JP2023122410A - 超音波投射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】超音波投射装置において、より超音波の音圧を高める。【解決手段】超音波を投射する超音波投射装置１であって、第１ブロック体２と、第２ブロック体３と、第１ブロック体２と第２ブロック体３とに挟持された圧電ユニット４とを備え、第１ブロック体２、第２ブロック体３及び圧電ユニット４の軸方向における第１ブロック体２側の一端に振動板６ｂが設けられ、軸方向における一端から第２ブロック体３側の他端までの寸法が圧電ユニット４で発生する振動の半波長に略一致するように形成されており、振動板６ｂと振動板６ｂを支持する基部６ａとの間に、振動板６ｂと基部６ａとを接続する円滑な内壁面６ｅ１を有する溝部６ｅが形成された接続部６ｃが設けられている。【選択図】図１

Description

本発明は、超音波投射装置に関するものである。

近年、車両用の超音波センサや、音波に指向性を持たせて投射するパラメトリックスピーカとして、小型の超音波投射装置が用いられている。例えば、特許文献１には、振動部で発生した振動を振動板に伝達して超音波を投射する超音波投射装置が開示されている。

特開２０１９－９７０５２号公報

超音波投射装置は、車両等に搭載されることから小型かつ軽量であることが求められる。さらに、超音波投射装置は、小型かつ軽量でありながらも強い音圧の超音波を投射可能とすることが求められる。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、超音波投射装置において、より超音波の音圧を高めることを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するための手段として、以下の構成を採用する。

本発明の第１の態様は、超音波を投射する超音波投射装置であって、第１ブロック体と、第２ブロック体と、上記第１ブロック体と上記第２ブロック体とに挟持された振動発生部とを備え、上記第１ブロック体、上記第２ブロック体及び上記振動発生部の配列方向における上記第１ブロック体側の一端に振動板が設けられ、上記配列方向における上記一端から上記第２ブロック体側の他端までの寸法が上記振動発生部で発生する振動の半波長に略一致するように形成されており、上記振動板と上記振動板を支持する基部との間に、上記振動板と上記基部とを接続する円滑な内壁面を有する溝部が形成された接続部が設けられているという構成を採用する。

本発明の第２の態様は、上記第１の態様において、上記振動板、上記接続部及び上記基部を有する先端部材を上記第１ブロック体と別体で備え、上記先端部材が上記第１ブロック体に固定されているという構成を採用する。

本発明の第３の態様は、上記第１の態様において、上記第１ブロック体が、上記振動板、上記接続部及び上記基部を有するという構成を採用する。

本発明の第４の態様は、超音波を投射する超音波投射装置であって、第１ブロック体と、第２ブロック体と、上記第１ブロック体と上記第１ブロック体とに挟持された振動発生部とを備え、上記第１ブロック体が、上記第１ブロック体、上記第２ブロック体及び上記振動発生部の配列方向における上記振動発生部と反対側に設けられた振動板と、上記振動発生部に当接された基部と、上記振動板と上記基部との間に設けられると共に、上記振動板と上記基部とを接続する円滑な内壁面を有する溝部が形成された接続部とを有するという構成を採用する。

本発明の第５の態様は、上記第１～第４いずれかの態様において、上記溝部が、上記配列方向に沿う中心軸を中心とする環状に形成されており、上記中心軸を含む平面による断面形状が上記中心軸を中心とする径方向の外側から内側に向けて窪む半楕円形状であるという構成を採用する。

本発明の第６の態様は、上記第５の発明において、上記半楕円形状が、短軸が上記中心軸と平行であり、長軸が上記径方向と平行であるという構成を採用する。

本発明の第７の態様は、上記第１～第６のいずれかの態様において、一端部に上記第１ブロック体が螺合されると共に他端部に上記第２ブロック体が螺合されるボルトを備え、上記配列方向にて、上記ボルトの重心が上記第１ブロック体よりも上記第２ブロック体に近接して位置するという構成を採用する。

本発明の第８の態様は、上記第１～第７のいずれかの態様において、上記第１ブロック体が、上記第２ブロック体よりも比重が小さい材料によって形成されているという構成を採用する。

本発明の第９の態様は、上記第１～第８のいずれかの態様において、上記配列方向にて、上記振動発生部により発生した振動の節の位置に、上記第１ブロック体と上記振動発生部との境界が位置するという構成を採用する。

本発明によれば、振動板とこの振動板を支持する基部とを接続する接続部に溝部が設けられている。このため、振動板の縁部が接続部に拘束されずに大きく変位することができ、振動板から投射される超音波の音圧を大きくすることができる。さらに、溝部の内壁面が円滑であることから、内壁面に局所的な応力集中が生じることを抑制できる。このため、振動板の振幅をより大きくし、振動板から投射される超音波の音圧を大きくすることができる。したがって、本発明によれば、超音波投射装置において、より超音波の音圧を高めることができる。

本発明の第１実施形態の超音波投射装置の概略構成図である。 本発明の第１実施形態の超音波投射装置の概略構成を示す断面図である。 本発明の第１実施形態の超音波投射装置のアドミタンス特性を測定した結果である。 本発明の第１実施形態の超音波投射装置の振動面上の振動変位を測定した結果である。 本発明の第１実施形態の超音波投射装置の指向特性に関する測定結果である。 本発明の第１実施形態の超音波投射装置の距離特性に関する測定結果である。 本発明の第１実施形態の超音波投射装置の入力電力と音圧の関係に関する測定結果である。 本発明の第２実施形態の超音波投射装置の概略構成図である。 本発明の第２実施形態の超音波投射装置の概略構成を示す断面図である。 本発明の第２実施形態の超音波投射装置において溝部の短軸半径と長軸半径とを変化させて得られた音圧分布を示すシミュレーション結果である。 本発明の第３実施形態の超音波投射装置の概略構成を示す断面図である。 本発明の第４実施形態の超音波投射装置の概略構成図である。

