(57)【要約】パルス音響測定を行い、コロイド等の試料（１）の粒子サイズを判定する装置。本装置は、その間で電気電圧が試料に印加される２つの電極（２）を備える。この電圧は短パルスで印加される。印加された電圧は、試料において、音波（５）等の音響信号を生成し、音波（５）は遅延素子（４）を通過した後に変換器を用いて検出される。遅延素子（４）は、電圧パルスの印加と、変換器に達する音波（５）との間に十分な時間遅延を生じるために用いられ、これによって、受信された音波の信号は、印加された電圧によって変換器（３）で発生したいかなる信号からも絶縁され得る。遅延素子（４）および変換器（３）は、遅延素子（４）の側壁からの音波（５）のいかなる反射も変換器（３）から離れるように偏向されるような形状に構成されるか、あるいは、遅延素子（４）がそのような形状を有する。これによって、特に低い周波数での干渉が低減される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルス音響測定を行う装置であって、試料において音響応答を発生する手段と、遅延素子と、該音響応答を検出する変換器とを備え、
前記遅延素子および変換器は、同様のサイズの矩形の遅延素子と比べて、側壁による反射の影響を低減するような形状を有するように構成されることを特徴とする装置。
【請求項２】
前記遅延素子は、前記変換器の位置から離れるように前記側壁による反射を偏向させるように、湾曲した形状を有する界面を備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記変換器は、音響信号のソースに対して湾曲した素子の反対側に位置することを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記音響信号は、コロイドの試料全体にわたる電気パルスに対する音響応答であることを特徴とする請求項３に記載の装置。
【請求項５】
パルス音響測定を行う装置であって、試料において音響応答を発生する手段と、遅延素子と、該音響応答を検出する変換器とを備え、
前記遅延素子は、該遅延素子の壁が側壁による反射が実質的に前記変換器に伝播しないように方向づけられる形状を有することを特徴とする装置。
【請求項６】
前記遅延素子は、前記変換器の位置から離れるように前記側壁による反射を偏向させるように、湾曲した形状を有する界面を備えることを特徴とする請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記変換器は、音響信号のソースに対して湾曲した素子の反対側に位置することを特徴とする請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記音響信号は、コロイドの試料全体にわたる電気パルスに対する音響応答であることを特徴とする請求項７に記載の装置。
【請求項９】
パルス音響測定を行う方法であって、
試料において音響応答を発生する工程と、
前記音響応答により生じる音響信号が伝播する遅延素子を提供する工程と、
前記遅延素子から伝播する音響信号を検出する変換器を提供する工程と、
を包含し、
同様のサイズの矩形の遅延素子と比べて、側壁による反射の影響を低減するような形状を有するように前記遅延素子および変換器を構成することを特徴とする方法。
【請求項１０】
前記遅延素子は、前記変換器の位置から離れるように前記側壁による反射を偏向させるように、湾曲した形状を有する界面を備える、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記変換器は、音響信号のソースに対して湾曲した素子の反対側に位置する、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記音響信号は、コロイドの試料全体にわたる電気パルスに対する音響応答である、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
パルス音響測定を行う方法であって、
試料において音響応答を発生する工程と、
前記音響応答により生じる音響信号が伝播する遅延素子を提供する工程と、
前記遅延素子から伝播する音響信号を検出する変換器を提供する工程と、
を包含し、
前記遅延素子は、該遅延素子の壁が側壁による反射が実質的に前記変換器に伝播しないように方向づけられる形状を有するように提供されることを特徴とする方法。
【請求項１４】
