(57)【要約】【課題】柱部でのクラックの発生を防止することにより、耐久性の向上を図ることができるソナーを提供すること。【解決手段】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、略円形状の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、基材４２に対して前面側電極層を介して接合された前面及びその反対側にある背面５２を有し、かつ背面５２から視て縦横に配列された柱部９０により構成される。柱部９０は、圧電素子４３の外周部に位置する異形柱部９１ａ〜９１ｃと、異形柱部９１ａ〜９１ｃにより包囲される矩形柱部９２とにより構成される。なお、異形柱部９１ａ〜９１ｃは、矩形柱部９２の投影面積の４分の１以上の投影面積を有する。【選択図】図６
2020155900.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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、前記基材に対して前面側電極層を介して接合された前面及びその反対側にある背面を有し、かつ前記背面から視て縦横に配列された複数の柱部により構成された略円形状のセラミックス製板状物からなる圧電素子とを備え、
前記複数の柱部は、背面視で非矩形状であり前記圧電素子の外周部に位置する複数の異形柱部と、背面視で矩形状であり前記複数の異形柱部により包囲される複数の矩形柱部とにより構成され、
前記複数の異形柱部は、前記矩形柱部の投影面積の４分の１以上の投影面積を有する
ことを特徴とするソナー。
【請求項２】
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、前記基材に対して前面側電極層を介して接合された前面及びその反対側にある背面を有し、かつ前記背面から視て縦横に配列された複数の柱部により構成された略円形状のセラミックス製板状物からなる圧電素子とを備え、
前記複数の柱部は、背面視で非矩形状であり前記圧電素子の外周部に位置する複数の異形柱部と、背面視で矩形状であり前記複数の異形柱部により包囲される複数の矩形柱部とにより構成され、
前記圧電素子の外周部に位置する前記複数の柱部間の空隙が充填材で埋められることにより、前記圧電素子が部分的に補強されている
ことを特徴とするソナー。
【請求項３】
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、前記基材に対して前面側電極層を介して接合された前面及びその反対側にある背面を有し、かつ前記背面から視て縦横に配列された複数の柱部により構成された略円形状のセラミックス製板状物からなる圧電素子とを備え、
前記複数の柱部は、背面視で非矩形状であり前記圧電素子の外周部に位置する複数の異形柱部と、背面視で矩形状であり前記複数の異形柱部により包囲される複数の矩形柱部とにより構成され、
前記複数の柱部間の空隙が発泡樹脂からなる充填材で埋められることにより、前記圧電素子が全体的に補強されている
ことを特徴とするソナー。
【請求項４】
前記複数の柱部は、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請求項１乃至３のいずれか１項に記載のソナー。
【請求項５】
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、
前記基材に対して前面側電極層を介して接合された前面及びその反対側にある背面を有し、かつ前記背面から視て縦横に配列された複数の柱部により構成された略円形状のセラミックス製板状物からなる圧電素子と
を備え、
前記複数の柱部は、背面視で非矩形状であり前記圧電素子の外周部に位置する複数の異形柱部と、背面視で矩形状であり前記複数の異形柱部により包囲される複数の矩形柱部とにより構成され、
前記複数の異形柱部は、前記矩形柱部の投影面積の４分の１以上の投影面積を有する
ことを特徴とする超音波振動子。
【請求項６】
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、
前記基材に対して前面側電極層を介して接合された前面及びその反対側にある背面を有し、かつ前記背面から視て縦横に配列された複数の柱部により構成された略円形状のセラミックス製板状物からなる圧電素子と
を備え、
前記複数の柱部は、背面視で非矩形状であり前記圧電素子の外周部に位置する複数の異形柱部と、背面視で矩形状であり前記複数の異形柱部により包囲される複数の矩形柱部とにより構成され、
前記圧電素子の外周部における前記複数の柱部間の空隙が充填材で埋められることにより、前記圧電素子が部分的に補強されている
ことを特徴とする超音波振動子。
【請求項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、
前記基材に対して前面側電極層を介して接合された前面及びその反対側にある背面を有し、かつ前記背面から視て縦横に配列された複数の柱部により構成された略円形状のセラミックス製板状物からなる圧電素子と
を備え、
前記複数の柱部は、背面視で非矩形状であり前記圧電素子の外周部に位置する複数の異形柱部と、背面視で矩形状であり前記複数の異形柱部により包囲される複数の矩形柱部とにより構成され、
前記複数の柱部間の空隙が発泡樹脂からなる充填材で埋められることにより、前記圧電素子が全体的に補強されている
ことを特徴とする超音波振動子。
【請求項８】
前記複数の柱部は、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請求項５乃至７のいずれか１項に記載の超音波振動子。
【請求項９】
請求項５に記載の超音波振動子の製造方法であって、
前記基材の片面に、前記圧電素子となるべきセラミックス製板状物を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縦横に形成することにより、前記複数の柱部に分割する柱部形成工程と、
前記柱部形成工程後、前記複数の異形柱部のうち、前記矩形柱部の投影面積の４分の１以上の投影面積を有するものを残す一方、前記矩形柱部の投影面積の４分の１未満の投影面積を有するものを除去する異形柱部除去工程と
を含むことを特徴とする超音波振動子の製造方法。
【請求項１０】
請求項６に記載の超音波振動子の製造方法であって、
前記基材の片面に、前記圧電素子となるべきセラミックス製板状物を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縦横に形成することにより、前記複数の柱部に分割する柱部形成工程と、
