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JP7576834B2 - Sonar - Google Patents
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JP7576834B2 - Sonar - Google Patents

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JP7576834B2 JP2020549826A JP2020549826A JP7576834B2 JP 7576834 B2 JP7576834 B2 JP 7576834B2 JP 2020549826 A JP2020549826 A JP 2020549826A JP 2020549826 A JP2020549826 A JP 2020549826A JP 7576834 B2 JP7576834 B2 JP 7576834B2
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Description


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に関するものである。

The present invention relates to a sonar that uses ultrasonic waves to detect objects such as schools of fish.


従来、超音波の送受信によって魚群などの被探知物を検知するソナーが知られている。ソナーは、超音波を送受信する超音波振動子と、鉛直方向を向いた回転軸を中心とした旋回運動や回転軸に直交する傾動軸を中心とした傾動運動を超音波振動子に行わせる駆動機構とを備えている。そして、超音波振動子を運動させながら超音波の送受信を行うことにより、水中が探知できるようになっている(例えば、特許文献1~4参照)。そして、水中を探知した探知結果は、探知画像として画面に表示される。なお、超音波振動子は、一般的に、音響整合層と、同音響整合層に接合された圧電素子とを備えている。

Conventionally, sonars that detect objects to be detected, such as schools of fish, by transmitting and receiving ultrasonic waves are known. The sonar includes an ultrasonic transducer that transmits and receives ultrasonic waves, and a drive mechanism that causes the ultrasonic transducer to perform a rotational motion around a rotation axis oriented in the vertical direction and a tilting motion around a tilting axis perpendicular to the rotation axis. By transmitting and receiving ultrasonic waves while moving the ultrasonic transducer, it is possible to detect underwater (see, for example, Patent Documents 1 to 4). The detection results detected underwater are displayed on a screen as a detection image. The ultrasonic transducer generally includes an acoustic matching layer and a piezoelectric element bonded to the acoustic matching layer.


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38,図39に示されるように、超音波振動子101を構成する圧電素子102を、厚さ方向から見て縦横に配列された複数(例えば100以上)の振動部103により構成し、かつ隣接する振動部103間に充填材104を充填した構造にすることが提案されている(例えば、特許文献5,6参照)。このようにすれば、各振動部103のそれぞれが同振動部103の高さ方向に変形しやすくなるため、圧電素子102が各部位において変形しやすくなる。つまり、圧電素子102が振動しやすくなるため、超音波振動子101の感度が高くなる。また、充填材104が各振動部103間の空隙に入り込むことにより、各振動部103が相互に補強される。

By the way, there is a demand for sonar to detect objects at longer distances. To this end, it is necessary to make the ultrasonic transducer highly sensitive. As a method for making the ultrasonic transducer highly sensitive, as shown in Figs. 38 and 39, a structure has been proposed in which the piezoelectric element 102 constituting the ultrasonic transducer 101 is composed of a plurality of (for example, 100 or more) vibration parts 103 arranged vertically and horizontally as viewed from the thickness direction, and a filler 104 is filled between the adjacent vibration parts 103 (see, for example, Patent Documents 5 and 6). In this way, each vibration part 103 is easily deformed in the height direction of the vibration part 103, so that the piezoelectric element 102 is easily deformed at each part. In other words, the piezoelectric element 102 is easily vibrated, so that the sensitivity of the ultrasonic transducer 101 is increased. In addition, the filler 104 enters the gaps between the vibration parts 103, so that the vibration parts 103 are mutually reinforced.


特許第5979537号公報(請求項1、図4等)Japanese Patent No. 5979537 (Claim 1, FIG. 4, etc.) 特開2013-221791号公報(段落[0036]、図1~図6等)JP 2013-221791 A (paragraph [0036], Figures 1 to 6, etc.) 特公平01-025435号公報(図等)Japanese Patent Publication No. 01-025435 (drawings, etc.) 特公昭63-042755号公報(第1図等)Japanese Patent Publication No. 63-042755 (Fig. 1, etc.) 特開2016-213666号公報(図4B等)JP 2016-213666 A (FIG. 4B, etc.) 特開2012-182758号公報(図6等)JP 2012-182758 A (FIG. 6, etc.)


ところが、隣接する振動部103間に充填材104を充填すると、各振動部103が高さ方向に変形(振動)しにくくなるため、超音波振動子101の感度が低下してしまうという問題がある。そこで、充填材104を取り除いて感度を確保することも考えられるが、各振動部103は、細い棒状をなし、強度が低い。このため、充填材104がない状態で超音波振動子101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くなる。つまり、充填材104を充填しない場合には、超音波振動子101の信頼性が低下するという問題がある。

However, when the filler 104 is filled between the adjacent vibration parts 103, each vibration part 103 becomes difficult to deform (vibrate) in the height direction, which causes a problem of reducing the sensitivity of the ultrasonic transducer 101. It is possible to secure the sensitivity by removing the filler 104, but each vibration part 103 has a thin rod shape and low strength. Therefore, if the ultrasonic transducer 101 is driven for a long period of time without the filler 104, cracks are likely to occur due to fatigue failure. In other words, if the filler 104 is not filled, there is a problem of reducing the reliability of the ultrasonic transducer 101.


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、感度を維持しつつ、振動部の強度低下を防止することにより、信頼性が高い超音波振動子を得ることができるソナーを提供することにある。また、別の目的は、作りやすく、製造コストが低い超音波振動子を得ることができるソナーを提供することにある。

The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a sonar that can obtain a highly reliable ultrasonic transducer by preventing a decrease in strength of the vibration part while maintaining sensitivity. Another object of the present invention is to provide a sonar that can obtain an ultrasonic transducer that is easy to manufacture and has low manufacturing costs.

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、鉛直方向を向いた回転軸を中心とした旋回運動及び前記回転軸に直交する傾動軸を中心とした傾動運動を前記超音波振動子に行わせる駆動機構とを備えたソナーであって、前記超音波振動子は、前面及びその反対側にある背面を有する略円板状の圧電素子を備え、前記圧電素子には、互いに交差しないように面方向に延びる溝部が複数形成されるとともに、前記溝部を介して複数の帯状の振動部が配設され、前記圧電素子の中心からの距離が遠くなる程、前記振動部の長さが短くなっており、前記溝部が前記傾動軸に対して60°以上120°以下の角度をなすように、前記超音波振動子が配設されており、前記超音波振動子は、音響整合層を兼ねる略円板状の基材を備え、前記基材に、前記圧電素子の前記前面が接合され、複数の前記振動部が、前記圧電素子の前記前面側の端部において互いに繋がっており、複数の前記振動部が、前記圧電素子の中心からの距離が最も遠い一対の外側振動部と、前記一対の外側振動部間に配置される複数の内側振動部とにより構成され、前記外側振動部の幅が前記内側振動部の幅よりも大きくなっており、前記超音波振動子は、超音波を伝搬させる超音波伝搬液体が充填された収容するソナードーム内に収容されるとともに、前記超音波伝搬液体の一部が、空隙状である前記溝部に流入することで前記溝部を満たしていることを特徴とするソナーをその要旨とする。
また、上記課題を解決するための別の発明(参考発明)は、超音波を送受信する超音波振動子と、鉛直方向を向いた回転軸を中心とした旋回運動及び前記回転軸に直交する傾動軸を中心とした傾動運動を前記超音波振動子に行わせる駆動機構とを備えたソナーであって、前記超音波振動子は、前面及びその反対側にある背面を有する略円板状の圧電素子を備え、前記圧電素子には、互いに交差しないように面方向に延びる溝部が複数形成されるとともに、前記溝部を介して複数の帯状の振動部が配設され、前記圧電素子の中心からの距離が遠くなる程、前記振動部の長さが短くなっており、前記溝部が前記傾動軸に対して60°以上120°以下の角度をなすように、前記超音波振動子が配設されており、前記回転軸に対して前記超音波振動子を傾けた状態で前記旋回運動を行う際の前記超音波振動子の駆動態様を、全ての前記振動部を駆動して、振動部配設方向の指向角を狭くする全駆動モードと、前記圧電素子の中心領域に位置する一部の前記振動部を駆動して、前記振動部配設方向の指向角を前記全駆動モードのときの3倍~5倍に広くする部分駆動モードとのうちのいずれかに切替可能であることを特徴とするソナーをその要旨とする。
In order to solve the above problems, the invention described in claim 1 is a sonar comprising an ultrasonic transducer for transmitting and receiving ultrasonic waves, and a drive mechanism for causing the ultrasonic transducer to perform a rotational motion about a rotation axis oriented in a vertical direction and a tilting motion about a tilting axis perpendicular to the rotation axis, the ultrasonic transducer comprising a substantially disk-shaped piezoelectric element having a front surface and a rear surface on the opposite side, the piezoelectric element having a plurality of grooves formed therein that extend in the surface direction so as not to intersect with each other, a plurality of band-shaped vibration parts disposed via the grooves, the length of the vibration parts becoming shorter as the distance from the center of the piezoelectric element increases, and the ultrasonic transducer is disposed so that the grooves form an angle of 60° to 120° with respect to the tilting axis. The ultrasonic transducer has a substantially circular substrate that also serves as an acoustic matching layer, the front surface of the piezoelectric element is bonded to the substrate, the plurality of vibration parts are connected to each other at the ends on the front surface side of the piezoelectric element, the plurality of vibration parts are composed of a pair of outer vibration parts that are farthest from the center of the piezoelectric element and a plurality of inner vibration parts that are arranged between the pair of outer vibration parts, the width of the outer vibration parts is greater than the width of the inner vibration parts, and the ultrasonic transducer is contained within a sonar dome that is filled with an ultrasonic propagation liquid that propagates ultrasonic waves, and a portion of the ultrasonic propagation liquid flows into the groove portion, which is an empty space, thereby filling the groove portion.
Another invention (reference invention) for solving the above problem is a sonar including an ultrasonic transducer for transmitting and receiving ultrasonic waves, and a drive mechanism for causing the ultrasonic transducer to perform a rotational motion about a rotation axis oriented in a vertical direction and a tilting motion about a tilt axis perpendicular to the rotation axis, the ultrasonic transducer including a substantially disk-shaped piezoelectric element having a front surface and a back surface on the opposite side, the piezoelectric element having a plurality of grooves formed therein that extend in the surface direction so as not to intersect with each other, and a plurality of band-shaped vibration parts disposed through the grooves, the length of the vibration parts becoming longer as the distance from the center of the piezoelectric element increases, The gist of the sonar is that the ultrasonic transducer is arranged so that the groove portion is short and forms an angle of 60° to 120° with respect to the tilt axis, and the drive mode of the ultrasonic transducer when performing the rotational motion with the ultrasonic transducer tilted with respect to the rotation axis can be switched to either a full drive mode in which all of the vibration parts are driven to narrow the directional angle in the vibration part arrangement direction, or a partial drive mode in which a portion of the vibration parts located in the central region of the piezoelectric element is driven to widen the directional angle in the vibration part arrangement direction to three to five times that of the full drive mode.


従って、請求項1に記載の発明によれば、圧電素子に帯状の振動部が形成されている。よって、柱状の振動部に比べて振動部が平面方向に長くなることで、振動部が倒れにくい安定した形状となるため、振動部の強度低下が防止される。その結果、溝部内に充填材を充填しなくても、振動部でのクラックの発生を防止できるため、超音波振動子の信頼性を向上させることができる。しかも、請求項1では、互いに交差しないように面方向に延びる溝部を形成することにより帯状の振動部を得ているため、縦横に延びる溝部を形成して上記した柱状の振動部を得る場合に比べて、振動部の形成に必要な溝部の形成回数が減少する。よって、溝部の形成が容易になるため、超音波振動子の製造コストを低減することができる。また、溝部の形成回数が減少するのに伴って電極の分割数も少なくなるため、分割された電極の各々を導電性部材で接続する際の手間も低減される。なお、縦横に延びる溝部を形成して柱状の振動部を得る場合に比べて、振動部の振動振幅は、振動部が帯状に連なっている影響により低減されてしまう。しかし、振動振幅の低減は、溝部に充填材を充填しないことによる振動振幅の増大と、上記した電極の面積増大とで補われるため、超音波振動子の送受感度は、結果的に柱状の振動部を得る場合と同等に維持される。

Therefore, according to the invention described in claim 1, a band-shaped vibration part is formed on the piezoelectric element. Therefore, since the vibration part is longer in the planar direction than the columnar vibration part, the vibration part has a stable shape that is less likely to fall, and the strength of the vibration part is prevented from decreasing. As a result, even if the grooves are not filled with a filler, the occurrence of cracks in the vibration part can be prevented, and the reliability of the ultrasonic vibrator can be improved. Moreover, in claim 1, since the band-shaped vibration part is obtained by forming grooves extending in the planar direction so as not to intersect with each other, the number of times that the grooves are formed required to form the vibration part is reduced compared to the case where the columnar vibration part is obtained by forming grooves extending vertically and horizontally. Therefore, since the grooves are easily formed, the manufacturing cost of the ultrasonic vibrator can be reduced. In addition, since the number of times that the grooves are formed is reduced, the number of divisions of the electrode is also reduced, and the effort required to connect each of the divided electrodes with a conductive member is also reduced. Note that, compared to the case where a columnar vibration part is obtained by forming grooves extending vertically and horizontally, the vibration amplitude of the vibration part is reduced due to the influence of the vibration parts being connected in a band shape. However, the reduction in vibration amplitude is compensated for by the increase in vibration amplitude due to not filling the grooves with filler and the increase in the area of the electrodes described above, so that the transmission and reception sensitivity of the ultrasonic transducer is maintained at the same level as when a columnar vibration section is obtained.

さらに、請求項1では、圧電素子の中心からの距離が遠くなる程、振動部の長さが短くなっている。この場合、振動部全体の外形が円形に近付くため、圧電素子の垂線方向に照射される超音波の指向特性が軸対称に近付く。これにより、超音波のビームがスポットライト状になるため、超音波スキャンしているエリアを認識しやすくなる。また、圧電素子が略円板状をなすことから、超音波振動子の外形を円形にすることができる。なお、超音波振動子を半球状のソナードーム内に格納する場合には、超音波振動子の外形が円形であるほうが広い振動部面積を確保できるため、小型で高感度の超音波振動子を好適に得ることができる。また、請求項1では、溝部が傾動軸に対して60°以上120°以下の角度をなすように、超音波振動子を配設している。これに伴い、溝部を介して配設される複数の振動部は、傾動軸とほぼ直交する方向に延びる帯状となる。特に、溝部が傾動軸に対して90°の角度をなすように、超音波振動子を配設すれば、各振動部は、傾動軸と直交する方向に延びる帯状となる。 Furthermore, in claim 1, the longer the distance from the center of the piezoelectric element, the shorter the length of the vibration part. In this case, since the outer shape of the entire vibration part approaches a circle, the directional characteristics of the ultrasonic waves irradiated in the perpendicular direction of the piezoelectric element approach axial symmetry. As a result, the ultrasonic beam becomes spotlight-like, making it easier to recognize the area being ultrasonically scanned. In addition, since the piezoelectric element is approximately disk-shaped, the outer shape of the ultrasonic transducer can be made circular. Note that, when the ultrasonic transducer is stored in a hemispherical sonar dome, a circular outer shape of the ultrasonic transducer can ensure a larger vibration part area, so that a small and highly sensitive ultrasonic transducer can be suitably obtained. In addition, in claim 1, the ultrasonic transducer is arranged so that the groove part forms an angle of 60° to 120° with respect to the tilt axis. Accordingly, the multiple vibration parts arranged through the groove part are strip-shaped extending in a direction approximately perpendicular to the tilt axis. In particular, if the ultrasonic transducer is disposed so that the grooves form an angle of 90° with respect to the tilt axis, each vibration portion will have a strip shape extending in a direction perpendicular to the tilt axis.


