JP2019129504A - Ultrasonic wave generator, ultrasonic wave generator array and ultrasonic wave tactile feeling presentation device - Google Patents

Ultrasonic wave generator, ultrasonic wave generator array and ultrasonic wave tactile feeling presentation device Download PDF

Info

Publication number
JP2019129504A
JP2019129504A JP2018011817A JP2018011817A JP2019129504A JP 2019129504 A JP2019129504 A JP 2019129504A JP 2018011817 A JP2018011817 A JP 2018011817A JP 2018011817 A JP2018011817 A JP 2018011817A JP 2019129504 A JP2019129504 A JP 2019129504A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
ultrasonic
ultrasonic wave
horn
generator
array
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2018011817A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
玄 松本
Gen Matsumoto
玄 松本
大介 和久田
Daisuke Wakuda
大介 和久田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Original Assignee
Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd filed Critical Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority to JP2018011817A priority Critical patent/JP2019129504A/en
Publication of JP2019129504A publication Critical patent/JP2019129504A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Landscapes

  • Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

To provide an ultrasonic wave generator which can increase a sound pressure of ultrasonic waves to be released by itself, an ultrasonic wave generator array and an ultrasonic wave tactile feeling presentation device.SOLUTION: An ultrasonic wave generator (3) comprises: an ultrasonic wave element (30); and a horn (4). The ultrasonic wave element generates an ultrasonic wave having a predetermined frequency. The horn is disposed so as to surround a sound-release face (30s) from which the ultrasonic wave element releases ultrasonic waves. The horn has an opening end (41) forming an opening face (40s) opposed to the sound-release face of the ultrasonic wave element. A distance h between the sound-release face of the ultrasonic wave element and the opening face of the horn, an opening diameter d of the opening end, and a wavelength λ corresponding to a frequency of the ultrasonic waves satisfy a requirement represented by the following formula (1): h=(9d-4nλ)/8nλ (n is a natural number).SELECTED DRAWING: Figure 4

Description

本開示は、超音波発生装置、複数の超音波発生装置を備える超音波発生アレイ、及び超音波発生アレイを備える超音波触感提示装置に関する。   The present disclosure relates to an ultrasonic generation device, an ultrasonic generation array including a plurality of ultrasonic generation devices, and an ultrasonic tactile sense presentation device including an ultrasonic generation array.

特許文献1は、超音波マイクロホン及び当該超音波マイクロホンの指向性を調整するためのホーンを備えた超音波送波装置を開示している。特許文献1の超音波送波装置では、内部の固形物の端面からホーンの底壁前面までの距離が、超音波マイクロホンから送波される超音波の波長の4分の1を整数倍した値と等しい距離となるように設定されている。これにより、上記の端面からホーンの底壁前面までの距離のばらつきに対する超音波の音圧の変化を相対的に小さくして、超音波の音圧のばらつきを抑制する効果を得ている。   Patent Document 1 discloses an ultrasonic transmission device including an ultrasonic microphone and a horn for adjusting the directivity of the ultrasonic microphone. In the ultrasonic wave transmission device of Patent Document 1, the distance from the end face of the internal solid material to the front surface of the bottom wall of the horn is a value obtained by multiplying a quarter of the wavelength of the ultrasonic wave transmitted from the ultrasonic microphone by an integer. The distance is set equal to Thereby, the effect of suppressing the variation in the sound pressure of the ultrasonic wave is obtained by relatively reducing the change in the sound pressure of the ultrasonic wave with respect to the variation in the distance from the end face to the front surface of the bottom wall of the horn.

特開2011−27428号公報JP, 2011-27428, A

本開示の目的は、放出する超音波の音圧を強めることができる超音波発生装置、超音波発生アレイ及び超音波触感提示装置を提供することにある。   An object of the present disclosure is to provide an ultrasonic generator, an ultrasonic generator array, and an ultrasonic tactile sensation presentation device that can increase the sound pressure of emitted ultrasonic waves.

本開示の一態様に係る超音波発生装置は、超音波素子と、ホーンとを備える。超音波素子は、所定の周波数を有する超音波を発生する。ホーンは、超音波素子が超音波を放出する放音面を囲むように配置される。ホーンは、超音波素子の放音面に対向する開口面を形成する開口端を有する。超音波素子の放音面とホーンの開口面間の距離hと、開口端の開口径dと、超音波の周波数に対応する波長λとが、以下の式(1)で表される条件を満たす。
h=(9d−4nλ)/8nλ …(1)
ここで、nは自然数である。
An ultrasonic generator according to an aspect of the present disclosure includes an ultrasonic element and a horn. The ultrasonic element generates an ultrasonic wave having a predetermined frequency. The horn is arranged so as to surround a sound emitting surface where the ultrasonic element emits ultrasonic waves. The horn has an open end that forms an open surface facing the sound emitting surface of the ultrasonic element. The condition that the distance h between the sound emitting surface of the ultrasonic element and the opening surface of the horn, the opening diameter d of the opening end, and the wavelength λ corresponding to the frequency of the ultrasonic wave is expressed by the following equation (1) Fulfill.
h = (9d 2 -4n 2 λ 2 ) / 8nλ (1)
Here, n is a natural number.

本開示の別の態様に係る超音波発生装置は、超音波素子と、ホーンとを備える。ホーンは、開口端と、開口面から放音面までの空間を囲む内壁とを有する。放音面と開口面間の距離である直進距離と、放音面から内壁上の反射位置を介して開口端に到る距離である反射距離との間の差分が、超音波の周波数に対応する波長の整数倍となるように、ホーンが配置されている。   An ultrasonic generator according to another aspect of the present disclosure includes an ultrasonic element and a horn. The horn has an opening end and an inner wall that surrounds a space from the opening surface to the sound emitting surface. The difference between the straight distance, which is the distance between the sound emitting surface and the opening surface, and the reflection distance, which is the distance from the sound emitting surface to the opening end via the reflection position on the inner wall, corresponds to the ultrasonic frequency The horn is arranged so as to be an integral multiple of the wavelength to be transmitted.

本開示の一態様に係る超音波発生アレイは、超音波発生装置を複数、備える。複数の超音波発生装置は、アレイ状に配置される。   An ultrasonic generation array according to an aspect of the present disclosure includes a plurality of ultrasonic generation devices. The plurality of ultrasound generators are arranged in an array.

本開示の一態様に係る超音波触感提示装置は、超音波発生アレイと、超音波発生アレイから生じる超音波によって、利用者に触感を提示するように、超音波発生アレイを制御するコントローラとを備える。   According to an aspect of the present disclosure, there is provided an ultrasound tactile sense presentation device including an ultrasound generation array, and a controller that controls the ultrasound generation array so as to present the user with a tactile sensation by ultrasound generated from the ultrasound generation array. Prepare.

本開示に係る超音波発生装置、超音波発生アレイ及び超音波触感提示装置によると、超音波発生装置のホーンにおいて波の強め合いを生じさせ、放出する超音波の音圧を強めることができる。   According to the ultrasonic generator, the ultrasonic generator array, and the ultrasonic tactile sensation presentation device according to the present disclosure, it is possible to generate wave intensification in the horn of the ultrasonic generator and to increase the sound pressure of the emitted ultrasonic wave.

本開示の実施形態1に係る超音波触感提示装置の構成を示す図The figure which shows the structure of the ultrasonic tactile sense presentation apparatus which concerns on Embodiment 1 of this indication. 実施形態1に係る超音波発生装置の構成を示す斜視図The perspective view showing the composition of the ultrasonic wave generator concerning Embodiment 1 超音波発生装置による音圧分布を説明するための図Diagram for explaining the sound pressure distribution by the ultrasonic wave generator 超音波発生装置のホーンについての条件(1)を説明するための図The figure for demonstrating the conditions (1) about the horn of an ultrasonic generator 超音波発生装置のホーンについての条件(2)を説明するための図The figure for demonstrating the conditions (2) about the horn of an ultrasonic generator ホーンの設定条件の許容範囲を説明するための図Diagram for explaining the allowable range of setting conditions of horn 超音波発生装置における第1のシミュレーション結果を示す図The figure which shows the 1st simulation result in ultrasonic wave generator 超音波発生装置における第2のシミュレーション結果を示す図The figure which shows the 2nd simulation result in the ultrasonic wave generator 超音波発生装置についての第1の検討実験の結果を示す図The figure which shows the result of the 1st examination experiment about the ultrasonic wave generator 超音波発生装置についての第2の検討実験の結果を示す図The figure which shows the result of the 2nd examination experiment regarding the ultrasonic wave generator 実施形態2に係る超音波発生アレイの構成例を示す図FIG. 6 is a view showing an example of the arrangement of an ultrasonic wave generation array according to Embodiment 2 実施形態2の変形例1に係る超音波発生アレイの構成を示す図The figure which shows the structure of the ultrasonic wave generation array which concerns on the modification 1 of Embodiment 2. 実施形態2の変形例2に係る超音波発生アレイの構成を示す図The figure which shows the structure of the ultrasonic wave generation array which concerns on the modification 2 of Embodiment 2. 実施形態3に係る超音波発生アレイの構成例を示す図A diagram showing a configuration example of an ultrasound generation array according to a third embodiment 実施形態3の変形例に係る超音波発生アレイの構成を示す図The figure which shows the structure of the ultrasonic wave generation array which concerns on the modification of Embodiment 3. 実施形態4に係る超音波発生アレイの構成例を示す図A figure showing an example of composition of an ultrasonic wave generation array concerning Embodiment 4. 実施形態4の変形例に係る超音波発生アレイの構成を示す図The figure which shows the structure of the ultrasonic wave generation array which concerns on the modification of Embodiment 4.

以下、適宜図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明、或いは実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。   Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to the drawings as appropriate. However, the detailed description may be omitted if necessary. For example, detailed description of already well-known matters or redundant description of substantially the same configuration may be omitted. This is to avoid unnecessary redundancy in the following description and to facilitate understanding by those skilled in the art.

なお、出願人は、当業者が本開示を十分に理解するために添付図面および以下の説明を提供するのであって、これらによって特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。   In addition, applicants provide the attached drawings and the following description so that those skilled in the art can fully understand the present disclosure, and intend to limit the subject matter described in the claims by these. Absent.

(実施形態1)
実施形態1では、超音波発生アレイを構成する超音波発生装置、および超音波発生アレイを用いた超音波触感提示装置について説明する。
(Embodiment 1)
In the first embodiment, an ultrasonic wave generator that constitutes an ultrasonic wave generation array, and an ultrasonic tactile sense presentation device that uses the ultrasonic wave generation array will be described.

1.構成
本実施形態に係る超音波触感提示装置の構成を、図1を参照して説明する。図1は、超音波触感提示装置1の構成を示す図である。
1. Configuration The configuration of the ultrasonic tactile sense presentation device according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of the ultrasonic tactile sensation presentation apparatus 1.

