JP6988240B2

JP6988240B2 - 超音波装置

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Publication number: JP6988240B2
Application number: JP2017149707A
Authority: JP
Inventors: 雄基花村; 敏廣齋藤
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2017-08-02
Filing date: 2017-08-02
Publication date: 2022-01-05
Anticipated expiration: 2037-08-02
Also published as: JP2019027982A

Description

本発明は、超音波装置に関するものである。

超音波装置から超音波を射出して被測定物までの距離を測定する装置が活用されている。超音波装置では超音波素子が被測定物に向けて超音波を発信する。被測定物で反射した超音波の一部は超音波素子に戻り、受信できる。このとき、超音波素子は反射した超音波を受信する。超音波装置は超音波を発信してから受信するまでの時間に超音波の速度を乗算して２で除算する演算を行い、超音波素子と被測定物との間の距離を求める。

このような超音波装置が特許文献１に開示されている。それによると、超音波の速度は気温、気圧、湿度等により変化する。そこで、超音波素子との距離が自明の反射部を用意する。そして、超音波素子と反射部との間を超音波が進行する時間を検出する。これにより、超音波の速度を検出できる。次に、超音波素子と被測定物との間を超音波が進行する時間を検出する。これにより、超音波素子と被測定物との間の距離を精度良く検出できる。

この超音波装置では、超音波素子から円錐形の範囲に超音波が発信され、その円錐形の範囲のなかに反射部が設置されていた。また、超音波素子を２つ、反射部を２つそれぞれ備えていた。これにより、１つの超音波素子が発信した超音波は２つの反射部で反射して他方の超音波素子が受信し、超音波が２つの超音波素子の間を進行する距離を長くした。

特開平６−１１８１６７号公報

特許文献１の超音波装置は超音波素子から円錐形の範囲に超音波が発信していた。従って、超音波装置が測定する円錐形の測定範囲内に反射部を設置する必要があった。また、超音波素子と反射部との距離は所定の距離が必要であり、超音波素子と反射部との距離が短いと測定精度が低下する。

従って、反射部は超音波素子から被測定物に向かって所定の距離だけ離れた場所に設置されていた。超音波装置を被測定物に接近させると被測定物が反射部と干渉する。そのため、超音波装置が測定可能な範囲のうち超音波素子に近い場所と超音波素子との間の距離は超音波素子と反射部との間の距離より長い距離に限定されていた。そこで、超音波素子と反射部との距離を短くできる超音波装置が望まれていた。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。

［適用例１］
本適用例にかかる超音波装置は、超音波を発信して反射した超音波を受信する複数の超音波素子が配列した超音波アレイと、前記超音波素子から所定の距離離れた位置に配置され、前記超音波素子が発信した超音波を反射する反射部と、超音波が前記超音波アレイと前記反射部との間を進行した第１の時間を測定するタイマーと、前記超音波素子及び前記タイマーと接続された制御部と、を備え、前記制御部は、前記超音波素子が発信する超音波の位相を制御して各前記超音波素子が発信する超音波が合成された合成波の進行方向を制御し、各前記超音波素子が発信する超音波が同相のときに前記合成波が進行する方向を第１方向とするとき、前記合成波を前記第１方向と交差する方向に進行させて前記合成波を前記反射部に照射し、前記タイマーの測定結果に基づき超音波の速度を算出することを特徴とする。

本適用例によれば、超音波装置は超音波アレイ、反射部、タイマー及び制御部を備えている。超音波アレイには複数の超音波素子が配列している。この超音波素子は超音波を発信し反射した超音波を受信する。反射部は超音波素子から所定の距離離れた位置に配置されている。そして、超音波素子が発信した超音波を反射部が反射する。超音波が超音波アレイと反射部との間を進行する時間をタイマーが測定する。超音波素子及びタイマーは制御部と接続されている。そして、タイマーは超音波の移動時間を測定し、制御部はタイマーの測定結果に基づき超音波の速度を算出する。

各超音波素子が超音波を発信し、発信された超音波が合成されて合成波になる。制御部は超音波素子が発信する超音波の位相を制御することにより、合成波の進行方向を制御する。各超音波素子が発信する超音波が同相のときに合成波が進行する方向が第１方向である。制御部は合成波を第１方向と交差する方向に進行させる。そして、合成波の進行先には反射部が位置するので合成波は反射部を照射する。合成波は反射部で反射して進行方向が変わり、超音波アレイに向かって進行する。

超音波の進行方向が第１方向と交差する角度が大きくなる程、第１方向における超音波アレイと反射部との距離を短くできる。そして、超音波装置は超音波アレイが超音波を合成波にして発信する。従って、超音波アレイでなく１つの超音波素子から発信するときに比べて、超音波の進行方向と第１方向とがなす角度を大きくできる。その結果、超音波アレイと反射部との距離を短くできる。

［適用例２］
上記適用例にかかる超音波装置において、前記超音波アレイの一方の端から発信された前記合成波を前記反射部が前記超音波アレイの他方の端に向けて反射することを特徴とする。

本適用例によれば、超音波アレイは一方の端から合成波を反射部に向けて発信する。そして、反射部は超音波アレイの他方の端に向けて合成波を反射する。このとき、超音波アレイが発信した場所に向けて反射部が合成波を反射するときに比べて、合成波が進行する距離を長くできる。合成波が進行する距離が長い方が短いときに比べてＳＮ比を良くすることができる。従って、精度良く超音波の速度を測定できる。

［適用例３］
上記適用例にかかる超音波装置において、前記反射部は複数の場所に設置され、前記反射部は前記超音波アレイから発信された前記合成波を複数回反射させた後で前記超音波アレイに向けて反射することを特徴とする。

本適用例によれば、反射部は複数の場所に設置されている。そして、反射部は超音波アレイから発信された合成波を複数回反射させた後で超音波アレイに向けて反射する。つまり、複数の反射部間を合成波が進行する。これにより、合成波が進行する距離を長くできる。合成波が進行する距離が長い方が短いときに比べてＳＮ比を良くすることができる。従って、精度良く超音波の速度を測定できる。

［適用例４］
上記適用例にかかる超音波装置において、前記超音波素子が並ぶ第２方向において前記反射部は前記超音波アレイと対向する場所の外側に位置し、前記超音波アレイの中央の中央点から前記第１方向に伸びる線を第１方向線とし、前記中央点を通って前記第２方向に伸びる線を第２方向線とし、前記第１方向線と所定の境界線角度θで交差する線を境界線とするとき、前記反射部は前記境界線と前記第２方向線との間に位置し、前記境界線角度θは、超音波の音速をｃ、超音波の周波数をｆ、前記超音波アレイにおける前記超音波素子のピッチをｐとするとき、θ＝ａｒｃｓｉｎ（ｃ／（ｆ・ｐ）−１）であることを特徴とする。

本適用例によれば、反射部は超音波素子が並ぶ第２方向において超音波アレイと対向する場所の外側に位置する。超音波装置が超音波を照射する被測定物は超音波アレイの第１方向に配置される。このとき、反射部は超音波アレイと被測定物との間の場所には設置されていない。従って、超音波アレイから被測定物に向けて超音波を確実に照射できる。

第１方向線は超音波アレイの中央から第１方向に伸びる線である。そして、境界線は第１方向線と所定の境界線角度θで交差する線である。超音波の音速をｃ、超音波の周波数をｆ、超音波アレイの超音波素子のピッチをｐとするとき、境界線角度θは次式で示される。θ＝ａｒｃｓｉｎ（ｃ／（ｆ・ｐ）−１）。

超音波アレイが合成波を進行させる方向が境界線より第１方向線側にあるとき、合成波の波数が複数であるときにもピークを１つに限定できる。反射部は境界線と第２方向線との間に位置しているので、反射部は境界線より第１方向線側にない。従って、境界線より第１方向線側の被測定物に対してピークを１つに限定した合成波を確実に照射できる。