なお、「略円板状の圧電素子」とは、円板状の圧電素子だけでなく、楕円板状の圧電素子や、長円板状の圧電素子なども含むものとする。即ち、外周の一部または全部が円弧状をなす圧電素子を用いることが好ましい。

Note that the term "approximately disk-shaped piezoelectric element" includes not only disk-shaped piezoelectric elements, but also elliptical plate-shaped piezoelectric elements, oval plate-shaped piezoelectric elements, etc. In other words, it is preferable to use a piezoelectric element whose periphery is partly or entirely arc-shaped.

上記参考発明によると、全ての振動部を駆動する全駆動モードで超音波振動子を駆動する場合には、振動部全体の外形が略円形であることから、圧電素子の垂線方向に照射される超音波の指向特性が軸対称に近付く。一方、一部の振動部を駆動する部分駆動モードで超音波振動子を駆動する場合には、超音波振動子の帯状の振動部単体から照射される超音波が、振動部の長手方向に相対的に狭い指向角を持つものの、振動部の幅方向(各振動部の配設方向)には相対的に広い指向角を持つ指向性となる。よって、例えば全周スキャン時に、超音波振動子の駆動態様を部分駆動モードに切り替えれば、スキャン方向の超音波の指向角をより広くすることができる。その結果、スキャン動作の際のステップ角度を粗くすることができるため、全駆動モードに比べて探知時間を短縮することが可能となる。 According to the above-mentioned reference invention, when the ultrasonic transducer is driven in the full drive mode in which all the vibration parts are driven, the external shape of the entire vibration part is approximately circular, so that the directional characteristics of the ultrasonic waves irradiated in the perpendicular direction of the piezoelectric element approach axial symmetry. On the other hand, when the ultrasonic transducer is driven in the partial drive mode in which some of the vibration parts are driven, the ultrasonic waves irradiated from the belt-shaped vibration part of the ultrasonic transducer alone have a relatively narrow directional angle in the longitudinal direction of the vibration part, but a relatively wide directional angle in the width direction of the vibration part (the arrangement direction of each vibration part). Therefore, for example, when scanning all around, if the drive mode of the ultrasonic transducer is switched to the partial drive mode, the directional angle of the ultrasonic waves in the scanning direction can be made wider. As a result, the step angle during the scanning operation can be made coarse, so that the detection time can be shortened compared to the full drive mode.

上記発明において、前記振動部の幅は、前記圧電素子の厚さよりも小さいことが好ましい。 In the above invention , it is preferable that the width of the vibration portion is smaller than the thickness of the piezoelectric element.

従って、上記構成によると、振動部の幅が圧電素子の厚さよりも小さいため、振動部を、高さよりも幅が小さい細長形状とすることができる。その結果、振動部が高さ方向に収縮する際には、振動部が収縮した体積分だけ太くなるように変形しやすくなり、振動部が高さ方向に伸長する際には、振動部が幅方向に沿って振動部の中央部側に変形しやすくなる。つまり、振動部が高さ方向に振動しやすい形状となり、電気機械結合係数が高くなるため、超音波振動子の感度を高くすることができる。 Therefore, according to the above configuration , since the width of the vibration part is smaller than the thickness of the piezoelectric element, the vibration part can be made elongated with a width smaller than the height. As a result, when the vibration part contracts in the height direction, the vibration part is easily deformed so as to become thicker by the contracted volume, and when the vibration part expands in the height direction, the vibration part is easily deformed toward the center of the vibration part along the width direction. In other words, the vibration part has a shape that easily vibrates in the height direction, and the electromechanical coupling coefficient is increased, so the sensitivity of the ultrasonic transducer can be increased.

上記発明において、前記振動部の幅は、前記圧電素子の厚さの4分の1以上2分の1以下であることが好ましい。 In the above invention , it is preferable that the width of the vibration portion is greater than or equal to one-quarter and less than or equal to one-half the thickness of the piezoelectric element.

従って、上記構成によると、振動部の幅が圧電素子の厚さの4分の1以上であるため、振動部の強度低下を防止することができる。また、振動部の幅が圧電素子の厚さの2分の1以下であるため、振動部を、高さ方向に振動しやすい細長形状となり、電気機械結合係数が確実に高くなるため、超音波振動子の感度を確実に高くすることができる Therefore, according to the above configuration , since the width of the vibration part is equal to or more than one-fourth the thickness of the piezoelectric element, it is possible to prevent the strength of the vibration part from decreasing. Also, since the width of the vibration part is equal to or less than one-half the thickness of the piezoelectric element, the vibration part has an elongated shape that is easy to vibrate in the height direction, and the electromechanical coupling coefficient is reliably increased, thereby reliably increasing the sensitivity of the ultrasonic transducer .

以上詳述したように、請求項に記載の発明によると、感度を維持しつつ、振動部の強度低下を防止することにより、信頼性が高い超音波振動子を得ることができる。 As described above in detail, according to the first aspect of the present invention, a highly reliable ultrasonic transducer can be obtained by preventing a decrease in strength of the vibrating portion while maintaining sensitivity.


第1実施形態のソナーが搭載された船舶を示す説明図。FIG. 1 is an explanatory diagram showing a ship equipped with a sonar according to a first embodiment. ソナー、昇降装置及びモニターを示す概略構成図。FIG. 2 is a schematic diagram showing a sonar, an elevator device, and a monitor. ソナーを示す概略断面図。Schematic cross-sectional view showing a sonar. ソナーを示す概略断面図。Schematic cross-sectional view showing a sonar. ケースに収容した状態の超音波振動子を示す側面図。FIG. 4 is a side view showing the ultrasonic transducer housed in the case. 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。FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing an ultrasonic transducer housed in a case. ケースを示す裏面図。Back view showing the case. 超音波振動子を示す平面図。FIG. 超音波振動子を示す側面図。FIG. 振動部を示す断面図。FIG. (a)は外側振動部を示す斜視図、(b)は内側振動部を示す斜視図。FIG. 4A is a perspective view showing an outer vibration part, and FIG. ソナーの電気的構成を示すブロック図。FIG. 2 is a block diagram showing the electrical configuration of the sonar. (a)は伸長時の振動部を示す断面図、(b)は収縮時の振動部を示す断面図。1A is a cross-sectional view showing the vibrating part during expansion, and FIG. 1B is a cross-sectional view showing the vibrating part during contraction. 第2実施形態の超音波振動子を示す平面図。FIG. 11 is a plan view showing an ultrasonic transducer according to a second embodiment. 第2実施形態において、全駆動モードで駆動する超音波振動子を概念的に示す斜視図。FIG. 11 is a perspective view conceptually showing an ultrasonic transducer driven in all drive modes in the second embodiment. 全駆動モードにおける超音波の伝搬状態を概念的に示す斜視図。FIG. 13 is a perspective view conceptually showing the propagation state of ultrasonic waves in all drive modes. 全駆動モードにおける圧電調和解析シミュレーションの結果を示すインピーダンス特性図。FIG. 11 is an impedance characteristic diagram showing the results of a piezoelectric harmonic analysis simulation in all driving modes. 全駆動モードにおいて、圧電素子のX-Z面における超音波の伝搬状態をシミュレーションした図。1 is a diagram showing a simulation of the propagation state of ultrasonic waves in the XZ plane of a piezoelectric element in all drive modes. 全駆動モードにおいて、圧電素子のY-Z面における超音波の伝搬状態をシミュレーションした図。1 is a diagram showing a simulation of the propagation state of ultrasonic waves in the YZ plane of a piezoelectric element in all drive modes. 全駆動モードにおける超音波の指向性のシミュレーション結果を示すグラフ。11 is a graph showing simulation results of ultrasonic directionality in all driving modes. 第2実施形態において、部分駆動モードで駆動する超音波振動子を概念的に示す斜視図。FIG. 11 is a perspective view conceptually showing an ultrasonic transducer driven in a partial drive mode in a second embodiment. 部分駆動モードにおける超音波の伝搬状態を概念的に示す斜視図。FIG. 13 is a perspective view conceptually showing the propagation state of ultrasonic waves in a partial drive mode. 部分駆動モードにおける圧電調和解析シミュレーションの結果を示すインピーダンス特性図。FIG. 11 is an impedance characteristic diagram showing the results of a piezoelectric harmonic analysis simulation in a partial drive mode. 部分駆動モードにおいて、圧電素子のX-Z面における超音波の伝搬状態をシミュレーションした図。13 is a diagram showing a simulation of the propagation state of ultrasonic waves in the XZ plane of a piezoelectric element in a partial drive mode. 部分駆動モードにおいて、圧電素子のY-Z面における超音波の伝搬状態をシミュレーションした図。13 is a diagram showing a simulation of the propagation state of ultrasonic waves in the YZ plane of a piezoelectric element in a partial drive mode. 部分駆動モードにおける超音波の指向性のシミュレーション結果を示すグラフ。13 is a graph showing a simulation result of ultrasonic directionality in a partial drive mode. 比較例において、駆動する超音波振動子を概念的に示す斜視図。FIG. 13 is a perspective view conceptually showing an ultrasonic transducer to be driven in a comparative example. 比較例における圧電調和解析シミュレーションの結果を示すインピーダンス特性図。FIG. 11 is an impedance characteristic diagram showing the results of a piezoelectric harmonic analysis simulation in a comparative example. 比較例において、圧電素子のY-Z面における超音波の伝搬状態をシミュレーションした図。11 is a diagram showing a simulation of the propagation state of ultrasonic waves in the YZ plane of a piezoelectric element in a comparative example. 比較例における超音波の指向性のシミュレーション結果を示すグラフ。11 is a graph showing a simulation result of ultrasonic wave directivity in a comparative example. 全駆動モードにおけるスキャン回数を示す説明図。FIG. 11 is an explanatory diagram showing the number of scans in all driving modes. 部分駆動モードにおけるスキャン回数を示す説明図。FIG. 11 is an explanatory diagram showing the number of scans in a partial drive mode. (a)~(c)は、他の実施形態における超音波振動子を示す概略平面図。13A to 13C are schematic plan views showing an ultrasonic transducer according to another embodiment. (a)~(d)は、他の実施形態における超音波振動子を示す概略平面図。13A to 13D are schematic plan views showing an ultrasonic transducer according to another embodiment. 他の実施形態における超音波振動子を示す平面図。FIG. 11 is a plan view showing an ultrasonic transducer according to another embodiment. 他の実施形態における超音波振動子を示す平面図。FIG. 11 is a plan view showing an ultrasonic transducer according to another embodiment. 他の実施形態における超音波振動子を示す平面図。FIG. 11 is a plan view showing an ultrasonic transducer according to another embodiment. 従来技術における圧電素子を示す要部平面図。FIG. 1 is a plan view showing a main portion of a piezoelectric element according to a conventional technique. 従来技術における振動部を示す断面図。FIG. 11 is a cross-sectional view showing a vibrating portion in the prior art.


[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。

[First embodiment]

DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A first embodiment of the present invention will now be described in detail with reference to the drawings.


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U1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S0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。

As shown in Fig. 1, the sonar 11 of this embodiment is mounted on the bottom of a ship 10 for use. The sonar 11 is a device that detects an object to be detected S0, such as a school of fish, present in the water by emitting ultrasonic waves U1 into the water. As shown in Fig. 2, the sonar 11 is attached to a lifting device 12. The lifting device 12 is a device that raises and lowers the sonar 11 to make the sonar 11 appear and disappear into the water from the bottom of the ship. Furthermore, a liquid crystal monitor 13 is electrically connected to the sonar 11 and the lifting device 12. The liquid crystal monitor 13 is installed in the wheelhouse of the ship 10, and has an operation unit 14 and a display unit 15.


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。

As shown in Fig. 3 and Fig. 4, the sonar 11 includes a sonar dome 20. The sonar dome 20 is made of a resin material such as ABS resin (acrylonitrile butadiene styrene resin) and is composed of an upper case 21, a lower case 22, and a lid 23. The upper case 21 is a cylindrical case with a bottom that opens at the bottom, and the lower case 22 is a cylindrical case with a bottom that opens at the top. The lower end of the lower case 22 is dome-shaped (hemispherical). The lid 23 is disk-shaped and serves to close the lower end opening of the upper case 21 and the upper end opening of the lower case 22. The lid 23 and the upper case 21 form an upper storage space 24, and the lid 23 and the lower case 22 form a lower storage space 25.


また、ソナードーム20には、超音波U1を送受信する超音波振動子41と、超音波振動子41を収納するケース40と、超音波振動子41を移動させる駆動機構30とが収容されている。駆動機構30は、スキャンモータ31及びチルトモータ32等を備えている。スキャンモータ31は、上側収容空間24内において蓋体23の中央部に設置されている。本実施形態のスキャンモータ31としては、ステッピングモータが用いられている。そして、スキャンモータ31の回転軸31aは、鉛直方向に沿って延びており、蓋体23の中央部に設けられた貫通孔33を挿通して下側収容空間25内に突出している。さらに、回転軸31aの先端は、円板状をなす支持板34の中央部に接続され、支持板34の下面には支持フレーム35が取り付けられている。支持フレーム35は、一対の腕部35aを有するコ字状をなしている。

The sonar dome 20 also contains an ultrasonic transducer 41 for transmitting and receiving ultrasonic waves U1, a case 40 for housing the ultrasonic transducer 41, and a drive mechanism 30 for moving the ultrasonic transducer 41. The drive mechanism 30 includes a scan motor 31 and a tilt motor 32. The scan motor 31 is installed in the center of the lid 23 in the upper housing space 24. A stepping motor is used as the scan motor 31 in this embodiment. The rotation shaft 31a of the scan motor 31 extends along the vertical direction and protrudes into the lower housing space 25 through a through hole 33 provided in the center of the lid 23. Furthermore, the tip of the rotation shaft 31a is connected to the center of a disk-shaped support plate 34, and a support frame 35 is attached to the lower surface of the support plate 34. The support frame 35 is U-shaped with a pair of arms 35a.


