(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-11-25
(45)【発行日】2022-12-05
(54)【発明の名称】ボルト締めランジュバン型振動子、超音波計測用機器
(51)【国際特許分類】
G01S 7/521 20060101AFI20221128BHJP
H01L 41/083 20060101ALI20221128BHJP
H01L 41/09 20060101ALI20221128BHJP
H01L 41/187 20060101ALI20221128BHJP
H01L 41/113 20060101ALI20221128BHJP
G01S 15/96 20060101ALI20221128BHJP
H04R 17/10 20060101ALI20221128BHJP
【ＦＩ】
G01S7/521 A
H01L41/083
H01L41/09
H01L41/187
H01L41/113
G01S15/96
H04R17/10 330A
【請求項の数】
6
(21)【出願番号】P 2019017350
(22)【出願日】2019-02-01
(65)【公開番号】P2020125931
(43)【公開日】2020-08-20
【審査請求日】2021-12-01
(73)【特許権者】
【識別番号】000243364
【氏名又は名称】本多電子株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100114605
【弁理士】
【氏名又は名称】渥美 久彦
(72)【発明者】
【氏名】流田 賢治
(72)【発明者】
【氏名】原田 紘幸
(72)【発明者】
【氏名】舞田 雄一
(72)【発明者】
【氏名】青木 祥博
【審査官】安井 英己
(56)【参考文献】
【文献】米国特許出願公開第２００７／００６３６１８（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開２０１４－１１１５２９（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１３／１７９７７６（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２００４－３１２１１９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１５－１２５１１０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平１０－１８６０３０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１４－０３０７９５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００８－０９８６２７（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｓ １／７２－ １／８２，
Ｇ０１Ｓ ３／８０－ ３／８６，
Ｇ０１Ｓ ５／１８－ ５／３０，
Ｇ０１Ｓ ７／５２－ ７／６４，
Ｇ０１Ｓ １５／００－１５／９６，
Ｈ０１Ｌ ２７／２０，４１／００－４１／４７，
Ｈ０４Ｒ １７／１０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
フロントマスとバックマスとの間に、無鉛材料で形成された圧電素子及び電極板を複数枚ずつ積層してなる駆動部が挟持され、前記駆動部を貫通する孔に挿通された締め付けボルトにより、前記フロントマスと前記バックマスとが締結された構造のランジュバン型振動子であって、前記駆動部は、ニオブ酸アルカリ系のセラミックス圧電材料を用いて形成された前記圧電素子を４枚以上含んで構成され、
前記フロントマスは第１の金属材料を用いて形成され、前記バックマスは前記第１の金属材料よりも比重が大きい第２の金属材料を用いて形成され、
振動子全長は共振周波数の半波長の長さに相当し、前記駆動部の厚さは前記振動子全長の１／３未満であり、かつ前記フロントマスの厚さは前記振動子全長の１／３を超えるものである
ことを特徴とするボルト締めランジュバン型振動子。
【請求項2】
前記圧電素子は、ニオブ酸ナトリウムカリウム系のセラミックス圧電材料を用いて形成されていることを特徴とする請求項１に記載のボルト締めランジュバン型振動子。
【請求項3】
前記第２の金属材料の比重は、前記第１の金属材料の比重の２倍以上であることを特徴とする請求項１または２に記載のボルト締めランジュバン型振動子。
【請求項4】
