超聲波接收機的製作方法

2023-11-30 04:14:26

專利名稱：超聲波接收機的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種進行超聲波的接收的超聲波接收機，尤其涉及可高靈 敏度地檢測出準確的超聲波的超聲波接收機。
背景技術：
因為超聲波能夠在氣體、液體及固體等各種介質中傳播，所以被利用 到計測、物理性質測量、工程學、醫學、生物學等各個領域。
超聲波在不同介質的界面中的傳播難易度以聲阻抗比來進行表示，一 般情況下，在氣體和固體等聲阻抗存在巨大差異的介質的界面上，在介質 中傳播的超聲波幾乎全部被反射，從而不能使超聲波向不同介質高效率地 傳播。
在超聲波的檢測中廣泛應用了超聲波振動器，超聲波振動器由陶瓷等 壓電體構成。因此，在利用超聲波振動器來檢測傳播到氣體的超聲波時， 傳來的超聲波的大部分在超聲波振動器的表面發射，在超聲波振動器中僅 能檢測一部分超聲波。其結果是一般情況下難以高靈敏度地檢測超聲波。 在從超聲波振動器向氣體中發送超聲波時也同樣由於反射而產生效率的 降低。因此特別在距離或流量的計測、物體的探測等中使用超聲波時，高 靈敏度地檢測超聲波為重要的課題之一。
為了解決此課題，例如專利文獻1公開了在氣體中利用超聲波的折射 可高效率地在寬頻帶中收發超聲波的超聲波收發機主體。以下對該超聲波 收發機主體進行說明。
如圖8所示，該現有的超聲波收發機主體101具有超聲波振動器2和 在超聲波振動器的波接受面上設置的傳播介質部3。超聲波收發機101的 四周存在充滿周圍空間的流體4例如空氣。將超聲波振動器2和傳播介質 部3的界面作為第一表面區域31，將傳播介質部3和流體4的界面作為第 二表面區域32。另外，將第一表面區域31和第二表面區域32所構成的角
度設為e 1，將第二表面區域32的法線和超聲波的方向所構成的角度設為
6 2。如圖8所示地設定XYZ方向。
在發送超聲波的情況下，由未圖示的驅動電路對超聲波振動器2授予 電信號，並通過超聲波振動器2振動來發生超聲波。利用超聲波振動器2 發生的超聲波從第一表面區域31向第二表面區域32傳播介質部3以Y軸 正方向傳播去。然後，到達了第二表面區域32的超聲波按照折射定律來 改變傳播方向，朝著超聲波傳播路徑5的方向向流體4傳播。
在接收超聲波的情況下，與發送的情況相反，傳播到周圍空間的流體 4的超聲波到達第二表面區域32，折射後穿透傳播介質部3。此外，還朝 著Y軸的負方向在傳播介質部3的內部傳播，併到達超聲波振動器2。到 達了超聲波振動器2的超聲波使超聲波振動器2的壓電體變形，由此在電 極間產生電位差，通過未圖示的波接受電路來進行檢測。
這樣，超聲波在傳播介質部3和流體4的界面上發生折射。因此，將 這樣的形態的超聲波收發機主體特別稱為"斜傳播型超聲波收發機主體"。 超聲波收發機主體101即使在流體4為空氣等聲阻抗(材質的聲速X材質 的密度)極小的介質時，超聲波也能從流體4向傳播介質部3高效率地射 入、或者從傳播介質部3向流體4高效率地射出。
當將在超聲波的傳播介質部3以及流體4中的聲速分別設為Cl、 C2， 將傳播介質部3以及流體4的密度分別設為P 1、 P 2時，在第二表面區域 32和流體4的界面上的超聲波的反射率R利用以下公式(1)進行表示。 formula see original document page 5這裡，在C1、 C2、 Pl、 P2滿足以下公式(2)時，公式(1)的分 子為零的ei、 6 2必定存在。g卩，發射率為零。 [公式2]formula see original document page 5ei、 02滿足公式G)(斯內爾定律)。[公式3] formula see original document page 6
因此，當使用公式(3)，對ei整理反射率R為零的條件時，成為公
式(4)。
formula see original document page 6 (4)
艮P，如專利文獻1所示，在斜傳播型超聲波收發機主體中滿足公式(2) 的情況下，存在可使第二表面區域32中的超聲波的穿透效率幾乎為1的 方向(角度9 1)。此時的第一表面區域31以及第二表面區域32所構成的 角度e 1利用公式(4)來表示。公式(1)以及(4)不太依存於傳播的超 聲波的頻率。由此實現可高效率且寬頻帶地發送以及接收超聲波的斜傳播 型超聲波收發機主體101。
專利文獻1:美國專利申請公開第2005/0139013號說明書
專利文獻2: JP實開昭58_ 195884號公報
專利文獻3: JP特開平5—292598號公報
