(57)【要約】【課題】広い帯域を有し、高いエネルギーの超音波を空中へ送信することが可能な超音波送波器を提供する。【解決手段】本発明の超音波送波器は、伝播方向に沿って超音波が伝播する空間および空間を伝播した超音波が出射する開口を有する音響管２と、音響管２の空間を規定する内側面に配列された、超音波を発生する複数の送信素子４と、複数の送信素子４を駆動する駆動部６とを備え、駆動部６は、空間を伝搬する超音波の音速および複数の送信素子の位置に基づいて、複数の送信素子からそれぞれ発生した超音波が、同時刻に、音響管の空間内の同位置に同位相で伝搬するように、複数の送信素子を異なるタイミングで駆動する。【選択図】図１
2009021852.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
伝播方向に沿って超音波が伝播する空間および前記空間を伝播した超音波が出射する開口を有する音響管と、
前記音響管の空間を規定する内側面に配列された、超音波を発生する複数の送信素子と、
前記複数の送信素子を駆動する駆動部と、
を備え、
前記駆動部は、前記空間を伝搬する前記超音波の音速および前記複数の送信素子の位置に基づいて、前記複数の送信素子からそれぞれ発生した超音波が、同時刻に、前記音響管の空間内の同位置に同位相で伝搬するように、前記複数の送信素子を異なるタイミングで駆動する超音波送波器。
【請求項２】
前記複数の送信素子は、前記伝播方向に平行な複数の列をなすように前記音響管の内側面に配列されている請求項１に記載の超音波送波器。
【請求項３】
前記複数の送信素子は、前記伝播方向に平行な第１および第２の列を成すように前記音響管の内側面に配列されており、前記第１の列を成す送信素子のそれぞれの中心の位置が、前記第２の列において隣接する送信素子のそれぞれの中間の位置に一致するように前記伝播方向において前記第１の列の送信素子および第２の列の送信素子が配列されている請求項１に記載の超音波送波器。
【請求項４】
伝播方向に沿って超音波が伝播する空間および前記空間を伝播した超音波が出射する開口を有する音響管と、
前記音響管の空間を規定する内側面に配列された超音波を発生させる少なくとも２つの送信素子と、
前記少なくとも２つの送信素子を駆動する駆動部と、
前記内側面に配列された少なくとも１つの超音波を受波する受信素子と、
を備え、
前記駆動部は、前記少なくとも２つの送信素子からそれぞれ発生した超音波が、同時刻に前記音響管の空間内の同位置に同位相で伝搬するように、前記送信素子の１つから送信され、前記空間を伝搬する超音波を前記受信素子によって受信したタイミングに基づき、前記の送信素子の他の１つを駆動する超音波送波器。
【請求項５】
前記少なくとも２つの送信素子は、前記伝播方向と平行に配列されており、前記受信素子は、前記少なくとも２つの送信素子から等しい距離に位置している請求項４に記載の超音波送波器。
【請求項６】
前記駆動部はタイマーを含み、タイマーによって、前記送信素子の１つを駆動後から前記受信素子が前記送信素子の１つから送信された超音波を受信するまでの時間を計測し、前記計測した時間をさらに経過後、前記送信素子の他の１つを駆動する請求項５に記載の超音波送波器。
【請求項７】
前記音響管の開口よりも大きな開口を有し、前記音響管の開口に接続されたホーンをさらに備える請求項１から６のいずれかに記載の超音波送波器。
【請求項８】
超音波が伝播方向に沿って伝播する空間および前記空間を伝播した超音波が出射する開口を有する音響管と、
前記音響管の空間を規定する内側面に配列された複数の超音波を発生させる送信素子と、
前記複数の送信素子を駆動する駆動部と、
を備え、
前記駆動部は、前記複数の送信素子を異なる周波数で駆動し、前記複数の送信素子からそれぞれ発生した超音波の原点および終点が一致するように、前記空間を伝搬する超音波の音速および前記複数の送信素子の位置に基づいて、前記複数の送信素子を駆動するタイミングを制御する超音波送波器。
【請求項９】
前記駆動部は、前記空間を満たしている媒体を伝播する超音波の音速に応じて、前記送信素子を駆動するタイミングを制御する請求項１から３または８のいずれかに記載の超音波送波器。
【請求項１０】
前記送信素子は、圧電体を含む請求項１から８のいずれかに記載の超音波送波器。
【請求項１１】
前記送信素子は、電歪体を含む請求項１から８のいずれかに記載の超音波送波器。
【請求項１２】
前記送信素子は、電熱線を含む請求項１から８のいずれかに記載の超音波送波器。
【請求項１３】
前記駆動部は、前記送信素子の共振周波数以外の周波数で前記送信素子を駆動する請求項１から８のいずれかに記載の超音波送波器。
【請求項１４】
前記音響管の空間を伝播する超音波は横波であり、前記送信素子の送波面に対して略平行に伝播する請求項１から８のいずれかに記載の超音波送波器。
【請求項１５】
前記駆動部は、前記複数の送信素子を同じ周波数で駆動する請求項１から７のいずれかに記載の超音波送波器。
【請求項１６】
超音波が伝播方向に沿って伝播する空間および前記空間を伝播した超音波が出射する開口を有する音響管と、
前記音響管の空間を規定する内側面に配列された複数の超音波を発生させる送信素子と、
前記複数の送信素子を駆動する駆動部と、
を備え、
前記駆動部は、前記複数の送信素子からそれぞれ発生した超音波が、同じ位相で前記音響管の開口から出射するように、前記空間を伝搬する超音波の音速および前記複数の送信素子のそれぞれの位置に基づいて、前記複数の送信素子を異なるタイミングで駆動する超音波送波器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波の送信を行う超音波送波器に関し、特に、広い帯域を有し、高いエネルギーの超音波を空中へ送信することが可能な超音波送波器に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波を空中へ送信する超音波送波器は、自動車のバックソナーや、ロボットの障害物検知などに用いられている。こうした用途では、測定範囲を拡大し、遠くの障害物まで検出できるよう、超音波送波器は高いエネルギーの超音波を送信できることが好ましい。また、ロボットなどに搭載できるよう超音波送波器は小型であることが好ましい。さらに、超音波の伝搬時間の測定精度を高めるため、より高周波数の超音波を送信することができるよう超音波送波器が送信する超音波の周波数帯域は広いほうが好ましい。
【０００３】
超音波送波器から送信される超音波のエネルギーを高める方法としては、超音波を発生させる超音波振動子に大きな電力を投入する、超音波振動子の面積を大きくする、超音波を集束させるなどが挙げられる。
【０００４】
