JP4161004B2 - 超音波受波器 - Google Patents

Description

本発明は、超音波の受波を行う超音波受波器に関し、高感度で正確な超音波の検出が可能な超音波受波器に関する。

超音波は気体や液体、固体など種々の媒質を伝搬するため、計測、物性測定、工学、医学、生物学等の様々な分野で利用されている。

異なる媒質の界面における超音波の伝搬しやすさは、音響インピーダンスの比として表され、一般に、気体と固体など音響インピーダンスの大きく異なる媒質の界面では、媒質を伝搬する超音波のほとんどが反射され、異なる媒質へ超音波を高い効率で伝搬させることができない。

超音波の検出には超音波振動子が広く用いられ、超音波振動子はセラミックスなどの圧電体で構成される。このため、気体を伝搬してきた超音波を超音波振動子で検出する場合、伝搬してきた超音波の大部分が超音波振動子の表面で反射し、一部の超音波のみが超音波振動子に検出される。その結果、高い感度で超音波を検出することは一般に難しい。超音波振動子から気体中へ超音波を送信する場合も同様に、反射による効率の低下が生じる。したがって、特に、距離や流量の計測、物体の検知などに超音波を利用する場合、超音波を高感度で検知することが重要な課題の１つである。

この課題を解決するために、たとえば特許文献１は、気体中において超音波の屈折を利用して高効率、広帯域に超音波を送受波し得る超音波送受波器本体を開示している。以下この超音波送受波器本体を説明する。

図８に示すように、この従来の超音波送受波器本体１０１は、超音波振動子２と、超音波振動子２の受波面に設けられた伝搬媒質部３とを備える。超音波送受波器１０１の周りは周囲空間を満たす流体４、例えば、空気で満たされている。超音波振動子２と伝搬媒質部３との界面を第１の表面領域３１とし、伝搬媒質部３と流体４との界面を第２の表面領域３２とする。また、第１の表面領域３１と第２の表面領域３２のなす角度をθ１とし、第２表面領域３２の法線と超音波の方向とのなす角度θ２とする。図８に示すように、ＸＹＺ方向を設定する。

超音波を送波する場合、図示していない駆動回路から超音波振動子２に電気信号が与えられ、超音波振動子２が振動することによって、超音波を発生する。超音波振動子２で発生した超音波は、第１表面領域３１から第２表面領域３２に向かって、伝搬媒質部３をＹ軸の正方向に伝搬していく。そして、第２表面領域３２に達した超音波は、屈折の法則に従って伝搬方向を変えて、超音波伝搬経路５の方向に向けて流体４へ伝搬していく。

超音波を受波する場合には、送波の場合とは逆に、周囲空間の流体４を伝搬してきた超音波は第２表面領域３２に到達し、屈折して伝搬媒質部３に透過する。さらに、Ｙ軸の負方向に向かって伝搬媒質部３の内部を伝搬し、超音波振動子２に到達する。超音波振動子２に到達した超音波は超音波振動子２の圧電体を変形させることにより、電極間に電位差を発生させて、図示していない受波回路により検出される。

このように、伝搬媒質部３と流体４との界面において超音波が屈折する。このため、このような形態の超音波送受波器本体を、特に「斜め伝搬型超音波送受波器本体」と呼ぶ。超音波送受波器本体１０１では、流体４が空気等の音響インピーダンス（材質の音速×材質の密度）の極めて小さい媒質の場合でも、流体４から伝搬媒質部３に超音波が高い効率で入射し、あるいは伝搬媒質部３から流体４へ高い効率で超音波を出射することができる。

超音波の伝搬媒質部３および流体４での音速をそれぞれＣ₁、Ｃ₂とし、伝搬媒質部３および流体４の密度をそれぞれ密度ρ₁、ρ₂とするとき、第２表面領域３２と流体４との界面における超音波の反射率Ｒは以下の式（１）で表される。

ここで、Ｃ₁、Ｃ₂、ρ₁、ρ₂が以下の式（２）を満たす場合、式（１）の分子がゼロとなるθ₁、θ₂が必ず存在する。つまり、反射率Ｒがゼロとなる。

θ₁とθ₂とは、式（３）を満たしている（スネルの法則）。

したがって、式（３）を用いて反射率Ｒがゼロとなる条件をθ₁について整理すると式（４）のようになる。

つまり、特許文献１に示すように、斜め伝搬型超音波送受波器本体において、式（２）を満たす場合、第２表面領域３２における超音波の透過効率をほぼ１とすることが可能となる方向（角度θ₁）が存在する。このときの第１表面領域３１および第２表面領域３２がなす角度θ₁は、式（４）で示される。式（１）および（４）は伝搬する超音波の周波数にはあまり依存しない。これにより、高効率かつ広帯域で超音波を送波および受波できる斜め伝搬型の超音波送受波器本体１０１が実現する。
米国特許出願公開第２００５／０１３９０１３号明細書 実開昭５８−１９５８８４号公報 特開平５−２９２５９８号公報

特許文献１によれば、斜め伝搬型の超音波送受波器本体１０１が高効率で超音波を受波するためには、式（２）を満たす必要があり、流体４を伝搬してくる超音波は、第２表面領域３２の法線に対してθ₂の角度で入射させる必要がある。

