(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
音響エネルギーと電気エネルギーとの間でエネルギー変換を行うエネルギー変換部を有する球状超音波トランスデューサであって、
前記エネルギー変換部は、
最大幅に対する長さの比率が２倍以上であり、長さ方向の少なくとも一方側に行くに従って幅が狭くなる先細状の端部を有し、凸状に湾曲した外面及び凹状に湾曲した内面を有し、かつ全体的に側面視で円弧状をなす圧電セラミックス製の素子片を主体とし、前記外面及び前記内面に各々電極が設けられた複数の圧電素子と、
前記複数の圧電素子における前記先細状の端部が１箇所を向くように配置するとともに、全体として半球殻状ないし球殻状となるよう前記複数の圧電素子を前記内面側から支持する支持部材と
を備え、前記複数の圧電素子は、前記長さ方向に伸縮するよう、長さに応じた長さ方向の固有振動数の振動モードで振動可能である
ことを特徴とする球状超音波トランスデューサ。
【請求項２】
前記複数の圧電素子は、それぞれ隙間を介して配置され音響的に分断されていることを特徴とする請求項１に記載の球状超音波トランスデューサ。
【請求項３】
前記隙間は、前記最大幅以下の幅を有する線状の隙間であり、前記圧電素子の長さ方向に沿って形成されていることを特徴とする請求項２に記載の球状超音波トランスデューサ。
【請求項４】
前記圧電素子は、圧電セラミックス製の１つの素子片により、中心角が９０°を超える円弧に対応する長さとなるように形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の球状超音波トランスデューサ。
【請求項５】
前記複数の圧電素子は、前記エネルギー変換部における頭頂部に向けて前記先細状の端部が配置されているとともに、前記頭頂部には隙間が形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の球状超音波トランスデューサ。
【請求項６】
前記支持部材は、外面が球面状に形成された素子設置部を有する球状土台であり、前記エネルギー変換部は、前記素子設置部の外面に前記複数の圧電素子を貼り付けることにより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項に記載の球状超音波トランスデューサ。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか１項に記載の球状超音波トランスデューサと、
前記球状超音波トランスデューサに電気的に接続され、超音波の送信及び受信の少なくとも一方の処理を行うための処理回路と
を備え、水中に設けられることを特徴とする水中計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、音響エネルギーと電気エネルギーとの間でエネルギー変換を行うエネルギー変換部を有する球状超音波トランスデューサ、及びその球状超音波トランスデューサを備える水中計測装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
球状超音波トランスデューサの具体例として、球の呼吸振動モード（径方向の振動モード）を用いて超音波を送受信する無指向性の超音波センサが提案されている（例えば、特許文献１等参照）。特許文献１では、内面及び外面に電極を形成した２つの半球状圧電体振動子（圧電素子）を接続することで、球状をなす中空の超音波センサが構成されている。また、図１６に示されるように、１つの圧電素子６１が半球以上の表面積を有する球殻状に形成された超音波センサ６０も提案されている。超音波センサ６０の圧電素子６１は、内側に空洞を有する中空形状の素子であり、圧電素子６１の外面及び内面には、一対の電極６２ａ，６２ｂが形成されている。このように、超音波の送受信する圧電素子６１を球殻状とすることにより、指向性のない超音波センサ６０が得られる。さらに、圧電素子６１のサイズ（直径）を大きくすることで、超音波の周波数（呼吸振動の共振周波数）が低くなり、より遠くへ超音波を伝搬させることが可能となる。
【０００３】
また、特許文献２では、多面体（例えば１２面の多面体）の筐体に複数の圧電セラミック（圧電素子）を取り付けることで全指向性（無指向性）の送受波器が構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−８２９２号公報
【特許文献２】特開２０１０−２１２８６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、球状超音波トランスデューサを作製する際には、圧電素子６１を球殻状に成形するために専用の金型が必要となる。また、球状超音波トランスデューサにおいて、呼吸振動の共振周波数を低くするために球のサイズを大きくする場合には、圧電素子６１の製造が困難となる。より詳しくは、球殻状の圧電素子６１を作製するために大型の設備が必要となる。また、これに加えて、素子サイズが大きくなることで焼成時に変形し易くなり、製品歩留まりが悪化する。従って、球状超音波トランスデューサの製造コストが嵩んでしまうといった問題があった。
【０００６】
因みに、特許文献２の送受波器は、多面体であり完全な球形ではないため、音響的な指向性をなくすためには、各素子の寸法精度や組み付け性を十分に確保する必要があり、製造コストが高くなってしまう。
