(57)【要約】【課題】水中に放射される超音波の放射強度、及び、受波感度を良好とした水中超音波利用装置付き船舶を提供する。【解決手段】超音波振動子２０と船底内側面３ｉに接して保持された液体媒質ＬＱと、を含み、船舶２を水上に静置したとき、仮想平面ＳＳ内において、式（１）及び（２）、または、式（２）及び（３）の少なくともいずれかが満たされるように、超音波振動子２０を配置した水中超音波利用装置付き船舶１である。ｓｉｎθｉ／ｖｉ＝ｓｉｎ(ｃｏｓ−１(ｍ・λｄ／２ｔ))／ｖｄ  (ｍは自然数)…式(1)θ２＝θｉ−θ１                                                        …式(2)ｓｉｎθｉ／ｖｉ＝ｓｉｎ(ｃｏｓ−１(ｎ・λｓ／２ｔ))／ｖｓ  (ｎは自然数)…式(3)【選択図】図２
2007285730.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波を船底を通じて水中に放射する水中超音波利用装置付き船舶であって、
所定周波数の超音波を発生する超音波振動子と、
上記船底の船底内側面に接して保持され、上記超音波を上記船底内側面に向けて伝える液体媒質と、を含み、
上記船舶を水上に静置したとき、鉛直線と、上記液体媒質内を伝わる上記超音波の仮想進行軸線と、上記船底内側面のうち上記超音波の仮想進行軸線が交わる超音波交点における法線とが、いずれも含まれる仮想平面内において、
上記鉛直線と上記超音波交点における法線とがなす第１角をθ１（０°≦θ１＜９０°）、
上記鉛直線と上記超音波の仮想進行軸線とがなす第２角をθ２（０°＜θ２＜９０°）、
上記液体媒質を伝わる上記超音波の音速をｖｉ、
上記船底を伝わる上記超音波の縦波音速をｖｄ、
上記船底を伝わる上記超音波の横波音速をｖｓ、
上記船底を伝わる上記超音波の縦波波長をλｄ、
上記船底を伝わる上記超音波の横波波長をλｓ、
上記超音波交点における上記超音波の上記船底への入射角をθｉ、
この船底の厚さをｔ、としたとき、
上記超音波振動子を、上記超音波の仮想進行軸線が上記鉛直線に斜交し、かつ、下記式（１）及び式（２）、または、下記式（２）及び式（３）の少なくともいずれかが満たされるように配置してなる
水中超音波利用装置付き船舶。
ｓｉｎθｉ／ｖｉ＝ｓｉｎ(ｃｏｓ−１(ｍ・λｄ／２ｔ))／ｖｄ  (ｍは自然数)…式(1)
θ２＝θｉ−θ１                                                        …式(2)
ｓｉｎθｉ／ｖｉ＝ｓｉｎ(ｃｏｓ−１(ｎ・λｓ／２ｔ))／ｖｓ  (ｎは自然数)…式(3)
【請求項２】
請求項１に記載の水中超音波利用装置付き船舶であって、
前記超音波交点を含む前記船底内側面を底面として前記液体媒質を収容するケース部材を備え、
前記超音波振動子は、
前記超音波を放射する平面状の放射面を有し、
上記ケース部材は、
上記超音波振動子の放射面が前記仮想進行軸線に直交するように、上記超音波振動子を取付けてなる取付け部を含む
水中超音波利用装置付き船舶。
【請求項３】
請求項２に記載の水中超音波利用装置付き船舶であって、
前記取付け部は、
所定厚さを有する平板状のケース板部と、
このケース板部の内側面に当接する内当接面及びこれよりもケース空間内側に位置する内側面が互いに斜交し、上記内当接面と内側面とで第１テーパ角をなす楔形状の内側楔部材と、を含み、
前記超音波振動子は、
前記放射面と平行な取付面を有し、
上記取付面を、直接または平板状のスペーサを介して上記内側楔部材の上記内側面に取り付けてなる
水中超音波利用装置付き船舶。
【請求項４】
請求項３に記載の水中超音波利用装置付き船舶であって、
前記内側楔部材は、
楔形状を有する複数の楔状部材を、楔形状の先端部同士及び基端部同士が互いに重なるように積み重ねて構成してなる
水中超音波利用装置付き船舶。
【請求項５】
請求項１に記載の水中超音波利用装置付き船舶であって、
前記超音波交点を含む前記船底内側面を底面として前記液体媒質を収容するケース部材を備え、
前記超音波振動子は、上記ケース部材内で上記液体媒質に浸漬されてなり、
上記ケース部材は、前記仮想進行軸線の向きを変更可能に上記超音波振動子を保持する保持手段を含む
水中超音波利用装置付き船舶。
【請求項６】
所定周波数の超音波を船底を通じて水中に放射する水中超音波利用装置付き船舶の製造方法であって、
上記船底の厚さｔと、
上記船底を伝わる上記超音波の縦波音速ｖｄと縦波波長λｄ、及び上記船底を伝わる上記超音波の横波音速ｖｓと横波波長λｓの少なくともいずれかを取得可能な超音波情報と、を取得する
第１ステップと、
上記超音波を上記船底の船底内側面に向けて伝える液体媒質を、上記船底の船底内側面に接して保持し、上記船舶を水上に静置したとき、
鉛直線と、上記液体媒質内を伝わる上記超音波の仮想進行軸線と、上記船底内側面のうち上記超音波の仮想進行軸線が交わる超音波交点における法線とが、いずれも含まれる仮想平面内において、
上記鉛直線と上記超音波交点における法線とがなす第１角をθ１（０°≦θ１＜９０°）、
上記鉛直線と上記超音波の仮想進行軸線とがなす第２角をθ２（０°＜θ２＜９０°）、
上記超音波交点における上記超音波の上記船底への入射角をθｉとしたとき、
上記超音波を放射する超音波振動子を、上記超音波の仮想進行軸線が上記鉛直線に斜交し、かつ、下記式（１）及び（２）、または、下記式（２）及び（３）の少なくともいずれかが満たされるように配置する
第２ステップと、を備える
水中超音波利用装置付き船舶の製造方法。
ｓｉｎθｉ／ｖｉ＝ｓｉｎ(ｃｏｓ−１(ｍ・λｄ／２ｔ))／ｖｄ  (ｍは自然数)…式(1)
θ２＝θｉ−θ１                                                        …式(2)
ｓｉｎθｉ／ｖｉ＝ｓｉｎ(ｃｏｓ−１(ｎ・λｓ／２ｔ))／ｖｓ  (ｎは自然数)…式(3)
【請求項７】
船舶の船底に取り付けて、超音波を上記船底を通じて水中に放射する水中超音波利用装置であって、
所定周波数の超音波を発生する超音波振動子と、
上記超音波を上記船底内側面に向けて伝える液体媒質を、前記船底内側面を底面として収容するケース部材であって、
上記超音波振動子を上記ケース部材に取り付ける取付け部を含む
ケース部材と、を備え、
上記取付け部は、
上記ケース部材に上記液体媒質を保持し、上記船舶を水上に静置したとき、
鉛直線と上記液体媒質内を伝わる上記超音波の仮想進行軸線とが斜交し、かつ、
上記船底内側面のうち上記超音波の仮想進行軸線が交わる超音波交点における法線と上記超音波の仮想進行軸線とが斜交するように、
上記超音波振動子を取り付け可能に構成されてなる
水中超音波利用装置。
【請求項８】
請求項７に記載の水中超音波利用装置であって、
前記超音波振動子は、
前記仮想進行軸線に直交し、前記超音波を放射する平面状の放射面と、
上記放射面と平行な取付面と、を有し、
前記ケース部材の取付け部は、
所定厚さを有する平板状のケース板部と、
このケース板部の内側面に当接する内当接面及びこれよりもケース空間内側に位置する内側面が互いに斜交し、上記内当接面と内側面とで第１テーパ角をなす楔形状の内側楔部材と、を有し、
上記超音波振動子と上記内側楔部材とは、上記超音波振動子の取付面が上記内側楔部材の内側面と直接にまたは平板状のスペーサを介して間接に接続可能に構成されてなる
水中超音波利用装置。
【請求項９】
請求項８に記載の水中超音波利用装置であって、
前記内側楔部材は、楔形状を有し、楔形状の先端部同士及び基端部同士が重なるように互いに積み重ね可能に構成された複数の楔状部材からなる
水中超音波利用装置。
【請求項１０】
請求項７に記載の水中超音波利用装置であって、
前記ケース部材は、
上記ケース部材内に前記液体媒質を保持したとき、前記超音波振動子が浸漬され、
かつ、
前記仮想進行軸線の向きを変更可能に前記超音波振動子を保持する保持手段を含む
水中超音波利用装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、魚群探知機、水中探査装置等の水中超音波利用装置を備える水中超音波利用装置付き船舶、及びその製造方法、並びに、水中超音波利用装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、魚群探知機、水中超音波探査装置等、水中超音波を利用する水中超音波利用装置が用いられている。このような水中超音波利用装置を船舶に装着する手法としては、船内の船底に設置し水等を満たしたケース内に超音波振動子を配置し、船底を通じて超音波を水中に放射させるインナーハル方式や、部材をあるいは船底に穿孔した貫通穴を用いて、船外やケースに超音波振動子を固定水没させて、直接水中に超音波を放射する方式が採用されている。
