超声波接收机的制作方法

专利名称：超声波接收机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种进行超声波的接收的超声波接收机，尤其涉及可高灵 敏度地检测出准确的超声波的超声波接收机。
背景技术：
因为超声波能够在气体、液体及固体等各种介质中传播，所以被利用 到计测、物理性质测量、工程学、医学、生物学等各个领域。
超声波在不同介质的界面中的传播难易度以声阻抗比来进行表示，一 般情况下，在气体和固体等声阻抗存在巨大差异的介质的界面上，在介质 中传播的超声波几乎全部被反射，从而不能使超声波向不同介质高效率地 传播。
在超声波的检测中广泛应用了超声波振动器，超声波振动器由陶瓷等 压电体构成。因此，在利用超声波振动器来检测传播到气体的超声波时， 传来的超声波的大部分在超声波振动器的表面发射，在超声波振动器中仅 能检测一部分超声波。其结果是一般情况下难以高灵敏度地检测超声波。 在从超声波振动器向气体中发送超声波时也同样由于反射而产生效率的 降低。因此特别在距离或流量的计测、物体的探测等中使用超声波时，高 灵敏度地检测超声波为重要的课题之一。
为了解决此课题，例如专利文献1公开了在气体中利用超声波的折射 可高效率地在宽频带中收发超声波的超声波收发机主体。以下对该超声波 收发机主体进行说明。
如图8所示，该现有的超声波收发机主体101具有超声波振动器2和 在超声波振动器的波接受面上设置的传播介质部3。超声波收发机101的 四周存在充满周围空间的流体4例如空气。将超声波振动器2和传播介质 部3的界面作为第一表面区域31，将传播介质部3和流体4的界面作为第 二表面区域32。另外，将第一表面区域31和第二表面区域32所构成的角
度设为e 1，将第二表面区域32的法线和超声波的方向所构成的角度设为
6 2。如图8所示地设定XYZ方向。
在发送超声波的情况下，由未图示的驱动电路对超声波振动器2授予 电信号，并通过超声波振动器2振动来发生超声波。利用超声波振动器2 发生的超声波从第一表面区域31向第二表面区域32传播介质部3以Y轴 正方向传播去。然后，到达了第二表面区域32的超声波按照折射定律来 改变传播方向，朝着超声波传播路径5的方向向流体4传播。
在接收超声波的情况下，与发送的情况相反，传播到周围空间的流体 4的超声波到达第二表面区域32，折射后穿透传播介质部3。此外，还朝 着Y轴的负方向在传播介质部3的内部传播，并到达超声波振动器2。到 达了超声波振动器2的超声波使超声波振动器2的压电体变形，由此在电 极间产生电位差，通过未图示的波接受电路来进行检测。
这样，超声波在传播介质部3和流体4的界面上发生折射。因此，将 这样的形态的超声波收发机主体特别称为"斜传播型超声波收发机主体"。 超声波收发机主体101即使在流体4为空气等声阻抗(材质的声速X材质 的密度)极小的介质时，超声波也能从流体4向传播介质部3高效率地射 入、或者从传播介质部3向流体4高效率地射出。
当将在超声波的传播介质部3以及流体4中的声速分别设为Cl、 C2， 将传播介质部3以及流体4的密度分别设为P 1、 P 2时，在第二表面区域 32和流体4的界面上的超声波的反射率R利用以下公式(1)进行表示。 <formula>formula see original document page 5</formula>这里，在C1、 C2、 Pl、 P2满足以下公式(2)时，公式(1)的分 子为零的ei、 6 2必定存在。g卩，发射率为零。 [公式2]<formula>formula see original document page 5</formula>ei、 02满足公式G)(斯内尔定律)。[公式3] <formula>formula see original document page 6</formula>
因此，当使用公式(3)，对ei整理反射率R为零的条件时，成为公
式(4)。
<formula>formula see original document page 6</formula> (4)
艮P，如专利文献1所示，在斜传播型超声波收发机主体中满足公式(2) 的情况下，存在可使第二表面区域32中的超声波的穿透效率几乎为1的 方向(角度9 1)。此时的第一表面区域31以及第二表面区域32所构成的 角度e 1利用公式(4)来表示。公式(1)以及(4)不太依存于传播的超 声波的频率。由此实现可高效率且宽频带地发送以及接收超声波的斜传播 型超声波收发机主体101。
专利文献1:美国专利申请公开第2005/0139013号说明书
专利文献2: JP实开昭58_ 195884号公报
