WO2023162276A1 - 超音波送受波器 - Google Patents

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WO2023162276A1
WO2023162276A1 PCT/JP2022/008471 JP2022008471W WO2023162276A1 WO 2023162276 A1 WO2023162276 A1 WO 2023162276A1 JP 2022008471 W JP2022008471 W JP 2022008471W WO 2023162276 A1 WO2023162276 A1 WO 2023162276A1
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ultrasonic
ultrasonic transducer
transducer
ultrasonic transducers
transducers
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Application number
PCT/JP2022/008471
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English (en)
French (fr)
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賢治 流田
重雄 山本
稔 若林
Original Assignee
本多電子株式会社
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S15/00—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems
    • G01S15/88—Sonar systems specially adapted for specific applications
    • G01S15/96—Sonar systems specially adapted for specific applications for locating fish
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/52—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S15/00
    • G01S7/521—Constructional features
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R1/00—Details of transducers, loudspeakers or microphones
    • H04R1/02—Casings; Cabinets ; Supports therefor; Mountings therein

Definitions

  • the present invention relates to an ultrasonic transducer having a plurality of ultrasonic transducers for transmitting and receiving ultrasonic waves.
  • scanning sonar is well known as a device for detecting objects to be explored, such as schools of fish, by transmitting and receiving ultrasonic waves.
  • a typical scanning sonar includes an ultrasonic transducer having an ultrasonic transducer that transmits and receives ultrasonic waves, and a driving mechanism that turns and rotates the ultrasonic transducer.
  • ultrasonic waves are transmitted and received while the ultrasonic transmitter/receiver is turned and rotated to explore underwater.
  • JP 2006-105850 A People's Republic of China Patent Publication No. CN-A-109959915
  • the present invention has been made in view of the above problems, and its object is to provide an ultrasonic transducer capable of exploring a wide area in water relatively quickly and having an inexpensive and compact configuration. to provide.
  • the invention according to claim 1 is an ultrasonic transmitter/receiver molded in a state in which a plurality of ultrasonic transducers for transmitting and receiving ultrasonic waves are housed in a case,
  • the plurality of ultrasonic transducers includes one first ultrasonic transducer arranged in the center and five or more and eight or less second ultrasonic transducers arranged at equal intervals around the first ultrasonic transducer.
  • the first ultrasonic transducer has a first acoustic radiation surface and a first center axis orthogonal to the first acoustic radiation surface
  • the second ultrasonic transducer comprises a second It has two acoustic radiation surfaces and a second central axis orthogonal to the second acoustic radiation surface, and the second acoustic radiation surface is inclined such that the second central axis forms an angle with the first central axis.
  • the gist of this is that the second ultrasonic transducer is arranged in a state in which the second ultrasonic transducer is placed.
  • a limited number of second ultrasonic transducers are inclined at regular intervals around the first ultrasonic transducer.
  • the acoustic radiation surfaces of the respective second ultrasonic transducers face different directions by a predetermined angle. Therefore, it is possible to cover a wide underwater exploration area with a limited number of ultrasonic transducers, and a wide area can be explored relatively quickly.
  • the device can be constructed compactly. Furthermore, since the number of channels is small, the configuration for switching control is simplified, and the device can be made inexpensive.
  • the gist of the invention according to claim 2 is that in claim 1, the second central axis forms one angle selected from the range of 20° or more and 40° or less with respect to the first central axis.
  • the invention according to claim 3 is the gist of claim 1 or 2, wherein all of the acoustic radiation surfaces of the plurality of ultrasonic transducers are arranged so as to be positioned on one virtual spherical surface. do.
  • the gist of the invention according to claim 4 is that in any one of claims 1 to 3, a transducer holder is provided for holding the plurality of ultrasonic transducers at predetermined positions and inclinations.
  • the transducer holder has the same number of cup-shaped holders as the ultrasonic transducers, each having a bottom portion and a peripheral wall and holding the ultrasonic transducers.
  • the gist of it is to be prepared.
  • the transducer holder is a resin molded product having a notch in a part of the peripheral wall of the holding portion that holds the second ultrasonic transducer. is the gist of it.
  • the invention according to claim 7 is based on any one of claims 4 to 6, wherein the transducer holder holding the plurality of ultrasonic transducers is molded with a filler while being housed in the case.
  • the filler has a lower specific acoustic impedance than the acoustic matching layer of the ultrasonic transducer, is waterproof, and is filled so that the outer surface is flush with the opening of the case. The gist of this is that the opening of the case is closed.
  • the gist of the invention according to claim 8 is that in any one of claims 1 to 7, the plurality of ultrasonic transducers have the same size and shape.
  • a ninth aspect of the invention is based on any one of the first to eighth aspects, wherein the size of the gap between the adjacent second ultrasonic transducers is 25% or less of the diameter of the ultrasonic transducers.
  • the gist is that the size of the gap between the first ultrasonic transducer and the second ultrasonic transducer is 10% or less of the diameter of the ultrasonic transducer.
  • the invention according to claim 10 is the ultrasonic transducer according to any one of claims 1 to 9, wherein the plurality of ultrasonic transducers has a screw structure that can be attached to the case that also serves as a spacer attachment or to the spacer attachment.
  • the gist of this is that it is housed in the case that has.
  • an ultrasonic transducer capable of surveying a wide area in water relatively quickly and having a low cost and compact configuration. can provide.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an ultrasonic transducer of a first embodiment embodying the present invention
  • FIG. 1 is a schematic front view showing an ultrasonic transmitter/receiver according to a first embodiment
  • FIG. FIG. 2 is a cross-sectional view of an ultrasonic transducer that constitutes the ultrasonic transducer of the first embodiment
  • 2 is a front view of an ultrasonic transducer that constitutes the ultrasonic transducer of the first embodiment
  • FIG. 2 is a schematic perspective view showing an arrangement mode of a plurality of ultrasonic transducers in the first embodiment; 4 is a graph showing the relationship between frequency and transmission voltage sensitivity for one ultrasonic transducer used in the first embodiment; 4 is a graph showing directivity characteristics for each frequency of one ultrasonic transducer used in the first embodiment; 5 is a graph showing directivity characteristics of three ultrasonic transducers arranged in different directions, used in the first embodiment; The schematic sectional drawing which shows the ultrasonic transducer of 2nd Embodiment.
  • FIG. 11 is a perspective view of the transducer holder used in the second embodiment, viewed obliquely from above; FIG.
  • FIG. 11 is a perspective view of the transducer holder used in the second embodiment as viewed obliquely from below; The bottom view of the transducer holder used in the second embodiment. The side view of the transducer holder used in the second embodiment.
  • FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing a scraper-mounted ultrasonic transducer in another embodiment.
  • FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing a scraper-mounted ultrasonic transducer in another embodiment.
  • FIG. 11 is a schematic perspective view showing another embodiment in which five second ultrasonic transducers are arranged;
  • FIG. 11 is a schematic perspective view showing another embodiment in which eight second ultrasonic transducers are arranged;
  • FIG. 4 is a schematic perspective view showing a comparative example in which four second ultrasonic transducers are arranged;
  • FIG. 1 A first embodiment in which the present invention is embodied in an ultrasonic transducer 11 used in a scanning sonar will be described in detail below with reference to FIGS. 1 to 8.
  • FIG. 1 A first embodiment in which the present invention is embodied in an ultrasonic transducer 11 used in a scanning sonar will be described in detail below with reference to FIGS. 1 to 8.
  • FIG. 1 A first embodiment in which the present invention is embodied in an ultrasonic transducer 11 used in a scanning sonar will be described in detail below with reference to FIGS. 1 to 8.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an ultrasonic transducer 11 of this embodiment, and FIG. 2 is a schematic front view thereof.
  • a scanning sonar is a device for exploring underwater objects such as schools of fish by irradiating ultrasonic waves into the water.
  • the scanning sonar of this embodiment basically includes an ultrasonic transmitter/receiver 11, as well as an elevating device, a display device, a control device, and the like (all not shown).
  • the ultrasonic transducer 11 is attached to an elevating device so as to be used while being placed on the bottom of a ship.
  • the elevating device immerses the ultrasonic transducer 11 in water by raising and lowering the ultrasonic transducer 11 .
  • the display device is installed in the steering room of the ship and has an operation section and a display section.
  • a controller is also located in the ship's wheelhouse and is electrically connected to the display and controller.
  • This control device drives and controls the ultrasonic transmitter/receiver 11 according to a predetermined program to transmit and receive ultrasonic waves.
  • the control device also drives and controls the display device according to a predetermined program to display the result of underwater exploration as an ultrasonic image.
  • the ultrasonic transducer 11 of this embodiment has a structure in which a plurality of ultrasonic transducers 31 for transmitting and receiving ultrasonic waves are housed in a case 21 and molded.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of an ultrasonic transducer 31 constituting the ultrasonic transducer 11, and
  • FIG. 4 is a front view thereof.
  • FIG. 5 is a schematic perspective view showing how the plurality of ultrasonic transducers 31 are arranged.
  • the plurality of ultrasonic transducers 31 used in this embodiment are disc-shaped structures having the same size and shape.
  • Each ultrasonic transducer 31 has a substrate 32 and a piezoelectric element 33 .
  • the base material 32 is a disk-shaped resin plate material that also serves as an acoustic matching layer, and in this embodiment, a base material made of glass epoxy is used.
  • the piezoelectric element 33 is a plate-like object made of piezoelectric ceramics, and in this embodiment, a disk-like plate-like object formed using lead zirconate titanate (PZT) is used.
  • the piezoelectric element 33 has a front surface 41 bonded to the substrate 32 , a back surface 42 opposite the front surface 41 , and an outer peripheral surface 43 orthogonal to the front surface 41 and back surface 42 .
  • a front-side electrode 44 is formed on the front surface 41 of the piezoelectric element 33
  • a back-side electrode 45 is formed on the back surface 42 of the piezoelectric element 33 .