本実施形態に係る超音波触感提示装置1は、図1に示すように、超音波発生アレイ10と、コントローラ11とを備える。超音波触感提示装置1は、超音波発生アレイ10から発生する超音波の音圧により、利用者の指2及び手などに触感を提示するための装置である。超音波触感提示装置1は、例えば空中に立体的なオブジェクトを視認させる立体ディスプレイ、非接触で操作可能なタッチパネル、或いは虚像のアイコン等を用いる操作インタフェースにおいて、利用者に、空気中で触れたり操作したりする感覚を与えるように適用される。   As shown in FIG. 1, the ultrasonic tactile sense presentation device 1 according to the present embodiment includes an ultrasonic wave generation array 10 and a controller 11. The ultrasonic tactile sense presentation device 1 is a device for presenting a tactile sensation to the user's finger 2 and hand, etc., by the sound pressure of the ultrasonic wave generated from the ultrasonic wave generation array 10. The ultrasonic tactile sensation presentation device 1 touches and operates a user in the air on an operation interface using a stereoscopic display for visually recognizing a three-dimensional object, a touch panel that can be operated without contact, or a virtual image icon, for example. Applied to give the feeling of

超音波発生アレイ10は、複数の超音波発生装置3と、駆動回路12とを備える。超音波発生装置3は、所定の周波数を有する超音波を発生させるデバイスである。超音波の周波数は、例えば10〜300kHzである。   The ultrasonic generation array 10 includes a plurality of ultrasonic generation devices 3 and a drive circuit 12. The ultrasonic generator 3 is a device that generates ultrasonic waves having a predetermined frequency. The frequency of the ultrasonic waves is, for example, 10 to 300 kHz.

超音波発生アレイ10においては、基板等に複数の超音波発生装置3が、例えば2次元アレイ状に配置される。従来の超音波発生アレイにおいては、アレイ内の個々の素子から発生する超音波の音圧が弱いため、充分な触感を提示するためには多数の素子数を要してしまうという課題があった。そこで、本実施形態では、個々の超音波発生装置3による超音波の音圧を強めるように、超音波発生装置3を構成する。本実施形態に係る超音波発生装置3の構成については後述する。   In the ultrasonic wave generation array 10, a plurality of ultrasonic wave generation devices 3 are arranged, for example, in a two-dimensional array on a substrate or the like. In the conventional ultrasonic wave generation array, the sound pressure of the ultrasonic wave generated from each element in the array is weak, and there is a problem that a large number of elements are required to present sufficient tactile sensation. . Therefore, in the present embodiment, the ultrasonic generator 3 is configured so as to increase the sound pressure of the ultrasonic waves generated by the individual ultrasonic generators 3. The configuration of the ultrasonic wave generator 3 according to the present embodiment will be described later.

超音波発生アレイ10の駆動回路12は、コントローラ11の制御に従って、各超音波発生装置3を駆動する。例えば、駆動回路12は、複数の超音波発生装置3の間で超音波の位相を同期させる位相制御を行う。駆動回路12は、各超音波発生装置3による超音波の振幅を変調したり、周波数を設定したりしてもよい。駆動回路12は、超音波発生アレイ10の外部に設けられてもよい。   The drive circuit 12 of the ultrasonic generation array 10 drives each ultrasonic generation device 3 under the control of the controller 11. For example, the drive circuit 12 performs phase control to synchronize the phases of ultrasonic waves among the plurality of ultrasonic wave generators 3. The drive circuit 12 may modulate the amplitude of the ultrasonic wave by each ultrasonic wave generator 3 or set the frequency. The drive circuit 12 may be provided outside the ultrasonic wave generation array 10.

コントローラ11は、超音波触感提示装置1の全体動作を制御する。コントローラ11は、例えばソフトウェアと協働して所定の機能を実現するCPU又はMPUを備える。コントローラ11は、フラッシュメモリ等の内部メモリを備える。コントローラ11は、内部メモリに格納されたデータ及びプログラムを読み出して種々の演算処理を行い、各種の機能を実現する。例えば、コントローラ11は、触感を再現する対象のオブジェクト等に関する情報に基づいて、駆動回路12に超音波を変調させる制御信号を生成する。   The controller 11 controls the overall operation of the ultrasonic tactile sense presentation device 1. The controller 11 includes, for example, a CPU or MPU that realizes a predetermined function in cooperation with software. The controller 11 includes an internal memory such as a flash memory. The controller 11 reads data and programs stored in the internal memory and performs various arithmetic processing to realize various functions. For example, the controller 11 generates a control signal that causes the drive circuit 12 to modulate an ultrasonic wave based on information related to an object or the like for which a tactile sensation is to be reproduced.

コントローラ11は、所定の機能を実現するように設計された専用の電子回路或いは再構成可能な電子回路などのハードウェア回路であってもよい。コントローラ11は、CPU、MPU、マイコン、DSP、FPGA、ASIC等の種々の半導体集積回路で構成されてもよい。また、コントローラ11は、駆動回路12と一体的に構成されてもよい。   The controller 11 may be a hardware circuit such as a dedicated electronic circuit or a reconfigurable electronic circuit designed to realize a predetermined function. The controller 11 may be composed of various semiconductor integrated circuits such as a CPU, MPU, microcomputer, DSP, FPGA, ASIC. The controller 11 may be configured integrally with the drive circuit 12.

1−1.超音波発生装置の構成
本実施形態に係る超音波発生装置3の構成について、図2,3を用いて説明する。図2は、超音波発生装置3の構成を示す斜視図である。
1-1. Configuration of Ultrasonic Generator The configuration of the ultrasonic generator 3 according to this embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 2 is a perspective view showing the configuration of the ultrasonic generator 3.

本実施形態に係る超音波発生装置3は、図2に示すように、超音波素子30と、ホーン4とを備える。超音波発生装置3は、超音波の放音における中心軸35を有する。本実施形態では、超音波発生装置3の中心軸35の方向をZ方向とする。また、Z方向に直交し、且つ互いに直交する2方向を「X方向」及び「Y方向」とする。以下では、超音波が放出される+Z側を上側といい、−Z側を下側という場合がある。   The ultrasonic wave generator 3 according to the present embodiment comprises an ultrasonic wave element 30 and a horn 4 as shown in FIG. The ultrasonic generator 3 has a central axis 35 for ultrasonic sound emission. In the present embodiment, the direction of the central axis 35 of the ultrasonic generator 3 is the Z direction. Also, two directions orthogonal to the Z direction and orthogonal to each other are referred to as an “X direction” and a “Y direction”. Hereinafter, the + Z side from which ultrasonic waves are emitted may be referred to as the upper side, and the −Z side may be referred to as the lower side.

超音波素子30は、所定の周波数を有する超音波を発生させる素子である。超音波素子30は、例えば圧電素子、振動板及びコーン(錐状の振動子)などを含む。超音波の周波数は、超音波素子30の各部の固有振動数に対応してもよいし、駆動回路12(図1)により設定されてもよい。超音波素子30は、超音波を放出する放音面の一例として、例えばXY平面上で中心軸35が通る上面30sを有する。   The ultrasonic element 30 is an element that generates ultrasonic waves having a predetermined frequency. The ultrasonic element 30 includes, for example, a piezoelectric element, a diaphragm, and a cone (conical vibrator). The frequency of the ultrasonic wave may correspond to the natural frequency of each part of the ultrasonic element 30 or may be set by the drive circuit 12 (FIG. 1). The ultrasonic element 30 has, as an example of a sound emitting surface that emits ultrasonic waves, an upper surface 30s through which the central axis 35 passes on the XY plane, for example.

ホーン4は、例えば円筒形状を有する中空部材で構成される。ホーン4は、中心軸35に沿って超音波素子30の少なくとも上面の周囲を囲むように配置される。ホーン4は、超音波素子30よりも上方の端部において開口部40を構成する。ホーン4は、超音波素子30の上面と共に下部の周囲を囲んでもよい。ホーン4は、円筒形状に限らず、各種の中空形状を有してもよい。   The horn 4 is formed of, for example, a hollow member having a cylindrical shape. The horn 4 is disposed along the central axis 35 so as to surround at least the upper surface of the ultrasonic element 30. The horn 4 forms an opening 40 at the end above the ultrasonic element 30. The horn 4 may surround the lower part together with the upper surface of the ultrasonic element 30. The horn 4 is not limited to a cylindrical shape, and may have various hollow shapes.

本実施形態の超音波発生装置3においては、超音波素子30単体による超音波の音圧分布を中心軸35近傍に集中させるために、ホーン4を用いる。超音波発生装置3による音圧分布について、図3(a),(b)を用いて説明する。   In the ultrasonic generator 3 of the present embodiment, the horn 4 is used in order to concentrate the sound pressure distribution of ultrasonic waves by the ultrasonic element 30 alone in the vicinity of the central axis 35. The sound pressure distribution by the ultrasonic generator 3 will be described with reference to FIGS.

図3(a)は、ホーン4がない場合の超音波素子30による音圧分布のグラフを示す。図3(b)は、ホーン4がある場合の本実施形態の超音波発生装置3による音圧分布のグラフを示す。図3(a),(b)において、縦軸は音圧を示し、横軸は音圧の放射角を示す。当該放射角は、超音波発生装置3の中心軸35を基準とし、放射角0°の方向は+Z方向に対応する。以下、放射角0°近傍の音圧を「中心音圧」という。   FIG. 3A shows a graph of the sound pressure distribution by the ultrasonic element 30 when the horn 4 is not present. FIG.3 (b) shows the graph of sound pressure distribution by the ultrasonic wave generator 3 of this embodiment in case the horn 4 exists. In FIGS. 3A and 3B, the vertical axis represents sound pressure, and the horizontal axis represents a radiation angle of sound pressure. The radiation angle is based on the central axis 35 of the ultrasonic generator 3 and the direction of the radiation angle 0 ° corresponds to the + Z direction. Hereinafter, the sound pressure near the radiation angle of 0 ° is referred to as "central sound pressure".

ホーン4がない場合の超音波素子30の音圧分布は、図3(a)に例示するように、メインローブとサイドローブとを有することが一般的である。メインローブは、中心音圧に対応する放射角0°近傍の音圧のピークを有する。本例のサイドローブは、放射角30°を超えた角度位置に音圧のピークを有する。サイドローブは、例えば超音波素子30のコーンの形状(錐角)に応じて形成される。   Generally, the sound pressure distribution of the ultrasonic element 30 without the horn 4 has a main lobe and a side lobe as illustrated in FIG. The main lobe has a sound pressure peak near a radiation angle of 0 ° corresponding to the central sound pressure. The side lobe of this example has a sound pressure peak at an angular position exceeding the radiation angle of 30 °. The side lobe is formed, for example, according to the cone shape (cone angle) of the ultrasonic element 30.

図3(a)の例のような一般的な超音波素子30の音圧分布は、メインローブからサイドローブにわたって広い角度範囲に分散している。このため、例えば50mm四方等の超音波発生アレイ10(図1)で放射角±15°の範囲内の音圧を用いる設計が行われると、個々の素子による当該範囲の外側の音圧分布は損失となってしまう。   The sound pressure distribution of the general ultrasonic element 30 as in the example of FIG. 3A is dispersed in a wide angular range from the main lobe to the side lobes. For this reason, for example, when a design using a sound pressure within a radiation angle range of ± 15 ° is performed with an ultrasonic wave generating array 10 (FIG. 1) such as 50 mm square, the sound pressure distribution outside the range by the individual elements is It will be a loss.

そこで、本実施形態の超音波発生装置3では、ホーン4を用いて超音波素子30による外側の音圧分布を集音することにより、中心軸35に沿って放出される超音波の中心音圧を強める。図3(b)に、本実施形態の超音波発生装置3の一例における音圧分布の実測値を例示する。   Therefore, in the ultrasonic wave generator 3 of the present embodiment, the central sound pressure of the ultrasonic wave emitted along the central axis 35 by collecting the sound pressure distribution on the outer side by the ultrasonic element 30 using the horn 4 Strengthen The measured value of the sound pressure distribution in an example of the ultrasonic wave generator 3 of this embodiment is illustrated to FIG. 3 (b).