［適用例５］
上記適用例にかかる超音波装置において、前記タイマーは、超音波が前記超音波アレイと被測定物との間を進行した第２の時間を測定し、前記制御部は、前記反射部を反射させた超音波から算出した前記超音波の速度と、前記第２の時間と、を用いて前記超音波アレイと被測定物との距離を測定することを特徴とする。

本適用例によれば、タイマーは超音波アレイから発信された合成波が被測定物に反射して超音波アレイに到着する時間を測定する。そして、制御部は超音波アレイと被測定物との距離を測定する。このとき、超音波の速度には反射部を反射させた超音波から算出した速度を用いている。従って、超音波装置は被測定物に接触することなく精度良く超音波アレイと被測定物との距離を測定できる。

［適用例６］
上記適用例にかかる超音波装置において、前記超音波アレイは前記超音波素子がマトリックス状に配置されていることを特徴とする。

本適用例によれば、超音波アレイは超音波素子がマトリックス状に配置されている。従って、超音波アレイは合成波を２次元方向に発信できる。その結果、超音波装置は超音波アレイの中央と超音波アレイに対して所定の２次元方向に位置する被測定物との距離を測定できる。

［適用例７］
本適用例にかかる超音波装置は、超音波を発信して反射した超音波を受信する複数の超音波素子が配列した超音波アレイと、前記超音波素子から所定の距離離れた位置に配置され、前記超音波素子が発信した超音波を反射する反射部と、超音波が前記超音波アレイと前記反射部との間を進行した第１の時間を測定するタイマーと、を備え、前記反射部は、前記超音波素子が並ぶ第２方向において前記超音波アレイと対向する場所の外側に位置し、前記超音波アレイの中央の中央点から前記第２方向と直交する第１方向に伸びる線を第１方向線とし、前記中央点を通って前記第２方向に伸びる線を第２方向線とし、前記第１方向線と所定の境界線角度θで交差する線を境界線とするとき、前記反射部は前記境界線と前記第２方向線との間に位置し、前記境界線角度θは、超音波の音速をｃ、超音波の周波数をｆ、前記超音波アレイにおける前記超音波素子のピッチをｐとするとき、θ＝ａｒｃｓｉｎ（ｃ／（ｆ・ｐ）−１）であることを特徴とする。

本適用例によれば、超音波装置は超音波アレイ、反射部、及びタイマーを備えている。超音波アレイには複数の超音波素子が配列している。この超音波素子は超音波を発信し反射した超音波を受信する。反射部は超音波素子から所定の距離離れた位置に配置されている。そして、超音波素子が発信した超音波を反射部が反射する。超音波が超音波アレイと反射部との間を進行する時間をタイマーが測定する。超音波の移動距離は既知なのでタイマーの測定結果に基づき超音波の速度を算出できる。

各超音波素子が発信する超音波は合成されて合成波になる。超音波素子が発信する超音波は位相を調整することにより、合成波を所定の方向に進行させることができる。各超音波素子が発信する超音波が同相のときに合成波が進行する方向は超音波素子が並ぶ方向と直交する第１方向である。合成波は第１方向と交差する方向に進行する。そして、合成波の進行先には反射部が位置するので合成波は反射部を照射する。合成波は反射部で反射して進行方向が変わり、超音波アレイに向かって進行する。

超音波の進行方向が第１方向と交差する角度が大きくなる程、第１方向における超音波アレイと反射部との距離を短くできる。そして、超音波アレイは超音波を合成波にして発信する。従って、超音波アレイでなく１つの超音波素子から発信するときに比べて、超音波の進行方向と第１方向とがなす角度を大きくできる。その結果、超音波アレイと反射部との距離を短くできる。

反射部は超音波素子が並ぶ第２方向において超音波アレイと対向する場所の外側に位置する。超音波アレイが超音波を照射する被測定物は超音波アレイの第１方向に配置される。このとき、反射部は超音波アレイと被測定物との間の場所には設置されていない。従って、超音波アレイから被測定物に向けて超音波を確実に照射できる。

超音波アレイが合成波を進行させる方向が境界線より第１方向線側にあるとき、合成波が複数の波数からなるときにも音圧のピークを１つに限定できる。反射部は境界線と第２方向線との間に位置しているので、反射部は境界線より第１方向線側にない。従って、境界線より第１方向線側の被測定物に対してピークを１つに限定した合成波を確実に照射できる。

第１の実施形態に係わる超音波装置の構造を示す概略斜視図。超音波プローブの構成を示す模式側断面図。合成波の形成を説明するための模式図。合成波の形成を説明するための模式図。超音波プローブの測定範囲を説明するための模式図。被測定物と超音波プローブとの距離を測定する方法を説明するための模式図。被測定物と超音波プローブとの距離を測定する方法を説明するための模式図。超音波アレイの断面構造を示す模式側断面図。超音波素子の構造を示す模式平面図。超音波アレイの構造を示す模式平面図。超音波装置の電気制御ブロック図。測定方法のフローチャート。第２の実施形態に係わる超音波の集音方法を説明するための模式図。グレーティングローブを説明するための模式図。反射部を設置する範囲を説明するための模式図。グレーティングローブの発生を説明するための図。第３の実施形態に係わる超音波の進路を説明するための模式図。第４の実施形態に係わる超音波の進路を説明するための模式図。第５の実施形態に係わる超音波の進路を説明するための模式図。第６の実施形態に係わる超音波の進路を説明するための模式図。

以下、実施形態について図面に従って説明する。
尚、各図面における各部材は、各図面上で認識可能な程度の大きさとするため、各部材毎に縮尺を異ならせて図示している。

（第１の実施形態）
本実施形態では、超音波装置と、この超音波装置を用いて距離を測定する、距離測定方法との特徴的な例について、図に従って説明する。第１の実施形態にかかわる超音波装置について図１〜図１２に従って説明する。図１は、超音波装置の構造を示す概略斜視図である。図１に示すように、超音波装置１は超音波プローブ２及び本体部３を備え、超音波プローブ２と本体部３とはフラットケーブル４により電気的に接続されている。

超音波プローブ２は有底角筒状の筐体５を備えている。筐体５の厚み方向をＺ方向とする。Ｚ方向からみるとき、筐体５は正方形である。この正方形の隣り合う２辺が伸びる方向をＸ方向及びＹ方向とする。Ｘ方向、Ｙ方向及びＺ方向は互いに直交する方向になっている。

筐体５の内部には底の部分に超音波素子基板６が設置され、超音波素子基板６には超音波アレイ７が設置されている。超音波アレイ７では複数の超音波素子がマトリックス状に配列されている。超音波素子は超音波を発信して反射した超音波を受信する。超音波素子基板６は平板状である。超音波アレイ７を構成する各超音波素子が発信する超音波が同相のときに合成波が進行する方向を第１方向８とする。第１方向８はＺ方向と同じ方向であり、超音波素子が並ぶ方向と直交する。筐体５内部で筒の部分には反射部９が設置されている。反射部９は超音波素子から所定の距離離れた位置に配置されている。そして、反射部９は超音波素子が発信した超音波を反射する。

本体部３の外観は長方形の板状であり、本体筐体１０に入力装置１１及び表示装置１２が設置されている。入力装置１１はプッシュスイッチであり、操作者が電源のオンオフ、測定開始、初期設定等の各種の指示をするためのスイッチである。表示装置１２は測定結果や測定に係わる情報を表示する装置である。表示装置１２には液晶表示装置、有機エレクトロルミネッセンスディスプレイ、プラズマディスプレイ、表面電界ディスプレイを用いることができる。

本体筐体１０の内部には制御部１３が設置されている。制御部１３は超音波アレイ７の制御、表示装置１２の制御等各種の制御の他、各種の演算を行う。

図２は超音波プローブの構成を示す模式側断面図であり、図１のＡＡ線に沿う面側から見た図である。図２に示すように、超音波プローブ２では筐体５の内部の底面５ａに超音波素子基板６が設置されている。筐体５では＋Ｚ方向側の部分が内側に突出している。そして、突出した部分に反射部９が設置されている。反射部９は超音波素子基板６の方向を向いて配置されている。