【０００７】
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、低コスト、かつ容易に形成することができる球状超音波トランスデューサを提供することにある。また、別の目的は、上記球状超音波トランスデューサを用いて、水中における計測を無指向性で確実に行うことができる水中計測装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、音響エネルギーと電気エネルギーとの間でエネルギー変換を行うエネルギー変換部を有する球状超音波トランスデューサであって、前記エネルギー変換部は、最大幅に対する長さの比率が２倍以上であり、長さ方向の少なくとも一方側に行くに従って幅が狭くなる先細状の端部を有し、凸状に湾曲した外面及び凹状に湾曲した内面を有し、かつ全体的に側面視で円弧状をなす圧電セラミックス製の素子片を主体とし、前記外面及び前記内面に各々電極が設けられた複数の圧電素子と、前記複数の圧電素子における前記先細状の端部が１箇所を向くように配置するとともに、全体として半球殻状ないし球殻状となるよう前記複数の圧電素子を前記内面側から支持する支持部材とを備え、前記複数の圧電素子は、前記長さ方向に伸縮するよう、長さに応じた長さ方向の固有振動数の振動モードで振動可能であることを特徴とする球状超音波トランスデューサをその要旨とする。
【０００９】
請求項１に記載の発明によると、エネルギー変換部において、複数の圧電素子の素子片は、最大幅に対する長さの比率が２倍以上であり、長さ方向の少なくとも一方側に行くに従って幅が狭くなる先細状の端部を有し、凸状に湾曲した外面及び凹状に湾曲した内面を有し、全体的に側面視で円弧状をなしている。また、複数の圧電素子における先細状の端部が１箇所を向くように各圧電素子の向きを揃えることで、全体として半球殻状ないし球殻状となるよう各圧電素子が配置される。そして、従来技術のような呼吸振動モードではなく、長さに応じた長さ方向の振動モードで圧電素子が振動することで音響エネルギーと電気エネルギーとの間でエネルギー変換が行われる。この結果、エネルギー変換部において超音波を送信したり受信したりすることが可能となる。このように、本発明の球状超音波トランスデューサでは、従来技術のような球状の圧電素子を用いるのではなく、円弧状に反った複数の圧電素子を用いて球状のエネルギー変換部が構成されている。また、各圧電素子は、最大幅に対する長さの比率が２倍以上であり、素子幅が比較的狭く形成されている。この場合、圧電素子の各々のサイズが小さくなるため、焼成時の変形を低く抑え正確な寸法で圧電素子を形成することができる。さらに、製造設備の大型化を回避することができるため、球状超音波トランスデューサを容易にかつ低コストで製造することができる。圧電素子の素子片の最大幅に対する長さの比率は、２倍以上としたが、３倍以上とすることが好ましく、５倍以上とすることがより好ましい。また、素子片の最大幅に対する長さの比率が１０倍以上２０倍以下となるよう圧電素子を形成することが特に好ましい。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記複数の圧電素子は、それぞれ隙間を介して配置され音響的に分断されていることをその要旨とする。
【００１１】
請求項２に記載の発明によると、球状のエネルギー変換部において、複数の圧電素子はそれぞれ隙間を介して音響的に分断されているので、長さ方向の振動モードで各圧電素子を確実に振動させることができる。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、請求項２において、前記隙間は、前記最大幅以下の幅を有する線状の隙間であり、前記圧電素子の長さ方向に沿って形成されていることをその要旨とする。
【００１３】
請求項３に記載の発明によると、各圧電素子間には線状の隙間が長さ方向に沿って形成されているので、圧電素子がその長さ方向に振動してエネルギー変換を確実に行うことができる。各圧電素子間の隙間は、素子片の最大幅以下としたが、最大幅の１／２以下とすることが好ましい。また、各圧電素子間の隙間は、最大幅の１／５以下とすることがより好ましく、さらに、素子片のサイズが大きくなる場合には、圧電素子間の隙間を最大幅の１／１０以下とすることが好ましい。
【００１４】
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、前記圧電素子は、圧電セラミックス製の１つの素子片により、中心角が９０°を超える円弧に対応する長さとなるように形成されていることをその要旨とする。
【００１５】
請求項４に記載の発明によると、中心角が９０°を超える円弧に対応する長さを有する複数の圧電素子を用いることで、半球以上の表面積を有する球状のエネルギー変換部を構成することができる。また、圧電素子が１つの素子片により形成されるので、２つ以上の素子片により圧電素子を形成する場合のように素子片の接合部が存在しない。このため、圧電素子を容易に形成することができるとともに、素子片の接合部でのエネルギー変換効率の低下を回避することができる。
【００１６】
請求項５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、前記複数の圧電素子は、前記エネルギー変換部における頭頂部に向けて前記先細状の端部が配置されているとともに、前記頭頂部には隙間が形成されていることをその要旨とする。