しかし、超音波振動子に投入できる電力には限界があり、それ以上の電力を投入しても超音波振動子の振動する振幅が飽和してしまい、送信される超音波のエネルギーもそれ以上高くならない。超音波振動子が破壊されてしまうこともある。大電力を供給するためのアンプも大きなものになる。超音波振動子の面積を大きくすると、超音波振動子を駆動するために必然的に大電力を投入する必要があり、その結果、上述した課題が生じる。
【０００５】
超音波を集束させる方法によれは、焦点位置での超音波のエネルギーを高めることができる。しかし、エネルギーが高められるのは焦点位置においてのみであり、また、焦点位置の手前に障害物がある場合には超音波の伝播が妨害されるなどの課題がある。
【０００６】
これらの課題を解決し、送信する超音波のエネルギーを高める方法として、複数個の超音波振動子を用い、それぞれの超音波振動子から送信される超音波を合成することによってエネルギーを高める方法が知られている。一般的にエンドファイアーアレーと呼ばれている。例えば、特許文献１は、超音波を空中へ送信する超音波送波器ではないが、同様の考え方で超音波のエネルギーを高める技術を開示している。以下特許文献１に開示された高周波用超音波振動子の説明をする。
【０００７】
図１８に示すように、特許文献１は、液体の霧化、微粒子化、金属およびプラスチックの接合などに用いられる高周波用超音波振動子４０を開示している。高周波用超音波振動子４０は、ツール４１、円錐殻状ホーン４２、前面体４３、超音波振動子４４、電極４５、背面体４６を含んでおり、前面体４３、超音波振動子４４、電極４５、背面体４６によって振動要素を構成している。
【０００８】
図示していない駆動回路により、電極４５に電圧が印加されると、電極４５に与えられた電圧によって、超音波振動子４４が伸縮する。
【０００９】
超音波振動子４４には、圧電セラミックが一般的に用いられている。圧電セラミックは、高い電気機械変換効率を備え、機械共振特性に優れているので、大きな振動エネルギーを発生させることができる。超音波振動子に与える電気信号のパワーを上げることによって、より大きな振動エネルギーを発生させることができる。
【００１０】
円錐殻状ホーン４２は、多くの高調波振動モードを含んでいるが、そのうちの目的とする振動モードは、伸びたわみ振動モード（軸に垂直な径方向の振動成分が径方向に平行でなく、伸びを伴っている）である。
【００１１】
振動要素は、円錐殻状ホーン４２の伸びたわみ共振周波数において軸方向に縦波半波長共振する長さに設置する。これによって、超音波振動子４４を駆動することによって、図１８に示す振動モード４７で振動する。
【００１２】
このように円錐殻状ホーン４２の伸びたわみ振動と同相駆動となる位置に振動要素を配置することで、円錐殻状ホーン４２を効率的に振動させることができ、ツール４１へ効率的に振動を伝搬させることができる。
【特許文献１】特開平０６−２６９０７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
特許文献１の高周波用超音波振動子４０における超音波振動子４４の配置は、上述したように伸びたわみ共振周波数の波長によって決められている。特許文献１のように円錐殻状ホーン４２の構造によって決まる共振周波数においてのみ高周波用超音波振動子４０を動作させることが予定されている場合には、超音波の周波数が固定していることは特に問題ではない。
【００１４】
しかし、このような構造の高周波用超音波振動子を用いて、空気や水のような媒体中においてさまざまな周波数の超音波を送信させることはできない。
【００１５】
本発明は、このような従来技術の課題を解決し、広い帯域を有し、高いエネルギーの超音波を空中へ送信することが可能な超音波送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】
本発明の超音波送波器は、伝播方向に沿って超音波が伝播する空間および前記空間を伝播した超音波が出射する開口を有する音響管と、前記音響管の空間を規定する内側面に配列された、超音波を発生する複数の送信素子と、前記複数の送信素子を駆動する駆動部とを備え、前記駆動部は、前記空間を伝搬する前記超音波の音速および前記複数の送信素子の位置に基づいて、前記複数の送信素子からそれぞれ発生した超音波が、同時刻に、前記音響管の空間内の同位置に同位相で伝搬するように、前記複数の送信素子を異なるタイミングで駆動する。
【００１７】
ある好ましい実施形態において、前記複数の送信素子は、前記伝播方向に平行な複数の列をなすように前記音響管の内側面に配列されている。
【００１８】
ある好ましい実施形態において、前記複数の送信素子は、前記伝播方向に平行な第１および第２の列を成すように前記音響管の内側面に配列されており、前記第１の列を成す送信素子のそれぞれの中心の位置が、前記第２の列において隣接する送信素子のそれぞれの中間の位置に一致するように前記伝播方向において前記第１の列の送信素子および第２の列の送信素子が配列されている。
【００１９】
本発明の超音波送波器は、伝播方向に沿って超音波が伝播する空間および前記空間を伝播した超音波が出射する開口を有する音響管と、前記音響管の空間を規定する内側面に配列された超音波を発生させる少なくとも２つの送信素子と、前記少なくとも２つの送信素子を駆動する駆動部と、前記内側面に配列された少なくとも１つの超音波を受波する受信素子とを備え、前記駆動部は、前記少なくとも２つの送信素子からそれぞれ発生した超音波が、同時刻に前記音響管の空間内の同位置に同位相で伝搬するように、前記送信素子の１つから送信され、前記空間を伝搬する超音波を前記受信素子によって受信したタイミングに基づき、前記の送信素子の他の１つを駆動する。
【００２０】
ある好ましい実施形態において、前記少なくとも２つの送信素子は、前記伝播方向と平行に配列されており、前記受信素子は、前記少なくとも２つの送信素子から等しい距離に位置している。
【００２１】
ある好ましい実施形態において、前記駆動部はタイマーを含み、タイマーによって、前記送信素子の１つを駆動後から前記受信素子が前記送信素子の１つから送信された超音波を受信するまでの時間を計測し、前記計測した時間をさらに経過後、前記送信素子の他の１つを駆動する。
【００２２】
ある好ましい実施形態において、超音波送波器は、前記音響管の開口よりも大きな開口を有し、前記音響管の開口に接続されたホーンをさらに備える。
【００２３】
本発明の超音波送波器は、超音波が伝播方向に沿って伝播する空間および前記空間を伝播した超音波が出射する開口を有する音響管と、前記音響管の空間を規定する内側面に配列された複数の超音波を発生させる送信素子と、前記複数の送信素子を駆動する駆動部とを備え、
前記駆動部は、前記複数の送信素子を異なる周波数で駆動し、前記複数の送信素子からそれぞれ発生した超音波の原点および終点が一致するように、前記空間を伝搬する超音波の音速および前記複数の送信素子の位置に基づいて、前記複数の送信素子を駆動するタイミングを制御する。