以下、図面を参照して、本発明に係る超音波投射装置の一実施形態について説明する。

（第１実施形態）
図１は、本実施形態の超音波投射装置１の概略構成図である。また、図２は、本実施形態の超音波投射装置１の概略構成を示す断面図である。これらの図に示すように、本実施形態の超音波投射装置１は、中心軸Ｌを軸芯とする略円柱形状に形成されている。以下の説明においては、説明の便宜上、中心軸Ｌに沿った方向を軸方向と称する。また、中心軸Ｌを中心として中心軸Ｌに直交する方向を径方向と称する。また、軸方向において後述する第２ブロック体３から見た第１ブロック体２側を前側と称する。また、第１ブロック体２側から見た第２ブロック体３側を後側と称する。ただし、本実施形態の超音波投射装置１の設置姿勢は特に限定されるものではない。

図１に示すように、本実施形態の超音波投射装置１は、第１ブロック体２と、第２ブロック体３と、圧電ユニット４（振動発生部）と、ボルト５と、先端部材６とを備えている。第１ブロック体２、第２ブロック体３及び圧電ユニット４は、軸方向に沿って、後側から第２ブロック体３、圧電ユニット４、第１ブロック体２の順に配列されている。つまり、第１ブロック体２、第２ブロック体３及び圧電ユニット４の配列方向は、軸方向である。

第１ブロック体２は、中心軸Ｌを軸芯とする円柱形状に形成された金属製のブロック体である。第１ブロック体２は、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、チタン、チタン合金、ステンレス鋼、鉄等によって形成される。図２に示すように、第１ブロック体２には、軸方向に貫通する貫通孔２１が設けられている。貫通孔２１は、軸方向から見て第１ブロック体２の中央部に形成されている。この貫通孔２１の内壁面には、ボルト５及び先端部材６を螺合するための雌ねじが形成されている。

第２ブロック体３は、中心軸Ｌを軸芯とする円柱形状に形成された金属製のブロック体である。本実施形態では、第２ブロック体３の直径は、第１ブロック体２の直径と同一である。ただし、第２ブロック体３の直径が、第１ブロック体２の直径と異なってもよい。第２ブロック体３は、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、チタン、チタン合金、ステンレス鋼、鉄等によって形成される。第２ブロック体３は、第１ブロック体２と同一材料によって形成されてもよいし、第１ブロック体２と異なる材料によって形成されてもよい。

図２に示すように、第２ブロック体３には、軸方向に延伸する穴部３１が設けられている。穴部３１は、軸方向から見て、第２ブロック体３の中央部に形成されている。穴部３１は、第２ブロック体３の前側の表面から後側に向けて窪むように形成されている。この穴部３１の内壁面には、ボルト５を螺合するための雌ねじが形成されている。例えば、穴部３１の直径は、第１ブロック体２の貫通孔２１の直径と同一である。ただし、穴部３１の直径が、貫通孔２１の直径と異なってもよい。

圧電ユニット４は、不図示の駆動部から給電されることで振動する。つまり、圧電ユニット４は、振動を発生する振動発生部である。圧電ユニット４は、例えば積層された複数の円板状の圧電セラミックス素子を備えている。圧電ユニット４は、中心軸Ｌを中心とする円環状に形成されている。本実施形態では、圧電ユニット４の外径は、第１ブロック体２及び第２ブロック体３の直径よりも僅かに小さい。しかしながら、圧電ユニット４の外径は、第１ブロック体２及び第２ブロック体３の直径と同一あるいは大きくてもよい。

図１及び図２に示すように、本実施形態においては、２つの圧電ユニット４が軸方向に隣接して配置されている。ただし、圧電ユニット４の数は変更可能である。つまり、超音波投射装置１は、単一の圧電ユニット４を備えてもよい。また、超音波投射装置１は、３つ以上の圧電ユニット４を備えてもよい。

これらの圧電ユニット４は、軸方向にて第１ブロック体２と第２ブロック体３との間に配置されている。圧電ユニット４の前側には第１ブロック体２が位置する。また、圧電ユニット４の後側には第２ブロック体３が位置する。これらの圧電ユニット４は、第１ブロック体２と第２ブロック体３とによって挟持されている。

ボルト５は、中心軸Ｌに沿って延伸しており、中心軸Ｌに重なるように配置されている。ボルト５は、外周面に雄ねじが形成されている。ボルト５は、図２に示すように、円環状の圧電ユニット４を貫通し、前端部に第１ブロック体２が固定され、後端部に第２ブロック体３が固定されている。ボルト５の前端部（一端部）は、第１ブロック体２の貫通孔２１に挿入され、貫通孔２１の内壁面に形成された雌ねじと螺合されている。ボルト５の後端部（他端部）は、第２ブロック体３の穴部３１の内壁面に形成された雌ねじと螺合されている。