図3,図4に示されるように、ケース40は、ABS樹脂などの樹脂材料を用いて一端が開口する有底円筒状に形成されている。また、ケース40には、回転軸31aに直交する傾動軸36が設けられている。傾動軸36は、2つの傾動軸部36aに分断されており、両傾動軸部36aは、ケース40の両側部(図4,図7では左側部及び右側部)から互いに反対方向に突出している。そして、両傾動軸部36aは、ベアリング(図示略)を介して支持フレーム35の両腕部35aに設けられた貫通孔にそれぞれ嵌め込まれている。よって、スキャンモータ31の回転軸31aが回転すると、支持板34、支持フレーム35、ケース40及び超音波振動子41は、回転軸31aを中心とした旋回運動を行う。これに伴い、超音波振動子41から出力される超音波U1の照射方向は、回転軸31aの周方向に沿って変化する。

As shown in Fig. 3 and Fig. 4, the case 40 is formed of a resin material such as ABS resin into a cylindrical shape with one end open and a bottom. The case 40 is provided with a tilting shaft 36 perpendicular to the rotation shaft 31a. The tilting shaft 36 is divided into two tilting shaft parts 36a, and the two tilting shaft parts 36a protrude in opposite directions from both sides of the case 40 (left side and right side in Fig. 4 and Fig. 7). The two tilting shaft parts 36a are fitted into through holes provided in both arms 35a of the support frame 35 via bearings (not shown). Therefore, when the rotation shaft 31a of the scan motor 31 rotates, the support plate 34, the support frame 35, the case 40, and the ultrasonic transducer 41 perform a revolving motion around the rotation shaft 31a. Accordingly, the irradiation direction of the ultrasonic waves U1 output from the ultrasonic transducer 41 changes along the circumferential direction of the rotation shaft 31a.


また、図5,図7に示されるように、ケース40の外周部には4つのボス46が設けられ、各ボス46にはそれぞれネジ穴部47が設けられている。各ネジ穴部47は、ケース40の中心C1を基準として等角度間隔で配置されている。

5 and 7, four bosses 46 are provided on the outer periphery of the case 40, and each boss 46 is provided with a screw hole 47. The screw holes 47 are disposed at equal angular intervals with respect to the center C1 of the case 40.


図3,図4に示されるように、チルトモータ32は、支持フレーム35の上端部に取り付けられている。本実施形態のチルトモータ32としては、ステッピングモータが用いられている。チルトモータ32の出力軸32aは、一対の傾動軸部36aと平行に配置されており、その先端部にはピニオンギヤ32bが取り付けられている。ピニオンギヤ32bは、ケース40に取り付けられた略半円状のチルト歯車37に噛合している。よって、チルトモータ32の出力軸32aが回転すると、ピニオンギヤ32b及びチルト歯車37が回動するのに伴い、ケース40及び超音波振動子41は、傾動軸36(傾動軸部36a)を中心とした傾動運動を行う。これに伴い、超音波振動子41から出力される超音波U1の照射角度も、超音波振動子41の傾動に伴って変化する。

As shown in Fig. 3 and Fig. 4, the tilt motor 32 is attached to the upper end of the support frame 35. A stepping motor is used as the tilt motor 32 in this embodiment. The output shaft 32a of the tilt motor 32 is arranged parallel to a pair of tilt shaft parts 36a, and a pinion gear 32b is attached to the tip of the output shaft 32a. The pinion gear 32b is engaged with a tilt gear 37 that is substantially semicircular and attached to the case 40. Therefore, when the output shaft 32a of the tilt motor 32 rotates, the pinion gear 32b and the tilt gear 37 rotate, and the case 40 and the ultrasonic transducer 41 perform a tilting motion around the tilt shaft 36 (tilt shaft part 36a). Accordingly, the irradiation angle of the ultrasonic wave U1 output from the ultrasonic transducer 41 also changes with the tilt of the ultrasonic transducer 41.


図5,図6,図8,図9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円板状の樹脂製板状物である。そして、基材42の外周部には4つの張出部44が設けられ、各張出部44にはそれぞれネジ孔45が設けられている。各ネジ孔45は、圧電素子43(超音波振動子41)の中心O1を基準として等角度間隔で配置されている。また、各ネジ孔45には、基材42の裏面42b側の開口部に座繰り加工が施されている。よって、ネジ孔45にネジ(図示略)を挿通したとしても、ネジの頭部は基材42の裏面42bから突出しないため、ネジと超音波振動子41を収容するソナードーム20との干渉を避けることができる。

As shown in Figs. 5, 6, 8 and 9, the ultrasonic transducer 41 includes a substrate 42 and a piezoelectric element 43. The substrate 42 is a disk-shaped resin plate-like object that also serves as an acoustic matching layer. Four protruding parts 44 are provided on the outer periphery of the substrate 42, and each protruding part 44 is provided with a screw hole 45. The screw holes 45 are arranged at equal angular intervals with respect to the center O1 of the piezoelectric element 43 (ultrasonic transducer 41). In addition, the opening of each screw hole 45 on the back surface 42b side of the substrate 42 is countersunk. Therefore, even if a screw (not shown) is inserted into the screw hole 45, the head of the screw does not protrude from the back surface 42b of the substrate 42, so that interference between the screw and the sonar dome 20 that houses the ultrasonic transducer 41 can be avoided.


そして、各ネジ孔45にネジを挿通し、挿通したネジの先端部をケース40のボス46に設けられたネジ穴部47に螺着させる。その結果、図5,図6に示されるように、超音波振動子41がケース40に固定される。なお、ボス46は、ケース40の下端面40aから0.5mm以上1mm以下だけ下方に突出している。このため、超音波振動子41をケース40に固定した際には、ケース40と基材42との間に隙間が生じるようになる。そして、この隙間が、ケース40内外を連通する連通口48となる。

Then, a screw is inserted into each screw hole 45, and the tip of the inserted screw is screwed into a screw hole portion 47 provided in a boss 46 of the case 40. As a result, the ultrasonic vibrator 41 is fixed to the case 40 as shown in Figures 5 and 6. The boss 46 protrudes downward from the lower end surface 40a of the case 40 by 0.5 mm to 1 mm. Therefore, when the ultrasonic vibrator 41 is fixed to the case 40, a gap is generated between the case 40 and the base material 42. This gap becomes a communication port 48 that communicates between the inside and outside of the case 40.


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板状のセラミックス製板状物である。図6,図8,図9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の面積が基材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6,図10に示されるように、圧電素子43の前面51には前面側電極54が形成され、圧電素子43の背面52には背面側電極55が形成されている。なお、本実施形態では、圧電素子43の前面51の全体が、前面側電極54及び接着層56(図10参照)を介して基材42に接合されている。また、圧電素子43は、前面側電極54及び背面側電極55の間に電圧を印加することにより、厚さ方向に分極されている。

The piezoelectric element 43 is a substantially circular ceramic plate-like object formed, for example, using lead zirconate titanate (PZT) which is a piezoelectric ceramic. As shown in Figs. 6, 8 and 9, the outer diameter of the piezoelectric element 43 is smaller than the outer diameter of the substrate 42, so that the area of the piezoelectric element 43 is smaller than the area of the substrate 42. The piezoelectric element 43 has a front surface 51 bonded to the substrate 42, a back surface 52 on the opposite side of the front surface 51, and an outer peripheral surface 53 perpendicular to the front surface 51 and the back surface 52. As shown in Figs. 6 and 10, a front surface electrode 54 is formed on the front surface 51 of the piezoelectric element 43, and a back surface electrode 55 is formed on the back surface 52 of the piezoelectric element 43. In this embodiment, the entire front surface 51 of the piezoelectric element 43 is bonded to the substrate 42 via the front surface electrode 54 and an adhesive layer 56 (see Fig. 10). In addition, the piezoelectric element 43 is polarized in the thickness direction by applying a voltage between the front electrode 54 and the rear electrode 55 .


図6,図8~図11に示されるように、圧電素子43は、同圧電素子43の厚さ方向に沿って延びるように分割された複数の振動部90により構成されている。各振動部90は、圧電素子43の背面52に対して溝部K1を複数形成することにより構成される。各溝部K1は、互いに交差しないように、面方向に沿って一方向(図8ではY方向)に延びている。よって、各振動部90は、溝部K1を介して、同溝部K1が延びる方向とは直交する方向(図8ではX方向)に配設される。また、各溝部K1は、互いに平行に配置され、かつ傾動軸36の中心軸線A1(図8参照)に対して60°以上120°以下(本実施形態では90°)の角度をなすように配置されている。即ち、各溝部K1は、傾動軸36の中心軸線A1に対して垂直となっている。さらに、本実施形態では、各溝部K1のうち、中央部に位置する溝部K1上に、圧電素子43(超音波振動子41)の中心O1が位置している。なお、各溝部K1の幅は、振動部90の幅よりも小さく、本実施形態では、振動部90の幅の10分の1以上3分の1以下となっている。また、各溝部K1の幅は、互いに等しくなっている。また、各溝部K1内には、樹脂材料(エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、シリコーン樹脂等)や接着剤(エポキシ系接着剤等)などからなる充填材が何ら充填されていないため、各溝部K1は全体的に空隙K0となっている。

As shown in FIG. 6 and FIG. 8 to FIG. 11, the piezoelectric element 43 is composed of a plurality of vibration parts 90 divided to extend along the thickness direction of the piezoelectric element 43. Each vibration part 90 is formed by forming a plurality of grooves K1 on the back surface 52 of the piezoelectric element 43. Each groove K1 extends in one direction (Y direction in FIG. 8) along the surface direction so as not to intersect with each other. Therefore, each vibration part 90 is arranged in a direction (X direction in FIG. 8) perpendicular to the direction in which the groove K1 extends through the groove K1. In addition, each groove K1 is arranged parallel to each other and at an angle of 60° to 120° (90° in this embodiment) with respect to the central axis A1 of the tilt shaft 36 (see FIG. 8). That is, each groove K1 is perpendicular to the central axis A1 of the tilt shaft 36. Furthermore, in this embodiment, the center O1 of the piezoelectric element 43 (ultrasonic vibrator 41) is located on the groove K1 located in the center of each groove K1. The width of each groove K1 is smaller than the width of the vibration part 90, and in this embodiment, it is between one tenth and one third of the width of the vibration part 90. The widths of each groove K1 are equal to each other. Furthermore, since no filler such as a resin material (epoxy resin, urethane resin, silicone resin, etc.) or an adhesive (epoxy-based adhesive, etc.) is filled in each groove K1, each groove K1 is an empty space K0 overall.


図8~図11に示されるように、各振動部90は、両端(図8では左端及び右端)に位置する一対の外側振動部91と、両外側振動部91間に配置される複数の内側振動部92とにより構成されている。各振動部90は、背面視で帯状をなしている。具体的に言うと、図11(a)に示されるように、外側振動部91の表面93a(背面52)は、2つの辺94a,94bによって構成されており、辺94aが背面視で円弧状をなし、辺94bが背面視で直線状をなしている。また、図11(b)に示されるように、内側振動部92の表面93b(背面52)は、4つの辺95a,95b,95c,95dによって構成されており、辺95a,95cが背面視で円弧状をなし、辺95b,95dが背面視で直線状をなしている。なお、両外側振動部91の外側面96、及び、各内側振動部92の両端面97は、圧電素子43の外周面53を構成している。

As shown in Figs. 8 to 11, each vibration part 90 is composed of a pair of outer vibration parts 91 located at both ends (left end and right end in Fig. 8) and a plurality of inner vibration parts 92 arranged between the outer vibration parts 91. Each vibration part 90 is in the form of a strip when viewed from the rear. Specifically, as shown in Fig. 11(a), the surface 93a (back surface 52) of the outer vibration part 91 is composed of two sides 94a and 94b, the side 94a is in the form of an arc when viewed from the rear, and the side 94b is in the form of a straight line when viewed from the rear. Also, as shown in Fig. 11(b), the surface 93b (back surface 52) of the inner vibration part 92 is composed of four sides 95a, 95b, 95c, and 95d, the sides 95a and 95c are in the form of an arc when viewed from the rear, and the sides 95b and 95d are in the form of straight lines when viewed from the rear. The outer surfaces 96 of both outer vibrating portions 91 and both end surfaces 97 of each inner vibrating portion 92 form the outer circumferential surface 53 of the piezoelectric element 43 .


また、本実施形態では、各振動部90のうち、中央部に位置する振動部90(内側振動部92)の長さが最も長く、圧電素子43の外径と略等しくなっている。そして、圧電素子43の中心O1からの距離が遠くなる程、振動部90の長さが短くなる。また、外側振動部91の幅W1は、内側振動部92の幅W2よりも大きくなっている。

In this embodiment, among the vibration parts 90, the vibration part 90 located at the center (the inner vibration part 92) has the longest length and is approximately equal to the outer diameter of the piezoelectric element 43. The longer the distance from the center O1 of the piezoelectric element 43, the shorter the length of the vibration part 90. The width W1 of the outer vibration part 91 is larger than the width W2 of the inner vibration part 92.


図8~図11に示されるように、両外側振動部91及び各内側振動部92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。そして、外側振動部91の長さは、内側振動部92の長さよりも小さくなっている。さらに、外側振動部91の長さは外側振動部91の高さH1よりも大きくなっており、外側振動部91の高さH1は外側振動部91の幅W1よりも大きくなっている。即ち、振動部90の長さの最小値は、振動部90の高さH1よりも大きくなっている。同様に、内側振動部92の長さは内側振動部92の高さH1よりも大きくなっており、内側振動部92の高さH1は内側振動部92の幅W2よりも大きくなっている。なお、振動部91,92の高さH1は、溝部K1の深さと等しくなっている。さらに、上述した基材42の厚さは、振動部91,92の高さH1よりも小さくなっている。また、圧電素子43において振動部91,92同士が繋がる部分の厚さH2は、基材42の厚さよりも小さくなっている。なお、圧電素子43の厚さH3(振動部91,92の高さH1)は任意に決定されるが、例えば、振動部91,92の「縦方向振動」が、目的とする共振周波数となるように決定される。

As shown in FIG. 8 to FIG. 11, both outer vibration parts 91 and each inner vibration part 92 are connected to each other at the end part on the front surface 51 side of the piezoelectric element 43. The length of the outer vibration part 91 is smaller than the length of the inner vibration part 92. Furthermore, the length of the outer vibration part 91 is larger than the height H1 of the outer vibration part 91, and the height H1 of the outer vibration part 91 is larger than the width W1 of the outer vibration part 91. That is, the minimum value of the length of the vibration part 90 is larger than the height H1 of the vibration part 90. Similarly, the length of the inner vibration part 92 is larger than the height H1 of the inner vibration part 92, and the height H1 of the inner vibration part 92 is larger than the width W2 of the inner vibration part 92. The height H1 of the vibration parts 91, 92 is equal to the depth of the groove part K1. Furthermore, the thickness of the above-mentioned base material 42 is smaller than the height H1 of the vibration parts 91, 92. Furthermore, the thickness H2 of the portion of the piezoelectric element 43 where the vibration parts 91, 92 are connected to each other is smaller than the thickness of the substrate 42. The thickness H3 of the piezoelectric element 43 (the height H1 of the vibration parts 91, 92) is determined arbitrarily, but is determined, for example, so that the "longitudinal vibration" of the vibration parts 91, 92 has a desired resonant frequency.


