(57)【要約】  超音波ビーム形成装置は、不透明材料で形成されたプレート状のビーム形成エレメントを含む。ビーム形成エレメントは、ビーム形成エレメントの対面部として形成された、共通軸を備える第１および第２の円錐面を有する。円筒形の開口は、ビーム形成エレメント内に、第１および第２の円錐面の共通軸に沿って形成され、円筒形の開口がさらに、円錐面と同軸であり、円錐面を通過する。このように、ビーム形成エレメントは、各円錐面に円形開口を有する。
2008530559.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）不透明材料で形成されたプレート状のビーム形成エレメントであって、前記ビーム形成エレメントの対面部として形成され、第１および第２の軸が同軸である前記第１および第２の軸をそれぞれ有する、第１および第２の円錐面を有するビーム形成エレメントと、
ｂ）前記第１および第２の円錐面の同軸の軸に沿って形成された、前記ビーム形成エレメントの円筒形の開口であって、前記円錐面の第１および第２の同軸の軸と同軸である中心軸を有し、前記第１および第２の円錐面と交差して、前記第１の円錐面の前記開口の第１の円形開口端および前記第２の円錐面の前記円筒形の開口の第２の円形開口端を形成する円筒形の開口と、
を含む超音波ビーム形成装置。
【請求項２】
超音波トランスミッタのための取付プレートと、前記ビーム形成エレメントと取付プレートとの間の距離を調節するための手段とをさらに含む、請求項１記載の超音波ビーム形成装置。
【請求項３】
前記ビーム形成エレメントと前記取付プレートとの間の距離を調節するための前記手段が、前記ビーム形成エレメントおよび前記取付プレートを接続するスペーサ脚を含み、前記取付プレートに対する前記ビーム形成エレメントの調整可能な動きを可能にする、請求項２記載の超音波ビーム形成装置。
【請求項４】
前記ビーム形成エレメントが、前記円筒形の開口の中心軸に対して、第１および第２の円錐面を越えて半径方向に延びる環状の周辺リムを含み、前記ビーム形成エレメントと前記取付プレートとの間の距離を調節するための前記手段が、前記環状の周辺リム上に、前記ビーム形成エレメントおよび前記取付プレートを接続するスペーサ脚を含み、前記取付プレートに対する前記ビーム形成エレメントの調整可能な動きを可能にする、請求項２記載の超音波ビーム形成装置。
【請求項５】
前記ビーム形成エレメントが、前記円筒形の開口の中心軸に対して、第１および第２の円錐面を越えて半径方向に延びる環状の周辺リムを含む、請求項１記載の超音波ビーム形成装置。
【請求項６】
ａ）不透明材料で形成されたプレート状のビーム形成エレメントであって、前記ビーム形成エレメントの対向面として形成され、同軸であるそれぞれの軸を有する第１および第２の円錐面を有し、かつ、円筒形の開口が、前記ビーム形成エレメント内に、前記第１および第２の円錐面の同軸の軸に沿って形成され、前記第１および第２の円錐面を通して延び、前記第１および第２の円錐面の軸と同軸である中心軸を有するビーム形成エレメントと、
ｂ）前記円筒形の開口の直径よりも直径の大きさが大きいビーム出射開口を含む、超音波トランスデューサのための取付プレートと、
ｃ）前記取付プレートおよび前記ビーム形成エレメントに接続されて、前記取付プレートと前記ビーム形成エレメントの円筒形の開口との間の所定の距離を維持し、前記ビーム出射開口と前記円筒形の開口との間の位置合わせを維持し、超音波トランスデューサによるビーム出射がビーム出射開口を通過することができ、ビーム出射開口を通過するビームの所定の部分が前記ビーム形成エレメントの円筒形の開口を通過するスペーサ手段と、
を含む、超音波ビーム形成装置。
【請求項７】
超音波トランスミッタのための取付プレートと、前記ビーム形成エレメントと取付プレートとの間の距離を調節するための手段とをさらに含む、請求項６記載の超音波ビーム形成装置。
【請求項８】
前記ビーム形成エレメントと前記取付プレートとの間の距離を調節するための前記手段が、前記ビーム形成エレメントおよび前記取付プレートを接続するスペーサ脚を含み、前記取付プレートに対する前記ビーム形成エレメントの調整可能な動きを可能にする、請求項７記載の超音波ビーム形成装置。
【請求項９】
前記ビーム形成エレメントが、前記円筒形の開口の中心軸に対して、第１および第２の円錐面を越えて半径方向に延びる環状の周辺リムを含み、前記ビーム形成エレメントと前記取付プレートとの間の距離を調節するための前記手段が、前記環状の周辺リム上に、前記ビーム形成エレメントおよび前記取付プレートを接続するスペーサ脚を含み、前記取付プレートに対する前記ビーム形成エレメントの調整可能な動きを可能にする、請求項８記載の超音波ビーム形成装置。