第１ブロック体２と第２ブロック体３とがボルト５に螺合され、第１ブロック体２と第２ブロック体３との間で圧電ユニット４が挟持されることで、第１ブロック体２、第２ブロック体３と、圧電ユニット４とが一体化されている。

先端部材６は、第１ブロック体２に対して前側から取り付けられる部材である。先端部材６は、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、チタン、チタン合金、ステンレス鋼、鉄等によって形成される。先端部材６は、第１ブロック体２及び第２ブロック体３、と同一材料によって形成されてもよいし、第１ブロック体２及び第２ブロック体３と異なる材料によって形成されてもよい。この先端部材６は、例えば図２に示すように、基部６ａと、振動板６ｂと、接続部６ｃと、軸部６ｄとを有している。

基部６ａは、振動板６ｂ、接続部６ｃ及び軸部６ｄを直接的あるいは間接的に支持する。基部６ａは、軸方向から見て略円形に形成された円板状の部位である。基部６ａは、前側に接続部６ｃが接続されている。また、基部６ａは、後側に軸部６ｄが設けられている。本実施形態において基部６ａの直径は、第１ブロック体２の直径よりも僅かに大きい。しかしながら、基部６ａの直径は、第１ブロック体２の直径と同一あるいは小さくてもよい。

振動板６ｂは、基部６ａよりも前側に位置し、接続部６ｃを介して基部６ａに接続されている。振動板６ｂは、軸方向から見て円形状に形成された円板状の部位である。振動板６ｂは、圧電ユニット４で発生された振動が伝達されることで振動する。振動板６ｂが振動することで超音波が放射される。本実施形態において振動板６ｂの直径は、第１ブロック体２の直径と同一である。しかしながら、振動板６ｂの直径は、第１ブロック体２の直径と異なってもよい。つまり、振動板６ｂの直径は、第１ブロック体２の直径よりも大きくても小さくてもよい。

接続部６ｃは、基部６ａと振動板６ｂとの間に設けられ、振動板６ｂを支持する。この接続部６ｃは、中心軸Ｌを中心として円環状に設けられた溝部６ｅを有する。溝部６ｅの内壁面６ｅ１は、振動板６ｂと基部６ａを接続すると共に円滑な面である。ここでいう円滑とは、全体が曲面あるいは平面によって形成されており、屈曲した部位が設けられていないことを意味する。

溝部６ｅは、上述のように、軸方向に沿った中心軸Ｌを中心とする環状に形成されている。中心軸Ｌを含む平面による断面形状は、図２に示すように、径方向の外側から内側に向けて窪む半楕円形状である。この半楕円形状の短軸は、中心軸Ｌと平行である。また、この半楕円形状の長軸は、径方向と平行である。

ただし、溝部６ｅの断面形状は、短軸が径方向と平行で、長軸が中心軸Ｌと平行の半楕円形状であってもよい。また、溝部６ｅの断面形状は、半円形状や馬蹄形状であってもよい。また、溝部６ｅの断面形状は、全体が曲面あるいは全体が曲面と平面とを組み合わせた屈曲した部位がない面であればよい。

軸部６ｄは、軸方向から見て基部６ａの中央に接続されており、基部６ａから後方に向けて突出している。軸部６ｄは、円柱状に形成されており、外周面に第１ブロック体２の貫通孔２１の雌ねじに螺合される雄ねじが形成されている。基部６ａの後側の面が第１ブロック体２の前側の面に当接するまで、軸部６ｄを貫通孔２１に捻じ込むことで、先端部材６が第１ブロック体２に固定される。

このような本実施形態の超音波投射装置１では、外部の駆動部から圧電ユニット４に電力が供給されると、圧電ユニット４が振動する。圧電ユニット４の駆動周波数を超音波投射装置１の共振周波数とすることで、圧電ユニット４の振動に超音波投射装置１が共振する。この結果、振動板６ｂが強く振動して、高い音圧の超音波が発生する。発生した超音波は、空間に放射される。このような本実施形態の超音波投射装置１は、振動板６ｂで発生させた超音波を空間中に投射する。

本実施形態において超音波投射装置１の全長は、超音波投射装置１が上述のように共振する際の縦振動の半波長に設定されている。つまり、超音波投射装置１の全長は、圧電ユニット４で発生する振動の半波長に設定されている。超音波投射装置１の軸方向における一端は第２ブロック体３の後側の端面である。また、超音波投射装置１の軸方向における他端は、振動板６ｂの前側の面である。このため、第２ブロック体３の後側の端面から振動板６ｂの前側の面までの距離寸法は、圧電ユニット４で発生する振動の半波長に設定されている。このような本実施形態の超音波投射装置１では、振動板６ｂは、超音波投射装置１が共振する際の縦振動の腹の位置に配置される。この結果、振動板６ｂの振幅を大きくすることができ、より高い音圧の超音波を出力することができる。

なお、超音波投射装置１の全長が圧電ユニット４で発生する振動の半波長に一致するとは、超音波投射装置１の全長が圧電ユニット４で発生する振動の半波長に完全一致することに限定されるものではない。超音波投射装置１が有する誤差等に起因して、超音波投射装置１の全長が圧電ユニット４で発生する振動の半波長に対して僅かに変位することは許容される。超音波投射装置１の全長が圧電ユニット４で発生する振動の半波長に略一致していれば、より高い音圧の超音波を出力することができる。

