JP3722827B2 - 超音波センサ - Google Patents

Description

【０００１】
（技術分野）
本発明は、超音波の送波又は受波を行う超音波センサ、詳しくは、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する。
【０００２】
（背景技術）
近年、超音波送受波器は、距離測定、物体検知、流量計測、ロボット制御などの広い分野で工業的に利用されている。
【０００３】
第１の超音波送受波器としては、例えば特公平６−１０１８８０号公報に記載されている超音波送受波器がある。以下、図１０を参照して従来の超音波送受波器の構成及び動作について説明する。
【０００４】
図１０は、第１の従来の超音波送受波器の断面図である。図１０において、１００は超音波送受波器、１０１は超音波振動子、１０２は音響整合層、１０３はハウジングを示している。
【０００５】
図１０の構成において、最初に送波時の動作について説明する。超音波振動子１０１は、信号線１０４を経由して、駆動回路（送信回路７０１）からの駆動信号が与えられ、一般的には超音波振動子１０１の共振周波数近傍の周波数で超音波振動を発生する。超音波振動子１０１において発生した超音波振動は、音響整合層１０２を経由して超音波送受波器の周囲の流体に送波される。音響整合層１０３は、周囲の流体の音響インピーダンスと超音波振動子１０１の音響インピーダンスの中間の音響インピーダンスを持つ材料で構成され、周囲の流体への送波効率を向上させる機能を有している。
【０００６】
超音波振動を発生する超音波振動子１０１は、典型的には圧電セラミックが用いられ、その音響インピーダンスは、例えば、３０×１０^６ｋｇ・ｍ^−２・ｓ^−１）程度である。周囲の流体が空気などの気体の場合、例えば空気の音響インピーダンスは４００ｋｇ・ｍ^−２・ｓ^−１）程度であり、音響整合層１０２の音響インピーダンスは０．１１×１０^６ｋｇ・ｍ^−２・ｓ^−１）程度に設定され、かつ厚みが想定された超音波の周波数における波長の１／４に設定されることが好ましい。
【０００７】
従来、圧電振動子及び空気の中間的な音響インピーダンスを持つ整合層を形成するため、密度が比較的小さな材料（例えばガラスバルーンやプラスチックバルーン）を樹脂で固めた材料が使用されている。
【０００８】
次に、超音波受波時の動作を説明する。周囲の流体中を伝搬して超音波送受波器１００に到達した超音波は、超音波送波時とは逆に音響整合層１０２を経由して超音波振動子１０１に伝えられる。超音波振動子１０１は、超音波による力学的作用を電気信号に変換し、信号線１０４を経由して、図示していない電気処理部へ信号が伝達される。
【０００９】
以上の超音波送受波器１００の送受信動作において、超音波の送受信は超音波振動子１０１と音響整合層１０２の積層方向、すなわち音響整合層１０２の垂線方向に行われる。
【００１０】
第２の従来の超音波送受波器としては、例えば、特開２０００−３０４５８１号公報に記載の超音波流量計において公開された超音波送受波器がある。以下、図１１を参照して従来の超音波送受波器の構成及び動作について説明する。
【００１１】
図１１は、第２の従来の超音波送受波器の断面図である。図１１において、１０４は第１音響整合層、１０５は第２音響整合層を示している。第１音響整合層１０４は、音速と密度の異なる材料板（１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ、・・・）を複数積層した構造であり、音速の大きな材料から順次小さい材料に積層されている。
【００１２】
以下、図１１の構成における超音波送受波器１００の動作を説明する。送波時には、図示されていない信号線によって印加された駆動信号により、超音波振動子１０１で発生した超音波は、第１音響整合層１０４（１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ、・・・）を伝搬し、第２音響整合層１０５に入射する。積層された第１音響整合層１０４の各層（１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ、・・・）を超音波が通過する時間は等しくなるよう設定されており、第１音響整合層１０４と第２音響整合層１０５の界面では超音波の波面が一致する。すなわち、第２音響整合層１０５内では、第１整合層１０４との界面の垂線方向に伝搬する。
【００１３】
第２音響整合層１０５内を伝搬した超音波は、第２音響整合層１０５と周囲の流体の界面との音速の違いにより屈折し、方向を変えて周囲の流体へ放射される。
【００１４】
受波時においては、送波時と逆の過程により、周囲の流体を伝搬して超音波送受波器１００に到達した超音波は、第２音響整合層１０５との界面で屈折して第２音響整合層１０５に入射し、第１音響整合層１０４を経由して超音波振動子１０１で電気信号に変換される。この場合には、送波方向から到達した音波が選択的に受波される。
【００１５】
第２の従来の超音波送受波器の場合には、屈折を利用して音波の方向を変えていることから超音波流量計に応用する際には、超音波送受波器を計測流路の壁に一体化させることができるため、計測対象の流体の流れの乱れを発生させない利点がある。
【００１６】
しかしながら、第１の従来の超音波送受波器のような低密度の整合層を用いても、圧電セラミックなどの超音波振動子から空気などの気体中に超音波を伝搬させる場合には、どうしても伝搬損失が生じ、送受波の効率が低下するという問題があった。超音波を固体から気体へ効率よく伝搬させることが難しい理由は、固体の音響インピーダンスに比べて気体の音響インピーダンスが格段に小さく、中間に整合層を介在させても界面で超音波の強い反射が生じてしまうためである。
【００１７】
さらに、上記の第２の従来の超音波送受波器に示す屈折を利用して超音波の偏向を行うタイプの超音波送受波器では、偏向角に伴う損失が加わり偏向角が大きくなると送受波効率が極端に低下して実質的に適用できないという問題があった。
【００１８】
従って、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、超音波の偏向が可能であり、かつ送受波の効率が高い高感度な超音波センサを提供することにある。
【００１９】
（発明の開示）
本発明は、上記目的を達成するため、以下のように構成している。
【００２１】
また、本発明による超音波センサは、流体で満たされた周囲空間に対して超音波の送信又は受信を行う超音波センサであって、
超音波振動子と、
上記超音波振動子と上記周囲空間との間に配置されて上記超音波の伝搬経路を形成する伝搬媒質部とを備え、
上記伝搬媒質部の密度ρ_１、上記伝搬媒質部における音速Ｃ_１、上記空間を満たす流体の密度ρ_２、及び上記空間を満たす流体における音速Ｃ_２が、（ρ_２／ρ_１）＜（Ｃ_１／Ｃ_２）＜１の関係を満足するように構成する。
【００２２】
また、本発明の超音波センサは、流体で満たされた周囲空間に対して超音波の送信又は受信を行う超音波送センサであって、
超音波振動子と、
上記超音波振動子と上記周囲空間との間に配置され、上記超音波の伝搬経路を形成する伝搬媒質部と、
上記伝搬媒質部に接して配置され上記超音波の伝搬経路を制御する反射体を備え、
上記伝搬媒質部の密度ρ_１、上記伝搬媒質部における音速Ｃ_１、上記空間を満たす流体の密度ρ_２、及び上記空間を満たす流体における音速Ｃ_２が、（ρ_２／ρ_１）＜（Ｃ_１／Ｃ_２）＜１の関係を満足するように構成する。
【００２３】
本発明によれば、被測定流体の流路を規定する内壁を有する流量測定部と、
上記流量測定部の内壁に囲まれた流路空間の外側に設けられ、超音波の送信又は受信を行う少なくとも１つの超音波振動子と、
上記超音波振動子と上記流路空間との間に配置され、上記超音波の伝搬経路を形成する伝搬媒質部と、
を備えた超音波流量計であって、
上記伝搬媒質部の密度ρ_１、上記伝搬媒質部における音速Ｃ_１、上記被測定流体の密度ρ_２、及び上記被測定流体における音速Ｃ_２が、（ρ_２／ρ_１）＜（Ｃ_１／Ｃ_２）＜１の関係を満足するように構成する超音波流量計を提供する。
【００２４】
本発明の第２６態様によれば、ガスの流路を規定する内壁を有する流量測定部と、
上記流量測定部の内壁に囲まれた流路空間の外側に設けられ、超音波の送信又は受信を行う一対の超音波振動子と、
上記一対の超音波振動子の各々と上記流路空間との間に配置され、上記超音波の伝搬経路を屈折させる一対の伝搬媒質部と、
を備え、
上記伝搬媒質部は、上記超音波振動子の超音波振動面に対向する第１表面領域と、上記流路空間に対向する第２表面領域とを有しており、
上記伝搬媒質部の第１表面領域は、上記流路空間内における上記ガスの流速方向に対して傾斜し、上記第２表面領域は、上記流路空間内における上記ガスの流速方向に対してほぼ平行である超音波流量計を提供する。
【００２６】
（発明を実施するための最良の形態）
本発明の記述を続ける前に、添付図面において同じ部品については同じ参照符号を付している。
【００２７】
以下、図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態を説明するが、その前に、本発明の様々な態様について説明する。
【００２８】
本発明の第１態様によれば、流体で満たされた周囲空間に対して超音波の送信又は受信を行う超音波センサであって、
超音波振動子と、
上記超音波振動子と上記周囲空間との間の空間に充填されて上記超音波の伝搬経路を形成する伝搬媒質部とを備える超音波センサを提供する。
【００２９】
本発明の第２態様によれば、流体で満たされた周囲空間に対して超音波の送信又は受信を行う超音波センサであって、
超音波振動子と、
上記超音波振動子と上記周囲空間との間に配置され、上記超音波の伝搬経路を形成する伝搬媒質部とを備え、
上記伝搬媒質部の密度ρ_１、上記伝搬媒質部における音速Ｃ_１、上記空間を満たす流体の密度ρ_２、及び上記空間を満たす流体における音速Ｃ_２が、（ρ_２／ρ_１）＜（Ｃ_１／Ｃ_２）＜１の関係を満足するように構成する超音波センサを提供する。
【００３０】
本発明の第３態様によれば、上記伝搬媒質部は、上記超音波振動子の超音波振動面に対向する第１表面領域と、上記周囲空間を満たす流れに対向する第２表面領域とを有しており、上記伝搬媒質部の上記第２表面領域は、上記第１表面領域に対して傾斜している第２の態様に記載の超音波センサを提供する。
【００３１】
本発明の第４態様によれば、流体で満たされた周囲空間に対して超音波の送信又は受信を行う超音波センサであって、
超音波振動子と、
上記超音波振動子と上記周囲空間との間に配置され、上記超音波の伝搬経路を形成する伝搬媒質部と、
上記伝搬媒質部に接して配置され上記超音波の伝搬経路を制御する反射体とを備え、
上記伝搬媒質部の密度ρ_１、上記伝搬媒質部における音速Ｃ_１、上記空間を満たす流体の密度ρ_２、及び上記空間を満たす流体における音速Ｃ_２が、（ρ_２／ρ_１）＜（Ｃ_１／Ｃ_２）＜１の関係を満足するように構成する超音波センサを提供する。
【００３２】
本発明の第５態様によれば、上記伝搬媒質部は、上記超音波振動子の超音波振動面に対向する第１表面領域と、上記周囲空間を満たす流れに対向する第２表面領域と、上記超音波の伝搬経路の上記第１表面領域と上記第２表面領域との間に配置され、上記反射体と接する少なくとも１つの第３表面領域を有しており、上記伝搬媒質部の上記第２表面領域は、上記第１表面領域及び上記第３表面領域のうち少なくとも１つの領域に対して傾斜している第４の態様に記載の超音波センサを提供する。
【００３３】