【００１７】
請求項５に記載の発明によると、エネルギー変換部の頭頂部において、複数の圧電素子を確実に振動させることができる。
【００１８】
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、前記支持部材は、外面が球面状に形成された素子設置部を有する球状土台であり、前記エネルギー変換部は、前記素子設置部の外面に前記複数の圧電素子を貼り付けることにより構成されていることをその要旨とする。
【００１９】
請求項６に記載の発明によると、球状土台において、素子設置部の外面に複数の圧電素子を貼り付けることにより、全体として半球殻状ないし球殻状となるよう複数の圧電素子を確実に支持することができる。
【００２０】
請求項７に記載の発明は、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の球状超音波トランスデューサと、前記球状超音波トランスデューサに電気的に接続され、超音波の送信及び受信の少なくとも一方の処理を行うための処理回路とを備え、水中に設けられることを特徴とする水中計測装置をその要旨とする。
【００２１】
請求項７に記載の発明によると、球状超音波トランスデューサを用いることにより、水中における計測を比較的低コストで確実に行うことができる。また、球状超音波トランスデューサは、全方向指向性（無指向性）を有するため、広範囲の探知が可能であり、かつ探知時間の短縮等を図ることができる。
【発明の効果】
【００２２】
以上詳述したように、請求項１〜６に記載の発明によると、球状超音波トランスデューサを低コスト、かつ容易に形成することができる。また、請求項７に記載の発明によると、水中における計測を無指向性で確実に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】一実施の形態の海底地殻変動観測システムを示す概略構成図。
【図２】一実施の形態の球状超音波トランスデューサを示す断面図。
【図３】一実施の形態のエネルギー変換部を示す斜視図。
【図４】外面側から見た圧電素子を示す斜視図。
【図５】内面側から見た圧電素子を示す斜視図。
【図６】圧電素子を示す側面図。
【図７】圧電素子を示す上面図。
【図８】圧電素子を示す正面図。
【図９】音圧の測定方法を示す説明図。
【図１０】周波数と音圧との関係を示すグラフ。
【図１１】球状超音波トランスデューサの指向性を示すグラフ。
【図１２】別の実施の形態のエネルギー変換部を示す斜視図。
【図１３】別の実施の形態のエネルギー変換部を示す斜視図。
【図１４】別の実施の形態のエネルギー変換部を示す斜視図。
【図１５】別の実施の形態の球状超音波トランスデューサを示す断面図。
【図１６】球殻状の圧電素子からなる従来の超音波センサを示す正面図。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明を具体化した一実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。
【００２５】
図１には、海底の地殻変動を観測する海底地殻変動観測システム１の概略構成を示している。
【００２６】
図１に示されるように、海底地殻変動観測システム１は、海底に設置される第１の水中計測装置２と、観測船３の船底部分に設けられる第２の水中計測装置４とを備える。なお、図示しないが、第１の水中計測装置２は、地殻変動の観測が必要な所定エリアにおいて所定の間隔をあけて複数設けられている。なお、第１の水中計測装置２が設置される海底の水深は１０００ｍ以上であってもよく、第１の水中計測装置２はその水圧に耐えることが可能な構造を有している。
【００２７】
第１の水中計測装置２は、超音波の送受信が可能な無指向性の球状超音波トランスデューサ６と、そのトランスデューサ６に電気的に接続される送受信回路７とを備えている。第２の水中計測装置４も同様に、超音波の送受信が可能な球状超音波トランスデューサ６と、そのトランスデューサ６に電気的に接続される送受信回路７とを備えている。本実施の形態において、各水中計測装置２，４に備えられている球状超音波トランスデューサ６は、同じ構成を有する超音波送受波器である。なお、第１の水中計測装置２及び第２の水中計測装置４のうちの一方の計測装置（具体的には、例えば船底部分に設けられる受信側の水中計測装置４）において、超音波トランスデューサ６の代わりにマイクロフォンを用いて水中計測を行うようにしてもよい。
【００２８】
図２に示されるように、球状超音波トランスデューサ６は、音響エネルギーと電気エネルギーとの間でエネルギー変換を行う球状のエネルギー変換部１０と、超音波伝達媒体であるオイル１１とともにエネルギー変換部１０を収容する樹脂カバー１２とを備えている。球状超音波トランスデューサ６におけるエネルギー変換部１０の表面は、超音波の送信及び受信を行うための送受波面として機能する。本実施の形態における第１の水中計測装置２では、例えば、球状をなすエネルギー変換部１０を上方に向けた状態で球状超音波トランスデューサ６が海底に設置される。一方、第２の水中計測装置４では、例えば、球状をなすエネルギー変換部１０を下方に向けた状態で球状超音波トランスデューサ６が船底に設置される。なお、各水中計測装置２，４の設置位置（海底、船底）や球状超音波トランスデューサ６の向き（上下方向）は必須の構成ではなく、それら設置位置や向きを適宜変更して水中計測を行ってもよい。