【０００３】
水中超音波利用装置（魚群探知機）を、インナーハル方式で装着した例について、図１１を用いて簡単に説明する。図１１は、船舶（ボート）１００の船幅方向に沿う断面図である。ボート１００の船底１０１は、水平面ＨＬに対する船幅方向の傾斜角がθ１００であり、左右対称の形状とされている。このボート１００を水上に静かに浮かべた場合、船底１０１は水面よりも下方に位置する。
【０００４】
魚群探知機１１０は、超音波を放射及び受波する超音波振動子１１１と、これを駆動して超音波を放射させ、また、受波した反射波を解析して、水中の様子、魚群の有無等を表示する本体装置（図示省略）と、超音波振動子１１１を船底１０１に保持するケース１１４から構成される。このうち本体装置は、超音波振動子１１１を駆動するための駆動電源及び、超音波振動子１１１からの出力信号を処理する処理回路、処理データを画像やデータとして表示する表示ディスプレイ等を含む。
【０００５】
一方、超音波振動子１１１は、図１１に示すように、超音波を放射する平面状の放射面１１５を備える径大の振動部１１２と、この放射面１１５に直交する方向に延伸し、この超音波振動子１１１自身を他部材に締結するための雄ネジ部１１３とで構成されている。この超音波振動子１１１は、両端が開放された筒型ケース部材１１７ａと、この筒型ケース部材１１７ａの一端（図中上端）を塞ぐ平面状の蓋板１１７ｂとからなるケース１１４を用いて、ボート１００に取付けられている。すなわち、超音波振動子１１１は、蓋板１１７ｂに設けた貫通穴（図示しない）に雄ネジ部１１３側から超音波振動子１１１を挿通し、螺合したナット１１８と振動部１１２との間に蓋板１１４ｂを挟み込み、ネジ締結することで蓋板１１４ｂに固定されている。
【０００６】
筒型ケース部材１１７ａの一端１１９には、上述のように超音波振動子１１１を取付けた蓋板１１７ｂが密着して固定される。一方、筒型ケース部材１１７ａの船底側端１２０は、超音波振動子１１１の軸線（雄ネジ部１１３の軸線）Ｇが鉛直線と平行となるように、船底１０１の船内側面１０２における傾斜角θ１００に合わせた形状でカットされ、船底１０１の船内側面１０２に液密に接着されている。ケース１１４内には、水や不凍液等の液体媒質ＬＱが充填されている。
【０００７】
このようにして、ボート１００の船底１０１に配置した魚群探知機１１０では、超音波振動子１１１の放射面１１５から放射した超音波が、液体媒質ＬＱ及び船底１０１を通じて水中に放射される。また、水底や魚群等からの反射波を受波することで、魚群等の情報を得ることができる。このインナーハル方式の魚群探知機１１０では、超音波振動子１１１などを船外（外部）に出さないため、ボート１００の航行時に水中に発生する気泡の影響を受けにくく、また、岩や杭、その他の障害物との衝突による故障が生じにくい利点を有している。
【０００８】
【特許文献１】なし。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、前述のようなインナーハル方式の魚群探知機（水中超音波利用装置）では、船底を通じて超音波を水中に放射する、あるいは水中からの超音波を受波するため、ロスが多くなりがちで、同じ超音波振動子を直接水中に没して使用した場合と比して、水中に放射される超音波の放射強度や超音波の受波感度が低下しがちである。
【００１０】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、水中超音波利用装置が船底に取付けられた船舶において、水中に放射される超音波の放射強度、及び、受波感度を良好とした水中超音波利用装置付き船舶を提供することを目的とする。
また、このような水中超音波利用装置を備えた船舶の製造方法を提供することを目的とする。
加えて、船舶の船底に取付ける水中超音波利用装置において、水中に放射される超音波の放射強度、及び受波感度が良好となる水中超音波利用装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
その解決手段は、超音波を船底を通じて水中に放射する水中超音波利用装置付き船舶であって、所定周波数の超音波を発生する超音波振動子と、上記船底の船底内側面に接して保持され、上記超音波を上記船底内側面に向けて伝える液体媒質と、を含み、上記船舶を水上に静置したとき、鉛直線と、上記液体媒質内を伝わる上記超音波の仮想進行軸線と、上記船底内側面のうち上記超音波の仮想進行軸線が交わる超音波交点における法線とが、いずれも含まれる仮想平面内において、上記鉛直線と上記超音波交点における法線とがなす第１角をθ１（０°≦θ１＜９０°）、上記鉛直線と上記超音波の仮想進行軸線とがなす第２角をθ２（０°＜θ２＜９０°）、上記液体媒質を伝わる上記超音波の音速をｖｉ、上記船底を伝わる上記超音波の縦波音速をｖｄ、上記船底を伝わる上記超音波の横波音速をｖｓ、上記船底を伝わる上記超音波の縦波波長をλｄ、上記船底を伝わる上記超音波の横波波長をλｓ、上記超音波交点における上記超音波の上記船底への入射角をθｉ、この船底の厚さをｔ、としたとき、上記超音波振動子を、上記超音波の仮想進行軸線が上記鉛直線に斜交し、かつ、下記式（１）及び（２）、または、下記式（２）及び（３）の少なくともいずれかが満たされるように配置してなる水中超音波利用装置付き船舶である。
ｓｉｎθｉ／ｖｉ＝ｓｉｎ(ｃｏｓ−１(ｍ・λｄ／２ｔ))／ｖｄ  (ｍは自然数)…式(1)
θ２＝θｉ−θ１                                                        …式(2)
ｓｉｎθｉ／ｖｉ＝ｓｉｎ(ｃｏｓ−１(ｎ・λｓ／２ｔ))／ｖｓ  (ｎは自然数)…式(3)
【００１２】
本発明の水中超音波利用装置付き船舶では、超音波振動子を、超音波の仮想進行軸線が鉛直線に斜交し、且つ、式（１）及び（２）、または、式（２）及び（３）の少なくとも一方を満たす関係となるように配置している。
このうち、式（１）に含まれているｃｏｓ−１(ｍ・λｄ／２ｔ)で表される角度θｄは、超音波交点から船底に進む縦波超音波の屈折角であり、この屈折角θｄが、θｄ＝ｃｏｓ−１(ｍ・λｄ／２ｔ)、即ち、ｍ・λｄ／２＝ｔ・ｃｏｓθｄを満足する場合には、液体媒質から船底へ超音波が入射する際に透過極大となる。また、式（１）にθｄを代入した式ｓｉｎθｉ／ｖｉ＝ｓｉｎθｄ／ｖｄは、液体媒質から船底へ縦波超音波が入射する際に成立するスネル則である。
同様に、式（３）に含まれているｃｏｓ−１(ｎ・λｓ／２ｔ)で表される角度θｓは、超音波交点から船底に進む横波超音波の屈折角であり、この屈折角θｓが、θｓ＝ｃｏｓ−１(ｎ・λｓ／２ｔ)、即ち、ｎ・λｓ／２＝ｔ・ｃｏｓθｓを満足する場合には、液体媒質から船底へ超音波が入射する際に透過極大となる。また、式（３）にθｓを代入した式ｓｉｎθｉ／ｖｉ＝ｓｉｎθｓ／ｖｓは、液体媒質から船底へ横波超音波が入射する際に成立するスネル則である。
【００１３】
従って、本発明の船舶では、船底での超音波の反射が抑制され、液体媒質から船底に超音波が効率よく伝わり、この船底から水中に向けてより強力な超音波が放射することができる。また、これと逆に、水中からの超音波を効率よく超音波振動子に伝えることができ、より高い受波感度を得ることができる。また、残響の発生をも抑制できる。
【００１４】
なお、水中超音波利用装置としては、超音波を水中に放射して、水中からの超音波を受波して、あるいは水中への超音波の放射及び水中からの超音波の受波を行って、水中のあるいは水底の情報を取得する装置が挙げられる。具体的には、水中の魚群を検知する魚群探知機や、海底や湖底等の水底の形状、深さ等を探査する水中超音波探査装置等のほか、超音波を用いた水中通信等、水中において超音波を利用する装置が含まれる。
また、超音波を船底を通じて水中に放射する水中超音波利用装置付き船舶としては、超音波が船底を通じて水中に放射される形態の水中超音波利用装置を備える船舶であれば、いずれの形式でも良い。例えば、超音波振動子から放射される超音波を、液体媒質に伝播させて船舶の船底に伝え、船底を通じて水中に向けて放射させる方式の、水中超音波利用装置を船底に搭載した漁船、プレジャーボート、海底探査船等の船舶が挙げられる。
さらに、水中超音波利用装置付き船舶における船舶本体においては、船底内側面及びこの面の反対面である船底外側面（船底の船外側面）のうち超音波交点付近に、局部的に大きい凹凸がない船舶の形状が望ましい。また、船舶のうち、少なくとも船底の材質としては、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、アルミダイキャスト、鋼、ステンレス、ＦＲＰ等のような、超音波を伝搬させることのできる材質が挙げられる。