前記柱部形成工程後、前記圧電素子の外周部における前記複数の柱部間の空隙を充填材で埋めて、前記圧電素子を部分的に補強する素子補強工程と
を含むことを特徴とする超音波振動子の製造方法。
【請求項１１】
請求項７に記載の超音波振動子の製造方法であって、
前記基材の片面に、前記圧電素子となるべきセラミックス製板状物を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縦横に形成することにより、前記複数の柱部に分割する柱部形成工程と、
前記柱部形成工程後、前記複数の柱部間の空隙を発泡樹脂からなる充填材で埋めて、前記圧電素子を全体的に補強する素子補強工程と
を含むことを特徴とする超音波振動子の製造方法。
【請求項１２】
前記柱部形成工程では、前記前面側の端部において互いに繋がった状態となるように、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ことを特徴とする請求項９乃至１１のいずれか１項に記載の超音波振動子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
ところで、ソナーにおいて、より遠い距離の被探知物を探知したいという需要がある。このためには、超音波振動子を高感度にすることが必要である。なお、超音波振動子を高感度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１２１を構成する圧電素子１２２を、分割された複数の柱部１２３により構成することが提案されている（例えば、特許文献２〜４参照）。このようにすれば、各柱部１２３のそれぞれが同柱部１２３の高さ方向に変形しやすくなるため、圧電素子１２２が各部位において変形しやすくなる。つまり、圧電素子１２２が振動しやすくなるため、超音波振動子１２１の感度が高くなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第５９７９５３７号公報（請求項１、図４等）
【特許文献２】特開２００２−２２７１８号公報（図１等）
【特許文献３】特開２０１８−１１３２７９号公報（図１，図４等）
【特許文献４】ＷＯ２０１１／０８３６１１号公報（図３等）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
また、音響放射の中心軸に対して等方的な指向性を持つ超音波を照射するためには、上記の圧電素子１２２のように、音響放射面は略円形状であることが望ましい。ところが、圧電素子１２２を複数の柱部１２３に分割すると、圧電素子１２２の外周部に細い柱部１２３ａが形成されることがある（図１８参照）。この細い柱部１２３ａは、他の柱部１２３よりも強度が低いため、超音波振動子１２１を長期間に亘って駆動させると、疲労破壊によりクラックが発生しやすい。そして、クラックが発生した状態で超音波振動子１２１を高電圧で駆動し続けると、クラックの発生部位から断続的に放電を生じてしまい、その影響で、圧電素子１２２の他の柱部１２３においても圧電特性の低下を引き起こしてしまう。つまり、従来の超音波振動子１２１には耐久性が低いという問題がある。
【０００６】
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、柱部でのクラックの発生を防止することにより、耐久性の向上を図ることができるソナー及び超音波振動子を提供することにある。また、別の目的は、耐久性が高い超音波振動子を製造することが可能な超音波振動子の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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、前記基材に対して前面側電極層を介して接合された前面及びその反対側にある背面を有し、かつ前記背面から視て縦横に配列された複数の柱部により構成された略円形状のセラミックス製板状物からなる圧電素子とを備え、前記複数の柱部は、背面視で非矩形状であり前記圧電素子の外周部に位置する複数の異形柱部と、背面視で矩形状であり前記複数の異形柱部により包囲される複数の矩形柱部とにより構成され、前記複数の異形柱部は、前記矩形柱部の投影面積の４分の１以上の投影面積を有することを特徴とするソナーをその要旨とする。
【０００８】
また、請求項５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、前記基材に対して前面側電極層を介して接合された前面及びその反対側にある背面を有し、かつ前記背面から視て縦横に配列された複数の柱部により構成された略円形状のセラミックス製板状物からなる圧電素子とを備え、前記複数の柱部は、背面視で非矩形状であり前記圧電素子の外周部に位置する複数の異形柱部と、背面視で矩形状であり前記複数の異形柱部により包囲される複数の矩形柱部とにより構成され、前記複数の異形柱部は、前記矩形柱部の投影面積の４分の１以上の投影面積を有することを特徴とする超音波振動子をその要旨とする。
【０００９】
非矩形状の異形柱部は、略円形状の圧電素子を複数の矩形柱部に分割した結果、圧電素子の外周部に残る部分であるため、矩形柱部よりも細くなり、強度も低くなる可能性がある。しかし、請求項１，５に記載の発明では、異形柱部が矩形柱部の投影面積の４分の１以上の投影面積を有することから、投影面積が矩形柱部の投影面積の４分の１未満となる細い異形柱部が存在しなくなるため、異形柱部でのクラックの発生を防止することができる。その結果、超音波振動子の耐久性を向上させることができる。
【００１０】
ここで、異形柱部の背面視での形状としては、略三角形状、略正方形状、略長方形状、略台形状、略五角形状などの非矩形状を挙げることができる。また、矩形柱部の背面視での形状としては、正方形状や長方形状といった矩形状を挙げることができる。
【００１１】
請求項２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、前記基材に対して前面側電極層を介して接合された前面及びその反対側にある背面を有し、かつ前記背面から視て縦横に配列された複数の柱部により構成された略円形状のセラミックス製板状物からなる圧電素子とを備え、前記複数の柱部は、背面視で非矩形状であり前記圧電素子の外周部に位置する複数の異形柱部と、背面視で矩形状であり前記複数の異形柱部により包囲される複数の矩形柱部とにより構成され、前記圧電素子の外周部に位置する前記複数の柱部間の空隙が充填材で埋められることにより、前記圧電素子が部分的に補強されていることを特徴とするソナーをその要旨とする。
【００１２】