【００２９】
図３に示されるように、エネルギー変換部１０は、複数（本実施の形態では２７個）の圧電素子１４と、それら複数の圧電素子１４を支持する球状土台１５（支持部材）とによって構成されている。複数の圧電素子１４は、球殻をその経線方向に沿って複数に分割した形状を有している。
【００３０】
より詳しくは、本実施の形態の圧電素子１４は、例えばＰＺＴなどからなる圧電セラミックス製の１つの素子片１６を主体として形成されている。圧電素子１４の素子片１６は、長さ方向の一方側（図３では上側）に行くに従って幅が狭くなる先細状の端部１８を有する。図２〜図５に示されるように、圧電素子１４の素子片１６は、凸状に湾曲した外面２１及び凹状に湾曲した内面２２を有し、全体的に側面視で円弧状をなしている。また、素子片１６において先細状の端部１８の反対側（図３では下側）の端部１９は、所定の幅を有した平坦状に形成されている。つまり、圧電素子１４は、球殻を中心軸にて複数に分割するとともに、一方の端部１９（図３では下端部）を切除した船形状（瓜皮状）をなしている。そして、複数の圧電素子１４は、鋭角に尖った先細状の端部１８が１箇所（本実施の形態では、エネルギー変換部１０の頭頂部２５）を向くように配置されている。また、圧電素子１４において、素子片１６の外面２１及び内面２２には銀からなる一対の電極２６，２７が設けられている。
【００３１】
球状土台１５は、外面３０が球面状に形成された素子設置部３１と、その素子設置部３１の下方に設けられた円板状のベース部３２とを有する。そして、球状土台１５における素子設置部３１の外面３０に、複数の圧電素子１４が接着剤を介して貼り付けられることで球状のエネルギー変換部１０が形成されている。本実施の形態では、素子設置部３１の外面３０は圧電素子１４の内面２２と同じ曲率で形成されており、複数の圧電素子１４の内面２２全体が接着剤を介して素子設置部３１の外面３０に接着固定されている。なお、本実施の形態では、圧電素子１４を振動し易くするために比較的柔らかい材質の接着剤が用いられている。
【００３２】
樹脂カバー１２は、音響インピーダンスが海水の音響インピーダンスの値に近い材料、具体的には、ウレタンゴムからなる。樹脂カバー１２は、円筒部３５とその円筒部３５と一体的に形成され円筒部３５の一端を塞ぐように設けられた半球部３６とを有し、円筒部３５の他端側の開口端３７が球状土台１５のベース部３２によって塞がれた状態で固定されている。この状態では、樹脂カバー１２の半球部３６がエネルギー変換部１０を覆うように配置されている。
【００３３】
本実施の形態において、エネルギー変換部１０を構成する複数の圧電素子１４は、隙間４１，４２を介して配置され音響的に分断されている。具体的には、エネルギー変換部１０において、隣接する２つの圧電素子１４の間には、経線方向（素子の長さ方向）に沿った線状の隙間４１が形成されているとともに、各圧電素子１４の先細状の端部１８が向き合う頭頂部２５に、隙間４２が形成されている。
【００３４】
図６に示されるように、各圧電素子１４の凹状に湾曲した内面２２（エネルギー変換部１０の内面）は、半径Ｒ１が８０ｍｍである球面状をなす。また、各圧電素子１４の凸状に湾曲した外面２１（エネルギー変換部１０の外面）は、半径Ｒ２が８５ｍｍである球面状をなす。つまり、圧電素子１４の厚Ｔ１さは５ｍｍである。図６〜図８に示されるように、圧電素子１４における径線方向の長さＬ１は、中心角が１３２．９°の円弧に対応する長さを有し、緯線方向の長さＬ２（素子幅）は、中心角が１２．０°の円弧に対応する長さを有する。また、緯線方向に隣接する圧電素子１４の隙間４１は、中心角が１．３３°の円弧に対応する幅Ｌ３を有している。つまり、各圧電素子１４間の隙間４１は、素子幅Ｌ２の１／９程度の幅Ｌ３を有している。これら圧電素子１４の幅Ｌ２や隙間４１の幅Ｌ３は、エネルギー変換部１０における経線方向の中央部４５にて最も大きくなっている。本実施の形態において、各圧電素子１４は、最大幅Ｌ４に対する長さＬ１の比率が１１倍程度であり、比較的細長い素子形状となっている。
【００３５】
エネルギー変換部１０において、複数の圧電素子１４は、頭頂部２５を貫く中心軸Ｚ１に対して、１．５°の円弧に対応する長さＬ５分だけ隙間を開けた状態で配置されている。従って、エネルギー変換部１０の頭頂部２５において、それぞれ対向する各圧電素子１４の端部１８の間には、中心角が３°の円弧に対応する長さ（＝２×Ｌ５）の隙間４２が形成されている。
【００３６】
図２に示されるように、複数の圧電素子１４において、外面２１に設けられた一方の電極２６（プラス電極）が全て同じ第１配線５１に連結されるとともに、内面２２に設けられた他方の電極２７（マイナス電極）が全て同じ第２配線５２に連結されている。なお、第１配線５１は、各圧電素子１４において素子幅が広くなる経線方向の中央部４５にはんだ等を用いて接合されている。また、第２配線５２は、圧電素子１４間の隙間４１を介して圧電素子１４の側面部分に露出しているマイナス電極２７に接続されている。
【００３７】