【００２４】
ある好ましい実施形態において、前記駆動部は、前記空間を満たしている媒体を伝播する超音波の音速に応じて、前記送信素子を駆動するタイミングを制御する。
【００２５】
ある好ましい実施形態において、前記送信素子は、圧電体を含む。
【００２６】
ある好ましい実施形態において、前記送信素子は、電歪体を含む。
【００２７】
ある好ましい実施形態において、前記送信素子は、電熱線を含む。
【００２８】
ある好ましい実施形態において、前記駆動部は、前記送信素子の共振周波数以外の周波数で前記送信素子を駆動する。
【００２９】
ある好ましい実施形態において、前記音響管の空間を伝播する超音波は横波であり、前記送信素子の送波面に対して略平行に伝播する。
【００３０】
ある好ましい実施形態において、前記駆動部は、前記複数の送信素子を同じ周波数で駆動する。
【００３１】
本発明の超音波送波器は、超音波が伝播方向に沿って伝播する空間および前記空間を伝播した超音波が出射する開口を有する音響管と、前記音響管の空間を規定する内側面に配列された複数の超音波を発生させる送信素子と、前記複数の送信素子を駆動する駆動部とを備え、前記駆動部は、前記複数の送信素子からそれぞれ発生した超音波が、同じ位相で前記音響管の開口から出射するように、前記空間を伝搬する超音波の音速および前記複数の送信素子のそれぞれの位置に基づいて、前記複数の送信素子を異なるタイミングで駆動する。
【発明の効果】
【００３２】
本発明によれば、複数の送信素子から出射する超音波が、同時刻に同位置において同じ位相で伝搬するように、送信素子を駆動するタイミングを異ならせる。このタイミングは空間を伝播する超音波の音速と送信素子の位置に依存し、超音波の周波数には依存しない。したがって、送信する超音波の周波数が可変であり、広い帯域で高いエネルギーを有する超音波を送信することが可能な超音波送波器を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
以下、図面を参照しながら、本発明による超音波送波器の実施形態を説明する。
（第１の実施形態）
【００３４】
図１（ａ）は、本発明による超音波送波器の第１の実施形態を模式的に示す斜視図である。超音波送波器１０１は、音響管２と、ホーン３と、送信部４と、駆動部６とを備えている。送信部４は、駆動部６に駆動され超音波を発生する。発生した超音波は音響管２の内部を伝播し、ホーン３の開口３ａから出射する。音響管２のホーン３が設けられていない側の端部２ｂは開放されている。超音波送波器１０１は媒体５中で使用される。本実施形態では媒体５は空気である。超音波送波器１０１は、たとえば、２０ＫＨｚから８０ｋＨｚの周波数帯域で超音波を送信することが可能である。
【００３５】
図１（ｂ）に示すように、音響管２は、開口２ａおよび空間２ｃを有する。空間２ｃは、超音波が伝播する伝播方向Ｔに沿って伸びており、空間２ｃの一端に開口２ａが位置している。開口２ａはホーン３の開口３ｂと接続されている。
【００３６】
空間２ｃの伝播方向Ｔと垂直な断面、つまり、ＹＺ断面は、超音波送波器１０１が送信可能な超音波の周波数帯域の波長に比べて十分に小さいことが好ましい。これにより、音響管２の底面に配列された送信部４より送波した超音波は音響管２内を平面波として伝搬することが知られている。この平面波は伝播方向Ｔに対して平行な方向に媒体が変位する縦波である。ただし、断面を小さくしすぎると、媒体５の粘性の影響を無視できなくなる。本実施形態では、音響管２の断面は、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向ともに１．７ｍｍとした。送波する超音波の最大周波数が８０ｋＨｚとすると、媒体５である空気中での波長が４．２５ｍｍであるので、音響管２の断面は波長に比べて十分小さい。また、媒体５の粘性の影響も少ない。
【００３７】
音響管２のＸ軸方向の長さは、送信部４を構成する送信素子をなるべく多く配置させるためには長いほうが好ましい。送信素子の数が多いほど、超音波送波器１０１から送波される超音波の音圧を大きくすることができる。必要な送信素子の数は送信素子が単体で発生させることができる超音波の音圧および超音波送波器１０１に求められる超音波の音圧から決定される。実際に必要な音圧は、送波した超音波を受波する超音波受波器の感度にも依存する。本実施形態では、音響管２の長さは、例えば、１００ｍｍである。なお、本実施形態では、音響管２の伝播方向Ｔは直線であるが、伝播方向Ｔは曲がっていてもよい。つまり音響管２は曲管でもよい。この場合、音響管２が規定する空間内で音響の乱れが生じないように、送波する超音波の最大周波数の波長に対して十分に大きな曲率を設定する。
【００３８】
音響管２は、媒体５と音響インピーダンスが著しく異なる材料によって形成されていることが好ましい。超音波が音響管壁に透過すると、超音波のエネルギー密度が下がり、音響管２内の音圧が下がってしまうからである。媒体５が空気である場合、種々の固体材料を用いて音響管２を形成することができる。本実施形態では、音響管２はアルミニウムから形成されている。また、音響管２の空間を規定する内側面の表面の粗さは小さいほど、伝播する超音波のロスが少なくなる。具体的には、送波する超音波の最大周波数が８０ｋＨｚである場合、媒体５である空気中での波長が４．２５ｍｍであるので、内側面の表面粗さは、０．４２５ｍｍ以下であることが好ましい。
【００３９】
図２は、超音波送波器１０１の音響管２部分の分解斜視図である。図２に示すように、送信部４は、音響管２の内側面において配列された複数の送信素子４（１）、４（２）、４（３）・・・を含む。複数の送信素子４（１）、４（２）、４（３）・・・の配列方向は音響管２を伝播する超音波の伝播方向Ｔと平行である。以下、送信素子４（１）、４（２）、４（３）・・・を総称して参照する場合には参照番号を付さずに言及する。以下において詳細に説明するように、超音波送波器１０１は複数の送信素子のそれぞれから送信する同じ周波数の超音波が音響管２の開口２ａから同位相で出射するように送信素子の駆動のタイミングを制御することによって、合成された超音波の音圧を高める。
【００４０】
送信素子は、所望の周波数の超音波を発生することができる限り、特に制限はなく、超音波の領域で振動することにより超音波を発生させることのできる公知の材料からなる素子を用いることができる。送波効率が高いという観点からは、送信素子は圧電性能が高い圧電体を含んでいることが好ましい。例えば、圧電セラミック、圧電単結晶、圧電高分子などの圧電性の高い材料からなる圧電体を含む送信素子を用いることができる。より具体的には、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸バリウム、チタン酸鉛などの圧電セラミック、チタン酸ジルコン酸鉛単結晶、ニオブ酸リチウム、水晶などの圧電単結晶などを用いることができる。