さらに、本実施形態の圧電素子43では、振動部90の幅W(具体的には、外側振動部91の幅W1、または、内側振動部92の幅W2)が、圧電素子43の厚さH3よりも小さく、具体的には、厚さH3の4分の1以上2分の1以下となっている。また、本実施形態の圧電素子43では、振動部90の幅Wと、圧電素子43の外径の最小値L(本実施形態では、圧電素子43の直径)とが、0.05≦W/L≦0.1の関係、特には、0.07≦W/L≦0.1の関係を満たしている。このことは、圧電素子43に、10本以上の振動部90が存在することを示している。このようにすれば、複合振動が減少し、特定部分の感度が高くなるため、これに伴って特定部分付近の感度も高くなり、超音波U1の比帯域が広くなる。

Furthermore, in the piezoelectric element 43 of this embodiment, the width W of the vibration part 90 (specifically, the width W1 of the outer vibration part 91 or the width W2 of the inner vibration part 92) is smaller than the thickness H3 of the piezoelectric element 43, specifically, it is more than one-quarter and less than one-half of the thickness H3. In addition, in the piezoelectric element 43 of this embodiment, the width W of the vibration part 90 and the minimum value L of the outer diameter of the piezoelectric element 43 (in this embodiment, the diameter of the piezoelectric element 43) satisfy the relationship of 0.05≦W/L≦0.1, particularly the relationship of 0.07≦W/L≦0.1. This indicates that the piezoelectric element 43 has 10 or more vibration parts 90. In this way, the composite vibration is reduced and the sensitivity of the specific part is increased, and the sensitivity near the specific part is also increased accordingly, and the relative band of the ultrasonic wave U1 is widened.


図8,図10に示されるように、両外側振動部91の表面93a上及び各内側振動部92の表面93b上には、それぞれ背面側電極55が形成されている。そして、複数の背面側電極55の各々を架け渡すようにして、銅、銀、錫などの電気抵抗が小さい導電性金属(本実施形態では銅)からなる線材60(導電性部材)が接合されている。また、線材60は、圧電素子43(超音波振動子41)の中心O1からずれた位置に配設されている。なお、本実施形態の線材60は、起伏した形状(波状)となっている。また、線材60は、はんだ61を介して各背面側電極55に接続されている。なお、線材60の接続により、線材60は、両外側振動部91の表面93a及び各内側振動部92の表面93bの共通電極となる。

As shown in Figs. 8 and 10, rear electrodes 55 are formed on the surfaces 93a of both outer vibration parts 91 and the surfaces 93b of each inner vibration part 92. A wire 60 (conductive member) made of a conductive metal with low electrical resistance such as copper, silver, or tin (copper in this embodiment) is joined so as to bridge each of the multiple rear electrodes 55. The wire 60 is disposed at a position shifted from the center O1 of the piezoelectric element 43 (ultrasonic transducer 41). The wire 60 in this embodiment has an undulating shape (wavy). The wire 60 is connected to each rear electrode 55 via solder 61. The connection of the wire 60 makes the wire 60 a common electrode for the surfaces 93a of both outer vibration parts 91 and the surfaces 93b of each inner vibration part 92.


そして、図6に示されるように、前面側電極54には第1のリード線62が接続され、背面側電極55には第2のリード線63が接続されている。第1のリード線62は、前面側電極54から外側に延出された側面端子(図示略)に対してはんだ付けなどにより接続されている。第2のリード線63は、複数の背面側電極55のいずれか1つに対してはんだ付けなどにより接続されている。そして、第1のリード線62及び第2のリード線63は、配線チューブ64によって結束され、ケース40の上部に設けられた配線挿通孔49を通ってケース40外に引き出される。なお、第1のリード線62は側面端子に接続されているが、前面側電極54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、図4に示されるように、配線挿通孔49は、ケース40の中心C1を介してチルト歯車37の反対側に配置されている。このため、配線挿通孔49内を通る配線チューブ64とチルト歯車37との干渉を防止することができる。また、配線挿通孔49は、傾動軸部36aの近傍に配置されている。このため、超音波振動子41が傾動運動を行う際において、配線チューブ64(第1のリード線62及び第2のリード線63)のバタツキを防止することができる。

As shown in FIG. 6, a first lead wire 62 is connected to the front electrode 54, and a second lead wire 63 is connected to the back electrode 55. The first lead wire 62 is connected to a side terminal (not shown) extending outward from the front electrode 54 by soldering or the like. The second lead wire 63 is connected to any one of the multiple back electrodes 55 by soldering or the like. The first lead wire 62 and the second lead wire 63 are bound by a wiring tube 64 and are drawn out of the case 40 through a wiring insertion hole 49 provided in the upper part of the case 40. Although the first lead wire 62 is connected to the side terminal, a metal foil such as copper foil (not shown) may be attached to the front electrode 54 or the surface 42a of the base material 42, and the first lead wire 62 may be connected to the metal foil by soldering or the like. Also, as shown in FIG. 4, the wiring insertion hole 49 is disposed on the opposite side of the tilt gear 37 through the center C1 of the case 40. This makes it possible to prevent interference between the wiring tube 64 passing through the wiring insertion hole 49 and the tilt gear 37. In addition, the wiring insertion hole 49 is disposed near the tilt shaft portion 36a. This makes it possible to prevent flapping of the wiring tube 64 (the first lead wire 62 and the second lead wire 63) when the ultrasonic transducer 41 performs a tilting motion.


図6に示されるように、圧電素子43の背面52側には、シート状の防音材65(バッキング材)が貼付されている。防音材65は、残響を抑えるためのものであり、ケース40の内周面にも貼付されている。なお、防音材65としては、樹脂材料やゴムに対して、金属やセラミックスからなる粒子または繊維を含有させたものや、樹脂材料に対して空孔を分散的に設けたもの(スポンジなど)を用いることができる。

6, a sheet-like soundproofing material 65 (backing material) is attached to the back surface 52 side of the piezoelectric element 43. The soundproofing material 65 is for suppressing reverberation, and is also attached to the inner peripheral surface of the case 40. Note that the soundproofing material 65 may be a resin material or rubber containing particles or fibers made of metal or ceramics, or a resin material with dispersed pores (such as a sponge).


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U1を伝搬させる超音波伝搬液体(図示略)が充填されている。また、超音波伝搬液体の一部は、ケース40に設けられた連通口48を介してケース40内に流入し、圧電素子43において隣接する振動部90間の空隙K0(溝部K1)に流入し、空隙K0を満たしている。なお、本実施形態の超音波伝搬液体は流動パラフィンである。また、上述した基材42の固有音響インピーダンスは、圧電素子43の固有音響インピーダンスよりも小さく、かつ超音波伝搬液体の固有音響インピーダンスや水の固有音響インピーダンスよりも大きくなっている。

The sonar dome 20 shown in Fig. 3 and Fig. 4 is filled with an ultrasonic wave propagation liquid (not shown) that propagates ultrasonic waves U1. A part of the ultrasonic wave propagation liquid flows into the case 40 through the communication port 48 provided in the case 40, and flows into the gap K0 (groove portion K1) between the adjacent vibration parts 90 in the piezoelectric element 43, filling the gap K0. The ultrasonic wave propagation liquid in this embodiment is liquid paraffin. The specific acoustic impedance of the above-mentioned base material 42 is smaller than the specific acoustic impedance of the piezoelectric element 43, and is larger than the specific acoustic impedance of the ultrasonic wave propagation liquid and the specific acoustic impedance of water.


次に、ソナー11の電気的構成について説明する。

Next, the electrical configuration of the sonar 11 will be described.


図12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。

12, the liquid crystal monitor 13 of the sonar 11 is provided with a control device 70 that performs overall control of the entire device. The control device 70 is configured with a well-known computer that includes a CPU 71, a ROM 72, a RAM 73, etc.


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U1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U1(反射波U2)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。

The CPU 71 is electrically connected to the scan motor 31 and the tilt motor 32 via a motor driver 81, and controls them by various drive signals. The CPU 71 is also electrically connected to the ultrasonic transducer 41 via a transmission/reception circuit 82. The transmission/reception circuit 82 outputs an oscillation signal to the ultrasonic transducer 41 to drive the ultrasonic transducer 41. As a result, the ultrasonic transducer 41 irradiates (transmits) ultrasonic waves U1 into the water. The transmission/reception circuit 82 is also configured to receive an electrical signal indicating the ultrasonic waves U1 (reflected waves U2) received by the ultrasonic transducer 41. The CPU 71 is also electrically connected to the lifting device 12, the operation unit 14, the display unit 15, and a GPS (Global Positioning System) receiving unit 83.


そして、図12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U1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。

12 controls the transmitting/receiving circuit 82 to emit ultrasonic waves U1 from the ultrasonic transducer 41, and also controls the lifting device 12. The CPU 71 controls the motor driver 81 to drive the scan motor 31 and the tilt motor 32. Position information of the ship 10 received by the GPS receiving unit 83 is input to the CPU 71.


また、CPU71は、超音波振動子41が反射波U2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。

Furthermore, the CPU 71 receives a reception signal generated when the ultrasonic transducer 41 receives the reflected wave U2 via the transmission/reception circuit 82. The CPU 71 then generates detection image data based on the received reception signal, and stores the generated detection image data in the RAM 73. The CPU 71 performs control to display a detection image on the display unit 15 based on the detection image data stored in the RAM 73.


次に、ソナー11を用いて被探知物S0を探知する方法を説明する。

Next, a method for detecting the object S0 to be detected using the sonar 11 will be described.


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の各振動部90は、収縮(図13(b)参照)と伸長(図13(a)参照)とを繰り返す。なお、振動部90が高さ方向に収縮した際には、振動部90が幅方向、具体的には、振動部90の外周側(図13(b)の矢印F1参照)に、収縮した体積分だけ太くなるように変形する。そして、振動部90が高さ方向に伸長すると、振動部90が幅方向、具体的には、振動部90の中央部側(図13(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U1が照射(送信)される。そして、超音波U1が被探知物S0(図1参照)に到達すると、超音波U1は、被探知物S0で反射して反射波U2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U1(反射波U2)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S0が探知される。

First, the power supplies (not shown) of the sonar 11, the lifting device 12, and the liquid crystal monitor 13 are turned on. At this time, position information indicating the position of the ship 10 is input from the GPS receiving unit 83 to the CPU 71 of the control device 70. Next, the CPU 71 controls the transmission/reception circuit 82 to output an oscillation signal to the ultrasonic transducer 41, and drives the ultrasonic transducer 41. At this time, each vibration part 90 of the piezoelectric element 43 repeats contraction (see FIG. 13(b)) and expansion (see FIG. 13(a)). When the vibration part 90 contracts in the height direction, the vibration part 90 deforms in the width direction, specifically, toward the outer periphery of the vibration part 90 (see arrow F1 in FIG. 13(b)), so as to become thicker by the contracted volume. Then, when the vibration part 90 expands in the height direction, the vibration part 90 deforms in the width direction, specifically, toward the center of the vibration part 90 (see arrow F2 in FIG. 13(a)). As a result, the piezoelectric element 43 vibrates, and ultrasonic waves U1 are emitted (transmitted) into the water from the ultrasonic transducer 41. Then, when the ultrasonic waves U1 reach the object to be detected S0 (see FIG. 1), the ultrasonic waves U1 are reflected by the object to be detected S0 and become reflected waves U2, which propagate toward the sonar 11 and are input (received) by the ultrasonic transducer 41. The ultrasonic waves U1 (reflected waves U2) received by the ultrasonic transducer 41 are then converted into a received signal and input to the CPU 71 via the transmission/reception circuit 82. At this point, the object to be detected S0 is detected.


さらに、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、回転軸31aを中心とした旋回運動を超音波振動子41に行わせる。また、CPU71は、モータドライバ81を介してチルトモータ32を駆動させる制御を行い、傾動軸36を中心とした傾動運動を超音波振動子41に行わせる。その結果、超音波U1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U1の照射及び反射波U2の受信が終了する。

Furthermore, the CPU 71 controls the driving of the scan motor 31 via the motor driver 81, causing the ultrasonic transducer 41 to perform a rotational motion around the rotation axis 31a. The CPU 71 also controls the driving of the tilt motor 32 via the motor driver 81, causing the ultrasonic transducer 41 to perform a tilting motion around the tilt axis 36. As a result, the direction of irradiation of the ultrasonic waves U1 gradually changes, and the detection range also gradually changes accordingly. After that, when the operator turns off the power, the control device 70 stops the transmission/reception circuit 82, and the irradiation of the ultrasonic waves U1 and the reception of the reflected waves U2 end.


次に、超音波振動子41の製造方法を説明する。

Next, a method for manufacturing the ultrasonic transducer 41 will be described.


まず、基材42を準備する。具体的には、ガラスエポキシ(FR-4)等からなる樹脂製板状物を円形状に切削加工する。また、圧電素子43となるべきセラミックス製板状物を準備する。具体的には、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)からなる円板状のセラミックス製焼結体を作製した後、表面研磨を行うことにより、セラミックス製板状物を得る。次に、電極形成工程を行い、セラミックス製板状物の前面51に前面側電極54を形成するとともに、セラミックス製板状物の背面52に背面側電極55を形成する。具体的には、セラミックス製板状物の前面51及び背面52にそれぞれ銀ペーストを塗布し、塗布した銀ペーストを焼成することにより、電極54,55を形成する。そして、前面側電極54及び背面側電極55の間に電圧を印加することにより、セラミックス製板状物を厚さ方向に分極させる分極処理を行う。

First, the substrate 42 is prepared. Specifically, a resin plate made of glass epoxy (FR-4) or the like is cut into a circular shape. A ceramic plate to become the piezoelectric element 43 is also prepared. Specifically, a disk-shaped ceramic sintered body made of lead zirconate titanate (PZT) is produced, and then the surface is polished to obtain a ceramic plate. Next, an electrode formation step is performed to form a front electrode 54 on the front surface 51 of the ceramic plate, and a back electrode 55 on the back surface 52 of the ceramic plate. Specifically, silver paste is applied to the front surface 51 and the back surface 52 of the ceramic plate, respectively, and the applied silver paste is fired to form the electrodes 54 and 55. Then, a voltage is applied between the front electrode 54 and the back electrode 55 to perform a polarization process in which the ceramic plate is polarized in the thickness direction.


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54を介して接合する。具体的には、前面側電極54の表面及び基材42の表面42aのいずれか一方に対して、接着層56となる接着剤(エポキシ系接着剤など)を塗布し、基材42に対してセラミックス製板状物を接着固定する。なお、接着剤を塗布する代わりに、はんだ等を用いてロウ付けを行ってもよい。

In the subsequent bonding step, a ceramic plate-like object is bonded to one surface of the substrate 42 via the front electrode 54. Specifically, an adhesive (such as an epoxy adhesive) that serves as an adhesive layer 56 is applied to either the surface of the front electrode 54 or the surface 42a of the substrate 42, and the ceramic plate-like object is bonded and fixed to the substrate 42. Note that brazing may be performed using solder or the like instead of applying an adhesive.


接合工程後の振動部形成工程では、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側に複数の溝部K1を形成する。その結果、セラミックス製板状物が複数の振動部90に分割されるとともに、セラミックス製板状物の背面52に形成された背面側電極55も複数(振動部90と同数)に分割される。この時点で、圧電素子43が完成する。なお、各振動部90は、圧電素子43の前面51側の端部において互いに繋がった状態で分割されるため、前面51に形成された前面側電極54までが分割されることはない。その後、複数の背面側電極55の各々を架け渡すようにして線材60を接合し、各背面側電極55を、各振動部90の表面93a,93bの共通電極とする。なお、本実施形態の線材60は、はんだ付けによって各背面側電極55に接合されるが、他の接合方法(ロウ付け、接着剤による接着など)により各背面側電極55に接合されるものであってもよい。そして、この時点で、超音波振動子41が完成する。

In the vibration part forming process after the bonding process, a plurality of grooves K1 are formed on the back surface 52 side of the ceramic plate-like object by performing cutting or the like. As a result, the ceramic plate-like object is divided into a plurality of vibration parts 90, and the back surface side electrodes 55 formed on the back surface 52 of the ceramic plate-like object are also divided into a plurality (the same number as the vibration parts 90). At this point, the piezoelectric element 43 is completed. Since the vibration parts 90 are divided while being connected to each other at the end of the front surface 51 side of the piezoelectric element 43, the front surface side electrodes 54 formed on the front surface 51 are not divided. After that, the wire 60 is bonded so as to bridge each of the plurality of back surface side electrodes 55, and each back surface side electrode 55 is made a common electrode for the surfaces 93a, 93b of each vibration part 90. In this embodiment, the wire 60 is bonded to each back surface side electrode 55 by soldering, but may be bonded to each back surface side electrode 55 by other bonding methods (such as brazing or bonding with an adhesive). At this point, the ultrasonic transducer 41 is completed.


