(57)【要約】本発明の超音波受波器は、第１の開口６３を有し、前記第１の開口６３から入射する超音波を所定の方向へ伝搬させる導波路６０を規定する導波部６と、透過面６１を有し、前記透過面６１が前記超音波の伝搬方向に沿って前記導波路６０の一面を構成するように前記導波路６０に設けられた伝搬媒質部３であって、前記導波路６０を伝搬するにしたがって前記超音波の一部が前記透過面６１からそれぞれ前記伝搬媒質部３へ透過し、所定の収束点に収束するように前記透過面６１が構成され、前記導波路に対して配置されている伝搬媒質部３と、前記収束点３３に配置されており、前記収束した超音波を検出する検出部２とを備え、前記伝搬媒質部は前記透過面と前記収束点との間を満たしている伝搬媒質を含み、前記導波路は環境流体で満たされており、前記伝搬媒質部３および前記環境流体４における超音波の音速をＣnおよびＣaとしたとき、【数１８】2010503243.tif 000018の関係を満たし、  前記導波路の第１の開口から、前記透過面上の前記超音波の伝搬方向に沿った任意の位置に設定した点Ｐまでの導波路の長さをＬaとし、前記点Ｐから前記収束点までの長さをＬnとしたとき、点Ｐの位置にかかわらず、Ｌa／Ｃa＋Ｌn／Ｃnが一定である。
2010503243.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の開口を有し、前記第１の開口から入射する超音波を所定の方向へ伝搬させる導波路を規定する導波部と、
透過面を有し、前記透過面が前記超音波の伝搬方向に沿って前記導波路の一面を構成するように前記導波路に設けられた伝搬媒質部であって、前記導波路を伝搬するにしたがって前記超音波の一部が前記透過面からそれぞれ前記伝搬媒質部へ透過し、所定の収束点に収束するように前記透過面が構成され、前記導波路に対して配置されている伝搬媒質部と、
前記収束点に配置されており、前記収束した超音波を検出する検出部と、
を備え、
前記伝搬媒質部は前記透過面と前記収束点との間を満たしている伝搬媒質を含み、
前記導波路は環境流体で満たされており、前記伝搬媒質および前記環境流体における超音波の音速をＣnおよびＣaとしたとき、
【数１６】
2010503243.tif 000016
の関係を満たし、
前記導波路の第１の開口から、前記透過面上の前記超音波の伝搬方向に沿った任意の位置に設定した点Ｐまでの導波路の長さをＬaとし、前記点Ｐから前記収束点までの長さをＬnとしたとき、点Ｐの位置にかかわらず、Ｌa／Ｃa＋Ｌn／Ｃnが一定である
超音波受波器。
【請求項２】
前記透過面は曲面である請求項１に記載の超音波受波器。
【請求項３】
前記伝搬媒質および前記環境流体の密度をそれぞれρnおよびρaとしたとき、
【数１７】
2010503243.tif 000017
の関係を満たしている、請求項２に記載の超音波受波器。
【請求項４】
前記検出部は、曲面を有する受波面を備えた超音波振動子を含む請求項３に記載の超音波受波器。
【請求項５】
前記導波路の幅は前記超音波の波長の１／２以下である請求項４に記載の超音波受波器。
【請求項６】
前記導波路の前記超音波の進行方向に垂直な断面積は前記進行方向に沿って減少している請求項５に記載の超音波受波器。
【請求項７】
前記導波路の終端は開放されている請求項６に記載の超音波受波器。
【請求項８】
前記導波路の終端に設けられており、音響インピーダンスが徐々に変化する音響インピーダンス変換部をさらに備える請求項７に記載の超音波受波器。
【請求項９】
前記伝搬媒質は、無機酸化物又は有機高分子の乾燥ゲルから形成されている請求項６に記載の超音波受波器。
【請求項１０】
前記乾燥ゲルの固体骨格部は疎水化されている請求項９に記載の超音波受波器。
【請求項１１】
前記乾燥ゲルは、１００ｋｇ／ｍ3以上の密度、および、３００ｍ／ｓ以下の音速を有する請求項１０に記載の超音波受波器。
【請求項１２】
前記環境流体は空気である請求項１１に記載の超音波受波器。
【請求項１３】
前記導波路の第１の開口よりも大きな第２開口を有し、第２開口から入射した超音波を収束させることによって音圧を高め、前記導波路の第１の開口へ入射させる収束部をさらに備える請求項６に記載の超音波受波器。
【請求項１４】
第１の開口を有し、前記第１の開口から入射する超音波が伝搬する導波部と、
透過面を有し、前記透過面が前記超音波の伝搬方向に沿って前記導波部の一面を構成するように設けられた伝搬媒質部であって、前記導波部を伝搬する前記超音波が前記透過面から前記伝搬媒質部へ透過し、所定の収束点に収束するように前記透過面が構成され、前記導波部に対して配置されている伝搬媒質部と、
前記収束点に配置されており、前記収束した超音波を検出する検出部と、
を備え、
前記伝搬媒部を伝搬する超音波の音速をＣn、前記導波部を伝搬する超音波の音速をＣa、  前記導波路の第１の開口から、前記透過面上の前記超音波の伝搬方向に沿った任意の位置に設定した点Ｐまでの導波路の長さをＬaとし、前記点Ｐから前記収束点までの長さをＬnとしたとき、点Ｐの位置にかかわらず、Ｌa／Ｃa＋Ｌn／Ｃnが一定である
超音波受波器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波の受波または検出を行う超音波受波器に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波は気体や液体、固体など種々の媒質を伝搬するため、計測、物性測定、工学、医学、生物学等の様々な分野で利用されている。
【０００３】
媒質中における超音波の伝搬しやすさは、音響インピーダンスとして表され、一般に、気体と固体など音響インピーダンスの大きく異なる媒質の界面では、媒質を伝搬する超音波のほとんどが反射され、異なる媒質へ超音波を高い効率で伝搬させることができない。
【０００４】
超音波の検出には超音波振動子が広く用いられ、超音波振動子はセラミックスなどの圧電体で構成される。このため、気体を伝搬してきた超音波を超音波振動子で検出する場合、伝搬してきた超音波の大部分が超音波振動子の表面で反射し、一部の超音波のみが超音波振動子に検出される。その結果、高い感度で超音波を検出することは一般に難しい。超音波振動子から気体中へ超音波を送信する場合も同様に、反射による効率の低下が生じる。したがって、特に、距離や流量の計測、物体の検知などに超音波を利用する場合、超音波を高感度で検知することが重要な課題の１つである。
【０００５】
この課題を解決するために、たとえば特許文献１は、超音波の屈折を利用して気体などの環境流体を伝搬する超音波を高感度で検出し、広帯域の超音波を環境流体へ送信することのできる超音波送受波器を開示している。以下この超音波受波器を説明する。
【０００６】