专利文献3: JP特开平5—292598号公报
根据专利文献1，为了使斜传播型超声波收发机主体101高效率地接 收超声波，需要满足公式(2)，在流体4中传播的超声波需要相对于第二 表面区域32的法线以9 2角度进行射入。
因此如图9所示，例如，即使超声波在流体4的L2+L3+L4的范围 内传播，也仅有在L3范围内传播的超声波到达第二表面区域32，在L2、 L4范围内传播的超声波不到达第二表面区域32。艮口，在L2+L3+L4的 范围内传播的超声波中仅有在L3范围内传播的超声波在斜传播型超声波 收发机主体101中被接收。
另夕卜，传播到流体4的L3范围的超声波透过第二表面区域32，被L1 范围的超声波振动器2检测出来。此时，因为L1远远大于L3 (L3 L1)， 所以在斜传播型超声波收发机主体101中接收的超声波在第二表面区域
32扩散后到达超声波振动器2。因此在通过斜传播型超声波收发机主体 101的超声波振动器2来接收超声波时其能量密度降低。其结果是存在斜 传播型超声波收发机主体101的接收灵敏度低的课题。
这样的课题是在从相对于超声波的接收面不垂直的方向接收超声波 的超声波接收机中共存的课题。本发明的目的是解决这样的现有技术的课 题，提供一种能够以高灵敏度来接收超声波的超声波接收机。

发明内容
本发明的超声波接收机，具备第一喇叭，其包含在两端具有作为超 声波的射入端的第一大开口部以及作为射出端的第一小开口部的第一空 间；第二喇叭，其包含在两端具有作为所述超声波的射入端的第二小开口 部以及作为射出端的第二大开口部的第二空间，并被配置为所述第一喇叭 的第一小开口部和所述第二喇叭的第二小开口部对置、且在所述第一喇叭 中传播的超声波的第一传播方向和在所述第二喇叭中传播的超声波的第 二传播方向一致；以及至少一个超声波接收机主体，其被设置在所述第一 喇叭的第一小开口部和所述第二喇叭的第二小开口部之间，具有相对于所 述第一传播方向平行的表面，并通过从所述平面射入在所述第一喇叭中传 播过的所述超声波来检测所述超声波，在所述第一喇叭中，相对于所述超 声波传播的空间的所述第一传播方向垂直的截面积，从所述第一大开口部 向所述第一小开口部变小，在所述第二喇叭中，相对于所述超声波传播的 空间的所述第二传播方向垂直的截面积，从所述第二小开口部向所述第二 大开口部变大。
在某优选的实施方式中，形成有从所述第一喇叭的第大一开口部贯穿 到所述第二喇叭的第二大开口部的空间。
在某优选的实施方式中，所述第一喇叭中的相对于所述超声波传播的 空间的所述第一传播方向垂直的截面积，在从所述第一大开口部向所述第 一小开口部的传播方向指数函数地减小。
在某优选的实施方式中，所述第二喇叭中的相对于所述超声波传播的 空间的所述第二传播方向垂直的截面积，在从所述第二小开口部向所述第
二大开口部的传播方向指数函数地增大。
在某优选的实施方式中，所述超声波接收机主体具有包含波接受面 的超声波振动器；和包含第一以及第二表面区域的传播介质部，所述传播 介质部的第一表面区域与所述超声波振动器的波接受面接合，所述传播介 质部的第一表面区域构成所述表面。
在某优选的实施方式中，在将所述传播介质部以及充满周围空间的流 体的密度设为Pi、 P2，将所述传播介质部以及充满所述周围空间的流体 中的声速设为Q、 C2时，满足如下的关系(P2/P。 < (d/C2) <1。
在某优选的实施方式中，所述传播介质部由无机材料或有机高分子材 料的干燥凝胶形成。
本发明的超声波接收机具备第一喇叭，其具有作为超声波的射入端 的第一大开口部以及作为射出端的第一小开口部；至少一个超声波接收机 主体，其被设置为与所述第一小开口部邻接，具有相对于在所述第一喇叭 中传播的超声波的第一传播方向平行的表面，并通过从所述平面射入在所 述第一喇叭中传播过的所述超声波来检测所述超声波；以及声阻抗转换
器，其为了使充满周围空间的流体的声阻抗缓缓变化而保持所述流体，并 被配置为利用所述第一喇叭和所述声阻抗转换器来夹住所述超声波接收 机主体，在所述第一喇叭中，相对于所述第一传播方向垂直的所属第一空 间的截面积，从所述第一小开口部向所述第一大开口部变大。
根据本发明，利用第一喇叭来提高超声波的能量、并使超声波接收机 检测声压变高的超声波。另外，在检测中使用效率高的斜传播型超声波接 收机主体。此外，利用第二喇叭，不用使未由超声波接收机主体接收的超 声波发射就能向外部射出超声波。因此，通过本发明可实现能够高灵敏度、 高效率地进行准确的超声波检测的超声波接收机。


图1是表示本发明实施的超声波接收机的实施方式的立体图。
图2是图1所示的超声波接收机的XY剖面图。