例えば、超音波投射装置１の全長は、圧電ユニット４で発生する振動の半波長に対して１０％長くてもよい。また、超音波投射装置１の全長は、圧電ユニット４で発生する振動の半波長に対して１０％短くてもよい。なお、さらに好ましくは、超音波投射装置１の全長は、圧電ユニット４で発生する振動の半波長に対して９９％から１０１％にするとよい。この理由は、一般的なボルト締めランジュバン型振動子（ＢＬＴ）の先鋭度Ｑは１００以上であるため、実用的な振幅（すなわち、ピークの半値）を得るためには、±１％以内のずれとする必要があるためである。

以上のような本実施形態の超音波投射装置１は、第１ブロック体２と、第２ブロック体３と、圧電ユニット４とを備えている。圧電ユニット４は、第１ブロック体２と第２ブロック体３とに挟持されている。また、本実施形態の超音波投射装置１は、振動板６ｂが設けられている。振動板６ｂは、第１ブロック体２、第２ブロック体３及び圧電ユニット４の軸方向における第１ブロック体２側の一端に設けられている。また、本実施形態の超音波投射装置１は、軸方向における第１ブロック体２側の一端から第２ブロック体３側の他端までの寸法が圧電ユニット４で発生する振動の半波長である。または、軸方向における第１ブロック体２側の一端から第２ブロック体３側の他端までの寸法は、圧電ユニット４で発生する振動の半波長に略一致する。さらに、本実施形態の超音波投射装置１は、接続部６ｃが設けられている。接続部６ｃは、振動板６ｂと振動板６ｂを支持する基部６ａとの間に設けられている。さらに、接続部６ｃは、振動板６ｂと基部６ａとを接続する円滑な内壁面６ｅ１を有する溝部６ｅが形成されている。

このような本実施形態の超音波投射装置１によれば、振動板６ｂと基部６ａとを接続する接続部６ｃに溝部６ｅが設けられている。このため、振動板６ｂの縁部が接続部６ｃに拘束されずに大きく変位することができ、振動板６ｂから投射される超音波の音圧を大きくすることができる。さらに、溝部６ｅの内壁面６ｅ１が円滑であることから、内壁面６ｅ１に局所的な応力集中が生じることを抑制できる。このため、振動板６ｂの振幅をより大きくし、振動板６ｂから投射される超音波の音圧を大きくすることができる。したがって、本実施形態の超音波投射装置１によれば、より超音波の音圧を高めることができる。

さらに、本実施形態の超音波投射装置１によれば、第２ブロック体３の後側の端面から振動板６ｂの前側の面までの距離寸法は、圧電ユニット４で発生する振動の半波長に設定されている。このような本実施形態の超音波投射装置１では、振動板６ｂは、超音波投射装置１が共振する際の縦振動の腹の位置に配置される。この結果、振動板６ｂの振幅を大きくすることができ、より高い音圧の超音波を出力することができる。

また、本実施形態の超音波投射装置１は、第１ブロック体２と別体の先端部材６を備える。先端部材６は、振動板６ｂ、接続部６ｃ及び基部６ａを有する。また、先端部材６は、第１ブロック体２に固定されている。このような本実施形態の超音波投射装置１においては、先端部材６を第１ブロック体２に対して着脱することができる。このため、先端部材６を交換することで、例えば振動板６ｂの形状を容易に変更することが可能である。

また、本実施形態の超音波投射装置１において、溝部６ｅは、軸方向に沿う中心軸Ｌを中心とする環状に形成されている。また、溝部６ｅは、中心軸Ｌを含む平面による断面形状が径方向の外側から内側に向けて窪む半楕円形状である。このような断面形状が半楕円形状の溝部６ｅを設けることで、後述の実施例で説明するように、指向性及び音圧が高い超音波を出力することができる。

また、本実施形態の超音波投射装置１においては、溝部６ｅの断面形状である半楕円形状は、短軸が中心軸Ｌと平行であり、長軸が径方向と平行である。このため、長軸が中心軸Ｌと平行である場合と比較して、超音波投射装置１の全長を短くし、超音波投射装置１を小型化することができる。

［実施例］
続いて、上記第１実施形態の超音波投射装置１を用いた実験の結果を、実施例として説明する。本実施例では、第１ブロック体２、第２ブロック体３及び圧電ユニット４として、図２に示す長さ寸法Ｄ１が４１．５ｍｍの６０ｋＨｚ用ボルト締めランジュバン型振動子（ＢＬＴ）を用いた。また、溝部６ｅの断面形状である半楕円形状の短軸半径ａは、２．２ｍｍとした。また、長軸半径ｂは、４．９ｍｍとした。また、基部６ａの直径寸法は、第１ブロック体２及び振動板６ｂの接続を容易とするために１７ｍｍとした。さらに、基部６ａは、中心軸Ｌを挟むように縁部の２箇所を１ｍｍずつ削った形状とした。また、基部６ａの厚さ寸法Ｄ２は、１．５ｍｍとした。また、振動板６ｂの直径寸法は、１５ｍｍとした。また、振動板６ｂの厚さ寸法Ｄ３は、０．５ｍｍとした。また、第２ブロック体３の直径寸法Ｄ４は、１５ｍｍとした。

本実施例においては、超音波投射装置１のアドミタンス特性を測定した。本測定では、インピーダンスアナライザを用いた。測定条件は駆動電圧を１Ｖで一定とした。図３は、アドミタンス特性を測定した結果である。図３における横軸は、コンダクタンスを示す。図３における縦軸は、サセプタンスを示す。図３に示すように、共振周波数は４８．０ｋＨｚであり、コンダクタンスの値は１．５１ ｍＳであり、先鋭度Ｑは２６７であった。