前記遅延素子は、前記変換器の位置から離れるように前記側壁による反射を偏向させるように、湾曲した形状を有する界面を備える、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記変換器は、音響信号のソースに対して湾曲した素子の反対側に位置する、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記音響信号は、コロイドの試料全体にわたる電気パルスに対する音響応答である、請求項１５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パルス音響測定、特には超音波測定を行う際に用いる方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
材料のパルス音響信号に対する応答の測定は、種々の用途に用いられる。より広く適用可能であるが、主として電気音響測定の分野に関して本発明を説明する。
【０００３】
米国特許第５，０５９，９０９号、第５，２４５，２９０号、および第５，６１６，８７２号は、コロイド内の粒子サイズおよびゼータ電位の判定における電気音響測定の理論および用途を記載している。これらは、コロイド全体にわたる高周波数（典型的には、ＭＨｚ）交流電圧の印加を伴う電気音響測定を行うことによりこれを行っている。この電圧は、変換器によって測定される音波を発生する。これらの周波数を関数とする音波の測定から、コロイド粒子の粒子サイズおよびゼータ電位が判定され得る。出願人は、この方法を用いてサイズおよびゼータ電位を測定する、ＡｃｏｕｓｔｏＳｉｚｅｒとして市販されるデバイスを商業的に製造している。
【０００４】
ＡｃｏｕｓｔｏＳｉｚｅｒの測定手順を図１に示す。
【０００５】
印加された電圧は音波５を発生する。これらの音波５はコロイド１によって発生されるが、これらは電極２から起こっているかのように感じられる（説明のために、「Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｃｏｌｌｏｉｄ  Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ  Ｓｃｉｅｎｃｅ」、Ｎｏ．１７３、ｐ４０６−４１８（１９９５）におけるＯ’Ｂｒｉｅｎ、Ｃａｎｎｏｎ、およびＲｏｗｌａｎｄｓによる論文の§３を参照）。よって、２つの音波ビームが発生する（各電極から１つずつ）。図１の右側の電極からの信号は、ＡｃｏｕｓｔｏＳｉｚｅｒにおいて粒子サイズおよびゼータ電位を判定するために用いられるものである。この信号が到達すると、変換器３は小さな電圧を発生する。この電圧は、元々コロイド全体にわたって印加された駆動電圧よりも極めて小さい（１００，０００分の１程度）。これによって、測定上の問題が生じるが、これは、変換器のリード線を大きな印加電圧から完全に絶縁することが非常に困難なためであり、結果として、変換器信号には、通常、印加電圧からの「クロストーク」による成分が生じる。このクロストークを取り除くために、ＡｃｏｕｓｔｏＳｉｚｅｒは、パルス信号および遅延線４の組み合わせを用いる。コロイド１全体にわたって連続する正弦電圧を印加する代わりに、ＡｃｏｕｓｔｏＳｉｚｅｒは、通常は２、３マイクロ秒の限られた長さの単なるシヌソイドである、パルスシヌソイド（ｐｕｌｓｅｄ  ｓｉｎｕｓｏｉｄ）を印加する。上述の図におけるガラスブロック４は遅延線であり、その機能は、コロイド１への電圧の印加から音波５が変換器に到達するまでの間に遅延を生じさせることである。音波５が変換器３に達すると、印加電圧が止められ、いずれのクロストークも存在しなくなる。電極の間隔、およびパルス幅は、最も近接した電極からの音波パルスが途絶えた後に、第２の電極からの音波パルスが変換器３に到達するように選択される。よって、パルスが変換器３において重なることがなく、最も近接する電極からの信号をゲートオフして測定することが可能である。
【発明の開示】
【０００６】
ＡｃｏｕｓｔｏＳｉｚｅｒの測定に対するアプローチの１つの制限は、ガラスブロック４における音波長５がガラスブロック４の断面寸法よりも非常に短い場合にしか作用しないことである。これによって、デバイスは１ＭＨｚよりも大きな周波数に限定される。より低い周波数では、ビームは、拡散してガラスブロック４の側壁に反射される。反射された信号は最も近接した電極からの信号と干渉し、２つの電極から２つの個別の信号を得る代わりに、我々は、１つの散乱信号（ｓｍｅａｒｅｄ  ｏｕｔ  ｓｉｇｎａｌ）を得る。よって、最も近接する電極からの信号をゲートオフして測定することはできない。
【０００７】
遅延線がより低い周波数で動作可能であることが望ましい。より大きな粒子は、より大きな慣性を有するため、より低い周波数信号はより大きな運動を生じ、よって、より大きな粒子を含むコロイド粒子の測定をより良好なものにする。他の用途においてより低い周波数の測定を用いることも同様に制約される。
【０００８】
米国特許第４，９０７，４５３号には、公知の低周波数コロイド分析器が記載されている。圧電変換器は、連続的な低周波数低電力信号を生成する。この信号は、コロイド状の試料を通過して受信器に向かって伝播する。しかしながら、印可電圧を用いてコロイドにおいて音響信号を発生することは開示されていないため、「クロストーク」に関する困難性、および遅延線の使用は考慮されていない。
