能であって、広指向角となるという特長がある反面、受信信号（反射波）の分解能は低下する。一方、第１の周波数帯で超音波振動子４１を駆動（高周波駆動）すれば、減衰が大きく探知深度は浅くなるが、高分解能で狭い指向角の探知が可能となる。このように、１つの超音波振動子４１で周波数を切り替えて駆動できることから、状況に応じた探知が選択できるようになる。
（３）本実施形態では、音響整合層を兼ねる基材４２の面積が圧電素子４３の面積よりも大きくなっているため、超音波を、基材４２を介して確実に送受信させることができる。また、基材４２を、ケース４０の支持体としても用いることができる。
（４）本実施形態では、圧電素子４３を構成する各振動部９０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５４が分割されることはない。この場合、前面側電極５４（側面端子）に第１のリード線６２を接続すれば、前面側電極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。また、各振動部９０が圧電素子４３の前面５１側の端部において互いに繋がることにより、圧電素子４３の前面５１全体が基材４２の表面４２aに接触する。このため、両者の接触面積が確保され、圧電素子４３と基材４２との接合強度が向上する。その結果、超音波振動子４１の信頼性が高くなる。
［第２実施形態］
以下、本発明を具体化した第２実施形態を図面に基づいて説明する。ここでは、前記第１実施形態と相違する部分を中心に説明する。本実施形態では、超音波振動子の構造が第１実施形態とは異なっている。
詳述すると、図８に示されるように、本実施形態の超音波振動子４１では、複数の溝部Ｋ１の中心線（図示略）同士の交点Ｃ１が、圧電素子４３の中心Ｏ１から偏心している。具体的に言うと、交点Ｃ１は、圧電素子４３の外径Ｄ１の１％以上１０％以下の長さだけ中心Ｏ１から偏心している。このため、各溝部Ｋ１は、交点Ｃ１を中心として等角度間隔で配置されている。
また、図９に示されるように、各振動部９０は、半径方向長さが異なる１２種類の振動部９０をそれぞれ２つずつ有している。そして、本実施形態では、各振動部９０のうち、半径方向長さＬ０が最小及び最大となるものを除いた任意の２つを選択し、これらを第１の振動部１０１と定義している（図９では、例えば短い方から７番目のもの）。なお、各第１の振動部１０１は、第１の径方向長さＬ１を有している。さらに、本実施形態では、各振動部９０の中から、第１の径方向長さＬ１よりも短い第２の径方向長さＬ２を有する任意の２つを選択し、これらを第２の振動部１０２と定義している（図９では、例えば短い方から１番目（最小値）のもの）。また、本実施形態では、各振動部９０の中から、第１の径方向長さＬ１よりも長い第３の径方向長さＬ３を有する任意の２つを選択し、これらを第３の振動部１０３と定義している（図９では、例えば短い方から１２番目（最大値）のもの）。なお、各振動部１０１～１０３の径方向長さＬ１～Ｌ３は、振動部１０１～１０３の高さよりも大きくなっている。
従って、本実施形態では、各溝部Ｋ１同士の交点Ｃ１が圧電素子４３の中心Ｏ１から偏心しているため、各振動部９０が、半径方向長さＬ０が異なる１２種類の振動部となる。この場合、各振動部９０に半径方向振動が生じるものの、個々の共振周波数が異なり、当該半径方向振動が生じる周波数帯が少しずつずれるため、個々の周波数帯同士が合成されることで周波数帯（第２の周波数帯）の幅が広くなる。よって、超音波の周波数帯域がよりいっそう広くなる。
［超音波振動子の評価］
以下、超音波振動子の評価方法及びその結果を説明する。
まず、真円状の外形を有する圧電素子の一部である扇状の振動部を準備した。具体的には、中心角は等しいものの、半径及び厚さが異なる２つの振動部を作製し、これらをサンプルＡ，Ｂとした。
次に、サンプルＡ，Ｂに対して、振動部のインピーダンスを測定した。具体的には、各測定用サンプルにおいて、インピーダンスアナライザを用いて３０ｋＨｚ～３００ｋＨｚの間で周波数をスイープし、インピーダンスを測定した。