また、請求項６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、前記基材に対して前面側電極層を介して接合された前面及びその反対側にある背面を有し、かつ前記背面から視て縦横に配列された複数の柱部により構成された略円形状のセラミックス製板状物からなる圧電素子とを備え、前記複数の柱部は、背面視で非矩形状であり前記圧電素子の外周部に位置する複数の異形柱部と、背面視で矩形状であり前記複数の異形柱部により包囲される複数の矩形柱部とにより構成され、前記圧電素子の外周部における前記複数の柱部間の空隙が充填材で埋められることにより、前記圧電素子が部分的に補強され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。
【００１３】
非矩形状の異形柱部は、略円形状の圧電素子を複数の矩形柱部に分割した結果、圧電素子の外周部に残る部分であるため、矩形柱部よりも細くなり、強度も低くなる可能性がある。しかし、請求項２，６に記載の発明では、圧電素子の外周部において、異形柱部を含む複数の柱部間の空隙が充填材によって埋められている。この場合、充填材が複数の柱部間の空隙に入り込むことにより、圧電素子の外周部に位置する各柱部が相互に補強されるため、柱部、特には異形柱部でのクラックの発生を防止することができる。その結果、超音波振動子の耐久性を向上させることができる。
【００１４】
なお、充填材としては、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、シリコーン樹脂等の樹脂材料や、接着力が比較的強固なエポキシ系接着剤等の接着剤を用いることができる。
【００１５】
請求項３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、前記基材に対して前面側電極層を介して接合された前面及びその反対側にある背面を有し、かつ前記背面から視て縦横に配列された複数の柱部により構成された略円形状のセラミックス製板状物からなる圧電素子とを備え、前記複数の柱部は、背面視で非矩形状であり前記圧電素子の外周部に位置する複数の異形柱部と、背面視で矩形状であり前記複数の異形柱部により包囲される複数の矩形柱部とにより構成され、前記複数の柱部間の空隙が発泡樹脂からなる充填材で埋められることにより、前記圧電素子が全体的に補強されていることを特徴とするソナーをその要旨とする。
【００１６】
また、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、前記基材に対して前面側電極層を介して接合された前面及びその反対側にある背面を有し、かつ前記背面から視て縦横に配列された複数の柱部により構成された略円形状のセラミックス製板状物からなる圧電素子とを備え、前記複数の柱部は、背面視で非矩形状であり前記圧電素子の外周部に位置する複数の異形柱部と、背面視で矩形状であり前記複数の異形柱部により包囲される複数の矩形柱部とにより構成され、前記複数の柱部間の空隙が発泡樹脂からなる充填材で埋められることにより、前記圧電素子が全体的に補強され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。
【００１７】
非矩形状の異形柱部は、略円形状の圧電素子を複数の矩形柱部に分割した結果、圧電素子の外周部に残る部分であるため、矩形柱部よりも細くなり、強度も低くなる可能性がある。しかし、請求項３，７に記載の発明では、異形柱部を含む複数の柱部間の空隙が充填材によって埋められている。この場合、充填材が複数の柱部間の空隙に入り込むことにより、圧電素子の全体において各柱部が相互に補強されるため、柱部、特には異形柱部でのクラックの発生を防止することができる。その結果、超音波振動子の耐久性を向上させることができる。また、充填材が、多数の気泡を含有する発泡樹脂からなっている。発泡樹脂からなる充填材は、軽く、変形しやすいため、空隙が充填材によって埋められていても、柱部の変形が充填材によって妨げられる可能性は小さい。従って、圧電素子を充填材で補強したとしても、圧電素子は確実に振動するため、超音波振動子の感度低下を防止することができる。
【００１８】
なお、前記複数の柱部は、前記前面側の端部において互いに繋がっていることが好ましい（請求項４，８）。このようにすれば、圧電素子が複数の柱部により構成されていても、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。従って、圧電素子の強度を確保することができる。
【００１９】
請求項９に記載の発明は、請求項５に記載の超音波振動子の製造方法であって、前記基材の片面に、前記圧電素子となるべきセラミックス製板状物を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縦横に形成することにより、前記複数の柱部に分割する柱部形成工程と、前記柱部形成工程後、前記複数の異形柱部のうち、前記矩形柱部の投影面積の４分の１以上の投影面積を有するものを残す一方、前記矩形柱部の投影面積の４分の１未満の投影面積を有するものを除去する異形柱部除去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。
【００２０】
従って、請求項９に記載の発明では、異形柱部除去工程において、矩形柱部の投影面積の４分の１未満の投影面積を有する異形柱部を除去している。その結果、異形柱部除去工程後に細い異形柱部が存在しなくなるため、異形柱部でのクラックの発生を防止することができる。この場合、耐久性が高い超音波振動子を製造することができる。しかも、請求項９に記載の発明では、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、セラミックス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。その結果、切り込みを形成しやすくなり、ひいては、超音波振動子の製造が容易になる。また、超音波振動子の製造が容易に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が高くなる。
【００２１】
請求項１０に記載の発明は、請求項６に記載の超音波振動子の製造方法であって、前記基材の片面に、前記圧電素子となるべきセラミックス製板状物を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縦横に形成することにより、前記複数の柱部に分割する柱部形成工程と、前記柱部形成工程後、前記圧電素子の外周部における前記複数の柱部間の空隙を充填材で埋めて、前記圧電素子を部分的に補強する素子補強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。
【００２２】
