(57)【要約】【課題】効率よく超音波を送受信することができる超音波センサを提供することを目的とする。【解決手段】超音波センサ１は、音源に対向する部分に開口を有するケース２と、ケース２の開口に配設され、複数の同心円によって形成される複数の環状領域を、交互に、光が透過する状態、透過しない状態としたパターンを有するプレート３と開口に受信面を対向させてケース２内部に配設され、音源から超音波を受信するホーン４とを備える。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
開口部を有するプレートと、
前記開口部に対向する受信面を有する受信部と
を有し、
前記開口部は、前記受信部とほぼ同形である
ことを特徴とする超音波センサ。
【請求項２】
開口部を有するプレートと、
前記開口部に対向する受信面を有する受信部と
を有し、
前記プレートは、前記開口部に、超音波を透過させる環状領域と、透過させない環状領域とが同心円状に交互に形成されたパターンを有する
ことを特徴とする超音波センサ。
【請求項３】
請求項２に記載の超音波センサにおいて、
前記受信面は、平面視略円形である
ことを特徴とする超音波センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波を送受信において用いることができる超音波センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、超音波は、様々な用途で用いられている。例えば、魚群探知機、自動車の衝突防止センサ、切削加工または家電のリモートコントローラなどにおいては、信号伝達手段として用いられている。また、最近では、例えば心臓のペースメーカーなどで、超音波を電力伝送手段として用いることも提案されている。
【０００３】
信号伝達手段としての超音波は、センサがＳ／Ｎ比よく受信することができれば、音圧の低い微弱な信号でも使用するには事足りていたが、最近、信号伝達手段としての利用範囲が拡大し、より遠い距離にある対象と超音波信号を送受信することが望まれている。このより遠い距離になる対象との超音波信号の送受信は、トランスデューサーから送波する超音波信号の音圧を増大させることにより対応させることができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、例えば家電のリモートコントローラなどに用いられる小型の超音波センサの場合、大きさ等の外形的制約があるため、駆動源として小型電源を使用することを余儀なくされ、結果として送波できる超音波の音圧が限られる。このため、超音波をより効率よく受信することができる超音波センサが望まれている。
同様に、電力伝送手段としての超音波を用いる場合も、強い音圧の超音波を送受信することができれば電力を多く伝送することができる。特に、心臓のペースメーカーなどは、その性質上小型であるのが望ましく、このため、超音波を効率よく受信することができる超音波センサが望まれている。
【０００５】
従来では、超音波を効率よく受信するために、振動子で発生させた超音波の指向性を高めるホーンに注目し、ホーンの加工精度を上げることにより超音波センサの感度を向上させるようにしていた。しかし、金属材料を用いて作製されているホーンは、超音波センサが小型の場合、受信する超音波の周波数に合わせて精度よく加工することが難しい。また、精密なホーンを作製するためには、加工精度を向上させることが必要であり、これは製造コストを増大させる。さらに、精度よく作製されたホーンを用いたとしても、小型化した場合には十分な音圧を得ることが難しく、効果が大きいとは言い難い。
そこで、本発明は、上述したような課題を解決するためになされたものであり、効率よく超音波を受信することができる超音波センサを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上述したような課題を解決するために本発明にかかる超音波センサは、開口部を有するプレートと、前記開口部に対向する受信面を有する受信部とを有し、前記開口部は、前記受信部とほぼ同形であることを特徴とする。この超音波センサによれば、開口の大きさは、開口を通過する超音波が回折を起こす程度の大きさである場合、音源からケース内部に入射する超音波は、プレートを通過する際に回折による干渉を起こし、位相が一致するところでは互いに強め合う。なお、ほぼ同形とは、開口部と受信面とが同形・同面積の場合はもちろんのこと、前者より後者の方が大きく、前者を後者に投影した場合に前者の形が後者に含まれる場合も含む。