【請求項１０】
前記ビーム形成エレメントが、前記円筒形の開口の中心軸に対して、第１および第２の円錐面を越えて半径方向に延びる環状の周辺リムを含む、請求項６記載の超音波ビーム形成装置。
【請求項１１】
取付部材内部の定位置に超音波トランスデューサを保持するために、超音波トランスデューサを受けるためのレシービングボアを備える取付部材と、取付プレートに取付部材を接続するための接続手段とをさらに含む、請求項６記載の超音波ビーム形成装置。
【請求項１２】
ａ）不透明材料で形成されたプレート状のビーム形成エレメントであって、第１および第２の軸をそれぞれ有する、それぞれ円錐面状の第１および第２の対面部を有し、前記第１の円錐面が、前記第１の軸に向かって、前記第２の円錐面から離れた方向に集束し、前記第２の円錐面が、前記第２の軸に向かって、前記第１の円錐面から離れた方向に集束し、前記第１および第２の円錐面が、それぞれの第１および第２の各軸の周囲３６０°に延びるビーム形成エレメントと、
ｂ）前記ビーム形成エレメントを通して延び、前記第１の円錐面に第１の開口端を形成し、前記第２の円錐面に第２の開口端を形成する開口と、
ｃ）前記ビーム形成エレメントを、超音波ビームを出射する超音波トランスデューサと位置合わせして取り付けるための取付手段を含む前記ビーム形成エレメントであって、
（ｉ）超音波トランスデューサにより出射された超音波ビームの一部が、前記開口を通して、トランスデューサから離れた第１の方向に通過し、前記超音波トランスデューサビームの反射により、前記超音波トランスデューサに向かって戻ることを可能にし、
（ｉｉ）反射ビームの一部が、前記開口を通して第１の方向の反対である第２の方向に通過し、前記超音波トランスデューサに戻ることを可能にするビーム形成エレメントと、
ｄ）前記第１の円錐面に反射した超音波ビームの一部が、開口の第１の開口端の周辺から離れて半径方向に反射することを可能にするように選択されている、前記第１の円錐面の第１の円錐角と、前記第２の円錐面に反射した超音波ビームの一部が、前記開口の第２の開口端の周辺から離れて反射することを可能にするように選択されている、前記第２の円錐面の第２の円錐角と、
を含む、超音波ビーム形成装置。
【請求項１３】
超音波トランスミッタのための取付プレートと、前記ビーム形成エレメントと取付プレートとの間の距離を調節するための手段とをさらに含む、請求項１２記載の超音波ビーム形成装置。
【請求項１４】
前記ビーム形成エレメントと前記取付プレートとの間の距離を調節するための前記手段が、前記ビーム形成エレメントおよび前記取付プレートを接続するスペーサ脚を含み、前記取付プレートに対する前記ビーム形成エレメントの調整可能な動きを可能にする、請求項１３記載の超音波ビーム形成装置。
【請求項１５】
前記ビーム形成エレメントが、前記円筒形の開口の中心軸に対して、第１および第２の円錐面を越えて半径方向に延びる環状の周辺リムを含み、前記ビーム形成エレメントと前記取付プレートとの間の距離を調節するための前記手段が、前記環状の周辺リム上に、前記ビーム形成エレメントおよび前記取付プレートを接続するスペーサ脚を含み、前記取付プレートに対する前記ビーム形成エレメントの調整可能な動きを可能にする、請求項１３記載の超音波ビーム形成装置。
【請求項１６】
前記開口が、中心軸を有する円筒形の開口であり、前記ビーム形成エレメントが、前記円筒形の開口の中心軸に対して、第１および第２の円錐面を越えて半径方向に延びる環状の周辺リムを含む、請求項１２記載の超音波ビーム形成装置。
【請求項１７】
取付部材内部の定位置に超音波トランスデューサを保持するために、超音波トランスデューサを受けるためのレシービングボアを備える取付部材をさらに含み、取付部材に取付プレートを接続するための接続手段を含む、請求項１２記載のビーム形成装置。
【請求項１８】
超音波液面感知の間、対象物からの超音波の反射およびエコーを減少させる方法であって、
ａ）超音波トランスデューサのためのビーム出射開口を備えた支持ベースを備え、支持ベースの一方の側に、ビーム出射開口と位置合わせして超音波トランスデューサを支持し、超音波トランスデューサから出射されたビームが、支持ベースのビーム出射開口を通過することと、
ｂ）支持ベースのビーム出射開口を、実質的にトランスデューサビーム全体がビーム出射開口を通過できるようにするために十分な大きさにすることと、