図１に示されるように、超音波トランスデューサ６から延びる配線５０（第１配線５１及び第２配線５２）は、送受信回路７に接続される。送受信回路７は、増幅回路やＡ／Ｄ変換回路等を備える処理回路であり、超音波の送信及び受信のための処理を行う。また、各水中計測装置２，４は、例えば１０ｋＨｚの駆動信号を発生させる発振器（図示略）や、超音波の送受信処理を統括的に制御する制御装置（図示略）を備えている。制御装置は、周知のＣＰＵ（中央処理装置）やメモリ等を含んで構成されている。
【００３８】
さらに、本実施の形態の海底地殻変動観測システム１は、ＧＰＳで船の現在位置を決定する位置情報取得装置（図示略）を備える。海底地殻変動観測システム１は、第１の水中計測装置２及び第２の水中計測装置４を用い、１０ｋＨｚの超音波を送受信することにより観測船３と海底との距離を測る。そして、その距離とＧＰＳで取得した観測船３の現在位置とに基づいて、第１の水中計測装置２が設置されている海底位置を観測する。この海底位置の観測を定期的に行ったり、地震後などに海底位置の観測を行ったりすることで、海底の地殻変動が測定されるようになっている。また、海底地殻変動観測システム１では、観測船３の移動中に複数回の距離測定を行うことにより、海底位置の測定精度を高めるようにしている。
【００３９】
上記のように構成した球状超音波トランスデューサ６の評価を行った。ここでは、図９に示されるように、水中において、エネルギー変換部１０が上方に向くように球状超音波トランスデューサ６を設置するとともに、そのトランスデューサ６の上方に１ｍの距離を離してマイクロフォン５５を配置する。そして、エネルギー変換部１０の各圧電素子１４の各電極２６，２７に対して、電位差が２００Ｖの電圧Ｖｐｐを１０ｋＨｚの周波数で３サイクル印加し、マイクロフォン５５を用いて観測される音圧（ｄＢ）と周波数（ｋＨｚ）との関係を測定した。その結果を図１０に示している。さらに、表１には、その測定結果として得られた１０ｋＨｚでの音圧（ｄＢ）、最大音圧（ｄＢ）、最大音圧時の周波数（ｋＨｚ）、最大音圧−６ｄＢの帯域幅（ｋＨｚ）を示している。また、比較例として従来品（海外製品）においても音圧と周波数との関係を測定し、その結果を図１０及び表１に示している。なお、従来品は、球形ではなく多面形であって、正多角形状の圧電素子を各表面に貼り付けてなる構造を有する送受波器である。
【表１】
0005802886.tif 000002
【００４０】
図１０及び表１に示されるように、本実施の形態の球状超音波トランスデューサ６（実施例）は、１０ｋＨｚでの音圧及び最大音圧が従来品よりも高く、音圧の周波数依存性は従来品とほぼ等しくなっていた。
【００４１】
また、５ｋＨｚ〜１５ｋＨｚにおける超音波トランスデューサ６のインピーダンスを測定した。この結果、本実施の形態の超音波トランスデューサ６における機械的品質係数Ｑｍは従来品よりも低く、周波数依存性が少なくなっていた。さらに、超音波トランスデューサ６のインピーダンスは従来品よりも低く、マイクロフォン５５の受信波形（図示略）における応答性は従来品よりも良好であることが確認された。
【００４２】
また、球状超音波トランスデューサ６の指向性に関する測定を行った。その測定結果を図１１に示している。なおここでは、球状超音波トランスデューサ６とマイクロフォン５５との距離Ｄ１を１ｍに保ちつつ、マイクロフォン５５の測定位置を周方向に沿って移動させる。具体的には、水平方向の位置Ｐ０（図９では右側の水平位置）を基準位置（角度が０°の位置）とし、位置Ｐ０→位置Ｐ４５（角度が４５°の位置）→位置Ｐ９０（角度が９０°の位置）→位置Ｐ１３５（角度が１３５°の位置）→位置Ｐ１８０（角度が１８０°の位置）の順に周方向に沿ってマイクロフォン５５を移動させ、各位置Ｐ０〜Ｐ１８０での音圧を測定した。なお、測定周波数は１０ｋＨｚである。また、比較例としての従来品の指向性についても同様に測定し、その測定結果を図１１に示している。
【００４３】
図１１に示されるように、本実施の形態の球状超音波トランスデューサ６を用いる場合、従来品と比較して指向性が少なく、測定音圧が従来品よりも大きくなっていた。具体的には、従来品の場合、Ｐ０〜Ｐ１８０の各測定位置において、１８１ｄＢ〜１８６ｄＢの音圧が測定され、特に位置Ｐ９０での音圧が小さくなっていた。これに対して、本実施の形態の球状超音波トランスデューサ６では、Ｐ０〜Ｐ１８０の各測定位置において、１８４ｄＢ〜１８６ｄＢの音圧が測定され、各測定位置での音圧差は２ｄＢであり、従来品の音圧差の５ｄＢよりも小さくなっていた。また、球状超音波トランスデューサ６では、位置Ｐ９０での音圧が１８６ｄＢであり、従来品と比較して５ｄＢ程度も大きくなっていた。
【００４４】
このように、本実施の形態の球状超音波トランスデューサ６を用いることにより、送受信感度が良好な無指向性の水中計測装置２，３を構成することができることが確認された。
【００４５】
従って、本実施の形態によれば以下の効果を得ることができる。
【００４６】