根據專利文獻1，為了使斜傳播型超聲波收發機主體101高效率地接 收超聲波，需要滿足公式(2)，在流體4中傳播的超聲波需要相對於第二 表面區域32的法線以9 2角度進行射入。
因此如圖9所示，例如，即使超聲波在流體4的L2+L3+L4的範圍 內傳播，也僅有在L3範圍內傳播的超聲波到達第二表面區域32，在L2、 L4範圍內傳播的超聲波不到達第二表面區域32。艮口，在L2+L3+L4的 範圍內傳播的超聲波中僅有在L3範圍內傳播的超聲波在斜傳播型超聲波 收發機主體101中被接收。
另夕卜，傳播到流體4的L3範圍的超聲波透過第二表面區域32，被L1 範圍的超聲波振動器2檢測出來。此時，因為L1遠遠大於L3 (L3 L1)， 所以在斜傳播型超聲波收發機主體101中接收的超聲波在第二表面區域
32擴散後到達超聲波振動器2。因此在通過斜傳播型超聲波收發機主體 101的超聲波振動器2來接收超聲波時其能量密度降低。其結果是存在斜 傳播型超聲波收發機主體101的接收靈敏度低的課題。
這樣的課題是在從相對於超聲波的接收面不垂直的方向接收超聲波 的超聲波接收機中共存的課題。本發明的目的是解決這樣的現有技術的課 題，提供一種能夠以高靈敏度來接收超聲波的超聲波接收機。

發明內容
本發明的超聲波接收機，具備第一喇叭，其包含在兩端具有作為超 聲波的射入端的第一大開口部以及作為射出端的第一小開口部的第一空 間；第二喇叭，其包含在兩端具有作為所述超聲波的射入端的第二小開口 部以及作為射出端的第二大開口部的第二空間，並被配置為所述第一喇叭 的第一小開口部和所述第二喇叭的第二小開口部對置、且在所述第一喇叭 中傳播的超聲波的第一傳播方向和在所述第二喇叭中傳播的超聲波的第 二傳播方向一致；以及至少一個超聲波接收機主體，其被設置在所述第一 喇叭的第一小開口部和所述第二喇叭的第二小開口部之間，具有相對於所 述第一傳播方向平行的表面，並通過從所述平面射入在所述第一喇叭中傳 播過的所述超聲波來檢測所述超聲波，在所述第一喇叭中，相對於所述超 聲波傳播的空間的所述第一傳播方向垂直的截面積，從所述第一大開口部 向所述第一小開口部變小，在所述第二喇叭中，相對於所述超聲波傳播的 空間的所述第二傳播方向垂直的截面積，從所述第二小開口部向所述第二 大開口部變大。
在某優選的實施方式中，形成有從所述第一喇叭的第大一開口部貫穿 到所述第二喇叭的第二大開口部的空間。
在某優選的實施方式中，所述第一喇叭中的相對於所述超聲波傳播的 空間的所述第一傳播方向垂直的截面積，在從所述第一大開口部向所述第 一小開口部的傳播方向指數函數地減小。
在某優選的實施方式中，所述第二喇叭中的相對於所述超聲波傳播的 空間的所述第二傳播方向垂直的截面積，在從所述第二小開口部向所述第
二大開口部的傳播方向指數函數地增大。
在某優選的實施方式中，所述超聲波接收機主體具有包含波接受面 的超聲波振動器；和包含第一以及第二表面區域的傳播介質部，所述傳播 介質部的第一表面區域與所述超聲波振動器的波接受面接合，所述傳播介 質部的第一表面區域構成所述表面。
在某優選的實施方式中，在將所述傳播介質部以及充滿周圍空間的流 體的密度設為Pi、 P2，將所述傳播介質部以及充滿所述周圍空間的流體 中的聲速設為Q、 C2時，滿足如下的關係(P2/P。 < (d/C2) <1。
在某優選的實施方式中，所述傳播介質部由無機材料或有機高分子材 料的乾燥凝膠形成。
本發明的超聲波接收機具備第一喇叭，其具有作為超聲波的射入端 的第一大開口部以及作為射出端的第一小開口部；至少一個超聲波接收機 主體，其被設置為與所述第一小開口部鄰接，具有相對於在所述第一喇叭 中傳播的超聲波的第一傳播方向平行的表面，並通過從所述平面射入在所 述第一喇叭中傳播過的所述超聲波來檢測所述超聲波；以及聲阻抗轉換
器，其為了使充滿周圍空間的流體的聲阻抗緩緩變化而保持所述流體，並 被配置為利用所述第一喇叭和所述聲阻抗轉換器來夾住所述超聲波接收 機主體，在所述第一喇叭中，相對於所述第一傳播方向垂直的所屬第一空 間的截面積，從所述第一小開口部向所述第一大開口部變大。
根據本發明，利用第一喇叭來提高超聲波的能量、並使超聲波接收機 檢測聲壓變高的超聲波。另外，在檢測中使用效率高的斜傳播型超聲波接 收機主體。此外，利用第二喇叭，不用使未由超聲波接收機主體接收的超 聲波發射就能向外部射出超聲波。因此，通過本發明可實現能夠高靈敏度、 高效率地進行準確的超聲波檢測的超聲波接收機。


圖1是表示本發明實施的超聲波接收機的實施方式的立體圖。
圖2是圖1所示的超聲波接收機的XY剖面圖。
圖3是表示用於圖1的超聲波接收機的超聲波接收機主體的立體圖。
圖4是表示構成圖1所示的超聲波接收機的一部分的一例的立體圖。