続いて、超音波投射装置１の振動振幅変位について検討した。本検討では、振動面（振動板６ｂの前側の面）上の振動変位を測定した。本測定は、レーザードップラ振動計を用いて行った。また、本測定では、振動板６ｂの中心から径方向に７．５ ｍｍの範囲を測定範囲として、径方向に０．５ ｍｍ間隔で測定した。また、圧電ユニット４の駆動周波数は、超音波投射装置１の共振周波数である４８．０ ｋＨｚとした。また、圧電ユニット４への入力電流は５０ｍＡで一定とした。この時の電圧は３４．５Ｖ、電力は１．７Ｗであった。

図４は、振動面上の振動変位を測定した結果である。図４における横軸は、振動板中心からの距離である。図４における縦軸は、振動変位振幅である。図４に示すように、振動板６ｂの変位は板端に近づくにつれて中心の変位より急激に大きくなることがわかる。また、最大振幅は振動板端において１７μｍが得られ、板端と中心の変位振幅の比は２２倍であった。

続いて、指向特性について検討した。本検討では、超音波投射装置１から投射される音波の音圧を、角度を変えて測定した。本測定では、１／８インチコンデンサマイクロホン（ＡＣＯ， ＴＹＰＥ７１１８）を用いて測定した。本測定では、振動板６ｂの振動面と測定点の距離を３００ｍｍで一定とし、振動面の垂直中心軸上を０°とし、両側９０°の範囲を１°間隔で測定した。超音波投射装置１の駆動条件は、振動変位振幅の検討の際と同じである。

図５は、指向特性に関する測定結果である。図５における横軸は、中心からの角度である。図５における縦軸は、音圧である。図５に示すように、振動板６ｂから放射された音波は０°方向（振動面に垂直な方向）に高い音圧が得られていることがわかる。また、０°方向において最大音圧２００Ｐａが得られ、半値全幅は約１５°であった。

続いて、距離特性について検討した。本検討では、超音波投射装置１から投射される音波を超音波投射装置１からの距離を変えて測定した。本測定では、指向特性の検討の際と同じコンデンサマイクロホンを用いて測定した。本測定では、振動面の中心軸垂直方向（０°方向）にマイクロホンを設置し、距離を１ｍｍから３００ｍｍまで１ｍｍずつ変化させて行った。超音波投射装置１の駆動条件は、指向特性の検討の際と同じである。

図６は、距離特性に関する測定結果である。図６における横軸は、振動板６ｂからの距離である。図６における縦軸は、音圧である。図６に示すように、振動板６ｂから離れるに従って音圧が低下することが分かる。また、距離３００ｍｍにおける音圧は、１９０Ｐａであった。

続いて、入力電力と音圧の関係について検討した。圧電ユニット４への入力電力を変化させた場合について、超音波投射装置１から放射される音波の音圧を指向特性の検討の際と同じコンデンサマイクロホンを用いて測定した。本測定では、振動面の中心軸垂直方向（０°方向）の距離３００ｍｍの位置にマイクロホンを設置し、入力電力を０Ｗから１０ Ｗまで徐々に増加させて行った。超音波投射装置１の駆動条件は、指向特性の検討の際と同じである。

図７は、入力電力と音圧の関係に関する測定結果である。図７における横軸は、入力電力である。図７における縦軸は、音圧である。図７に示すように、音圧は入力電力の増加に伴って上昇し、入力電力５Ｗで最大音圧３６２Ｐａ（音圧レベル１４５ｄＢ）の大きな値が得られることがわかった。

このように、本実施例では、超音波投射装置１について、アドミタンス特性、振動変位分布、指向特性、距離特性、及び、入力と音圧の関係について検討した。これらの検討結果より、比較的遠方に鋭い指向性の音波を放射できることが分かり、振動面に垂直な方向の距離３００ｍｍにおいて最大音圧３６２Ｐａという高い音圧が得られることが分かった。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について、説明する。なお、本実施形態の説明において、上記第１実施形態と同様の部分については、その説明を省略あるいは簡略化する場合がある。

図８は、本第２実施形態の超音波投射装置１Ａの概略構成図である。また、図９は、本第２実施形態の超音波投射装置１Ａの断面図である。これらの図に示すように、本実施形態の超音波投射装置１Ａは、上記第１実施形態における先端部材６を備えていない。一方で、本実施形態において第１ブロック体２は、基部２ａと、振動板２ｂと、接続部２ｃとを備えている。つまり、本実施形態において、振動板２ｂは、第１ブロック体２の一部である。

基部２ａは、中心軸Ｌを軸芯とする円柱形状に形成された部位である。基部２ａには、軸方向に延伸する穴部２ｄが設けられている。穴部２ｄは、軸方向から見て、基部２ａの中央部に形成されている。穴部２ｄは、基部２ａの後側の表面から前側に向けて窪むように形成されている。この穴部２ｄの内壁面には、ボルト５を螺合するための雌ねじが形成されている。例えば、穴部２ｄの直径は、第２ブロック体３の穴部３１の直径と同一である。ただし、穴部２ｄの直径は、穴部３１の直径と異なってもよい。基部２ａは、振動板２ｂ及び接続部２ｃを直接的あるいは間接的に支持する。基部２ａは、前側に接続部２ｃが接続されている。