本発明の第６態様によれば、上記伝搬媒質部の密度ρ_１、上記伝搬媒質部と上記周囲空間を満たす流体との界面への超音波の入射角θ_１、上記周囲空間を満たす流体の密度ρ_２、及び、上記界面から上記周囲空間を満たす流体への上記超音波の進入角θ_２が、ρ_２／ρ_１＝ｃｏｔθ_２／ｃｏｔθ_１の関係をほぼ満足するように構成する第１〜５のいずれか１つの態様に記載の超音波センサを提供する。
【００３４】
本発明の第７態様によれば、上記伝搬媒質部は、無機酸化物又は有機高分子の乾燥ゲルから形成されている第１〜５のいずれか１つの態様に記載の超音波センサを提供する。
【００３５】
本発明の第８態様によれば、上記乾燥ゲルの固体骨格部は疎水化されている第６の態様に記載の超音波送センサを提供する。
【００３６】
本発明の第９態様によれば、上記乾燥ゲルの密度は、５００ｋｇ／ｍ^３以下であり、上記乾燥ゲルの平均細孔直径は、１００ｎｍ以下である第７の態様に記載の超音波センサを提供する。
【００３７】
本発明の第１０態様によれば、上記超音波振動子と上記伝搬媒質部との間に設けられ、上記超音波振動子と上記伝搬媒質部とを音響的に整合させる音響整合層を有している第１〜５のいずれか１つの態様に記載の超音波センサを提供する。
【００３８】
本発明の第１１態様によれば、上記周囲空間を満たす流体は、密度ρ_２が１０ｋｇ／ｍ^３以下の気体である第１〜５のいずれか１つの態様に記載の超音波センサを提供する。
【００３９】
本発明の第１２態様によれば、上記超音波の送波又は受波方向が、上記第２表面領域にほぼ平行である第１〜５のいずれか１つの態様に記載の超音波センサを提供する。
【００４０】
以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００４１】
（第１実施形態）
以下、図面を参照して本発明における第１実施形態にかかる超音波センサの一例としての超音波送受波器を詳細に説明する。
【００４２】
本発明者は、超音波送受波器において、適切な材料からなる伝搬媒質部を用いて超音波を適切に屈折させれば、界面における損失をほとんど発生させることなく、固体から流体（特に気体）へ超音波を伝搬させることができることを見出して、本発明を想到するに到った。
【００４３】
本発明の第１実施形態にかかる超音波送受波器では、超音波振動子の振動面に平行な面と（第１表面領域）と、周囲空間を満たす流体と接する面（第２表面領域）とを有する伝搬媒質部を、超音波振動子と周囲空間を満たす流体との間に配置する。なお、本出願の明細書及び請求の範囲で、「周囲空間を満たす流体」とは、少なくとも第２表面領域に接する流体を意味し、必ずしも、超音波送センサ（例えば超音波送受波器）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。
【００４４】
まず、図１Ａ及び図１Ｂを参照しながら、本発明の第１実施形態にかかる超音波送受波器を説明する。図１Ａは、上記第１実施形態における超音波送受波器１の概観の斜視図を示し、図１Ｂは、図１ＡのＢ−Ｂ’に沿った上記超音波送受波器１の断面図を示している。
【００４５】
図１Ａ及び図１Ｂに示されている超音波送受波器１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超音波振動子２と、周囲空間の流体と超音波振動子２の間に配置されて超音波の伝搬経路を形成する伝搬媒質部６と、超音波振動子２と伝搬媒質部６との間に配置されて超音波振動子２と伝搬媒質部６の音響インピーダンスの整合を取る音響整合層３と、超音波振動子２を内包しかつ超音波振動子２との電気的な導通経路を兼ねる振動子ケース部４と、端子板９ｘに配置されかつ超音波振動子２へ信号の入出力を行う２本の信号線５と信号線５間の電気的ショートを防ぐための絶縁部１０と、２本の信号線５の一部と超音波振動子２と伝搬媒質部６と音響整合層３と振動子ケース部４とを収納するハウジング９とを備えている。ハウジング９は、図１Ａ及び１Ｂに示されるように軸方向に対して所定角度に傾斜するように切断された円筒形状の側部９ｙと、側部９ｙの底部に固定され、ハウジング９の一部として機能する端子板９ｘとで構成されている。
【００４６】
伝搬媒質部６は、端子板９ｘと側部９ｙとによるハウジング９で囲まれかつ振動子ケース部４の外側の空間でかつ該空間内に配置された音響整合層３以外の空間に満たされ、かつ、音響整合層３と超音波振動子２に対向する（ただし、直接的には音響整合層３に対向する）第１表面領域７と、周囲空間を満たす流体に面する第２表面領域８とを有している。さらに、上記伝搬媒質部６の上記第２表面領域８は、上記第１表面領域７に対して、平行とならないように、所定角度だけ傾斜している。ここで、所定角度とは、一例として、０°より大きくかつ９０°より小さい角度であるが、実質的には８０°より小さいほうが好ましい。上記第１実施形態では、伝搬媒質部６の密度をρ_１、伝搬媒質部６の音速をＣ_１、周囲空間を満たす流体の密度をρ_２、周囲空間を満たす流体の音速をＣ_２としたとき、以下の式（１）に示す関係が満足されるように、伝搬媒質部６の材料を選択している。
（数１）
（ρ_２／ρ_１）＜（Ｃ_１／Ｃ_２）＜１ ・・・・・・・・・・（１）
【００４７】
流体が空気などの気体の場合、上記条件を満足する材料を見つけることは難しい。その理由は、気体の音速Ｃ_２よりも音速Ｃ_１が小さな固体材料が少ないからである。上記第１実施形態では、上記条件を満足する伝搬媒質部６を実現するため、無機酸化物又は有機高分子の乾燥ゲルから伝搬媒質部６を形成している。上記第１実施形態で用いる乾燥ゲルの固体骨格部は疎水化されており、その密度は５００ｋｇ／ｍ^３以下である。この乾燥ゲルは、平均細孔直径が１００ｎｍ以下のナノ多孔体乾燥ゲル（ナノ多孔質乾燥ゲル）である。
【００４８】
なお、無機酸化物の乾燥ゲルの固体骨格部は、少なくとも酸化ケイ素（シリカ）又は酸化アルミニウム（アルミナ）を成分とすることが好ましい。また、有機高分子の乾燥ゲルの固体骨格部は、一般的な熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂により構成することができる。例えば、ポリウレタン、ポリウレア、フェノール硬化樹脂、ポリアクリルアミド、又は、ポリメタクリル酸メチルなどを用いることができる。
【００４９】
伝搬媒質部６を、例えばシリカを主成分とするナノ多孔体乾燥ゲルから形成する場合、その密度ρ_１が２００ｋｇ／ｍ^３であれば、音速Ｃ_１を１００ｍ／ｓから１８０ｍ／ｓ程度の範囲に設定することができる。周囲空間を満たす流体が空気である場合、空気の密度ρ_２は１．２２ｋｇ／ｍ^３、音速Ｃ_２は３４０ｍ／ｓであるので、上記の伝搬媒質部６を採用することにより、ρ_２＜ρ_１、及び、Ｃ_１＜Ｃ_２の関係を同時に満足させ、かつ、（ρ_２／ρ_１）＜（Ｃ_１／Ｃ_２）の関係を満足させることができる。天然ガスなどのガスを測定する場合には、伝搬媒質部６としては、密度ρ_１が１００〜３００ｋｇ／ｍ^３、音速Ｃ_１が１００〜３００ｍ／ｓの範囲にあることが好ましい。
【００５０】
超音波振動子２は圧電体であり、電気信号の印加により、超音波振動の発生及び／又は超音波の到来により電気信号の発生を行うことができる。圧電体としては、圧電セラミックスが好適に用いられる。共振特性を制御し、機械的なＱ値を下げたい場合には、吸収材を周囲に配置してもよい。
【００５１】
なお、上記第１実施形態の超音波送受波器１では、伝搬媒質部６と超音波振動子２との間に音響整合層３を設け、超音波発生源である超音波振動子２と伝搬媒質部６との間における音響的整合を高める機能を有している。
【００５２】
シリカを主成分とするナノ多孔体乾燥ゲル（音響インピーダンス３×１０^４ｋｇ・ｍ^−２・ｓ^−１））から伝搬媒質部６を形成し、かつ超音波振動子１が圧電セラミックス（音響インピーダンス：３０×１０^６ｋｇ・ｍ^−２・ｓ^−１））で構成されている場合、音響インピーダンスが１×１０^６ｋｇ・ｍ^−２・ｓ^−１）付近の材料から作製した音響整合層３を採用することにより、超音波エネルギの伝搬効率をほぼ１、具体的には０．９５以上とすることができる。このような材料は、中空ガラス球を樹脂材料で固めた複合材料や、多孔質セラミックで実現できる。音響整合層３の厚さは、使用する超音波の１／４波長に設定することが好ましい。
【００５３】
さらに、上記第１実施形態の超音波送受波器１では、超音波振動子２を振動子ケース４内に内包しており、超音波振動子２は振動子ケース４の天面内側に、音響整合層３は振動子ケース４の天面外側に側に接合され積層構造となる。振動子ケース４は好ましくはステンレス材などの導電性の金属材料で形成され、その厚みは、想定される超音波の波長の１／１０以下、好ましくは１／２０以下にすることにより、超音波振動子２と音響整合層３の間の音響的整合を良好な状態に保持することができる。
【００５４】
振動子ケース４は、電気溶接などの工法によりハウジング９の端子板９ｘと接合されており、かつ乾燥窒素やアルゴン等の不活性ガスを注入した密封構造にすることができる。上記の構成により、超音波振動子２は物理的に外気環境と遮断され信頼性の向上が達成でき、かつ電気的にもシールドされた構造になるため、周囲空間を満たす流体が、天然ガス等の可燃性の流体である場合にも高い安全性を確保できる。
【００５５】
次に、図２を参照しながら、超音波が伝搬媒質部６から周囲空間を満たす流体へ伝搬する様子を詳細に説明する。
【００５６】
前述した配置関係から、超音波は、超音波振動子１の振動面と対面しかつ平行である第１表面領域７の法線方向から入射するため、伝搬媒質部６と周囲空間を満たす流体との界面である第２表面領域８の法線方向から傾斜した方向に沿って超音波が入射する。第２表面領域８の法線方向に対する超音波の入射角をθ_１とする（０°＜θ_１＜９０°）。このとき、超音波は、伝搬媒質部６と周囲空間を満たす流体との界面である第２表面領域８で屈折し、法線方向に対する角度（進入角）θ_２で被測定流体に進入することになる（θ_１＜θ_２）。
【００５７】
上記第１実施形態では、周囲空間を満たす流体の密度ρ_２が与えられたとき、以下の式（２）の関係をほぼ満足するように各種のパラメータ（ρ_１、θ_１、及びθ_２）が設定されている。
（数２）
（ρ_２／ρ_１）＝（ｃｏｔθ_２／ｃｏｔθ_１） ・・・・・・・・・・（２）
【００５８】
このような設定により、超音波エネルギの伝搬媒質部６から周囲空間を満たす流体への伝搬効率は、ほぼ１になる。このとき、入射角θ_１は次式（３）で表される条件を満足する。
（数３）

【００５９】
従って、伝搬媒質部６のρ_１、Ｃ_１、及び周囲空間を満たす流体のρ_２、Ｃ_２が定まったならば、入射角θ_１は式（３）によって決定される。また、入射角θ_１が決まれば、式（２）によって進入角θ_２も決定される。入射角θ_１及び進入角θ_２が定まると、伝搬媒質部６の第２表面領域８の傾斜角度なども決定できる。
【００６０】
以上のことは、周囲空間を満たす流体を伝搬してきた超音波を受波する場合にも、そのまま適用されるため、進入角θ_２の方向から到来する超音波が選択的に受波される。
【００６１】
上記第１実施形態では、前述した材料から伝搬媒質部６を形成することにより、伝搬媒質部６の音速Ｃ_１を１８０ｍ／ｓ、密度ρ_１を２００ｋｇ／ｍ^３に設定することができる。周囲空間が空気で満たされている通常空間の場合、空気の密度ρ_２は１．２２ｋｇ／ｍ^３、音速Ｃ_２は３４０ｍ／ｓであるので、式（２）及び式（３）の関係から、入射角θ_１は３２°、進入角θ_２は８９°に設定すればよい。進入角θ_２は９０°に近いため、空気中に送波された超音波は、送波面である第２表面領域８とほぼ平行に進行する。したがって、上記第１実施形態の音波の送受波方向は、図１Ａに示される第２表面領域８を含む平面内のＢ−Ｂ’線分に沿った図１Ａの矢印９０の方向となる。