その結果、サンプルＡでは、振動部の半径方向振動の共振領域（谷になっている領域）が７０ｋＨｚ付近にあり、振動部の厚さ方向振動の共振領域が２００ｋＨｚ付近にあることが確認された（図１０参照）。一方、サンプルＡよりも半径及び厚さが大きいサンプルＢでは、振動部の半径方向振動の共振領域が５０ｋＨｚ付近にあり、振動部の厚さ方向振動の共振領域が１６０ｋＨｚ付近にあることが確認された（図１１参照）。従って、サンプルＡ，Ｂのいずれにおいても、これらの振動部は、厚さ方向に振動する際の周波数よりも低い周波数で半径方向に振動することが確認された。また、半径方向振動での変位量は、両端部（中心部及び外周部）に行くに従って大きくなり、厚さ方向振動での変位量は、中間部の表面側及び裏面側に行くに従って大きくなることが確認された。さらに、サンプルＡよりも振動部の半径が大きいサンプルＢでは、半径方向振動の周波数のピーク（共振領域）がサンプルＡよりも低いことが確認された。また、サンプルＡよりも振動部の厚さが厚いサンプルＢでは、厚さ方向振動の周波数のピーク（共振領域）がサンプルＢよりも低いことも確認された。なお、サンプルＡ，Ｂは、いずれも同様の波形を有することが確認された。
次に、圧電素子と基材とからなる超音波振動子を準備した。詳述すると、真円状の外形を有する圧電素子１２２に対して放射状に延びる溝部１２３を形成することにより、扇状の振動部１２４が形成された超音波振動子１２１（即ち、第１実施形態の超音波振動子４１と同様の超音波振動子）を作製し、これを実施例１とした（図１２（ａ）参照）。具体的には、外径５０ｍｍ、厚さ７．２ｍｍの圧電素子１２２を、外径５４ｍｍ、厚さ３．６ｍｍの基材１２５（ガラスエポキシ板）に接着し、２４本の溝部１２３を１５°のピッチで等角度間隔に形成した。
また、真円状の外形を有する圧電素子１３２に対して放射状に延びる溝部１３３を形成し、かつ溝部１３３同士の交点を圧電素子１３２の中心から偏心させることにより、扇状の振動部１３４が形成された超音波振動子１３１（即ち、第２実施形態の超音波振動子４１と同様の超音波振動子）を作製し、これを実施例２とした（図１２（ｂ）参照）。具体的には、外径５０ｍｍ、厚さ７．２ｍｍの圧電素子１３２を、外径５４ｍｍ、厚さ３ｍｍの基材１３５（ガラスエポキシ板）に接着し、２４本の溝部１３３を１５°のピッチで等角度間隔に形成した。また、溝部１３３同士の交点を、５ｍｍ（即ち、圧電素子１３２の外径の１０％）だけ圧電素子１３２の中心から偏心させた。
一方、真円状の外形を有する圧電素子１４２に対して一方向に延びる溝部１４３を複数形成することにより、複数の帯状の振動部１４４が形成された超音波振動子１４１を作製し、これを比較例とした（図１２（ｃ）参照）。具体的には、外径５０ｍｍ、厚さ７．２ｍｍの圧電素子１４２を、外径５４ｍｍ、厚さ３．６ｍｍの基材１４５に接着し、１２本の溝部１４３を等間隔かつ平行に形成した。
次に、実施例１，２及び比較例に対して、超音波振動子１２１，１３１，１４１のインピーダンスを測定した。具体的には、各測定用サンプルにおいて、インピーダンスアナライザを用いて３０ｋＨｚ～３００ｋＨｚの間で周波数をスイープし、インピーダンスを測定した。
その結果、実施例１では、超音波振動子１２１の半径方向振動の共振領域が８０ｋＨｚ付近にあり、超音波振動子１２１の厚さ方向振動の共振領域が１７０ｋＨｚ付近にあることが確認された（図１３（ａ）参照）。また、実施例２では、超音波振動子１３１の半径方向振動の共振領域が７０ｋＨｚ付近にあり、超音波振動子１３１の厚さ方向振動の共振領域が１７０ｋＨｚ付近にあることが確認された（図１３（ｂ）参照）。一方、比較例では、超音波振動子１４１の半径方向振動の共振領域が３０ｋＨｚ付近にあり、超音波振動子１４１の厚さ方向振動の共振領域が１８０ｋＨｚ付近にあることが確認された（図１３（ｃ）参照）。
以上のことから、実施例１，２及び比較例の超音波振動子１２１，１３１，１４１は、いずれも厚さ方向振動の周波数よりも低い周波数で半径方向に振動することが確認された。また、厚さ方向振動では、実施例１，２及び比較例２の全てにおいて、周波数及びインピーダンスが同等であることが確認された。一方、半径方向振動では、比較例の周波数が実施例１，２の周波数よりも低く、かつ比較例のインピーダンスが実施例１，２のインピーダンスよりも高いことが確認された。従って、圧電素子１４２に対して一方向に延びる溝部１４３を形成した超音波振動子１４１（比較例）は、厚さ方向振動の周波数が超音波の送受信に適しているものの、半径方向振動の周波数は、超音波の送受信には適さないことが確認された。
