JP5235999B2

JP5235999B2 - 超音波発生装置及びそれを搭載した設備機器

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Publication number: JP5235999B2
Application number: JP2010528671A
Authority: JP
Inventors: 奨藤原; 草太小前
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2008-09-09
Filing date: 2009-03-16
Publication date: 2013-07-10
Anticipated expiration: 2029-03-16
Also published as: WO2010029782A1; JPWO2010029782A1; DE112009002186B4; DE112009002186T5; DE112009002186T8

Description

本発明は、強力な音圧レベルの超音波放射するための超音波発生装置及びそれを搭載した設備機器に関し、特に強力な音圧レベルの超音波を広範囲にわたって放射可能にした超音波発生装置及びそれを搭載した設備機器に関するものである。

従来から、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）等の圧電素子を利用した超音波発生装置が知られている。このような超音波発生装置は、一般的に、圧電素子に電圧を印加することで圧電素子を発振させ、一定方向の振動の共振周波数を利用することで、特定の周波数を音響発振するようになっている。超音波発生装置は、設備機器の一例である電気掃除機や空気清浄機に搭載され、それらの内部に浮遊する塵埃を凝集するために利用されたり、設備機器の一例である空気調和装置に搭載され、熱交換器に付着する霜や結露を溶解するために利用されたり、設備機器の一例である超音波霧化装置（たとえば、加湿装置やネブライザ等）に搭載され、液体を霧化するために利用されたりしている。

超音波の利用形態として、一つの超音波素子とコロナ放電とを組み合わせ、コロナ放電による電気集塵を助長する手段として超音波放射を利用するようにした技術が開示されている。そのようなものとして、「荷電部と集塵部と、前記荷電部のうちの少なくとも放電部位の一部に対して音波を照射する音波発生手段とを備え、前記荷電部は、放電電極と対向電極とで構成されるとともに、前記音波発生手段は、少なくとも前記放電電極と前記対向電極との間の放電空間に音波を照射する電気集塵装置」が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。この電気集塵装置は、コロナ放電による塵埃等の集塵を音放射の印加を付け加えることで増強するようになっている。

特許第３７００６８５号公報（第５頁、第２図）

しかしながら、特許文献１に記載の電気集塵装置では、一つの超音波素子から超音波を放射するようになっており、塵埃の集塵に必要な凝集効果を得るための必要な音圧レベルを放射することができないという問題を有している。つまり、実際の製品形態に適用すると、１つの空中超音波素子からは、集塵効率を上げるだけの音圧レベルは発生しておらず、集塵効果を得ることができないものであった。さらに、コロナ放電と超音波との併用が大前提となるので、製品としての構成が大掛かりになってしまうとともに、高コスト化を招いてしまうという問題も有していることになる。

本発明は、以上のような問題を解決するためになされたもので、構成の複雑化及び高コスト化を招くことなく、強力な音圧レベルの超音波を広範囲に放射することができる超音波発生装置及びそれを搭載した設備機器を提供するものである。

本発明に係る超音波発生装置は、所定の周波数のパルス信号を発振して出力する周波数発振部と、前記周波数発振部の出力を変調して出力する変調回路部と、圧電素子で構成された振動子を備え、超音波を発生する複数の超音波発生素子と、を有し、前記複数の超音波発生素子は、超音波の放射方向が同一になるように配置され、前記複数の超音波発生素子のそれぞれは、前記周波数発振部の出力と前記変調回路部の出力とによって駆動され、前記周波数発振部の出力による超音波と前記変調回路部の出力による超音波とを重畳して複合化し、前記周波数発振部の出力による超音波の側波帯の超音波を、当該超音波の直波帯の超音波に凝縮させた超音波を発生することを特徴とする。

本発明に係る超音波発生装置によれば、構成の複雑化及び高コスト化を招くことなく、強力な音圧レベルの超音波を広範囲（超音波発生素子の配置されている範囲）に放射することができる。

