超音波送受波器
【課題】 環境の温度などが変化しても、安定して高感度、広帯域な超音波の送受波が可能な超音波送受波器を提供する。
【解決手段】 環境流体で満たされた周囲の空間に対して超音波の送波又は受波を行う超音波送受波器１であって、少なくとも超音波振動子２と、超音波振動子と環境流体４との間に充填されて、超音波の伝搬経路を形成する伝搬媒質部３とを備え、伝搬媒質部の密度ρ１及び音速Ｃ１、環境流体の密度ρ２及び音速Ｃ２が、（ρ２／ρ１）＜（Ｃ１／Ｃ２）＜１の関係を満足し、超音波振動子は超音波の送波又は受波の指向性が制御される。
【解決手段】 環境流体で満たされた周囲の空間に対して超音波の送波又は受波を行う超音波送受波器１であって、少なくとも超音波振動子２と、超音波振動子と環境流体４との間に充填されて、超音波の伝搬経路を形成する伝搬媒質部３とを備え、伝搬媒質部の密度ρ１及び音速Ｃ１、環境流体の密度ρ２及び音速Ｃ２が、（ρ２／ρ１）＜（Ｃ１／Ｃ２）＜１の関係を満足し、超音波振動子は超音波の送波又は受波の指向性が制御される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波の送波を行う超音波送波器、又は、超音波の受波を行う超音波受波器、又は、そのいずれか若しくは両方を行う超音波送受波器に関し、安定に高感度で超音波を送波又は／かつ受波しうる超音波センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
本願発明者は、特許文献１において、超音波の屈折を利用して高感度、広帯域に超音波を送受信しうる発明を開示している。特許文献１の発明は、空気などの音響インピーダンスの極めて小さい媒質に対して、超音波を屈折させながら高感度に送受波することが可能な超音波送受波器であって、特殊な材料を利用した伝搬媒質部を持ち屈折現象を利用した超音波送受波器である。
【０００３】
特許文献１に開示の発明を図１１に示す。図１１に示すように、特許文献１の発明の超音波送受波器１０１は、少なくとも超音波振動子１０２と、超音波振動子１０２の前面に設けられ、環境流体１０４と超音波振動子１０２の間を埋める伝搬媒質部１０３を有している。ここでは、以下の説明を行いやすくするため、超音波振動子１０２と伝搬媒質部１０３の界面を第１表面領域１３１と定義し、伝搬媒質部１０３と環境流体１０４の界面を第２表面領域１３２として定義する。
【０００４】
このような超音波送受波器１０１において、伝搬媒質部１０３の材質（密度、音速）と、図１１に示した伝搬媒質部１０３内の第２表面領域１３２における法線方向と超音波伝搬方向のなす角度θ１、及び環境流体内側の角度θ２を適切に選択する事によって、伝搬媒質部１０３と環境流体１０４との界面における超音波の反射をほぼ０にして、透過効率を、ほぼ１とすることができるものである。
【０００５】
【特許文献１】ＷＯ２００４／０９８２３４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このような有利な効果を持つ特許文献１の超音波送受波器であるが、温度などの環境変化によって送受波感度が大きく変化すると言う問題があった。以下では、この課題について詳しく説明する。
【０００７】
特許文献１の超音波送受波器における送受波感度は、伝搬媒質部と環境流体の界面における超音波の透過効率によって大きく変化する。
【０００８】
これは、従来からある音響整合層を利用した超音波送受波器にも、音響整合層と環境流体の界面における超音波の透過効率で同じ事が言える。
【０００９】
音響整合層と環境流体の界面における超音波の透過効率については、環境流体と音響整合層、超音波振動子の音響インピーダンスによってその効率が決まるものであるが、特許文献１の超音波送受波器においては、伝搬媒質部と環境流体、超音波振動子の音響インピーダンスの関係において透過効率が決まるものではなく、主に伝搬媒質部の音速と、環境流体の音速、更に図１１に示した角度θ１をパラメータとして透過効率が決まるものである。
【００１０】
ここで、超音波送受波器の感度を大きく変化させる要因となる、伝搬媒質部と環境流体の界面における超音波の透過効率を、送波時と受波時に分けて考える。ここでは、透過効率として界面における反射率を用いて説明する。反射率が低いほど透過効率は高くなることを意味している。
【００１１】
ここで、送波時と受波時に分けて考えるのは、特許文献１の超音波送受波器の感度変化は、送波時と受波時において、そのメカニズムに違いがあり、それぞれ別に考える必要があるためである。
【００１２】
送波時と受波時のそれぞれにおける感度変化の主要因は、次のようなものである。すなわち、送波時には、伝搬媒質部１０３と環境流体１０４の界面における超音波の透過効率が変化して送波感度が変化する事が主要因である。一方、受波時には、伝搬媒質部１０３を伝搬する超音波の方向、すなわち角度θ１が変化する事が感度変化の主要因である。
【００１３】
送波時、受波時の送受波感度の変化について、以下で詳しく説明する。
【００１４】
送波時とは、超音波振動子１０２から送波された超音波が、伝搬媒質部１０３を通り、更に環境流体１０４へ放射される場合である。図１１に示した超音波送受波器１０１の構成においては、伝搬媒質部１０３内における超音波の進行方向は実線の矢印１０６で示した方向であり、角度θ１は常に一定となる。
【００１５】
これは、超音波振動子１０２に、超音波の方向を変える機構がなく、また第２表面領域１３２の傾斜角度を変化させる機構がないためである。つまり、図１１において角度θ１を変える機能を超音波送受波器１０１が有していない。
【００１６】
図１１において伝搬媒質部１０３の内部に点線１０７で示したのは、超音波振動子１０２から送波された超音波１０５の同一位相波面を示すものである。このように、超音波振動子２から送波された超音波は、矢印で示したような超音波１０５の進行方向に対して、垂直な同一位相の波面を有している。
【００１７】
図１１のように超音波振動子１０２が単一である場合には超音波振動子１０２と伝搬媒質部１０３の作る界面、すなわち第１表面領域１３１と超音波の波面１０７はほぼ平行である。
【００１８】
超音波振動子１０２で発生した超音波は、伝搬媒質部１０３を通って、第２表面領域１３２に到達する。通常このような界面では超音波の一部は反射して伝搬媒質部１０３へ戻るか、あるいは一部は屈折して環境流体１０４へ伝搬していく事となる。反射、あるいは屈折する超音波の割合は角度θ１によって大きく変化する。
【００１９】
第２表面領域における超音波の速度ポテンシャルの反射率Ｒは（数１）で示される。
【００２０】
【数１】
ここで、ρ１は伝搬媒質部１０３の密度、ρ２は環境流体１０４の密度、θ１は伝搬媒質部１０３内における第２表面領域１３２の垂線と超音波伝搬方向のなす角度、θ２は環境流体１０４内における第２表面領域１３２の垂線と超音波伝搬方向のなす角度である。
【００２１】
【数２】
（数１）に示した反射率Ｒは（数２）を満たすとき、反射率Ｒが０となる角度θ１、θ２が必ず存在する。
【００２２】
このような反射率Ｒが０のとなった時、超音波は全て伝搬媒質部と環境流体の界面を透過するため、もっとも感度が高くなる。
【００２３】
ところで、角度θ１とθ２の間には屈折の法則が適用できる関係があり、伝搬媒質部の音速をＣ１、環境流体の音速をＣ２とした時、（数３）に示す関係が成立する。
【００２４】
【数３】
すなわち、角度θ１とθ２をそれぞれ独立に設定する事は出来ず、送波の場合には角度θ１が決まれば、角度θ２は（数３）に示す関係より一意に決まる。
【００２５】
（数１）に示した反射率Ｒは、反射率を変動させるパラメータとして伝搬媒質部の密度ρ１、音速Ｃ１，環境流体の密度ρ２、音速Ｃ２、第２表面領域と超音波の伝搬方向との角度θ１、θ２が関連している。
【００２６】
このパラメータの環境流体の密度ρ２と、音速Ｃ２は環境温度によって大きく変化する。すなわちこのパラメータ値が変化すると反射率Ｒも変化する。これが環境の変化によって、特許文献１の超音波送受波器の感度が変化する原因である。
【００２７】
更に、環境流体の密度ρ１、音速Ｃ１の影響を以下で見積もり、本課題についてより具体的に説明する。
【００２８】
この超音波送受波器を、ロボットの障害物検知や自動車のバックソナーなどの空気中での使用を考えた場合、すなわち環境流体として空気を考えた場合の反射率Ｒと、伝搬媒質及び環境流体の密度、音速、超音波の伝搬角度θ１、θ２の関係について説明する。
【００２９】
通常、空気の音速をＣ２とすると、音速Ｃ２は温度ｔの関数であり、温度ｔを用いて（数４）のように表せる事が知られている。すなわち、環境流体の温度が１℃変化すると、空気の音速は０．６ｍ／ｓだけ変化する事となる。
【００３０】
【数４】
また、温度に対する空気の密度の変化について述べる。０℃での空気の密度は約１．２９３ｋｇ／ｍ３であり、空気を理想気体として考えると、温度ｔにおける密度ρ２は（数５）のように表す事が出来る。
【００３１】
【数５】
仮に超音波送受波器の使用環境として０〜６０℃を設定すると、０℃及び６０℃における空気の密度ρ２及び音速Ｃ２は、（数４）及び（数５）より、次のようになる。また、気圧によって空気の音速Ｃ２は殆ど変化しない事が知られている。
【００３２】
０℃・・密度ρ２：１．２９３ｋｇ／ｍ３、音速Ｃ２：３３１．５ｍ／ｓ
６０℃・・密度ρ２：１．０６０ｋｇ／ｍ３、音速Ｃ２：３６７．５ｍ／ｓ
ここで、伝搬媒質部１０３として、特許文献１に開示している乾燥ゲルを用いた場合を考える。乾燥ゲルは密度が空気より高く、音速が空気より遅く、（数２）に示した反射率Ｒを０にする条件を満たす材料である。
【００３３】
特許文献１の乾燥ゲルは、密度ρ１が２００ｋｇ／ｍ３、音速Ｃ１が１８０ｍ／ｓである。ここで、乾燥ゲルの温度に対する特性の変化について見積もる。
【００３４】
乾燥ゲルは骨格を構成する材質などにより様々な特性を持つものであるが、例としてシリカ骨格を持つ乾燥ゲルについて考える。シリカ乾燥ゲルの温度に対する寸法の変化として定義される線膨張率は約１０−６（１／℃）程度である。
【００３５】
よって、体積の変化は長さの変化の３乗として定義する事が可能である。よって、体積変化は１０−１８（１／℃）程度と、極めて小さい。
【００３６】
このように、超音波送受波器の利用環境として設定した０〜６０℃の温度変化があった場合でも、乾燥ゲルの体積変化は約６−１６レベルの変化であり、空気などの環境流体の変化に比べ、殆ど変化しないと考えられ、温度変化に対して一定値とみなすことができる。
【００３７】
また、乾燥ゲルの固さも殆ど変化しないため、音速も殆ど変化せず一定値と見なすことができる。さらに、乾燥ゲルは熱伝導率が非常に低いため、外界の温度変化に対して、温度変化自身を殆どしないことからも、密度、音速とも一定値と考えることができる。
【００３８】
このような条件において、伝搬媒質部から環境流体への超音波の伝搬効率について考察する。図１１には、（数１）に基づいて計算した角度θ１と、超音波の反射率Ｒの関係を示すグラフである。
【００３９】
図１２のグラフは、伝搬媒質部内の第２表面領域に向かう超音波の振幅を１としており、伝搬媒質部と環境流体の界面で反射する超音波との振幅の比率で表している。すなわち、全ての超音波が反射する場合には反射率は−１となり、反射率０の時に全ての超音波が環境流体に透過し、更に反射率Ｒが１となった場合は、第２表面領域に対して入射した超音波と同じ位相の超音波が全反射した場合を示している。
【００４０】
図１２より分かるように、超音波の反射率Ｒは、角度θ１の変化に極めて敏感である。よって、角度θ１がわずかに変化すると、反射率が大きく変化して、送波感度が大きく変化する事となる。また、感度が最大となる角度は環境流体の温度によって大きく変化する。反射率Ｒがほぼ０の状態から、角度θ１が１度程度ずれると反射率は０．９以上と急激に大きくなる。
【００４１】
このように、送波時においては、伝搬媒質から環境流体への伝搬効率は、第２表面領域における超音波の角度θ１によって大きく変わり、伝搬効率の大きくなる角度θ１は温度によって変化するため、環境流体の温度が変わると、送波感度が大きく変わってしまうこととなる。すなわち、温度の変化によって精度の高い計測が困難となると言う課題が特許文献１の超音波送受波器にあった。
【００４２】
また、図１２からは、超音波送受波器の使用環境を、以上で示したような条件で使用した場合には、角度θ１を４°程度の幅で補正できれば、常に高感度に超音波を送受波できることが分かる。
【００４３】
超音波送受波器を使用する温度範囲、環境流体の種類、伝搬媒質部の材質が変わった場合には、当然、角度θ１の変化する範囲も変わる。使用環境に応じて高感度に超音波を送波するために、制御すべき角度θ１は変わる。
【００４４】
次に、受波時に起こる超音波送受波器の感度変化について説明する。図１３には、角度θ２と、超音波の反射率Ｒについて図１２と同様のグラフを示している。
【００４５】
図１３より分かるように、環境流体温度が０℃と６０℃の時の角度と透過効率の関係にほとんど違いがない。すなわち、環境流体から伝搬媒質部に伝搬する超音波は、環境流体の温度よらず、角度θ２が８９度付近の時に反射率Ｒが０となって透過効率が最大となる。
【００４６】
逆に言うと、受波時は環境流体の温度によらず、常に第２表面領域に対して８９°前後の方向からの超音波のみが伝搬媒質内に透過してくるため、方向選択性の高い超音波受波器となりうる可能性がある。
【００４７】
前述したように、環境流体から超音波が効率よく伝搬媒質部に透過してくる角度θ２は８９度前後で温度によらず一定であるが、環境流体から伝搬媒質部に透過し、更に伝搬媒質部内を伝搬していく超音波の方向は環境流体の温度によって変化する。この伝搬媒質部内の超音波の伝搬方向が、環境流体の温度によって変化することが、受波時における超音波送受波器の感度変化の原因である。
【００４８】
一般に、圧電体などを用いた超音波振動子では、超音波振動子への超音波の入射角度によって感度が異なる。入射角度が変わると超音波振動子へ入射する超音波の位相が、超音波振動子の超音波の入射位置によって変わり、その位相の違いによって、圧電体に発生した電荷が相殺されてしまうためである。
【００４９】
すなわち、伝搬媒質部内に同じ強さの超音波が伝搬してきても、超音波振動子への入射角度によって、受波感度として評価する発生電圧が低下し、低下するレベルは超音波の入射角度によって異なるため、受波感度を高くすることができないか、あるいは超音波の強度に応じた受波感度が得られないという課題があった。
【００５０】
また、温度変化が大きくなり屈折角度が大きく変化して伝搬媒質部へ入射した場合には、伝搬媒質部に入射した超音波が直接に超音波振動子に直接に到達せず、伝搬媒質部の側壁で多重反射するなどする場合があり、このような場合には、正しく伝搬してきた超音波を受波する事が出来ず、正しい超音波計測が出来なくなると言う課題があった。
【００５１】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、温度などの環境流体の変化に対して、安定的に高感度を得られる超音波送受波器を提供する事である。
【課題を解決するための手段】
【００５２】
上記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。
【００５３】
本発明の第１態様にかかる超音波送受波器は、環境流体で満たされた周囲の空間に対して超音波の送波又は受波を行う超音波送受波器であって、
少なくとも超音波振動子と、
前記超音波振動子と前記環境流体との間に充填されて、前記超音波の伝搬経路を形成する伝搬媒質部とを備えるとともに、
前記伝搬媒質部の密度ρ１、前記伝搬媒質部における音速Ｃ１、前記周囲空間を満たす前記環境流体の密度ρ２、前記環境流体における音速Ｃ２が、（ρ２／ρ１）＜（Ｃ１／Ｃ２）＜１の関係を満足する材料より前記伝搬媒質部を構成し、
前記超音波振動子は超音波の送波又は受波の指向性を制御する指向性制御部をさらに備えるように構成している。
【００５４】
本発明の第５態様にかかる超音波送受波器は、環境流体で満たされた周囲の空間に対して超音波の送波又は受波を行う超音波送受波器であって、
少なくとも超音波振動子と、
前記超音波振動子と前記環境流体との間に充填されて、前記超音波の伝搬経路を形成する伝搬媒質部とを備えるとともに、
前記伝搬媒質部の密度ρ１、前記伝搬媒質部における音速Ｃ１、前記周囲空間を満たす流体の密度ρ２、前記環境流体における音速Ｃ２が、（ρ２／ρ１）＜（Ｃ１／Ｃ２）＜１の関係を満足する材料より前記伝搬媒質部を構成し、
前記伝搬媒質部の音速を変化させる音速制御部をさらに備えるように構成している。
【００５５】
本発明の第１１態様にかかる超音波送受波器は、環境流体で満たされた周囲の空間に対して超音波の送波又は受波を行う超音波送受波器であって、
少なくとも超音波振動子と、
前記超音波振動子と前記環境流体との間に充填されて、前記超音波の伝搬経路を形成する伝搬媒質部とを備えるとともに、
前記伝搬媒質部の密度ρ１、前記伝搬媒質部における音速Ｃ１、前記周囲空間を満たす流体の密度ρ２、前記環境流体における音速Ｃ２が、（ρ２／ρ１）＜（Ｃ１／Ｃ２）＜１の関係を満足する材料より前記伝搬媒質部を構成し、かつ、前記超音波振動子の超音波送受波面は凸面型又は凹面型の曲面である。
【００５６】
本発明の第１２態様にかかる超音波送受波器は、環境流体で満たされた周囲の空間に対して超音波の送波又は受波を行う超音波送受波器であって、
少なくとも超音波振動子と、
前記超音波振動子と前記環境流体との間に充填されて、前記超音波の伝搬経路を形成する伝搬媒質部とを備えるとともに、
前記伝搬媒質部の密度ρ１、前記伝搬媒質部における音速Ｃ１、前記周囲空間を満たす流体の密度ρ２、前記環境流体における音速Ｃ２が、（ρ２／ρ１）＜（Ｃ１／Ｃ２）＜１の関係を満足する材料より前記伝搬媒質部を構成し、かつ、前記伝搬媒質部と前記環境流体の界面は凸面型又は凹面型の曲面である。
【発明の効果】
【００５７】
本発明の超音波送受波器によれば、前記伝搬媒質部の密度ρ１、前記伝搬媒質部における音速Ｃ１、前記周囲空間を満たす前記環境流体の密度ρ２、前記環境流体における音速Ｃ２が、（ρ２／ρ１）＜（Ｃ１／Ｃ２）＜１の関係を満足する材料より前記伝搬媒質部を構成した状態で、前記超音波振動子は超音波の送波又は受波の指向性を制御するか、又は、前記伝搬媒質部の音速を変化させるか、又は、前記超音波振動子の超音波送受波面は凸面型又は凹面型の曲面に形成するか、又は、前記伝搬媒質部と前記環境流体の界面は凸面型又は凹面型の曲面に形成することにより、環境流体の温度などの変化に対しても安定に、高感度に超音波を送受波しうる超音波送受波器を実現するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５８】
以下、本発明の実施形態を説明する前に、本発明の種々の態様について説明する。
【００５９】
本発明の第１態様によれば、環境流体で満たされた周囲の空間に対して超音波の送波又は受波を行う超音波送受波器であって、
少なくとも超音波振動子と、
前記超音波振動子と前記環境流体との間に充填されて、前記超音波の伝搬経路を形成する伝搬媒質部とを備えるとともに、
前記伝搬媒質部の密度ρ１、前記伝搬媒質部における音速Ｃ１、前記周囲空間を満たす前記環境流体の密度ρ２、前記環境流体における音速Ｃ２が、（ρ２／ρ１）＜（Ｃ１／Ｃ２）＜１の関係を満足する材料より前記伝搬媒質部を構成し、
前記超音波振動子は超音波の送波又は受波の指向性を制御する指向性制御部をさらに備える超音波送受波器を提供する。
【００６０】
本発明の第２態様によれば、前記超音波振動子を複数備えるとともに、
前記指向性制御部は、送波の場合には、前記複数の超音波振動子のうちの隣り合う超音波振動子の駆動タイミングをずらし、受波の場合には、前記複数の超音波振動子のうちの隣り合う超音波振動子の受波信号の加算タイミングをずらすことにより、送波の場合及び受波の場合の超音波の波面の位相を制御することにより、前記超音波の送波又は受波の指向性を制御する第１の態様に記載の超音波送受波器を提供する。
【００６１】
本発明の第３態様によれば、前記環境流体の温度を測定する温度計をさらに備え、
前記指向性制御部は、前記温度計で測定された前記環境流体の温度の情報を基に、前記超音波の波面の位相を制御する第２の態様に記載の超音波送受波器を提供する。
【００６２】
本発明の第４態様によれば、前記伝搬媒質部と前記環境流体の界面で反射した超音波を受波する反射超音波受波装置をさらに備え、
前記指向性制御部は、前記伝搬媒質部と前記環境流体の界面で反射して前記反射超音波受波装置で受波された反射超音波の情報に基づいて前記超音波の波面の位相を制御する第２の態様に記載の超音波送受波器を提供する。
【００６３】
本発明の第５態様によれば、環境流体で満たされた周囲の空間に対して超音波の送波又は受波を行う超音波送受波器であって、
少なくとも超音波振動子と、
前記超音波振動子と前記環境流体との間に充填されて、前記超音波の伝搬経路を形成する伝搬媒質部とを備えるとともに、
前記伝搬媒質部の密度ρ１、前記伝搬媒質部における音速Ｃ１、前記周囲空間を満たす前記環境流体の密度ρ２、前記環境流体における音速Ｃ２が、（ρ２／ρ１）＜（Ｃ１／Ｃ２）＜１の関係を満足する材料より前記伝搬媒質部を構成し、
前記伝搬媒質部の音速を変化させる音速制御部をさらに備える超音波送受波器を提供する。
【００６４】
本発明の第６態様によれば、前記音速制御部は、前記伝搬媒質部の温度を調整する温度調節部により構成され、前記温度調節部により、前記伝搬媒質部の温度を変化させて前記伝搬媒質部の音速を変化させる第５の態様に記載の超音波送受波器を提供する。
【００６５】
本発明の第７態様によれば、前記音速制御部は、前記伝搬媒質部を圧縮、又は伸張させるアクチュエータにより構成され、前記アクチュエータにより、前記伝搬媒質への加圧力又は伸張力の付与により前記伝搬媒質部の音速を変化させる第５の態様に記載の超音波送受波器を提供する。
【００６６】
本発明の第８態様によれば、前記アクチュエータは、前記伝搬媒質部の側面と接するように配置される第７の態様に記載の超音波送受波器を提供する。