振動板２ｂは、基部２ａよりも前側に位置し、接続部２ｃを介して基部２ａに接続されている。振動板２ｂは、軸方向から見て円形状に形成された円板状の部位である。振動板２ｂは、圧電ユニット４で発生された振動が伝達されることで振動する。振動板２ｂが振動することで超音波が放射される。本実施形態において振動板２ｂの直径は、基部２ａの直径と同一である。しかしながら、振動板２ｂの直径は、基部２ａの直径と異なってもよい。つまり、振動板２ｂの直径は、基部２ａの直径よりも大きくても小さくてもよい。

接続部２ｃは、基部２ａと振動板２ｂとの間に設けられ、振動板２ｂを支持する。この接続部２ｃは、中心軸Ｌを中心として円環状に設けられた溝部２ｅを有する。溝部２ｅの内壁面２ｅ１は、振動板２ｂと基部２ａを接続すると共に円滑な面である。ここでいう円滑とは、全体が曲面あるいは平面によって形成されており、屈曲した部位が設けられていないことを意味する。

溝部２ｅは、上述のように、軸方向に沿った中心軸Ｌを中心とする環状に形成されている。中心軸Ｌを含む平面による断面形状は、図９に示すように、径方向の外側から内側に向けて窪む半楕円形状である。この半楕円形状の短軸は、中心軸Ｌと平行である。また、この半楕円形状の長軸は、径方向と平行である。

ただし、溝部２ｅの断面形状は、短軸が径方向と平行で、長軸が中心軸Ｌと平行の半楕円形状であってもよい。また、溝部２ｅの断面形状は、半円形状や馬蹄形状であってもよい。また、溝部２ｅの断面形状は、全体が曲面あるいは全体が曲面と平面とを組み合わせた屈曲した部位がない面であればよい。

このような本実施形態の超音波投射装置１Ａでは、外部の駆動部から圧電ユニット４に電力が供給されると、圧電ユニット４が振動する。圧電ユニット４の駆動周波数を超音波投射装置１Ａの共振周波数とすることで、圧電ユニット４の振動に超音波投射装置１Ａが共振する。この結果、振動板２ｂが強く振動して、高い音圧の超音波が発生する。発生した超音波は、空間に放射される。このような本実施形態の超音波投射装置１Ａは、振動板２ｂで発生させた超音波を空間中に投射する。

本実施形態において超音波投射装置１Ａの全長は、超音波投射装置１Ａが上述のように共振する際の縦振動の半波長に設定されている。つまり、超音波投射装置１Ａの全長は、圧電ユニット４で発生する振動の半波長に設定されている。超音波投射装置１Ａの軸方向における一端は第２ブロック体３の後側の端面である。また、超音波投射装置１Ａの軸方向における他端は、振動板２ｂの前側の面である。このため、第２ブロック体３の後側の端面から振動板２ｂの前側の面までの距離寸法は、圧電ユニット４で発生する振動の半波長に設定されている。このような本実施形態の超音波投射装置１Ａでは、振動板２ｂは、超音波投射装置１Ａが共振する際の縦振動の腹の位置に配置される。この結果、振動板２ｂの振幅を大きくすることができ、より高い音圧の超音波を出力することができる。

以上のような本実施形態の超音波投射装置１Ａは、第１ブロック体２と、第２ブロック体３と、圧電ユニット４とを備えている。圧電ユニット４は、第１ブロック体２と第２ブロック体３とに挟持されている。また、第１ブロック体２は、振動板２ｂと、基部２ａと、接続部２ｃとを備えている。振動板２ｂは、軸方向における第１ブロック体２の圧電ユニット４と反対側の一端に設けられている。基部２ａは、圧電ユニット４に当接されている。接続部２ｃは、振動板２ｂと振動板２ｂを支持する基部２ａとの間に設けられている。さらに、接続部２ｃは、振動板２ｂと基部２ａとを接続する円滑な内壁面２ｅ１を有する溝部２ｅが形成されている。

このような本実施形態の超音波投射装置１Ａによれば、振動板２ｂと基部２ａとを接続する接続部２ｃに溝部２ｅが設けられている。このため、振動板２ｂの縁部が接続部２ｃに拘束されずに大きく変位することができ、振動板２ｂから投射される超音波の音圧を大きくすることができる。さらに、溝部２ｅの内壁面２ｅ１が円滑であることから、内壁面２ｅ１に局所的な応力集中が生じることを抑制できる。このため、振動板２ｂの振幅をより大きくし、振動板２ｂから投射される超音波の音圧を大きくすることができる。したがって、本実施形態の超音波投射装置１Ａによれば、より超音波の音圧を高めることができる。

また、本実施形態の超音波投射装置１Ａは、軸方向における第１ブロック体２側の一端から第２ブロック体３側の他端までの寸法が圧電ユニット４で発生する振動の半波長である。つまり、本実施形態の超音波投射装置１Ａによれば、第２ブロック体３の後側の端面から振動板２ｂの前側の面までの距離寸法は、圧電ユニット４で発生する振動の半波長に設定されている。このような本実施形態の超音波投射装置１Ａでは、振動板２ｂは、超音波投射装置１Ａが共振する際の縦振動の腹の位置に配置される。この結果、振動板２ｂの振幅を大きくすることができ、より高い音圧の超音波を出力することができる。

