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JP7312420B1 - 計測機器用の超音波振動子 - Google Patents

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Abstract

【課題】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。【解決手段】本発明の計測機器用の超音波振動子１１は、支持板２３を有する筐体容器２１と、略円形状の外形を有し支持板２３に支持された圧電素子３１とを備える。圧電素子３１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３６により分割された複数の略扇状の振動部４１を含む。圧電素子３１は、第１の周波数帯で厚さ方向Ａ３に振動するとともに、第１の周波数帯よりも低い第２の周波数帯で半径方向Ａ４に振動する。【選択図】図１

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水中の魚群などを探知する魚群探知機がよく知られている。この種の魚群探知機では、超音波振動子を用いて超音波の送受信を行うことにより、水中の様子が探知できるようになっている。そして、水中の探知結果は画像として画面に表示される。
ところで、魚群探知機用の超音波振動子は、通常、円板状や円環状の圧電素子を用いており、厚さ方向振動で例えば２００ｋＨｚ、半径方向振動で例えば５０ｋＨｚ、といったように、２種類の周波数の超音波を一つの振動子で送受するように設計される。しかし、この種の圧電素子は、それぞれの超音波の周波数帯域が狭い。近年、同様の魚群探知機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１８、図１９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が圧電素子１９２の厚さ方向に変形しやすくなる。その結果、圧電素子１９２が全域にわたり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、周波数帯域も広くなる。
特開２０１６－２１３６６６号公報（段落［００２３］、図１，図３，図４Ａ等）
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、支持体を有する筐体容器と、略円形状の外形を有し、前記支持体に支持された圧電素子とを備え、前記圧電素子は、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により分割された複数の略扇状の振動部と、隣接する複数の前記振動部同士を互いに接合固定すべく、複数の前記溝部を埋めるようにして配置された両面テープ付きの防音材シートと、を含んで構成され、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、圧電素子が溝部により分割された複数の振動部を含んで構成されるため、各振動部が厚さ方向に変形しやすくなる。その結果、圧電素子が全域にわたり厚さ方向に振動し、電気機械結合係数が高くなる。このため、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。また、圧電素子を構成する各振動部は略扇状であるため、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が大きい振幅で振動する。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、高感度で送受信を行うことができる。
なお、「略円形状の外形」を有する圧電素子には、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が含まれる。
前記圧電素子は、複数の前記振動部と、隣接する複数の前記振動部同士を互いに接合固定すべく、複数の前記溝部を埋めるようにして配置された両面テープ付きの防音材シート固定部材と、を含んで構成されている。従って、各振動部をそれぞれ正しく位置決めされた状態で互いに接合固定することができるとともに、圧電素子全体の機械的強度を向上させることができる。
また、防音材シートの両面テープは振動部側面に対して貼着可能なため、これを用いた場合には、各振動部をそれぞれ正しく位置決めした状態で、確実にかつ比較的簡単に互いを接合固定することができる。さらにこの場合、複数の前記振動部は、前記圧電素子の中心軸線に直交する面に対し、ともに等しい傾斜角度をなす状態で、互いに接合固定されていてもよい（請求項２）。
前記支持体は、平坦な面形状を有する支持板であってもよいが（請求項３）、平坦ではなく、全体的に凸または凹であって傾斜のある面形状を有する支持板であってもよい。この構成によると、平坦な面形状を有する支持板に圧電素子を支持させた場合とは異なる指向角を設定することができる。なお、前記支持体は、板状以外の形状（例えば棒状や突起状など）であってもよい。
上記課題を解決するために、請求項４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、支持体を有する筐体容器と、略円形状の外形を有し、前記支持体に支持された圧電素子とを備え、前記支持体は、多角錐または多角錐台の角錐面に相当する面形状を有するとともに、外面側に全体的に凸または凹である支持板であり、前記圧電素子は、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により分割された複数の略扇状の振動部を含んで構成され、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。