【０００７】
また、本発明にかかる超音波センサは、開口部を有するプレートと、前記開口部に対向する受信面を有する受信部とを有し、前記プレートは、前記開口部に、超音波を透過させる環状領域と、透過させない環状領域とが同心円状に交互に形成されたパターンを有することを特徴とする。この超音波センサによれば、音源からケース内部に入射する超音波は、プレートの開口部に形成されたパターンを通過する際に回折による干渉を起こす。
【０００８】
上記超音波センサにおいて、受信面は、平面視略円形であるようにしてもよい。この超音波センサによれば、回折により干渉した超音波を効率よく受信することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
［第１の実施の形態］
以下、図面を参照して本発明の第１の実施の形態について詳細に説明する。図１は、第１の実施の形態にかかる超音波センサの断面図、図２は、この超音波センサに用いられるプレートの正面図である。
全体を符号１で示す超音波センサは、一底面が開口した円筒の形状を有するケース２と、このケース２の開口部に配設されたプレート３と、ケース２内の他の底面のほぼ中央に配設されたセンサ部４とから構成される。このセンサ部４は、図示しない基台上に金属板５を介して支持される圧電体板６と、底面が開口した円錐形状を有し、その頂点部が圧電体板６と当接するとともにその開口した底面がプレート３に対向した受信部として機能するホーン７と、一端が圧電体板６に接続され、他端がケース２内部からケース２外部に導出されている入出力端子８に接続されているケーブル９と、一端が金属板５に接続され、他端がケース２内部からケース２外部に導出されている入出力端子１０に接続されているケーブル１１とから構成される。
【００１０】
プレート３は、例えばアルミやチタン等からなり、図２に示すように、超音波を透過させる環状領域と、透過させない環状領域とからなる同心円状のパターンが形成され、支持棒１２ａ、１２ｂによりケース２の開口部に配設される。このようなプレート３を有する超音波センサ１は、音源から超音波がプレート３に入射してくると、このプレート３により超音波に干渉を引き起こさせ、同位相の部分が互いに強め合い、結果として入射してきた超音波の音圧を増大させる。音圧を増大させられた超音波は、ホーン７の受信面に到達し、このホーン７を共振させる。ホーン７は、あらかじめ受信する超音波の振動数に対応させて形成されており、これにより音響エネルギー（超音波エネルギー）を効率よく振動に変換する。ホーン７の振動は、圧電体板６に機械的なひずみを生じさせることにより圧電効果を引き起こす。その結果、圧電体板６と金属板５との間に電位差が生じ、電気的エネルギーが発生する。この電気的エネルギーは、ケーブル９、１１および入出力端子８、１０により超音波センサ１外部に導出され、用途に応じて利用される。
なお、ホーン７の受信面とは、ホーン７においてプレート３に対向している方の面（円錐の内側の面）を示す。
また、本実施の形態において、円筒として説明するケース２は、プレート３を支持するものであれば、その形状は円筒に限るものではなく、さらには、必ずしもその側壁部が閉じている必要はない。
【００１１】
プレート３のパターンは、ｋを任意の自然数、λを超音波の波長とすると、各同心円の半径すなわち各パターンの内径または外径ＲＮを式（１）により設定することができる。
ＲＮ＝｛λ×ｎ／（２×ｋ）｝１／２　…（１）
プレート３のパターンを形成する同心円の半径は、同心円の中心からの順番をｍ（同心円の中心を０とする）とすると、ｍ＝０、１、２、…、としたとき下記の式（２）〜（４）によって定まるｎを用いて設定する。つまり、図２に示すような中心部がパターン残し部となる同心円状のパターンが形成される場合、パターン残し部分の内径は、式（２）によって算出したｎを式（１）に代入することにより、外径は、式（３）により算出したｎを式（１）に代入することにより求める。また、パターン抜き部分の内径は、式（３）により算出したｎを式（１）に代入することにより、外径は、式（４）により算出したｎを式（１）に代入することにより求める。
ｎ＝２×ｍ　…（２）
ｎ＝２×ｍ＋１　…（３）
ｎ＝２×ｍ＋２　…（４）