【００６７】
本発明の第９態様によれば、前記環境流体の温度を測定する温度計をさらに備え、
前記音速制御部は、前記温度計により測定された前記環境流体の温度の情報に基づいて前記伝搬媒質部の音速を変化させる第５〜８のいずれか１つの態様に記載の超音波送受波器を提供する。
【００６８】
本発明の第１０態様によれば、前記伝搬媒質部と前記環境流体の界面で反射した超音波を受波する反射超音波受波装置をさらに備え、
前記音速制御部は、前記伝搬媒質部と前記環境流体との界面で反射して前記反射超音波受波装置で受波された反射超音波の情報に基づいて前記伝搬媒質部の音速を変化させる第５〜８のいずれか１つの態様に記載の超音波送受波器を提供する。
【００６９】
本発明の第１１態様によれば、環境流体で満たされた周囲の空間に対して超音波の送波又は受波を行う超音波送受波器であって、
少なくとも超音波振動子と、
前記超音波振動子と前記環境流体との間に充填されて、前記超音波の伝搬経路を形成する伝搬媒質部とを備えるとともに、
前記伝搬媒質部の密度ρ１、前記伝搬媒質部における音速Ｃ１、前記周囲空間を満たす前記環境流体の密度ρ２、前記環境流体における音速Ｃ２が、（ρ２／ρ１）＜（Ｃ１／Ｃ２）＜１の関係を満足する材料より前記伝搬媒質部を構成し、かつ、前記超音波振動子の超音波送受波面は凸面型又は凹面型の曲面である超音波送受波器を提供する。
【００７０】
本発明の第１２態様によれば、環境流体で満たされた周囲の空間に対して超音波の送波又は受波を行う超音波送受波器であって、
少なくとも超音波振動子と、
前記超音波振動子と前記環境流体との間に充填されて、前記超音波の伝搬経路を形成する伝搬媒質部とを備えるとともに、
前記伝搬媒質部の密度ρ１、前記伝搬媒質部における音速Ｃ１、前記周囲空間を満たす前記環境流体の密度ρ２、前記環境流体における音速Ｃ２が、（ρ２／ρ１）＜（Ｃ１／Ｃ２）＜１の関係を満足する材料より前記伝搬媒質部を構成し、かつ、前記伝搬媒質部と前記環境流体の界面は凸面型又は凹面型の曲面である超音波送受波器を提供する。
【００７１】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態による超音波送受波器を説明する。
【００７２】
［第１実施形態］
図１は本発明の第１実施形態における超音波送受波器の構成を示す斜視図である。本第１実施形態における超音波送受波器１は、複数の超音波振動子２と、伝搬媒質部３から構成されている。超音波送受波器１の周りは環境流体４で満たされている。伝搬媒質部３は、超音波振動子２の振動面に平行な面（第１表面領域３１）と周囲空間を満たす環境流体４と接する面（第２表面領域３２）とを有し、それぞれの超音波振動子２の振動面と第１表面領域３１で接合している。第１表面領域３１と第２表面領域３２は図１に示すように、平行でない所定の角度を持って形成されている。一例として、各超音波振動子２は細い長方形板状体であり、伝搬媒質部３は台形側面を有する角柱体である。伝搬媒質部３の底面である第１表面領域３１には、等間隔に一方の端から他方の端まで超音波振動子２が配置されている。後に詳しく述べるが、５は送受波される超音波５の伝播方向を示しており、本第１実施形態においては図１に示すような方向の超音波５が送受波される。
【００７３】
また、図１に示すように、互いに直交するＸＹＺ方向を設定する。すなわち、Ｘ方向は超音波振動子２の配列方向（幅方向）であり、Ｙ方向は超音波振動子２の長手方向すなわち長さ方向、Ｚ方向は超音波振動子２の厚さ方向である。
【００７４】
図２には、図１に示した超音波送受波器１の構成及び動作をより理解しやすく説明するため、ＸＺ平面で切断した断面図を示す。また、図２には図１には図示していない構成である送受波回路７と、温度計８と、指向性制御部の一例として機能する制御回路９と、各構成をつなぐ信号線６を示している。全ての超音波振動子２は送受波回路７と接続され、送受波回路７と温度計８は制御回路９に接続されている。この指向性制御部は、詳しくは後述するように、環境流体４の温度に合わせて、送波時においては超音波の送波方向を制御し、受波時においては受波方向の指向性を制御するものである。
【００７５】
なお、本出願の明細書及び請求の範囲で、「周囲空間を満たす環境流体」とは、少なくとも伝搬媒質部３と環境流体４で作る界面である、第２表面領域３２に接する流体を意味し、必ずしも超音波送受波器１の周囲全てを満たす流体を意味するものではなく、その周囲の一部を満たす流体を意味するものである。
【００７６】
図２を参照して本第１実施形態の超音波送受波器１をより詳細に説明する。
【００７７】
各超音波振動子２は、電気信号を超音波振動に変換、あるいは超音波振動を電気信号に変換する役割をするもので、圧電性を有する材料から形成されている。各超音波振動子２のＺ方向の上下面には図示していない電極が設けられており、この方向に分極処理がされている。各超音波振動子２は電極間に印加される信号に基づいて超音波を放射し、超音波を受けた場合には、電極間に電圧信号を発生させる事で超音波の検出を行うものである。
【００７８】
本第１実施形態では、超音波振動子２に一例として用いる圧電体の材料は任意であり、公知のものを用いる事が出来る。圧電体は圧電性を有する材料から構成され、圧電性能が高いものが超音波の送受波効率を高くする事ができるため望ましい。圧電体材料としては、圧電セラミック、圧電単結晶、又は圧電高分子などが有効に利用される。本第１実施形態の１つの実施例では、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ている。電極としては電気インピーダンスの低い一般的な金属が用いられるが、本第１実施形態の１つの実施例では銀を用いている。
【００７９】
また、超音波振動子２として電歪体を用いる事もでき、電歪体の材料も公知のものを用いる事が出来る。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が、送受波効率を高くする事が出来るため好ましい。
【００８０】
各超音波振動子２の前面には、各超音波振動子２で発生した超音波を環境流体４へ伝播させる、あるいは環境流体４を伝搬してきた超音波をそれぞれの超音波振動子２へ伝搬させるための伝搬媒質部３が設けられている。伝搬媒質部３は、従来の技術にも述べたように（数２）に示した条件、すなわち、伝搬媒質部３の密度ρ１、前記伝搬媒質部３における音速Ｃ１、前記周囲空間を満たす前記環境流体４の密度ρ２、前記環境流体４における音速Ｃ２が、（ρ２／ρ１）＜（Ｃ１／Ｃ２）＜１を満足する材料で構成される必要がある。
【００８１】
本第１実施形態では、特許文献１と同様に、伝搬媒質部３としてシリカ乾燥ゲルを使用する場合について説明する。伝搬媒質部３に用いたシリカ乾燥ゲルは、密度ρ１＝０．２０×１０３ｋｇ／ｍ３、音速Ｃ１＝１８０ｍ／ｓである。
【００８２】
また、環境流体４の密度ρ２及び音速Ｃ２は、先の「発明の開示」の「発明が解決しようとする課題」の欄の中で述べたように、環境流体４の温度によって変化し、たとえば０〜６０℃の範囲においては、ρ２＝１．０６０〜１．２９３ｋｇ／ｍ３、Ｃ２＝３３１．５〜３６７．５ｍ／ｓの間で変化し、０〜６０℃の温度範囲においては（数２）の関係を満足している。すなわち、第２表面領域３２において完全に超音波が透過する条件を満たす角度を有する条件となっている。
【００８３】
他の材質を環境流体４や、伝搬媒質部３に用いる場合にも、使用する全ての温度範囲において（数２）の関係を満足するように設定する必要がある。
【００８４】
伝搬媒質部３の形状は、図１〜図２に示すように、超音波振動子２の振動面と平行な面（第１表面領域３１）と、それに対向する平行でない面（第２表面領域３２）を有している。この超音波振動子２の振動面と平行な面（第１表面領域３１）に対する、前記対向する平行でない面（第２表面領域３２）の角度が、前述のように角度θ１を決定する。超音波送受波器１の性能が、この角度によって大きく変動する可能性があるため、第２表面領域３２は精密に形成される必要がある。
【００８５】
本第１実施形態においては、送受波する超音波の周波数は約５０ｋＨｚとしている。超音波振動子２に用いている圧電体は、その厚さ方向（Ｚ方向）に分極された２枚の圧電体が分極方向を逆にして貼り合わせた形態の圧電体（バイモルフ型）を用いている。バイモルフ型圧電体は、電界を受けた際に発生する二つの圧電体の長さの差をたわみに変える振動に変えて超音波は送受波するものである。
【００８６】
バイモルフ型振動子は主にＺ方向とＹ方向の長さによって、その共振周波数が決まるものである。本第１実施形態の前記実施例で用いているチタン酸ジルコン酸鉛では、Ｚ方向の長さが１ｍｍ、Ｙ方向の長さが５ｍｍの時に、約５０ｋＨｚの共振周波数を持ち、電気と機械すなわち超音波の変換効率が高くなるため、このような形状とした。
【００８７】
図１及び図２に示した複数の超音波振動子２は、送波及び受波する超音波の方向を制御する、あるいは受波した超音波を方向によらず高感度に受波しうる目的のために設けているが、この超音波振動子２の配列ピッチ、すなわちＸ方向の長さと、超音波振動子２の間隔を足した長さは、超音波の送波又は受波可能な方向と関係がある。
【００８８】
ここで、図３Ａに、複数の超音波振動子２を用いて、超音波振動子２の振動面（第１表面領域３１）に対して角度θ３だけ向きの異なる超音波を送受波する場合を模式的に示す。
【００８９】
図３Ａに示した点線３７は、複数の超音波振動子２を同一位相の電気信号で駆動した場合の、超音波の波面、あるいは超音波振動子２の振動面に平行な超音波が入射してきた場合を示している。また、点線で示した矢印５Ａは、この超音波の進行方向を示している。
【００９０】
また同様に、超音波振動子２の振動面（第１表面領域３１）に対して角度θ３だけ傾いた波面を持つ超音波の同一波面を、一点鎖線３８で示している。同様に、一点鎖線の矢印５Ｂは、この方向の超音波の進行方向を示している。このように超音波振動子２の振動面（第1表面領域３１）に対して傾いた方向の超音波を送受波する場合について説明する。
【００９１】
送波の場合には、隣り合う超音波振動子２の駆動タイミング、受波の場合には、隣り合う超音波振動子２の受波信号の加算タイミングをそれぞれずらす事が、測定の基本にある。始めに、送波の場合について説明する。
【００９２】
送波の場合には、超音波振動子２の駆動タイミングを、隣接する超音波振動子２の間でずらす方法を用いる。すなわち、隣接する超音波振動子２から送波される超音波の波面が、超音波振動子２の振動面から角度θ３だけ傾いた方向で一致するようにする。図３Ａに示すように、隣り合う超音波振動子２から送波された超音波が、超音波振動子２の振動面に対して角度θ３の方向で位相が揃うようにするためには、（数６）の関係を満たす必要がある。
【００９３】
【数６】
ここで、ｄは隣り合う超音波振動子２のｘ方向における中心間の距離であり、すなわち超音波振動子２の配列ピッチである。ここで、伝搬媒質部３内における音速をＣ１とすると、（数６）に示した距離Ｌを超音波が伝搬するのにかかる時間Ｔ１は（数７）で表す事が出来る。よって、この時間Ｔ１の分だけ、駆動タイミングをずらして駆動する事で、振動面に対して角度θ３だけ傾いた波面を持つ超音波を送波出来るものである。
【００９４】
【数７】
一方、受波の場合について説明する。送波の場合とは逆に、伝搬媒質部３を伝搬してきた超音波が超音波振動子２の一例である圧電体の表面まで到達し、超音波振動子２で受波された超音波振動が圧電体の圧電効果によって電気信号に変換され、送受波回路７で電気信号が加算されて計測が行われる。この電気信号を加算する際に、隣接する超音波振動子２からの電気信号を時間Ｔ１だけ、時間的にずらして加算する事で、角度θ３だけ傾いた方向の超音波を選択的に受波した事と同一となる。
【００９５】
本第１実施形態における超音波振動子２の使用環境を、前述のように、例えば環境流体４の温度が約０℃から６０℃の間の使用を想定した場合、その温度域においては、超音波の反射率Ｒが最も小さくなる角度θ１、すなわち最も透過率が高くなる角度θ１は、図１２に示したように、約２９〜３３°の間で、約４°の幅をもって変化することとなる。
【００９６】
すなわち、反射率Ｒが最も低くなる角度は、環境流体４の温度に応じて変わり、仮に設定した本第１実施形態の条件（空気、０〜６０℃）では、角度θ１が約３１°を中心として、プラス、マイナス側とも約２°の幅において変化することとなる。
【００９７】
反射率が低くなる適当な角度θ１から、環境流体４の温度変化により、わずかに最適な角度θ１が変わると急激に反射率が大きくなるため、安定な超音波の送受波を行うためには、温度に応じて送受波方向を変化させる事が必要である。
【００９８】
ここで、超音波振動子２のＸ方向の長さの設定方法について説明する。本第１実施形態における超音波振動子２は複数あり、それぞれから送波される超音波の位相差を利用して、超音波の変更を行うものであるが、その場合には隣り合う超音波振動子の配列間隔に一定の規制が必要となる。これは意図した方向以外に各超音波振動子２から超音波の位相が揃い、強め合う方向が存在しないようにするためである。
【００９９】
超音波を超音波振動子の振動面（第１表面領域３１）の法線方向に対して−９０〜＋９０°に超音波の方向を変向する必要がある場合には、超音波振動子２の配列間隔は波長の１／２以下とする必要があるが、本第１実施形態の場合には変更すべき角度が小さいため、超音波振動子２の配列する間隔は１波長以下程度で良い。
【０１００】
変向すべき角度が大きい場合には、超音波振動子の配列ピッチを１／２波長以下とすることが望ましい。
【０１０１】
よって、本第１実施形態では超音波振動子２のｘ方向の長さを３ｍｍとし、その間隔を０．３ｍｍとしている。すなわち、超音波振動子２の配列ピッチを３．３ｍｍとしている。これは、送受波する超音波の周波数が５０ｋＨｚであり、伝搬媒質部３での音速が１８０ｍ／ｓであるため、伝搬媒質部３内での波長は約３．６ｍｍとなり、この１波長以下の配列ピッチを満足する。
【０１０２】
超音波振動子２は本第１実施形態においては１６個配列しており、よって、超音波送受波器１のＸ方向の長さはおよそ２４ｍｍである。超音波振動子２の配列数は各超音波振動子２から送信された超音波が干渉し合い、平面波として伝搬していく必要性からその数が決められており、その数が少ない場合には球面波に近くなるためある程度の数（１０個程度）が最低必要である。
【０１０３】
本第１実施形態では、最大で中央から片側２°の超音波の方向に角度変化をつけるが、２°以下の角度変化を設定するためには、同様に（数６）によって制御回路９で算出される、距離Ｌに相当する駆動タイミングを設定することで必要な角度方向への超音波の送波を実現することができる。
【０１０４】
以上で示した超音波の周波数や、角度θ１、超音波振動子２の形状や、配列間隔などは環境流体４の種類や、伝搬媒質部３の材質などが変化すると変わるものであり、使用環境に応じて最適な設計値を選択設定する必要があり、本第１実施形態の値に限定されるものではない。
【０１０５】
以上のように、本第１実施形態における超音波振動子２は複数であり、それぞれが独立に送受波回路７と信号線６を介して接続されており、送受波回路７は複数の超音波振動子２の駆動電圧及び駆動タイミング、受波信号の加算タイミングを独立に制御できるように構成されていることで、送受波する超音波の方向を調整することが可能となっているものである。
【０１０６】
更に、送受波回路７は制御回路９に接続されており、制御回路９は各超音波振動子２に対する駆動電圧及び駆動タイミング、あるいは受波された超音波振動に基づく電気信号の処理方法を制御する命令を下す事が出来る。
【０１０７】
制御回路９には、環境流体４の温度を測定する温度計８が接続されている。温度計からの温度に基づいて、送波あるいは受波のタイミングを制御することで、安定して高感度な送受波を行うことができる。
【０１０８】
本第１実施形態における超音波送受器１の特徴は、環境流体４の温度に合わせて、送波時においては超音波の送波方向を制御し、受波時においては受波方向の指向性を制御することが可能なように構成されている点にある。
【０１０９】
まず、本第１実施形態の超音波送受波器１は、使用温度環境の中央値である温度３０℃において複数の超音波振動子２を位相差無く駆動、あるいは受波信号の加算を行った場合に、送受波感度が高くなるように設定されている。
【０１１０】
より具体的には、温度３０℃における環境流体４の一例である空気の密度ρ１及び音速Ｃ１は、（数４）及び（数５）より、それぞれρ１＝１．１６５ｋｇ／ｍ３、Ｃ１＝３４９．５ｍ／ｓであるため、（数８）より制御回路９で算出される送受波感度の高くなる角度θ１が約３１°となるように作製されている。
【０１１１】
【数８】
以下、本第１実施形態における超音波送受波器１の動作方法を、図３Ｂを用いてより具体的に説明する。
【０１１２】
送波の場合には、始めに、温度計８により環境流体４の一例である空気の温度ｔが測定され（ステップＳ１）、その温度ｔの情報が制御回路９に送られる。制御回路９では、環境流体４の温度が計測可能範囲であるかを判定後（ステップＳ２）、環境流体４の温度が計測可能範囲外ならば、測定エラーとして（ステップＳ３）、再度、ステップＳ１に戻り、温度計８により環境流体４の一例である空気の温度ｔが測定される。なお、環境流体４の温度が計測可能範囲外のときは、エラー表示を繰り返す。
【０１１３】
一方、環境流体４の温度が計測可能範囲内ならば、環境温度ｔに基づいて環境流体４の音速Ｃ２、密度ρ２を制御回路９で算出し（ステップＳ４）、この音速Ｃ２、密度ρ２を用いて、更に（数８）に基づいて第２表面領域３２とのなすべき最適な入射角度θ１を制御回路９で算出する（ステップＳ５）。
【０１１４】
こうして、ステップＳ４において制御回路９で算出した角度θ１を用いて、超音波振動子２に遅延の必要のない入射角度３１°との差を取った角度θ３を制御回路９で求め（ステップＳ６）、角度θ３と超音波振動子２の配列ピッチｄ、伝搬媒質部３の音速Ｃ１を用いて、（数６）及び（数７）により、超音波振動子２を駆動するタイミングのズレ時間ΔＴを制御回路９で算出する（ステップＳ７）。
【０１１５】
このズレ時間ΔＴの情報が、更に制御回路９から送受信回路７に送られて複数の超音波振動子２が制御回路９の制御の下に駆動される。このズレ時間ΔＴを制御することで、第２表面領域３２における超音波の角度θ１を制御回路９で制御して、安定的に高感度な超音波の送波を行うことができる（ステップＳ８）。その後、再び、ステップＳ１からの動作を開始することにより、連続して、超音波送受波器１の送波動作を行うことができる。
【０１１６】
より具体的に、環境流体４の温度が３０℃の時の動作について説明する。
【０１１７】
本第１実施形態の超音波送受波器１は超音波振動子２の振動面（第１表面領域３１）と、第２表面領域３２は３１°の角度を持つように作成されているため、超音波は第１表面領域３１に対して垂直な方向へ伝搬していく場合に、感度が最大となる。
【０１１８】
このような方向へ超音波を伝搬させるには、複数の超音波振動子２が位相差無く駆動すればよい。
【０１１９】
このように、本第１実施形態における超音波送受波器１の伝搬媒質部３は、環境流体４の温度が３０℃の時に、複数の超音波振動子２に位相差無く駆動すると、効率良く超音波を環境流体４に対して送波出来るように伝搬媒質部３の材質及び形状が形成されている。
【０１２０】
逆に受波に際しては、環境流体４を伝搬してきた超音波のうち、第２表面領域３２とのなす角度θ２が、ほぼ８９°となるような超音波のみが選択的に伝搬媒質部３に透過してくる。第２表面領域３２で屈折した超音波は角度θ１が３１．０°となる角度を持って伝搬媒質部３を伝搬して複数の超音波振動子２へ到達する。
【０１２１】
この時には、複数の超音波振動子２に対して、位相差無く超音波が到達するため、受波回路においては、複数の超音波振動子２から得られた電気信号を、位相差無く加算する事で感度の高い超音波の受波が行われる。
【０１２２】
温度３０℃における感度最大となる角度θ１が３１°とした第２表面領域３２を持つ伝搬媒質部３は、この角度に限定される物でなく、角度θ１が環境流体４の音速、密度と、伝搬媒質部３の音速、密度から（数８）によって決まる最適な角度θ１を満足するように、第２表面領域３２の角度と超音波の伝搬方向を制御すればよいものである。本第１実施形態における超音波送受波器１は一例としての形態である。
【０１２３】
次に、環境流体４の温度が０℃と６０℃の時の超音波送受波器１の動作について説明する。温度が０℃及び６０℃の場合の動作を説明によって、超音波の変向角度が最も大きい場合を理解することで、その間の温度における動作はそれらの動作方法より容易に理解できる。
【０１２４】
温度３０℃の時と同様に、温度計８により環境流体４の温度ｔが０℃であることが制御回路９に送られると、制御回路９はズレ時間差ΔＴを制御回路９で算出して送受波回路７に送り出す。送受波回路７では制御回路９からのズレ時間差ΔＴに基づいて複数の超音波振動子２を駆動して、送波された超音波が第２表面領域３２に対して約２９．０°の角度で到達するように制御することとなる。
【０１２５】
すなわち、第１表面領域３１に対して図３Ａの点線で示したように、左に傾き約２°の角度を持った波面の超音波が第２表面領域３２に向かって伝搬していくようにする。
【０１２６】
より具体的に、本第１実施形態における超音波振動子２の駆動タイミングをずらす、ズレ時間差ΔＴの値について説明する。
【０１２７】
超音波の振動面の垂直方向に対して２°の角度をつけるためには、隣り合う超音波振動子２から送波される超音波が複数の超音波振動子２の配列間隔と、変向すべき角度である２度より、約０．１２ｍｍ（３．３ｍｍ×ｓｉｎ２°）の距離の差がつけられる事が制御回路９で算出される。
【０１２８】
そして、伝搬媒質部３の音速が１８０ｍ／ｓであるので、実際に超音波振動子２に与える駆動信号の時間差は、距離Ｌ＝０．１２ｍｍを、音速１８０ｍ／ｓで割った計算により、約０．６７μｓとなる。
【０１２９】