次に、以下の測定用サンプルを試作した。真円状の外形を有する圧電素子に対して放射状に延びる溝部を形成することにより、扇状の振動部が形成された超音波振動子（即ち、第１実施形態の超音波振動子４１と同様の超音波振動子）を試作し、これをサンプル１（図１４参照）とした。そして、サンプル１の超音波振動子に対して、各振動部の表面上にある電極の各々を架け渡すようにして略円形状の金属箔をはんだ付けし、これをケースに収容した。
また、真円状の外形を有する圧電素子に対して放射状に延びる溝部を形成し、かつ溝部同士の交点を圧電素子の中心から３ｍｍ（ここでは、圧電素子の外径の６％）だけ偏心させることにより、扇状の振動部が形成された超音波振動子（即ち、第２実施形態の超音波振動子４１と同様の超音波振動子）を試作し、これをサンプル２（図１４参照）とした。そして、サンプル２の超音波振動子に対して、各振動部の表面上にある電極の各々を架け渡すようにして略円形状の金属箔をはんだ付けし、これをケースに収容した。
さらに、真円状の外形を有する圧電素子に対して一方向に延びる溝部を複数形成することにより、複数の帯状の振動部が形成された超音波振動子を試作し、これをサンプル３（図１４参照）とした。具体的には、まず、圧電素子を基材に接着し、複数の溝部を等間隔かつ平行に形成した。そして、各振動部の表面上にある電極の各々を架け渡すようにして、帯状の金属箔をはんだ付けし、これをケースに収容した。
また、真円状の外形を有する圧電素子に溝部が形成されていない超音波振動子を試作し、これをサンプル４（図１４参照）とした。具体的には、まず、圧電素子を基材に接着した。そして、圧電素子の背面上にある電極に対して配線を施し、これをケースに収容した。
次に、各測定用サンプル（サンプル１～４）に対して、超音波振動子の送受感度を算出した。具体的には、超音波振動子の放射面を水中に浸漬し、放射面から１７０ｍｍ離れた位置にあるＳＵＳ板に対して超音波を垂直に照射した。そして、ＳＵＳ板で反射した超音波（反射波）は、超音波振動子で受信され、超音波振動子の両端に電圧信号を生じる。このとき、超音波振動子の送信時及び受信時の電圧振幅をオシロスコープにより測定し、送信電圧波形及び受信電圧波形の双方の周波数成分解析と演算とを行うことにより、送受感度を算出した。なお、送受感度は、送信電圧の振幅Ｖｓに対する受信電圧の振幅Ｖｒの比であり、２０×log（Ｖｒ／Ｖｓ） の式から算出されるものである。また、図１４のグラフは、サンプル１～４における周波数と送受感度との関係を示している。
その結果、真円状の外形を有する圧電素子に対して放射状に延びる溝部を形成したサンプル１では、圧電素子が、２１０ｋＨｚで送受感度がピークとなる第１の周波数帯で厚さ方向に振動するとともに、第１の周波数帯よりも低く、８０ｋＨｚで送受感度がピークとなる第２の周波数帯で振動部の半径方向に振動することが確認された。そして、送受感度が例えば－３３ｄＢ以上となる範囲は、第１の周波数帯で１３５ｋＨｚ～３２５ｋＨｚ付近となり、第２の周波数帯で８０ｋＨｚ～９０ｋＨｚ付近となることが確認された。以上のことから、サンプル１は、第１の周波数帯及び第２の周波数の両方が、超音波の送受信に適していることが確認された。また、溝部を放射状に形成すると、２００ｋＨｚ付近で広帯域となる一方、８０ｋＨｚ付近では狭帯域となる超音波振動子となることが確認された。
また、真円状の外形を有する圧電素子に対して放射状に延びる溝部を形成し、かつ溝部同士の交点を圧電素子の中心から偏心させたサンプル２では、圧電素子が、２２０ｋＨｚで送受感度がピークとなる第１の周波数帯で厚さ方向に振動するとともに、９０ｋＨｚで送受感度がピークとなる第２の周波数帯で振動部の半径方向に振動することが確認された。そして、送受感度が例えば－３３ｄＢ以上となる範囲は、第１の周波数帯で１４０ｋＨｚ～３２５ｋＨｚ付近となり、第２の周波数帯で８０ｋＨｚ～９０ｋＨｚ付近となることが確認された。以上のことから、サンプル２は、サンプル１と同様に、第１の周波数帯及び第２の周波数帯の両方が、超音波の送受信に適していることが確認された。