【００４１】
圧電体に代えて公知の電歪体、電熱線などを用いてもよい。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用いることによって送波効率を高めることができる。
【００４２】
送信素子から送信する超音波の周波数は、送信素子の構造や材料によって定まる共振周波数と異なっていることが好ましい。送波する超音波の周波数が共振周波数と一致すると、音響管２内において残響が大きくなり、送波する超音波の波形が変化してしまう。構造的共振周波数を持たない圧電材料としては、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）が知られている。ＰＶＤＦは、０．００１Ｈｚから１ＧＨｚ程度の周波数帯域を持ち、軽くて柔らかいので特定の固有振動数を持たない。また、ＰＶＤＦは数１０μｍ程度の厚さのシート形状を有するため、音響管２の底面に配置しても音響管２内の形状に影響を与えない。
【００４３】
本実施形態では、水熱合成法によって形成された厚さ５０μｍのチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）の薄膜を有する送信素子を用いた。送信素子の共振周波数は約１５０ｋＨｚである。超音波送波器１０１で実現する周波数帯域を２０ＫＨｚから８０ｋＨｚに設定しているため、超音波送波器１０１から出射する超音波の周波数帯域よりも送信素子の共振周波数は高い。よって、共振によって、送信される超音波の波形が変化することがなく、ほぼ忠実に所望の送信波形を有する超音波を送信することができる。
【００４４】
図３は、送信部４のＸＺ断面図である。図３に示すように、音響管２の内側面２ｄに送信部４を設ける。送信部４の送信素子４（１）、４（２）、４（３）・・・の振動を妨げないように、内側面２ｄに空洞７１を設け、支持用のチタンの薄膜７を、空洞７１を覆うように配置する。送信素子４（１）、４（２）、４（３）・・・は、空洞７１に対応した位置に配置されるよう、薄膜７上に設けられている。送信素子の駆動によって、チタンの薄膜７は、数ｎｍから数十ｎｍ程度振動する。このため、チタンの薄膜７の振動の振幅よりも空洞７１は深いことが好ましい。
【００４５】
空洞７１は送信素子が発生する超音波の周波数によっては共振器として作用する。本実施例では、広帯域な送信器の実現を目的としているので、共振を避ける必要がある。送信する波形の周波数成分に空洞７１の共振周波数の成分が含まれていると、その成分だけが増幅され、波形が歪んでしまうからである。空洞７１の深さが、送信素子の発生する超音波の振動波長の４分の１である場合、空洞７１は共振する。本実施形態で実現する周波数帯域は、２０ｋＨｚから８０ｋＨｚであるので、それよりも高い周波数（約８００ｋＨｚ）で共振する寸法とした。具体的には、本実施形態では、空洞７１の深さを０．１ｍｍに設定した。また、空洞７１内の空気を外部に開放するために孔７２を設けている。
【００４６】
送信素子のＸ軸方向の幅は、大きいほうが大きな音圧の超音波を発生させることができる。しかし、あまり大きくすると、薄膜７上に不要な振動モードが発生し、不要な超音波を送信してしまう。本実施形態の送信素子のＸ軸方向の幅は２ｍｍに設定した。Ｙ軸方向の幅も２ｍｍに設定した。送信素子の形状を正方形にすることで、振動モードの予測が簡単な計算によって行えるという利点がある。しかし、不要な振動モードが必要な周波数帯域において発生しなければ、送信素子は他の形状を有していてもよい。
【００４７】
隣り合う送信素子のＸ軸方向の間隔、たとえば、送信素子４（１）と送信素子４（２）との間隔および送信素子４（２）と送信素子４（３）との間隔は、駆動部６が送信素子を駆動するタイミングに関するパラメータである。このため、送信素子のＸ方向つまり伝播方向Ｔにおける配置は精確になされている必要がある。本実施形態では、送信素子のＸ軸方向の間隔は３ｍｍに設定している。
【００４８】
図１（ｂ）を参照して説明したように、音響管２の伝播方向Ｔに垂直な断面は送信する超音波の波長に対して十分に小さい。音響管２の超音波が出射する開口２ａも同じサイズである。したがって、開口２ａから超音波を外部へ送信すると、開口２ａを点源として球面状に超音波が送信される。また、このとき、超音波の伝播する断面積が急激に拡大するため、音響管２の開口２ａと外部との境界において、インピーダンスの不整合が生じ、送信する超音波が反射されることによって、外部への出射効率が低下する。
【００４９】
このような課題を抑制するため、図１（ａ）および（ｂ）に示すように、超音波送波器１０１は、音響管２の開口２ａに設けられたホーン３を備えている。ホーン３は、伝播方向Ｔに沿ってその垂直な断面積が拡大する空間を形成しており、開口３ａは音響管２の開口２ａより大きい。これによりインピーダンスの不整合を緩和するとともに、送信する超音波の指向性を高めることができる。
【００５０】
ホーン３は、例えば、厚さは０．５ｍｍのアルミニウム板によって形成することができる。ホーン３の伝播方向Ｔに垂直な断面積は、伝播方向Ｔの位置に対して指数関数的に増加することが好ましい。具体的には、図１（ｂ）に示すように、伝播方向ＴにそってＸ軸を設定し、音響管２の開口２ａの断面積をＳ2とし、ホーン３の位置Ｘにおける断面積をＳ3とした場合、Ｓ3は以下の式を満たしていることが好ましい。
【００５１】
【数１】
2009021852.tif 000003
ここで、ｍ＝（４×π×ｆc）／Ｃであり、ｆcは、遮断周波数であり、Ｃは媒体５中での超音波の音速である。
【００５２】
式１から明らかなように、ホーン３の断面積Ｓ３は遮断周波数に依存している。本実施形態では、ホーン３の開口３ａにおけるＹ軸方向およびＺ軸方向の長さはともに８．５ｍｍであり、ホーン３の開口における外形のＹ軸方向およびＺ軸方向の長さはともに９．５ｍｍである。また、ホーン３のＸ軸方向の長さは２０ｍｍに設定した。このとき、遮断周波数は約２．２ｋＨｚであり、超音波送波器１０１の設計周波数帯域よりも十分に低い。したがって、ホーン３において損失が生じることなく超音波を開口３ａから放射できる。
【００５３】
次に図４および図５を参照しながら、超音波送波器１０１の動作を説明する。超音波送波器１０１の送信部４は前述したように複数の送信素子を含んでおり、複数の送信素子を駆動するタイミングを制御することによって、それぞれの送信素子から発生した同じ周波数の超音波の位相を一致させ、送信する超音波のエネルギーを高める。図４（ａ）および（ｂ）は、音響管２に１つの送信素子４（１）が設けられている場合における音響管２内を伝播する超音波の音圧分布を示している。これらの分布において、横軸はＸ軸方向の位置を示し、縦軸は音圧を示している。音響管２の内部は媒体５で満たされている。