（１）本実施の形態の球状超音波トランスデューサ６では、エネルギー変換部１０において、複数の圧電素子１４における先細状の端部１８が１箇所を向くように各圧電素子１４の向きを揃えることで、全体として球殻状となるよう各圧電素子１４を配置させることができる。そして、従来技術のような呼吸振動モードではなく、長さに応じた長さ方向の振動モードで圧電素子１４が振動することで音響エネルギーと電気エネルギーとの間でエネルギー変換が行われる。この結果、エネルギー変換部１０において超音波を送信したり受信したりすることが可能となる。このように、本実施の形態の球状超音波トランスデューサ６では、従来技術のような球殻状の圧電素子６１（図１６参照）を用いるのではなく、円弧状に反った複数の圧電素子１４（図３〜図５参照）を用いて球状のエネルギー変換部１０が構成されている。また、球状のエネルギー変換部１０を構成する複数の圧電素子１４は、全て同じ形状である。具体的には、各圧電素子１４は、最大幅Ｌ４に対する長さＬ１の比率が１１倍程度であり、素子幅が比較的狭く形成されている。この場合、圧電素子１４の各々のサイズが小さくなるため、焼成時の変形を低く抑え正確な寸法で圧電素子１４を形成することができる。さらに、製造設備の大型化を回避することができるため、球状超音波トランスデューサ６を容易にかつ低コストで製造することができる。
【００４７】
（２）本実施の形態の球状超音波トランスデューサ６では、球状のエネルギー変換部１０における複数の圧電素子１４は、それぞれ隙間４１を介して配置され音響的に分断されている。従って、長さ方向の振動モードで各圧電素子１４を確実に振動させることができる。また、隙間４１は、最大幅Ｌ４の１／９程度の幅Ｌ３を有する線状の隙間である。この場合、各圧電素子１４間の隙間４１が小さくなるので、エネルギー変換部１０の全周にわたってエネルギー変換を確実に行うことができる。
【００４８】
（３）本実施の形態の球状超音波トランスデューサ６では、圧電素子１４は、中心角が９０°を超える円弧に対応する長さＬ１となるように形成されているので、半球以上の表面積を有する球状のエネルギー変換部１０を容易に構成することができる。また、圧電素子１４が圧電セラミックス製の１つの素子片１６により形成されるので、２つ以上の素子片により圧電素子を形成する場合のように素子片の接合部が存在しない。このため、圧電素子１４を容易に形成することができるとともに、素子片１６の接合部でのエネルギー変換効率の低下を回避することができる。
【００４９】
（４）本実施の形態の球状超音波トランスデューサ６において、複数の圧電素子１４はエネルギー変換部１０における頭頂部２５に向けて先細状の端部１８が配置されているとともに、頭頂部２５には隙間４２が形成されている。このようにすると、エネルギー変換部１０の頭頂部２５において、複数の圧電素子１４を確実に振動させることができ、エネルギーの変換効率を高めることができる。
【００５０】
（５）本実施の形態の海底地殻変動観測システム１では、第１の水中計測装置２及び第２の水中計測装置４において、エネルギー変換部１０の頭頂部２５同士が対向するよう各球状超音波トランスデューサ６が配置されている。つまり、海底に設置される第１の水中計測装置２では、エネルギー変換部１０の頭頂部２５が上方に向くように球状超音波トランスデューサ６が設けられ、船底部分に設けられる第２の水中計測装置４では、エネルギー変換部１０の頭頂部２５が下方に向くように球状超音波トランスデューサ６が設けられている。このようにすると、各超音波トランスデューサ６間での超音波の送受信を確実に行うことができ、距離測定を正確に行うことができる。
【００５１】
（６）本実施の形態の海底地殻変動観測システム１において、第１の水中計測装置２は、水深１０００ｍ以上の海底に設置される場合がある。この場合でも、超音波トランスデューサ６のエネルギー変換部１０が球形であるので、その水圧に十分に耐えることができ、海底の地殻変動を確実に観測することができる。
【００５２】
なお、本発明の実施の形態は以下のように変更してもよい。
【００５３】
・上記実施の形態の超音波トランスデューサ６において、エネルギー変換部１０を構成する各圧電素子１４は、中心角が１３２．９°の円弧に対応する長さＬ１を有するとともに、中心角が１２°の円弧に対応する幅Ｌ２を有していたが、細長い円弧状に形成されるものであれば、長さＬ１や幅Ｌ２は適宜変更してもよい。但し、半球以上の表面を有するエネルギー変換部１０を構成する場合、中心角が９０°を超える円弧に対応する長さＬ１となるように各圧電素子１４を形成することが好ましい。また、エネルギー変換部１０の表面積を十分に確保するには、中心角が１００°以上の円弧に対応する長さＬ１となるように各圧電素子１４を形成することが好ましい。さらに、球状土台１５への設置を考慮すると、複数の圧電素子１４は、中心角が１７０°以下の円弧に対応する長さＬ１とすることが好ましい。
【００５４】
・上記実施の形態の超音波トランスデューサ６では、エネルギー変換部１０を構成する各圧電素子１４は、圧電セラミックス製の１つの素子片１６により形成されていたが、これに限定されるものではない。例えば、図１２に示されるように、エネルギー変換部１０Ａを構成する複数の圧電素子１４ａは、圧電セラミックス製の２つの素子片１６ａ，１６ｂを長さ方向に接合することにより形成されるものでもよい。また、図１３に示されるように、エネルギー変換部１０Ｂを構成する複数の圧電素子１４ｂは、圧電セラミックス製の３つの素子片１６ｃ，１６ｄ，１６ｅを長さ方向に接合することにより形成されるものでもよい。なお、図１２及び図１３のような圧電素子１４ａ，１４ｂを形成する場合、各素子片１６ａ〜１６ｅは、接着剤を用いて隙間がない状態で機械的に接合される。素子片１６ａ〜１６ｅ同士を接合する接着剤の硬化物は、各圧電素子１４ａ，１４ｂを球状土台１５に固定する接着剤の硬化物よりも硬くなっている。また、図１２の圧電素子１４ａは、中心角が９０°の円弧に対応する長さＬ１を有し、図１３の圧電素子１４ｂは、上記実施の形態と同様に中心角が１３３°の円弧に対応する長さＬ１を有する。図１２及び図１３のようにエネルギー変換部１０Ａ，１０Ｂを構成しても、各圧電素子１４ａ，１４ｂは、経線方向の長さに応じた周波数で振動し、音響エネルギーと電気エネルギーとの間でエネルギー変換を行うことができる。この場合、個々の素子片１６ａ〜１６ｅのサイズは小さいが、素子片１６ａ〜１６ｅを接合して圧電素子１４ａ，１４ｂを形成することにより、比較的大きな球状のエネルギー変換部１０Ａ，１０Ｂを形成することができる。このため、製造設備の大型化を回避することができ、球状超音波トランスデューサの製造コストを低減することができる。
