(57)【要約】  少なくとも３つの超音波変換器と各超音波変換器を個別に駆動制御するための制御ユニットとを含む１Ｄ超音波変換器ユニットであって、各超音波変換器はそれぞれ、ハウジングと、圧電体と、音波を気体状の媒質へ分離するための音響分離層とを有しており、共通の担体構造内に入れられており、２０ｋＨｚ〜４００ｋＨｚの間の同一の周波数を放射し及び／又は受け取り、隣接する２つの超音波変換器はそれぞれ、最大１０ｃｍの間隔（Ａ１）を有しており、１Ｄ超音波変換器ユニット（１０）は、超音波変換器毎に１つの音響チャネルを有しており、音響チャネルは、厳密に１つの音響分離層（２６）に割り当てられている入口開口部（３８）と出口開口部（４０）とを有しており、出口開口部は、線に沿って配置されており、隣接する２つの出口開口部（４０）間の間隔（Ａ２）は、最大で、音響周波数の全波長又は半波長に相当し、入口開口部（３８）同士の間隔（Ａ１）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の間の値を有している。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体、輪郭又は間隔を検出するための少なくとも３つの超音波変換器（１２）と制御ユニットとを含む１Ｄ超音波変換器ユニット（１０）であって、
・前記制御ユニット（１４）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、
・各超音波変換器（１２）はそれぞれ、ハウジング（２２）と、前記ハウジング（２２）内に配置されている圧電体（１８）と、音波を気体状の媒質へ分離するための、￥前記ハウジング（２２）の開放端部に配置されている音響分離層（２６）とを有しており、
・前記超音波変換器（１２）は、共通の担体構造（１６）内に入れられており、
・各超音波変換器（１２）は、同一の周波数を放射し及び／又は受け取るように設計されており、
・前記超音波変換器（１２）の前記周波数は、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、最大１０ｃｍ又は最大５ｃｍ又は最大２ｃｍの、前記音響分離層（２６）の中心から前記音響分離層（２６）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（３６）を有しており、
・各音響チャネル（３６）は、第１の断面を有する入口開口部（３８）と第２の断面を有する出口開口部（４０）とを有しており、
・各音響分離層（２６）には、厳密に前記複数の入口開口部（３８）のうちの１つが割り当てられており、
・前記出口開口部は、線に沿って配置されており、
・前記複数の出口開口部（４０）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（４０）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（４０）間の前記間隔（Ａ２）はそれぞれ、対応する前記入口開口部（３８）同士の前記間隔（Ａ１）よりも短く、
・前記入口開口部（３８）の面積に対する前記出口開口部（４０）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（３６）は、少なくとも、前記入口開口部（３８）の直径の長さを有している、
ことを特徴とする１Ｄ超音波変換器ユニット（１０）。
【請求項２】
前記入口開口部（３８）の面積に対する前記出口開口部（４０）の面積の比は、０．３５〜１．０の間又は０．４〜０．８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】
各超音波変換器（１２）の前記音響分離層（２６）から、割り当てられている前記音響チャネル（３６）の前記出口開口部（４０）までの長さ（Ｌ１）は、気体状の媒質における波長の８分の１の整数倍又は気体状の媒質における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】
すべての音響チャネル（３６）の前記出口開口部（４０）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】
各音響チャネル（３６）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】
各超音波変換器（１２）は、はじめは、前記音響分離層（２６）と共に、割り当てられている前記入口開口部（３８）内に突出する、
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】
各音響チャネル（３６）は、割り当てられている前記超音波変換器（１２）の少なくとも一部を正確に適合して収容する、
請求項６に記載の１Ｄ超音波変換器ユニット（１０）。
【請求項８】
各超音波変換器（１２）の前記ハウジング（２２）は、少なくとも５ｍｍの直径（Ｄ１）を有している、
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】
要素の数が増加し、４個又は５個又は６個又は８個又は１６個の超音波変換器が線上に位置する、
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】
前記各音響チャネル（３６）は、同一の前記長さ（Ｌ１）を有している、
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１１】
前記超音波変換器（１２）は、１つの共通の平坦な面に位置し、これによって、前記各音響チャネル（３６）は、異なる長さ（Ｌ１）を有する、
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１２】
各超音波変換器（１２）の前記ハウジング（２２）は、円筒形の金属カップ（２４）を含む、
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１３】
各超音波変換器（１２）の前記ハウジング（２２）は、前記分離層（２６）と前記金属カップ（２４）との間に音響減結合層（２８）を有している、
