(57)【要約】  材料検出のための１Ｄ超音波変換器ユニット（１０）であって、表面での固定のための固定手段を有するハウジング（１４）と、少なくとも３つの離散した超音波変換器（１２）とを含み、超音波変換器は、２０ｋＨｚ〜４００ｋＨｚの間の一致する動作周波数を有する音波を気体状の媒質へ分離するように設計されている。１Ｄ超音波変換器ユニットはさらに、制御ユニットを含み、この制御ユニットは、各超音波変換器（１２）を個別に駆動制御するように設計されている。ここで、互いに直接的に隣接する２つの超音波変換器（１２）は、それぞれ間隔（Ａ１）を有しており、１Ｄ超音波変換器ユニット（１０）は、超音波変換器（１２）毎に１つの音響チャネル（２２）を有しており、この音響チャネル（２２）は、それぞれ厳密に１つの超音波変換器に割り当てられている入口開口部（２４）と出口開口部（２６）とを有しており、出口開口部（２６）は、直線に沿って配置されており、直接的に隣接している出口開口部（２６）の間隔（Ａ２）は、最大で、気体状の媒質における全波長又は半波長に相当し、対応する間隔（Ａ１）よりも短く、入口開口部（２４）の面積に対する出口開口部（２６）の面積の比は、０．３０〜１．２の間にあり、各音響チャネル（２２）は少なくとも、入口開口部（２４）の直径に相当する長さを有している。
2021532692.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハウジング（１４）と、少なくとも３つの超音波変換器（１２）と、制御ユニットとを含む、材料検出のための１Ｄ超音波変換器ユニット（１０）であって、
・前記制御ユニットは、各超音波変換器（１２）を個別に駆動制御するように設計されており、
・前記ハウジング（１４）は、表面での固定のための固定手段（１１）を有しており、
・前記制御ユニットは、少なくとも部分的に前記ハウジング（１４）内に配置されており、
・前記ハウジングは、通信インタフェースを有しており、
・各超音波変換器（１２）はそれぞれ、変換器ハウジング（１８）と、前記変換器ハウジング（１８）内に配置されている圧電体と、気体状の媒質への分離のために前記変換器ハウジング（１８）の開放端部に配置されている音響分離層（２０）とを有しており、かつ、前記ハウジング（１４）内の固定の位置に配置されており、
・各超音波変換器（１２）は、一致する動作周波数を有する音波を放射し及び／又は受け取るように設計されており、
・前記音波の前記動作周波数は、２０ｋＨｚ〜４００ｋＨｚの範囲にある、
１Ｄ超音波変換器ユニット（１０）において、
・互いに直接的に隣接する２つの超音波変換器（１２）はそれぞれ、前記ハウジング（１４）内で、最大１０ｃｍ又は最大５ｃｍ又は最大２ｃｍの、前記音響分離層（２０）の中心から前記音響分離層（２０）の中心までの間隔（Ａ１）を有しており、
・前記１Ｄ超音波変換器ユニット（１０）は、超音波変換器（１２）毎に１つの音響チャネル（２２）を有しており、
・各音響チャネル（２２）は、入口開口部（２４）と出口開口部（２６）とを有しており、
・各音響分離層（２０）には、厳密に前記複数の入口開口部（２４）のうちの１つが割り当てられており、
・前記出口開口部は、直線に沿って配置されており、
・前記出口開口部はそれぞれ、前記ハウジングの壁部に配置されており、又は、前記音響チャネルは前記ハウジングの前記壁部を貫通しており、
・複数の前記出口開口部（２６）のうちの１つの出口開口部の中心から、直接的に隣接する出口開口部（２６）の中心までの間隔（Ａ２）は、最大で、気体状の媒質における波長に相当し、又は、最大で、気体状の媒質における波長の半分に相当し、
・直接的に隣接する２つの出口開口部（２６）間の前記間隔（Ａ２）はそれぞれ、対応する前記入口開口部（２４）に割り当てられている前記超音波変換器（１２）間の前記間隔（Ａ１）よりも短く、
・前記入口開口部（２４）の面積に対する前記出口開口部（２６）の面積の比は、０．３０〜１．２の間の値を有しており、
・各音響チャネル（２２）は、少なくとも、前記入口開口部（２４）の直径に相当する長さを有している、
ことを特徴とする１Ｄ超音波変換器ユニット（１０）。
【請求項２】
前記ハウジングは、可動の被覆装置（３２）を有しており、前記被覆装置（３２）は、すべての音響チャネル（２２）の前記出口開口部（２６）を閉鎖するように設計されている、
請求項１に記載の１Ｄ超音波変換器ユニット（１０）。
【請求項３】
前記入口開口部（２４）の面積に対する前記出口開口部（２６）の面積の比は、０．５〜１．５の間又は０．９〜１．１の間の値を有している、
請求項１又は２に記載の１Ｄ超音波変換器ユニット（１０）。
【請求項４】
