(57)【要約】【課題】複数の周波数成分を含む超音波信号を受信する超音波装置において、測定精度の低下を抑制する。【解決手段】超音波トランスデューサ１００は、複数の周波数成分を含む超音波信号を受信し、当該超音波信号に対応する複数の周波数成分を含む電気信号を出力する。第１のフィルタ（ＨＰＦ３００）は、電気信号のフィルタ処理を行なう。増幅段４００は、第１のフィルタ（ＨＰＦ３００）を通過した電気信号の増幅を行なう一方で、電気信号のフィルタ処理は行なわない。第２のフィルタ（ＬＰＦ５００）は、増幅段４００によって増幅された電気信号のフィルタ処理を行なう。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の周波数成分を含む超音波信号を受信し、当該超音波信号に対応する複数の周波数成分を含む電気信号を出力する超音波トランスデューサと、
前記電気信号のフィルタ処理を行なう第１のフィルタと、
前記第１のフィルタを通過した前記電気信号の増幅を行なう一方で、前記電気信号のフィルタ処理は行なわない増幅段と、
前記増幅段によって増幅された前記電気信号のフィルタ処理を行なう第２のフィルタとを備える、超音波装置。
【請求項２】
前記増幅段は、増幅素子によって前記電気信号の増幅を行なう一方で、誘導性素子および容量性素子を含まないことによって前記電気信号のフィルタ処理は行なわない、請求項１に記載の超音波装置。
【請求項３】
前記超音波信号は、掃引正弦波信号もしくは疑似雑音信号である、請求項１または２に記載の超音波装置。
【請求項４】
前記超音波受信装置は、所定の周波数範囲の超音波信号を使用し、
前記第１のフィルタは、前記周波数範囲の下限周波数の３分の１の周波数以下のカットオフ周波数を有するハイパスフィルタであり、
前記第２のフィルタは、前記周波数範囲の上限周波数の３倍の周波数以上のカットオフ周波数を有するローパスフィルタである、請求項１〜３のいずれか１項に記載の超音波装置。
【請求項５】
前記超音波トランスデューサは、受信した超音波信号に対応する電気信号を差動信号として出力する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の超音波装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、超音波を送信し、被検出物で反射した反射波を受信することによって、被検出物との距離などを測定する超音波装置が実用に供されている。
【０００３】
超音波装置が受信した被検出物からの反射波は、その反射波に対応する電気信号に変換される。変換された電気信号は、たとえば増幅されるとともにフィルタ処理によってその電気信号に含まれる不所望な周波数成分が除去された後に、電気信号の解析が行なわれる。電気信号の解析によって、たとえば、反射波が超音波装置に到達した時刻（タイミング）が検出される。反射波が超音波装置に到達したタイミングが正確に検出されると、被検出物との距離も正確に検出され、超音波装置の測定精度は向上する。
【０００４】
たとえば特開２０１１−１２７９２６号公報は、電気信号を増幅するための増幅段として、フィルタと、増幅器としてのオペアンプとを一体化したアクティブフィルタを開示する。このアクティブフィルタは、オペアンプの入力側にキャパシタが設けられ、オペアンプの入力端と出力端との間（フィードバック経路）にもキャパシタが設けられる。このアクティブフィルタでは、オペアンプを利用して増幅機能が実現され、キャパシタを利用してフィルタ機能が実現される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−１２７９２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
超音波装置が送信する超音波送信信号には、複数の周波数成分を含む信号（たとえば掃引正弦波信号や疑似雑音信号）が用いられこともある。超音波送信信号が複数の周波数成分を含む場合、被検出物からの反射波およびその反射波に対応する電気信号も複数の周波数成分を含む。
【０００７】
超音波受信装置において複数の周波数成分を含む電気信号が増幅される際には、その電気信号の周波数範囲における利得特性、群遅延特性および位相特定が一定でない場合、増幅後の電気信号の波形は、増幅前の電気信号の波形に対して歪む。歪んだ電気信号が解析されると、たとえば、反射波が超音波装置に到達したタイミングが正確に検出されず、超音波装置の測定精度は低下する。
【０００８】