【００６２】
上記第１実施形態によれば、伝搬媒質部６と周囲空間を満たす流体との界面である第２表面領域８での伝搬損失はほとんど生じないため、この界面において双方の音響インピーダンスを整合させる必要はない。従って、伝搬媒質部６内から発射される超音波が、伝搬媒質部６と周囲空間を満たす流体との界面である第２表面領域８で屈折して、第２表面領域８を含む平面沿いの方向に超音波の偏向が可能であり、かつ第２表面領域８での伝搬損失はほとんど生じないため、送受波の効率が高い高感度な超音波センサを提供することができる。
【００６３】
なお、伝搬媒質部６は、密度ρ_１及び音速Ｃ_１が全体に渡って均質な材料から構成されている必要はなく、密度ρ_１及び音速Ｃ_１が異なる複数種類の材料層が重ねられた積層構造を有していても良い。このような積層構造を有している場合、超音波は伝搬媒質部６を直進しない場合があるが、特に問題はない。重要な点は、伝搬媒質部６と被測定流体との界面近傍領域において、前述の式を満足するように伝搬媒質部６の密度ρ_１及び音速Ｃ_１並びに入射角θ_１が設定されることにある。
【００６４】
次に、上記第１実施形態における超音波送受波器の動作を説明する。
【００６５】
まず、周囲空間を満たす流体に対して送波する場合は、図９Ｃに示す駆動回路を兼ねる送信回路７０１から信号線５を介して超音波振動子２（図９Ｃでは８１）に対して、共振周波数近傍（例えば１００ｋＨｚ〜１ＭＨｚ程度）の周波数を持つ交流電圧、パルス電圧、バースト電圧が印加される。これにより、超音波振動子２は共振周波数付近の振動を励振され、この振動が超音波として、振動子ケース４及び音響整合層３を通して伝搬媒質部６にほぼ効率１の条件で放射される。伝搬媒質部６を伝搬した音波は、伝搬媒質部６と周囲空間を満たす流体との界面である第２表面領域８で屈折し、ほぼ効率１の状態で周囲空間を満たす流体に放射される。
【００６６】
次に、周囲空間を満たす流体中を伝搬して超音波送受波器１に到達する超音波を受波する場合には、送波方向から伝搬してきた超音波に関して送波の場合と逆の経路が成立し、超音波送受波器１に入射した超音波はほぼ効率１の条件で超音波振動子２に到達し、電気信号に変換され信号線５を通して外部の電気回路（例えば受信回路７０２）に伝達される。
【００６７】
上記第１実施形態によれば、適切な密度ρ_１及び音速Ｃ_１を示す伝搬媒質部６を設け、超音波を適切な角度に屈折させるため、物質の界面における伝搬損失をほぼ０にし、良好なＳ／Ｎ比で流量測定を達成することができる。そして、上記第１実施形態によれば、上記伝搬媒質部６を用いて超音波を適切に屈折させることにより界面における損失をほとんど発生させることなく、従来の超音波送受波器では超音波の送受波が極めて困難であった気体（例えば水素ガスなど）の超音波の送受波が可能になるため、これらの気体を計測できる流量計測等への応用が可能になる。
【００６８】
更に、上記第１実施形態の超音波送受波器１では、伝搬媒質部６内から発射される超音波が、伝搬媒質部６と周囲空間を満たす流体との界面である第２表面領域８で屈折して、第２表面領域８を含む平面沿いの方向に超音波の送受信方向が偏向されるため、例えば流量計においては、計測流路に送受波器取り付けに関わる凹凸がなくなり、流体流れの乱れがない流量計が構成できる。また、水平部を有する各種機器の水平面に整合させて取り付けても、水平方向の物体検知などに応用が可能である。
【００６９】
（第２実施形態）
図３Ａ，図３Ｂ，図３Ｃを参照しながら、本発明の第２実施形態にかかる超音波センサの一例としての超音波送受波器を説明する。図３Ａは、第２実施形態における超音波送受波器１１の外観の斜視図、図３Ｂは、円筒形の超音波送受波器１１の中心軸を含む断面図、図３Ｃは超音波振動子１２の電極構造の一例を示した斜視図である。第２実施形態と第１実施形態との間で共通する部材について同様の参照符号を与えている。なお、伝搬媒質部６Ａは第１実施形態の伝搬媒質部６に対応し、ハウジング９Ａは第１実施形態のハウジング９に対応する。
【００７０】
以下、第２実施形態の超音波送受波器１１に特徴的な点を説明し、第１実施形態における超音波送受波器１と同様の部分及び上記対応部分については説明を省略する。
【００７１】
第２実施形態の超音波送受波器１１は、円筒形状の側部９ｚが円板形状の端子板９ｘに固定されてハウジング９Ａを構成されており、端子板９ｘの中央に固定された中心軸９ａの周りに軸対称に構成されている。したがって、ハウジング９Ａの円板形状の端子板９ｘ上に配置された、超音送振動子１２及び音響整合層１３はリング形状に構成されている。また、ハウジング９Ａの一部である中心軸９ａに中央部が結合された円板状保護部１５をさらに設けて、第２表面領域８を保護し、ハウジング９Ａと保護部１５の間にリング状の開口部１４を設け、開口部１４を通して超音波の送受波を矢印９０Ａの方向に行う。ハウジング９Ａ内の空間でかつ超音送振動子１２及び音響整合層１３以外の空間には伝搬媒質部６Ａがほぼ満たされている。そして、伝搬媒質部６Ａは、音響整合層１３と超音波振動子１２とに対向する（ただし、直接的には音響整合層１３に対向する）第１表面領域７と、周囲空間を満たす流体に面する第２表面領域８とを有している。さらに、上記伝搬媒質部６Ａの上記第２表面領域８は、上記第１表面領域７に対して、平行とならないように、中心軸９ａに対して大略均等に周囲から中心側に向けて所定角度だけ傾斜している。
【００７２】
上記第２実施形態において、具体的な超音波の送受波は上記第１実施形態と同様に高効率に行われて、上記第１実施形態と同様の効果を奏することができる。上記第１実施形態との違いは、超音波送受波器１１が中心軸９ａの周りに軸対称な構造であることから、中心軸９ａの周り全方位への送受波ができる構造になっている点であり、周囲空間が気体の場合には、送受波はほぼ水平になり、全方位の物体感知等への応用が可能になる。
【００７３】
また、図３Ｃは超音波振動子１２の電極構造の一例を示しており、１６は電極面上に構成された分割電極部である。図３Ｃに示されるよう電極部１６を分割することにより、振動発生部を制御できることから、円周方向の超音波による走査が可能になり、方向を特定した物体感知などへの応用が可能になる。
【００７４】
電極部の分割は裏表に形成される電極部１６の少なくとも１面でよく、また、超音波振動子１２自体を分割して配置することによっても、同様の効果が得られる。図３Ｃでは、電極部６の分割数は４であるが、分割数については任意であり、また必ずしも同形、対称形である必要はない。
【００７５】
（第３実施形態）
図４Ａ，４Ｂ及び図５Ａ，５Ｂを参照しながら、本発明の第３実施形態にかかる超音波センサの一例としての超音波送受波器を説明する。図４Ａは、上記第３実施形態における超音波送受波器２１の外観の斜視図、図４Ｂは、円筒形の超音波送受波器２１の中心軸を含む断面を示している。また、図５Ａは、上記第３実施形態における別の超音波送受波器３１の外観の斜視図、図５Ｂは、円筒形の超音波送受波器３１の中心軸９ｂを含む断面を示している。上記第３実施形態と前述の上記第１及び第２実施形態との間で共通する部材について同様の参照符号を与えている。なお、伝搬媒質部６Ｂ，６Ｃは先の実施形態の伝搬媒質部６又は６Ａに対応し、ハウジング９Ｂ，９Ｃは先の実施形態のハウジング９又は９Ａに対応する。
【００７６】
以下、上記第３実施形態の超音波送受波器２１及び超音波送受波器３１に特徴的な点を説明し、上記第１実施形態における超音波送受波器１並びに上記第２実施形態の超音波送受波器１１と同様の部分及び上記対応部分については説明を省略する。
【００７７】
上記第３実施形態の超音波送受波器２１のハウジング９Ｂは、図４Ａ，図４Ｂに示すように、円筒形状の側部９ｇの下端に端子板９ｘが固定され、側部９ｇの上端に、中央部に円形開口部２４を有する円板状上板９ｈが固定されて、仮想中心軸の周りにハウジング９Ｂが軸対称に構成されている。ハウジング９Ｂの側部９ｇの内面に固定された超音送振動子２２及び音響整合層２３は円筒形状で構成されている。また、ハウジング９Ｂの円板状上板９ｂの中央部開口部２４よりも内向きに伝搬媒質部６Ｂが突出しないように、伝搬媒質部６Ｂがハウジング９Ｂ内に収納配置されて、ハウジング９Ｂ全体で第２表面領域８を保護し、ハウジング９Ｂの上板９ｂの中央部開口部２４を通して超音波の送受波を矢印９０Ｂの方向に行う。すなわち、ハウジング９Ｂ内に配置された超音送振動子２２及び音響整合層２３及び中央部以外の空間には伝搬媒質部６Ｂが満たされている。そして、伝搬媒質部６Ｂは、音響整合層２３と超音波振動子２２に対向する（ただし、直接的には音響整合層２３に対向する）第１表面領域７と、周囲空間を満たす流体に面する（図４Ｂでは中央部の空間に面する）第２表面領域８とを有している。さらに、上記伝搬媒質部６Ｂの上記第２表面領域８は、上記第１表面領域７に対して平行とならないように、中心軸に対して大略均等に上端から下端に向けて広がるように、所定角度だけ傾斜して円錐面を形成している。
【００７８】
一方、図５Ａ，図５Ｂに示すように、上記第３実施形態の別の超音波送受波器３１のハウジング９Ｃは、円筒形状の側部３５の下端に端子板９ｘが固定され、端子板９ｘの中央部に固定された中心軸９ｂに円板状上板９ｉの中央部が固定されて、中心軸９ｂの周りにハウジング９Ｃが軸対称に構成されている。中心軸９ｂの周りに固定された超音送振動子３２及び音響整合層３３は円筒形状で構成されている。また、ハウジング９Ｃの上板９ｉの周囲よりも外向きに伝搬媒質部６Ｃが突出しないように、伝搬媒質部６Ｃがハウジング９Ｃ内に収納配置されて、ハウジング９Ｃの端子板９ｘに固定された円筒状の側部である保護部３５で第２表面領域８を保護し、ハウジング９Ｃと保護部３５の間にリング状の開口部３４を設け、開口部３４を通して超音波の送受波を矢印９０Ｃの方向に行う。すなわち、ハウジング９Ｃ内に配置された超音送振動子３２及び音響整合層３３及び周囲部以外の空間には伝搬媒質部６Ｃが満たされている。そして、伝搬媒質部６Ｃは、音響整合層３３と超音波振動子３２に対向する（ただし、直接的には音響整合層３３に対向する）第１表面領域７と、周囲空間を満たす流体に面する（図５Ｂでは周囲部の空間に面する）第２表面領域８とを有している。さらに、上記伝搬媒質部６Ｃの上記第２表面領域８は、上記第１表面領域７に対して平行とならないように、中心軸に対して大略均等に下端から上端に向けて広がるように、所定角度だけ傾斜して円錐面を形成している。
【００７９】
上記第３実施形態において、具体的な超音波の送受波は、上記第１実施形態及び上記第２実施形態と同様に高効率に行われて、上記第１実施形態及び上記第２実施形態と同様の効果を奏することができる。上記第２実施形態との違いは、超音波送受波器２１，３１の正面方向（図４Ｂ，図５Ｂの上方向）へ超音波の送受波行われる点であり、一般に実現されている超音波送受波器の応用が可能である。
【００８０】
（第４実施形態）
図６Ａ，図６Ｂ，図６Ｃ，図６Ｄを参照しながら、本発明の第４実施形態にかかる超音波センサの一例としての超音波送受波器を説明する。図６Ａは、上記第４実施形態における超音波送受波器４１及び超音波送受波器５１の外観の斜視図、図６Ｂは、円筒形の超音波送受波器４１の中心軸を含む断面図、また、図６Ｃは、上記第４実施形態における別の円筒形の超音波送受波器５１の中心軸を含む断面図、図６Ｄは上記第４実施形態の超音波送受波器の超音波振動子４２、５２の電極面の一例の斜視図を示している。上記第４実施形態と前述の第１〜３実施形態との間で共通する部材について同様の参照符号を与えている。なお、伝搬媒質部６Ｄ，６Ｅは先の実施形態の伝搬媒質部６又は６Ａなどに対応し、ハウジング９Ｄ，９Ｅは先の実施形態のハウジング９又は９Ａなどに対応する。