ｃ）不透明なビーム形成エレメントを、支持ベースの他方の側から離して支持することと、
ｄ）ビーム形成エレメントの円筒形の開口を、支持ベースのビーム出射開口よりも小さくし、円筒形の開口をビーム出射開口と位置合わせして、ビーム出射開口と円筒形の開口との間のサイズの差異により、ビーム形成エレメントの円筒形の開口を通して、超音波トランスデューサからの超音波ビームの一部のみを対象物に向かわせることを可能にすることと、
ｅ）円筒形の開口が円錐面を通過するようにベースとベースを合わせて置かれた２つの円錐面を備えるビーム形成エレメントを形成し、円筒形の開口の軸および各円錐面の軸が同軸であり、円筒形の開口の縁を越えるが円筒形の開口を通過しない、超音波トランスデューサからの超音波ビームの一部が、反射のための円錐面のうちの一方の面に対して、超音波トランスデューサから離れ、目的の対象物から離れた方向に向けられ、円筒形の開口の縁を越えるが目的の対象物から円筒形の開口を通過せず、他方の円錐面に対して向けられる、目的の対象物から反射された超音波ビームの任意の部分が、前記他方の円錐面から、超音波トランスデューサから離れ、目的の対象物から離れた方向に反射されることと、
を含む方法。
【請求項１９】
ビーム形成エレメントと支持ベースとの間の距離を、第１の選択可能な距離に調節して、超音波トランスデューサから円筒形の開口を通過する超音波ビームの第１の所定の強度を得ることを含む、請求項１８記載の方法。
【請求項２０】
ビーム形成エレメントと目的の対象物との間の距離を、第２の選択可能な距離に調節して、目的の対象物から円筒形の開口を通過する、反射された超音波ビームの第２の所定の強度を得ることを含む、請求項１８記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の分野
本発明は、超音波液面感知システムに関し、より詳細には、対象物に向かって出射されるトランスデューサビームの形状を調整し、対象物から反射された後、トランスデューサにより受けられる戻り光の形状を調整し、出射されて反射されたトランスデューサビームの、無関係で使用不能な部分を、トランスデューサおよび対象物からそらす超音波ビーム形成装置に関する。
【０００２】
発明の背景
サンプル管ラックに入れられたサンプル管を用いる既知の自動化されたサンプル分析システムのひとつでは、蓋をされているか又はされていない、異なるサイズおよび形状の複数の容器またはサンプル管を、サンプル管ラックに保持することができる。サンプル管ラックは、選択された自動処理動作のためのサンプル分析システム内のひとつの位置から他へ自動的に移送される。
【０００３】
Purpuraらの米国特許第6,227,053号に開示されているとおり、サンプル管ラックに入れたサンプル管の自動処理は、サンプル管の超音波プロファイルを開発することにより容易になる。超音波液面センサは、サンプル管ラックに入れられたサンプル管のタイプに関するデータを供給して、サンプル管が蓋をされているか又はされていないかを示し、さらにサンプル管が蓋をされていない場合には、サンプル管内の液面に関するデータを供給する。
【０００４】
超音波センサは、トランスミッタおよびレシーバとして動作可能なトランスデューサを含む。たとえば、トランスデューサは、対象物に向かって空中に送信される超音波バーストを出射することができる。超音波バーストが対象物に当たると、超音波の一部がトランスデューサに向かって反射して戻る。反射波はエコーまたはビームとして特徴付けられ、反射波は１つ以上のエコーを作り出すことができる。
【０００５】
トランスデューサは、反射波またはエコーを検出するとき、レシーバとして機能する。超音波バーストの出射とエコーの検出との間の時間経過により、トランスデューサが対象物とする容器のタイプを判断するためのデータが供給される。
【０００６】
超音波バーストが拡散して、その走行路に沿って、円錐形の波として伝播することは公知である。円錐形の波の拡散した拡がりは、特定の対象物である容器の周辺端を越えて比較的遠くまで延び、たとえば図１０に示すように、エコーが、比較的不明瞭な容器のプロファイルの画像を作り出すことができる。円錐幅がより狭い超音波ビームは、たとえば図１１および１２に示すように、解像度がより高いプロファイリング、およびより明瞭な容器のプロファイルの画像を提供するエコーを作り出す。
【０００７】
狭い円錐幅を有する超音波ビーム送信を作り出すために、通常は、狭い円錐形のビーム出射に対応する形状およびサイズを有する超音波水晶を備える必要がある。