【００５４】
送信素子４（１）が一周期分超音波領域において振動すると、振動によって発生した超音波の平面波は送信素子４（１）の中心から伝播方向Ｔおよびその反対の方向Ｔ’に媒体５の特性によって決まる音速で伝搬する。図４（ａ）に示すように、超音波を発生させた直後の時刻Ｔ１では、送信素子４（１）の中心から伝播方向Ｔおよびその反対の方向Ｔ’に超音波９、９’が伝播し始める。所定時間が経過した時刻Ｔ２においては、媒体５における超音波の伝播速度によって定まる距離だけ送信素子４（１）の中心から隔てた位置に超音波９、９’は到達している。音響管２を伝播する超音波は、ほとんど減衰しないため、伝播する超音波の振幅の大きさはほとんど変わらない。このため、点１０において観測される音圧の分布は、図４（ｂ）に示すように、送信素子４（１）における超音波９の発生時刻から点１０まで超音波が伝播する時間の経過後、送信素子４（１）において発生した超音波と同じ波形の超音波が観測される。
【００５５】
図５（ａ）および（ｂ）は、音響管２に２つの送信素子４（１）および４（２）が設けられている場合における音響管２内を伝播する超音波の音圧分布を示している。
【００５６】
送信素子４（１）において発生し、伝播方向Ｔに伝播する超音波９が送信素子４（２）の位置に到達したとき、送信素子４（２）を送信素子４（１）と同じ周波数で振動させる。これにより、送信素子４（２）の振動によって発生した超音波が送信素子４（１）で発生した超音波と同時刻において同位置に、同位相で存在することになるため、これら２つの超音波が完全に重なり合う。その結果、２つの超音波の振幅が合成されて強めあい、ほぼ２倍の振幅を有する超音波１３が伝搬方向Ｔへ伝播する。このため、点１０において観測される音圧の分布は、図５（ｂ）に示すように、送信素子４（１）における超音波９の発生時刻から点１０まで超音波が伝播する時間の経過後、送信素子４（１）において発生した超音波と２倍の振幅を有する超音波が観測される。
【００５７】
なお、図５（ａ）に示すように、送信素子４（２）の振動によって方向Ｔ’にも超音波９’’が伝搬する。しかし、この超音波９’’の速度と、送信素子４（１）から方向Ｔ’へ伝搬する超音波９’の速度は同じであるため、２つの超音波が重なり合うことはない。
【００５８】
このように送信素子をＸ軸方向に数多く配置し、上述した駆動タイミングで複数の送信素子を順次駆動していくことにより、伝搬方向Ｔへ伝搬する超音波の音圧を大きくすることができる。複数の送信素子を駆動するタイミングは、上記説明から明らかなように、超音波が隣接する送信素子へ到達する時間で決まる。つまり、媒体５中を伝搬する超音波の音速および送信素子の位置に基づく。これらは、送信する超音波の周波数には依存しないため、超音波送波器１０１は広帯域の超音波を送信することができる。送信素子の駆動するタイミングが重要であるため、送信素子の電気的特性のバラツキは少ないほうが好ましい。
【００５９】
次に、上述した駆動タイミングを実現する駆動部６の一例を説明する。図６は、送信部４を駆動する駆動部６の位置例を示している。駆動部６は、送信部４を駆動する送信アンプ１４、トリガ信号を作成するタイマー１５、同じ周波数の駆動波形を記憶し、トリガ信号によって送信アンプ１４に駆動信号を送出する複数のＤ−Ａ部１６（１）、１６（２）、１６（３）・・、および温度測定素子１７を含んでいる。以下、Ｄ−Ａ部１６（１）、１６（２）、１６（３）・・を総称する場合には、単にＤ−Ａ部１６と呼ぶ場合がある。
【００６０】
タイマー１５は、内部でクロック信号を発生し、トリガ信号（駆動開始信号）が入力されると、時間を計測し、所定の時間経過後、トリガ信号を発生する。トリガ信号を発生するまでの時間は任意に設定できる。トリガ信号の生成回数は、送信部４を構成する送信素子の数に等しい。温度測定素子は、サーミスタなどを使用することができる。タイマーの代わりに所定の基準クロックで数を計測するカウンタを用いてもよい。
【００６１】
本実施例では媒体５は空気である。温度測定素子１７により測定された媒体５（空気）の温度から、媒体５（空気）の音速は次式で求められる。
【００６２】
【数２】
2009021852.tif 000004
ただし、Ｔは空気の温度（℃）である。
【００６３】
媒体５を伝搬する超音波の音速が求まれば、隣の送信素子に到達するまでの時間は、隣の送信素子までの距離を媒体５の音速で除算することによって求められる。したがって、送信素子４（１）を駆動した後、送信素子４（２）に到達するまでの時間後、送信素子４（２）を駆動し、送信素子４（３）に到達するまでの時間後、送信素子４（３）を駆動すればよい。
【００６４】
空気である媒体５の温度が２０℃である場合、音速は（数２）より３４３．５ｍ／ｓとなる。本実施形態では送信素子のＸ軸方向の間隔は３ｍｍであるので、駆動開始のトリガ信号を受けたタイマー１５は、直ちに第１のトリガ信号を生成し、以降、８．７μｓ経過ごとにトリガ信号を生成する。これにより、トリガ信号をＤ−Ａ部１６（１）、１６（２）、１６（３）が順に受け取り、メモリされている駆動波形を順に送信アンプ１４へ出力する。送信アンプ１４によって増幅された駆動波形が送信素子４（１）、４（２）、４（３）を順番に駆動する。
【００６５】
タイマー１５にカウンタを用いる場合には、例えば、内部クロックが１０ＭＨｚであれば、８７カウントごとにトリガ信号を生成する。具体的には、Ｄ−Ａ部１６（１）へのトリガは駆動開始信号を入力後、０カウント目にトリガを出力し、Ｄ−Ａ部１６（２）へのトリガは駆動開始信号を入力後８７カウント目（８．７μｓに相当）にトリガを出力し、Ｄ−Ａ部１６（３）へのトリガは駆動開始信号を入力後１７４カウント目（８．７μｓ×２に相当）にトリガを出力する。これにより、Ｄ−Ａ部１６（１）、１６（２）、１６（３）が順に受け取り、Ｄ−Ａ部１６にメモリされている駆動波形が送信アンプ１４により増幅され、送信素子４（１）、４（２）、４（３）が順番に駆動される。
【００６６】
図７（ａ）〜（ｃ）は、送信アンプ１４に入力されるＤ−Ａ部１６（１）、１６（２）、１６（３）の出力信号を示している。これらの信号が送信アンプ１４によって増幅され、図７（ａ）〜（ｃ）に示されるように、８．７μｓずつ遅延したタイミングで送信素子４（１）、４（２）、４（３）が駆動される。図６などでは省略しているが、本実施形態では、送信素子を音響管２の中に２３個配置している。
【００６７】
図８（ａ）は、超音波送波器１０１に、駆動信号として４０ｋＨｚの超音波を１波入力し、１つの送信素子のみを駆動した場合において、０．２５ｍｓ後に音響管２内を伝搬する波形を示している。縦軸は音圧を示し、横軸は音響管２内の位置を示している。送信素子が１つである場合、駆動開始から０．２５ｍｓ後に音響管２内に伝搬する超音波の波形１９は、±０．０３５Ｐａ程度の音圧を有している。