一方、真円状の外形を有する圧電素子に対して一方向に延びる溝部を形成したサンプル３では、圧電素子が、２２０ｋＨｚで送受感度がピークとなる周波数帯で厚さ方向に振動することが確認された。そして、送受感度が例えば－３３ｄＢ以上となる範囲は、２２０ｋＨｚをピークとする周波数帯で１４０ｋＨｚ～３４０ｋＨｚ付近となることが確認された。なお、サンプル３では、半径方向振動のピークは認められなかった。以上のように、比較例であるサンプル３では、厚さ方向振動で広帯域となっているものの、切込み（溝部）の長手方向振動による送受感度が弱いことが確認された。それに対して、実施例であるサンプル１，２では、サンプル３と同様の厚さ方向の送受感度と帯域特性を持つことに加えて、振動部の半径方向振動による低周波での送受信も可能となることが確認された。
また、真円状の外形を有する圧電素子に対して何ら溝部が形成されていないサンプル４では、圧電素子が、２０５ｋＨｚで送受感度がピークとなる周波数帯で厚さ方向に振動するとともに、５０ｋＨｚで送受感度がピークとなる周波数帯で径方向（直径方向）に振動することが確認された。そして、送受感度が例えば－３３ｄＢ以上となる範囲は、第１の周波数帯で１９５ｋＨｚ～２３０ｋＨｚ付近となり、第２の周波数帯で４５ｋＨｚ～５５ｋＨｚ付近となることが確認された。比較例としたサンプル４は、５０ｋＨｚと２００ｋＨｚとの２周波切替タイプの魚群探知機用振動子として、広く市場に浸透しているものである。一方、実施例であるサンプル１，２は、２００ｋＨｚ付近の厚さ方向振動がサンプル４よりも高感度かつ広帯域であることに加えて、低周波の径方向振動の送受感度もサンプル４と同等の感度が得られており、サンプル４と同様に両周波数帯で使用することが可能である。
なお、上記実施形態を以下のように変更してもよい。
・図１５に示されるように、圧電素子４３は、中央部５７に円形状の貫通孔１５１を有する略円環状をなしており、貫通孔１５１の内壁面は、各振動部９０における中央部５７側の端面１５２を構成していてもよい。このようにすれば、振動部９０における中央部５７側の端部が面で構成されて尖らないようになるため、振動部９０の欠けを防ぐことができる。また、貫通孔１５１を設けることにより、圧電素子４３を構成するセラミックスの体積が減少するため、材料費の削減にもなる。なお、貫通孔１５１の内径は、例えば、圧電素子４３の外径Ｄ１の１％以上２０％以下の長さであることが好ましい。
さらに、図１６の超音波振動子４１に示されるように、圧電素子４３が貫通孔１５１を有する略円環状をなすのに加えて、基材４２も、中央部５７に円形状の貫通孔１５３を有する略円環状をなしていてもよい。なお、貫通孔１５３は、配線作業等のやり易さを考慮して、超音波の送受信を妨げない程度の大きさに形成される。
・上記各実施形態の超音波振動子４１は、真円状の外形を有する圧電素子４３を備えていたが、圧電素子は、楕円状の外形を有する圧電素子４３（図１７（ａ）参照）であってもよいし、長円状の外形を有する圧電素子４３（図１７（ｂ）参照）であってもよい。
・図１８に示されるように、圧電素子４３は、中央部５７に楕円形状の貫通孔１６１を有する略円環状をなしていてもよいし、中央部５７に長円形状の貫通孔（図示略）を有する略円環状をなしていてもよい。即ち、貫通孔は、真円でない形状（矩形など）であってもよい。これらのようにすれば、各振動部９０が、半径方向長さが異なる複数種類の振動部９０を含むようになる。この場合、各振動部９０に半径方向振動が生じるものの、個々の共振周波数が異なり、当該半径方向振動が生じる周波数帯が少しずつずれるため、個々の周波数帯同士が構成されることで周波数帯（第２の周波数帯）の幅が広くなる。よって、超音波の周波数帯域がよりいっそう広くなる。
・上記各実施形態では、基材４２の面積が圧電素子４３の面積よりも大きくなっていた。しかし、基材４２の面積は、圧電素子４３の面積と等しくてもよい。また、例えば、基材４２に切り欠き１７１を設ける等することにより（図１９参照）、基材４２の面積を圧電素子４３の面積よりも小さくしてもよい。なお、圧電素子４３の前面５１（基材４２との接着面）のうち切り欠き１７１を介して露出する領域には、第１のリード線６２（図３，図１９参照）がはんだ付けにより接続される。
・上記各実施形態の圧電素子４３には、溝部Ｋ１を介して２４個の振動部９０（中心角１５°）が配設されていた。しかし、圧電素子４３には、溝部Ｋ１を介して２５個以上（例えば、３０個，３６個等）の振動部９０が配設されていてもよいし、２３個以下（例えば、１６個，１２個，１０個，８個等）の振動部９０が配設されていてもよい。また、上記各実施形態では、圧電素子４３が同じ中心角（１５°）の振動部９０を有していたが、圧電素子４３は、中心角が異なる複数種類の振動部を有していてもよい。