【０００９】
米国特許第６，１０９，０９８号には、粒子サイズ分布およびゼータ電位を測定する公知のデバイスが記載されている。圧電変換器は、パルス音響信号を生成する。これらの信号は、コロイド状の試料を通過し、水晶の遅延ロッドを介して受信器に向かって伝播する。このデバイスは、低周波数においてビームが拡散しやすいため、１ＭＨｚよりも上でしか確実な動作が得られない。
【００１０】
ＷＯ００／７４８３９には、コロイド形成の始まりを検出する公知の方法が記載されている。振動する電界が試料に印加され、音響信号が発生する。この音響信号は、音響遅延線を通過して検出器へと伝播する。この方法は、標準的なタイプの遅延線を用いる。音響信号は、一定した断面積を有するロッドを通過し、信号ビームを収束することは考慮されていない。
【００１１】
本発明の目的は、パルス音響測定方法、およびそのような測定のための遅延線の寸法よりも過度に短くない波長で動作可能な装置を提供することである。
【００１２】
一般に、本発明は、側壁による反射、および特に、変換器が位置する場所での測定に対するそれらの悪影響を最小化するように形状が変更された遅延線の使用に対処する。好ましい形態は、湾曲した、例えば、円形の形状を用いることにより、壁から離れて音響波を収束する。
【００１３】
本発明の１つの局面によれば、本発明は、パルス音響測定を行う装置であって、試料において音響応答を発生する手段と、遅延素子と、上記音響応答を検出する変換器とを備え、上記遅延素子および変換器は、同様のサイズの矩形の遅延素子と比べて、側壁による反射の影響を低減するような形状を有するように構成されることを特徴とする装置を提供する。
【００１４】
好ましくは、上記遅延素子は、上記変換器の位置から離れるように上記側壁による反射を偏向させるように、湾曲した形状を有する界面を備える。１つの形態では、上記変換器は、音響信号のソースに対して湾曲した素子の反対側に位置し得る。上記音響信号は、コロイドの試料全体にわたる電気パルスに対する音響応答であり得る。
【００１５】
他の局面によれば、本発明は、パルス音響測定を行う装置であって、試料において音響応答を発生する手段と、遅延素子と、該音響応答を検出する変換器とを備え、上記遅延素子は、上記遅延素子の壁が側壁による反射が実質的に上記変換器に伝播しないように方向づけられる形状を有することを特徴とする装置を提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
次に、本発明の例示的な実施形態を添付の図面を参照して説明する。
【００１７】
本発明は、本発明のいくつかの実現可能な実施形態に関して説明される。本発明の目的を達成し得る多くの実現可能な構成が存在し、提示された実施形態が単なる例示であることが理解される。
【００１８】
本願発明者は、ガラスブロック４に関して多くの形状について実験を行った。円筒形の遅延線、および他の矩形に関しても試みたが、それらの全てにおいて、変換器３での実質的な側壁による反射があった。このような形状を有する遅延線を用いてより低い動作周波数を可能にする唯一の方法は、ブロックの断面寸法を増大させることである。このことは、次に器具の寸法も増大させるが、これは、コストおよびスペースの観点から見て望ましくない。
【００１９】
図２は、円形の形状を用いることにより壁から離れるようにビームを収束する設計物を示す。これによって、信号を散乱する側壁による反射がない、クリーンな電気音響パルスを検出することが可能となる。
【００２０】
電圧が電極１２全体にわたって印加されると、ＡｃｏｕｓｔｏＳｉｚｅｒと同様に音波が発生するが、円形の形状であるために、音波が固体シリンダ１４の中心に向かって移動するように収束される傾向がある。依然として幾分の音波の拡散が生じるが、ロッドの側面に当たる音波は、変換器１３に向けられるのではなく、反射されて戻る傾向にある。結果として、第１の電極からの信号は、他のいずれの信号とも重なることがなく、我々は、波長がロッドの直径と比較して小さくなかったとしても測定を行うことができる。
【００２１】
図５および６は、円筒形状の利点を示す。図５は、図２に示すデバイス形状を用いた場合の３００ｋＨｚの変換器信号を示す。この場合、プラスティックからなる固体シリンダ４の直径ｄは３０ｍｍである。この周波数でのプラスティックにおける音波長λは７．３ｍｍであるため、比率ｄ／λは約４である。図６は、同じ周波数で矩形のガラスブロックを用いて得られた波形を示す。このブロックの断面寸法は、同じｄ／λの比率を得るように選択された。この例では、ブロックは、約７０ｍｍの辺を有する正方形の断面部を有する。明らかに、図６のゲート波形はより散乱しており、簡単にゲート化され得ないため、測定には容易に用いられ得ない。