【００６８】
図８（ｂ）は、２３個の送信素子を上述したタイミングで駆動した場合における駆動開始から０．２５ｍｓ後に音響管２内を伝搬する超音波の波形を示している。波形２０は、±０．７７Ｐａ程度の音圧を有している。このことから、ほぼ送信素子の総数（２３個）だけ音圧が高くなって伝搬していることがわかる（０．７７Ｐａ÷２３＝０．０３３５Ｐａ）。図８（ｂ）に示すように、所望の波形２０以外に、波形２０に対して−３０ｄＢ程度（音圧約±０．０２７Ｐａ）の振幅を有する多数の超音波が存在していることがわかる。これらの超音波は波形２０とは異なり、Ｘ軸の負の方向に進行している。前述したように、所望の超音波の伝搬方向と反対の方向に伝搬する超音波は重なり合うことがないため、振幅は大きくならない。
【００６９】
図８（ｃ）は、１２個の送信素子を上述したタイミングで駆動した場合における駆動開始から０．１２５ｍｓ後に音響管２内に伝搬する波形を示している。波形２１は、±０．４Ｐａ程度の音圧を有していおり、ほぼ送信素子の総数（１２個）だけ音圧が高くなって超音波が伝搬していることがわかる（０．４Ｐａ÷１１＝０．０３６４Ｐａ）。図８（ｂ）と同様、Ｘ軸の負の方向に進行している小さな振幅の超音波が観測されている。波形２０の場合は、不要な超音波と所望波形の振幅比が−３０ｄＢであったのに対して、波形２１の場合、不要な超音波と所望波形の振幅比は−２２ｄＢであり、悪化している。これは、所望の超音波の伝搬方向と反対の方向に伝搬する不要な超音波の一部が、音響管２のＸ軸方向開口２ｂ（図１）において反射することによって、Ｘ軸の正の方向に伝搬し、所望波形を乱しているからであると考えられる。この影響を抑制するためには、波形２０と波形２１との比較から明らかなように、送信素子の個数を増やせばよい。
【００７０】
このように、本実施形態によれば、複数の送信素子から出射する超音波が、同時刻に同位置において同じ位相で伝搬するように、送信素子を駆動するタイミングを異ならせる。このタイミングは空間を伝播する超音波の音速と送信素子の位置に依存し、超音波の周波数には依存しない。したがって、本実施形態によれば、送信する超音波の周波数が変更可能であり、広い帯域で高いエネルギーの超音波を送信することのできる超音波送波器を実現することができる。
【００７１】
また、本実施形態では、送信素子の送信面に対して平行に超音波を伝播させることによって、平面波である超音波を発生させる。このため、超音波の伝播方向に沿って複数の送信素子を配置することが可能となり、エネルギーロスの少ない超音波を送信することできる。超音波送波器の外形も比較的小さくすることができる。
【００７２】
（第２の実施形態）
図９は、本発明による超音波送波器の第２の実施形態の主要部の構成を示すブロック図である。図９に示す超音波送波器１０２は、音響管２と、送信部４、受信部２２および駆動部６１を備えている。音響管２および送信部４は第１の実施形態の音響管２および送信部４と同じ構造を備えている。音響管２には第１の実施形態と同様ホーン３が取り付けられていてもよい。
【００７３】
図９に示すように、音響管２の内側面には送信部４と対向するように１つ以上の受信素子を含む受信部２２が設けられている。超音波送波器１０２は受信部２２の受信素子によって、送信素子から送信された超音波を検出し、駆動部６１が検出したタイミングに基づいて他の送信素子を駆動する。これにより媒体５における超音波の音速を求めることなく、複数の送信素子から発生した超音波が同時刻に同位置において同位相を有するように送信素子を駆動するタイミングを制御することができる。
【００７４】
このために、好ましくは、受信部２２は、音響管２内において配列された複数の送信素子の各隣接する２つに対して、これらから等距離に位置する受信素子を備える。図９に示すように送信素子４（１）、４（２）に対し、受信素子２２（１）を設け、送信素子４（２）、４（３）に対し、受信素子２２（２）を設ける。このようにして、送信素子をｎ個送信部４が含む場合には、受信部はｎ−１個の受信素子を含んでいる。受信素子は、送信素子に対向している。
【００７５】
駆動部６１は、送信素子を駆動する送信アンプ１４、駆動波形を記憶しておりトリガ信号によって送信アンプ１４に駆動信号を送出するＤ−Ａ部１６、受信素子で受信した超音波を増幅する受信アンプ２３、コンパレータ２４、およびトリガ信号を作成するタイマー２５を含む。送信アンプ１４およびＤ−Ａ部１６は、第１の実施形態の送信アンプ１４およびＤ−Ａ部１６と同じ構造を備えており、同様に機能する。
【００７６】
受信素子は、本実施例では、ＰＶＤＦからなる圧電体によって構成されている。前述したように、ＰＶＤＦは、０．００１Ｈｚから１ＧＨｚ程度の周波数帯域を持ち、軽くて柔らかいので特定の固有振動数を持たない。また、数１０μｍ程度の厚さを有するシート形状に成形されているため、音響管２の内側面に配置しても音響管２内の形状に影響を与えない。前述したように受信素子は、隣接する２つの送信素子から等距離の位置に配置する。より具体的には、受信素子２２（１）は、送信素子４（１）のＸ座標の中心位置から１．５ｍｍの位置に取り付ける。同様に受信素子２２（２）の取り付け位置は、送信素子４（２）のＸ座標の中心位置から１．５ｍｍの位置に取り付ける。このように、複数の受信素子も超音波の伝播方向に対して平行に配列される。
【００７７】
コンパレータ２４は、基準電圧よりも入力された信号が高い場合にＨ信号（３．３Ｖ）を一定時間出力し、その後一定時間はＬ信号（０Ｖ）を出力する。それ以外はＬ信号（０Ｖ）を出力している。タイマー２５は、トリガ信号（駆動開始信号）が入力されると、時間の計測を開始し、コンパレータ２４からＨ信号（３．３Ｖ）が入力されるまでの時間を求める。その求めた時間を記憶するとともに、時間の計測を継続し、さらに記憶した時間が経過した後、トリガ信号を発生する。
【００７８】
図１０（ａ）〜（ｅ）は、駆動部６１の各部からの出力信号を示すチャートである。図９および図１０（ａ）〜（ｅ）を参照して、超音波送波器１０２の動作を説明する。
【００７９】
駆動開始信号は、Ｄ−Ａ部１６（１）にトリガ信号として入力される。Ｄ−Ａ部１６（１）は、トリガ信号を受けると、図１０（ａ）に示すように、記憶されている駆動波形１８で送信アンプ１４（１）に出力する。駆動波形１８は送信アンプ１４によって増幅され、送信素子４（１）が駆動される。送信素子４（１）によって発生した超音波が伝搬し、受信素子２２（１）にて受信される。
【００８０】
駆動開始信号は、Ｄ−Ａ部１６（１）に入力されるのと同時にタイマー２５（１）にも入力される。タイマー２５（１）は、駆動開始信号が入力されると、時間の計測を開始する。
【００８１】