このような時間差ΔＴ＝０．６７μｓを、隣り合う超音波振動子２に与える駆動信号に設ける事で、環境流体４の温度が０℃の場合にも、適切な角度θ１を確保して、高効率な超音波の送波を行う事が出来る。
【０１３０】
この時間差ΔＴ＝０．６７μｓは環境流体４に空気を用いて、第２表面領域３２を第１表面領域３１に対して３１°の角度で形成した場合に、環境流体４が０℃の場合の解であって、他の環境流体や使用する温度環境、第２表面領域３２の角度などによって随時変更されるものである。
【０１３１】
一方、受波の場合には、伝搬媒質部３の第２表面領域３２から入射してきた超音波は、送波の場合とちょうど逆の経路を通って、超音波振動子２の振動面に対して図３Ａの左側へ傾いた約２°の角度を持って入射してくる。各振動子２で受波された超音波を上記と同じ時間差（約０．６７μｓ）をつけて加算することで、超音波の強度に応じた感度の高い超音波の受波が可能となる。
【０１３２】
次に、環境流体４の温度が６０℃の時について説明する。６０℃の時には、０℃の場合と同様に、温度計８により環境流体４の温度が６０℃であることが制御回路９に送られると、送受波回路７は超音波振動子２からの超音波が第２表面領域３２に対して３３°の角度で入射するように制御される。すなわち、図２においては第１表面領域３１に対して右側に傾いて約２°の角度を持った波面の超音波が第２表面領域３２に向かって伝搬していくように制御する。
【０１３３】
環境流体４の温度が０度の場合とは反対側に、２°の角度を持って超音波を送波するためには、同様に各超音波振動子２から送波される超音波に、伝搬媒質部３内での距離の差が約０．１２ｍｍとなるように、駆動信号の時間差を約０．６７μｓとする。ただし、０℃の場合と逆の位相差を付ける事が必要である。
【０１３４】
このようにする事で、第１表面領域３１から約２°の角度を持った超音波の波面が形成され、第２表面領域３２に対して約３３°の角度を持って入射する事となり、環境流体４に対して高感度な超音波の送波が可能となる。
【０１３５】
受波の場合にも、温度０℃の場合と同様に、各超音波振動子２で受波した超音波を、送波の場合と同様の時間差０．６７μｓを設けて加算する事で、高感度な超音波の受波を行う事が可能となる。
【０１３６】
以上のように、本発明の第１実施形態にかかる超音波送受波器１は、気体などの媒質に対して高感度に超音波を送受波しうる伝搬媒質部３を用いた超音波送受波器１において、環境流体４の温度変化に対しても、安定に高感度な超音波の送受波を行う事が可能となる超音波送受波器１を提供しうる。
【０１３７】
また、環境流体４の温度が０〜３０℃、あるいは３０〜６０℃の間においては、温度に応じて、送波の場合には上述した間の駆動時間差を、受波の場合には受波した信号の加算時に所定の時間差を設けて測定する事により、安定して高感度な測定を実現することができる。
【０１３８】
この環境流体４の温度が０〜６０℃の使用環境は、本第１実施形態をより具体的に理解するために設定したものであり、本第１実施形態の超音波送受波器１の使用環境が特にこの範囲に限定される物ではなく、使用環境に応じた超音波の変向を行うことで、温度変化に対して安定して高感度に超音波を送受波しうる超音波送受波器１を実現することができる。
【０１３９】
また、図１、図２に示した本第１実施形態における超音波送受波器１は、超音波振動子２と、伝搬媒質部３のみから構成されていたが、例えば図４Ａに示すような更に別の部材を有する形態としても良い。
【０１４０】
すなわち、超音波送受波器１の強度を高めるため、隣接して配列されている超音波振動子２の間に充填材１０を設けた構成としても良い。充填材１０として充填する材料はゴムや樹脂などが、超音波振動子２の電気機械変換効率を低下させることなく、超音波送受波器１の強度を高める事が出来るため好ましい。充填材１０に固い材料を用いると、超音波振動子２の変換効率が低下するため好ましくない。
【０１４１】
また、隣接する超音波振動子２の機械的、電気的なクロストークを防止するため、充填材１０には超音波減衰の大きな材料を用いる事が望ましく、フィラーを混入したゴムなどを好適に用いることができる。
【０１４２】
また、超音波送受波器１の周波数特性を向上させる、あるいは超音波送受波器１の強度を向上させる、あるいは取扱いを容易にするために、超音波振動子２の背面に背面負荷材１１を設けても良い。
【０１４３】
超音波振動子２の周波数特性を向上させるとは、すなわち超音波振動子２のＱ値を低下させて広帯域な特性を持たせる事が目的である。本第１実施形態の超音波振動子２として圧電体を用いる場合には、共振現象を利用することで超音波振動の電気信号への変換効率を高めているため、Ｑ値が高い。
【０１４４】
超音波振動子２の背面側に伝搬する超音波を減衰させてＱ値を下げることが周波数特性の向上には有効である。背面負荷材１１の材料は、超音波振動子２と背面負荷材１１の界面での反射を防止するために、音響インピーダンスが超音波振動子２に近い材料が好ましく、また、超音波を十分に減衰させるため、超音波減衰の大きな材料が好ましい。このような材料としてフェライトゴム（鉄粉を分散させたゴム）などが好適に用いられる。
【０１４５】
また、超音波送受波感度の向上と、周波数特性の向上を目的として、超音波振動子２と伝搬媒質部３の間に音響整合層１２を設けても良い。超音波振動子２の一例として用いられる圧電セラミックスの音響インピーダンスは約３０×１０６ｋｇ／ｍ２／ｓ程度であり、伝搬媒質部３として用いている乾燥ゲルは０．０３６×１０６ｋｇ／ｍ２／ｓである。１層の音響整合層１２を設ける場合には、超音波振動子２の一例である圧電セラミックスと、伝搬媒質部３の一例である乾燥ゲルの中間の音響インピーダンスを持つ材料が望ましい。
【０１４６】
特に音響整合層１２は、超音波振動子２の一例である圧電体と伝搬媒質部３の音響インピーダンスの積の幾何平均となる１．０×１０６ｋｇ／ｍ２／ｓ程度の音響インピーダンスを持つ材料が好ましく、この音響インピーダンスを実現する材料としては、密度が約０．６０×１０３ｋｇ／ｍ３であり、音速が約１６００ｍ／ｓ程度であるシリカからなる多孔質セラミックスなどを用いる事が出来る。音響整合層１２は単層ではなく、複数層であっても良く、多層にした場合には、更に高感度化、広帯域化をすることができる。
【０１４７】
また、本第１実施形態で伝搬媒質部３の一例として用いている乾燥ゲルは、密度が低く、音速が遅いため、強度が低い。伝搬媒質部３の破損を防止し、超音波送受波器１の取扱い性を向上するために、超音波送受波器１の外周部分に保護部１３を設けるなどをしても良い。保護部１３は、伝搬媒質部３のみを覆うのではなく、超音波振動子２の部分などをも覆ってもよい。超音波の伝搬する経路を妨害しなければ良く、形状に超音波送受波器１の性能上の制約はない。
【０１４８】
図４Ｂに、保護部１３の形態をより理解し易くするため、超音波送受波器１の斜視図を示す。図４Ｂにおいては、保護部１３は図４Ｂに示すように、伝搬媒質部３の音波の放射面以外の周囲すべてを覆ってもよい。また、伝搬媒質部３にある程度の強度がある場合には、図４Ｃのように一方向のみを覆う形状（例えば、超音波送受波器１の上面及び両側面を除く前面及び後面及び下面を覆うように横断面が大略Ｌ字形状）としても良く、適宜、製造のしやすさ、コストなどを勘案して設計することができる。伝搬媒質部３の強度が低い場合には、図４Ｂの形状が取り扱いや、信頼性の面で高いので好ましい。
【０１４９】
保護部１３に、音響整合層１２として用いた多孔質セラミックスを用いると、アンカー効果により、乾燥ゲルとの結合が強く好適であり、更に音響整合層１２と一体化することにより、製造プロセスの簡素化が図れるため、超音波送受波器１の製造コストの低減も実現できる。
【０１５０】
また、保護部１３に、環境流体４の温度を測定する温度計８を装備すれば、音響的な妨げとならず、温度計８と一体化した使用しやすい超音波送受波器１を構成できる。保護部１３は、超音波の伝搬経路を妨げないように構成する事が、高感度な送受波をする上で重要である。温度計８は、図４Ｂのように音波を送受波しない側の保護部１３の一部に設けても良いし、あるいは図４Ｄのように、音波を放射しない側の全面に渡って設けてもよく、あるいは図示していないが、直交する側の保護部１３の上面に設けても良い。すなわち、用いる温度計８の性能や、必要な温度精度、あるいは温度の空間分布の必要性などに応じて設置をすることができる。
【０１５１】
［第２実施形態］
図５Ａを参照しながら、本発明の第２実施形態における超音波送受波器の構成及び動作について説明する。本第２実施形態における超音波送受器１Ａは、第１実施形態で示した温度計を有せず、複数の超音波振動子２の駆動、あるいは受波信号の加算時のタイミングを制御する情報（ズレ時間ΔＴ）を、超音波振動子２自身の受波信号、あるいは検知用超音波振動子１４により得ることが特徴であり、これ以外は第１実施形態と同様の構成、及び動作である。本第２実施形態における超音波送受器１Ａでは、この複数の超音波振動子２の駆動、あるいは受波信号の加算時のタイミングを制御する情報（ズレ時間ΔＴ）を取得するため反射超音波受波装置を備えており、反射超音波受波装置の例としては、超音波振動子２自身により構成するか、又は、超音波振動子２とは別個に備えられた検知用超音波振動子１４により構成することができる。そして、前記指向性制御部の一例として機能する制御回路９は、前記伝搬媒質部３と前記環境流体４の界面で反射して前記反射超音波受波装置で受波された反射超音波の情報に基づいて前記超音波の波面の位相を制御するように構成している。
【０１５２】
ある温度において超音波振動子２より送波された超音波５が、伝搬媒質部３を伝搬して、第２表面領域３２に到達すると、角度θ１が最適な角度に設定されている場合には、殆ど全ての超音波５が第２表面領域３２を透過して、環境流体中に伝搬していくため、送波した超音波５の反射波が超音波振動子２で観測されることは無い。
【０１５３】
ところが、環境流体４の温度が変化して、第２表面領域３２での最適な角度θ１が変化すると、超音波５が第２表面領域３２において環境流体４へ透過できなくなって反射するため、図５Ａに実線の矢印５Ｇで示すように、第２表面領域３２で反射した超音波５Ｇが、再び伝搬媒質部３の内部を伝搬することになる。
【０１５４】
反射して伝搬媒質部３を伝搬する超音波５Ｇは反射面の幾何学的な形状によって、超音波振動子２に戻って超音波信号として観測されることとなる。この反射超音波５Ｇの受波情報に基づいて、超音波振動子２の駆動タイミングを調整することで、常に第２表面領域３２での反射が低くなるように超音波５の入射角度θ１を設定することができ、安定した高感度な超音波の送波を行うことができる。
【０１５５】
図５Ｂ及び図５Ｃを用いて超音波の送信方向を決めるための反射信号についてより具体的に説明する。図５Ｂ及び図５Ｃは超音波振動子２の送波時の波形について模式的に示したものであり、横軸は時間、縦軸は信号の大きさを示している。図５Ｂは、第２表面領域３２で殆ど超音波５が反射されず、高感度な超音波の送波を行えている場合である。図５Ｂの始めの波形が送波した超音波５の信号で、伝搬媒質部３の内部での反射が起こらないため、その後に続いて超音波５Ｇが観測されることはない。
【０１５６】
一方で、環境流体４の温度が変化して、第２表面領域３２で超音波５Ｇが反射した場合は図５Ｃのように送波した超音波５の信号の後に、さらに反射してきた超音波５Ｇの信号が観測される。この反射信号のレベルが低減するように、超音波の角度を調整する必要がある。
【０１５７】
この反射信号のレベルが低減するように超音波の角度を調整する具体的な手順を図５Ｄに示す。
【０１５８】
図５Ｄは超音波の方向を変える手順を示すフローチャートで、図５Ｄに示す手順で反射信号が観測されなくなるまで駆動タイミングを変化させる方法で、高感度な超音波の送受波が可能となる。
【０１５９】
超音波の伝搬方向の変化は先に述べたように、複数の超音波振動子２を駆動するタイミングを制御することで行う。このように超音波振動子２の反射信号レベルを低減するように超音波の方向を制御することで、安定して高感度な超音波の送波を行うことができる。
【０１６０】
具体的な手順について図５Ｄを用いてより詳細に説明する。図５Ｄでは、制御回路９に接続された検知用超音波振動子１４を持つ場合について説明する。
【０１６１】
始めに、超音波送受波器１Ａより超音波５を送波する（ステップＳ２１）。この際には、複数ある超音波振動子２の駆動信号には時間差は設けておらず、超音波振動子２の面に対して平行な波面が送波される。こうして送波された超音波５が図５Ａの５Ｇのように第２表面領域３２で反射すると、検知用超音波振動子１４で受波される（ステップＳ２２でＹＥＳ）。超音波が反射しない場合には検知用超音波振動子１４で超音波が受波されない（ステップＳ２２でＮＯ）ため、この場合には、制御回路９の制御の下に、駆動信号の時間差を設けることなく、ステップＳ２１に戻り、再び超音波５を送波する。
【０１６２】
反射信号が観測された場合には（ステップＳ２２）、制御回路９で超音波振動子２を駆動する信号に時間差を付けて、超音波５の伝搬方向を変える（ステップＳ２３）。制御回路９で、図５Ａに示した複数の超音波振動子２の右側を先に駆動し、順次、左側の超音波振動子２を駆動する（ステップＳ２３）。この場合を、駆動信号のタイミングをプラス側にずらすと定義する。この場合には、超音波５は、制御回路９で、図５Ａにおいて超音波振動子２の振動面に対して垂直な方向から右へ傾いた方向の超音波５が送波されることとなる。
【０１６３】
一方、逆に、制御回路９で、複数の超音波振動子２の左側を先に駆動し、順次、右側の超音波振動子２を駆動する（ステップＳ２３）。この場合を、駆動信号のタイミングをマイナス側にずらすと定義する。この場合には、制御回路９で、図５Ａにおいて超音波振動子２の振動面に対して垂直な方向から左へ傾いた方向の超音波５が送波されることとなる。
【０１６４】
それぞれの超音波振動子２を駆動する信号の時間差は、送信回路７の有する離散化された時間計測精度によって決まる物であり、最小の時間差を制御回路９で整数倍することによって設定されるものである。ここで、最小の駆動時間差をＴａとして定義することとする。
【０１６５】
この最小の駆動時間差Ｔａをプラス側、マイナス側に設定して超音波を制御回路９で送波して（ステップＳ２３）、それぞれの場合の反射波の計測を行う。この時の反射波のレベルの比較を制御回路９で行い（ステップＳ２４）、どちらかの反射信号が観測されなければ、反射信号の観測されない伝搬時間差で再び超音波の送波を制御回路９で行って計測を継続する（ステップＳ２５）。
【０１６６】
ステップＳ２４で、どちらも反射信号が観測される場合には、その反射信号のレベルを制御回路９で比較して、反射信号のレベルが低い側に、更に駆動時間差をプラス側あるいはマイナス側に制御回路９で増やして、すなわち、より角度をつけた超音波を制御回路９で送波する（ステップＳ２６）。伝搬時間差の増やし方は、最小の駆動時間差Ｔａの整数倍、すなわち、２＊Ｔａ，３＊Ｔａと順に制御回路９で増やしていく。
【０１６７】
更に、この場合の受信信号を観測し（ステップＳ２７）、反射信号が観測されなくなった場合には、制御回路９で、この駆動時間差で再び超音波の送波を行って計測を継続する（ステップＳ２８）。
【０１６８】
ステップＳ２７で反射信号レベルが減少している場合には、制御回路９で、更に駆動時間差を増やして、超音波の送波を制御回路９で行い（ステップＳ２９）、同様に前の駆動時間差の場合の反射信号レベルと制御回路９で比較して（ステップＳ２７）、反射信号が観測されなくなるまで、同様の手順によって超音波の送波を制御回路９で行う。
【０１６９】
一方、この手順の間に反射信号レベルが増加する場合には、最小の駆動時間差Ｔａで設定しうる角度以下の制御によってしか、反射信号を０にすることができないため、反射信号の最小となる駆動時間差によって超音波の送波を制御回路９で行い（ステップＳ３０）、最大のＳＮが得られる状態での計測を行う。
【０１７０】
また、受波の場合について述べる。超音波振動子２で受波される超音波は、基本的に送波される超音波と同じ経路（同じ角度θ１）で伝搬媒質部３に入射される。このため、送波と受波を交互に繰り返して測定を行う（パルスエコー法）タイプの本第２実施形態の超音波送受波器１Ａにおいては、この送波の駆動タイミングを制御回路９で制御する情報に基づいて、受波した超音波信号の加算時のタイミングを制御回路９で制御することで高感度な超音波の送受波を行うことができる。
【０１７１】
また、図５Ａに示すように、超音波振動子２以外に反射超音波を検知するための検知用超音波振動子１４を用いても良い。
【０１７２】
送信信号の尾引が長く、送信信号に反射信号が埋もれてしまうような場合には検知用超音波振動子１４の採用が反射信号の検知に効果的である。また、送受波する超音波振動子２よりも時間的に早く反射超音波を検知することができるため、超音波測定の繰り返しを早くすることができ、よりリアルタイムな計測が可能となる。
【０１７３】
検知用超音波振動子１４は、超音波振動子２と同様に圧電効果を利用して超音波振動を電気信号に変えるものであり、これは受信専用であるので、受信感度の高さを示す指標であるｄ定数が大きい材料を用いることが好ましく、たとえば高分子圧電材料などを好適に用いることができ、より具体的には例えばポリビニリデンフロオライド（ＰＶＤＦ）などを用いることが材料選択上好ましい。
【０１７４】
検知用超音波振動子１４は、伝搬媒質部３の側面（第１表面領域３１と、第２表面領域３２の側面）に取り付けられる。このように配置すれば、第２表面領域３２で反射した超音波を観測するまでの時間を短縮することができるため、繰り返しの早い超音波の送波を行うことができ、より短時間での測定を行うことができる。
【０１７５】
［第３実施形態］
図６Ａを参照して、本発明の第３実施形態の超音波送受波器１Ｂを説明する。本第３実施形態の超音波送受波器１Ｂは、制御回路９に接続されかつ伝搬媒質部３の温度を調整する温度調節部１５を有していることに特徴がある。
【０１７６】
また、本第３実施形態における超音波振動子２は一組の電極を持つだけであり、送受波する超音波を電子的に変向する機能を有していない。よって、環境流体の温度変化に応じて超音波送受波方向を変えて、安定した超音波の送受波を行うことはできない。
【０１７７】
本第３実施形態の超音波送受波器１Ｂでは、環境流体４の温度変化に応じて伝搬媒質部３の温度、すなわち音速を変化させて第２表面領域３２における角度θ１を一定に保つよう構成されていることに特徴がある。すなわち、本第３実施形態の超音波送受波器１Ｂでは、第２表面領域３２における角度θ１を一定に保つようにするため、前記伝搬媒質部３の音速を変化させる音速制御部を備えるものであり、温度調節部１５と制御回路９は音速制御部の一例として機能する。
【０１７８】
このような本第３実施形態の超音波送受波器１Ｂについて説明する。本第３実施形態における超音波振動子２や、伝搬媒質部３の材質は第１実施形態及び第２実施形態と同様である。温度調節部１５は、超音波伝搬の妨げにならないように、伝搬媒質部３の側面に接するように設けられ、加熱又は冷却することにより、伝搬媒質部３の温度を変化させることができるようになっている。
【０１７９】
温度調節部１５はヒータなどの抵抗加熱素子やペルチエ素子など、伝搬媒質部３に対して行う温度変化の範囲やレベルに応じた機能を有するデバイスを適時選択する事が出来る。温度調節部１５は、制御回路９の制御の下に、なるべく短時間に、伝搬媒質部３全体を均一に設定温度にできる事が好ましく、図６Ｂに示すように、例えば伝搬媒質部３の周囲を囲むように形成されても良い。図６Ｂは断面表示であるが、伝搬媒質部３の紙面における手前と奥側の両側面も温度調節部１５で囲まれている形態を示している。
【０１８０】
また、多孔質体である伝搬媒質部３に対しては、冷却、あるいは加熱された流体を送り込むことも温度制御に有効であり、加熱あるいは冷却された流体を送り込む、あるいは吸引するポンプなども温度調節部１５として使用する事が出来る。この際には、温度変化のみでなく、異なる流体が充填されることによる音速変化が生じる可能性があるので注意を要する。
【０１８１】
本第３実施形態の超音波送受波器１Ｂは、多数の超音波振動子２を持ち、これを電子的に制御して、超音波の変更を行うタイプの超音波送受波器１Ａに比べ、低コストで提供できるという点で有利である。
【０１８２】
角度θ１を一定に保ち、安定な超音波送受波を行う方法について述べる。前述のように伝搬媒質部３と環境流体４の界面（第２表面領域３２）における超音波の反射率Ｒは（数１）で表される。
【０１８３】
また、（数２）により、反射率Ｒを０とする条件が決まり、その反射率を０とする角度θ１は、伝搬媒質部３及び環境流体４の密度と音速、ρ１、ρ２、Ｃ１、Ｃ２を用いて（数８）で示される。
【０１８４】
環境流体４の密度ρ２、音速Ｃ２は温度の関数として（数４）及び（数５）のように表す事ができ、密度ρ２、音速Ｃ２が変化した場合の角度θ１の変化を最小限に抑えるためには、伝搬媒質部３の密度ρ１、音速Ｃ１を環境流体４の密度ρ２、音速Ｃ２の変化に合わせて変える必要がある。
【０１８５】
ここで、伝搬媒質部３の材質の一例であるシリカ乾燥ゲルについては、温度ｔと密度ρ１、音速Ｃ１の間に（数９）及び（数１０）のような関係がある。固体についても気体と同様に一般に温度に応じて密度が減少し、音速が上昇する。
【０１８６】
【数９】
【０１８７】
【数１０】
ここで、実験的に密度ρ１は殆ど変化しない事が分かっているため、常数α＝０として密度ρ１は一定値として取り扱う。一方で、音速Ｃ１は温度によってわずかに変化する。
【０１８８】
図７に環境流体４及び伝搬媒質部３の温度と、第２表面領域３２における角度θ１の関係を示す。図７では（数８）において、伝搬媒質部３の音速Ｃ１を（数１０）に基づいて変化させたときの、角度θ１の変化を計算したものである。
【０１８９】
伝搬媒質部３の温度が環境流体４と同じ温度で変化した場合には、図７に示したグラフにより、常数β＝０．３近傍で角度θ１の変化が極めて小さくなる事が分かる。
【０１９０】