图3是表示用于图1的超声波接收机的超声波接收机主体的立体图。
图4是表示构成图1所示的超声波接收机的一部分的一例的立体图。
图5是用于图1所示的超声波接收机的安装部件的立体图。
图6是表示使用图1的超声波接收机来检测出超声波时的结果的坐标图。
图7是表示本发明实施的超声波接收机的其他形态的剖面图。 图8是在专利文献1以及本实施方式中使用的超声波接收机主体的剖 面图。
图9是说明图8的超声波接收机主体的波接受面积的图。 图IO是表示现有的声波换能器的剖面图。 图11是用于说明本发明课题的超声波接收机的立体图。 图12是图11的超声波接收机的YZ剖面图。
图13是表示使用图11的超声波接收机来检测出超声波时的结果的坐 标图。
图14是用于说明本发明课题的其他超声波接收机的剖面图。 图15是表示使用图14的超声波接收机来检测出超声波时的结果的坐 标图。
符号说明-
l超声波接收机；2超声波振动器；3传播介质部；4流体；5超声波 传播路径；6喇叭；7第一喇叭；8第二喇叭；9会聚端；10连结部；11 超声波接收机主体；31第一表面区域；32第二表面区域；71第一小开口 部；72第一大开口部；81第二大开口部；82第二小开口部；101超声波 收发机主体；201具有一个喇叭的超声波接收机；202具有一个喇叭的超 声波接收机；
具体实施例方式
本发明人为了使从相对于超声波的接收面不垂直的方向接收超声波 的超声波接收机的波接受灵敏度提高，而研发出利用喇叭或者锥形物的超 声波接收机。
一直以来公知使用喇叭或者锥形物来提高超声波接收机所接收的超 声波的指向性、或者提高发送的超声波的指向性。例如专利文献2公开了 被安装在可无人驾驶的除草作业车中的超声波传感器。公开了该超声波传
感器具有针对行进方向前后开口的一对喇叭、和根据行进方向选择性地遮 蔽一对喇叭中的一个的终端部的遮蔽体。
另外，专利文献3如图10所示公开了具有通过精加工硅而形成的喇
叭的声波换能器1000。声波换能器1000具备基座1001、被基座1001 所支撑的压电体1003以及具有开口 1005的喇叭1002。喇叭1005用于提 高声波的指向性。另外，在基座1001上设有开口 1004，以使压电体1003
的振动变得容易。
在这些专利文献2以及3中，喇叭6用于提高指向性。可是喇叭6的 开口能大于超声波振动器2的波接受面，所以利用喇叭6可以提高超声波 的能量密度。因此，可认为利用使喇叭6和斜传播型超声波收发机主体101 组合的超声波接收机能够改善波接受灵敏度的低下。图11是表示本发明 人所研发的、在喇叭6上设有斜传播型超声波接收机主体11的超声波接 收机201的立体图，图12是图11的XY剖面图。
如图ll、 12所示，具有大开口部72的喇叭6的内空间的YZ截面积 随着向X轴的负方向前进而变小， 一对超声波接收机主体11与喇叭6内 空间的狭窄端部连接。 一对超声波接收机主体11，为了与在喇叭6内向X 轴方向传播的超声波的传播方向平行而配置有第二表面区域32，从第二表 面区域32接收超声波。如图12所示，由喇叭6和超声波接收机主体11 形成的空间的X轴方向的左端被密封。将该左端部分称为会聚端9。
从图12的X轴正方向侧传播来的超声波射入到喇叭6的大开口部72。 超声波朝着X轴的负方向传播至喇叭6内部。此时，利用喇叭6的形状效 果来会聚超声波，提高能量密度。
通过了喇叭6的超声波到达传播介质部3的表面。然后，如实线箭头 Al所示向传播介质部3传播已到达传播介质部3表面的超声波中的满足 与第二表面区域32构成的角度e 2的方向的超声波。已到达传播介质部3 的超声波向超声波振动器2传播，超声波振动器2将超声波转换为电信号。
可是，由于传播介质部3是有限大的，所以传播至喇叭6的超声波不 可能全部透过传播介质部3。如利用图12的虚线箭头A2作为一例所示， 产生未透过传播介质部3的超声波。
未透过传播介质部3的超声波通过会聚端9进行反射，并在喇叭6内
朝着X轴的正方向再次传播。通过会聚端9进行反射，朝着X轴的正方
向再次传播的超声波的一部分满足与第二表面区域32构成的角度9 2。
本来，不应该接收这样被反射的超声波，但是如虚线箭头A3所示在 超声波接收机主体11中接收该超声波。根据本发明人的研究明确了如下 的课题，在超声波接收机101中设有喇叭6时，发生使用超声波振动器2 能够检测出在该会聚端9进行反射的超声波的情况。