図１４に示すように、この従来の超音波送受波器２０１は、超音波振動子２０２と、超音波振動子２０２の送受波面である第１の表面領域２３１に設けられた伝搬媒質２０３とを備える。超音波送受波器２０１の周りは環境流体４で満たされており、環境流体４中を超音波は矢印２０５で示す方向に伝搬し、伝搬媒質２０３の第２の表面領域２３２に入射する。このような形態の超音波を特に屈折伝搬型超音波送受波器と呼ぶ。
【０００７】
伝搬媒質２０３には、音速が環境流体４中を伝搬する音速より遅く、密度が環境流体４より大きい物質が選ばれる。特許文献１はこのような物質として、シリカ骨格からなる乾燥ゲル材料を開示している。シリカ乾燥ゲルは、製造工程における条件を変更することによって、音速および密度を調整することが可能な材料である。たとえば、環境流体４が空気であれば、２００ｋｇ／ｍ3の密度および１５０ｍ／ｓの音速を有するように、伝搬媒質２０３を構成する材料を選択することが可能である。
【０００８】
第１の表面領域２３１と第２の表面領域２３２とのなす角をθ1、第２の表面領域２３２の法線と超音波の伝搬方向２０５とのなす角をθ2としたとき、角度θ1およびθ2を適切に選択することによって、第２の表面領域２３２における超音波の反射をほぼ０にし、高い送受波感度をもつ超音波送受波器を実現できる。
【０００９】
特許文献１によれば、この時、角度θ1は約２６度であり、角度θ2は約８９度であり、超音波振動子２０２から送信される超音波は第２の表面領域２３２に対してほぼ平行に出射する。あるいは、第２の表面領域２３２に対してほぼ平行に入射した超音波が反射することなく伝搬媒質２０３に入射し、超音波振動子２０２に検出される。したがって、空気などの音響インピーダンスの極めて小さい媒質から、超音波を高い効率で伝搬媒質内に取り込む、あるいは伝搬媒質から空気へ高い効率で超音波を放射することができ、高感度に超音波を送受波することが可能となる。
【特許文献１】国際公開第２００４／０９８２３４号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
特許文献１の屈折伝搬型超音波送受波器によれば、異なる媒質の界面での超音波の反射を抑制でき、高効率で超音波を伝搬させることができる。しかし、環境流体４と界面をなす伝搬媒質２０３の第２の表面領域２３２に対してほぼ平行に超音波が入射するため、屈折伝搬型超音波送受波器では受波効率が悪いという問題がある。
【００１１】
図１５に示すように、第２の表面領域２３２の図１５における紙面と平行な方向の幅をＬ１とし、図１５における紙面と平行な方向において、同じ幅の範囲（Ｌ２１＋Ｌ２＋Ｌ２２＝Ｌ１）にある超音波５を、第２の表面領域２３２における反射がほぼ０となるように、つまり、θ2が約８９度となるように、第２の表面領域２３２に入射させる。この場合、Ｌ２１およびＬ２２の範囲を伝搬する超音波５は第２の表面領域２３２に入射せず、Ｌ２の範囲の超音波５のみが第２の表面領域２３２に入射し、超音波振動子２０２に検出される。
【００１２】
Ｌ２はＬ１×ｓｉｎ（９０°−θ2）で求められ、Ｌ２はＬ１の約１／１００となる。つまり、特許文献１の方法によって超音波を受信する場合、垂直な方向から超音波を受信する場合に比べて実効面積が約１／１００となり、著しく小さくなってしまう。
【００１３】
また、Ｌ２の範囲を伝搬してきた超音波は第２の表面領域２３２を透過し、幅Ｌ３の超音波振動子２０２に検出される。このとき、Ｌ３＞＞Ｌ２であるために、超音波５は伝搬媒質２０３で拡散されて超音波振動子２０２で受波される。したがって、超音波５が屈折伝搬型超音波送受波器に受波される時、エネルギ密度が低下する。
【００１４】
具体的には、第２の表面領域２３２と第１の表面領域２３１とがなす角度θ1は約２６度であるため、第１の表面領域２３１の幅Ｌ３はＬ１の約９０％（Ｌ１×ｃｏｓ２０°）となる。その結果、図１５の紙面に垂直な方向の長さは等しいとすれば、超音波振動子２０２の受波面である第１の表面領域２３１の面積は、超音波が入射する面積の約９０倍（１００×０．９）となる。このため、超音波振動子２０２に到達する超音波のエネルギー密度は約１／９０に低下する。
【００１５】
本発明は、このような課題を解決し、異なる媒質の界面での反射を抑制しつつ、高感度で超音波を検出し得る超音波受波器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の超音波受波器は、第１の開口を有し、前記第１の開口から入射する超音波を所定の方向へ伝搬させる導波路を規定する導波部と、透過面を有し、前記透過面が前記超音波の伝搬方向に沿って前記導波路の一面を構成するように前記導波路に設けられた伝搬媒質部であって、前記導波路を伝搬するにしたがって前記超音波の一部が前記透過面からそれぞれ前記伝搬媒質部へ透過し、所定の収束点に収束するように前記透過面が構成され、前記導波路に対して配置されている伝搬媒質部と、前記収束点に配置されており、前記収束した超音波を検出する検出部と、を備え、前記伝搬媒質部は前記透過面と前記収束点との間を満たしている伝搬媒質を含み、前記導波路は環境流体で満たされており、前記伝搬媒質および前記環境流体における超音波の音速をＣnおよびＣaとしたとき、
【数１６】
2010503243.tif 000003
の関係を満たし、前記導波路の第１の開口から、前記透過面上の前記超音波の伝搬方向に沿った任意の位置に設定した点Ｐまでの導波路の長さをＬaとし、前記点Ｐから前記収束点までの長さをＬnとしたとき、点Ｐの位置にかかわらず、Ｌa／Ｃa＋Ｌn／Ｃnが一定である。
【００１７】
ある好ましい実施形態において、前記伝搬媒質および前記環境流体の密度をそれぞれρnおよびρaとしたとき、
【数３】
2010503243.tif 000004
の関係を満たしている。
【００１８】
ある好ましい実施形態において、前記透過面は曲面である。
【００１９】
ある好ましい実施形態において、前記検出部は、曲面を有する受波面を備えた超音波振動子を含む。
【００２０】
ある好ましい実施形態において、前記導波路の幅は前記超音波の波長の１／２以下である。
【００２１】
ある好ましい実施形態において、前記導波路の前記超音波の進行方向に垂直な断面積は前記進行方向に沿って減少している。
【００２２】
ある好ましい実施形態において、前記導波路の終端は開放されている。
【００２３】
ある好ましい実施形態において、超音波受波器は、前記導波路の終端に設けられており、音響インピーダンスが徐々に変化する音響インピーダンス変換部をさらに備える。
【００２４】
ある好ましい実施形態において、前記伝搬媒質は、無機酸化物又は有機高分子の乾燥ゲルから形成されている。
【００２５】
ある好ましい実施形態において、前記乾燥ゲルの固体骨格部は疎水化されている。
【００２６】
ある好ましい実施形態において、前記乾燥ゲルは、１００ｋｇ／ｍ3以上の密度、および、３００ｍ／ｓ以下の音速を有する。
【００２７】
ある好ましい実施形態において、前記環境流体は空気である。
【００２８】
