超声波传感器
CEATEC 2023
扩大医疗、汽车等超声波传感器利用场景的“超声波透射超材料”
INDEX
即使在每年定期进行健康检查的人中，可能也很少有人定期检查自己的大脑。可以直接观察大脑的CT扫描和核磁共振成像（MRI）是大型且昂贵的装置，需要医学以外的高水平专业知识才能安全地使用它们。因此，目前只有在大型医疗机构才能接受这样的检查。
村田制作所（以下简称村田）开发了一种有可能通过用于了解子宫内胎儿状态的超声波回波检查来检查头骨内的大脑状态的技术。通过将名为“超声波透射超材料”的特别结构薄片贴在头皮表面，有可能透过头骨传输超声波。如果能够实现这一点，就有可能让更多的医疗机构能简便地进行脑部检查。
超声波透射超材料的应用领域不仅仅限于医疗。这项技术有可能在汽车智能化和社会基础设施的维护管理等多种领域推动超声波应用的扩大。村田在2023年10月17日至20日于幕张展览馆举办的“CEATEC 2023”上展示了超声波透射超材料。我们就其专有功能的原理和应用可能性对参与开发的村田制作所 技术与事业开发本部 材料技术中心 材料工艺开发部的西田和Hussain进行了采访。
超声波传感器具有非常有用的功能，但无法检测墙壁另一侧的物体
――超声波透射超材料是一种可以实现什么样的功能的技术？
西田：超声波透射超材料是一种实现了让超声波穿过墙壁等障碍物的功能的材料。这里所说的“超材料”是指一种人工开发的物质，它在电磁波和声波等波传播时，拥有实现自然界中无法看到的方式的功能。
超声波的频率（20kHz或更高）高于人耳能听到的频率，普遍应用于从工业设备、医疗设备到家用电器等各个领域。一般大众也熟悉的应用设备也有很多，比如探鱼器、清洗眼镜的超声波清洗机、超声波加湿器等。如果将其用作传感介质，则即使是位于暗处的透明固体和液体等小物体以及电波反射率较低的物质也能对其进行检测。近年来，它还被应用于辅助汽车自动泊车的超声波传感器等。
超声波可用于多种用途，但缺点是无法穿过金属或树脂等制成的墙壁等障碍物，这限制了它的应用范围。这是因为超声波具有一种性质：它在碰到与传输介质（在大气中即为空气）之间的声阻抗差较大的物质时，大部分会发生反射，几乎都不会穿透。这里所说的声阻抗是指声音传播难易程度的指标，声阻抗在分子稀疏地分散的空气中的值较小，而在金属和树脂等高密度物质中的值较大，因此，超声波在空气和墙壁的分界处将不再透射。
※由此查看关于“声阻抗”的详情
村田制作所开发的超声波透射超材料通过使用弹簧摆结构在成为阻挡物的物质上创建共振机制，缓和声阻抗的差异，并提高超声波透射率。
透过物质传输超声波的超声波透射超材料
――具体来说，你们试制超声波透射超材料，实现了哪些功能？
Hussain：村田开发的超声波透射超材料在片材上制作了将由配重部分和弹簧部分构成的“极小单元格”周期性排列的结构（图1）。而且，通过调整配重部分和弹簧部分的形状和尺寸，将单元格设计成与根据超声波入射而移动的弹簧摆具有相同的作用。通过让其与入射超声波在垂直方向上产生共振，穿过声阻抗有较大差异的阻挡物，从而高效地传播超声波。
在试制品中，使用3D打印机在1mm厚的不锈钢板上形成极小的单元格。将其浸入水中，从发射器发射500kHz的超声波，不锈钢板另一侧的接收器成功地接收到了透射率为60%的超声波。不锈钢板并不是唯一可以使用该技术让超声波透射的材料。如果根据障碍物与传播介质之间的声阻抗差异来设计单元格，则可以将该技术应用于多种物质。
通过超声波回波对被头骨覆盖的大脑状态进行检查
――你们开发的超声波透射超材料有哪些应用前景？
西田：首先，我们设想将其作为医疗领域的检查材料。在医疗领域，超声波回波被作为可以获得X射线、CT和MRI无法获得的重要信息的检查方法使用。能在视频中观看体内患处的运动是只有超声波回波才具备的特长。此外，它还与CT等使用X射线进行的检查不同，不存在遭受辐射的担心。
超声波回声有很多优点，但由于超声波不能穿透骨骼，所以无法检查骨骼内部的脏器和器官的状态。因此，超声波回波无法用于检查被头骨覆盖的大脑。
如果应用超声波透射超材料，也许就可以使用超声波回波对大脑进行检查。我们希望即使是小型医疗机构也能够简便地进行详细检查，同时将患者的负担控制在尽可能小的限度。
在不影响汽车设计性的情况下设置超声波传感器
Hussain：还可以让用于汽车泊车辅助等的超声波传感器安装成不暴露到车体外面。迄今为止，汽车用的超声波传感器需要安装在车体表面。这是因为如果用盖罩盖住，超声波就无法穿透。
可以肯定的是，在不久的将来，为了实现无人驾驶，车辆的各个地方都会设置各式各样的传感器。有许多消费者将汽车视为观赏对象，认为有很多粗陋的传感器裸露在外面可能会降低汽车作为商品的价值。此外，将传感器暴露在车体外部可能会降低耐用性。因此，需要一种能够在不影响美观和可靠性的情况下安装超声波传感器的技术。如果使用超声波透射超材料，即可以将超声波传感器嵌入到保险杠内部。
以非接触方式对水下电缆护套内部进行检查
西田：还可以用于远距离通信和海上风力发电等的水下电缆的维护管理。为了使水下电缆稳定工作，在维护管理时不仅需要定期检查电缆的外部，还要定期检查电缆的内部。但是，以前的实际情况是没有办法调查被覆盖的电缆内部情况。
如果在水下电缆的护罩中添加超声波透射超材料，则可以通过安装在水下无人机上的超声波传感器或从船上投放传感器来以非接触方式对电缆内部进行检查。由此可以减轻海洋和河流等当中的水下对象物体的检查作业负担。
超声波透射超材料扩大了超声波的应用场景
Hussain：在将已开发的技术应用于社会的业务中，我们希望完善能够根据超声波透射超材料的利用场景设计理想单元格的体制，并提供能够发挥所需效果的解决方案。
西田：此次介绍的三个例子只是我们目前正在设想的应用候补当中的部分例子。其特别的技术特性将扩大超声波的利用场景，应该还有很多我们没注意到的应用。除了传感器之外，我们开发的技术在将超声波用于加工和清洗等的用途中也可能会产生适用价值。
我们认为，为了应用到实际应用中，还有很多技术方面需要改进。我们正在募集合作伙伴共同开发创新应用并磨练技术。请对此有兴趣的企业随时与我们联系。
※文章内容为截至文章发表之日的信息。产品规格和外观如有变更，恕不另行通知。
“超声波透明超材料”正在募集共同创建新的业务和服务的合作伙伴。
关联网站
相关产品