本実施形態では、ホーン4における超音波の各種反射波の位相等を考慮して、ホーン4の寸法、及び超音波素子30に対する配置が設定される。これにより、ホーン4から放出する超音波の間で中心軸35に沿って強め合いを生じさせ、中心音圧を顕著に強めることができる。本実施形態のホーン4の設定条件については、後述する。   In the present embodiment, the dimensions of the horn 4 and the arrangement with respect to the ultrasonic element 30 are set in consideration of the phase of various reflected waves of the ultrasonic waves at the horn 4. Thereby, strengthening can be produced along the central axis 35 between the ultrasonic waves emitted from the horn 4, and the central sound pressure can be remarkably increased. The setting conditions of the horn 4 of the present embodiment will be described later.

本実施形態の超音波発生装置3において、ホーン4の厚みは特に制限されない。ホーン4の振動に対する剛性を保つ観点から、ホーン4の厚みは、例えば好適には0.5mm以上、より好適には1mm以上であってもよい。   In the ultrasonic generator 3 of the present embodiment, the thickness of the horn 4 is not particularly limited. From the viewpoint of maintaining the rigidity of the horn 4 against vibration, the thickness of the horn 4 may be, for example, preferably 0.5 mm or more, and more preferably 1 mm or more.

また、ホーン4において超音波を反射する観点から、内壁の表面粗さと材料(密度・音速)が求められる。表面粗さとしては、例えばRa<80μmである。材料としては、密度(kg/m)×音速(m/s)>4.08×10(kg/ms)を満たせば十分である。例えば、空孔のない樹脂および金属などがホーン4の材料に採用可能である。好適な材料として、樹脂においては液晶ポリマー(LCP)など、金属においてはアルミなどが挙げられる。 Further, from the viewpoint of reflecting ultrasonic waves in the horn 4, the surface roughness and the material (density / sound velocity) of the inner wall are obtained. The surface roughness is, for example, Ra <80 μm. As a material, it is sufficient if the density (kg / m 3 ) × sound velocity (m / s)> 4.08 × 10 5 (kg / m 2 s) is satisfied. For example, resin and metal without holes can be adopted as the material of the horn 4. Preferred materials include liquid crystal polymers (LCP) for resins and aluminum for metals.

1−2.ホーンの設定条件について
本実施形態の超音波発生装置3におけるホーン4の設定条件について、図4〜5を用いて説明する。本実施形態では、ホーン4の設定条件として、2つの条件(1),(2)を採用する。
1-2. Setting Conditions of Horn The setting conditions of the horn 4 in the ultrasonic wave generator 3 of the present embodiment will be described with reference to FIGS. In this embodiment, two conditions (1) and (2) are adopted as the setting conditions for the horn 4.

図4は、超音波発生装置3のホーン4についての条件(1)を説明するための図である。図5は、ホーン4についての条件(2)を説明するための図である。図4,5は、中心軸35を通るXZ断面における超音波発生装置3を模式的に示している。   FIG. 4 is a diagram for explaining the condition (1) for the horn 4 of the ultrasonic generator 3. FIG. 5 is a diagram for explaining the condition (2) for the horn 4. 4 and 5 schematically show the ultrasonic generator 3 in the XZ cross section passing through the central axis 35. As shown in FIG.

超音波発生装置3におけるホーン4は、図4に示すように、開口部40を構成する開口端41と内壁42とを有する。開口端41は、ホーン4の+Z側の端部において中心軸35の周囲を囲むことにより、XY平面に沿った開口面40sを形成する。ホーン4の内壁42は、超音波素子30の+Z側の空間を囲んでいる。   As shown in FIG. 4, the horn 4 in the ultrasonic generator 3 has an opening end 41 and an inner wall 42 that constitute the opening 40. The opening end 41 surrounds the periphery of the central axis 35 at the + Z side end of the horn 4 to form an opening surface 40s along the XY plane. The inner wall 42 of the horn 4 surrounds the space on the + Z side of the ultrasonic element 30.

本実施形態に係る超音波発生装置3では、次式で表される条件(1)を満たすように、ホーン4及び超音波素子30が構成される。
h=(9d−4nλ)/8nλ …(1)
In the ultrasonic wave generator 3 according to the present embodiment, the horn 4 and the ultrasonic wave element 30 are configured to satisfy the condition (1) represented by the following equation.
h = (9d 2 -4n 2 λ 2 ) / 8nλ (1)

上式(1)において、hはホーン4先端の高さであり、dは開口端41の開口径であり、λは超音波素子30が出力する超音波の波長であり、nは自然数である。高さhは、Z方向における超音波素子30の上面(放音面)30sと、ホーン4先端の開口面40s間の距離で規定される。よって、Z方向におけるホーン4の長さLは、図4に示すようにh以上となる。波長λは、基準温度の空気中の音速など、ホーン4内部で想定される音速に基づき設定される。基準温度は、例えば0〜45℃に含まれ、例えば20℃である。   In the above equation (1), h is the height of the tip of the horn 4, d is the aperture diameter of the aperture end 41, λ is the wavelength of the ultrasonic wave output by the ultrasonic element 30, and n is a natural number . The height h is defined by the distance between the upper surface (sound emitting surface) 30s of the ultrasonic element 30 and the opening surface 40s at the tip of the horn 4 in the Z direction. Therefore, the length L of the horn 4 in the Z direction is not less than h as shown in FIG. The wavelength λ is set based on the speed of sound assumed inside the horn 4 such as the speed of sound in air at the reference temperature. The reference temperature is included in 0 to 45 ° C., for example, and is 20 ° C., for example.

条件(1)は、超音波素子30による超音波において、ホーン4中を直進する第1の波51と、内壁42において1度、反射する第2の波52とが、ホーン4から出射する際に開口面40s上で同じ位相になるための条件である。図4に示すように、ホーン4内で、第1の波51は直進行路61を通り、第2の波52は反射行路62を通る。   The condition (1) is that, in the ultrasonic wave by the ultrasonic element 30, the first wave 51 going straight in the horn 4 and the second wave 52 reflected once at the inner wall 42 are emitted from the horn 4 The condition is to have the same phase on the opening surface 40s. As shown in FIG. 4, the first wave 51 passes through the straight traveling path 61 and the second wave 52 passes through the reflection path 62 within the horn 4.

直進行路61は、超音波発生装置3の中心軸35に沿ったホーン4内の直線距離による行路である。直進行路61は、例えば超音波素子30の上面30s中央の放音位置P1から、開口面40sの中心位置P2に到る。直進行路61の長さは、本実施形態において上記の高さhと等しい直進距離の一例である。   The straight traveling path 61 is a path based on a linear distance in the horn 4 along the central axis 35 of the ultrasonic wave generator 3. For example, the straight traveling path 61 extends from the sound emission position P1 at the center of the upper surface 30s of the ultrasonic element 30 to the center position P2 of the opening surface 40s. The length of the straight traveling path 61 is an example of a straight distance equal to the height h described above in the present embodiment.

反射行路62は、放音位置P1から内壁42上の反射位置P3に入射角a1で入射する直線部分と、反射位置P3から入射角a1と同じ大きさの反射角a2で出射する直線部分とを含む。反射行路62において、反射角a2の直線部分は、反射位置P3から中心軸35を跨ぎ、開口面40s上で開口端41が位置する先端位置P4に到る。反射行路62の長さは、本実施形態における反射距離の一例である。   The reflection path 62 includes a straight line portion that enters the reflection position P3 on the inner wall 42 from the sound emission position P1 at an incident angle a1, and a straight line portion that emits from the reflection position P3 at a reflection angle a2 having the same magnitude as the incident angle a1. Including. In the reflection path 62, the straight line portion of the reflection angle a2 straddles the central axis 35 from the reflection position P3 and reaches the tip position P4 where the opening end 41 is located on the opening surface 40s. The length of the reflection path 62 is an example of the reflection distance in the present embodiment.

反射行路62からの直進行路61の行路差が、波長λの自然数n倍になる場合、第1の波51と第2の波52とを開口面40s上で同位相にすることができる。反射行路62の長さは、放音位置P1からの直線部分と直進行路61との間の角度θを用いて、h/cosθのように表せる。このことから、上記の場合は、次式(11)のように表すことができる。
h/cosθ−h=nλ …(11)
When the path difference of the straight traveling path 61 from the reflection path 62 is a natural number n times the wavelength λ, the first wave 51 and the second wave 52 can be in phase on the opening surface 40s. The length of the reflection path 62 can be expressed as h / cos θ using the angle θ between the straight portion from the sound output position P 1 and the straight travel path 61. From this, the above case can be expressed as the following equation (11).
h / cos θ−h = nλ (11)

また、上記の角度θ、高さh及び開口径dの間には、次式(12)のような幾何学な関係が成立する。
h=3d/2tanθ …(12)
式(1)は、上式(11),(12)から角度θを消去することによって得られる。
Further, a geometrical relationship such as the following equation (12) is established among the above-mentioned angle θ, height h and opening diameter d.
h = 3 d / 2 tan θ (12)
Equation (1) is obtained by eliminating the angle θ from the above equations (11) and (12).

条件(1)によると、ホーン4中で別々の行路61,62を通る第1及び第2の波51,52の位相を揃えることにより、開口面40sにおいて波の強め合いを生じさせ、強い音場を形成することができる。条件(1)では、h,λが一定の場合にnが小さいほど、ホーン4の開口径dも小さくなる。超音波発生装置3の小型化の観点からは、n=1が好ましい。   According to the condition (1), by aligning the phases of the first and second waves 51 and 52 that pass through the separate paths 61 and 62 in the horn 4, a wave strengthening is generated at the opening surface 40 s and a strong sound is generated. Can form a place. In the condition (1), when h and λ are constant, the smaller the n is, the smaller the opening diameter d of the horn 4 is. From the viewpoint of miniaturization of the ultrasonic generator 3, n = 1 is preferable.

条件(1)に加えて、本実施形態に係る超音波発生装置3では、次式で表される条件(2)を満たすように、ホーン4及び超音波素子30が構成される。
h=λ(2m+1)/4−0.3d …(2)
In addition to the condition (1), in the ultrasonic wave generator 3 according to the present embodiment, the horn 4 and the ultrasonic element 30 are configured to satisfy the condition (2) represented by the following equation.
h = λ (2m + 1) /4-0.3d (2)

上式(2)において、mは自然数である。また、上式(2)の右辺の第2項は、開口端補正のための補正量を示す。条件(2)について、図5を用いて説明する。   In the above equation (2), m is a natural number. Further, the second term on the right side of the above equation (2) indicates a correction amount for correcting the opening end. The condition (2) will be described with reference to FIG.

条件(2)は、図5に示すように、ホーン4内の共鳴により定在波50を生じさせるための条件である。定在波50は、超音波素子30から+Z向きに発する超音波と、ホーン4の開口部40近傍において−Z側に自由端反射する反射波との重ね合わせにより形成される。超音波素子30の上面30sには、定在波50の節が位置する。   The condition (2) is a condition for generating a standing wave 50 by resonance in the horn 4 as shown in FIG. The standing wave 50 is formed by superposition of an ultrasonic wave emitted from the ultrasonic element 30 in the + Z direction and a reflected wave that is reflected at the free end in the vicinity of the opening 40 of the horn 4 to the −Z side. A node of the standing wave 50 is located on the upper surface 30 s of the ultrasonic element 30.