超音波装置１は被測定物との距離を測定するまえに超音波１４の進行速度を測定する。超音波１４の速度は温度、気圧、湿度等により変動する。そして、被測定物との距離を精度良く測定するためには超音波１４の正確な速度を測定する必要がある。

超音波１４の速度を測定するとき、既知の距離を超音波１４が進行するのにかかる時間を測定する。そして、既知の距離をこの測定した時間で除算することで超音波１４の速度を測定する。

制御部１３が超音波アレイ７に超音波１４を発信させる場所を発信点７ａとする。発信点７ａから発信された超音波１４は反射部９で反射して超音波アレイ７に到達する。超音波１４が到達する超音波アレイ７上の場所を到達点７ｂとする。発信点７ａは既知であり、超音波１４が進行する進路及び到達点７ｂも既知である。従って、発信点７ａから到達点７ｂの間を超音波１４が進行する進路の距離は既知である。制御部１３は発信点７ａと到達点７ｂとの間を進行するのにかかる時間を測定する。そして、制御部１３は、超音波１４が進行する進路の距離をこの測定した時間で除算することにより超音波１４の速度を算出する。

制御部１３は発信点７ａの複数の超音波素子から超音波１４を発信させる。このとき、制御部１３は超音波素子が発信する超音波１４の位相を制御する。そして、各超音波素子が発信する超音波１４が合成された合成波１５の進行方向を制御部１３が制御する。制御部１３は合成波１５を第１方向８と交差する方向に進行させて合成波１５を反射部９に照射する。

合成波１５は反射部９で反射して進行方向が変わり、超音波アレイ７に向かって進行する。合成波１５の進行方向が第１方向８と交差する角度が大きくなる程、第１方向８における超音波アレイ７と反射部９との距離を短くできる。そして、超音波プローブ２では超音波アレイ７が超音波１４を合成波１５にして発信する。従って、超音波アレイ７でなく１つの超音波素子から発信するときに比べて、超音波１４の進行方向と第１方向とがなす角度を大きくできる。その結果、超音波アレイ７と反射部９との距離を短くできる。

超音波アレイ７の一方の端にある発信点７ａから発信された合成波１５を反射部９が超音波アレイ７の他方の端にある到達点７ｂに向けて反射する。このとき、超音波アレイ７が発信した発信点７ａに向けて反射部９が合成波１５を反射するときに比べて、合成波１５が進行する距離を長くできる。合成波１５の進行する距離は長い方が短いときに比べてＳＮ比（ｓｉｇｎａｌ−ｎｏｉｓｅｒａｔｉｏ）を良くすることができる。従って、精度良く超音波１４の速度を測定できる。

図３は合成波の形成を説明するための模式図である。図３に示すように、超音波素子基板６上には超音波素子１６が並べて設置され超音波アレイ７を形成している。超音波素子１６はＸ方向においてもＹ方向においても等間隔で配列している。超音波アレイ７のうち８個の超音波素子１６から超音波１４を発信する例を説明する。尚、合成波１５を形成する超音波素子１６の個数は特に限定されない。

超音波アレイ７には図中右側から第１素子１６ａ〜第８素子１６ｈの超音波素子１６が並んでいる。第１素子１６ａ〜第８素子１６ｈは超音波アレイ７の配列の一部である。制御部１３はまず第１素子１６ａから第１超音波１４ａを発信させる。次に、一定の時間間隔をあけて第２超音波１４ｂ〜第８超音波１４ｈを発信する。第１超音波１４ａ〜第８超音波１４ｈの各超音波１４は半径が等速度で広がるように円を描いて進行する。

第１超音波１４ａから第８超音波１４ｈまで順に発信された後で、所定の時間が経た後の状態は次のようになっている。第１超音波１４ａは１番先に発信されたので、第１素子１６ａから最も離れた場所に到達する。第８超音波１４ｈは１番後に発信されたので、第８素子１６ｈに近い場所に到達する。

そして、第１超音波１４ａ〜第８超音波１４ｈは発信元からの距離が徐々に短くなっている。そして、第１素子１６ａ〜第８素子１６ｈは直線に沿って並んでいる。このとき、第１超音波１４ａ〜第８超音波１４ｈの接線が直線になって進行する。この接線が合成波１５である。合成波１５の進行方向を合成波方向１５ａとする。合成波方向１５ａと第１方向８が成す進行角度１５ｂは超音波素子１６の間隔が短い程大きくなる。そして、進行角度１５ｂは各超音波素子１６が超音波１４を発信する間隔が長くなる程大きくなる。

超音波素子１６の間隔は一定に設定されている。制御部１３は各超音波素子１６が超音波１４を発信する間隔を調整することにより進行角度１５ｂを制御する。超音波アレイ７から反射部９に向かって超音波１４を発信するとき、制御部１３は各超音波素子１６が超音波１４を発信する間隔を調整する。超音波アレイ７に対する反射部９の位置は既定の位置である。従って、制御部１３は超音波アレイ７から反射部９に向けて確実に超音波１４を発信できる。

図４は合成波の形成を説明するための模式図である。図４に示すように、超音波素子基板６の表面は平面であり、超音波素子１６は超音波素子基板６の表面に沿って配置されている。超音波素子１６が並ぶ方向を第２方向１７とする。被測定物が超音波プローブ２の第１方向８側に位置し、被測定物と超音波プローブ２との距離を測定するときには複数の超音波素子１６から同時に合成波１５を発信する。このとき、合成波１５は第２方向１７と平行な波になり第１方向８に進行する。

図５は超音波プローブの測定範囲を説明するための模式図である。図５に示すように、被測定物１８と超音波プローブ２との距離を測定するときには超音波アレイ７が被測定物１８に向かって合成波１５を発信する。合成波１５は被測定物１８で反射し、反射波２１となって超音波アレイ７に受信される。

超音波アレイ７の＋Ｘ方向側の端から第１方向８に向かう線を＋Ｘ側端線２２とする。同じく、超音波アレイ７の−Ｘ方向側の端から第１方向８に向かう線を−Ｘ側端線２３とする。被測定物１８と超音波アレイ７との距離を測定するために、超音波アレイ７から第１方向８に合成波１５を発信する。このとき、合成波１５は＋Ｘ側端線２２と−Ｘ側端線２３との間を進行する。

＋Ｘ側端線２２と−Ｘ側端線２３との間は合成波１５及び反射波２１が通過する第１測定領域２４である。＋Ｘ方向の反射部９は＋Ｘ側端線２２の＋Ｘ方向側に位置する。また、−Ｘ方向の反射部９は−Ｘ側端線２３の−Ｘ方向側に位置する。つまり、反射部９は超音波アレイ７と対向する場所の外側に位置する。従って、合成波１５が第１方向８に進行するときに反射部９が合成波１５及び反射波２１を遮らないようにすることができる。

図６及び図７は被測定物と超音波プローブとの距離を測定する方法を説明するための模式図である。図６に示すように超音波アレイ７に対して第１方向８より−Ｘ方向側の方向に被測定物１８が位置する。制御部１３は＋Ｘ方向側の超音波素子１６から超音波１４を発信し、順次、超音波１４を発信する超音波素子１６を−Ｘ方向側に移動させる。このように超音波素子１６を駆動することにより超音波アレイ７は−Ｘ方向側に向けて合成波１５を発信する。尚、超音波アレイ７は一部の超音波素子１６から超音波１４を発信する。そして、超音波１４が反射部９を照射しない場所の超音波素子１６から超音波１４を発信する。

超音波アレイ７から発信された合成波１５は被測定物１８で反射し、反射波２１となって超音波アレイ７に受信される。制御部１３は超音波１４を発信してから受信するまでの時間に超音波の速度を乗算し、さらに、２で除算して超音波素子１６と被測定物１８との間の距離を演算して求める。

