JP7261429B2 - ソナー、超音波振動子及びその製造方法 - Google Patents

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、ソナーに好適な超音波振動子及びその製造方法に関するものである。

従来、超音波の送受信によって魚群などの被探知物を探知するソナーが知られている（例えば、特許文献１参照）。ソナーは、超音波を送受信する超音波振動子と、超音波振動子の中心軸を傾斜及び回転させる機構とを有しており、超音波振動子を回転させながら超音波の送受信を行うことにより、水中を探知するようになっている。そして、水中を探知した探知結果は、探知画像として画面に表示される。なお、超音波振動子は、一般的に、円板状の圧電素子と、圧電素子の照射面に接合された音響整合層とを備えている。

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。また、超音波振動子を高電圧で駆動することにより、送波音圧を高める必要もある。なお、超音波振動子を高感度にする手法としては、図２１，図２２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、分割された複数の柱部１０３により構成し、かつ隣接する柱部１０３間に樹脂材料１０４を充填したコンポジット構造にすることが提案されている（例えば、特許文献２～４参照）。このようにすれば、振動部である各柱部１０３のそれぞれが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。

特許第５９７９５３７号公報（請求項１、図４等） 特開２００２－２２７１８号公報（図１等） 特開２０１８－１１３２７９号公報（図１，図４等） ＷＯ２０１１／０８３６１１号公報（図３等）

ところで、超音波振動子１０１から超音波を送受信するためには、圧電素子１０２の両面側に電極１０５を形成し、両電極１０５間に電圧を印加することが必要である。ところが、特許文献２～４のようなコンポジット構造の超音波振動子１０１を用いたとしても、水深５００ｍ以上といった距離にいる魚群からの反射を捉えるためには、超音波振動子１０１を１．５ｋＶ程度の高電圧で駆動する必要がある。しかし、特許文献２～４のような従来の構造では、超音波振動子１０１を１．５ｋＶで長期間に亘って連続駆動させると、電極１０５が損傷して圧電素子１０２から剥離してしまい、感度が低下してしまうという問題がある。

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、圧電素子と電極部分との接合強度を高めることにより、感度低下を防止することができるソナー及び超音波振動子を提供することにある。また、別の目的は、作りやすく、歩留まりが高い超音波振動子の製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、超音波を送受信する超音波振動子と、前記超音波振動子の中心軸を傾斜及び回転させる機構とを有するソナーであって、前記超音波振動子は、音響整合層を兼ねる基材と、分割された複数の振動部により構成され、かつ前記基材に対して接合された前面及びその反対側にある背面を有するセラミックス製板状物からなる圧電素子とを備え、前記圧電素子の前記背面上に、導電メッシュが前記背面の全域に亘って配置されるとともに、前記導電メッシュは、縦横のワイヤが編み込まれることにより網目を構成するとともに、厚さ方向に起伏した形状を有し、前記縦横のワイヤ同士の交差部と前記振動部の端面とが接触した状態で、前記導電メッシュが接合材を介して前記圧電素子に接合されていることを特徴とするソナーをその要旨とする。

従って、請求項１に記載の発明によると、電極部分である導電メッシュと圧電素子との間に接合材が介在するのに加えて、接合材が導電メッシュの孔部にも入り込むことにより、導電メッシュが圧電素子に接合される。その結果、圧電素子と導電メッシュとの接合強度が高くなるため、たとえ超音波振動子を長期間に亘って連続駆動させたとしても、圧電素子から導電メッシュが剥離しにくくなる。よって、超音波振動子の感度低下を防止することができる。

なお、接合材としては、接合力が比較的強固なエポキシ系接着剤等の接着剤を用いることができる。なお、接着剤を用いる代わりに、はんだ等のロウ材を用いてもよい。

請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記導電メッシュは、平織りの金網であることをその要旨とする。

従って、請求項２に記載の発明によると、導電メッシュの網目を構成する縦横のワイヤが編み込まれることにより、ワイヤが上下に起伏した形状となる。その結果、縦横のワイヤ同士の交差部と振動部の端面との接触圧が大きくなるため、導電メッシュを確実に電極として機能させることができる。また、導電メッシュには、細かい網目が密集しているため、網目の隙間に接合材が入り込みやすい。従って、圧電素子と導電メッシュとの接合強度がよりいっそう高くなる。なお、導電メッシュの形成材料としては、銅や銀などの電気抵抗が小さい金属線材を挙げることができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２において、前記接合材は、前記導電メッシュにおける前記網目の隙間及び前記複数の振動部間の空隙の双方に入り込んだ状態で固化することにより、前記導電メッシュを前記複数の振動部の端面に接合させていることをその要旨とする。

従って、請求項３に記載の発明によると、接合材が、導電メッシュにおける網目の隙間及び複数の振動部間の空隙の双方に入り込むことによって得られるアンカー効果により、圧電素子と導電メッシュとの接合強度がよりいっそう高くなる。その結果、圧電素子からの導電メッシュの剥離が確実に防止されるため、超音波振動子の信頼性が飛躍的に向上する。

請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか１項において、前記複数の振動部は、前記圧電素子の厚さ方向に沿って延びるように分割された複数の柱部であることをその要旨とする。

従って、請求項４に記載の発明によると、複数の振動部が、圧電素子の厚さ方向に沿って延びるように分割された複数の柱部であるため、各柱部のそれぞれが高さ方向に変形しやすくなる。その結果、圧電素子が各部位において厚さ方向に変形しやすくなり、圧電素子が振動しやすくなるため、圧電素子の背面上に導電メッシュを配置したとしても、導電メッシュが剥離しやすくなる。そこで、導電メッシュを接合材を介して圧電素子の背面に接合することにより、導電メッシュの剥離を確実に防止することができる。なお、本明細書では、「柱部」を、振動部を圧電素子の厚さ方向から見たときの最大寸法が振動部の高さ以下となるものと定義する。

請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４において、前記複数の振動部が、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その要旨とする。

従って、請求項５に記載の発明によると、圧電素子を複数の振動部に分割した構成であっても、圧電素子の前面側の端部において振動部同士が繋がる部分の厚さが確保される。従って、圧電素子の強度を確保することができる。

請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５において、前記導電メッシュの前記網目の寸法は、前記振動部を前記圧電素子の厚さ方向から見たときの最大寸法よりも細かいことをその要旨とする。

従って、請求項６に記載の発明によると、導電メッシュの網目を構成するワイヤが、各振動部の端面の１つ１つに確実に接触する。つまり、個々の端面内に、接触点が複数存在することとなる。従って、導電メッシュを圧電素子に接合させることにより、導電メッシュが、確実に各振動部の端面の共通電極となる。