  • the entire front surface 41 of the piezoelectric element 33 is bonded to the substrate 32 via the front-side electrode 44 and an adhesive layer (not shown).
  • the piezoelectric element 33 is divided by grooves 52 that are parallel to each other in plan view, and has a structure including a plurality of substantially strip-shaped vibrating portions 51 .
  • This structure is advantageous in realizing a wideband vibrator with a fractional bandwidth of 0.2 or more, which will be described later.
  • the depth of the groove 52 is not particularly limited and is arbitrary, it is set to about 80% to 95% of the thickness of the piezoelectric element 33, for example.
  • the plurality of grooves 52 are linear and do not cross each other, and are formed parallel to each other in this embodiment.
  • the interval between the grooves 52 is not particularly limited and is arbitrary. By setting the interval between the grooves 52 within this range, the piezoelectric element 33 can be easily deformed in the thickness direction, and the electromechanical coupling coefficient can be increased.
  • the number of divisions of the piezoelectric element 33 (that is, the number of vibrating portions 51) is not particularly limited and can be arbitrarily set, but is, for example, about 4 to 10, and is set to 5 in this embodiment.
  • the length of the vibrating portion 51 located in the central portion is the longest
  • the length of the vibrating portions 51 located on both sides thereof is the second longest
  • the length of the vibrating portions 51 located on the outer side is the longest. is the shortest.
  • the width of the vibrating portions 51 the width of the vibrating portion 51 located on the outermost side is larger than the width of the other portions.
  • the five vibrating portions 51 are connected to each other at the end portion of the piezoelectric element 33 on the front surface 41 side.
  • each vibrating portion 51 is greater than the height, and the height is greater than the width. Also, the thickness of the base material 32 is smaller than the height of the vibrating portion 51 . Also, the thickness of the portion of the piezoelectric element 33 where the vibrating portions 51 are connected is considerably thinner than the thickness of the piezoelectric element 33 and the base material 32 . For example, in the present embodiment, the thickness of the connection portion is about 5% to 20% of the thickness of the base material 32 .
  • the back side electrode 45 on the back side 42 of the piezoelectric element 33 is formed so as to bridge the surfaces of the five vibrating portions 51 .
  • a conductive metal foil made of a metal material with low electrical resistance such as copper, silver, or tin is used as the back side electrode 45 .
  • a first lead wire 61 is electrically connected to the front electrode 44 and a second lead wire 62 is electrically connected to the rear electrode 45, as shown in FIG.
  • These lead wires 61 and 62 are housed and bundled in one wiring cable 64 .
  • the wiring cable 64 is drawn out of the case 21 through a wiring insertion hole 29 provided in the upper portion of the case 21 .
  • a sheet-like soundproof material 47 (backing material) made of sponge or the like is attached to the back surface 42 side of the piezoelectric element 33 in order to suppress the reverberation of the ultrasonic waves.
  • the case 21 is made of a resin material such as ABS resin, and has a bottomed cylindrical shape with an opening 22 at one end.
  • a plurality of ultrasonic transducers 31 are accommodated in the case 21 .
  • the plurality of ultrasonic transducers 31 includes one first ultrasonic transducer 31A arranged in the center and five ultrasonic transducers arranged at equal intervals around the first ultrasonic transducer 31A. It consists of eight or less second ultrasonic transducers 31B. In this embodiment, the number of second ultrasonic transducers 31B is six.
  • the acoustic radiation surface 34A of the first ultrasonic transducer 31A and the acoustic radiation surface 34B of each of the second ultrasonic transducers 31B are all located on one virtual spherical surface.
  • the direction of the first central axis C1 orthogonal to the center of the acoustic radiation surface 34A (also referred to as the direction of the normal vector of the first ultrasonic transducer 31A) is , can be grasped as the acoustic radiation direction.
  • the direction of the second central axis C2 perpendicular to the center of the acoustic radiation surface 34B (also referred to as the direction of the normal vector of the second ultrasonic transducer 31B) is It can be grasped as the acoustic radiation direction.
  • the second acoustic radiation surface 34B is tilted so that the second central axis C2 forms an angle ⁇ with respect to the first central axis C1, and each 2 ultrasonic transducers 31B are arranged. That is, the acoustic radiation direction of the first ultrasonic transducer 31A faces the same direction as the axial direction of the case 21 (downward in FIG. 1). On the other hand, the acoustic radiation direction of each of the second ultrasonic transducers 31B faces a direction different from the axial direction of the case 21 .
  • each of the second ultrasonic transducers 31B of this embodiment has its acoustic radiation surface 34B directed inward (in other words, toward the side where the first ultrasonic transducer 31A is located). ) in an oblique arrangement (see FIGS. 1 and 5).
  • the second central axis C2 preferably forms one angle ⁇ selected from the range of 20° or more and 40° or less with respect to the first central axis C1. 30°.
  • each of the second central axis C2 and the first central axis C1 is converged at one point.
  • the second central axes C2 of the adjacent second ultrasonic transducers 31B also form one angle ⁇ (here, about 30°) selected from the range of 20° or more and 40° or less.
  • the size of the gap between the adjacent second ultrasonic transducers 31B is set to, for example, 25% or less of the diameter of the ultrasonic transducers 31, and is set to 5% or less in this embodiment. That is, the adjacent second ultrasonic transducers 31B are arranged with almost no gap. Also, the size of the gap between the first ultrasonic transducer 31A and the second ultrasonic transducer 31B is set to, for example, 10% or less of the diameter of the ultrasonic transducer 31, and is set to 5% or less in this embodiment. It is That is, the first ultrasonic transducer 31A and the second ultrasonic transducer 31B are also arranged with almost no gap between them.
  • the seven ultrasonic transducers 31 densely arranged as described above are housed in the case 21 and molded with the filler 26.
  • a waterproof resin material such as urethane resin
  • the outer surface of the filler 26 is filled so as to be flush with the opening 22 of the case 21 , thereby closing the opening 22 of the case 21 .
  • the controller is driven to cause the ultrasonic transmitter/receiver 11 to transmit and receive ultrasonic waves. That is, control is performed to output an oscillation signal to each ultrasonic transducer 31 to drive the ultrasonic transducers 31 .
  • each vibrating portion 51 of the piezoelectric element 33 repeats contraction and expansion. When the vibrating portion 51 shrinks in the height direction, the vibrating portion 51 expands slightly in the width direction. As a result, the piezoelectric element 33 vibrates, and ultrasonic waves are emitted (transmitted) from the ultrasonic transducer 31 to the water.
  • a reflected ultrasonic wave that has reached the object to be investigated is input (received) to each ultrasonic transducer 31 of the ultrasonic transducer 11 .
  • the control device converts the reflected ultrasonic wave received by each ultrasonic transducer 31 into a received signal, takes in the received signal, and performs predetermined arithmetic processing based on the received signal. Then, the control device causes the display device to display the results of underwater exploration obtained by the arithmetic processing. More specifically, by controlling the driving timing of each ultrasonic transducer 31 and performing transmission and reception, the results of underwater exploration in each direction are imaged from the information of each received signal and displayed on the display device. .
  • a scanning sonar equipped with the ultrasonic transducer 11 of this embodiment can be an effective means for finding the moving direction of a school of fish or the like.
  • FIG. 6 is a graph showing the relationship between frequency and transmission voltage sensitivity for one ultrasonic transducer 31.
  • FIG. 7 is a graph showing directivity characteristics for each frequency for one ultrasonic transducer 31.
  • FIG. 8 is a graph showing directivity characteristics of three ultrasonic transducers 31 arranged in different directions.
  • an ultrasonic transducer having basically the same configuration as the ultrasonic transducer 31 of the present embodiment was prepared (see FIG. 4, etc.).
  • the diameter of the ultrasonic transducer 31 is set to 25 mm ⁇
  • the thickness of the piezoelectric element 33 is set to 9 mm
  • the thickness of the substrate 32 is set to 4 mm.
  • the piezoelectric element 33 has four grooves 52 with a depth of 8.5 mm, and the thickness of the portion of the piezoelectric element 33 where the vibrating parts 51 are connected to each other is 0.5 mm.
  • the ultrasonic transducer 31 which is a sample for measurement, is driven to irradiate (transmit) ultrasonic waves.
  • the voltage amplitude at that time was measured with an oscilloscope to calculate the transmitted wave voltage sensitivity.
  • the frequency was switched in a plurality of steps between 40 kHz and 260 kHz, and ultrasonic waves were transmitted at each switched frequency.
  • the transmission voltage sensitivity (dB) of the ultrasonic transducer 31 was calculated.
  • the peaks of the transmitted wave voltage sensitivity appeared at two positions centered around 60 kHz and 160 kHz.
  • the peak vibration appearing near 160 kHz was thickness direction vibration
  • the peak vibration appearing near 60 kHz was radial direction vibration.
  • the transmission voltage sensitivity of 145 dB is used as a reference in the graph of FIG. 6, this value was exceeded in the frequency range of approximately 50 kHz to 70 kHz and in the frequency range of approximately 120 kHz to 250 kHz.
  • the ultrasonic transducer 31 of the present embodiment is a broadband transducer that can be used in the above-described lower frequency range in which it vibrates by thickness-direction vibration and in the above-described upper frequency range in which it vibrates by radial-direction vibration. concluded.
  • the ultrasonic transducer 31 constituting the ultrasonic transducer 11 used for scanning sonar it is considered desirable to use a wideband transducer with a fractional bandwidth of 0.2 or more, in which chirp driving is effective.
  • the relative bandwidth of this ultrasonic transducer 31 was obtained, it was found to be 0.2 or more, so it can be said that it has favorable characteristics.