よって、伝搬媒質部３に、一例として、このような特性を持つ乾燥ゲル材料を選択する。通常の乾燥ゲルに対し、このような材料とするためには温度によって音速が変化しやすいように、規則正しいシリカ骨格の構造を乱すような分子を入れることが有効である。
【０１９１】
あるいは材料を変更することが困難な場合には、常数βの値に応じた温度変化を与えるようにする事で角度θ１を一定に保ち、安定した高感度な超音波の送受波を行う事が出来る。常数βの値に応じた温度変化の与え方とは、仮に常数β＝０．０３程度の材料で伝搬媒質部３が構成されている場合には、環境流体４の温度変化の１０倍の温度変化を伝搬媒質部３に与えることで、伝搬媒質部３の音速は角度θ１を一定とする音速になりうる。
【０１９２】
ここで、より具体的に、図６Ｃを用いて伝搬媒質部３の温度をどのように変化させるかの手順を説明する。この場合、伝搬媒質部３は温度に対して（数１０）に従って変化する音速を有する材料である。ここでは、仮にβ＝０．１として設定された材料を用いて説明する。環境流体４は空気であり、（数４）によって音速が変化する。
【０１９３】
ここで、本第３実施形態の超音波送受波器１Ｂでは、温度３０度において超音波の送受波が効率良く行われるように、第１表面領域３１と第２表面領域３２は約３１度の角度を持って形成されている（ステップＳ４１）。
【０１９４】
始めに、温度計８によって環境温度が計測されると、測定された温度ｔに対する環境流体４の音速Ｃ２が制御回路９で算出される（ステップＳ４２）。例えば温度が３０度から３１度へ１度変化した時には、音速が３４９．５ｍ／ｓから３５０．１ｍ／ｓへ変化することとなる。
【０１９５】
この時、超音波の最適な送受波が可能となる角度θ１は伝搬媒質部３の音速が環境流体４と同じ温度変化をする場合には、１８３ｍ／ｓから１８３．１ｍ／ｓへ変化することとなる（ステップＳ４３）。
【０１９６】
温度３０度においては角度３１．５７度が最適な角度θ１であったのに対し、３１度では最適な角度θ１は３１．５３度へと変化する。最適な角度θ１＝３１．５７度を保つためには、温度３１度の環境流体４の一例である空気（音速３５０．１ｍ／ｓ）に対して伝搬媒質部３の音速を１８３．３ｍ／ｓとする必要があり、このためには、伝搬媒質部３の温度を３３度とする必要がある（ステップＳ４４）。よって、制御回路９の制御の下に、温度調節部１５により伝搬媒質部３の温度を３３度として、最適な角度θ１を３１．５７度に保つものである（ステップＳ４５）。環境流体４の温度がより大きく変化しても、同様にこのような制御を行って超音波が効率良く送受波できるように制御する。以後、連続して超音波の送受波を行う場合には、ステップＳ４２〜Ｓ４５を繰り返せばよい。
【０１９７】
本第３実施形態では伝搬媒質部３の一例として乾燥ゲルを用いた例を説明したが、環境流体４との関係において（数２）を満たす材料から伝搬媒質部３が構成されていればよく、乾燥ゲルに材料が限定されるものではない。
【０１９８】
［第４実施形態］
図８Ａを参照して、本発明の第４実施形態の超音波送受波器１Ｃを説明する。本第４実施形態の超音波送受波器１Ｃは、伝搬媒質部３の側面に伝搬媒質部３を圧縮、又は伸張させるアクチュエータ１６を制御回路９と接続して設けた事に特徴があり、それ以外は第３実施形態の超音波送受波器１Ｂと同様の構成及び動作をするものである。このアクチュエータ１６と制御回路９は、前記音速制御部の別の例として機能するものである。
【０１９９】
第３実施形態においては伝搬媒質部３の温度を調節して音速を変化させることで、第２表面領域３２における角度θ１を一定に保ったのに対し、本第４実施形態では、伝搬媒質部３を圧縮、あるいは伸張することで音速を変化させて角度θ１を一定値に保ち、安定した送受波動作を可能とするものである。
【０２００】
図８Ａに示したような伝搬媒質部３の側面に設けられたアクチュエータ１６によって、制御回路９の制御の下に、伝搬媒質部３に対して圧縮あるいは伸張方向の応力を加えるものである。アクチュエータ１６は、たわみ変形をして伝搬媒質部３に力を与えるように構成されており、たとえば圧電体と金属板のような材料を貼り合わせたユニモルフ型のアクチュエータ、あるいは反対の分極方向を持つ圧電体を２枚貼り合わせたバイモルフ型アクチュエータなどを用いることができる。
【０２０１】
あるいは、図４Ａに示した保護部１３の側面に、さらに、圧電体などから形成されるアクチュエータ１６を接合することで、変形するアクチュエータと変形しない保護部１３とのサイズの差を利用したたわみ変形を伝搬媒質部３に与えることができ、音速を変化させることができる。このような形態の一例を図８Ｂに示す。このような形態の超音波送受波器１Ｃは、図８Ｃのようにアクチュエータ１６が屈曲することで伝搬媒質部３に力を加えて、伝搬媒質部３の固さ、すなわち伝搬媒質部３内での音速を変化させることができる。
【０２０２】
実際の音速制御方法について、図８Ｄを用いて説明する。なお、温度３０度において超音波の送受波が効率良く行われるように、第１表面領域３１と第２表面領域３２が最適な角度を持って形成されている（ステップＳ５１）。
【０２０３】
始めに、温度計８により環境流体４の温度ｔが計測され、環境温度ｔの音速Ｃ２が制御回路９で算出される（ステップＳ５２）。この情報に基づいて、超音波を高効率に送受波するために必要な伝搬媒質部３の音速Ｃ１が制御回路９で算出される（ステップＳ５３）。
【０２０４】
この伝搬媒質部３の音速値に基づいて、伝搬媒質部３の音速が所定の値となる固さ、すなわち弾性率Ｋが制御回路９で算出される（ステップＳ５４）。以下、弾性率Ｋとなるアクチュエータ１６の圧縮力Ｆ、圧縮力Ｆとなる印加電圧Ｖが制御回路９で算出され（ステップＳ５５及びＳ５６）、制御回路９での制御の下に、実際に電圧がアクチュエータ１６に印加されて、アクチュエータ１６を変形させて、伝搬媒質部３へ力を加えて音速を変化させるものである。以後、連続して音速制御を行う場合には、ステップＳ５２〜Ｓ５６を繰り返せばよい。
【０２０５】
伝搬媒質部３にシリカ乾燥ゲルなどを一例として用いた場合には、常に圧縮方向に圧力を印加して音速を変化するように設計することが望ましい。シリカ乾燥ゲルは圧縮方向の力には変形をし、その力が解除された時には再度元の形状に戻り、何度でも繰り返し力を受けて音速を変化させることができるのに対し、引っ張り方向の変形に対しては、比較的弱い力で破壊してしまい、伝搬媒質部３の音速を変化させることができなくなるためである。
【０２０６】
よって、伝搬媒質部３であるシリカ乾燥ゲル材料は、想定している使用温度領域の最も音速の遅い温度０℃に合わせた設計をして、この温度域において力を加えずに高感度な超音波の送受波が可能なように設計し、環境流体４の温度が上昇した場合には圧縮方向の力を伝搬媒質部３に加えて、角度θ１が変化しないように音速を調整する方法が望ましい。
【０２０７】
本第４実施形態では、伝搬媒質部３の一例として乾燥ゲルを用いた例を説明したが、環境流体４との関係において（数２）を満たす材料から伝搬媒質部３が構成されていればよく、乾燥ゲルに材料が限定されるものではない。
【０２０８】
また、図８Ａでは伝搬媒質部の一組の対向する面にのみアクチュエータ１６を設けたが、それと直交する面に対してアクチュエータ１６を設けても良い。この場合には一つのアクチュエータ１６の場合に比較して、更に大きな圧力を伝搬媒質部３に印加することが可能であるため、低電圧で所望の制御を行うことができ、低コスト化が図れるか、あるいは同じアクチュエータ１６を用いても、より広い温度範囲における適応可能な超音波送受波器１Ｃを構成することができる。
【０２０９】
［第５実施形態］
図９Ａ〜図９Ｄを参照して、本発明の第５実施形態の超音波送受波器１Ｄを説明する。本第５実施形態の超音波送受波器１Ｄは、図９Ａに示すように超音波振動子２の送受波面が１つの凸面型の曲面、あるいは図９Ｂのように１つの凹面型の曲面をしていることに特徴がある。これ以外は第１〜４実施形態と同様の構成、及び動作であり、制御回路９などの構成は図示を省略している。
【０２１０】
本第５実施形態における超音波振動子２は、その形状効果により単一の超音波振動子２で複数の方向へ超音波５を送受波することができる。このため、環境流体４の温度が変化して、送受波感度の大きくなる角度θ１が変化しても、超音波振動子２から送波された超音波５の、少なくとも一部分の超音波５は最適な角度θ１を満たして常に透過されるため、環境流体４の温度変化に対して、安定した超音波５の送受波を行うことのできる超音波送受波器１Ｄとなる。
【０２１１】
本第５実施形態においても、超音波振動子２の１つの凸面型あるいは１つの凹面型の曲面形状は、今までの第１〜４実施形態で述べた条件における使用に対応しうるよう形成された場合について説明する。上述のように環境流体４の温度変化に応じた角度θ１の変化、すなわち約４°の範囲に対応できるように、圧電体の形状が規定されている。
【０２１２】
より具体的には、超音波５の放射面、すなわち図９Ａ，図９Ｂにおいて第1表面領域３１となる超音波振動子２と伝搬媒質部３との界面の形状が、円の一部となるように形成されている。
【０２１３】
例えば図９Ａ，図９ＢにおけるＸ方向の伝搬媒質部３及び超音波振動子２の長さが２０ｍｍである場合には、超音波振動子２を形づける円の直径が幾何学的に計算でき、４°の角度に対応するための超音波振動子２の形状は、約２８６ｍｍの半径の円の一部となるように形成されることが計算できる。
【０２１４】
このとき、円の中心は図９Ａの場合には、超音波振動子２のＸ方向の中央からＹ方向に関して超音波振動子２の下側に２８６ｍｍ下方に位置し、図９Ｂの場合には、同様に超音波振動子２のＸ方向の中央から２８６ｍｍ上方に位置することとなる。
【０２１５】
本第５実施形態の超音波送受波器１は、以上で説明したサイズに限定されて形成される物でなく、適時、必要なサイズに設計、形成されるものである。
【０２１６】
図９Ａ，図９Ｂに示した超音波送受波器１の伝搬媒質部３は、図９Ｃ，図９Ｄに示すように、更に、先の実施形態と同様に保護部１３で覆われていても良い。この場合には、先の実施形態と同様に低い強度の伝搬媒質部３を用いることができ、超音波送受波器１の設計範囲を広げることが可能になるほか、取り扱い性や長期信頼性、外部からの衝撃などに対する信頼性を向上させることができる。
【０２１７】
［第６実施形態］
図１０Ａ，図１０Ｂを参照して、本発明の第６実施形態の超音波送受波器１Ｅを説明する。本第６実施形態の超音波送受波器１Ｅは、伝搬媒質部３と環境流体４の界面である第２表面領域３２が図１０Ａに示すように１つの凸面型の曲面、あるいは図１０Ｂのように１つの凹面型の曲面をした伝搬媒質部３を有することに特徴がある。これ以外は第１〜４実施形態と同様の構成、及び動作であり、制御回路９などの構成は図示を省略している。
【０２１８】
第５実施形態と同様に、環境流体４の温度が変化して、送受波感度の大きくなる角度θ１が変化しても、少なくとも一部分の超音波５は常に透過率の大きな角度θ１を満たすため、環境変化に対して安定した超音波５の送受波を行うことのできる超音波送受波器１Ｅとなる。
【０２１９】
超音波振動子２の１つの凸面型あるいは凹面型の曲面形状は、第５実施形態と同様に環境流体４の温度変化に応じた角度θ１の変化、すなわち約４°の範囲に対応できるように形状づけられている。
【０２２０】
第２表面領域３２の具体的な曲面の形状は、第５実施形態の場合と同様の形状、すなわち図１０Ａ，図１０ＢにおけるＸ方向の超音波振動子２の長さが２０ｍｍの場合には次のようになる。
【０２２１】
すなわち、本第６実施形態では伝搬媒質部３の環境流体４との界面、すなわち第２表面領域３２が曲面となっており、図１０Ａ，図１０Ｂにおける超音波振動子２のＸ方向の中心からの超音波５が第２表面領域３２で角度θ１が３１°をなすように形成されているため、この３１°の角度をなす面の法線方向に、図１０Ａの場合には伝搬媒質部３側に約２８６ｍｍ離れた所に中心のある円弧の一部として、図１０Ｂの場合には環境流体４側に中心のある円弧の一部として形成されている。
【０２２２】
本第６実施形態の超音波送受波器１Ｅは、以上で説明したサイズに限定されて形成される物でなく、適時、必要なサイズに設計、形成されるものである。
【０２２３】
第５実施形態と同様に、超音波送受波器１Ｅの伝搬媒質部３は、図１０Ｃ，図１０Ｄに示すように保護部１３で覆われていても良い。この場合には、同様に低い強度の伝搬媒質部３を用いることができ、超音波送受波器１Ｅの設計範囲を広げることが可能になるほか、取り扱い性や長期信頼性、外部からの衝撃などに対する信頼性を向上させることができる。
【０２２４】
なお、上記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。
【産業上の利用可能性】
【０２２５】
本発明の超音波送受波器によれば、環境の変化（例えば−２０℃〜６０℃）に対して、安定に高感度に、かつ広い周波数にわたって送波、あるいは受波することができるため、安定して精度の高い超音波計測が可能となるものである。本発明の超音波送受波器の使用可能な具体的な用途としては、自動車の高精度バックソナー、屋外で働くロボットの制御（障害物検知など）、寒暖差の大きい屋外設置型の都市ガス用又はプロパンガス用のガス流量測定メータ、屋外に設置された配管径が大きな業務用ガス流量測定メータ（配管径が大きいと、超音波の減衰が大きいため、高感度が必要）、半導体プロセスなどの高精度な流量の制御のための流量メータ（感度が良いと分解能が上がるため、高精度測定が可能）などが挙げられる。
【図面の簡単な説明】
【０２２６】
【図１】本発明の第１実施形態における超音波送受波器の斜視図
【図２】本発明の第１実施形態における超音波送受波器の断面図
【図３Ａ】本発明の第１実施形態における斜め方向への超音波の送受波方法を説明する模式図
【図３Ｂ】本発明の第１実施形態における超音波の送受波方法を説明するフローチャート
【図４Ａ】本発明の第１実施形態における別形態の超音波送受波器の断面図
【図４Ｂ】本発明の第１実施形態における別形態の超音波送受波器の斜視図
【図４Ｃ】本発明の第１実施形態における別形態の超音波送受波器の斜視図
【図４Ｄ】本発明の第１実施形態における別形態の超音波送受波器の斜視図
【図５Ａ】本発明の第２実施形態における超音波送受波器の断面図
【図５Ｂ】本発明の第２実施形態における反射超音波を示す図
【図５Ｃ】本発明の第２実施形態における反射超音波を示す図
【図５Ｄ】本発明の第２実施形態における超音波の送受波方法を説明するフローチャート
【図６Ａ】本発明の第３実施形態における超音波送受波器の断面図
【図６Ｂ】本発明の第３実施形態における超音波送受波器の断面図
【図６Ｃ】本発明の第３実施形態における超音波の送受波方法を説明するフローチャート
【図７】本発明の第３実施形態における温度と角度θ１の関係を示すグラフ
【図８Ａ】本発明の第４実施形態における超音波送受波器の断面図
【図８Ｂ】本発明の第４実施形態における超音波送受波器の別形態の断面図
【図８Ｃ】本発明の第４実施形態における超音波送受波器の変形時の断面図
【図８Ｄ】本発明の第４実施形態における超音波送の送受波方法を説明するフローチャート
【図９Ａ】本発明の第５実施形態における超音波送受波器の断面図
【図９Ｂ】本発明の第５実施形態における超音波送受波器の断面図
【図９Ｃ】図９Ａの本発明の第５実施形態における超音波送受波器の別形態の断面図
【図９Ｄ】図９Ｂの本発明の第５実施形態における超音波送受波器の別形態の断面図
【図１０Ａ】本発明り第６実施形態における超音波送受波器の断面図
【図１０Ｂ】本発明り第６実施形態における超音波送受波器の断面図
【図１０Ｃ】図１０Ａの本発明の第６実施形態における超音波送受波器の別形態の断面図
【図１０Ｄ】図１０Ｂの本発明の第６実施形態における超音波送受波器の別形態の断面図
【図１１】特許文献１における従来の超音波送受波器の断面図
【図１２】特許文献１の超音波送受波器における超音波の角度θ１と環境流体温度に対する超音波反射率を示すグラフ
【図１３】特許文献１の超音波送受波器における超音波の角度θ２と環境流体温度に対する超音波反射率を示すグラフ
【符号の説明】
【０２２７】
１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ 超音波送受波器
２ 超音波振動子
３ 伝搬媒質部
３１ 第１表面領域
３２ 第２表面領域
４ 環境流体
５ 超音波
６ 信号線
７ 送受波回路
８ 温度検知部
９ 制御回路
１０ 充填材
１１ 背面負荷材
１２ 音響整合層
１３ 保護部
１４ 検知用振動子
１５ 温度調節部
１６ アクチュエータ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波の送波を行う超音波送波器、又は、超音波の受波を行う超音波受波器、又は、そのいずれか若しくは両方を行う超音波送受波器に関し、安定に高感度で超音波を送波又は／かつ受波しうる超音波センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
本願発明者は、特許文献１において、超音波の屈折を利用して高感度、広帯域に超音波を送受信しうる発明を開示している。特許文献１の発明は、空気などの音響インピーダンスの極めて小さい媒質に対して、超音波を屈折させながら高感度に送受波することが可能な超音波送受波器であって、特殊な材料を利用した伝搬媒質部を持ち屈折現象を利用した超音波送受波器である。
【０００３】
特許文献１に開示の発明を図１１に示す。図１１に示すように、特許文献１の発明の超音波送受波器１０１は、少なくとも超音波振動子１０２と、超音波振動子１０２の前面に設けられ、環境流体１０４と超音波振動子１０２の間を埋める伝搬媒質部１０３を有している。ここでは、以下の説明を行いやすくするため、超音波振動子１０２と伝搬媒質部１０３の界面を第１表面領域１３１と定義し、伝搬媒質部１０３と環境流体１０４の界面を第２表面領域１３２として定義する。
【０００４】
このような超音波送受波器１０１において、伝搬媒質部１０３の材質（密度、音速）と、図１１に示した伝搬媒質部１０３内の第２表面領域１３２における法線方向と超音波伝搬方向のなす角度θ１、及び環境流体内側の角度θ２を適切に選択する事によって、伝搬媒質部１０３と環境流体１０４との界面における超音波の反射をほぼ０にして、透過効率を、ほぼ１とすることができるものである。
【０００５】
【特許文献１】ＷＯ２００４／０９８２３４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このような有利な効果を持つ特許文献１の超音波送受波器であるが、温度などの環境変化によって送受波感度が大きく変化すると言う問題があった。以下では、この課題について詳しく説明する。
【０００７】
特許文献１の超音波送受波器における送受波感度は、伝搬媒質部と環境流体の界面における超音波の透過効率によって大きく変化する。
【０００８】
これは、従来からある音響整合層を利用した超音波送受波器にも、音響整合層と環境流体の界面における超音波の透過効率で同じ事が言える。
【０００９】
音響整合層と環境流体の界面における超音波の透過効率については、環境流体と音響整合層、超音波振動子の音響インピーダンスによってその効率が決まるものであるが、特許文献１の超音波送受波器においては、伝搬媒質部と環境流体、超音波振動子の音響インピーダンスの関係において透過効率が決まるものではなく、主に伝搬媒質部の音速と、環境流体の音速、更に図１１に示した角度θ１をパラメータとして透過効率が決まるものである。
【００１０】
ここで、超音波送受波器の感度を大きく変化させる要因となる、伝搬媒質部と環境流体の界面における超音波の透過効率を、送波時と受波時に分けて考える。ここでは、透過効率として界面における反射率を用いて説明する。反射率が低いほど透過効率は高くなることを意味している。
【００１１】
ここで、送波時と受波時に分けて考えるのは、特許文献１の超音波送受波器の感度変化は、送波時と受波時において、そのメカニズムに違いがあり、それぞれ別に考える必要があるためである。
【００１２】
送波時と受波時のそれぞれにおける感度変化の主要因は、次のようなものである。すなわち、送波時には、伝搬媒質部１０３と環境流体１０４の界面における超音波の透過効率が変化して送波感度が変化する事が主要因である。一方、受波時には、伝搬媒質部１０３を伝搬する超音波の方向、すなわち角度θ１が変化する事が感度変化の主要因である。
【００１３】
送波時、受波時の送受波感度の変化について、以下で詳しく説明する。
【００１４】
送波時とは、超音波振動子１０２から送波された超音波が、伝搬媒質部１０３を通り、更に環境流体１０４へ放射される場合である。図１１に示した超音波送受波器１０１の構成においては、伝搬媒質部１０３内における超音波の進行方向は実線の矢印１０６で示した方向であり、角度θ１は常に一定となる。
【００１５】
これは、超音波振動子１０２に、超音波の方向を変える機構がなく、また第２表面領域１３２の傾斜角度を変化させる機構がないためである。つまり、図１１において角度θ１を変える機能を超音波送受波器１０１が有していない。
【００１６】
図１１において伝搬媒質部１０３の内部に点線１０７で示したのは、超音波振動子１０２から送波された超音波１０５の同一位相波面を示すものである。このように、超音波振動子２から送波された超音波は、矢印で示したような超音波１０５の進行方向に対して、垂直な同一位相の波面を有している。
【００１７】
図１１のように超音波振動子１０２が単一である場合には超音波振動子１０２と伝搬媒質部１０３の作る界面、すなわち第１表面領域１３１と超音波の波面１０７はほぼ平行である。
【００１８】
超音波振動子１０２で発生した超音波は、伝搬媒質部１０３を通って、第２表面領域１３２に到達する。通常このような界面では超音波の一部は反射して伝搬媒質部１０３へ戻るか、あるいは一部は屈折して環境流体１０４へ伝搬していく事となる。反射、あるいは屈折する超音波の割合は角度θ１によって大きく変化する。
【００１９】
第２表面領域における超音波の速度ポテンシャルの反射率Ｒは（数１）で示される。
【００２０】
【数１】