各音響チャネル（２２）は、各超音波変換器（１２）の前記音響分離層（２０）から、割り当てられている前記音響チャネル（２２）の前記出口開口部（２６）までの長さ（Ｌ１）を有しており、前記長さ（Ｌ１）は、前記音響周波数の波長の８分の１の整数倍又は前記音響周波数の半波長の整数倍である、
請求項１から３までのいずれか１項に記載の１Ｄ超音波変換器ユニット（１０）。
【請求項５】
すべての音響チャネル（２２）の前記出口開口部（２６）は、共通の平坦な面（Ｅ１）又は湾曲した面（Ｆ１）にある、
請求項１から４までのいずれか１項に記載の１Ｄ超音波変換器ユニット（１０）。
【請求項６】
各音響チャネル（２２）は、金属若しくはプラスチックから成る、又は、金属若しくはプラスチックを含む、
請求項１から５までのいずれか１項に記載の１Ｄ超音波変換器ユニット（１０）。
【請求項７】
各超音波変換器（１２）は、前記音響分離層（２０）と前記変換器ハウジング（１８）との間に音響減結合層を有している、
請求項１から６までのいずれか１項に記載の１Ｄ超音波変換器ユニット（１０）。
【請求項８】
前記制御ユニットは、完全に又は部分的に、前記ハウジング（１４）内に配置されている、
請求項１から７までのいずれか１項に記載の１Ｄ超音波変換器ユニット（１０）。
【請求項９】
前記１Ｄ超音波変換器ユニット（１０）の前記ハウジング（１４）は、少なくともＩＰ４０保護等級に従って形成されている、
請求項１から８までのいずれか１項に記載の１Ｄ超音波変換器ユニット（１０）。
【請求項１０】
前記通信インタフェースは、無線データ伝送用に構成されている、
請求項１から９までのいずれか１項に記載の１Ｄ超音波変換器ユニット（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物体、輪郭又は間隔を検出するための少なくとも３つの、離散した、個別に駆動制御可能な超音波変換器を備える、材料検出のための１Ｄ超音波変換器ユニットに関する。
【０００２】
超音波又は超音波変換器は、極めて種々の測定装置において使用される。用途に応じて、超音波は液体状の媒質又は気体状の媒質へ分離される。
【０００３】
気体状の媒質における用途のための超音波変換器アレイは、国際公開第２００８／１３５００４号から知られている。このアレイは、２つの電極構造間のエレクトレットの層から成る層構造を有しており、ここで、１つの電極構造は、独立してアドレッシング可能な複数の電極要素を含み、これによって、エレクトレット層の局所的な、厚さ振動が生じる。
【０００４】
近接場分解能が改善された超音波変換器の１．５Ｄアレイは、米国特許出願公開第２０１３／０２８３９１８号明細書から知られている。米国特許出願公開第２０１４／０２８３６１１号明細書及び米国特許第６３１０８３１号明細書には、位相制御された超音波変換器アレイ及び適応型の制御方法又は補償を行う制御方法が記載されている。
【０００５】
産業環境で使用するために、使用される超音波変換器は、−４０℃から、時には＋１００℃を超える、測定の温度安定性と、他の技術的な機器との電磁適合性とを保証できなければならない。さらに、超音波変換器は、粉塵、湿気、攻撃的な化学物質等の厳しい環境影響に対して、及び、機械的な衝撃に対して、又は、機械的な引っかき傷に対して堅牢でなければならない。
【０００６】
大きい検出範囲を得るために、石英、エレクトレット又はＰＶＦＤ等の他の圧電材料と比較して高い結合係数を有する、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の圧電セラミックが使用される。結合係数はここで、機械的に蓄積されたエネルギーと電気的に蓄積されたエネルギーとの間の変換効率の尺度を表す。ＰＺＴの場合、励起の方向に応じて、これらはたとえば、０．３〜約０．７５の範囲にある。
【０００７】
圧電材料の分極方向に応じて、交流電圧を使用して、幾何学的な伝播に応じて平面振動（Ｐｌａｎａｒｓｃｈｗｉｎｇｕｎｇ）、厚さ振動（Ｄｉｃｋｅｎｓｃｈｗｉｎｇｕｎｇ）又はせん断振動（Ｓｃｈｅｅｒｓｃｈｗｉｎｇｕｎｇ）と称される共振機械振動を圧電体において生成することができる。これらの振動形態の場合、所定の周波数での共振振動に必要な圧電体の典型的な寸法を、材料固有の周波数定数から推定することができる。ＰＺＴの場合には、これらの周波数定数は、振動のタイプに応じて、典型的に、１３００ｋＨｚ＊ｍｍ〜２６００ｋＨｚ＊ｍｍである。
【０００８】
したがって、センサ技術に適したＰＺＴから成る薄いディスクは、平面モードにおいて、２０ｋＨｚ〜５００ｋＨｚの励起周波数の場合に、約４ｍｍ〜１００ｍｍの直径を有する。このような薄いディスクの容量特性に基づき、相応する分極において、低い励起電圧が良好に実装される。
【０００９】