特開２０１１−１２７９２６号公報に開示されるアクティブフィルタのように、オペアンプの入力側およびフィードバック回路にキャパシタのような容量性素子が設けられると、オペアンプに含まれる回路と、容量性素子との相互影響によって、アクティブフィルタの特性が不所望に変化することがある。たとえば、特定の周波数において利得、位相および群遅延が大きく変動する。そのため、アクティブフィルタの利得特性、群遅延特性および位相特性が周波数に対して一定でない場合が起こり得る。その結果、超音波装置の測定精度が低下する恐れがある。アクティブフィルタにおいて、キャパシタのような容量性素子に代えて、たとえばインダクタのような誘導性素子が設けられる場合も同様に、超音波装置の測定精度が低下する恐れがある。
【０００９】
適切な容量性素子や誘導性素子を用いてアクティブフィルタが構成されれば、上記の問題は解決されるとも考えられる。しかし、たとえば市販のオペアンプを用いてアクティブフィルタを構成する場合などにおいては、そのオペアンプに含まれる回路の構成が明示されていない事が多い。したがって、そのオペアンプにどのような容量性素子や誘導性素子を組み合わせれば相互影響を回避できるかは、特性評価によって求めていく事になる。そのような特性評価には、時間やコストが掛かる。また、アクティブフィルタを用いた増幅段によって電気信号を増幅すると、増幅段によって電気信号が歪み、超音波装置の測定精度が低下する可能性が排除されない。
【００１０】
本発明の目的は、複数の周波数成分を含む超音波信号を受信する超音波装置において、測定精度の低下を抑制することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、ある局面において、超音波トランスデューサと、第１のフィルタと、増幅段と、第２のフィルタとを備える、超音波装置である。超音波トランスデューサは、複数の周波数成分を含む超音波信号を受信し、当該超音波信号に対応する複数の周波数成分を含む電気信号を出力する。第１のフィルタは、電気信号のフィルタ処理を行なう。増幅段は、第１のフィルタを通過した電気信号の増幅を行なう一方で、電気信号のフィルタ処理は行なわない。第２のフィルタは、増幅段によって増幅された電気信号のフィルタ処理を行なう。たとえば、増幅段は、増幅素子によって電気信号の増幅を行なう一方で、誘導性素子および容量性素子を含まないことによって電気信号のフィルタ処理は行なわないように構成される。
【００１２】
上記構成の超音波装置では、複数の周波数成分からなる電気信号が、増幅段によって増幅される。増幅段は、誘導性素子および容量性素子を含まないことによって電気信号のフィルタ処理は行なわないように構成される。すなわち、増幅素子（たとえばオペアンプなど）の入力側に直接キャパシタなどの容量性素子およびインダクタなどの誘導性素子が接続されることがなく、フィードバック回路にキャパシタなどの容量性素子およびインダクタなどの誘導性素子が設けられることもない。すなわち、特性の周波数において利得、位相および群遅延が大きく変動することがない。その結果、増幅段の利得特性、群遅延特性および位相特性は、使用周波数帯においてほぼ一定になる。そのような増幅段によって増幅された電気信号には歪みがほとんど生じない。歪みのほとんどない電気信号が解析されることにより、超音波装置において良好な測定精度が実現される。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、複数の周波数成分を含む超音波信号を受信する超音波装置において、測定精度の低下を抑制することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施の形態に係る超音波装置の概略構成を説明するための図である。
【図２】図１に示すＨＰＦ、増幅段、およびＬＰＦの構成の一例を説明するための図である。
【図３】図２に示す回路の利得特性を説明するための図である。
【図４】図２に示す回路の位相回転特性を説明するための図である。
【図５】図２に示す回路の群遅延特性を説明するための図である。
【図６】超音波トランスデューサの構成の一例を説明するための斜視図である。
【図７】超音波トランスデューサの構成の一例を説明するための断面図である。
【図８】超音波トランスデューサに用いられる超音波発生素子を説明するための分解斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。
【００１６】