このため、図９に示すように、例えば、流体４のＬ２＋Ｌ３＋Ｌ４の範囲内を超音波が伝搬していても、Ｌ３の範囲を伝搬してくる超音波のみが、第２表面領域３２に到達し、Ｌ２、Ｌ４の範囲を伝搬してくる超音波は、第２表面領域３２には到達しない。つまり、Ｌ２＋Ｌ３＋Ｌ４の範囲を伝搬する超音波のうち、Ｌ３の範囲を伝搬する超音波のみが斜め伝搬型の超音波送受波器本体１０１に受波される。

また、流体４のＬ３の範囲を伝搬してきた超音波は第２表面領域３２を透過し、Ｌ１の範囲の超音波振動子２に検出される。このとき、Ｌ３に比べてＬ１はかなり大きい（Ｌ３＜＜Ｌ１）ため、斜め伝搬型の超音波送受波器本体１０１で受波される超音波は第２表面領域３２で拡散されて超音波振動子２に到達する。したがって、超音波が斜め伝搬型の超音波送受波器本体１０１の超音波振動子２によって受波される時にそのエネルギー密度が低下する。その結果、斜め伝搬型の超音波送受波器本体１０１の受波感度は低いという課題があった。

このような課題は、超音波の受波面に対して垂直ではない方向から超音波を受ける超音波受波器に共通の課題でもある。本発明は、このような従来技術の課題を解決し、高感度で超音波を受波することが可能な超音波受波器を提供することを目的とする。

本発明の超音波受波器は、超音波の入射端である第１大開口部および出射端である第１小開口部を有する第１ホーンと、前記超音波の入射端である第２小開口部および出射端である第２大開口部を有する第２ホーンであって、前記第１ホーンの第１小開口部と前記第２ホーンの第２小開口部とが対向し、かつ、前記第１ホーンを伝搬する超音波の第１伝搬方向と前記第２ホーンを伝搬する超音波の第２伝搬方向とが一致するように配置された第２ホーンと、前記第１ホーンの第１小開口部と前記第２ホーンの第２小開口部との間に設けられた超音波受波器本体であって、超音波を受波する受波面を有し、前記受波面から受波した超音波を検出する超音波検出部と、前記受波面に接し、前記第１伝搬方向に対して平行な表面を有する伝搬媒質部とを含み、前記第１ホーンを伝搬してきた前記超音波が前記平面から入射することにより、前記超音波を検出し、かつ、前記伝搬媒質部の密度をρ ₁ 、前記第１ホーン及び前記第２ホーンを満たしている環境流体の密度をρ ₂ とし、前記伝搬媒質部中を伝搬する超音波の速度をＣ ₁ とし、前記環境流体中を伝搬する超音波の速度をＣ ₂ としたとき、（ρ ₂ ／ρ ₁ ）＜（Ｃ ₁ ／Ｃ ₂ ）＜１の関係を満足している少なくとも１つの超音波受波器本体とを備え、前記第１ホーンにおいて、前記超音波が伝搬する空間の前記第１伝搬方向に対して垂直な断面積は、前記第１大開口部から前記第１小開口部に向かって小さくなっており、前記第２ホーンにおいて、前記超音波が伝搬する空間の前記第２伝搬方向に対して垂直な断面積は、前記第２小開口部から前記第２大開口部に向かって大きくなっている。

ある好ましい実施形態において、前記第１ホーンの第１大開口部から前記第２ホーンの第２大開口部まで貫通する空間が形成されている。

ある好ましい実施形態において、前記第１ホーンにおける、前記超音波が伝搬する空間の前記第１伝搬方向に対して垂直な断面積は、前記第１大開口部から前記第１小開口部に向かう伝搬方向に対して指数関数的に減少している。

ある好ましい実施形態において、前記第２ホーンにおける、前記超音波が伝搬する空間の前記第２伝搬方向に対して垂直な断面積は、前記第２小開口部から前記第２大開口部に向かう伝搬方向に対して指数関数的に大きくなっている。

ある好ましい実施形態において、前記伝搬媒質部は、無機材料又は有機高分子材料の乾燥ゲルから形成されている。

本発明によれば、第１ホーンにより、超音波のエネルギーを高め、音圧の高くなった超音波を超音波受波器本体に検出させる。また、検出には、効率の高い、斜め伝搬型超音波受波器本体を用いる。さらに、第２ホーンによって、超音波受波器本体によって受波されなかった超音波を反射させることなく外部へ出射させることができる。したがって、本発明によれば、高感度、高効率で正確な超音波の検出を行うことが可能な超音波受波器が実現する。

本願発明者は、超音波の受波面に対して垂直ではない方向から超音波を受ける超音波受波器の受波感度を向上させるため、ホーンあるいはコーンを利用した超音波受波器を検討した。

従来、ホーンやコーンを用い、超音波受波器が受ける超音波の指向性を高めたり、送信する超音波の指向性を高めたりすることが知られている。例えば特許文献２は、無人走行が可能な芝刈作業車に取り付けられる超音波センサを開示している。この超音波センサは、進行方向に対して前後に開口が向けられた一対のホーンと、走行方向に応じて一対のホーンのうち、１つの終端部を選択的に遮蔽する遮蔽体とを備えた超音波センサを開示している。

また、特許文献３は、図１０に示すように、シリコンを微細加工することによって形成されたホーンを有する音波トランスデューサ１０００を開示している。音波トランスデューサ１０００は、台座１００１と、台座１００１に支持された圧電体１００３と、開口１００５を有するホーン１００２とを備えている。ホーン１００５は音波の指向性を高めるために用いられている。また、台座１００１には圧電体１００３の振動を容易にするために開口１００４が設けられている。