前記第１の金属材料の比重は２．５以上３．５以下であり、前記第２の金属材料の比重が７．０以上９．０以下であることを特徴とする請求項３に記載のボルト締めランジュバン型振動子。
【請求項5】
超音波の送受信により物理量の計測を行う機器であって、請求項１乃至４のいずれか１項に記載のボルト締めランジュバン型振動子を１つまたは複数含んで構成された超音波計測用機器。
【請求項6】
前記超音波計測用機器は、複数の前記ボルト締めランジュバン型振動子を同じ方向に向けてゴムモールドした構造の魚群探知機用センサであることを特徴とする請求項５に記載の超音波計測用機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ボルト締めランジュバン型振動子及びそれを使用した超音波計測用機器に関するものである。
【背景技術】
【0002】
従来、図６（ａ）に示すような、ボルト締めランジュバン型振動子５１がよく知られている。このボルト締めランジュバン型振動子５１では、フロントマス５２とバックマス５３との間に、圧電素子５４及び電極板５５を２枚ずつ積層してなる駆動部５６が挟持されている。駆動部５６を貫通する孔には締め付けボルト（図示略）が挿通され、その締め付けボルトを締め付けることにより、フロントマス５２とバックマス５３とが締結されて各部材が一体化している。なお、このような振動子５１と同様の構造のものは、例えば特許文献１などに開示されている。
【0003】
上記従来のボルト締めランジュバン型振動子５１において、フロントマス５２やバックマス５３は、一般的にアルミニウム等の金属材料を用いて形成されている。また、圧電素子５４としては、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）のような鉛を含むセラミックス圧電材料を用いて形成されたものが一般的である。そして近年では、環境性向上の観点から、鉛を含まないセラミックス圧電材料を用いた圧電素子５４に対する要望が高まってきている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】特開平８－８９８９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、無鉛のセラミックス圧電材料は、環境に与える影響が小さい点で好ましい反面、ＰＺＴ等に代表される有鉛のセラミックス圧電材料に比べて圧電特性の点で劣っている。従って、無鉛のセラミックス圧電材料で形成された圧電素子５４を用いて上記構造の振動子５１を構成しても、ＰＺＴで形成された圧電素子５４を用いて構成された従来のものと同等の性能を実現することは困難である。それゆえ、このような性能を実現するための何らかの方策が従来から望まれている。
【0006】
また、ボルト締めランジュバン型振動子５１は、比較的パワーが大きいことから、通常は加工系の用途に適用されることが多いが、このような性能が実現されたあかつきには、計測系の用途で使用することも望まれている。
【0007】
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、無鉛の圧電材料を用いて圧電素子を形成したにもかかわらず有鉛の圧電材料を用いたものと同等以上の性能を実現することができるボルト締めランジュバン型振動子、超音波計測用機器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0008】
上記課題に鑑みて本願発明者らが鋭意研究を行い、数ある無鉛のセラミックス圧電材料のなかでもニオブ酸アルカリ系のセラミックス圧電材料が好適であるとの予測のもとに、当該材料で形成された圧電素子を従来どおり２枚用いて駆動部を構成したところ、期待するほど好適な性能が得られなかった。そこで本願発明者らはさらに試行錯誤を行った末、圧電素子の枚数を２枚よりも多くすること及びバックマスをフロントマスよりも重くすることにより、所望とする好適な性能が得られることを新規に知見し、最終的に下記の発明を想到するに至ったのである。
【0009】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、フロントマスとバックマスとの間に、無鉛材料で形成された圧電素子及び電極板を複数枚ずつ積層してなる駆動部が挟持され、前記駆動部を貫通する孔に挿通された締め付けボルトにより、前記フロントマスと前記バックマスとが締結された構造のランジュバン型振動子であって、前記駆動部は、ニオブ酸アルカリ系のセラミックス圧電材料を用いて形成された前記圧電素子を４枚以上含んで構成され、前記フロントマスは第１の金属材料を用いて形成され、前記バックマスは前記第１の金属材料よりも比重が大きい第２の金属材料を用いて形成され、振動子全長は共振周波数の半波長の長さに相当し、前記駆動部の厚さは前記振動子全長の１／３未満であり、かつ前記フロントマスの厚さは前記振動子全長の１／３を超えるものであることを特徴とするボルト締めランジュバン型振動子をその要旨とする。