・上記各実施形態の超音波振動子４１では、溝部Ｋ１が全体的に空隙Ｋ０となっていたが、溝部Ｋ１の一部に充填材が充填されていてもよい。例えば、それぞれの溝部Ｋ１について、溝部Ｋ１の内部領域が、充填材（図示略）が充填される充填領域と、充填材が充填されない非充填領域とからなっていてもよい。具体的に言うと、各溝部Ｋ１の外周側の端部に充填領域が設定され、各溝部Ｋ１において外周側の端部を除く部分に非充填領域が設定されることが考えられるが、充填領域及び非充填領域の位置は、特に限定される訳ではなく、適宜変更可能である。また、非充填領域の体積は、充填領域の体積よりも大きくてもよいし、充填領域の体積より小さくてもよいし、充填領域の体積と等しくてもよい。また、各溝部Ｋ１の内部領域の全体に充填材が充填されていてもよい。
なお、充填材の比重は１．５以下であることが好ましい。このようにすれば、充填材が比較的軽くなるため、充填材が振動部９０の振動の負荷になりにくくなる。その結果、充填材に起因する送受感度の低下を防止することができる。
・上記各実施形態の圧電素子４３は、分割された複数の振動部９０が前面５１側の端部において互いに繋がった構造を有していた。しかし、圧電素子は、複数の振動部が完全に分割された構造を有していてもよい。この場合、各振動部を基材４２に対してそれぞれ貼付することにより、超音波振動子が構成される。
・上記各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（Ｍｇ
１／３Ｎｂ２／３）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。
・上記各実施形態の超音波振動子４１では、ガラスエポキシ（ＦＲ－４）からなる基材４２を用いたが、基材４２の形成材料は、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変更することができる。例えば、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）、アルミナの多孔体からなる基材を用いてもよい。
・上記各実施形態の超音波振動子４１では、分割した背面側電極５５の電気的接続に金属箔６０が用いられていたが、銅線などの線材のはんだ付けにより、分割した背面側電極５５の電気的接続を行ってもよい。
・上記各実施形態の超音波振動子４１は、超音波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、他の計測機器に用いられていてもよい。例えば、超音波振動子を、超音波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、超音波の照射方向を変更しない、即ち、駆動機構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探機や、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１乃至８のいずれか１項において、前記基材の面積は前記圧電素子の面積よりも大きいことを特徴とする計測機器用の超音波振動子。
（２）請求項１乃至８のいずれか１項において、前記基材の面積は前記圧電素子の面積と等しいことを特徴とする計測機器用の超音波振動子。
（３）請求項１乃至８のいずれか１項において、前記基材の面積は前記圧電素子の面積よりも小さいことを特徴とする計測機器用の超音波振動子。
（４）請求項１乃至８のいずれか１項において、複数の前記振動部が、前記圧電素子の前記前面側の端部において互いに繋がっていることを特徴とする計測機器用の超音波振動子。
（５）請求項１乃至８のいずれか１項において、前記溝部の深さは前記圧電素子の厚さよりも小さいことを特徴とする計測機器用の超音波振動子。
（６）請求項１乃至８のいずれか１項において、前記溝部の深さは、前記振動部の外周方向における最大幅の０．８倍以上であることを特徴とする計測機器用の超音波振動子。