圧電ディスクを厚くすることは望ましくない。圧電材料の厚さが増すにつれて、一方では、同一の周波数範囲の場合に、より高い電圧を、端的にｋＶ範囲においても、印加する必要がある。これは、安全に関するコストがより高くなることを意味する。他方では、圧電体の厚さが増すにつれて、その剛性も変化し、これは音波の受け取りの場合に直接的に影響を及ぼしてしまう。
【００１０】
位相制御された少なくとも１次元のアレイ（フェイズドアレイ（ｐｈａｓｅｄ  ａｒｒａｙ））において複数の超音波変換器を使用する場合にはさらに、隣接する超音波変換器間の間隔が、超音波の波長より大きくてはならない、又は、有利には半波長より大きくてはならない、ということに注意する必要がある。
【００１１】
このような間隔条件によって、相応に、個々の変換器の構造サイズ又は超音波変換器の特定の構造形態／サイズによって可能な周波数範囲が制限される。
【００１２】
２０ｋＨｚ〜５００ｋＨｚの間の周波数範囲及び空気への分離の場合、たとえば、隣接する変換器間の最大の間隔は、約８．５ｍｍ〜約０．３ｍｍのオーダーにある。
【００１３】
しかし、センサ技術に適したＰＺＴから成る薄いディスクを備える上述の変換器は、すでに圧電ディスクの直径に基づいて、平均で１０倍以上の直径を有している。
【００１４】
これを背景に、本発明の課題は、従来技術を発展させる装置を提供することである。
【００１５】
上述の課題は、請求項１の特徴部分の構成を備える、材料検出のための、危険識別用の１Ｄ超音波変換器ユニットによって解決される。本発明の有利な構成は、従属請求項の構成要件である。
【００１６】
本発明の構成要件によれば、ハウジングと、少なくとも３つの超音波変換器と、制御ユニットとを含む、材料検出のための１Ｄ超音波変換器ユニットが提供される。ここで、制御ユニットは各超音波変換器を個別に駆動制御するように設計されており、ハウジングは表面での固定のための固定手段を有しており、制御ユニットは少なくとも部分的にハウジング内に配置されており、ハウジングは通信インタフェースを有しており、各超音波変換器はそれぞれ、変換器ハウジングと、変換器ハウジング内に配置されている圧電体と、気体状の媒質への分離のために、変換器ハウジングの開放端部に配置されている音響分離層（Ｓｃｈａｌｌａｕｓｋｏｐｐｅｌｓｃｈｉｃｈｔ）とを有しており、かつ、ハウジング内の固定の位置に配置されており、各超音波変換器は、一致する動作周波数を有する音波を放射し及び／又は受け取るように設計されており、音波の動作周波数は２０ｋＨｚ〜４００ｋＨｚの範囲にある。
【００１７】
互いに直接的に隣接する２つの超音波変換器はそれぞれ、ハウジング内で、最大１０ｃｍ又は最大５ｃｍ又は最大２ｃｍの、音響分離層の中心から音響分離層の中心までの間隔を有している。１Ｄ超音波変換器ユニットは、超音波変換器毎に１つの音響チャネルを有しており、各音響チャネルは、入口開口部と出口開口部とを有しており、各音響分離層には、厳密に複数の入口開口部のうちの１つが割り当てられており、出口開口部は、直線に沿って配置されており、出口開口部は、それぞれハウジングの壁部に配置されている、又は、音響チャネルはハウジングの壁部を貫通している。複数の出口開口部のうちの１つの出口開口部の中心から、直接的に隣接する出口開口部の中心までの間隔は、最大で、気体状の媒質における波長に相当する、又は、最大で、気体状の媒質における波長の半分に相当する。ここで、直接的に隣接する２つの出口開口部間の間隔はそれぞれ、対応する入口開口部に割り当てられている超音波変換器同士の間隔よりも短く、入口開口部の面積に対する出口開口部の面積の比は、０．３０〜１．２の間の値を有しており、各音響チャネルは、少なくとも、入口開口部の直径に相当する長さを有している。
【００１８】
１Ｄ超音波変換器ユニットの超音波変換器が個別の離散した構成部分であり、各超音波変換器はハウジング内に配置されておりかつハウジングと結合されており、これによって他のすべての超音波変換器に対して固定的な間隔を有していることが明らかである。ここで、互いに並んで配置され、その間に他の超音波変換器が配置されていない２つの超音波変換器は、互いに直接的に隣接している。
【００１９】
個々の音響チャネルが管状又は棒状に形成されており、ここで、たとえば、管の直径が減少する、及び／又は、断面の形状が変化する、及び／又は、チャネルの経路が弧状に形成されていることも明らかである。有利には音響チャネルは、音響分離層からその出口開口部までの自身の全長にわたってエッジを有していない。
【００２０】
音響チャネルは、個々の超音波変換器によって生成された音波をハウジングから外に導き、又は、反射された音波を超音波変換器に戻す。したがって、ハウジング壁部の出口開口部で、又は、ハウジングの外側で、重畳によって波面が生じる。
【００２１】