ここで、振動部の端面の形状としては、平面視多角形状や平面視円形状などを挙げることができる。振動部が、例えば平面視四角形状や平面視六角形状に代表される平面視多角形状をなす場合、振動部を厚さ方向から見たときの最大寸法は、振動部の端面（背面）の対角線の長さとなる。また、振動部が平面視円形状をなす場合、振動部を厚さ方向から見たときの最大寸法は、振動部の端面の直径の大きさとなる。

請求項７に記載の発明は、請求項１乃至６のいずれか１項において、前記圧電素子の前記前面が前面側電極層を介して前記基材に接合され、前記前面側電極層は、均一な厚さのプレーン電極層であることをその要旨とする。

従って、請求項７に記載の発明によると、前面側電極層がプレーン電極層であるため、圧電素子と前面側電極層との接触面積が大きくなるとともに、前面側電極層と基材との接触面積が大きくなる。よって、圧電素子と基材との接合強度が向上する。

なお、基材は、固有音響インピーダンス、超音波の周波数、機械的強度等を考慮して適宜選択することができる。基材の好適な形成材料としては、例えば、ガラスエポキシ（ＦＲ－４）、ガラスエポキシ（ＣＥＭ－３）、ポリフェニルサルファイド（ＰＰＳ）、ジュラトロン（ＱＵＡＤＲＡＮＴグループの登録商標）、フルオロシント（ＱＵＡＤＲＡＮＴグループの登録商標）、アルミナの多孔体などを挙げることができる。

請求項８に記載の発明は、超音波を送受信する超音波振動子であって、音響整合層を兼ねる基材と、分割された複数の振動部により構成され、かつ前記基材に対して接合された前面及びその反対側にある背面を有するセラミックス製板状物からなる圧電素子とを備え、前記圧電素子の前記背面上に、導電メッシュが前記背面の全域に亘って配置されるとともに、前記導電メッシュは、縦横のワイヤが編み込まれることにより網目を構成するとともに、厚さ方向に起伏した形状を有し、前記縦横のワイヤ同士の交差部と前記振動部の端面とが接触した状態で、前記導電メッシュが接合材を介して前記圧電素子に接合されていることを特徴とする超音波振動子をその要旨とする。

従って、請求項８に記載の発明によると、電極部分である導電メッシュと圧電素子との間に接合材が介在するのに加えて、接合材が導電メッシュの孔部にも入り込むことにより、導電メッシュが圧電素子に接合される。その結果、圧電素子と導電メッシュとの接合強度が高くなるため、たとえ超音波振動子を長期間に亘って連続駆動させたとしても、圧電素子から導電メッシュが剥離しにくくなる。よって、超音波振動子の感度低下を防止することができる。

請求項９に記載の発明は、請求項８に記載の超音波振動子の製造方法であって、前記基材の片面に、前記圧電素子となるべきセラミックス製板状物を接合する接合工程と、前記接合工程後、前記セラミックス製板状物における前記背面側に複数の切り込みを形成することにより、前記前面側の端部において互いに繋がった状態で前記セラミックス製板状物を前記複数の振動部に分割する振動部形成工程と、前記振動部形成工程後、前記圧電素子の前記背面上に導電メッシュを前記複数の振動部の端面に接触させるようにして配置し、この状態で接合材を介して前記導電メッシュを接合するメッシュ設置工程とを含むことを特徴とする超音波振動子の製造方法をその要旨とする。

従って、請求項９に記載の発明によると、セラミックス製板状物に切り込みを形成する前に、セラミックス製板状物を基材に接合するため、振動部形成工程を行う際には基材がセラミックス製板状物の「支持体」となる。その結果、切り込みを形成したとしてもセラミックス製板状物が破損しにくくなる。また、セラミックス製板状物のかなり深い位置まで切り込みを形成することができる。さらに、切り込みを形成することによってセラミックス製板状物の背面が分割された後に、導電メッシュを各振動部の端面に接触させるように配置するメッシュ設置工程を行うため、導電メッシュを配置するだけで、複数の端面と容易にコンタクトをとることができる。さらに、メッシュ設置工程において、接合材を介して導電メッシュを圧電素子に接合する際には、接合材が、導電メッシュにおける網目の隙間及び複数の振動部間の空隙の双方に入り込みやすくなるため、圧電素子と導電メッシュの接合強度が高くなる。しかも、接合材が各振動部間の空隙に入り込むことにより、振動部同士が接合材によって破損しにくくなるように支持される。つまり、切り込みを形成しやすくなるとともに導電メッシュを接合しやすくなるため、超音波振動子を作りやすくなる。また、超音波振動子を作りやすくなるとともに破損しにくくなることで不良品の発生率が低下するため、超音波振動子の歩留まりも高くなる。

以上詳述したように、請求項１～８に記載の発明によると、圧電素子と電極部分との接合強度を高めることにより、超音波振動子の感度低下を防止することができる。また、請求項９に記載の発明によると、作りやすく、歩留まりが高い超音波振動子を製造することができる。

本実施形態のソナーが搭載された船舶を示す説明図。 ソナー、昇降装置及び液晶モニターを示す概略構成図。 ソナーを示す概略断面図。 ソナーを示す概略断面図。 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。 超音波振動子を示す平面図。 超音波振動子を示す側面図。 柱部を示す断面図。 柱部を示す斜視図。 ソナーの電気的構成を示すブロック図。 （ａ）は伸長時の柱部を示す断面図、（ｂ）は収縮時の柱部を示す断面図。 超音波振動子の連続駆動による静電容量の変化を示すグラフ。 超音波振動子の連続駆動による送受感度積の変化を示すグラフ。 比較例１において、ランニング試験による感度変化を示すグラフ。 １－３コンポジット構造の圧電素子を示す概略斜視図。 ２－２コンポジット構造の圧電素子を示す概略斜視図。 他の実施形態における超音波振動子を示す要部断面図。 パンチングメッシュを示す要部平面図。 他の実施形態における超音波振動子を示す概略平面図。 他の実施形態において、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。 従来技術における圧電素子を示す要部平面図。 従来技術における柱部を示す断面図。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に基づき詳細に説明する。

図１に示されるように、本実施形態のソナー１１は、船舶１０の船底部に搭載されて使用される。ソナー１１は、水中に超音波Ｗ１を照射することにより、水中に存在する魚群などの被探知物Ｓ１を探知する装置である。また、図２に示されるように、ソナー１１は昇降装置１２に取り付けられている。昇降装置１２は、ソナー１１を昇降させることにより、船底から水中に対してソナー１１を出没させる装置である。さらに、ソナー１１及び昇降装置１２には、液晶モニター１３が電気的に接続されている。液晶モニター１３は、船舶１０の操舵室内に設置されており、操作部１４及び表示部１５を有している。