  • the directional characteristics of the ultrasonic transducer 31 were verified. Specifically, ultrasonic waves were emitted from one ultrasonic transducer 31, which is a sample for measurement, and the transmitted sound pressure during irradiation (during transmission) was measured. At this time, the tilt angle (tilt angle) of the ultrasonic transducer 31 was changed in a plurality of steps between 0° and 90°, ultrasonic waves were emitted at each of the changed tilt angles, and the transmitted sound pressure was measured.
  • the tilt angle is 0° when the acoustic radiation surface (back surface of the base material 32) faces downward in the vertical direction
  • the tilt angle is 90° when the acoustic radiation surface faces sideways. .
  • the frequency of ultrasonic waves was switched to 65 kHz, 140 kHz, 180 kHz, and 240 kHz, ultrasonic waves were irradiated at each switched frequency, and transmitted sound pressure was measured. The results are shown in the graph of FIG.
  • the ultrasonic transducer 31 of this embodiment has ideal directional characteristics when applied to the ultrasonic transducer 11 used for scanning sonar. Further, when the half-life full angle of this ultrasonic transducer 31 was actually measured, it was 19° to 26° at each frequency.
  • ultrasonic transducers 31 were used in combination. Specifically, three ultrasonic transducers 31, which are measurement samples, were arranged side by side with each tilt of 30°. Ultrasonic waves of 140 kHz were irradiated from these three ultrasonic transducers 31, and the transmitted sound pressure during irradiation (during transmission) was measured by the same method as described above. The results are shown in the graph of FIG.
  • the ultrasonic beams of each ultrasonic transducer 31 were ideal without large side lobes. Also, when the three ultrasonic transducers 31 are arranged with an inclination of 30° each, the three main lobes are oriented with a deviation of 30°. Therefore, it has been found that the ultrasonic beams of the three ultrasonic transducers 31 can cover a relatively wide range of approximately 90 degrees.
  • the ultrasonic transmitter/receiver 11 of this embodiment includes one first ultrasonic transducer 31A arranged in the center and six second ultrasonic transducers 31B arranged at equal intervals around it. and Each of the second ultrasonic transducers 31B is arranged with the second acoustic radiation surface 34B inclined such that the second central axis C2 forms an angle ⁇ with respect to the first central axis C1. In other words, a limited number of second ultrasonic transducers 31B are inclined at regular intervals around the first ultrasonic transducer 31A. By arranging in this manner, the second acoustic radiation surfaces 34B of the respective second ultrasonic transducers 31B face different directions by a predetermined angle (approximately 30°).
  • the resonance frequency in order to widen the directivity angle of the ultrasonic transducer 31 constituting the ultrasonic transmitter/receiver 11, the resonance frequency should be low, but for that purpose the resonance length of the ultrasonic transducer 31 must be lengthened. In this case, it is necessary to increase the thickness or diameter of the piezoelectric element 33, which hinders the downsizing of the entire device. On the other hand, there is a demand to make the overall size of the ultrasonic transducer 11 as compact as possible in order to keep costs down. In this regard, according to the present embodiment, it is possible to solve the above two contradictory problems.
  • the angle ⁇ of the second central axis C2 with respect to the first central axis C1 is selected from the range of 20° to 40° (30° in the present embodiment) °).
  • a plurality of ultrasonic transducers 31 are housed in the case 21 and molded with the filler 26 .
  • the filler 26 has a lower specific acoustic impedance than the base material 32, which is the acoustic matching layer of the ultrasonic transducer 31, and is waterproof.
  • the filler 26 is filled so that the outer surface of the case 21 is flush with the opening 22 of the case 21 to close the opening 22 . Therefore, the plurality of ultrasonic transducers 31 are embedded in the filler 26 and become invisible, thereby protecting the plurality of ultrasonic transducers 31 and improving the waterproofness.
  • the opening 22 side of the case 21 is an ultrasonic wave emitting surface without unevenness, the appearance is less complicated and the resistance in water is reduced.
  • the plurality of ultrasonic transducers 31 have the same size and shape. Therefore, since the sensitivity characteristics of the plurality of ultrasonic transducers 31 can be made uniform, the ultrasonic transmitter/receiver 11 can have excellent measurement accuracy.
  • the size of the gap between the adjacent second ultrasonic transducers 31B is 25% or less of the diameter of the ultrasonic transducers 31 .
  • the size of the gap between the first ultrasonic transducer 31A and the second ultrasonic transducer 31B is 10% or less of the diameter of the ultrasonic transducer 31 .
  • FIG. 9 is a schematic cross-sectional view showing the ultrasonic transducer 11A.
  • FIG. 10 is a perspective view of the vibrator holder 71 viewed obliquely from above
  • FIG. 11 is a perspective view of the vibrator holder 71 viewed obliquely from below
  • FIG. 12 is a bottom view
  • FIG. 13 is a side view.
  • This ultrasonic transmitter/receiver 11A is different from that of the first embodiment in that it has a transducer holder 71 as a fixing base for holding a plurality of ultrasonic transducers 31 at predetermined positions and inclinations.
  • the vibrator holder 71 is a resin molded product including a main body 76 and a plurality of holding portions 72 .
  • the number of holding portions 72 is seven in total, one in the central portion and six in the peripheral portion. That is, the transducer holder 71 has the same number of holding portions 72 as the seven ultrasonic transducers 31 .
  • the main body 76 is a member composed of a plurality of connecting portions 78 and supports a plurality of holding portions 72 .
  • a plurality of connecting portions 78 connect adjacent holding portions 72 to each other.
  • a region between the plurality of connecting portions 78 serves as a through hole 79 that communicates the main body 76 in the vertical direction.
  • Each holding part 72 is a circular cup-shaped part having a bottom part 73 and a peripheral wall 74 in plan view.
  • One holding portion 72 positioned at the center of the transducer holder 71 is a holding portion for holding the first ultrasonic transducer 31A.
  • Six holding portions 72 located in the peripheral portion of the transducer holder 71 are holding portions for holding the second ultrasonic transducer 31B.
  • the six holding portions 72 located in the peripheral portion are inclined by about 30° with respect to the holding portion 72 located in the central portion.
  • the six holding portions 72 located in the peripheral portion have a notch portion 75 in a part of the peripheral wall 74 in order to facilitate removal of the mold during resin molding.
  • the notch 75 is positioned at the outermost periphery of the vibrator holder 71 over about half the circumference of the peripheral wall 74 .
  • the holding part 72 located in the central part does not have the notch 75 in a part of the peripheral wall 74 and has a perfect shape.
  • a wiring hole 77 communicating with the front and back surfaces of the bottom portion 73 is formed in the bottom portion 73 of each holding portion 72 .
  • a first lead wire 61 and a second lead wire 62 drawn out from the ultrasonic transducer 31 are respectively inserted through these wiring holes 77 .
  • the ultrasonic transducer 11A of this embodiment is assembled in the following procedure.
  • the transducer holder 71 is prepared, the central holding portion 72 holds the first ultrasonic transducer 31A, and the six peripheral holding portions 72 hold the second ultrasonic transducer 31B.
  • the first ultrasonic transducer 31A and the second ultrasonic transducer 31B may be bonded to the inner surface of the holding portion 72 using an adhesive or the like.
  • a soundproof material (not shown) may be arranged on the back side of the first ultrasonic transducer 31A and the second ultrasonic transducer 31B.
  • the transducer holder 71 holding the ultrasonic transducer 31 is housed in the case 21 and positioned.
  • the sound radiation direction of the first ultrasonic transducer 31A is adjusted so as to be the same as the axial direction of the case 21 .
  • a portion of the transducer holder 71 may be brought into contact with the inner surface of the case 21 for positioning.
  • a plurality of pillars (not shown) are protruded from the main body 76 of the vibrator holder 71 .
  • reliable positioning may be achieved.
  • the transducer holder 71 holding the plurality of ultrasonic transducers 31 is enclosed in the case 21, and the assembly of the ultrasonic transducer 11A is completed. do.
  • the ultrasonic transducer 11A of this embodiment has the following effects in addition to the effects mentioned in the first embodiment.
  • the ultrasonic transducer 11A of this embodiment includes a transducer holder 71 that holds a plurality of ultrasonic transducers 31 at predetermined correct positions and inclinations. Therefore, the one first ultrasonic transducer 31A and the six second ultrasonic transducers 31B are easily and reliably held at the correct predetermined positions and inclinations. In addition, by using such a transducer holder 71, troublesome work for positioning the ultrasonic transducers 31 to each other becomes unnecessary. Therefore, the ultrasonic transmitter/receiver 11A can be of high quality and easy to manufacture.
  • the transducer holder 71 of the ultrasonic transducer 11A of this embodiment has a bottom portion 73 and a peripheral wall 74, and a cup-shaped holding portion 72 for holding the ultrasonic transducer 31. and the same number (here, seven). Therefore, each ultrasonic transducer 31 is stably supported by the transducer holder 71 at the correct position and angle by holding each ultrasonic transducer 31 in the cup-shaped holders 72 which are the same in number as the ultrasonic transducers 31 . can be made
  • the transducer holder 71 of the ultrasonic transducer 11A of this embodiment is a resin molded product having a notch 75 in a part of the peripheral wall 74 of the holding portion 72 that holds the second ultrasonic transducer 31B. . All of the holding portions 72 that hold the second ultrasonic transducer 31B are inclined. Therefore, it is expected that it will be difficult to remove the mold when producing a resin molded product by mold molding. In this regard, in the vibrator holder 71, a portion of the peripheral wall of the holding portion 72 (a portion difficult to remove from the mold) is cut out, so that the removal from the mold can be easily performed. Therefore, the ultrasonic transmitter/receiver 11A can be easily manufactured.
  • the transducer holder 71 of the ultrasonic transducer 11A of the present embodiment is molded with the filler 26 while being housed in the case 21 .