【0010】
従って、請求項１に記載の発明によれば、相対的に比重が低い第１の金属材料を用いてフロントマスを形成し、相対的に比重が高い第２の金属材料を用いてバックマスを形成したことにより、フロントマスを軽くすることができ、フロントマス側の振幅を大きくすることができる。また、無鉛のセラミックス圧電材料のなかでも、ニオブ酸アルカリ系のセラミックス圧電材料は圧電特性が比較的優れている。そして、このような材料を用いて形成された圧電素子を４枚以上含んで駆動部を構成したことにより、従来構造に比較して大きな振動エネルギーを発生させることができる。その結果、無鉛の圧電材料を用いて圧電素子を形成したにもかかわらず有鉛の圧電材料を用いたものと同等以上の性能を実現することができる。また、本発明によると、ニオブ酸アルカリ系のセラミックス圧電材料を用いて圧電素子を形成しているため、環境性が向上するとともに装置全体の軽量化を達成しやすくなる。
【0011】
請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記圧電素子は、ニオブ酸ナトリウムカリウム系のセラミックス圧電材料を用いて形成されていることをその要旨とする。
【0012】
従って、請求項２に記載の発明によれば、ニオブ酸アルカリ系のセラミックスのなかでもとりわけ好適な圧電特性等を有するニオブ酸ナトリウムカリウム系（ＫＮＮ系）のセラミックスを用いて駆動部を構成することにより、より大きな振動エネルギーを確実に発生させることができる。
【0013】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２において、前記第２の金属材料の比重は、前記第１の金属材料の比重の２倍以上であることをその要旨とする。
【0014】
従って、請求項３に記載の発明によれば、第１の金属材料と第２の金属材料との比重の差が十分大きいことから、フロントマス及びバックマスの寸法や形状をあまり変更せずに、フロントマスを軽くすることができ、フロントマス側の振幅を大きくすることができる。
【0015】
請求項４に記載の発明は、請求項３において、前記第１の金属材料の比重は２．５以上３．５以下であり、前記第２の金属材料の比重が７．０以上９．０以下であることをその要旨とする。
【0016】
従って、請求項４に記載の発明によれば、それぞれ上記比重の範囲内において、第１の金属材料及び第２の金属材料として好適なものをそれぞれ比較的容易に選択することができる。
【0018】
なお、上記請求項１等に記載の発明では、振動子全長が共振周波数の半波長の長さに相当するものにおいて、駆動部の厚さが振動子全長の１／３未満に抑えられていることから、駆動部全体を振動の節の付近に配置することが容易になる。ゆえに、駆動部における振幅を抑えることができ、圧電素子と電極板との接合界面に剥がれ等が生じにくくなる。また、駆動部を構成している各圧電素子の厚さが薄くなることで電界が大きくなり、その結果、振動変位が増大して送波音圧が高くなる。また、振動子全長に占めるフロントマスの厚さの比率が大きくなることで、相対的にバックマスを重くした場合であっても振動のバランスがとりやすくなり、フロントマス側の振幅をより確実に大きくすることができる。
【0021】
請求項５に記載の発明は、超音波の送受信により物理量の計測を行う機器であって、請求項１乃至４のいずれか１項に記載のボルト締めランジュバン型振動子を１つまたは複数含んで構成された超音波計測用機器をその要旨とする。
【0022】
請求項６に記載の発明は、請求項５において、前記超音波計測用機器は、複数の前記ボルト締めランジュバン型振動子を同じ方向に向けてゴムモールドした構造の魚群探知機用センサであることをその要旨とする。
【発明の効果】
【0023】
以上詳述したように、請求項１～６に記載の発明によると、無鉛の圧電材料を用いて圧電素子を形成したにもかかわらず有鉛の圧電材料を用いたものと同等以上の性能を実現することができるボルト締めランジュバン型振動子、超音波計測用機器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0024】
【図1】本発明を具体化した実施形態のボルト締めランジュバン型振動子を示す正面図。