図１は、実施の形態に係る超音波装置１０の概略構成を説明するための図である。超音波装置１０は、トリガ信号としての超音波信号を送信する。送信された超音波信号は、被検出物２０で反射し、反射波として超音波装置１０によって受信される。超音波装置１０は、超音波信号を送信してから反射波を受信するまでの時間に基づいて、被検出物２０までの距離を検出する。超音波装置１０が送信する超音波の周波数（以下、単に「使用周波数」と言う場合もある）は、たとえば数ｋＨｚ〜数十ｋＨｚ程度の範囲に含まれる。一例として使用周波数は、２０ｋＨｚ〜５０ｋＨｚである。
【００１７】
図１を参照して、超音波装置１０は、超音波トランスデューサ１００と、切替回路２００と、ハイパスフィルタ（ＨＰＦ）３００と、増幅段４００と、ローパスフィルタ（ＬＰＦ)５００と、アナログ／ディジタル（Ａ／Ｄ）変換器６００と、制御部７００と、信号発生回路８００とを含む。
【００１８】
超音波トランスデューサ１００は、超音波信号を送受信する。超音波トランスデューサ１００は、入力された電気信号に対応する超音波信号を送信する。電気信号は、切替回路２００を介して信号発生回路８００から入力される。電気信号は、たとえば掃引正弦波や疑似雑音信号のような複数の周波数成分を含む電気信号である。掃引正弦波は、たとえばアップチャープ信号、ダウンチャープ信号などを含んで構成される。疑似雑音信号は、たとえばＭ系列符号変調信号などを含んで構成される。アップチャープ信号は、時間とともに周波数が上昇する信号である。ダウンチャープ信号は、時間とともに周波数が低下する信号である。Ｍ系列符号変調信号は、所定の乱数に基づいて作成される信号である。超音波トランスデューサ１００は、入力された複数の周波数成分を含む電気信号に対応して、複数の周波数成分を含む超音波信号を送信する。
【００１９】
超音波トランスデューサ１００は、受信した超音波信号に対応する電気信号を出力する。たとえば、超音波トランスデューサ１００は、電気信号を差動信号として出力する。超音波トランスデューサ１００が受信する超音波信号は、主に、超音波トランスデューサ１００から送信された超音波信号が被検出物２０で反射することによって生じた反射波である。その場合、超音波トランスデューサ１００が受信する超音波信号は、超音波送信信号と同様に、複数の周波数成分を含む信号である。超音波トランスデューサ１００は、受信した複数の周波数成分を含む超音波信号に対応して、複数の周波数成分を含む電気信号を出力する。なお、超音波トランスデューサ１００が受信する超音波信号は、被検出物２０で生じた反射波に限られない。たとえば、複数の超音波装置１０がある場合には、超音波トランスデューサ１００は、他の超音波装置１０に含まれる超音波トランスデューサ１００から送信される超音波信号を受信することもできる。複数の超音波装置１０の間で超音波信号の送受信が行なわれることで、たとえば、複数の超音波装置１０の位置がそれぞれ検出される。
【００２０】
以後、特に明記しない場合、実施の形態において、「超音波信号」および「電気信号」は、複数の周波数成分を含む信号を意味する。
【００２１】
切替回路２００は、超音波トランスデューサ１００およびＨＰＦ３００の接続と、超音波トランスデューサ１００および信号発生回路８００の接続を切替える。切替回路２００は、たとえばスイッチ素子などを含んで構成される。超音波装置１０が超音波を送信するとき、切替回路２００は、超音波トランスデューサ１００および信号発生回路８００が接続されるように切替えられる。超音波装置１０が超音波を受信するとき、切替回路２００は、超音波トランスデューサ１００およびＨＰＦ３００が接続されるように切替えられる。
【００２２】
ＨＰＦ３００は、超音波トランスデューサ１００が出力した電気信号のフィルタ処理を行なう第１のフィルタである。ＨＰＦ３００は、使用周波数以上の周波数成分を通過させることを意図して用いられる。好ましくは、ＨＰＦ３００は、使用周波数の下限周波数の３分の１の周波数以下のカットオフ周波数を有するハイパスフィルタである。ＨＰＦ３００を通過した電気信号は、増幅段４００に入力される。ＨＰＦ３００は、たとえば容量性素子を含んで構成される。ＨＰＦ３００は、誘導性素子を含んで構成されてもよい。ＨＰＦ３００は、差動入力および差動出力のフィルタである。すなわち、ＨＰＦ３００は、差動入力のための端子３１０および端子３５０と、差動出力のための端子３２０および端子３６０とを含む。ＨＰＦ３００の構成については、後に図２を参照しても説明される。
【００２３】
増幅段４００は、ＨＰＦ３００を通過した電気信号の増幅を行なう。増幅段４００は、増幅素子（図１には図示されない）などを含んで構成される。増幅段４００において、増幅素子によって電気信号の増幅が行なわれる。一方、増幅段４００は、電気信号のフィルタ処理は行なわない。具体的に、増幅段４００は、誘導性素子および容量性素子を含まないで構成される。誘導性素子および容量性素子を含まないことにより、増幅段４００は、電気信号のフィルタ処理を行なわない。増幅段４００は、差動入力およびシングルエンド出力の増幅段である。すなわち、増幅段４００は、差動入力のための端子４１０および端子４５０と、シングルエンド出力のための端子４２０とを含む。増幅段４００の構成については、後に図２を参照してさらに説明される。