圖5是用於圖1所示的超聲波接收機的安裝部件的立體圖。
圖6是表示使用圖1的超聲波接收機來檢測出超聲波時的結果的坐標圖。
圖7是表示本發明實施的超聲波接收機的其他形態的剖面圖。 圖8是在專利文獻1以及本實施方式中使用的超聲波接收機主體的剖 面圖。
圖9是說明圖8的超聲波接收機主體的波接受面積的圖。 圖IO是表示現有的聲波換能器的剖面圖。 圖11是用於說明本發明課題的超聲波接收機的立體圖。 圖12是圖11的超聲波接收機的YZ剖面圖。
圖13是表示使用圖11的超聲波接收機來檢測出超聲波時的結果的坐 標圖。
圖14是用於說明本發明課題的其他超聲波接收機的剖面圖。 圖15是表示使用圖14的超聲波接收機來檢測出超聲波時的結果的坐 標圖。
符號說明-
l超聲波接收機；2超聲波振動器；3傳播介質部；4流體；5超聲波 傳播路徑；6喇叭；7第一喇叭；8第二喇叭；9會聚端；10連結部；11 超聲波接收機主體；31第一表面區域；32第二表面區域；71第一小開口 部；72第一大開口部；81第二大開口部；82第二小開口部；101超聲波 收發機主體；201具有一個喇叭的超聲波接收機；202具有一個喇叭的超 聲波接收機；
具體實施例方式
本發明人為了使從相對於超聲波的接收面不垂直的方向接收超聲波 的超聲波接收機的波接受靈敏度提高，而研發出利用喇叭或者錐形物的超 聲波接收機。
一直以來公知使用喇叭或者錐形物來提高超聲波接收機所接收的超 聲波的指向性、或者提高發送的超聲波的指向性。例如專利文獻2公開了 被安裝在可無人駕駛的除草作業車中的超聲波傳感器。公開了該超聲波傳
感器具有針對行進方向前後開口的一對喇叭、和根據行進方向選擇性地遮 蔽一對喇叭中的一個的終端部的遮蔽體。
另外，專利文獻3如圖10所示公開了具有通過精加工矽而形成的喇
叭的聲波換能器1000。聲波換能器1000具備基座1001、被基座1001 所支撐的壓電體1003以及具有開口 1005的喇叭1002。喇叭1005用於提 高聲波的指向性。另外，在基座1001上設有開口 1004，以使壓電體1003
的振動變得容易。
在這些專利文獻2以及3中，喇叭6用於提高指向性。可是喇叭6的 開口能大於超聲波振動器2的波接受面，所以利用喇叭6可以提高超聲波 的能量密度。因此，可認為利用使喇叭6和斜傳播型超聲波收發機主體101 組合的超聲波接收機能夠改善波接受靈敏度的低下。圖11是表示本發明 人所研發的、在喇叭6上設有斜傳播型超聲波接收機主體11的超聲波接 收機201的立體圖，圖12是圖11的XY剖面圖。
如圖ll、 12所示，具有大開口部72的喇叭6的內空間的YZ截面積 隨著向X軸的負方向前進而變小， 一對超聲波接收機主體11與喇叭6內 空間的狹窄端部連接。 一對超聲波接收機主體11，為了與在喇叭6內向X 軸方向傳播的超聲波的傳播方向平行而配置有第二表面區域32，從第二表 面區域32接收超聲波。如圖12所示，由喇叭6和超聲波接收機主體11 形成的空間的X軸方向的左端被密封。將該左端部分稱為會聚端9。
從圖12的X軸正方向側傳播來的超聲波射入到喇叭6的大開口部72。 超聲波朝著X軸的負方向傳播至喇叭6內部。此時，利用喇叭6的形狀效 果來會聚超聲波，提高能量密度。
通過了喇叭6的超聲波到達傳播介質部3的表面。然後，如實線箭頭 Al所示向傳播介質部3傳播已到達傳播介質部3表面的超聲波中的滿足 與第二表面區域32構成的角度e 2的方向的超聲波。已到達傳播介質部3 的超聲波向超聲波振動器2傳播，超聲波振動器2將超聲波轉換為電信號。
可是，由於傳播介質部3是有限大的，所以傳播至喇叭6的超聲波不 可能全部透過傳播介質部3。如利用圖12的虛線箭頭A2作為一例所示， 產生未透過傳播介質部3的超聲波。
未透過傳播介質部3的超聲波通過會聚端9進行反射，並在喇叭6內
朝著X軸的正方向再次傳播。通過會聚端9進行反射，朝著X軸的正方
向再次傳播的超聲波的一部分滿足與第二表面區域32構成的角度9 2。
本來，不應該接收這樣被反射的超聲波，但是如虛線箭頭A3所示在 超聲波接收機主體11中接收該超聲波。根據本發明人的研究明確了如下 的課題，在超聲波接收機101中設有喇叭6時，發生使用超聲波振動器2 能夠檢測出在該會聚端9進行反射的超聲波的情況。
圖13表示利用超聲波接收機201接收到從圖12中的超聲波接收機 201的X軸正方向向負方向傳播的100kHz、 4波的短脈衝群超聲波(burst ultrasonic wave)的結果(在圖12的B點上的聲壓的時間變化)。在圖13 中，橫軸表示時間，縱軸表示聲壓。如圖13所示，首先，從喇叭6的大 開口射入，並檢測向X軸負方向傳播的超聲波P，之後檢測利用會聚端9 反射的超聲波Q。本來，應該僅觀測傳播到流體4的超聲波，不應該觀測 超聲波Q。在觀測該超聲波Q的期間，當緊接著超聲波P發送來超聲波時， 波接收信號重合，以致不能接收準確的超聲波。