超音波アレイ７に対して第１方向８より＋Ｘ方向側の方向に被測定物１８が位置する場合もある。このとき制御部１３は−Ｘ方向側の超音波素子１６から超音波１４を発信し、順次、超音波１４を発信する超音波素子１６を＋Ｘ方向側に移動させる。この方法により、超音波アレイ７は＋Ｘ方向側に向けて合成波１５を発信する。

図７に示すように超音波アレイ７に対して第１方向８より−Ｙ方向側の方向に被測定物１８が位置する。制御部１３は＋Ｙ方向側の超音波素子１６から超音波１４を発信し、順次、超音波１４を発信する超音波素子１６を−Ｙ方向側に移動させる。このように超音波素子１６を駆動することにより超音波アレイ７は−Ｙ方向側に向けて合成波１５を発信する。尚、超音波アレイ７は一部の超音波素子１６から超音波１４を発信する。そして、超音波１４が反射部９を照射しない場所の超音波素子１６から超音波１４を発信する。

超音波アレイ７に対して第１方向８より＋Ｙ方向側の方向に被測定物１８が位置する場合もある。このとき制御部１３は−Ｙ方向側の超音波素子１６から超音波１４を発信し、順次、超音波１４を発信する超音波素子１６を＋Ｙ方向側に移動させる。この方法により、超音波アレイ７は＋Ｙ方向側に向けて合成波１５を発信する。

図８は超音波アレイの断面構造を示す模式側断面図である。図８に示すように、超音波アレイ７は超音波吸収板２８を備え、超音波吸収板２８に重ねて超音波素子基板６が設置されている。超音波吸収板２８は筐体５に接着されている。超音波素子基板６はベース基板２９を備え、ベース基板２９は超音波素子基板６の中では超音波吸収板２８側に位置している。ベース基板２９には等間隔に開口部２９ａが設置されている。ベース基板２９の材質には、例えば、シリコンを用いることができる。そして、開口部２９ａはシリコン基板をエッチングして形成される。

ベース基板２９の＋Ｚ方向側には振動膜３０が設置されている。振動膜３０は、例えば、ＳｉＯ₂層とＺｒＯ₂層との２層構造により構成される。振動膜３０はメンブレンともいう。振動膜３０の上には第１電極３１が設置されている。第１電極３１はＹ方向に伸びる第１配線３２により接続されている。第１電極３１の上には圧電体層３３が設置されている。さらに、圧電体層３３の上には第２電極３４が設置されている。第２電極３４はＸ方向に伸びる第２配線３５により接続されている。

振動膜３０、第１電極３１、圧電体層３３及び第２電極３４等により超音波素子１６が構成されている。そして、超音波アレイ７には超音波素子１６がマトリックス状に配置されている。第１電極３１、第１配線３２、第２電極３４及び第２配線３５は金属膜であり、本実施形態では、例えば、アルミニウムと白金の２層構造になっている。

圧電体層３３には、例えば、ＰＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛）、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ₃）、ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ₃）、チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ、Ｌａ）ＴｉＯ₃）等を用いることができる。本実施形態では、例えば、圧電体層３３にＰＺＴを用いている。

圧電体層３３は、第１電極３１と第２電極３４との間に電圧が印加されることで、面内方向に伸縮する。従って、圧電体層３３に電圧を印加すると、開口部２９ａ側に凸となる撓みが生じ、振動膜３０を撓ませる。圧電体層３３に交流電圧を印加することで、振動膜３０が膜厚方向に対して振動し、この振動膜３０の振動により超音波が第１方向８に発信される。圧電体層３３に印加される駆動電圧は、例えばピークからピークで１０〜３０Ｖであり、周波数は例えば１００ｋＨｚ〜１０ＭＨｚである。

超音波素子１６は、発信された超音波が対象物で反射されて戻ってくる超音波の反射波を受信する受信素子としても動作する。超音波１４の反射波により振動膜３０が振動し、この振動によって圧電体層３３に応力が加わり、第１電極３１と第２電極３４との間に電圧が発生する。この電圧を受信信号として取り出すことができる。

第１配線３２、圧電体層３３、第２電極３４及び第２配線３５を覆って絶縁膜３６が設置されている。絶縁膜３６はアルミナ等の材料で形成される。さらに、絶縁膜３６を覆って内部音響整合部３７が設置されている。

内部音響整合部３７の第１方向８側には第１導電膜３８が設置されている。第１導電膜３８の材質は銅である。銅は電気抵抗が小さいので、効率良く電磁波ノイズを吸収できる。尚、ベース基板２９〜第１導電膜３８までが超音波素子基板６に属している。

第１導電膜３８の第１方向８側には音響整合部４１が設置されている。そして、音響整合部４１の第１方向８側には保護部４２が設置されている。保護部４２は超音波素子１６を保護して汚れが超音波素子１６に付着することを抑制する。音響整合部４１は内部音響整合部３７とともに超音波素子１６と保護部４２の間の音響インピーダンスの不整合を緩和する役割を果たす。内部音響整合部３７及び音響整合部４１にはシリコーン樹脂等が用いられる。

詳しくは、内部音響整合部３７及び音響整合部４１はシリコーン樹脂系の接着剤が用いられる。内部音響整合部３７では接着剤が硬化することで絶縁膜３６と第１導電膜３８とを接着させ、硬化した接着剤が内部音響整合部３７として機能する。音響整合部４１では接着剤が硬化することで第１導電膜３８と保護部４２とを接着させ、硬化した接着剤が音響整合部４１として機能する。

図９は超音波素子の構造を示す模式平面図である。図９に示すように、四角形の圧電体層３３の＋Ｚ方向側に第２配線３５が設置されている。第２配線３５はＸ方向に伸びる配線である。圧電体層３３の−Ｚ方向側に第１配線３２が設置されている。第１配線３２はＹ方向に伸びる配線である。そして、第１方向８から見て第１配線３２と第２配線３５とが交差する領域の第１配線３２が第１電極３１である。第１方向８から見て第１配線３２と第２配線３５とが交差する領域の第２配線３５が第２電極３４である。

従って、第１電極３１と第１配線３２とは一体になった導電膜である。第２電極３４と第２配線３５とは一体になった導電膜である。第１電極３１と第２電極３４とは圧電体層３３を挟んで対向した配置になっている。

図１０は超音波アレイの構造を示す模式平面図であり、超音波素子基板６を第１方向８からみた図である。図を見やすくするために、超音波アレイ７には超音波素子１６が８行８列の配置になっている。図１０に示すように、超音波アレイ７では超音波素子１６がマトリックス状に配置されている。

第１配線３２はＹ方向に並ぶ８つの第１電極３１と接続してＹ方向に伸びている。第１配線３２の両端には第１端子４３が設置されている。第１配線３２が８本設置されているので、第１端子４３も片側に８個設置されている。第２配線３５はＸ方向に並ぶ８つの第２電極３４と接続してＸ方向に伸びている。第２配線３５の両端には第２端子４５が設置されている。第２配線３５が８本設置されているので、第２端子４５も片側に８個設置されている。

第１端子４３及び第２端子４５は絶縁膜３６、内部音響整合部３７及び第１導電膜３８に覆われておらず、露出している。そして、第１端子４３及び第２端子４５はフラットケーブル４と接続されている。第１端子４３のうちの１つの電極と第２端子４５のうちの１つの電極とを選択して駆動波形を入力することにより選択した場所の超音波素子１６から超音波１４を発信できる。超音波アレイ７が超音波１４を受信するときには第１端子４３のうちの１つの電極と第２端子４５のうちの１つの電極とを選択して電極間の電圧を検出することにより選択した場所の超音波素子１６が受信した超音波１４を検出できる。

超音波アレイ７は超音波素子１６がマトリックス状に配置されている。そして、制御部１３は１つの第１端子４３及び１つの第２端子４５を選択して所定の場所の超音波素子１６から超音波１４を発信する。次に、所定の時間をおいて順次複数の超音波素子１６から超音波１４を発信することにより超音波アレイ７は合成波１５を発信する。超音波アレイ７では超音波素子１６がＸ方向とＹ方向との２方向に配列しているので、超音波アレイ７は合成波１５を２次元方向に発信できる。その結果、超音波装置１は超音波アレイ７の中央と対向する場所の被測定物１８に加え、超音波アレイ７に対して±Ｘ方向及び±Ｙ方向に位置する被測定物１８との距離を測定できる。