【０００８】
しかし、一般的に、狭い円錐形のビーム出射パターンを有する超音波ビーム送信は、減少した出射エネルギおよび減少した感知範囲を有し、このことは超音波感知システムの解像能力に不利に影響する可能性がある。
【０００９】
したがって、円錐幅が比較的広いビームを標準的に作り出す超音波トランスデューサを備えた、対象物を高解像度でプロファイリングするためのシステムおよび方法を備えることが望ましい。さらに、超音波ビームの出射エネルギを減少させることなく、かつ出射されて反射されたビームの無関係で使用不能な部分が液面感知システムとの干渉を引き起こすことなく、超音波トランスデューサにより出射された超音波ビームを再形成するためのシステムおよび方法を備えることが望ましい。
【００１０】
発明の概要
本発明の複数の目的の中で、超音波液面感知システムのための新規なビーム形成装置と、超音波ビームの出射エネルギを減少させることなくビームの円錐幅を減少させる超音波液面感知システムのための新規なビーム形成エレメントと、目的とする対象物および超音波トランスデューサからの出射エネルギビームの外部の無関係な部分をそらすと同時に、出射ビームの中央部分を使用する超音波液面感知システムのための新規なビーム形成装置と、超音波トランスデューサからの反射波の外部の無関係な部分をそらすと同時に、反射波の中央部分を使用する超音波液面感知システムのための新規なビーム形成装置と、超音波液面感知の間、対象物の表面からの超音波の反射およびエコーを減少させる新規な方法とを提供することが述べられる。その他の目的および特徴は、一部は明らかであり、一部は本明細書にて指摘されている。
【００１１】
詳細な説明
図面を参照すると、図１は、取付プレート１８を保持する取付ハブまたは取付部材１４に支持されたトランスデューサモジュール１２を含む、超音波液面感知システム１０の一部の簡略化された概略図を示す。本明細書で用いられる用語“トランスデューサ”および“トランスデューサモジュール”は、別途表示されている場合を除き、入れ換え可能に用いられる。ビーム形成装置は、本発明のひとつの実施形態を組み込み、取付プレート１８の下に、一組の同一のスペーサ脚２６、２８および３０により間隔があけられたビーム形成エレメント２０を含む。
【００１２】
ビーム形成エレメントは、任意の適切な不透明材料、たとえば黒アルマイトで形成することができる。さらに、アルミニウムを用いて、取付部材１４、取付プレート１８およびスペーサ脚２６、２８および３０を形成することができる。
【００１３】
超音波液面感知システム１０は、任意の適切な既知の支持構成（図示せず）により、搬送システム３６上の定位置に保持される。搬送システム３６は搬送ベルト３８を含み、搬送ベルト３８は、水平方向に、たとえば方向４０（図１）に移動して、処理ステーション（図示せず）に、異なるサイズにすることができるサンプル管、たとえば４６および４８（図２）を含むサンプル管ラック４４を移送する。サンプル管４６および４８は、蓋をされていてもよく、またはされていなくてもよい。より小さなサイズのサンプル管、たとえばサンプル管４６はまた、サンプル管ラック４４で保持されるアダプタ５０で支持されることができる。
【００１４】
好ましくは、ビーム形成エレメント２０は、目的とする対象物、たとえばサンプル管４６および４８（図２）にできる限り接近させるべきであるが、目的とする対象物との干渉は避けるべきである。トランスデューサ１２が目的とする対象物に接近するほど、対象物のプロファイル画像の解像度が高くなる。
【００１５】
サンプル管４６および４８は異なる高さを有するため、システム１０はサンプル管４６および４８に対して支持され、ビーム形成エレメント２０がもっとも高さのあるサンプル管４６の上に接近して位置付けられることを可能にする。たとえば、ビーム形成エレメント２０と、サンプル管４６（図２）の上部との間の、接近しながらも実現可能な距離を、およそ１／８インチにすることができる。
【００１６】
図３〜５を参照すると、トランスデューサモジュール１２は、任意の適切な公知の構成、たとえばニューヨーク州HauppaugeのCosense社製の、パーツ番号１２３−１０００５である。トランスデューサモジュール１２は、トランスデューサ１２を動作させるための、任意の適切な公知の信号処理およびデータ取得電子システム（図示せず）に接続する、同軸コネクタ５４を含む。トランスデューサモジュール１２はまた、ビーム出射端５８を有する円筒形の脚部５６（図５）を含み、ビーム出射端を通してトランスデューサビームが出射される。