為了抑制在會聚端9的超聲波的反射，可考慮在超聲波接收機201中 開放會聚端9的情況。圖14是表示開放了喇叭6的會聚端9的超聲波接 收機202構造的剖面圖。除了開放會聚端9以外，超聲波接收機202具有 與圖11以及圖12的超聲波接收機201相同的構造。
圖15表示利用超聲波接收機202接收到從圖14中的超聲波接收機 202的X軸正方向向負方向傳播的100kHz、 4波的短脈衝群超聲波的結果 (在圖14的C點上的聲壓的時間變化)。在圖15中，橫軸表示時間，縱 軸表示聲壓。
如圖15所示，首先，從喇叭6的大開口射入，並檢測向X軸負方向 傳播的超聲波R，之後檢測波形混亂的超聲波S。這樣可知在具有已開放 的會聚端9的超聲波接收機202中接收了不需要的超聲波，不能進行準確
本發明人對其原因進行了詳細地研究，通過研究得知該原因是如圖14 所示，處於喇叭6的會聚端9附近的狹小空間的流體4'和處於會聚端9外 側的已開放的寬闊空間的流體4，由於周圍空間的大小不同，因此流體的 聲阻抗不同。其結果是認為聲阻抗在會聚端9變得不連續，並產生反射。 本發明人根據這樣的見解，在會聚端9中設有保持流體4的聲阻抗轉
換器以使聲阻抗緩緩變化，由此實現了可抑制在會聚端9的不需要的反射
並能進行準確測量的超聲波接收機。這樣的課題是在相對於喇叭內傳播的
超聲波垂直地配置超聲波振動器的專利文獻2及3中所沒有的。
以下， 一邊參照附圖一邊對本發明的超聲波接收機的實施方式進行說明。
圖1是表示超聲波接收機1的立體圖。如圖1所示設定XYZ方向。 圖2表示圖1中的YZ剖面圖。
本發明可適當地應用於在各個領域中使用的超聲波接收機中。 一般情 況下，超聲波接收機也具有發送機的功能，所以本發明含有至少可接收超 聲波的裝置，並含有還可發送超聲波的超聲波收發機。不過在發送超聲波 時，由於不發生上述會聚端中的超聲波的反射，所以不產生具有聲阻抗轉 換器的效果。
如圖1以及圖2所示，超聲波接收機1具有第一喇叭7、第二喇叭 8以及一對超聲波接收機主體11。
第一喇叭7包含在兩端具有作為超聲波的射入端的第一大開口部72 以及作為射出端的第一小開口部71的第一空間73。第一大開口部72大於 第一小開口部71 。從第一大開口部72射入的超聲波利用第一空間73來控 制傳播方向。即，所謂第一喇叭7中的傳播方向是第一空間73延伸的軸 方向。具體來說，超聲波被控制為向箭頭gl的方向傳播。在第一喇叭7 中，相對於傳播方向gl垂直的第一空間73的截面積al從第一大開口部 72向第一小開口部71逐漸縮小。由此，隨著從第一大開口部72射入的超 聲波如傳播方向gl所示在第一空間73內傳播，伴隨著截面積的減小，超 聲波的能量密度增高，聲壓變高。
更理想的是，規定第一空間73的第一喇叭7的內側面沿著傳播方向 gl具有曲面形狀，以使截面積al相對於從第一大開口部72向第一小開口 部71的傳播方向gl指數函數地減小。如圖1所示，在本實施方式中第一 喇叭7的X方向的寬度是恆定的。此時，使Z方向的寬度相對於傳播方向 gl指數函數地減小，由此截面積相對於傳播方向gl指數函數地減小。
或者，第一喇叭7的X方向的寬度也可以從第一大開口部72向第一
小開口部71變小。例如，使第一喇叭7的X方向的寬度以及Z方向的寬 度相對於傳播方向gl與V^成比例地減小，由此可將在第一喇叭7中的超 聲波的反射抑制為最小，沒有相位混亂地壓縮超聲波5，並提高聲壓。
第一喇叭7隻要具有上述的第一空間73既可，對外形沒有特別地限 制。例如，在可形成超聲波吸收少且平滑的面的塊形狀的構造體上能夠形 成第一空間73。在利用鋁及樹脂等板材來構成第一喇叭7時，其外形反映 了第一空間73。這種形狀的第一喇叭7也被稱為錐形物。
第二喇叭8包含在兩端具有作為超聲波的射入端的第二小開口部82 以及作為射出端的第二大開口部81的第二空間83。第二大開口部81大於 第二小開口部82。從第二小開口部82射入的超聲波利用第二空間73來控 制傳播方向。在第二喇叭8中的傳播方向也是第二空間83延伸的軸方向。 具體來說，超聲波被控制為向箭頭g2的方向傳播。在第二喇叭8中，相 對於傳播方向g2垂直的第二空間83的截面積a2從第二小開口部82向第 二大開口部81逐漸變大。