これらの特許文献２および３では、ホーン６が指向性を高めるために用いられている。しかし、ホーン６の開口は超音波振動子２の受波面よりも大きくできるため、ホーン６によって、超音波のエネルギー密度を高めることが可能である。したがって、ホーン６と斜め伝搬型の超音波送受波器本体１０１とを組み合わせた超音波受波器により、受波感度の低さを改善することができると考えられる。 図１１は、本願発明者が検討した、ホーン６に斜め伝搬型の超音波受波器本体１１を設けた超音波受波器２０１を示す斜視図であり、図１２は図１１のＸＹ断面図である。

図１１、１２に示すように、大開口部７２を有するホーン６の内空間のＹＺ断面積は、Ｘ軸の負の方向へ進むにつれて小さくなっており、一対の超音波受波器本体１１がホーン６の内空間の狭められた端部に接続されている。一対の超音波受波器本体１１は、ホーン６内をＸ軸の方向へ伝搬する超音波の伝搬方向と平行となるように第２表面領域３２が配置されており、第２表面領域３２から超音波を受波する。図１２に示すように、ホーン６と超音波受波器本体１１とが形成する空間のＸ軸方向の左端は封止されている。この左端部分を収束端９と呼ぶことにする。

図１２のＸ軸の正方向側から伝搬してきた超音波はホーン６の大開口部７２に入射する。超音波は、ホーン６内部をＸ軸の負方向に向かって伝搬していく。この時、超音波は、ホーン６の形状効果により収束され、エネルギー密度が高められる。

ホーン６を通過した超音波は、伝搬媒質部３の表面に到達する。そして、伝搬媒質部３の表面に到達した超音波のうち、第２表面領域３２となす角度θ₂を満足する方向の超音波が、実線の矢印Ａ１で示すように伝搬媒質部３へ伝搬していく。伝搬媒質部３に到達した超音波は超音波振動子２に伝搬し、超音波振動子２が超音波を電気的な信号に変換する。

しかし、ホーン６を伝搬してきた全ての超音波が伝搬媒質部３に透過していくことは、伝搬媒質部３が有限な大きさである限り不可能である。図１２の点線矢印Ａ２で、一例として示すように、伝搬媒質部３へ透過しなかった超音波が生じる。

伝搬媒質部３へ透過しなかった超音波は収束端９で反射し、再びホーン６内をＸ軸の正方向に向かって伝搬する。収束端９で反射して、再びＸ軸の正方向に伝搬する超音波の一部は第２表面領域３２との角度がθ₂を満足する。

本来、このような反射された超音波は受波されるべきではないが、この超音波が点線の矢印Ａ３で示すように超音波受波器本体１１に受波される。本願発発明者の検討から、この収束端９で反射した超音波が超音波振動子２で検出されてしまうことが、超音波送受波器本体１０１にホーン６を設けた場合に発生する課題として明らかになった。

図１３は、図１２における超音波受波器２０１のＸ軸の正方向から負方向に向かって伝搬する１００ｋＨｚ、４波のバースト超音波を超音波受波器２０１で超音波を受波した結果（図１２のＢ点における音圧の時間変化）を示している。図１３において、横軸は時間を示し、縦軸は音圧を示している。図１３に示すように、まず、ホーン６の大開口から入射し、Ｘ軸の負の方向へ伝搬する超音波Ｐが検出され、その後に収束端９で反射した超音波Ｑが検出されている。本来、流体４を伝搬してきた超音波のみが観測されるべきであり、超音波Ｑは観測されるべきではない。この超音波Ｑが観測される時間に、超音波Ｐに続いて超音波が送波されてきた場合、受波信号が重なり合い、正確な超音波受波ができなくなる。

収束端９での超音波の反射を抑制するために、超音波受波器２０１において収束端９を開放することが考えられる。図１４は、ホーン６の収束端９を開放した超音波受波器２０２の構造を示す断面図である。収束端９が開放されている以外は、超音波受波器２０２は、図１１および図１２の超音波受波器２０１と同じ構造を備えている。

図１５は、図１４における超音波受波器２０２のＸ軸の正方向から負方向に向かって伝搬する１００ｋＨｚ、４波のバースト超音波を超音波受波器２０２で受波した結果（図１４のＣ点における音圧の時間変化）を示している。図１５において横軸は時間を示し、縦軸は音圧を示している。

図１５に示すように、まず、ホーン６の大開口から入射し、Ｘ軸の負の方向へ伝搬する超音波Ｒが検出され、その後、波形の乱れた超音波Ｓが検出されている。このように、開放された収束端９を有する超音波受波器２０２においても、不要な超音波が受波され、正確な測定ができないことがわかった。

本願発明者がこの原因について詳細に検討した結果、この原因は、図１４に示すように、ホーン６の収束端９近傍の狭い空間にある流体４’と、収束端９の外側の開放された広い空間にある流体４とでは、周囲の空間の大きさが異なることによって、流体の音響インピーダンスが異なる。その結果、音響インピーダンスが収束端９で不連続になり、反射が生じるものと考えられる。

本願発明者は、このような知見に基づき、収束端９において、音響インピーダンスが徐々に変化するように流体４を保持する音響インピーダンス変換器を設けることによって収束端９での不要な反射を抑制し、正確な測定が可能な超音波受波器が実現することを見出した。このような課題は、ホーンを伝搬する超音波に対して垂直に超音波振動子が配置される特許文献２や３においては発生しない。