ある好ましい実施形態において、超音波受波器は、前記導波路の第１の開口よりも大きな第２開口を有し、前記第２開口から入射した超音波を収束させることによって音圧を高め、前記導波路の第１の開口へ入射させる収束部をさらに備える。
【００２９】
また、本発明の超音波受波器は、第１の開口を有し、前記第１の開口から入射する超音波が伝搬する導波部と、透過面を有し、前記透過面が前記超音波の伝搬方向に沿って前記導波部の一面を構成するように設けられた伝搬媒質部であって、前記導波部を伝搬する前記超音波が前記透過面から前記伝搬媒質部へ透過し、所定の収束点に収束するように前記透過面が構成され、前記導波部に対して配置されている伝搬媒質部と、前記収束点に配置されており、前記収束した超音波を検出する検出部と、を備え、前記伝搬媒部を伝搬する超音波の音速をＣn、前記導波部を伝搬する超音波の音速をＣa、前記導波路の第１の開口から、前記透過面上の前記超音波の伝搬方向に沿った任意の位置に設定した点Ｐまでの導波路の長さをＬaとし、前記点Ｐから前記収束点までの長さをＬnとしたとき、点Ｐの位置にかかわらず、Ｌa／Ｃa＋Ｌn／Ｃnが一定である。
【発明の効果】
【００３０】
本発明によれば、超音波を屈折させて環境流体から伝搬媒質部に透過させることによって、音響インピーダンスの異なる界面での超音波の反射を抑制し、高い効率で超音波を伝搬媒質に透過させることができる。また、環境流体で満たされた導波路の一面を構成するように伝搬媒質部を配置し、導波路を伝搬するにしたがって、超音波の一部が伝搬媒質部へ透過し、かつ所定の収束点に収束するように、導波路と接している面の形状を設計することにより、少しずつ伝搬媒質部へ透過した超音波の位相を一致させて収束点に収束させることができる。したがって、導波路の開口から入射した超音波の大部分を利用して超音波を収束させることができ、受波した超音波の音圧を高めることができる。これにより、高い感度で超音波を検出することができる。
【００３１】
本発明の他の特徴、要素、プロセス、工程、特性および長所は、添付された図面を参照することにより、以下の発明の好ましい実施形態の詳細な説明からより明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下、図面を参照しながら本発明による超音波の実施形態を説明する。
【００３３】
本発明の超音波受波器は、気体などの音響インピーダンスの極めて小さい環境流体から固体へ高い効率で超音波を伝搬させ、固体に透過した超音波を固体内部で収束させることによって超音波のエネルギー密度を高める。これにより、超音波を高感度で受信することができる。本発明は、種々の分野で使用される超音波受波器に好適に用いられる。一般に超音波受波器は送波器としても機能するため、本発明は少なくとも超音波を受波することができる装置に適用され、超音波の送波をすることもできる超音波送受波器にも好適に適用される。
【００３４】
図１は、本発明の超音波受波器の一実施形態を示す斜視図である。図１に示すように、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向を設定する。図１に示す超音波受波器１０１は、空気などの環境流体４において使用され、環境流体４中を伝搬する超音波５を受波、検出する。図１に示すように、超音波受波器１０１は、収束部７と、導波部６と、伝搬媒質部３と、検出部２と、保持部８とを備える。
【００３５】
環境流体４を伝搬する超音波５は収束部７の開口から入射し、収束部７によって超音波５の音圧が高められる。音圧の高められた超音波５は導波部６へ導かれる。導波部６は、超音波５を所定の方向へ伝搬させる。伝搬媒質部３は、導波部６に隣接して設けられており、超音波５が導波部６内を伝搬するにしたがって、導波部６に接した界面から少しずつ、超音波が伝搬媒質部３へ透過する。このとき界面において超音波の伝搬方向が屈折する。
【００３６】
伝搬媒質部３へ透過する超音波５は、検出部２が設けられた位置へ収束するように伝搬媒質部３内へ入射する。検出部２は伝搬媒質部３へ少しずつ透過し、収束した超音波５を検出する。保持部８は伝搬媒質部３を保持するために設けられている。保持部８は実際には、伝搬媒質部３のＸ方向における手前側および奥側にも設けられているが、図１では、伝搬媒質部３を示すために省略されている。
【００３７】
以下、各部の構造を詳細に説明する。図２は、図１に示す超音波受波器１０１をＸ方向における収束部７および導波部６の中央でＹＺ平面と平行な平面によって切断した断面図を示している。
【００３８】
収束部７は導波部６の開口（第１の開口）６３に接続される端部７２および開口（第２の開口）７１を有する内空間７０を規定している。開口７１は開口６３よりも大きい。開口７１から入射した超音波５は内空間７０によって伝搬方向が制御されるとともに、圧縮される。このために、内空間７０は、開口７１から超音波の伝搬する伝搬方向ｇ7に沿って伝搬方向ｇ7に垂直な断面積ａ7が小さくなっている。
【００３９】
より好ましくは、断面積ａ7が、開口７１から導波部６の開口６３に向う伝搬方向ｇ7に対して指数関数的に減少するよう、内空間７０を規定する収束部７の内側面が伝搬方向ｇ7に沿って曲面形状を有している。収束部７のＸ方向の幅は一定でもよいし、幅が徐々に小さくなっていてもよい。収束部７のＸ方向の幅が一定である場合には、Ｚ方向の幅は伝搬方向ｇ7に対して指数関数的に減少する。また、収束部７のＸ方向の幅およびＺ方向の幅を伝搬方向ｇ7に対して√ｅに比例して減少させることにより、断面積ａ7を指数関数的に減少させてもよい。このように断面積ａ7が指数関数的に減少することにより、収束部７での超音波の反射を最小に抑えて、位相の乱れなく超音波５を圧縮し、音圧を高めることができる。
【００４０】
収束部７は、たとえば、Ｙ方向に１００ｍｍの長さを有し、開口７１はＺ方向およびＸ方向にそれぞれ５０ｍｍの長さを有する正方形状である。また、端部７２は、Ｘ方向およびＺ方向に２ｍｍの長さを有する正方形状である。本実施形態では、Ｚ方向およびＸ方向の２方向に長さを変化させている。ホーン開口７１の位置をＹ方向の原点（０）とした場合、Ｙ＝０ｍｍ／２０ｍｍ／４０ｍｍ／６０ｍｍ／８０ｍｍ／１００ｍｍの位置における内空間７０のＸ方向およびＺ方向の長さは、５０．０ｍｍ／２６．３ｍｍ／１３．８ｍｍ／７．２ｍｍ／３．８ｍｍ／２．０ｍｍである。
【００４１】
上述のサイズを備えた収束部７によれば、収束部７がない場合に比べて、約１０ｄＢ程度の音圧上昇の効果が得られる。また、音圧の時間変化となる音圧波形の形状は開口７１と端部７２とでの測定結果において、ほとんど変化が見られず、環境流体４を伝搬する超音波５を乱すことなく、端部７２において超音波エネルギーが圧縮されている。
【００４２】
収束部７は、たとえば、金属である肉厚５ｍｍのアルミニウム板を機械加工により所定の形状に加工することによって構成することができる。内空間７０を伝搬する超音波５がほとんど透過せず、形状の効果によって超音波エネルギーの密度を高めることのできる材料であればアルミニウム以外の材料によって収束部７を形成してもよい。たとえば、樹脂やセラミックなどの材料を用いて収束部７を構成してもよい。また、収束部７はホーン型の外形を有していなくてもよく、内空間７０が上述したようなホーン形状を有していればよい。