【００１５】
さらに、上記の水中超音波利用装置付き船舶であって、前記超音波交点を含む前記船底内側面を底面として前記液体媒質を収容するケース部材を備え、前記超音波振動子は、前記超音波を放射する平面状の放射面を有し、上記ケース部材は、上記超音波振動子の放射面が前記仮想進行軸線に直交するように、上記超音波振動子を取付けてなる取付け部を含む水中超音波利用装置付き船舶水中超音波利用装置付き船舶とすると良い。
【００１６】
本発明の水中超音波利用装置付き船舶では、ケース部材は、その取付け部において、放射面が仮想進行軸線に直交するように超音波振動子を取り付けている。ケース部材がこのような取付け部を備えることで、超音波の仮想進行軸線と鉛直線に斜行させ、かつ、前述の式（１）及び（２）、または、式（２）及び（３）を満足する超音波振動子の配置を容易に実現することができる。
【００１７】
さらに、上記の水中超音波利用装置付き船舶であって、前記取付け部は、所定厚さを有する平板状のケース板部と、このケース板部の内側面に当接する内当接面及びこれよりもケース空間内側に位置する内側面が互いに斜交し、上記内当接面と内側面とで第１テーパ角をなす楔形状の内側楔部材と、を含み、前記超音波振動子は、前記放射面と平行な取付面を有し、上記取付面を、直接または平板状のスペーサを介して上記内側楔部材の上記内側面に取り付けてなる水中超音波利用装置付き船舶とすると良い。
【００１８】
本発明の水中超音波利用装置付き船舶では、ケース部材のうち取付け部には、平板状のケース板部と、内側楔部材とが含まれている。そして、超音波振動子は、放射面と平行な取付面を内側楔部材の内側面に直接または平板状のスペーサを介して取り付けられている。
これにより、超音波振動子の放射面は、ケース板部の平面に対して、容易に第１テーパ角だけ傾斜して取り付けることができる。
【００１９】
超音波振動子の取付けの形態としては、内側楔部材の内当接面とケース板部の内側面とを接続させた取付け部のうち、ケース板部に斜交する内側楔部材の内側面に、超音波振動子の取付面を直接当接させる形態のほか、平板状のスペーサを介して取り付ける形態が挙げられる。
また、例えば、ケース板部及び内側楔部材のほかに、第１テーパ角と等しい第２テーパ角をなす楔形状の外側楔部材を用い、この外側楔部材の外当接面をケース板部の外側面に当接させ、外側楔部材のうち外当接面と第２テーパ角をなす外側面を、内側楔部材の内側面と平行に配置する。その上で、内側楔部材、ケース板部、及び外側楔部材に予め穿孔されていた貫通孔に、超音波振動子のうちその放射面に直交する方向に伸延する雄ネジ部を挿通して、超音波振動子の取付面と雄ネジ部に螺合したナットとで、これらと超音波振動子とを締結させる取付け形態が挙げられる。なお、このようにした場合には、内側楔部材及び外側楔部材を用意すれば、従来のインナーハル方式（図１１参照）によって超音波振動子をケース部材に取り付けた場合と、ほぼ同様にして超音波振動子をケース部材（ケース板部）に取付けることができるので、取り付け容易である利点がある。
【００２０】
なお、内側楔部材の第１テーパ角の大きさは、船舶の船底の厚さｔや第１角θ１、超音波振動子から放射させる超音波の船底における音速ｖｄ，ｖｓ、波長λｄ，λｓなどを考慮して、前述の式（１）及び（２）、または、式（２）及び（３）が満足される第２角θ２及び入射角θｉとなるように、適宜選択すれば良い。
【００２１】
さらに、上記の水中超音波利用装置付き船舶であって、前記内側楔部材は、楔形状を有する複数の楔状部材を、楔形状の先端部同士及び基端部同士が互いに重なるように積み重ねて構成してなる水中超音波利用装置付き船舶とすると良い。
【００２２】
本発明の水中超音波利用装置付き船舶では、内側楔部材は、複数の楔状部材を積み重ねて構成してなる。このように複数の楔状部材を組み合わせて内側楔部材を構成することで、内側楔部材の内側面の向きを容易に調整できるから、式（１）及び（２）、または、式（２）及び（３）を満足する第２角θ２及び入射角θｉとなるように、超音波振動子の放射面の向きを容易に調整することができる。
なお、テーパ角が互いに異なる複数の楔状部材を用いると、必要な第２角θ２を得るのに当たり、内側楔部材の第１テーパ角の微調整が容易である。
【００２３】
あるいは、請求項１に記載の水中超音波利用装置付き船舶であって、前記超音波交点を含む前記船底内側面を底面として前記液体媒質を収容するケース部材を備え、前記超音波振動子は、上記ケース部材内で上記液体媒質に浸漬されてなり、上記ケース部材は、前記仮想進行軸線の向きを変更可能に上記超音波振動子を保持する保持手段を含む水中超音波利用装置付き船舶とすると良い。
【００２４】
本発明の水中超音波利用装置付き船舶では、超音波振動子はケース部材内で液体媒質内に浸漬されており、しかも、ケース部材は、仮想進行軸線の向きを変更可能に超音波振動子を保持する保持手段を備えている。このため、保持手段により超音波振動子の向きを調整し、超音波の仮想進行軸線の向きを、式（１）及び（２）、または、式（２）及び（３）が満足されるように容易に調整することができる。
【００２５】
なお、保持手段としては、例えば、ボール式ジョイントまたはローラ式ジョイント等のような回動可能なジョイント部を含む構造を有するものが挙げられる。すなわち、保持手段のうち、ジョイント部の一方側をケース部材に取り付け、他方側を超音波振動子に取り付けることにより、超音波振動子を、ジョイント部の関節を中心に、ケース部材に対し、相対的に回動させることができ、超音波振動子を適切な角度に保持することができる。
【００２６】
他の解決手段は、所定周波数の超音波を船底を通じて水中に放射する水中超音波利用装置付き船舶の製造方法であって、上記船底の厚さｔと、上記船底を伝わる上記超音波の縦波音速ｖｄと縦波波長λｄ、及び上記船底を伝わる上記超音波の横波音速ｖｓと横波波長λｓの少なくともいずれかを取得可能な超音波情報と、を取得する第１ステップと、上記超音波を上記船底の船底内側面に向けて伝える液体媒質を、上記船底の船底内側面に接して保持し、上記船舶を水上に静置したとき、鉛直線と、上記液体媒質内を伝わる上記超音波の仮想進行軸線と、上記船底内側面のうち上記超音波の仮想進行軸線が交わる超音波交点における法線とが、いずれも含まれる仮想平面内において、上記鉛直線と上記超音波交点における法線とがなす第１角をθ１（０°≦θ１＜９０°）、上記鉛直線と上記超音波の仮想進行軸線とがなす第２角をθ２（０°＜θ２＜９０°）、上記超音波交点における上記超音波の上記船底への入射角をθｉとしたとき、上記超音波を放射する超音波振動子を、上記超音波の仮想進行軸線が上記鉛直線に斜交し、かつ、下記式（１）及び（２）、または、下記式（２）及び（３）の少なくともいずれかが満たされるように配置する第２ステップと、を備える水中超音波利用装置付き船舶の製造方法である。
ｓｉｎθｉ／ｖｉ＝ｓｉｎ(ｃｏｓ−１(ｍ・λｄ／２ｔ))／ｖｄ  (ｍは自然数)…式(1)
θ２＝θｉ−θ１                                                        …式(2)
ｓｉｎθｉ／ｖｉ＝ｓｉｎ(ｃｏｓ−１(ｎ・λｓ／２ｔ))／ｖｓ  (ｎは自然数)…式(3)
【００２７】
本発明の水中超音波利用装置付き船舶の製造方法では、第１ステップにおいて  船底の厚さｔと、縦波音速ｖｄと縦波波長λｄ、及び横波音速ｖｓと横波波長λｓの少なくともいずれかを取得可能な超音波情報とを取得する。また、第２ステップにおいて、超音波振動子を、式（１）及び式（２）、または、式（２）及び式（３）の少なくとも一方を満たすように配置する。
このようにすることにより、超音波振動子から放射され液体媒質を伝わった超音波が、船底に入射するに当たり、反射が抑制され、液体媒質から船底に超音波が効率よく伝わり、この船底から水中に向けてより強力な超音波が放射することが可能な水中超音波利用装置付き船舶を製造することができる。また、これと逆に、水中からの超音波を効率よく超音波振動子に伝えることができ、より高い受波感度を得ることが可能な水中超音波利用装置付き船舶を製造することができる。また、これらにおいては、残響の発生をも抑制できる。
【００２８】
なお、超音波情報とは、船底を伝わる超音波の縦波音速ｖｄ，縦波波長λｄ、あるいは横波音速ｖｓ，横波波長λｓそのものの値、あるいはこれらを計算などにより取得可能な他の情報である。例えば、縦波音速ｖｄ及び縦波波長λｄの値そのもののほか、船底をなす材質についての情報、超音波の周波数、縦波音速ｖｄと縦波波長λｄの一方、などが挙げられる。あるいは、船底の厚みと組み合わせてこれを伝わる超音波に音速を知ることができる情報として、船底の一方面から伝えられた超音波が他方面で反射して再び一方面に戻るまでの反射時間も挙げられる。