なお、超音波振動子41が完成した後、前面側電極54に対して側面端子(図示略)を介して第1のリード線62をはんだ付けなどにより接続するとともに、背面側電極55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に設けられたネジ穴部47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,図6参照)。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内に収容し、ケース40が有する一対の傾動軸部36aを、支持フレーム35の両腕部35aに設けられた貫通孔にそれぞれ嵌合させる。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に設けられた連通口48を介してケース40内に流入し、圧電素子43において隣接する振動部90間の空隙K0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。

After the ultrasonic transducer 41 is completed, the first lead wire 62 is connected to the front electrode 54 via a side terminal (not shown) by soldering or the like, and the second lead wire 63 is connected to the back electrode 55 by soldering or the like. Next, a soundproofing material 65 for suppressing reverberation is attached to the back 52 side of the piezoelectric element 43. In addition, a soundproofing material 65 is also attached to the inner side surface of the case 40. Then, the piezoelectric element 43 of the ultrasonic transducer 41 is housed in the case 40. Then, in this state, screws (not shown) are inserted into the multiple screw holes 45 provided in the base material 42, and the tip of the inserted screw is screwed into the screw hole portion 47 provided in the case 40. As a result, the ultrasonic transducer 41 is fixed to the case 40 (see FIGS. 5 and 6). Furthermore, the case 40 to which the ultrasonic transducer 41 is fixed is housed in the sonar dome 20, and the pair of tilting shafts 36a of the case 40 are fitted into the through holes provided in both arms 35a of the support frame 35. Then, the sonar dome 20 is filled with an ultrasonic propagation liquid (not shown). At this time, a portion of the ultrasonic propagation liquid flows into the case 40 through the communication port 48 provided in the case 40, and flows into the gap K0 between the adjacent vibration parts 90 in the piezoelectric element 43. At this point, the ultrasonic transducer 41 is incorporated into the sonar dome 20, and the sonar 11 is completed.


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。

Therefore, according to this embodiment, the following effects can be obtained.


(1)例えば、特許文献1に記載の従来技術には、超音波振動子を鉛直下向きから傾動させた状態で、鉛直方向を向いた回転軸を中心として超音波振動子を機械的に旋回させることにより、船舶の周囲をスキャンして魚群などの被探知物を探知するソナーが開示されている。また、従来、超音波振動子を360°旋回させながらスキャン(全周スキャン)を行う場合において、探知速度を速くすることにより、全周スキャンにかかる時間を短縮することが求められている。しかし、超音波の指向角を超える旋回速度(角度ステップ)で超音波振動子を旋回させると、探知漏れが生じてしまう。

(1) For example, the prior art described in Patent Document 1 discloses a sonar that scans the periphery of a ship to detect objects such as schools of fish by mechanically rotating an ultrasonic transducer around a vertically oriented rotation axis while tilting the ultrasonic transducer from a vertically downward orientation. In addition, in the past, when performing a scan (all-around scan) while rotating the ultrasonic transducer 360°, it has been required to shorten the time required for all-around scan by increasing the detection speed. However, when the ultrasonic transducer is rotated at a rotation speed (angle step) exceeding the directivity angle of the ultrasonic waves, detection misses occur.


そこで、本実施形態のソナー11では、圧電素子43に形成した溝部K1が傾動軸36に対して90°の角度をなすように、超音波振動子41を配設している。これにより、溝部K1を介して配設される複数の振動部90は、傾動軸36と直交する方向に延びる帯状となる。なお、超音波振動子41の帯状の振動部90単体から照射される超音波U1は、振動部90の幅方向(各振動部90の配設方向)に広い指向角を持つ指向性を有する。詳述すると、後述する図18,図20に示されるように、配設方向の中央にある振動部90から照射される超音波U1のうち、直進方向の超音波U1はあまり打ち消し合わないが、直進方向から横に広がる超音波U1は、隣接する振動部90から照射される超音波U1と打ち消し合う。このため、超音波U1は、圧電素子43の側方にではなく、下方に向けて確実に照射される。一方、配設方向の両端にある振動部90においては、隣接する振動部90が存在しないため、振動部90が存在しない側に向かって強めのサイドローブが照射される。これにより、超音波U1の指向角が各振動部90の配設方向に広がるため、各振動部90が傾動軸36と直交する方向に延びる本実施形態においては、超音波U1の指向角が、傾動軸36に直交する回転軸31aの旋回方向に広くなる。その結果、1回のスキャンにおける探知範囲が広くなるため、全周スキャンを行う場合に、必要なスキャン回数を減少させることができる。ゆえに、探知漏れを生じさせずに探知速度を速くすることができるため、探知時間を短縮することが可能となる。

Therefore, in the sonar 11 of this embodiment, the ultrasonic transducer 41 is arranged so that the groove K1 formed in the piezoelectric element 43 forms an angle of 90° with respect to the tilt axis 36. As a result, the multiple vibration parts 90 arranged via the groove K1 are in a strip shape extending in a direction perpendicular to the tilt axis 36. The ultrasonic waves U1 irradiated from the strip-shaped vibration part 90 of the ultrasonic transducer 41 have directivity with a wide directivity angle in the width direction of the vibration part 90 (the arrangement direction of each vibration part 90). In detail, as shown in Figures 18 and 20 described later, among the ultrasonic waves U1 irradiated from the vibration part 90 located at the center of the arrangement direction, the ultrasonic waves U1 in the straight direction do not cancel each other out very much, but the ultrasonic waves U1 spreading laterally from the straight direction cancel each other out with the ultrasonic waves U1 irradiated from the adjacent vibration part 90. Therefore, the ultrasonic waves U1 are reliably irradiated downward, not to the side of the piezoelectric element 43. On the other hand, since there are no adjacent vibration parts 90 at the vibration parts 90 at both ends in the arrangement direction, a strong side lobe is irradiated toward the side where no vibration part 90 exists. As a result, the directional angle of the ultrasonic wave U1 spreads in the arrangement direction of each vibration part 90, so in this embodiment in which each vibration part 90 extends in a direction perpendicular to the tilt axis 36, the directional angle of the ultrasonic wave U1 becomes wider in the rotation direction of the rotation axis 31a perpendicular to the tilt axis 36. As a result, the detection range in one scan becomes wider, so that the number of scans required when performing a full-circle scan can be reduced. Therefore, the detection speed can be increased without causing detection omissions, and the detection time can be shortened.


(2)例えば、超音波振動子の圧電素子に柱状の振動部が形成されている場合、超音波振動子を長期間に亘って駆動させると、疲労破壊により振動部の下端部にクラックが発生する可能性が高い。そして、クラックが発生した状態で超音波振動子を高電圧で駆動し続ける場合には、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、圧電素子の他の振動部においても圧電特性の低下を引き起こし、送受感度が低下してしまう、といった問題がある。一方、本実施形態では、超音波振動子41の圧電素子43に帯状の振動部90を形成している。この場合、柱状の振動部に比べて振動部90が平面方向に長くなることで、圧電素子43の前面51側の端部(振動部90同士が繋がる部分)と振動部90との接合面積が大きくなり、振動部90が倒れにくい安定した形状となるため、振動部90の強度低下を防止することができる。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、振動部90にクラックが発生しにくくなるため、クラックの発生に起因する上記の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の信頼性を向上させることができる。

(2) For example, when a columnar vibration part is formed on the piezoelectric element of an ultrasonic transducer, if the ultrasonic transducer is driven for a long period of time, there is a high possibility that a crack will occur at the lower end of the vibration part due to fatigue failure. If the ultrasonic transducer continues to be driven at a high voltage in a state where a crack has occurred, intermittent discharge will occur from the cracked part, which will cause a decrease in the piezoelectric characteristics in other vibration parts of the piezoelectric element, resulting in a problem of a decrease in transmission and reception sensitivity. On the other hand, in this embodiment, a band-shaped vibration part 90 is formed on the piezoelectric element 43 of the ultrasonic transducer 41. In this case, the vibration part 90 is longer in the planar direction than the columnar vibration part, so that the joint area between the end part (the part where the vibration parts 90 are connected) on the front surface 51 side of the piezoelectric element 43 and the vibration part 90 is larger, and the vibration part 90 has a stable shape that is less likely to fall, so that the strength of the vibration part 90 can be prevented from decreasing. Therefore, even if the ultrasonic transducer 41 is driven for a long period of time, cracks are less likely to occur in the vibration part 90, so that the above-mentioned problems caused by the occurrence of cracks are less likely to occur. In other words, by suppressing the occurrence of cracks, the reliability of the ultrasonic transducer 41 can be improved.


しかも、本実施形態では、一方向に延びる溝部K1を形成することにより帯状の振動部90を得ている。このため、縦横に延びる溝部を形成して上記した柱状の振動部を得る場合に比べて、振動部90の形成に必要な溝部K1の形成回数が半分になり、溝部K1の形成が容易になる。さらに、溝部K1の形成回数の減少に伴って、背面側電極55の分割数も減少するため、背面側電極55への線材60の接続作業の負荷が軽減される。よって、超音波振動子41の製造コストを低減することができる。

Moreover, in this embodiment, the belt-shaped vibration portion 90 is obtained by forming the groove portion K1 extending in one direction. Therefore, compared to the case where the columnar vibration portion is obtained by forming groove portions extending vertically and horizontally, the number of times the groove portion K1 is formed required to form the vibration portion 90 is halved, and the formation of the groove portion K1 is facilitated. Furthermore, as the number of times the groove portion K1 is formed is reduced, the number of divisions of the back electrode 55 is also reduced, and the load of the work of connecting the wire 60 to the back electrode 55 is reduced. Therefore, the manufacturing cost of the ultrasonic transducer 41 can be reduced.


(3)例えば、圧電素子43に形成される各溝部K1の幅を大きくした場合、各振動部90の幅が小さくなるのに伴って各振動部90の面積も小さくなるため、超音波振動子41の出力が低下してしまう。一方、本実施形態では、各溝部K1の幅が、振動部90の幅の10分の1以上3分の1以下であり、振動部90の幅よりもかなり小さくなっている。その結果、各振動部90の面積が確保されるため、溝部K1を形成したとしても、超音波振動子41の出力を確保することができる。

(3) For example, if the width of each groove K1 formed in the piezoelectric element 43 is increased, the area of each vibration portion 90 also decreases as the width of each vibration portion 90 decreases, resulting in a decrease in the output of the ultrasonic transducer 41. On the other hand, in this embodiment, the width of each groove K1 is between one-tenth and one-third of the width of the vibration portion 90, and is considerably smaller than the width of the vibration portion 90. As a result, the area of each vibration portion 90 is ensured, and therefore the output of the ultrasonic transducer 41 can be ensured even if the groove K1 is formed.


(4)本実施形態では、外側振動部91の幅W1が内側振動部92の幅W2よりも大きくなるため、外側振動部91が内側振動部92よりも幅方向に大きくなる。よって、外側面96全体が圧電素子43の外部に露出する外側振動部91の強度が高くなり、外側振動部91でのクラックの発生が確実に防止される。このため、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の信頼性がよりいっそう高くなる。

(4) In this embodiment, the width W1 of the outer vibration portion 91 is greater than the width W2 of the inner vibration portion 92, so that the outer vibration portion 91 is wider in the width direction than the inner vibration portion 92. This increases the strength of the outer vibration portion 91, the entire outer surface 96 of which is exposed to the outside of the piezoelectric element 43, and reliably prevents cracks from occurring in the outer vibration portion 91. This makes it possible to reinforce the piezoelectric element 43 at the outer periphery, which is exposed to the outside and therefore susceptible to the action of external forces, and further increases the reliability of the ultrasonic transducer 41.


(5)さらに、本実施形態では、振動部90が平面方向に長くなることで振動部90が倒れにくい安定した形状となるため、各振動部90間の空隙K0(溝部K1)を充填材で埋めなくても済む。この場合、振動部90の高さ方向への変形が充填材に妨げられることはないため、充填材の充填に起因する超音波振動子41の感度低下を防止することができる。

(5) Furthermore, in this embodiment, since the vibration portion 90 is elongated in the planar direction, the vibration portion 90 has a stable shape that is unlikely to fall over, and therefore there is no need to fill the gaps K0 (grooves K1) between the vibration portions 90 with a filler. In this case, the deformation of the vibration portion 90 in the height direction is not hindered by the filler, so that it is possible to prevent a decrease in the sensitivity of the ultrasonic transducer 41 caused by the filling of the filler.


(6)本実施形態のソナー11は、円板状をなす圧電素子43を備えた超音波振動子41が、ソナードーム20において半球状をなす部分(下ケース22の下端部)の内部で回転する構造である。即ち、下ケース22の下端部及び超音波振動子41は、ともに円弧状の部分を有するものであるため、下ケース22の下端部内面と超音波振動子41とを近付けて配置することができる。このため、ソナードーム20内のデッドスペースが小さくなり、ソナー11の小型化を図ることができる。

(6) The sonar 11 of this embodiment has a structure in which the ultrasonic transducer 41 equipped with a disk-shaped piezoelectric element 43 rotates inside a hemispherical portion of the sonar dome 20 (the lower end portion of the lower case 22). In other words, because both the lower end portion of the lower case 22 and the ultrasonic transducer 41 have arc-shaped portions, the inner surface of the lower end portion of the lower case 22 and the ultrasonic transducer 41 can be disposed close to each other. This reduces the dead space inside the sonar dome 20, allowing the sonar 11 to be made smaller.


(7)例えば、圧電素子43の背面52側に形成した溝部K1を圧電素子43の前面51まで到達させることにより、圧電素子43を複数の振動部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54も分割されてしまう。このため、前面側電極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、前面側電極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、各振動部90が、圧電素子43の前面51側の端部において互いに繋がっているため、前面51に形成された前面側電極54が分割されることはない。この場合、前面側電極54に第1のリード線62を接続すれば、前面側電極54全体との導通を確実に図ることができるため、ソナー11を容易に作製することができる。また、各振動部90が圧電素子43の前面51側の端部において互いに繋がることにより、圧電素子43の前面51全体が基材42の表面42aに接触するため、両者の接触面積が確保され、圧電素子43と基材42との接合強度が向上する。その結果、超音波振動子41の信頼性がよりいっそう高くなる。

(7) For example, if the groove K1 formed on the back surface 52 side of the piezoelectric element 43 is extended to the front surface 51 of the piezoelectric element 43 to completely divide the piezoelectric element 43 into a plurality of vibration parts 90, the front surface electrode 54 formed on the front surface 51 of the piezoelectric element 43 will also be divided. Therefore, even if the first lead wire 62 is connected to the front surface electrode 54 (side terminal), there is a problem that electrical continuity with the entire front surface electrode 54 cannot be achieved. On the other hand, in this embodiment, since the vibration parts 90 are connected to each other at the end on the front surface 51 side of the piezoelectric element 43, the front surface electrode 54 formed on the front surface 51 is not divided. In this case, if the first lead wire 62 is connected to the front surface electrode 54, electrical continuity with the entire front surface electrode 54 can be reliably achieved, so that the sonar 11 can be easily manufactured. In addition, by connecting the vibration parts 90 to each other at the end on the front surface 51 side of the piezoelectric element 43, the entire front surface 51 of the piezoelectric element 43 contacts the surface 42a of the base material 42, so that the contact area between the two is secured and the bonding strength between the piezoelectric element 43 and the base material 42 is improved. As a result, the reliability of the ultrasonic transducer 41 is further improved.