超音波素子１６の第１方向８側には第１導電膜３８が設置されている。第１導電膜３８は総ての超音波素子１６を覆っている。さらに、第１導電膜３８は第１配線３２、第２配線３５のほとんど総てを覆っている。従って、第１方向８側から超音波素子１６に向かう電磁波ノイズは第１導電膜３８に到達して吸収される。そして、第１導電膜３８は超音波素子１６、第１配線３２及び第２配線３５に電磁波ノイズが到達することを抑制する。

超音波素子基板６の四隅には第１導電膜端子３８ａが設置されている。第１導電膜３８は第１導電膜端子３８ａ及びフラットケーブル４を介して本体部３のシヤーシグラウンドと接続されている。

図１１は超音波装置の電気制御ブロック図である。図１１において、超音波装置１は超音波装置１の動作を制御する制御部１３を備えている。そして、制御部１３はプロセッサーとして各種の演算処理を行うＣＰＵ４６（中央演算処理装置）と、各種情報を記憶する記憶部としてのメモリー４７を備えている。表示装置１２、入力装置１１及びプローブ駆動部４８は入出力インターフェイス４９及びデータバス５０を介してＣＰＵ４６に接続されている。

プローブ駆動部４８は超音波プローブ２を駆動する装置である。プローブ駆動部４８はＣＰＵ４６の指示信号を入力する。指示信号は合成波１５を発信する位置、方向、音波の強度等の情報を含んでいる。プローブ駆動部４８は指示信号を入力する。そして、指示信号に基づいて所定の場所の超音波素子１６を所定のタイミングで駆動する。さらに、超音波アレイ７が反射波２１を受信するとき、プローブ駆動部４８は反射波２１を受信した場所の超音波素子１６が出力する電気信号を入力する。そして、入力した電気信号をデジタル信号に変換してＣＰＵ４６に出力する。

超音波プローブ２は時間を測定するタイマー５９を備えている。超音波アレイ７及びタイマー５９は制御部１３と接続されている。タイマー５９は超音波１４が超音波アレイ７と反射部９との間を進行した時間を測定する。超音波１４が超音波アレイ７と反射部９との間を進行した時間を第１の時間とする。そして、反射波２１が到達点７ｂに到達するときタイマー５９は第１の時間を測定してＣＰＵ４６に出力する。第１の時間は時間データ５３としてメモリー４７に記憶される。

タイマー５９は、超音波１４が超音波アレイ７と被測定物１８との間を進行した時間を測定する。超音波１４が超音波アレイ７と被測定物１８との間を進行した時間を第２の時間とする。そして、反射波２１が超音波アレイ７に到達するときタイマー５９は第２の時間を測定してＣＰＵ４６に出力する。第２の時間も時間データ５３としてメモリー４７に記憶される。なお、本実施例ではタイマー５９は超音波プローブ２側に備わっているが、それに限定されず、制御部１３側に備わっていても良い。

メモリー４７は、ＲＡＭ、ＲＯＭ等といった半導体メモリーや、ハードディスクといった外部記憶装置を含む概念である。メモリー４７は超音波装置１の動作の制御手順や距離測定の演算手順が記述されたプログラム５１を記憶する。他にも、メモリー４７は測定した超音波１４の速度等のデータである速度データ５２を記憶する。他にも、メモリー４７は発信点７ａから発信された超音波１４が到達点７ｂに到着する間に経過した時間等のデータである時間データ５３を記憶する。時間データ５３には第１の時間、第２の時間が含まれる。他にも、メモリー４７は超音波アレイ７と被測定物１８の距離のデータである距離データ５４を記憶する。他にも、メモリー４７はＣＰＵ４６のためのワークエリアやテンポラリーファイル等として機能する記憶領域やその他各種の記憶領域を備える。

ＣＰＵ４６は、メモリー４７内に記憶されたプログラム５１に従って、超音波プローブ２から超音波を発信し、超音波の反射波を基に超音波プローブ２と被測定物１８との距離を演算して表示装置１２に表示するものである。本体部３は表示装置１２及びＣＰＵ４６を搭載した制御部１３を備えたコンピューターとして機能する。プログラム５１が動作するＣＰＵ４６は具体的な機能実現部としてプローブ制御部５５を有する。制御部１３では超音波素子１６が発信する超音波１４の位相をプローブ制御部５５が制御して、各超音波素子１６が発信する超音波１４が合成された合成波１５の進行方向を制御する。

他にも、ＣＰＵ４６は速度測定部５６を有し、速度測定部５６は超音波１４の速度を測定する機能を有する。速度測定部５６は発信点７ａから超音波１４を発信する指示をプローブ制御部５５に出力する。速度測定部５６はタイマー５９から超音波１４の移動にかかった移動時間を入力する。発信点７ａ、反射部９及び到達点７ｂの位置は既知であり、発信点７ａから反射部９を経て到達点７ｂに至る間の移動距離も既知になっている。次に、速度測定部５６は移動距離を移動時間で除算して超音波１４の速度を算出する。このように、制御部１３では速度測定部５６がタイマー５９の測定結果に基づき超音波１４の速度を算出する。速度測定部５６が算出した超音波１４の速度のデータは速度データ５２としてメモリー４７に記憶される。

他にも、ＣＰＵ４６は距離測定部６１を有する。制御部１３では距離測定部６１が超音波アレイ７と被測定物１８との距離を測定する機能を有する。距離測定部６１は超音波アレイ７から超音波１４を発信する指示をプローブ制御部５５に出力する。そして、発信された超音波１４は被測定物１８に到達して反射する。反射した超音波１４の一部は反射波２１として超音波アレイ７に向かって進行する。

反射波２１が超音波アレイ７に到達するとき超音波プローブ２では超音波１４が超音波アレイ７と被測定物１８との間を進行した第２の時間をタイマー５９が測定する。制御部１３では距離測定部６１が反射部９を反射させた超音波１４から算出した超音波１４の速度と、第２の時間と、を用いて超音波アレイ７と被測定物１８との距離を測定する。詳しくは、第２の時間に超音波１４の速度を乗算し２で除算して超音波アレイ７と被測定物１８との距離を算出する。

距離測定部６１が測定した超音波アレイ７と被測定物１８との距離のデータは距離データ５４としてメモリー４７に記憶される。従って、超音波装置１は被測定物１８に接触することなく精度よく超音波アレイ７と被測定物１８との距離を測定できる。

他にも、ＣＰＵ４６は表示制御部６４を有する。表示制御部６４は超音波アレイ７と被測定物１８との間の距離を表示装置１２に表示する制御を行う。他にも、表示制御部６４は装置の状態の表示や測定に関する情報を表示する制御を行う。

次に上述した超音波装置１の測定方法について図１２にて説明する。図１２は、測定方法のフローチャートである。図１２のフローチャートにおいて、ステップＳ１は速度測定工程に相当する。この工程は超音波１４の速度を測定する工程である。次にステップＳ２に移行する。ステップＳ２は距離測定工程である。この工程は、超音波アレイ７と被測定物１８との間の距離を測定する工程である。次にステップＳ３に移行する。ステップＳ３は終了判断工程である。測定を継続するとき、ステップＳ２に移行する。測定を終了するとき測定工程を終了する。

次に、図２及び図５を用いて、図１２に示したステップと対応させて測定方法を詳細に説明する。図２はステップＳ１の速度測定工程に対応する図である。ステップＳ１では、まず、速度測定部５６が発信点７ａから超音波１４を発信する指示をプローブ制御部５５に出力する。そして、プローブ制御部５５はプローブ駆動部４８に超音波アレイ７を駆動させる。