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。

また、ソナードーム２０には、超音波Ｗ１を送受信する超音波振動子４１と、超音波振動子４１の中心軸Ｏ１を傾斜及び回転させる傾斜回転機構３０とが収容されている。傾斜回転機構３０は、スキャンモータ３１、チルトモータ３２、及び、超音波振動子４１を収容するケース４０等を備えている。スキャンモータ３１は、上側収容空間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の出力軸３１ａは、蓋体２３の中央部に設けられた貫通孔３３を挿通し、下側収容空間２５内に突出している。さらに、出力軸３１ａの先端は、円板状をなす支持板３４の中央部に接続され、支持板３４の下面には支持フレーム３５が取り付けられている。支持フレーム３５は、一対の腕部３５ａを有するコ字状をなしている。

また、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おり、支持フレーム３５の両腕部３５ａ間を繋ぐ回転軸３６に取り付けられている。よって、スキャンモータ３１の出力軸３１ａが回転すると、支持板３４、支持フレーム３５、ケース４０及び超音波振動子４１（の中心軸Ｏ１）は、出力軸３１ａを中心として回転する。これに伴い、超音波振動子４１から出力される超音波Ｗ１の照射方向は、出力軸３１ａの周方向に沿って変化する。

また、チルトモータ３２は、支持フレーム３５の上端部に取り付けられている。本実施形態のチルトモータ３２としては、ステッピングモータが用いられている。チルトモータ３２の出力軸３２ａは、回転軸３６と平行に配置されており、その先端部にはピニオンギヤ３２ｂが取り付けられている。ピニオンギヤ３２ｂは、ケース４０に取り付けられた略半円状のチルト歯車３７に噛合している。よって、チルトモータ３２の出力軸３２ａが回転すると、ピニオンギヤ３２ｂ及びチルト歯車３７が回動するのに伴い、ケース４０及び超音波振動子４１（の中心軸Ｏ１）が回転軸３６を中心として傾斜（回転）する。これに伴い、超音波振動子４１から出力される超音波Ｗ１の照射角度も、超音波振動子４１の回転に伴って変化する。

図５～図７に示されるように、超音波振動子４１は、基材４２及び圧電素子４３を備えている。基材４２は、音響整合層を兼ねる材料であるガラスエポキシ（ＦＲ－４）を用いて形成された樹脂製板状物であり、厚さｔ２（図７参照）が３．０ｍｍの円板状をなしている。また、基材４２の固有音響インピーダンスは、２．３×１０^６（Ｐａ・ｓ／ｍ）以上１４×１０^６（Ｐａ・ｓ／ｍ）以下、好ましくは３×１０^６（Ｐａ・ｓ／ｍ）以上９×１０^６（Ｐａ・ｓ／ｍ）以下となっている。このようにすれば、基材４２と圧電素子４３との境界部分での超音波Ｗ１の透過率が高まるため、超音波振動子４１の送受感度がより高くなる。

そして、図６，図７に示されるように、基材４２の外周部には４つの張出部４４が設けられ、各張出部４４にはそれぞれネジ孔４５が設けられている。各ネジ孔４５は、超音波振動子４１の中心軸Ｏ１を基準として等角度間隔で配置されている。そして、各ネジ孔４５にネジ（図示略）を挿通させ、挿通したネジの先端部をケース４０に螺着させる。その結果、超音波振動子４１がケース４０に固定される（図５参照）。

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セラミックス製板状物であり、固有音響インピーダンスが３２×１０^６（Ｐａ・ｓ／ｍ）となっている。この圧電素子４３は、厚さｔ１（図７参照）が７．２ｍｍの円板状をなしている。なお、圧電素子４３の外径は基材４２の外径よりも小さいため、圧電素子４３の面積は基材４２の面積よりも小さくなる。また、圧電素子４３は、基材４２に対して接合された前面５１と、前面５１の反対側にある背面５２と、前面５１及び背面５２に直交する外周面５３とを有している。さらに、図５，図８に示されるように、圧電素子４３の前面５１には前面側電極層５４が形成され、圧電素子４３の背面５２には背面側電極層５５が形成されている。なお、本実施形態では、圧電素子４３の前面５１の全体が、前面側電極層５４及び接着層５６（図８参照）を介して基材４２に接合されており、前面側電極層５４は、均一な厚さのプレーン電極層である。

図５～図９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柱部５７（振動部）により構成されている。各柱部５７は、複数の第１切り込みＫ１と、各第１切り込みＫ１に直交する複数の第２切り込みＫ２とを、圧電素子４３における背面５２に形成することにより構成される。本実施形態では、各第１切り込みＫ１が互いに平行に配置されるとともに、各第２切り込みＫ２も互いに平行に配置されている。よって、各柱部５７のうち、外周面５３を構成しない柱部５７は、正四角柱状に形成される。また、各柱部５７は、Ｘ方向（図６参照）に沿って一直線上に配置されるとともに、Ｙ方向（図６参照）に沿っても一直線上に配置されている。

また、各柱部５７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。柱部５７の高さＨ１（厚さ）は、切り込みＫ１，Ｋ２の深さと等しくなっている。ここで、高さＨ１は、６．７ｍｍであり、圧電素子４３の厚さｔ１（７．２ｍｍ）の約９３％（≒６．７／７．２×１００）である。よって、上述した基材４２の厚さｔ２（３．０ｍｍ）は、柱部５７の高さＨ１よりも小さくなっている。さらに、圧電素子４３において柱部５７同士が繋がる部分の厚さＨ２は、ｔ１－Ｈ１の式から算出される値であり、基材４２の厚さｔ２よりも小さくなっている。

図６～図９に示されるように、柱部５７の先端面５８（背面５２）は、平面視正方形状をなしており、先端面５８を構成する各辺の長さＬ１，Ｌ２は、互いに等しく、それぞれ２．４ｍｍとなっている。なお、上述した切り込みＫ１，Ｋ２の幅は、互いに等しく、長さＬ１，Ｌ２の１００％以下、好ましくは１７％以上３０％以下となる。また、先端面５８の対角線の長さは約３．３９ｍｍとなり、この対角線の長さが、柱部５７を厚さ方向から見たときの最大寸法Ｌ３（図９参照）となる。なお、最大寸法Ｌ３は、柱部５７の高さＨ１の８０％以下、好ましくは６０％以下（本実施形態では約５１％（≒３．３９／６．７×１００））となる。この場合、柱部５７の撓み振動が小さくなるため、各柱部５７を、圧電素子４３の厚さ方向に沿って振動させやすくなる。さらに、各柱部５７の先端面５８の面積の合計は、圧電素子４３の前面５１（背面５２）の面積の２５％以上８０％以下、６０％以上８０％以下となっている。