【００５５】
・上記実施の形態の球状超音波トランスデューサ６において、複数の圧電素子１４，１４ａ，１４ｂは、エネルギー変換部１０，１０Ａ，１０Ｂにおける頭頂部２５に向けて先細状の上端部１８が配置されるとともに、経線方向に沿って配置されていたが、これに限定されるものではない。複数の圧電素子によって球状のエネルギー変換部を構成するものであれば、複数の圧電素子の配置は特に限定されるものではない。具体的には、例えば、図１４に示されるように、経線方向とは異なる方向に複数の圧電素子１４ｃを配置してエネルギー変換部１０Ｃを構成してもよい。図１４のエネルギー変換部１０Ｃでは、頭頂部２５ではなく側部５７に向けて各圧電素子１４ｃの先細状の端部１８ａが向くように配置されている。なお、図１４において、圧電素子１４ｃは、一方の端部１８ａのみ図示されているが、図示されていない他方の端部１８ａも鋭角に尖った先細状となっている。つまり、各圧電素子１４ｃは、両端部１８ａが鋭角に尖った先細状となっており、各端部１８ａがそれぞれ１箇所（エネルギー変換部１０Ｃにおいて対向配置される側部５７）を向くように球状土台１５の素子設置部３１に配置されている。この結果、素子設置部３１の外面３０において半球殻状となるよう各圧電素子１４ｃが支持される。
【００５６】
・上記実施の形態の球状超音波トランスデューサ６において、樹脂カバー１２は、円筒部３５と半球部３６とを有する形状であったが、図１５に示す球状超音波トランスデューサ６Ａのように樹脂カバー１２Ａの形状を変更してもよい。樹脂カバー１２Ａは、円筒部３８とその円筒部３８と一体的に形成された球形部３９とを有する。樹脂カバー１２Ａにおいて、円筒部３８の軸線方向（図１５では上下方向）の長さは上記実施の形態の樹脂カバー１２における円筒部３５（図２参照）の長さよりも短く、円筒部３８の直径は円筒部３５の直径より小さくなっている。また、樹脂カバー１２Ａにおいて、球形部３９は、エネルギー変換部１０に対向する位置に設けられており、半球以上の面積を有している。上記実施の形態の球状超音波トランスデューサ６では、樹脂カバー１２において円筒部３５の外径と半球部３６の外径とが同じ寸法であった。これに対して、図１５に示す樹脂カバー１２Ａでは、円筒部３８の外径が球形部３９の外径よりも小さくなっている。つまり、樹脂カバー１２Ａにおいて、円筒部３８は、球形部３９に対して窄んだ形状となっている。このように、樹脂カバー１２Ａを用いて球状超音波トランスデューサ６Ａを構成すると、エネルギー変換部１０の上部及び下部において、エネルギー変換部１０の外面と樹脂カバー１２Ａ（球形部３９）の内面との距離が均一になる。この場合、球状超音波トランスデューサ６Ａにおける超音波の送受信感度を高めることができる。
【００５７】
・上記実施の形態では、外面３０が球面状に形成された素子設置部３１を有する球状土台１５において、素子設置部３１の外面３０に複数の圧電素子１４を貼り付けることでエネルギー変換部１０が形成されていたが、球状土台１５以外の支持部材を用いてもよい。具体的には、支持部材は、全体として半球殻状ないし球殻状となるよう複数の圧電素子１４をその内面２２側から支持するものであればよい。例えば、各圧電素子１４の内面２２の一部を固定する固定部を有する枠状の支持部材を用いてエネルギー変換部１０を形成してもよい。なおこの場合、固定部は、圧電素子１４の長さ方向において１／４波長に対応する位置に設けられる。このようにすると、支持部材の固定部に圧電素子１４を固定した状態で圧電素子１４を確実に振動させることができる。
【００５８】
・上記実施の形態では、球状超音波トランスデューサ６は、超音波の送受信を行うことが可能な超音波送受波器として機能させるものであったが、超音波の送信専用の送波器や、超音波の受信専用の受波器として機能させるものでもよい。具体的には、例えば、第１の水中計測装置２に設けられる球状超音波トランスデューサ６を超音波の送信専用の送波器として機能させる場合、受信側となる第２の水中計測装置４において球状超音波トランスデューサ６の代わりにマイクロフォンを設けて距離測定を行ってもよい。
【００５９】