図２に示すように、超音波アレイ７は発信点７ａから反射部９に向けて合成波１５を発信させる。超音波アレイ７は複数の超音波素子１６が発信する超音波１４の位相を調整して第１方向８と交差する方向に合成波１５を発信する。合成波１５の発信と同時にタイマー５９は時間計測を開始する。そして、反射部９に到達した合成波１５の一部は超音波アレイ７上の到達点７ｂに向かって進行する。次に、合成波１５が到達点７ｂに到達する。

反射波２１が到達点７ｂに到達するときタイマー５９は超音波１４が発信点７ａから到達点７ｂまで進行するのにかかった時間である第１の時間を測定する。タイマー５９は第１の時間をプローブ駆動部４８に出力する。プローブ駆動部４８は第１の時間を時間データ５３としてメモリー４７に記憶する。続いて、速度測定部５６は移動距離を第１の時間で除算して超音波１４の速度を算出する。速度測定部５６が測定した超音波１４の速度のデータは速度データ５２としてメモリー４７に記憶される。

図５はステップＳ２の距離測定工程に対応する図である。ステップＳ２では、まず、距離測定部６１が超音波アレイ７から超音波１４を発信する指示をプローブ制御部５５に出力する。そして、プローブ制御部５５はプローブ駆動部４８に超音波アレイ７を駆動させる。

超音波アレイ７は発信点７ａから被測定物１８に向けて合成波１５を発信させる。超音波アレイ７は複数の超音波素子１６が発信する超音波１４の位相を調整して所定の方向に合成波１５を発信する。合成波１５の発信と同時にタイマー５９は時間計測を開始する。そして、発信された超音波１４は被測定物１８に到達して反射する。反射した超音波１４の一部は反射波２１として超音波アレイ７に向かって進行する。次に、反射波２１が超音波アレイ７に到達する。

反射波２１が超音波アレイ７に到達するときタイマー５９は超音波１４が発信されてから受信されるまでの時間である第２の時間を測定する。第２の時間は超音波１４が超音波アレイ７と被測定物１８との間を往復移動するのにかかった時間である。タイマー５９は第２の時間をプローブ駆動部４８に出力する。プローブ駆動部４８は第２の時間を時間データ５３としてメモリー４７に記憶する。続いて、距離測定部６１は第２の時間に超音波１４の速度を乗算し２で除算して超音波アレイ７と被測定物１８との距離を算出する。そして、表示制御部６４が表示装置１２に超音波アレイ７と被測定物１８との距離を表示する。

ステップＳ３の終了判断工程では測定を継続するか否かの判断を行う。測定を継続すると判断したときにはステップＳ２に移行して測定を継続する。測定を終了すると判断したときは測定する工程を終了する。

上述したように、本実施形態によれば、以下の効果を有する。
（１）本実施形態によれば、超音波装置１は超音波アレイ７、反射部９、タイマー５９及び制御部１３を備えている。超音波アレイ７には複数の超音波素子１６が配列している。この超音波素子１６は超音波１４を発信し反射した超音波１４を受信する。反射部９は超音波素子１６から所定の距離離れた位置に配置されている。反射部９は超音波素子１６が発信した超音波１４を反射する。超音波１４が超音波アレイ７と反射部９との間を進行する時間をタイマー５９が測定する。超音波素子１６及びタイマー５９は制御部１３と接続されている。そして、タイマー５９は超音波１４の移動時間を測定し、制御部１３はタイマー５９の測定結果に基づき超音波１４の速度を算出する。

各超音波素子１６が超音波１４を発信し、発信された超音波１４が合成されて合成波１５になる。制御部１３は超音波素子１６が発信する超音波１４の位相を制御することにより、合成波１５の進行方向を制御する。各超音波素子１６が発信する超音波１４が同相のときに合成波１５が進行する方向が第１方向８である。プローブ制御部５５は合成波１５を第１方向８と交差する方向に進行させる。そして、合成波１５の進行先には反射部９が位置するので合成波１５は反射部９を照射する。合成波１５は反射部９で反射して進行方向が変わり、超音波アレイ７に向かって進行する。

超音波１４の進行方向が第１方向８と交差する角度が大きくなる程、第１方向８における超音波アレイ７と反射部９との距離を短くできる。そして、超音波装置１は超音波アレイ７が超音波１４を合成波１５にして発信する。従って、超音波アレイ７でなく１つの超音波素子１６から超音波１４を発信するときに比べて、超音波１４の進行方向と第１方向８とがなす角度を大きくできる。その結果、超音波アレイ７と反射部９との距離を短くできる。

（２）本実施形態によれば、超音波アレイ７は一方の端に位置する発信点７ａから合成波１５を反射部９に向けて発信する。そして、反射部９は超音波アレイ７の他方の端に位置する到達点７ｂに向けて反射する。このとき、超音波アレイ７が発信した発信点７ａに向けて反射部９が合成波１５が反射するときに比べて、合成波１５が進行する距離を長くできる。合成波１５が進行する距離を長い方が短いときに比べてＳＮ比を良くすることができる。従って、精度良く超音波１４の速度を測定できる。

（３）本実施形態によれば、超音波装置１は距離測定部６１を備えている。タイマー５９は超音波アレイ７から発信された合成波１５が被測定物１８に反射して超音波アレイ７に到着する時間を測定する。そして、制御部１３では距離測定部６１が超音波アレイ７と被測定物１８との距離を算出する。このとき、超音波１４の速度には反射部９を反射させた超音波１４から算出した速度を用いている。従って、超音波装置１は被測定物１８に接触することなく超音波アレイ７と被測定物１８との距離を精度良く測定できる。

（４）本実施形態によれば、超音波アレイ７は超音波素子１６がマトリックス状に配置されている。従って、超音波アレイ７は合成波１５を２次元方向に発信できる。その結果、超音波装置１は超音波アレイ７の中央と対向する場所の被測定物１８に加え、超音波アレイ７に対して±Ｘ方向及び±Ｙ方向に位置する被測定物１８との距離を測定できる。

（第２の実施形態）
次に、超音波装置の一実施形態について図１３〜図１６を用いて説明する。図１３は超音波１４の集音方法を説明するための模式図である。本実施形態が第１の実施形態と異なるところは、合成波１５が平面波でなく、超音波１４が集音点に集中する点にある。尚、第１の実施形態と同じ点については説明を省略する。

すなわち、本実施形態では、図１３に示すように、超音波素子基板６から離れた集音点６７を設定する。そして、集音点６７から各超音波素子１６までの距離を算出し、超音波１４の速度で除算する。この演算により、各超音波素子１６から発信した超音波１４が集音点６７に到達するまでの時間が算出される。そして、各超音波素子１６が発信する超音波１４が同時に集音点６７を通過するように各超音波素子１６が超音波１４を発信する時刻を調整する。以上の制御をプローブ制御部５５が行う。

予め、超音波アレイ７と被測定物１８との概略の距離がわかっているときには、被測定物１８に超音波１４を集音させることができる。その結果、被測定物１８で反射する反射波２１の強度を強くすることができる。反射波２１を強くすることで、超音波素子１６はＳＮ比の良い信号を捉えることができる。また、超音波１４の波数を１つでなく複数にすることにより超音波アレイ７は反射波を確実に受信できる。

図１４はグレーティングローブを説明するための模式図である。図１４において、音圧分布６８は超音波アレイ７から発信される超音波１４の音圧の分布の例である。音圧分布６８では第３方向６９の音圧が高くなっている。第３方向６９の音圧はプローブ駆動部４８が各超音波素子１６から発信される超音波１４の位相を調整して形成された音圧である。

第３方向６９とは別に第４方向７０に音圧が高い分布が形成されている。第４方向７０の音圧は第３方向６９の音圧より低い。超音波アレイ７から複数の波数の超音波１４を発信するとき、超音波１４の干渉により第４方向７０に音圧の高くなる場所が形成される。この第４方向７０の音圧分布をグレーティングローブという。第４方向７０に被測定物１８があるときには、不要な反射波２１が超音波アレイ７に向かって進行する虞がある。この不要な反射波２１は超音波アレイ７と被測定物１８との間の距離を測定するときのノイズとなる可能性がある。