ここで、ρ１は伝搬媒質部１０３の密度、ρ２は環境流体１０４の密度、θ１は伝搬媒質部１０３内における第２表面領域１３２の垂線と超音波伝搬方向のなす角度、θ２は環境流体１０４内における第２表面領域１３２の垂線と超音波伝搬方向のなす角度である。
【００２１】
【数２】
（数１）に示した反射率Ｒは（数２）を満たすとき、反射率Ｒが０となる角度θ１、θ２が必ず存在する。
【００２２】
このような反射率Ｒが０のとなった時、超音波は全て伝搬媒質部と環境流体の界面を透過するため、もっとも感度が高くなる。
【００２３】
ところで、角度θ１とθ２の間には屈折の法則が適用できる関係があり、伝搬媒質部の音速をＣ１、環境流体の音速をＣ２とした時、（数３）に示す関係が成立する。
【００２４】
【数３】
すなわち、角度θ１とθ２をそれぞれ独立に設定する事は出来ず、送波の場合には角度θ１が決まれば、角度θ２は（数３）に示す関係より一意に決まる。
【００２５】
（数１）に示した反射率Ｒは、反射率を変動させるパラメータとして伝搬媒質部の密度ρ１、音速Ｃ１，環境流体の密度ρ２、音速Ｃ２、第２表面領域と超音波の伝搬方向との角度θ１、θ２が関連している。
【００２６】
このパラメータの環境流体の密度ρ２と、音速Ｃ２は環境温度によって大きく変化する。すなわちこのパラメータ値が変化すると反射率Ｒも変化する。これが環境の変化によって、特許文献１の超音波送受波器の感度が変化する原因である。
【００２７】
更に、環境流体の密度ρ１、音速Ｃ１の影響を以下で見積もり、本課題についてより具体的に説明する。
【００２８】
この超音波送受波器を、ロボットの障害物検知や自動車のバックソナーなどの空気中での使用を考えた場合、すなわち環境流体として空気を考えた場合の反射率Ｒと、伝搬媒質及び環境流体の密度、音速、超音波の伝搬角度θ１、θ２の関係について説明する。
【００２９】
通常、空気の音速をＣ２とすると、音速Ｃ２は温度ｔの関数であり、温度ｔを用いて（数４）のように表せる事が知られている。すなわち、環境流体の温度が１℃変化すると、空気の音速は０．６ｍ／ｓだけ変化する事となる。
【００３０】
【数４】
また、温度に対する空気の密度の変化について述べる。０℃での空気の密度は約１．２９３ｋｇ／ｍ３であり、空気を理想気体として考えると、温度ｔにおける密度ρ２は（数５）のように表す事が出来る。
【００３１】
【数５】
仮に超音波送受波器の使用環境として０〜６０℃を設定すると、０℃及び６０℃における空気の密度ρ２及び音速Ｃ２は、（数４）及び（数５）より、次のようになる。また、気圧によって空気の音速Ｃ２は殆ど変化しない事が知られている。
【００３２】
０℃・・密度ρ２：１．２９３ｋｇ／ｍ３、音速Ｃ２：３３１．５ｍ／ｓ
６０℃・・密度ρ２：１．０６０ｋｇ／ｍ３、音速Ｃ２：３６７．５ｍ／ｓ
ここで、伝搬媒質部１０３として、特許文献１に開示している乾燥ゲルを用いた場合を考える。乾燥ゲルは密度が空気より高く、音速が空気より遅く、（数２）に示した反射率Ｒを０にする条件を満たす材料である。
【００３３】
特許文献１の乾燥ゲルは、密度ρ１が２００ｋｇ／ｍ３、音速Ｃ１が１８０ｍ／ｓである。ここで、乾燥ゲルの温度に対する特性の変化について見積もる。
【００３４】
乾燥ゲルは骨格を構成する材質などにより様々な特性を持つものであるが、例としてシリカ骨格を持つ乾燥ゲルについて考える。シリカ乾燥ゲルの温度に対する寸法の変化として定義される線膨張率は約１０−６（１／℃）程度である。
【００３５】
よって、体積の変化は長さの変化の３乗として定義する事が可能である。よって、体積変化は１０−１８（１／℃）程度と、極めて小さい。
【００３６】
このように、超音波送受波器の利用環境として設定した０〜６０℃の温度変化があった場合でも、乾燥ゲルの体積変化は約６−１６レベルの変化であり、空気などの環境流体の変化に比べ、殆ど変化しないと考えられ、温度変化に対して一定値とみなすことができる。
【００３７】
また、乾燥ゲルの固さも殆ど変化しないため、音速も殆ど変化せず一定値と見なすことができる。さらに、乾燥ゲルは熱伝導率が非常に低いため、外界の温度変化に対して、温度変化自身を殆どしないことからも、密度、音速とも一定値と考えることができる。
【００３８】
このような条件において、伝搬媒質部から環境流体への超音波の伝搬効率について考察する。図１１には、（数１）に基づいて計算した角度θ１と、超音波の反射率Ｒの関係を示すグラフである。
【００３９】
図１２のグラフは、伝搬媒質部内の第２表面領域に向かう超音波の振幅を１としており、伝搬媒質部と環境流体の界面で反射する超音波との振幅の比率で表している。すなわち、全ての超音波が反射する場合には反射率は−１となり、反射率０の時に全ての超音波が環境流体に透過し、更に反射率Ｒが１となった場合は、第２表面領域に対して入射した超音波と同じ位相の超音波が全反射した場合を示している。
【００４０】
図１２より分かるように、超音波の反射率Ｒは、角度θ１の変化に極めて敏感である。よって、角度θ１がわずかに変化すると、反射率が大きく変化して、送波感度が大きく変化する事となる。また、感度が最大となる角度は環境流体の温度によって大きく変化する。反射率Ｒがほぼ０の状態から、角度θ１が１度程度ずれると反射率は０．９以上と急激に大きくなる。
【００４１】
このように、送波時においては、伝搬媒質から環境流体への伝搬効率は、第２表面領域における超音波の角度θ１によって大きく変わり、伝搬効率の大きくなる角度θ１は温度によって変化するため、環境流体の温度が変わると、送波感度が大きく変わってしまうこととなる。すなわち、温度の変化によって精度の高い計測が困難となると言う課題が特許文献１の超音波送受波器にあった。
【００４２】
また、図１２からは、超音波送受波器の使用環境を、以上で示したような条件で使用した場合には、角度θ１を４°程度の幅で補正できれば、常に高感度に超音波を送受波できることが分かる。
【００４３】
超音波送受波器を使用する温度範囲、環境流体の種類、伝搬媒質部の材質が変わった場合には、当然、角度θ１の変化する範囲も変わる。使用環境に応じて高感度に超音波を送波するために、制御すべき角度θ１は変わる。
【００４４】
次に、受波時に起こる超音波送受波器の感度変化について説明する。図１３には、角度θ２と、超音波の反射率Ｒについて図１２と同様のグラフを示している。
【００４５】
図１３より分かるように、環境流体温度が０℃と６０℃の時の角度と透過効率の関係にほとんど違いがない。すなわち、環境流体から伝搬媒質部に伝搬する超音波は、環境流体の温度よらず、角度θ２が８９度付近の時に反射率Ｒが０となって透過効率が最大となる。
【００４６】
逆に言うと、受波時は環境流体の温度によらず、常に第２表面領域に対して８９°前後の方向からの超音波のみが伝搬媒質内に透過してくるため、方向選択性の高い超音波受波器となりうる可能性がある。
【００４７】
前述したように、環境流体から超音波が効率よく伝搬媒質部に透過してくる角度θ２は８９度前後で温度によらず一定であるが、環境流体から伝搬媒質部に透過し、更に伝搬媒質部内を伝搬していく超音波の方向は環境流体の温度によって変化する。この伝搬媒質部内の超音波の伝搬方向が、環境流体の温度によって変化することが、受波時における超音波送受波器の感度変化の原因である。
【００４８】
一般に、圧電体などを用いた超音波振動子では、超音波振動子への超音波の入射角度によって感度が異なる。入射角度が変わると超音波振動子へ入射する超音波の位相が、超音波振動子の超音波の入射位置によって変わり、その位相の違いによって、圧電体に発生した電荷が相殺されてしまうためである。
【００４９】
すなわち、伝搬媒質部内に同じ強さの超音波が伝搬してきても、超音波振動子への入射角度によって、受波感度として評価する発生電圧が低下し、低下するレベルは超音波の入射角度によって異なるため、受波感度を高くすることができないか、あるいは超音波の強度に応じた受波感度が得られないという課題があった。
【００５０】
また、温度変化が大きくなり屈折角度が大きく変化して伝搬媒質部へ入射した場合には、伝搬媒質部に入射した超音波が直接に超音波振動子に直接に到達せず、伝搬媒質部の側壁で多重反射するなどする場合があり、このような場合には、正しく伝搬してきた超音波を受波する事が出来ず、正しい超音波計測が出来なくなると言う課題があった。
【００５１】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、温度などの環境流体の変化に対して、安定的に高感度を得られる超音波送受波器を提供する事である。
【課題を解決するための手段】
【００５２】
上記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。
【００５３】
本発明の第１態様にかかる超音波送受波器は、環境流体で満たされた周囲の空間に対して超音波の送波又は受波を行う超音波送受波器であって、
少なくとも超音波振動子と、
前記超音波振動子と前記環境流体との間に充填されて、前記超音波の伝搬経路を形成する伝搬媒質部とを備えるとともに、
前記伝搬媒質部の密度ρ１、前記伝搬媒質部における音速Ｃ１、前記周囲空間を満たす前記環境流体の密度ρ２、前記環境流体における音速Ｃ２が、（ρ２／ρ１）＜（Ｃ１／Ｃ２）＜１の関係を満足する材料より前記伝搬媒質部を構成し、
前記超音波振動子は超音波の送波又は受波の指向性を制御する指向性制御部をさらに備えるように構成している。
【００５４】
本発明の第５態様にかかる超音波送受波器は、環境流体で満たされた周囲の空間に対して超音波の送波又は受波を行う超音波送受波器であって、
少なくとも超音波振動子と、
前記超音波振動子と前記環境流体との間に充填されて、前記超音波の伝搬経路を形成する伝搬媒質部とを備えるとともに、
前記伝搬媒質部の密度ρ１、前記伝搬媒質部における音速Ｃ１、前記周囲空間を満たす流体の密度ρ２、前記環境流体における音速Ｃ２が、（ρ２／ρ１）＜（Ｃ１／Ｃ２）＜１の関係を満足する材料より前記伝搬媒質部を構成し、
前記伝搬媒質部の音速を変化させる音速制御部をさらに備えるように構成している。
【００５５】
本発明の第１１態様にかかる超音波送受波器は、環境流体で満たされた周囲の空間に対して超音波の送波又は受波を行う超音波送受波器であって、
少なくとも超音波振動子と、
前記超音波振動子と前記環境流体との間に充填されて、前記超音波の伝搬経路を形成する伝搬媒質部とを備えるとともに、
前記伝搬媒質部の密度ρ１、前記伝搬媒質部における音速Ｃ１、前記周囲空間を満たす流体の密度ρ２、前記環境流体における音速Ｃ２が、（ρ２／ρ１）＜（Ｃ１／Ｃ２）＜１の関係を満足する材料より前記伝搬媒質部を構成し、かつ、前記超音波振動子の超音波送受波面は凸面型又は凹面型の曲面である。
【００５６】
本発明の第１２態様にかかる超音波送受波器は、環境流体で満たされた周囲の空間に対して超音波の送波又は受波を行う超音波送受波器であって、
少なくとも超音波振動子と、
前記超音波振動子と前記環境流体との間に充填されて、前記超音波の伝搬経路を形成する伝搬媒質部とを備えるとともに、
前記伝搬媒質部の密度ρ１、前記伝搬媒質部における音速Ｃ１、前記周囲空間を満たす流体の密度ρ２、前記環境流体における音速Ｃ２が、（ρ２／ρ１）＜（Ｃ１／Ｃ２）＜１の関係を満足する材料より前記伝搬媒質部を構成し、かつ、前記伝搬媒質部と前記環境流体の界面は凸面型又は凹面型の曲面である。
【発明の効果】
【００５７】
本発明の超音波送受波器によれば、前記伝搬媒質部の密度ρ１、前記伝搬媒質部における音速Ｃ１、前記周囲空間を満たす前記環境流体の密度ρ２、前記環境流体における音速Ｃ２が、（ρ２／ρ１）＜（Ｃ１／Ｃ２）＜１の関係を満足する材料より前記伝搬媒質部を構成した状態で、前記超音波振動子は超音波の送波又は受波の指向性を制御するか、又は、前記伝搬媒質部の音速を変化させるか、又は、前記超音波振動子の超音波送受波面は凸面型又は凹面型の曲面に形成するか、又は、前記伝搬媒質部と前記環境流体の界面は凸面型又は凹面型の曲面に形成することにより、環境流体の温度などの変化に対しても安定に、高感度に超音波を送受波しうる超音波送受波器を実現するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５８】
以下、本発明の実施形態を説明する前に、本発明の種々の態様について説明する。
【００５９】
本発明の第１態様によれば、環境流体で満たされた周囲の空間に対して超音波の送波又は受波を行う超音波送受波器であって、
少なくとも超音波振動子と、
前記超音波振動子と前記環境流体との間に充填されて、前記超音波の伝搬経路を形成する伝搬媒質部とを備えるとともに、
前記伝搬媒質部の密度ρ１、前記伝搬媒質部における音速Ｃ１、前記周囲空間を満たす前記環境流体の密度ρ２、前記環境流体における音速Ｃ２が、（ρ２／ρ１）＜（Ｃ１／Ｃ２）＜１の関係を満足する材料より前記伝搬媒質部を構成し、
前記超音波振動子は超音波の送波又は受波の指向性を制御する指向性制御部をさらに備える超音波送受波器を提供する。
【００６０】
本発明の第２態様によれば、前記超音波振動子を複数備えるとともに、
前記指向性制御部は、送波の場合には、前記複数の超音波振動子のうちの隣り合う超音波振動子の駆動タイミングをずらし、受波の場合には、前記複数の超音波振動子のうちの隣り合う超音波振動子の受波信号の加算タイミングをずらすことにより、送波の場合及び受波の場合の超音波の波面の位相を制御することにより、前記超音波の送波又は受波の指向性を制御する第１の態様に記載の超音波送受波器を提供する。
【００６１】
本発明の第３態様によれば、前記環境流体の温度を測定する温度計をさらに備え、
前記指向性制御部は、前記温度計で測定された前記環境流体の温度の情報を基に、前記超音波の波面の位相を制御する第２の態様に記載の超音波送受波器を提供する。
【００６２】
本発明の第４態様によれば、前記伝搬媒質部と前記環境流体の界面で反射した超音波を受波する反射超音波受波装置をさらに備え、
前記指向性制御部は、前記伝搬媒質部と前記環境流体の界面で反射して前記反射超音波受波装置で受波された反射超音波の情報に基づいて前記超音波の波面の位相を制御する第２の態様に記載の超音波送受波器を提供する。
【００６３】
本発明の第５態様によれば、環境流体で満たされた周囲の空間に対して超音波の送波又は受波を行う超音波送受波器であって、
少なくとも超音波振動子と、
前記超音波振動子と前記環境流体との間に充填されて、前記超音波の伝搬経路を形成する伝搬媒質部とを備えるとともに、
前記伝搬媒質部の密度ρ１、前記伝搬媒質部における音速Ｃ１、前記周囲空間を満たす前記環境流体の密度ρ２、前記環境流体における音速Ｃ２が、（ρ２／ρ１）＜（Ｃ１／Ｃ２）＜１の関係を満足する材料より前記伝搬媒質部を構成し、
前記伝搬媒質部の音速を変化させる音速制御部をさらに備える超音波送受波器を提供する。
【００６４】
本発明の第６態様によれば、前記音速制御部は、前記伝搬媒質部の温度を調整する温度調節部により構成され、前記温度調節部により、前記伝搬媒質部の温度を変化させて前記伝搬媒質部の音速を変化させる第５の態様に記載の超音波送受波器を提供する。
【００６５】
本発明の第７態様によれば、前記音速制御部は、前記伝搬媒質部を圧縮、又は伸張させるアクチュエータにより構成され、前記アクチュエータにより、前記伝搬媒質への加圧力又は伸張力の付与により前記伝搬媒質部の音速を変化させる第５の態様に記載の超音波送受波器を提供する。
【００６６】
本発明の第８態様によれば、前記アクチュエータは、前記伝搬媒質部の側面と接するように配置される第７の態様に記載の超音波送受波器を提供する。
【００６７】
本発明の第９態様によれば、前記環境流体の温度を測定する温度計をさらに備え、
前記音速制御部は、前記温度計により測定された前記環境流体の温度の情報に基づいて前記伝搬媒質部の音速を変化させる第５〜８のいずれか１つの態様に記載の超音波送受波器を提供する。
【００６８】
本発明の第１０態様によれば、前記伝搬媒質部と前記環境流体の界面で反射した超音波を受波する反射超音波受波装置をさらに備え、
前記音速制御部は、前記伝搬媒質部と前記環境流体との界面で反射して前記反射超音波受波装置で受波された反射超音波の情報に基づいて前記伝搬媒質部の音速を変化させる第５〜８のいずれか１つの態様に記載の超音波送受波器を提供する。
【００６９】
本発明の第１１態様によれば、環境流体で満たされた周囲の空間に対して超音波の送波又は受波を行う超音波送受波器であって、
少なくとも超音波振動子と、
前記超音波振動子と前記環境流体との間に充填されて、前記超音波の伝搬経路を形成する伝搬媒質部とを備えるとともに、
前記伝搬媒質部の密度ρ１、前記伝搬媒質部における音速Ｃ１、前記周囲空間を満たす前記環境流体の密度ρ２、前記環境流体における音速Ｃ２が、（ρ２／ρ１）＜（Ｃ１／Ｃ２）＜１の関係を満足する材料より前記伝搬媒質部を構成し、かつ、前記超音波振動子の超音波送受波面は凸面型又は凹面型の曲面である超音波送受波器を提供する。
【００７０】
本発明の第１２態様によれば、環境流体で満たされた周囲の空間に対して超音波の送波又は受波を行う超音波送受波器であって、
少なくとも超音波振動子と、
前記超音波振動子と前記環境流体との間に充填されて、前記超音波の伝搬経路を形成する伝搬媒質部とを備えるとともに、
前記伝搬媒質部の密度ρ１、前記伝搬媒質部における音速Ｃ１、前記周囲空間を満たす前記環境流体の密度ρ２、前記環境流体における音速Ｃ２が、（ρ２／ρ１）＜（Ｃ１／Ｃ２）＜１の関係を満足する材料より前記伝搬媒質部を構成し、かつ、前記伝搬媒質部と前記環境流体の界面は凸面型又は凹面型の曲面である超音波送受波器を提供する。
【００７１】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態による超音波送受波器を説明する。
【００７２】
［第１実施形態］
図１は本発明の第１実施形態における超音波送受波器の構成を示す斜視図である。本第１実施形態における超音波送受波器１は、複数の超音波振動子２と、伝搬媒質部３から構成されている。超音波送受波器１の周りは環境流体４で満たされている。伝搬媒質部３は、超音波振動子２の振動面に平行な面（第１表面領域３１）と周囲空間を満たす環境流体４と接する面（第２表面領域３２）とを有し、それぞれの超音波振動子２の振動面と第１表面領域３１で接合している。第１表面領域３１と第２表面領域３２は図１に示すように、平行でない所定の角度を持って形成されている。一例として、各超音波振動子２は細い長方形板状体であり、伝搬媒質部３は台形側面を有する角柱体である。伝搬媒質部３の底面である第１表面領域３１には、等間隔に一方の端から他方の端まで超音波振動子２が配置されている。後に詳しく述べるが、５は送受波される超音波５の伝播方向を示しており、本第１実施形態においては図１に示すような方向の超音波５が送受波される。
【００７３】
また、図１に示すように、互いに直交するＸＹＺ方向を設定する。すなわち、Ｘ方向は超音波振動子２の配列方向（幅方向）であり、Ｙ方向は超音波振動子２の長手方向すなわち長さ方向、Ｚ方向は超音波振動子２の厚さ方向である。
【００７４】
図２には、図１に示した超音波送受波器１の構成及び動作をより理解しやすく説明するため、ＸＺ平面で切断した断面図を示す。また、図２には図１には図示していない構成である送受波回路７と、温度計８と、指向性制御部の一例として機能する制御回路９と、各構成をつなぐ信号線６を示している。全ての超音波振動子２は送受波回路７と接続され、送受波回路７と温度計８は制御回路９に接続されている。この指向性制御部は、詳しくは後述するように、環境流体４の温度に合わせて、送波時においては超音波の送波方向を制御し、受波時においては受波方向の指向性を制御するものである。
【００７５】
なお、本出願の明細書及び請求の範囲で、「周囲空間を満たす環境流体」とは、少なくとも伝搬媒質部３と環境流体４で作る界面である、第２表面領域３２に接する流体を意味し、必ずしも超音波送受波器１の周囲全てを満たす流体を意味するものではなく、その周囲の一部を満たす流体を意味するものである。
【００７６】
図２を参照して本第１実施形態の超音波送受波器１をより詳細に説明する。
【００７７】
各超音波振動子２は、電気信号を超音波振動に変換、あるいは超音波振動を電気信号に変換する役割をするもので、圧電性を有する材料から形成されている。各超音波振動子２のＺ方向の上下面には図示していない電極が設けられており、この方向に分極処理がされている。各超音波振動子２は電極間に印加される信号に基づいて超音波を放射し、超音波を受けた場合には、電極間に電圧信号を発生させる事で超音波の検出を行うものである。
【００７８】
本第１実施形態では、超音波振動子２に一例として用いる圧電体の材料は任意であり、公知のものを用いる事が出来る。圧電体は圧電性を有する材料から構成され、圧電性能が高いものが超音波の送受波効率を高くする事ができるため望ましい。圧電体材料としては、圧電セラミック、圧電単結晶、又は圧電高分子などが有効に利用される。本第１実施形態の１つの実施例では、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ている。電極としては電気インピーダンスの低い一般的な金属が用いられるが、本第１実施形態の１つの実施例では銀を用いている。
【００７９】
また、超音波振動子２として電歪体を用いる事もでき、電歪体の材料も公知のものを用いる事が出来る。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が、送受波効率を高くする事が出来るため好ましい。
【００８０】
各超音波振動子２の前面には、各超音波振動子２で発生した超音波を環境流体４へ伝播させる、あるいは環境流体４を伝搬してきた超音波をそれぞれの超音波振動子２へ伝搬させるための伝搬媒質部３が設けられている。伝搬媒質部３は、従来の技術にも述べたように（数２）に示した条件、すなわち、伝搬媒質部３の密度ρ１、前記伝搬媒質部３における音速Ｃ１、前記周囲空間を満たす前記環境流体４の密度ρ２、前記環境流体４における音速Ｃ２が、（ρ２／ρ１）＜（Ｃ１／Ｃ２）＜１を満足する材料で構成される必要がある。