【００４３】
導波部６は、超音波５を所定の方向へ伝搬させる導波路６０を規定している。本実施形態では、導波路６０は図２に示すように、ＺＹ平面において伝搬方向ｇ6が曲がっており、ＺＹ平面における幅も位置によって変化している。伝搬方向ｇ6はＺＹ平面に対して平行である。導波路６０のＸ方向の幅は一定であり、たとえば、２ｍｍである。しかしＸ方向の幅も変化するように設計することも可能である。
【００４４】
導波路６０は、伝搬媒質部３と接し、伝搬媒質部３との界面により規定される透過面６１と、導波部６を構成している部材に規定される導波路外面６２とを含んでいる。また、図２において、導波路６０のＸ方向の手前側および奥側も導波部６を構成している部材により規定されている。
【００４５】
以下において詳細に説明するように、超音波５が導波路６０を伝搬するにしたがって超音波５の一部が透過面６１から伝搬媒質部３へ透過し、導波路６０を伝搬する超音波５のエネルギーが低下する。このため、エネルギーの低下を補うように超音波５を圧縮するために導波路６０の断面積を小さくする。具体的には、透過面６１と導波路外面６２とは、ＹＺ平面における伝搬方向ｇ6に垂直な幅ａ6が伝搬方向に対して単調減少するように構成されており、導波路６０は導波路終端６４において閉塞されている。これにより、導波路６０を伝搬する超音波５のエネルギー密度を一定に保ちながら超音波５を伝搬媒質部３へ効率的に屈折透過させることができる。
【００４６】
前述したように、透過面６１は伝搬媒質部３によって規定され、透過面６１は伝搬媒質部３へ超音波５が透過する透過面となる。伝搬媒質部３は、環境流体４よりも超音波の伝搬速度が遅いという特徴を備え、伝搬媒質によって構成されている。つまり、伝搬媒質および環境流体における超音波の音速をＣnおよびＣaとしたとき、以下の関係を満たしている。
【数５】
2010503243.tif 000005
【００４７】
このような伝搬媒質としては、無機酸化合物または有機高分子の乾燥ゲルが挙げられる。無機酸化合物の乾燥ゲルとしては、シリカ乾燥ゲルを用いることが好ましい。シリカ乾燥ゲルは、たとえば以下の方法により得られる。
【００４８】
まず、テトラエトキシシラン（以下ＴＥＯＳと略す）、エタノールおよびアンモニア水を混合した溶液を作製し、これをゲル化させることによって湿潤ゲルを作製する。湿潤ゲルとは乾燥ゲルの空孔部分に液体が満たされた状態のものを言う。この湿潤ゲルの液体部分を液化炭酸ガスで置換し、炭酸ガスを用いた超臨界乾燥法によって除去することによってシリカ乾燥ゲルが得られる。シリカ乾燥ゲルの密度はＴＥＯＳ、エタノールおよびアンモニア水の混合比を変えることにより調整でき、音速は密度に応じて変化する。
【００４９】
シリカ乾燥ゲルは、酸化ケイ素の微細な多孔質構造からなる材料であり、骨格部分は疎水化されている。空孔および骨格部分の大きさは数ｎｍ程度である。このような構造体の空孔部分に液体が含まれた状態から直接溶媒を乾燥させると、溶媒が揮発する際に毛管現象による大きな力が働き、骨格部分の構造が壊れやすい。この破損を防止するために表面張力の働かない超臨界乾燥法を用いることにより、シリカ骨格部分を壊さずに乾燥ゲル体を得ることができる。
【００５０】
以下において詳細に説明するように、伝搬媒質部３の伝搬媒質は、より好ましくは、伝搬媒質および環境流体の密度をそれぞれρnおよびρaとしたとき、以下の条件を満足している。
【数６】
2010503243.tif 000006
【００５１】
伝搬媒質部３の伝搬媒質は、より好ましくは、１００ｋｇ／ｍ3以上の密度ρnおよび３００ｍ／ｓ以下の音速Ｃnを有している。
【００５２】
本実施形態で用いる伝搬媒質部３を構成するシリカ乾燥ゲルの密度ρnおよび音速Ｃnは、それぞれ２００ｋｇ／ｍ3および１５０ｍ／ｓである。これらの値は、特許文献１に示した屈折伝搬現象を満たす材料である。なお、空気の密度ρa、音速Ｃaは室温付近で、それぞれ１．１２ｋｇ／ｍ3、３４０ｍ／ｓである。
【００５３】
また、伝搬媒質部３は、環境流体４から取り込んだ超音波を超音波振動子まで伝搬させる役割を果たすため、内部損失が大きいと、超音波振動子に到達する超音波が弱まってしまう。このため、伝搬媒質部３は、内部損失が少ない材料が好ましい。シリカ乾燥ゲルは上述の音速および密度の条件を満たし、内部損失が小さい材料である。
【００５４】
このようなシリカ乾燥ゲルは密度が低いことから、機械的強度も低い。このため取り扱いが困難である。本実施形態では、伝搬媒質部３を支持するために保持部８を設けている。
【００５５】
導波部６および保持部８はたとえば、図３および図４に示す形状によって構成することができる。図３に示すように、たとえば、アルミニウム製の導波路部材９を用いて、導波路外面６２を含む導波路６０を規定する導波部６を成形する。
【００５６】
一方、図４に示すように、伝搬媒質部３を保持する保持部８を用意する。保持部８によって保持された伝搬媒質部３の露出した面は、透過面６１を規定する。たとえば、多孔質セラミックスからなる保持部８をまず成形し、透過面６１を規定する面がフッ素系樹脂などから構成される型に保持部８をはめ込み、空間内に湿潤ゲルを導入する。その後液体部分を液化炭酸ガスで置換し、乾燥させることにより、伝搬媒質部３と保持部８とが一体化した部材を得る。
【００５７】
図４に示されるように伝搬媒質部３を保持した保持部８のＡおよびＢの部分と、図３に示す導波部６のＣおよびＤの部分をそれぞれ対応させて、エポキシ樹脂などの接着材などにより接合することによって、伝搬媒質部３によって透過面６１が規定された導波路６０を構成することができる。
【００５８】
次に導波部６が規定する導波路６０および伝搬媒質部３の幾何学的形状と超音波５の伝搬を詳細に説明する。図５は、導波路６０の一部を拡大して示している。図５において透過面６１、および導波路外面６２を点線で示し、透過面６１の任意の点における接線の垂線を一点鎖線で示している。また、超音波５の伝搬方向を矢印で示している。
【００５９】
図５に示すように、導波路６０内を進行する超音波５は、導波路６０の形状に従って進行方向を変化させながら導波路６０を満たしている環境流体４中を伝搬していく。このうち導波路６０と伝搬媒質部３との界面である透過面６１へ接触する超音波５の成分は、透過面６１の法線に対して角度θaで透過面６１に入射し、スネルの法則を満足するように、透過面６１の法線と一定の角度θnをもって伝搬媒質部３へ屈折透過していく。
【００６０】
伝搬媒質部３の内部における超音波の伝搬方向θnは以下の式（３）で示される。ここで、上記式（１）の関係を満たすとき、式（３）によって求められるθnは正の値となり
、伝搬媒質部３内に屈折透過する。