また、請求項５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、支持体を有する筐体容器と、略円形状の外形を有し、前記支持体に支持された圧電素子とを備え、前記支持体は、多角錐または多角錐台の角錐面に相当する面形状を有するとともに、外面側に全体的に凸または凹である支持板であり、前記圧電素子は、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により分割された複数の略扇状の振動部と、隣接する複数の前記振動部同士を互いに接合固定すべく、複数の前記溝部を埋めるようにして配置された両面テープ付きの防音材シートと、を含んで構成され、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。
上記発明において、多角錐または多角錐台の角錐面に相当する面形状を有するとともに、前記支持板の外面側に全体的に凸である支持板であると、各振動部を所望角度に保持した状態で支持板に安定的に支持できるとともに、平坦な面形状を有する支持板に圧電素子を支持させた場合に比べて、指向角を広くすることができる。あるいは、多角錐または多角錐台の角錐面に相当する面形状を有するとともに、前記支持板の外面側に全体的に凹である支持板であると、各振動部を所望角度に保持した状態で支持板に安定的に支持できるとともに、平坦な面形状を有する支持板に圧電素子を支持させた場合に比べて、指向角を狭くすることができる。
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、前記圧電素子は、ｎ分割（ただしｎは８以上）された複数の前記振動部を含んで構成され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、各振動部の幅が小さくなるため、各振動部が厚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ことで、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。
また、支持板が多角錐または多角錐台の角錐面に相当する面形状を有するとともに、支持板の外面側に全体的に凸または凹である場合、複数の前記振動部は、ｎ角錐またはｎ角錐台における角錐面を構成するｎ個の構成面にそれぞれ支持されていてもよい（請求項７）。この構成であると、ｎ分割された複数の振動部を所望角度に保持した状態で支持板に安定的に支持することができる。
請求項８に記載の発明は、請求項１乃至５のいずれか１項において、前記振動部の厚さは前記振動部の幅よりも大きく、前記振動部の前記半径方向の長さは前記振動部の厚さの３倍以上であ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、振動部が半径方向に振動しやすい細長形状となることで、電気機械結合係数が高くなり、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９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、前記振動部は、前記圧電素子の中央部側に配置されかつ面取りされた形状の鋭角部を有する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、振動部における鋭角部が面取りされた形状となることで、鋭角部先端の尖りが解消され、振動部の欠けを防ぐことができる。
請求項１０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、前記支持体は、前記筐体容器の前面側に位置する支持板であり、複数の前記振動部は、超音波放射面である第１面及びその反対側にある第２面を有するとともに、前記第１面は、音響整合層を介して前記支持板の内面側に接合されていることをその要旨とする。
請求項１１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、前記支持体は、前記筐体容器の後面側に位置する支持板であり、複数の前記振動部は、超音波放射面である第１面及びその反対側にある第２面を有するとともに、前記第２面は、バック材を介して前記支持板の内面側に接合され、前記第１面は、充填材でモールドされていることをその要旨とする。
以上詳述したように、請求項１～１１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。特に請求項４、５に記載の発明によると、指向角に広狭を持たせることができる。
第１実施形態の超音波振動子を示す概略断面図。 第１実施形態の超音波振動子における圧電素子を示す斜視図。 第１実施形態の圧電素子を支持板に支持させた状態を示す平面図。 上記圧電素子を構成する振動部を示す斜視図。 実施例についての周波数とインピーダンスとの関係を示すグラフ。 実施例、比較例１、２についての周波数と送受感度との関係を示すグラフ。 第２実施形態の超音波振動子を示す概略断面図。 第２実施形態の超音波振動子における圧電素子を示す斜視図。 第２実施形態の圧電素子を支持板に支持させるときの様子を示す平面図。 （ａ）～（ｃ）は第２実施形態における変形例の圧電素子を示す斜視図。 第３実施形態の超音波振動子を示す概略断面図。 第３実施形態の超音波振動子における圧電素子を示す斜視図。 （ａ）は別の実施形態における超音波振動子を示す斜視図、（ｂ）はその振動部の平面図。 別の実施形態における超音波振動子を示す概略断面図。 別の実施形態において、テープ貼着構造の圧電素子を支持板に支持させた状態を示す平面図。 図１５の圧電素子において、振動部間に防音材シートを配置した状態を示す斜視図。 別の実施形態において、テープ貼着構造の圧電素子を備えた超音波振動子を示す概略断面図。 従来技術における圧電素子を示す要部平面図。 従来技術における振動部を示す断面図。