【００８１】
本第１実施形態では、特許文献１と同様に、伝搬媒質部３としてシリカ乾燥ゲルを使用する場合について説明する。伝搬媒質部３に用いたシリカ乾燥ゲルは、密度ρ１＝０．２０×１０３ｋｇ／ｍ３、音速Ｃ１＝１８０ｍ／ｓである。
【００８２】
また、環境流体４の密度ρ２及び音速Ｃ２は、先の「発明の開示」の「発明が解決しようとする課題」の欄の中で述べたように、環境流体４の温度によって変化し、たとえば０〜６０℃の範囲においては、ρ２＝１．０６０〜１．２９３ｋｇ／ｍ３、Ｃ２＝３３１．５〜３６７．５ｍ／ｓの間で変化し、０〜６０℃の温度範囲においては（数２）の関係を満足している。すなわち、第２表面領域３２において完全に超音波が透過する条件を満たす角度を有する条件となっている。
【００８３】
他の材質を環境流体４や、伝搬媒質部３に用いる場合にも、使用する全ての温度範囲において（数２）の関係を満足するように設定する必要がある。
【００８４】
伝搬媒質部３の形状は、図１〜図２に示すように、超音波振動子２の振動面と平行な面（第１表面領域３１）と、それに対向する平行でない面（第２表面領域３２）を有している。この超音波振動子２の振動面と平行な面（第１表面領域３１）に対する、前記対向する平行でない面（第２表面領域３２）の角度が、前述のように角度θ１を決定する。超音波送受波器１の性能が、この角度によって大きく変動する可能性があるため、第２表面領域３２は精密に形成される必要がある。
【００８５】
本第１実施形態においては、送受波する超音波の周波数は約５０ｋＨｚとしている。超音波振動子２に用いている圧電体は、その厚さ方向（Ｚ方向）に分極された２枚の圧電体が分極方向を逆にして貼り合わせた形態の圧電体（バイモルフ型）を用いている。バイモルフ型圧電体は、電界を受けた際に発生する二つの圧電体の長さの差をたわみに変える振動に変えて超音波は送受波するものである。
【００８６】
バイモルフ型振動子は主にＺ方向とＹ方向の長さによって、その共振周波数が決まるものである。本第１実施形態の前記実施例で用いているチタン酸ジルコン酸鉛では、Ｚ方向の長さが１ｍｍ、Ｙ方向の長さが５ｍｍの時に、約５０ｋＨｚの共振周波数を持ち、電気と機械すなわち超音波の変換効率が高くなるため、このような形状とした。
【００８７】
図１及び図２に示した複数の超音波振動子２は、送波及び受波する超音波の方向を制御する、あるいは受波した超音波を方向によらず高感度に受波しうる目的のために設けているが、この超音波振動子２の配列ピッチ、すなわちＸ方向の長さと、超音波振動子２の間隔を足した長さは、超音波の送波又は受波可能な方向と関係がある。
【００８８】
ここで、図３Ａに、複数の超音波振動子２を用いて、超音波振動子２の振動面（第１表面領域３１）に対して角度θ３だけ向きの異なる超音波を送受波する場合を模式的に示す。
【００８９】
図３Ａに示した点線３７は、複数の超音波振動子２を同一位相の電気信号で駆動した場合の、超音波の波面、あるいは超音波振動子２の振動面に平行な超音波が入射してきた場合を示している。また、点線で示した矢印５Ａは、この超音波の進行方向を示している。
【００９０】
また同様に、超音波振動子２の振動面（第１表面領域３１）に対して角度θ３だけ傾いた波面を持つ超音波の同一波面を、一点鎖線３８で示している。同様に、一点鎖線の矢印５Ｂは、この方向の超音波の進行方向を示している。このように超音波振動子２の振動面（第1表面領域３１）に対して傾いた方向の超音波を送受波する場合について説明する。
【００９１】
送波の場合には、隣り合う超音波振動子２の駆動タイミング、受波の場合には、隣り合う超音波振動子２の受波信号の加算タイミングをそれぞれずらす事が、測定の基本にある。始めに、送波の場合について説明する。
【００９２】
送波の場合には、超音波振動子２の駆動タイミングを、隣接する超音波振動子２の間でずらす方法を用いる。すなわち、隣接する超音波振動子２から送波される超音波の波面が、超音波振動子２の振動面から角度θ３だけ傾いた方向で一致するようにする。図３Ａに示すように、隣り合う超音波振動子２から送波された超音波が、超音波振動子２の振動面に対して角度θ３の方向で位相が揃うようにするためには、（数６）の関係を満たす必要がある。
【００９３】
【数６】
ここで、ｄは隣り合う超音波振動子２のｘ方向における中心間の距離であり、すなわち超音波振動子２の配列ピッチである。ここで、伝搬媒質部３内における音速をＣ１とすると、（数６）に示した距離Ｌを超音波が伝搬するのにかかる時間Ｔ１は（数７）で表す事が出来る。よって、この時間Ｔ１の分だけ、駆動タイミングをずらして駆動する事で、振動面に対して角度θ３だけ傾いた波面を持つ超音波を送波出来るものである。
【００９４】
【数７】
一方、受波の場合について説明する。送波の場合とは逆に、伝搬媒質部３を伝搬してきた超音波が超音波振動子２の一例である圧電体の表面まで到達し、超音波振動子２で受波された超音波振動が圧電体の圧電効果によって電気信号に変換され、送受波回路７で電気信号が加算されて計測が行われる。この電気信号を加算する際に、隣接する超音波振動子２からの電気信号を時間Ｔ１だけ、時間的にずらして加算する事で、角度θ３だけ傾いた方向の超音波を選択的に受波した事と同一となる。
【００９５】
本第１実施形態における超音波振動子２の使用環境を、前述のように、例えば環境流体４の温度が約０℃から６０℃の間の使用を想定した場合、その温度域においては、超音波の反射率Ｒが最も小さくなる角度θ１、すなわち最も透過率が高くなる角度θ１は、図１２に示したように、約２９〜３３°の間で、約４°の幅をもって変化することとなる。
【００９６】
すなわち、反射率Ｒが最も低くなる角度は、環境流体４の温度に応じて変わり、仮に設定した本第１実施形態の条件（空気、０〜６０℃）では、角度θ１が約３１°を中心として、プラス、マイナス側とも約２°の幅において変化することとなる。
【００９７】
反射率が低くなる適当な角度θ１から、環境流体４の温度変化により、わずかに最適な角度θ１が変わると急激に反射率が大きくなるため、安定な超音波の送受波を行うためには、温度に応じて送受波方向を変化させる事が必要である。
【００９８】
ここで、超音波振動子２のＸ方向の長さの設定方法について説明する。本第１実施形態における超音波振動子２は複数あり、それぞれから送波される超音波の位相差を利用して、超音波の変更を行うものであるが、その場合には隣り合う超音波振動子の配列間隔に一定の規制が必要となる。これは意図した方向以外に各超音波振動子２から超音波の位相が揃い、強め合う方向が存在しないようにするためである。
【００９９】
超音波を超音波振動子の振動面（第１表面領域３１）の法線方向に対して−９０〜＋９０°に超音波の方向を変向する必要がある場合には、超音波振動子２の配列間隔は波長の１／２以下とする必要があるが、本第１実施形態の場合には変更すべき角度が小さいため、超音波振動子２の配列する間隔は１波長以下程度で良い。
【０１００】
変向すべき角度が大きい場合には、超音波振動子の配列ピッチを１／２波長以下とすることが望ましい。
【０１０１】
よって、本第１実施形態では超音波振動子２のｘ方向の長さを３ｍｍとし、その間隔を０．３ｍｍとしている。すなわち、超音波振動子２の配列ピッチを３．３ｍｍとしている。これは、送受波する超音波の周波数が５０ｋＨｚであり、伝搬媒質部３での音速が１８０ｍ／ｓであるため、伝搬媒質部３内での波長は約３．６ｍｍとなり、この１波長以下の配列ピッチを満足する。
【０１０２】
超音波振動子２は本第１実施形態においては１６個配列しており、よって、超音波送受波器１のＸ方向の長さはおよそ２４ｍｍである。超音波振動子２の配列数は各超音波振動子２から送信された超音波が干渉し合い、平面波として伝搬していく必要性からその数が決められており、その数が少ない場合には球面波に近くなるためある程度の数（１０個程度）が最低必要である。
【０１０３】
本第１実施形態では、最大で中央から片側２°の超音波の方向に角度変化をつけるが、２°以下の角度変化を設定するためには、同様に（数６）によって制御回路９で算出される、距離Ｌに相当する駆動タイミングを設定することで必要な角度方向への超音波の送波を実現することができる。
【０１０４】
以上で示した超音波の周波数や、角度θ１、超音波振動子２の形状や、配列間隔などは環境流体４の種類や、伝搬媒質部３の材質などが変化すると変わるものであり、使用環境に応じて最適な設計値を選択設定する必要があり、本第１実施形態の値に限定されるものではない。
【０１０５】
以上のように、本第１実施形態における超音波振動子２は複数であり、それぞれが独立に送受波回路７と信号線６を介して接続されており、送受波回路７は複数の超音波振動子２の駆動電圧及び駆動タイミング、受波信号の加算タイミングを独立に制御できるように構成されていることで、送受波する超音波の方向を調整することが可能となっているものである。
【０１０６】
更に、送受波回路７は制御回路９に接続されており、制御回路９は各超音波振動子２に対する駆動電圧及び駆動タイミング、あるいは受波された超音波振動に基づく電気信号の処理方法を制御する命令を下す事が出来る。
【０１０７】
制御回路９には、環境流体４の温度を測定する温度計８が接続されている。温度計からの温度に基づいて、送波あるいは受波のタイミングを制御することで、安定して高感度な送受波を行うことができる。
【０１０８】
本第１実施形態における超音波送受器１の特徴は、環境流体４の温度に合わせて、送波時においては超音波の送波方向を制御し、受波時においては受波方向の指向性を制御することが可能なように構成されている点にある。
【０１０９】
まず、本第１実施形態の超音波送受波器１は、使用温度環境の中央値である温度３０℃において複数の超音波振動子２を位相差無く駆動、あるいは受波信号の加算を行った場合に、送受波感度が高くなるように設定されている。
【０１１０】
より具体的には、温度３０℃における環境流体４の一例である空気の密度ρ１及び音速Ｃ１は、（数４）及び（数５）より、それぞれρ１＝１．１６５ｋｇ／ｍ３、Ｃ１＝３４９．５ｍ／ｓであるため、（数８）より制御回路９で算出される送受波感度の高くなる角度θ１が約３１°となるように作製されている。
【０１１１】
【数８】
以下、本第１実施形態における超音波送受波器１の動作方法を、図３Ｂを用いてより具体的に説明する。
【０１１２】
送波の場合には、始めに、温度計８により環境流体４の一例である空気の温度ｔが測定され（ステップＳ１）、その温度ｔの情報が制御回路９に送られる。制御回路９では、環境流体４の温度が計測可能範囲であるかを判定後（ステップＳ２）、環境流体４の温度が計測可能範囲外ならば、測定エラーとして（ステップＳ３）、再度、ステップＳ１に戻り、温度計８により環境流体４の一例である空気の温度ｔが測定される。なお、環境流体４の温度が計測可能範囲外のときは、エラー表示を繰り返す。
【０１１３】
一方、環境流体４の温度が計測可能範囲内ならば、環境温度ｔに基づいて環境流体４の音速Ｃ２、密度ρ２を制御回路９で算出し（ステップＳ４）、この音速Ｃ２、密度ρ２を用いて、更に（数８）に基づいて第２表面領域３２とのなすべき最適な入射角度θ１を制御回路９で算出する（ステップＳ５）。
【０１１４】
こうして、ステップＳ４において制御回路９で算出した角度θ１を用いて、超音波振動子２に遅延の必要のない入射角度３１°との差を取った角度θ３を制御回路９で求め（ステップＳ６）、角度θ３と超音波振動子２の配列ピッチｄ、伝搬媒質部３の音速Ｃ１を用いて、（数６）及び（数７）により、超音波振動子２を駆動するタイミングのズレ時間ΔＴを制御回路９で算出する（ステップＳ７）。
【０１１５】
このズレ時間ΔＴの情報が、更に制御回路９から送受信回路７に送られて複数の超音波振動子２が制御回路９の制御の下に駆動される。このズレ時間ΔＴを制御することで、第２表面領域３２における超音波の角度θ１を制御回路９で制御して、安定的に高感度な超音波の送波を行うことができる（ステップＳ８）。その後、再び、ステップＳ１からの動作を開始することにより、連続して、超音波送受波器１の送波動作を行うことができる。
【０１１６】
より具体的に、環境流体４の温度が３０℃の時の動作について説明する。
【０１１７】
本第１実施形態の超音波送受波器１は超音波振動子２の振動面（第１表面領域３１）と、第２表面領域３２は３１°の角度を持つように作成されているため、超音波は第１表面領域３１に対して垂直な方向へ伝搬していく場合に、感度が最大となる。
【０１１８】
このような方向へ超音波を伝搬させるには、複数の超音波振動子２が位相差無く駆動すればよい。
【０１１９】
このように、本第１実施形態における超音波送受波器１の伝搬媒質部３は、環境流体４の温度が３０℃の時に、複数の超音波振動子２に位相差無く駆動すると、効率良く超音波を環境流体４に対して送波出来るように伝搬媒質部３の材質及び形状が形成されている。
【０１２０】
逆に受波に際しては、環境流体４を伝搬してきた超音波のうち、第２表面領域３２とのなす角度θ２が、ほぼ８９°となるような超音波のみが選択的に伝搬媒質部３に透過してくる。第２表面領域３２で屈折した超音波は角度θ１が３１．０°となる角度を持って伝搬媒質部３を伝搬して複数の超音波振動子２へ到達する。
【０１２１】
この時には、複数の超音波振動子２に対して、位相差無く超音波が到達するため、受波回路においては、複数の超音波振動子２から得られた電気信号を、位相差無く加算する事で感度の高い超音波の受波が行われる。
【０１２２】
温度３０℃における感度最大となる角度θ１が３１°とした第２表面領域３２を持つ伝搬媒質部３は、この角度に限定される物でなく、角度θ１が環境流体４の音速、密度と、伝搬媒質部３の音速、密度から（数８）によって決まる最適な角度θ１を満足するように、第２表面領域３２の角度と超音波の伝搬方向を制御すればよいものである。本第１実施形態における超音波送受波器１は一例としての形態である。
【０１２３】
次に、環境流体４の温度が０℃と６０℃の時の超音波送受波器１の動作について説明する。温度が０℃及び６０℃の場合の動作を説明によって、超音波の変向角度が最も大きい場合を理解することで、その間の温度における動作はそれらの動作方法より容易に理解できる。
【０１２４】
温度３０℃の時と同様に、温度計８により環境流体４の温度ｔが０℃であることが制御回路９に送られると、制御回路９はズレ時間差ΔＴを制御回路９で算出して送受波回路７に送り出す。送受波回路７では制御回路９からのズレ時間差ΔＴに基づいて複数の超音波振動子２を駆動して、送波された超音波が第２表面領域３２に対して約２９．０°の角度で到達するように制御することとなる。
【０１２５】
すなわち、第１表面領域３１に対して図３Ａの点線で示したように、左に傾き約２°の角度を持った波面の超音波が第２表面領域３２に向かって伝搬していくようにする。
【０１２６】
より具体的に、本第１実施形態における超音波振動子２の駆動タイミングをずらす、ズレ時間差ΔＴの値について説明する。
【０１２７】
超音波の振動面の垂直方向に対して２°の角度をつけるためには、隣り合う超音波振動子２から送波される超音波が複数の超音波振動子２の配列間隔と、変向すべき角度である２度より、約０．１２ｍｍ（３．３ｍｍ×ｓｉｎ２°）の距離の差がつけられる事が制御回路９で算出される。
【０１２８】
そして、伝搬媒質部３の音速が１８０ｍ／ｓであるので、実際に超音波振動子２に与える駆動信号の時間差は、距離Ｌ＝０．１２ｍｍを、音速１８０ｍ／ｓで割った計算により、約０．６７μｓとなる。
【０１２９】
このような時間差ΔＴ＝０．６７μｓを、隣り合う超音波振動子２に与える駆動信号に設ける事で、環境流体４の温度が０℃の場合にも、適切な角度θ１を確保して、高効率な超音波の送波を行う事が出来る。
【０１３０】
この時間差ΔＴ＝０．６７μｓは環境流体４に空気を用いて、第２表面領域３２を第１表面領域３１に対して３１°の角度で形成した場合に、環境流体４が０℃の場合の解であって、他の環境流体や使用する温度環境、第２表面領域３２の角度などによって随時変更されるものである。
【０１３１】
一方、受波の場合には、伝搬媒質部３の第２表面領域３２から入射してきた超音波は、送波の場合とちょうど逆の経路を通って、超音波振動子２の振動面に対して図３Ａの左側へ傾いた約２°の角度を持って入射してくる。各振動子２で受波された超音波を上記と同じ時間差（約０．６７μｓ）をつけて加算することで、超音波の強度に応じた感度の高い超音波の受波が可能となる。
【０１３２】
次に、環境流体４の温度が６０℃の時について説明する。６０℃の時には、０℃の場合と同様に、温度計８により環境流体４の温度が６０℃であることが制御回路９に送られると、送受波回路７は超音波振動子２からの超音波が第２表面領域３２に対して３３°の角度で入射するように制御される。すなわち、図２においては第１表面領域３１に対して右側に傾いて約２°の角度を持った波面の超音波が第２表面領域３２に向かって伝搬していくように制御する。
【０１３３】
環境流体４の温度が０度の場合とは反対側に、２°の角度を持って超音波を送波するためには、同様に各超音波振動子２から送波される超音波に、伝搬媒質部３内での距離の差が約０．１２ｍｍとなるように、駆動信号の時間差を約０．６７μｓとする。ただし、０℃の場合と逆の位相差を付ける事が必要である。
【０１３４】
このようにする事で、第１表面領域３１から約２°の角度を持った超音波の波面が形成され、第２表面領域３２に対して約３３°の角度を持って入射する事となり、環境流体４に対して高感度な超音波の送波が可能となる。
【０１３５】
受波の場合にも、温度０℃の場合と同様に、各超音波振動子２で受波した超音波を、送波の場合と同様の時間差０．６７μｓを設けて加算する事で、高感度な超音波の受波を行う事が可能となる。
【０１３６】
以上のように、本発明の第１実施形態にかかる超音波送受波器１は、気体などの媒質に対して高感度に超音波を送受波しうる伝搬媒質部３を用いた超音波送受波器１において、環境流体４の温度変化に対しても、安定に高感度な超音波の送受波を行う事が可能となる超音波送受波器１を提供しうる。
【０１３７】
また、環境流体４の温度が０〜３０℃、あるいは３０〜６０℃の間においては、温度に応じて、送波の場合には上述した間の駆動時間差を、受波の場合には受波した信号の加算時に所定の時間差を設けて測定する事により、安定して高感度な測定を実現することができる。
【０１３８】
この環境流体４の温度が０〜６０℃の使用環境は、本第１実施形態をより具体的に理解するために設定したものであり、本第１実施形態の超音波送受波器１の使用環境が特にこの範囲に限定される物ではなく、使用環境に応じた超音波の変向を行うことで、温度変化に対して安定して高感度に超音波を送受波しうる超音波送受波器１を実現することができる。
【０１３９】
また、図１、図２に示した本第１実施形態における超音波送受波器１は、超音波振動子２と、伝搬媒質部３のみから構成されていたが、例えば図４Ａに示すような更に別の部材を有する形態としても良い。
【０１４０】
すなわち、超音波送受波器１の強度を高めるため、隣接して配列されている超音波振動子２の間に充填材１０を設けた構成としても良い。充填材１０として充填する材料はゴムや樹脂などが、超音波振動子２の電気機械変換効率を低下させることなく、超音波送受波器１の強度を高める事が出来るため好ましい。充填材１０に固い材料を用いると、超音波振動子２の変換効率が低下するため好ましくない。
【０１４１】
また、隣接する超音波振動子２の機械的、電気的なクロストークを防止するため、充填材１０には超音波減衰の大きな材料を用いる事が望ましく、フィラーを混入したゴムなどを好適に用いることができる。
【０１４２】
また、超音波送受波器１の周波数特性を向上させる、あるいは超音波送受波器１の強度を向上させる、あるいは取扱いを容易にするために、超音波振動子２の背面に背面負荷材１１を設けても良い。
【０１４３】
超音波振動子２の周波数特性を向上させるとは、すなわち超音波振動子２のＱ値を低下させて広帯域な特性を持たせる事が目的である。本第１実施形態の超音波振動子２として圧電体を用いる場合には、共振現象を利用することで超音波振動の電気信号への変換効率を高めているため、Ｑ値が高い。
【０１４４】
超音波振動子２の背面側に伝搬する超音波を減衰させてＱ値を下げることが周波数特性の向上には有効である。背面負荷材１１の材料は、超音波振動子２と背面負荷材１１の界面での反射を防止するために、音響インピーダンスが超音波振動子２に近い材料が好ましく、また、超音波を十分に減衰させるため、超音波減衰の大きな材料が好ましい。このような材料としてフェライトゴム（鉄粉を分散させたゴム）などが好適に用いられる。
【０１４５】
また、超音波送受波感度の向上と、周波数特性の向上を目的として、超音波振動子２と伝搬媒質部３の間に音響整合層１２を設けても良い。超音波振動子２の一例として用いられる圧電セラミックスの音響インピーダンスは約３０×１０６ｋｇ／ｍ２／ｓ程度であり、伝搬媒質部３として用いている乾燥ゲルは０．０３６×１０６ｋｇ／ｍ２／ｓである。１層の音響整合層１２を設ける場合には、超音波振動子２の一例である圧電セラミックスと、伝搬媒質部３の一例である乾燥ゲルの中間の音響インピーダンスを持つ材料が望ましい。
【０１４６】
特に音響整合層１２は、超音波振動子２の一例である圧電体と伝搬媒質部３の音響インピーダンスの積の幾何平均となる１．０×１０６ｋｇ／ｍ２／ｓ程度の音響インピーダンスを持つ材料が好ましく、この音響インピーダンスを実現する材料としては、密度が約０．６０×１０３ｋｇ／ｍ３であり、音速が約１６００ｍ／ｓ程度であるシリカからなる多孔質セラミックスなどを用いる事が出来る。音響整合層１２は単層ではなく、複数層であっても良く、多層にした場合には、更に高感度化、広帯域化をすることができる。
【０１４７】
また、本第１実施形態で伝搬媒質部３の一例として用いている乾燥ゲルは、密度が低く、音速が遅いため、強度が低い。伝搬媒質部３の破損を防止し、超音波送受波器１の取扱い性を向上するために、超音波送受波器１の外周部分に保護部１３を設けるなどをしても良い。保護部１３は、伝搬媒質部３のみを覆うのではなく、超音波振動子２の部分などをも覆ってもよい。超音波の伝搬する経路を妨害しなければ良く、形状に超音波送受波器１の性能上の制約はない。