【００８１】
以下、上記第４実施形態の超音波送受波器４１及び超音波送受波器５１に特徴的な点を説明し、上記第１実施形態における超音波送受波器１並びに上記第２実施形態の超音波送受波器１１、２１と同様の部分及び上記対応部分については説明を省略する。
【００８２】
上記第４実施形態の超音波送受波器４１のハウジング９Ｄは、図６Ａ，図６Ｂに示すように、円筒形状の側部９ｇの下端に端子板９ｘが固定され、端子板９ｘの中央部に円錐台形状の反射体４４が固定されて、反射体４４の中心軸の周りにハウジング９Ｄが軸対称に構成されている。ハウジング９Ｄの側部９ｇ及び端子板９ｘの内面に固定された超音送振動子４２及び音響整合層４３は円筒形状であり、超音波振動子４２の内側に音響整合層４３が配置されている。また、ハウジング９Ｄの反射体４４の上端面及び側部９ｇの上端面よりも伝搬媒質部６Ｄが突出しないように、伝搬媒質部６Ｄがハウジング９Ｄ内に収納配置されている。そして、伝搬媒質部６Ｄは、超音波振動子４２の振動面に平行な第１表面領域７と、周囲空間を満たす流体と接する第２表面領域８とを有し、かつ伝搬媒質部６Ｄに隣接して設けられた上記反射体４４と第３表面領域４５で接している。
【００８３】
反射体４４は、ステンレス材などの金属材料で構成されており、伝搬媒質部６を例えばシリカを主成分とするナノ多孔体乾燥ゲルから形成する場合には、第３表面領域４５での反射効率ほぼ１となる。反射体４４は、第２表面領域８への超音波の入射角度が式（３）を満足するように第１表面領域７及び第２表面領域８に対して傾斜角が設定されている。
【００８４】
超音波振動子４２は共振周波数付近の振動で励振され、この振動が超音波として音響整合層４３を通して伝搬媒質部６Ｄの大略中心側にほぼ効率１の条件で放射される。伝搬媒質部６Ｄを伝搬した音波は、反射体４４との界面である第３表面領域４５でほぼ効率１で反射されて、その方向を大略第２表面領域８側に変えて伝搬し、伝搬媒質部６Ｄと周囲空間を満たす流体との界面である第２表面領域８で屈折し、ほぼ効率１の状態で周囲空間を満たす流体に放射される。
【００８５】
また、周囲空間を満たす流体中を伝搬して超音波送受波器４１に到達する超音波を受波する場合には、送波方向から伝搬してきた超音波に関して送波の場合と逆の経路が成立し、超音波送受波器４１の第２表面領域８にほぼ効率１で入射した超音波は、伝搬媒質部６Ｄを伝搬して反射体４４との界面である第３表面領域４５でほぼ効率１の条件で反射されて、その方向を大略超音波振動子４２側に変えて伝搬し、超音波振動子４２に到達し、超音波振動子４２で電気信号に変換される。
【００８６】
以上の構成により、超音波送受波器４１においても、周囲空間を満たす流体に対して高効率の超音波の送受波が可能となり、上記第１実施形態と同様の効果を奏することができる。
【００８７】
一方、図６Ａ及び図６Ｃに示されるように、上記第４実施形態の別の超音波送受波器５１のハウジング９Ｅは、断面三角形状でかつ円筒形状の反射体５４の下端に端子板９ｘが固定され、端子板９ｘの中央部に円柱状の中心軸９ｋが固定され、中心軸９ｋの上端に円板状上板９ｍがフランジのように突出して固定されて、反射体５４の中心軸の周りにハウジング９Ｅが軸対称に構成されている。ハウジング９Ｅの中心軸９ｋ及び上板９ｍ及び端子板９ｘの内面に固定された超音送振動子５２及び音響整合層５３は円筒形状であり、超音波振動子５２の外側に音響整合層５３が配置されている。また、ハウジング９Ｅの反射体５４の上端面及び上板９ｍの上端面よりも伝搬媒質部６Ｅが突出しないように、伝搬媒質部６Ｅがハウジング９Ｅ内に収納配置されている。そして、伝搬媒質部６Ｅは、超音波振動子５２の振動面に平行な第１表面領域７と、周囲空間を満たす流体と接する第２表面領域８とを有し、かつ伝搬媒質部６Ｅに隣接して設けられた上記反射体５４と第３表面領域５５で接している。反射体５４は反射体４４と同様な材質及び傾斜角度を有するものである。
【００８８】
超音波振動子５２は共振周波数付近の振動で励振され、この振動が超音波として音響整合層５３を通して伝搬媒質部６Ｅの大略周囲側にほぼ効率１の条件で放射される。伝搬媒質部６Ｅを伝搬した超音波は、反射体５４との界面である第３表面領域５５でほぼ効率１で反射されて、その方向を大略第２表面領域８側に変えて伝搬し、伝搬媒質部６Ｅと周囲空間を満たす流体との界面である第２表面領域８で屈折し、ほぼ効率１の状態で周囲空間を満たす流体に放射される。
【００８９】
また、周囲空間を満たす流体中を伝搬して超音波送受波器５１に到達する超音波を受波する場合には、送波方向から伝搬してきた超音波に関して送波の場合と逆の経路が成立し、超音波送受波器５１の第２表面領域８にほぼ効率１で入射した超音波は、伝搬媒質部６Ｅを伝搬して反射体５４との界面である第３表面領域５５でほぼ効率１の条件で反射されて、その方向を大略超音波振動子５２側に変えて伝搬し、超音波振動子５２に到達し、超音波振動子５２で電気信号に変換される。
【００９０】
以上の構成により、超音波送受波器５１においても、周囲空間を満たす流体に対して高効率の超音波の送受波が可能となり、上記第１実施形態と同様の効果を奏することができる。
【００９１】
なお、上記第４実施形態の反射体４４，５４は複数配置してもよく、その場合には、第３表面領域４５，５５が複数個存在する構成となる。また、この場合には、第１表面領域７と第２表面領域８が平行である構成も成立し、複数の第３表面領域４５，５５の少なくとも１つが第２表面領域８に対して所定の角度に傾斜しておればよい。
【００９２】
超音波送受波器４１及び超音波送受波器５１は、上記第２実施形態と同様に中心軸周りの全方位への送受波ができる構造になっており、周囲空間が気体の場合には、送受波はほぼ水平になり、全方位の物体感知等への応用が可能になる。
【００９３】
また、図６Ｄは超音波振動子４２、５２の電極構造の一例を示しており、４６は円筒形の超音波振動子４２、５２の内側面に構成された分割電極であり、４７は外側面に構成された共通電極である。図６Ｄに示されるよう電極部４６を分割することにより、振動発生部を制御できることから円周方向の超音波による走査が可能になり、方向を特定した物体感知などへの応用が可能になる。
【００９４】
図６Ｄに示すように電極部４６の分割は内外側面に形成される電極部の少なくとも１面でよく、また超音波振動子４２、５２自体を分割して配置することによっても同様の効果が得られる。電極の分割数は任意であり、また必ずしも同形、対称形である必要はない。
【００９５】
（第５実施形態）
図７を参照しながら、本発明の第５実施形態にかかる超音波センサの一例としての超音波送受波器を説明する。図７は、上記第５実施形態における超音波送受波器６１の外観の斜視図であり、図７の手前側の面Ａに関しては、内部構造の説明をするための断面図であり、実際はハウジング側部で覆われている。また、上記第５実施形態と前述の上記第１〜４実施形態との間で共通する部材について同様の参照符号を与えている。なお、伝搬媒質部６Ｆは第１実施形態の伝搬媒質部６又は６Ａなどに対応し、ハウジング９Ｆは第１実施形態のハウジング９又は９Ａなどに対応する。
【００９６】
以下、上記第５実施形態の超音波送受波器６１に特徴的な点を説明し、上記第１実施形態における超音波送受波器１、上記第２実施形態の超音波送受波器１１、２１、上記第３実施形態の超音波送受波器３１、並びに上記第４実施形態の超音波送受波器４１、５１と同様の部分及び上記対応部分については説明を省略する。
【００９７】
上記第５実施形態の超音波送受波器６１は、上記第４実施形態における超音波送受波器４１、５１で円筒あるいは円錐形状であった部分を矩形状にしたものであり、矩形板状の側部６９ｇの下端に矩形板状の端子板６９ｘが固定され、側部６９ｇ及び端子板６９ｘの周囲部に三角柱形状の反射体６４が固定され、矩形板状の中心軸６９ｋの上端に矩形板状の円板状上板６９ｍがフランジのように突出して固定されて、中心線Ｃに対して対称に構成されている。各超音送振動子６２及び各音響整合層６３はそれぞれ矩形板状であり、中心軸６９ｋの内面に固定され、各超音波振動子６２の外側に各音響整合層６３が配置されている。各伝搬媒質部６Ｆは、各超音波振動子６２の振動面に平行な第１表面領域７と、周囲空間を満たす流体と接する第２表面領域８とを有し、かつ伝搬媒質部６Ｆに隣接して設けられた反射体６４と第３表面領域６５で接している。反射体６４は反射体４４と同様な材質及び傾斜角度を有するものである。
【００９８】
上記第５実施形態の上記第４実施形態との違いは、上記第５実施形態の超音波送受波器６１における超音波の送受波は、中心線Ｃに対して対称に図７の左右方向に行われることであり、この場合も超音波は、それぞれ、音響整合層６３を通して伝搬媒質部６Ｆにほぼ効率１の条件で放射され、伝搬媒質部６Ｆを伝搬した超音波は、反射体６４との界面である第３表面領域６５でほぼ効率１で反射されて、大略第２表面領域８側に方向を変える。さらに、伝搬媒質部６Ｆと周囲空間を満たす流体との界面である第２表面領域８で超音波が屈折し、ほぼ効率１の状態で周囲空間を満たす流体に放射される。また、送波方向から伝搬してきた超音波に関して、送波の場合と逆の経路が成立し、超音波送受波器６１に第２表面領域８にほぼ効率１で入射した超音波は、伝搬媒質部６Ｆを伝搬して反射体６４との界面である第３表面領域６５でほぼ効率１の条件で反射されて超音波振動子６２に到達し、超音波振動子６２で電気信号に変換される。
【００９９】
以上の構成により、超音波送受波器６１においても、周囲空間を満たす流体に対して高効率の超音波の送受波が可能となり、上記第１実施形態と同様の効果を奏することができる。また、超音波送受波器６１は、左右方向への送受波ができる構造になっており、周囲空間が気体の場合には、送受波はほぼ水平になり、左右方向の物体感知等への応用が可能になる。
【０１００】
（第６実施形態）
図８Ａ，図８Ｂを参照しながら、本発明の第６実施形態にかかる超音波センサの一例としての超音波送受波器を説明する。図８Ａ，図８Ｂは、上記第６実施形態における超音波送受波器７１−１，７１−２，７１−３，７１−４を複数個配置した場合の斜視図であり、また、上記第６実施形態と前述の上記第１〜５実施形態との間で共通する部材について同様の参照符号を与えている。なお、伝搬媒質部６Ｇは第１実施形態の伝搬媒質部６又は第５実施形態の伝搬媒質部６Ｆなどに対応し、ハウジング９Ｇは第１実施形態のハウジング９又は第５実施形態のハウジング９Ｆなどに対応し、中心軸７９ｋは第５実施形態の中心軸６９ｋに対応し、側部７９ｇは第５実施形態の側部６９ｇに対応し、端子板７９ｘは第５実施形態の端子板６９ｘに対応し、反射体７４は第５実施形態の反射体６４に対応し、上板７９ｍは第５実施形態の上板６９ｍに対応する。
【０１０１】
以下、上記第６実施形態の超音波送受波器７１−１，７１−２，７１−３，７１−４に特徴的な点を説明し、他の実施形態と同様の部分及び上記対応部分については説明を省略する。
【０１０２】
上記第６実施形態の各超音波送受波器７１−１，７１−２，７１−３，７１−４は、上記第５実施形態における超音波送受波器６１を中心線Ｃ上で分割した構造である。したがって、超音波の送受波は一方向だけに制限されるが、超音波の送受信は上記第５実施形態と同様に高効率で行われ、上記第１実施形態と同様の効果を奏することができる。周囲空間が気体の場合には、送受波はほぼ水平になり、物体感知等への応用が可能になる。