従って、請求項１０に記載の発明では、素子補強工程において、圧電素子の外周部における複数の柱部間の空隙を充填材で埋めている。その結果、充填材が空隙に入り込むことにより、圧電素子の外周部に位置する各柱部が相互に補強されるため、柱部、特には異形柱部でのクラックの発生を防止することができる。この場合、耐久性が高い超音波振動子を製造することができる。しかも、請求項１０に記載の発明では、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、セラミックス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。その結果、切り込みを形成しやすくなり、ひいては、超音波振動子の製造が容易になる。また、超音波振動子の製造が容易に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が高くなる。
【００２３】
請求項１１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、前記基材の片面に、前記圧電素子となるべきセラミックス製板状物を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縦横に形成することにより、前記複数の柱部に分割する柱部形成工程と、前記柱部形成工程後、前記複数の柱部間の空隙を発泡樹脂からなる充填材で埋めて、前記圧電素子を全体的に補強する素子補強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。
【００２４】
従って、請求項１１に記載の発明では、素子補強工程において、複数の柱部間の空隙を充填材で埋めている。その結果、充填材が空隙に入り込むことにより、圧電素子の全体において各柱部が相互に補強されるため、柱部、特には異形柱部でのクラックの発生を防止することができる。この場合、耐久性が高い超音波振動子を製造することができる。また、空隙を埋める充填材は、多数の気泡を含有する発泡樹脂からなっている。発泡樹脂からなる充填材は、軽く、変形しやすいため、素子補強工程を行って空隙を充填材で埋めたとしても、超音波振動子の駆動時において、柱部の変形が充填材によって妨げられる可能性は小さい。従って、圧電素子が確実に振動するため、感度が高い超音波振動子を製造することができる。しかも、請求項１１に記載の発明では、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、セラミックス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。その結果、切り込みを形成しやすくなり、ひいては、超音波振動子の製造が容易になる。また、超音波振動子の製造が容易に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が高くなる。
【００２５】
請求項１２に記載の発明は、請求項９乃至１１のいずれか１項において、前記柱部形成工程では、前記前面側の端部において互いに繋がった状態となるように、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ことをその要旨とする。
【００２６】
従って、請求項１２に記載の発明によると、柱部形成工程において、セラミックス製板状物を複数の柱部に分割した際に、セラミックス製板状物の前面側の端部において柱部同士が互いに繋がった状態となるため、セラミックス製板状物の強度が確保される。よって、複数の柱部に分割するために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ため、不良品の発生率が低下し、超音波振動子の歩留まりがよりいっそう高くなる。
【発明の効果】
【００２７】
以上詳述したように、請求項１〜８に記載の発明によると、柱部でのクラックの発生を防止することにより、超音波振動子の耐久性の向上を図ることができる。また、請求項９〜１２に記載の発明によると、耐久性が高い超音波振動子を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】第１実施形態のソナーが搭載された船舶を示す説明図。
【図２】ソナー、昇降装置及び液晶モニターを示す概略構成図。
【図３】ソナーを示す概略断面図。
【図４】ソナーを示す概略断面図。
【図５】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。
【図６】超音波振動子を示す背面図。
【図７】超音波振動子を示す側断面図。
【図８】柱部を示す断面図。
【図９】矩形柱部を示す斜視図。
【図１０】（ａ）は、背面視で略台形状をなす異形柱部を示す斜視図、（ｂ）は、背面視で略長方形状をなす異形柱部を示す斜視図、（ｃ）は、背面視で略五角形状をなす異形柱部を示す斜視図。
【図１１】ソナーの電気的構成を示すブロック図。
【図１２】（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。
【図１３】第２実施形態における超音波振動子を示す平面図。
【図１４】同じく、超音波振動子を示す側断面図。
【図１５】同じく、柱部を示す断面図。
【図１６】第３実施形態における超音波振動子を示す平面図。
【図１７】同じく、柱部を示す断面図。
【図１８】従来技術における圧電素子を示す平面図。
【図１９】従来技術における柱部を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
［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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
また、図３〜図５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。
【００３４】
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。
【００３５】
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円板状の樹脂製板状物である。そして、図６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）。
【００３６】
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略円形状のセラミックス製板状物である。図５〜図７に示されるように、圧電素子４３の外径は基材４２の外径よりも小さいため、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。