【０１４８】
図４Ｂに、保護部１３の形態をより理解し易くするため、超音波送受波器１の斜視図を示す。図４Ｂにおいては、保護部１３は図４Ｂに示すように、伝搬媒質部３の音波の放射面以外の周囲すべてを覆ってもよい。また、伝搬媒質部３にある程度の強度がある場合には、図４Ｃのように一方向のみを覆う形状（例えば、超音波送受波器１の上面及び両側面を除く前面及び後面及び下面を覆うように横断面が大略Ｌ字形状）としても良く、適宜、製造のしやすさ、コストなどを勘案して設計することができる。伝搬媒質部３の強度が低い場合には、図４Ｂの形状が取り扱いや、信頼性の面で高いので好ましい。
【０１４９】
保護部１３に、音響整合層１２として用いた多孔質セラミックスを用いると、アンカー効果により、乾燥ゲルとの結合が強く好適であり、更に音響整合層１２と一体化することにより、製造プロセスの簡素化が図れるため、超音波送受波器１の製造コストの低減も実現できる。
【０１５０】
また、保護部１３に、環境流体４の温度を測定する温度計８を装備すれば、音響的な妨げとならず、温度計８と一体化した使用しやすい超音波送受波器１を構成できる。保護部１３は、超音波の伝搬経路を妨げないように構成する事が、高感度な送受波をする上で重要である。温度計８は、図４Ｂのように音波を送受波しない側の保護部１３の一部に設けても良いし、あるいは図４Ｄのように、音波を放射しない側の全面に渡って設けてもよく、あるいは図示していないが、直交する側の保護部１３の上面に設けても良い。すなわち、用いる温度計８の性能や、必要な温度精度、あるいは温度の空間分布の必要性などに応じて設置をすることができる。
【０１５１】
［第２実施形態］
図５Ａを参照しながら、本発明の第２実施形態における超音波送受波器の構成及び動作について説明する。本第２実施形態における超音波送受器１Ａは、第１実施形態で示した温度計を有せず、複数の超音波振動子２の駆動、あるいは受波信号の加算時のタイミングを制御する情報（ズレ時間ΔＴ）を、超音波振動子２自身の受波信号、あるいは検知用超音波振動子１４により得ることが特徴であり、これ以外は第１実施形態と同様の構成、及び動作である。本第２実施形態における超音波送受器１Ａでは、この複数の超音波振動子２の駆動、あるいは受波信号の加算時のタイミングを制御する情報（ズレ時間ΔＴ）を取得するため反射超音波受波装置を備えており、反射超音波受波装置の例としては、超音波振動子２自身により構成するか、又は、超音波振動子２とは別個に備えられた検知用超音波振動子１４により構成することができる。そして、前記指向性制御部の一例として機能する制御回路９は、前記伝搬媒質部３と前記環境流体４の界面で反射して前記反射超音波受波装置で受波された反射超音波の情報に基づいて前記超音波の波面の位相を制御するように構成している。
【０１５２】
ある温度において超音波振動子２より送波された超音波５が、伝搬媒質部３を伝搬して、第２表面領域３２に到達すると、角度θ１が最適な角度に設定されている場合には、殆ど全ての超音波５が第２表面領域３２を透過して、環境流体中に伝搬していくため、送波した超音波５の反射波が超音波振動子２で観測されることは無い。
【０１５３】
ところが、環境流体４の温度が変化して、第２表面領域３２での最適な角度θ１が変化すると、超音波５が第２表面領域３２において環境流体４へ透過できなくなって反射するため、図５Ａに実線の矢印５Ｇで示すように、第２表面領域３２で反射した超音波５Ｇが、再び伝搬媒質部３の内部を伝搬することになる。
【０１５４】
反射して伝搬媒質部３を伝搬する超音波５Ｇは反射面の幾何学的な形状によって、超音波振動子２に戻って超音波信号として観測されることとなる。この反射超音波５Ｇの受波情報に基づいて、超音波振動子２の駆動タイミングを調整することで、常に第２表面領域３２での反射が低くなるように超音波５の入射角度θ１を設定することができ、安定した高感度な超音波の送波を行うことができる。
【０１５５】
図５Ｂ及び図５Ｃを用いて超音波の送信方向を決めるための反射信号についてより具体的に説明する。図５Ｂ及び図５Ｃは超音波振動子２の送波時の波形について模式的に示したものであり、横軸は時間、縦軸は信号の大きさを示している。図５Ｂは、第２表面領域３２で殆ど超音波５が反射されず、高感度な超音波の送波を行えている場合である。図５Ｂの始めの波形が送波した超音波５の信号で、伝搬媒質部３の内部での反射が起こらないため、その後に続いて超音波５Ｇが観測されることはない。
【０１５６】
一方で、環境流体４の温度が変化して、第２表面領域３２で超音波５Ｇが反射した場合は図５Ｃのように送波した超音波５の信号の後に、さらに反射してきた超音波５Ｇの信号が観測される。この反射信号のレベルが低減するように、超音波の角度を調整する必要がある。
【０１５７】
この反射信号のレベルが低減するように超音波の角度を調整する具体的な手順を図５Ｄに示す。
【０１５８】
図５Ｄは超音波の方向を変える手順を示すフローチャートで、図５Ｄに示す手順で反射信号が観測されなくなるまで駆動タイミングを変化させる方法で、高感度な超音波の送受波が可能となる。
【０１５９】
超音波の伝搬方向の変化は先に述べたように、複数の超音波振動子２を駆動するタイミングを制御することで行う。このように超音波振動子２の反射信号レベルを低減するように超音波の方向を制御することで、安定して高感度な超音波の送波を行うことができる。
【０１６０】
具体的な手順について図５Ｄを用いてより詳細に説明する。図５Ｄでは、制御回路９に接続された検知用超音波振動子１４を持つ場合について説明する。
【０１６１】
始めに、超音波送受波器１Ａより超音波５を送波する（ステップＳ２１）。この際には、複数ある超音波振動子２の駆動信号には時間差は設けておらず、超音波振動子２の面に対して平行な波面が送波される。こうして送波された超音波５が図５Ａの５Ｇのように第２表面領域３２で反射すると、検知用超音波振動子１４で受波される（ステップＳ２２でＹＥＳ）。超音波が反射しない場合には検知用超音波振動子１４で超音波が受波されない（ステップＳ２２でＮＯ）ため、この場合には、制御回路９の制御の下に、駆動信号の時間差を設けることなく、ステップＳ２１に戻り、再び超音波５を送波する。
【０１６２】
反射信号が観測された場合には（ステップＳ２２）、制御回路９で超音波振動子２を駆動する信号に時間差を付けて、超音波５の伝搬方向を変える（ステップＳ２３）。制御回路９で、図５Ａに示した複数の超音波振動子２の右側を先に駆動し、順次、左側の超音波振動子２を駆動する（ステップＳ２３）。この場合を、駆動信号のタイミングをプラス側にずらすと定義する。この場合には、超音波５は、制御回路９で、図５Ａにおいて超音波振動子２の振動面に対して垂直な方向から右へ傾いた方向の超音波５が送波されることとなる。
【０１６３】
一方、逆に、制御回路９で、複数の超音波振動子２の左側を先に駆動し、順次、右側の超音波振動子２を駆動する（ステップＳ２３）。この場合を、駆動信号のタイミングをマイナス側にずらすと定義する。この場合には、制御回路９で、図５Ａにおいて超音波振動子２の振動面に対して垂直な方向から左へ傾いた方向の超音波５が送波されることとなる。
【０１６４】
それぞれの超音波振動子２を駆動する信号の時間差は、送信回路７の有する離散化された時間計測精度によって決まる物であり、最小の時間差を制御回路９で整数倍することによって設定されるものである。ここで、最小の駆動時間差をＴａとして定義することとする。
【０１６５】
この最小の駆動時間差Ｔａをプラス側、マイナス側に設定して超音波を制御回路９で送波して（ステップＳ２３）、それぞれの場合の反射波の計測を行う。この時の反射波のレベルの比較を制御回路９で行い（ステップＳ２４）、どちらかの反射信号が観測されなければ、反射信号の観測されない伝搬時間差で再び超音波の送波を制御回路９で行って計測を継続する（ステップＳ２５）。
【０１６６】
ステップＳ２４で、どちらも反射信号が観測される場合には、その反射信号のレベルを制御回路９で比較して、反射信号のレベルが低い側に、更に駆動時間差をプラス側あるいはマイナス側に制御回路９で増やして、すなわち、より角度をつけた超音波を制御回路９で送波する（ステップＳ２６）。伝搬時間差の増やし方は、最小の駆動時間差Ｔａの整数倍、すなわち、２＊Ｔａ，３＊Ｔａと順に制御回路９で増やしていく。
【０１６７】
更に、この場合の受信信号を観測し（ステップＳ２７）、反射信号が観測されなくなった場合には、制御回路９で、この駆動時間差で再び超音波の送波を行って計測を継続する（ステップＳ２８）。
【０１６８】
ステップＳ２７で反射信号レベルが減少している場合には、制御回路９で、更に駆動時間差を増やして、超音波の送波を制御回路９で行い（ステップＳ２９）、同様に前の駆動時間差の場合の反射信号レベルと制御回路９で比較して（ステップＳ２７）、反射信号が観測されなくなるまで、同様の手順によって超音波の送波を制御回路９で行う。
【０１６９】
一方、この手順の間に反射信号レベルが増加する場合には、最小の駆動時間差Ｔａで設定しうる角度以下の制御によってしか、反射信号を０にすることができないため、反射信号の最小となる駆動時間差によって超音波の送波を制御回路９で行い（ステップＳ３０）、最大のＳＮが得られる状態での計測を行う。
【０１７０】
また、受波の場合について述べる。超音波振動子２で受波される超音波は、基本的に送波される超音波と同じ経路（同じ角度θ１）で伝搬媒質部３に入射される。このため、送波と受波を交互に繰り返して測定を行う（パルスエコー法）タイプの本第２実施形態の超音波送受波器１Ａにおいては、この送波の駆動タイミングを制御回路９で制御する情報に基づいて、受波した超音波信号の加算時のタイミングを制御回路９で制御することで高感度な超音波の送受波を行うことができる。
【０１７１】
また、図５Ａに示すように、超音波振動子２以外に反射超音波を検知するための検知用超音波振動子１４を用いても良い。
【０１７２】
送信信号の尾引が長く、送信信号に反射信号が埋もれてしまうような場合には検知用超音波振動子１４の採用が反射信号の検知に効果的である。また、送受波する超音波振動子２よりも時間的に早く反射超音波を検知することができるため、超音波測定の繰り返しを早くすることができ、よりリアルタイムな計測が可能となる。
【０１７３】
検知用超音波振動子１４は、超音波振動子２と同様に圧電効果を利用して超音波振動を電気信号に変えるものであり、これは受信専用であるので、受信感度の高さを示す指標であるｄ定数が大きい材料を用いることが好ましく、たとえば高分子圧電材料などを好適に用いることができ、より具体的には例えばポリビニリデンフロオライド（ＰＶＤＦ）などを用いることが材料選択上好ましい。
【０１７４】
検知用超音波振動子１４は、伝搬媒質部３の側面（第１表面領域３１と、第２表面領域３２の側面）に取り付けられる。このように配置すれば、第２表面領域３２で反射した超音波を観測するまでの時間を短縮することができるため、繰り返しの早い超音波の送波を行うことができ、より短時間での測定を行うことができる。
【０１７５】
［第３実施形態］
図６Ａを参照して、本発明の第３実施形態の超音波送受波器１Ｂを説明する。本第３実施形態の超音波送受波器１Ｂは、制御回路９に接続されかつ伝搬媒質部３の温度を調整する温度調節部１５を有していることに特徴がある。
【０１７６】
また、本第３実施形態における超音波振動子２は一組の電極を持つだけであり、送受波する超音波を電子的に変向する機能を有していない。よって、環境流体の温度変化に応じて超音波送受波方向を変えて、安定した超音波の送受波を行うことはできない。
【０１７７】
本第３実施形態の超音波送受波器１Ｂでは、環境流体４の温度変化に応じて伝搬媒質部３の温度、すなわち音速を変化させて第２表面領域３２における角度θ１を一定に保つよう構成されていることに特徴がある。すなわち、本第３実施形態の超音波送受波器１Ｂでは、第２表面領域３２における角度θ１を一定に保つようにするため、前記伝搬媒質部３の音速を変化させる音速制御部を備えるものであり、温度調節部１５と制御回路９は音速制御部の一例として機能する。
【０１７８】
このような本第３実施形態の超音波送受波器１Ｂについて説明する。本第３実施形態における超音波振動子２や、伝搬媒質部３の材質は第１実施形態及び第２実施形態と同様である。温度調節部１５は、超音波伝搬の妨げにならないように、伝搬媒質部３の側面に接するように設けられ、加熱又は冷却することにより、伝搬媒質部３の温度を変化させることができるようになっている。
【０１７９】
温度調節部１５はヒータなどの抵抗加熱素子やペルチエ素子など、伝搬媒質部３に対して行う温度変化の範囲やレベルに応じた機能を有するデバイスを適時選択する事が出来る。温度調節部１５は、制御回路９の制御の下に、なるべく短時間に、伝搬媒質部３全体を均一に設定温度にできる事が好ましく、図６Ｂに示すように、例えば伝搬媒質部３の周囲を囲むように形成されても良い。図６Ｂは断面表示であるが、伝搬媒質部３の紙面における手前と奥側の両側面も温度調節部１５で囲まれている形態を示している。
【０１８０】
また、多孔質体である伝搬媒質部３に対しては、冷却、あるいは加熱された流体を送り込むことも温度制御に有効であり、加熱あるいは冷却された流体を送り込む、あるいは吸引するポンプなども温度調節部１５として使用する事が出来る。この際には、温度変化のみでなく、異なる流体が充填されることによる音速変化が生じる可能性があるので注意を要する。
【０１８１】
本第３実施形態の超音波送受波器１Ｂは、多数の超音波振動子２を持ち、これを電子的に制御して、超音波の変更を行うタイプの超音波送受波器１Ａに比べ、低コストで提供できるという点で有利である。
【０１８２】
角度θ１を一定に保ち、安定な超音波送受波を行う方法について述べる。前述のように伝搬媒質部３と環境流体４の界面（第２表面領域３２）における超音波の反射率Ｒは（数１）で表される。
【０１８３】
また、（数２）により、反射率Ｒを０とする条件が決まり、その反射率を０とする角度θ１は、伝搬媒質部３及び環境流体４の密度と音速、ρ１、ρ２、Ｃ１、Ｃ２を用いて（数８）で示される。
【０１８４】
環境流体４の密度ρ２、音速Ｃ２は温度の関数として（数４）及び（数５）のように表す事ができ、密度ρ２、音速Ｃ２が変化した場合の角度θ１の変化を最小限に抑えるためには、伝搬媒質部３の密度ρ１、音速Ｃ１を環境流体４の密度ρ２、音速Ｃ２の変化に合わせて変える必要がある。
【０１８５】
ここで、伝搬媒質部３の材質の一例であるシリカ乾燥ゲルについては、温度ｔと密度ρ１、音速Ｃ１の間に（数９）及び（数１０）のような関係がある。固体についても気体と同様に一般に温度に応じて密度が減少し、音速が上昇する。
【０１８６】
【数９】
【０１８７】
【数１０】
ここで、実験的に密度ρ１は殆ど変化しない事が分かっているため、常数α＝０として密度ρ１は一定値として取り扱う。一方で、音速Ｃ１は温度によってわずかに変化する。
【０１８８】
図７に環境流体４及び伝搬媒質部３の温度と、第２表面領域３２における角度θ１の関係を示す。図７では（数８）において、伝搬媒質部３の音速Ｃ１を（数１０）に基づいて変化させたときの、角度θ１の変化を計算したものである。
【０１８９】
伝搬媒質部３の温度が環境流体４と同じ温度で変化した場合には、図７に示したグラフにより、常数β＝０．３近傍で角度θ１の変化が極めて小さくなる事が分かる。
【０１９０】
よって、伝搬媒質部３に、一例として、このような特性を持つ乾燥ゲル材料を選択する。通常の乾燥ゲルに対し、このような材料とするためには温度によって音速が変化しやすいように、規則正しいシリカ骨格の構造を乱すような分子を入れることが有効である。
【０１９１】
あるいは材料を変更することが困難な場合には、常数βの値に応じた温度変化を与えるようにする事で角度θ１を一定に保ち、安定した高感度な超音波の送受波を行う事が出来る。常数βの値に応じた温度変化の与え方とは、仮に常数β＝０．０３程度の材料で伝搬媒質部３が構成されている場合には、環境流体４の温度変化の１０倍の温度変化を伝搬媒質部３に与えることで、伝搬媒質部３の音速は角度θ１を一定とする音速になりうる。
【０１９２】
ここで、より具体的に、図６Ｃを用いて伝搬媒質部３の温度をどのように変化させるかの手順を説明する。この場合、伝搬媒質部３は温度に対して（数１０）に従って変化する音速を有する材料である。ここでは、仮にβ＝０．１として設定された材料を用いて説明する。環境流体４は空気であり、（数４）によって音速が変化する。
【０１９３】
ここで、本第３実施形態の超音波送受波器１Ｂでは、温度３０度において超音波の送受波が効率良く行われるように、第１表面領域３１と第２表面領域３２は約３１度の角度を持って形成されている（ステップＳ４１）。
【０１９４】
始めに、温度計８によって環境温度が計測されると、測定された温度ｔに対する環境流体４の音速Ｃ２が制御回路９で算出される（ステップＳ４２）。例えば温度が３０度から３１度へ１度変化した時には、音速が３４９．５ｍ／ｓから３５０．１ｍ／ｓへ変化することとなる。
【０１９５】
この時、超音波の最適な送受波が可能となる角度θ１は伝搬媒質部３の音速が環境流体４と同じ温度変化をする場合には、１８３ｍ／ｓから１８３．１ｍ／ｓへ変化することとなる（ステップＳ４３）。
【０１９６】
温度３０度においては角度３１．５７度が最適な角度θ１であったのに対し、３１度では最適な角度θ１は３１．５３度へと変化する。最適な角度θ１＝３１．５７度を保つためには、温度３１度の環境流体４の一例である空気（音速３５０．１ｍ／ｓ）に対して伝搬媒質部３の音速を１８３．３ｍ／ｓとする必要があり、このためには、伝搬媒質部３の温度を３３度とする必要がある（ステップＳ４４）。よって、制御回路９の制御の下に、温度調節部１５により伝搬媒質部３の温度を３３度として、最適な角度θ１を３１．５７度に保つものである（ステップＳ４５）。環境流体４の温度がより大きく変化しても、同様にこのような制御を行って超音波が効率良く送受波できるように制御する。以後、連続して超音波の送受波を行う場合には、ステップＳ４２〜Ｓ４５を繰り返せばよい。
【０１９７】
本第３実施形態では伝搬媒質部３の一例として乾燥ゲルを用いた例を説明したが、環境流体４との関係において（数２）を満たす材料から伝搬媒質部３が構成されていればよく、乾燥ゲルに材料が限定されるものではない。
【０１９８】
［第４実施形態］
図８Ａを参照して、本発明の第４実施形態の超音波送受波器１Ｃを説明する。本第４実施形態の超音波送受波器１Ｃは、伝搬媒質部３の側面に伝搬媒質部３を圧縮、又は伸張させるアクチュエータ１６を制御回路９と接続して設けた事に特徴があり、それ以外は第３実施形態の超音波送受波器１Ｂと同様の構成及び動作をするものである。このアクチュエータ１６と制御回路９は、前記音速制御部の別の例として機能するものである。
【０１９９】
第３実施形態においては伝搬媒質部３の温度を調節して音速を変化させることで、第２表面領域３２における角度θ１を一定に保ったのに対し、本第４実施形態では、伝搬媒質部３を圧縮、あるいは伸張することで音速を変化させて角度θ１を一定値に保ち、安定した送受波動作を可能とするものである。
【０２００】
図８Ａに示したような伝搬媒質部３の側面に設けられたアクチュエータ１６によって、制御回路９の制御の下に、伝搬媒質部３に対して圧縮あるいは伸張方向の応力を加えるものである。アクチュエータ１６は、たわみ変形をして伝搬媒質部３に力を与えるように構成されており、たとえば圧電体と金属板のような材料を貼り合わせたユニモルフ型のアクチュエータ、あるいは反対の分極方向を持つ圧電体を２枚貼り合わせたバイモルフ型アクチュエータなどを用いることができる。
【０２０１】
あるいは、図４Ａに示した保護部１３の側面に、さらに、圧電体などから形成されるアクチュエータ１６を接合することで、変形するアクチュエータと変形しない保護部１３とのサイズの差を利用したたわみ変形を伝搬媒質部３に与えることができ、音速を変化させることができる。このような形態の一例を図８Ｂに示す。このような形態の超音波送受波器１Ｃは、図８Ｃのようにアクチュエータ１６が屈曲することで伝搬媒質部３に力を加えて、伝搬媒質部３の固さ、すなわち伝搬媒質部３内での音速を変化させることができる。
【０２０２】
実際の音速制御方法について、図８Ｄを用いて説明する。なお、温度３０度において超音波の送受波が効率良く行われるように、第１表面領域３１と第２表面領域３２が最適な角度を持って形成されている（ステップＳ５１）。
【０２０３】
始めに、温度計８により環境流体４の温度ｔが計測され、環境温度ｔの音速Ｃ２が制御回路９で算出される（ステップＳ５２）。この情報に基づいて、超音波を高効率に送受波するために必要な伝搬媒質部３の音速Ｃ１が制御回路９で算出される（ステップＳ５３）。
【０２０４】
この伝搬媒質部３の音速値に基づいて、伝搬媒質部３の音速が所定の値となる固さ、すなわち弾性率Ｋが制御回路９で算出される（ステップＳ５４）。以下、弾性率Ｋとなるアクチュエータ１６の圧縮力Ｆ、圧縮力Ｆとなる印加電圧Ｖが制御回路９で算出され（ステップＳ５５及びＳ５６）、制御回路９での制御の下に、実際に電圧がアクチュエータ１６に印加されて、アクチュエータ１６を変形させて、伝搬媒質部３へ力を加えて音速を変化させるものである。以後、連続して音速制御を行う場合には、ステップＳ５２〜Ｓ５６を繰り返せばよい。
【０２０５】
伝搬媒質部３にシリカ乾燥ゲルなどを一例として用いた場合には、常に圧縮方向に圧力を印加して音速を変化するように設計することが望ましい。シリカ乾燥ゲルは圧縮方向の力には変形をし、その力が解除された時には再度元の形状に戻り、何度でも繰り返し力を受けて音速を変化させることができるのに対し、引っ張り方向の変形に対しては、比較的弱い力で破壊してしまい、伝搬媒質部３の音速を変化させることができなくなるためである。
【０２０６】
よって、伝搬媒質部３であるシリカ乾燥ゲル材料は、想定している使用温度領域の最も音速の遅い温度０℃に合わせた設計をして、この温度域において力を加えずに高感度な超音波の送受波が可能なように設計し、環境流体４の温度が上昇した場合には圧縮方向の力を伝搬媒質部３に加えて、角度θ１が変化しないように音速を調整する方法が望ましい。