さらに、本実施形態の圧電素子４３は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）によって形成されており、感度が最大となる超音波Ｗ１の中心周波数が１６０ｋＨｚ以上２００ｋＨｚ以下、周波数帯域幅と中心周波数との比（比帯域）が２７％以上５２％以下となっている。そして、本実施形態では、圧電素子４３内を伝搬する縦波（超音波Ｗ１）の音速ｃ１（４１６０ｍ／ｓ）、基材４２内を伝搬する縦波（超音波Ｗ１）の音速ｃ２（２４６０ｍ／ｓ）、圧電素子４３の厚さｔ１（７．２ｍｍ）、基材４２の厚さｔ２（３．０ｍｍ）が、（ｃ２×ｔ１）／（ｃ１×ｔ２）＝０．８以上１．７以下の関係を満たしている。このようにすれば、超音波Ｗ１の比帯域を広くすることができ、超音波振動子４１の感度も高くなる。

図５，図６，図８，図９に示されるように、圧電素子４３の背面５２上には、銅メッシュ９１（導電メッシュ）が背面５２の全域に亘って配置されている。本実施形態の銅メッシュ９１は、平織りの金網であり、複数の網目９２により構成されている。各網目９２は、平面視正方形状をなしており、一対の第１ワイヤ９３と、両第１ワイヤ９３に直交する一対の第２ワイヤ９４とによって構成されている。各第１ワイヤ９３は、Ｘ方向（図６参照）に沿って延びる銅線であり、互いに平行に配置されている。また、隣接する第１ワイヤ９３間のピッチｐ１（図９参照）は、隣接する第１切り込みＫ１間のピッチＰ１の３分の１以下であって、先端面５８を構成する辺の長さＬ１（２．４ｍｍ）の５分の１程度である。同様に、各第２ワイヤ９４も、Ｙ方向（図６参照）に沿って延びる銅線であり、互いに平行に配置されている。また、隣接する第２ワイヤ９４間のピッチｐ２（図９参照）は、隣接する第２切り込みＫ２間のピッチＰ２の３分の１以下であって、先端面５８を構成する辺の長さＬ２（２．４ｍｍ）の５分の１程度である。よって、網目９２の寸法（ピッチｐ１，ｐ２）は、互いに等しく、かつ柱部５７を厚さ方向から見たときの最大寸法Ｌ３（約３．３９ｍｍ）よりも細かくなっている。また、各網目９２の隙間の面積の合計は、圧電素子４３の背面５２（前面５１）の面積の１０％以上３０％以下となっている。

図８に示されるように、銅メッシュ９１は、縦横のワイヤ９３，９４が編み込まれることにより、ワイヤ９３，９４が上下に起伏した形状となっている。よって、銅メッシュ９１は、第１ワイヤ９３と第２ワイヤ９４との交差部Ａ１（図９参照）が各柱部５７の先端面５８に接触した状態で、接合材９０（本実施形態ではエポキシ系接着剤）を介して背面５２上の背面側電極層５５に接合されている。また、接合材９０は、銅メッシュ９１における網目９２の隙間と、各柱部５７間の空隙Ｋ０（切り込みＫ１，Ｋ２）の一部（圧電素子４３の背面５２側開口部）との双方に入り込んだ状態で固化することにより、銅メッシュ９１を各柱部５７の先端面５８に接合させている。その結果、各柱部５７の先端面５８にある背面側電極層５５の１つ１つに対して、複数（本実施形態では３６個）の交差部Ａ１が確実に接触するため、銅メッシュ９１の接合により、銅メッシュ９１は、各柱部５７の先端面５８の共通電極となる。

そして、図５に示されるように、前面側電極層５４には第１のリード線６２が接続され、銅メッシュ９１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、前面電極層５４から外側に延出された側面端子（図示略）に対してはんだ付けなどにより接続されている。第２のリード線６３は、銅メッシュ９１の外周部に対してはんだ付けなどにより接続されている。そして、第１のリード線６２及び第２のリード線６３は、配線チューブ６４によって結束され、ケース４０外に引き出される。なお、第１のリード線６２は側面端子に接続されているが、前面側電極層５４上または基材４２の表面４２ａに銅箔等の金属箔（図示略）を貼付し、金属箔に対して第１のリード線６２をはんだ付けなどにより接続してもよい。また、銅メッシュ９１の上には、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。

そして、図３，図４に示されるソナードーム２０内には、超音波Ｗ１を伝搬させる超音波伝搬液体（図示略）が充填されている。また、超音波伝搬液体の一部は、ケース４０に設けられた液体通路（図示略）を介してケース４０内に流入し、圧電素子４３において隣接する柱部５７間の空隙Ｋ０（切り込みＫ１，Ｋ２）に流入し、空隙Ｋ０を満たしている。なお、本実施形態の超音波伝搬液体は、流動パラフィンであり、固有音響インピーダンスが１．２×１０^６（Ｐａ・ｓ／ｍ）となっている。よって、上述した基材４２の固有音響インピーダンス（２．３～１４×１０^６（Ｐａ・ｓ／ｍ））は、圧電素子４３の固有音響インピーダンス（３２×１０^６（Ｐａ・ｓ／ｍ））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（１．５×１０^６（Ｐａ・ｓ／ｍ））よりも大きくなっている。

次に、ソナー１１の電気的構成について説明する。

図１０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。

ＣＰＵ７１は、モータドライバ８１を介してスキャンモータ３１及びチルトモータ３２に電気的に接続されており、各種の駆動信号によってそれらを制御する。また、ＣＰＵ７１は、送受信回路８２を介して超音波振動子４１に電気的に接続されている。送受信回路８２は、超音波振動子４１に対して発振信号を出力して、超音波振動子４１を駆動させるようになっている。その結果、超音波振動子４１は、超音波Ｗ１を水中に向けて照射（送信）する。また、送受信回路８２には、超音波振動子４１で受信した超音波Ｗ１（反射波Ｗ２）を示す電気信号が入力されるようになっている。さらに、ＣＰＵ７１は、昇降装置１２、操作部１４、表示部１５及びＧＰＳ（Global Positioning System ）受信部８３に対してそれぞれ電気的に接続されている。

そして、図１０に示されるＣＰＵ７１は、送受信回路８２に対して超音波振動子４１から超音波Ｗ１を照射させる制御を行うとともに、昇降装置１２を駆動させる制御を行う。ＣＰＵ７１は、モータドライバ８１に対してスキャンモータ３１及びチルトモータ３２をそれぞれ駆動させる制御を行う。ＣＰＵ７１には、ＧＰＳ受信部８３によって受信された船舶１０の位置情報が入力される。

また、ＣＰＵ７１は、超音波振動子４１が反射波Ｗ２を受信したことを契機として生成される受信信号を、送受信回路８２を介して受信する。そして、ＣＰＵ７１は、受信した受信信号に基づいて探知画像データを生成し、生成した探知画像データをＲＡＭ７３に記憶させる。ＣＰＵ７１は、ＲＡＭ７３に記憶された探知画像データに基づいて、探知画像を表示部１５に表示させる制御を行う。