【００３７】
図５〜図１０に示されるように、圧電素子４３は、背面５２から視て縦横に配列された複数の柱部９０により構成されている。各柱部９０は、圧電素子４３における背面５２側に対して、複数の第１切り込みＫ１を横方向（図６では左右方向）に形成するとともに、各第１切り込みＫ１に直交する複数の第２切り込みＫ２を縦方向（図６では上下方向）に形成することにより構成される。本実施形態では、各第１切り込みＫ１が互いに平行に配置されるとともに、各第２切り込みＫ２も互いに平行に配置されている。なお、各切り込みＫ１，Ｋ２の幅は、互いに等しくなっている。また、本実施形態では、隣接する第１切り込みＫ１間のピッチＰ１（図６参照）と隣接する第２切り込みＫ２間のピッチＰ２（図６参照）とが互いに等しくなっている。また、各柱部９０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。
【００３８】
また、各柱部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。ここで、柱部９０の高さＨ１（厚さ）は、圧電素子４３の厚さｔ１よりも小さくなっている。また、高さＨ１は、切り込みＫ１，Ｋ２の深さと等しく、かつ、上述した基材４２の厚さｔ２よりも大きくなっている。さらに、圧電素子４３において柱部９０同士が繋がる部分の厚さＨ２は、ｔ１−Ｈ１の式から算出される値であり、基材４２の厚さｔ２よりも小さくなっている。
【００３９】
図６〜図１０に示されるように、各柱部９０は、複数の異形柱部９１ａ，９１ｂ，９１ｃと複数の矩形柱部９２とにより構成されている。なお、図６では、異形柱部９１ａ〜９１ｃの部分をハッチングで示している。各異形柱部９１ａ〜９１ｃは、背面視で非矩形状をなしている。本実施形態では、殆どの異形柱部９１ａが背面視で略台形状をなしているが（図１０（ａ）参照）、背面視で略長方形状をなす異形柱部９１ｂ（図１０（ｂ）参照）や、背面視で略五角形状をなす異形柱部９１ｃ（図１０（ｃ）参照）も存在している。また、各異形柱部９１ａ〜９１ｃは、圧電素子４３の外周部に位置しており、外側面９３が圧電素子４３の外周面５３を構成している。さらに、各異形柱部９１ａ，９１ｂは、Ｘ方向またはＹ方向に沿って一直線上に配置されることにより、複数の異形柱部群９１を構成している。各異形柱部群９１の中央部には異形柱部９１ｂが配置され、異形柱部９１ｂの両側部にはそれぞれ複数の異形柱部９１ａが配置されている。なお、異形柱部９１ａの先端面９５ａの面積は、異形柱部群９１の両端に行くに従って小さくなっている。一方、各矩形柱部９２は、背面視で矩形状（本実施形態では正方形状）をなしている。各矩形柱部９２は、圧電素子４３において各異形柱部９１ａ〜９１ｃよりも内側に位置しており、各異形柱部９１ａ〜９１ｃにより包囲されている。
【００４０】
なお、図６，図９に示されるように、矩形柱部９２の先端面９４（背面５２）を構成する各辺の長さＬ１，Ｌ２は、互いに等しくなっている。一方、図６，図１０（ａ）に示されるように、略台形状の異形柱部９１ａでは、先端面９５ａ（背面５２）を構成する各辺のうち、矩形柱部９２に隣接する辺９６ａの長さＡ１が、長さＬ１，Ｌ２と等しくなっている。また、辺９６ａに直交する一対の辺９７ａ，９８ａの長さＡ２，Ａ３は、互いに異なっている。そして、全ての異形柱部９１ａにおける長さＡ２，Ａ３の最大値は、長さＬ１，Ｌ２よりも大きくなっている。なお、先端面９５ａと外側面９３とを接続する辺９９ａは、背面５２から視たときに圧電素子４３の外側に張り出した形状（円弧状）をなしている。そして、先端面９５ａの面積（即ち、圧電素子４３を背面５２から視たときの異形柱部９１ａの投影面積）は、先端面９４の面積（即ち、圧電素子４３を背面５２から視たときの矩形柱部９２の投影面積）の５０％（半分）以上１５０％以下となっている。さらに、複数の異形柱部９１ａの大部分（本実施形態では３分の２以上）は、先端面９５ａの面積が先端面９４の面積よりも大きくなっている。
【００４１】
図６，図１０（ｂ）に示されるように、略長方形状の異形柱部９１ｂでは、先端面９５ｂ（背面５２）を構成する各辺のうち、矩形柱部９２に隣接する辺９６ｂの長さＢ１が、長さＬ１，Ｌ２と等しくなっている。また、辺９６ｂに直交する一対の辺９７ｂ，９８ｂの長さＢ２，Ｂ３は、互いに等しくなっている。そして、長さＢ２，Ｂ３は、上述した長さＡ２，Ａ３の最大値よりも大きく、かつ長さＬ１，Ｌ２よりも長くなっている。なお、先端面９５ｂと外側面９３とを接続する辺９９ｂは、背面５２から視たときに圧電素子４３の外側に張り出した形状（円弧状）をなしている。そして、先端面９５ｂの面積（即ち、圧電素子４３を背面５２から視たときの異形柱部９１ｂの投影面積）は、矩形柱部９２の先端面９４の面積よりも大きく、かつ先端面９４の面積の１５０％以下となっている。
【００４２】
図６，図１０（ｃ）に示されるように、略五角形状の異形柱部９１ｃでは、先端面９５ｃ（背面５２）を構成する各辺のうち、矩形柱部９２に隣接する２つの辺９６ｃの長さＣ１が、それぞれ長さＬ１，Ｌ２と等しくなっている。また、各辺９６ｃにそれぞれ直交する２つの辺９７ｃ，９８ｃの長さＣ２，Ｃ３は、互いに等しく、かつ長さＬ１，Ｌ２よりも短くなっている。なお、先端面９５ｃと外側面９３とを接続する辺９９ｃは、背面５２から視たときに圧電素子４３の外側に張り出した形状（円弧状）をなしている。そして、先端面９５ｃの面積（即ち、圧電素子４３を背面５２から視たときの異形柱部９１ｃの投影面積）は、矩形柱部９２の先端面９４の面積の５０％（半分）以上１００％未満となっている。
【００４３】
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、各異形柱部９１ａ〜９１ｃの先端面９５ａ〜９５ｃや各矩形柱部９２の先端面９４の共通電極となる。
【００４４】
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上または基材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。
【００４５】
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９０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る。
【００４６】
次に、ソナー１１の電気的構成について説明する。
【００４７】
図１１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。
【００４８】
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。
【００４９】