［第１実施形態］
以下、本発明を具体化した第１実施形態の計測機器用の超音波振動子を図１～図６に基づき詳細に説明する。
図１、図２に示されるように、この超音波振動子１１は計測機器用の超音波振動子であって、本実施形態では魚群探知機に使用される超音波振動子として具体化されている。
図１に示されるように、この超音波振動子１１は、筐体容器２１、圧電素子３１等を備えている。筐体容器２１は、圧電素子３１等を収容するための容器であって、容器本体２２と支持板２３とによって構成されている。容器本体２２は、例えばＡＢＳ樹脂などの樹脂材料を用いて、前面側２６に開口部を有する有底円筒状に形成されている。支持体としての支持板２３は、容器本体２２の前面側２６に配置固定されることで開口部を閉塞している。図３に示されるように、本実施形態の支持板２３は、容器本体２２の開口部と同径かつ平面視で円形状の部材であって、特に凹凸を有しない平坦な面形状を有したものとなっている。支持板２３の形成材料は、圧電素子３１を支持可能な機械的強度を持ち、超音波を透過しうるものであれば特に限定されないが、例えばＡＢＳ樹脂などの樹脂材料が使用される。
図１～図３に示されるように、圧電素子３１は、円形状の外形を有するセラミックス製板状物であって、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）を用いて形成されている。圧電素子３１の外径は同じく円形状の支持板２３の外径よりも一回り小さく、それゆえ支持板２３の面積は圧電素子３１の面積よりも一回り大きいものとなっている。圧電素子３１は、超音波放射面である第１面３１ａ及びその反対側にある第２面３１ｂを有している。圧電素子３１の第１面３１ａには接着剤を用いて音響整合層３２の一方側面が接合され、さらに支持板２３の内面２３ａ側には接着剤を用いて音響整合層３２の他方側面が接合されている。つまり、音響整合層３２を介して、圧電素子３１と支持板２３とが接合されている。圧電素子３１の第１面３１ａには前面側電極３３が形成され、圧電素子３１の第２面３１ｂには背面側電極３４が形成されている。そして、前面側電極３３及び背面側電極３４の間に電圧を印加することにより、圧電素子３１が厚さ方向に分極されている。
圧電素子３１には、複数本の溝部３６が形成され、それら溝部３６により振動部４１が複数に分割されている。圧電素子３１の分割数ｎは８以上であることがよく、本実施形態の圧電素子３１では、２４本の溝部３６により振動部４１が２４個に分割されている。各溝部３６は、圧電素子３１の中央部にて互いに連通しかつ放射状に延びている。２４個の振動部４１は繋がっておらず、互いに完全に分離している。そして、各溝部３６は、圧電素子３１の中心を基準として等角度間隔（本実施形態では１５°間隔）で配置されている。つまり、各溝部３６同士の交点は中心と一致している。また、各溝部３６の幅は、互いに等しくなっている。
各振動部４１は、同じ大きさ及び形状を有し、いずれも平面視で細長の扇状をなしている。具体的に言うと、図２～図４に示されるように、細長の扇状をなす振動部４１の主面４２は、３つの辺４３、４４、４５によって構成されている。最も短くて圧電素子３１の外周部側に位置する１つの辺４３は円弧状であり、残りの２つの辺４４、４５は等しい長さかつ直線状である。なお、各振動部４１の外側面は、圧電素子３１の外周面の一部を構成している。
細長の扇状をなす各振動部４１の厚さＬ１、幅Ｌ２、半径方向の長さＬ３は、特に限定されず任意に設定されうるが、厚さＬ１は幅Ｌ２よりも大きく設定されることがよく、例えば厚さＬ１は幅Ｌ２の１．１倍以上、さらには１．１倍以上３．０倍以下に設定される。また、半径方向の長さＬ３は厚さＬ１及び幅Ｌ２の２倍以上に設定されることがよく、３倍以上に設定されることがよりよい。本実施形態において具体的には、厚さＬ１が幅Ｌ２の約１．５倍～２．０倍に設定され、半径方向の長さＬ３が厚さＬ１の約３．０倍～３．５倍に設定されている。
図１に示されるように、各振動部４１の上側の主面４２上に形成された複数の背面側電極３４には、それら同士を架け渡すようにして導電性部材である図示しない金属箔（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。金属箔は、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導電性接着剤などにより、各背面側電極３４に貼付されている。この金属箔は、各振動部４１の上側の主面４２における共通電極として機能する。
そして、前面側電極３３には配線ケーブル５３の第１のリード線５１が接続され、背面側電極３４には配線ケーブル５３の第２のリード線５２が接続されている。第１のリード線５１は、前面側電極３３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５２は、複数の背面側電極３４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５１及び第２のリード線５２を結束する配線ケーブル５３は、容器本体２２の上部中央に設けられたケーブル挿通孔５４を通って筐体容器２１外に引き出されている。なお、第１のリード線５１を側面端子に接続するほかに、別の接続方法を採用してもよい。例えば、前面側電極３３の上側の主面４２に銅箔等の金属箔（図示略）を貼付し、その金属箔に対して第１のリード線５１をはんだ付けしてもよい。