【００１７】
図４および５にもっとも明確に示されるとおり、取付ハブ１４は、球状の本体部６８、環状ネック部７４、およびトランスデューサモジュール１２の円筒形の脚５６を受けるために、環状ネック部７４および球状体６８を通じて延びるレシービングボア（receiving bore）７６（図５）を有する。レシービングボア７６は、たとえば、およそ８．２ｍｍの内径を有することができる。
【００１８】
取付プレート１８の上側から突出しているねじ切りされたカラー８０との係合のために、球状の本体部６８（図５）のレシービングボア７６の低いほうの端に、ねじ切りされたカウンタボア（counterbore）７８（図４）が形成される。ねじ切りされたカラーは、およそ８．５ｍｍの内径を有することができる。
【００１９】
球状の本体部６８のレシービングボア７６（図４）は、ボア７６の表面に形成された環状溝内に据え付けられた一対の“Ｏ”リング７０および７２を含む。ボア７６および、“Ｏ”リング７０および７２の内径は、レシービングボア７６内部のトランスデューサの脚５６を、手動でスライド自在に調整できるように移動させることを可能にするサイズにされる。
【００２０】
レシービングボア７６内部でのトランスデューサの脚５６の動きをさらに容易にするために、取付ハブ１４の環状ネック部７４が、円筒形のネック部７４の上端９４から、球状の本体６８内部の途中まで延びる垂直スロット８２、８４、８６および８８（図５）とともに形成される。いったんトランスデューサ１２が取付ハブ１４内部の選択された位置に配置されると、円筒形のネック部７４の周囲に任意の適切な公知のクランプ（図示せず）を配置して、ネック部７４をトランスデューサ１２に対して固定させることができ、これによりトランスデューサ１２を、取付ハブ１４に対して定位置に固定させる。
【００２１】
円筒形のネック部７４上には、平坦部９６および９８（図３および５）が、ネック端９４の垂直スロット８４および８８と横並びに形成され、トランスデューサの脚５６が取付ハブ１４の奥まったところに置かれたときに、同軸コネクタ５４の同軸ケーブル締付ナット１０４（図３）のための任意の必要とされる隙間を提供する。トランスデューサの脚５６が取付ハブ１４の奥まったところに置かれている間、ビーム出射端５８（図４）は、好ましくは、取付プレート１８の拡散ビーム出射口１０８の上部１０６（図４）に近接して位置付けられる。たとえば、ビーム出射口１０８の対向する両側面間の角度はおよそ３０°にすることができ、およそ４．７ｍｍの軸方向長さを有することができる。
【００２２】
ビーム形成エレメント２０（図４）は、共通軸１１６と、トランスデューサ１２のビーム角に基づく円錐角とを有する、対称的な同軸の直円錐状の上下面１１２および１１４を含むプレート状である。たとえば、円錐面１１２または１１４と水平面との間で測定された２５°の円錐角により、トランスデューサ１２がビームの対向面間で測定されたおよそ４°のビーム角を有するという、満足な結果が提供されることがわかっている。
【００２３】
ビーム形成エレメント２０は、円錐面１１２および１１４の端で、環状の周辺リム１１８により縁どられる。中央の円筒形の開口１２０は、トランスデューサ１２内の超音波水晶の直径に依存する直径を有する。たとえば、直径３〜７ｍｍの開口１２０は、超音波水晶の直径およそ５ｍｍに適切に対応する。開口１２０は、円錐面１１２および１１４の軸１１６に沿って延び、軸１１６はまた円筒形の開口１２０の中央軸になる。軸１１６はまた、超音波トランスデューサ１２の中心線と同軸である。円筒形の開口１２０は、第１および第２の円錐面１１２、１１４それぞれに、第１および第２の開口端１２２および１２４（図４）を含む。
【００２４】
円錐面１１２および１１４は、たとえば周辺リム１１８までの直径およそ１６ｍｍを有することができ、周辺リム１１８の外径を、たとえばおよそ２７ｍｍにすることができる。周辺リムの厚さは、たとえばおよそ３．５ｍｍにすることができる。
【００２５】
図５を参照すると、スペーサ脚２６、２８および３０は、たとえば長さをおよそ３／４インチにし、反対側の端部１２６および１２８を有することができる。端部１２６は、取付プレート１８に等間隔に置かれた３つの開口１３０に、たとえば接着するかまたはステーキングするかして固定される。スペーサ脚の端部１２８は、ビーム形成エレメント２０の環状リム１１８に等間隔に置かれた３つの開口１３２に、それぞれ位置付けられる。
【００２６】