条件(2)によると、ホーン4先端の高さhがλ/4の奇数倍から開口端補正の補正量分、小さく設定されることにより、定在波50の腹が開口部40の+Z側の近傍に位置するように、定在波50を形成することができる。これにより、ホーン4の開口面40s近傍において超音波の音場を強くすることができる。   According to the condition (2), the height h of the tip of the horn 4 is set to be smaller by the correction amount of the opening end correction from an odd multiple of λ / 4, so that the antinode of the standing wave 50 is on the + Z side of the opening 40. The standing wave 50 can be formed so as to be located in the vicinity of. Thereby, the sound field of ultrasonic waves can be strengthened in the vicinity of the opening surface 40 s of the horn 4.

また、条件(2)によると、mが小さいほど、h(又はd)を小さくすることができる。超音波発生装置3の小型化の観点から、mは例えば5以下であってもよい。   According to the condition (2), h (or d) can be reduced as m is smaller. From the viewpoint of miniaturization of the ultrasonic generator 3, m may be 5 or less, for example.

以上の2条件(1),(2)によるホーン4先端の高さh及び開口径dの設定は、超音波素子30から出力され得る超音波の周波数の中で一意の周波数について行われればよい。例えば、超音波発生装置3による超音波の周波数が43.5kHzである場合に、超音波の波長λは、温度21℃の環境下で7.91mmとなる。この場合、式(1),(2)においてn=1,m=5とすると、理想的な設定値としてh=18.2mm,d=12.5mmが導出される。   The setting of the height h and the aperture diameter d of the tip of the horn 4 according to the above two conditions (1) and (2) may be performed for a unique frequency among the frequencies of ultrasonic waves that can be output from the ultrasonic element 30 . For example, when the frequency of the ultrasonic wave by the ultrasonic wave generator 3 is 43.5 kHz, the wavelength λ of the ultrasonic wave is 7.91 mm under the environment of a temperature of 21 ° C. In this case, if n = 1 and m = 5 in equations (1) and (2), h = 18.2 mm and d = 12.5 mm are derived as ideal setting values.

なお、以上の例では、ホーン4の内壁42に傾斜がないこととしている。また、高さ7.2mmを有する超音波素子30が固定される基板等にホーン4を設置する設計では、ホーン4の長さLが25.4mm程度になる。   In the above example, the inner wall 42 of the horn 4 is not inclined. Further, in the design in which the horn 4 is installed on a substrate or the like to which the ultrasonic element 30 having a height of 7.2 mm is fixed, the length L of the horn 4 is about 25.4 mm.

上記の理想的な設定値によると、ホーン4がある超音波発生装置3において、放射角0°の中心音圧を、ホーン4がない場合の1.8倍にまで増大する効果が得られた(図3参照)。このような音圧の増大効果は、例えば放射角±30°内の音圧分布で見込め、放射角±15°以内でも1.6倍の音圧増大が得られた。   According to the above ideal setting value, in the ultrasonic wave generator 3 with the horn 4, an effect of increasing the central sound pressure at a radiation angle of 0 ° to 1.8 times that in the absence of the horn 4 was obtained. (See Figure 3). Such an effect of increasing the sound pressure can be expected from, for example, a sound pressure distribution within a radiation angle of ± 30 °, and a sound pressure increase of 1.6 times can be obtained even within a radiation angle of ± 15 °.

本実施形態のホーン4の設定条件は、必ずしも上記の理想的な場合のように式(1),(2)に厳密に一致しなくてもよく、種々の観点から適宜、許容誤差を設定可能である。例えば、次式(3)のように、係数kを用いて高さhのずれの許容範囲を考えることができる。
h=k(9d−4nλ)/8nλ
=k×{λ(2m+1)/4−0.3d} …(3)
The setting conditions of the horn 4 of the present embodiment do not necessarily exactly coincide with the expressions (1) and (2) as in the above ideal case, and an allowable error can be set appropriately from various viewpoints. It is. For example, as shown in the following equation (3), the allowable range of the deviation of the height h can be considered using the coefficient k.
h = k (9 d 2-4 n 2 λ 2 ) / 8 n λ
= K x {λ (2m + 1) /4-0.3d} (3)

ホーン4の設定条件(1),(2)における高さhのずれの許容範囲について、図6(a),(b)を用いて説明する。図6(a)は、中心音圧の増大効果の有効度に基づく許容範囲を例示する図表である。図6(b)は、使用温度に基づく許容範囲を例示する図表である。   An allowable range of the deviation of the height h in the setting conditions (1) and (2) of the horn 4 will be described with reference to FIGS. 6 (a) and 6 (b). FIG. 6A is a chart illustrating an allowable range based on the effectiveness of the effect of increasing the central sound pressure. FIG. 6B is a chart illustrating an allowable range based on the use temperature.

図6(a)では、設定条件(1),(2)に従うホーン4による中心音圧の増大効果について、上記の理想的な設定値を最大100%とする有効度を80%以上に保つ観点から、高さhのずれの計算値と実測値とを示している。当該ずれの計算値は、下記の考え方により算出した。   In FIG. 6 (a), with respect to the effect of increasing the central sound pressure by the horn 4 according to the setting conditions (1) and (2), the viewpoint of maintaining the effectiveness at which the above ideal setting value is 100% at maximum is 80% or more. The calculated value and the actual measurement value of the deviation of the height h are shown. The calculated value of the said deviation was computed by the following thinking.

即ち、条件(1)について、高さhがずれることにより、直進行路61と反射行路62(図4)間の行路差が変化し、第1及び第2の波51,52間に位相差が生じることとなる。そこで、音圧の増大効果の有効度が、位相差0のときの100%から、位相差π/2のときに0%になるという考え方から、高さhのずれの計算値を算出した。位相差0〜π/2の区間中の計算には、正弦曲線を用いた。   That is, as for the condition (1), when the height h deviates, the path difference between the straight traveling path 61 and the reflection path 62 (FIG. 4) changes, and the phase difference between the first and second waves 51 and 52 Will occur. Therefore, the calculated value of the deviation of the height h was calculated from the idea that the effectiveness of the sound pressure increasing effect is from 100% when the phase difference is 0 to 0% when the phase difference is π / 2. A sine curve was used for the calculation during the phase difference of 0 to π / 2.

また、条件(2)については、上記のようにm=5の場合、定在波50(図5)が6つの腹を有し、高さhに開口端補正を行うと11/4λになる。この場合、高さhが1/11λずれると開口部40近傍が節となり、中心音圧が減少する(即ち有効度0%)と考えられる。なお、図6(a)では、条件(1)の考え方による計算結果を示す。   As to condition (2), when m = 5 as described above, standing wave 50 (FIG. 5) has six antinodes, and if the height h is corrected for the opening end, it becomes 11/4 λ . In this case, it is considered that when the height h deviates by 1 / 11λ, the vicinity of the opening 40 becomes a node and the central sound pressure decreases (that is, the effectiveness is 0%). FIG. 6A shows a calculation result based on the concept of the condition (1).

以上の考え方によると、図6(a)に示すように、中心音圧の増大効果について、有効度に応じた計測値が、実測値に良く整合して得られた。図6(a)によると、例えば有効度90%以上の中心音圧の増大効果を得るための高さhの許容誤差は、±2.5%程度になり、k=1±0.025となる。   According to the above concept, as shown in FIG. 6A, the measured value corresponding to the effectiveness is obtained in good agreement with the actually measured value for the effect of increasing the central sound pressure. According to FIG. 6 (a), for example, the allowable error of the height h for obtaining the effect of increasing the central sound pressure with an effectiveness of 90% or more is about ± 2.5%, and k = 1 ± 0.025. Become.

また、高さh等の許容誤差は、超音波発生装置3が使用される際の温度の観点から設定されてもよい。空気の温度が変わると音速が変化することから、超音波発生装置3が出力する超音波の波長λは、超音波の周波数が一定であっても、使用温度に応じて変動する。   Further, the tolerance such as the height h may be set from the viewpoint of the temperature when the ultrasonic wave generator 3 is used. Since the sound velocity changes when the temperature of the air changes, the wavelength λ of the ultrasonic wave output from the ultrasonic generator 3 varies according to the operating temperature even if the frequency of the ultrasonic wave is constant.

図6(b)では、20℃の場合に式(1),(2)から導出される高さhを基準として、想定される種々の使用温度において高さhがずれる影響、及び上記の音圧の増大効果の減少率を示している。   In FIG. 6 (b), the influence of the deviation of the height h at various use temperatures assumed with reference to the height h derived from the equations (1) and (2) at 20 ° C., and the above sound It shows the decreasing rate of the pressure increase effect.

超音波発生装置3および超音波発生アレイ10の使用温度としては、例えば0〜40℃、好適には10〜30℃、より好適には15〜25℃が想定される。例えば使用温度が0〜40℃において変化すると、図6(b)に示すように、使用温度毎に理想的な高さhが−4.9%〜+5.2%の範囲で変動することとなる。このような観点から、例えば基準とする20℃の高さhの理想的な設定値から±5%を高さhのずれの許容範囲として(即ちk=1±0.05)、超音波発生装置3が製造されてもよい。   As a working temperature of the ultrasonic wave generator 3 and the ultrasonic wave generation array 10, for example, 0 to 40 ° C., preferably 10 to 30 ° C., and more preferably 15 to 25 ° C. are assumed. For example, when the use temperature changes at 0 to 40 ° C., as shown in FIG. 6B, the ideal height h varies in the range of −4.9% to + 5.2% for each use temperature. Become. From such a viewpoint, for example, ± 5% from an ideal set value of the height h of 20 ° C. as a reference is set as an allowable range of deviation of the height h (ie, k = 1 ± 0.05), and ultrasonic waves are generated. The device 3 may be manufactured.

また、超音波発生アレイ10に使用する超音波素子30に応じてホーン4を設計する場合、開口径dは、ホーン4で集音する放射角の範囲が、超音波素子30のサイドローブ(図3)を包含するように決定されてもよい。例えば、上記の角度θ(図4)がサイドローブの放射角以上に設計されることにより、集音効果を高められる。また、開口径dの決定には、超音波発生アレイ10の製造上、許容される素子数及び面積等が考慮されてもよい。   When the horn 4 is designed according to the ultrasonic element 30 used for the ultrasonic wave generation array 10, the aperture diameter d is a side lobe of the ultrasonic element 30 in the range of the radiation angle collected by the horn 4 (see FIG. It may be determined to include 3). (FIG. 4) is designed to be equal to or greater than the radiation angle of the side lobes, for example, to enhance the sound collection effect. Further, in determining the aperture diameter d, the number of elements and the area that are allowed in manufacturing the ultrasonic generation array 10 may be taken into consideration.

以上の説明では、ホーン4の内壁42が中心軸35に対して傾斜していない場合について説明したが、内壁42は傾斜を有してもよい。この場合、内壁42上で反射する第2の波52の反射位置P3及び反射行路62等を考慮して、直進行路61と反射行路62間の差分が波長λのn倍となるようにホーン4が設定される(条件(1))。これにより、上記の場合と同様に、開口面40sにおいて第1及び第2の波51,52を同位相にして、強め合いを生じさせることができる。   In the above description, the case where the inner wall 42 of the horn 4 is not inclined with respect to the central axis 35 has been described, but the inner wall 42 may have an inclination. In this case, considering the reflection position P3 of the second wave 52 reflected on the inner wall 42 and the reflection path 62, the horn so that the difference between the straight path 61 and the reflection path 62 is n times the wavelength λ. 4 is set (condition (1)). As a result, as in the case described above, the first and second waves 51 and 52 can have the same phase at the opening surface 40 s to generate a reinforcement.