  • the filler 26 has a lower specific acoustic impedance than the base material 32, which also serves as an acoustic matching layer of the ultrasonic transducer 31, and is waterproof. Further, the filler 26 closes the opening 22 by being filled so that the outer surface thereof is flush with the opening 22 of the case 21 . Therefore, the plurality of ultrasonic transducers 31 and the transducer holder 71 are embedded in the filler 26 and become invisible. As a result, they are protected and waterproof is improved. In addition, since the opening 22 side of the case 21 is an ultrasonic wave emitting surface without irregularities, the appearance is less complicated and resistance in water can be reduced.
  • an ultrasonic transducer 11B of another embodiment shown in FIG. 14 may be used.
  • the ultrasonic transmitter/receiver 11B is a scraper-mounted ultrasonic transmitter/receiver, and has a structure that can be attached to a drainage hole (skipper hole) 81 provided in the bottom 80 of the ship.
  • a cylindrical spacer fitting is normally fitted into the spacer hole 81 .
  • the scupper fitting is secured with a nut and its top opening is capped.
  • the case 21A itself has a structure similar to that of a cylindrical scraper fitting, and also serves as the scraper fitting.
  • a flange portion 86 and a male screw groove portion 85 are provided on the outer peripheral surface of the case 21A that also serves as a spacer attachment.
  • the case 21B is fitted into the spacer hole 81, and the case 21A is fixed to the spacer hole 81 by screwing the female threaded portion 87 of the nut 83 into the male threaded groove portion 85 in this state. Therefore, this ultrasonic transmitter/receiver 11B can also be easily and watertightly attached to the ship bottom 80 using the existing scraper hole 81 .
  • an ultrasonic transmitter/receiver 11C of another embodiment shown in FIG. 15 may be used.
  • This ultrasonic transmitter/receiver 11C is also a scupper-mounted ultrasonic transmitter/receiver.
  • a case 21B that constitutes the ultrasonic transmitter/receiver 11C has a threaded structure that can be attached to a scupper fixture 82 installed on the bottom 80 of the ship.
  • the inner peripheral surface of the spacer mounting member 82 is provided with a female thread groove portion 82a, and the outer peripheral surface thereof is provided with a male thread groove portion 82b.
  • a female screw portion 84 screwed into the male screw groove portion 82a is provided on the entire outer peripheral surface of the case 21B.
  • the female screw groove portion 82a and the female screw portion 84 are screwed together to fix the case 21B to the scupper hole 81 via the scupper fitting 82.
  • the ultrasonic transmitter/receiver 11C can be easily and watertightly attached to the ship bottom 80 using the existing scraper hole 81.
  • the ultrasonic transducer 11B of FIG. 14 described above needs to be attached from the outside of the bottom 80 of the ship.
  • the ultrasonic transmitter/receiver 11B has an advantage in that the existing scupper hole 81 can be used as it is without being subjected to diameter-enlarging processing.
  • the ultrasonic transmitter/receiver 11C of FIG. 15 requires the existing scraper hole 81 to be slightly enlarged for attachment, or the ultrasonic transducer 31 to be slightly reduced.
  • the ultrasonic transmitter/receiver 11C has the advantage that it can be attached to the existing scupper hole 81 from the inside of the ship bottom 80 .
  • the present invention is not limited to this.
  • five second ultrasonic transducers 31B may be arranged at equal intervals around one first ultrasonic transducer 31A.
  • the inclination of the normal vector of the second ultrasonic transducer 31B with respect to the normal vector of the first ultrasonic transducer 31A is set at 30°, for example.
  • the inclination of the normal vector between the adjacent second ultrasonic transducers 31B is set to 34°, for example.
  • the ultrasonic beam can cover a relatively wide range of 94°.
  • the inclination of the normal vector of the second ultrasonic transducer 31B with respect to the normal vector of the first ultrasonic transducer 31A is set to 34°, for example.
  • the inclination of the normal vector between the adjacent second ultrasonic transducers 31B is set to 39°, for example. In this case, if the half-life angle of each ultrasonic transducer 31 is 40° or more, the ultrasonic beam can cover a relatively wide range of 108°.
  • восем ⁇ second ultrasonic transducers 31B may be arranged at equal intervals around one first ultrasonic transducer 31A.
  • the inclination of the normal vector of the second ultrasonic transducer 31B with respect to the normal vector of the first ultrasonic transducer 31A is set at 30°, for example.
  • the inclination of the normal vector between the adjacent second ultrasonic transducers 31B is set to 22°, for example.
  • a relatively wide range equivalent to that of the above embodiment and FIG. 16 can be covered with ultrasonic beams.
  • the number of the second ultrasonic transducers 31B is preferably seven or less, more preferably six or less.
  • the adjacent second ultrasonic transducers 31B cannot be arranged close to each other and densely, resulting in a large gap between them.