（７）請求項１乃至８のいずれか１項において、前記溝部が全体的に空隙となっていることを特徴とする計測機器用の超音波振動子。
（８）請求項１乃至８のいずれか１項において、１本の前記溝部について、前記溝部の内部領域が、充填材が充填される充填領域と、前記充填材が充填されない非充填領域とからなることを特徴とする計測機器用の超音波振動子。
（９）請求項１乃至８のいずれか１項において、前記溝部の内部領域の全体に充填材が充填されていることを特徴とする計測機器用の超音波振動子。
（１０）請求項１乃至８のいずれか１項において、前記充填材の比重が１．５以下であることを特徴とする計測機器用の超音波振動子。
１１…計測機器としてのソナー
４１…超音波振動子
４２…基材
４３…圧電素子
５１…圧電素子の前面
５２…圧電素子の背面
５７…圧電素子の中央部
９０…振動部
１０１…第１の振動部
１０２…第２の振動部
１０３…第３の振動部
１５１，１６１…貫通孔
１５２…振動部における中央部側の端面
Ｃ１…複数の溝部同士の交点
Ｄ１…圧電素子の外径
Ｆ１…厚さ方向
Ｆ２…半径方向
Ｈ３…圧電素子の厚さ
Ｋ１…溝部
Ｌ１…第１の径方向長さ
Ｌ２…第２の径方向長さ
Ｌ３…第３の径方向長さ
Ｏ１…圧電素子の中心
４１…超音波振動子
４２…基材
４３…圧電素子
５１…圧電素子の前面
５２…圧電素子の背面
５７…圧電素子の中央部
９０…振動部
１０１…第１の振動部
１０２…第２の振動部
１０３…第３の振動部
１５１，１６１…貫通孔
１５２…振動部における中央部側の端面
Ｃ１…複数の溝部同士の交点
Ｄ１…圧電素子の外径
Ｆ１…厚さ方向
Ｆ２…半径方向
Ｈ３…圧電素子の厚さ
Ｋ１…溝部
Ｌ１…第１の径方向長さ
Ｌ２…第２の径方向長さ
Ｌ３…第３の径方向長さ
Ｏ１…圧電素子の中心
Claims (8)
- 超音波を送受信する計測機器用の超音波振動子であって、
略円形状の外形を有し、音響整合層を兼ねる基材と、略円形状の外形を有し、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圧電素子とを備え、
前記圧電素子には、中央部にて互いに連通しかつ放射状に延びる複数の溝部が形成されるとともに、前記溝部を介して複数の略扇状の振動部が配設され、
前記圧電素子は、第１の周波数帯で厚さ方向に振動するとともに、前記第１の周波数帯よりも低い第２の周波数帯で前記振動部の半径方向に振動する
ことを特徴とする計測機器用の超音波振動子。 - 前記圧電素子は、前記中央部に貫通孔を有する略円環状をなしており、前記貫通孔の内壁面は、複数の前記振動部における前記中央部側の端面を構成していることを特徴とする請求項１に記載の計測機器用の超音波振動子。
- 複数の前記振動部は、
第１の径方向長さを有する１つ以上の第１の振動部と、
前記第１の径方向長さよりも短い第２の径方向長さを有する１つ以上の第２の振動部と、
前記第１の径方向長さよりも長い第３の径方向長さを有する１つ以上の第３の振動部と
を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の計測機器用の超音波振動子。 - 前記複数の溝部同士の交点が、前記圧電素子の中心から偏心していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の計測機器用の超音波振動子。
- 前記圧電素子は真円状の外形を有しており、
前記交点は、前記圧電素子の外径の１％以上１０％以下の長さだけ前記圧電素子の中心から偏心している
ことを特徴とする請求項４に記載の計測機器用の超音波振動子。 - 前記圧電素子は略楕円状の外形を有していることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の計測機器用の超音波振動子。
- 前記圧電素子の外径は、前記圧電素子の厚さの２倍以上であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の計測機器用の超音波振動子。
- 前記圧電素子には、前記溝部を介して８個以上の前記振動部が配設されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の計測機器用の超音波振動子。
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