【００２９】
さらに他の解決手段は、船舶の船底に取り付けて、超音波を上記船底を通じて水中に放射する水中超音波利用装置であって、所定周波数の超音波を発生する超音波振動子と、上記超音波を上記船底内側面に向けて伝える液体媒質を、前記船底内側面を底面として収容するケース部材であって、上記超音波振動子を上記ケース部材に取り付ける取付け部を含むケース部材と、を備え、上記取付け部は、上記ケース部材に上記液体媒質を保持し、上記船舶を水上に静置したとき、鉛直線と上記液体媒質内を伝わる上記超音波の仮想進行軸線とが斜交し、かつ、上記船底内側面のうち上記超音波の仮想進行軸線が交わる超音波交点における法線と上記超音波の仮想進行軸線とが斜交するように、上記超音波振動子を取り付け可能に構成されてなる水中超音波利用装置である。
【００３０】
本発明の水中超音波利用装置は、ケース部材と超音波振動子とを備えている。このうちケース部材は、船舶の船底に取り付け、船底の船底内側面と液体媒質とが接するように液体媒質を収容する。また、超音波振動子を取付けるための取付け部を備える。しかも、この取付け部は、船舶を水上に静置したとき、鉛直線と液体媒質内を伝わる超音波の仮想進行軸線とが斜交し、かつ、船底内側面のうち超音波の仮想進行軸線が交わる超音波交点における法線と超音波の仮想進行軸線とが斜交するように、超音波振動子を取り付けることができるように構成されている。
従って、この水中超音波利用装置を用いれば、容易に、超音波の仮想進行軸線が鉛直線や超音波交点における法線と斜交するようにして、船舶に超音波振動子を含む水中超音波利用装置を取り付けることができる。
【００３１】
なお、ここで、船底の厚みをｔとする。また、鉛直線と、液体媒質内を伝わる超音波の仮想進行軸線と、船底内側面のうち超音波の仮想進行軸線が交わる超音波交点における法線とが、いずれも含まれる仮想平面内において、鉛直線と超音波交点における法線とがなす第１角をθ１（０°≦θ１＜９０°）する。さらに、鉛直線と超音波の仮想進行軸線とがなす第２角をθ２（０°＜θ２＜９０°）、超音波交点における超音波の船底への入射角をθｉとする。また、液体媒質を伝わる超音波の音速をｖｉ、船底を伝わる超音波の縦波音速をｖｄ、船底を伝わる超音波の横波音速をｖｓ、船底を伝わる超音波の縦波波長をλｄ、船底を伝わる上記超音波の横波波長をλｓ、超音波交点における超音波の船底への入射角をθｉとする
ｓｉｎθｉ／ｖｉ＝ｓｉｎ(ｃｏｓ−１(ｍ・λｄ／２ｔ))／ｖｄ  (ｍは自然数)…式(1)
θ２＝θｉ−θ１                                                        …式(2)
ｓｉｎθｉ／ｖｉ＝ｓｉｎ(ｃｏｓ−１(ｎ・λｓ／２ｔ))／ｖｓ  (ｎは自然数)…式(3)
すると、この水中超音波利用装置によれば、この装置を船舶に取り付ける際に、上記式（１）及び式（２）、または、式（２）及び式（３）の少なくともいずれかが満たされるように、超音波振動子を配置することで、超音波振動子から放射された超音波は、ケース部材に収容された液体媒質を通じて、船底に入射する際、反射が抑制され、効率よく船底に超音波が伝えられる。また、水中から入射する超音波を効率良く超音波振動子に伝えることができる。また、残響の発生をも抑制できる。
【００３２】
さらに、上記の水中超音波利用装置であって、前記超音波振動子は、前記仮想進行軸線に直交し、前記超音波を放射する平面状の放射面と、上記放射面と平行な取付面と、を有し、前記ケース部材の取付け部は、所定厚さを有する平板状のケース板部と、このケース板部の内側面に当接する内当接面及びこれよりもケース空間内側に位置する内側面が互いに斜交し、上記内当接面と内側面とで第１テーパ角をなす楔形状の内側楔部材と、を有し、上記超音波振動子と上記内側楔部材とは、上記超音波振動子の取付面が上記内側楔部材の内側面と直接にまたは平板状のスペーサを介して間接に接続可能に構成されてなる水中超音波利用装置とすると良い。
【００３３】
本発明の水中超音波利用装置では、超音波振動子は、放射面とこれに平行な取付面を有している。また、取り付け部は、ケース板部と内側楔部材とを有し、超音波振動子と内側楔部材とは、超音波振動子の取付面と内側楔部材の内側面とが、直接にまたは平板状のスペーサを介して間接に接続可能に構成されている。このため、超音波振動子の取付面を内側楔部材の内側面に当接させ、内側楔部材の内当接面をケース板部の内側面に当接させて、超音波振動子をケース部材の取付け部（ケース板部）に取り付けると、超音波振動子の取付面及びこれに平行な放射面は、ケース板部の内側面と第１テーパ角をなすことになる。また、超音波振動子から放射される超音波の仮想進行軸線とケース板部の内側面とは、第１テーパ角をなして斜交することとなる。このように、この水中超音波利用装置では、超音波振動子をケース部材（ケース板部）に傾けた状態に容易に取り付けることができる。
【００３４】
さらに、上記の水中超音波利用装置であって、前記内側楔部材は、楔形状を有し、楔形状の先端部同士及び基端部同士が重なるように互いに積み重ね可能に構成された複数の楔状部材からなる水中超音波利用装置とすると良い。
【００３５】
本発明の水中超音波利用装置では、第１テーパ角を有する内側楔部材は、積み重ね可能に構成された複数の楔状部材からなっている。このため、楔状部材の枚数や組み合わせを調整することにより、第１テーパ角の大きさを適切に調整することができる。つまり、超音波振動子の放射面の向き及び放射される超音波の仮想進行軸線の向きを、容易に調整することができる。また、種々の第１テーパ角を有する内側楔部材を予め用意することなく、楔状部材の数や組み合わせを調整することで、様々な第１テーパ角の内側楔部材と構成することができる。
【００３６】
あるいは、請求項７に記載の水中超音波利用装置であって、前記ケース部材は、上記ケース部材内に前記液体媒質を保持したとき、前記超音波振動子が浸漬され、かつ、前記仮想進行軸線の向きを変更可能に前記超音波振動子を保持する保持手段を含む水中超音波利用装置とすると良い。
【００３７】
本発明の水中超音波利用装置のうち、ケース部材は、このケース部材内に液体媒質を保持したとき、超音波振動子が液体媒質に浸漬されるようになっている。また、このケース部材は、超音波振動子を、超音波の仮想進行軸線の向きを変更可能に保持する保持手段を含んでいる。
従って、この水中超音波利用装置を用いた船舶では、保持手段により仮想進行軸線の向きを適宜調整することで、適切に超音波を船底を通して水中に放射することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
本発明の実施の形態を、実施例、及び変形例に即して説明する。
【実施例】
【００３９】
本発明の第１の実施例に係る水中超音波利用装置付き船舶を、図１〜図７を用いて説明する。本実施例１における魚群探知機付きボート１は、プレジャーボート等のボート２と、これに搭載された魚群探知機１０とからなる。なお、魚群探知機付きボート１は、本件発明の水中超音波利用装置付き船舶に、魚群探知機１０は水中超音波利用装置に対応する。
まず、ボート２について簡単に説明した後、魚群探知機１０について述べる。図１は、図の左側を船首側、右側を船尾側とした魚群探知機付きボート１の部分破断側面図である。図２は、魚群探知機１０のうち、魚群探知機付きボート１の船幅方向の断面図である。
【００４０】
本実施例では、ボート２は、船底３を含む全体がアルミニウム製からなる。船底３は、その内側面である船底内側面３ｉの水平面ＨＬに対する傾斜角θｆ＝１７°、船底の厚さｔ＝８ｍｍである。このボート２は、船幅方向に左右線対称の形状の船底３を有する。船底３は、ボート２を水上に浮かべた場合の喫水線よりも下方に位置する。
なお、本実施例のボート２は、後述するように、船底３をなす２面はほぼ平板状とされており、船底内側面３ｉ及び船底３の外側面である船底外側面３ｔには、竜骨部やストライプなど局部的に大きな凹凸がない形態とされている。
【００４１】
次に、魚群探知機１０について、図１〜図３を用いて説明する。図３は、本実施例に係る魚群探知機１０のうち、超音波発生装置１１の要部を拡大して示す部分破断断面図である。
図１に示すように、魚群探知機１０は、超音波振動子２０を含み、船内に配置された超音波発生装置１１と、超音波振動子２０を駆動して超音波を発生させ、また、受波した超音波の出力を解析して、水中の様子、魚群の有無を表示する本体装置９とを含む。