【０１０３】
図８Ａは、超音波送受波器７１−１，７１−２，７１−３，７１−４を４個用いて、前後左右に超音波を送受波できる構成であり、図８Ｂは超音波送受波器７１−１，７１−２，７１−３を３個用いて、１２０度間隔に３方向に送受波できる構成である。図８Ａ，図８Ｂのように、複数の超音波送受波器７１を任意の数、任意の方向に配置することにより、アプリケーションに対応した指向性の制御が可能になり、応用範囲を広げることができる。
【０１０４】
（第７実施形態）
図９Ａ，９Ｂ，９Ｃを参照しながら、本発明の第７実施形態にかかる超音波センサの一例としての超音波送受波器の応用機器について説明する。図９Ａは掃除ロボットなどの自走型ロボットの障害物検知システム、図９Ｂは自動車の周囲障害物検知システム、また、図９Ｃは超音波流量計への適用した場合を示している。
【０１０５】
図９Ａ，９Ｂ，９Ｃにおいて、８１，８１Ａ，８１Ｂ，８１Ｃ，８１Ｄ，８１Ｅは本発明の第７実施形態において、特に、上記第１実施形態、上記第２実施形態、上記第４実施形態、上記第５実施形態、上記第６実施形態のいずれかに示したほぼ水平方向に超音波の送受波を行うことができる超音波送受波器を示している。８２，８２Ａ，８２Ｂ，８２Ｃ，８２Ｄ，８２Ｅは超音波送受波器８１，８１Ａ，８１Ｂ，８１Ｃ，８１Ｄ，８１Ｅが送受波する超音波の指向特性領域、８３は自走型ロボット、８４Ａ，８４Ｂ，８４Ｃ，８４Ｄ，８４Ｅは障害物、８５は自動車、８６は計測用流路である。
【０１０６】
図９Ａにおいて、超音波送受波器８１Ａは、自走型ロボット８３の筐体部の頂点付近に、筐体部の面と第２表面領域８とがほぼ面一に配置されている。本発明の第７実施形態の超音波送受波器８１Ａによれば、超音波の送受波の指向特性領域８２Ａは図９Ａに示されるとおり、床面８８Ａとほぼ水平（平行）にすることができ、かつ円周方向の走査が可能である。したがって、超音波送受波器８１Ａを筐体部周囲に分散して配置することなく、また、筐体部に超音波送受波器８１Ａを周囲に向けるための特別な機構系を設けることなく、自走型ロボット８３の全周方向の障害物を検知することができる。
【０１０７】
図９Ｂにおいて、超音波送受波器８１Ｄ，８１Ｅ，８１Ｂ，８１Ｃは、自動車８５のボディ前後端のバンパー部の下面、及びボディの屋根の前後端に近い部分の壁面に、特別な突起を設けることなく、ほぼ面一に配置されている。図９Ａと同様に、送受波される超音波の指向特性領域８２Ｄ，８２Ｅ，８２Ｂ，８２Ｃは、地上面８８Ｂに対してほぼ水平（平行）にできる。したがって、図９Ｂに示されるように、自動車８５の前後の死角に存在する地上の障害物８４Ｄ，８４Ｅや、ガードや看板などの屋根に対する障害物８４Ｂ，８４Ｃなどの検知が可能になり、また、特に屋根部に超音波送受波器のための突起部等を設けることなく実現できるため、デザイン等の自由度を損なうことがない。
【０１０８】
図９Ｃにおいて、超音波送受波器８１は、計測用流路８６の内壁面に対して面一に配置されている。送受波される超音波の指向性領域８２はほぼ流路に平行で、対面する超音波送受波器８１との間で超音波の送受波が行われる。この場合に、超音波送受波器８１を正対させる必要がないため、通常の流路内に凹部あるいは凸部を設ける必要がなく、流路内での流体の移動状態を定常的に保ち精度の高い流量計測が可能である。これについては、以下、第８実施形態として詳細に説明する。なお、超音波振動子８１を駆動するための送信回路７０１と、他方の超音波振動子８１により受信した超音波を増幅、帯域制限等を行う受信回路７０２と、送受信の方向を変えるための切り替え回路７０３と、受信回路７０２からの出力をもとに伝搬時間を計測する時間計測部７０４と、上記時間計測部７０４からの出力値をもとに流量を求める流量演算部７０５と、流量演算部７０５で演算された流量等を表示する表示部７０６と、計測のタイミング等を制御する制御部７０７とを備えている。よって、一方の超音波振動子８１から他方の超音波振動子８１に向けて超音波を送信し、ガスなどの被測定流体を通過した超音波が上記他方の超音波振動子８１で受信されることにより、時間計測部７０４で超音波振動子８１、８１間の伝搬時間を計測する。次いで、逆に、上記他方の超音波振動子８１から上記一方の超音波振動子８１に向けて超音波を送信し、ガスなどの被測定流体を通過した超音波が上記一方の超音波振動子８１で受信されることにより、時間計測部７０４で超音波振動子８１、８１間の伝搬時間を計測する。このように所定回数だけ、上記一対の超音波振動子８１、８１間で超音波の伝搬時間を計測し、流量演算部７０５でその値を基に、ガスなどの被測定流体の流量を流量演算部７０５により算出するようにしている。よって、各超音波振動子８１、８１は送受信を行えるようにしている。ここで、上記送信回路７０１〜制御部７０７とより流量算出システムを構成している。
【０１０９】
（第８実施形態）
図１２Ａ〜図１７を参照しながら、本発明の第８実施形態にかかる超音波センサの一例としての超音波送受波器の応用機器の一例である、超音波により流体の流量を計測する超音波流量計について説明する。
【０１１０】
まず、第８実施形態の超音波流量計について説明する前に、従来の超音波流量計について説明する。
【０１１１】
近年、所定の伝搬路を超音波が伝達する時間を計測することにより、流体の移動速度を測定し、その測定値から流量を計測する超音波流量計がガスメータや化学反応の制御等に利用されつつある。
【０１１２】
以下、図１７を参照しながら、従来の超音波流量計の測定原理を説明する。図１７に示されている超音波流量計では、管内の流体が速度Ｖにて図１７中の矢印Ｖで示す方向に流れている。超音波流量計の管壁４０３には、一対の超音波送受波器４０１及び４０２が相対して設置されている。超音波送受波器４０１及び４０２の各々は、電気エネルギを機械エネルギに変換するとともに、機械エネルギを電気エネルギに変化する変換素子（トランスデューサ）を備えている。この変換素子は、例えば、圧電セラミック等の圧電振動子で構成され、圧電ブザーや圧電発振子と同様に共振特性を示す。
【０１１３】
まず、超音波送受波器４０１を超音波の送波器として用い、超音波送受波器４０２を超音波の受波器として用いる場合について、超音波流量計の動作を説明する。
【０１１４】
超音波送受波器４０１の共振周波数近傍における周波数を持つ交流電圧を超音波送受波器４０１の圧電振動子に印加すると、超音波送受波器４０１は管内の流体中に超音波を放射する。この超音波は、伝搬経路Ｌ１に沿って伝搬し、超音波送受波器４０２に到達する。超音波送受波器４０２の圧電振動子は、この超音波を受けて電圧信号を出力する。
【０１１５】
この後、超音波送受波器４０２を超音波の送波器として動作させる。具体的には、超音波送受波器４０２の共振周波数近傍における周波数を持つ交流電圧を超音波送受波器４０２の圧電振動子に印加することにより、超音波送受波器４０２は管内の流体中に超音波を放射する。超音波は伝搬経路Ｌ２に沿って伝搬し、超音波送受波器４０１に到達する。超音波送受波器４０１の圧電振動子は、この超音波を受けて電圧信号を出力する。
【０１１６】
このように、超音波送受波器４０１及び４０２は、それぞれ、１つの超音波振動子でありながら、受波器としての機能と送波器としての機能を果たすことができる。この超音波流量計では、連続的に交流電圧を印加すると超音波送受波器から連続的に超音波が放射されて伝搬時間を測定することが困難になるので、通常はパルス信号を搬送波とするバースト電圧信号を駆動電圧として用いる。
【０１１７】
駆動用のバースト電圧信号を超音波送受波器４０１に印加して超音波送受波器４０１から超音波バースト信号を放射すると、この超音波バースト信号は距離がＬの伝搬経路Ｌ１を伝搬してｔ時間後に超音波送受波器４０２に到達する。
【０１１８】
超音波送受波器４０２では伝達して来た超音波バースト信号のみを高いＳ／Ｎ比で電気バースト信号に変換することができる。この電気バースト信号をトリガとして、再び超音波送受波器４０１に駆動用バースト電圧信号を印加して超音波バースト信号を放射する。
【０１１９】
このような装置を「シング・アラウンド装置」と呼ぶ。また、超音波パルスが超音波送受波器４０１から超音波送受波器４０２に到達するまでに要する時間を「シング・アラウンド周期」といい、その逆数を「シング・アラウンド周波数」という。
【０１２０】
図１７の超音波流量計において、管の中を流れる流体の流速をＶ、流体中の超音波の速度をＣ、流体の流れる方向と超音波パルスの伝搬方向の角度をθとする。更に、超音波送受波器４０１を送波器、超音波送受波器４０２を受波器として用いたとき、超音波送受波器４０１から出た超音波パルスが超音波送受波器４０２に到達する時間（シング・アラウンド周期）をｔ_１、シング・アラウンド周波数ｆ_１とする。このとき、次式（４）が成立する。
（数４）
ｆ_１＝１／ｔ_１＝（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ）／Ｌ ・・・（４）
【０１２１】
逆に、超音波送受波器４０２を送波器として、超音波送受波器４０１を受波器として用いたときのシング・アラウンド周期をｔ_２、シング・アラウンド周波数ｆ_２とすれば、次式（５）の関係が成立する。
（数５）
ｆ_２＝１／ｔ_２＝（Ｃ−Ｖｃｏｓθ）／Ｌ ・・・（５）
【０１２２】
上記式（４）及び式（５）に基づいて、両シング・アラウンド周波数の周波数差Δｆは、次式（６）で示される。
（数６）
Δｆ＝ｆ_１−ｆ_２＝２Ｖｃｏｓθ／Ｌ ・・・（６）
【０１２３】
式（６）からわかるように、超音波の伝搬経路の距離Ｌ及び周波数差Δｆから、流体の流速Ｖを求めることができる。そして、流速Ｖから流量を決定することができる。
【０１２４】
図１７の超音波流量計では、超音波送受波器の圧電振動子における超音波の送受波面に整合層（不図示）が設けられている。これは、測定対象となる流体と圧電素子との間にある固有音響インピーダンス（以下、「音響インピーダンス」と称する）の差異を中間的な音響インピーダンスを持つ層（整合層）で緩和し、異なる音響インピーダンスを持つ媒質間の界面における超音波の反射を抑制するためである。超音波の伝搬経路中に音響インピーダンスの差が大きな界面が存在すると、超音波送受波器から出た超音波が測定対象の流体中に充分に進入しないという不都合が生じ、流量の測定が不能になるか、又は、測定精度が大きく低下してしまうことになる。従って、このような不都合を避け、超音波流量計の測定精度を向上させるためには、整合層の音響インピーダンスを適切に設定することが重要となる。なお、音響インピーダンスは、一般に、次式（７）で定義される。
（数７）
音響インピーダンス＝（密度）×（音速） ・・・・（７）
【０１２５】
超音波振動を発生する圧電振動子の音響インピーダンスは、例えば、３０×１０^６ｋｇ・ｍ^−２・ｓ^−１）程度であり、空気の音響インピーダンスは４００ｋｇ・ｍ^−２・ｓ^−１）程度である。空気の流速を測定する場合、整合層の音響インピーダンスは０．１１×１０^６ｋｇ・ｍ^−２・ｓ^−１）程度に設定されることが好ましい。
【０１２６】
従来、圧電振動子及び空気の中間的な音響インピーダンスを持つ整合層を形成するため、密度が比較的小さな材料（例えばガラスバルーンやプラスチックバルーン）を樹脂で固めた材料が使用されている。
【０１２７】
しかしながら、上記のような整合層を用いても、圧電振動子から空気などの気体中に超音波を伝搬させる場合には、どうしても伝搬損失が生じ、測定感度が低下するという問題があった。超音波を固体から気体へ効率よく伝搬させることが難しい理由は、固体の音響インピーダンスに比べて気体の音響インピーダンスが格段に小さく、中間に整合層を介在させても界面で超音波の強い反射が生じてしまうためである。