次に、ソナー１１を用いて被探知物Ｓ１を探知する方法を説明する。

まず、ソナー１１、昇降装置１２及び液晶モニター１３の電源（図示略）をオンする。このとき、制御装置７０のＣＰＵ７１には、ＧＰＳ受信部８３から船舶１０の位置を示す位置情報が入力される。次に、ＣＰＵ７１は、送受信回路８２から超音波振動子４１に対して発振信号を出力させる制御を行い、超音波振動子４１を駆動させる。このとき、圧電素子４３の各柱部５７は、収縮（図１１（ｂ）参照）と伸長（図１１（ａ）参照）とを繰り返す。なお、柱部５７が高さ方向に収縮した際には、柱部５７が幅方向、具体的には、柱部５７の外周側（図１１（ｂ）の矢印Ｆ１参照）に逃げるように変形する。そして、柱部５７が高さ方向に伸長すると、柱部５７が幅方向、具体的には、柱部５７の中央部側（図１１（ａ）の矢印Ｆ２参照）に変形する。その結果、圧電素子４３が振動し、超音波振動子４１から水中に対して超音波Ｗ１が照射（送信）される。そして、超音波Ｗ１が被探知物Ｓ１（図１参照）に到達すると、超音波Ｗ１は、被探知物Ｓ１で反射して反射波Ｗ２となり、ソナー１１に向かって伝搬して超音波振動子４１に入力（受信）される。その後、超音波振動子４１が受信した超音波Ｗ１（反射波Ｗ２）は、受信信号に変換され、送受信回路８２を介してＣＰＵ７１に入力される。この時点で、被探知物Ｓ１が探知される。

また、ＣＰＵ７１は、モータドライバ８１を介してスキャンモータ３１を駆動させる制御を行い、超音波振動子４１の中心軸Ｏ１を回転させる。その結果、超音波Ｗ１の照射方向が徐々に変化し、これに伴って探知範囲も徐々に変化する。その後、作業者が電源をオフすると、制御装置７０により送受信回路８２が停止し、超音波Ｗ１の照射及び反射波Ｗ２の受信が終了する。

次に、超音波振動子４１の製造方法を説明する。

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

続く接合工程では、基材４２の片面に対して、セラミックス製板状物を前面側電極層５４を介して接合する。具体的には、前面側電極層５４の表面及び基材４２の表面４２ａのいずれか一方に対して、接着層５６となる接着剤（エポキシ系接着剤など）を塗布し、基材４２に対して圧電素子４３を接着固定する。なお、接着剤を塗布する代わりに、はんだ等を用いたロウ付けを行ってもよい。

接合工程後の柱部形成工程（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側に複数の切り込みＫ１，Ｋ２を形成する。このとき、セラミックス製板状物の厚さｔ１（７．２ｍｍ）の８０％以上１００％未満の深さとなるように、各切り込みＫ１，Ｋ２を形成する。その結果、セラミックス製板状物が複数の柱部５７に分割されるとともに、圧電素子４３の背面５２に形成された背面側電極層５５も複数（柱部５７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、各柱部５７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層５４までが分割されることはない。

柱部形成工程後のメッシュ設置工程では、圧電素子４３の背面５２上に銅メッシュ９１を配置し、銅メッシュ９１に押圧力を加えることにより、銅メッシュ９１を各柱部５７の先端面５８に接触させる。そして、接合材９０を、銅メッシュ９１における網目９２の隙間と、各柱部５７間の空隙Ｋ０（切り込みＫ１，Ｋ２）の一部との双方に入り込ませた状態で固化する。その結果、銅メッシュ９１が背面側電極層５５に接合し、銅メッシュ９１が各柱部５７の先端面５８の共通電極となる。この時点で、超音波振動子４１が完成する。

なお、超音波振動子４１が完成した後、前面側電極層５４に対して側面端子（図示略）を介して第１のリード線６２をはんだ付けなどにより接続するとともに、銅メッシュ９１に対して第２のリード線６３をはんだ付けなどにより接続する。次に、圧電素子４３の背面５２側に、残響を抑えるための防音材６５を貼付する。また、ケース４０の内側面にも防音材６５を貼付する。その後、超音波振動子４１の圧電素子４３をケース４０に収容する。そして、この状態で、基材４２に設けられた複数のネジ孔４５にネジ（図示略）を挿通させ、挿通したネジの先端部をケース４０に螺着させる。その結果、超音波振動子４１がケース４０に固定される（図５参照）。さらに、超音波振動子４１が固定されたケース４０を、ソナードーム２０内の回転軸３６に取り付ける。そして、ソナードーム２０内に超音波伝搬液体（図示略）を充填する。このとき、超音波伝搬液体の一部は、ケース４０に設けられた液体通路（図示略）を介してケース４０内に流入し、圧電素子４３において隣接する柱部５７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。

次に、超音波振動子の評価方法及びその結果を説明する。

本発明者らは、超音波振動子の好適な構造について、試作により確認した。まず、測定用サンプルを次のように準備した。圧電素子の背面（各柱部の先端面）上に銅メッシュ（共通電極）をエポキシ系接着剤（接合材）を介して接合することにより作製した超音波振動子（即ち、本実施形態の超音波振動子４１と同じ超音波振動子）を３つ準備し、これらを実施例１Ａ，１Ｂ，１Ｃ（実施例１）とした。一方、圧電素子の背面上に銅箔テープ（共通電極）を導電テープ（接合材）を介して接合することにより作製した超音波振動子を３つ準備し、これらを比較例１Ａ，１Ｂ，１Ｃ（比較例１）とした。また、圧電素子の背面上に銅箔（共通電極）をエポキシ系接着剤（接合材）を介して接合することにより作製した超音波振動子を３つ準備し、これらを比較例２Ａ，２Ｂ，２Ｃ（比較例２）とした。

次に、各測定用サンプル（実施例１Ａ～１Ｃ及び比較例１Ａ～１Ｃ，２Ａ～２Ｃ）に対してランニング試験を行った。具体的には、まず、実施例１Ａ～１Ｃ及び比較例１Ａ～１Ｃ，２Ａ～２Ｃの超音波振動子に対して１．５ｋＶｐｐの電圧を印加し、超音波振動子から１６０ｋＨｚの超音波（バースト波）を連続的に照射（送信）した。そして、０日（照射開始時）、１日、６日、１２日、２６日、５０日、８０日が経過する度に、圧電素子の静電容量を測定した。具体的に言うと、圧電素子に接続された２つのリード線６２，６３の端部において、ＬＣＲメータを用いて静電容量を測定した。実施例１Ａ～１Ｃ及び比較例１Ａ～１Ｃ，２Ａ～２Ｃにおける静電容量の値を表１に示す（表の数値の単位は（ｐＦ））。また、図１２のグラフは、実施例１（「●」参照）、比較例１（「▲」参照）及び比較例２（「■」参照）における静電容量の変化を示している。