個別に駆動制御可能な複数の超音波変換器を用いて、時間的にシフトされた駆動制御又は位相シフトされた駆動制御によって、調整可能な主要伝播方向を有する波面が生成される。これによって、１つの１Ｄ超音波変換器ユニットだけで、少なくとも１次元においてより大きい測定領域を走査することが可能になる。さらに、物体の表面の構造及び／又は物体の形状を検出することができる。したがってたとえば、材料及び／又は物体のタイプを特定することができる。
【００２２】
個々の超音波変換器の前に音響チャネルを配置することによって、重畳の際に、又は、共通の波面のための重畳に対して、個々の音響源が音響チャネルの各端部若しくは出口開口部に移される。これによって、個々の音響源間の間隔を個々の超音波変換器のサイズ、たとえば直径とは無関係に、又は、個々の超音波変換器間の間隔とは無関係に、調整することができる。特に、個々の変換器間の間隔と比較して、音響源間の間隔を短くすることができる。
【００２３】
個々の超音波変換器のハウジング直径がたとえば７ｍｍである場合、２つの変換器の間隔は少なくとも１４ｍｍになる。これに相応して、音響チャネルがない場合には、最大２２ｋＨｚ（λ≧１４ｍｍ）又は最大１１ｋＨｚ（λ／２≧１４ｍｍ）の周波数を有する波面しか実現可能ではない。重畳の際の個々の「音響源」の間隔は、変換器ハウジングのサイズではなく、音響チャネル出口開口部のサイズ及び間隔によってしか特定されないので、より高い周波数、すなわちより短い波長を有する波面の生成は、同等の超音波変換器を用いる場合には、本発明の音響チャネルによってはじめて可能になる。
【００２４】
音響チャネルによってさらに、正確な、配向された検出が保証される。
【００２５】
圧電変換器の放射開口、たとえば圧電体によって設定された直径を有する円形の開口は、それらが少なくとも１つの次元において、所望のアレイ配置の条件を満たすように、音響チャネルによって変えられる。これによって、フェイズドアレイ配置での、堅牢であり、信頼性の高い、及び／又は、低コストの離散した超音波変換器の使用が可能になる。フェイズドアレイ配置によって、大きな視野角が、１つの１Ｄ超音波変換器ユニットだけで実現され、これによって、たとえば充填レベルを確実に監視することが可能になる。表面構造及び／又は物体若しくは物体形状を識別することも可能である。
【００２６】
ＭＥＭＳ等の、特に小型の、たとえば一体型の超音波変換器を使用する必要はない。複数の変換器ユニットを取り付け、読み取り、必要に応じて相互に調整する必要もそれほどない。
【００２７】
発展形態では、ハウジングは可動の被覆装置を有しており、ここで、この被覆装置はすべての音響チャネルの出口開口部を閉鎖するように設計されている。１Ｄ超音波変換器ユニットが使用されない間は、この被覆装置を使用して音響チャネルを閉鎖することができ、これによって、異物／汚染物質の侵入を防止することができる。音響チャネルを開閉するために、又は、被覆装置を動かすために、１Ｄ超音波変換器ユニットは、たとえば動作手段を含む。
【００２８】
発展形態では、第２の断面の面積と第１の断面の面積との間の比は０．５〜１．５の間又は０．９〜１．１の間の値を有している。本発明では、入口面の面積を増大させること、低減させること又は保持することができ、ここで同時に、少なくとも、出口開口部の幅を、入口開口部と比較して低減させることができる。
【００２９】
さらなる実施形態では、各音響チャネルは、各超音波変換器の音響分離層から、割り当てられている音響チャネルの出口開口部までの長さを有しており、ここで、この長さは、音響周波数の波長の８分の１の整数倍又は音響周波数の半波長の整数倍である。
【００３０】
他の実施形態では、すべての音響チャネルの出口開口部は、共通の平坦な面又は湾曲した面にある。湾曲した面、たとえば凹面に配置することによって、たとえば集束された波面が生成される。
【００３１】
他の実施形態では、各音響チャネルは、金属又はプラスチックから成る。選択的に、各音響チャネルは、金属又はプラスチックを含む。
【００３２】
さらなる実施形態では、各超音波変換器は、音響分離層と変換器ハウジングとの間に音響減結合層（Ｓｃｈａｌｌｅｎｔｋｏｐｐｌｕｎｇｓｓｃｈｉｃｈｔ）を有している。
【００３３】
他の実施形態では、制御ユニットは、完全に又は部分的に、ハウジング内に配置されている。
【００３４】
他の実施形態では、１Ｄ超音波変換器ユニットのハウジングは、少なくともＩＰ４０保護等級に従って形成されている。
【００３５】
さらなる発展形態では、通信インタフェースは、無線データ伝送用に構成されており、たとえばＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）インタフェースとして構成されている。したがって、たとえば、制御信号及び／又は測定信号は、無線で、１Ｄ超音波変換器ユニットとたとえば外部制御ユニット又は評価ユニットとの間で交換可能である。選択的に、１Ｄ超音波変換器ユニットはケーブルを介して、たとえばバスシステム又はプロトコルを使用して、通信インタフェースと通信する。