このうち、本体装置９は、超音波振動子２０を駆動するための駆動電源、及び、超音波振動子２０からの出力等を処理する処理回路のほか、処理結果を画像やデータとして表示する表示ディスプレイ８を含む。
【００４２】
一方、超音波発生装置１１は、図２に示すように、超音波振動子２０と、液体媒質（例えば水）ＬＱを収容し、超音波振動子２０を保持するケース３０とを含む。このケース３０は、両端を開放した円筒形状の筒形ケース部材３１と、この筒形ケース部材３１の上端面３１ｕを塞ぐ平板状の蓋板３２と、楔形状の内側用スペーサ３３及び外側用スペーサ３４を含み、ボート２の船底３のうち船内側に配置される。
なお、本実施例では、ケース３０がケース部材に対応し、蓋板３２がケース板部に、内側用スペーサ３３が内側用楔部材に対応する。
【００４３】
まず、超音波振動子２０について説明する。この超音波振動子２０は、本体装置９内の駆動電源により駆動されるものであり、図２，図３に示すように、所定周波数（本実施例では、ｆ＝２００ＫＨｚ）の超音波振動を発生する径大円板状の振動部２１と、これから突出する雄ネジ部２６とを有する。このうち、振動部２１は、発生した超音波を外部に放射するための平面状の放射面２２を含む。また、振動部２１は、雄ネジ部２６側に、放射面２２と平行な取付面２３を有している。
【００４４】
一方、超音波振動子２０のうち雄ネジ部２６は、振動部２１のうち放射面２２とは逆側（取付面２３側）から、放射面２２に対して垂直に延びている。超音波振動子２０の振動部２１内に収容された圧電素子（図示しない）は、この雄ネジ部２６に挿通されたケーブル２９により本体装置９と電気的に接続されている。かくして、超音波振動子２０は、全体として、振動部２１と雄ネジ部２６とからなる略Ｔ字型の形状となっている。
本実施例では、後述するように、超音波振動子２０は、スペーサ３９を介して、この取付面２３を内側用スペーサ３３と当接させて、ケース３０に取り付けている。
【００４５】
次いで、ケース３０について説明する。ケース３０のうち、筒形ケース部材３１は、例えば、樹脂製のパイプ等で形成され、その内部に、超音波振動子２０の振動部２１等を収容可能な大きさとされている。この筒形ケース部材３１の上端面３１ｕは、この筒状ケース部材３１の軸線３１Ｊに直交する面とされている一方、その下端面３１ｄは、軸線３１Ｊに斜交した切断面とされている。具体的には、船底３の船内側面４の傾斜角θｆと同じ角度とされている（図２参照）。即ち、この筒形ケース部材３１は、ボート２を水上に静置した状態で、その軸線３１Ｊが鉛直線Ｇに一致するように下端面３１ｄを切断し、この下端面３１ｄを船底３の船底内側面３ｉに当接させ、接着シール剤４４で液密にシール、固定してある。
【００４６】
一方、蓋板３２は、樹脂製で、上面３２ｕとこれに平行な下面３２ｄとを有する平板であり、Ｏリングからなるパッキン４３を介して、筒形ケース部材３１の上端面３１ｕに液密に固定されている。この蓋板３２の中央部分には、超音波振動子２０の雄ネジ部２６を挿通可能な大きさの貫通穴３２ｈを備え、また周縁部分には、ケース３０内に液体媒質ＬＱを充填するための注液口３２ｔを有する。この注液口３２ｔは、Ｏリング等のパッキン４２を介し、栓部材４１で液密に閉栓される。
従って、ボート２を水上に静置すると、筒状ケース部材３１の軸線３１Ｊは鉛直線Ｇに一致し、蓋板３２の下面３２ｄ及び上面３２ｕは、鉛直線Ｇに直交する、即ち、水平面ＨＬに一致する。なお、図１〜図５は、ボート２を水上に静置した状態について記載したものである。
【００４７】
内側用スペーサ３３及び外側用スペーサ３４は、図３に示すように、いずれも楔形状を有しており、例えば、樹脂製、金属製等の材料で形成されている。また、その中央部には、超音波振動子２０の雄ネジ部２６を挿通可能な大きさの貫通孔３３ｈ，３４ｈをそれぞれ有する。
このうち、内側用スペーサ３３は、ケース３０のうち、蓋板３２の下面３２ｄに当接させる内当接面３３ｉと、この内当接面３３ｉに対して第１テーパ角θｔｐ１を有して斜交する内側面３３ｄを有する。同様に、外側用スペーサ３４は、ケース３０のうち、蓋板３２の上面３２ｕに当接させる内当接面３４ｉと、この内当接面３４ｉに対して第２テーパ角θｔｐ２を有して斜交する内側面３４ｕを有する。
なお、両者のテーパ角は等しくされている（θｔｐ１＝θｔｐ２）。  
【００４８】
本実施例では、蓋板３２の下面３２ｄと内側用スペーサ３３の内当接面３３ｉとを重ね、また、蓋板３２の上面３２ｕと外側用スペーサ３４の外当接面３４ｉとを重ね、かつ、内側用スペーサ３３と外側用スペーサ３４の先細側を互いに逆向きに配置する。これにより、内側用スペーサ３３の内側面３３ｄと外側用スペーサ３４の外側面３４ｕとは、幾何学的に平行となる。かくして、内側用スペーサ３３、蓋板３２のうち貫通孔３２ｈ近傍、外側用スペーサ３４からなる、超音波振動子２０の取付け部３５が構成される。
【００４９】
超音波振動子２０は、内側用スペーサ３３の貫通孔３３ｈ、蓋板３２の貫通孔３２ｈ、及び外側用スペーサ３３の貫通孔３４ｈ内に、雄ネジ部２６を挿通させ、平板リング状のスペーサ３９を介して、その取付面２３を内側用スペーサ３３の内側面３３ｄと平行に配置する。さらに、ワッシャ３７を介してナット３６を雄ネジ部２６に螺合、締結させて、超音波振動子２０をケース３０の取付け部３５に取り付けている。
【００５０】
このようにして取り付けることで、鉛直線Ｇと放射面１１５とが直交する配置とされている従来とは異なり（図１１参照）、図２に示すように、超音波振動子２０の放射面２２が、筒形ケース部材３１の軸線３１Ｊ（鉛直線Ｇ）に斜交する形態に、超音波振動子２０を配置することができる。
ここで、超音波振動子２０を駆動して、その放射面２２から超音波を放射させると、超音波はその超音波進行軸線ＵＪに沿って液体媒質ＬＱ内を進み、超音波交点３ｉｕにおいて、船底３の船底内側面３ｉに達し、さらに、屈折しつつ船底３内を伝わり、さらに、船底外側面３ｔを通して、水中ＷＴに放射される。
【００５１】
超音波振動子２０を最も適切な配置（傾き）とすべく、内側用スペーサ３３の第１テーパ角θｔｐ１の設定について考察する。
固体板中に斜入射によって超音波が入射する場合、固体板中に生じる縦波と横波の速度がどちらも入射角によらないものとすれば、反射がなくなり、透過率が最大になる条件（透過極大の条件）は、Reyleighの式として知られている。
ｍ・λｄ／２＝ｔ・ｃｏｓθｄ  (ｍは自然数)  …式（４）
ｎ・λｓ／２＝ｔ・ｃｏｓθｓ  (ｎは自然数)  …式（５）
ここで、λｄは固体板（船底）を伝わる超音波の縦波の波長、λｓは横波の波長である。また、θｄは固体板（船底）を伝わる超音波の縦波の屈折角、θｓは横波の屈折角である。また、ｔは船底の厚みである。
【００５２】
従って、上述の式（４）または（５）を満たすような屈折角θｄまたはθｓとなるように、超音波を入射させれば、反射が抑制され、超音波の透過率を最大とすることができる。
具体的には、縦波の屈折角θｄ＝ｃｏｓ−１(ｍ・λｄ／２ｔ)、あるいは、横波の屈折角θｓ＝ｃｏｓ−１(ｍ・λｓ／２ｔ)とすればよい。
【００５３】
一方、スネルの法則により、入射角θｉと屈折角、及び媒体における音速との間には、以下の関係が成立する。
ｓｉｎθｉ／ｖｉ＝ｓｉｎθｄ／ｖｄ            …式（６）
ｓｉｎθｉ／ｖｉ＝ｓｉｎθｓ／ｖｓ            …式（７）
ここで、θｉは液体媒質から固体板（船底）への超音波の入射角、ｖｉは液体媒質における超音波の音速、ｖｄは固体板（船底）における超音波の縦波の音速、ｖｓは横波の音速である。
【００５４】
従って、以下の式（１）または（３）を満たす入射角θｉとなるように、液体媒質における超音波の進行方向（超音波の仮想進行軸線の方向）を定めれば、超音波が船底へ入射する際の反射が抑制され、透過する超音波の強度が最大となる。
ｓｉｎθｉ／ｖｉ＝ｓｉｎ(ｃｏｓ−１(ｍ・λｄ／２ｔ))／ｖｄ  (ｍは自然数)…式(1)
ｓｉｎθｉ／ｖｉ＝ｓｉｎ(ｃｏｓ−１(ｎ・λｓ／２ｔ))／ｖｓ  (ｎは自然数)…式(3)
【００５５】
ところで、前述したように、ボート２の船底３の船底内側面３ｉは、傾斜角θｆを有している。そこで、本実施例では、従来のように（図１１参照）、超音波が鉛直線方向に進行するようにケース及び超音波振動子を船底に取り付けない。具体的には、入射角θｉが上記式（１）または（３）を満足するように、船底３の傾斜角θｆを考慮し、図２，３に示すように、超音波の仮想進行軸線ＵＪが、鉛直線Ｇに斜交させる。
【００５６】