2.動作
以上のように構成される超音波触感提示装置1及び超音波発生装置3の動作について、以下説明する。
2. Operation Operations of the ultrasonic tactile sensation presentation apparatus 1 and the ultrasonic generation apparatus 3 configured as described above will be described below.

本実施形態の超音波触感提示装置1(図1)は、例えば立体的なオブジェクト又は操作インタフェース等が空中に設定された状態において、コントローラ11により超音波発生アレイ10を制御する。コントローラ11は、設定されたオブジェクト等の位置および形状などに応じて触感を再現するための制御信号を生成し、超音波発生アレイ10の駆動回路12に制御信号を出力する。駆動回路12は、制御信号に基づき各超音波発生装置3を駆動する。これにより、超音波の音圧によって、オブジェクト等を触れたり操作したりする触感を利用者に提示することができる。   The ultrasonic tactile sensation presentation apparatus 1 (FIG. 1) of the present embodiment controls the ultrasonic generation array 10 by the controller 11 in a state where, for example, a three-dimensional object or an operation interface is set in the air. The controller 11 generates a control signal for reproducing the tactile sensation according to the set position and shape of the object or the like, and outputs the control signal to the drive circuit 12 of the ultrasonic wave generation array 10. The drive circuit 12 drives each ultrasonic generator 3 based on the control signal. Thus, it is possible to present the user with a tactile sensation of touching or operating an object or the like by the sound pressure of the ultrasonic wave.

本実施形態の超音波発生装置3によると、上記の設定条件を満たすホーン4を用いることにより、触感を提示するための超音波の音圧を強めて、超音波触感提示装置1によって提示される触感を強くすることができる。また、個々の超音波発生装置3による音圧を強めることにより、超音波発生アレイ10に含まれる超音波発生装置3の個数を低減することができる。   According to the ultrasonic generator 3 of this embodiment, by using the horn 4 that satisfies the above setting conditions, the ultrasonic sound pressure for presenting the tactile sensation is strengthened and presented by the ultrasonic tactile sensation presentation apparatus 1. The touch can be strengthened. Further, by increasing the sound pressure by the individual ultrasonic generators 3, the number of ultrasonic generators 3 included in the ultrasonic generator array 10 can be reduced.

2−1.シミュレーション及び検討実験について
本願発明者は、本実施形態の超音波発生装置3による効果を確認するための数値解析によるシミュレーション、及び検討実験を行った。本願発明者による解析シミュレーション及び検討実験について、図7〜10を用いて説明する。
2-1. About simulation and examination experiment The inventor of the present application conducted simulation by numerical analysis and examination experiment to confirm the effect of the ultrasonic wave generator 3 of the present embodiment. Analysis simulation and examination experiments by the inventor of the present application will be described with reference to FIGS.

図7は、超音波発生装置3の解析シミュレーションにおける第1のシミュレーション結果を示す。図8は、第2のシミュレーション結果を示す。図9は、超音波発生装置3についての第1の検討実験の結果を示す。図10は、第2の検討実験の結果を示す。   FIG. 7 shows a first simulation result in the analysis simulation of the ultrasonic generator 3. FIG. 8 shows a second simulation result. FIG. 9 shows the result of the first examination experiment on the ultrasonic generator 3. FIG. 10 shows the results of the second examination experiment.

図7,8の解析シミュレーションにおいては、超音波発生装置3におけるホーン4の長さL等の寸法を変化させ、各種寸法のホーン4周囲の空間における音圧を数値計算した。図7(a)〜8(b)においては、超音波発生装置3における中心軸35から+X側の様子を示している。   In the analysis simulations of FIGS. 7 and 8, the sound pressure in the space around the horn 4 of various dimensions was numerically calculated by changing dimensions such as the length L of the horn 4 in the ultrasonic generator 3. FIGS. 7A to 7B show the + X side of the central axis 35 of the ultrasonic wave generator 3.

図7(a)は、上述した条件(1)を満たす場合の第1のシミュレーション結果を示す。図7(b)は、条件(1)を満たさない場合の第1のシミュレーション結果を示す。   FIG. 7A shows a first simulation result when the above condition (1) is satisfied. FIG. 7B shows a first simulation result when the condition (1) is not satisfied.

条件(1)を満たす場合、上述した第1及び第2の波51,52(図4)間の強め合いが、ホーン4の+Z側の出口となる開口面40s近傍で生じる。これにより、図7(a)に示すように、ホーン4の出口から+Z方向の延長線上に強い音圧の波が出力されている。   When the condition (1) is satisfied, the reinforcement between the first and second waves 51 and 52 (FIG. 4) described above occurs near the opening surface 40 s serving as the outlet on the + Z side of the horn 4. Thereby, as shown in FIG. 7A, a strong sound pressure wave is output from the outlet of the horn 4 on the extension line in the + Z direction.

一方、同相条件(1)を満たさない場合、上記のような波の強め合いが生じない。このため、図7(b)に示すように、ホーン4を出た波が、ホーン4よりも+X側など、外側に広がっている。よって超音波の音圧が、ホーン4から+Z方向に離れるほど分散されることとなる。   On the other hand, when the in-phase condition (1) is not satisfied, the wave strengthening as described above does not occur. For this reason, as shown in FIG. 7B, the wave exiting the horn 4 spreads outward from the horn 4 such as the + X side. Therefore, the sound pressure of the ultrasonic wave is dispersed as it moves away from the horn 4 in the + Z direction.

図8(a),(b)は、それぞれ条件(1)を満たす場合と満たさない場合との第2のシミュレーション結果を示す。図8(a)は、条件(1)を満たす場合において、第3の波53の位相が、開口面40sにおいて第1及び第2の波51,52と逆位相になったときのシミュレーション結果を示している。第3の波53は、超音波素子30からの超音波において、ホーン4内部で反射した後、開口面40sの中心に到達する波である。   FIGS. 8A and 8B show the second simulation results in the case where the condition (1) is satisfied and in the case where the condition (1) is not satisfied. FIG. 8A shows the simulation result when the phase of the third wave 53 is opposite to that of the first and second waves 51 and 52 at the opening surface 40s when the condition (1) is satisfied. It shows. The third wave 53 is a wave that reaches the center of the opening surface 40 s after being reflected inside the horn 4 in the ultrasonic wave from the ultrasonic element 30.

上記の場合、第3の波53の重畳により、図8(a)に示すようにホーン4の開口面40sの中心近傍では音圧は強くなっていない。しかしながら、第1及び第2の波51,52間の強め合いは生じていることから、ホーン4の出口から+Z方向の延長線上には、強い音圧の波が出力されている。以上のように、同相条件(1)によると、ホーン4の中心軸35の方向に強い音圧の波を出力できることが確認された。   In the above case, due to the superposition of the third wave 53, the sound pressure is not increased near the center of the opening surface 40s of the horn 4 as shown in FIG. However, since the reinforcement between the first and second waves 51 and 52 is generated, a strong sound pressure wave is output from the outlet of the horn 4 on the extension line in the + Z direction. As described above, according to the in-phase condition (1), it was confirmed that a strong sound pressure wave could be output in the direction of the central axis 35 of the horn 4.

第1の検討実験(図9)においては、ホーン4の長さL及び開口径dを変化させながら、音圧の測定を行った。この際、超音波素子30の高さは変えず、高さhを変化させた。測定時の温度は21℃であり、超音波素子30の駆動条件は43.5kHz且つ25Vp−pであった。   In the first examination experiment (FIG. 9), the sound pressure was measured while changing the length L and opening diameter d of the horn 4. At this time, the height h was changed without changing the height of the ultrasonic element 30. The temperature at the time of measurement was 21 ° C., and the driving conditions of the ultrasonic element 30 were 43.5 kHz and 25 Vp-p.

第1の検討実験においては、長さLを0.1mm毎に変化させて音圧の測定を行った。音圧の測定値としては、5素子間の平均値を用いて、各々の中心音圧(即ち放射角0°の音圧)を測定した。ホーン4がない場合の中心音圧を1とする正規化を行った。なお、d=12.25,12.75のときについては実測の代わりに、それぞれd=12及び12.5のときの測定値の平均値、並びにd=12.5及び13の平均値によって補間した。   In the first examination experiment, the sound pressure was measured while changing the length L every 0.1 mm. As a measured value of the sound pressure, each central sound pressure (that is, sound pressure at a radiation angle of 0 °) was measured using an average value between five elements. Normalization was performed with the central sound pressure in the absence of the horn 4 as 1. When d = 12.55 and 12.75, instead of actual measurement, interpolation is performed using an average value of measured values when d = 12 and 12.5, and an average value of d = 12.5 and 13, respectively. did.

図9では、(d,h)の2次元座標において、測定結果の音圧の分布(等高線)を示している(図10も同様)。また、図9では、上述のホーン4の設定条件(1),(2)を満たす区間を示している。第1の検討実験によると、図9に示すように、条件(1)を満たして、且つ条件(2)を満たす場合に、より強い音圧を得られることが確認された。   FIG. 9 shows the distribution (contour lines) of the sound pressure of the measurement result in the two-dimensional coordinates (d, h) (the same applies to FIG. 10). Moreover, in FIG. 9, the area which satisfy | fills setting conditions (1) and (2) of the above-mentioned horn 4 is shown. According to the first examination experiment, as shown in FIG. 9, it was confirmed that stronger sound pressure can be obtained when the condition (1) is satisfied and the condition (2) is satisfied.

第2の検討実験においては、第1の検討実験と同様の音圧の測定を、長さLを0.5mm毎に変化させて行った。未測定の領域については、音圧の増減が指数関数的であることを仮定して補間することにより、図10の実験結果が得られた。図10に示すように、第2の検討実験によると、第1の検討実験と同様に、本実施形態の超音波発生装置3におけるホーン4の設定条件(1),(2)によって、中心音圧を強められることが確認できた。   In the second study experiment, the same sound pressure measurement as in the first study experiment was performed by changing the length L every 0.5 mm. For the unmeasured region, the experimental result of FIG. 10 was obtained by interpolating on the assumption that the increase / decrease in the sound pressure is exponential. As shown in FIG. 10, according to the second examination experiment, as in the first examination experiment, the central sound is generated according to the setting conditions (1) and (2) of the horn 4 in the ultrasonic wave generator 3 of the present embodiment. It could be confirmed that the pressure could be strengthened.

3.まとめ
以上のように、本実施形態に係る超音波発生装置3は、超音波素子30と、ホーン4とを備える。超音波素子30は、所定の周波数を有する超音波を発生する。ホーン4は、超音波素子30が超音波を放出する放音面(上面30s)を囲むように配置される。ホーン4は、超音波素子30の放音面に対向する開口面40sを形成する開口端41を有する。超音波素子30の放音面とホーン4の開口面40s間の距離hと、開口端41の開口径dと、超音波の周波数に対応する波長λとが、上述した式(1)で表される条件を満たす(図4参照)。
3. As described above, the ultrasonic wave generator 3 according to the present embodiment includes the ultrasonic wave element 30 and the horn 4. The ultrasonic element 30 generates an ultrasonic wave having a predetermined frequency. The horn 4 is disposed so as to surround the sound emitting surface (upper surface 30s) from which the ultrasonic element 30 emits ultrasonic waves. The horn 4 has an opening end 41 that forms an opening surface 40 s that faces the sound emitting surface of the ultrasonic element 30. The distance h between the sound emitting surface of the ultrasonic element 30 and the opening surface 40 s of the horn 4, the opening diameter d of the opening end 41, and the wavelength λ corresponding to the frequency of the ultrasonic wave are expressed by the above equation (1). Meet the requirements (see FIG. 4).