また、圧電素子３１の第２面３１ｂ側（即ち各振動部４１の上側の主面４２側）には、シート状のバック材６１（防音材や音響減衰材）が貼付されている。バック材６１は、残響を抑えるためのものであり、筐体容器２１の内周面にも貼付されている。このようなバック材６１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（ウレタンスポンジ材など）を用いることができる。
次に、この超音波振動子１１の動作について説明する。
まず、魚群探知機の電源をオンにして図示しない制御装置を作動させ、超音波振動子１１に高周波信号を出力することにより、超音波振動子１１を振動させる。このとき、圧電素子３１の各振動部４１は、所定方向に収縮と伸長とを繰り返す。例えば、振動部４１が厚さ方向Ａ３に収縮すると、振動部４１が幅方向に膨らむように（即ち図４の矢印Ａ１方向に）変形する。逆に振動部４１が厚さ方向Ａ３に伸長すると、振動部４１が幅方向に縮むように（即ち図４の矢印Ａ２方向に）変形する。その結果、圧電素子３１が振動し、超音波振動子１１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に到達して反射されると、戻ってきた超音波の反射波が超音波振動子１１によって受信される。超音波振動子１１が受信した超音波の反射波は、受信信号に変換されて制御装置に入力され、所定の信号処理を経ることにより、被探知物が可視化される。
次に、この超音波振動子１１の製造方法の一例を挙げて説明するが、この例以外の方法により超音波振動子１１を製造しても勿論構わない。
まず、外形が真円状である円板状の圧電素子３１と、同じく外形が真円状である円板状の音響整合層３２とを準備する。圧電素子３１の製造にあたっては、まず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、それに表面研磨を施す。次に、両主面４２に対して前面側電極３３及び背面側電極３４となる金属層を形成し、さらに両電極３３、３４に電圧を印加して分極させる処理を施す。次に、圧電素子３１の第１面３１ａ側に音響整合層３２を接着する。その際、接着面から電気配線が取りやすくなるように、円板状の音響整合層３２の直径を圧電素子３１の直径よりも若干小さくしておくことがよい。次に、音響整合層３２が接合された圧電素子３１を従来公知の切断装置にセットし、円板の中心を通るように放射状に溝加工を施して複数個に切断する。次に、切り出された個々の圧電素子片（即ち音響整合層３２付きの振動部４１）を支持板２３の内面２３ａ側に支持させる。具体的には、図３に示されるように、音響整合層３２付きの振動部４１を、支持板２３の内面２３ａ上にて溝部３６を隔てて配置する。このとき溝部３６が、圧電素子３１及び支持板２３の中央部で互いに連通して放射状に延びた状態となるようにする。そしてこの配置状態で、音響整合層３２を介して各振動部４１を支持板２３の内面２３ａに接着固定する。次いで、圧電素子３１の前面側電極３３及び背面側電極３４に、それぞれ第１のリード線５１及び第２のリード線５２をはんだ付けにより接合する。そして、配線ケーブル５３をケーブル挿通孔５４から筐体容器２１外に引き出すとともに、支持板２３を容器本体２２の前面側２６に配置して固定する。その結果、容器本体２２の開口部が閉塞されるとともに、筐体容器２１内の空間に圧電素子３１が収容された状態となる。この後、筐体容器２１に設けた図示しない孔を介して充填材３８を充填し、上記空間内を充填材３８で満たして一体的にモールドする。以上のようにして超音波振動子１１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１１では、圧電素子３１が溝部３６により分割された複数の振動部４１からなるため、各振動部４１が厚さ方向Ａ３に変形しやすくなる。その結果、圧電素子３１が全域にわたり厚さ方向Ａ３に振動し、電気機械結合係数が高くなる。このため、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。また、圧電素子３１を構成する各振動部４１は細長の扇状であるため、半径方向振動の共振周波数で駆動したときに、振動部４１における中央部側の端部、即ち、円形状の超音波振動子１１の中央部が大きい振幅で振動する。その結果、振動部４１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、高感度で送受信を行うことができる。
（２）本実施形態の圧電素子３１は、第１の周波数帯で厚さ方向Ａ３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Ａ４にも振動する。そこで、厚さ方向Ａ３に振動する第１の周波数帯（例えば２００ｋＨｚ付近）と、半径方向Ａ４に振動する第２の周波数帯（例えば５０ｋＨｚ付近）とのいずれかに切り替えて超音波振動子１１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、魚群探知機に１つの超音波振動子１１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、装置の軽量化、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１１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１１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１１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）本実施形態の圧電素子３１は、２４分割された等しい大きさ及び形状の振動部４１からなる。従って、各振動部４１の幅Ｌ２が小さくなるため、各振動部４１が厚さ方向Ａ３に振動しやすい形状となる。つまり、圧電素子３１が厚さ方向Ａ３に振動しやすい形状となることで、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。