  • the inclination of the normal vector of the second ultrasonic transducer 31B with respect to the normal vector of the first ultrasonic transducer 31A is set to 34°, for example.
  • the inclination of the normal vector between the adjacent second ultrasonic transducers 31B is set to 46.5°, for example.
  • the ultrasonic beam has a dead angle, which is not preferable. Therefore, it is necessary to set the half-life angle of each ultrasonic transducer 31 to 40° or more.
  • the transducer holder 71 having the structure as shown in FIGS. 10 to 13 is used, but the present invention is not limited to this.
  • the vibrator holder 71 instead of omitting the sound absorbing material, the vibrator holder 71 itself may be given a function as a sound absorbing material.
  • the transducer holder 71 may be produced by a method other than the mold molding method (for example, 3D printing, etc.), or may be produced using a material other than resin (for example, metal, etc.).
  • the plurality of ultrasonic transducers 31 are assumed to have the same size and shape, but the present invention is not limited to this.
  • the sizes may differ, or the shapes may of course differ.
  • all the acoustic radiation surfaces of the plurality of ultrasonic transducers 31 are arranged on one virtual spherical surface.
  • a structure that is not on the spherical surface may be adopted.
  • the second ultrasonic transducers 31B are arranged with the acoustic radiation surfaces 34B facing inward (in other words, toward the side where the first ultrasonic transducer 31A is located). However, it is not limited to this. Conversely, each of the second ultrasonic transducers 31B is inclined so that the acoustic radiation surface 34B of each other faces outward (in other words, toward the side without the first ultrasonic transducer 31A).
  • the piezoelectric element 33 is divided by the grooves 52 that are parallel to each other in a plan view, and has a structure including a plurality of substantially strip-shaped vibrating parts 51, but is not limited to this.
  • the piezoelectric element 33 may be divided by a plurality of radial grooves 52 in plan view.

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Abstract

水中の広いエリアを比較的早く探査でき安価でコンパクトな構成の超音波送受波器を提供する。この超音波送受波器１１は、超音波を送受信する複数の超音波振動子３１がケース２１内に収容された状態でモールドされている。複数の超音波振動子３１は、中心に配置された１つの第１超音波振動子３１Ａと、第１超音波振動子３１Ａの周囲に均等な間隔で配置された５つ以上８つ以下の第２超音波振動子３１Ｂとからなる。第２超音波振動子３１Ｂの第２中心軸Ｃ２が、第１超音波振動子３１Ａの第１中心軸Ｃ１に対して角度θをなすように、第２音響放射面３４Ｂを傾斜させた状態で、第２超音波振動子３１Ｂが配置されている。選択図：図１

Description

超音波送受波器
　本発明は、超音波を送受信する複数の超音波振動子を備えた超音波送受波器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査物を検知するための装置として、スキャニングソナーがよく知られている。一般的なスキャニングソナーは、超音波を送受信する超音波振動子を有する超音波送受波器と、その超音波送受波器を旋回及び回転させる駆動機構とを備えている。そして、この種のスキャニングソナーでは、超音波送受波器を旋回及び回転させながら超音波の送受信を行い、水中を探査するようになっている。
　ところで、上記のような駆動機構を持たない代わりに、平面や球面を有する支持体の上に多数の超音波振動子をマトリックス状あるいはアレイ状に配置したスキャニングソナーも従来いくつか提案されている（例えば、特許文献１，２参照）。
特開２００６－１０５８５０号公報 中華人民共和国特許公開ＣＮ－Ａ－１０９９５９９１５号公報
　しかしながら、上記従来のスキャニングソナーの場合、多数の超音波振動子を有することから、装置全体が大型化しやすくコンパクトに構成することができなかった。また、チャンネル数が多いことから、チャンネルの切換制御のための構成が複雑になり、装置全体として高価なものとなりやすかった。さらに、一連のスキャンに時間がかかるため、水中の広いエリアの探査結果を短時間で得ることが難しかった。
　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、水中の広いエリアを比較的早く探査することができ、しかも安価でコンパクトな構成とすることができる超音波送受波器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複数の超音波振動子がケース内に収容された状態でモールドされている超音波送受波器であって、複数の前記超音波振動子は、中心に配置された１つの第１超音波振動子と、前記第１超音波振動子の周囲に均等な間隔で配置された５つ以上８つ以下の第２超音波振動子とからなり、前記第１超音波振動子は、第１音響放射面及び前記第１音響放射面に直交する第１中心軸を有するとともに、前記第２超音波振動子は、第２音響放射面及び前記第２音響放射面に直交する第２中心軸を有し、前記第２中心軸が前記第１中心軸に対して角度をなすように前記第２音響放射面を傾斜させた状態で、前記第２超音波振動子が配置されていることをその要旨とする。
　従って、請求項１に記載の発明によると、第１超音波振動子を中心としてその周囲に、均等な間隔で限られた少ない数の第２超音波振動子を傾斜させて配置している。このように配置することで、各々の第２超音波振動子の音響放射面が所定角度ずつ異なる方向を向いた状態となる。ゆえに、水中の広い探査エリアを限られた少ない数の超音波振動子でカバーすることが可能となり、広範囲を比較的早く探査することができる。しかも、超音波振動子の総数が少ないことから、装置をコンパクトに構成することができる。さらに、チャンネル数も少なくて済むため、切換制御のための構成が簡略化され、安価な装置とすることができる。
　請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記第２中心軸が前記第１中心軸に対して２０°以上４０°以下の範囲から選択した１つの角度をなしていることをその要旨とする。
　請求項３に記載の発明は、請求項１または２において、複数の前記超音波振動子の音響放射面の全てが、１つの仮想球面上に位置するように配置されていることをその要旨とする。
　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、複数の前記超音波振動子を所定の位置及び傾きに保持する振動子ホルダを備えることをその要旨とする。
　請求項５に記載の発明は、請求項４において、前記振動子ホルダは、底部と周壁とを有するとともに前記超音波振動子を保持するカップ状の保持部を、前記超音波振動子と同数だけ備えることをその要旨とする。
　請求項６に記載の発明は、請求項５において、前記振動子ホルダは、前記第２超音波振動子を保持する前記保持部の前記周壁の一部に切欠部を有する樹脂成型品であることをその要旨とする。
　請求項７に記載の発明は、請求項４乃至６のいずれか１項において、複数の前記超音波振動子を保持した前記振動子ホルダは、前記ケース内に収容された状態で充填剤によってモールドされ、前記充填剤は、前記超音波振動子の音響整合層よりも固有音響インピーダンスが低く、防水性を有するとともに、外表面が前記ケースの開口部と面一になるように充填されることで前記ケースの開口部を塞いでいることをその要旨とする。
　請求項８に記載の発明は、請求項１乃至７のいずれか１項において、複数の前記超音波振動子は、互いに同じ大きさ及び形状を有していることをその要旨とする。
　請求項９に記載の発明は、請求項１乃至８のいずれか１項において、隣接する前記第２超音波振動子間の隙間の大きさは、前記超音波振動子の直径の２５％以下であり、前記第１超音波振動子と前記第２超音波振動子との隙間の大きさは、前記超音波振動子の直径の１０％以下であることをその要旨とする。
　請求項１０に記載の発明は、請求項１乃至９のいずれか１項において、複数の前記超音波振動子は、スカッパー取付具を兼ねる前記ケース、または、スカッパー取付具に装着可能なねじ構造を有する前記ケース内に収容されていることをその要旨とする。
　以上詳述したように、請求項１～１０に記載の発明によると、水中の広いエリアを比較的早く探査することができ、しかも安価でコンパクトな構成とすることができる超音波送受波器を提供することができる。
