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(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】2024-10-24
(45)【発行日】2024-11-01
(54)【発明の名称】ソナー
(51)【国際特許分類】
G01S 7/521 20060101AFI20241025BHJP
【ＦＩ】
G01S7/521 A
【請求項の数】
1
(21)【出願番号】P 2020549826
(86)(22)【出願日】2020-04-17
(86)【国際出願番号】 JP2020016830
(87)【国際公開番号】W WO2021210151
(87)【国際公開日】2021-10-21
【審査請求日】2023-03-01
【前置審査】
(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】樋口 和樹
【審査官】小川 浩史
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１３－２３８５６８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開昭５５－１１６９６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００２－３１１１２８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開昭５８－１６１４９２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平１－２９５１９０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特公昭３１－６９７３（ＪＰ，Ｂ１）
【文献】実開昭５８－２２１１１（ＪＰ，Ｕ）
【文献】実開平２－８４１０（ＪＰ，Ｕ）
【文献】特開平６－２９２６６９（ＪＰ，Ａ）
【文献】欧州特許出願公開第０５０９２９７（ＥＰ，Ａ１）
【文献】米国特許第５５５０７９２（ＵＳ，Ａ）
【文献】実開昭５６－３７５９７（ＪＰ，Ｕ）
【文献】特開昭５４－６１５９０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特許第６８２８９４４（ＪＰ，Ｂ１）
【文献】特許第７３２０８４９（ＪＰ，Ｂ２）
(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
(57)【特許請求の範囲】
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
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。
【背景技術】
【0002】
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。
【0003】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】特許第５９７９５３７号公報（請求項１、図４等）
【文献】特公平０１－０２５４３５号公報（図等）
【文献】特公昭６３－０４２７５５号公報（第１図等）
【文献】特開２０１６－２１３６６６号公報（図４Ｂ等）
【文献】特開２０１２－１８２７５８号公報（図６等）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
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。
【0006】
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。
【課題を解決するための手段】
【0007】
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。
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。
【0008】
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。
【0009】
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。
【0010】
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。
【0012】
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。
【0015】
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。
【0016】
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。
【0017】
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。
【0018】
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。
【発明の効果】
【0019】
以上詳述したように、請求項１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。
【図面の簡単な説明】
【0020】
【図1】第１実施形態のソナーが搭載された船舶を示す説明図。
【図2】ソナー、昇降装置及びモニターを示す概略構成図。
【図3】ソナーを示す概略断面図。
【図4】ソナーを示す概略断面図。
【図5】ケースに収容した状態の超音波振動子を示す側面図。
【図6】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。
【図7】ケースを示す裏面図。
【図8】超音波振動子を示す平面図。
【図9】超音波振動子を示す側面図。
【図10】振動部を示す断面図。
【図11】（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。
【図12】ソナーの電気的構成を示すブロック図。
【図13】（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。
【図14】第２実施形態の超音波振動子を示す平面図。
【図15】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。
【図16】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。
【図17】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。
【図18】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。
【図19】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。
【図20】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。
【図21】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。
【図22】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。
【図23】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。
【図24】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。
【図25】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。
【図26】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。
【図27】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。
【図28】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。
【図29】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。
【図30】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。
【図31】全駆動モードにおけるスキャン回数を示す説明図。
【図32】部分駆動モードにおけるスキャン回数を示す説明図。
【図33】（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。
【図34】（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。
【図35】他の実施形態における超音波振動子を示す平面図。
【図36】他の実施形態における超音波振動子を示す平面図。
【図37】他の実施形態における超音波振動子を示す平面図。
【図38】従来技術における圧電素子を示す要部平面図。
【図39】従来技術における振動部を示す断面図。
【発明を実施するための最良の形態】
【0021】
［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。
【0022】
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。
【0023】
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。
【0024】
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。
【0025】
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。
【0026】
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。
【0027】
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。
【0028】
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。
【0029】
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。
【0030】
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。
【0031】
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。
【0032】
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。
【0033】
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。
【0034】
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。
【0035】
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。
【0036】
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。
【0037】
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。
【0038】
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。
【0039】
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。
【0040】
次に、ソナー１１の電気的構成について説明する。
【0041】
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。
【0042】
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。
【0043】
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。
【0044】
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。
【0045】
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。
【0046】
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。
【0047】
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。
【0048】
次に、超音波振動子４１の製造方法を説明する。
【0049】
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。
【0050】
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。
【0051】
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。
【0052】
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。
【0053】
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。
【0054】
（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。
【0055】
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。
【0056】
（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。
【0057】
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。
【0058】
（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。
【0059】
（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。
【0060】
（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。
【0061】
（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。
【0062】
（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。
【0063】
［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。
【0064】
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。
【0065】
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。
【0066】
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。
【0067】
次に、超音波振動子の評価方法及びその結果を説明する。
【0068】
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。
【0069】
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。
【0070】
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。
【0071】
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。
【0072】
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）。
【0073】
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）。
【0074】
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。
【0075】
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。
【0076】
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。
【0077】
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。
【0078】
（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。
【0079】
（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。
【0080】
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。
【0081】
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。
【0082】
なお、上記各実施形態を以下のように変更してもよい。
【0083】
・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。
【0084】
・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。
【0085】
・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。
【0086】
・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。
【0087】
・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。
【0088】
・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。
【0089】
・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。
【0090】
・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。
【0091】
・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）Ｏ３－ＰｂＴｉＯ３）単結晶、ＰＺＮＴ（Ｐｂ（Ｚｎ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３－ＰｂＴｉＯ３）単結晶、ＬｉＮｂＯ３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。
【0092】
・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。
【0093】
・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。
【0094】
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。
【0095】
（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。
【0096】
（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。
【0097】
（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。
【0098】
（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。
【0099】
（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。
【0100】
（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。
【0101】
（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。
【0102】
（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。
【符号の説明】
【0103】
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
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
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】
【図28】
【図29】
【図30】
【図31】
【図32】
【図33】
【図34】
【図35】
【図36】
【図37】
【図38】
【図39】