（４）本実施形態では、振動部４１の厚さＬ１が幅Ｌ２よりも大きく、半径方向の長さＬ３が厚さＬ１の３倍以上となっている。従って、振動部４１が半径方向Ａ４に振動しやすい細長形状となることで、電気機械結合係数が高くなり、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。
［超音波振動子の評価］
以下、超音波振動子１１の評価方法及びその結果を説明する。
ここでは、本実施形態の圧電素子３１（外径５０ｍｍ、厚さ７．２ｍｍ）を対象とし、振動部４１のインピーダンスを測定した。具体的には、測定用サンプルに対し、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ながら測定を行った。その結果、振動部４１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４１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５（ａ）参照）。従って、この測定用サンプルでは、振動部４１が厚さ方向Ａ３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、振動部４１の両端部（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。
次に、本実施形態の圧電素子３１（外径５０ｍｍ、厚さ７．２ｍｍ）に加えて、２種類の異なる圧電素子３１を作製した。そのうちの一方のものは、円形状の外形を有する圧電素子３１に対して一方向に延びる溝部３６を複数形成することにより、複数の帯状の振動部を形成した。他方のものは、円形状の外形を有する圧電素子３１であって溝部３６を形成していないものとした。そして、これら圧電素子３１を用いてそれぞれ超音波振動子１１を試作した（図６参照）。具体的には、細長の扇状の振動部４１を有する本実施形態の圧電素子３１を用いて構成された超音波振動子１１を、サンプル１（実施例）とした。帯状の振動部を有する圧電素子３１を用いて構成された超音波振動子１１を、サンプル２（比較例１）とした。分割されていない圧電素子３１を用いて構成された超音波振動子１１を、サンプル３（比較例２）とした。
そして、これら測定用サンプル（サンプル１～３）について、超音波振動子１１の送受感度を算出した。具体的には、超音波振動子１１の超音波放射面を水中に浸漬し、超音波放射面から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。ＳＵＳ板で反射した超音波（反射波）は、超音波振動子１１で受信され、超音波振動子１１の両端に電圧信号を生じる。このとき、超音波振動子１１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７のグラフは、サンプル１～３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、サンプル１（実施例）では、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３６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。
一方、サンプル２（比較例１）では、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２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１であるサンプル２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では、サンプル２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４１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、サンプル３（比較例２）では、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２であるサンプル３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は、２００ｋＨｚ付近の厚さ方向振動がサンプル３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３と同等の感度が得られており、サンプル３と同様に両周波数帯で使用することが可能であることがわかった。
［第２実施形態］
以下、本発明を具体化した第２実施形態の超音波振動子１１Ａを図７～図１０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し、共通する部分についは同じ部材番号を付して詳細な説明を割愛する。