图13表示利用超声波接收机201接收到从图12中的超声波接收机 201的X轴正方向向负方向传播的100kHz、 4波的短脉冲群超声波(burst ultrasonic wave)的结果(在图12的B点上的声压的时间变化)。在图13 中，横轴表示时间，纵轴表示声压。如图13所示，首先，从喇叭6的大 开口射入，并检测向X轴负方向传播的超声波P，之后检测利用会聚端9 反射的超声波Q。本来，应该仅观测传播到流体4的超声波，不应该观测 超声波Q。在观测该超声波Q的期间，当紧接着超声波P发送来超声波时， 波接收信号重合，以致不能接收准确的超声波。
为了抑制在会聚端9的超声波的反射，可考虑在超声波接收机201中 开放会聚端9的情况。图14是表示开放了喇叭6的会聚端9的超声波接 收机202构造的剖面图。除了开放会聚端9以外，超声波接收机202具有 与图11以及图12的超声波接收机201相同的构造。
图15表示利用超声波接收机202接收到从图14中的超声波接收机 202的X轴正方向向负方向传播的100kHz、 4波的短脉冲群超声波的结果 (在图14的C点上的声压的时间变化)。在图15中，横轴表示时间，纵 轴表示声压。
如图15所示，首先，从喇叭6的大开口射入，并检测向X轴负方向 传播的超声波R，之后检测波形混乱的超声波S。这样可知在具有已开放 的会聚端9的超声波接收机202中接收了不需要的超声波，不能进行准确
本发明人对其原因进行了详细地研究，通过研究得知该原因是如图14 所示，处于喇叭6的会聚端9附近的狭小空间的流体4'和处于会聚端9外 侧的已开放的宽阔空间的流体4，由于周围空间的大小不同，因此流体的 声阻抗不同。其结果是认为声阻抗在会聚端9变得不连续，并产生反射。 本发明人根据这样的见解，在会聚端9中设有保持流体4的声阻抗转
换器以使声阻抗缓缓变化，由此实现了可抑制在会聚端9的不需要的反射
并能进行准确测量的超声波接收机。这样的课题是在相对于喇叭内传播的
超声波垂直地配置超声波振动器的专利文献2及3中所没有的。
以下， 一边参照附图一边对本发明的超声波接收机的实施方式进行说明。
图1是表示超声波接收机1的立体图。如图1所示设定XYZ方向。 图2表示图1中的YZ剖面图。
本发明可适当地应用于在各个领域中使用的超声波接收机中。 一般情 况下，超声波接收机也具有发送机的功能，所以本发明含有至少可接收超 声波的装置，并含有还可发送超声波的超声波收发机。不过在发送超声波 时，由于不发生上述会聚端中的超声波的反射，所以不产生具有声阻抗转 换器的效果。
如图1以及图2所示，超声波接收机1具有第一喇叭7、第二喇叭 8以及一对超声波接收机主体11。
第一喇叭7包含在两端具有作为超声波的射入端的第一大开口部72 以及作为射出端的第一小开口部71的第一空间73。第一大开口部72大于 第一小开口部71 。从第一大开口部72射入的超声波利用第一空间73来控 制传播方向。即，所谓第一喇叭7中的传播方向是第一空间73延伸的轴 方向。具体来说，超声波被控制为向箭头gl的方向传播。在第一喇叭7 中，相对于传播方向gl垂直的第一空间73的截面积al从第一大开口部 72向第一小开口部71逐渐縮小。由此，随着从第一大开口部72射入的超 声波如传播方向gl所示在第一空间73内传播，伴随着截面积的减小，超 声波的能量密度增高，声压变高。
更理想的是，规定第一空间73的第一喇叭7的内侧面沿着传播方向 gl具有曲面形状，以使截面积al相对于从第一大开口部72向第一小开口 部71的传播方向gl指数函数地减小。如图1所示，在本实施方式中第一 喇叭7的X方向的宽度是恒定的。此时，使Z方向的宽度相对于传播方向 gl指数函数地减小，由此截面积相对于传播方向gl指数函数地减小。
或者，第一喇叭7的X方向的宽度也可以从第一大开口部72向第一
小开口部71变小。例如，使第一喇叭7的X方向的宽度以及Z方向的宽 度相对于传播方向gl与V^成比例地减小，由此可将在第一喇叭7中的超 声波的反射抑制为最小，没有相位混乱地压縮超声波5，并提高声压。
第一喇叭7只要具有上述的第一空间73既可，对外形没有特别地限 制。例如，在可形成超声波吸收少且平滑的面的块形状的构造体上能够形 成第一空间73。在利用铝及树脂等板材来构成第一喇叭7时，其外形反映 了第一空间73。这种形状的第一喇叭7也被称为锥形物。
第二喇叭8包含在两端具有作为超声波的射入端的第二小开口部82 以及作为射出端的第二大开口部81的第二空间83。第二大开口部81大于 第二小开口部82。从第二小开口部82射入的超声波利用第二空间73来控 制传播方向。在第二喇叭8中的传播方向也是第二空间83延伸的轴方向。 具体来说，超声波被控制为向箭头g2的方向传播。在第二喇叭8中，相 对于传播方向g2垂直的第二空间83的截面积a2从第二小开口部82向第 二大开口部81逐渐变大。