【００１２】
また、プレート３のパターンは、図３に示すように、図２とはパターン残し部分とパターン抜き部分とが逆になるようにしてもよい。この場合、パターン抜き部分の内径は、式（２）により算出したｎを式（１）に代入することにより、外径は、式（３）により算出したｎを式（１）に代入することにより求める。パターン残し部分の内径は、式（３）により算出したｎを式（１）に代入することにより、外径は、式（４）により算出したｎを式（１）に代入することにより求めることができる。
このようにしても、プレート３の同心円状のパターンが形成される。
【００１３】
本実施の形態において、プレート３のパターンを式（１）〜（４）のように設定した理由について以下に説明する。
一般に、フレネルゾーンプレートの半径ＲＮは、以下に示す式（５）で表される。
ＲＮ＝｛λ×ｎ×ｒ１×ｒ２／（ｒ１＋ｒ２）｝１／２　…（５）
この式（５）で表されるフレネルゾーンプレートの半径ＲＮの式は、隙間を回折してきた音が干渉して強め合う、すなわち一点に集まる（到達する）音が同位相であるときの波長と音源からその一点までの距離を基にしている。このとき、ｒ１、ｒ２は、音源からの距離を表す。式（５）では、二つの音源がスリットを通過してくることを想定しているが、本実施の形態の場合、単一音源と考えられるので、ｒ１＝ｒ２＝ｒとなる。よって、式（５）は、式（６）に示すようになる。
ＲＮ＝（λ×ｎ×ｒ／２）１／２　…（６）
ここで、音源と超音波センサの距離は、使用環境、音源と超音波センサの位置関係およびケース２の外形等により左右されるので、ｒが一意に決まらない。そこで、本実施の形態では、調整パラメータｋを用い、ｒに１／ｋを代入して対応する。ｒ＝１／ｋを式（６）に代入すると、式（１）が導出される。
【００１４】
ここで、調整パラメータｋは、ケース２の外形、プレート３の開口部の面積、プレート３に形成するパターンの同心円の数等を考慮して設定する。この際、プレート３に形成される同心円状のパターンの数は、プレート３の開口面積とプレート３のパターン抜き部分の面積および超音波が回折を起こす間隔との兼ね合いを考慮し、超音波がケース２内部に十分入射することができるように設定する。
【００１５】
図２または図３に示すような半径Ｒが異なる同心円パターンをセンサ部４前面に置くと、複数の同心円状のスリットを通過する超音波同士が回折による干渉を起こし、ホーン７が受信することができる音圧が増加する。この様子を図４に示す。図４は、フレネル回折を起こした場合のホーン７での音圧分布を示す図である。図４において、点線は、プレート３がない場合の平均音圧である。プレート３をケース２の開口部に配設すると、プレート３とホーン７との距離が近い場合は、プレート３を通過する超音波がフレネル回折により干渉を起こし、ホーン７においてプレート３のパターンのエッジ部分に対向する部分が受信する音圧が増大する。
【００１６】
フレネル回折による干渉が生じているときのプレート３とホーン７との間隔は、フレネル回折の式により、音源から超音波センサ１までの距離および超音波の周波数から算出することができるのは言うまでもない。例えば、音源から超音波センサ１までの距離を１ｍ、超音波の周波数を２５ｋＨｚとした場合、プレート３とホーン７との間隔は、７．４ｍｍとなる。
【００１７】
超音波センサ１は、前述したように、ホーン７を超音波により共振させることで超音波エネルギーを電気的エネルギーに変換する。このため、超音波センサ１にとって超音波を効率よく受信する点で重要なのは、受信する超音波の平均音圧ではなく、受信する超音波の最大値である。したがって、本実施の形態にかかる超音波センサ１は、プレート３を配設することにより、ホーン７においてプレート３のパターンのエッジ部分に対向する部分が受信する音圧が増大するので、効率よく超音波を受信することが可能となる。
なお、図２に示すパターンと図３に示すパターンとは、同等の効果を得ることができる。
【００１８】
また、プレート３の開口部（最も外側に位置するパターン抜きの部分の外周）は、ホーン７の底面の開口とほぼ同じ外径を有する。このような構成にすることにより本実施の形態にかかる超音波センサ１は、干渉により音圧が増大した超音波を、効率よく受信することができる。
【００１９】