【００２４】
ＬＰＦ５００は、増幅段４００によって増幅された電気信号のフィルタ処理を行なう第２のフィルタである。ＬＰＦ５００は、使用周波数以下の周波数成分を通過させることを意図して用いられる。好ましくは、ＬＰＦ５００は、使用周波数の上限周波数の３倍の周波数以上のカットオフ周波数を有するローパスフィルタである。ＬＰＦ５００を通過した電気信号は、Ａ／Ｄ変換器６００に入力される。ＬＰＦ５００は、たとえば容量性素子を含んで構成される。ＬＰＦ５００は、誘導性素子を含んで構成されてもよい。ＬＰＦ５００は、シングルエンド入力およびシングルエンド出力のフィルタである。すなわち、ＬＰＦ５００は、シングルエンド入力のための端子５１０と、シングルエンド出力のための端子５２０とを含む。ＬＰＦ５００の構成については、後に図２を参照してさらに説明される。
【００２５】
Ａ／Ｄ変換器６００は、ＬＰＦ５００を通過した電気信号（アナログ信号）をディジタル信号に変換する。変換されたディジタル信号は、制御部７００に入力される。
【００２６】
制御部７００は、Ａ／Ｄ変換器６００から入力されたディジタル信号の解析を行なうための演算機能などを具備する。解析によって、たとえば、反射波が超音波装置１０に到達した時刻（タイミング）が検出される。タイミングの検出は、たとえば、電気信号と、予め定められた信号パターン（超音波送信信号に対応する信号パターン）との相互相関を求めることによって行なわれる。たとえば、相互相関が大きくなる（たとえば最大となる）タイミングが、反射波が超音波装置１０に到達したタイミングとして検出される。先に説明したＨＰＦ３００、増幅段４００およびＬＰＦ５００において、電気信号（の波形）の歪がほとんど生じることなく、電気信号が増幅およびフィルタリングされることで、反射波が超音波装置１０に到達したタイミングは正確に検出される。逆に、増幅およびフィルタリングによって電気信号（の波形）が歪むと、反射波が超音波装置１０に到達したタイミングの検出精度は低下する。超音波装置１０が超音波送信信号を送信したタイミングと、反射波が超音波装置１０に到達したタイミングとに基づいて、超音波装置１０と被検出物２０との距離が検出される。制御部７００は、制御に必要なさまざまな情報を記憶するためのメモリや情報を処理するためのプロセッサ（いずれも図示しない）などを含んで構成される。
【００２７】
制御部７００は、超音波装置１０は、切替回路２００および信号発生回路８００を制御する。制御は、たとえば制御信号または通信信号を用いて行なわれる。制御部７００は、切替回路２００および信号発生回路８００を制御することによって、たとえば超音波装置１０の超音波の送受信を制御したり、超音波装置１０と被検出物２０との距離などを検出する。制御部７００は、制御に必要なさまざまな情報を記憶するためのメモリや情報を処理するためのプロセッサ（いずれも図示しない）などを含んで構成される。
【００２８】
信号発生回路８００は、電気信号を発生する。信号発生回路８００によって発生された電気信号は、切替回路２００を介して、超音波トランスデューサ１００に入力される。信号発生回路８００は、たとえば、超音波トランスデューサ１００の駆動回路として用いられる。
【００２９】
図２は、図１に示すＨＰＦ３００、増幅段４００、およびＬＰＦ５００の構成の一例を説明するための図である。
【００３０】
ＨＰＦ３００は、先に図１を参照して説明したように、端子３１０および３２０と、端子３５０および３６０とを含む。さらに、ＨＰＦ３００は、キャパシタＣ１およびキャパシタＣ２と、抵抗Ｒ１および抵抗Ｒ２と、端子３３０および端子３７０とを含む。
【００３１】
キャパシタＣ１の一方端は、端子３１０に接続される。キャパシタＣ１の他方端は、端子３２０に接続される。抵抗Ｒ１の一方端は、端子３２０に接続される。抵抗Ｒ１の他方端は、端子３３０に接続される。端子３３０は、基準電位Ｖｒｅｆを有する。キャパシタＣ１、抵抗Ｒ１、および端子３３０によって、端子３１０と端子３２０との間にハイパスフィルタが構成される。
【００３２】
キャパシタＣ２の一方端は、端子３５０に接続される。キャパシタＣ２の他方端は、端子３６０に接続される。抵抗Ｒ２の一方端は、端子３６０に接続される。抵抗Ｒ２の他方端は、端子３７０に接続される。端子３７０は、基準電位Ｖｒｅｆを有する。キャパシタＣ２、抵抗Ｒ２、および端子３７０によって、端子３５０と端子３６０との間に、ハイパスフィルタが構成される。