由此，将第二空间83的截面积从第二小开口部82向第二大开口部81 缓缓增大，将第二空间83内的流体4'的声阻抗缓缓减小，可以使与处于 第二喇叭8外部的流体4的阻抗不匹配减小。其结果是，使以下说明的未 进入超声波接收机主体11的超声波向X轴的负方向透过，超声波不再次 进入传播介质部3。此时，第二空间83内的流体4'的声阻抗缓缓变化，所 以能够抑制由向X轴负方向传播的超声波的阻抗不匹配而导致的反射。
更理想的是，规定第二空间83的第二喇叭8的内侧面沿着传播方向 g2具有曲面形状，以使截面积a2相对于从第二小开口部82向第二大开口 部81的传播方向g2指数函数地增大。与第一喇叭7相同，在第二喇叭8 的X方向的宽度为恒定时，使Z方向的宽度相对于传播方向g2指数函数 地增大。或者，使第二喇叭8的X方向的宽度以及Z方向的宽度相对于传 播方向g2与^成比例地增大。由此可使截面积a2指数函数地增大。
第二喇叭8只要具有上述形状的第二空间83既可，对外形没有特别 地限制。可采用由铝及树脂等板材构成的喇叭或者锥形物。
第二喇叭8被配置为，第一喇叭7的第一小开口部71和第二喇叭8 的第二小开口部82对置，且在第一喇叭7的第一空间73中传播的超声波
的第一传播方向gl和在第二空间83中传播的超声波的第二传播方向g2一致。
理想的是第一喇叭7以及第二喇叭8由和流体4声阻抗显著不同的材 料构成。其原因是当超声波透过声阻抗时超声波的能量密度下降。在流体 4为空气的情况下，可使用固体材料、树脂等材料。在本实施方式中，第 一喇叭7以及第二喇叭8由铝构成。
对第一喇叭7的具体形状的一例进行说明。构成第一喇叭7的铝的厚 度例如是0.5mm。第一大开口部72具有Y方向以及Z方向的长度为17mm 的正方形状。此时，规定第一大开口部72的外形是Y方向以及Z方向的 长度都为18mm的正方形状。
第一小开口部71是Y方向具有1.7mm、 Z方向具有17mm长度的长 方形状。外侧是Y方向具有2.7mm、 Z方向具有18mm长度的长方形状。 另外，第一空间73的传播方向gl的长度为50mm。
第一空间73的传播方向gl的长度决定可会聚的超声波的最低频率。 因此能够会聚低于该长度的超声波。如果考虑其实用性，当在X方向上具 有50mm长度的情况下，第一喇叭7可会聚约lkHz以上的超声波。另一 方面，仅从使用上的便利性来看，第一喇叭7越短越好。可是如果过短则 容易在喇叭内部引起超声波的反射。因此，利用超声波接收机主体11不 能检测在第一空间73内传播的全部超声波。考虑到这些点，在本实施方 式中将第一空间73的传播方向gl的长度设定为50mm。
第二喇叭8也可同样地进行设计。例如，可以是与第一喇叭7相同的 形状。另外，在第一喇叭7和第二喇叭8中可以长度不同。
超声波接收机主体11可被设置在第一喇叭7的第一小开口部71和第 二喇叭8的第二小开口部82之间。为了确保设置超声波接收机主体11的 空间，最好利用第三喇叭12来连接第一喇叭7和第二喇叭8。第三喇叭 12包含在两端具有与第一喇叭7的第一小开口部71以及第二喇叭8的第 二小开口部82相同大小的开口的第三空间13。另夕卜，在第三空间13中传 播的超声波的传播方向位于与传播方向gl以及g2相同的直线上。利用第 三空间13来形成从第一喇叭7的第一大开口部72贯穿到第二喇叭8的第 二大开口部81的空间。具体来说，被配置为第一空间73与第二空间83 连续，并贯穿第一喇叭7、第三喇叭12以及第二喇叭8。这里，所谓贯穿
就是在第一空间73和第二空间83之间不存在遮蔽空间的物体等、能确保 第一空间73、第二空间83以及第三空间13。由于没有遮蔽物等，所以在 第一空间73中传播的超声波不改变其传播方向gl维持着直线性向第二空 间83传播。
一对超声波接收机主体11分别具有作为与传播方向gl平行的表面的 第二表面区域32，通过从第二表面区域32射入在第一空间73传播过的超 声波，来检测超声波。因此，超声波接收机主体11如图3所示具有超声 波振动器2以及传播介质部3。
超声波振动器2由压电体构成，其利用压电体来接收超声波。在压电 体中设有电极(未图示)，使用电极通过接收超声波来检测在压电体中产 生的电压。压电体最好由公知的具有压电性的材料构成，因为压电性能高 的材料能够提高超声波的接收频率。例如，最好是压电陶瓷、压电单晶体、 压电高分子等压电性高的材料。作为压电陶瓷可以使用锆钛酸铅、钛酸钡、 钛酸铅、铌酸铅等。另外，作为压电单晶体可以使用锆钛酸铅单晶体、铌 酸锂、水晶等。另外，取代压电体可以使用公知的电致伸縮体。在使用电 致伸縮体时，与压电体的情况相同最好使用电致伸縮效果大的材料，因为 电致伸縮效果大的材料可以提高波接受效率。作为电极可由公知的导电性 材料构成。最好是电阻抗低的一般的金属。在本实施方式中，压电体由锆 钛酸铅构成，电极由银构成。