【図2】実施形態のボルト締めランジュバン型振動子を示す平面図。
【図4】実施形態のボルト締めランジュバン型振動子を用いて構成された魚群探知機用センサの概略縦断面図。
【図6】（ａ）は従来例である比較例１のボルト締めランジュバン型振動子の概略図、（ｂ）は比較例２のボルト締めランジュバン型振動子の概略図、（ｃ）は実施形態のボルト締めランジュバン型振動子の概略図。
【図7】入力電圧と放射面振幅との関係を比較したグラフ。
【図8】送波音圧を受波感度を比較したグラフ。
【図9】指向特性を比較したグラフ。
【発明を実施するための形態】
【0025】
【0026】
【0027】
フロントマス２１（前面板）はボルト締めランジュバン型振動子１１における前端側に配置されており、その前面２６から超音波を放射するようになっている。バックマス２２（裏打板）はボルト締めランジュバン型振動子１１における後端側に配置されている。なお、本実施形態においては、フロントマス２１が２５ｍｍ角の断面矩形状に形成されている一方、バックマス２２が直径２５ｍｍの断面円形状に形成されている（図２参照）。
【0028】
駆動部３１は、圧電素子３２及び電極板３３を複数枚（本実施形態では４枚）ずつ積層したものであって、フロントマス２１とバックマス２２との間に挟持されている。圧電素子３２は円環状であり、電極板３３は一部にタブ部を有する略円環状であることから、駆動部３１は自身の中心を貫通するボルト挿通孔３４を有したものとなっている。各圧電素子３２は厚さ方向に分極しており、それらの分極の向きについては図４中にて矢印で示されている。また、フロントマス２１及びバックマス２２には、振動子１１の中心軸線Ｃ１と同軸上に、それぞれ雌ねじ孔２４、２３が形成されている。なお、バックマス２２側の雌ねじ孔２３は貫通孔であるのに対し、フロントマス２１側の雌ねじ孔２４は前面２６において貫通していない非貫通孔となっている。外周面に雄ねじが形成された締め付けボルト２５はバックマス２２側から挿入されており、その先端は雌ねじ孔２３及びボルト挿通孔３４を介してフロントマス２１側の雌ねじ孔２４に到っている。締め付けボルト２５は雌ねじ孔２３、２４に螺合しており、これを締め付けることによりフロントマス２１、駆動部３１及びバックマス２２が互いに固定され一体化している。
【0029】
本実施形態のボルト締めランジュバン型振動子１１では、フロントマス２１が比重２．５以上３．５以下の第１の金属材料を用いて形成され、バックマス２２が第１の金属材料よりも比重が大きく、比重が７．０以上９．０以下の第２の金属材料を用いて形成されている。具体的には、第１の金属材料としてアルミニウム（比重２．７）を用いてフロントマス２１が形成され、バックマス２２を第２の金属材料としてＳＵＳ３０４等のステンレス（比重７．７０～８．００程度）を用いてバックマス２２が形成されている。つまり、バックマス２２に用いられている金属材料の比重は、フロントマス２１に用いられている金属材料の比重の約２．９倍となっている。なお、締め付けボルト２５を形成する金属材料は任意であるが、ここではステンレスが用いられている。
【0030】
本実施形態のボルト締めランジュバン型振動子１１では、駆動部３１を構成する圧電素子３２がいずれも無鉛のセラミックス圧電材料を用いて形成され、具体的にはニオブ酸アルカリ系のセラミックス圧電材料を用いて形成されている。
【0031】
ニオブ酸アルカリ系のセラミックス圧電材料の好適例としては、ペロブスカイト構造を持つ、ニオブ酸カリウムとニオブ酸ナトリウムの固溶体であるニオブ酸カリウムナトリウム系（ＫＮＮ系）のセラミックス圧電材料などがある。ＫＮＮ系のセラミックス圧電材料とは、少なくともＫ（カリウム）、Ｎａ（ナトリウム）、Ｎｂ（ニオブ）を主な金属成分として含むものをいい、その組成中にはＰｂ（鉛）をはじめとする他の有毒有害な元素は殆どあるいは全く含有されていない。このようなＫＮＮ系のセラミックス圧電材料は、Ｋ（カリウム）やＮａ（ナトリウム）のほかに、Ｌｉ（リチウム）等のアルカリ金属を含んでいてもよく、またＮｂ（ニオブ）のほかに、Ｃａ（カルシウム）、Ｓｒ（ストロンチウム）、Ｂａ（バリウム）、Ｔａ（タンタル）、Ｓｂ（アンチモン）等のアルカリ土類金属を含んでいてもよい。さらに、ＫＮＮ系のセラミックス圧電材料は、少量のＢｉ（ビスマス）、Ｆｅ（鉄）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｍｎ（マンガン）、Ｃｏ（コバルト）、Ｎｉ（ニッケル）等を含んでいてもよい。
【0032】