以下、図面を参照しながら、本発明による超音波受波器の実施形態を説明する。

図１は、超音波受波器１を示す斜視図である。図１に示すように、ＸＹＺ方向を設定する。図２は、図１におけるＹＺ断面図を示している。

本発明は、種々の分野で使用される超音波受波器に好適に用いられる。一般に超音波受波器は送波器としても機能するため、本発明は少なくとも超音波を受波することができる装置を含み、超音波の送波をすることもできる超音波送受波器も含む。ただし、超音波を送波する際には、上述した収束端における超音波の反射は生じないため、音響インピーダンス変換器をそなえることによる効果は生じない。

図１および図２に示すように、超音波受波器１は、第１ホーン７と、第２ホーン８と、一対の超音波受波器本体１１とを備えている。

第１ホーン７は超音波の入射端である第１大開口部７２および出射端である第１小開口部７１を両端に有する第１空間７３を含んでいる。第１大開口部７２は第１小開口部７１よりも大きい。第１大開口部７２から入射した超音波は、第１空間７３によって伝搬方向が制御される。つまり、第１ホーン７における伝搬方向とは、第１空間７３が伸びる軸方向である。具体的には、超音波は矢印ｇ１の方向へ伝搬するように制御される。第１ホーン７において、伝搬方向ｇ１に対して垂直な第１空間７３の断面積ａ１は、第１大開口部７２から前記第１小開口部に向かって小さくなっている。これにより、第１大開口部７２から入射した超音波は伝搬方向ｇ１で示すように第１空間７３内を伝搬するに従い、断面積の減少に伴って超音波のエネルギー密度が高められ、音圧が高くなる。

より好ましくは、断面積ａ１が、第１大開口部７２から第１小開口部７１へ向かう伝搬方向ｇ１に対して指数関数的に減少するよう、第１空間７３を規定する第１ホーン７の内側面が伝搬方向ｇ１に沿って曲面形状を有している。図１に示すように、本実施形態では、第１ホーン７のＸ方向の幅は一定である。この場合、Ｚ方向の幅を伝搬方向ｇ１に対して指数関数的に減少させることにより、断面積が伝搬方向ｇ１に対して指数関数的に減少する。

あるいは、第１ホーン７のＸ方向の幅も第１大開口部７２から前記第１小開口部に向かって小さくなるようにしてもよい。例えば、第１ホーン７のＸ方向の幅およびＺ方向の幅を伝搬方向ｇ１に対して√ｅに比例して減少させることにより、断面積ａ１を指数関数的に減少させてもよい。このように断面積ａ１が指数関数的に減少することにより、第１ホーン７での超音波の反射を最小に抑えて、位相の乱れなく超音波５を圧縮し、音圧を高めることができる。

第１ホーン７は上述した第１空間７３を有している限り、外形に特に制限はない。例えば、超音波の吸収が少なく平滑な面を形成し得るブロック形状の構造体に第１空間７３を形成してもよい。第１ホーン７をアルミニウムや樹脂などの板材で構成する場合には、外形も第１空間７３を反映したものとなる。このような形状の第１ホーン７はコーンと呼ばれることもある。

第２ホーン８は超音波の入射端である第２小開口部８２および出射端である第２大開口部８１を両端に有する第２空間８３を含んでいる。第２大開口部８１は第２小開口部８２よりも大きい。第２小開口部８２から入射した超音波は、第２空間７３によって伝搬方向が制御される。第２ホーン８における伝搬方向も、第２空間８３が伸びる軸方向である。具体的には、超音波は矢印ｇ２の方向へ伝搬するように制御される。第２ホーン８において、伝搬方向ｇ２に対して垂直な第２空間８３の断面積ａ２は、第２小開口部８２から第２大開口部８１に向かって大きくなっている。

これにより、第２空間８３の断面積を第２小開口部８２から第２大開口部８１に向かって徐々に大きくし、第２空間８３内の流体４’の音響インピーダンスを徐々に小さくし、第２ホーン８の外部にある流体４とのインピーダンスの不整合を小さくすることができる。その結果、以下で説明する超音波受波器本体１１に取り込まれなかった超音波を、Ｘ軸の負方向へと透過させ、超音波が再び伝搬媒質部３へ取り込まれないようにする。このとき第２空間８３内の流体４’の音響インピーダンスが徐々に変化しているため、Ｘ軸の負方向に伝搬する超音波のインピーダンスの不整合による反射を抑制することができる。

より好ましくは、断面積ａ２が、第２小開口部８２から第２大開口部８１へ向かう伝搬方向ｇ２に対して指数関数的に増大するよう、第２空間８３を規定する第２ホーン８の内側面が伝搬方向ｇ２に沿って曲面形状を有している。第１ホーン７と同様、第２ホーン８のＸ方向の幅が一定である場合には、Ｚ方向の幅を伝搬方向ｇ２に対して指数関数的に増大させる。あるいは、第２ホーン８のＸ方向の幅およびＺ方向の幅を伝搬方向ｇ２に対して√ｅに比例して増大させる。これにより、断面積ａ２を指数関数的に増大させることができる。

第２ホーン８も上述した形状の第２空間８３を有している限り、外形に特に制限はない。アルミニウムや樹脂などの板材で構成されるホーンあるいはコーンを用いてもよい。

第２ホーン８は、第１ホーン７の第１小開口部７１と第２ホーン８の第２小開口部８２とが対向し、かつ、第１ホーン７の第１空間７３を伝搬する超音波の第１伝搬方向ｇ１と第２空間８３を伝搬する超音波の第２伝搬方向ｇ２とが一致するように配置される。