実施の形態１に係る超音波発生装置の構成例を示す概略構成図である。超音波の指向性を説明するための説明図である。超音波発生装置を構成している超音波発生素子の構成例を示す概略構成図である。超音波発生素子の配置の一例を説明するための平面図である。超音波の指向特性と疎密波との関係を説明するためのグラフである。超音波発生素子の配置の他の一例を説明するための平面図である。複数個の超音波発生素子を並べた状態を示す概略構成図である。実施の形態２に係る空気清浄機の構成の一部を示す概略構成図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る超音波発生装置１００の構成例を示す概略構成図である。図２は、超音波の指向性を説明するための説明図である。図３は、超音波発生装置１００を構成している超音波発生素子５０の構成例を示す概略構成図である。図１〜図３に基づいて、超音波発生装置１００の構成及び特徴事項について説明する。また、図２（ａ）が超音波の一般的な指向性を示しており、図２（ｂ）が超音波発生装置１００から放射される超音波の指向性を示している。なお、図１を含め、以下の図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものとは異なる場合がある。

超音波発生装置１００は、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）等の圧電性材料で構成される超音波振動子にパルス電圧を印加し、振動子を発振させることによって、強力な音圧レベル（特に１５０ｄＢ／３０ｃｍ以上）の超音波を発生させ、この超音波を変調波に重畳させて空中に放射するようにしたものである。したがって、超音波発生装置１００は、超音波と変調波との複合化により、直線状に音放射することができるようになっている。この超音波発生装置１００は、図１に示すように、複数個の超音波発生素子５０の集合体と、周波数発振部４０と、変調回路部６０と、を有している。

超音波発生素子５０は、図３に示すように、支持部１１と、台座１２と、振動子１３と、共振板１４と、コーン部１５とが順に積層されて構成され、同一の方向に向けて超音波を放射するように配置されている。支持部１１は、超音波発生装置１００が収容される設備機器の筐体等に超音波発生素子５０を取り付けるためのものである。台座１２は、支持部１１に取り付けられており、振動子１３を固定するためのものである。振動子１３は、たとえばチタン酸ジルコン酸鉛や他の圧電効果を有する圧電素子からなり、正電極端子部１７及び負電極端子部１８を介してパルス電圧が加えられ、発振するようになっている。つまり、振動子１３は、パルス電圧が印加されることによって、任意の周波数範囲の音波（超音波）を発振する機能を有しているのである。

共振板１４は、振動子１３に取り付けられており、振動子１３の発振（振動）と共振することによって共振波である送信信号（１次振動モード波）を作り出す機能を有している。コーン部１５は、共振板１４で作り出された送信信号を増幅する機能を有している。つまり、共振板１４で作り出された送信信号はコーン部１５で増幅されて放射されるようになっているのである。なお、実施の形態１では、コーン部１５の縦断面形状が、略等脚台形状となっており、共振板１４側が短辺を構成している場合を例に示している。

周波数発振部４０は、パルス発振部として機能し、パルス電圧を周期的に繰り返し発信し、このパルス電圧を正電極端子部１７及び負電極端子部１８を介して振動子１３に加えるものである。つまり、周波数発振部４０は、超音波発生素子５０から放射させる超音波の必要な周波数を創生する機能を有しているのである。したがって、超音波発生装置１００は、周波数発振部４０によって、パルス電圧が振動子１３に印加され、振動子１３が所定の周波数範囲の音波を発振し、共振板１４が共振し、送信信号を対象物に向けて放射するようになっている。

変調回路部６０は、超音波の指向特性を制御する機能を有するとともに、超音波を伝送する機能を有している。つまり、変調回路部６０は、変調波を発信できるものであればよく、たとえばアナログ変調（振幅変調（ＡＭ）や周波数変調（ＦＭ）、位相変調（ＰＭ）等）、デジタル変調（位相偏移変調（ＰＳＫ）や周波数偏移変調（ＦＳＫ）、振幅偏移変調（ＡＳＫ）、直交振幅変調（ＱＡＭ）等）、又は、パルス変調（パルス符号変調（ＰＣＭ）やパルス幅変調（ＰＷＭ）、パルス振幅変調（ＰＡＭ）、パルス位置変調（ＰＰＭ）、パルス密度変調（ＰＤＭ）等）を利用して変調波を創生し、この変調波に超音波を複合化させて超音波を伝送し、超音波の指向特性を制御するようになっているのである。