以上の超音波発生装置3によると、超音波発生装置3のホーン4の開口面40sにおいて、第1及び第2の波51,52の位相を揃えて強め合いを生じさせ、超音波発生装置3から放出する超音波の音圧を強めることができる。   According to the ultrasonic generator 3 described above, the opening of the horn 4 of the ultrasonic generator 3 is intensified by aligning the phases of the first and second waves 51 and 52 on the opening surface 40 s of the horn 4. The sound pressure of the ultrasonic wave emitted from can be strengthened.

本実施形態における超音波発生装置3では、距離hと開口径dと波長λとが、上述した式(2)で表される条件を満たす(図5参照)。これにより、ホーン4において定在波50を生じさせ、超音波の音場を強くすることができる。   In the ultrasonic wave generator 3 in the present embodiment, the distance h, the aperture diameter d, and the wavelength λ satisfy the condition represented by the above-mentioned equation (2) (see FIG. 5). Thereby, the standing wave 50 can be generated in the horn 4 and the sound field of the ultrasonic wave can be strengthened.

本実施形態における超音波発生装置3では、式(1)及び(2)で表される条件は、距離hの大きさの±5%の範囲内で成立する。これにより、実用上、充分に音圧を増大する効果を得られる。   In the ultrasonic generator 3 in the present embodiment, the conditions represented by the expressions (1) and (2) are satisfied within a range of ± 5% of the magnitude of the distance h. Thereby, the effect of increasing the sound pressure sufficiently in practical use can be obtained.

また、本実施形態において、超音波発生装置3は、超音波素子30と、開口端41及び内壁42を有するホーン4とを備える。ホーン4の内壁42は、開口面40sから放音面までの空間を囲む。放音面と開口面40s間の距離である直進距離と、放音面から内壁42上の反射位置P3を介して開口端41に到る距離である反射距離との間の差分が、超音波の周波数に対応する波長λの整数倍となるように、ホーン4が配置されている。以上の超音波発生装置3によっても、第1及び第2の波51,52の強め合いを生じさせ、超音波発生装置3から放出する超音波の音圧を強めることができる。   In the present embodiment, the ultrasonic generator 3 includes an ultrasonic element 30 and a horn 4 having an open end 41 and an inner wall 42. The inner wall 42 of the horn 4 surrounds the space from the opening surface 40s to the sound emitting surface. The difference between the rectilinear distance that is the distance between the sound emitting surface and the opening surface 40s and the reflection distance that is the distance from the sound emitting surface to the opening end 41 via the reflection position P3 on the inner wall 42 is an ultrasonic wave. The horn 4 is arranged so as to be an integral multiple of the wavelength λ corresponding to the frequency of. The above-described ultrasonic wave generator 3 can also cause the first and second waves 51 and 52 to strengthen each other, and the sound pressure of the ultrasonic wave emitted from the ultrasonic wave generator 3 can be strengthened.

本実施形態における超音波発生アレイ10は、超音波発生装置3を複数、備える。複数の超音波発生装置3は、アレイ状に配置される。本実施形態の超音波発生アレイ10によると、超音波発生装置3によって、放出する超音波の音圧を強めることができる。   The ultrasonic wave generation array 10 in this embodiment includes a plurality of ultrasonic wave generation devices 3. The plurality of ultrasonic wave generators 3 are arranged in an array. According to the ultrasonic wave generation array 10 of the present embodiment, the ultrasonic wave generation device 3 can intensify the sound pressure of the emitted ultrasonic wave.

本実施形態における超音波触感提示装置1は、超音波発生アレイ10と、コントローラ11とを備える。コントローラ11は、超音波発生アレイ10から生じる超音波によって、利用者に触感を提示するように、超音波発生アレイ10を制御する。本実施形態の超音波触感提示装置1によると、超音波発生アレイ10における複数の超音波発生装置3によって、触感を提示するための超音波の音圧を強めることができる。   The ultrasonic tactile sensation presentation apparatus 1 according to the present embodiment includes an ultrasonic generation array 10 and a controller 11. The controller 11 controls the ultrasonic generation array 10 so as to present a tactile sensation to the user by the ultrasonic waves generated from the ultrasonic generation array 10. According to the ultrasonic tactile sensation presentation apparatus 1 of the present embodiment, the sound pressure of ultrasonic waves for presenting a tactile sensation can be increased by the plurality of ultrasonic generation apparatuses 3 in the ultrasonic generation array 10.

(実施形態2)
実施形態2では、複数の超音波発生装置のホーンが一体的に構成される超音波発生アレイについて、図11〜13を参照して説明する。
Second Embodiment
In the second embodiment, an ultrasonic wave generation array in which horns of a plurality of ultrasonic wave generation devices are integrally formed will be described with reference to FIGS.

図11は、実施形態2に係る超音波発生アレイ10Aの構成例を示す図である。本実施形態に係る超音波発生アレイ10Aは、実施形態1の超音波発生アレイ10(図1)と同様の構成において複数のホーン4の代わりに、複数のホーン部4aが一体的に形成された一体化ホーン4Aを備える。一体化ホーン4Aの各ホーン部4aは、それぞれ実施形態1のホーン4と同様に、個別の超音波素子30に対応して、設定条件(1),(2)を満たすように各種寸法を設定される。   FIG. 11 is a diagram illustrating a configuration example of an ultrasonic wave generation array 10A according to the second embodiment. In the ultrasonic generation array 10A according to the present embodiment, a plurality of horn portions 4a are integrally formed instead of the plurality of horns 4 in the same configuration as the ultrasonic generation array 10 (FIG. 1) of the first embodiment. An integrated horn 4A is provided. Each horn portion 4a of the integrated horn 4A is set to various dimensions so as to satisfy the setting conditions (1) and (2) corresponding to the individual ultrasonic elements 30 in the same manner as the horn 4 of the first embodiment. Be done.

超音波発生アレイ10Aにおける複数の超音波素子30として同じ設計の素子が用いられる場合、各々の波長は略一定であり、高さh及び開口径dなどの設定値が、アレイ中で一定値になることが考えられる。この場合、一体化ホーン4Aは、複数のホーン部4a間で共通の設定値により設計可能であり、超音波発生装置3の製造を容易化できる。   When elements of the same design are used as the plurality of ultrasonic elements 30 in the ultrasonic wave generation array 10A, the respective wavelengths are substantially constant, and setting values such as the height h and the aperture diameter d become constant values in the array. Can be considered. In this case, the integrated horn 4A can be designed with a set value common to the plurality of horns 4a, and the manufacturing of the ultrasonic wave generator 3 can be facilitated.

図11(a),(b)は、それぞれ一体化ホーン4Aの取り付け前後における超音波発生アレイ10Aの平面図を示す。図11(a)に示すように、複数の超音波素子30は、例えば平面状の基板13上に並べて配置される。図11(b)に示すように、一体化ホーン4Aは、各ホーン部4aがそれぞれ超音波素子30に対向するように、基板13の上に取り付けられる。   11A and 11B are plan views of the ultrasonic wave generation array 10A before and after the integrated horn 4A is attached. As shown in FIG. 11A, the plurality of ultrasonic elements 30 are arranged side by side on, for example, a planar substrate 13. As shown in FIG. 11B, the integrated horn 4A is mounted on the substrate 13 so that the horns 4a face the ultrasonic elements 30, respectively.

本実施形態の超音波発生アレイ10Aによると、超音波素子30毎のホーン部4aを一体化ホーン4Aに一体化することにより、ホーン部4a毎の壁厚を薄く形成でき、複数のホーン部4aによる占有面積を低減できる。   According to the ultrasonic generation array 10A of the present embodiment, by integrating the horn part 4a for each ultrasonic element 30 into the integrated horn 4A, the wall thickness for each horn part 4a can be formed thin, and a plurality of horn parts 4a are formed. Occupied area can be reduced.

本実施形態の超音波発生アレイ10Aは、図11の構成例に限らず、種々の構成を採用できる。例えば、超音波発生アレイ10Aにおいて、全てのホーン部4aが一体化されてもよいし、一部のホーン部4aが一体化されてもよい。本実施形態に係る超音波発生アレイ10Aの変形例1,2を、図12,13を用いて説明する。   The ultrasonic generation array 10A of the present embodiment is not limited to the configuration example of FIG. For example, in the ultrasonic wave generation array 10A, all the horns 4a may be integrated, or some horns 4a may be integrated. Modifications 1 and 2 of the ultrasonic wave generation array 10A according to the present embodiment will be described with reference to FIGS.

図12は、実施形態2の変形例1に係る超音波発生アレイ10Bの構成を示す。以下では、超音波発生アレイ10Bの中央に位置する超音波発生装置3の中心軸35の方向をZ方向とする(図12(b)参照)。   FIG. 12 shows a configuration of an ultrasonic wave generation array 10B according to the first modification of the second embodiment. Hereinafter, the direction of the central axis 35 of the ultrasonic generator 3 located at the center of the ultrasonic generation array 10B is defined as the Z direction (see FIG. 12B).

図12(a)は、Z方向から見た超音波発生アレイ10Bの平面図を示す。図12(b)は、Y方向から見た超音波発生アレイ10Bの側面図を示す。   FIG. 12A shows a plan view of the ultrasonic wave generation array 10B viewed from the Z direction. FIG. 12B shows a side view of the ultrasonic wave generation array 10B viewed from the Y direction.

本変形例の超音波発生アレイ10Bは、図11の構成例における一体化ホーン4Aの代わりに、図12(a),(b)に示すように、椀形状を有する一体化ホーン4Bを備える。本変形例では、一体化ホーン4Bの椀形状における球面状の底部に、超音波発生アレイ10Bの全てのホーン部4aが配置されるように、一体化ホーン4Bが形成されている。   The ultrasonic generation array 10B of the present modification includes an integrated horn 4B having a bowl shape as shown in FIGS. 12A and 12B instead of the integrated horn 4A in the configuration example of FIG. In this modification, the integrated horn 4B is formed so that all the horn parts 4a of the ultrasonic wave generation array 10B are arranged on the spherical bottom of the bowl shape of the integrated horn 4B.

図13は、実施形態2の変形例2に係る超音波発生アレイ10Cの構成を示す。図13(a)は、超音波発生アレイ10Cの平面図を示す。図13(b)は、超音波発生アレイ10Cの側面図を示す。   FIG. 13 shows a configuration of an ultrasonic wave generation array 10C according to the second modification of the second embodiment. FIG. 13A shows a plan view of the ultrasonic wave generation array 10C. FIG. 13B shows a side view of the ultrasonic wave generation array 10C.

本変形例の超音波発生アレイ10Cは、図13(a),(b)に示すように、X方向に並んだ複数の一体化ホーン4Cを備える。また、超音波発生アレイ10C中の超音波素子30は、X方向に並んだ複数の基板14に分割して配置される。各基板14の長手方向は、Y方向に向いている。   As shown in FIGS. 13A and 13B, an ultrasonic wave generation array 10C according to this modification includes a plurality of integrated horns 4C arranged in the X direction. In addition, the ultrasonic elements 30 in the ultrasonic wave generation array 10C are divided into a plurality of substrates 14 aligned in the X direction. The longitudinal direction of each substrate 14 is in the Y direction.