特に本実施形態では、以下の組成式（１）で表されるＫＮＮ系のセラミックス圧電材料であって、添加物である金属元素として少量のＢｉ（ビスマス）及びＦｅ（鉄）を含むものを用いて、圧電素子３２を形成している。
｛Ｌｉｘ（Ｋ１－ｙＮａｙ）１－ｘ｝（Ｎｂ１－ｚＳｂｚ）Ｏ３ ・・・（１）
｛Ｌｉｘ（Ｋ１－ｙＮａｙ）１－ｘ｝（Ｎｂ１－ｚＳｂｚ）Ｏ３ ・・・（１）
【0033】
ここで、Ｂｉの添加量（ｍｏｌ比）をｖ、Ｆｅの添加量（ｍｏｌ比）をｗとしたとき、０．０３≦ｘ≦０．０４５、０．５≦ｙ≦０．５８、０．０３≦ｚ≦０．０４５、０．００６≦ｖ＜ｗ≦０．０１０の範囲を満たす組成を有するものとしている。このような組成範囲を満たすＫＮＮ系のセラミックス圧電材料とした場合には、良好な圧電特性（例えば、圧電定数ｄ３３が２５０ｐＣ／Ｎ以上、キュリー温度Ｔｃが３３０℃以上）や、良好な電気的特性（例えば、径方向の電気機械結合係数Ｋｐが０．４４以上、比誘電率ε33
T／ε0が１３９０以上、誘電損失ｔａｎδが０．０３以下）が得やすくなる。さらに、０．００７≦ｖ＜ｗ≦０．００９の組成範囲を満たすものとした場合には、圧電定数ｄ３３が２７０ｐＣ／Ｎ以上、キュリー温度が３４０℃以上、径方向の電気機械結合係数Ｋｐが０．４７以上、比誘電率ε33
T／ε0が１４５０以上、誘電損失ｔａｎδが０．２５以下といった、より良好な特性を得ることが可能となる。
【0034】
図１に示されるように、本実施形態のボルト締めランジュバン型振動子１１は共振周波数が５０ｋＨｚであって、かつ振動子全長Ｌ１が約４２ｍｍとなるように形成されている。即ち、当該振動子全長Ｌ１が共振周波数の半波長の長さ（λ／２）に相当するものとされている。
【0035】
フロントマス２１の厚さＴ３は、振動子全長Ｌ１の１／３を超えるものであることが好ましく、振動子全長Ｌ１の３４％～４４％であることがより好ましく、ここでは約１６ｍｍ（振動子全長Ｌ１の約３８％）とされている。
【0036】
バックマス２２の厚さＴ１は、振動子全長Ｌ１の１／３前後であることが好ましく、振動子全長Ｌ１の３０％～４０％であることがより好ましく、ここでは約１５ｍｍ（振動子全長Ｌ１の約３６％）とされている。なお、バックマス２２の厚さＴ１は、上記のようにフロントマス２１の厚さＴ３よりも若干小さいことが好適である。
【0037】
また、４枚分の圧電素子３２及び４枚分の電極板３３の厚さの総和である駆動部３１の厚さＴ２は、振動子全長Ｌ１の１／３未満であることが好ましく、振動子全長Ｌ１の２１％～３１％であることがより好ましく、ここでは約１１ｍｍ（振動子全長Ｌ１の約２６％）とされている。ちなみに、各圧電素子３２の厚さはいずれも２．５ｍｍ程度であり、各電極板３３の厚さはそれらよりもかなり薄く０．２ｍｍ程度となっている。
【0038】
図１に示されるように、本実施形態のボルト締めランジュバン型振動子１１の場合、振動子長さ方向における中間点である駆動部３１の中心部、より具体的にいうと２層めの圧電素子３２及び電極板３３と、３層めの圧電素子３２及び電極板３３との界面の部分に、超音波振動の節部Ｆ１がくるように設計されている。また、振動子における両端部（フロントマス２１及びバックマス２２の各々の端面）に、超音波振動の腹部Ｈ１がくるように設計されている。
【0039】
図４、図５には、実施形態のボルト締めランジュバン型振動子１１を用いて構成された魚群探知機用センサ４１が示されている。この魚群探知機用センサ４１は、複数のボルト締めランジュバン型振動子１１を同じ方向に向けてゴムモールドした構造を有している。より具体的に説明すると、この魚群探知機用センサ４１における容器（ゴムモールド部）は、容器本体４２と蓋部４３とを備えている。その容器本体４２の底部４５は音響整合層を兼ねており、その底部４５の上には４つのボルト締めランジュバン型振動子１１がフロントマス２１側を下方に向けるようにして接合固定されている。また、各ボルト締めランジュバン型振動子１１における電極板３３のタブ部には、図示しない電線が電気的に接続されている。それらの電線は、ケーブル４４を介してセンサ外部に引き出されており、発振器等を含む駆動制御装置等や電源装置（いずれも図示略）に電気的に接続されている。そして、このような構造の魚群探知機用センサ４１によると、駆動制御装置からの駆動信号に基づき、４つあるボルト締めランジュバン型振動子１１が同時に駆動され振動を開始する。すると、各ボルト締めランジュバン型振動子１１の発した超音波が容器本体４２の底部４５に伝達され、容器の底面から外部に放射されるようになっている。また、先に放射された超音波の反射波が容器本体４２の底部４５を介して各ボルト締めランジュバン型振動子１１に伝達され、検知信号として駆動制御装置に出力されるようになっている。