図７に示されるように、第２実施形態の超音波振動子１１Ａは、支持板２３Ａの構成が第１実施形態の支持板２３と異なっている。即ち、第１実施形態の支持板２３は平坦な面形状を有するものであったが、本実施形態の支持板２３Ａは平坦ではない面形状を有している。具体的には、この支持板２３Ａは、二十四角錐台の角錐面に相当する面形状を有しており、支持板２３Ａの外面２３ｂ側に全体的に凸になっているとともに、内面２３ａ側に全体的に凹になっている。つまり、この支持板２３Ａの場合、多角錐台の角錐面が、圧電素子３１の分割数ｎと等しい個数（即ち２４個）の構成面を備えている（図９参照）。２４個の構成面は、いずれも略扇状（鋭角部が面取りされた扇状）となっている。そして、各構成面の反対側面（正確にいうと、支持板２３Ａの内面）には、それよりも一回り小さい振動部４１が音響整合層３２を介して一枚ずつ接着固定されている。ここで、振動部支持面である支持板２３Ａの内面２３ａが、超音波振動子１１Ａの中心軸線に直交する面に対してなす角度のことを、傾斜角度θと定義する。傾斜角度θは、特に限定されず任意に設定可能であるが、例えば５°～６０°程度に設定され、好ましくは１０°～６０°程度に設定される。本実施形態では支持板２３Ａの内面２３ａの傾斜角度θが３０°であるため、各振動部４１も中心軸線直交面に対して３０°の角度をもって支持板２３Ａの内面２３ａに支持されている。なお、図８には各振動部４１を傾斜角度θ＝３０°で配置した状態の圧電素子３１が示されている。これとは別の変形例として、図１０（ａ）には振動部４１を傾斜角度θ＝１５°で配置した状態、図１０（ｂ）には振動部４１を傾斜角度θ＝４５°で配置した状態、図１０（ｃ）には振動部４１を傾斜角度θ＝６０°で配置した状態の圧電素子３１が、それぞれ示されている。
このように構成された第２実施形態によると、上記第１実施形態の作用効果に加えて、以下の作用効果を奏することができる。即ち、支持板２３Ａにおける支持面が多角錐台の角錐面に相当する面形状を有するとともに、支持板２３Ａの外面側に全体的に凸となっている。そしてこの構成であると、各振動部４１を所望角度（ここでは３０°）に保持した状態で支持板２３Ａに安定的に支持させることができる。さらに、平坦な面形状を有する支持板２３に圧電素子３１を支持させた場合に比べて、指向角を広くすることができる。ちなみに、支持面が円錐または円錐台の円錐面に相当する湾曲した面形状を有する支持板を選択し、これに各振動部４１を採ることも考えられる。しかしながら、この構成であると、各振動部４１を湾曲面に接着することになるため、各振動部４１を支持板に安定的に支持させにくく、支持板と振動部４１との間に隙間ができやすくなる。また、支持板に対する各振動部４１の位置決めも難しくなる。その点、本実施形態のような支持板２３Ａは、上記の問題が生じにくいという点で好ましい。
［第３実施形態］
以下、本発明を具体化した第３実施形態を図１１、図１２に基づいて説明する。ここでは、前記第１、第２実施形態と相違する部分を中心に説明し、共通する部分についは同じ部材番号を付して詳細な説明を割愛する。
図１１に示されるように、第３実施形態の超音波振動子１１Ｂでは、支持板２３Ｂが外面２３ｂ側に全体的に凹になっており、内面２３ａ側に全体的に凸になっている点が、第２実施形態の支持板２３Ａと異なっている。この支持板２３Ｂは、多角錐台の角錐面が、圧電素子３１の分割数ｎと等しい個数（即ち２４個）の構成面を備えている。そして、各構成面には、それよりも一回り小さい振動部４１が音響整合層３２を介して一枚ずつ接着固定されている。また、支持板２３Ｂの傾斜角度θは特に限定されず任意に設定可能であるが、例えば５°～６０°程度に設定され、本実施形態では１５°に設定されている。なお、図１２には各振動部４１を傾斜角度θ＝１５°で配置した状態の圧電素子３１が示されている。例えば５°～６０°程度に設定され、好ましくは１０°～６０°程度に設定される。本実施形態では支持板２３Ａの内面２３ａの傾斜角度θが１５°であるため、各振動部４１も中心軸線直交面に対して１５°の角度をもって支持板２３Ａの内面２３ａに支持されている。なお、図１２には各振動部４１を傾斜角度θ＝１５°で配置した状態の圧電素子３１が示されている。
このように構成された第３実施形態によると、上記第１実施形態の作用効果に加えて、以下の作用効果を奏することができる。即ち、支持板２３Ｂにおける支持面が多角錐台の角錐面に相当する面形状を有するとともに、支持板２３Ｂの外面２３ｂ側に全体的に凹となっている。そしてこの構成であると、各振動部４１を所望角度（ここでは１５°）に保持した状態で支持板２３Ｂに安定的に支持させることができる。さらに、平坦な面形状を有する支持板２３に圧電素子３１を支持させた場合に比べて、指向角を狭くすることができる。また、上記第２実施形態のときと同じく、支持板と振動部４１との間に隙間ができず、また、支持板に対する各振動部４１の位置決めも容易に行うことができる。
なお、上記実施形態を以下のように変更してもよい。
・例えば、図１３（ａ）、（ｂ）に示す別の実施形態のような略扇状の圧電素子３１Ａとしてもよい。この圧電素子３１Ａは、中央部に円形状の貫通孔７１を有する略円環状をなしており、貫通孔７１の内壁面は各振動部４１Ａにおける中央部側の端面を構成している。この構成によると、各振動部４１Ａにおける圧電素子３１Ａの中央部側に配置された鋭角部７２が、面取りされた形状になる。従って、各振動部４１Ａにおける鋭角部先端の尖りが解消され、各振動部４１の欠けを防ぐことができる。よって、耐久性に優れた圧電素子３１Ａとすることができる。