本発明を具体化した第１実施形態の超音波送受波器を示す概略断面図。 第１実施形態の超音波送受波器を示す概略正面図。 第１実施形態の超音波送受波器を構成する超音波振動子の断面図。 第１実施形態の超音波送受波器を構成する超音波振動子の正面図。 第１実施形態において複数の超音波振動子の配置態様を示す概略斜視図。 第１実施形態にて使用する１つの超音波振動子について、周波数と送波電圧感度との関係を示したグラフ。 第１実施形態にて使用する１つの超音波振動子についての周波数ごとの指向特性を示したグラフ。 第１実施形態にて使用する、異なる方向を向けて配置した３つの超音波振動子についての指向特性を示したグラフ。 第２実施形態の超音波送受波器を示す概略断面図。 第２実施形態にて使用する振動子ホルダを斜め上側から見た斜視図。 第２実施形態にて使用する振動子ホルダを斜め下側から見た斜視図。 第２実施形態にて使用する振動子ホルダの底面図。 第２実施形態にて使用する振動子ホルダの側面図。 別の実施形態におけるスカッパー取付型の超音波送受波器を示す概略断面図。 別の実施形態におけるスカッパー取付型の超音波送受波器を示す概略断面図。 第２超音波振動子を５個配置した別の実施形態を示す概略斜視図。 第２超音波振動子を８個配置した別の実施形態を示す概略斜視図。 第２超音波振動子を４個配置した比較例を示す概略斜視図。
［第１の実施形態］
　以下、本発明をスキャニングソナーに用いられる超音波送受波器１１に具体化した第１の実施形態を図１～図８に基づき詳細に説明する。
　図１は本実施形態の超音波送受波器１１を示す概略断面図、図２は同じくその概略正面図である。
　スキャニングソナーは、水中に超音波を照射することにより水中に存在する魚群などの被探査物を探査するための装置である。本実施形態のスキャニングソナーは、基本的に超音波送受波器１１を備えるほか、昇降装置、表示装置、制御装置等（いずれも図示略）を含んで構成されている。超音波送受波器１１は、船舶における船底に配置された状態で使用するために、昇降装置に取り付けられている。昇降装置は、超音波送受波器１１を昇降させることにより、超音波送受波器１１を水中に浸漬させる。表示装置は船舶の操舵室内に設置されており、操作部及び表示部を有している。制御装置も船舶の操舵室内に設置されており、表示装置及び制御装置に電気的に接続されている。この制御装置は、所定のプログラムに従って超音波送受波器１１を駆動制御し、超音波の送受信を行わせる。またこの制御装置は、所定のプログラムに従って表示装置を駆動制御し、水中探査結果を超音波画像として表示させる。
　図１に示されるように、本実施形態の超音波送受波器１１は、超音波を送受信する複数の超音波振動子３１をケース２１内に収容した状態でモールドした構造を備えている。図３は超音波送受波器１１を構成する超音波振動子３１の断面図、図４は同じくその正面図である。図５は複数の超音波振動子３１の配置態様を示す概略斜視図である。
　図３、図４に示されるように、本実施形態において使用される複数の超音波振動子３１は、互いに同じ大きさ及び形状を有する円板状の構造物である。各々の超音波振動子３１は、基材３２及び圧電素子３３を備えている。基材３２は、音響整合層を兼ねる円板状の樹脂製板材であり、本実施形態ではガラスエポキシ製の基材が使用されている。
　圧電素子３３は圧電セラミックス製の板状物であって、本実施形態ではチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を用いて形成された円板状の板状物が使用されている。圧電素子３３は、基材３２に対して接合された前面４１と、前面４１の反対側にある背面４２と、前面４１及び背面４２に直交する外周面４３とを有している。圧電素子３３の前面４１には前面側電極４４が形成され、圧電素子３３の背面４２には背面側電極４５が形成されている。本実施形態では、圧電素子３３の前面４１の全体が、前面側電極４４及び図示しない接着層を介して基材３２に接合されている。
　圧電素子３３は、平面視で互いに平行な溝部５２により分割されており、複数の略帯状の振動部５１を備えた構造を有している。この構造は、後述する比帯域０．２以上の広帯域振動子を実現するうえで有利なものとなっている。溝部５２の深さは特に限定されず任意であるが、例えば圧電素子３３の厚さの８０％～９５％程度に設定される。複数の溝部５２は直線状であって互いに交差しておらず、本実施形態では互いに平行に形成されている。溝部５２同士の間隔は特に限定されず任意であるが、例えば圧電素子３３の厚さの２５％～５０％程度の大きさに設定される。溝部５２同士の間隔をこの範囲内にすることで、厚さ方向に圧電素子３３が変形しやすくなり、電気機械結合係数を大きくすることができる。
　圧電素子３３の分割数（即ち振動部５１の本数）は特に限定されず任意に設定されるが、例えば４～１０程度であり、本実施形態では５つとされている。５つの振動部５１のうち、中央部に位置する振動部５１の長さが最も長く、その両側に位置する振動部５１の長さがそれに次いで長く、さらにその外側に位置する振動部５１の長さが最も短くなっている。また、振動部５１の幅は、最も外側に位置する振動部５１の幅が、それ以外のものの幅よりも大きくなっている。上記５つの振動部５１は、圧電素子３３の前面４１側の端部において互いに繋がっている。各々の振動部５１の長さは高さよりも大きく、高さは幅よりも大きくなっている。また、基材３２の厚さは振動部５１の高さよりも小さくなっている。また、圧電素子３３において振動部５１同士が繋がる部分の厚さは、圧電素子３３及び基材３２の厚さよりもかなり薄くなっている。例えば本実施形態では、当該繋がり部分の厚さを基材３２の厚さの５％～２０％程度としている。
　圧電素子３３の背面４２における背面側電極４５は、５つの振動部５１の表面を架け渡すようにして形成されている。本実施形態では背面側電極４５として、銅、銀、錫などの電気抵抗が小さい金属材料からなる導電性金属箔が使用されている。そして、図１に示されるように、前面側電極４４には第１のリード線６１が電気的に接続され、背面側電極４５には第２のリード線６２が電気的に接続されている。これらのリード線６１、６２は、１本の配線用ケーブル６４内に収容されて結束されている。配線用ケーブル６４は、ケース２１の上部に設けられた配線挿通孔２９を通ってケース２１外に引き出されている。また、圧電素子３３の背面４２側には、超音波の残響を抑えるために、スポンジ等からなるシート状の防音材４７（バッキング材）が貼付されている。
　図１、図２に示されるように、ケース２１は、ＡＢＳ樹脂などの樹脂材料を用いて形成され、一端に開口部２２を有する有底円筒状を呈している。このケース２１内には複数の超音波振動子３１が収容されている。具体的にいうと、複数の超音波振動子３１は、中心に配置された１つの第１超音波振動子３１Ａと、第１超音波振動子３１Ａの周囲に均等な間隔で配置された５つ以上８つ以下の第２超音波振動子３１Ｂとからなる。本実施形態では第２超音波振動子３１Ｂの数を６つとしている。また本実施形態では、第１超音波振動子３１Ａの音響放射面３４Ａと、各々の第２超音波振動子３１Ｂの音響放射面３４Ｂとが、全て１つの仮想球面上に位置している。
　ここで、第１超音波振動子３１Ａにおいては、音響放射面３４Ａの中心を直交する第１中心軸Ｃ１の方向（第１超音波振動子３１Ａの法線ベクトルの方向ということもある。）が、音響放射方向であると把握することができる。また、第２超音波振動子３１Ｂにおいては、音響放射面３４Ｂの中心を直交する第２中心軸Ｃ２の方向（第２超音波振動子３１Ｂの法線ベクトルの方向ということもある。）が、音響放射方向であると把握することができる。そして、図１に示す超音波送受波器１１では、第２中心軸Ｃ２が第１中心軸Ｃ１に対して角度θをなすように第２音響放射面３４Ｂを傾斜させた状態で、各々の第２超音波振動子３１Ｂが配置されている。つまり、第１超音波振動子３１Ａの音響放射方向は、ケース２１の軸線方向と同じ方向（図１では下方向）を向いている。これに対し、各々の第２超音波振動子３１Ｂの音響放射方向は、ケース２１の軸線方向とは異なる方向を向いている。より具体的にいうと、本実施形態の各々の第２超音波振動子３１Ｂは、互いの音響放射面３４Ｂを内側に向けて（言い換えると、第１超音波振動子３１Ａがある側に向けて）傾斜配置されている（図１、図５を参照）。このとき、第２中心軸Ｃ２は第１中心軸Ｃ１に対して２０°以上４０°以下の範囲から選択した１つの角度θをなしていることがよく、本実施形態では前記角度θがそれぞれ約３０°となっている。なお、図１に示されるように、各々の第２中心軸Ｃ２と第１中心軸Ｃ１とは１点で集束した状態となっている。また、隣接する第２超音波振動子３１Ｂの第２中心軸Ｃ２同士も、２０°以上４０°以下の範囲から選択した１つの角度θ（ここでは約３０°）をなしている。
　この超音波送受波器１１では、７つの超音波振動子３１が互いに密集した状態で配置されている。隣接する第２超音波振動子３１Ｂ間の隙間の大きさは、例えば超音波振動子３１の直径の２５％以下に設定され、本実施形態では５％以下に設定されている。つまり、隣接する第２超音波振動子３１Ｂ同士は、ほぼ隙間がない状態で配置されている。また、第１超音波振動子３１Ａと第２超音波振動子３１Ｂとの隙間の大きさは、例えば超音波振動子３１の直径の１０％以下に設定され、本実施形態では５％以下に設定されている。つまり、第１超音波振動子３１Ａ及び第２超音波振動子３１Ｂ同士も、ほぼ隙間がない状態で配置されている。
　そして、上記のように互いに密集して配置された７つの超音波振動子３１は、図１、図２に示されるように、ケース２１内に収容された状態で充填剤２６によってモールドされている。この充填剤２６としては、超音波振動子３１の音響整合層である基材３２よりも固有音響インピーダンスが低く、防水性を有する樹脂材料（例えばウレタン樹脂等）が使用される。充填剤２６の外表面はケース２１の開口部２２と面一になるように充填されており、これによりケース２１の開口部２２が塞がれている。
　以上のように構成された本実施形態の超音波送受波器１１を備えたスキャニングソナーにより、水中を探査する方法を説明する。まず、制御装置を駆動させて超音波送受波器１１に超音波の送受信を行わせる。即ち、各々の超音波振動子３１に対して発振信号を出力する制御を行い、超音波振動子３１を駆動させる。このとき、圧電素子３３の各振動部５１は、収縮と伸長とを繰り返す。振動部５１が高さ方向に収縮すると振動部５１が幅方向に若干膨らむように変形し、逆に振動部５１が高さ方向に伸長すると振動部５１が幅方向に若干細るように変形する。その結果、圧電素子３３が振動し、超音波振動子３１から水中に対して超音波が照射（送信）される。被探査物に到達した超音波の反射波は、超音波送受波器１１の各々の超音波振動子３１に入力（受信）される。制御装置は、各々の超音波振動子３１が受信した超音波の反射波を受信信号に変換して取り込み、これに基づき所定の演算処理を行う。そして制御装置は、演算処理により得られた水中探査結果を表示装置に表示させる。より具体的には、各々の超音波振動子３１の駆動タイミングを制御して送受信を行うことで、各々の受信信号の情報から各方位の水中探査結果が画像化され、表示装置に表示される。その結果、魚群等がどの方角及びどの程度の深さにいるのかということを、タイムラグなく常時監視することが可能となる。従って、本実施形態の超音波送受波器１１を備えたスキャニングソナーは、魚群等の移動方向を知るのに有効な手段となり得る。
　次に、本実施形態の超音波送受波器１１の評価方法及びその結果について説明する。図６は、１つの超音波振動子３１について周波数と送波電圧感度との関係を示したグラフである。図７は、１つの超音波振動子３１について周波数ごとの指向特性を示したグラフである。図８は、異なる方向を向けて配置した３つの超音波振動子３１についての指向特性を示したグラフである。
　まず、測定用サンプルとして、本実施形態の超音波振動子３１と基本的に同様の構成の超音波振動子を準備した（図４等を参照）。ここでは、超音波振動子３１の直径を２５ｍｍφ、圧電素子３３の厚さを９ｍｍ、基材３２の厚さを４ｍｍに設定した。また、圧電素子３３における溝部５２は４本とし、その深さは８．５ｍｍとし、圧電素子３３において振動部５１同士が繋がる部分の厚さは０．５ｍｍとした。
　次に、測定用サンプルである超音波振動子３１を駆動して超音波を照射（送信）