第１ホーン７および第２ホーン８は、流体４と音響インピーダンスが著しく異なる材料によって構成されることが好ましい。超音波が第１ホーン７内に透過すると、超音波のエネルギー密度が低下してしまうからである。流体４が空気の場合には、固体材料、樹脂などの材料を用いることができる。本実施形態では、第１ホーン７および第２ホーン８は、アルミニウムから構成されている。

第１ホーン７の具体的な形状の一例を説明する。第１ホーン７を構成するアルミニウムの厚さは例えば、０．５ｍｍである。第１大開口部７２はＹ方向およびＺ方向の長さが１７ｍｍの正方形状を有する。このとき、第１大開口部７２を規定する外形は、Ｙ方向およびＺ方向の長さがともに１８ｍｍの正方形状である。

第１小開口部７１は、Ｙ方向に１．７ｍｍ、Ｚ方向に１７ｍｍの長さを有する長方形状である。外側はＹ方向に２．７ｍｍ、Ｚ方向に１８ｍｍの長さを有する長方形状である。また、第１空間７３の伝搬方向ｇ１の長さは、５０ｍｍである。

第１空間７３の伝搬方向ｇ１の長さは、集束可能な超音波の最低周波数を決める。このため、長いほうがより低い超音波を集束することが可能となる。実用を考えると、Ｘ方向に５０ｍｍの長さを有している場合、第１ホーン７は、約１ｋＨｚ以上の超音波を集束可能である。一方、使用上の利便性からは第１ホーン７は短い方が良い。しかし、短くするとホーン内部で超音波の反射が起こりやすくなる。このため、第１空間７３を伝搬する超音波のすべてを超音波受波器本体１１で検出できなくなる。これらの点を考慮し、本実施形態においては第１空間７３の伝搬方向ｇ１の長さを５０ｍｍに設定した。

第２ホーン８も同様にして設計することができる。例えば、第１ホーン７と同じ形状であってもよい。また、第１ホーン７と第２ホーン８とで長さが異なっていてもよい。

超音波受波器本体１１は第１ホーン７の第１小開口部７１と第２ホーン８の第２小開口部８２との間に設けられる。超音波受波器本体１１を設置するスペースを確保するため、第１ホーン７と第２ホーン８とは第３のホーン１２により接続することが好ましい。第３のホーン１２は、第１ホーン７の第１小開口部７１および第２ホーン８の第２小開口部８２と同じ大きさの開口を両端に有する第３空間１３を含んでいる。また、第３空間１３を伝搬する超音波の伝搬方向は伝搬方向ｇ１およびｇ２と同一直線上にある。第３空間１３により、第1ホーン７の第１の大開口部７２から第２ホーン８の２大開口部８１までを貫通する空間が形成される。具体的には、第１空間７３と第２空間８３とが連続し、第１ホーン７、第３のホーン１２および第２ホーン８を貫通して配置される。ここで貫通とは、第１空間７３と第２空間８３との間で空間を遮る物体などが存在せず、第１空間７３、第２空間８３および第３空間１３が確保されていることを言う。遮蔽物などがないため、第１空間７３を伝搬する超音波はその伝搬方向ｇ１が変えられることなく、直進性を維持したまま、第２空間８３へ伝搬する。

一対の超音波受波器本体１１のそれぞれは、伝搬方向ｇ１と平行な表面である第２表面領域３２を有し、第１空間７３を伝搬してきた超音波が第２表面領域３２から入射することにより、超音波を検出する。このために超音波受波器本体１１は、図３に示すように、超音波振動子２および伝搬媒質部３を備える。

超音波振動子２は圧電体からなり、超音波を圧電体によって受波する。圧電体には電極（図示せず）が設けられており、電極を用いて超音波の受波によって圧電体に生じた電圧を検出する。圧電体は、公知の圧電性を有する材料から構成され、圧電性能が高いものが超音波の受波効率を高くすることができるため好ましい。たとえば、圧電セラミック、圧電単結晶、圧電高分子などの圧電性の高い材料が好ましい。圧電セラミックとしては、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、ニオブ酸鉛などを用いることができる。また、圧電単結晶としては、チタン酸ジルコン酸鉛単結晶、ニオブ酸リチウム、水晶などを用いることができる。また、圧電体に代えて公知の電歪体を用いることができる。電歪体を用いる場合にも、圧電体の場合と同様に電歪効果の大きな材料が受波効率を高くすることができるため好ましい。電極としては、公知の導電性材料から構成される。電気インピーダンスの低い一般的な金属が好ましい。本実施形態では、圧電体はチタン酸ジルコン酸鉛から構成され、電極は銀から構成される。

本実施形態では、超音波振動子２は、たとえば、厚さが１ｍｍであり、１８ｍｍ×１８ｍｍの正方形状の板である。厚さ方向の両面には電極が設けられており、この方向に分極処理がなされている。

超音波振動子２の共振周波数は、超音波受波器１で受波する超音波の周波数より十分高いことが好ましい。このため、超音波振動子２の厚さは、受信する超音波の周波数より十分に高い共振周波数を持つように選ばれている。例えば、超音波振動子２として圧電セラミックスを用いた場合、圧電セラミックスの音速が３８００ｍ／ｓ、厚さが１／２波長となったときに強い共振現象が起こることが知られている。したがって１ｍｍの厚さを有する圧電セラミックスの共振周波数は約１．９ＭＨｚとなる。これは受信しようとしている超音波の周波数である約１００ｋＨｚより十分に高い。超音波振動子２の共振周波数と受波する超音波の周波数がほぼ等しい場合、共振周波数付近では高い受信感度が得られるものの、その共振周波数以外では高い受信感度が得られない。また、周波数によって受信感度が大きく異なることになる。このような原因から、正確な超音波の測定が困難となる。