受信素子２２（１）にて受信された超音波は、受信アンプ２３（１）によって増幅される（図１０の（ｂ））。増幅された信号２６は、コンパレータ２４（１）にて、基準電圧２７と比較される。コンパレータ２４（１）は、基準電圧２７よりも増幅された信号２６が高い場合にＨ信号（３．３Ｖ）を一定時間２９だけ出力する。その後、一定時間３０の間はＬ信号（０Ｖ）を出力している（図１０の（ｃ））。
【００８２】
コンパレータ２４(１)の出力信号２８はタイマー２５(１)に入力される。タイマー２５（１）は、出力信号２８を受け取ったときの時間を記憶する。さらに時間の計測を続け、記憶した時間がさらに経過したとき、トリガ信号３１を出力する（図１０の（ｄ））。記憶した時間は、図１０（ｄ）の時間３２に相当する。これは送信素子４（１）から受信素子２２（１）まで媒体５を超音波が伝搬した時間にほぼ一致する。したがって、さらに時間３２に相当する時間が経過するのを計測することによって、時間３３を計測したことに相当する。
【００８３】
図９において、受信素子２２（１）は、送信素子４（１）と４（２）とのＸ軸方向の中心に設置しているので、時間３２と時間３３との合計の時間は、送信素子４（１）から伝搬した超音波が送信素子４（２）に到達した時間に等しい。よって、このタイミングで送信素子４（２）を駆動すれば（図１０（ｅ））、送信素子４（１）からの超音波と送信素子４（２）からの超音波を同時刻、同じ位置において、同位相で加算することができる。
【００８４】
以下、同様に、送信素子４（２）から送信された超音波を受信素子２２（２）によって受信し、上述した手順により、送信素子４（３）を駆動することができる。
【００８５】
このように順次、送信素子をＸ軸方向に順番に駆動していく。これによって、媒体５における超音波の音速が未知であっても、音速を求めることなく、送信素子を順に駆動することが可能である。したがって、特に、媒体５が変化する場合や、媒体５の温度が変化する場合でも、音速を求めることなく、高いエネルギーの超音波を空中へ送信することが可能な超音波送波器が実現する。
【００８６】
（第３の実施形態）
図１１は、本発明による超音波送波器の第３の実施形態を示す斜視図である。超音波送波器１０３は音響管２と、ホーン３と、送信部４１と、送信部４２と駆動部６２とを備えている。図１２は、音響管２のＸＺ断面を示している。送信部４１および送信部４２はそれぞれ複数の送信素子を含み、これらの送信素子は、伝播方向Ｔと平行に複数の列を成すように音響管２の内側面に配置されている点で第１の実施形態とは異なる。
【００８７】
送信素子の送波面積を小さくすることによって、単位面積あたりの送信素子の個数を増やすことができる。これによって、第１の実施形態で説明したように、不要な超音波と所望波形の振幅比を大きくすることができる。しかし、送信素子の送波面積を小さくすると、送信素子のインピーダンスが大きくなり、駆動することが困難になる。よって、送信素子の送波面積はある程度の大きさを確保する必要がある。
【００８８】
本実施形態では、送信素子を音響管２の上面と下面に交互に配置することによって、送信素子の幅を確保しつつ、送信素子の間隔を狭くすることができる。これによって、送信素子の送波面積を小さくすることなく、送信素子を増大することができ、単位面積あたりの送信素子の個数を増やすことができる。
【００８９】
具体的には、図１２に示すように、送信部４１の送信素子４（１）、４（２）、４（３）・・・を伝播方向Ｔと平行な列を成すように第１の実施形態と同様に音響管２の内側面に配置する。送信部４２の送信素子４’（１）、４’（２）、４’（３）・・・も、伝播方向Ｔと平行な列を成すように第１の実施形態と同様に音響管２の内側面に配置する。各送信素子４’（１）、４’（２）、４’（３）・・・は、送信部４１の送信素子４（１）、４（２）、４（３）・・・の中心Ｃ（１）、Ｃ（２）、Ｃ（３）・・・・の位置が送信素子４’（１）、４’（２）、４’（３）・・・の隣接する２つの中間の位置に一致するように配置される。送信素子４’（１）、４’（２）、４’（３）・・・は、送信素子４（１）、４（２）、４（３）・・・と対向するように配置する。
【００９０】
駆動部６２は、送信素子４’（１）、送信素子４（１）、送信素子４’（２）、送信素子４（２）・・・・の順で第１の実施形態と同様に送信素子を駆動する。この場合、送信素子４’（１）と送信素子４（１）とのＸ方向における間隔は、第１の実施形態の半分になるため、遅延させる時間も半分になる。
【００９１】
なお、本実施形態では、送信素子４（１）、４（２）、４（３）・・・の中心Ｃ（１）、Ｃ（２）、Ｃ（３）・・・・の位置が送信素子４’（１）、４’（２）、４’（３）・・・の隣接する２つの中間の位置に一致するように配置される。しかし、送信素子４（１）、４（２）、４（３）・・・の中心Ｃ（１）、Ｃ（２）、Ｃ（３）・・・・の位置を送信素子４’（１）、４’（２）、４’（３）・・・の中心に一致するように配置してもよい。この場合、送信素子４（１）、送信素子４’（１）とは同じタイミングで駆動する。同様に、送信素子４（２）と送信素子４’（２）とは同じタイミングで駆動する。このような配置によれば、各送信素子の送波面積を２倍にしたのと同様の効果が得られ、より送信する超音波のエネルギーを高めることができる。
【００９２】
（第４の実施形態）
第１、第２および第３の実施形態では、複数の送信素子から同一の周波数を有する超音波を送信し、同位相で合成することによって、送信する超音波のエネルギーを高めている。しかし、本発明の超音波送波器はこれまで説明したように、周波数に依存することなく、広い帯域で超音波を送信することができる。この特徴を利用して、複数の送信素子に異なる周波数の超音波を発生させ、合成することもできる。
【００９３】
送信素子を駆動する駆動信号の波形を異ならせることによって、本実施形態は実現でき、超音波送波器の構成自体は、Ｄ−Ａ部１６のメモリに記憶されている駆動波形が送信素子ごとに異なることを除けば第１の実施形態から第３の実施形態のいずれの構成を用いてもよい。
【００９４】
図１３（ａ）は、本実施形態の超音波送波器を用い、周波数の異なる超音波を合成することによって、送信することのできる擬似パルス波形３４を示している。このパルス波形３４は、２０ｋＨｚの周波数から、５ｋＨｚ刻みで１３０ｋＨｚの周波数までの２２の異なる周波数の超音波の波形を合成することによって生成することができる。各超音波は１５０μｓのバースト波形として生成する。図１４（ａ）は、２０ｋＨｚの超音波の波形を示している。周波数が２０ｋＨｚである場合、１５０μｓは、３波長に相当する。図１４（ｂ）はこの波形の周波数特性を示している。
【００９５】
図１５（ａ）は、２２の異なる周波数の超音波の波形を、原点および終点を一致させて描画した図である。このように、超音波送波器は、２２の異なる周波数の超音波の波形をたとえば第１の実施形態の駆動部６に設けられたＤ−Ａ部１６（１）から１６（２２）のメモリに記憶させておく。