ここで、超音波の指向特性について説明する。
超音波発生素子５０からは、一般的には図２（ａ）に示すように直波帯方向の信号以外に側波帯方向の信号も放射している。超音波発生素子５０で発生する超音波は、振動子１３の中心軸方向（直波帯方向）に最も大きな指向特性を有するが、側波帯方向にも指向特性を有している。そこで、超音波発生装置１００では、側波帯方向の信号を直波帯方向の信号に凝縮させることで、直波帯方向の信号に超音波特有の鋭い指向性を持たせるようにしているのである。また、超音波発生装置１００は、変調波によって、側波帯の音圧レベルも直波帯の音圧レベルに凝縮することができる。

すなわち、超音波発生装置１００は、超音波発生素子５０から超音波を発生するとともに変調回路部６０により変調波を発生させ、変調波に重畳した超音波を空中に放射することで、超音波と変調波とを複合化させ、超音波固有の鋭い指向性を保ったまま直線上に超音波を放射できるようになっている。このような構成とすることで、超音波発生装置１００からは、強力な音圧レベル（特に１５０ｄＢ／３０ｃｍ以上）の超音波を簡単な構成かつ安価に放射させることができるようになっている。また、超音波発生装置１００では、直線状の音圧レベルが増大されるので、単に超音波だけを放射した場合に生じていた距離減衰を起こしにくく、振動子１３の前面部分に放射する超音波の周波数に応じた音の疎密波を長い距離に伝送することが可能となる。

また、超音波発生装置１００は、図１に示すように複数個の超音波発生素子５０の集合体を有している。すなわち、超音波発生装置１００は、複数個の超音波発生素子５０を備えることによって、広範囲に強力な音圧レベルの超音波を放射可能にしているのである。また、超音波発生装置１００は、超音波発生素子５０の個数による音圧レベルの上昇も実現できる。なお、各超音波発生素子５０の音響放射による位相特性を一致させておく必要がある。また、複数個の超音波発生素子５０の並べ方や配置、個数を特に制限するものではなく、超音波発生装置１００が搭載される設備機器に応じて超音波発生素子５０の並べ方や配置を決定すればよい。

図４は、超音波発生素子５０の配置の一例を説明するための平面図である。図５は、超音波の指向特性と疎密波との関係を説明するためのグラフである。図４に基づいて、超音波発生素子５０の配置の一例と超音波の指向特性について説明する。図５では、横軸が超音波発生素子５０の個数を、縦軸が超音波の進行方向を、それぞれ表している。図４及び図５に示すように、超音波発生装置１００では、８個の超音波発生素子５０を所定の間隔で横一列に並べるようにして配置している。

また、図４に示すように、超音波発生装置１００では、８個の超音波発生素子５０を所定の間隔で横一列に並べ、これを一組として４段となるように配置している。そして、１つの段を構成している超音波発生素子５０は、隣接する他の段を構成している超音波発生素子５０と千鳥状になるように配置されている。つまり、所定の間隔で列を構成している超音波発生素子５０の隙間を補うような位置に他の段が配置されるようになっているのである。このように、複数個の超音波発生素子５０で集合体を構成することで、広範囲にわたって強力な音圧レベルを有する超音波を放射することができる。すなわち、強力な音圧レベルを有する超音波を同じ方向に向けて一様に放射させることができるのである。

超音波発生装置１００では、図５に示すように、放射する超音波の間隔を狭くでき、超音波を密集させて同方向に放射できるようになっている。したがって、超音波発生素子５０の配置されている範囲前面に渡って強力な音圧レベルの超音波を放射することができる。また、複数個の超音波発生素子５０を備えるようにしても、図１〜図３で説明したように構造の複雑化及び高コスト化を招くことがない。さらに、各超音波発生素子５０の音響放射による位相特性を一致させておく必要があるものの、回路自体を複雑にすることもない。なお、図４では、超音波発生素子５０の平面形状が円形状である場合を例に示しているが、これに限定するものではなく、たとえば図５に示すような四角形状であってもよい。

図６は、超音波発生素子５０の配置の他の一例を説明するための平面図である。図６に基づいて、超音波発生素子５０の配置の他の一例について説明する。図６では、超音波発生素子５０の平面形状が四角形状である場合を例に示している。そして、図６に示すように、８個の超音波発生素子５０を所定の間隔で横一列に並べ、これを一組として４段となるように配置している。このようにすることで、超音波発生素子５０間に隙間を形成することがなく、各超音波発生素子５０をより密集させることが可能になる。なお、図６では、超音波発生素子５０の平面形状が四角形状である場合を例に示しているが、これに限定するものではなく、たとえば三角形状や五角形状等の他の多角形状であってもよい。