【０１２８】
また、図１７に示すタイプの超音波流量計では、超音波送受波器を配置するための空洞部が流量測定部の流路内部に必要であり、この空洞部の存在が被測定流体の流れの乱れの原因となる場合がある。また、微量化学分析のためには、流量自体が極微量となるため、流路を微細化する必要がある。そのような場合、従来の構成では、超音波送受波器を流路内に配置できないため、極少量の流量測定には適用できないという問題があった。
【０１２９】
本発明の第８実施形態は、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、流量計測部である流路内部の流れを乱すことなく、極少量の流量計測にも対応できる高感度な超音波流量計を提供することを目的とするものである。
【０１３０】
本発明の第８実施形態による超音波流量計は、被測定流体の流路を規定する内壁を有する流量測定部と、上記流量測定部の内壁に囲まれた流路空間の外側に設けられ、超音波の送信及び／又は受信を行う少なくとも１つの超音波振動子と、上記超音波振動子と上記流路空間との間に配置され、上記超音波の伝搬経路を形成する伝搬媒質部とを備えた超音波流量計であって、上記伝搬媒質部の密度ρ_１、上記伝搬媒質部における音速Ｃ_１、上記被測定流体の密度ρ_２、及び上記被測定流体における音速Ｃ_２が、（ρ_２／ρ_１）＜（Ｃ_１／Ｃ_２）＜１の関係を満足するように構成する。
【０１３１】
好ましい実施形態において、上記超音波振動子の数は複数であり、上記複数の超音波振動子のうちの第１の超音波振動子は、上記複数の超音波振動子のうちの第２の超音波振動子に対して超音波を出射するように配置され、上記第２の超音波振動子は、上記第１の超音波振動子に対して超音波を出射するように配置されている。
【０１３２】
好ましい実施形態において、上記伝搬媒質部は、上記超音波振動子の超音波振動面に対向する第１表面領域と、上記流路空間に対向する第２表面領域とを有しており、上記伝搬媒質部の上記第２表面領域は、上記第１表面領域に対して傾斜している。
【０１３３】
好ましい実施形態において、上記伝搬媒質部の第１表面領域は、上記流路空間内における上記被測定流体の流速方向に対して傾斜し、上記第２表面領域は、上記流路空間内における上記被測定流体の流速方向に対して平行である。
【０１３４】
好ましい実施形態において、上記伝搬媒質部の第２表面領域は、上記流量測定部の上記内壁との間で段差を実質的に形成していない。
【０１３５】
好ましい実施形態において、上記伝搬媒質部の密度ρ_１、上記伝搬媒質部と上記被測定流体との界面への超音波の入射角θ_１、上記被測定流体の密度ρ_２、及び、上記界面から上記被測定流体への上記超音波の進入角θ_２が、ρ_２／ρ_１＝ｃｏｔθ_２／ｃｏｔθ_１の関係をほぼ満足するように構成している。
【０１３６】
好ましい実施形態において、上記被測定流体は、密度ρ_２が１０ｋｇ・ｍ^−３以下の気体である。
【０１３７】
好ましい実施形態において、上記伝搬媒質部は、無機酸化物又は有機高分子の乾燥ゲルから形成されている。
【０１３８】
好ましい実施形態において、上記乾燥ゲルの固体骨格部は疎水化されている。
【０１３９】
好ましい実施形態において、上記乾燥ゲルの密度は、５００ｋｇ／ｍ^３以下であり、上記乾燥ゲルの平均細孔直径は、１００ｎｍ以下である。
【０１４０】
好ましい実施形態において、上記超音波振動子と上記伝搬媒質部との間に設けられ、上記超音波振動子と上記伝搬媒質部とを音響的に整合させる整合層を有している。
【０１４１】
好ましい実施形態において、上記被測定流体の流速方向に垂直な方向に測定した上記流速測定部における流路空間のサイズは、上記超音波の中心周波数における上記被測定流体中の波長の１／２以下である。
【０１４２】
好ましい実施形態において、上記超音波振動子は、収束音場を形成するように構成されている。
【０１４３】
好ましい実施形態において、上記伝搬媒質部の第１表面領域は、レンズ面を形成するように湾曲している。
【０１４４】
本発明による超音波流量計は、ガスの流路を規定する内壁を有する流量測定部と、上記流量測定部の内壁に囲まれた流路空間の外側に設けられ、超音波の送信及び／又は受信を行う一対の超音波振動子と、上記一対の超音波振動子の各々と上記流路空間との間に配置され、上記超音波の伝搬経路を屈折させる一対の伝搬媒質部とを備え、上記伝搬媒質部は、上記超音波振動子の超音波振動面に対向する第１表面領域と、上記流路空間に対向する第２表面領域とを有しており、上記伝搬媒質部の第１表面領域は、上記流路空間内における上記ガスの流速方向に対して傾斜し、上記第２表面領域は、上記流路空間内における上記ガスの流速方向に対してほぼ平行である。
【０１４５】
本発明者は、超音波送受波器において、適切な材料からなる伝搬媒質部を用いて超音波を適切に屈折させれば、界面における損失をほとんど発生させることなく、固体から流体（特に気体）へ超音波を伝搬させることができることを見出して、本発明を想到するに到った。
【０１４６】
本発明の第８実施形態にかかる超音波送受波器では、被測定流体の流れ方向に対して傾斜した面（第１表面領域）と、被測定流体の流れ方向にほぼ平行な面（第２表面領域）とを有する伝搬媒質部を超音波振動子と被測定流体との間に配置する。伝搬媒質部の第２表面領域は、好ましくは、流体の流れを撹乱しないように流体の流路を規定する面に整合させられている。
【０１４７】
以下、図面を参照しながら、本発明の第８実施形態を説明する。
【０１４８】
まず、図１２Ａ及び１２Ｂを参照しながら、本発明の第８実施形態による超音波流量計を説明する。図１２Ａは、上記第８実施形態における超音波流量計３１０の長手方向に沿った断面を示し、図１２Ｂは、超音波流量計３１０の長手方向と図１２ＡのＢ−Ｂ線で直交する断面を示している。
【０１４９】
図示されている超音波流量計３１０は、被測定流体の流路を規定する内壁３４０を有する管状の流量測定部３０４と、流量測定部３０４の内壁３４０に囲まれた流路空間３０９の外側に設けられ、超音波の送信及び／又は受信を行う一対の超音波送受波器（超音波振動子）３０１ａ及び３０１ｂと、超音波送受波器３０１ａ及び３０１ｂと流路空間３０９との間に配置され、超音波の伝搬経路を形成する伝搬媒質部３０３ａ、３０３ｂとを備えている。被測定流体は、流量測定部３０４の内壁３４０に囲まれた流路空間３０９の内部を矢印３０５の方向に流れるものとする。この超音波送受波器（超音波振動子）３０１ａ及び３０１ｂは、上記第１実施形態〜上記第６実施形態のいずれかの超音波送受波器である。伝搬媒質部３０３ａ、３０３ｂは、伝搬媒質部６，６Ａ，６Ｂ，６Ｃ，６Ｄ，６Ｅ，６Ｆ，６Ｇに対応する。なお、簡略化のため、ケーシングについては図示を省略している。
【０１５０】
上記第８実施形態では、超音波送受波器３０１ａの超音波放射面が被測定流体の流れ方向３０５に対して傾斜しており、超音波送受波器３０１ａから出た超音波は、流量測定部３０４の内壁に対して斜めに入射する。そして、超音波は、伝搬媒質部３０３ａと被測定流体との界面で屈折し、伝搬経路３０６を通って一方の超音波送受波器３０１ｂで受け取られる。
【０１５１】
上記第８実施形態における流路空間３０９の断面（流れ方向３０５に垂直な断面）は、図１２Ｂに示されるように矩形である。上記第８実施形態の流量測定部３０４は、部品３０４ａ及び３０４ｂをシール材３０４ｃによって固着することによって作製される。なお、流路空間３０６の形状は、図示されているものに限定されず、他の形状（例えば円形）であってもよい。
【０１５２】
伝搬媒質部３０３ａ、３０３ｂは、超音波送受波器３０１ａ及び３０１ｂの超音波振動面に対向する第１表面領域３３１と、流路空間３０９に対向する第２表面領域３３２とを有している。上記第８実施形態では、伝搬媒質部３０３ａ、３０３ｂの密度をρ_１、伝搬媒質部３０３ａ、３０３ｂの音速をＣ_１、被測定流体の密度をρ_２、被測定流体の音速をＣ_２としたとき、以下の式（８）に示す関係が満足されるように、伝搬媒質部３０３ａ、３０３ｂの材料を選択している。
（数８）
（ρ_２／ρ_１）＜（Ｃ_１／Ｃ_２）＜１ ・・・・・・・・・・（８）
【０１５３】
気体の流量を測定対象とする場合、上記条件を満足する材料を見つけることは難しい。その理由は、気体の音速Ｃ_２よりも音速Ｃ_１が小さな固体材料が少ないからである。上記第８実施形態では、上記条件を満足する伝搬媒質部３０３ａ、３０３ｂを実現するため、無機酸化物又は有機高分子の乾燥ゲルから伝搬媒質部３０３ａ、３０３ｂを形成している。上記第８実施形態で用いる乾燥ゲルの固体骨格部は疎水化されており、その密度は５００ｋｇ／ｍ^３以下である。この乾燥ゲルは、平均細孔直径が１００ｎｍ以下のナノ多孔体乾燥ゲル（ナノ多孔質乾燥ゲル）である。
【０１５４】
なお、無機酸化物の乾燥ゲルの固体骨格部は、少なくとも酸化ケイ素（シリカ）又は酸化アルミニウム（アルミナ）を成分とすることが好ましい。また、有機高分子の乾燥ゲルの固体骨格部は、一般的な熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂により構成することができる。例えば、ポリウレタン、ポリウレア、フェノール硬化樹脂、ポリアクリルアミド、又は、ポリメタクリル酸メチルなどを用いることができる。
【０１５５】
伝搬媒質部３０３ａ、３０３ｂを、例えばシリカを主成分とするナノ多孔体乾燥ゲルから形成する場合、その密度ρ_１が２００ｋｇ／ｍ^３であれば、音速Ｃ_１を１００ｍ／ｓから１８０ｍ／ｓ程度の範囲に設定することができる。非測定流体が空気である場合、空気の密度ρ_２は１．２２ｋｇ／ｍ^３、音速Ｃ_２は３４０ｍ／ｓであるので、上記の伝搬媒質部３０３ａ、３０３ｂを採用することにより、ρ_２＜ρ_１、及び、Ｃ_１＜Ｃ_２の関係を同時に満足させ、かつ、（ρ_２／ρ_１）＜（Ｃ_１／Ｃ_２）の関係を満足させることができる。天然ガスなどの気体流量を測定する場合、伝播媒質部３０３ａ、３０３ｂとしては、密度ρ_１が１００〜３００ｋｇ／ｍ^３、音速Ｃ_１が１００〜３００ｍ／ｓの範囲にあることが好ましい。
【０１５６】
超音波送受波器３０１ａ、３０１ｂは、超音波振動子として機能する圧電体を有しており、超音波の送信及び／又は受信を行うことができる。圧電体としては、圧電セラミックスが好適に用いられる。
【０１５７】
なお、上記第８実施形態の超音波流量測定装置３１０では、伝搬媒質部３０３ａと超音波送受波器３０１ａとの間に整合層３０２ａを設け、伝搬媒質部３０３ｂと超音波送受波器３０１ｂとの間に整合層３０２ｂを設けている。整合層３０２ａ、３０２ｂは、超音波送受波器３０１ａ、３０１ｂの超音波発生源である圧電セラミックス（音響インピーダンス：３０×１０^６ｋｇ・ｍ^−２・ｓ^−１））と伝搬媒質部３０３ａ、３０３ｂとの間における音響的整合を高める機能を有している。
【０１５８】
シリカを主成分とするナノ多孔体乾燥ゲル（音響インピーダンス３×１０^４ｋｇ・ｍ^−２・ｓ^−１））から伝搬媒質部３０３ａ、３０３ｂを形成する場合、音響インピーダンスが１×１０^６ｋｇ・ｍ^−２・ｓ^−１）付近の材料から作製した整合層３０２ａ、３０２ｂを採用することにより、超音波エネルギの伝搬効率をほぼ１、具体的には０．９５以上とすることができる。このような材料は、中空ガラス球を樹脂材料で固めた複合材料で実現できる。整合層３０２ａ、３０２ｂの厚さは、使用する超音波の１／４波長に設定することが好ましい。
【０１５９】
次に、図１３を参照しながら、超音波が伝搬媒質部３０３ａから被測定流体中に伝搬する様子を詳細に説明する。
【０１６０】