伝搬媒質部３は第１ホーン７の流体４を伝搬してきた超音波を取り込み、超音波振動子２へ伝搬させる働きをする。伝搬媒質部３は、内部損失が少ない材料から成ることが好ましい。内部損失が大きいと、超音波振動子に到達する超音波が減衰し受波感度が低下するからである。また、伝搬媒質部３は、流体４に対して、上述の式（２）を満たすことが好ましい。流体４が空気である場合、伝搬媒質部３の密度は５０ｋｇ/ｍ³以上であり、音速は３００ｍ／ｓ以下であることが好ましい。空気の密度および音速は室温付近で、それぞれ１．１２ｋｇ／ｍ³、３４０ｍ／ｓである。この条件を満たすとき、伝搬媒質部３と流体４との界面での反射をゼロにすることができる。

本実施の形態の伝搬媒質部３は乾燥ゲルから構成されている。乾燥ゲルは数ｎｍ〜数μｍ程度の固体骨格部を有し、この固体骨格部の間に平均細孔直径１ｎｍ〜数μｍ程度の範囲にある連続気孔が形成された多孔質体である。乾燥ゲルは密度の低い状態では、固体部分を伝搬する音速が極端に小さくなるとともに、細孔によって多孔質体内の気体部分を伝搬する音速も極端に小さくなるという性質を有する。このため、乾燥ゲルは、密度の低い状態では、５００ｍ／ｓ以下の非常に遅い音速を示し、極めて低い音響インピーダンスを有する。

乾燥ゲルの材料としては、無機材料、有機高分子材料などを用いることができる。無機材料の固体骨格部としては、酸化ケイ素（シリカ）、酸化アルミニウム、酸化チタンなどを用いることができる。また、有機高分子材料の固体骨格部としては、一般的な熱硬化樹脂、熱可塑樹脂を用いることができ、例えば、ポリウレタン、プリウレア、フェノール樹脂、ポリアクリルミド、ポリメタクリル酸メチル等を用いることができる。本実施の形態では、伝搬媒質部３はシリカ乾燥ゲルから構成されている。

シリカ乾燥ゲルは、たとえば以下の方法により製造される。まず、テトラエトキシシラン（以下ＴＥＯＳと略す）と、エタノールと、アンモニア水とを混合した溶液を作製し、これをゲル化させることによって湿潤ゲルを作製する。湿潤ゲルとは、乾燥ゲルの空孔部分に液体が満たされた状態のものを言う。この湿潤ゲルの液体部分を除去することによって、シリカ乾燥ゲルが得られる。液体部分の除去には超臨界乾燥法を用いる。超臨界乾燥法とは、湿潤ゲルの液体部分を液化炭酸ガスで置換し、超臨界状態での乾燥によって液体部分を除去する方法である。構造体の空孔部分に液体が含まれた状態から直接溶媒を乾燥させると、溶媒が揮発する際に毛管現象により大きな力が働いて骨格部分の構造を壊してしまう。この破損を防止するために、表面張力の働かない超臨界乾燥法を用いると、シリカ骨格部分を壊さずにシリカ乾燥ゲルを得ることができる。シリカ乾燥ゲルの密度はＴＥＯＳ、エタノール、アンモニア水の液比率を変えることで調整できる。音速は、伝搬媒質部３を形成する材料の密度に応じて変化する。本実施形態では、式（２）の条件を満足する密度２５０ｋｇ／ｃｍ³、音速１４５ｍ／ｓであるシリカ乾燥ゲルを用いた。

伝搬媒質部３は、流体４から伝搬媒質部３の第２表面領域３２に屈折透過してきた超音波が、超音波振動子２の受波面である第１表面領域３１に対して垂直に入射していくように上述の式（４）を満たすように設定されている。これにより、第１表面領域３１に到達した超音波は超音波振動子２の受波面に位相がそろった状態で到達し、超音波振動子２で発生する電圧を最も高くすることができる。このような形状によって、受波感度が最も高くなる。このとき、図８に示すように、第１表面領域３１と第２表面領域３２とがなす角θ₁は２４．５度である、第２表面領域３２の法線と超音波の伝搬方向のなす角度θ₂はおよそ８９度である。

本実施形態では、図２に示すＹＸ断面において、超音波振動子２の受波面である第１表面領域３１の長さは１８ｍｍであり、伝搬媒質部３の第２表面領域３２の長さは２０ｍｍである。また、第１表面領域３１と第２表面領域３２をつなぐ部分の長さは、第１ホーン７に近い方、すなわち長い方の辺が１０．２ｍｍであり、第２ホーン８に近い方、すなわち短い方の辺が２ｍｍである。Ｚ方向の長さは、超音波振動子２と同じ１８ｍｍである。このような形状の伝搬媒質部３は、この形状を有するフッ素系樹脂からなる型の中に原料液を注入し、ゲル化後に取り出すことにより得られる。

形成した伝搬媒質部３の第１表面領域３１を超音波振動子２の受波面と接合することにより、図３に示す超音波受波器本体１１を得ることができる。この接合には、例えばエポキシ系接着剤を用いることができる。