図７は、複数個の超音波発生素子５０を並べた状態を示す概略構成図である。図７に基づいて、周波数発生帯域が異なる超音波発生素子５０を並べた状態について説明する。図７に示すように、超音波発生装置１００では、１６個の超音波発生素子５０を所定の間隔で横一列に並べるようにして配置している。そして、紙面左側の８個が２０ｋＨｚ発振用の超音波発生素子５０であり、紙面右側の８個が４０ｋＨｚ発振用の超音波発生素子５０であるものとする。

このように、周波数発生帯域が異なる複数個の超音波発生素子５０を配置するようにしてもよい。そうすれば、複雑な構造とすることなく、複数の周波数発生帯域を有する超音波発生装置１００とすることができる。また、超音波の周波数に依存するような設備機器（たとえば、実施の形態２で説明するような凝集装置）に容易に搭載することができる。なお、図７では、異なる周波数発生帯域の超音波発生素子５０を紙面左側、紙面右側で半分づつに分けた状態を例に示しているが、これに限定するものではない。たとえば、異なる周波数発生帯域の超音波発生素子５０を交互に並べてもよいし、異なる周波数発生帯域の超音波発生素子５０の個数を同数としなくてもよい。

なお、実施の形態１では、超音波発生素子５０が、支持部１１と、台座１２と、振動子１３と、共振板１４と、コーン部１５とで構成されている場合を例に示しているが、これに限定するものではない。つまり、超音波発生素子５０から超音波を放射できればよく、超音波発生素子５０には最低でも振動子１３が備えられていればよい。また、実施の形態１では、振動子１３がＰＺＴ振動子である場合を例として説明したが、これに限定するものではない。たとえば、セラミック型の圧電素子や高分子型の圧電素子等の圧電素子であってもよい。また、超音波発生素子５０に音響通路となる円筒状に構成されているホーン部等を設けるようにしてもよい。

実施の形態２．
図８は、本発明の実施の形態２に係る空気清浄機２００の構成の一部を示す概略構成図である。図８に基づいて、実施の形態１に係る超音波発生装置１００を搭載した設備機器の一例である空気清浄機２００について説明する。この空気清浄機２００は、内部に取り込んだ空気に含まれている塵埃粒子を超音波により拡大（凝集）、除去し、清浄化した空気を外部に吹き出すものである。図８に示すように、この空気清浄機２００には、実施の形態１に係る超音波発生装置１００に加え、集塵フィルタ３０と送風ファン３１とが設けられている。

集塵フィルタ３０は、空気に含まれている塵埃を集塵するものであり、空気の流れに対して略直交するように設けるようにするとよい。送風ファン３１は、超音波発生装置１００内に空気を取り込み、清浄化した空気を外部に吹き出すものであり、空気清浄機２００内における空気の流路のいずれかに設けられていればよい。この空気清浄機２００は、送風ファン３１によって超音波発生装置１００内に空気を取り込み、塵埃粒子を超音波により凝集（超音波凝集）してから集塵フィルタ３０で集塵し、清浄化した空気を室内等に供給するものである。

超音波凝集の仕組みについて図５に基づいて簡単に説明する。
図５に示すように、疎密波である超音波の「密」の部分では、強い音圧放射によって、空気同士が摩擦を起こして静電効果が発生している。そして、超音波発生素子５０から放射される直線上の超音波発生領域を通過する塵埃は、摩擦による静電効果の影響を受け、疎密波の「疎」の部分の塵埃が「密」の部分に移動して粒子が拡大（凝集）する。このようにして超音波凝集が発生するようになっている。また、超音波凝集を発生させるには、強力な音（１４０ｄＢ以上）が空中放射されることが条件となる。そこで、実施の形態１に係る超音波発生装置１００を搭載し、超音波凝集の発生を可能としているのである。