そして、図１１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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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９０（異形柱部９１ａ〜９１ｃ及び矩形柱部９２）は、収縮（図１２（ｂ）参照）と伸長（図１２（ａ）参照）とを繰り返す。なお、柱部９０が高さ方向に収縮した際には、柱部９０が幅方向、具体的には、柱部９０の外周側（図１２（ｂ）の矢印Ｆ１参照）に逃げるように変形する。そして、柱部９０が高さ方向に伸長すると、柱部９０が幅方向、具体的には、柱部９０の中央部側（図１２（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。
【００５３】
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。
【００５４】
次に、超音波振動子４１の製造方法を説明する。
【００５５】
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、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を行う。
【００５６】
続く接合工程では、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。
【００５７】
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を縦横に形成する。その結果、セラミックス製板状物が複数の柱部９０、具体的には、複数の異形柱部９１ａ，９１ｂ，９１ｃ，９１ｄ及び複数の矩形柱部９２に分割される（図６参照）。それとともに、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９０と同数）に分割される。なお、柱部形成工程では、前面５１側の端部において互いに繋がった状態となるように、セラミックス製板状物を各柱部９０に分割するため、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。
【００５８】
また、柱部形成工程では、切り始めのピッチや切り終わりのピッチが、形成途中におけるピッチ（具体的には、図６に示すピッチＰ１）よりも大きくなるように、第１切り込みＫ１を形成する。なお、第１切り込みＫ１の形成時における「切り始めのピッチ」とは、図６において、圧電素子４３の上端Ｅ１（または下端Ｅ２）から、最も上側（または下側）に位置する矩形柱部９２の上側面（または下側面）までの距離の最小値をいう。また、第１切り込みＫ１の形成時における「切り終わりのピッチ」とは、図６において、最も下側（または上側）に位置する矩形柱部９２の下側面（または上側面）から、圧電素子４３の下端Ｅ２（または上端Ｅ１）までの距離の最小値をいう。
【００５９】
同様に、柱部形成工程では、切り始めのピッチや切り終わりのピッチが、形成途中におけるピッチ（具体的には、図６に示すピッチＰ２）よりも大きくなるように、第２切り込みＫ２を形成する。なお、第２切り込みＫ２の形成時における「切り始めのピッチ」とは、図６において、圧電素子４３の左端Ｅ３（または右端Ｅ４）から、最も左側（または右側）に位置する矩形柱部９２の左側面（または右側面）までの距離の最小値をいう。また、第２切り込みＫ２の形成時における「切り終わりのピッチ」とは、図６において、最も右側（または左側）に位置する矩形柱部９２の右側面（または左側面）から、圧電素子４３の右端Ｅ４（または左端Ｅ３）までの距離の最小値をいう。
【００６０】
柱部形成工程後の異形柱部除去工程では、切削加工等を行うことにより、異形柱部９１ａ〜９１ｄのうち、矩形柱部９２の投影面積（即ち先端面９４の面積）の５０％（半分）未満の投影面積（即ち先端面の面積）を有する異形柱部９１ｄを除去する。そして、矩形柱部９２の投影面積の５０％（半分）以上の投影面積（即ち先端面９５ａ〜９５ｃの面積）を有する異形柱部９１ａ〜９１ｃを残すようにする。なお、この時点で、圧電素子４３が完成する。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、各異形柱部９１ａ〜９１ｃの先端面９５ａ〜９５ｃ及び各矩形柱部９２の先端面９４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。
【００６１】
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９０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。
【００６２】
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。
【００６３】
（１）本実施形態の異形柱部９１ａ〜９１ｃは、略円形状の圧電素子４３に切り込みＫ１，Ｋ２を縦横に形成して複数の矩形柱部９２を形成した結果、圧電素子４３の外周部に残る部分であるため、矩形柱部９２よりも細くなり、強度も低くなる可能性がある。しかし、本実施形態のソナー１１では、異形柱部９１ａ〜９１ｃが矩形柱部９２の投影面積の半分以上の投影面積を有することから、投影面積が矩形柱部９２の投影面積の半分未満となる細い異形柱部９１ｄが存在しなくなる。よって、たとえ超音波振動子４１を長期間に亘って駆動させたとしても、異形柱部９１ａ〜９１ｃにクラックが発生しにくくなる。ゆえに、クラックが発生した状態で超音波振動子４１を高電圧で駆動し続ける場合に、クラックの発生部位から断続的に放電を生じてしまい、その影響で、圧電素子４３の他の柱部９０においても圧電特性の低下を引き起こし、送受信感度が低下してしまう、といった問題が生じにくくなる。つまり、クラックの発生を抑制することによって超音波振動子４１の耐久性を向上させることができる。
【００６４】
（２）例えば、圧電素子４３を複数の柱部９０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。また、各柱部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の耐久性がよりいっそう高くなる。
【００６５】