超音波受波器１はたとえば、以下の方法により作製することができる。

まず、たとえば、第１ホーン７、第２ホーン８および第３ホーン１２を一体的に成形した、たとえば、アルミニウムからなるホーン本体１６を用意する。図４に示すように、第３ホーン１２において、一対の超音波受波器本体１１を接続するための開口がＸＺ平面に設けられている。第３ホーン１２のＹＺ平面に平行な２面は、第１ホーン７と第２ホーン８とを一体的に接合している。

第３ホーン１２の開口部に伝搬媒質部３の第２表面領域３２を位置合わせすることによって、超音波受波器本体１１をホーン本体１６に取り付ける。ここで、対向する伝搬媒質部３のＹ軸方向の間隔は受波する超音波の波長の半分となる１．７ｍｍに設定される。この間隔を超音波の波長の半分にすることにより、第３ホーン１２を伝搬する超音波を平面波に近い超音波とすることができ、第１ホーン７による超音波の乱れを防止することができる。また、伝搬媒質部３のＹＺ平面における長辺が第１ホーン７側となるように超音波受波器本体１１を配置する。

位置合わせした後、図５に示す連結部材１０を用いて、ＸＹ平面において、ホーン本体１６と超音波受波器本体１１を取り付けた。各部品は接着剤により接合する。この接合には、例えばエポキシ系接着剤を用いることができる。なお、本実施形態では、ホーン本体１６をアルミニウム加工品として一体的に成形したが、他の方法によって、ホーン本体１６を成形してもよい。また、第１ホーン７、第２ホーン８および第３ホーン１２をそれぞれ別の部品として成形し、接合してもよい。このようにして超音波受波器１が作製される。

次に、図２を参照しながら、超音波受波器１の動作を説明する。検出すべき超音波５は、超音波の入射端である第１大開口部７２から伝搬方向ｇ１と平行に伝搬し、伝搬にしたがって、第１ホーン７により、音圧が高められる。なお、図２の矢印で示す超音波は、第１大開口部７２から入射する超音波の一部を示しており、実際には第１大開口部７２の全面から超音波は入射し、第１空間７３を規定する側面によって不要な反射を生じさせることなく、超音波が収束される。

超音波５は収束されながら第１空間７３を伝搬し、第１小開口部７１を通過して、超音波受波器本体１１の第２表面領域３２に到達する。第２表面領域３２に到達した超音波のうち、第２表面領域３２の法線となす角度θ₂が式（３）、（４）を満足する方向の超音波（θ₁が２４．５度である場合、θ₂はおよそ８９度）が、実線の矢印Ａ１で示すように伝搬媒質部３へ伝搬していく。伝搬媒質部３へ透過した超音波Ａ１は超音波振動子２に到達し電気信号に変換される。この超音波受波器本体１１での超音波の検出は、上述した屈折伝搬型超音波受波器による検出であるため、超音波受波器本体１１における反射が抑制され、高効率で超音波を検出できる。また、第２表面領域３２に到達した超音波は収束させられており、音圧が高い。したがって、超音波受波器本体１１は高感度で超音波を検出することができる。

一方、第２表面領域３２へ透過しなかった超音波Ａ２は第２小開口部８２から第２ホーン８の第２空間８３へ伝搬し、第２空間８３内を伝搬する。この際、第２空間８３内の断面積が徐々に拡大しているため、第２空間８３内の流体４’の音響インピーダンスは、徐々に小さくなる。このため、インピーダンスの不整合による超音波Ａ２の反射は、第２空間８３内では生じない。

第２大開口部８１に到達した超音波Ａ２は、そのまま、第２大開口部８１から外部へ出射される。このとき、流体４’の音響インビーダンスは第２大開口部８１近傍における第２空間８３の断面積が大きくなっているため、外部の音響インピーダンスとほぼ一致している。このため、第２大開口部８１近傍において、インピーダンスの不整合による超音波Ａ２の反射が生じることなく出射される。

したがって、本発明の超音波受波器１によれば、高感度、高効率で超音波を検出することができる。また、超音波受波器本体によって検出されなかった超音波は、端部などで反射されることなく、再び、超音波受波器本体１１に検出されることがない。このため、正確な超音波の受波あるいは検出を行うことが可能となる。

このように、本発明の超音波受波器１において、第２ホーン８は、超音波受波器本体によって検出されなかった超音波を第２小開口部８２からとりこみ、第２大開口部８３から外部へ出射するために用いられる。このような機能は、超音波の伝搬方向と平行な面から超音波を入射させて検出する構成において、不用な反射波が生じるために必要となるものである。したがって、本願発明は、特許文献２に開示された、２方向からの超音波を受けるための２つのホーンを備える超音波センサや、特許文献３に開示された、指向性を高めるホーンと圧電体の振動を容易にするために設けられた台座とを備える音波トランスデューサとは全く異なる発想に基づいている。

図６は、超音波受波器１を用いて、Ｘ軸の正方向からの１００ｋＨｚ、４波のバースト超音波を受波した結果を示している。図６において、横軸は時間を示し、縦軸は図２のＡ点の位置における音圧の時間変化を示している。図６から分かるように、４つのピークをもつ超音波Ｔのみが検出され、反射による不要な超音波はほとんど検出されていない。したがって、本発明によれば、正確な超音波の受波あるいは検出が可能になることが分かる。

なお、本実施形態では超音波受波器１は、一対の超音波受波器本体１１を備えていた。しかし、超音波受波器本体１１の数に特に制限はなく、たとえば、図７に示すように１つの超音波受波器本体１１を備える超音波受波器を実現してもよい。あるいは、３つ以上の超音波受波器本体１１を備えた超音波受波器を実現してもよい。