その結果、比較例１Ａ～１Ｃでは、超音波の照射開始直後から静電容量が急激に低下し、照射開始から６日が経過した時点では、静電容量が大きく低下し、静電容量の低下率も大きくなることが確認された。また、比較例２Ａ～２Ｃでは、超音波の照射開始から１０日程度経過するまでは、静電容量は殆ど低下しないものの、その後大きく低下し、照射開始から５０日が経過した時点では、静電容量が大きく低下し、静電容量の低下率も大きくなることが確認された。なお、静電容量の低下は、共通電極の剥離により電極面積が減少していることを示している。また、電極が剥離した状態で超音波振動子を連続的に駆動し続けると、剥離部分から放電が発生し、黒焦げになることが確認された。

一方、実施例１Ａ～１Ｃでは、超音波の照射開始から８０日が経過した時点であっても、静電容量は殆ど低下せず、静電容量の低下率は極めて小さいことが確認された。従って、圧電素子に対して銅メッシュをエポキシ系接着剤を介して接合した実施例１Ａ～１Ｃを採用すれば、静電容量の低下、即ち、共通電極の剥離に起因する電極面積の減少を抑えられることが確認された。

また、０日、１日、６日、１２日、２６日、５０日、８０日が経過する度に、超音波振動子の送受感度積を算出した。具体的には、超音波振動子から０．５ｍ離れた位置にある直径５７ｍｍのフェノリック樹脂球に対して超音波を照射した。なお、フェノリック樹脂球で反射した超音波（反射波）は、送信から約６７０μｓ後に超音波振動子で受信され、超音波振動子の両端に電圧信号を生じる。このとき、超音波振動子の送信時及び受信時の電圧振幅をオシロスコープにより測定し、測定結果に基づいて演算を行うことにより、送受感度積を算出した。なお、送受感度積は、送信電圧振幅Ｖ_１に対する受信電圧振幅Ｖ_２の比であり、２０×log（Ｖ_２／Ｖ_１） の式から算出されるものである。実施例１Ａ～１Ｃ及び比較例１Ａ～１Ｃ，２Ａ～２Ｃにおける送受感度積の値を表２に示す（表の数値の単位は（ｄＢ））。また、図１３のグラフは、実施例１及び比較例１，２における送受感度積の変化を示している。

その結果、比較例１Ａ～１Ｃでは、超音波の照射開始直後から送受感度積が急激に低下し、照射開始から６日または１２日が経過した時点では、送受感度積が大きく低下することが確認された。また、比較例２Ａ～２Ｃでは、超音波の照射開始から１０日程度経過するまでは、送受感度積は殆ど低下しないものの、その後大きく低下し、照射開始から５０日が経過した時点では、送受感度積が大きく低下することが確認された。

一方、実施例１Ａ～１Ｃでは、超音波の照射開始から８０日が経過した時点であっても、送受感度積は殆ど低下しないことが確認された。従って、圧電素子に対して銅メッシュをエポキシ系接着剤を介して接合した実施例１Ａ～１Ｃを採用すれば、共通電極の電極面積の減少を抑えられるだけでなく、送受感度積の低下も抑えられることが確認された。

また、比較例１において、１３０ｋＨｚ～２５１ｋＨｚの間で周波数を複数段階に切り替え、切り替えたそれぞれの周波数において超音波を照射した。そして、オシロスコープを用いた上記の手法を用いて、超音波振動子の送受感度積を算出した。なお、０日（初期段階）、１日、６日、１２日が経過する度に、それぞれの周波数において送受感度積の算出を行った。図１４のグラフは、比較例１における送受感度積の変化を示している。

その結果、比較例１では、初期段階（図１４の「◆」参照）→１日後（図１４の「△」参照）→６日後（図１４の「▼」参照）→１２日後（図１４の「□」参照）の順番、即ち、超音波の照射開始からの時間が経過するのに従って、１３０ｋＨｚ～２５１ｋＨｚ間の送受感度積を示すグラフが全体的に低くなることが確認された。なお、実施例１（実施例１Ａ～１Ｃ）のグラフは省略したが、実施例１では、超音波の照射開始からの時間が経過したとしても、送受感度積は殆ど低下せず（表２参照）、１３０ｋＨｚ～２５１ｋＨｚ間の送受感度積を示すグラフも殆ど変化しないことが確認された。

従って、本実施形態によれば以下の効果を得ることができる。

（１）本実施形態のソナー１１では、電極部分である銅メッシュ９１と圧電素子４３との間に接合材９０が介在するのに加えて、接合材９０が銅メッシュ９１における網目９２の隙間及び複数の柱部５７間の空隙Ｋ０の双方にも入り込むことにより、銅メッシュ９１が圧電素子４３に接合される。その結果、圧電素子４３と銅メッシュ９１との接合強度が高くなるため、たとえ超音波振動子４１を長期間に亘って連続駆動させたとしても、圧電素子４３から銅メッシュ９１が剥離しにくくなる。よって、超音波振動子４１の感度低下を防止することができる。

（２）本実施形態では、銅メッシュ９１の網目９２を構成する縦横のワイヤ９３，９４が編み込まれることにより、ワイヤ９３，９４が上下に起伏した形状となる。その結果、縦横のワイヤ９３，９４同士の交差部Ａ１と柱部５７の先端面５８との接触圧が大きくなるため、銅メッシュ９１を確実に電極として機能させることができる。また、銅メッシュ９１には、細かい網目９２が密集しているため、網目９２の隙間に接合材９０が入り込みやすい。従って、圧電素子４３と銅メッシュ９１との接合強度がよりいっそう高くなる。

（３）例えば、銅メッシュ９１を、圧電素子４３の前面５１の全域に亘って配置することも考えられる。しかしながら、超音波Ｗ１は、圧電素子４３の前面５１から照射されて音響整合層を兼ねる基材４２を通過するため、前面５１側に銅メッシュ９１が存在すると、超音波Ｗ１が銅メッシュ９１を透過する際に散乱してしまい、超音波Ｗ１が被探知物Ｓ１に到達できない可能性がある。一方、本実施形態では、銅メッシュ９１を、照射面である前面５１の反対側（即ち、超音波Ｗ１が照射されない側）にある圧電素子４３の背面５２の全域に亘って配置している。その結果、超音波振動子４１から超音波Ｗ１を散乱することなく照射させることができる。また、超音波Ｗ１が圧電素子４３の背面５２側に漏れたとしても、超音波Ｗ１が背面５２側にある銅メッシュ９１を透過するため、超音波Ｗ１が分散及び減衰する。よって、銅メッシュ９１を、好適なバッキング材としても機能させることができる。