（３）本実施形態の柱部形成工程では、切り始めのピッチや切り終わりのピッチが形成途中におけるピッチＰ１，Ｐ２よりも大きくなるように、切り込みＫ１，Ｋ２を形成している。その結果、大部分の異形柱部９１ａの長さＡ２またはＡ３が矩形柱部９２の長さＬ１，Ｌ２よりも長くなるため、これらの異形柱部９１ａが、矩形柱部９２の投影面積よりも大きい投影面積を有するようになり、矩形柱部９２よりも太くなる。同様に、全ての矩形柱部９１ｂの長さＢ２，Ｂ３も矩形柱部９２の長さＬ１，Ｌ２より長くなるため、各異形柱部９１ｂが、矩形柱部９２の投影面積よりも大きい投影面積を有するようになり、矩形柱部９２よりも太くなる。よって、圧電素子４３の外周部に位置する異形柱部９１ａ，９１ｂの強度が高くなり、異形柱部９１ａ，９１ｂでのクラックの発生が確実に防止されるため、外部に露出するために外力が作用しやすい外周部において圧電素子４３を補強することができ、超音波振動子４１の耐久性がよりいっそう高くなる。また、矩形柱部９２よりも太い異形柱部９１ａ，９１ｂが増えることにより、異形柱部除去工程において除去される異形柱部の数を減らすことができる。その結果、各異形柱部９１ａ〜９１ｃの先端面９５ａ〜９５ｃに形成される背面側電極層５５の面積の減少を抑えることができるため、超音波振動子４１の感度低下を防止することができる。
【００６６】
［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。
【００６７】
詳述すると、図１３〜図１５に示されるように、本実施形態の超音波振動子１０１では、矩形柱部９２の投影面積の半分未満の投影面積を有する異形柱部９１ｄが除去される代わりに、圧電素子４３の外周部に位置する複数の柱部９０間の空隙Ｋ０が、充填材１０２（本実施形態ではエポキシ系接着剤）で埋められている。具体的に言うと、充填材１０２は、隣接する異形柱部９１ａ間の空隙Ｋ０全体、異形柱部９１ａと異形柱部９１ｂとの間の空隙Ｋ０全体、及び、異形柱部９１ａと異形柱部９１ｄとの間の空隙Ｋ０全体に入り込んだ状態で固化している。また、充填材１０２は、異形柱部９１ａと矩形柱部９２との間の空隙Ｋ０全体、異形柱部９１ｂと矩形柱部９２との間の空隙Ｋ０全体、異形柱部９１ｃと矩形柱部９２との間の空隙Ｋ０全体、及び、異形柱部９１ｄと矩形柱部９２との間の空隙Ｋ０全体にも入り込んで固化している。さらに、充填材１０２は、圧電素子４３の外周部において、隣接する矩形柱部９２間の空隙Ｋ０全体にも入り込んで固化している。
【００６８】
次に、超音波振動子１０１の製造方法を説明する。本実施形態では、柱部形成工程後に異物除去工程を行う代わりに、素子補強工程を行っている。素子補強工程では、圧電素子４３の外周部における複数の柱部９０間の空隙Ｋ０全体を充填材１０２で埋めた後、充填材１０２を固化する。その結果、圧電素子４３が部分的に補強される。その後、圧電素子４３の背面５２全体と充填材１０２の背面５２側の端面１０３全体とに銅箔６１を貼付し、銅箔６１を、各異形柱部９１ａ〜９１ｄの先端面及び各矩形柱部９２の先端面９４の共通電極とする。この時点で、超音波振動子１０１が完成する。
【００６９】
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。
【００７０】
（４）本実施形態の超音波振動子１０１では、複数の柱部９０間の空隙Ｋ０を充填材１０２で埋めることにより、圧電素子４３のうち、外部に露出するために特に外力が作用しやすい外周部を補強している。この場合、充填材１０２が各柱部９０間の空隙Ｋ０に入り込むことにより、圧電素子４３の外周部に位置する各柱部９０が相互に補強されるため、たとえ超音波振動子１０１を長期間に亘って駆動させたとしても、柱部９０、特には異形柱部９１ａ〜９１ｄにクラックが発生しにくくなる。その結果、超音波振動子１０１の耐久性を向上させることができる。
【００７１】
（５）本実施形態では、圧電素子４３の外周部にある空隙Ｋ０が充填材１０２で埋められているものの、圧電素子４３において外周部よりも内側領域にある空隙Ｋ０は、充填材１０２で埋められている訳ではない。その結果、内側領域に位置する各柱部９０のそれぞれが変形しやすくなるため、圧電素子４３が内側領域において変形しやすくなる。つまり、圧電素子４３の外周部を充填材１０２で補強したとしても、圧電素子４３は確実に振動するため、超音波振動子１０１の感度低下を防止することができる。
【００７２】
［第３実施形態］
以下、本発明を具体化した第３実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態の超音波振動子は、基本的に前記第２実施形態とほぼ同じ構成を備えていることから、ここでは、第２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、充填材の構成が第２実施形態とは若干異なっている。
【００７３】
詳述すると、図１６，図１７に示されるように、本実施形態の超音波振動子１１１では、複数の柱部９０間の空隙Ｋ０の全てが、発泡樹脂（本実施形態では、発泡させたウレタン樹脂）からなる充填材１１２で埋められている。具体的に言うと、充填材１１２は、多数の気泡１１３（図１７参照）を含有しており、隣接する柱部９０間の空隙Ｋ０全体に入り込んでいる。
【００７４】
次に、超音波振動子１１１の製造方法を説明する。本実施形態では、前記第２実施形態と同様に、柱部形成工程後に素子補強工程を行っている。素子補強工程では、複数の柱部９０間の空隙Ｋ０全体を発泡樹脂からなる充填材１１２で埋めた後、充填材１１２を固化する。その結果、圧電素子４３が全体的に補強される。その後、圧電素子４３の背面５２全体と充填材１１２の背面５２側の端面１１４全体とに銅箔６１を貼付し、銅箔６１を、各異形柱部９１ａ〜９１ｄの先端面及び各矩形柱部９２の先端面９４の共通電極とする。この時点で、超音波振動子１１１が完成する。
【００７５】
従って、本実施形態の超音波振動子１１１では、複数の柱部９０間の空隙Ｋ０を充填材１１２で埋めることにより、圧電素子４３を全体的に補強している。この場合、充填材１１２が各柱部９０間の空隙Ｋ０に入り込むことにより、圧電素子４３の全体において各柱部９０が相互に補強されるため、たとえ超音波振動子１１１を長期間に亘って駆動させたとしても、柱部９０、特には異形柱部９１ａ〜９１ｄにクラックが発生しにくくなる。その結果、超音波振動子１１１の耐久性を向上させることができる。また、充填材１１２が、多数の気泡１１３を含有する発泡樹脂からなっている。発泡樹脂からなる充填材１１２は、軽く、変形しやすいため、空隙Ｋ０が充填材１１２によって埋められていても、柱部９０の変形が充填材１１２によって妨げられる可能性は小さい。従って、圧電素子４３を充填材１１２で補強したとしても、圧電素子４３は確実に振動するため、超音波振動子１１１の感度低下を防止することができる。
【００７６】
なお、上記各実施形態を以下のように変更してもよい。
【００７７】