さらに、第２ホーン８の第２空間８３の形状は上述したものに限られず、伝搬方向ｇ２に従ってこのとき第２空間８３内の流体４’の音響インピーダンスを徐々に変化させる形状である限り、他の形状によって第２空間８３が規定されていてもよい。

また、第２ホーンの機能は、超音波受波器本体１１近傍の狭い空間内を満たす流体の音響インピーダンスを徐々に小さくし、完全に開放された空間にある流体の音響インピーダンスと一致するように流体４の音響インピーダンスを変化させることである。このような機能は空間の断面積変化以外の方法により実現することも可能である。

したがって、このような構造を有する音響インピーダンス変換器を第２ホーンの代わりに用いても本発明の超音波受波器を実現することができる。

本発明にかかる超音波受波器は、高い感度で、かつ正確な超音波の受波が可能であり、距離測定、物体検知、流量計測、ロボット制御等に用いる超音波受波器等に好適に用いられる。

本発明実施による超音波受波器の実施形態を示す斜視図である。 図１に示す超音波受波器のＸＹ断面図である。 図１の超音波受波器に用いられる超音波受波器本体を示す斜視図である。 図１に示す超音波受波器を構成する部品の一例を示す斜視図である。 図１に示す超音波受波器に用いる取付部品の斜視図である。 図１の超音波受波器を用いて超音波を検出した場合の結果を示すグラフである。 本発明実施による超音波受波器の他の形態を示す断面図である。 特許文献１および本実施形態で用いる超音波受波器本体の断面図である。 図８の超音波受波器本体の受波面積を説明する図である。 従来の音波トランスデューサを示す断面図である。 本発明の課題を説明するための超音波受波器の斜視図である。 図１１の超音波受波器のＹＺ断面図である。 図１１の超音波受波器を用いて超音波を検出した場合の結果を示すグラフである。 本発明の課題を説明するための他の超音波受波器の断面図である。 図１４の超音波受波器を用いて超音波を検出した場合の結果を示すグラフである。

符号の説明

１ 超音波受波器
２ 超音波振動子
３ 伝搬媒質部
４ 流体
５ 超音波伝搬経路
６ ホーン
７ 第１ホーン
８ 第２ホーン
９ 収束端
１０ 連結部
１１ 超音波受波器本体
３１ 第１表面領域
３２ 第２表面領域
７１ 第１小開口部
７２ 第１大開口部
８１ 第２大開口部
８２ 第２小開口部
１０１ 超音波送受波器本体
２０１ 一つのホーンを有した超音波受波器
２０２ 一つのホーンを有した超音波受波器

Claims (5)

1. 超音波の入射端である第１大開口部および出射端である第１小開口部を有する第１ホーンと、
   前記超音波の入射端である第２小開口部および出射端である第２大開口部を有する第２ホーンであって、前記第１ホーンの第１小開口部と前記第２ホーンの第２小開口部とが対向し、かつ、前記第１ホーンを伝搬する超音波の第１伝搬方向と前記第２ホーンを伝搬する超音波の第２伝搬方向とが一致するように配置された第２ホーンと、
   前記第１ホーンの第１小開口部と前記第２ホーンの第２小開口部との間に設けられた斜め伝搬型超音波受波器本体であって、
   超音波を受波する受波面を有する超音波検出部と、
   前記受波面に接し、前記第１伝搬方向に対して平行な表面を有する伝搬媒質部と、
   を含み、
   前記第１ホーンを伝搬してきた前記超音波が、前記伝搬媒質部の前記表面から入射することにより、前記超音波を検出し、かつ、前記伝搬媒質部の密度をρ₁、前記第１ホーン及び前記第２ホーンを満たしている環境流体の密度をρ₂とし、前記伝搬媒質部中を伝搬する超音波の速度をＣ₁とし、前記環境流体中を伝搬する超音波の速度をＣ₂としたとき、
   （ρ₂／ρ₁）＜（Ｃ₁／Ｃ₂）＜１
   の関係を満足している少なくとも１つの斜め伝搬型超音波受波器本体と、
   を備え、
   前記第１ホーンにおいて、前記超音波が伝搬する空間の前記第１伝搬方向に対して垂直な断面積は、前記第１大開口部から前記第１小開口部に向かって小さくなっており、
   前記第２ホーンにおいて、前記超音波が伝搬する空間の前記第２伝搬方向に対して垂直な断面積は、前記第２小開口部から前記第２大開口部に向かって大きくなっている、超音波受波器。
2. 前記第１ホーンの第１大開口部から前記第２ホーンの大開口部まで貫通する空間が形成されている請求項１に記載の超音波受波器。
3. 前記第１ホーンにおいて、前記超音波が伝搬する空間の前記第１伝搬方向に対して垂直な断面積は、前記第１大開口部から前記第１小開口部に向かう伝搬方向に対して指数関数的に減少している請求項２に記載の超音波受波器。
4. 前記第２ホーンにおいて、前記超音波が伝搬する空間の前記第２伝搬方向に対して垂直な断面積は、前記第２小開口部から前記第２大開口部に向かう伝搬方向に対して指数関数的に大きくなっている請求項３に記載の超音波受波器。
5. 前記伝搬媒質部は、無機材料又は有機高分子材料の乾燥ゲルから形成されている請求項１に記載の超音波受波器。

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