前述した配置関係から、超音波は、伝搬媒質部３０３ａと被測定流体との界面Ｓの法線方向から傾斜した方向に沿って界面Ｓに入射する。界面との法線方向に対する超音波の入射角をθ_１とする（０°＜θ_１＜９０°）。このとき、超音波は伝搬媒質部３０３ａと被測定流体との界面Ｓで屈折し、界面Ｓの法線方向に対する角度（進入角）θ_２で被測定流体に進入することになる（θ_１＜θ_２）。
【０１６１】
上記第８実施形態では、被測定流体のρ_２が与えられたとき、以下の式（９）の関係をほぼ満足するように各種のパラメータ（ρ_１、θ_１、及びθ_２）が設定されている。
（数９）
（ρ_２／ρ_１）＝（ｃｏｔθ_２／ｃｏｔθ_１） ・・・・・・・・・・（９）
【０１６２】
このような設定により、超音波エネルギの伝搬媒質部３０３ａから被測定流体への伝搬効率は、ほぼ１になる。このとき、入射角θ_１は次式（１０）で表される条件を満足する。
（数１０）

【０１６３】
従って、伝搬媒質部３０３ａのρ_１、Ｃ_１、及び被測定流体のρ_２、Ｃ_２が定まったならば、入射角θ_１は式（１０）によって決定される。また、入射角θ_１が決まれば、式（９）によって進入角θ_２も決定される。
【０１６４】
入射角θ_１及び進入角θ_２が定まると、伝搬媒質部３０３ａの第１表面領域３３１の傾斜角度や２つの超音波送受波器３０１ａ、３０１ｂの間隔なども決定できる。
【０１６５】
以上のことは、超音波を受け取る場合にも、そのまま適用される。
【０１６６】
上記第８実施形態では、前述した材料から伝搬媒質部３０３ａ、３０３ｂを形成することにより、伝搬媒質部３０３ａ、３０３ｂの音速Ｃ_１を１８０ｍ／ｓ、密度ρ_１を２００ｋｇ／ｍ^３に設定することができる。空気の流量を測定する場合、被測定流体（空気）の密度ρ_２は１．２２ｋｇ／ｍ^３、音速Ｃ_２は３４０ｍ／ｓであるので、式（９）及び式（１０）の関係から、入射角θ_１は３２°、進入角θ_２は８９°に設定すればよい。進入角θ_２は９０°に近いため、被測定流体中の超音波は、流れ方向３０５とほぼ平行な方向に伝搬することになる。
【０１６７】
上記第８実施形態における流量測定部３０４の内壁３４０に囲まれた流路空間３０９のサイズＨ（図１２Ａ参照）は、被測定流体における超音波の１／２波長以下、理想的には１／４波長以下に設定することが好ましい。流路空間３０９のサイズをこのような大きさに設定することにより、流路空間３０９での音波反射による伝搬モードの出現を抑制し、時間計測の制度を上げることができる。例えば、用いる超音波の波長λが４ｍｍ程度である場合、流路空間３０９のサイズＨは２ｍｍ程度に設定され得る。この場合、計測対象の最低流速が１ｍｍ／ｓ、伝搬時間の計測制度が１ｎｓ（ナノセカンド）であるとすると、超音波送受波器３０１ａ及び３０１ｂの横方向の間隔は１２０ｍｍ程度に設定され得る。
【０１６８】
上記第８実施形態によれば、伝搬媒質部３０３ａ、３０３ｂと被測定流体との界面Ｓで伝搬損失がほとんど生じないため、この界面Ｓにおいて双方の音響インピーダンスを整合させる必要はない。
【０１６９】
なお、伝搬媒質部３０３ａ、３０３ｂは、密度ρ_１及び音速Ｃ_１が全体に渡って均質な材料から構成されている必要はなく、密度ρ_１及び音速Ｃ_１が異なる複数種類の材料層が重ねられた積層構造を有していても良い。このような積層構造を有している場合、超音波は伝搬媒質部３０３ａ、３０３ｂ中を直進しない場合があるが、特に問題はない。重要な点は、伝搬媒質部３０３ａ、３０３ｂと被測定流体との界面近傍領域において、前述の式を満足するように伝搬媒質部３０３ａ、３０３ｂの密度ρ_１及び音速Ｃ並びに入射角θ_１が設定されることにある。
【０１７０】
また、図１２Ａに示されるように、超音波流量測定装置３１０は、超音波振動子８１を駆動するための送信回路７０１と、他方の超音波振動子８１により受信した超音波を増幅、帯域制限等を行う受信回路７０２と、送受信の方向を変えるための切り替え回路７０３と、受信回路７０２からの出力をもとに伝搬時間を計測する時間計測部７０４と、上記時間計測部７０４からの出力値をもとに流量を求める流量演算部７０５と、流量演算部７０５で演算された流量等を表示する表示部７０６と、計測のタイミング等を制御する制御部７０７とを備えている。よって、一方の超音波振動子３０１ａ又は３０１ｂから他方の超音波振動子３０１ｂ又は３０１ａに向けて超音波を送信し、ガスなどの被測定流体を通過した超音波が上記他方の超音波振動子３０１ｂで受信されることにより、時間計測部７０４で超音波振動子３０１ａ又は３０１ｂ間の伝搬時間を計測する。次いで、逆に、上記他方の超音波振動子３０１ｂから上記一方の超音波振動子３０１ａに向けて超音波を送信し、ガスなどの被測定流体を通過した超音波が上記一方の超音波振動子３０１ａ又は３０１ｂで受信されることにより、時間計測部７０４で超音波振動子３０１ａ，３０１ｂ間の伝搬時間を計測する。このように所定回数だけ、上記一対の超音波振動子３０１ａ，３０１ｂ間で超音波の伝搬時間を計測し、流量演算部７０５でその値を基に、ガスなどの被測定流体の流量を流量演算部７０５により算出するようにしている。よって、各超音波振動子３０１ａ，３０１ｂは送受信を行えるようにしている。ここで、上記送信回路７０１〜制御部７０７とより流量算出システムを構成している。
【０１７１】
次に、上記第８実施形態における超音波流量計の動作を説明する。
【０１７２】
まず、図１２Ｂの駆動回路を兼ねる送信回路７０１から超音波送波器３０１ａに対して、共振周波数近傍（例えば１００ｋＨｚ〜１ＭＨｚ程度）の周波数を持つ交流電圧が印加される。これにより、超音波送受波器３０１ａは、整合層３０２ａを通して伝搬媒質部３０３ａにほぼ効率１の条件で超音波を放射する。
【０１７３】
伝搬媒質部３０３ａを伝搬した音波は、伝搬媒質部３０３ａと流路空間３０９との界面で屈折し、ほぼ効率１の状態で流路空間３０９内に放射され、被測定流体の内部を伝搬する。その後、超音波は、対向する側に設けられた伝搬媒質部３０３ｂ及び整合層３０２ｂを通って超音波送受波器３０１ｂに到達する。超音波送受波器３０１ｂは、受け取った超音波を電圧に変換し、電圧信号（電気信号）を生成する。この電気信号に基づいて超音波の伝搬時間が流量演算部７０５で計測され、流速から流量に換算される方法は、従来技術と同様である。駆動回路の構成例は、特開２０００−２９８０４５号公報及び特開２０００−２９８０４７号公報に記載されている。
【０１７４】
上記第８実施形態によれば、適切な密度ρ_１及び音速Ｃ_１を示す伝搬媒質部３０３ａ、３０３ｂを設け、超音波を適切な角度に屈折させるため、物質の界面における伝搬損失をほぼ０にし、良好なＳ／Ｎ比で流量測定を達成することができる。そして、上記第８実施形態によれば、従来の超音波流量計では測定が極めて困難であった気体（例えば水素ガスなど）の流量を容易に測定することが可能になる。
【０１７５】
更に、上記第８実施形態によれば、流量計測部３０４の流路空間３０９の内部に、流れを乱す大きな凹凸や段差が存在せず、極めて安定した流量測定が可能になる。また、超音波送受波器が流路空間３０９の外側に配置されているため、超音波送受波器のサイズによらず、流路空間３０９のサイズを任意に設計できる。その結果、流路空間３０９のサイズを小さくして極少量の流量計測を行うことが可能になる。
【０１７６】
（第９実施形態）
図１４を参照しながら、本発明の第９実施形態にかかる超音波センサの一例としての超音波流量計を説明する。図１４は、上記第９実施形態における超音波流量計３２０の長手方向に沿った断面を示している。上記第９実施形態と前述の上記第８実施形態との間で共通する部材について同様の参照符号を与えている。
【０１７７】
以下、上記第９実施形態の超音波流量計３２０に特徴的な点を説明し、上記第８実施形態における超音波流量計３１０と同様の部分については説明を省略する。
【０１７８】
上記第９実施形態の超音波流量計３２０では、超音送受波器３０１ａ、３０１ｂが収束音場を形成するように構成されている。具体的には、伝搬媒質部３０８ａ、３０８ｂの第１表面領域がレンズ面を形成するように湾曲している。これに伴って、整合層３０８における被測定流体側の表面が凹面型になっている。このような構成により、超音波送受波器３０１ａから送波された超音波は伝搬媒質部３０８ａ内で収束することになる。この収束効果により、同一性能の超音波振動子を用いて、より大きな音圧で超音波の送受波が可能になるため、Ｓ／Ｎ比を更に向上させることができる。
【０１７９】
以上説明してきた上記第８，９実施形態では、いずれも、伝搬媒質部の第１表面領域３３１は、流路空間３０９における被測定流体の流速方向３０５に対して傾斜し、第２表面領域３３２は、流路空間３０９における被測定流体の流速方向３０５に対して平行であるが、本発明は、このような構成に限定されるわけではない。例えば、図１５Ａに示すように、伝搬媒質部３０３ａ、３０３ｂの第２表面領域３３２が流路空間３０９における被測定流体の流速方向３０５に対して傾斜するような構成を採用しても良い。このような構成によれば、２つの超音波送受波器の間隔を短縮することができる。ただし、図１５Ａの構成では、流量測定部３０４の内壁３４０と伝搬媒質部３０３ａ、３０３ｂの第２表面領域３３２との間に段差が形成されている。この段差を低減又は解消するためには、例えば、図１５Ｂや図１５Ｃに示すように流量測定部３０４の内壁３４０の一部に傾斜面を形成し、その傾斜面を伝搬媒質部３０３ａ、３０３ｂの第２表面領域３３２と整合させればよい。
【０１８０】
伝搬媒質部３０３ａ、３０３ｂの第２表面領域３３２は、流量測定部３０４の内壁３４０との間で段差を実質的に形成していないことが好ましいが、流れの乱れが大きな問題にならない場合は、図１６Ａ，１６Ｂに示すような段差又は凹凸が存在しても良い。
【０１８１】
上記いずれの上記第８，９実施形態でも、一対の超音波送受波器の構成を実質的に同一なものとし、１８０°の回転対称な配置構成を採用しているが、本発明は、このような構成に限定されない。一対の超音波送受波器の一方については、上記第８，９実施形態における構成を適用し、他方の超音波送受波器については、異なる構成（例えば図１５Ａ〜１５Ｃに示す構成）を与えてもよい。また、上記第８，９実施形態では、超音波振動子を超音波送受波器として用いることより、超音波の送信だけではなく受信をも同じ超音波振動子によって行っているが、本発明の上記第８，９実施形態はこのような構成に限定されない。送波用及び受波用として、別々の超音波振動子を用いても良い。
【０１８２】
本発明の上記第８，９実施形態によれば、被測定流量中へ超音波を伝播する際の損失をほぼゼロに低減することができるため、気体を含む種々の流体の流量を高感度で測定することができる。
【０１８３】
また、本発明の上記第８，９実施形態によれば、流路内部に段差や凹凸を設ける必要がなくなるので、被測定流体の流れを乱すことなく、極少量の流量計測にも対応できる。
【０１８４】
本発明によれば、超音波の送信及び／又は受信を行う超音波送振動子と、超音波の伝搬経路を形成する伝搬媒質部とを備え、伝搬媒質部の密度ρ_１及び音速Ｃ_１、並びに周囲空間を満たす流体の密度ρ_２及び音速Ｃ_２の相互関係が適切に設定され、かつ超音波を適切な角度に屈折させることにより、周囲空間を満たす流体へ超音波を放射する際の損失をほぼゼロに低減でき、また／あるいは周囲空間を満たす流体から超音波の入射を受ける際の損失をほぼゼロに低減することができるため、気体を含む種々の流体に対して高効率な送受波が可能となる。また、流体が気体の場合には、超音波送受波器の送受波面に対してほぼ水平（平行）に送受波が可能であり、各種の応用展開に利用できる。