【００３３】
端子３１０および端子３２０の間の通過特性と、端子３５０および端子３６０の間の通過特性とは、同じになるように設計される。たとえば、キャパシタＣ１およびキャパシタＣ２は同じ容量値に設定され、抵抗Ｒ１および抵抗Ｒ２は同じ抵抗値に設定される。
【００３４】
通過特性の調節のためなどに、ＨＰＦ３００はたとえばインダクタのような誘導素子（図示しない）を含んで構成されてもよい。
【００３５】
増幅段４００は、先に図１を参照して説明したように、端子４１０および端子４２０と、端子４５０とを含む。さらに、増幅段４００は、オペアンプＵ１〜Ｕ３と、抵抗Ｒ３〜Ｒ９とを含む。オペアンプＵ１およびオペアンプＵ２と、抵抗Ｒ３〜Ｒ５とは、差動バッファを構成する。オペアンプＵ３と、抵抗Ｒ６〜Ｒ９とは、差動増幅器を構成する。増幅段４００は、インスツルメンテーションアンプと呼ばれることもある。
【００３６】
オペアンプＵ１の非反転入力端子（＋）は、端子４１０に接続される。オペアンプＵ１の出力端子は、抵抗Ｒ４の一方端に接続される。オペアンプＵ１の反転入力端子（−）は、抵抗Ｒ４の他方端に接続される。オペアンプＵ１の出力端子は、抵抗Ｒ６を介して、オペアンプＵ３の反転入力端子（−）にも接続される。
【００３７】
オペアンプＵ２の非反転入力端子（＋）は、端子４５０に接続される。オペアンプＵ２の出力端子は、抵抗Ｒ５の一方端に接続される。オペアンプＵ２の反転入力端子（−）は、抵抗Ｒ５の他方端に接続される。オペアンプＵ２の出力端子は、抵抗Ｒ７を介して、オペアンプＵ３の非反転入力端子（＋）にも接続される。
【００３８】
抵抗Ｒ３の一方端は、オペアンプＵ１の反転入力端子（−）に接続される。抵抗Ｒ３の他方端は、オペアンプＵ２の反転入力端子（−）に接続される。
【００３９】
オペアンプＵ１およびオペアンプＵ２と、抵抗Ｒ３〜抵抗Ｒ５とは、オペアンプＵ３の前段に設けられる差動バッファを構成する。
【００４０】
抵抗Ｒ８の一方端は、オペアンプＵ３の非反転入力端子（＋）に接続される。抵抗Ｒ８の他方端は、端子４３０に接続される。端子４３０は、基準電位Ｖｒｅｆを有する。
【００４１】
抵抗Ｒ９の一方端は、オペアンプＵ３の出力端子に接続される。抵抗Ｒ９の他方端は、オペアンプＵ３の反転入力端子（−）に接続される。
【００４２】
オペアンプＵ３の出力端子は、端子４２０に接続される。
オペアンプＵ１およびオペアンプＵ２などで構成される差動バッファの入力部は、ハイインピーダンスを有する。すなわち、図２に示す回路は、オペアンプＵ３などで構成される差動増幅器と、ＨＰＦ３００に含まれるキャパシタＣ１およびキャパシタＣ２などの容量性素子との間にハイインピーダンスが介在した構成となる。その結果、差動バッファの帰還路と、キャパシタＣ１およびキャパシタＣ２などの容量性素子との相互影響が抑制される。また、差動増幅器を構成するオペアンプＵ３のフィードバック回路（たとえば抵抗Ｒ９で構成される回路）には、容量性素子が設けられていない。したがって、オペアンプＵ３に含まれる回路と、そのような容量性素子との相互影響は生じない。ＨＰＦ３００に、インダクタなどの誘導性素子が含まれる場合も、図２に示す回路であれば、増幅器を構成するオペアンプＵ３に含まれる回路と、誘導性素子との相互影響は生じない。
【００４３】
増幅段４００の構成によれば、オペアンプＵ３など用いられるどのようなオペアンプについても、そのオペアンプに含まれる回路構成と、容量性素子および誘導性素子との相互影響が抑制される。たとえば、内部の回路構成が不明な市販のオペアンプを用いることによっても、増幅段４００を容易に設計できる。
【００４４】
ＬＰＦ５００は、先に図１を参照して説明したように、端子５１０と、端子５１０とを含む。さらに、ＬＰＦ５００は、抵抗Ｒ１０と、キャパシタＣ３と、端子５３０とを含む。
【００４５】
抵抗Ｒ１０の一方端は、端子５１０に接続される。抵抗Ｒ１０の他方端は、端子５２０に接続される。キャパシタＣ３の一方端は、端子５２０に接続される。キャパシタＣ３の他方端は、端子５３０に接続される。端子５３０は、基準電位Ｖｒｅｆを有する。抵抗Ｒ１０、キャパシタＣ３、および端子５３０によって、端子５１０と端子５２０との間にローパスフィルタが構成される。
【００４６】
図２に示す回路では、オペアンプＵ３と、キャパシタＣ３との間には、抵抗Ｒ１０が介在する。抵抗Ｒ１０が介在することによって、オペアンプＵ３に含まれる回路と、キャパシタＣ３などの容量性素子との相互影響が抑制される。
【００４７】