なお、本実施の形態において、プレート３が引き起こす回折の種類は、フレネル回折に限定されない。例えばフラウンホーファー（Ｆｒａｕｎｈｏｆｅｒ）の回折など、プレート３を通過する超音波が回折による干渉を起こし、ホーン７が受信する音圧が増大するならば、本実施の形態にかかる超音波センサ１は、各種回折に対応することができる。
【００２０】
また、プレート３の材質は、超音波を透過しない材質であれば、適宜自由に変更することができる。また、プレート３の形状は、板状に限らず、膜状でもよい。
【００２１】
［第２の実施の形態］
次に、図面を参照して本発明の第２の実施の形態について詳細に説明する。図５は、第２の実施の形態にかかる超音波センサの断面図である。第２の実施の形態にかかる超音波センサ２０は、第１の実施の形態として示した超音波センサ１のケース２の開口部に、略円形の開口を有するプレート２１をプレート３の替わりに設けたものである。そこで、第１の実施の形態と同等の構成要素には同じ名称および符号を付し、適宜説明を省略する。
【００２２】
プレート２１は、第１の実施の形態で示したプレート３と同等の材質から構成され、円盤の形状を有し、その中央部に通過する超音波が回折を起こす程度の大きさの開口部が形成されており、ケース２の開口部に配設されている。このような構成を有する超音波センサ２０は、音源から超音波がプレート２１の開口部に入射してくると、このプレート２１の開口部により回折した超音波が互いに干渉して、同位相の部分が互いに強め合い、結果として入射してきた超音波の音圧を増大させる。図６は、フレネル回折を起こした場合の第２の実施の形態におけるホーン７での音圧分布を示す図である。超音波センサ１のケース２の開口部に配設されたプレート２１とホーン７との間隔が短い場合、超音波センサ１に入射してくる超音波は、フレネル回折による干渉を起こし、ホーン７においてケース２の開口部のエッジ部分に対向する部分が受信する音圧が増大する。このように、本実施の形態にかかる超音波センサ２０は、プレート２１を配設することにより、より音圧の高い超音波をホーン７で受信するので、効率よく超音波を受信することが可能となる。
【００２３】
フレネル回折による干渉が生じているときのプレート２１とホーン７との間隔は、フレネル回折の式により、音源から超音波センサ１までの距離および超音波の周波数から算出することができるのは言うまでもない。例えば、音源から超音波センサ１までの距離を１ｍ、超音波の周波数を４０ｋＨｚとした場合、プレート３とホーン７との間隔は、１．２ｃｍとなる。
【００２４】
また、本実施の形態においても、プレート２１が引き起こす回折の種類は、フレネル回折に限定されない。例えばフラウンホーファー（Ｆｒａｕｎｈｏｆｅｒ）の回折など、ケース２の開口部を通過する超音波が回折による干渉を起こし、ホーン７が受信する音圧が増大するならば、本実施の形態にかかる超音波センサ２０は、各種回折に対応することができる。
【００２５】
また、本実施の形態において、プレート２１の形状は、開口部の外径がこの開口部を通過する超音波が回折を起こす程度の大きさであるならば、適宜自由に変形、変更することができる。
また、開口部の形状は、円形に限るものではなく、楕円、矩形等、その他の形状であってもよい。
【００２６】
また、図５に示す本実施の形態において、ケース２の外径は、プレート２１の開口部より小さく形成されているが、プレート２１の開口部を通過する超音波に回折を起こすことができ、かつ干渉による音圧の増大がホーン７上で生じる大きさであるならば、適宜自由に設定することができる。この変形例を図７に示す。
【００２７】
図７は、第２の実施の形態にかかる超音波センサの変形例の断面図である。図７に示す超音波センサ３０は、図５で示した超音波センサ２０のプレート２１の替わりに、プレート３１をケース２の開口部を覆うようにケース２に配設したものである。そこで、第１の実施の形態および図５で示した超音波センサ２０と同等の構成要素には同じ名称および符号を付し、適宜説明を省略する。
【００２８】
プレート３１は、第１の実施の形態で示したプレート３と同等の材質から構成され、中央部に開口を有する板状の形状を有し、ケース２の開口部を覆うようにケース２に配設されている。プレート３１の開口部は、この開口部を通過する超音波が回折を起こす程度の大きさ有する。このような構成を有する超音波センサ３０は、音源から超音波がプレート３１の開口部に入射してくると、このプレート３１の開口部により回折した超音波が互いに干渉し、同位相の部分が互いに強め合い、結果として入射してきた超音波の音圧を増大させる。これにより、図７に示す超音波センサ３０は、プレート３１を配設することにより、ケース２の外径に関わらず、効率よく超音波を受信することが可能となる。