由此，將第二空間83的截面積從第二小開口部82向第二大開口部81 緩緩增大，將第二空間83內的流體4'的聲阻抗緩緩減小，可以使與處於 第二喇叭8外部的流體4的阻抗不匹配減小。其結果是，使以下說明的未 進入超聲波接收機主體11的超聲波向X軸的負方向透過，超聲波不再次 進入傳播介質部3。此時，第二空間83內的流體4'的聲阻抗緩緩變化，所 以能夠抑制由向X軸負方向傳播的超聲波的阻抗不匹配而導致的反射。
更理想的是，規定第二空間83的第二喇叭8的內側面沿著傳播方向 g2具有曲面形狀，以使截面積a2相對於從第二小開口部82向第二大開口 部81的傳播方向g2指數函數地增大。與第一喇叭7相同，在第二喇叭8 的X方向的寬度為恆定時，使Z方向的寬度相對於傳播方向g2指數函數 地增大。或者，使第二喇叭8的X方向的寬度以及Z方向的寬度相對於傳 播方向g2與^成比例地增大。由此可使截面積a2指數函數地增大。
第二喇叭8隻要具有上述形狀的第二空間83既可，對外形沒有特別 地限制。可採用由鋁及樹脂等板材構成的喇叭或者錐形物。
第二喇叭8被配置為，第一喇叭7的第一小開口部71和第二喇叭8 的第二小開口部82對置，且在第一喇叭7的第一空間73中傳播的超聲波
的第一傳播方向gl和在第二空間83中傳播的超聲波的第二傳播方向g2一致。
理想的是第一喇叭7以及第二喇叭8由和流體4聲阻抗顯著不同的材 料構成。其原因是當超聲波透過聲阻抗時超聲波的能量密度下降。在流體 4為空氣的情況下，可使用固體材料、樹脂等材料。在本實施方式中，第 一喇叭7以及第二喇叭8由鋁構成。
對第一喇叭7的具體形狀的一例進行說明。構成第一喇叭7的鋁的厚 度例如是0.5mm。第一大開口部72具有Y方向以及Z方向的長度為17mm 的正方形狀。此時，規定第一大開口部72的外形是Y方向以及Z方向的 長度都為18mm的正方形狀。
第一小開口部71是Y方向具有1.7mm、 Z方向具有17mm長度的長 方形狀。外側是Y方向具有2.7mm、 Z方向具有18mm長度的長方形狀。 另外，第一空間73的傳播方向gl的長度為50mm。
第一空間73的傳播方向gl的長度決定可會聚的超聲波的最低頻率。 因此能夠會聚低於該長度的超聲波。如果考慮其實用性，當在X方向上具 有50mm長度的情況下，第一喇叭7可會聚約lkHz以上的超聲波。另一 方面，僅從使用上的便利性來看，第一喇叭7越短越好。可是如果過短則 容易在喇叭內部引起超聲波的反射。因此，利用超聲波接收機主體11不 能檢測在第一空間73內傳播的全部超聲波。考慮到這些點，在本實施方 式中將第一空間73的傳播方向gl的長度設定為50mm。
第二喇叭8也可同樣地進行設計。例如，可以是與第一喇叭7相同的 形狀。另外，在第一喇叭7和第二喇叭8中可以長度不同。
超聲波接收機主體11可被設置在第一喇叭7的第一小開口部71和第 二喇叭8的第二小開口部82之間。為了確保設置超聲波接收機主體11的 空間，最好利用第三喇叭12來連接第一喇叭7和第二喇叭8。第三喇叭 12包含在兩端具有與第一喇叭7的第一小開口部71以及第二喇叭8的第 二小開口部82相同大小的開口的第三空間13。另夕卜，在第三空間13中傳 播的超聲波的傳播方向位於與傳播方向gl以及g2相同的直線上。利用第 三空間13來形成從第一喇叭7的第一大開口部72貫穿到第二喇叭8的第 二大開口部81的空間。具體來說，被配置為第一空間73與第二空間83 連續，並貫穿第一喇叭7、第三喇叭12以及第二喇叭8。這裡，所謂貫穿
就是在第一空間73和第二空間83之間不存在遮蔽空間的物體等、能確保 第一空間73、第二空間83以及第三空間13。由於沒有遮蔽物等，所以在 第一空間73中傳播的超聲波不改變其傳播方向gl維持著直線性向第二空 間83傳播。
一對超聲波接收機主體11分別具有作為與傳播方向gl平行的表面的 第二表面區域32，通過從第二表面區域32射入在第一空間73傳播過的超 聲波，來檢測超聲波。因此，超聲波接收機主體11如圖3所示具有超聲 波振動器2以及傳播介質部3。
超聲波振動器2由壓電體構成，其利用壓電體來接收超聲波。在壓電 體中設有電極(未圖示)，使用電極通過接收超聲波來檢測在壓電體中產 生的電壓。壓電體最好由公知的具有壓電性的材料構成，因為壓電性能高 的材料能夠提高超聲波的接收頻率。例如，最好是壓電陶瓷、壓電單晶體、 壓電高分子等壓電性高的材料。作為壓電陶瓷可以使用鋯鈦酸鉛、鈦酸鋇、 鈦酸鉛、鈮酸鉛等。另外，作為壓電單晶體可以使用鋯鈦酸鉛單晶體、鈮 酸鋰、水晶等。另外，取代壓電體可以使用公知的電致伸縮體。在使用電 致伸縮體時，與壓電體的情況相同最好使用電致伸縮效果大的材料，因為 電致伸縮效果大的材料可以提高波接受效率。作為電極可由公知的導電性 材料構成。最好是電阻抗低的一般的金屬。在本實施方式中，壓電體由鋯 鈦酸鉛構成，電極由銀構成。