在本实施方式中，超声波振动器2例如是厚度为lmm、面积为18 X 18mm的正方形状的板。厚度方向的两面设有电极，并在该方向上实施了 极化处理。
超声波振动器2的共振频率最好是充分高于利用超声波接收机1接收 的超声波的频率。因此，选择超声波振动器2的厚度，使其具有充分高于 接收的超声波频率的共振频率。例如，在使用压电陶瓷作为超声波振动器 2的情况下，公知在压电陶瓷的声速为3800m/s、厚度为1/2波长时引起强 烈的共振现象。因此具有lmm厚度的压电陶瓷的共振频率约为1.9MHz。 其充分高于作为正接收的超声波频率的约100kHz。在超声波振动器2的 共振频率与接收的超声波大致相等的情况下，在共振频率附近取得高的接
收灵敏度，但是在该共振频率以外不能取得高的接收灵敏度。另外，接收 灵敏度根据频率而大大不同。由于这样的原因，导致难以测量准确的超声 波。
传播介质部3取入传播到第一喇叭7的流体4中的超声波，进行使其
向超声波振动器2传播的工作。传播介质部3最好由内部损失小的材料构 成。如果内部损失大，则导致到达超声波振动器的超声波衰减、波接受灵 敏度下降。另外，传播介质部3最好相对于流体4满足上述的公式(2)。 在流体4为空气的情况下最好传播介质部3的密度是50kg/m3以上、声速 是300m/s以下。空气的密度以及声速是室温附近，分别为1.12kg/m3、 340m/s。在满足上述条件时，可将在传播介质部3和流体4的界面的反射 设为零。
本实施方式的传播介质部3由干燥凝胶构成。干燥凝胶具有数nm 数ixm左右的固体构架部，是在该固体构架部之间形成有平均细孔直径 lnm 数lim左右的范围的连续气孔的多孔质体。干燥凝胶在低密度的状 态下具有如下的性质，即，在固体部分中传播的声速变得极小，并且通过 细孔在多孔质体内的气体部分中传播的声速也变得极小。因此，干燥凝胶 在低密度的状态下示出500m/s以下的非常慢的声速，并具有极低的声阻 抗。
作为干燥凝胶的材料可使用无机材料、有机高分子材料等。作为无机 材料的固体构架部可使用氧化硅、氧化铝、氧化钛等。另外，作为有机高 分子材料的固体构架部可使用一般的热硬化树脂、热可塑树脂，例如可使 用聚亚安酯、聚脲、苯酚树脂、聚丙烯酰胺、聚甲基丙烯酸甲酯等。在本 实施方式中，传播介质部3由硅干燥凝胶构成。
硅干燥凝胶例如通过以下方法来制造。首先，制作混合了.四乙氧基甲 硅烷(以下简称为TEOS)、乙醇和氨水的溶液，并使其凝胶化，由此来制 作湿润凝胶。所谓湿润凝胶就是在干燥凝胶的空孔部分注满液体的状态的 凝胶。通过去除该湿润凝胶的液体部分而取得硅干燥凝胶。为了去除液体 部分使用超临界干燥法。所谓超临界干燥法就是利用液化二氧化碳置换湿 润凝胶的液体部分并通过在超临界状态的干燥来去除液体部分的方法。如 果从在构造体的空孔部分中含有液体的状态直接干燥溶剂，则在溶剂挥发时由于毛细管现象(capillarity)而产生大的力从而破坏了构架部分的构造。 为了防止此破坏，当使用不产生表面张力的超临界干燥法时，不破坏硅构 架部分就能取得硅干燥凝胶。硅干燥凝胶的密度可通过改变TEOS、乙醇、 氨水的溶液比率来进行调整。声速根据形成传播介质部3的材料的密度而 变化。在本实施方式中使用了作为满足公式(2)条件的密度250kg/cm3、 声速145m/s的硅干燥凝胶。
为了满足上述公式(4)，传播介质部3被设定为从流体4折射透过 了传播介质部3的第二表面区域32的超声波针对作为超声波振动器2的 波接受面的第一表面区域31垂直入射。由此，到达第一表面区域31的超 声波能够以相位一致的状态到达超声波振动器2的波接受面，并使在超声 波振动器2中产生的电压最高。利用这样的形状，使波接受灵敏度成为最 高。此时，如图8所示，第一表面区域31与第二表面区域32构成的角W 是24.5度，第二表面区域32的法线与超声波的传播方向构成的角度02 为约89度。
在本实施方式中，在图2所示的YX截面上，作为超声波振动器2的 波接受面的第一表面区域31的长度为18mm，传播介质部3的第二表面区 域32的长度为20mm。另外，连接第一表面区域31与第二表面区域32 的部分的长度，接近于第一喇叭7的一边、即长边为10.2mm，接近于第 二喇叭8的一边、即短边为2mm。 Z方向的长度与超声波振动器2相同是 18mm。这样的形状的传播介质部3可通过在由具有该形状的氟系列树脂 构成的模型中注入原料液并在凝胶化后取出来得到。
通过将形成的传播介质部3的第一表面区域31与超声波振动器2的 波接受面接合，可得到图3所示的超声波接收机主体11。在该接合中可使 用例如环氧类粘结剂。