[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。即ち、第1実施形態の超音波振動子が、複数の振動部に対する通電系統が1つのみであったのに対し、本実施形態の超音波振動子は、複数の振動部に対する通電系統が複数である点で異なっている。

[Second embodiment]

A second embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. Here, the differences from the first embodiment will be mainly described. That is, the ultrasonic transducer of the first embodiment has only one current supply system for the multiple vibration parts, whereas the ultrasonic transducer of this embodiment has multiple current supply systems for the multiple vibration parts.


詳述すると、図14,図15,図21に示されるように、本実施形態の超音波振動子111では、圧電素子112を構成する各振動部113の表面(背面)上に形成された背面側電極55が、各振動部113の共通電極ではなく、2つ以上のグループに分けられた電極となっている。具体的に言うと、図14に示されるように、各振動部113は、同振動部113の配設方向における中央部に位置する振動部113aと、配設方向における両端部にそれぞれ位置する振動部113b,113cとに分けられる。そして、各振動部113aの背面側電極55の各々を架け渡すように線材60aが接合され、各振動部113bの背面側電極55の各々を架け渡すように線材60bが接合され、各振動部113cの背面側電極55の各々を架け渡すように線材60cが接合される。さらに、各振動部113aの背面側電極55のいずれか1つには、第2のリード線63(図6参照)がはんだ付けなどにより接続されている。同様に、各振動部113bの背面側電極55のいずれか1つ、及び、各振動部113cの背面側電極55のいずれか1つにも、それぞれ別の第2のリード線63がはんだ付けなどにより接続されている。また、図6に示される第2のリード線63は1本であるが、本実施形態では、分割したグループ数に応じて第2のリード線63の本数が増加する。なお、線材60bと線材60cとを接続し、各振動部113b,113cの背面側電極55のいずれか1つに対して、1本の第2のリード線63を接続するようにしてもよい。また、本実施形態の圧電素子112では、各振動部113の両端に位置する外側振動部114の幅W3と、一対の外側振動部114間に配置される内側振動部115の幅W4とが等しくなっている。

More specifically, as shown in Fig. 14, Fig. 15, and Fig. 21, in the ultrasonic transducer 111 of this embodiment, the back side electrodes 55 formed on the surfaces (back sides) of the vibration parts 113 constituting the piezoelectric element 112 are not common electrodes of the vibration parts 113, but are electrodes divided into two or more groups. Specifically, as shown in Fig. 14, each vibration part 113 is divided into a vibration part 113a located at the center in the arrangement direction of the vibration part 113, and vibration parts 113b and 113c located at both ends in the arrangement direction. Then, a wire 60a is joined so as to bridge each of the back side electrodes 55 of each vibration part 113a, a wire 60b is joined so as to bridge each of the back side electrodes 55 of each vibration part 113b, and a wire 60c is joined so as to bridge each of the back side electrodes 55 of each vibration part 113c. Further, a second lead wire 63 (see FIG. 6) is connected to any one of the back electrodes 55 of each vibration part 113a by soldering or the like. Similarly, another second lead wire 63 is connected to any one of the back electrodes 55 of each vibration part 113b and any one of the back electrodes 55 of each vibration part 113c by soldering or the like. Although there is only one second lead wire 63 shown in FIG. 6, in this embodiment, the number of second lead wires 63 increases according to the number of divided groups. Note that the wire material 60b and the wire material 60c may be connected, and one second lead wire 63 may be connected to any one of the back electrodes 55 of each vibration part 113b, 113c. In addition, in the piezoelectric element 112 of this embodiment, the width W3 of the outer vibration part 114 located at both ends of each vibration part 113 and the width W4 of the inner vibration part 115 located between the pair of outer vibration parts 114 are equal to each other.


そして、本実施形態のCPU71(図12参照)は、超音波振動子111の駆動態様を、第1の態様である全駆動モード(図15,図16参照)と第2の態様である部分駆動モード(図21,図22参照)とに切替可能となっている。全駆動モードは、圧電素子112を構成する全ての振動部113を駆動するモードである。一方、部分駆動モードは、圧電素子112の中心領域に位置する一部の振動部113、具体的には、配設方向における中央部に位置する4つの振動部113aを駆動するモードである。また、本実施形態では、中央部に位置する振動部113aに接続される第1電気経路と、それ以外の振動部113b,113cに接続される第2電気経路とが、互いに別系統となっている。従って、第1電気経路及び第2電気経路のいずれか一方のみを通電して一部の振動部113を駆動させることが可能であるほか、両方を同時に駆動して全ての駆動部113を駆動させることが可能となっている。

The CPU 71 (see FIG. 12) of this embodiment can switch the driving mode of the ultrasonic transducer 111 between a full driving mode (see FIGS. 15 and 16) which is a first mode, and a partial driving mode (see FIGS. 21 and 22) which is a second mode. The full driving mode is a mode in which all the vibration parts 113 constituting the piezoelectric element 112 are driven. On the other hand, the partial driving mode is a mode in which some of the vibration parts 113 located in the central region of the piezoelectric element 112, specifically, the four vibration parts 113a located in the central part in the arrangement direction, are driven. In this embodiment, the first electric path connected to the vibration part 113a located in the central part and the second electric path connected to the other vibration parts 113b and 113c are separate systems. Therefore, it is possible to drive some of the vibration parts 113 by passing electricity through only one of the first electric path and the second electric path, and it is also possible to drive all of the drive parts 113 by driving both of them simultaneously.


なお、超音波振動子111の駆動態様が全駆動モードに切り替えられた場合、CPU71は、第1電気経路を構成する1本の第2のリード線63と第2電気経路を構成する2本の第2のリード線63とを介して、送受信回路82から各振動部113に発振信号を出力させる制御を行う。その結果、全ての振動部113が振動し、超音波振動子111から水中に対して超音波U1が照射(送信)される。一方、超音波振動子111の駆動態様が部分駆動モードに切り替えられた場合、CPU71は、第1電気経路を構成する1本の第2のリード線63を介して、送受信回路82から中央部に位置する振動部113aに発振信号を出力させる制御を行う。その結果、中央部に位置する4つの振動部113aのみが振動し、超音波振動子111から水中に対して超音波U1が照射される。なお、部分駆動モードに切り替えられた際に超音波U1を照射する振動部113aは、各振動部113のうち、圧電素子112の中心O1からの距離が振動部113b,113cよりも短い距離にある振動部である。また、部分駆動モードで駆動する振動部113aの総面積は、全駆動モードで駆動する全ての振動部113の総面積の10分の1以上2分の1以下となる。

When the driving mode of the ultrasonic transducer 111 is switched to the full driving mode, the CPU 71 controls the transmission/reception circuit 82 to output an oscillation signal to each vibration unit 113 via one second lead wire 63 constituting the first electrical path and two second lead wires 63 constituting the second electrical path. As a result, all the vibration units 113 vibrate, and the ultrasonic transducer 111 irradiates (transmits) ultrasonic waves U1 into the water. On the other hand, when the driving mode of the ultrasonic transducer 111 is switched to the partial driving mode, the CPU 71 controls the transmission/reception circuit 82 to output an oscillation signal to the vibration unit 113a located in the center via one second lead wire 63 constituting the first electrical path. As a result, only the four vibration units 113a located in the center vibrate, and the ultrasonic transducer 111 irradiates ultrasonic waves U1 into the water. The vibration unit 113a that irradiates the ultrasonic wave U1 when switched to the partial drive mode is a vibration unit that is located at a shorter distance from the center O1 of the piezoelectric element 112 than the vibration units 113b and 113c among the vibration units 113. The total area of the vibration units 113a that drive in the partial drive mode is between one tenth and one half of the total area of all the vibration units 113 that drive in the full drive mode.


次に、超音波振動子の評価方法及びその結果を説明する。

Next, the evaluation method and results of the ultrasonic transducer will be described.


まず、測定用サンプルを次のように準備した。圧電素子122の背面に対して一方向に延びる溝部K1を複数形成することにより、複数の帯状の振動部123が形成された超音波振動子121を準備し、これを実施例(図15,図16,図21,図22参照)とした。さらに、圧電素子126に溝部K1(及び振動部123)が形成されていない超音波振動子125を準備し、これを比較例(図27参照)とした。

First, the measurement samples were prepared as follows. An ultrasonic transducer 121 was prepared in which a plurality of band-shaped vibration sections 123 were formed by forming a plurality of groove sections K1 extending in one direction on the back surface of the piezoelectric element 122, and this was used as the Example (see Figs. 15, 16, 21, and 22). Furthermore, an ultrasonic transducer 125 in which the groove section K1 (and the vibration section 123) were not formed in the piezoelectric element 126 was prepared, and this was used as the Comparative Example (see Fig. 27).


次に、各測定用サンプル(実施例及び比較例)に対して、超音波振動子121,125の指向性を検証した。具体的には、実施例の超音波振動子121の駆動態様を全駆動モードに切り替えた状態で、超音波振動子121から共振周波数である281kHzの超音波U1(図17参照)を照射し、照射時(送信時)の指向性をシミュレーションした。図18は、全駆動モードにおいて、圧電素子122のX-Z面における超音波U1の伝搬状態をシミュレーションした図であり、図19は、全駆動モードにおいて、圧電素子122のY-Z面における超音波U1の伝搬状態をシミュレーションした図であり、図20は、全駆動モードにおける超音波U1の指向性のシミュレーション結果を示すグラフである。なお、Z軸は、法線方向に延びる軸である。

Next, the directivity of the ultrasonic transducers 121 and 125 was verified for each measurement sample (Example and Comparative Example). Specifically, in a state where the driving mode of the ultrasonic transducer 121 of the Example was switched to the full driving mode, ultrasonic waves U1 (see FIG. 17) having a resonant frequency of 281 kHz were emitted from the ultrasonic transducer 121, and the directivity during irradiation (transmission) was simulated. FIG. 18 is a diagram showing a simulation of the propagation state of the ultrasonic waves U1 on the X-Z plane of the piezoelectric element 122 in the full driving mode, FIG. 19 is a diagram showing a simulation of the propagation state of the ultrasonic waves U1 on the Y-Z plane of the piezoelectric element 122 in the full driving mode, and FIG. 20 is a graph showing the simulation result of the directivity of the ultrasonic waves U1 in the full driving mode. The Z axis is an axis extending in the normal direction.


また、実施例の超音波振動子121の駆動態様を部分駆動モードに切り替えた状態で、超音波振動子121から共振周波数である281kHzの超音波U1(図23参照)を照射し、照射時の指向性をシミュレーションした。図24は、部分駆動モードにおいて、圧電素子122のX-Z面における超音波U1の伝搬状態をシミュレーションした図であり、図25は、部分駆動モードにおいて、圧電素子122のY-Z面における超音波U1の伝搬状態をシミュレーションした図であり、図26は、部分駆動モードにおける超音波U1の指向性のシミュレーション結果を示すグラフである。

In addition, in a state where the drive mode of the ultrasonic transducer 121 of the embodiment is switched to the partial drive mode, ultrasonic waves U1 (see FIG. 23) having a resonant frequency of 281 kHz are irradiated from the ultrasonic transducer 121, and the directivity during irradiation is simulated. FIG. 24 is a diagram showing a simulation of the propagation state of the ultrasonic waves U1 on the X-Z plane of the piezoelectric element 122 in the partial drive mode, FIG. 25 is a diagram showing a simulation of the propagation state of the ultrasonic waves U1 on the Y-Z plane of the piezoelectric element 122 in the partial drive mode, and FIG. 26 is a graph showing the simulation result of the directivity of the ultrasonic waves U1 in the partial drive mode.


また、比較例の超音波振動子125から共振周波数である278kHzの超音波U1(図28参照)を照射し、照射時の指向性をシミュレーションした。図29は、比較例において、圧電素子126のY-Z面における超音波U1の伝搬状態をシミュレーションした図であり、図30は、比較例における超音波U1の指向性のシミュレーション結果を示すグラフである。

In addition, ultrasonic waves U1 (see FIG. 28) having a resonant frequency of 278 kHz were emitted from the ultrasonic transducer 125 of the comparative example, and the directivity during irradiation was simulated. FIG. 29 is a diagram showing a simulation of the propagation state of the ultrasonic waves U1 in the Y-Z plane of the piezoelectric element 126 in the comparative example, and FIG. 30 is a graph showing the simulation results of the directivity of the ultrasonic waves U1 in the comparative example.


その結果、圧電素子126に振動部123が形成されていない比較例では、超音波振動子125から超音波U1を照射すると、例えばY-Z面において狭い指向角を持つ指向性となることが確認された(図29,図30参照)。また、圧電素子122に振動部123が形成された実施例においても、各振動部123から超音波U1を同位相で照射した場合(全駆動モード)には、X-Z面においてもY-Z面においても狭い指向角を持つ指向性となることが確認された(図18~図20参照)。即ち、全駆動モードにおいては、超音波振動子121から等方的な指向性の超音波U1が照射されることが確認された(図16参照)。

As a result, in a comparative example in which the vibration part 123 is not formed on the piezoelectric element 126, it was confirmed that when the ultrasonic wave U1 is irradiated from the ultrasonic transducer 125, the directivity has a narrow directivity angle, for example, in the Y-Z plane (see Figs. 29 and 30). Also, in an example in which the vibration part 123 is formed on the piezoelectric element 122, it was confirmed that when the ultrasonic wave U1 is irradiated from each vibration part 123 in the same phase (full drive mode), the directivity has a narrow directivity angle in both the X-Z plane and the Y-Z plane (see Figs. 18 to 20). That is, it was confirmed that in the full drive mode, the ultrasonic wave U1 with isotropic directivity is irradiated from the ultrasonic transducer 121 (see Fig. 16).