（４）特開２００５－３２３６３０公報に記載の従来技術には、フレキシブル基板に網目状の電極パターンを形成する技術が提案されている。しかしながら、電極パターンは、基板の表面上に形成された厚さ数十μｍ程度の網目状パターンであって、ワイヤを編み込んだ金網ではない。この場合、接合材を網目の隙間に入り込ませることができないため、アンカー効果が得られることはなく、他部材との接合強度を高くすることはできない。一方、本実施形態では、接合材９０が、厚さ数百μｍ程度の銅メッシュ９１における網目９２の隙間に入り込むことによってアンカー効果が得られるため、圧電素子４３と銅メッシュ９１との接合強度を高くすることができる。

なお、上記実施形態を以下のように変更してもよい。

・上記実施形態では、圧電素子４３の背面５２上に、１枚の銅メッシュ９１が背面５２の全域に亘って配置されていた。しかし、銅メッシュ９１を複数の銅メッシュ片に分割し、分割したそれぞれの銅メッシュ片を背面５２のエリアごとに配置し、全ての銅メッシュ片で背面５２の全域を覆うようにしてもよい。このようにすれば、それぞれのエリアごとに、圧電素子４３を個別に駆動することができる。

・上記実施形態の銅メッシュ９１では、隣接する第１ワイヤ９３間のピッチｐ１と隣接する第２ワイヤ９４間のピッチｐ２とが互いに等しくなっていたが、ピッチｐ１，ｐ２は互いに異なっていてもよい。

・上記実施形態の超音波振動子４１では、隣接する柱部５７間の空隙Ｋ０の一部に接合材９０が入り込んでいたが、空隙Ｋ０全体に接合材９０が入り込んでいてもよいし、接合材９０が入り込んでいなくてもよい。なお、接合材９０が入り込んでいない場合には、空隙Ｋ０に超音波伝搬液体が流入可能となる。また、超音波伝搬液体が流入しない場合には、圧電素子４３内の熱を空隙Ｋ０を介して外部に放出することができる。

・上記実施形態の圧電素子４３は、分割された複数の柱部５７が前面５１側の端部において互いに繋がった構造を有し、背面５２側に銅メッシュ９１が接合されていた。しかし、図１５に示されるように、複数の柱部１１１（振動部）に完全に分割され、かつ隣接する柱部１１１間に樹脂材料１１２が充填された１－３コンポジット構造の圧電素子１１３を形成し、圧電素子１１３の背面１１４側に銅メッシュを接合してもよい。また、図１６に示されるように、壁状をなす複数の振動部１２１に完全に分割され、かつ隣接する振動部１２１間に樹脂材料１２２が充填された２－２コンポジット構造の圧電素子１２３を形成し、圧電素子１２３の背面１２４側に銅メッシュを接合してもよい。

・上記実施形態では、圧電素子４３の背面５２全体に対して、導電メッシュである銅メッシュ９１が接合されていた。しかし、銅メッシュ９１を背面５２全体に接合する代わりに、銅箔に複数の孔部１３２を設けた構造を有するパンチングメッシュ１３１などの他の導電メッシュを背面５２全体に接合してもよい（図１７，図１８参照）。なお、パンチングメッシュ１３１は、各柱部５７の先端面５８に接触し、かつ、各孔部１３２が各柱部５７間の空隙Ｋ０に連通した状態で、接合材１３３を介して圧電素子４３に接合されている。そして、接合材１３３は、パンチングメッシュ１３１の表面（上面）上に塗布されるとともに、孔部１３２と空隙Ｋ０との双方に入り込んでいる。

・上記実施形態の振動部は、先端面５８が平面視正方形状をなす柱部５７であったが、先端面が平面視矩形状、平面視三角形状、平面視円形状等の他の形状をなす柱部であってもよい。また、上記実施形態の圧電素子４３は、先端面５８が平面視正方形状をなす複数の柱部５７に分割されていたが、先端面が平面視半円状をなす２つの振動部１４１（図１９参照）に分割されていてもよいし、先端面が平面視扇形状をなす３つ以上の振動部に分割されていてもよい。つまり、振動部は、同振動部を圧電素子の厚さ方向から見たときの最大寸法が振動部の高さ以下となるものでなくてもよい。

・上記実施形態の超音波振動子４１では、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる圧電素子４３を用いたが、圧電素子４３の形成材料は特に限定されるものではない。例えば、ニオブ酸カリウムナトリウム系（ニオブ酸アルカリ系）、チタン酸バリウム系、ＰＭＮ－ＰＴ（Ｐｂ（Ｍｇ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３－ＰｂＴｉＯ_３）単結晶、ＰＺＮＴ（Ｐｂ（Ｚｎ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３－ＰｂＴｉＯ_３）単結晶、ＬｉＮｂＯ_３単結晶の圧電セラミックスからなる圧電素子を用いてもよい。

・上記実施形態の防音材５６は、圧電素子４３の背面５２側とケース４０の内周面とに貼付されていたが、防音材６５は、さらに圧電素子４３の外周面５３に貼付されていてもよい。

・上記実施形態の超音波振動子４１は、超音波Ｗ１の照射方向を機械的に変更するソナー１１に用いられていたが、超音波Ｗ１の照射方向を電気的に変更するソナーに用いてもよい。また、超音波振動子を、超音波Ｗ１の照射方向を変更しない、即ち、傾斜回転機構３０を有しない魚群探知機に用いてもよい。さらに、超音波振動子を、例えば、水の深さを計測する測深機や、空気中で距離を計測する空中センサなどの計測機器に用いてもよい。

・上記実施形態では、圧電素子４３をケース４０に収容した状態で、基材４２側のネジ孔４５を挿通したネジの先端部をケース４０に螺着させることにより、超音波振動子４１がケース４０に固定されていたが、他の方法によって固定するようにしてもよい。例えば、接着剤を用いて超音波振動子４１をケース４０に固定してもよいし、ケース４０内にエポキシ樹脂、ポリウレタン樹脂、シリコーン樹脂などの充填剤を流し込んで硬化させることにより、超音波振動子４１をケース４０に固定してもよい。さらに、ケース４０を用いずに超音波振動子４１を固定してもよい。例えば、基材４２上において圧電素子４３を覆うように金型を配置し、金型内に樹脂材料（エポキシ樹脂やウレタン樹脂など）を流し込んで硬化させることにより、超音波振動子４１と樹脂材料とを一体化するモールド成形を行ってもよい。