【００９６】
駆動部６は、第１の実施形態で説明したタイミングで送信素子４（１）〜４（２２）を駆動する。各送信素子から出射した超音波の周波数が異なるため、位相は一致しないが、各超音波の原点および終点が一致するように超音波を送信するタイミングが音速および送信素子の位置に基づき調整される。
【００９７】
図１５（ｂ）は、このように原点および終点が一致するように送信された２２の超音波の波形を合成することによって得られる合成波形を示している。原点の直後に幅が狭く、振幅の大きい１つの波形が生成する。図１５（ｃ）は、この波形の周波数特性を示している。図１５（ｃ）に示すように、２０ｋＨｚから１３０ｋＨｚ付近までを帯域とする周波数成分が含まれていることが分かる。
【００９８】
つまり、本実施形態の超音波送波器は、図１３（ａ）に示されるような、多くの周波数成分を含むパルス波形３４を出射することができる。このような波形の超音波を測定対象物に向けて送信し、測定対象物から得られた反射波の周波数成分を解析すれば、測定対象物において吸収された周波数成分が分かる。これにより、測定対象物の物性を推定することが可能となる。
【００９９】
図１３（ｂ）は、本実施形態の超音波送波器を用い、周波数の異なる超音波を合成することによって、送信することのできる他の擬似パルス波形３５を示している。このパルス波形３５は、２０ｋＨｚの周波数から、５ｋＨｚ刻みで１３０ｋＨｚの周波数までの２２の異なる周波数の超音波の波形を合成することによって生成することができる。各超音波は４００μｓのバースト波形として生成する。図１６（ａ）は、２０ｋＨｚの超音波の波形を示している。周波数が２０ｋＨｚである場合、４００μｓは、８波長に相当する。図１６（ｂ）はこの波形の周波数特性を示している。図１４（ａ）、（ｂ）に比べて、波形が長いため、周波数帯域が狭くなっている。このため、送信素子の共振周波数をそれぞれ２２の異なる周波数に一致させてもよい。この場合には、駆動部６を送信素子のインピーダンスに整合させることができるため、駆動効率が高くなるという利点がある。
【０１００】
図１７（ａ）は、２２の異なる周波数の超音波の波形を、原点および終点を一致させて描画した図である。また、図１７（ｂ）は、このように原点および終点が一致するように送信された２２の超音波の波形を合成することによって得られる合成波形を示している。原点の直後に幅が狭く、正および負に大きい振幅を有する１つの波形が生成する。図１７（ｃ）は、この波形の周波数特性を示している。図１７（ｃ）に示すように、２０ｋＨｚから１３０ｋＨｚ付近までを帯域とする周波数成分が含まれていることが分かる。
【０１０１】
このように本発明の超音波送波器は、異なる周波数の超音波を複数の送信素子から送信させることも可能であり、これによって、種々の周波数成分を含む超音波を送信することもできる。
【０１０２】
なお、一般に、超音波の周波数が高くなるにつれて、超音波は減衰しやすくなる。したがって、高周波の超音波を送信する送信素子を開口２ａ側に配置し、音響管２内を伝搬する距離が短くなるようにすれば、超音波の高周波成分の減衰を抑制し、より効率的な超音波送波器を実現することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１０３】
本発明の超音波送波器は、広帯域で高いエネルギーを備えた超音波を送波することが可能であり、距離測定、物体検知、流量計測、ロボット制御等に好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【０１０４】
【図１】（ａ）は本発明の超音波送波器の第１の実施形態を示す斜視図であり、（ｂ）はその主要部の断面図である。
【図２】第１の実施形態の音響管の部分の分解斜視図である。
【図３】第１の実施形態の音響管に設けられた送信部の断面図である。
【図４】（ａ）および（ｂ）は、第１の実施形態の動作を説明する図である。
【図５】（ａ）および（ｂ）は、第１の実施形態の動作を説明する図である。
【図６】第１の実施形態の駆動部の構成を示すブロック図である。
【図７】（ａ）〜（ｃ）は、第１の実施形態の駆動部における駆動信号のタイミングを示す図である。
【図８】（ａ）〜（ｃ）は、第１の実施形態から送信される超音波の例を示している。
【図９】本発明の超音波送波器の第２の実施形態の主要部を示す図である。
【図１０】（ａ）〜（ｅ）は、第２の実施形態の駆動部の各部における信号のタイミングを示す図である。
【図１１】本発明の超音波送波器の第３の実施形態を示す斜視図である。
【図１２】第３の実施形態の音響管に設けられた送信部の断面図である。
【図１３】（ａ）および（ｂ）は、本発明の超音波送波器の第３の実施形態から送信される超音波の例をそれぞれ示している。
【図１４】（ａ）および（ｂ）は、図１３（ａ）に示す超音波を送信するために、第３の実施形態において送信素子から送信される１つの超音波の波形および周波数特性を示している。
【図１５】（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、図１３（ａ）に示す超音波を送信するために、第３の実施形態において送信素子から送信されるすべての超音波の波形、それらを合成した波形および周波数特性を示している。
【図１６】（ａ）および（ｂ）は、図１３（ｂ）に示す超音波を送信するために、第３の実施形態において送信素子から送信される１つの超音波の波形および周波数特性を示している。
【図１７】（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、図１３（ｂ）に示す超音波を送信するために、第３の実施形態において送信素子から送信されるすべての超音波の波形、それらを合成した波形および周波数特性を示している。
【図１８】従来の超音波送信器の一例を示す断面図である。
【符号の説明】
【０１０５】
２      音響管
２ａ、２ｂ    開口
３      ホーン
３ａ、３ｂ    開口
４      送信部
５      媒体
６      駆動部
７      チタンの薄膜
１５、２５    タイマー
１６    Ｄ−Ａ部
１７    温度測定素子
２２    受信部
２３    受信アンプ
２４    コンパレータ
１０１、１０２、１０３    超音波送波器
【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】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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