また、超音波凝集により凝集する塵埃等の寸法（粒径）は、超音波の周波数に依存しているということがわかっている。たとえば、低い周波数（２０ｋＨｚ程度の周波数）帯域の超音波では、２μｍ（マイクロメートル）〜５μｍの範囲における粒径の塵埃が効果的に凝集され、高い周波数（５０ｋＨｚ程度の周波数）帯域の超音波では、０．８μｍ〜３μｍの範囲における粒径の塵埃が効果的に凝集される。したがって、図７で説明したように、異なる周波数発生帯域の超音波発生素子５０を備えておけば、幅広い範囲の粒径を有する塵埃を効果的に凝集させることができるのである。

そこで、実施の形態２に係る空気清浄機２００では、実施の形態１に係る超音波発生装置１００を搭載しているので、構造の複雑化及び高コスト化を招くことがない。また、空気清浄機２００では、実施の形態１に係る超音波発生装置１００を搭載しているので、集塵フィルタ３０の目を粗いものとしても大きな集塵効果を得ることができ、送風ファン３１の回転を遅くでき、送風ファン３１及び送風ファン３１を駆動するための図示省略のファンモータによる騒音発生を低減することもできることになる。また、空気清浄機２００は、コロナ放電を発生させなくても、集塵効果を向上することができる。

なお、実施の形態２では、実施の形態１に係る超音波発生装置１００を搭載した設備機器の一例として空気清浄機２００を図示して説明したが、実施の形態１に係る超音波発生装置１００を空気清浄機２００以外の超音波を利用する設備機器、たとえば空気調和装置や超音波加工装置、超音波霧化装置、超音波接合装置、測距センサ、超音波洗浄装置、超音波美容装置、電気掃除機等に備えることもできる。したがって、それらの設備機器も、強力な音圧レベル（１５０ｄＢ／３０ｃｍ以上）の超音波を減衰させることなく直線上に空中放射することができるのである。

また、実施の形態１に係る超音波発生装置１００から直線上に放射された強力な音圧レベルと有する超音波を、この超音波発生装置１００が搭載される設備機器の筐体内壁面や熱交換器、ガラス等に衝突させることで、変調波により複合化された超音波が衝突した部分で復調し、その部分における集塵効果や除霜効果、結露防止効果を実現することができる。したがって、超音波発生装置１００を搭載した設備機器では、疎密波である超音波を変調波で複合化し、鋭い直線上の指向特性を利用するとともに、変調波の復調による集塵効果や除霜効果、結露防止効果を実現することができるようになる。

符号の説明

１１支持部、１２台座、１３振動子、１４共振板、１５コーン部、１７正電極端子部、１８負電極端子部、３０集塵フィルタ、３１送風ファン、４０周波数発振部、５０超音波発生素子、６０変調回路部、１００超音波発生装置、２００空気清浄機。

Claims

所定の周波数のパルス信号を発振して出力する周波数発振部と、
前記周波数発振部の出力を変調して出力する変調回路部と、
圧電素子で構成された振動子を備え、超音波を発生する複数の超音波発生素子と、
を有し、
前記複数の超音波発生素子は、超音波の放射方向が同一になるように配置され、
前記複数の超音波発生素子のそれぞれは、前記周波数発振部の出力と前記変調回路部の出力とによって駆動され、前記周波数発振部の出力による超音波と前記変調回路部の出力による超音波とを重畳して複合化し、前記周波数発振部の出力による超音波の側波帯の超音波を、当該超音波の直波帯の超音波に凝縮させた超音波を発生する
ことを特徴とする超音波発生装置。
前記振動子が、圧電性材料で構成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の超音波発生装置。
前記超音波発生素子の平面形状を円形状あるいは多角形状としている
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波発生装置。
前記複数の超音波発生素子が、異なる超音波発生帯域を有している
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の超音波発生装置。
前記超音波発生素子は、
前記振動子に取り付けられ、前記振動子の振動と共振することで共振波である送信信号を作り出す共振板と、
前記共振板の前記振動子側とは反対側に取り付けられ、前記共振板で作り出された送信信号を増幅するコーン部と、を有している
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の超音波発生装置。
前記複数の超音波発生素子の位相特性を一致させている
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の超音波発生装置。
前記請求項１〜６のいずれか一項に記載の超音波発生装置を搭載した
ことを特徴とする設備機器。