本変形例において、複数の一体化ホーン4Cは、図13(a)に示すように基板14上に配置され、基板14毎の複数の超音波素子30のホーン部4aを一体化している。超音波発生アレイ10Cは、例えば図13(b)に示すように複数の基板14を互いに傾けて配置することで、舟形に構成される。   In this modification, the plurality of integrated horns 4C are arranged on the substrate 14 as shown in FIG. 13A, and the horn portions 4a of the plurality of ultrasonic elements 30 for each substrate 14 are integrated. For example, as shown in FIG. 13B, the ultrasonic wave generation array 10C is formed in a boat shape by arranging a plurality of substrates 14 inclined to each other.

以上のように、本実施形態における超音波発生アレイ10A〜10Cでは、複数の超音波発生装置3のうちの一部又は全ての超音波発生装置3のホーン部4aが、一体的に形成される。これにより、超音波発生アレイ10A〜10Cを小型化できる。   As described above, in the ultrasonic wave generation arrays 10A to 10C in the present embodiment, the horns 4a of a part or all of the ultrasonic wave generation devices 3 among the plurality of ultrasonic wave generation devices 3 are integrally formed. . Thereby, the ultrasonic wave generation arrays 10A to 10C can be miniaturized.

(実施形態3)
実施形態3では、複数の超音波発生装置からの超音波の集束位置を有する超音波発生アレイについて、図14〜15を参照して説明する。
(Embodiment 3)
In the third embodiment, an ultrasonic wave generation array having focused positions of ultrasonic waves from a plurality of ultrasonic wave generation devices will be described with reference to FIGS.

図14は、実施形態3に係る超音波発生アレイ10B’の構成例を示す。図14(a),(b)は、それぞれ超音波発生アレイ10B’の平面図及び側面図を示す。   FIG. 14 shows a configuration example of the ultrasonic wave generation array 10B ′ according to the third embodiment. 14A and 14B show a plan view and a side view of the ultrasonic wave generation array 10B ', respectively.

図14に示す超音波発生アレイ10B’では、図12と同様の構成において、全ての超音波発生装置3の中心軸35が+Z側の空間中の1箇所の交点P10で交わるように、一体化ホーン4Bにおいて各ホーン部4aが形成されている。交点P10は、超音波の音圧を集中させる集束位置の一例である。   In the ultrasonic wave generation array 10B ′ shown in FIG. 14, in the same configuration as FIG. 12, the central axes 35 of all the ultrasonic wave generation devices 3 are integrated such that they intersect at one intersection point P10 in the + Z side space Each horn 4a is formed in the horn 4B. The intersection P10 is an example of a focusing position where the sound pressure of ultrasonic waves is concentrated.

各超音波素子30の音圧分布は、放射角0°の中心軸35方向に最も大きい中心音圧を有することから、本実施形態では、複数の超音波発生装置3を、互いに中心軸35を合わせるように設置する。具体的には、超音波発生装置3の中心軸35の交点P10を超音波発生アレイ10B’の近傍等の所望の集束位置に形成する。   Since the sound pressure distribution of each ultrasonic element 30 has the largest central sound pressure in the direction of the central axis 35 at a radiation angle of 0 °, in the present embodiment, the central axes 35 of the plurality of ultrasonic wave generating devices 3 Install to match. Specifically, the intersection P10 of the central axis 35 of the ultrasonic generator 3 is formed at a desired focusing position such as in the vicinity of the ultrasonic generator array 10B '.

本実施形態の超音波発生アレイ10B’によると、個々の超音波発生装置3で最も大きい中心音圧を集中させた交点P10の音圧を利用することで、触感提示等の出力としての音圧を増強したり、超音波素子30の個数を削減したりすることができる。   According to the ultrasonic generation array 10B ′ of the present embodiment, by using the sound pressure at the intersection P10 where the largest central sound pressure is concentrated in each of the ultrasonic generators 3, the sound pressure as an output of tactile sensation presentation or the like is used. Or the number of ultrasonic elements 30 can be reduced.

以上のような超音波発生アレイ10B’における交点P10の個数は、複数であってもよい。本変形例について、図15を用いて説明する。   There may be a plurality of intersection points P10 in the ultrasonic wave generation array 10B 'as described above. The present modification will be described with reference to FIG.

図15は、実施形態3の変形例に係る超音波発生アレイ10C’の構成を示す。図15(a),(b)は、それぞれ超音波発生アレイ10C’の平面図及び側面図を示す。   FIG. 15 shows a configuration of an ultrasonic wave generation array 10 </ b> C ′ according to a modification of the third embodiment. FIGS. 15A and 15B are a plan view and a side view of the ultrasonic wave generation array 10 </ b> C ′, respectively.

図15に示す超音波発生アレイ10C’は、図13と同様の構成において、別々の基板14上でX方向に並んだ1組の超音波発生装置3の中心軸35が、それぞれ1交点P10で交わるように、基板14の傾きを調整されている。これにより、本変形例の超音波発生アレイ10C’は、図15(a)に示すように、Y方向に並んだ複数の交点P10を有する。   The ultrasonic wave generation array 10C ′ shown in FIG. 15 has the same configuration as that of FIG. 13 except that the central axes 35 of the ultrasonic wave generation devices 3 in a pair arranged in the X direction on separate substrates 14 each have one intersection point P10. The inclination of the substrate 14 is adjusted so as to intersect. As a result, the ultrasonic wave generation array 10 </ b> C ′ of this modification has a plurality of intersection points P <b> 10 arranged in the Y direction as shown in FIG.

以上のように、本実施形態における超音波発生アレイ10B’,10C’では、複数の超音波発生装置3が、それぞれ超音波を放出する中心軸35を有する。複数の超音波発生装置3のうちの一部又は全ての超音波発生装置3の中心軸35が、互いに交わる交点P10を有する。これにより、複数の超音波発生装置3からの音圧を交点P10に集中させることで、超音波発生アレイ10C’の出力の音圧を強くしたり、素子数を減らして小型化したりすることができる。   As described above, in the ultrasonic wave generation arrays 10B 'and 10C' in the present embodiment, the plurality of ultrasonic wave generation devices 3 each have the central axis 35 for emitting ultrasonic waves. The central axis 35 of some or all of the plurality of ultrasonic generators 3 has an intersection P10 where they intersect each other. As a result, by concentrating the sound pressure from the plurality of ultrasonic generators 3 at the intersection P10, the sound pressure of the output of the ultrasonic generator array 10C ′ can be increased, or the size can be reduced by reducing the number of elements. it can.

また、超音波発生アレイ10B’,10C’は、駆動回路12(図1)等で複数の超音波発生装置3からの超音波の位相を制御することにより、交点P10以外にも音圧を集中させることもできる。   In addition, the ultrasonic wave generation arrays 10B 'and 10C' concentrate the sound pressure at points other than the intersection point P10 by controlling the phases of the ultrasonic waves from the plural ultrasonic wave generation devices 3 with the drive circuit 12 (FIG. 1) or the like. You can also

(実施形態4)
実施形態4では、複数の超音波発生装置から集束位置までの距離を揃えた超音波発生アレイについて、図16〜17を参照して説明する。
(Embodiment 4)
In the fourth embodiment, an ultrasound generation array in which the distances from the plurality of ultrasound generation devices to the focusing position are equalized will be described with reference to FIGS.

図16は、実施形態4に係る超音波発生アレイ10B”の構成例を示す側面図である。図16に示す超音波発生アレイ10B”では、図14と同様の構成において、全ての超音波発生装置3から交点P10までの距離D1,D2,D3が等しくなるように、一体化ホーン4Bが形成されている。超音波発生装置3毎の交点P10までの距離D1,D2,D3は、例えば各超音波発生装置3の放音面を基準に設定される。   Fig. 16 is a side view showing a configuration example of an ultrasonic wave generation array 10B "according to the fourth embodiment. In the ultrasonic wave generation array 10B" shown in FIG. The integrated horn 4B is formed so that the distances D1, D2, D3 from the device 3 to the intersection P10 are equal. The distances D1, D2, and D3 to the intersection P10 for each ultrasonic generator 3 are set with reference to the sound emission surface of each ultrasonic generator 3, for example.

本実施形態において、超音波発生アレイ10B”の駆動回路12(図1参照)は、例えば全ての超音波発生装置3に共通の信号を同時に出力して、超音波発生装置3を駆動する。これにより、各超音波発生装置3からの超音波は交点P10において同じ位相になり、交点P10において強め合う音圧を得ることができる。   In the present embodiment, the drive circuit 12 (see FIG. 1) of the ultrasonic wave generation array 10B ′ ′ simultaneously outputs a signal common to, for example, all the ultrasonic wave generation devices 3 to drive the ultrasonic wave generation device 3. Thus, the ultrasonic waves from the respective ultrasonic generators 3 have the same phase at the intersection point P10, and it is possible to obtain a sound pressure that strengthens at the intersection point P10.

例えば超音波触感提示装置1では触感提示の音圧を大きくするために、駆動回路12によって、複数の超音波発生装置3からの超音波の位相を合わせる位相制御を行うことが考えられる。本実施形態の超音波発生アレイ10B”によると、超音波発生装置3毎の交点P10までの距離D1,D2,D3が揃っていることから、複雑な位相制御の回路構成を用いることなく駆動回路12を構成することができる。   For example, in the ultrasonic tactile sense presentation device 1, in order to increase the sound pressure of tactile sense presentation, it is conceivable to perform phase control to match the phases of ultrasonic waves from the plurality of ultrasonic wave generation devices 3 by the drive circuit 12. According to the ultrasonic wave generation array 10B ″ of the present embodiment, the distances D1, D2, and D3 to the intersection P10 for each ultrasonic wave generator 3 are uniform, so that the drive circuit can be used without using a complicated phase control circuit configuration. 12 can be configured.

超音波発生アレイ10B”における交点P10までの距離D1,D2,D3は、超音波の波長分、ずらして設定されてもよい。実施形態4の変形例について、図17を用いて説明する。図17は、実施形態4の変形例に係る超音波発生アレイ10C’の構成を示す。   The distances D1, D2, and D3 to the intersection P10 in the ultrasonic wave generation array 10B ″ may be set so as to be shifted by the ultrasonic wavelength. A modification of the fourth embodiment will be described with reference to FIG. 17 shows a configuration of an ultrasonic wave generation array 10C ′ according to a modification of the fourth embodiment.

図17に示す超音波発生アレイ10C”は、図15と同様の構成において、交点P10をそれぞれ共有する超音波発生装置3の組において、交点P10までの距離D1,D2,D3を設定するように、基板14の位置が調整されている。距離D1,D2,D3の差分は、超音波の波長λの整数倍となるように設定される。この場合においても、上記と同様に、交点P10において同位相の超音波により強め合う音圧を得られる。   The ultrasonic generation array 10C ″ shown in FIG. 17 has the same configuration as that of FIG. 15 and sets the distances D1, D2, and D3 to the intersection P10 in the set of the ultrasonic generators 3 that share the intersection P10. The position of the substrate 14 is adjusted, and the difference between the distances D1, D2 and D3 is set to be an integral multiple of the wavelength λ of the ultrasonic wave, also in this case, at the intersection point P10 as described above. Sound waves that are intensified can be obtained by ultrasound waves of the same phase.