図３〜図５は、図２に示す回路、すなわちＬＰＦ３００，増幅段４００およびＨＰＦ５００で構成される回路の周波数特性の一例を説明するための図である。
【００４８】
図３は、図２に示す回路の利得特性を説明するためのグラフである。図３に示すグラフの横軸は周波数（Ｈｚ）を、縦軸は利得（ｄＢ）をそれぞれ示す。図３において、ｆＬは使用周波数の下限周波数を、ｆＵは使用周波数の上限周波数を示す。すなわち、使用周波数の周波数範囲（使用周波数帯）はｆＬ〜ｆＵである。周波数ｆＣＨＰＦは、ＨＰＦ５００のカットオフ周波数を示す。周波数ｆＣＬＰＦは、ＬＰＦ３００のカットオフ周波数を示す。
【００４９】
図３において、ｆＬは、約２０ｋＨｚであり、ｆＵは、約５０ｋＨｚである。ｆＣＨＰＦは、約４００Ｈｚである。すなわち、ｆＣＨＰＦはｆＬから離れるように設定される。ｆＣＨＰＦは、ｆＬの３分の１以下の周波数であればよい。ｆＣＬＰＦは、約４００ｋＨｚである。すなわち、ｆＣＬＰＦはｆＵから離れるように設定される。ｆＣＬＰＦは、ｆＵの３倍以上の周波数であればよい。このような条件を満たせば、使用周波数帯において、利得は充分平坦である。また、後に図４および図５を参照して説明するように、位相変化（位相回転）は使用周波数帯で３０度以内、かつ群遅延も数マイクロ秒（μｓ）以下に抑えられる。その結果、超音波装置の距離検出誤差は充分小さくなる。
【００５０】
図３に示すように、使用周波数帯（ｆＬ〜ｆＵ）において、利得は、ほぼ一定である。したがって、図２に示す回路では、利得の周波数特性によって電気信号の歪みがほとんど生じないので、超音波装置の測定精度の低下が抑制される。
【００５１】
図４は、図２に示す回路の位相回転特性を説明するためのグラフである。
図４に示すように、使用周波数帯（ｆＬ〜ｆＵ）において、位相変化（位相回転）が平坦部に対して３０度以内に収まっており、位相特性はほぼ平坦である。
【００５２】
また、図４に示すように、ＨＰＦ５００のカットオフ周波数ｆＣＨＰＦの３倍の周波数における位相回転は約１５度である。ＬＰＦ３００のカットオフ周波数ｆＣＬＰＦの３分の１の周波数における位相回転は約−１５度である。すなわち、ｆＣＨＰＦ〜ｆＣＬＰＦにおいて、位相回転は約３０度である。使用周波数は、ｆＣＨＰＦ〜ｆＣＬＰＦの間の周波数であって、ｆＣＨＰＦ〜ｆＣＬＰＦよりも狭い周波数範囲とされるため、使用周波数帯における位相回転の変動は、±３０度よりもさらに小さくなる。図４に示す例では、使用周波数において、位相回転はせいぜい１０度程度しか変動しない。そのような小さな変動の位相回転であれば、位相回転による電気信号の歪みはほとんど生じない。すなわち、図２に示す回路では、位相回転の周波数特性にる電気信号の歪はほとんど生じないので、超音波装置の測定精度の低下が抑制される。たとえば、位相回転が約±３０度である場合には、２５ｋＨｚで３．３μｓ以内の誤差となり、５０ｋＨｚで１．７μｓ以内の誤差になる。それらの時間を音速を用いて距離に換算すると、２５ｋＨｚでは１．１ｍｍの誤差となり、５０ｋＨｚでは０．６ｍｍ程度の誤差となる。このようなミリオーダーの小さな誤差は、充分無視できる大きさである。
【００５３】
図５は、図２に示す回路の群遅延特性を説明するための図である。
図５に示すように、使用周波数（ｆＬ〜ｆＵ）において、群遅延は、ほぼ一定である。すなわち、群遅延は、周波数に対してほぼ一定である。したがって、図２に示す回路では、群遅延の周波数特性によって電気信号の歪みがほとんど生じないので、超音波装置の測定精度は損なわれない。
【００５４】
以上説明したように、ＨＰＦ３００、増幅段４００、およびＬＰＦ５００を含んで構成される超音波装置１０（図１）では、複数の周波数成分を含む電気信号は、歪みがほとんど生じないように増幅およびフィルタリングされる。その結果、超音波装置１０の測定精度の低下が抑制される。
【００５５】
［超音波トランスデューサの構成の一例］
図６〜図８は、図１に示す超音波トランスデューサ１００の構成の一例を説明するための図である。図６〜図８において、超音波トランスデューサには、参照符号１００Ａが付されて図示される。
【００５６】
図６は斜視図、図７は図６の鎖線Ｘ−Ｘ部分を示す断面図である。図８は、超音波トランスデューサ１００Ａに含まれて使用される超音波振動子（超音波発生素子）１の分解斜視図である。
【００５７】
超音波発生素子１は、枠体２と、第１のバイモルフ型圧電振動子３と、第２のバイモルフ型圧電振動子４とを備える。枠体２は、中央部に貫通孔２ａが形成されている。そして、枠体２の下側の主面には、第１のバイモルフ型圧電振動子３が接着剤５ａにより接合され、枠体２の上側の主面には、第２のバイモルフ型圧電振動子４が接着剤５ｂにより接合されている。すなわち、枠体２の貫通孔２ａは、第１のバイモルフ型圧電振動子３と、第２のバイモルフ型圧電振動子４とで塞がれた構造となっている。超音波発生素子１は、たとえば、３２０μｍ程度の厚みからなる。