【００３６】
他の実施形態では、各超音波変換器は、はじめは、音響分離層と共に、割り当てられている入口開口部内に突出し、発展形態において、各音響チャネルは、割り当てられている超音波変換器の少なくとも一部を正確に適合して収容する。言い換えれば、このような実施形態での入口開口部の領域における音響チャネルの内部形状は、各超音波変換器の外側形状に可能な限り正確に相当する。
【００３７】
さらなる実施形態では、各超音波変換器のハウジングは、少なくとも７ｍｍの直径を有している。各超音波変換器のハウジングは、たとえば、円筒形の金属カップとして形成されている。このような実施形態の発展形態では、音響分離層の表面、金属カップの縁部及びたとえば、個々の各超音波変換器の、それらの間に配置されている音響減結合層はそれぞれ平坦な面に展開する。
【００３８】
他の実施形態では、各超音波変換器は、基準電位にある電磁シールドを有している。電磁シールドが、ハウジング、特にハウジングとして用いられる金属カップによって完全に又は少なくとも部分的に形成されていてもよいことが明らかである。選択的に、１Ｄ超音波変換器ユニットは、すべての超音波変換器に対して共通のシールド、たとえば共通のハウジングを有していてもよい。
【００３９】
さらなる実施形態では、各音響チャネルは、少なくとも０．５ｍｍ又は少なくとも１ｍｍの壁の厚さを有している。他の発展形態では、それぞれ２つの音響チャネルは互いに、２つの音響チャネルの全長にわたって、少なくとも０．５ｍｍ又は少なくとも１ｍｍの間隔を有している。
【００４０】
他の実施形態では、ハウジングは、平坦な後壁と、この後壁に対して平行に延在する前壁とを有している。これによって、１Ｄ超音波変換器ユニットを、特に容易にかつ確実に、表面に取り付け、配向することができる。超音波変換器は有利には後壁に取り付けられ、音響チャネルは有利には前壁で又は前壁内で終端する。特に有利には、音響チャネルの出口開口部だけでなく、超音波変換器及び音響チャネルの入口開口部も直線に沿って配置されている。音響チャネルの入口が展開する直線は、たとえば、出口開口部が展開する直線よりも格段に長い。
【００４１】
本発明を、図面を参照して以降においてより詳細に説明する。ここでは、同様の部分に同一の参照記号が付けられている。図示の実施形態は、非常に概略的である。すなわち、間隔、横方向の延在及び縦方向の延在は縮尺通りではなく、特に、そうでないことが明記されていない限り、導出可能な相互の幾何学的な関係も有していない。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】図１Ａは、充填レベルを検出するための１Ｄ超音波変換器ユニットの第１の本発明による実施形態の図であり、図１Ｂは、物体を検出するための１Ｄ超音波変換器ユニットの第２の本発明による実施形態の図である。
【図２】１Ｄ超音波変換器ユニットのハウジングの本発明による実施形態の断面図である。
【図３】音響チャネルのさらなる本発明による実施形態の図である。
【図４】音響チャネルのさらなる本発明による実施形態の図である。
【図５】個々の音響チャネルのさらなる実施形態の図である。
【図６】音響チャネルの出口面の種々の実施形態の概略図である。
【００４３】
図１Ａは、充填レベルを検出するための、本発明に係る１Ｄ超音波変換器ユニット１０の第１の実施形態の図を示している。１Ｄ超音波変換器ユニットは、ばら荷１０４用の容器１０２の天井１０２に固定手段１１で取り付けられているハウジング１４を有している。１Ｄ超音波変換器ユニット１０によって音波１１が生成される。音波１１は主要伝播方向を有しており、ここで、この主要伝播方向は図平面において旋回可能であり（破線、点線又は一点鎖線）、これによって容器１０２全体を確実に走査することができる。ばら荷１０４及び／又は容器１０２の底部及び／又は容器１０２の側壁は音波１１を反射する。１Ｄ超音波変換器ユニットによって、ばら荷１０４の高さ又は量も、ばら荷１０４の表面構造も検出することができる。これによって、ばら荷１０４のタイプを推定することが可能である。
【００４４】
図１Ｂには、１Ｄ超音波変換器ユニット１０の第２の本発明による実施形態が示されている。１Ｄ超音波変換器ユニット１０は、固定手段１１によって、コンベヤーベルト１０８の上方の建物の天井１０６に取り付けられており、その結果、超音波によって、コンベヤーベルト上の物体１１０を検出することができる。送出された超音波を旋回させることによって、コンベヤーベルト１０８のより広い領域を監視し、コンベヤーベルト１０８上に位置する物体１１０の形状又は表面構造を識別することが可能になる。