在本實施方式中，超聲波振動器2例如是厚度為lmm、面積為18 X 18mm的正方形狀的板。厚度方向的兩面設有電極，並在該方向上實施了 極化處理。
超聲波振動器2的共振頻率最好是充分高於利用超聲波接收機1接收 的超聲波的頻率。因此，選擇超聲波振動器2的厚度，使其具有充分高於 接收的超聲波頻率的共振頻率。例如，在使用壓電陶瓷作為超聲波振動器 2的情況下，公知在壓電陶瓷的聲速為3800m/s、厚度為1/2波長時引起強 烈的共振現象。因此具有lmm厚度的壓電陶瓷的共振頻率約為1.9MHz。 其充分高於作為正接收的超聲波頻率的約100kHz。在超聲波振動器2的 共振頻率與接收的超聲波大致相等的情況下，在共振頻率附近取得高的接
收靈敏度，但是在該共振頻率以外不能取得高的接收靈敏度。另外，接收 靈敏度根據頻率而大大不同。由於這樣的原因，導致難以測量準確的超聲 波。
傳播介質部3取入傳播到第一喇叭7的流體4中的超聲波，進行使其
向超聲波振動器2傳播的工作。傳播介質部3最好由內部損失小的材料構 成。如果內部損失大，則導致到達超聲波振動器的超聲波衰減、波接受靈 敏度下降。另外，傳播介質部3最好相對於流體4滿足上述的公式(2)。 在流體4為空氣的情況下最好傳播介質部3的密度是50kg/m3以上、聲速 是300m/s以下。空氣的密度以及聲速是室溫附近，分別為1.12kg/m3、 340m/s。在滿足上述條件時，可將在傳播介質部3和流體4的界面的反射 設為零。
本實施方式的傳播介質部3由乾燥凝膠構成。乾燥凝膠具有數nm 數ixm左右的固體構架部，是在該固體構架部之間形成有平均細孔直徑 lnm 數lim左右的範圍的連續氣孔的多孔質體。乾燥凝膠在低密度的狀 態下具有如下的性質，即，在固體部分中傳播的聲速變得極小，並且通過 細孔在多孔質體內的氣體部分中傳播的聲速也變得極小。因此，乾燥凝膠 在低密度的狀態下示出500m/s以下的非常慢的聲速，並具有極低的聲阻 抗。
作為乾燥凝膠的材料可使用無機材料、有機高分子材料等。作為無機 材料的固體構架部可使用氧化矽、氧化鋁、氧化鈦等。另外，作為有機高 分子材料的固體構架部可使用一般的熱硬化樹脂、熱可塑樹脂，例如可使 用聚亞安酯、聚脲、苯酚樹脂、聚丙烯醯胺、聚甲基丙烯酸甲酯等。在本 實施方式中，傳播介質部3由矽乾燥凝膠構成。
矽乾燥凝膠例如通過以下方法來製造。首先，製作混合了.四乙氧基甲 矽烷(以下簡稱為TEOS)、乙醇和氨水的溶液，並使其凝膠化，由此來制 作溼潤凝膠。所謂溼潤凝膠就是在乾燥凝膠的空孔部分注滿液體的狀態的 凝膠。通過去除該溼潤凝膠的液體部分而取得矽乾燥凝膠。為了去除液體 部分使用超臨界乾燥法。所謂超臨界乾燥法就是利用液化二氧化碳置換溼 潤凝膠的液體部分並通過在超臨界狀態的乾燥來去除液體部分的方法。如 果從在構造體的空孔部分中含有液體的狀態直接乾燥溶劑，則在溶劑揮發時由於毛細管現象(capillarity)而產生大的力從而破壞了構架部分的構造。 為了防止此破壞，當使用不產生表面張力的超臨界乾燥法時，不破壞矽構 架部分就能取得矽乾燥凝膠。矽乾燥凝膠的密度可通過改變TEOS、乙醇、 氨水的溶液比率來進行調整。聲速根據形成傳播介質部3的材料的密度而 變化。在本實施方式中使用了作為滿足公式(2)條件的密度250kg/cm3、 聲速145m/s的矽乾燥凝膠。
為了滿足上述公式(4)，傳播介質部3被設定為從流體4折射透過 了傳播介質部3的第二表面區域32的超聲波針對作為超聲波振動器2的 波接受面的第一表面區域31垂直入射。由此，到達第一表面區域31的超 聲波能夠以相位一致的狀態到達超聲波振動器2的波接受面，並使在超聲 波振動器2中產生的電壓最高。利用這樣的形狀，使波接受靈敏度成為最 高。此時，如圖8所示，第一表面區域31與第二表面區域32構成的角W 是24.5度，第二表面區域32的法線與超聲波的傳播方向構成的角度02 為約89度。
在本實施方式中，在圖2所示的YX截面上，作為超聲波振動器2的 波接受面的第一表面區域31的長度為18mm，傳播介質部3的第二表面區 域32的長度為20mm。另外，連接第一表面區域31與第二表面區域32 的部分的長度，接近於第一喇叭7的一邊、即長邊為10.2mm，接近於第 二喇叭8的一邊、即短邊為2mm。 Z方向的長度與超聲波振動器2相同是 18mm。這樣的形狀的傳播介質部3可通過在由具有該形狀的氟系列樹脂 構成的模型中注入原料液並在凝膠化後取出來得到。
通過將形成的傳播介質部3的第一表面區域31與超聲波振動器2的 波接受面接合，可得到圖3所示的超聲波接收機主體11。在該接合中可使 用例如環氧類粘結劑。