また、本実施形態の超音波投射装置１Ａにおいては、振動板２ｂが第１ブロック体２の一部である。このため、上記第１実施形態のような先端部材６を第１ブロック体２と別体として設ける必要がない。このため、超音波投射装置１Ａの全長を上記第１実施形態よりも短くすることができる。また、超音波投射装置１Ａの部品点数を上記第１実施形態よりも少なくし、構造を簡素化することができる。

ただし、本実施形態の超音波投射装置１Ａは、軸方向における第１ブロック体２側の一端から第２ブロック体３側の他端までの寸法は、必ずしも圧電ユニット４で発生する振動の半波長である必要はない。例えば、軸方向における第１ブロック体２側の一端から第２ブロック体３側の他端までの寸法を、上記振動の１波長や１．５波長としてもよい。このように、軸方向における第１ブロック体２側の一端から第２ブロック体３側の他端までの寸法が上記振動の半波長でない場合であっても、振動板２ｂが第１ブロック体２の一部であるため、超音波投射装置１Ａの部品点数を上記第１実施形態よりも少なくすることができる。

また、本実施形態の超音波投射装置１Ａにおいて、溝部２ｅは、軸方向に沿う中心軸Ｌを中心とする環状に形成されている。また、溝部２ｅは、中心軸Ｌを含む平面による断面形状が径方向の外側から内側に向けて窪む半楕円形状である。このような断面形状が半楕円形状の溝部２ｅを設けることで、指向性及び音圧が高い超音波を出力することができる。

また、本実施形態の超音波投射装置１Ａにおいては、溝部２ｅの断面形状である半楕円形状は、短軸が中心軸Ｌと平行であり、長軸が径方向と平行である。このため、長軸が中心軸Ｌと平行である場合と比較して、超音波投射装置１Ａの全長を短くし、超音波投射装置１Ａを小型化することができる。

［実施例］
続いて、上記第２実施形態の超音波投射装置１Ａを用いたシミュレーションの結果を、実施例として説明する。本実施例では、図９に示す長さ寸法Ｄａ（第２ブロック体３の後端から穴部２ｄの前端までの距離寸法）は３５．５ｍｍとした。より詳細には、第２ブロック体３の後端から前端までの距離寸法は１４．８ｍｍ、圧電ユニット４の後端から前端までの距離寸法は１０．７ｍｍ、第１ブロック体２の後端から穴部２ｄの前端までの距離寸法は１０ｍｍとした。

また、穴部２ｄの前端から基部２ａの前端までの距離寸法Ｄｂは、１ｍｍ～５ｍｍまで０．５ｍｍ間隔で変化させた。なお、距離寸法Ｄｂが１ｍｍの場合の超音波投射装置１Ａの全長（第２ブロック体３の後端から振動板２ｂの前側の面までの距離寸法）は、４１．０ｍｍである。また、振動板２ｂの厚さ寸法Ｄｃは、０．５ｍｍとした。また、溝部２ｅの断面形状である半楕円形状の短軸半径ａは、２ｍｍ～２．５ｍｍまで０．１ｍｍ間隔で変化させた。また、溝部２ｅの断面形状である半楕円形状の長軸半径ｂは、４ｍｍ～４．５ｍｍまで０．１ｍｍ間隔で変化させた。また、第２ブロック体３の後端には、１．５μｍの規定変位を加えた。

本実施例では、上述の条件の下、振動板２ｂの中心から３００ｍｍ前方の音圧を評価した。図１０は、短軸半径ａと長軸半径ｂとを変化させて得られた音圧分布を示すシミュレーション結果である。なお、図１０に示す結果の作図においては、同じ短軸半径ａと長軸半径ｂで距離寸法Ｄｂを変化させて得られた複数の音圧のうち、最も高い音圧を用いている。

図１０から、短軸半径ａと長軸半径ｂとの変化に関わらず、１００Ｐａ以上の高い音圧が得られることが分かる。また、図１０から、短軸半径ａを短くすることで音圧が高くなる傾向が分かる。また、図１０から、長軸半径ｂを長くすることで音圧が高くなる傾向が分かる。

なお、本実施例において、周波数の変化は５４．４ｋＨｚ～６０．７ｋＨｚの範囲であった。短軸半径ａの変化量に対する周波数の変化量は大きくなく、長軸半径ｂを大きくするほど周波数が下がった。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について説明する。なお、本実施形態の説明において、上記第２実施形態と同様の部分については、その説明を省略あるいは簡略化する場合がある。

図１１は、本第３実施形態の超音波投射装置１Ｂの概略構成を示す断面図である。この図に示すように、本実施形態の超音波投射装置１Ｂは、第２ブロック体３の穴部３１が軸方向にて第２ブロック体３を貫通して設けられている。また、本実施形態においては、ボルト５が第１実施形態よりも後方に変位した位置に配置されている。本実施形態においては、図１１に示すように、ボルト５の重心Ｇが第１ブロック体２よりも第２ブロック体３に近接して位置する。

このような本実施形態の超音波投射装置１Ｂによれば、ボルト５が後方に配置されるため、基部２ａに設けられた穴部２ｄの前端から基部２ａの前端までの距離を長く確保することができる。このため、穴部２ｄの前端から前方の基部２ａの厚みを上記第１実施形態よりも厚くすることができる。したがって、本実施形態の超音波投射装置１Ｂによれば、より耐久性が向上する。