そこでまず、内側用スペーサ３３の第１テーパ角θｔｐ１及び外側用スペーサ３４の第２テーパ角θｔｐ２（＝θｔｐ１）と、船底の傾斜角θｆ等との関係について、図２及び図４を用いて説明する。図４は、本実施例に係る魚群探知機１０の超音波発生装置１１において、超音波振動子２０、ケース３０の配置とボート２の船底３の傾斜角θｆ等との関係を説明する説明図である。
前述したように、魚群探知機付きボート１（ボート２）を水上に静置し、筒状ケース部材３１の軸線３１Ｊが鉛直線Ｇに一致し、また、蓋板３２の下面３２ｄ（上面３２ｕ）は水平面ＨＬに一致した状態での関係ついて考察する。具体的には、鉛直線Ｇと、液体媒質ＬＱ内を伝わる超音波の仮想進行軸線ＵＪと、船底内側面３ｉのうち超音波の仮想進行軸線ＵＪが交わる超音波交点３ｉｕにおける法線Ｎとが、いずれも含まれる仮想平面ＳＳ（図２，４における紙面に一致する平面）内における関係について考察する。
【００５７】
船底３の船底内側面３ｉの傾斜角θｆは、ボート２を水上に静置した状態では、水平面ＨＬと船底３の船底内側面３ｉとのなす角に等しい。
ここで、鉛直線Ｇと超音波交点３ｉｕにおける法線Ｎとがなす角を第１角θ１とすると、図４から判るように、この第１角θ１は、船底内側面３ｉの傾斜角θｆに等しい。但し、第１角θ１は、０°≦θ１＜９０°である。
【００５８】
また、超音波振動子２０の放射面２２と内側用スペーサ３３の内側面３３ｄとは平行であり、いずれも超音波進行軸線ＵＪに直交している。超音波振動子２０の放射面２２と取付面２３とが平行であり、この取付面２３と内側用スペーサ３３の内側面３３ｄとは平板のスペーサ３９を介して締結されているからである。
そこで、鉛直線Ｇと超音波の仮想進行軸線ＵＪとがなす角を第２角θ２とすると、図４から判るように、この第２角θ２は、水平面ＨＬと内側用スペーサ３３の内側面３３ｄとがなす角、即ち、内側用スペーサ３３の第１テーパ角θｔｐ１に等しい（θ２＝θｔｐ１）。但し、第２角θ２は、０°＜θ１＜９０°である。
なお、θｔｐ１＝θｔｐ２であるから、第２テーパ角θｔｐ２も第２角θ２に等しい（θ２＝θｔｐ１＝θｔｐ２）。
【００５９】
また、図４から明らかなように、入射角θｉは、θｉ＝θ１＋θ２の関係となる。従って、下記式が得られる。
θ２＝θｉ−θ１      …式(2)
かくして、鉛直線Ｇと超音波の仮想進行軸線ＵＪとがなす第２角θ２及び入射角θｉが、式（１）及び式（２）を満たすように、または式（２）及び式（３）を満たすように、超音波振動子２０の鉛直線Ｇに対する傾きを設定すれば良い。従って、内側用スペーサ３３の第１テーパ角θｔｐ１（＝θ２）を、上記式を満たす角度に設定すれば良いことになる。
【００６０】
このようにして、第２角θ２、入射角θｉが、式（１）と（２）、及び式（２）と（３）の少なくともいずれかを満たすように、超音波振動子２０を配置した本実施例の魚群探知機付きボート１では、液体媒質ＬＱから船底３に超音波が入射する際の反射が抑制され、透過率が最大となる。従って、液体媒質から船底に超音波が効率よく伝わり、この船底から水中に向けてより強力な超音波が放射することができる。また、これと逆に、水中からの超音波を効率よく超音波振動子に伝えることができ、より高い受波感度を得ることができる。また、船底３での超音波の反射が抑制されるので、ケース３０内で反射波が多重反射した後に船底３から放射されることが抑制されるから、このようにして生じる残響をも抑制できる。
【００６１】
なお、式（１）〜（３）を見れば容易に理解できるように、これらの式を満たす第２角θ２の値を得るには、予め、船底の厚みｔのほか、船底を伝わる超音波の縦波の音速ｖｄと波長λｄ、または、横波の音速ｖｓと波長λｓを得ておく必要がある。船底を伝わる超音波の縦波音速ｖｄや横波音速ｖｓは、船底をなす材質を知ることで、そのカタログ等から音速を知ることができる場合がある。また、船底３の一方面（例えば船底内側面３ｉ）から伝えられた超音波が他方面（たとえば船底外側面３ｔ）で反射して再び一方面に戻るまでの反射時間を実測することにより、この反射時間と船底の厚みｔとから、音速ｖｄ，ｖｓを算出することもできる。さらに、縦波波長λｄ及び横波波長λｓは、超音波の周波数ｆと、縦波音速ｖｄ及び横波音速ｖｓから、λｄ＝ｖｄ／ｆまたはλｓ＝ｖｓ／ｆにより得ることができる。
【００６２】
超音波仮想進行軸線ＵＪが、鉛直線Ｇに対して角度θ２だけ傾斜するように、超音波振動子２０を配置するには、その放射面２２と平行な取付面２３を、水平面ＨＬに一致する蓋板３２の下面３２ｄに対して第２角θ２だけ傾斜させる。このようにするべく、内側用スペーサ３３として、その第１テーパ角θｔｐ１が第２角θ２に等しいものを用い、その内当接面３３ｉと蓋板３２の下面３２ｄとを面接触させて、蓋板３２と超音波振動子２０の取付面２３との間に介在させる。
また、外側用スペーサ３４として、内側用スペーサ３３の第１テーパ角θｔｐ１に等しい第２テーパ角θｔｐ２を有するものを用い、その外当接面３４ｉと蓋板３２の上面３２ｕとを面接触させて、蓋板３２とナット３６の間に介在させる。なお、図４から容易に理解できるように、外側用スペーサ３４の外側面３４ｕは、内側用スペーサ３３の内側面３３ｄに対して平行とされる。
このように内側用スペーサ３３、蓋板３２及び外側用スペーサ３４を配置した上で、超音波振動子２０の雄ネジ部２６を、これらの貫通孔３２ｈ，３３ｈ，３４ｈを挿通し、ワッシャ３７を介して雄ネジ部１４とナット３６とを螺合し、これらを締結する。
なお、本実施例の超音波発生装置１１では、ケース３０のうち、蓋板３２、内側用スペーサ３３及び外側用スペーサ３４が、本件発明の取付け部３５に対応する。
【００６３】
ケース３０内には、水、不凍液、ヒマシ油等の液体媒質ＬＱが、少なくとも超音波振動子２０の振動部２１の放射面２２が、この液体媒質ＬＱに浸漬される深さまで充填される。
【００６４】
次に、本実施例の魚群探知機付きボート１について、具体的に説明する。
本実施例の魚群探知機付きボート１では、超音波振動子２０の振動周波数がｆ＝２００ＫＨｚであり、船底３のボート全体の材質がアルミニウム、船底３の厚さがｔ＝８．０ｍｍ、船底３の傾斜角θｆがθｆ＝１７°、液体媒質（水）ＬＱを伝わる超音波の音速ｖｉ＝１５００ｍ／秒、船底３を伝わる超音波の縦波の音速ｖｄ＝６４００ｍ／秒、横波の音速ｖｓ＝２６００ｍ／秒であることが判っている。
【００６５】
そこで、式（１）及び式（２）、あるいは式（２）及び式（３）を満たす入射角θｉ及び第２角θ２が存在するか否かを計算する。船底３を伝わる超音波の縦波の波長λｄは、λｄ＝ｖｄ／ｆ＝6400／200×10３＝３２ｍｍ、同様に、縦波の波長λｓは、λｓ＝ｖｓ／ｆ＝2600／200×10３＝１３ｍｍとなる。
ここで、式（１）については、λｄ／２ｔが１以上の値（λｄ／２ｔ＝２）となるので、ｃｏｓ−１(ｍ・λｄ／２ｔ）を算出することができない、従って、式（１）を満たすことはできないことが判る。
一方、式（３）については、λｄ／２ｔ＝13／16＝0.813となるので、ｎ＝１の場合には、ｃｏｓ−１(λｓ／２ｔ）を求めることができ、ｃｏｓ−１(λｓ／２ｔ）＝３５．７度となる。従って、入射角θｉは、式（１）より、θｉ＝１９．７度と求められる。
【００６６】
ところで、船底３の傾斜角θｆが、θｆ＝１７度であるから、第２角θ２＝19.7−17.0＝２．７度となる。従って、仮想進行軸線ＵＪを舷側（図中、外側）に第２角θ２＝２．７度（約３度）だけ傾けるように、超音波振動子２０を配置するのが好ましいことが判る。
【００６７】
そこで、本実施例に係る魚群探知機付きボート１において、第２角θ２を変化させた場合の超音波の透過等について計測した。図５は、超音波発生装置１１から放射された超音波の出力の測定方法を説明する説明図である。
実際のボート１を用いて、超音波発生装置１１で超音波を発生させ、水中での超音波の強度や残響の様子を計測するのは、大掛かりな装置が必要となり困難である。そこで、本計測では、図５に示すように、水深２．５ｍで底がコンクリートからなる水槽に、ボート２に代えて、船底３と同材質で同じ厚さ（ｔ＝８ｍｍ）を有する平板状の板５３を用い、この板５３に超音波発生装置１１を取り付け、板５３の傾斜角θｆ＝１７度として配置した。その上で、第１，第２テーパ角θｔｐ１，θｔｐ２を異ならせた内側用スペーサ３３及び外側用スペーサ３４を用いて、第２角θ２を様々に異ならせ、ケース３０に超音波振動子２０を取り付け、本体装置９を用いて駆動する。これらの場合において水中に放射される超音波の強度や残響の様子を測定した。
【００６８】
具体的には、超音波振動子２０の軸線である超音波の仮想進行軸線ＵＪと、船底３に相当する板５３の内側面５３ｉとの交点を、超音波交点５３ｉｕとする。この超音波交点５３ｉｕにおける鉛直線Ｇ上で、超音波振動子２０の放射面２２からの距離ＤＩが、ＤＩ＝１ｍとなる位置に、水中マイクロホン５４を置き、このマイクロホン５４から出力される出力を超音波測定装置５５で測定した。