以上のように、本実施形態において、超音波発生アレイ10B”,10C”は、複数の超音波発生装置3を駆動する駆動回路12(図1)を備える。交点P10において各々の中心軸35が交わる超音波発生装置3の組の間で、各超音波発生装置3から交点P10までの距離D1〜D3の差分が波長λの整数倍になるように、超音波発生装置3の組が配置される。駆動回路12は、超音波発生装置3の組を同時に駆動する。これにより、複雑な位相制御を行うことなく、交点P10における音圧を強めることができる。   As described above, in the present embodiment, the ultrasonic wave generation arrays 10B ′ ′ and 10C ′ ′ include the drive circuit 12 (FIG. 1) that drives the plurality of ultrasonic wave generation devices 3. In order to make the difference between the distances D1 to D3 from each ultrasonic generator 3 to the intersection P10 an integer multiple of the wavelength λ between the sets of ultrasonic generators 3 at which the respective central axes 35 intersect at the intersection P10, A set of sound wave generators 3 is arranged. The drive circuit 12 drives the set of ultrasonic wave generators 3 simultaneously. Thereby, the sound pressure at the intersection P10 can be increased without performing complicated phase control.

(他の実施形態)
以上のように、本出願において開示する技術の例示として、実施の形態1〜4を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、適宜、変更、置換、付加、省略などを行った実施の形態にも適用可能である。また、上記各実施形態で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。
(Other embodiments)
As described above, Embodiments 1 to 4 have been described as examples of the technology disclosed in the present application. However, the technology in the present disclosure is not limited to this, and is also applicable to embodiments in which changes, substitutions, additions, omissions, and the like are made as appropriate. Moreover, it is also possible to combine each component demonstrated by each said embodiment into a new embodiment.

以上のように、本開示における技術の例示として、実施形態を説明した。そのために、添付図面及び詳細な説明を提供した。   As described above, the embodiments have been described as examples of the technology in the present disclosure. For that purpose, the attached drawings and the detailed description are provided.

したがって、添付図面及び詳細な説明に記載された構成要素の中には、課題解決のために必須な構成要素だけでなく、上記技術を例示するために、課題解決のためには必須でない構成要素も含まれ得る。そのため、それらの必須ではない構成要素が添付図面や詳細な説明に記載されていることをもって、直ちに、それらの必須ではない構成要素が必須であるとの認定をするべきではない。   Therefore, among the components described in the attached drawings and the detailed description, not only components essential for solving the problem but also components not essential for solving the problem in order to exemplify the above-mentioned technology. May also be included. Therefore, the fact that those non-essential components are described in the attached drawings and the detailed description should not immediately mean that those non-essential components are essential.

また、上述の実施形態は、本開示における技術を例示するためのものであるから、特許請求の範囲またはその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。   Moreover, since the above-mentioned embodiment is for illustrating the technique in this indication, various change, substitution, addition, omission, etc. can be performed within the range of a claim or its equivalent.

1 超音波触感提示装置
10,10A〜10C” 超音波発生アレイ
11 コントローラ
3 超音波発生装置
30 超音波素子
35 中心軸
4 ホーン
40 開口部
41 開口端
42 内壁
Reference Signs List 1 ultrasonic tactile sense presentation device 10, 10A to 10C ′ ′ ultrasonic wave generation array 11 controller 3 ultrasonic wave generation device 30 ultrasonic wave element 35 central axis 4 horn 40 opening 41 opening end 42 inner wall

Claims (9)

所定の周波数を有する超音波を発生する超音波素子と、
前記超音波素子が前記超音波を放出する放音面を囲むように配置されたホーンと
を備え、
前記ホーンは、前記超音波素子の放音面に対向する開口面を形成する開口端を有し、
前記超音波素子の放音面と前記ホーンの開口面間の距離hと、前記開口端の開口径dと、前記超音波の周波数に対応する波長λとが、以下の式(1)で表される条件を満たし、
h=(9d−4nλ)/8nλ …(1)
ここで、nは自然数である
超音波発生装置。
An ultrasonic element for generating an ultrasonic wave having a predetermined frequency;
A horn disposed so as to surround the sound emitting surface from which the ultrasonic element emits the ultrasonic wave;
The horn has an open end forming an open surface facing the sound emitting surface of the ultrasonic element,
The distance h between the sound emitting surface of the ultrasonic element and the opening surface of the horn, the opening diameter d of the opening end, and the wavelength λ corresponding to the frequency of the ultrasonic wave are represented by the following equation (1) Meet the conditions
h = (9d 2 -4n 2 λ 2 ) / 8nλ (1)
Here, n is a natural number.
前記距離hと前記開口径dと前記波長λとが、以下の式(2)で表される条件を満たし、
h=λ(2m+1)/4−0.3d …(2)
ここで、mは自然数である
請求項1に記載の超音波発生装置。
The distance h, the aperture diameter d, and the wavelength λ satisfy a condition represented by the following formula (2):
h = λ (2m + 1) /4-0.3d (2)
The ultrasonic generator according to claim 1, wherein m is a natural number.
前記式(1)及び(2)で表される条件は、前記距離hの大きさの±5%の範囲内で成立する
請求項2に記載の超音波発生装置。
The ultrasonic wave generator according to claim 2, wherein the conditions represented by the expressions (1) and (2) are satisfied within a range of ± 5% of the size of the distance h.
請求項1〜3のいずれか1項に記載の超音波発生装置を複数、備え
前記複数の超音波発生装置がアレイ状に配置された
超音波発生アレイ。
An ultrasonic wave generation array comprising a plurality of ultrasonic wave generation devices according to any one of claims 1 to 3, wherein the plurality of ultrasonic wave generation devices are arranged in an array.
前記複数の超音波発生装置のうちの一部又は全ての超音波発生装置のホーンが、一体的に形成された
請求項4に記載の超音波発生アレイ。
5. The ultrasound generating array according to claim 4, wherein a horn of some or all of the plurality of ultrasound generating devices is integrally formed.
前記複数の超音波発生装置は、それぞれ超音波を放出する中心軸を有し、
前記複数の超音波発生装置のうちの一部又は全ての超音波発生装置の中心軸が、互いに交わる交点を有する
請求項4又は5に記載の超音波発生アレイ。
Each of the plurality of ultrasonic generators has a central axis for emitting ultrasonic waves,
The ultrasound generating array according to claim 4 or 5, wherein central axes of some or all of the plurality of ultrasound generating devices have an intersection point intersecting each other.
前記複数の超音波発生装置を駆動する駆動回路をさらに備え、
前記交点において各々の中心軸が交わる超音波発生装置の組の間で、各超音波発生装置から前記交点までの距離の差分が前記波長の整数倍になるように、前記超音波発生装置の組が配置され、
前記駆動回路は、前記超音波発生装置の組を同時に駆動する
請求項6に記載の超音波発生アレイ。
And a drive circuit for driving the plurality of ultrasonic wave generators.
The set of ultrasonic generators such that the difference in distance from each ultrasonic generator to the intersection is an integral multiple of the wavelength between the sets of ultrasonic generators at which the central axes intersect at the intersection. Is placed,
The ultrasonic generation array according to claim 6, wherein the drive circuit drives the set of ultrasonic generators simultaneously.
請求項4〜7のいずれか1項に記載の超音波発生アレイと、
前記超音波発生アレイから生じる超音波によって、利用者に触感を提示するように、前記超音波発生アレイを制御するコントローラとを備えた
超音波触感提示装置。
The ultrasonic generation array according to any one of claims 4 to 7,
An ultrasonic tactile sense presentation device comprising: a controller for controlling the ultrasonic generation array so as to present a tactile sensation to a user by the ultrasonic waves generated from the ultrasonic generation array.
所定の周波数を有する超音波を発生する超音波素子と、
前記超音波素子が前記超音波を放出する放音面を囲むように配置されたホーンと
を備え、
前記ホーンは、前記超音波素子の放音面に対向する開口面を形成する開口端と、前記開口面から前記放音面までの空間を囲む内壁とを有し、
前記放音面と前記開口面間の距離である直進距離と、前記放音面から前記内壁上の反射位置を介して前記開口端に到る距離である反射距離との間の差分が、前記超音波の周波数に対応する波長の整数倍となるように、前記ホーンが配置された
超音波発生装置。
An ultrasonic element for generating an ultrasonic wave having a predetermined frequency;
A horn disposed so as to surround the sound emitting surface from which the ultrasonic element emits the ultrasonic wave;
The horn has an opening end forming an opening surface facing the sound emitting surface of the ultrasonic element, and an inner wall surrounding a space from the opening surface to the sound emitting surface.
The difference between the straight distance, which is the distance between the sound emitting surface and the opening surface, and the reflection distance, which is the distance from the sound emitting surface to the opening end via the reflection position on the inner wall, An ultrasonic generator in which the horn is arranged so as to be an integral multiple of a wavelength corresponding to an ultrasonic frequency.
JP2018011817A 2018-01-26 2018-01-26 Ultrasonic wave generator, ultrasonic wave generator array and ultrasonic wave tactile feeling presentation device Pending JP2019129504A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2018011817A JP2019129504A (en) 2018-01-26 2018-01-26 Ultrasonic wave generator, ultrasonic wave generator array and ultrasonic wave tactile feeling presentation device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2018011817A JP2019129504A (en) 2018-01-26 2018-01-26 Ultrasonic wave generator, ultrasonic wave generator array and ultrasonic wave tactile feeling presentation device

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2019129504A true JP2019129504A (en) 2019-08-01

Family

ID=67473230

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2018011817A Pending JP2019129504A (en) 2018-01-26 2018-01-26 Ultrasonic wave generator, ultrasonic wave generator array and ultrasonic wave tactile feeling presentation device

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2019129504A (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2022255129A1 (en) * 2021-05-31 2022-12-08 ローム株式会社 Transducer, electronic apparatus, and transducer array

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2022255129A1 (en) * 2021-05-31 2022-12-08 ローム株式会社 Transducer, electronic apparatus, and transducer array

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Marzo et al. Ultraino: An open phased-array system for narrowband airborne ultrasound transmission
Hasegawa et al. Electronically steerable ultrasound-driven long narrow air stream
JP6452257B2 (en) Method and apparatus for generating a sound field
JP6434629B2 (en) Ultrasonic imaging device and ultrasonic probe
Tanaka et al. Mathematically trivial control of sound using a parametric beam focusing source
JP2019129504A (en) Ultrasonic wave generator, ultrasonic wave generator array and ultrasonic wave tactile feeling presentation device
TWI647041B (en) Method and system for optical beam steering
Park et al. Dynamic response of an array of flexural plates in acoustic medium
TW201636121A (en) Transducer with mesa
CN111248939B (en) Method and system for acoustically attenuating material
Unger et al. Versatile air-coupled phased array transducer for sensor applications
JP6849483B2 (en) Ultrasonic transducer and ultrasonic probe
US20220128687A1 (en) An ultrasound system
JP6432069B2 (en) Focused ultrasonic generator
US9532767B2 (en) Ultrasonic probe apparatus and method of manufacturing ultrasonic probe apparatus
JP6948216B2 (en) Ultrasonic transmitter / receiver and ultrasonic transducer
TWI416388B (en) Touch device with force feedback
He et al. Directivity pattern of the sound radiated from axisymmetric stepped plates
Qin et al. Acoustic manipulation dynamics of levitated particle with screw-shaped reflecting surface
Yamamoto et al. Linear array transducer for high-power airborne ultrasound using flextensional structure
CN112199899A (en) Single-source generation method and generation device for orbital angular momentum in two-dimensional fluctuation system
Doinikov et al. Acoustic streaming generated by two orthogonal standing waves propagating between two rigid walls
JP6248290B2 (en) Focused ultrasonic generator
WO2012127943A1 (en) Ultrasonic irradiation device
US9858911B2 (en) Transducer support, ultrasound probe, and ultrasound imaging apparatus