請求項９に記載の１Ｄ超音波変換器ユニット（１０）。
【請求項１４】
前記音響分離層（２６）の表面、前記金属カップ（２４）の縁部及びそれらの間に配置されている、個々の各超音波変換器（１２）の前記音響減結合層（２８）は、それぞれ平坦な面に展開する、
請求項１０に記載の１Ｄ超音波変換器ユニット（１０）。
【請求項１５】
各超音波変換器（１２）は、基準電位にある電磁シールド（２０）を有している、
請求項１から１１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１６】
各超音波変換器（１２）の前記ハウジング（２２）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１２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、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。これらの種々の振動形態の場合、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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
この間隔条件によって、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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
上述の課題は、請求項１の特徴部分の構成を備える、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。
【００１７】
本発明の構成要件によれば、１Ｄ超音波変換器ユニットが提供される。
【００１８】
この１Ｄ超音波変換器ユニットは、たとえば０．５ｍ以上の間隔にある、物体、輪郭又は間隔を検出するための少なくとも３つの超音波変換器と、制御ユニットとを含む。
【００１９】
この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いる。
【００２０】
超音波変換器は、共通の担体構造内に入れられており、ここで、各超音波変換器はそれぞれ、ハウジングと、ハウジング内に配置されている圧電体と、気体状の媒質への超音波の分離のために、ハウジングの開放端部に配置されている音響分離層（Ｓｃｈａｌｌａｕｓｋｏｐｐｅｌｓｃｈｉｃｈｔ）、たとえば相応に配置されている、圧電体の表面とを有している。
【００２１】
各超音波変換器は、同一の周波数を放射し及び／又は受け取るように設計されており、ここで、周波数は２０ｋＨｚ〜４００ｋＨｚの範囲にある。
【００２２】
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、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。
【００２３】
１Ｄ超音波変換器ユニットは、さらに、超音波変換器毎に１つの音響チャネルを有しており、各音響チャネルは第１の横断面を有する入口開口部と第２の横断面を有する出口開口部とを有しており、各音響分離層には厳密に１つの入口開口部が割り当てられている。
【００２４】
すべての音響チャネルの出口開口部は線に沿って配置されており、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、音響周波数の波長である、又は、最大で、音響周波数の波長の半分である。ここで、直接的に隣接する出口開口部間の間隔は、対応する入口開口部同士の間隔よりも短い。
【００２５】
入口開口部の面積に対する出口開口部の断面の面積の比は０．３０〜１．２の間又は０．３５〜１．０の間又は０．４〜０．８の間の値を有している。
【００２６】
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、ここで、各超音波変換器が、担体構造、たとえばハウジング内へ入れられることによって、固定の位置、ひいてはすべての他の超音波変換器に対する固定の間隔も有することが明らかである。
【００２７】
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。
【００２８】
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又はｓ字状に形成されていることも明らかである。
【００２９】
有利には音響チャネルは、音響分離層と出口開口部との間で、滑らかな内壁、特にエッジを有していない。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
これによって、個々の音響源間の間隔を個々の変換器間の間隔と比較して短くすることができ、特に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。
【００３３】
したがって、本発明の利点は、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が、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し、この形成によってフェイズドアレイ装置が形成されるように音響チャネルによって変えられるということである。
【００３４】
特に、各音響チャネルの大きい出口面によって、すなわち、０．３よりも大きい比によって、装置の音圧、ひいては検出範囲が、個々の超音波変換器の検出範囲と比較して、ほぼ得られる。比較的小さい比又は両方の次元における面の低減の場合には、装置の検出範囲は、個々の超音波変換器の検出範囲と比べて低減する。
【００３５】
特に、ＭＥＭＳベースの超音波変換器とは異なり、各段に大きい出力が得られ、これによって、特に、０．５ｍを上回って離れた物体又は構造も確実に検出される。
【００３６】
音響チャネルの経路及び出口開口部の寸法は、さらに、１つの次元における波面を誘導し、他の、これに対して直交する次元における波面の延伸を空間的に集束させることを可能にする。