【００６９】
ここで、第１テーパ角θｔｐ１の異なる内側用スペーサ３３を用いて、第２角θ２（＝θｔｐ１）を変化させた場合（θ２＝−６°，−３°，０°，＋３°，＋６°）の、それぞれの傾斜角θｆにおける水中マイクロホン５４から出力される超音波の受波出力の変化を、図６に示す。また、それぞれの角度における受波出力の最大値から、水中マイクロホン５４が受けた最大音圧を算出した値（ＲＭＳ）を、併せて示す。なお、０ｄＢ＝１μＰａである。
なお、超音波振動子２０では、基本周波数２００ｋＨｚのバースト波（パルス波、超音波発生継続時間３５０μｓ）を発生させている。
【００７０】
このうち、第２角θ２＝−６°，−３°の場合（図６（ａ），（ｂ）参照）には、水中マイクロホン５４で計測される超音波の受波出力の大きさ（受波音圧）が、他（θ２＝０°，＋３°，＋６°の場合）に比してかなり小さいことが判る。これは、最大音圧の大きさが、１９０．１ｄＢ、あるいは１９２．９ｄＢであり、他の場合に比して、７〜１０ｄＢも低いことからも判る。
【００７１】
その一方で、超音波発生継続時間３５０μｓを越えても、水中マイクロホン５４で受波出力が発生している。即ち、残響時間が長い。このことから、ケース３０内に発生した残響が大きく、比較的長い時間にわたって残響が継続することが判る。これは、板５３（船底３に相当）における超音波の反射が大きく、ケース３０内で超音波が多重反射を繰り返しているためであると推測される。
【００７２】
これに対し、第２角θ２＝０°，＋３°，＋６°の場合（図６（ｃ），（ｄ），（ｅ）参照）には、水中マイクロホン５４で計測される超音波の受波出力の大きさ（受波音圧）が、他（θ２＝−６°，−３°の場合）に比して大きい。最大音圧の大きさが、１９８．５ｄＢ、２００．０ｄＢ、あるいは１９９．８ｄＢであることからも判る。
【００７３】
その一方で、超音波発生継続時間３５０μｓを越えると、比較的短時間で、水中マイクロホン５４での受波出力が検出されなくなり、残響時間が相対的に短い。これは、板５３（船底３に相当）における超音波の反射が相対的に小さく、ケース３０内での超音波の多重反射が生じ難いためと推測される。
このうち特に、本実施例に相当する第２角θ２＝＋３°の場合（図６（ｄ）参照）、及び第２角θ２＝＋６°の場合（図６（ｅ）参照）には、第２角θ２＝０°の場合（図６（ｃ）参照）に比して、超音波発生継続時間３５０μｓを越えると、さらに短時間で、水中マイクロホン５４での受波出力が検出されなくなる。これは、板５３（船底３に相当）における超音波の反射がさらに小さく、ケース３０内での超音波の多重反射が特に抑制されているためと推測される。
【００７４】
また特に、この第２角θ２＝＋３°，＋６°の場合（図６（ｄ），（ｅ）参照）には、第２角θ２＝０°の場合（図６（ｃ）参照）に比して、受波出力波形の立ち上がり部分における立ち上がり時間も短くなっている。具体的には、第２角θ２＝＋３°の場合（図６（ｄ）参照）には５０μｓ程度で、また第２角θ２＝＋６°の場合（図６（ｅ）参照）には６０μｓ程度で、最高値に達しているのに対し、第２角θ２＝０°の場合（図６（ｃ）参照）には、これより立ち上がりが遅く、１１０μｓ程度で最高値に達している。
第２角θ２＝＋３°，＋６°とした場合、第２角θ２＝０°とした場合に比して、超音波振動子２０で発生した超音波が板５３で反射せず、透過し易いため、この超音波の過渡応答についても良好な特性になったものと考えられる。
【００７５】
さらに、第２角θ２＝＋３°の場合（図６（ｄ）参照）には、第２角θ２＝＋６°の場合（図６（ｅ）参照）に比較しても、立ち上がりがより早く、残響時間もより短い。しかも、最大出力も大きくなる。本実施例に相当する第２角θ２＝＋３°の場合に、板５３での超音波の反射が最も抑制され、最も透過しやすい状態となっているためであると考えられる。
なお、この結果から、水中からの超音波を超音波振動子２０で受波する場合にも、同様に考えることができ、本実施例に相当する第２角θ２＝＋３°の場合には、板５３（船底３）を超音波が透過しやすくなるので、他の場合より超音波発生装置１１の受波感度も向上する。
【００７６】
さらに、超音波発生装置１１で超音波を発生させ、上述の水槽の底面で反射した反射波を再びこの超音波発生装置１１で受波した出力を本体装置９に入力して表示ディスプレイ８に表示させた。この表示ディスプレイ８の表示結果を、第２角θ２毎に並べて、図７に示す。
この図７のうち、最も上段に現れている信号は、超音波振動子２０が超音波を発生させているときに、この超音波振動子２０（圧電素子）に生じている電圧を示している。また、上から２段目に現れている信号は、水中に放射された超音波が、水槽の底面で反射し、再び超音波振動子２０に戻ることにより生じた信号である。さらに３段目以下は、水槽の底面と水面との間の多重反射の後に超音波振動子２０に入射する超音波によって生じる信号である。
【００７７】
この図７に示す結果のうち、最も上段に現れている信号から判るように、本実施例に相当する第２角θ２＝＋３°の場合には、他の場合に比して、超音波が発生するまでの立ち上がり時間が短く、残響時間も短いことが判る。
このため、この最も上段の信号（残響）が無くなってから、第２段の信号が現れるまでの期間が最も長くなる。このことから、第２角θ２＝＋３°の場合、即ち本実施例の場合には、他の場合に比して、残響に影響され難く、超音波発生装置１１に近い、つまり水面近く水深の浅い部分にいる魚群についても、確実に補足することができることが判る。
【００７８】
（変形例１）
ついで、上述の実施例の第１の変形例を、図８を用いて説明する。
上述の実施例では、図３に示すように、第１テーパ角θｔｐ１を有し、単体で構成された内側用スペーサ３３、及び、第２テーパ角θｔｐ２を有し、同じく単体で構成された外側用スペーサ３４を用いて、超音波振動子２０を蓋板３２に傾けて取り付けた。
しかしながら、内側用スペーサの第１テーパ角θｔｐ１及び外側用スペーサの第２テーパ角θｔｐ２が、第２角θ２に等しくなるように、これらが構成されていれば良く、従って、内側用スペーサ及び外側用スペーサを複数の楔形部材で構成するようにしても良い。
本変形例１では、図８に示すように、内側用スペーサ１３３を、２つの楔形の内側積層部材１３３Ａ，１３３Ｂを積み重ねて構成する。この内側積層部材１３３Ａ，１３３Ｂのテーパ角は、それぞれθｔ１ａ，θｔ１ｂである。また、外側用スペーサ１３４を、２つの楔形の外側積層部材１３４Ａ，１３４Ｂを積み重ねて構成する。この外側積層部材１３４Ａ，１３４Ｂのテーパ角は、それぞれθｔ２ａ，θｔ２ｂである。
【００７９】
この内側積層部材１３３Ａ，１３３Ｂは、図８に示すように、その先端部１３３ＡＴ，１３３ＢＴ同士及び基端部１３３ＡＢ，１３３ＢＢ同士を合わせ、これらを積み重ねることで、これらのテーパ角θｔ１ａ，θｔ１ｂの総和が、第１テーパ角θｔｐ１となるようにされている。
また、外側積層部材１３４Ａ，１３４Ｂも、その先端部１３４ＡＴ，１３４ＢＴ同士及び基端部１３４ＡＢ，１３４ＢＢ同士を合わせ、これらを積み重ねることで、これらのテーパ角θｔ２ａ，θｔ２ｂの総和が、第２テーパ角θｔｐ２となるようにされている。
このようにして、内側用スペーサ１３３や外側用スペーサ１３４を、複数の楔状部材を重ねることで構成すると、船底３の傾斜角θｆの異なるボート２に超音波発生装置１１を取り付ける場合にも、楔状部材の適宜の組み合わせによって超音波振動子２０の傾きを容易に調整することができる。従って、多種類の内側用スペーサ１３３や外側用スペーサ１３４を用意しておく必要が無く、調整作業が容易である。
なお、内側用スペーサと外側用スペーサのうち、一方を単体の部材で構成し、他方を複数の部材で構成するようにしても良い。
【００８０】
（変形例２）
次に、上述の実施例の第２の変形例を、図９及び図１０を用いて説明する。
前述の実施例及び変形例１では、魚群探知機付きボート１において超音波の仮想進行軸線ＵＪと鉛直線Ｇとの第２角θ２分だけ超音波振動子２０を傾けるにあたり、楔形状の内側用スペーサ及び外側用スペーサを用いた。
これに対し、本変形例２では、超音波振動子１２０の傾きを適宜調節できるように、超音波振動子とケースとの結合に当たり、ローラジョイント形式の関節を用いる。
本変形例２は、超音波振動子とケースとの結合部分において前述の実施例と異なるのみであるから、異なる部分について説明し、実施例と同様な部分については記載を省略あるいは簡略化する。
【００８１】
図９に示すように、本変形例２にかかる魚群探知機付きボート２０１においても、魚群探知機２１０は、ボート２に搭載されている。この魚群探知機２１０は、前述の実施例と同様の本体装置９のほか、超音波発生装置２１１を有している。