・上記実施形態では、基材４２が露出した状態で、超音波振動子４１がケース４０に固定されていた。しかし、図２０に示されるように、一端が開口する有底円筒状に形成されたケース部１５１と、円板状に形成された蓋部１５２とによってケース１５０を構成し、超音波振動子４１全体をケース部１５１に収容した状態で、ケース部１５１の開口部を蓋部１５２で塞いてもよい。このようにすれば、超音波振動子４１全体がケース１５０によって密封されるため、超音波振動子４１が収容されたケース１５０をそのまま水中に入れることが可能となる。よって、この図２０の構造を、魚群探知機として用いることができる。なお、蓋部１５２は、クロロプレンゴムやポリウレタン樹脂などを用いて形成されており、基材４２の裏面４２ｂ全体に接触している。蓋部１５２の固有音響インピーダンスは、基材４２の固有音響インピーダンス（２．３～１４×１０^６（Ｐａ・ｓ／ｍ））よりも小さく、かつ水の固有音響インピーダンス（１．５×１０^６（Ｐａ・ｓ／ｍ））よりも大きいことが好ましい。また、蓋部１５２を基材４２に対して接着してもよい。

・上記実施形態では、電極層形成工程後かつ接合工程前に、前面側電極層５４及び背面側電極層５５の間に電圧を印加することにより、セラミックス製板状物を厚さ方向に分極させる分極処理工程を行っていた。しかし、分極処理工程を、接合工程後かつ柱部形成工程前に行ってもよいし、柱部形成工程後かつメッシュ設置工程前に行ってもよいし、メッシュ設置工程後に行ってもよい。

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。

（１）請求項１乃至７のいずれか１項において、前記柱部を前記厚さ方向から見たときの最大寸法は、前記柱部の高さの８０％以下であることを特徴とするソナー。

（２）請求項１乃至７のいずれか１項において、前記基材の固有音響インピーダンスは、前記圧電素子の固有音響インピーダンスよりも小さく、かつ水の固有音響インピーダンスよりも大きいことを特徴とするソナー。

（３）請求項１乃至７のいずれか１項において、前記基材の固有音響インピーダンスは、２．３×１０^６（Ｐａ・ｓ／ｍ）以上１４×１０^６（Ｐａ・ｓ／ｍ）以下であることを特徴とするソナー。

（４）請求項１乃至７のいずれか１項において、前記圧電素子内を伝搬する縦波の音速をｃ１とし、前記圧電素子の厚さをｔ１とし、前記基材内を伝搬する縦波の音速をｃ２とし、前記基材の厚さをｔ２としたとき、（ｃ２×ｔ１）／（ｃ１×ｔ２）＝０．８以上１．７以下の関係を満たすことを特徴とするソナー。

（５）請求項９において、前記セラミックス製板状物の前記前面に前面側電極層を形成するとともに前記セラミックス製板状物の前記背面に背面側電極層を形成する電極層形成工程と、前記電極層形成工程後かつ前記接合工程前に、前記前面側電極層及び前記背面側電極層の間に電圧を印加することにより、前記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工程とをさらに含むことを特徴とする超音波振動子の製造方法。

１１…ソナー
３０…機構としての傾斜回転機構
４１…超音波振動子
４２…基材
４３，１１３，１２３…圧電素子
５１…セラミックス製板状物（圧電素子）の前面
５２，１１４，１２４…セラミックス製板状物（圧電素子）の背面
５４…前面側電極層
５７，１１１…振動部としての柱部
５８…振動部の端面としての先端面
９０，１３３…接合材
９１…導電メッシュとしての銅メッシュ
９２…網目
１２１，１４１…振動部
１３１…導電メッシュとしてのパンチングメッシュ
Ｋ０…複数の振動部間の空隙
Ｋ１…切り込みとしての第１切り込み
Ｋ２…切り込みとしての第２切り込み
Ｌ３…振動部を厚さ方向から見たときの最大寸法
Ｏ１…中心軸
Ｗ１…超音波

Claims (9)

1. 超音波を送受信する超音波振動子と、前記超音波振動子の中心軸を傾斜及び回転させる機構とを有するソナーであって、
   前記超音波振動子は、音響整合層を兼ねる基材と、分割された複数の振動部により構成され、かつ前記基材に対して接合された前面及びその反対側にある背面を有するセラミックス製板状物からなる圧電素子とを備え、
   前記圧電素子の前記背面上に、導電メッシュが前記背面の全域に亘って配置されるとともに、
   前記導電メッシュは、縦横のワイヤが編み込まれることにより網目を構成するとともに、厚さ方向に起伏した形状を有し、
   前記縦横のワイヤ同士の交差部と前記振動部の端面とが接触した状態で、前記導電メッシュが接合材を介して前記圧電素子に接合されている
   ことを特徴とするソナー。
2. 前記導電メッシュは、平織りの金網であることを特徴とする請求項１に記載のソナー。
3. 前記接合材は、前記導電メッシュにおける前記網目の隙間及び前記複数の振動部間の空隙の双方に入り込んだ状態で固化することにより、前記導電メッシュを前記複数の振動部の端面に接合させていることを特徴とする請求項１または２に記載のソナー。
4. 前記複数の振動部は、前記圧電素子の厚さ方向に沿って延びるように分割された複数の柱部であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のソナー。
5. 前記複数の振動部が、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請求項１乃至４のいずれか１項に記載のソナー。
6. 前記導電メッシュの前記網目の寸法は、前記振動部を前記圧電素子の厚さ方向から見たときの最大寸法よりも細かいことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のソナー。
7. 前記圧電素子の前記前面が前面側電極層を介して前記基材に接合され、前記前面側電極層は、均一な厚さのプレーン電極層であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のソナー。
8. 超音波を送受信する超音波振動子であって、
   音響整合層を兼ねる基材と、
   分割された複数の振動部により構成され、かつ前記基材に対して接合された前面及びその反対側にある背面を有するセラミックス製板状物からなる圧電素子と
   を備え、
   前記圧電素子の前記背面上に、導電メッシュが前記背面の全域に亘って配置されるとともに、
   前記導電メッシュは、縦横のワイヤが編み込まれることにより網目を構成するとともに、厚さ方向に起伏した形状を有し、
   前記縦横のワイヤ同士の交差部と前記振動部の端面とが接触した状態で、前記導電メッシュが接合材を介して前記圧電素子に接合されている
   ことを特徴とする超音波振動子。
9. 請求項８に記載の超音波振動子の製造方法であって、
   前記基材の片面に、前記圧電素子となるべきセラミックス製板状物を接合する接合工程と、
   前記接合工程後、前記セラミックス製板状物における前記背面側に複数の切り込みを形成することにより、前記前面側の端部において互いに繋がった状態で前記セラミックス製板状物を前記複数の振動部に分割する振動部形成工程と、
   前記振動部形成工程後、前記圧電素子の前記背面上に導電メッシュを前記複数の振動部の端面に接触させるようにして配置し、この状態で接合材を介して前記導電メッシュを接合するメッシュ設置工程と
   を含むことを特徴とする超音波振動子の製造方法。

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