超声波接收机1例如可通过以下方法来进行制作。 ^
首先，准备例如一体形成有第一喇叭7、第二喇叭8以及第三喇叭12 的、例如由铝组成的喇叭主体16。如图4所示，在第三喇叭12中，在XZ 平面上设有用于连接一对超声波接收机主体11的开口。与第三喇叭12的 YZ平面平行的两个面整体接合着第一喇叭7和第二喇叭8。
通过使第三喇叭12的开口部与传播介质部3的第二表面区域32位置
对齐，来在喇叭主体16上安装超声波接收机主体11。这里，对置的传播 介质部3的Y轴方向的间隔被设定成所接收的超声波波长的一半即 1.7mm。通过将该间隔设为超声波波长的一半，可以将在第三喇叭12中传 播的超声波作为接近于平面波的超声波，并可以防止第一喇叭7的超声波 混乱。另外，配置超声波接收机主体ll，使传播介质部3的YZ平面上的 长边成为第一喇叭7的一侧。
在位置对齐后，使用图5所示的连结部件10在XY平面上安装喇叭 主体16和超声波接收机主体11。各部件利用粘结剂来接合。在该接合中 可使用例如环氧类粘结剂。此外，在本实施方式中，将喇叭主体16整体 形成为铝加工件，不过也可以利用其他方法来形成喇叭主体16。另外，可 将第一喇叭7、第二喇叭8以及第三喇叭12分别形成为其他部件并进行接 合。这样地来制作超声波接收机l。
接着，参照图2对超声波接收机1的动作进行说明。应检测的超声波 5从作为超声波的射入端的第一大开口部72与传播方向gl平行地进行传 播，随着传播，声压被第一喇叭7提高。此外，图2箭头所示的超声波表 示从第一大开口部72射入的超声波的一部分，实际上，超声波从第一大 开口部72的整个面射入，并不会因规定第一空间73的侧面产生不需要的 反射，而会聚超声波。
超声波5在被会聚的同时在第一空间73中进行传播，并通过第一小 开口部71到达超声波接收机主体11的第二表面区域32。在到达第二表面 区域32的超声波之中，与第二表面区域32的法线构成的角度"满足公 式(3)、 (4)的方向的超声波"1是24.5度的情况、M是约89度)，如 实线箭头Al所示向传播介质部3传播。透过传播介质部3的超声波Al 到达超声波振动器2并转换为电信号。在该超声波接收机主体11中的超 声波检测是由上述的折射传播型超声波接收机进行的检测，所以可抑制超 声波接收机11中的反射，高效率地检测超声波。另外，会聚到达了第二 表面区域32的超声波，使声压提高。因此，超声波接收机主体ll能够以 高灵敏度来检测超声波。
另一方面，没有透过第二表面区域32的超声波A2从第二小幵口部 82向第二喇叭8的第二空间83传播，并在第二空间83内传播。此时，因
为第二空间83内的截面积缓缓扩大，所以第二空间83内的流体4'的声阻 抗缓缓变小。因此，由阻抗不匹配而导致的超声波A2的发射在第二空间 内不发生。
到达了第二大开口部81的超声波A2直接从第二大开口部81向外部 射出。此时，因为在第二大开口部81附近的第二空间83的截面积变大， 所以流体4，的声阻抗与外部声阻抗几乎一致。因此，在第二大开口部81 附近中，射出超声波A2，而没有产生由于阻抗的不匹配而导致的超声波 A2的反射。
因此，通过本发明的超声波接收机1，能够高灵敏度、高效率地检测 超声波。另外，由超声波接收机主体未检测出的超声波不会在端部等上反 射，不会再次被超声波接收机主体11检测出来。因此，能够准确地接收 或检测超声波。
这样，在本发明的超声波接收机l中，使用第二喇叭8，将超声波接 收机主体所未检测出的超声波从第二小开口部82取入，并从第二大开口 部83向外部射出。在使超声波从与超声波传播方向平行的面射入后进行 检测的结构中，由于产生了不用的反射波，所以需要这样的功能。因此， 本发明基于了与专利文献2所公开的具有用于接收来自两个方向的超声波 的两个喇叭的超声波传感器、以及专利文献3所公开的具有高指向性的喇 叭和为了容易地进行压电体振动而设置的基座的声波换能器完全不同的 构思。
图6表示使用超声波接收机1接收了来自X轴正方向的100kHz、 4 波的短脉冲群超声波的结果。在图6中横轴表示时间，纵轴表示图2的A 点位置中声压的时间变化。如从图6所知，仅检测出具有四个波峰的超声 波T，由反射产生的不需要超声波几乎没有检测出。由此可知，通过本发 明能够准确地接收或者检测超声波。
此外，在本实施方式中超声波接收机1具有一对超声波接收机主体11 。 可是，对超声波接收机主体11的数量没有特别地限制，例如，如图7所 示可实现具有一个超声波接收机主体11的超声波接收机。或者可实现具 有三个以上的超声波接收机主体11的超声波接收机。
此外，第二喇叭8的第二空间83的形状也不仅限定于上述的内容，