また、本実施形態において、第１ブロック体２は、第２ブロック体３よりも比重が小さい材料によって形成されてもよい。このような場合には、例えば、第１ブロック体２はアルミニウムで形成し、第２ブロック体３はステンレス鋼で形成してもよい。第１ブロック体２を第２ブロック体３よりも比重が小さい材料で形成することで、第１ブロック体２が軽量化され、振動板２ｂの振幅を大きくすることが可能になる。この結果、より音圧を高めることができる。

なお、上記第１実施形態において、第１ブロック体２及び先端部材６を第２ブロック体３よりも比重が小さい材料で形成してもよい。また、上記第２実施形態において、第１ブロック体２を第２ブロック体３よりも比重が小さい材料で形成してもよい。いずれの場合も、振動板６ｂあるいは振動板２ｂの振幅を大きくすることができ、より音圧を高めることができる。

（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について説明する。なお、本実施形態の説明において、上記第２実施形態と同様の部分については、その説明を省略あるいは簡略化する場合がある。

図１２は、本第４実施形態の超音波投射装置１Ｃの概略構成図である。この図１２に示す二点鎖線は、超音波投射装置１Ｃが共振する場合における縦振動波を模式的に示している。図１２に示すように、本実施形態の超音波投射装置１Ｃにおいては、ノードＮの位置に第１ブロック体２と圧電ユニット４との境界が位置する。つまり、本実施形態の超音波投射装置１Ｃでは、軸方向にて、圧電ユニット４により発生した振動の節の位置に、第１ブロック体２と圧電ユニット４との境界が位置する。

このようにノードＮの位置に第１ブロック体２と圧電ユニット４との境界が位置する場合には、ノードＮの位置が圧電ユニット４の内部に位置する場合よりも発熱を抑制することが可能となる。また、第１ブロック体２の圧電ユニット４側の端面が、振動によって変位しない。このため、第１ブロック体２の圧電ユニット４側の端面を介して、超音波投射装置１Ｃを外部の部材に対して容易に固定することが可能となる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の趣旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

１……超音波投射装置、１Ａ……超音波投射装置、１Ｂ……超音波投射装置、１Ｃ……超音波投射装置、２……第１ブロック体、２ａ……基部、２ｂ……振動板、２ｃ……接続部、２ｄ……穴部、２ｅ……溝部、２ｅ１……内壁面、３……第２ブロック体、４……圧電ユニット（振動発生部）、５……ボルト、６……先端部材、６ａ……基部、６ｂ……振動板、６ｃ……接続部、６ｄ……軸部、６ｅ……溝部、６ｅ１……内壁面、２１……貫通孔、３１……穴部、ａ……短軸半径、ｂ……長軸半径、Ｇ……重心、Ｌ……中心軸、Ｎ……ノード

Claims (9)

1. 超音波を投射する超音波投射装置であって、
   第１ブロック体と、
   第２ブロック体と、
   前記第１ブロック体と前記第２ブロック体とに挟持された振動発生部と
   を備え、
   前記第１ブロック体、前記第２ブロック体及び前記振動発生部の配列方向における前記第１ブロック体側の一端に振動板が設けられ、
   前記配列方向における前記一端から前記第２ブロック体側の他端までの寸法が前記振動発生部で発生する振動の半波長に略一致するように形成されており、
   前記振動板と前記振動板を支持する基部との間に、前記振動板と前記基部とを接続する円滑な内壁面を有する溝部が形成された接続部が設けられている
   超音波投射装置。
2. 前記振動板、前記接続部及び前記基部を有する先端部材を前記第１ブロック体と別体で備え、
   前記先端部材が前記第１ブロック体に固定されている
   請求項１記載の超音波投射装置。
3. 前記第１ブロック体は、前記振動板、前記接続部及び前記基部を有する請求項１記載の超音波投射装置。
4. 超音波を投射する超音波投射装置であって、
   第１ブロック体と、
   第２ブロック体と、
   前記第１ブロック体と前記第１ブロック体とに挟持された振動発生部と
   を備え、
   前記第１ブロック体は、
   前記第１ブロック体、前記第２ブロック体及び前記振動発生部の配列方向における前記振動発生部と反対側に設けられた振動板と、
   前記振動発生部に当接された基部と、
   前記振動板と前記基部との間に設けられると共に、前記振動板と前記基部とを接続する円滑な内壁面を有する溝部が形成された接続部と
   を有する
   超音波投射装置。
5. 前記溝部は、前記配列方向に沿う中心軸を中心とする環状に形成されており、前記中心軸を含む平面による断面形状が前記中心軸を中心とする径方向の外側から内側に向けて窪む半楕円形状である請求項１～４のいずれか一項に記載の超音波投射装置。
6. 前記半楕円形状は、短軸が前記中心軸と平行であり、長軸が前記径方向と平行である請求項５記載の超音波投射装置。
7. 一端部に前記第１ブロック体が螺合されると共に他端部に前記第２ブロック体が螺合されるボルトを備え、
   前記配列方向にて、前記ボルトの重心が前記第１ブロック体よりも前記第２ブロック体に近接して位置する
   請求項１～６のいずれか一項に記載の超音波投射装置。
8. 前記第１ブロック体は、前記第２ブロック体よりも比重が小さい材料によって形成されている請求項１～７のいずれか一項に記載の超音波投射装置。
9. 前記配列方向にて、前記振動発生部により発生した振動の節の位置に、前記第１ブロック体と前記振動発生部との境界が位置する請求項１～８のいずれか一項に記載の超音波投射装置。

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