リム１１８の周辺側縁１３４（図３および５）は、図４に示された方法で、各スペーサ脚開口１３２と交差するようにそれぞれ配設された、３つのねじ切りされた開口１３６を備える。ねじ切りされた開口１３６それぞれには止めねじ１３８が備えられ、各スペーサ脚２６、２８および３０にビーム形成エレメント２０を固定させる。
【００２７】
ビーム形成エレメント２０と取付プレート１８との間の選択された距離は、止めねじ１３８をゆるめることと、スペーサ脚２６、２８および３０に沿ってビーム形成エレメントを動かすことと、そしてビーム形成エレメント２０と取付プレート１８との間の所望の間隔で止めねじ１３８を締めることとにより得ることができる。
【００２８】
この構成では、ビーム形成エレメント２０とトランスデューサモジュール１２との間の距離を調節するための手段は、取付プレート１８およびスペーサ脚２６、２８および３０を含む。拡散ビーム出射開口１０８の上部１０６と、周辺リム１１８の底との間の距離は、たとえばおよそ２２．５ｍｍにすることができる。
【００２９】
超音波液面感知または超音波プロファイリングの間、トランスデューサモジュール１２（図６）は、トランスデューサ１２の下で、搬送ベルト３８の方向４０（図１）に対応する水平方向に移動する対象物１５２に向けて、超音波エネルギのバースト１５０を出射する。超音波バースト１５０が対象物１５２に到達すると、対象物の形状に依存して、超音波バースト１５０のエネルギの一部は、反射ビーム１５４（図７）として、トランスデューサ１２に向かってエコーのように反射して戻る。エネルギバースト１５０と、反射ビーム１５４からの感知されたエコーとの間の経過時間は、トランスデューサ１２からの対象物１５２の距離“ｄＴ”（図６）に正比例する。
【００３０】
図８を参照すると、連続する５つの対象物１〜５は、サンプル管ラック、たとえば図１のラック４４に保持されたサンプル管に対応する。対象物１、２、３、４および５が、トランスデューサ１２の下で、一定の速度でスキャン方向１５６に移動する間、繰り返される超音波エネルギのバースト、たとえばバースト１５０は、トランスデューサ１２により一定の時間間隔で出射される。
【００３１】
図９を参照すると、反射ビーム、たとえば図７のビーム１５４からの各エコーごとの、経過時間（Ｔ）に対してトランスデューサ１２から対象物までの測定された距離（ｄＴ）が、繰り返される超音波エネルギのバーストが出射されている間の、選択された一定の時間間隔に対応した増分でグラフ化されている。対象物のプロファイルの実際の幅は、図９に点線のアウトラインで示されるのに対し、超音波測定された対象物のプロファイルは、図９に実線のアウトラインで示される。このように、対象物１、２、３、４および５の連続的なアウトラインが生成される。図7に示すように、超音波バースト１５０の円錐形が広がり、かつ、反射ビーム１５４の幅が広がるのために、超音波測定された対象物のプロファイルは、対象物の構造の実際の幅よりも幅広いように見える可能性がある。
【００３２】
図１０を参照すると、超音波トランスデューサ１２は、プロファイリング動作中に、対象物１、２、３、４および５のうちの１つ以上にかかる、比較的広い円錐幅を有する超音波バースト１６０を出射するように構成される。図１０の下部に示された点線のアウトライン１ａ、２ａ、３ａ、４ａおよび５ａが対象物１〜５の実際の対象物プロファイルに対応するのに対し、実線のアウトライン、たとえば１６２および１６４は、対象物１〜５の測定されたプロファイルに対応することが示されている。しかし、超音波バースト１６０の比較的広い円錐幅と、図７に参照番号１５４で示されたタイプの、対応する広範囲の反射エネルギビームとのために、対象物１、２、３、４および５の超音波プロファイリングの解像度が低くなり、このことが個々の対象物１、２、３、４および５の間の超音波による識別を困難にする。
【００３３】
図１１を参照すると、超音波トランスデューサ１２Ａは、図１０の超音波バースト１６０と比較して、比較的中程度の円錐幅を有する超音波バースト１７０を出射するように構成される。超音波バースト１７０は、対象物１〜５のビームエコープロファイルを作り出す。実線のアウトライン１７１、１７２、１７３、１７４および１７５で示される、超音波により測定された対象物のプロファイルは、１ａ、２ａ、３ａ、４ａおよび５ａで点線のアウトラインで示される対象物のプロファイルの実際の幅をわずかに超えて延びる。
【００３４】