・上記実施の形態では、一対の水中計測装置２，４を備える海底地殻変動観測システム１に具体化するものであったが、これに限定されるものではない。例えば、１つの水中計測装置４を船底に設け、その水中計測装置４を用いて水中に存在する障害物の有無や、障害物の距離等を検出するよう観測システムを構成してもよい。この場合、超音波トランスデューサ６の各圧電素子１４を駆動して超音波を送信するとともに、水中にある障害物で反射した超音波を超音波トランスデューサ６の各圧電素子１４で受信する。制御装置（図示略）は、この受信信号に基づいて、水中に存在する障害物の有無を判定する。また、制御装置は、超音波の伝搬時間に基づいて、障害物の距離を検出する。さらに、障害物が存在する方向を特定できるように水中計測装置４を構成してもよい。具体的には、水中計測装置４において、超音波トランスデューサ６の圧電素子１４毎、または隣接する複数の圧電素子１４毎に専用の受信回路を設ける。また、送信回路によって各圧電素子１４を同時に駆動して、超音波トランスデューサ６から全方向に超音波を送信する。そして、水中にある障害物で反射した超音波を超音波トランスデューサ６の各圧電素子１４で受信する。このようにすると、球状超音波トランスデューサ６は、指向性を有する超音波送受波器として構成され、各受信回路で検出される超音波の受信信号の大きさに基づいて、障害物が存在する方向を特定することができる。
【００６０】
次に、特許請求の範囲に記載された技術的思想のほかに、前述した実施の形態によって把握される技術的思想を以下に列挙する。
【００６１】
（１）請求項１乃至６のいずれか１項において、前記エネルギー変換部における前記複数の圧電素子は、球殻をその経線方向に沿って複数に分割した形状を有することを特徴とする球状超音波トランスデューサ。
【００６２】
（２）請求項１乃至６のいずれか１項において、前記圧電素子は、１００°以上１７０°以下の円弧に対応する長さを有することを特徴とする球状超音波トランスデューサ。
【００６３】
（３）請求項１乃至６のいずれか１項において、超音波伝達媒体とともに前記エネルギー変換部を収容する樹脂カバーをさらに備えていることを特徴とする球状超音波トランスデューサ。
【００６４】
（４）請求項１乃至３のいずれか１項において、前記圧電素子は、圧電セラミックス製の２つ以上の素子片を長さ方向に接合することにより、中心角が９０°を超える円弧に対応する長さとなるように形成されていることを特徴とする球状超音波トランスデューサ。
【００６５】
（５）技術的思想（４）において、前記圧電素子において２つ以上の前記素子片を接合する接着剤の硬化物は、前記圧電素子を前記支持部材に固定する接着剤の硬化物よりも硬いことを特徴とする球状超音波トランスデューサ。
【００６６】
（５）請求項７において、前記複数の圧電素子の各電極において、前記幅が最大となる前記長さ方向の中央部に配線が接続されることを特徴とする水中計測装置。
【００６７】
（６）請求項７において、前記複数の圧電素子において、前記外面に設けられた一方の電極を全て同じ第１配線に連結するとともに、前記内面に設けられた他方の電極を全て同じ第２配線に連結することを特徴とする水中計測装置。
【００６８】
（７）請求項７において、前記球状超音波トランスデューサは、音響的に無指向性であることを特徴とする水中計測装置。
【００６９】
（８）請求項７に記載の水中計測装置を備え、球状をなす前記エネルギー変換部を上方に向けた状態で前記球状超音波トランスデューサを海底に設置し、前記海底の地殻変動を観測することを特徴とする海底地殻変動観測システム。
【符号の説明】
【００７０】
２，４…水中計測装置
６，６Ａ…球状超音波トランスデューサ
７…処理回路としての送受信回路
１０，１０Ａ〜１０Ｃ…エネルギー変換部
１４，１４ａ〜１４ｃ…圧電素子
１５…支持部材としての球状土台
１６，１６ａ〜１６ｅ…素子片
１８，１８ａ…先細状の端部
２１…外面
２２…内面
２５…頭頂部
２６，２７…電極
３０…外面
３１…素子設置部
４１，４２…隙間
【要約】
低コスト、かつ容易に形成することができる球状超音波トランスデューサを提供すること。
球状超音波トランスデューサ６のエネルギー変換部１０は、複数の圧電素子１４と球状土台１５とを有する。各圧電素子１４は、長さ方向の少なくとも一方側に行くに従って幅が狭くなる先細状の端部１８を有し、凸状に湾曲した外面２１及び凹状に湾曲した内面２２を有し、かつ全体的に側面視で円弧状をなす圧電セラミックス製の素子片１６を主体とし、外面２１及び内面２２に各々電極２６，２７が設けられている。球状土台１５は、各圧電素子１４における先細状の端部１８が１箇所を向くように配置するとともに、全体として球殻状となるよう各圧電素子１４を内面２２側から支持する。各圧電素子１４は、長さ方向に伸縮するよう、長さに応じた長さ方向の固有振動数の振動モードで振動する。
【選択図】図２【図１】
0005802886.tif 000003
【図２】
0005802886.tif 000004
【図３】
0005802886.tif 000005
【図４】
0005802886.tif 000006
【図５】
0005802886.tif 000007
【図６】
0005802886.tif 000008
【図７】
0005802886.tif 000009
【図８】
0005802886.tif 000010
【図９】
0005802886.tif 000011
【図１０】
0005802886.tif 000012
【図１１】
0005802886.tif 000013
【図１２】
0005802886.tif 000014
【図１３】
0005802886.tif 000015
【図１４】
0005802886.tif 000016
【図１５】
0005802886.tif 000017
【図１６】
0005802886.tif 000018