【0040】
以下、本実施形態をより具体化した実施例について説明する。
【実施例】
【0041】
本実施例では、下記のような３種類のボルト締めランジュバン型振動子を作製した。図６（ｃ）のものは、基本的に上記実施形態のボルト締めランジュバン型振動子１１であって、アルミニウム製のフロントマス２１とステンレス製のバックマス２２との間に、上記組成式（１）で表されるＫＮＮ系のセラミックス圧電材料で形成された圧電素子３２及び電極板３３を４枚ずつ積層してなる駆動部３１を挟持した構造を有している。なお、図６（ａ）～図６（ｃ）中にも矢印をもって分極の向きが示されている。
【0042】
ここで使用する圧電素子３２の製造方法について詳述する。まず、Ｋ２ＣＯ３、Ｎａ２ＣＯ３、Ｌｉ２ＣＯ３、Ｎｂ２Ｏ５、Ｓｂ２Ｏ３、Ｂｉ２Ｏ３、Ｆｅ２Ｏ３の原料粉末（純度９９％以上）を準備した。そして、上記組成式（１）で表される組成を満たすように、それぞれの金属元素を含有する原料粉末を秤量し、ボールミルによりアルコール中で２４時間混合して混合スラリーを得た。なお、それぞれの金属元素を含有する原料粉末（化合物）の種類は特に限定されないが、各金属元素の酸化物、炭酸塩等を用いることができる。次いで、得られた混合スラリーを乾燥し、９００℃で３時間仮焼した後に、ボールミルによって２４時間粉砕した。さらに、バインダとしてポリビニルアルコール水溶液を添加し、造粒した。そして、造粒後の粉体を圧力２００ＭＰａにて、直径２４ｍｍ、厚さ約２．５ｍｍの円環状に加圧成形し、この成形体を１０００～１２００℃にて２．５時間焼成し、焼成体を作製した。なお、このときの焼成温度は、１０００～１２００℃の間で焼成体が最大密度になる温度を選定した。この後、両面研磨加工や分極処理等を経ることにより、ＫＮＮ系のセラミックス圧電材料で形成された圧電素子３２を得た。
【0043】
一方、図６（ｂ）のものは比較例２のボルト締めランジュバン型振動子１１Ａであり、フロントマス２１とバックマス２２との間に、上記組成式（１）で表されるＫＮＮ系のセラミックス圧電材料で形成された圧電素子３２及び電極板３３を積層してなる駆動部３１を挟持している点については、実施形態と共通している。ただし、フロントマス２１及びバックマス２２の両方がアルミニウム製である点、圧電素子３２及び電極板３３を２枚ずつ使用して駆動部３１を構成している点、圧電素子３２が肉厚である点について、実施形態と相違している。
【0044】
また、図６（ａ）のものは比較例１（従来例）のボルト締めランジュバン型振動子５１であり、フロントマス５２とバックマス５３との間に、セラミックス圧電材料で形成された圧電素子５４及び電極板５５を積層してなる駆動部５６を挟持している点については、実施形態と共通している。ただし、フロントマス５２及びバックマス５３の両方がアルミニウム製である点、圧電素子５４及び電極板５５を２枚ずつ使用して駆動部５６を構成している点、圧電素子５４が肉厚である点、圧電素子５４がＰＺＴ（即ち有鉛のセラミックス圧電材料）で形成されている点について、実施形態と相違している。
【0045】
実施形態、比較例１及び比較例２の性能を比較するために、入力電力と放射面振幅との関係を調査した。その結果を図７のグラフに示す。なお、このグラフ中、実施形態のデータ曲線は◆で示される点を結んだものとして表され、比較例１のデータ曲線は■で示される点を結んだものとして表され、比較例２のデータ曲線は●で示される点を結んだものとして表されている。
【0046】
比較例１の場合、入力電力が約１０Ｗ以下の範囲では放射面振幅が線形的に増加する傾向が認められたが、約１０Ｗを超える範囲になると線形性が崩れて波形が歪んでしまうことがわかった。ゆえに、比較例１のボルト締めランジュバン型振動子５１は、約１０Ｗを超える範囲では安定的に使用することができないことが示唆される結果となった。
【0047】
比較例２の場合、グラフにおいて比較例１より低い位置に曲線が描かれており、入力電圧に対する放射面振幅が全体的に小さくなっていた。また、入力電力が約５Ｗ以下の範囲では放射面振幅が線形的に増加する傾向が認められたが、約５Ｗを超える範囲になると線形性が崩れて波形が歪むことがわかった。ゆえに、比較例２のボルト締めランジュバン型振動子１１Ａは、比較例１と比べて安定的に使用できる電力の範囲が狭いことがわかった。以上のことから、比較例２は、環境に与える影響が小さい点で好ましい反面、ＰＺＴを用いて構成された比較例１に比べてフロントマス２１側に大きな振動エネルギーを発生させることができないことがわかった。よって、比較例２では比較例１と同等の圧電性能を実現することができないと結論付けられた。