この超音波発生装置２１１は、円板状の超音波振動子２２０と、ケース２３０とを有し、実施例と同様、ボート２の船底３の船底内側面３ｉに配置、固定される。
【００８２】
図１０に示すように、超音波振動子２２０は、超音波を放射する放射面２２２を含む振動部２２１を有する。またこの振動部２２１からは、その内部で図示しない圧電素子に接続するケーブル２２９が、放射面２２とは反対側から蓋板２３２を貫通して引き出され、本体装置９に接続している。なお、蓋板２３２のうち貫通したケーブル２２９の周囲には、ケーブル２２９を液密に保持するケーブルパッキン２４５を備えている。
【００８３】
この超音波振動子２２０は、ケース２３０の蓋板２３２に取付け部材２３３を介して取り付けられている。この取付け部材２３３は、超音波振動子２２０の取付面２２３に固定される振動子結合部材２３４と、蓋板２３２の下面２３２ｄに固定される蓋板結合部材２３６とからなる。このうち、振動子結合部材２３４は、超音波振動子２２０とは逆側に、半径ｒの概略円筒状のロール面２３５ｒを有するローラ部２３５を備えている。一方、蓋板結合部材２３６は、蓋板２３２とは逆側に、ローラ部２３５のロール面２３５ｒの大半を遊嵌状に覆う内筒面２３７ｉを有する、略Ｃ字形状の包囲部２３７を備えている。また、この蓋板結合部材２３６は、結合面２３６ｕで蓋板２３２の下面２３２ｄに固定される。
振動子結合部材２３４のローラ部２３５と、蓋板結合部材２３６の包囲部２３７とは、振動子結合部材２３４のローラ部２３５の軸線ＭＭの周りに、蓋板結合部材２３６の包囲部２３７が摺動して、互いに回動可能に保持されたローラジョイント型の関節を構成している。
【００８４】
従って、この取付け部材２３３を介して、超音波振動子２２０を蓋板２３２（ケース２３０）に取り付けた場合には、振動子結合部材２３４及び超音波振動子２０を軸線ＭＭの周りに適宜回動させることができる。かくして、超音波振動子２２０の放射面２２２の向き、従って、放射面２２から放射される超音波の仮想進行軸線ＵＪと鉛直線Ｇとのなす角である第２角θ２を、適宜調整することができる。
なお、取付け部材２３３及び超音波振動子２２０は、ローラ部２３５の軸線ＭＭが、船首と船尾とを結ぶ方向（図９における紙面に垂直な方向）になるように配置されている。
【００８５】
従って、船底３の船底内側面３ｉの傾斜角θｆ、即ち、超音波交点３ｉｕにおける船底内側面３ｉの法線Ｎと鉛直線Ｇとがなす第１角θ１の大きさに応じ、入射角θｉ及び第２画θ２が、前述の式（１）及び式（２）、あるいは式（２）及び式（３）を満たすように、超音波の仮想進行軸線ＵＪの傾きを調節する。つまり、放射面２２２の向きを超音波振動子２２０を回動させて調節することで、前述した実施例と同様、船底３における反射を抑制することができる。
従って、前述の実施例と同じく、超音波発生装置２１１から水中へ放射される超音波の出力をより大きくし、また残響を小さくし、さらには超音波発生装置２１１での受波感度を高くすることができる。また、残響に影響され難く、水面近く水深の浅い部分にいる魚群についても、確実に補足することができる魚群探知機２１０を備える魚群探知機付きボート２０１とすることができる。
【００８６】
なお、一旦設定した第２角θ２が、振動等によって変動するのを防止するため、ローラ部２３５や包囲部２３７にこれらの回動を抑制するための係止機構（図示省略）を設けておくのが好ましい。
【００８７】
本件発明を実施例及び変形例１，２を用いて説明したが、本件発明は、実施例及び変形例１，２の形態に限定されるものではなく、その記載を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用することができる。
例えば、実施例等では、水中超音波利用装置として、魚群探知機に適用した場合を例示したが、水底の形状、深さ等を探査する水中超音波探査装置などに適用することもできる。
【００８８】
また、前述の実施例では、筒形ケース部材３１、蓋板３２、内側用スペーサ３３及び外側用スペーサ３４を用いて、超音波振動子２０を傾斜させてケース３０に固定した。しかし、船底３の材質や厚みｔ、傾斜角θｆ等が予め判っている場合（決まっている場合）には、実施形態における蓋板、内側用スペーサ及び外側用スペーサを一体で構成した取付け部を備えるケースを用いる、あるいは筒形ケース部材、蓋板、内側用スペーサ及び外側用スペーサを一体で構成した取付け部を備えるケースを用いることもできる。
【００８９】
また、変形例２では、取付け部２３３にローラジョイント型の関節を有する構造としたが、超音波振動子の傾きを適宜変更できる構造であれば良く、例えば、ボールジョイント型の関節構造を用いた取付け部とすることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】実施例１に係る魚群探知機付きボートの部分破断側面図である。
【図２】実施例１に係る魚群探知機付きボートの船幅方向の断面図である。
【図３】実施例１に係る魚群探知機の超音波発生装置の要部を拡大して示す部分破断断面図である。
【図４】実施例１に係る魚群探知機の超音波発生装置において、超音波振動子の配置とボートの船底の傾斜角等との関係を説明する説明図である。
【図５】超音波発生装置から放射された超音波の強度の測定方法を説明する説明図である。
【図６】超音波発生装置について、第２角θ２を変化させた場合の、超音波の出力強度（放射強度）及び残響についての測定結果を示す説明図であり、（ａ）はθ２＝−６°、（ｂ）はθ２＝−３°、（ｃ）はθ２＝０°、（ｄ）はθ２＝＋３°、（ｅ）はθ２＝＋６°とした場合である。
【図７】超音波発生装置について、第２角θ２を変化させた場合の、魚群探知機の本体装置で受信した探知結果を並べて示す説明図である。
【図８】変形例１に係る内側用スペーサ及び外側用スペーサを用いた場合について説明する説明図である。
【図９】変形例２に係る魚群探知機付きボートの船幅方向の断面図である。
【図１０】変形例２に係る魚群探知機の超音波発生装置のうち、ローラジョイント形式の取付け部材で超音波振動子を傾けて保持した形態を示す斜視図である。
【図１１】従来技術に係る魚群探知機の振動装置の一部を示した概略側面図である。
【符号の説明】
【００９１】
１，２０１  魚群探知機付きボート（水中超音波利用装置付き船舶）
２  ボート（船舶）
３  船底
３ｉ  船底内側面
３ｉｕ  （仮想進行軸線と船底内側面との）超音波交点
θｆ  （船底の）傾斜角
ＵＪ  （液体媒質における超音波の）仮想進行軸線
Ｇ  鉛直線
Ｎ  （超音波交点における船底内側面の）法線
ＳＳ  仮想平面
θ１  第１角
θ２  第２角
θｉ  （超音波交点における超音波の船底への）入射角
λｄ  船底を伝わる超音波の縦波波長
λｓ  船底を伝わる超音波の横波波長
ｔ  船底の厚さ
１０，２１０  魚群探知機（水中超音波利用装置）
１１，２１１  超音波発生装置
２０，２２０  超音波振動子
２２，２２２  放射面
２３，２２３  取付面
３０，２３０  ケース（ケース部材）
３２，２３２  蓋板（取付け部）
３２ｕ  （蓋材の）上面
３２ｄ，２３２ｄ  （蓋材の）下面
３２ｈ  （蓋材の）貫通孔
３３，１３３  内側用スペーサ（取付け部，内側楔部材）
３３ｉ  （内側用スペーサの）内当接面
３３ｄ  （内側用スペーサの）内側面
θｔｐ１  第１テーパ角
１３３Ａ，１３３Ｂ  内側積層部材（楔状部材）
１３３ＡＴ，１３３ＢＴ  （内側積層部材の）先端部
１３３ＡＢ，１３３ＢＢ  （内側積層部材の）基端部
３４，１３４  外側用スペーサ（取付け部，外側楔部材）
３４ｉ  （外側用スペーサの）外当接面
３４ｕ  （外側用スペーサの）外側面
θｔｐ２  第２テーパ角
１３４Ａ，１３４Ｂ  外側積層部材
１３４ＡＴ，１３４ＢＴ  （外側積層部材の）先端部
１３４ＡＢ，１３４ＢＢ  （外側積層部材の）基端部
３５  取付け部
２３３  取付け部材（取付け部）
２３５  （振動子結合部の）ローラ部（ローラジョイント）
２３６  （取付け部のうち）蓋板結合部材
２３７  （蓋板結合部の）包囲部（ローラジョイント）
ＬＱ  液体媒質
【図１】
2007285730.tif 000003
【図２】
2007285730.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図６】
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【図７】
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