【００３７】
驚くべきことに、直交する次元におけるこの集束が、１次元の超音波変換器とこれに属する音響チャネルとのみによって実現されることが明らかになった。
【００３８】
ここで、多次元のアレイ配置による解決アプローチは、顕著に多くの超音波変換器及び制御ユニットでの付加的な複雑性を必要とする。多次元超音波変換器での確実性は格段に低い。
【００３９】
同様のことが、逆に、上述したアレイセンサシステムの受信感度にも当てはまる。超音波変換器入口面の少なくとも０．３倍の受信面を得ることによって受信感度が維持される。
【００４０】
本発明の解決方法の利点は、上述したセンサシステムがアレイ条件下でのこのような周波数範囲において、気体状の媒質において、送信も受信も行うことができるということである。
【００４１】
特に、現在のＭＥＭＳ構造は、気体状の媒質との関連においては、マイクロフォンとしてのみ使用可能である。
【００４２】
しかし、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。
【００４３】
したがっ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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
さらなる利点は、ある程度のサイズを有する、特に確実な、ハウジングされた、離散した超音波変換器が、位相制御されたアレイにおいて、センサに対して間隔の空いた物体を気体状の媒質、たとえば空気において検出するために使用される、ということである。
【００４７】
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０．３５〜１．０の間又は０．４０〜０．８の間の値を有している。
【００４８】
音響チャネルの入口面の面積は、出口面の面積と比べて、拡大され、又は、低減され、又は、維持される。ここで、すべての実施形態において、少なくとも、入口開口部の幅と比較した出口開口部の幅の低減が行われる。
【００４９】
さらなる実施形態では、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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
さらなる実施形態では、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。
【００５３】
言い換えれば、入口開口部の領域における音響チャネルの内側形状は、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。
【００５４】
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。
【００５５】
有利には各超音波変換器のハウジングは、円筒形の金属カップを含み、さらなる発展形態では、分離層と金属カップとの間に音響減結合層（Ｓｃｈａｌｌｅｎｔｋｏｐｐｌｕｎｇｓｓｃｈｉｃｈｔ）を有している。
【００５６】
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それらの間に配置されている、個々の各超音波変換器の音響減結合層はそれぞれ平坦な面に展開する。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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ＩＰ４０保護等級に従って形成されている。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
他の実施形態では、担体構造は、担体構造の第１の端面での第１の平坦な面と、担体構造の第２の端面での第２の平坦な面とを有しており、ここで、この第１の端面は、第２の端面に対して平行に形成されている。
【００６３】
このために、超音波センサは、入口開口部に、第１の直線に沿って配置されており、音響チャネルの出口開口部は、第２の直線に沿って配置されている。有利には、これら２つの直線は互いに平行に形成されている。第２の直線の長さが、第１の直線の長さよりも格段に短いことが明らかである。利点は、収容装置における、平行する２つの端面を有する担体構造の取り付けが格段に容易になるということである。
【００６４】
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】
【００６５】
【図１】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る。
【図２】図２Ａ及び図２Ｂは、個々の超音波変換器の第１の本発明による実施形態の図である。
【図３】音響チャネルの第２の本発明による実施形態の図である。
【図４】音響チャネルの第３の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図である。
【００６６】
図１は、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。これは、物体、輪郭又は間隔を検出する、直線に沿って配置されている５つの超音波変換器と、制御ユニット１４とを有している。ここで、この制御ユニット１４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。
【００６７】
図示の実施例では、超音波変換器１２は、同一の間隔Ａ１で、共通の担体構造１６内に入れられている。ここで、各超音波変換器は圧電体１８、圧電体１８を包囲しているハウジング２２を有している。各超音波変換器１２は、同一の周波数を放射するように及び／又は受け取るように設計されており、ここで、この周波数は、２０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの範囲にある。
【００６８】
図２Ａには、複数の超音波変換器１２のうちの１つの超音波変換器の第１の本発明による実施形態の平面図が示されている。各超音波変換器１２のハウジング２２は、少なくとも７ｍｍの外径Ｄ１を備える円筒形の金属カップ２４を有している。ハウジング２２は、圧電体１８用の、基準電位にあるシールド２０を形成する。