【００５８】
枠体２は、たとえば、セラミックスからなり、厚みは２００μｍ程度である。貫通孔２ａの直径は、たとえば、２．４ｍｍ程度である。なお、貫通孔２ａに代えて、枠体２の中央部分に溝を形成するようにしても良い。すなわち、枠体２は、閉じた環状の構造体には限られず、一部において開いた環状の構造体であっても良い。なお、枠体２の材質は、ガラス繊維とエポキシ樹脂の混成材料であってもよい。
【００５９】
第１のバイモルフ型圧電振動子３は、たとえば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などからなる矩形で平板状の圧電セラミックス３ａを備える。そして、圧電セラミックス３ａの内部には、内部電極３ｂが形成され、圧電セラミックス３ａの両主面には、それぞれ、外部電極３ｃ，３ｄが形成されている。内部電極３ｂ、外部電極３ｃ，３ｄは、たとえば、Ａｇ、Ｐｄからなる励振電極である。内部電極３ｂは、圧電セラミックス３ａの隣り合う２つの角部に引出されている。一方、外部電極３ｃ，３ｄは、内部電極３ｂが引出されていない、圧電セラミックス３ａの隣合う２つの角部にそれぞれ引出されている。第１のバイモルフ型圧電振動子３の厚みは、たとえば、６０μｍ程度である。
【００６０】
第２のバイモルフ型圧電振動子４も、第１のバイモルフ型圧電振動子３と同様に、たとえば、ＰＺＴなどからなる矩形で平板状の圧電セラミックス４ａを備え、圧電セラミックス４ａの内部には、内部電極４ｂが形成され、圧電セラミックス４ａの両主面には、それぞれ、外部電極４ｃ，４ｄが形成されている。内部電極４ｂ、外部電極４ｃ，４ｄも、たとえば、Ａｇ、Ｐｄからなる励振電極である。そして、内部電極４ｂは、圧電セラミックス４ａの隣合う２つの角部に引出されている。外部電極４ｃ，４ｄは、内部電極４ｂが引出されていない、圧電セラミックス４ａの隣り合う２つの角部にそれぞれ引出されている。第２のバイモルフ型圧電振動子４の厚みも、たとえば、６０μｍ程度である。
【００６１】
第１のバイモルフ型圧電振動子３の圧電セラミックス３ａ、および、第２のバイモルフ型圧電振動子４の圧電セラミックス４ａは、それぞれ、内部において分極されている。なお、圧電セラミックス３ａにおいて、外部電極３ｃと内部電極３ｂとの間と、内部電極３ｂと外部電極３ｄとの間とは、分極方向が同じである。同様に、圧電セラミックス４ａにおいて、外部電極４ｃと内部電極４ｂとの間と、内部電極４ｂと外部電極４ｄとの間とは、分極方向が同じである。一方、圧電セラミックス３ａの外部電極３ｃと内部電極３ｂとの間、および内部電極３ｂと外部電極３ｄとの間と、圧電セラミックス４ａの外部電極４ｃと内部電極４ｂとの間、および内部電極４ｂと外部電極４ｄとの間とは、分極方向が逆である。
【００６２】
そして、超音波発生素子１の４つの角部には、それぞれ、引出電極６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄが形成されている。隣合う２つの引出電極６ａ，６ｂは、いずれも、それぞれ、圧電セラミックス３ａの内部電極３ｂ、および、圧電セラミックス４ａの内部電極４ｂと電気的に接続されている。一方、残りの隣合う２つの引出電極６ｃ，６ｄは、いずれも、それぞれ、圧電セラミックス３ａの外部電極３ｃ，３ｄ、および、圧電セラミックス４ａの外部電極４ｃ，４ｄと電気的に接続されている。（引出電極６ａ，６ｄは図７に示されているが、引出電極６ｂ，６ｃは図示を省略しており、いずれの図にも示されていない。）引出電極６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄは、たとえば、Ａｇからなる。
【００６３】
超音波トランスデューサ１００Ａは、さらに、基板７と蓋部材８とからなる筺体を備える。
【００６４】