させ、そのときの電圧振幅をオシロスコープにより測定し、送波電圧感度を算出した。このとき、４０ｋＨｚ～２６０ｋＨｚ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送信した。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３１の送波電圧感度（ｄＢ）を算出した。
　その結果、図６のグラフに示すように、６０ｋＨｚ付近を中心とする位置、１６０ｋＨｚを中心とする位置の２箇所に送波電圧感度のピークが現れることがわかった。このとき１６０ｋＨｚ付近に現れるピークの振動は厚み方向振動であり、６０ｋＨｚ付近に現れるピークの振動は径方向振動であった。例えば、図６のグラフにおいて送波電圧感度１４５ｄＢを基準とした場合、約５０ｋＨｚ～７０ｋＨｚの周波数域、約１２０ｋＨｚ～２５０ｋＨｚの周波数域でこの値を超えていた。このことから、本実施形態の超音波振動子３１は、厚み方向振動により振動する上記の下方周波数域と、径方向振動より振動する上記の上方周波数域とにおいて使用可能な広帯域振動子であると結論付けられた。ちなみに、スキャニングソナーに用いる超音波送受波器１１を構成する超音波振動子３１としては、チャープ駆動が有効な比帯域０．２以上の広帯域振動子が望ましいと考えられる。この超音波振動子３１の比帯域を求めたところ０．２以上であったため、好ましい特性を備えていると言えるものであった。なお、超音波振動子３１の周波数と音響伝搬との関係では、周波数が低いほど超音波が水中深くまで到達する一方で、周波数が高いほど高分解能となる。従って、チャープ駆動による多周波の解析が可能になると、両方の利点を享受することができるばかりでなく、ノイズを低減することができるようになる。
　次に、超音波振動子３１の指向特性を検証した。具体的には、測定用サンプルである１つの超音波振動子３１から超音波を照射し、照射時（送信時）の送波音圧を測定した。このとき０°～９０°の間で超音波振動子３１のチルト角度（傾動角度）を複数段階に変更し、変更したそれぞれのチルト角度において超音波を照射し、送波音圧を測定した。ここでは、音響放射面（基材３２の裏面）が鉛直方向における下方を向いた状態でのチルト角度を０°とし、音響放射面が側方を向いた状態でのチルト角度を９０°とする。さらに、超音波の周波数を６５ｋＨｚ、１４０ｋＨｚ、１８０ｋＨｚ、２４０ｋＨｚ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、送波音圧を測定した。その結果を図７のグラフに示す。
　それによると、図７のグラフからも明らかなように、いずれの周波数においても大きなサイドローブは発生していなかった。よって、本実施形態の超音波振動子３１は、スキャニングソナーに用いる超音波送受波器１１に適用するにあたり、理想的な指向特性を備えたものであることが確認された。また、この超音波振動子３１の半減全角を実測したところ、各周波数で１９°～２６°であった。
　次に、複数の超音波振動子３１を組み合わせて用いた場合の指向特性を検証した。具体的には、測定用サンプルである３つの超音波振動子３１を３０°ずつ傾けた状態で並べて配置した。そして、これら３つの超音波振動子３１から１４０ｋＨｚの超音波を照射し、照射時（送信時）の送波音圧を上記と同様の手法によりそれぞれ測定した。その結果を図８のグラフに示す。
　それによると、図８のグラフからも明らかなように、各々の超音波振動子３１の超音波ビームは、大きなサイドローブを有しない理想的なものであった。また、３つの超音波振動子３１を３０°ずつ傾けた状態で配置した場合、３つのメインローブが３０°ずつずれて指向した状態となる。このため、３つの超音波振動子３１の超音波ビームは、約９０°という比較的広い範囲をカバーできるものとなることがわかった。
　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）本実施形態の超音波送受波器１１は、中心に配置された１つの第１超音波振動子３１Ａと、その周囲に均等な間隔で配置された６つの第２超音波振動子３１Ｂとを備えている。そして、第２中心軸Ｃ２が第１中心軸Ｃ１に対して角度θをなすように第２音響放射面３４Ｂを傾斜させた状態で、各々の第２超音波振動子３１Ｂが配置されている。つまり、第１超音波振動子３１Ａを中心としてその周囲に、均等な間隔で限られた少ない数の第２超音波振動子３１Ｂを傾斜させて配置している。このように配置することで、各々の第２超音波振動子３１Ｂの第２音響放射面３４Ｂが所定角度（約３０°）ずつ異なる方向を向いた状態となる。ゆえに、水中の広い探査エリアを限られた少ない数の超音波振動子３１でカバーすることが可能となり、広範囲を比較的早く探査することができる。しかも、超音波振動子３１の総数が少ないことから、装置をコンパクトに構成することができる。さらに、チャンネル数も少なくて済むため、切換制御のための構成が簡略化され、安価な装置とすることができる。
　ちなみに、超音波送受波器１１を構成する超音波振動子３１の指向角を広くするには共振周波数が低いほうがよいが、そのためには超音波振動子３１の共振長を長くする必要がある。この場合、圧電素子３３の厚さを増すか径を大きくする必要があり、装置全体のコンパクト化を阻害する。その一方で、超音波送受波器１１の全体のサイズは、価格を抑えるためにできる限りコンパクトにしたいという要請がある。その点、本実施形態によれば、上記の相反する２つの課題を解決することが可能となる。
　（２）本実施形態の超音波送受波器１１では、第２中心軸Ｃ２が第１中心軸Ｃ１に対して２０°以上４０°以下の範囲から選択した１つの角度θ（本実施形態では３０°）をなしている。このように各々の第２超音波振動子３１Ｂが１つの適切な角度θをもって傾斜配置されることにより、広いエリアを限られた少ない数の超音波振動子３１で無駄なく確実にカバーすることができる。
　（３）本実施形態の超音波送受波器１１では、超音波振動子３１の音響放射面の全てが１つの仮想球面上に位置するように配置されている。よって、超音波振動子３１の音響放射面の全てが１つの仮想球面上に位置するように配置されていない場合に比べて、装置全体をコンパクトに構成しやすくなる。また、特定の超音波振動子３１から放射される超音波ビームが、別の超音波振動子３１の陰になって遮られるようなことがなくなる。よって、広いエリアを限られた少ない数の超音波振動子３１で確実にカバーすることができる。
　（４）本実施形態の超音波送受波器１１では、複数の超音波振動子３１がケース２１内に収容された状態で充填剤２６によってモールドされている。この充填剤２６は、超音波振動子３１の音響整合層である基材３２よりも固有音響インピーダンスが低く、防水性を有する。またこの充填剤２６は、外表面がケース２１の開口部２２と面一になるように充填され、開口部２２を塞いでいる。従って、複数の超音波振動子３１が充填剤２６に埋設されて不可視となる結果、複数の超音波振動子３１が保護され、防水性が向上する。また、ケース２１の開口部２２側が凹凸のない超音波放射面となるので、見た目が煩雑になりにくく、水中での抵抗も低減される。
　（５）本実施形態の超音波送受波器１１では、複数の超音波振動子３１は、互いに同じ大きさ及び形状を有している。従って、複数の超音波振動子３１の感度特性を揃えることができるため、測定精度に優れた超音波送受波器１１とすることができる。
　（６）本実施形態の超音波送受波器１１では、隣接する第２超音波振動子３１Ｂ間の隙間の大きさは、超音波振動子３１の直径の２５％以下となっている。また、第１超音波振動子３１Ａと第２超音波振動子３１Ｂとの隙間の大きさは、超音波振動子３１の直径の１０％以下となっている。つまり、上記２種類の隙間の大きさが所定値以下に設定されているので、第１超音波振動子３１Ａ及び複数の第２超音波振動子３１Ｂを効率よく密集して配置することができる。よって、装置をコンパクトに構成しやすくなるという利点がある。
［第２の実施形態］
　以下、第２の実施形態の超音波送受波器１１Ａを図９～図１３に基づき詳細に説明する。ここでは、第１の実施形態と同じ構成については共通の部材番号を付し、詳細な説明を省略する。図９は超音波送受波器１１Ａを示す概略断面図である。図１０は振動子ホルダ７１を斜め上側から見た斜視図、図１１は斜め下側から見た斜視図、図１２は底面図、図１３は側面図である。
　この超音波送受波器１１Ａは、複数の超音波振動子３１を所定の位置及び傾きに保持する固定台としての振動子ホルダ７１を備えている点が、第１の実施形態のものと異なっている。この振動子ホルダ７１は、本体７６と複数の保持部７２とを含んで構成された樹脂成形品である。本実施形態では保持部７２の数が、中心部に１つ、周辺部に６つの合計７つとなっている。即ち、この振動子ホルダ７１は、７つある超音波振動子３１と同数の保持部７２を備えている。本体７６は複数の連結部７８からなる部材であって、複数の保持部７２を支持している。複数の連結部７８は、隣接する保持部７２同士を互いに連結している。複数の連結部７８同士の間の領域は、本体７６を上下方向に連通する抜き穴７９となっている。
　各々の保持部７２は、底部７３と周壁７４とを有する平面視で円形のカップ状をした部分である。振動子ホルダ７１の中心部に位置する１つの保持部７２は、第１超音波振動子３１Ａを保持するための保持部である。振動子ホルダ７１の周辺部に位置する６つの保持部７２は、第２超音波振動子３１Ｂを保持するための保持部である。中心部に位置する保持部７２に対して、周辺部に位置する６つの保持部７２は約３０°傾斜している。また、周辺部に位置する６つの保持部７２は、樹脂成型時の型抜きの便宜を図るために、周壁７４の一部に切欠部７５を有している。この切欠部７５は、周壁７４の半周程度にわたり、振動子ホルダ７１の最外周部に位置している。一方、中心部に位置する保持部７２は、周壁７４の一部に切欠部７５を有しておらず、完全な形状を有している。
　各々の保持部７２の底部７３には、底部７３の表裏面に連通する配線用孔７７が形成されている。これらの配線用孔７７には、超音波振動子３１から引き出された第１のリード線６１及び第２のリード線６２がそれぞれ挿通されている。
　本実施形態の超音波送受波器１１Ａは、次のような手順で組み付けられる。まず、振動子ホルダ７１を用意し、中央部の保持部７２に第１超音波振動子３１Ａを保持させ、周辺部の６つの保持部７２に第２超音波振動子３１Ｂを保持させる。このとき、第１超音波振動子３１Ａ及び第２超音波振動子３１Ｂは、接着剤等を用いて保持部７２の内面に接合されてもよい。また、第１超音波振動子３１Ａ及び第２超音波振動子３１Ｂの背面側に、図示しない防音材が配置されてもよい。次に、超音波振動子３１を保持した状態の振動子ホルダ７１をケース２１内に収容して位置決めする。具体的には、第１超音波振動子３１Ａの音響放射方向が、ケース２１の軸線方向と同じ方向になるように調整する。その際、振動子ホルダ７１の一部をケース２１の内面に当接させて位置決めを行ってもよい。その例を挙げると、例えば振動子ホルダ７１の本体７６に図示しない柱部を複数本突設させておく。そして、それら柱部をケース２１の内面の複数箇所に当接させることにより、確実な位置決めを図ってもよい。次に、この状態で充填剤２６を用いてモールドすることにより、複数の超音波振動子３１を保持した振動子ホルダ７１をケース２１内に封入して、超音波送受波器１１Ａの組み付けが完了する。
　本実施形態の超音波送受波器１１Ａは、第１実施形態で挙げた効果に加えて以下の効果を奏する。
　（１）本実施形態の超音波送受波器１１Ａは、複数の超音波振動子３１を所定の正しい位置及び傾きに保持する振動子ホルダ７１を備えている。従って、１つの第１超音波振動子３１Ａ及び６つの第２超音波振動子３１Ｂが、簡単にかつ確実に所定の正しい位置及び傾きに保持される。また、このような振動子ホルダ７１を用いることで、各超音波振動子３１同士を位置決めするときの面倒な作業が不要になる。よって、高品質であって製造が容易な超音波送受波器１１Ａとすることができる。