【００２２】
図２は、実現可能なインプリメンテーションを１つのみ示す。図３は、同心の円筒形状を有する環状デバイスを含む別の実現可能な形状を示す。電極２２は円筒形であり、試料１を含む。これは、コロイド１からのビームが中央の変換器２３上に収束され、収束時に増幅されるという利点を有する。図２の設計物と比較した際の不利な点は、印加されたパルスと、変換器２３に到達する音波とが同じ遅延を有するためにより大きくなければならないことである。
【００２３】
図４は、本発明のさらなるインプリメンテーションを示す。このデバイスでは、コロイド１は中央のカップ内に収められ、変換器３３が設計物の外部にある。電極３２は、変換器３３の方向を向くように構成される。そのため、コロイド１からのビームは収束されずに拡散する。側壁による反射は、遅延素子３４の側壁の発散性により低減される。このデバイスの利点は、このカップ内では、上記環状形状内でよりもコロイド１を撹拌しやすいことである。
【００２４】
記載した例は、パルス遅延線の技術を用いた電気音響信号測定の問題を中心に置いた。パルス遅延線の技術によって行われる測定は他にも存在する。それらは、超音波減衰、音速、および材料の音響インピーダンスを含む。それらの測定では、電圧は、コロイドではなく、変換器全体にわたって印加される。音波が発生し、次いで、その音波は、材料を通過するかまたは材料によって反射された後に測定される。異なる測定であるが原理は同じである。変更された形状を用いることにより、所与のサイズの装置に対してより低い周波数を用いることが可能である。
【００２５】
総体的な発明の概念から逸脱することなく、本発明の範囲内で追加および変更を行うことが可能であることが理解される。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】測定に対する従来のアプローチを模式的に示す。
【図２】本発明の第１の実施形態を示す。
【図３】本発明の第２の実施形態を示す。
【図４】本発明の第３の実施形態を示す。
【図５】本発明の１つの実施形態を用いた際の典型的な変換器信号を示す。
【図６】背景技術によるデバイスを用いた際の典型的な変換器信号を示す。
【図１】
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【図５】
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【図６】
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【国際公開パンフレット】
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【手続補正書】
【提出日】平成15年1月21日(2003.1.21)
【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１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１】
パルス音響測定を行う装置であって、試料において音響応答を発生する手段と、遅延素子と、該音響応答を検出する変換器とを備え、該変換器は、該遅延素子を介して該応答を受信するように位置し、
前記遅延素子および変換器は、同様のサイズの矩形のブロック状の遅延素子と比べて、側壁による反射の影響を低減するような形状を有するように構成されることを特徴とする装置。
【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】請求項５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項５】
パルス音響測定を行う装置であって、試料において音響応答を発生する手段と、遅延素子と、該音響応答を検出する変換器とを備え、該変換器は、該遅延素子を介して該応答を受信するように位置し、
前記遅延素子は、該遅延素子の壁が側壁による反射が実質的に前記変換器に伝播しないように方向づけられる形状を有することを特徴とする装置。
【手続補正３】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項９】
パルス音響測定を行う方法であって、
試料において音響応答を発生する工程と、
前記音響応答により生じる音響信号が伝播する遅延素子を提供する工程と、
前記遅延素子から伝播する音響信号を検出する変換器を提供する工程と、
を包含し、
同様のサイズの矩形のブロック状の遅延素子と比べて、側壁による反射の影響を低減するような形状を有するように前記遅延素子および変換器を構成することを特徴とする方法。
【国際調査報告】
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