【数７】
2010503243.tif 000007
ここで式（３）において、ρa、Ｃaは、それぞれ環境流体の密度および音速であり、ρn、Ｃnはそれぞれ、伝搬媒質の密度および音速である。それぞれの値は上述したとおりである。
【００６１】
一方、導波路６０と伝搬媒質部３との界面における反射率Ｒは、下記式（４）で示される。
【数８】
2010503243.tif 000008
【００６２】
導波部６から伝搬媒質部３へできるだけ高効率で超音波を屈折透過させるためには、反射率Ｒは小さいほうが好ましい。Ｃn、Ｃa、ρn、ρaが上記式（２）を満たす場合、式（４）の分子がゼロとなるθa、θnが必ず存在する。つまり、反射率Ｒがゼロとなる。
【００６３】
本実施形態では、環境流体４および伝搬媒質部３は、上述した空気およびシリカ乾燥ゲルであり、ρa、Ｃa、ρn、Ｃnは上述した値を有する。これらの値を式（３）に代入すると、θnは約２６度となる。このとき、θaが約８９度であれば、反射率Ｒはほぼゼロとなる。よって本実施形態の条件においては、透過面６１の法線に対して、約８９度で透過面６１に超音波が入射することによって、超音波５は、θnが約２６度となる方向において、高い透過効率で伝搬媒質の内部へと透過していく。
【００６４】
反射率Ｒがほぼゼロとなる場合の屈折角度θnは約２６度であり一定であるが、透過面６１を曲面にすることによって透過面６１の異なる位置から伝搬媒質部３へ透過した超音波を所定の点に向かって伝搬させ、超音波を収束させることができる。また、透過面６１に沿って導波路６０を屈曲させることによって、超音波が導波路６０を伝搬するにしたがって、超音波の一部を常に一定の角度θaで透過面６１に入射させることができる。本発明では、このことを利用して、導波路を伝搬する超音波を少しずつ伝搬媒質３へ屈折透過させ、伝搬媒質部３内の一点に超音波５を収束させることによって、高い受波感度を実現する。
【００６５】
また、式（３）で示される屈折角度θnや式（４）で示される反射率Ｒは、超音波の周波数に依存しないため、伝搬する超音波の周波数に関わらず、超音波を高い透過効率で伝搬媒質部３へ透過させることができる。したがって、本発明の超音波受波器は、広帯域の超音波を高い感度で検出することが可能である。
【００６６】
なお、光学レンズの分野において、たとえば、日本特許第２７３１３８９号は、光導波路の側面から放出される光を収束させる構造を開示している。しかし、一般に光導波路では、クラッド層と導波路との境界で光が反射を繰り返しながら伝搬するのに対し、本実施形態の導波路では超音波は導波路の外面や側面で超音波は反射しない。このため、光導波路では伝搬する光の位相が揃っていないのに対して、本実施形態では位相のそろった超音波を伝搬させることが重要である。このようなことから、光学分野におけるこうした技術は本発明とは全く発想の異なる技術といえる。
【００６７】
図６は導波路６０と伝搬媒質部３を拡大し、超音波５の伝搬経路を実線の矢印で示した図である。ここで超音波５を収束させる収束点３３を伝搬媒質部３内に設定する。収束点３３には以下において説明するように超音波を検出するための検出部２（図１、２）を配置する。図５と同様、透過面６１および導波路外面６２を点線で示している。
【００６８】
図６において、透過面６１の開口６３における点をＰ0とし、透過面６１の開口６３に近い方から順に点Ｐ1、Ｐ2、Ｐ3・・・・Ｐn（ｎは２以上の整数）を設定する。また、点Ｐ0から点Ｐ1までの距離をＬa1、点Ｐ1から点Ｐ2までの距離をＬa2、・・・点Ｐn-1から点Ｐnまでの距離をＬanとする。さらに、点Ｐ1、Ｐ2、・・・・Ｐnと収束点３３との距離を、それぞれＬn1、Ｌn2、・・・・Ｌnnとする。
【００６９】
開口６３から入射し、導波路６０内を伝搬し、さらに伝搬媒質部３へ屈折透過した超音波５が収束点３３で収束するためには、以下の式（５）を満たすことが必要である。
【数９】
2010503243.tif 000009
【００７０】
伝搬媒質部３内の収束点３３に超音波５が収束するということは、収束束点３３において超音波５の位相が揃うということを意味している。すなわち開口６３から、収束点３３までの超音波の到達時間がどの経路を通った場合も同一であることを意味する。具体的には、式（５）において、最も左の等号の左辺は、超音波５が環境流体４中を距離Ｌa1だけ伝搬し、伝搬媒質部３中を距離Ｌn1だけ伝搬することによって、収束点３３に到達するまでの時間を示している。また、最も左の等号の右辺は、超音波５が環境流体４中を距離（Ｌa1＋Ｌa2）だけ伝搬し、伝搬媒質部３中を距離Ｌn2だけ伝搬することによって、収束点３３に到達するまでの時間を示している。同様の手順により各点Ｐkにおいて、導波路６０から伝搬媒質部３へ透過した超音波が焦点３３に到達するまでの時間を求めることができる。
【００７１】
式（５）を一般化すると以下のように表わせる。より具体的には導波路６０の開口６３から、透過面６１上の超音波５の伝搬方向に沿って異なる位置に複数の点Ｐ1、Ｐ2・・・Ｐnを設定し、開口６３から、点Ｐ1、Ｐ2・・・Ｐnまでの導波路の長さをそれぞれＬa1、Ｌa2・・・Ｌanとし、点Ｐ1、Ｐ2・・・Ｐnから収束点３３までの長さをそれぞれＬn1、Ｌn2・・・Ｌnnとしたとき、式（５）は、１からｎまでの任意のｋ（ｋはｎ以下の整数）に対して以下の式（６）を満たす条件として表される。
【数１０】
2010503243.tif 000010
【００７２】
式（６）は、上述したように、開口６３から、透過面６１上の超音波の伝搬方向に沿った任意の位置に設定した点Ｐまでの長さをＬaとし、点Ｐから収束点３３までの長さをＬnとしたとき、点Ｐの位置にかかわらず、Ｌa／Ｃa+Ｌn／Ｃnが一定であること、つまり、開口６３から点Ｐを経由して収束点３３までを超音波５が伝搬するのに要する時間が、点Ｐの位置にかかわらず一定であることを示している。なお、厳密には、導波路６０を伝搬する超音波５の伝搬距離は、導波路６０の中央の経路を用いて算出するのがより正確であると思われる。しかし、以下で説明するように導波路６０の幅はその長さに比べて十分小さい。このため、上述の近似で実用的には十分な精度を有している。
【００７３】
導波路６０を規定する透過面６１および導波路外面６２の形状の設計を説明する。透過面６１および導波路外面６２の形状は次のようなステップで設計される。
【００７４】
まず開口６３の大きさから、超音波５を効率よく伝搬媒質部３に取り込める導波路６０の長さが決定される。導波路６０の長さより透過面６１が超音波を収束する形状として設計される。その後、決定した透過面６１の形状と導波路６０に必要な幅を考慮して透過面６１の形状が設計される。
【００７５】
導波路６０の開口６３の大きさは、受波する超音波５の波長の１／２以下であることが好ましい。導波路の幅が伝搬する超音波の波長の１／２よりも大きい場合、導波路６０内部で超音波が反射し易くなり、超音波の伝搬を乱し、正確な超音波の測定が困難になるからである。