図１２を参照すると、超音波トランスデューサ１２Ｂは、図１１の超音波バースト１７０と比較して、比較的狭い円錐幅を有する超音波バースト１８０を出射するように構成される。超音波バースト１８０は、その下の対象物１〜５のビームエコープロファイルを作り出す。実線のアウトライン１８１、１８２、１８３、１８４および１８５で示される、超音波により測定された対象物のプロファイルは、１ａ、２ａ、３ａ、４ａおよび５ａで点線のアウトラインで示される、実際の対象物のプロファイルとぴったりと一致する。このように、狭い円錐幅の超音波バースト１８０は、対象物１〜５の物理的なサイズでのより高い解像度をもたらす。比較的狭い円錐幅のトランスデューサビーム、たとえばビーム１８０は、比較的広い円錐幅のトランスデューサビーム、たとえばビーム１６０よりも高い解像度をもたらすため、通常は、比較的狭い円錐幅のトランスデューサビームを作り出すことが可能である超音波水晶を有するトランスデューサを選択することが好ましい。
【００３５】
一般的に、超音波水晶は、水晶のサイズに対応するレベルで出射エネルギを作り出す。比較的小さな超音波水晶は、比較的大きい超音波水晶よりも比較的低い出射エネルギを作り出し、比較的低い感知範囲を有する。しかし、比較的低い感知範囲では、離隔した対象物の高解像度の超音波プロファイルを得ることが困難になる可能性がある。
【００３６】
往々にして、所望の感知範囲に到達するためには、比較的高いレベルでエネルギを出射する水晶を有するトランスデューサを使う必要がある。しかし、比較的高いレベルの出射エネルギは、通常、比較的広い円錐幅の超音波バーストを出射するトランスデューサから発される。したがって、高解像度の必要性と、それに対する高い感知領域との間では、妥協が必要である。
【００３７】
図１３Aを参照すると、超音波トランスデューサモジュール１２は、対象物１９２に当たる、比較的広い円錐幅の出射エネルギバースト１９０を作り出す。図１３Ｂを参照すると、ビーム形成エレメント２０は、トランスデューサモジュール１２の下の所定の距離ｄＡと、対象物１９２からの所定の距離ｄＴとを位置付ける。ビーム形成エレメント２０は比較的広いトランスデューサビーム１９０の出射エネルギを再形成し、トランスデューサビーム１９０の中央部１９４のみが、ビーム形成エレメント２０の中央の円筒形の開口１２０（図４）を通過することを可能にするようにされる。
【００３８】
ビーム形成エレメント２０の中央開口１２０（図４）を半径方向に越える出射トランスデューサビーム１９０の一部は、ビーム形成エレメント２０により遮られ、ビーム形成エレメント２０の円錐上面１１２（図４）に反射する。遮られて反射された光線はまた、トランスデューサビームの無関係で使用不能な部分と見なされ、図１３Ｂに参照番号１９６および１９８で概略的に示される。このように、トランスデューサビーム１９０の遮られて反射された部分１９６および１９８は、円錐面１１２の選択された円錐角にもとづいて、トランスデューサモジュール１２から離れてそらされる。中央ビーム部１９４は、比較的広いトランスデューサビーム１９０と同程度の高いレベルの出射エネルギを有する。中央ビーム部１９４はさらに、通常、比較的低い出射エネルギの比較的狭い円錐幅のトランスデューサビームと関連する高解像度特性を提供する。
【００３９】
図１４Ａを参照すると、図１３Ａの超音波バースト１９０により作り出される反射ビーム２００は、対象物１９２から反射される。反射ビーム２００は、参照番号２０２（図１４Ａ）で示すように、比較的広い円錐幅を有する。円錐幅２０２は、対象物１９２の物理的な端をはるかに越えて広がることができ、結果として、図１０の超音波イメージ１６２および１６４に概略的に示すとおり、対象物１９２が低解像度になる。
【００４０】
図１３Ｂおよび１４Ｂを参照すると、図１３Ｂの送信された中央ビーム部１９４は、対象物１９２から上方に向けられて、トランスデューサ１２に向かう反射ビーム２０４（図１４Ｂ）として対象物１９２から反射される。ビーム形成エレメント２０はさらに、反射ビーム２０４を再形成し、反射ビーム２０４のビーム部２０６のみが、ビーム形成エレメント２０の中央開口１２０（図４）を通過するようにされる。したがって、中央ビーム部２０６のみがトランスデューサ１２に戻る。
【００４１】
ビーム形成エレメント２０の中央開口１２０（図４）を半径方向に越えた反射ビーム２０４の部分は、ビーム形成エレメント２０の円錐下面１１４（図４）により遮られ、図１４Ｂに参照番号２０８および２１０で概略的に示すように、円錐下面１１４に反射する。
【００４２】