基板７は、たとえば、ガラスエポキシからなり、矩形で、平板状である。基板７の上側の主面には、複数のランド電極（図示せず）が形成されている。そして、それらのランド電極に、超音波発生素子１の引出電極６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄを導電性接着剤９によりそれぞれ接合することにより、基板７に超音波発生素子１が搭載されている。基板７と超音波発生素子１（第１のバイモルフ型圧電振動子３）とにより構成される隙間は、第１の音響経路Ｓ１を形成し、第１のバイモルフ型圧電振動子３から放出された超音波を圧縮し、超音波発生素子１の下側の主面に沿った方向に超音波が伝搬するのに寄与する。すなわち、基板７は、音響経路部材である。基板７と超音波発生素子１とにより構成される隙間（第１の音響経路Ｓ１）の長さは、３０μｍ以上に設定され、特に、第１のバイモルフ型圧電振動子３から放出された超音波の音波位相をそろえ、音圧を高めるためには、１００〜２００μｍに設定される。なお、超音波発生素子１は、４つの角部で、導電性接着剤９により基板７に接合されるため、超音波発生素子１から放出された超音波の伝搬を阻害しない。
【００６５】
蓋部材８は、たとえば、洋白からなり、超音波発生素子１を収容するための開口８ａが形成され、さらに天板部分に、矩形の音響放出口８ｂが形成されている。音響放出口８ｂの個数は任意であるが、本実施形態においては、４個の音響放出口８ｂが形成されている。蓋部材８は、開口８ａに超音波発生素子１を収容したうえで、開口８ａの周縁が、たとえば接着剤（図示せず）により、基板７の上側の主面に接合されている。蓋部材８と超音波発生素子１（第２のバイモルフ型圧電振動子４）とにより構成される隙間は、第１の音響経路Ｓ１を形成し、第２のバイモルフ型圧電振動子４から放出された超音波を圧縮し、超音波発生素子１の上側の主面に沿った方向に超音波が伝搬するのに寄与する。すなわち、蓋部材８は、音響経路部材である。蓋部材８と超音波発生素子１とにより構成される隙間（第１の音響経路Ｓ１）の長さは、３０μｍ以上に設定され、特に、第２のバイモルフ型圧電振動子４から放出された超音波の音波位相をそろえ、音圧を高めるためには、１００〜２００μｍに設定される。
【００６６】
超音波トランスデューサ１００Ａは、超音波発生素子１の外周面と、基板７と蓋部材８とからなる筺体の内周面とにより構成される隙間により、第２の音響経路Ｓ２が形成されている。なお、第２の音響経路Ｓ２の一部が、第１のバイモルフ型圧電振動子３の振動の腹の近傍、および、第２のバイモルフ型圧電振動子４の振動の腹の近傍において、上述の第１の音響経路Ｓ１を構成する。第１の音響経路Ｓ１は、上述のとおり、第１のバイモルフ型圧電振動子３、または、第２のバイモルフ型圧電振動子４から放出された超音波を圧縮し、超音波発生素子１の主面に沿った方向に超音波が伝搬するのに寄与する。
【００６７】
以上説明したように、たとえば超音波トランスデューサ１００Ａは、第１のバイモルフ型圧電振動子３および第２のバイモルフ型圧電振動子４の２つの圧電振動子を含む。２つの圧電振動子に対応する引出電極（６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ）によって、超音波トランスデューサ１００Ａは、受信した超音波信号をに対応する電気信号を、差動信号として出力することができる。逆に、超音波トランスデューサ１００Ａは、差動信号として入力された電気信号に対応する超音波信号を送信することもできる。したがって、超音波トランスデューサ１００Ａは、図１に示す超音波トランスデューサ１００のような、電気信号を差動信号として出力する超音波トランスデューサとして好適に用いられる。
【００６８】
今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明でなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００６９】
１  超音波発生素子、２  枠体、２ａ  貫通孔、３  第１のバイモルフ型圧電振動子、３ａ，４ａ  圧電セラミックス、３ｂ，４ｂ  内部電極、３ｃ，３ｄ，４ｃ，４ｄ  外部電極、４  第２のバイモルフ型圧電振動子、５ａ，５ｂ  接着剤、６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ  引出電極、７  基板、８  蓋部材、８ａ  開口、８ｂ  音響放出口、９  導電性接着剤、１０  超音波装置、２０  被検出物、１００，１００Ａ  超音波トランスデューサ、２００  切替回路、３１０，３２０，３３０，３５０，３６０，３７０，４１０，４２０，４３０，４５０，５１０，５２０，５３０  端子、４００  増幅段、６００  Ａ／Ｄ変換器、７００  制御部、８００  信号発生回路、Ｃ１〜Ｃ３  キャパシタ、Ｒ１〜Ｒ１０  抵抗、Ｓ１  第１の音響経路、Ｓ２  第２の音響経路、Ｕ１〜Ｕ３  オペアンプ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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