図１５は反射部を設置する範囲を説明するための模式図である。図１５に示すように、被測定物１８と超音波プローブ２との距離を測定するときには超音波アレイ７が被測定物１８に向かって合成波１５を発信する。この合成波１５は集音点６７が被測定物１８の表面の近くに設定されている。合成波１５は被測定物１８で反射し、反射波２１となって超音波アレイ７に受信される。

超音波アレイ７の中央の場所を中央点２５とする。超音波アレイ７が非対称の形状のときには超音波アレイ７の重心となる点を中央点２５とする。中央点２５から第１方向８に伸びる線を第１方向線２６とする。また、中央点２５を通って第２方向１７に伸びる線を第２方向線２７とする。

第１方向線２６と所定の境界線角度７１で交差する線を境界線７２とする。そして、境界線角度７１をθ、超音波１４の音速をｃ、超音波１４の周波数をｆ、超音波アレイ７における超音波素子１６のピッチをｐとするとき、θ＝ａｒｃｓｉｎ（ｃ／（ｆ・ｐ）−１）となっている。このとき、反射部９は境界線７２と第２方向線２７との間に位置する。

図１６はグレーティングローブの発生を説明するための図である。図１６において、横軸は第１方向８と第３方向６９とがなす角度を示している。縦軸はグレーティングローブの音圧を示している。そして、音圧分布線７３は第３方向６９が変わるときに第４方向７０に発信するグレーティングローブの音圧を示している。

音圧分布線７３はシミュレーションにて算出した結果を示す。シミュレーションの演算条件は超音波１４の速度が３４７ｍ／ｓ、超音波１４の周波数が０．５ＭＨｚ、超音波１４の波長が６９４μｍ、超音波素子１６のピッチが４００μｍになっている。このとき、境界線角度７１は４７．３度である。

音圧分布線７３が示すように、第１方向８と第３方向６９とがなす角度が境界線角度７１より小さいときグレーティングローブの音圧は零である。つまり、グレーティングローブは発信しない。そして、第１方向８と第３方向６９とがなす角度が境界線角度７１を越えて大きくなるに従って、グレーティングローブの音圧が大きくなる。

超音波アレイ７が合成波１５を発信する方向を境界線７２より第１方向線２６側にする。そして、合成波１５を構成する超音波１４が複数の波数からなるとき、合成波１５のピークを１つに限定できる。このとき、図１４の音圧分布６８で第４方向７０に向かって音圧が高くなる部分が発生せずに、音圧が高い方向を第３方向６９だけにすることができる。図１５において、反射部９は境界線７２と第２方向線２７との間に位置しているので、反射部９は境界線７２より第１方向線２６側にない。従って、境界線７２より第１方向線２６側の被測定物１８に対してピークを１つに限定した合成波１５を確実に照射できる。

（第３の実施形態）
次に、超音波装置の一実施形態について図１７を用いて説明する。図１７は超音波の進路を説明するための模式図である。本実施形態が第１の実施形態と異なるところは、合成波１５が反射部９で２回反射する点にある。尚、第１の実施形態と同じ点については説明を省略する。すなわち、本実施形態では、図１７に示すように、反射部９が複数の場所に設置されている。超音波アレイ７の−Ｘ方向側の端に発信点７ａが設定されている。制御部１３は発信点７ａの複数の超音波素子１６から超音波１４を発信させる。このとき、プローブ制御部５５は超音波素子１６が発信する超音波１４の位相を制御する。プローブ制御部５５は合成波１５を第１方向８と交差する方向に進行させて合成波１５を−Ｘ方向側の反射部９に照射する。

合成波１５は反射部９で反射して進行方向が変わり、＋Ｘ方向側の反射部９に向かって進行する。合成波１５は＋Ｘ方向側の反射部９で反射して進行方向が変わり、超音波アレイ７に向かって進行する。このように、反射部９は超音波アレイ７から発信された合成波１５を複数回反射させた後で超音波アレイ７の到達点７ｂに向けて反射する。

上述したように、本実施形態によれば、以下の効果を有する。
（１）本実施形態によれば、反射部９は複数の場所に設置されている。そして、反射部９は超音波アレイ７から発信された合成波１５を複数回反射させた後で超音波アレイ７に向けて反射する。つまり、複数の反射部９間を合成波１５が進行する。これにより、合成波１５が進行する距離を長くできる。合成波１５が進行する距離が長い方が短いときに比べてＳＮ比を良くすることができる。従って、精度良く超音波１４の速度を測定できる。

（第４の実施形態）
次に、超音波装置の一実施形態について図１８を用いて説明する。図１８は超音波の進路を説明するための模式図である。本実施形態が第３の実施形態と異なるところは、合成波１５が反射部９で３回反射する点にある。すなわち、本実施形態では、図１８に示すように、反射部９が複数の場所に設置されている。超音波アレイ７の＋Ｘ方向側且つ−Ｙ方向側の端に発信点７ａが設定されている。制御部１３は発信点７ａの複数の超音波素子１６から超音波１４を発信させる。このとき、プローブ制御部５５は超音波素子１６が発信する超音波１４の位相を制御する。プローブ制御部５５は合成波１５を第１方向８と交差する方向に進行させて合成波１５を＋Ｘ方向側の反射部９に照射する。

合成波１５は＋Ｘ方向側の反射部９で反射して進行方向が変わり、−Ｘ方向側の反射部９に向かって進行する。合成波１５は−Ｘ方向側の反射部９で反射して進行方向が変わり、＋Ｘ方向側の反射部９に向かって進行する。次に、合成波１５は超音波アレイ７に向かって進行する。このように、反射部９は超音波アレイ７から発信された合成波１５を複数回反射させた後で超音波アレイ７の到達点７ｂに向けて反射する。

上述したように、本実施形態によれば、以下の効果を有する。
（１）本実施形態によれば、反射部９は複数の場所に設置されている。そして、反射部９は超音波アレイ７から発信された合成波１５を複数回反射させた後で超音波アレイ７に向けて反射する。つまり、複数の反射部９の間を合成波１５が進行する。これにより、合成波１５が進行する距離を長くできる。合成波１５が進行する距離が長い方が短いときに比べてＳＮ比を良くすることができる。従って、精度良く超音波１４の速度を測定できる。

（第５の実施形態）
次に、超音波装置の一実施形態について図１９を用いて説明する。図１９は超音波の進路を説明するための模式図である。本実施形態が第４の実施形態と異なるところは、合成波１５が±Ｘ方向側の反射部９と±Ｙ方向側の反射部９とで反射する点にある。すなわち、本実施形態では、図１９に示すように、反射部９が複数の場所に設置されている。超音波アレイ７の−Ｘ方向側に発信点７ａが設定されている。制御部１３は発信点７ａの複数の超音波素子１６から超音波１４を発信させる。このとき、プローブ制御部５５は超音波素子１６が発信する超音波１４の位相を制御する。プローブ制御部５５は合成波１５を第１方向８と交差する方向に進行させて合成波１５を−Ｘ方向側の反射部９に照射する。

合成波１５は−Ｘ方向側の反射部９で反射して進行方向が変わり、＋Ｙ方向側の反射部９に向かって進行する。合成波１５は＋Ｙ方向側の反射部９で反射して進行方向が変わり、＋Ｘ方向側の反射部９に向かって進行する。そして、＋Ｘ方向側の反射部９から−Ｘ方向側の反射部９、−Ｙ方向側の反射部９、＋Ｘ方向側の反射部９の順に反射する。次に、合成波１５は超音波アレイ７の到達点７ｂに向かって進行する。このように、反射部９は超音波アレイ７から発信された合成波１５を複数回反射させた後で超音波アレイ７の到達点７ｂに向けて反射する。