【００４５】
図２には、超音波変換器ユニット１０のハウジング１４の断面図が示されている。ハウジング１４には、ハウジング１４の平坦な後壁１６に沿って、離散した５つの超音波変換器１２が配置されている。各超音波変換器１２は、固有の変換器ハウジング１８及び音響分離層２０を有している。各超音波変換器１２は、直接的に隣接する１つ又は複数の超音波変換器１２に対して、音響分離層２０の中心から、音響分離層２０の中心までの間隔Ａ１を有している。
【００４６】
各超音波変換器１２に１つの音響チャネル２２が割り当てられており、各音響チャネル２２は、入口開口部２４及び出口開口部２６を有している。入口開口部２４はそれぞれ、各超音波変換器１２が音響チャネル２２内へ放射するように、１つの超音波変換器１２の前又は周囲に配置されている。音響チャネル２２の出口開口部２６は、後壁の反対側の、ハウジング１４の平坦な前壁３０に沿って配置されており、又は、前壁３０を貫通する。
【００４７】
隣接する２つの出口開口部２６はそれぞれ、出口開口部２６の中心から出口開口部２６の中心までの間隔Ａ２を有している。本発明では、出口開口部２６同士の間隔Ａ２はそれぞれ、割り当てられている又は属する超音波変換器１２同士の間隔Ａ１以下である。
【００４８】
各音響分離層２０から、属する音響チャネル２２の出口開口部２６までの長さＬ１は、音響周波数の波長の８分の１の整数倍である。
【００４９】
ハウジング１４はさらに、可動の被覆装置３２を含む。図示の実施例では、被覆装置３２は閉じた状態にある。被覆装置はこの目的のために、出口開口部２６を伴う、ハウジング１４の前壁３０の前に配置されており、その結果、音響チャネル２２が閉鎖されている。開いた状態では、被覆装置３２は、たとえば、畳まれて又は押し動かされて、ハウジングの前壁３０及び出口開口部２６の前には位置しておらず、出口開口部２６は、露出されている。
【００５０】
図３に示された実施例では、音響チャネル２２は、すべての音響チャネル２２の出口開口部２６が共通の平坦な面Ｅ１にあるように延在している。図示の実施例では、１Ｄ超音波変換器ユニット１０のハウジング１４の前壁３０は、面Ｅ１内に延在している。各音響チャネル２２の入口開口部２４の前に存在している、各音響チャネル２２の領域３４は、割り当てられている各超音波変換器１２が音響チャネル２２内に正確に適合するように形成されている。この目的のために、各音響チャネル２２は、この領域において、外径Ｄ１に相応する内径と、ストッパとして用いられるエッジ３６とを有している。
【００５１】
図示されていない制御ユニットは、各超音波変換器１２を個別に駆動制御するように設計されている。個々の超音波変換器１２の時間的にシフトされた駆動制御又は位相シフトされた駆動制御によって、１Ｄ超音波変換器ユニット１０は、主要伝播方向（矢印）を有する安定した超音波を生成し、ここで、この主要伝播方向又はこの主要伝播方向と第１の面Ｅ１との間の角度は、個々の音響チャネルの出口開口部２６から出る音波の間の位相シフトによって調整可能である。
【００５２】
図４に示された実施例では、すべての音響チャネル２２の出口開口部２６は、凹状に湾曲した面Ｆ１にある。
【００５３】
図５では、個々の音響チャネル２２が概略的に示されており、以降においては、図１〜図４との違いを説明する。
【００５４】
入口開口部２４は幅ｘ１及び高さｙ１の断面を有しており、出口開口部２６は幅ｘ２及び高さｙ２の断面を有している。
【００５５】
入口開口部２４は円形に形成されている。すなわち、断面の幅ｘ１と高さｙ１とは、同一の値を有している。これとは異なり、出口開口部２６は楕円形であり、断面の幅ｘ２は幅ｙ２よりも小さい。
【００５６】
有利には、出口開口部２６の幅ｘ２は、入口開口部２４の幅ｘ１よりも小さい。これとは異なり、出口開口部２６の高さｙ２は、有利には、入口開口部２４の高さｙ１よりも大きい。特に有利には、入口開口部２４の断面の面積が、出口開口部２６の断面の面積に相当するように、音響チャネル２２の高さの増加は、音響チャネル２２の幅の減少を補償する。
【００５７】
最大で音響周波数の波長である、出口開口部２６の中心から、直接的に隣接する出口開口部２６の中心までの間隔を実現できるようにするために、各出口開口部２６の幅ｘ２が音響周波数の波長よりも小さくなければならないということが明らかである。
【００５８】
図６には、出口開口部２６の断面の、本発明によるいくつかの実施例が概略的に示されている。出口開口部２６の断面の面積が、入口開口部２４の断面の面積に相当するためには、特に、高さｙ２に対する幅ｘ２の比率が約１．５である形状が適している。
【図１Ａ】
2021532692.tif 000003