超聲波接收機1例如可通過以下方法來進行製作。 ^
首先，準備例如一體形成有第一喇叭7、第二喇叭8以及第三喇叭12 的、例如由鋁組成的喇叭主體16。如圖4所示，在第三喇叭12中，在XZ 平面上設有用於連接一對超聲波接收機主體11的開口。與第三喇叭12的 YZ平面平行的兩個面整體接合著第一喇叭7和第二喇叭8。
通過使第三喇叭12的開口部與傳播介質部3的第二表面區域32位置
對齊，來在喇叭主體16上安裝超聲波接收機主體11。這裡，對置的傳播 介質部3的Y軸方向的間隔被設定成所接收的超聲波波長的一半即 1.7mm。通過將該間隔設為超聲波波長的一半，可以將在第三喇叭12中傳 播的超聲波作為接近於平面波的超聲波，並可以防止第一喇叭7的超聲波 混亂。另外，配置超聲波接收機主體ll，使傳播介質部3的YZ平面上的 長邊成為第一喇叭7的一側。
在位置對齊後，使用圖5所示的連結部件10在XY平面上安裝喇叭 主體16和超聲波接收機主體11。各部件利用粘結劑來接合。在該接合中 可使用例如環氧類粘結劑。此外，在本實施方式中，將喇叭主體16整體 形成為鋁加工件，不過也可以利用其他方法來形成喇叭主體16。另外，可 將第一喇叭7、第二喇叭8以及第三喇叭12分別形成為其他部件並進行接 合。這樣地來製作超聲波接收機l。
接著，參照圖2對超聲波接收機1的動作進行說明。應檢測的超聲波 5從作為超聲波的射入端的第一大開口部72與傳播方向gl平行地進行傳 播，隨著傳播，聲壓被第一喇叭7提高。此外，圖2箭頭所示的超聲波表 示從第一大開口部72射入的超聲波的一部分，實際上，超聲波從第一大 開口部72的整個面射入，並不會因規定第一空間73的側面產生不需要的 反射，而會聚超聲波。
超聲波5在被會聚的同時在第一空間73中進行傳播，並通過第一小 開口部71到達超聲波接收機主體11的第二表面區域32。在到達第二表面 區域32的超聲波之中，與第二表面區域32的法線構成的角度"滿足公 式(3)、 (4)的方向的超聲波"1是24.5度的情況、M是約89度)，如 實線箭頭Al所示向傳播介質部3傳播。透過傳播介質部3的超聲波Al 到達超聲波振動器2並轉換為電信號。在該超聲波接收機主體11中的超 聲波檢測是由上述的折射傳播型超聲波接收機進行的檢測，所以可抑制超 聲波接收機11中的反射，高效率地檢測超聲波。另外，會聚到達了第二 表面區域32的超聲波，使聲壓提高。因此，超聲波接收機主體ll能夠以 高靈敏度來檢測超聲波。
另一方面，沒有透過第二表面區域32的超聲波A2從第二小幵口部 82向第二喇叭8的第二空間83傳播，並在第二空間83內傳播。此時，因
為第二空間83內的截面積緩緩擴大，所以第二空間83內的流體4'的聲阻 抗緩緩變小。因此，由阻抗不匹配而導致的超聲波A2的發射在第二空間 內不發生。
到達了第二大開口部81的超聲波A2直接從第二大開口部81向外部 射出。此時，因為在第二大開口部81附近的第二空間83的截面積變大， 所以流體4，的聲阻抗與外部聲阻抗幾乎一致。因此，在第二大開口部81 附近中，射出超聲波A2，而沒有產生由於阻抗的不匹配而導致的超聲波 A2的反射。
因此，通過本發明的超聲波接收機1，能夠高靈敏度、高效率地檢測 超聲波。另外，由超聲波接收機主體未檢測出的超聲波不會在端部等上反 射，不會再次被超聲波接收機主體11檢測出來。因此，能夠準確地接收 或檢測超聲波。
這樣，在本發明的超聲波接收機l中，使用第二喇叭8，將超聲波接 收機主體所未檢測出的超聲波從第二小開口部82取入，並從第二大開口 部83向外部射出。在使超聲波從與超聲波傳播方向平行的面射入後進行 檢測的結構中，由於產生了不用的反射波，所以需要這樣的功能。因此， 本發明基於了與專利文獻2所公開的具有用於接收來自兩個方向的超聲波 的兩個喇叭的超聲波傳感器、以及專利文獻3所公開的具有高指向性的喇 叭和為了容易地進行壓電體振動而設置的基座的聲波換能器完全不同的 構思。
圖6表示使用超聲波接收機1接收了來自X軸正方向的100kHz、 4 波的短脈衝群超聲波的結果。在圖6中橫軸表示時間，縱軸表示圖2的A 點位置中聲壓的時間變化。如從圖6所知，僅檢測出具有四個波峰的超聲 波T，由反射產生的不需要超聲波幾乎沒有檢測出。由此可知，通過本發 明能夠準確地接收或者檢測超聲波。
此外，在本實施方式中超聲波接收機1具有一對超聲波接收機主體11 。 可是，對超聲波接收機主體11的數量沒有特別地限制，例如，如圖7所 示可實現具有一個超聲波接收機主體11的超聲波接收機。或者可實現具 有三個以上的超聲波接收機主體11的超聲波接收機。
此外，第二喇叭8的第二空間83的形狀也不僅限定於上述的內容，