【００６９】
金属カップ２４の開放端部には、音波を気体状の媒質へ分離するための音響分離層２６が配置されている。分離層２６と金属カップ２４との間には音響減結合層２８が配置されている。
【００７０】
音響分離層２６の表面、金属カップ２４の縁部及びその間に配置されている、各超音波変換器１２の音響減結合層２８はそれぞれ、共通の平坦な面にある。
【００７１】
１Ｄ超音波変換器ユニット１０の隣接する２つの超音波変換器１２の間の間隔Ａ１はそれぞれ、ある超音波変換器１２の音響分離層２６の中心から、他の超音波変換器１２の音響分離層２６の中心までの間隔を示す。間隔Ａ１は、最大で１０ｃｍ又は最大で５ｃｍ又は最大で２ｃｍである。
【００７２】
図２Ｂには、複数の超音波変換器１２のうちの１つの超音波変換器のハウジング２２の背面図が示されている。金属カップ２４の底部は２つの貫通孔３０を有しており、これらを通してそれぞれ電気的な接続コンタクト３２がハウジング内部から外へ導出される。電気的な接続コンタクト３２は、注入コンパウンド３４によって、金属カップ２４に対して電気的に絶縁されている。
【００７３】
１Ｄ超音波変換器ユニット１０は超音波変換器毎に１つの音響チャネル３６を有しており、各音響チャネルは、入口開口部３８及び出口開口部４０及び最短で３ｃｍかつ最長で２０ｃｍの長さＬ１を有している。入口開口部はそれぞれ、各超音波変換器１２がチャネル３６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。
【００７４】
図示の実施例ではこのために、それぞれ、超音波変換器１２が少なくとも部分的に、割り当てられている各音響チャネル３６内へ達しており、これによって音響分離層２６は完全に、各音響チャネル３６内に位置する。同様に、図示されていない実施形態では、入口開口部を、僅かな間隔で、音響分離層２６の前に、又は、たとえば金属カップの縁部に接して位置付けることが可能である。
【００７５】
隣接する２つの出口開口部はそれぞれ、出口開口部の中心から出口開口部の中心までの、最大で５ｃｍ又は最大で２ｃｍ又は最大で０．５ｃｍの間隔Ａ２を有している。本発明では、出口開口部４０同士の間隔Ａ２はそれぞれ、入口開口部３８同士の間隔Ａ１以下である。
【００７６】
各音響分離層２６から、属する音響チャネル３６の出口開口部４０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。
【００７７】
図３及び図４には、音響チャネルのさらなる本発明による実施形態が概略的に示されている。以降においては、それぞれ、図１又は図３の実施形態に対する違いを説明する。
【００７８】
図３に示された実施例では、音響チャネル３６は、すべての音響チャネル３６の出口開口部４０が共通の平坦な面Ｅ１にあるように延在している。
【００７９】
各音響チャネル３６の入口開口部３８に続いている、各音響チャネル３６の領域は、割り当てられている各超音波変換器１２が音響チャネル３６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３６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４２とを有している。
【００８０】
入口開口部３８は超音波変換器１２と共にそれぞれ、出口開口部４０が面Ｅ１内に位置し、各音響分離層２６から、割り当てられている出口開口部までの長さＬ１が、音響周波数の波長の８分の１の倍数であるように、担体構造１６内に配置されている。
【００８１】
図４に示された実施例では、すべての音響チャネル３６の出口開口部４０は、凹状に湾曲した面Ｆ１にある。
【００８２】
図５では、個々の音響チャネル３６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。
【００８３】
入口開口部３８は幅ｘ１及び高さｙ１の断面を有しており、出口開口部４０は幅ｘ２及び高さｙ２の断面を有している。
【００８４】
入口開口部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、出口開口部は楕円形であり、断面の幅ｘ２は幅ｙ２よりも小さい。
【００８５】
有利には、出口開口部４０の幅ｘ２は、入口開口部３８の幅ｘ１よりも小さい。これとは異なり、出口開口部４０の高さｙ２は、有利には、入口開口部３８の高さｙ１よりも大きい。
【００８６】
特に有利には、入口開口部３８の断面の面積が、出口開口部４０の断面の面積に相当するように、音響チャネル３６の高さの増加は、音響チャネル３６の幅の減少を補償する。
【００８７】
最大で音響周波数の波長である、出口開口部４０の中心から、直接的に隣接する出口開口部４０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４０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。
【００８８】
図６には、出口開口部４０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４０の断面の面積が、入口開口部３８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１】
2021524042.tif 000003
【図２】
2021524042.tif 000004
【図３】
2021524042.tif 000005
【図４】
2021524042.tif 000006
【図５】
2021524042.tif 000007
【図６】
2021524042.tif 000008
【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】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。
【手続補正２】
【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】