【0048】
これに対し、実施形態の場合、グラフにおいて比較例１より高い位置に曲線が描かれており、入力電圧に対する放射面振幅が全体的に大きくなっていた。また、入力電力が約１５Ｗに到るまで放射面振幅が線形的に増加する傾向が認められた。ゆえに、実施形態のボルト締めランジュバン型振動子１１は、比較例１と比べて安定的に使用できる電力の範囲が広いことがわかった。以上のことから、実施形態は、環境に与える影響が小さいことに加え、ＰＺＴを用いて構成された比較例１に比べてフロントマス２１側に大きな振動エネルギーを発生させることができることがわかった。よって、実施形態では比較例１よりも優れた圧電性能を実現することができると結論付けられた。
【0049】
次に、実施形態のボルト締めランジュバン型振動子１１、比較例１のボルト締めランジュバン型振動子５１を用いて、図４、図５に示したような魚群探知機用センサ４１をそれぞれ作製し、実際に使用して性能を比較した。図８の上段は両者の送波音圧を比較するためのグラフであり、図８の下段は両者の受波感度を比較するためのグラフである。いずれも横軸は周波数を示し、縦軸は音圧（感度）を示している。図８のグラフ中、実施形態のデータ曲線は◆で示される点を結んだものとして表され、比較例１のデータ曲線は■で示される点を結んだものとして表されている。これによると、実施形態は比較例１とほぼ同等の送受信感度を備えているといい得る結果となった。また、図９の上段は実施形態の指向特性を示すグラフであり、図９の下段は比較例１の指向特性を示すグラフである。これによると、比較例１の半減全角は４８°であったのに対し、実施形態の半減全角は３０°であった。それゆえ、実施形態によれば狭い指向角を実現することができることがわかった。
【0050】
そして、本実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。
【0051】
（１）本実施形態のボルト締めランジュバン型振動子１１では、相対的に比重が低いアルミニウム（第１の金属材料）を用いてフロントマス２１を形成し、相対的に比重が高いステンレス（第２の金属材料）を用いてバックマス２２を形成している。これにより、フロントマス２１を軽くすることができ、フロントマス２１側の振幅を大きくすることができる。また、無鉛のセラミックス圧電材料のなかでも、ニオブ酸アルカリ系のセラミックス圧電材料は圧電特性が比較的優れている。そして、このような材料を用いて形成された圧電素子３２を４枚以上含んで駆動部３１を構成したことにより、従来構造に比較して大きな振動エネルギーを発生させることができる。その結果、無鉛の圧電材料を用いて圧電素子３２を形成したにもかかわらず、ＰＺＴを用いたものと同等以上の性能を実現することができる。また、本実施形態によると、ニオブ酸アルカリ系のセラミックス圧電材料を用いて圧電素子３２を形成しているため、環境性が向上するとともに装置全体の軽量化を達成しやすくなる。
【0052】
（２）本実施形態では、ニオブ酸アルカリ系のセラミックスのなかでもとりわけ好適な圧電特性等を有する、特性組成のＫＮＮ系のセラミックスを用いて駆動部３１を構成している。よって、より大きな振動エネルギーを確実に発生させることができ、ひいてはＰＺＴを用いたものと同等以上の性能を比較的容易に実現することができる。
【0053】
（３）本実施形態では、第１の金属材料であるアルミニウムと、第２の金属材料であるステンレスとの比重の差が２倍以上であって十分大きい。このため、フロントマス２１及びバックマス２２の寸法や形状をあまり変更せずに、フロントマス２１を軽くすることができ、フロントマス２１側の振幅を大きくすることができる。
【0054】
（４）本実施形態では、振動子全長Ｌ１が共振周波数の半波長λ／２の長さに相当するものにおいて、駆動部３１の厚さＴ２が振動子全長Ｌ１の１／３未満に抑えられていることから、駆動部３１全体を振動の節部Ｆ１の付近に配置することが容易になる。ゆえに、駆動部３１における振幅を抑えることができ、圧電素子３２と電極板３３との接合界面に剥がれ等が生じにくくなる。また、駆動部３１を構成している各圧電素子３２の厚さが薄くなることで電界が大きくなり、その結果、振動変位が増大して送波音圧が高くなる。また、振動子全長Ｌ１に占めるフロントマス２１の厚さの比率が大きくなることで、相対的にバックマス２２を重くした場合であっても振動のバランスがとりやすくなり、フロントマス２１側の振幅をより確実に大きくすることができる。
【0055】