【００７６】
本実施形態においては、周波数８０ｋＨｚまでの超音波の受波を考慮しているため、周波数８０ｋＨｚの１／２波長である２．１ｍｍより小さい２．０ｍｍとし、開口６３は一辺が２．０ｍｍの正方形状を有している。収束部７の端部７２は開口６３と等しいサイズに設計されている。
【００７７】
導波路６０の長さは、導波路６０内を伝搬する超音波５のできるだけ大部分が伝搬媒質部３に屈折透過していくような十分な長さを備えていることが好ましい。図１５を参照して説明したように、屈折伝搬型超音波の場合、Ｌ2の範囲を伝搬してきた超音波がＬ1の伝搬媒質面を介して伝搬媒質内部へと透過していく。図１５のＬ2およびＬ1は、図６に示す導波路６０のＹＺ平面における開口６３のＺ方向の長さおよび透過面６１のＹＺ平面における長さに対応している。透過面６１のＹＺ平面における長さ、つまり、導波路６０における超音波の伝搬方向ｇ6の長さが十分でなければ、超音波を十分に伝搬媒質部３へ透過させることができず、受波感度の低下や、取り込めなかった超音波の反射の影響などにより、測定精度が低下するなどの悪影響が発生する。
【００７８】
本実施形態においては、環境流体４中における伝搬媒質部３の法線と、超音波伝搬方向のなす角度であるθa（図５）が、約８９．３度であるため、Ｌ2とＬ1の比は、約Ｌ1／Ｌ2＝８８となる。このため、理想的には開口６３の約９０倍以上の長さを導波路６０が有していることが好ましい。本実施形態では導波路の開口６３が２ｍｍであり、導波路６０の長さを開口６３の１００倍となる２００ｍｍに設定している。
【００７９】
このように開口６３および導波路６０の長さが決定され、導波路６０の長さに基づいて透過面６１の形状が設計され、さらに導波路外面の形状が設計される。
【００８０】
以下、図６を参照しながら、導波路６０の具体的な設計例を説明する。
【００８１】
まず、開口６３の位置における点Ｐ0から収束点３３までの伝搬時間を求める。この点における伝搬時間が以後の設計の基本となる。開口６３においては、環境流体４である空気で満たされた導波路６０を超音波が伝搬する時間は０である。超音波の一部は、導波路６０に入射して、すぐに伝搬媒質部３へと伝搬する。よって点Ｐ0における超音波の伝搬時間ｔn0は、収束点３３から点Ｐ0までの距離Ｌn0を伝搬媒質の音速で割ったＬn0／Ｃnとなる。
【００８２】
次に、点Ｐ0より導波路内部へ入った次の内側面の点Ｐ1の位置を決める。まず点Ｐ0から距離ΔＬの位置となる点Ｐ1の座標を決定する。ΔＬの決定方法は、導波路形状の分解能を決定するものである。正確な形状が求められる場合にはΔＬを小さくする必要があるが、実用上は導波路６０の長さの１／１００以下とすれば十分である。ここではΔＬを導波路６０の長さの１／２００となる１ｍｍとしている。
【００８３】
点Ｐ0の座標を（０，Ｌn0）とすると、点Ｐ1の座標（Ｙ1，Ｚ1）は以下の式（７）のように表すことができる。
【数１１】
2010503243.tif 000011
【００８４】
ここでΔＬ＝１としたので、点Ｐ1の座標（Ｙ1，Ｚ1）は以下の式（８）で表される
。
【数１２】
2010503243.tif 000012
θ1は点Ｐ0から点Ｐ1へのベクトルが、Ｙ軸となす角度である。同様にしてＰ2およびＰ3の座標（Ｙ2，Ｚ2）、（Ｙ3，Ｚ3）はそれぞれ式（９）および（１０）で表される。
【数１３】
2010503243.tif 000013
【数１４】
2010503243.tif 000014
【００８５】
したがって、点Ｐnの座標は以下の式（１１）で表される。
【数１５】
2010503243.tif 000015
【００８６】
このように、開口６３から点Ｐnまで導波路６０を伝搬し、点Ｐnから伝搬媒質部３へ透過した超音波の収束点３３に到達するまでの伝搬時間が一定となるように透過面６１を作製する。図７に設計した導波路６０の一例を示す。図７においては、原点（０，０）に収束点３３を配置している。導波路外面６２は、開口６３において透過面６１との距離が２ｍｍであり、伝搬方向に対して１/１００ずつ単調に幅が減少するように透過面６１との距離が狭まり、端部において閉塞するように設計される。たとえば、開口６３から５０ｍｍ／１００ｍｍ／１５０ｍｍの位置において、導波路外面６２と透過面６１との間隔はそれぞれ１．５ｍｍ／１．０ｍｍ／０．５ｍｍとなるように設計される。
【００８７】
次に、検出部２について説明する。図６に示すように、導波路６０を伝搬するにしたがって、超音波５の一部が透過面６１を構成する透過面からそれぞれ伝搬媒質部３へ透過し、収束点に収束するように進行する。その結果、収束点３３には種々の方向から超音波が伝搬してくる。このため、この超音波を受波する検出部２には、ＹＺ平面において様々な角度から進行してくる超音波に対してフラットな受波特性を持つよう、超音波の受波面が曲面を有する素子を用いることが好ましい。本実施形態では、このような検出部２として図８に示すような円筒状の圧電体２１を用いる。
【００８８】
図８（ａ）は検出部２の斜視図であり、図８（ｂ）はＹＺ平面に平行な平面で切断した検出部２の断面図である。図８（ｂ）に示すように、検出部２は、円筒状の圧電体２１と、その内面および外面に設けられた電極２２とを備える。圧電体２１は、矢印で示すように半径方向（対向する電極の方向）に分極処理がなされている。図８（ｂ）に示すように検出部２の外面は曲面２２ａによって構成されている。
【００８９】
検出部２に超音波５が到達すると、圧電体２１に歪が発生し、その歪に応じた電圧が対向する電極２２の間に発生する。この電圧による電気信号を図示しない信号線に接続された受波回路によって観測することにより、超音波５を検出することができる。
【００９０】
検出部２において、Ｘ方向の長さは、たとえば、導波路６０のＸ方向の長さと同じ２ｍｍである。また、外径が１．５ｍｍ、内径が０．５ｍｍの円筒形状を有している。検出部２は、その直径方向に振動するモードにおいて所定の共振周波数を有する。共振周波数は、検出部２が有する形状、具体的には、円筒の外径および内径と、圧電セラミックの材質の特性とから決まるものであり、本実施形態においては、共振周波数が１ＭＨｚとなるように設計されている。
【００９１】
検出部２の共振周波数は、受波する超音波の周波数より十分高いことが好ましい。共振周波数付近では高い受信感度が得られるものの、その共振周波数以外では高い受信感度が得られず、また、周波数によって受信感度が大きく異なるため、正確な測定が困難になるからである。検出部２の共振周波数を受波する超音波の周波数より十分高くすることにより、広帯域の超音波を検出することができる。
【００９２】
検出部２に用いる圧電体の材料に特に制限はなく、公知のものを用いることができる。圧電体は圧電性を有する材料から構成され、圧電性能が高いほうが超音波の送受波効率を高くすることができるため、好ましい。圧電体材料としては、圧電セラミック、圧電単結晶、圧電高分子などを用いることができる。