・上記第１実施形態の異形柱部除去工程では、異形柱部９１ａ，９１ｂ，９１ｃ，９１ｄのうち、矩形柱部９２の投影面積の５０％（半分）未満の投影面積を有する異形柱部９１ｄを除去していた。しかし、異形柱部除去工程において、矩形柱部９２の投影面積の３分の１未満の投影面積を有する異形柱部を除去してもよいし、矩形柱部９２の投影面積の４分の１未満の投影面積を有する異形柱部を除去してもよい。
【００７８】
・上記第２実施形態の超音波振動子１０１では、圧電素子４３の外周部に位置する複数の柱部９０間の空隙Ｋ０が、充填材１０２で埋められていたが、柱部９０間の空隙Ｋ０の全てが、充填材１０２で埋められていてもよい。また、圧電素子４３の外周部の空隙Ｋ０を埋める充填材は、発泡樹脂からなる充填材であってもよい。
【００７９】
・上記第２，第３実施形態の超音波振動子１０１，１１１では、隣接する柱部９０間の空隙Ｋ０全体に充填材１０２，１１２が入り込んでいたが、空隙Ｋ０の一部のみ（例えば、空隙Ｋ０の背面５２側の開口部付近など）に充填材１０２，１１２が入り込んでいてもよい。なお、空隙Ｋ０において充填材１０２，１１２が入り込んでいない領域には、超音波伝搬液体が流入可能となる。また、超音波伝搬液体が流入しない場合には、圧電素子４３内の熱を空隙Ｋ０を介して外部に放出することができる。
【００８０】
・上記各実施形態の柱部形成工程では、切り始め及び切り終わりのピッチが形成途中におけるピッチＰ１，Ｐ２よりも大きくなるように、切り込みＫ１，Ｋ２を形成していた。しかし、切り始め及び切り終わりのピッチがピッチＰ１，Ｐ２と等しくなるように、切り込みＫ１，Ｋ２を形成してもよい。この場合、異形柱部９１ａの長さＡ２，Ａ３や異形柱部９１ｂの長さＢ２，Ｂ３は、矩形柱部９２の長さＬ１，Ｌ２以下となる。
【００８１】
・上記各実施形態では、矩形柱部９２の先端面９４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、上記各実施形態では、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。
【００８２】
・上記各実施形態の圧電素子４３は、分割された複数の柱部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、複数の柱部が完全に分割された構造を有していてもよい。
【００８３】
・上記各実施形態では、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、銅メッシュなどの導電メッシュを背面５２全体に接合してもよい。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。また、上記第３実施形態において、金属箔を貼付する代わりに、圧電素子４３の背面５２全体と充填材１１２の背面５２側の端面１１４全体と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。
【００８４】
・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（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。
【００８５】
・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Ｗ１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）、アルミナの多孔体などからなる基材を用いてもよい。
【００８６】
・上記各実施形態の防音材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。
【００８７】
・上記各実施形態では、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材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。
【００８８】
・上記各実施形態では、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を行っていた。しかし、上記第１実施形態において、分極処理を、接合工程後かつ柱部形成工程前に行ってもよいし、柱部形成工程後かつ異形柱部除去工程前に行ってもよいし、異形柱部除去工程後に行ってもよい。また、上記第２，第３実施形態において、分極処理を、接合工程後かつ柱部形成工程前に行ってもよいし、柱部形成工程後かつ素子補強工程前に行ってもよいし、素子補強工程後に行ってもよい。
【００８９】
・上記各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。
【００９０】
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。
【００９１】
（１）請求項１において、前記複数の異形柱部は、前記矩形柱部の投影面積の半分以上の投影面積を有することを特徴とするソナー。
【００９２】
（２）請求項１において、前記複数の異形柱部の少なくとも一部は、前記矩形柱部の投影面積よりも大きい投影面積を有することを特徴とするソナー。
【００９３】
（３）請求項２において、隣接する前記異形柱部間の空隙、及び、前記異形柱部と前記矩形柱部との間の空隙が、前記充填材で埋められることを特徴とするソナー。
【００９４】
（４）請求項９において、前記異形柱部除去工程では、前記複数の異形柱部のうち、前記矩形柱部の投影面積の半分以上の投影面積を有するものを残す一方、前記矩形柱部の投影面積の半分未満の投影面積を有するものを除去することを特徴とする超音波振動子の製造方法。
【符号の説明】
【００９５】
１１…ソナー
３０…機構としての傾斜回転機構
４１，１０１，１１１…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
９０…柱部
９１ａ，９１ｂ，９１ｃ，９１ｄ…異形柱部
９２…矩形柱部
１０２，１１２…充填材
Ｋ０…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
Ｏ１…中心軸
Ｗ１…超音波
【図１】
2020155900.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2020155900.tif 000009
【図８】
2020155900.tif 000010
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
2020155900.tif 000015
【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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