【０１８５】
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。
【０１８６】
本発明は、添付図面を参照しながら好ましい実施形態に関連して充分に記載されているが、この技術の熟練した人々にとっては種々の変形や修正は明白である。そのような変形や修正は、添付した請求の範囲による本発明の範囲から外れない限りにおいて、その中に含まれると理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
本発明のこれらと他の目的と特徴は、添付された図面についての好ましい実施形態に関連した次の記述から明らかになる。
【図１Ａ】本発明の第１実施形態にかかる超音波送受波器の概観の斜視図である。
【図１Ｂ】上記第１実施形態の超音波送受波器の長手方向に直交する図１ＡのＢ−Ｂ線断面図である。
【図２】上記超音波送受波器の伝搬媒質部と周囲空間の流体との界面における超音波の屈折を示す断面図である。
【図３Ａ】本発明の第２実施形態による超音波送受波器の概観の斜視図である。
【図３Ｂ】上記第２実施形態の超音波送受波器の円筒中心線上の断面図である。
【図３Ｃ】上記第２実施形態の超音波送受波器の超音波振動子の電極構造の一例を示した斜視図である。
【図４Ａ】本発明の第３実施形態による１つの超音波送受波器の概観の斜視図である。
【図４Ｂ】上記第３実施形態の図４Ａの超音波送受波器の円筒中心線上の断面図である。
【図５Ａ】本発明の上記第３実施形態による他の超音波送受波器の概観の斜視図である。
【図５Ｂ】上記第３実施形態の図５Ａの超音波送受波器の円筒中心線上の断面図である。
【図６Ａ】本発明の第４実施形態にかかる超音波送受波器の概観の斜視図である。
【図６Ｂ】上記第４実施形態の超音波送受波器の円筒中心線上の断面図である。
【図６Ｃ】上記第４実施形態における別の円筒形の超音波送受波器の中心軸を含む断面図である。
【図６Ｄ】上記第４実施形態の超音波送受波器の超音波振動子の電極面の一例を示す斜視図である。
【図７】本発明の第５実施形態にかかる超音波送受器の一部断面斜視図である。
【図８Ａ】本発明の第６実施形態にかかる超音波送受器の概観図である。
【図８Ｂ】本発明の第６実施形態にかかる超音波送受器の概観図である。
【図９Ａ】本発明の第７実施形態にかかる超音波送受器をそれぞれ異なる分野に適用した場合の説明図である。
【図９Ｂ】本発明の第７実施形態にかかる超音波送受器をそれぞれ異なる分野に適用した場合の説明図である。
【図９Ｃ】本発明の第７実施形態にかかる超音波送受器をそれぞれ異なる分野に適用した場合の説明図である。
【図１０】従来の超音波送受波器の断面図である。
【図１１】従来の他の超音波送受波器の断面図である。
【図１２Ａ】本発明の第８実施形態にかかる超音波流量計の長手方向に沿った断面図、第８実施形態の超音波流量計の長手方向に直交する、図１２ＡのＢ−Ｂ線断面図である。
【図１２Ｂ】本発明の第８実施形態にかかる超音波流量計の長手方向に沿った断面図、第８実施形態の超音波流量計の長手方向に直交する、図１２ＡのＢ−Ｂ線断面図である。
【図１３】伝搬媒質部と被測定流体との界面における超音波の屈折を示す図である。
【図１４】本発明の第９実施形態による超音波流量計の断面図である。
【図１５Ａ】本発明の第８，９実施形態の変形例にかかる超音波流量計の断面図である。
【図１５Ｂ】本発明の第８，９実施形態の変形例にかかる超音波流量計の断面図である。
【図１５Ｃ】本発明の第８，９実施形態の変形例にかかる超音波流量計の断面図である。
【図１６Ａ】本発明の第８，９実施形態の他の変形例にかかる超音波流量計の断面図である。
【図１６Ｂ】本発明の第８，９実施形態の他の変形例にかかる超音波流量計の断面図である。
【図１７】従来の超音波流量計の断面図である。

Claims (27)

1. 流体で満たされた周囲空間に対して超音波の送信又は受信を行う超音波センサであって、
   超音波振動子と、
   上記超音波振動子と上記周囲空間との間に配置され、上記超音波の伝搬経路を形成する伝搬媒質部とを備え、
   上記伝搬媒質部の密度ρ _１ 、上記伝搬媒質部における音速Ｃ _１ 、上記空間を満たす流体の密度ρ _２ 、及び上記空間を満たす流体における音速Ｃ _２ が、（ρ _２ ／ρ _１ ）＜（Ｃ _１ ／Ｃ _２ ）＜１の関係を満足するように構成する超音波センサ。
2. 上記伝搬媒質部は、上記超音波振動子の超音波振動面に対向する第１表面領域と、上記周囲空間を満たす流れに対向する第２表面領域とを有しており、上記伝搬媒質部の上記第２表面領域は、上記第１表面領域に対して傾斜している請求項１に記載の超音波センサ。
3. 流体で満たされた周囲空間に対して超音波の送信又は受信を行う超音波センサであって、
   超音波振動子と、
   上記超音波振動子と上記周囲空間との間に配置され、上記超音波の伝搬経路を形成する伝搬媒質部と、
   上記伝搬媒質部に接して配置され上記超音波の伝搬経路を制御する反射体とを備え、
   上記伝搬媒質部の密度ρ _１ 、上記伝搬媒質部における音速Ｃ _１ 、上記空間を満たす流体の密度ρ _２ 、及び上記空間を満たす流体における音速Ｃ _２ が、（ρ _２ ／ρ _１ ）＜（Ｃ _１ ／Ｃ _２ ）＜１の関係を満足するように構成する超音波センサ。
4. 上記伝搬媒質部は、上記超音波振動子の超音波振動面に対向する第１表面領域と、上記周囲空間を満たす流れに対向する第２表面領域と、上記超音波の伝搬経路の上記第１表面領域と上記第２表面領域との間に配置され、上記反射体と接する少なくとも１つの第３表面領域を有しており、上記伝搬媒質部の上記第２表面領域は、上記第１表面領域及び上記第３表面領域のうち少なくとも１つの領域に対して傾斜している請求項３に記載の超音波センサ。
5. 上記伝搬媒質部の密度ρ _１ 、上記伝搬媒質部と上記周囲空間を満たす流体との界面への超音波の入射角θ _１ 、上記周囲空間を満たす流体の密度ρ _２ 、及び、上記界面から上記周囲空間を満たす流体への上記超音波の進入角θ _２ が、ρ _２ ／ρ _１ ＝ｃｏｔθ _２ ／ｃｏｔθ _１ の関係をほぼ満足するように構成する請求項１〜４のいずれか１つに記載の超音波センサ。
6. 上記伝搬媒質部は、無機酸化物の乾燥ゲル又は有機高分子の乾燥ゲルから形成されている請求項１〜４のいずれか１つに記載の超音波センサ。
7. 上記乾燥ゲルの固体骨格部は疎水化されている請求項５に記載の超音波送センサ。
8. 上記乾燥ゲルの密度は、５００ｋｇ／ｍ ^３ 以下であり、上記乾燥ゲルの平均細孔直径は、１００ｎｍ以下である請求項６に記載の超音波センサ。
9. 上記超音波振動子と上記伝搬媒質部との間に設けられ、上記超音波振動子と上記伝搬媒質部とを音響的に整合させる音響整合層を有している請求項１〜４のいずれか１つに記載の超音波センサ。
10. 上記周囲空間を満たす流体は、密度ρ _２ が１０ｋｇ／ｍ ^３ 以下の気体である請求項１〜４のいずれか１つに記載の超音波センサ。
11. 上記超音波の送波又は受波方向が、上記第２表面領域にほぼ平行である請求項１〜４のいずれか１つに記載の超音波センサ。
12. 被測定流体の流路を規定する内壁を有する流量測定部と、
    上記流量測定部の内壁に囲まれた流路空間の外側に設けられ、超音波の送信又は受信を行う少なくとも１つの超音波振動子と、
    上記超音波振動子と上記流路空間との間に配置され、上記超音波の伝搬経路を形成する 伝搬媒質部と、
    を備えた超音波流量計であって、
    上記伝搬媒質部の密度ρ _１ 、上記伝搬媒質部における音速Ｃ _１ 、上記被測定流体の密度ρ _２ 、及び上記被測定流体における音速Ｃ _２ が、（ρ _２ ／ρ _１ ）＜（Ｃ _１ ／Ｃ _２ ）＜１の関係を満足するように構成する超音波流量計。
13. 上記超音波振動子の数は複数であり、
    上記複数の超音波振動子のうちの第１の超音波振動子は、上記複数の超音波振動子のうちの第２の超音波振動子に対して超音波を出射するように配置され、
    上記第２の超音波振動子は、上記第１の超音波振動子に対して超音波を出射するように配置されている、請求項１２に記載の超音波流量計。
14. 上記伝搬媒質部は、上記超音波振動子の超音波振動面に対向する第１表面領域と、上記流路空間に対向する第２表面領域とを有しており、
    上記伝搬媒質部の上記第２表面領域は、上記第１表面領域に対して傾斜している請求項１２又は１３に記載の超音波流量計。
15. 上記伝搬媒質部の第１表面領域は、上記流路空間内における上記被測定流体の流速方向に対して傾斜し、上記第２表面領域は、上記流路空間内における上記被測定流体の流速方向に対して平行である請求項１４に記載の超音波流量計。
16. 上記伝搬媒質部の第２表面領域は、上記流量測定部の上記内壁との間で段差を実質的に形成していない、請求項１４又は１５に記載の超音波流量計。
17. 上記伝搬媒質部の密度ρ _１ 、上記伝搬媒質部と上記被測定流体との界面への超音波の入射角θ _１ 、上記被測定流体の密度ρ _２ 、及び、上記界面から上記被測定流体への上記超音波の進入角θ _２ が、
    ρ _２ ／ρ _１ ＝ｃｏｔθ _２ ／ｃｏｔθ _１ の関係をほぼ満足するように構成する請求項１２〜１５のいずれかに記載の超音波流量計。
18. 上記被測定流体は、密度ρ _２ が１０ｋｇ・ｍ ^−３ 以下の気体である請求項１２〜１５のいずれかに記載の超音波流量計。
19. 上記伝搬媒質部は、無機酸化物又は有機高分子の乾燥ゲルから形成されている請求項１２〜１５のいずれかに記載の超音波流量計。
20. 上記乾燥ゲルの固体骨格部は疎水化されている請求項１９に記載の超音波流量計。
21. 上記乾燥ゲルの密度は、５００ｋｇ／ｍ ^３ 以下であり、
    上記乾燥ゲルの平均細孔直径は、１００ｎｍ以下である請求項２０に記載の超音波流量計。
22. 上記超音波振動子と上記伝搬媒質部との間に設けられ、上記超音波振動子と上記伝搬媒質部とを音響的に整合させる整合層を有している請求項１２〜１５のいずれかに記載の超音波流量計。
23. 上記被測定流体の流速方向に垂直な方向に測定した、上記流速測定部における流路空間のサイズは、上記超音波の中心周波数における上記被測定流体中の波長の１／２以下である請求項１２〜１５のいずれかに記載の超音波流量計。
24. 上記超音波振動子は、収束音場を形成する請求項１２〜１５のいずれかに記載の超音波流量計。
25. 上記伝搬媒質部の第１表面領域は、レンズ面を形成するように湾曲している請求項２３に記載の超音波流量計。
26. ガスの流路を規定する内壁を有する流量測定部と、
    上記流量測定部の内壁に囲まれた流路空間の外側に設けられ、超音波の送信又は受信を行う一対の超音波振動子と、
    上記一対の超音波振動子の各々と上記流路空間との間に配置され、上記超音波の伝搬経路を屈折させる一対の伝搬媒質部と、
    を備え、
    上記伝搬媒質部は、上記超音波振動子の超音波振動面に対向する第１表面領域と、上記 流路空間に対向する第２表面領域とを有しており、
    上記伝搬媒質部の第１表面領域は、上記流路空間内における上記ガスの流速方向に対して傾斜し、上記第２表面領域は、上記流路空間内における上記ガスの流速方向に対してほぼ平行である超音波流量計。
27. 請求項１２〜１５のいずれかに記載の超音波流量計と、
    上記超音波流量計に被測定流体を供給する管と、
    上記超音波流量計によって測定された流量を表示する表示部と、
    を備えた装置。

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