物体、輪郭又は間隔を検出するための少なくとも３つの超音波変換器（１２）と制御ユニットとを含む１Ｄ超音波変換器ユニット（１０）であって、
・前記制御ユニット（１４）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、
・各超音波変換器（１２）はそれぞれ、ハウジング（２２）と、前記ハウジング（２２）内に配置されている圧電体（１８）と、音波を気体状の媒質へ分離するための前記ハウジング（２２）の開放端部に配置されている音響分離層（２６）とを有しており、
・各超音波変換器（１２）は、同一の周波数を放射し及び／又は受け取るように設計されており、
・前記超音波変換器（１２）の前記周波数は、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、最大１０ｃｍ又は最大５ｃｍ又は最大２ｃｍの、前記音響分離層（２６）の中心から前記音響分離層（２６）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（３６）を有しており、
・各音響チャネル（３６）は、第１の断面を有する入口開口部（３８）と第２の断面を有する出口開口部（４０）とを有しており、
・各音響分離層（２６）には、厳密に前記複数の入口開口部（３８）のうちの１つが割り当てられており、
・前記出口開口部は、線に沿って配置されており、
・前記複数の出口開口部（４０）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（４０）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（４０）間の前記間隔（Ａ２）はそれぞれ、対応する前記入口開口部（３８）同士の前記間隔（Ａ１）よりも短く、
・前記入口開口部（３８）の面積に対する前記出口開口部（４０）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（３６）は、少なくとも、前記入口開口部（３８）の直径の長さを有している、
１Ｄ超音波変換器ユニット（１０）において、
・前記超音波変換器（１２）は、共通の担体構造（１６）内に入れられており、かつ、
すべての音響チャネル（３６）の前記出口開口部（４０）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（３８）の面積に対する前記出口開口部（４０）の面積の比は、０．３５〜１．０の間又は０．４〜０．８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】
各超音波変換器（１２）の前記音響分離層（２６）から、割り当てられている前記音響チャネル（３６）の前記出口開口部（４０）までの長さ（Ｌ１）は、気体状の媒質における波長の８分の１の整数倍又は気体状の媒質における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（３６）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、はじめは、前記音響分離層（２６）と共に、割り当てられている前記入口開口部（３８）内に突出する、
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（３６）は、割り当てられている前記超音波変換器（１２）の少なくとも一部を正確に適合して収容する、
請求項５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）の前記ハウジング（２２）は、少なくとも５ｍｍの直径（Ｄ７）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】
要素の数が増加し、４個又は５個又は６個又は８個又は１６個の超音波変換器が線上に位置する、
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】
前記各音響チャネル（３６）は、同一の前記長さ（Ｌ１）を有している、
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】
前記超音波変換器（１２）は１つの共通の平坦な面に位置し、これによって、前記各音響チャネル（３６）は、異なる長さ（Ｌ１）を有する、
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）。
【請求項１１】
各超音波変換器（１２）の前記ハウジング（２２）は、円筒形の金属カップ（２４）を含む、
請求項１から１０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１２】
各超音波変換器（１２）の前記ハウジング（２２）は、前記分離層（２６）と前記金属カップ（２４）との間に音響減結合層（２８）を有している、
請求項１１に記載の１Ｄ超音波変換器ユニット（１０）。
【請求項１３】
前記音響分離層（２６）の表面、前記金属カップ（２４）の縁部及びそれらの間に配置されている、個々の各超音波変換器（１２）の前記音響減結合層（２８）は、それぞれ平坦な面に展開する、
請求項１２に記載の１Ｄ超音波変換器ユニット（１０）。
【請求項１４】
各超音波変換器（１２）は、基準電位にある電磁シールド（２０）を有している、
請求項１から１３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１５】
各超音波変換器（１２）の前記ハウジング（２２）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１４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）。
【国際調査報告】
2021524042.tif 000009
2021524042.tif 000010
2021524042.tif 000011
2021524042.tif 000012
2021524042.tif 000013
2021524042.tif 000014