　（２）本実施形態の超音波送受波器１１Ａの振動子ホルダ７１は、底部７３と周壁７４とを有するとともに、超音波振動子３１を保持するカップ状の保持部７２を超音波振動子３１と同数（ここでは７つ）だけ備えている。従って、超音波振動子３１と同数あるカップ状の保持部７２に各超音波振動子３１を保持させることにより、正しい位置及び角度で振動子ホルダ７１に各超音波振動子３１を安定的に支持させることができる。
　（３）本実施形態の超音波送受波器１１Ａの振動子ホルダ７１は、第２超音波振動子３１Ｂを保持する保持部７２の周壁７４の一部に切欠部７５を有する樹脂成型品である。第２超音波振動子３１Ｂを保持する保持部７２はいずれも傾斜している。それゆえ、金型成型により樹脂成形品を作製する際に、型抜きが困難になることが予想される。その点、この振動子ホルダ７１では、当該保持部７２の周壁の一部（型抜きが困難な箇所）が切り欠かれているので、型抜きを簡単に行うことが可能となる。よって、製造が容易な超音波送受波器１１Ａとすることができる。
　（４）本実施形態の超音波送受波器１１Ａの振動子ホルダ７１は、ケース２１内に収容された状態で充填剤２６によってモールドされている。充填剤２６は、超音波振動子３１の音響整合層を兼ねる基材３２よりも固有音響インピーダンスが低く、防水性を有する。また、充填剤２６は、外表面がケース２１の開口部２２と面一になるように充填されることで、開口部２２を塞いでいる。従って、複数の超音波振動子３１及び振動子ホルダ７１が充填剤２６に埋設されて不可視となる。その結果、これらが保護され、防水性が向上する。また、ケース２１の開口部２２側が凹凸のない超音波放射面となるので、見た目が煩雑になりにくく、また、水中での抵抗を低減することもできる。
　なお、本発明の実施の形態は以下のように変更してもよい。
　・例えば、図１４に示す別の実施形態の超音波送受波器１１Ｂのようにしてもよい。この超音波送受波器１１Ｂは、スカッパー取付型の超音波送受波器であり、船底８０に設けられた排水孔（スカッパー孔）８１に取り付け可能な構造を有している。通常、スカッパー孔８１には円筒状のスカッパー取付具が嵌め込まれる。スカッパー取付具はナットで固定され、その上部開口には蓋が被せられる。本実施形態では、ケース２１Ａ自体が円筒状のスカッパー取付具と同様の構造を有しており、スカッパー取付具を兼ねるものとなっている。具体的にいうと、スカッパー取付具を兼ねるケース２１Ａの外周面には、フランジ部８６と雄ねじ溝部８５とが設けられている。そして、スカッパー孔８１にケース２１Ｂが嵌め込まれ、この状態で雄ねじ溝部８５にナット８３の雌ねじ部８７を螺着することで、ケース２１Ａがスカッパー孔８１に固定されている。従って、この超音波送受波器１１Ｂも、既存のスカッパー孔８１を利用して船底８０に簡単にかつ水密的に取り付けられることができる。
　・また、図１５に示す別の実施形態の超音波送受波器１１Ｃのようにしてもよい。この超音波送受波器１１Ｃもスカッパー取付型の超音波送受波器である。この超音波送受波器１１Ｃを構成するケース２１Ｂは、船底８０に設置されているスカッパー取付具８２に装着可能なねじ構造を有している。具体的にいうと、スカッパー取付具８２の内周面には雌ねじ溝部８２ａが設けられており、外周面には雄ねじ溝部８２ｂが設けられている。ケース２１Ｂの外周面全体には、雄ねじ溝部８２ａにねじ止めされる雌ねじ部８４が設けられている。そして、雌ねじ溝部８２ａと雌ねじ部８４との螺合によって、ケース２１Ｂがスカッパー取付具８２を介してスカッパー孔８１に固定されている。従って、この超音波送受波器１１Ｃは、既存のスカッパー孔８１を利用して船底８０に簡単にかつ水密的に取り付けられることができる。なお、上述した図１４の超音波送受波器１１Ｂは、船底８０の外側から取り付ける必要がある。その反面、超音波送受波器１１Ｂには、既存のスカッパー孔８１を拡径加工せずそのまま利用できるという利点がある。図１５の超音波送受波器１１Ｃは、取り付けのために既存のスカッパー孔８１を若干拡径するか、あるいは超音波振動子３１を若干小さくする必要がある。その反面、超音波送受波器１１Ｃには、既存のスカッパー孔８１に対して船底８０の内側から取り付けることができるという利点がある。
　・上記実施形態では、１つの第１超音波振動子３１Ａの周囲に均等な間隔で６つの第２超音波振動子３１Ｂを配置した例を示したが、これに限定されない。例えば、図１６に示す別の実施形態のように、１つの第１超音波振動子３１Ａの周囲に均等な間隔で５つの第２超音波振動子３１Ｂを配置してもよい。この例においては、第１超音波振動子３１Ａの法線ベクトルに対する第２超音波振動子３１Ｂの法線ベクトルの傾きを例えば３０°に設定する。また、隣接する第２超音波振動子３１Ｂ同士の法線ベクトルの傾きを例えば３４°に設定する。そしてこの場合、各々の超音波振動子３１の半減全角が３４°以上あれば、９４°という比較的広い範囲を超音波ビームでカバーすることができる。あるいは、第１超音波振動子３１Ａの法線ベクトルに対する第２超音波振動子３１Ｂの法線ベクトルの傾きを例えば３４°に設定する。また、隣接する第２超音波振動子３１Ｂ同士の法線ベクトルの傾きを例えば３９°に設定する。そしてこの場合、各々の超音波振動子３１の半減全角が４０°以上あれば、１０８°という比較的広い範囲を超音波ビームでカバーすることができる。
　また、図１７に示す別の実施形態のように、１つの第１超音波振動子３１Ａの周囲に均等な間隔で８つの第２超音波振動子３１Ｂを配置してもよい。この例においては、第１超音波振動子３１Ａの法線ベクトルに対する第２超音波振動子３１Ｂの法線ベクトルの傾きを例えば３０°に設定する。また、隣接する第２超音波振動子３１Ｂ同士の法線ベクトルの傾きを例えば２２°に設定する。そしてこの場合でも、上記実施形態や図１６のものと同等の比較的広い範囲を超音波ビームでカバーすることができる。ただし、振動子数の増加によって全体が若干大きくなることから、第２超音波振動子３１Ｂの数は７つ以下とすることが好ましく、６つ以下とすることがより好ましい。
　ここで、図１８に示す比較例のように、１つの第１超音波振動子３１Ａの周囲に均等な間隔で４つの第２超音波振動子３１Ｂを配置した構成について検討する。この場合、隣接する第２超音波振動子３１Ｂ同士を近づけて密に配置することができず、それらの間に大きな隙間が生じてしまう。この例においては、第１超音波振動子３１Ａの法線ベクトルに対する第２超音波振動子３１Ｂの法線ベクトルの傾きを例えば３４°に設定する。また、隣接する第２超音波振動子３１Ｂ同士の法線ベクトルの傾きを例えば４６．５°に設定する。そしてこの場合には、超音波ビームに死角ができてしまうため、好ましくないことがわかる。よって、各々の超音波振動子３１の半減全角を４０°以上にする必要性が生じる。
　・上記実施形態では、図１０～図１３に示したような構造の振動子ホルダ７１を用いたがこれに限定されない。例えば、吸音材を省略する代わりに、振動子ホルダ７１自体に吸音材としての機能を付与してもよい。また、振動子ホルダ７１は金型成型法以外の方法（例えば３Ｄプリンティング等）で作製されてもよいほか、樹脂以外の材料（例えば金属等）を用いて作製されてもよい。
　・上記実施形態では、複数の超音波振動子３１は互いに同じ大きさ及び形状を有しているとしたが、これに限定されない。例えば大きさが異なっていてもよく、あるいは形状が異なっていても勿論よい。
　・上記実施形態では、複数の超音波振動子３１の音響放射面の全てが１つの仮想球面上に位置するように配置したが、これに限定されず、１つまたは複数の音響放射面が仮想球面上にない構造を採用しても勿論よい。
　・上記実施形態では、各々の第２超音波振動子３１Ｂが、互いの音響放射面３４Ｂを内側に向けて（言い換えると、第１超音波振動子３１Ａがある側に向けて）傾斜配置されていたが、これに限定されない。これとは逆に、各々の第２超音波振動子３１Ｂが、互いの音響放射面３４Ｂを外側に向けて（言い換えると、第１超音波振動子３１Ａがない側に向けて）傾斜配置されていてもよい。
　・上記実施形態では、圧電素子３３は、平面視で互いに平行な溝部５２により分割されており、複数の略帯状の振動部５１を備えた構造を有していたが、これに限定されない。例えば、平面視で放射状の複数の溝部５２により、圧電素子３３を分割してもよい。
１１、１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ…超音波送受波器
２１、２１Ａ、２１Ｂ…ケース
２２…ケースの開口部
２６…充填剤
３１…超音波振動子
３１Ａ…第１超音波振動子
３１Ｂ…第２超音波振動子
３４Ａ…第１音響放射面
３４Ｂ…第２音響放射面
７１…振動子ホルダ
７２…保持部
７３…底部
７４…周壁
７５…切欠部
Ｃ１…第１中心軸
Ｃ２…第２中心軸
θ…角度

Claims (10)

  1. 　超音波を送受信する複数の超音波振動子がケース内に収容された状態でモールドされている超音波送受波器であって、
    　複数の前記超音波振動子は、中心に配置された１つの第１超音波振動子と、前記第１超音波振動子の周囲に均等な間隔で配置された５つ以上８つ以下の第２超音波振動子とからなり、
    　前記第１超音波振動子は、第１音響放射面及び前記第１音響放射面に直交する第１中心軸を有するとともに、前記第２超音波振動子は、第２音響放射面及び前記第２音響放射面に直交する第２中心軸を有し、
    　前記第２中心軸が前記第１中心軸に対して角度をなすように前記第２音響放射面を傾斜させた状態で、前記第２超音波振動子が配置されている
    ことを特徴とする超音波送受波器。
  2. 　前記第２中心軸が前記第１中心軸に対して２０°以上４０°以下の範囲から選択した１つの角度をなしていることを特徴とする請求項１に記載の超音波送受波器。
  3. 　複数の前記超音波振動子の音響放射面の全てが、１つの仮想球面上に位置するように配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の超音波送受波器。
  4. 　複数の前記超音波振動子を所定の位置及び傾きに保持する振動子ホルダを備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の超音波送受波器。
  5. 　前記振動子ホルダは、底部と周壁とを有するとともに前記超音波振動子を保持するカップ状の保持部を、前記超音波振動子と同数だけ備えることを特徴とする請求項４に記載の超音波送受波器。
  6. 　前記振動子ホルダは、前記第２超音波振動子を保持する前記保持部の前記周壁の一部に切欠部を有する樹脂成型品であることを特徴とする請求項５に記載の超音波送受波器。
  7. 　複数の前記超音波振動子を保持した前記振動子ホルダは、前記ケース内に収容された状態で充填剤によってモールドされ、
    　前記充填剤は、前記超音波振動子の音響整合層よりも固有音響インピーダンスが低く、防水性を有するとともに、外表面が前記ケースの開口部と面一になるように充填されることで前記ケースの開口部を塞いでいる
    ことを特徴とする請求項４乃至６のいずれか１項に記載の超音波送受波器。
  8. 　複数の前記超音波振動子は、互いに同じ大きさ及び形状を有していることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の超音波送受波器。
  9. 　隣接する前記第２超音波振動子間の隙間の大きさは、前記超音波振動子の直径の２５％以下であり、
    　前記第１超音波振動子と前記第２超音波振動子との隙間の大きさは、前記超音波振動子の直径の１０％以下である
    ことを特徴とする請求項８に記載の超音波送受波器。
  10. 　複数の前記超音波振動子は、スカッパー取付具を兼ねる前記ケース、または、スカッパー取付具に装着可能なねじ構造を有する前記ケース内に収容されていることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の超音波送受波器。
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