・上記各実施形態では、筐体容器２１の前面側２６に位置する支持板２３、２３Ａ、２３Ｂに対して各振動部４１を支持固定したが、これに限定されない。例えば、図１４に示す別の実施形態の超音波振動子１１Ｃのように、筐体容器２１の後面側２７に位置する支持板２３Ｃに対して各振動部４１を支持固定してもよい。この超音波振動子１１Ｂでは、支持板２３Ｃは平坦な面形状を有するものであって、各振動部４１の第２面３１ｂは、バック材６１を介して支持板２３Ｃの内面側に接着剤を用いて接合されている。一方、超音波放射面である第１面３１ａの側は、充填材３８でモールドされている。充填材３８は筐体容器２１の開口部と面一となるように充填されている。なお、筐体容器２１の後面側２７に位置する支持板２３Ｃは、多角錐または多角錐台の角錐面に相当する面形状を有し、外面側に全体的に凸または凹となったものでもよい。そして、そのような傾斜を有する支持板２３Ｃの内面に各振動部４１の第２面３１ｂを支持させてもよい。
・上記各実施形態の超音波振動子１１、１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃは、円形状（真円状）の外形を有する圧電素子３１を用いて構成されていたが、これに限定されない。圧電素子は、例えば楕円状の外形を有するものであってもよく、長円状の外形を有するものであってもよい。
・上記各実施形態の圧電素子３１、３１Ａには、溝部３６を介して２４個の振動部４１（中心角１５°）が配置され固定されていた。しかし、圧電素子３１、３１Ａには、溝部３６を介して２５個以上（例えば、３０個，３６個等）の振動部４１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４１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３１、３１Ａが同じ中心角（１５°）の振動部４１を有していたが、圧電素子３１、３１Ａは、中心角が異なる複数種類の振動部４１を有していてもよい。
・上記各実施形態の超音波振動子１１、１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃでは、各振動部４１間の溝部３６が全体的に空隙となっていたが、その空隙に充填材３８（固定部材）を埋めるようにして配置してもよい。充填材３８を使用した場合、硬化した充填材３８によって、隣接した振動部４１同士を互いに接合固定することができる。この場合、充填材３８の比重は特に限定されないが、例えば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３８が比較的軽くなるため、充填材３８が振動部４１の振動時の負荷になりにくくなる。その結果、充填材３８の使用に起因する送受感度の低下を防止することができる。
・各振動部４１間の溝部３６の空隙には、上記充填材３８に代わる固定部材として、例えばスポンジなどの防音材を配置してもよく、具体的には図１５～図１７に示す別の実施形態における超音波振動子１１Ｄの圧電素子３１Ｂのように、両面テープ８２付きの防音材シート８１を配置してもよい。なお、両面テープ８２は防音材シート８１の両側にそれぞれ設けられていることがよい（図１６参照）。防音材シート８１の両面テープ８２は振動部４１の側面Ｓ１に対して貼着可能なため、これを用いた場合には、各振動部４１をそれぞれ正しく位置決めした状態で、確実にかつ比較的簡単に互いを接合固定することができる。上記のようなテープ貼着構造の圧電素子３１Ｂは、上記各実施形態のように支持板２３、２３Ａ、２３Ｂ、２３Ｃに支持固定されてもよいが、そうでなくてもよい。例えば、棒状や突起状をなす支持体８５を内壁の複数箇所に設けた筐体容器２１を用い、この筐体容器２１内に上記テープ貼着構造の圧電素子３１Ｂを収容し、かつ支持体８５の先端に支持させて姿勢を決定した状態で、充填材３８でモールドしてもよい（図１７参照）。なお、複数の振動部４１は、圧電素子３１Ｂの中心軸線に直交する面に対し、ともに等しい傾斜角度θをなす状態で、互いに接合固定される。例えば、図１６のように防音材シート８１の厚さが均等（言い換えると２つの側面Ｓ１が平行）なものを用いた場合には、各振動部４１の底面が１つの面内に位置する平坦な状態（即ち傾斜角度＝０°）で配置された圧電素子３１Ｂを構成することができる。防音材シート８１の厚さを上下方向で異なる不均等なものを用いた場合には、各振動部４１を傾斜させて配置することができる。具体的にいうと、例えば防音材シート８１の厚さが下方にいくに従って厚くなるものを用いた場合には、圧電素子３１Ｂの中心部が第１面３１ａ側に凸となる状態で、各振動部４１を傾斜配置することができる。逆に、防音材シート８１の厚さが下方にいくに従って薄くなるものを用いた場合には、圧電素子３１Ｂの中心部が第１面３１ａ側に凹となる状態で、各振動部４１を傾斜配置することができる。
・上記各実施形態の超音波振動子１１、１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、１１Ｄでは、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる圧電素子３１、３１Ａ、３１Ｂを用いたが、圧電素子３１、３１Ａ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。
・上記各実施形態では、超音波振動子１１、１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、１１Ｄを魚群探知機用の超音波振動子に用いる例を示したが、これに限定されず、他の計測機器に用いてもよい。例えば、超音波振動子１１を、超音波の照射方向を電気的または機械的に変更するソナーに用いてもよいほか、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。
１１、１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、１１Ｄ…計測機器用の超音波振動子