【図１Ｂ】
2021532692.tif 000004
【図２】
2021532692.tif 000005
【図３】
2021532692.tif 000006
【図４】
2021532692.tif 000007
【図５】
2021532692.tif 000008
【図６】
2021532692.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】令和2年6月2日(2020.6.2)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハウジング（１４）と、少なくとも３つの超音波変換器（１２）と、制御ユニットとを含む、材料検出のための１Ｄ超音波変換器ユニット（１０）であって、
・前記制御ユニットは、各超音波変換器（１２）を個別に駆動制御するように設計されており、
・前記ハウジングは、通信インタフェースを有しており、
・各超音波変換器（１２）はそれぞれ、変換器ハウジング（１８）と、前記変換器ハウジング（１８）内に配置されている圧電体と、気体状の媒質への分離のために前記変換器ハウジング（１８）の開放端部に配置されている音響分離層（２０）とを有しており、かつ、前記ハウジング（１４）内の固定の位置に配置されており、
・各超音波変換器（１２）は、一致する動作周波数を有する音波を放射し及び／又は受け取るように設計されており、
・前記音波の前記動作周波数は、２０ｋＨｚ〜４００ｋＨｚの範囲にあり、
・互いに直接的に隣接する２つの超音波変換器（１２）はそれぞれ、前記ハウジング（１４）内で、最大１０ｃｍ又は最大５ｃｍ又は最大２ｃｍの、前記音響分離層（２０）の中心から前記音響分離層（２０）の中心までの間隔（Ａ１）を有しており、
・前記１Ｄ超音波変換器ユニット（１０）は、超音波変換器（１２）毎に１つの音響チャネル（２２）を有しており、
・各音響チャネル（２２）は、入口開口部（２４）と出口開口部（２６）とを有しており、
・各音響分離層（２０）には、厳密に前記複数の入口開口部のうちの１つ（２４）が割り当てられており、
・前記出口開口部は、直線に沿って配置されており、
・前記出口開口部は、それぞれ前記ハウジングの壁部に配置されており、又は、前記音響チャネルは前記ハウジングの前記壁部を貫通しており、
・複数の前記出口開口部（２６）のうちの１つの出口開口部の中心から、直接的に隣接する出口開口部（２６）の中心までの間隔（Ａ２）は、最大で、気体状の媒質における波長に相当し、又は、最大で、気体状の媒質における波長の半分に相当し、
・直接的に隣接する２つの出口開口部（２６）間の前記間隔（Ａ２）はそれぞれ、対応する前記入口開口部（２４）に割り当てられている前記超音波変換器（１２）間の前記間隔（Ａ１）よりも短く、
・前記入口開口部（２４）の面積に対する前記出口開口部（２６）の面積の比は、０．３０〜１．２の間の値を有しており、
・各音響チャネル（２２）は、少なくとも、前記入口開口部（２４）の直径に相当する長さを有している、
１Ｄ超音波変換器ユニット（１０）において、
・前記ハウジング（１４）は、表面での固定のための固定手段（１１）を有しており、
・前記制御ユニットは、少なくとも部分的に前記ハウジング（１４）内に配置されており、
・前記ハウジングは、可動の被覆装置（３２）を有しており、前記被覆装置（３２）は、すべての音響チャネル（２２）の前記出口開口部（２６）を閉鎖するように設計されており、
・すべての音響チャネル（２２）の前記出口開口部（２６）は、湾曲した面（Ｆ１）にある、
ことを特徴とする１Ｄ超音波変換器ユニット（１０）。
【請求項２】
前記入口開口部（２４）の面積に対する前記出口開口部（２６）の面積の比は、０．５〜１．５の間又は０．９〜１．１の間の値を有している、
請求項１に記載の１Ｄ超音波変換器ユニット（１０）。
【請求項３】
各音響チャネル（２２）は、各超音波変換器（１２）の前記音響分離層（２０）から、割り当てられている前記音響チャネル（２２）の前記出口開口部（２６）までの長さ（Ｌ１）を有しており、前記長さ（Ｌ１）は、前記音響周波数の波長の８分の１の整数倍又は前記音響周波数の半波長の整数倍である、
請求項１又は２に記載の１Ｄ超音波変換器ユニット（１０）。
【請求項４】
各音響チャネル（２２）は、金属若しくはプラスチックから成る、又は、金属若しくはプラスチックを含む、
請求項１から３までのいずれか１項に記載の１Ｄ超音波変換器ユニット（１０）。
【請求項５】
各超音波変換器（１２）は、前記音響分離層（２０）と前記変換器ハウジング（１８）との間に音響減結合層を有している、
請求項１から４までのいずれか１項に記載の１Ｄ超音波変換器ユニット（１０）。
【請求項６】
前記制御ユニットは、完全に又は部分的に、前記ハウジング（１４）内に配置されている、