（５）ちなみに、本実施形態で使用しているＫＮＮ系のセラミックス圧電材料は、ＰＺＴに比べて高電圧耐性に優れるため、圧電素子３２が薄くなって駆動時の電界が２倍程度になっても、圧電特性の劣化を抑えることができる。よって、ＫＮＮ系のセラミックス圧電材料を用いることで肉薄の圧電素子３２を形成しやすくなり、これを複数枚積層することで全体的に厚さを抑えた駆動部３１を作製することができる。
【0056】
なお、本発明の各実施の形態は以下のように変更してもよい。
【0057】
・上記実施形態では、ニオブ酸アルカリ系のセラミックス圧電材料としてＫＮＮ系のセラミックス圧電材料を用いて圧電素子３２を形成したが、ＫＮＮ系以外のニオブ酸アルカリ系のセラミックス圧電材料を用いても勿論よい。
【0058】
・上記実施形態では、４枚の圧電素子３２を含んで構成される駆動部３１を例示したが、それ以上の枚数（例えば６枚や８枚）の圧電素子３２を含んで構成されるものとしてもよい。
【0059】
・上記実施形態では、共振周波数が５０ｋＨｚであって、かつ振動子全長Ｌ１が当該共振周波数の半波長λ／２の長さに相当するボルト締めランジュバン型振動子１１を例示したが、共振周波数は５０ｋＨｚに限定されず、例えば２５ｋＨｚ～５０ｋＨｚの範囲の任意の周波数であってもよい。また、振動子全長Ｌ１は、共振周波数の半波長λ／２の長さに相当するものに限定されず、例えば波長λの長さに相当するものであってもよい。
【0060】
・上記実施形態では、フロントマス２１を第１の金属材料であるアルミニウムを用いて形成し、バックマス２２を第１の金属材料よりも比重が大きい第２の金属材料であるステンレスを用いて形成したが、これに限定されない。例えば、アルミニウム以外の金属材料、例えばジュラルミン（比重２．８０）等のアルミニウム合金、マグネシウム（比重１．７４）、マグネシウム合金、チタン（比重４．５１）、チタン合金（６－４）（比重４．４３）などを第１の金属材料として用いてフロントマス２１を形成してもよい。また、ステンレス以外の金属材料、例えば銅（比重８．９６）、真鍮等の銅合金（比重８．５０～８．７０）、炭素鋼やニッケル鋼等の鋼材料（比重７．７０～９．００）、ニッケル（比重８．９０）、ニッケル合金（比重８．５０～９．３０）、クロム（比重７．１９）、クロム合金、コバルト（比重８．８５）、コバルト合金などを第２の金属材料として用いてバックマス２２を形成してもよい。
【0061】
・上記実施形態では、フロントマス２１が断面矩形状、バックマス２２が断面円形状であったが、これに限定されない。例えば、フロントマス２１及びバックマス２２の両方を断面矩形状としてもよく、また、フロントマス２１及びバックマス２２の両方を断面円形状としてもよい。さらに、フロントマス２１及びバックマス２２の少なくとも一方を断面矩形状以外の断面多角形状（例えば断面六角形状など）としてもよい。
【0062】
・上記実施形態では、フロントマス２１のほうがバックマス２２よりも長さ（厚さ）が大きかったが、この大小関係を逆にしてもよい。また、両者の長さ（厚さ）を等しくしてもよい。
【0063】
・上記実施形態では、第１の金属材料を用いてフロントマス２１を形成し、第１の金属材料よりも比重が大きい第２の金属材料を用いてバックマス２２を形成したが、比重が等しい金属材料を用いてフロントマス２１及びバックマス２２を形成してもよく、この場合にはバックマス２２はフロントマス２１よりも重量が大きくなるようにする。なお、上記「比重が等しい金属材料」としては、比重が等しい同種の金属材料を選択してもよいほか、比重が等しい異種金属を選択してもよい。
【0064】
・上記実施形態では、ボルト締めランジュバン型振動子１１を用いて魚群探知機用センサ４１を構成した例を挙げたが、当該振動子１１を用いて魚群探知機用センサ４１以外の超音波計測用機器（例えば空中超音波センサ、超音波レベル計、超音波流量計、超音波濃度計、超音波気泡検知センサ、超音波ノッキングセンサ等）を構成しても勿論よい。
【符号の説明】
【0065】
１１…ボルト締めランジュバン型振動子
２１…フロントマス
２２…バックマス
２５…締め付けボルト
３１…駆動部
３２…圧電素子
３３…電極板
３４…孔
４１…魚群探知機用センサ
Ｌ１…振動子全長
Ｔ２…駆動部の厚さ
Ｔ３…バックマスの厚さ
λ／２…共振周波数の半波長
２１…フロントマス
２２…バックマス
２５…締め付けボルト
３１…駆動部
３２…圧電素子
３３…電極板
３４…孔
４１…魚群探知機用センサ
Ｌ１…振動子全長
Ｔ２…駆動部の厚さ
Ｔ３…バックマスの厚さ
λ／２…共振周波数の半波長
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