【０２０７】
本第４実施形態では、伝搬媒質部３の一例として乾燥ゲルを用いた例を説明したが、環境流体４との関係において（数２）を満たす材料から伝搬媒質部３が構成されていればよく、乾燥ゲルに材料が限定されるものではない。
【０２０８】
また、図８Ａでは伝搬媒質部の一組の対向する面にのみアクチュエータ１６を設けたが、それと直交する面に対してアクチュエータ１６を設けても良い。この場合には一つのアクチュエータ１６の場合に比較して、更に大きな圧力を伝搬媒質部３に印加することが可能であるため、低電圧で所望の制御を行うことができ、低コスト化が図れるか、あるいは同じアクチュエータ１６を用いても、より広い温度範囲における適応可能な超音波送受波器１Ｃを構成することができる。
【０２０９】
［第５実施形態］
図９Ａ〜図９Ｄを参照して、本発明の第５実施形態の超音波送受波器１Ｄを説明する。本第５実施形態の超音波送受波器１Ｄは、図９Ａに示すように超音波振動子２の送受波面が１つの凸面型の曲面、あるいは図９Ｂのように１つの凹面型の曲面をしていることに特徴がある。これ以外は第１〜４実施形態と同様の構成、及び動作であり、制御回路９などの構成は図示を省略している。
【０２１０】
本第５実施形態における超音波振動子２は、その形状効果により単一の超音波振動子２で複数の方向へ超音波５を送受波することができる。このため、環境流体４の温度が変化して、送受波感度の大きくなる角度θ１が変化しても、超音波振動子２から送波された超音波５の、少なくとも一部分の超音波５は最適な角度θ１を満たして常に透過されるため、環境流体４の温度変化に対して、安定した超音波５の送受波を行うことのできる超音波送受波器１Ｄとなる。
【０２１１】
本第５実施形態においても、超音波振動子２の１つの凸面型あるいは１つの凹面型の曲面形状は、今までの第１〜４実施形態で述べた条件における使用に対応しうるよう形成された場合について説明する。上述のように環境流体４の温度変化に応じた角度θ１の変化、すなわち約４°の範囲に対応できるように、圧電体の形状が規定されている。
【０２１２】
より具体的には、超音波５の放射面、すなわち図９Ａ，図９Ｂにおいて第1表面領域３１となる超音波振動子２と伝搬媒質部３との界面の形状が、円の一部となるように形成されている。
【０２１３】
例えば図９Ａ，図９ＢにおけるＸ方向の伝搬媒質部３及び超音波振動子２の長さが２０ｍｍである場合には、超音波振動子２を形づける円の直径が幾何学的に計算でき、４°の角度に対応するための超音波振動子２の形状は、約２８６ｍｍの半径の円の一部となるように形成されることが計算できる。
【０２１４】
このとき、円の中心は図９Ａの場合には、超音波振動子２のＸ方向の中央からＹ方向に関して超音波振動子２の下側に２８６ｍｍ下方に位置し、図９Ｂの場合には、同様に超音波振動子２のＸ方向の中央から２８６ｍｍ上方に位置することとなる。
【０２１５】
本第５実施形態の超音波送受波器１は、以上で説明したサイズに限定されて形成される物でなく、適時、必要なサイズに設計、形成されるものである。
【０２１６】
図９Ａ，図９Ｂに示した超音波送受波器１の伝搬媒質部３は、図９Ｃ，図９Ｄに示すように、更に、先の実施形態と同様に保護部１３で覆われていても良い。この場合には、先の実施形態と同様に低い強度の伝搬媒質部３を用いることができ、超音波送受波器１の設計範囲を広げることが可能になるほか、取り扱い性や長期信頼性、外部からの衝撃などに対する信頼性を向上させることができる。
【０２１７】
［第６実施形態］
図１０Ａ，図１０Ｂを参照して、本発明の第６実施形態の超音波送受波器１Ｅを説明する。本第６実施形態の超音波送受波器１Ｅは、伝搬媒質部３と環境流体４の界面である第２表面領域３２が図１０Ａに示すように１つの凸面型の曲面、あるいは図１０Ｂのように１つの凹面型の曲面をした伝搬媒質部３を有することに特徴がある。これ以外は第１〜４実施形態と同様の構成、及び動作であり、制御回路９などの構成は図示を省略している。
【０２１８】
第５実施形態と同様に、環境流体４の温度が変化して、送受波感度の大きくなる角度θ１が変化しても、少なくとも一部分の超音波５は常に透過率の大きな角度θ１を満たすため、環境変化に対して安定した超音波５の送受波を行うことのできる超音波送受波器１Ｅとなる。
【０２１９】
超音波振動子２の１つの凸面型あるいは凹面型の曲面形状は、第５実施形態と同様に環境流体４の温度変化に応じた角度θ１の変化、すなわち約４°の範囲に対応できるように形状づけられている。
【０２２０】
第２表面領域３２の具体的な曲面の形状は、第５実施形態の場合と同様の形状、すなわち図１０Ａ，図１０ＢにおけるＸ方向の超音波振動子２の長さが２０ｍｍの場合には次のようになる。
【０２２１】
すなわち、本第６実施形態では伝搬媒質部３の環境流体４との界面、すなわち第２表面領域３２が曲面となっており、図１０Ａ，図１０Ｂにおける超音波振動子２のＸ方向の中心からの超音波５が第２表面領域３２で角度θ１が３１°をなすように形成されているため、この３１°の角度をなす面の法線方向に、図１０Ａの場合には伝搬媒質部３側に約２８６ｍｍ離れた所に中心のある円弧の一部として、図１０Ｂの場合には環境流体４側に中心のある円弧の一部として形成されている。
【０２２２】
本第６実施形態の超音波送受波器１Ｅは、以上で説明したサイズに限定されて形成される物でなく、適時、必要なサイズに設計、形成されるものである。
【０２２３】
第５実施形態と同様に、超音波送受波器１Ｅの伝搬媒質部３は、図１０Ｃ，図１０Ｄに示すように保護部１３で覆われていても良い。この場合には、同様に低い強度の伝搬媒質部３を用いることができ、超音波送受波器１Ｅの設計範囲を広げることが可能になるほか、取り扱い性や長期信頼性、外部からの衝撃などに対する信頼性を向上させることができる。
【０２２４】
なお、上記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。
【産業上の利用可能性】
【０２２５】
本発明の超音波送受波器によれば、環境の変化（例えば−２０℃〜６０℃）に対して、安定に高感度に、かつ広い周波数にわたって送波、あるいは受波することができるため、安定して精度の高い超音波計測が可能となるものである。本発明の超音波送受波器の使用可能な具体的な用途としては、自動車の高精度バックソナー、屋外で働くロボットの制御（障害物検知など）、寒暖差の大きい屋外設置型の都市ガス用又はプロパンガス用のガス流量測定メータ、屋外に設置された配管径が大きな業務用ガス流量測定メータ（配管径が大きいと、超音波の減衰が大きいため、高感度が必要）、半導体プロセスなどの高精度な流量の制御のための流量メータ（感度が良いと分解能が上がるため、高精度測定が可能）などが挙げられる。
【図面の簡単な説明】
【０２２６】
【図１】本発明の第１実施形態における超音波送受波器の斜視図
【図２】本発明の第１実施形態における超音波送受波器の断面図
【図３Ａ】本発明の第１実施形態における斜め方向への超音波の送受波方法を説明する模式図
【図３Ｂ】本発明の第１実施形態における超音波の送受波方法を説明するフローチャート
【図４Ａ】本発明の第１実施形態における別形態の超音波送受波器の断面図
【図４Ｂ】本発明の第１実施形態における別形態の超音波送受波器の斜視図
【図４Ｃ】本発明の第１実施形態における別形態の超音波送受波器の斜視図
【図４Ｄ】本発明の第１実施形態における別形態の超音波送受波器の斜視図
【図５Ａ】本発明の第２実施形態における超音波送受波器の断面図
【図５Ｂ】本発明の第２実施形態における反射超音波を示す図
【図５Ｃ】本発明の第２実施形態における反射超音波を示す図
【図５Ｄ】本発明の第２実施形態における超音波の送受波方法を説明するフローチャート
【図６Ａ】本発明の第３実施形態における超音波送受波器の断面図
【図６Ｂ】本発明の第３実施形態における超音波送受波器の断面図
【図６Ｃ】本発明の第３実施形態における超音波の送受波方法を説明するフローチャート
【図７】本発明の第３実施形態における温度と角度θ１の関係を示すグラフ
【図８Ａ】本発明の第４実施形態における超音波送受波器の断面図
【図８Ｂ】本発明の第４実施形態における超音波送受波器の別形態の断面図
【図８Ｃ】本発明の第４実施形態における超音波送受波器の変形時の断面図
【図８Ｄ】本発明の第４実施形態における超音波送の送受波方法を説明するフローチャート
【図９Ａ】本発明の第５実施形態における超音波送受波器の断面図
【図９Ｂ】本発明の第５実施形態における超音波送受波器の断面図
【図９Ｃ】図９Ａの本発明の第５実施形態における超音波送受波器の別形態の断面図
【図９Ｄ】図９Ｂの本発明の第５実施形態における超音波送受波器の別形態の断面図
【図１０Ａ】本発明り第６実施形態における超音波送受波器の断面図
【図１０Ｂ】本発明り第６実施形態における超音波送受波器の断面図
【図１０Ｃ】図１０Ａの本発明の第６実施形態における超音波送受波器の別形態の断面図
【図１０Ｄ】図１０Ｂの本発明の第６実施形態における超音波送受波器の別形態の断面図
【図１１】特許文献１における従来の超音波送受波器の断面図
【図１２】特許文献１の超音波送受波器における超音波の角度θ１と環境流体温度に対する超音波反射率を示すグラフ
【図１３】特許文献１の超音波送受波器における超音波の角度θ２と環境流体温度に対する超音波反射率を示すグラフ
【符号の説明】
【０２２７】
１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ 超音波送受波器
２ 超音波振動子
３ 伝搬媒質部
３１ 第１表面領域
３２ 第２表面領域
４ 環境流体
５ 超音波
６ 信号線
７ 送受波回路
８ 温度検知部
９ 制御回路
１０ 充填材
１１ 背面負荷材
１２ 音響整合層
１３ 保護部
１４ 検知用振動子
１５ 温度調節部
１６ アクチュエータ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
環境流体で満たされた周囲の空間に対して超音波の送波又は受波を行う超音波送受波器であって、
少なくとも超音波振動子と、
前記超音波振動子と前記環境流体との間に充填されて、前記超音波の伝搬経路を形成する伝搬媒質部とを備えるとともに、
前記伝搬媒質部の密度ρ１、前記伝搬媒質部における音速Ｃ１、前記周囲空間を満たす前記環境流体の密度ρ２、前記環境流体における音速Ｃ２が、（ρ２／ρ１）＜（Ｃ１／Ｃ２）＜１の関係を満足する材料より前記伝搬媒質部を構成し、
前記超音波振動子は超音波の送波又は受波の指向性を制御する指向性制御部をさらに備える超音波送受波器。
【請求項２】
前記超音波振動子を複数備えるとともに、
前記指向性制御部は、送波の場合には、前記複数の超音波振動子のうちの隣り合う超音波振動子の駆動タイミングをずらし、受波の場合には、前記複数の超音波振動子のうちの隣り合う超音波振動子の受波信号の加算タイミングをずらすことにより、送波の場合及び受波の場合の超音波の波面の位相を制御することにより、前記超音波の送波又は受波の指向性を制御する請求項１に記載の超音波送受波器。
【請求項３】
前記環境流体の温度を測定する温度計をさらに備え、
前記指向性制御部は、前記温度計で測定された前記環境流体の温度の情報を基に、前記超音波の波面の位相を制御する請求項２に記載の超音波送受波器。
【請求項４】
前記伝搬媒質部と前記環境流体の界面で反射した超音波を受波する反射超音波受波装置をさらに備え、
前記指向性制御部は、前記伝搬媒質部と前記環境流体の界面で反射して前記反射超音波受波装置で受波された反射超音波の情報に基づいて前記超音波の波面の位相を制御する請求項２に記載の超音波送受波器。
【請求項５】
環境流体で満たされた周囲の空間に対して超音波の送波又は受波を行う超音波送受波器であって、
少なくとも超音波振動子と、
前記超音波振動子と前記環境流体との間に充填されて、前記超音波の伝搬経路を形成する伝搬媒質部とを備えるとともに、
前記伝搬媒質部の密度ρ１、前記伝搬媒質部における音速Ｃ１、前記周囲空間を満たす前記環境流体の密度ρ２、前記環境流体における音速Ｃ２が、（ρ２／ρ１）＜（Ｃ１／Ｃ２）＜１の関係を満足する材料より前記伝搬媒質部を構成し、
前記伝搬媒質部の音速を変化させる音速制御部をさらに備える超音波送受波器。
【請求項６】
前記音速制御部は、前記伝搬媒質部の温度を調整する温度調節部を備え、前記温度調節部により前記伝搬媒質部の温度を変化させて前記伝搬媒質部の音速を変化させる請求項５に記載の超音波送受波器。
【請求項７】
前記音速制御部は、前記伝搬媒質部を圧縮、又は伸張させるアクチュエータを備えて、前記アクチュエータにより前記伝搬媒質への加圧力又は伸張力の付与により前記伝搬媒質部の音速を変化させる請求項５に記載の超音波送受波器。
【請求項８】
前記アクチュエータは、前記伝搬媒質部の側面と接するように配置される請求項７に記載の超音波送受波器。
【請求項９】
前記環境流体の温度を測定する温度計をさらに備え、
前記音速制御部は、前記温度計により測定された前記環境流体の温度の情報に基づいて前記伝搬媒質部の音速を変化させる請求項５〜８のいずれか１つに記載の超音波送受波器。
【請求項１０】
前記伝搬媒質部と前記環境流体の界面で反射した超音波を受波する反射超音波受波装置をさらに備え、
前記音速制御部は、前記伝搬媒質部と前記環境流体との界面で反射して前記反射超音波受波装置で受波された反射超音波の情報に基づいて前記伝搬媒質部の音速を変化させる請求項５〜８のいずれか１つに記載の超音波送受波器。
【請求項１１】
環境流体で満たされた周囲の空間に対して超音波の送波又は受波を行う超音波送受波器であって、
少なくとも超音波振動子と、
前記超音波振動子と前記環境流体との間に充填されて、前記超音波の伝搬経路を形成する伝搬媒質部とを備えるとともに、
前記伝搬媒質部の密度ρ１、前記伝搬媒質部における音速Ｃ１、前記周囲空間を満たす前記環境流体の密度ρ２、前記環境流体における音速Ｃ２が、（ρ２／ρ１）＜（Ｃ１／Ｃ２）＜１の関係を満足する材料より前記伝搬媒質部を構成し、かつ、前記超音波振動子の超音波送受波面は凸面型又は凹面型の曲面である超音波送受波器。
【請求項１２】
環境流体で満たされた周囲の空間に対して超音波の送波又は受波を行う超音波送受波器であって、
少なくとも超音波振動子と、
前記超音波振動子と前記環境流体との間に充填されて、前記超音波の伝搬経路を形成する伝搬媒質部とを備えるとともに、
前記伝搬媒質部の密度ρ１、前記伝搬媒質部における音速Ｃ１、前記周囲空間を満たす前記環境流体の密度ρ２、前記環境流体における音速Ｃ２が、（ρ２／ρ１）＜（Ｃ１／Ｃ２）＜１の関係を満足する材料より前記伝搬媒質部を構成し、かつ、前記伝搬媒質部と前記環境流体の界面は凸面型又は凹面型の曲面である超音波送受波器。
【請求項１】
環境流体で満たされた周囲の空間に対して超音波の送波又は受波を行う超音波送受波器であって、
少なくとも超音波振動子と、
前記超音波振動子と前記環境流体との間に充填されて、前記超音波の伝搬経路を形成する伝搬媒質部とを備えるとともに、
前記伝搬媒質部の密度ρ１、前記伝搬媒質部における音速Ｃ１、前記周囲空間を満たす前記環境流体の密度ρ２、前記環境流体における音速Ｃ２が、（ρ２／ρ１）＜（Ｃ１／Ｃ２）＜１の関係を満足する材料より前記伝搬媒質部を構成し、
前記超音波振動子は超音波の送波又は受波の指向性を制御する指向性制御部をさらに備える超音波送受波器。
【請求項２】
前記超音波振動子を複数備えるとともに、
前記指向性制御部は、送波の場合には、前記複数の超音波振動子のうちの隣り合う超音波振動子の駆動タイミングをずらし、受波の場合には、前記複数の超音波振動子のうちの隣り合う超音波振動子の受波信号の加算タイミングをずらすことにより、送波の場合及び受波の場合の超音波の波面の位相を制御することにより、前記超音波の送波又は受波の指向性を制御する請求項１に記載の超音波送受波器。
【請求項３】
前記環境流体の温度を測定する温度計をさらに備え、
前記指向性制御部は、前記温度計で測定された前記環境流体の温度の情報を基に、前記超音波の波面の位相を制御する請求項２に記載の超音波送受波器。
【請求項４】
前記伝搬媒質部と前記環境流体の界面で反射した超音波を受波する反射超音波受波装置をさらに備え、
前記指向性制御部は、前記伝搬媒質部と前記環境流体の界面で反射して前記反射超音波受波装置で受波された反射超音波の情報に基づいて前記超音波の波面の位相を制御する請求項２に記載の超音波送受波器。
【請求項５】
環境流体で満たされた周囲の空間に対して超音波の送波又は受波を行う超音波送受波器であって、
少なくとも超音波振動子と、
前記超音波振動子と前記環境流体との間に充填されて、前記超音波の伝搬経路を形成する伝搬媒質部とを備えるとともに、
前記伝搬媒質部の密度ρ１、前記伝搬媒質部における音速Ｃ１、前記周囲空間を満たす前記環境流体の密度ρ２、前記環境流体における音速Ｃ２が、（ρ２／ρ１）＜（Ｃ１／Ｃ２）＜１の関係を満足する材料より前記伝搬媒質部を構成し、
前記伝搬媒質部の音速を変化させる音速制御部をさらに備える超音波送受波器。
【請求項６】
前記音速制御部は、前記伝搬媒質部の温度を調整する温度調節部を備え、前記温度調節部により前記伝搬媒質部の温度を変化させて前記伝搬媒質部の音速を変化させる請求項５に記載の超音波送受波器。
【請求項７】
前記音速制御部は、前記伝搬媒質部を圧縮、又は伸張させるアクチュエータを備えて、前記アクチュエータにより前記伝搬媒質への加圧力又は伸張力の付与により前記伝搬媒質部の音速を変化させる請求項５に記載の超音波送受波器。
【請求項８】
前記アクチュエータは、前記伝搬媒質部の側面と接するように配置される請求項７に記載の超音波送受波器。
【請求項９】
前記環境流体の温度を測定する温度計をさらに備え、
前記音速制御部は、前記温度計により測定された前記環境流体の温度の情報に基づいて前記伝搬媒質部の音速を変化させる請求項５〜８のいずれか１つに記載の超音波送受波器。
【請求項１０】
前記伝搬媒質部と前記環境流体の界面で反射した超音波を受波する反射超音波受波装置をさらに備え、
前記音速制御部は、前記伝搬媒質部と前記環境流体との界面で反射して前記反射超音波受波装置で受波された反射超音波の情報に基づいて前記伝搬媒質部の音速を変化させる請求項５〜８のいずれか１つに記載の超音波送受波器。
【請求項１１】
環境流体で満たされた周囲の空間に対して超音波の送波又は受波を行う超音波送受波器であって、
少なくとも超音波振動子と、
前記超音波振動子と前記環境流体との間に充填されて、前記超音波の伝搬経路を形成する伝搬媒質部とを備えるとともに、
前記伝搬媒質部の密度ρ１、前記伝搬媒質部における音速Ｃ１、前記周囲空間を満たす前記環境流体の密度ρ２、前記環境流体における音速Ｃ２が、（ρ２／ρ１）＜（Ｃ１／Ｃ２）＜１の関係を満足する材料より前記伝搬媒質部を構成し、かつ、前記超音波振動子の超音波送受波面は凸面型又は凹面型の曲面である超音波送受波器。
【請求項１２】
環境流体で満たされた周囲の空間に対して超音波の送波又は受波を行う超音波送受波器であって、
少なくとも超音波振動子と、
前記超音波振動子と前記環境流体との間に充填されて、前記超音波の伝搬経路を形成する伝搬媒質部とを備えるとともに、
前記伝搬媒質部の密度ρ１、前記伝搬媒質部における音速Ｃ１、前記周囲空間を満たす前記環境流体の密度ρ２、前記環境流体における音速Ｃ２が、（ρ２／ρ１）＜（Ｃ１／Ｃ２）＜１の関係を満足する材料より前記伝搬媒質部を構成し、かつ、前記伝搬媒質部と前記環境流体の界面は凸面型又は凹面型の曲面である超音波送受波器。
【図１】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図４Ｃ】
【図４Ｄ】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図５Ｃ】
【図５Ｄ】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図６Ｃ】
【図７】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図８Ｃ】
【図８Ｄ】
【図９Ａ】
【図９Ｂ】
【図９Ｃ】
【図９Ｄ】
【図１０Ａ】
【図１０Ｂ】
【図１０Ｃ】
【図１０Ｄ】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図４Ｃ】
【図４Ｄ】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図５Ｃ】
【図５Ｄ】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図６Ｃ】
【図７】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図８Ｃ】
【図８Ｄ】
【図９Ａ】
【図９Ｂ】
【図９Ｃ】
【図９Ｄ】
【図１０Ａ】
【図１０Ｂ】
【図１０Ｃ】
【図１０Ｄ】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２００７−６７５００（Ｐ２００７−６７５００Ａ）
【公開日】平成１９年３月１５日（２００７．３．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２４７４１２（Ｐ２００５−２４７４１２）
【出願日】平成１７年８月２９日（２００５．８．２９）
【出願人】（０００００５８２１）松下電器産業株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年３月１５日（２００７．３．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年８月２９日（２００５．８．２９）
【出願人】（０００００５８２１）松下電器産業株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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