２１…筐体容器
２３、２３Ａ、２３Ｂ、２３Ｃ…支持体としての支持板
２３ａ…（支持板の）内面
２３ｂ…（支持板の）外面
２６…（筐体容器の）前面側
２７…（筐体容器の）後面側
３１、３１Ａ、３１Ｂ…圧電素子
３１ａ…第１面
３１ｂ…第２面
３２…音響整合層
３６…溝部
３８…充填材
４１、４１Ａ…振動部
６１…バック材
７２…鋭角部
８１…固定部材としての防音材シート
８２…両面テープ
８５…支持体
Ａ３…厚さ方向
Ａ４…半径方向
Ｌ１…振動部の厚さ
Ｌ２…振動部の幅
Ｌ３…振動部の半径方向の長さ
θ…傾斜角度

Claims (11)

  1. 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、
    支持体を有する筐体容器と、
    略円形状の外形を有し、前記支持体に支持された圧電素子と
    を備え、
    前記圧電素子は、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により分割された複数の略扇状の振動部と、隣接する複数の前記振動部同士を互いに接合固定すべく、複数の前記溝部を埋めるようにして配置された両面テープ付きの防音材シートと、を含んで構成され、
    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。
  2. 複数の前記振動部は、前記圧電素子の中心軸線に直交する面に対し、ともに等しい傾斜角度をなす状態で、互いに接合固定され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。
  3. 前記支持体は、平坦な面形状を有する支持板であ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。
  4. 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、
    支持体を有する筐体容器と、
    略円形状の外形を有し、前記支持体に支持された圧電素子と
    を備え、
    前記支持体は、多角錐または多角錐台の角錐面に相当する面形状を有するとともに、外面側に全体的に凸または凹である支持板であり、
    前記圧電素子は、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により分割された複数の略扇状の振動部を含んで構成され、
    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。
  5. 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、
    支持体を有する筐体容器と、
    略円形状の外形を有し、前記支持体に支持された圧電素子と
    を備え、
    前記支持体は、多角錐または多角錐台の角錐面に相当する面形状を有するとともに、外面側に全体的に凸または凹である支持板であり、
    前記圧電素子は、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により分割された複数の略扇状の振動部と、隣接する複数の前記振動部同士を互いに接合固定すべく、複数の前記溝部を埋めるようにして配置された両面テープ付きの防音材シートと、を含んで構成され、
    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。
  6. 前記圧電素子は、ｎ分割（ただしｎは８以上）された複数の前記振動部を含んで構成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の計測機器用の超音波振動子。
  7. 前記圧電素子は、ｎ分割（ただしｎは８以上）された複数の前記振動部を含んで構成されているとともに、複数の前記振動部は、前記支持板におけるｎ角錐またはｎ角錐台の角錐面を構成するｎ個の構成面にそれぞれ支持されていることを特徴とする請求項４または５に記載の計測機器用の超音波振動子。
  8. 前記振動部の厚さは前記振動部の幅よりも大きく、前記振動部の前記半径方向の長さは前記振動部の厚さの３倍以上であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の計測機器用の超音波振動子。
  9. 前記振動部は、前記圧電素子の中央部側に配置されかつ面取りされた形状の鋭角部を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の計測機器用の超音波振動子。
  10. 前記支持体は、前記筐体容器の前面側に位置する支持板であり、
    複数の前記振動部は、超音波放射面である第１面及びその反対側にある第２面を有するとともに、前記第１面は、音響整合層を介して前記支持板の内面側に接合されている
    ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の計測機器用の超音波振動子。
  11. 前記支持体は、前記筐体容器の後面側に位置する支持板であり、
    複数の前記振動部は、超音波放射面である第１面及びその反対側にある第２面を有するとともに、前記第２面は、バック材を介して前記支持板の内面側に接合され、前記第１面は、充填材でモールドされている
    ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の計測機器用の超音波振動子。
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