一方、実施例において、中央部にある1つの振動部123のみから超音波U1を照射した場合(部分駆動モード)には、Y-Z面においては狭い指向角を持つ指向性となるものの(図25,図26参照)、X-Z面においては広い指向角を持つ指向性となることが確認された(図24,図26参照)。即ち、部分駆動モードにおいては、超音波U1がX-Z面に相対的に広がるものの、Y-Z面には相対的に広がらないため、超音波振動子121から異方的な指向性の超音波U1が照射されることが確認された(図22参照)。しかも、部分駆動モードにおいては、中央にある振動部123から超音波U1が同心円状に広がることが確認された(図24,図26参照)。

On the other hand, in the embodiment, when the ultrasonic wave U1 is irradiated from only one vibration part 123 in the center (partial drive mode), the directivity has a narrow directivity angle in the Y-Z plane (see Figs. 25 and 26), but the directivity has a wide directivity angle in the X-Z plane (see Figs. 24 and 26). That is, in the partial drive mode, the ultrasonic wave U1 spreads relatively in the X-Z plane but does not spread relatively in the Y-Z plane, so that the ultrasonic wave U1 with anisotropic directivity is irradiated from the ultrasonic transducer 121 (see Fig. 22). Moreover, in the partial drive mode, it was confirmed that the ultrasonic wave U1 spreads concentrically from the vibration part 123 in the center (see Figs. 24 and 26).


また、実施例では、圧電素子122の径方向振動の共振が40kHz付近にあり、この高調波が周期的に表れている。しかしながら、圧電素子122には溝部K1が形成されているため、個々の振動部123が円板状をなさなくなる。その結果、径方向振動が生じにくくなるため、図17,図23に示されるようなインピーダンス特性になることが確認された。一方、比較例では、圧電素子126に溝部K1が形成されていないため、径方向振動が生じる。その結果、径方向振動の共振の高調波が周期的に表れ、図28に示されるようなインピーダンス特性になることが確認された。

In the embodiment, the resonance of the radial vibration of the piezoelectric element 122 is near 40 kHz, and the harmonics of this appear periodically. However, since the groove K1 is formed in the piezoelectric element 122, each vibration portion 123 does not have a disk shape. As a result, it is confirmed that the impedance characteristics shown in Figs. 17 and 23 are obtained because the radial vibration is difficult to occur. On the other hand, in the comparative example, the groove K1 is not formed in the piezoelectric element 126, so that the radial vibration occurs. As a result, it is confirmed that the harmonics of the resonance of the radial vibration appear periodically, and the impedance characteristics are obtained as shown in Fig. 28.


従って、圧電素子122のX軸を傾動軸36と平行に配置、換言すると、圧電素子122の溝部K1を傾動軸36に対して垂直に配置すれば、超音波振動子121を部分駆動モードで駆動する場合に、超音波振動子121の探知範囲(超音波U1の指向角)が水平方向に広くなることが確認された(図22参照)。よって、鉛直方向を向いた回転軸31aを中心として超音波振動子121を360°旋回させながらスキャン(全周スキャン)を行う際に、スキャン回数を減らしてセクタースキャン時のステップ間隔を大きくしたとしても、探知漏れが起きにくくなることが確認された。詳述すると、超音波振動子121を全駆動モードで駆動する場合、超音波U1の指向角は例えば40°となり、全周スキャンにおけるスキャン回数は例えば9回となる(図31のZ1~Z9参照)。一方、超音波振動子121を部分駆動モードで駆動すれば、超音波U1の指向角は全駆動モードの例えば3倍(120°)となるため、全周スキャンにおけるスキャン回数は全駆動モードの例えば3分の1(3回)とすることができる(図32のZ1~Z3参照)。その結果、スキャン回数が減るため、探知時間を短縮できることが確認された。

Therefore, it was confirmed that if the X-axis of the piezoelectric element 122 is arranged parallel to the tilt axis 36, in other words, if the groove K1 of the piezoelectric element 122 is arranged perpendicular to the tilt axis 36, the detection range of the ultrasonic transducer 121 (direction angle of the ultrasonic wave U1) becomes wider in the horizontal direction when the ultrasonic transducer 121 is driven in the partial drive mode (see FIG. 22). Therefore, it was confirmed that when performing a scan (full-circumference scan) while rotating the ultrasonic transducer 121 360° around the rotation axis 31a facing the vertical direction, even if the number of scans is reduced and the step interval during the sector scan is increased, detection omissions are unlikely to occur. In detail, when the ultrasonic transducer 121 is driven in the full drive mode, the directivity angle of the ultrasonic wave U1 is, for example, 40°, and the number of scans in the full-circumference scan is, for example, 9 (see Z1 to Z9 in FIG. 31). On the other hand, if the ultrasonic transducer 121 is driven in the partial drive mode, the directional angle of the ultrasonic wave U1 becomes, for example, three times (120°) that of the full drive mode, so that the number of scans in the full circumference scan can be, for example, one third (three times) that of the full drive mode (see Z1 to Z3 in FIG. 32). As a result, it was confirmed that the detection time can be shortened because the number of scans is reduced.


しかし、超音波U1の指向角が広いままであると、CPU71による受信信号(反射波U2)の分解能が低下するという弊害がある。この場合、超音波振動子121を全駆動モードで駆動すれば、指向角が狭くなり、分解能の低下を抑えられることが確認された。

However, if the directivity angle of the ultrasonic wave U1 remains wide, there is a drawback in that the resolution of the signal (reflected wave U2) received by the CPU 71 decreases. In this case, it has been confirmed that if the ultrasonic transducer 121 is driven in the full drive mode, the directivity angle becomes narrower and the decrease in resolution can be suppressed.


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。

Therefore, according to this embodiment, the following effects can be obtained.


(8)本実施形態では、全ての振動部113を駆動する全駆動モードで超音波振動子111を駆動すると、振動部113全体の外形が略円形であることから、圧電素子112の垂線方向に照射される超音波U1の指向特性が軸対称に近付く(図16参照)。一方、一部の振動部113を駆動する部分駆動モードで超音波振動子111を駆動すると、帯状の振動部113単体から照射される超音波U1が、振動部113の長手方向に相対的に狭い指向角を持つものの、振動部113の配設方向には相対的に広い指向角を持つ指向性となる(図22参照)。よって、例えば全周スキャン時に、超音波振動子111の駆動態様を部分駆動モードに切り替えれば、超音波U1の指向角を超音波振動子111の旋回方向により広くすることができる。その結果、1回のスキャンにおける探知範囲が広くなるため、必要なスキャン回数をいっそう減少させることができる。ゆえに、探知漏れを生じさせずに探知速度を速くすることができるため、全駆動モードに比べて探知時間を短縮することが可能となる。

(8) In this embodiment, when the ultrasonic transducer 111 is driven in the full drive mode in which all the vibration parts 113 are driven, the overall outer shape of the vibration parts 113 is approximately circular, so that the directional characteristics of the ultrasonic waves U1 irradiated in the perpendicular direction of the piezoelectric element 112 approach axial symmetry (see FIG. 16). On the other hand, when the ultrasonic transducer 111 is driven in the partial drive mode in which some of the vibration parts 113 are driven, the ultrasonic waves U1 irradiated from the belt-shaped vibration part 113 alone have a relatively narrow directional angle in the longitudinal direction of the vibration part 113, but have a relatively wide directional angle in the arrangement direction of the vibration part 113 (see FIG. 22). Therefore, for example, when scanning all around, if the drive mode of the ultrasonic transducer 111 is switched to the partial drive mode, the directional angle of the ultrasonic waves U1 can be made wider in the rotation direction of the ultrasonic transducer 111. As a result, the detection range in one scan is wider, so that the number of required scans can be further reduced. Therefore, the detection speed can be increased without causing detection misses, making it possible to shorten the detection time compared to the full drive mode.


(9)特開平1-295190号公報に記載の従来技術には、1つの円形状振動部(送受波部)と2つの円環状振動部(送受波部)とを同心状に配設してなる圧電素子を備え、振動部の駆動態様を切り替えることにより、指向性を制御する超音波振動子が開示されている。しかしながら、円形状振動部のみを駆動する駆動態様に切り替えて超音波の指向角を広くしようとすると、以下の問題が生じてしまう。即ち、指向角は、超音波振動子(圧電素子)の旋回方向だけでなく、超音波振動子の傾動方向(俯角方向)にも広がってしまう。その結果、超音波振動子が反射波を受信した際に生成される受信信号における俯角方向への情報の中に、不必要な情報が含まれ、精度が低下しやすくなる。このため、CPUによる受信信号の分解能が低下するという問題がある。また、円形状振動部の面積は振動部の総面積の3分の1程度であり、円形状振動部の外径は最外周に位置する円環状振動部の外径の57%程度となる。この場合、全ての振動部を駆動する場合に比べて、指向角の広がりは2倍未満であるため、全周スキャンにおけるスキャン回数を半分に減らすこともできない。しかも、円形状振動部及び円環状振動部の振動が複合振動となるため(図28参照)、電気機械結合係数が低くなり、感度が低下してしまうという問題がある。また、残響が長くなるという問題もある。

(9) In the prior art described in Japanese Patent Laid-Open Publication No. 1-295190, an ultrasonic transducer is disclosed that includes a piezoelectric element in which one circular vibration part (transmitting and receiving part) and two annular vibration parts (transmitting and receiving parts) are concentrically arranged, and the directivity is controlled by switching the driving mode of the vibration part. However, if an attempt is made to widen the directional angle of the ultrasonic wave by switching to a driving mode that drives only the circular vibration part, the following problem occurs. That is, the directional angle is widened not only in the rotation direction of the ultrasonic transducer (piezoelectric element) but also in the tilt direction (depression angle direction) of the ultrasonic transducer. As a result, unnecessary information is included in the information in the depression angle direction in the reception signal generated when the ultrasonic transducer receives a reflected wave, and the accuracy is likely to decrease. For this reason, there is a problem that the resolution of the reception signal by the CPU decreases. In addition, the area of the circular vibration part is about one-third of the total area of the vibration part, and the outer diameter of the circular vibration part is about 57% of the outer diameter of the annular vibration part located at the outermost periphery. In this case, the spread of the directivity angle is less than twice as large as when all the vibrating parts are driven, so the number of scans in the full-circle scan cannot be reduced by half. Moreover, since the vibration of the circular vibrating part and the annular vibrating part is a compound vibration (see FIG. 28), there is a problem that the electromechanical coupling coefficient is low and the sensitivity is reduced. There is also a problem that the reverberation is long.


一方、本実施形態では、中央部の振動部113のみを駆動する部分駆動モードに切り替えて超音波U1の指向角を広くする場合に、指向角を、超音波振動子111(圧電素子112)の旋回方向のみに広げることができる。その結果、超音波振動子111が反射波を受信した際に生成される受信信号における俯角方向への情報の中に、不必要な情報が含まれにくくなる。このため、CPU71による受信信号の分解能を確保することができる。また、部分駆動モードでの駆動部分である中央部の振動部113の幅は、圧電素子112の外径の9分の1程度となる。この場合、全ての振動部113を駆動する場合に比べて、指向角の広がりが例えば3倍~5倍程度となるため、全周スキャンにおけるスキャン回数を例えば5分の1~3分の1程度に減らすことができる(図31,図32参照)。しかも、本実施形態の振動部113の幅は、前記第1実施形態と同様に、圧電素子112の厚さの2分の1以下であるため、振動部113が高さ方向に振動しやすい形状となり、電気機械結合係数が高くなるため、超音波振動子111の感度が高くなる。また、超音波U1が広帯域となり、残響が短くなる。

On the other hand, in this embodiment, when the directivity angle of the ultrasonic wave U1 is widened by switching to the partial drive mode in which only the vibration part 113 in the center is driven, the directivity angle can be widened only in the rotation direction of the ultrasonic transducer 111 (piezoelectric element 112). As a result, unnecessary information is less likely to be included in the information in the depression angle direction in the reception signal generated when the ultrasonic transducer 111 receives a reflected wave. Therefore, the resolution of the reception signal by the CPU 71 can be ensured. In addition, the width of the vibration part 113 in the center, which is the driving part in the partial drive mode, is about 1/9 of the outer diameter of the piezoelectric element 112. In this case, the directivity angle is, for example, about 3 to 5 times wider than when all the vibration parts 113 are driven, so that the number of scans in the full circumference scan can be reduced to, for example, about 1/5 to 1/3 (see FIG. 31 and FIG. 32). Moreover, the width of the vibration part 113 in this embodiment is half or less of the thickness of the piezoelectric element 112, as in the first embodiment, so that the vibration part 113 has a shape that easily vibrates in the height direction, and the electromechanical coupling coefficient is increased, thereby increasing the sensitivity of the ultrasonic transducer 111. In addition, the ultrasonic wave U1 has a wide band, and the reverberation is shortened.


なお、本実施形態において複合振動の影響が小さくなるのは、各振動部113の長さが異なっており、それぞれの振動部113においても、圧電素子112の中心O1からの距離が近い側と遠い側とで、長さが異なっているからであると考えられる。この場合、各振動部113の長さ方向振動が生じるものの、個々の共振周波数が異なるため、特定の周波数による長さ方向の共振現象は抑制される。これに対し、高さ方向については、厚さが揃っており、厚さ方向の共振周波数は各振動部113で一致する。また、溝加工により各振動部113が厚さ方向に変形しやすくなるため、超音波振動子111の感度が高くなる。

In this embodiment, the effect of the composite vibration is small because the lengths of the vibration parts 113 are different, and the lengths of the vibration parts 113 are different on the side closer to the center O1 of the piezoelectric element 112 and the side farther from the center O1 of the piezoelectric element 112. In this case, although the vibration parts 113 vibrate in the length direction, the resonance frequency of each vibration part 113 is different, so that the resonance phenomenon in the length direction due to a specific frequency is suppressed. In contrast, the thickness is uniform in the height direction, and the resonance frequency in the thickness direction is the same for each vibration part 113. In addition, the groove processing makes it easier for each vibration part 113 to deform in the thickness direction, so the sensitivity of the ultrasonic transducer 111 is increased.


なお、上記各実施形態を以下のように変更してもよい。

The above embodiments may be modified as follows.


・上記各実施形態の超音波振動子41,111では、圧電素子43,112に形成された各溝部K1が、面方向に沿って互いに平行に(即ち、交差せずに)配置され、かつ傾動軸36(の中心軸線A1)に対して垂直(90°の角度をなすよう)に配置されていた。しかし、各溝部K1が傾動軸36に対して60°以上120°以下の角度をなしているならば、各溝部K1の配置態様を適宜変更してもよい。例えば、図33(a)の超音波振動子131に示されるように、各溝部K2は互いに異なる方向に延びていてもよい。また、図33(b)の超音波振動子132のように、各溝部K3が屈曲していてもよいし、図33(c)の超音波振動子133のように、各溝部K4が湾曲していてもよい。なお、各溝部は、互いに平行であることが好ましく、互いに同じ幅であることが好ましい。また、各溝部は、たとえ途中で折れていたとしても、直線上に構成されることが好ましい。

In the ultrasonic transducers 41 and 111 of the above embodiments, the grooves K1 formed in the piezoelectric elements 43 and 112 are arranged parallel to each other (i.e., without intersecting) along the surface direction and perpendicular to (the central axis A1 of) the tilting shaft 36 (at an angle of 90°). However, as long as each groove K1 forms an angle of 60° or more and 120° or less with respect to the tilting shaft 36, the arrangement of each groove K1 may be appropriately changed. For example, as shown in the ultrasonic transducer 131 of FIG. 33(a), each groove K2 may extend in a different direction from each other. Also, as shown in the ultrasonic transducer 132 of FIG. 33(b), each groove K3 may be bent, and as shown in the ultrasonic transducer 133 of FIG. 33(c), each groove K4 may be curved. Note that the grooves are preferably parallel to each other and have the same width. Also, it is preferable that each groove is configured on a straight line even if it is bent halfway.