このように、使用不能で無関係な部分２０８および２１０は、円錐面１１４の選択された円錐角にもとづいて、トランスデューサモジュール１２から離れてそらされる。
【００４３】
トランスデューサ１２に戻り反射される中央ビーム部２０６は、図１３Ａおよび１３Ｂの比較的広い円錐幅のトランスデューサビーム１９０と略同程度の高いレベルの出射エネルギを有する。高エネルギの中央ビーム部２０６はさらに、通常、比較的狭い円錐幅の比較的低い出射エネルギのビーム、たとえば図１２のビーム１８０と関連する高解像度特性を提供する。
【００４４】
要約すると、ビーム形成エレメント２０は、送信された高エネルギビーム１９０（図１３Ｂ）を再形成する。ビーム形成エレメント２０は、高エネルギビーム１９０から、比較的狭い幅の高エネルギの中央ビーム部１９４を形成する。高エネルギ反射ビーム２０４として対象物１９２から反射された高エネルギの中央ビーム１９４はさらに、ビーム形成エレメント２０により再形成されて、高エネルギの中央ビーム部２０６を形成する。中央ビーム部２０６のみが、トランスデューサ１２に戻る。
【００４５】
このように、ビーム形成エレメント２０の中央開口１２０を通過できない、反射およびエコーの使用不能で無関係な外部セクション、たとえば光線１９６および１９８（図１３Ｂ）ならびに光線２０８および２１０（図１４Ｂ）は、トランスデューサ１２の受信部からそらされる。その結果、ビーム形成エレメント２０により、液面感知システムが高エネルギのトランスデューサビームを用いて、トランスデューサ１２の下を通過するサンプル管、たとえば図８〜１２の対象物１〜５の、高い解像度で、広い感知範囲の特徴的なプロファイリングを提供することを可能にする。
【００４６】
上記を考慮して、本発明の複数の目的が達成され、その他の有利な結果が実現されたことが理解されよう。本発明の範囲から逸脱することなく、上述の構成および方法にさまざまな改変を加えることができるため、上述の明細書に含まれるか、または添付の図面に示されるすべての事項は、説明のためのものであり、限定するという意味ではないと解釈されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】サンプル管ラックの移動シーケンス上に位置付けられた、本発明のひとつの実施形態を組み込んだ超音波液面感知システムの、簡略化された概略図である。
【図２】部分的に断面図で示された、本発明の拡大部分断面図である。
【図３】本発明の超音波トランスデューサおよびビーム形成装置のための取り付けシステムを含む斜視図である。
【図４】図３の４−４線断面図である。
【図５】本発明の分解図である。
【図６】ビーム形成装置を除く超音波液面感知システムの、簡略化された概略図である。
【図７】ビーム形成装置を除く超音波液面感知システムの、簡略化された概略図である。
【図８】異なるサイズの対象物を測定するために用いられる、ビーム形成装置を除く超音波液面感知システムの、簡略化された図である。
【図９】図８の超音波液面感知システムにより提供された対象物プロファイルの、簡略化された概略図である。
【図１０】異なる円錐幅のトランスデューサビームおよび異なる円錐幅のビームにより作り出された対応する対象物プロファイルによる、超音波液面感知システムの簡略化された概略図である。
【図１１】異なる円錐幅のトランスデューサビームおよび異なる円錐幅のビームにより作り出された対応する対象物プロファイルによる、超音波液面感知システムの簡略化された概略図である。
【図１２】異なる円錐幅のトランスデューサビームおよび異なる円錐幅のビームにより作り出された対応する対象物プロファイルによる、超音波液面感知システムの簡略化された概略図である。
【図１３】図１３Ａは、広い円錐幅のトランスデューサビームを出射する超音波液面感知システムの簡略化された概略図であり、図１３Ｂは、広い円錐幅の出射トランスデューサビームが、本発明のビーム形成装置により再形成されて、狭い円錐幅の出射トランスデューサビームを形成する、図１３Ａに類似した図である。
【図１４】図１４Ａは、対象物から反射された、広い円錐幅のトランスデューサビームを示す、図１３Ａに類似した図であり、図１４Ｂは、本発明のビーム形成装置に向かって、およびトランスデューサに向かって対象物から反射して戻った、再形成されたビームを示す、図１３Ｂと類似した図である。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際調査報告】
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