只要是根据传播方向g2使此时的第二空间83内的流体4'的声阻抗缓缓变 化的形状，就能够利用其他形状来规定第二空间83。
另外，第二喇叭的功能是可缓缓减小充满超声波接收机主体11附近 的狭小空间内的流体的声阻抗，并为了与处于完全开放的空间的流体的声 阻抗一致，而使流体4的声阻抗变化。这样的功能还可通过空间的截面积 变化以外的方法来实现。
因此，即使使用具有这种构造的声阻抗转换器来代替第二喇叭，也能 够实现本发明的超声波接收机。
产业上的可利用性
本发明的超声波接收机能够高灵敏度、且准确地接收超声波，适合用 于在距离测量、物体检测、流量计测、机器人控制等中使用的超声波接收 机等。
权利要求
1.一种超声波接收机，具备第一喇叭，其具有作为超声波的射入端的第一大开口部以及作为射出端的第一小开口部；第二喇叭，其具有作为所述超声波的射入端的第二小开口部以及作为射出端的第二大开口部，并被配置为所述第一喇叭的第一小开口部和所述第二波导部的第二小开口部对置，且在所述第一喇叭中传播的超声波的第一传播方向和在所述第二喇叭中传播的超声波的第二传播方向一致；以及至少一个超声波接收机主体，其被设置在所述第一喇叭的第一小开口部和所述第二喇叭的第二小开口部之间，具有相对于所述第一传播方向平行的表面，并通过从所述平面射入在所述第一喇叭中传播过的所述超声波来检测所述超声波，在所述第一喇叭中，相对于所述超声波传播的空间的所述第一传播方向垂直的截面积，从所述第一大开口部向所述第一小开口部变小，在所述第二喇叭中，相对于所述超声波传播的空间的所述第二传播方向垂直的截面积，从所述第二小开口部向所述第二大开口部变大。
2. 根据权利要求1所述的超声波接收机，其特征在于， 形成有从所述第一喇叭的第一大开口部贯穿到所述第二喇叭的大开口部的空间。
3. 根据权利要求2所述的超声波接收机，其特征在于， 在所述第一喇叭中，相对于所述超声波传播的空间的所述第一传播方向垂直的截面积，在从所述第一大开口部向所述第一小开口部的传播方向 指数函数地减小。
4. 根据权利要求3所述的超声波接收机，其特征在于， 在所述第二喇叭中，相对于所述超声波传播的空间的所述第二传播方向垂直的截面积，在从所述第二小开口部向所述第二大开口部的传播方向 指数函数地增大。
5. 根据权利要求4所述的超声波接收机，其特征在于， 所述超声波接收机主体具有包含波接受面的超声波振动器；和包含 第一以及第二表面区域的传播介质部，所述传播介质部的第一表面区域与所述超声波振动器的波接受面接 合，所述传播介质部的第一表面区域构成所述表面。
6. 根据权利要求5所述的超声波接收机，其特征在于， 在将所述传播介质部以及充满周围空间的流体的密度设为P b P 2，将所述传播介质部以及充满所述周围空间的流体中的声速设为Q、 C2时， 满足如下的关系<formula>formula see original document page 3</formula>
7. 根据权利要求6所述的超声波接收机，其特征在于， 所述传播介质部由无机材料或有机高分子材料的干燥凝胶形成。
8. —种超声波接收机，具备第一喇叭，其具有作为超声波的射入端的第一大开口部以及作为射出端的第一小开口部；至少一个超声波接收机主体，其被设置为与所述第一小开口部邻接， 具有相对于在所述第一喇叭中传播的超声波的第一传播方向平行的表面， 并通过从所述平面射入在所述第一喇叭中传播过的所述超声波来检测所 述超声波；以及声阻抗转换器，其为了使充满周围空间的流体的声阻抗缓缓变化而保 持所述流体，并被配置为利用所述第一喇叭和所述声阻抗转换器来夹住所 述超声波接收机主体，在所述第一喇叭中，相对于所述超声波传播的空间的所述第一传播方 向垂直的截面积，从所述第一小开口部向所述第一大开口部变大。
全文摘要
本发明的超声波接收机，具备第一喇叭，其具有作为超声波的射入端的第一大开口部以及作为射出端的第一小开口部；第二喇叭，其具有作为超声波的射入端的第二小开口部以及作为射出端的第二大开口部，并被配置为第一小开口部和第二小开口部对置、且第一喇叭和第二喇叭的超声波的传播方向一致；以及至少一个超声波接收机主体，其在第一小开口部和第二小开口部之间，具有相对于第一传播方向平行的表面，并通过让在第一喇叭终传播过的超声波从表面射入来检测超声波，相对于第一喇叭的传播方向垂直的截面积，从第一大开口部向第一小开口部变小，相对于第二喇叭的传播方向垂直的截面积，从第二小开口部向第二大开口部变大。
文档编号H04R1/30GK101356850SQ20078000126
公开日2009年1月28日 申请日期2007年5月10日 优先权日2006年5月11日
发明者杉之内刚彦, 桥本雅彦, 永原英知 申请人:松下电器产业株式会社