・上記各実施形態の超音波振動子41,111は、円板状の圧電素子43,112を備えていたが、圧電素子は、楕円板状の圧電素子134,135(図34(a),(b)参照)であってもよいし、長円板状の圧電素子136,137(図34(c),(d)参照)であってもよい。

The ultrasonic transducers 41, 111 in the above embodiments were provided with disk-shaped piezoelectric elements 43, 112, but the piezoelectric elements may be elliptical plate-shaped piezoelectric elements 134, 135 (see Figures 34(a) and (b)), or oval plate-shaped piezoelectric elements 136, 137 (see Figures 34(c) and (d)).


・上記各実施形態の超音波振動子41,111では、溝部K1が全体的に空隙K0となっていた。しかし、圧電素子43,112の外周面53において溝部K1の両端が封止されていてもよい。例えば、図35に示されるように、圧電素子140の外周面53にテープ141を巻き付けることにより、各溝部K1の両端を封止するようにしてもよい。また、図36に示されるように、各溝部K1の両端を充填材142で埋めることにより、各溝部K1の両端を封止するようにしてもよい。さらに、充填材の密度が比較的低いものであれば、各溝部K1の全体を充填材で埋めてもよい。

In the ultrasonic transducers 41 and 111 of the above embodiments, the grooves K1 are entirely voids K0. However, both ends of the grooves K1 may be sealed on the outer peripheral surface 53 of the piezoelectric element 43 and 112. For example, as shown in FIG. 35, both ends of each groove K1 may be sealed by wrapping a tape 141 around the outer peripheral surface 53 of the piezoelectric element 140. Also, as shown in FIG. 36, both ends of each groove K1 may be sealed by filling both ends of each groove K1 with a filler 142. Furthermore, if the density of the filler is relatively low, the entire grooves K1 may be filled with the filler.


・上記第1実施形態では、外側振動部91の幅W1と内側振動部92の幅W2とが互いに異なっていたが、幅W1,W2は互いに等しくてもよい。また、上記各実施形態では、圧電素子43,112に形成された溝部K1の幅が互いに等しくなっていたが、溝部K1の幅は互いに異なっていてもよい。

In the first embodiment, the width W1 of the outer vibration portion 91 and the width W2 of the inner vibration portion 92 are different from each other, but the widths W1 and W2 may be equal to each other. Also, in each of the above embodiments, the widths of the grooves K1 formed in the piezoelectric elements 43 and 112 are equal to each other, but the widths of the grooves K1 may be different from each other.


・上記第1実施形態の圧電素子43は、分割された複数の振動部90が前面51側の端部において互いに繋がった構造を有していた。しかし、圧電素子は、複数の振動部が完全に分割された構造を有していてもよい。この場合、各振動部を基材42に対してそれぞれ貼付することにより、超音波振動子が構成される。

The piezoelectric element 43 in the first embodiment has a structure in which the divided vibration parts 90 are connected to each other at the end on the front surface 51 side. However, the piezoelectric element may have a structure in which the vibration parts are completely divided. In this case, the ultrasonic transducer is formed by attaching each vibration part to the base material 42.


・上記第1実施形態では、複数の振動部90の表面93a,93b上に背面側電極55が形成され、複数の背面側電極55の各々を架け渡すようにして線材60が接合されていた。しかし、線材60を接合する代わりに、帯状の導電性部材である金属箔143(例えば、銅箔、黄銅箔、アルミニウム箔など)を、はんだ等の導電金属や、従来周知の導電性フィラーを含む接着剤などにより、複数の背面側電極55の各々を架け渡すように貼付してもよい(図37参照)。さらに、金属箔143を貼付する代わりに、接着層を有する帯状の導電性部材である導電テープ(図示略)を、複数の背面側電極55の各々を架け渡すように貼付してもよい。また、複数の背面側電極55の各々を架け渡すようにして、線材60及び金属箔143の両方を接合してもよい。

In the first embodiment, the rear electrodes 55 are formed on the surfaces 93a and 93b of the vibration parts 90, and the wires 60 are joined so as to bridge each of the rear electrodes 55. However, instead of joining the wires 60, a metal foil 143 (e.g., copper foil, brass foil, aluminum foil, etc.) which is a strip-shaped conductive member may be attached so as to bridge each of the rear electrodes 55 by a conductive metal such as solder or an adhesive containing a conventionally known conductive filler (see FIG. 37). Furthermore, instead of attaching the metal foil 143, a conductive tape (not shown) which is a strip-shaped conductive member having an adhesive layer may be attached so as to bridge each of the rear electrodes 55. In addition, both the wires 60 and the metal foil 143 may be joined so as to bridge each of the rear electrodes 55.


・上記第2実施形態では、超音波振動子111の駆動態様が部分駆動モードに切り替えられた場合に、圧電素子112の中心領域に位置する4つの振動部113aを駆動していた。しかし、駆動態様が部分駆動モードに切り替えられた際に、圧電素子112の中心領域に位置する1つ以上3つ以下の振動部113aを駆動してもよいし、圧電素子112の中心領域に位置する5つ以上の振動部113を駆動してもよい。

In the second embodiment, when the drive mode of the ultrasonic transducer 111 is switched to the partial drive mode, four vibration parts 113a located in the central region of the piezoelectric element 112 are driven. However, when the drive mode is switched to the partial drive mode, one to three vibration parts 113a located in the central region of the piezoelectric element 112 may be driven, or five or more vibration parts 113 located in the central region of the piezoelectric element 112 may be driven.


・上記第2実施形態の部分駆動モードは、圧電素子112の中心領域に位置する振動部113aに交流電圧を印加して駆動し、圧電素子112の両端部に位置する振動部113b,113cに電圧を印加しない態様となっていた。しかし、部分駆動モードは、両側部の振動部113b,113cに対して中央領域の振動部113aよりも低い電圧を印加する態様であってもよいし、中央領域の振動部113aとは異なる位相で両側部の振動部113b,113cに電圧を印加する態様であってもよい。

The partial drive mode of the second embodiment described above is a mode in which an AC voltage is applied to the vibration portion 113a located in the central region of the piezoelectric element 112 to drive it, and no voltage is applied to the vibration portions 113b, 113c located at both ends of the piezoelectric element 112. However, the partial drive mode may be a mode in which a voltage lower than that applied to the vibration portion 113a in the central region is applied to the vibration portions 113b, 113c on both sides, or a mode in which a voltage is applied to the vibration portions 113b, 113c on both sides in a phase different from that of the vibration portion 113a in the central region.


・上記各実施形態の超音波振動子41,111では、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)からなる圧電素子43,112を用いたが、圧電素子43,112の形成材料は特に限定されるものではない。例えば、ニオブ酸カリウムナトリウム系(ニオブ酸アルカリ系)、チタン酸バリウム系、PMN-PT(Pb(Mg
1/3Nb2/3)O-PbTiO)単結晶、PZNT(Pb(Zn1/3Nb2/3)O-PbTiO)単結晶、LiNbO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。

In the ultrasonic transducers 41 and 111 of the above embodiments, the piezoelectric elements 43 and 112 are made of lead zirconate titanate (PZT), but the material for forming the piezoelectric elements 43 and 112 is not particularly limited. For example, potassium sodium niobate (alkali niobate), barium titanate, PMN-PT (Pb(Mg
Alternatively , a piezoelectric element made of piezoelectric ceramics such as Pb(Zn 1/3 Nb 2/3 )O 3 —PbTiO 3 ) single crystal , PZNT (Pb(Zn 1/3 Nb 2/3 )O 3 —PbTiO 3 ) single crystal, or LiNbO 3 single crystal may be used.

・上記第1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に設けられたネジ穴部47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。In the first embodiment, the ultrasonic transducer 41 is fixed to the case 40 by inserting the tip of a screw through the screw hole 45 on the base material 42 into the screw hole 47 on the case 40 while the piezoelectric element 43 is housed in the case 40. However, the ultrasonic transducer 41 may be fixed to the case 40 by other methods. For example, the ultrasonic transducer 41 may be fixed to the case 40 using an adhesive.

・上記第1実施形態では、音響整合層を兼ねる基材42と、基材42に対して接合された圧電素子43とからなる超音波振動子41が用いられていたが、圧電素子43のみからなる超音波振動子を用いてもよい。 - In the first embodiment described above, an ultrasonic transducer 41 was used that consisted of a substrate 42 that also served as an acoustic matching layer and a piezoelectric element 43 bonded to the substrate 42, but an ultrasonic transducer consisting only of a piezoelectric element 43 may also be used.

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。Next, in addition to the technical ideas described in the claims, the technical ideas grasped by the above-mentioned embodiments are listed below.

(1)請求項1乃至6のいずれか1項において、前記振動部の長さの最大値は、前記圧電素子の外径と等しいことを特徴とするソナー。(1) A sonar according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the maximum length of the vibrating part is equal to the outer diameter of the piezoelectric element.

(2)請求項1乃至6のいずれか1項において、前記振動部の長さの最小値は、前記振動部の高さよりも大きいことを特徴とするソナー。(2) A sonar according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the minimum length of the vibrating part is greater than the height of the vibrating part.

(3)請求項1乃至6のいずれか1項において、前記振動部の高さは、前記振動部の幅よりも大きいことを特徴とするソナー。(3) A sonar according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the height of the vibrating part is greater than the width of the vibrating part.

(4)請求項1乃至6のいずれか1項において、前記溝部の幅は、前記振動部の幅よりも小さいことを特徴とするソナー。(4) A sonar according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the width of the groove portion is smaller than the width of the vibration portion.

(5)請求項1乃至6のいずれか1項において、前記振動部の幅をWとし、前記圧電素子の外径の最小値をLとしたとき、W/L≦0.1の関係を満たすことを特徴とするソナー。(5) A sonar according to any one of claims 1 to 6, characterized in that, when the width of the vibrating part is W and the minimum outer diameter of the piezoelectric element is L, the relationship W/L≦0.1 is satisfied.

(6)請求項1乃至6のいずれか1項において、前記超音波振動子は、音響整合層を兼ねる略円板状の基材を備え、前記基材に、前記圧電素子の前記前面が接合され、複数の前記振動部が、前記圧電素子の前記前面側の端部において互いに繋がっていることを特徴とするソナー。(6) A sonar according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the ultrasonic transducer has a substantially circular substrate that also serves as an acoustic matching layer, the front surface of the piezoelectric element is joined to the substrate, and the multiple vibration parts are connected to each other at the ends on the front surface side of the piezoelectric element.

(7)請求項1乃至6のいずれか1項において、複数の前記振動部が、一対の外側振動部と、前記一対の外側振動部間に配置される複数の内側振動部とにより構成され、前記外側振動部の幅が前記内側振動部の幅よりも大きくなっていることを特徴とするソナー。(7) A sonar according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the plurality of vibration parts are composed of a pair of outer vibration parts and a plurality of inner vibration parts arranged between the pair of outer vibration parts, and the width of the outer vibration parts is larger than the width of the inner vibration parts.

(8)請求項3または4において、前記圧電素子の中心領域に位置する前記振動部に接続される電気経路と、それ以外の前記振動部に接続される電気経路とが、互いに別系統となっていることを特徴とするソナー。(8) A sonar according to claim 3 or 4, characterized in that the electrical path connected to the vibration part located in the central region of the piezoelectric element and the electrical path connected to the vibration part other than that are separate systems.

11…ソナー
30…駆動機構
31a…回転軸
36…傾動軸
41,111,131,132,133…超音波振動子
43,112,134,135,136,137,140…圧電素子
51…圧電素子の前面
52…圧電素子の背面
90,113,113a,113b,113c…振動部
91,114…振動部としての外側振動部
92,115…振動部としての内側振動部
H3…圧電素子の厚さ
K1,K2,K3,K4…溝部
O1…圧電素子の中心
U1…超音波
W…振動部の幅
11...Sonar 30...Drive mechanism 31a...Rotation axis 36...Tilting axis 41, 111, 131, 132, 133...Ultrasonic transducer 43, 112, 134, 135, 136, 137, 140...Piezoelectric element 51...Front surface 52 of piezoelectric element...Back surface 90, 113, 113a, 113b, 113c...Vibration section 91, 114...Outer vibration section 92, 115 as vibration section...Inner vibration section H3 as vibration section...Thickness of piezoelectric element K1, K2, K3, K4...Groove section O1...Center of piezoelectric element U1...Ultrasonic wave W...Width of vibration section

Claims (1)

超音波を送受信する超音波振動子と、鉛直方向を向いた回転軸を中心とした旋回運動及び前記回転軸に直交する傾動軸を中心とした傾動運動を前記超音波振動子に行わせる駆動機構とを備えたソナーであって、
前記超音波振動子は、前面及びその反対側にある背面を有する略円板状の圧電素子を備え、
前記圧電素子には、互いに交差しないように面方向に延びる溝部が複数形成されるとともに、前記溝部を介して複数の帯状の振動部が配設され、
前記圧電素子の中心からの距離が遠くなる程、前記振動部の長さが短くなっており、
前記溝部が前記傾動軸に対して60°以上120°以下の角度をなすように、前記超音波振動子が配設されており、
前記超音波振動子は、音響整合層を兼ねる略円板状の基材を備え、前記基材に、前記圧電素子の前記前面が接合され、複数の前記振動部が、前記圧電素子の前記前面側の端部において互いに繋がっており、
複数の前記振動部が、前記圧電素子の中心からの距離が最も遠い一対の外側振動部と、前記一対の外側振動部間に配置される複数の内側振動部とにより構成され、前記外側振動部の幅が前記内側振動部の幅よりも大きくなっており、
前記超音波振動子は、超音波を伝搬させる超音波伝搬液体が充填された収容するソナードーム内に収容されるとともに、前記超音波伝搬液体の一部が、空隙状である前記溝部に流入することで前記溝部を満たしている
ことを特徴とするソナー。
A sonar comprising an ultrasonic transducer for transmitting and receiving ultrasonic waves, and a drive mechanism for causing the ultrasonic transducer to perform a rotational motion about a rotation axis oriented in a vertical direction and a tilting motion about a tilting axis perpendicular to the rotation axis,
The ultrasonic transducer includes a substantially disk-shaped piezoelectric element having a front surface and an opposite back surface;
The piezoelectric element has a plurality of grooves extending in a planar direction so as not to intersect with each other, and a plurality of band-shaped vibration parts are disposed via the grooves;
The longer the distance from the center of the piezoelectric element, the shorter the length of the vibration part.
The ultrasonic transducer is disposed so that the groove portion forms an angle of 60° or more and 120° or less with respect to the tilt axis,
The ultrasonic transducer includes a substantially disk-shaped base material that also serves as an acoustic matching layer, the front surface of the piezoelectric element is bonded to the base material, and the vibration parts are connected to each other at the end portions on the front surface side of the piezoelectric element,
the plurality of vibration parts are composed of a pair of outer vibration parts that are farthest from the center of the piezoelectric element, and a plurality of inner vibration parts that are disposed between the pair of outer vibration parts, and the width of the outer vibration parts is larger than the width of the inner vibration parts,
The ultrasonic transducer is housed in a sonar dome filled with an ultrasonic propagation liquid that propagates ultrasonic waves, and a portion of the ultrasonic propagation liquid flows into the groove, which is a gap, thereby filling the groove.
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