【００９３】
本実施形態では圧電体２１として、圧電性の高い圧電セラミックであるチタン酸ジルコン酸鉛セラミックスを用いた。電極２２としては電気インピーダンスの低い一般的な金属を用いることができ、本実施形態では銀を用いる。
【００９４】
また、検出部２として、公知の材料からなる電歪体を用いることもできる。電歪体を用いる場合にも、圧電体の場合と同様に電歪効果の大きな材料を選択するほうが、受波効率を高くするために好ましい。
【００９５】
以上のように構成される超音波受波器１０１の導波路６０を伝搬する超音波が伝搬媒質部３へ透過し、収束点に収束する過程を計算実験により求めた結果を図９（ａ）〜（ｆ）に示す。図９（ａ）〜（ｆ）では超音波の位置や位相を分かりやすく表示するため、超音波受波器１０１の導波路６０と伝搬媒質部３のみを示している。
【００９６】
図９（ａ）〜（ｆ）は超音波が伝搬する様子を、時間を追って示しており、図９（ａ）が時間的に一番早く、図９（ｆ）が一番遅い状態を示している。図９（ａ）〜（ｆ）に示す導波路６０を規定する透過面６１および導波路外面６２は上述した手順によって、収束点３３に導波路６０を伝搬する超音波が収束するように設計されている。導波路６０の開口６３は上方に位置し、閉塞した終端は下方に位置している。導波路６０内は環境流体４、ここでは空気で満たされている。
【００９７】
図１０は開口６３から入射させる超音波の波形を示している。超音波の中心周波数は約４０ｋＨｚであり、超音波は、約５波長分の長さを有している。図９（ａ）〜（ｆ）において、伝搬媒質部３の内部および、導波路６０の内部の超音波の音圧レベルが色の濃淡で示されている。色の濃い部分は大気圧を基準としてより高い音圧を示しており、色の薄い部分は大気圧より低い音圧を示している。同じ色、例えば黒と黒、あるいは白と白との間が４０ｋＨｚ、つまり、超音波の１波長に相当する。図９（ａ）〜（ｆ）においては導波路が非常に狭いため確認が困難であるが、導波路６０の内部においては、空気の音速が３４０ｍ／ｓであることから、同じ色の間の距離、すなわち、１波長の距離は約８．５ｍｍとなる。一方、伝搬媒質部３の内部においては、伝搬媒質部３を構成する乾燥ゲルの音速が１５０ｍ／ｓであることから、同色の間の距離、すなわち、１波長の距離は約３．７５ｍｍとなる。
【００９８】
図９（ａ）は、開口６３より超音波の３波長分が導波路６０に伝搬し、ちょうど４波目の振幅の山が開口６３より導波路６０の内部へと伝搬した瞬間を示している。超音波の導波路６０の内部に伝搬した部分は、導波路６０と接している透過面６１から伝搬媒質部３へ伝搬している。伝搬媒質部３の内部に濃淡で示されている部分は透過面６１から伝搬媒質部３に屈折透過した超音波の成分である。
【００９９】
図９（ｂ）は、図９（ａ）に示す状態から時間的に少し進んだ状態を示しており、導波路６０の内部では超音波が導波路６０の形状に沿って伝搬している。また導波路６０の内部を伝搬する超音波が、徐々に伝搬媒質部３に屈折透過し、伝搬媒質部３内部を伝搬していく状態を示している。図９（ａ）および（ｂ）に示されるように、黒と白の濃淡で示される超音波は、導波路６０内のほうが伝搬媒質部３内に比べて開口６３からより長い距離を伝搬している。これは、導波路６０内の環境流体４である空気の音速のほうが伝搬媒質である乾燥ゲルの音速に比べて速いことを示している。
【０１００】
図９（ｃ）も同様に、超音波の一部が導波路６０を伝搬するにつれて、伝搬媒質部３に屈折透過し、伝搬媒質部３内部を伝搬していく様子を示している。屈折透過のため透過面６１において黒と白の濃淡で示されるパターンは折り曲がっているが、伝搬媒質部３内においては、黒と白の濃淡で示されるパターンはきれいな曲線を描きつつある。これは、伝搬媒質部３内を伝搬する超音波の位相が揃っていることを示している。
【０１０１】
図９（ｄ）は、導波路６０のほぼ終端近傍を伝搬する超音波と、伝搬媒質部３の内部で収束点３３に向けて徐々に収束しつつある超音波の様子を示している。
【０１０２】
図９（ｅ）は、さらに超音波の伝搬が進行し、導波路６０の内部を伝搬する超音波が導波路終端に達し、全て伝搬媒質部３の内部に屈折透過し、伝搬媒質部３の内部を伝搬する超音波は、さらに収束点３３に向かって収束しつつある様子を示している。
【０１０３】
図９（ｆ）は、伝搬媒質部３の内部を伝搬した超音波の最初の波面が、収束点３３に到達している。図に示されるように、黒の濃淡がより濃くなっている、これは、収束点３３において、超音波が収束し、音圧が高められていることを示している。
【０１０４】
図９（ａ）〜（ｆ）では具体的な数値は示していないが、実験結果から、導波路６０の内部における大気圧からの超音波による音圧の変化が約４Ｐａである場合、収束点３３付近における大気圧からの音圧の変化は約３４Ｐａであることが分った。これは、超音波の音圧が８倍以上に高められたことを示しており、本実施形態によれば、高い感度で環境流体中の超音波を観測することができることが明らかとなった。
【０１０５】
このように本実施形態によれば、超音波を屈折させて環境流体から伝搬媒質部に透過させることによって、音響インピーダンスの異なる界面での超音波の反射を抑制し、高い効率で超音波を伝搬媒質に透過させることができる。また、環境流体で満たされた導波路の一面を構成するように伝搬媒質部を配置し、導波路を伝搬するにしたがって、超音波の一部が伝搬媒質部へ透過し、かつ所定の収束点に収束するように、導波路と接している面の形状を設計することにより、少しずつ伝搬媒質部へ透過した超音波の位相を一致させて収束点に収束させることができる。したがって、導波路の開口から入射した超音波の大部分を利用して超音波を収束させることができ、受波した超音波の音圧を高めることができる。これにより、高い感度で超音波を検出することができる。
【０１０６】
また、曲面を有する受波面を備えた超音波振動子を超音波の検出に用いることにより、複数の方向から一点に収束する超音波を正しい波形で検出することが可能となる。このため、伝搬する超音波の波形に重畳した情報を正しく検出することが可能となる。
【０１０７】
なお、本実施形態の超音波受波器１０１は収束部７を備えていた。しかし、収束部７はなくてもよい。図１１に示す超音波受波器１０２は、導波部６と伝搬媒質部３と、検出部２と、伝搬媒質部３を保持する保持部８とを備え、収束部７は備えていない。環境流体から伝搬する超音波の指向性が強く、音圧が比較的高い場合には、広い面積の超音波を収束させて観測する必要がない。このような場合に超音波受波器１０２は好適に用いられる。収束部７を備えないため、超音波受波器１０２の外形を小さくすることが可能となる。
【０１０８】