只要是根據傳播方向g2使此時的第二空間83內的流體4'的聲阻抗緩緩變 化的形狀，就能夠利用其他形狀來規定第二空間83。
另外，第二喇叭的功能是可緩緩減小充滿超聲波接收機主體11附近 的狹小空間內的流體的聲阻抗，並為了與處於完全開放的空間的流體的聲 阻抗一致，而使流體4的聲阻抗變化。這樣的功能還可通過空間的截面積 變化以外的方法來實現。
因此，即使使用具有這種構造的聲阻抗轉換器來代替第二喇叭，也能 夠實現本發明的超聲波接收機。
產業上的可利用性
本發明的超聲波接收機能夠高靈敏度、且準確地接收超聲波，適合用 於在距離測量、物體檢測、流量計測、機器人控制等中使用的超聲波接收 機等。
權利要求
1.一種超聲波接收機，具備第一喇叭，其具有作為超聲波的射入端的第一大開口部以及作為射出端的第一小開口部；第二喇叭，其具有作為所述超聲波的射入端的第二小開口部以及作為射出端的第二大開口部，並被配置為所述第一喇叭的第一小開口部和所述第二波導部的第二小開口部對置，且在所述第一喇叭中傳播的超聲波的第一傳播方向和在所述第二喇叭中傳播的超聲波的第二傳播方向一致；以及至少一個超聲波接收機主體，其被設置在所述第一喇叭的第一小開口部和所述第二喇叭的第二小開口部之間，具有相對於所述第一傳播方向平行的表面，並通過從所述平面射入在所述第一喇叭中傳播過的所述超聲波來檢測所述超聲波，在所述第一喇叭中，相對於所述超聲波傳播的空間的所述第一傳播方向垂直的截面積，從所述第一大開口部向所述第一小開口部變小，在所述第二喇叭中，相對於所述超聲波傳播的空間的所述第二傳播方向垂直的截面積，從所述第二小開口部向所述第二大開口部變大。
2. 根據權利要求1所述的超聲波接收機，其特徵在於， 形成有從所述第一喇叭的第一大開口部貫穿到所述第二喇叭的大開口部的空間。
3. 根據權利要求2所述的超聲波接收機，其特徵在於， 在所述第一喇叭中，相對於所述超聲波傳播的空間的所述第一傳播方向垂直的截面積，在從所述第一大開口部向所述第一小開口部的傳播方向 指數函數地減小。
4. 根據權利要求3所述的超聲波接收機，其特徵在於， 在所述第二喇叭中，相對於所述超聲波傳播的空間的所述第二傳播方向垂直的截面積，在從所述第二小開口部向所述第二大開口部的傳播方向 指數函數地增大。
5. 根據權利要求4所述的超聲波接收機，其特徵在於， 所述超聲波接收機主體具有包含波接受面的超聲波振動器；和包含 第一以及第二表面區域的傳播介質部，所述傳播介質部的第一表面區域與所述超聲波振動器的波接受面接 合，所述傳播介質部的第一表面區域構成所述表面。
6. 根據權利要求5所述的超聲波接收機，其特徵在於， 在將所述傳播介質部以及充滿周圍空間的流體的密度設為P b P 2，將所述傳播介質部以及充滿所述周圍空間的流體中的聲速設為Q、 C2時， 滿足如下的關係formula see original document page 3
7. 根據權利要求6所述的超聲波接收機，其特徵在於， 所述傳播介質部由無機材料或有機高分子材料的乾燥凝膠形成。
8. —種超聲波接收機，具備第一喇叭，其具有作為超聲波的射入端的第一大開口部以及作為射出端的第一小開口部；至少一個超聲波接收機主體，其被設置為與所述第一小開口部鄰接， 具有相對於在所述第一喇叭中傳播的超聲波的第一傳播方向平行的表面， 並通過從所述平面射入在所述第一喇叭中傳播過的所述超聲波來檢測所 述超聲波；以及聲阻抗轉換器，其為了使充滿周圍空間的流體的聲阻抗緩緩變化而保 持所述流體，並被配置為利用所述第一喇叭和所述聲阻抗轉換器來夾住所 述超聲波接收機主體，在所述第一喇叭中，相對於所述超聲波傳播的空間的所述第一傳播方 向垂直的截面積，從所述第一小開口部向所述第一大開口部變大。
全文摘要
本發明的超聲波接收機，具備第一喇叭，其具有作為超聲波的射入端的第一大開口部以及作為射出端的第一小開口部；第二喇叭，其具有作為超聲波的射入端的第二小開口部以及作為射出端的第二大開口部，並被配置為第一小開口部和第二小開口部對置、且第一喇叭和第二喇叭的超聲波的傳播方向一致；以及至少一個超聲波接收機主體，其在第一小開口部和第二小開口部之間，具有相對於第一傳播方向平行的表面，並通過讓在第一喇叭終傳播過的超聲波從表面射入來檢測超聲波，相對於第一喇叭的傳播方向垂直的截面積，從第一大開口部向第一小開口部變小，相對於第二喇叭的傳播方向垂直的截面積，從第二小開口部向第二大開口部變大。
文檔編號H04R1/30GK101356850SQ20078000126
公開日2009年1月28日 申請日期2007年5月10日 優先權日2006年5月11日
發明者杉之內剛彥, 橋本雅彥, 永原英知 申請人:松下電器產業株式會社