【００２９】
なお、図７に示す変形例において、プレート３１の形状は、開口部の外径がこの開口部を通過する超音波が回折を起こす程度の大きさであるならば、適宜自由に変形、変更することができる。
また、開口部の形状は、円形に限るものではなく、楕円、矩形等、その他の形状であってもよい。
さらに、フレネル回折現象と利用する場合は、プレート３１の開口部とホーン７の底面との形状は、ほぼ同じか、前者より後者が若干大きくなるように形成するとよい。
【００３０】
次に、本実施の形態の他の変形例を図８に示す。図８は、超音波センサを装置に組み込んだ例である。超音波センサ１は、装置４０のケース４１内部に配設されている。ケース４１は、超音波センサ１の開口部に対向する部分に、超音波センサ１の開口部と同等の略円形状を有しかつ面積の小さい開口部４２が設けられている。この開口部４２の外径は、通過する超音波が回折を起こす程度の大きさである。図８に示す変形例において、ケース４１は、図５で示したプレート２１または図７で示したプレート３１と同等の機能を実現し、音源から超音波が開口部４２に入射してくると、この開口部４２により超音波に回折による干渉を引き起こさせ、同位相の部分が互いに強め合い、結果として超音波の音圧を増大させる。このように、装置４０は、ケース４１に開口部４２を設けることにより、音源から超音波センサ１に入射してくる超音波の音圧を増大させることができるので、効率よく超音波を受信することが可能となる。
【００３１】
なお、図８に示す変形例において、ケース４１の形状は、開口部４２の外径がこの開口部を通過する超音波が回折を起こす程度の大きさであるならば、適宜自由に変形、変更することができる。
また、開口部４２の形状は、円形に限るものではなく、楕円、矩形等、その他の形状であってもよい。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、プレートに設けられた受信部とほぼ同形の開口部が、この開口部から入射する超音波に回折による干渉を起こし、同位相の部分が互いに強め合うことにより、受信部で受信する超音波の音圧を増大させることができるので、超音波を効率よく受信することが可能となる。
また、本発明によれば、プレートの開口部に超音波を透過させる環状領域と、透過させない環状領域とが同心円状に交互に形成されたパターンを設けることにより、開口部から入射する超音波がパターンにより回折による干渉を起こし、受信部で受信する超音波の音圧を増大させることができるので、超音波を効率よく受信することが可能となる。
さらに、本発明によれば、受信面が開口部とほぼ同形を有することにより、受信面で超音波を効率よく受信することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態にかかる超音波センサの断面図である。
【図２】プレートの正面図である。
【図３】プレートの正面図である。
【図４】ホーン７での音圧分布を示す図である。
【図５】第２の実施の形態にかかる超音波センサの断面図である。
【図６】第２の実施の形態におけるホーン７での音圧分布を示す図である。
【図７】第２の実施の形態の変形例の断面図である。
【図８】超音波センサを装置に組み込んだ例である。
【符号の説明】
１…超音波センサ、２…ケース、３…プレート、４…センサ部、５…金属板、６…圧電体板、７…ホーン、８…入出力端子、９…ケーブル、１０…入出力端子、１１…ケーブル、１２ａ、１２ｂ…支持棒、２０…超音波センサ、２１…プレート、３０…超音波センサ、３１…プレート、４０…装置、４１…ケース、４２…開口部。
【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】
2004032499.tif 000007
【図６】
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【図７】
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【図８】
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