また、本実施形態の超音波受波器１０１では、導波路６０の終端は閉塞していた。しかし、終端を開放してもよい。図１２に示す超音波受波器１０３では、導波路６０の終端６４が開放されている。導波路６０を伝搬する超音波のエネルギーが比較的高く、全てのエネルギーを取り込む必要がない場合は、導波路６０を伝搬する超音波のうち伝搬媒質部３へ透過しなかった部分が終端で反射して悪影響を与えないように、導波路６０から除去することが好ましい。超音波受波器１０３によれば、導波路６０の終端６４が開放されているため、伝搬媒質部３へ透過しなかった超音波を除去することができる。これにより、受波した超音波が乱れることなく、目的の超音波を正確に検出することができる。この場合、導波路６０の長さは上述したように開口との関係で定められる好ましい長さよりも短くてもよい。
【０１０９】
また、単に導波路の終端に音響インピーダンス変換部を設けてもよい。図１３に示す超音波受波器１０４は、導波路６０の終端６４に音響インピーダンス変換部１７を備えている。音響インピーダンス変換部１７は、たとえば収束部７と同じ形状を有しており、導波路６０の終端６４から外部に向かう超音波の伝搬方向にしたがって断面積が拡大している。
【０１１０】
図１２に示すように、導波路６０の終端６４を開放させた場合、導波路６０とその外部とで環境流体は連続しているが、空間が急激に拡大することによって音響インピーダンスが急激に変化する。このため、開放した終端６４において音響インピーダンスの不整合による超音波の反射が生じ、反射した超音波が導波路６０を伝搬する超音波の波形を乱す場合がある。このような場合には図１３に示すように、導波路６０の終端に音響インピーダンス変換部１７を設け、導波路６０の終端６４における音響インピーダンスを徐々に変化させる。これにより、導波路６０の終端６４における超音波の反射をより低減することができ、受波した超音波が乱れることなく、目的の超音波を正確に検出することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１１１】
本発明の超音波受波器は、種々の分野において超音波の受波、検出に用いられる超音波受波器、超音波送受波器や超音波センサに好適に用いられ、特に高感度で超音波を受波、検出に用いられる超音波受波器、超音波送受波器や超音波センサに好適に用いられる。
【０１１２】
上述の記載は発明の実施例であると理解されるべきである。種々の代替や変更は、当業者によって、発明から逸脱することなく案出することができる。したがって、本発明は、付属の請求項の範囲内におけるすべてのそのような代替や変更および変形を包含することが意図される。
【図面の簡単な説明】
【０１１３】
【図１】本発明による超音波受波器の一実施形態を示す斜視図である。
【図２】図１に示す超音波受波器の断面図である。
【図３】図１に示す超音波受波器の導波部を示す斜視図である。
【図４】図１に示す超音波受波器の保持部を示す斜視図である。
【図５】図１に示す超音波受波器における超音波の伝搬・屈折を説明する図である。
【図６】図１に示す超音波受波器における超音波の伝搬・屈折・収束を説明する図である。
【図７】図１に示す超音波受波器の導波路の具体的な構造を示す図である。
【図８】（ａ）および（ｂ）は、図１に示す超音波受波器の検出部の斜視図および断面図である。
【図９】（ａ）〜（ｆ）は、それぞれ図１に示す超音波受波器における超音波の伝搬の様子を具体的に示す計算実験結果を示している。
【図１０】図９に示す実験に用いた超音波の波形を示している。
【図１１】本発明による実施形態の他の例を示す断面図である。
【図１２】本発明による実施形態の他の例を示す断面図である。
【図１３】本発明による実施形態の他の例を示す断面図である。
【図１４】超音波を屈折させて検出する従来の超音波受波器の構造を説明する模式図である。
【図１５】図１４に示す超音波受波器の受波面積を説明する模式図である。
【符号の説明】
【０１１４】
２  検出部
３  伝搬媒質部
４  環境流体
５  超音波
６  導波部
７  収束部
８  保持部
９  導波路部材
１７  音響インピーダンス変換部
２１  圧電体
２２  電極
３３  収束点
６０  導波路
６１  透過面
６２  導波路外面
６３  開口
６４  終端
７１  開口
７２  端部
２３１  第１表面領域
２３２  第２表面領域
【図１】
2010503243.tif 000019
【図２】
2010503243.tif 000020
【図３】
2010503243.tif 000021
【図４】
2010503243.tif 000022
【図５】
2010503243.tif 000023
【図６】
2010503243.tif 000024
【図７】
2010503243.tif 000025
【図８（ａ）】
2010503243.tif 000026
【図８（ｂ）】
2010503243.tif 000027
【図９（ａ）】
2010503243.tif 000028
【図９（ｂ）】
2010503243.tif 000029
【図９（ｃ）】
2010503243.tif 000030
【図９（ｄ）】
2010503243.tif 000031
【図９（ｅ）】
2010503243.tif 000032
【図９（ｆ）】
2010503243.tif 000033
【図１０】
2010503243.tif 000034
【図１１】
2010503243.tif 000035
【図１２】
2010503243.tif 000036
【図１３】
2010503243.tif 000037
【図１４】
2010503243.tif 000038
【図１５】
2010503243.tif 000039
【手続補正書】
【提出日】平成21年10月15日(2009.10.15)
【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】請求項１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１４】
第１の開口を有し、前記第１の開口から入射する超音波が伝搬する導波部と、
透過面を有し、前記透過面が前記超音波の伝搬方向に沿って前記導波部の一面を構成するように設けられた伝搬媒質部であって、前記導波部を伝搬する前記超音波が前記透過面から前記伝搬媒質部へ透過し、所定の収束点に収束するように前記透過面が構成され、前記導波部に対して配置されている伝搬媒質部と、
前記収束点に配置されており、前記収束した超音波を検出する検出部と、
を備え、
前記伝搬媒質部を伝搬する超音波の音速をＣn、前記導波部を伝搬する超音波の音速をＣa、前記導波路の第１の開口から、前記透過面上の前記超音波の伝搬方向に沿った任意の位置に設定した点Ｐまでの導波路の長さをＬaとし、前記点Ｐから前記収束点までの長さをＬnとしたとき、
【数１８】
2010503243.tif 000040
の関係を満たし、
点Ｐの位置にかかわらず、Ｌa／Ｃa＋Ｌn／Ｃnが一定である超音波受波器。
【国際調査報告】
2010503243.tif 000041
2010503243.tif 000042