請求項１から５までのいずれか１項に記載の１Ｄ超音波変換器ユニット（１０）。
【請求項７】
前記１Ｄ超音波変換器ユニット（１０）の前記ハウジング（１４）は、少なくともＩＰ４０保護等級に従って形成されている、
請求項１から６までのいずれか１項に記載の１Ｄ超音波変換器ユニット（１０）。
【請求項８】
前記通信インタフェースは、無線データ伝送用に構成されている、
請求項１から７までのいずれか１項に記載の１Ｄ超音波変換器ユニット（１０）。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００４】
近接場分解能が改善された超音波変換器の１．５Ｄアレイは、米国特許出願公開第２０１３／０２８３９１８号明細書から知られている。米国特許出願公開第２０１４／０２８３６１１号明細書及び米国特許第６３１０８３１号明細書には、位相制御された超音波変換器アレイ及び適応型の制御方法又は補償を行う制御方法が記載されている。
さらなる超音波変換器が、欧州特許出願公開第０９４０８０１号明細書、並びに、Ｅｒｉｃ  Ｋｏｎｅｔｚｋｅ等著「Ｐｈａｓｅｄ  ａｒｒａｙ  ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ  ｆｏｒ  ｅｍｉｔｔｉｎｇ  ４０  ｋＨｚ  ａｉｒ−ｃｏｕｐｌｅｄ  ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ  ｗｉｔｈｏｕｔ  ｇｒａｔｉｎｇ  ｌｏｂｅｓ」（ＩＥＥＥ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ  Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ，  ２０１５年，  １〜４頁）、及び、Ｊａｅｇｅｒ等著「Ａｉｒ−ｃｏｕｐｌｅｄ  ４０−ｋＨｚ  ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ  ２Ｄ−ｐｈａｓｅｄ  ａｒｒａｙ  ｂａｓｅｄ  ｏｎ  ａ  ３Ｄ−ｐｒｉｎｔｅｄ  ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ」（ＩＥＥＥ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ  Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ，  ２０１７年，  １〜４頁）、及び、Ｔａｋａｈａｓｈｉ等著「Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ  ｐｈａｓｅｄ  ａｒｒａｙ  ｓｅｎｓｏｒ  ｆｏｒ  ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  ｔｒａｖｅｌ  ａｉｄｓ  ｆｏｒ  ｖｉｓｕａｌｌｙ  ｉｍｐａｉｒｅｄ  ｐｅｏｐｌｅ」（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  ｓｐｉｅ  −Ｔｈｅ  ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  ｓｏｃｉｅｔｙ  ｆｏｒ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  ｓｐｉｅ  −  ｖｅｒｔｉｃａｌ−ｃａｖｉｔｙ  ｓｕｒｆａｃｅ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ  ｌａｓｅｒｓ  ＸＩＩＩ，第６７９４巻，２００７年１２月３日  ６７９４３Ｖ頁，  ＩＳＳＮ：  ０２７７−７８６Ｘ）、及び、Ｍａｎｕｆａｃｔｏｒｉｎｇ  Ｍｕｒａｔａ「Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ  Ｓｅｎｓｏｒ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  Ｍａｎｕａｌ」（Ｃａｔ．  Ｎｏ．  Ｓ１５Ｅ−５，２００９年１月１日，  ＵＲＬ；ｈｔｔｐｓ：／／ｃｄｎ−ｒｅｉｃｈｅｌｔ．ｄｅ／ｄｏｃｕｍｅｎｔｓ／ｄａｔｅｎｂｌａｔｔ／８４００／ｕｌｔｒａｓｃｈａｌｌ％２０ｓｅｎｓｏｒ．ｐｄｆ，  ３頁）から知られている。
【国際調査報告】
2021532692.tif 000010
2021532692.tif 000011
2021532692.tif 000012
2021532692.tif 000013
2021532692.tif 000014
2021532692.tif 000015