（第６の実施形態）
次に、超音波装置の一実施形態について図２０を用いて説明する。図２０は超音波の進路を説明するための模式図である。本実施形態が第２の実施形態と異なるところは、超音波アレイの配列が１次元となっている点にある。すなわち、本実施形態では、図２０に示すように、超音波装置７５の超音波プローブ７６は有底筒状の筐体７７を備えている。筐体７７の底面７７ａにはＸ方向に伸びる超音波素子基板７８が設置されている。超音波素子基板７８上には超音波アレイ７９が設置されている。超音波アレイ７９は超音波素子１６がＸ方向に並ぶ１次元の配列になっている。従って、超音波アレイ７９が発信する超音波１４からなる合成波１５は±Ｘ方向に進行できる。

筐体７７は超音波素子基板７８を向く±Ｘ方向側の面に反射部９が設置されている。超音波アレイ７９の−Ｘ方向側に発信点７９ａが設定されている。制御部１３は発信点７９ａの複数の超音波素子１６から超音波１４を発信させる。このとき、プローブ制御部５５は超音波素子１６が発信する超音波１４の位相を制御する。プローブ制御部５５は合成波１５を第１方向８と交差する方向に進行させて合成波１５を−Ｘ方向側の反射部９に照射する。

合成波１５は−Ｘ方向側の反射部９で反射して進行方向が変わり、＋Ｘ方向側の反射部９に向かって進行する。合成波１５は＋Ｘ方向側の反射部９で反射して進行方向が変わる。次に、合成波１５は超音波アレイ７９の到達点７９ｂに向かって進行する。そして、到達点７９ｂでは超音波アレイ７９が合成波１５を受信する。

（１）本実施形態によれば、超音波アレイ７９は１次元の配列になっている。このときにも、超音波アレイ７９は超音波１４の進行方向を第１方向８と交差させる。そして、第１方向８において超音波アレイ７９と反射部９との距離を短くできる。その結果、超音波アレイ７９と反射部９との距離を短くできる。

尚、本実施形態は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で当分野において通常の知識を有する者により種々の変更や改良を加えることも可能である。変形例を以下に述べる。
（変形例１）
前記第１の実施形態では、超音波プローブ２と本体部３とが分かれていた。超音波プローブ２は本体部３と接触していても良い。さらに、超音波プローブ２と本体部３とが一体になっても良い。被測定物１８との距離を測定し易い形態にしても良い。

（変形例２）
前記第１の実施形態では、超音波アレイ７から＋Ｚ方向に超音波１４を発信した。他にも、Ｘ方向を向く超音波アレイ７及びＹ方向を向く超音波アレイ７を組み合わせて、３次元方向の距離を測定する超音波装置にしても良い。この超音波装置は３方向の距離を計測できる。

（変形例３）
前記第１の実施形態では、内部音響整合部３７、第１導電膜３８、音響整合部４１、保護部４２が設置されていたが、それらのうち少なくとも１つを省略しても良い。例えば、電磁ノイズが小さい環境で使用する用途のときには第１導電膜３８を省略しても良い。第１導電膜３８を設置する工程を減らすことができるので、生産性良く超音波装置１を製造することができる。また、空気中への超音波送受信において、内部音響整合部３７、第１導電膜３８、音響整合部４１、を省略することで、振動板の変位量を大きくでき、送受信感度を高くできる場合がある。この場合、保護部４２は、シリコーン樹脂、アクリル樹脂、エポキシ樹脂などを用いることができる。

（変形例４）
前記第１の実施形態では、保護部４２の＋Ｚ方向側の面は平坦な面になっていた。保護部４２の＋Ｚ方向側を凸レンズにしても良い。超音波１４を容易に集音させることができる。

（変形例５）
前記第２の実施形態では、合成波１５の波数は複数であった。合成波１５の波数は１つでも良い。このときにも、超音波アレイ７と被測定物１８との距離を精度良く測定できる。

（変形例６）
前記第１の実施形態では、合成波１５が進行する第１方向８は＋Ｚ方向であった。この方向とは逆に、−Ｚ方向側に合成波１５が進行する構成にしてもよい。つまり、振動膜３０から開口部２９ａを通って−Ｚ方向側に超音波１４が発信される構成にしてもよい。超音波アレイ７が設置される超音波プローブ２の構造に合わせて合成波１５が進行する方向を設定できる。

１，７５…超音波装置、７，７９…超音波アレイ、８…第１方向、９…反射部、１３…制御部、１４…超音波、１５…合成波、１６…超音波素子、１７…第２方向、１８…被測定物、２５…中央点、２６…第１方向線、２７…第２方向線、５９…タイマー、７１…境界線角度、７２…境界線。

Claims

超音波を発信して反射した超音波を受信する複数の超音波素子が配列した超音波アレイ
と、
前記超音波素子から所定の距離離れた位置に配置され、前記超音波素子が発信した超音
波を反射する反射部と、
超音波が前記超音波アレイと前記反射部との間を進行した第１の時間を測定するタイマ
ーと、
前記超音波素子及び前記タイマーと接続された制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記超音波素子が発信する超音波の位相を制御して各前記超音波素子が発信する超音波
が合成された合成波の進行方向を制御し、
各前記超音波素子が発信する超音波が同相のときに前記合成波が進行する方向を第１方
向とするとき、前記合成波を前記第１方向と交差する方向に進行させて前記合成波を前記
反射部に照射し、
前記タイマーの測定結果に基づき超音波の速度を算出し、
前記超音波素子が並ぶ第２方向において前記反射部は前記超音波アレイと対向する場所
の外側に位置し、
前記超音波アレイの中央の中央点から前記第１方向に伸びる線を第１方向線とし、
前記中央点を通って前記第２方向に伸びる線を第２方向線とし、
前記第１方向線と所定の境界線角度θで交差する線を境界線とするとき、
前記反射部は前記境界線と前記第２方向線との間に位置し、
前記境界線角度θは、超音波の音速をｃ、超音波の周波数をｆ、前記超音波アレイにお
ける前記超音波素子のピッチをｐとするとき、
θ＝ａｒｃｓｉｎ（ｃ／（ｆ・ｐ）−１）
であることを特徴とする超音波装置。
請求項１に記載の超音波装置であって、
前記超音波アレイの一方の端から発信された前記合成波を前記反射部が前記超音波アレ
イの他方の端に向けて反射することを特徴とする超音波装置。
請求項１に記載の超音波装置であって、
前記反射部は複数の場所に設置され、
前記反射部は前記超音波アレイから発信された前記合成波を複数回反射させた後で前記
超音波アレイに向けて反射することを特徴とする超音波装置。
請求項１〜３のいずれか一項に記載の超音波装置であって、
前記タイマーは、超音波が前記超音波アレイと被測定物との間を進行した第２の時間を
測定し、
前記制御部は、前記反射部を反射させた超音波から算出した前記超音波の速度と、前記
第２の時間と、を用いて前記超音波アレイと被測定物との距離を測定することを特徴とす
る超音波装置。
請求項１〜４のいずれか一項に記載の超音波装置であって、
前記超音波アレイは前記超音波素子がマトリックス状に配置されていることを特徴とす
る超音波装置。
超音波を発信して反射した超音波を受信する複数の超音波素子が配列した超音波アレイ
と、
前記超音波素子から所定の距離離れた位置に配置され、前記超音波素子が発信した超音
波を反射する反射部と、
超音波が前記超音波アレイと前記反射部との間を進行した第１の時間を測定するタイマ
ーと、を備え、
前記反射部は、前記超音波素子が並ぶ第２方向において前記超音波アレイと対向する場
所の外側に位置し、
前記超音波アレイの中央の中央点から前記第２方向と直交する第１方向に伸びる線を第
１方向線とし、
前記中央点を通って前記第２方向に伸びる線を第２方向線とし、
前記第１方向線と所定の境界線角度θで交差する線を境界線とするとき、
前記反射部は前記境界線と前記第２方向線との間に位置し、
前記境界線角度θは、超音波の音速をｃ、超音波の周波数をｆ、前記超音波アレイにお
ける前記超音波素子のピッチをｐとするとき、
θ＝ａｒｃｓｉｎ（ｃ／（ｆ・ｐ）−１）
であることを特徴とする超音波装置。