JP5016227B2

JP5016227B2 - 超音波発生装置

Info

Publication number: JP5016227B2
Application number: JP2006018197A
Authority: JP
Inventors: 耕作北田; 健治椿; 真山田
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2006-01-26
Filing date: 2006-01-26
Publication date: 2012-09-05
Anticipated expiration: 2026-01-26
Also published as: JP2007196142A

Description

本発明は、超音波発生装置に関するものである。

農業において、蛾等の害虫への対応は過去から現在に至るまで最も重要な課題の一つである。古くは虫送り等の害虫を追い出す行事があり、最近では、農薬を主体とする化学的駆除法が発達している。しかし、農薬には副作用や周辺環境への影響等の様々な問題があり、現在ではできるだけ農薬を使わない駆除法が望まれている。

そこで、超音波発生装置を用いて、蛾の天敵であるコウモリが発する超音波域の標定音を擬似的に放射して、超音波を可聴域とする蛾を駆除するものがある。（例えば、特許文献１参照）
特開昭５５−１２７９４７号公報

上記特許文献１においては、周波数および振幅を変調させた超音波を、連続的または断続的に放射しており、さらにはスイープさせたり、強弱をつけることによって、歪みを与えていた。

しかし、放射する超音波を具体的にどのような波形にすれば、蛾等の害虫を効果的に駆除できるかについては開示されておらず、十分な駆除効果を期待できるものではなかった。

また、超音波発生素子として圧電素子を用いており、圧電素子は、共振点近傍の周波数での出力感度はよいが、周波数変調させる場合、出力感度の悪い周波数帯域も用いることになり、全ての周波数帯域において安定した音圧を出力することは困難であった
本発明は、上記事由に鑑みてなされたものであり、その目的は、蛾等の害虫を駆除するために効果的な波形の超音波を放射することができる超音波発生装置を提供することにある。

請求項１の発明は、超音波を放射する超音波発生手段と、この放射する超音波の波形データを格納した記憶手段と、前記記憶手段に格納した前記波形データに基づいて前記超音波発生手段を駆動する駆動手段とを備え、前記超音波発生手段が放射する超音波は、周波数および振幅を変調させたバースト波が２個続いて生成されたものであり、前記バースト波の振幅は最小値から最大値を介して最小値に変化し、１個目の前記バースト波の最大振幅と２個目の前記バースト波の最大振幅とは異なることを特徴とする。

この発明によれば、振幅が最小値から最大値を介して最小値に変化するバースト波からなる超音波を放射することで、蛾等の害虫を効果的に駆除することができる。すなわち、蛾等の害虫を駆除するために効果的な波形の超音波を放射することができる。また、バースト波の各最大振幅を異なる大きさに設定し、放射する超音波に変化を与えることで、蛾等の害虫を超音波の放射に慣れにくくさせている。

請求項２の発明は、請求項１において、前記超音波発生手段は、前記２個続いて生成されたバースト波を間欠的に繰り返して放射することを特徴とする。

この発明によれば、蛾等の害虫に対して超音波の影響を効果的に与えることができる。

請求項３の発明は、請求項１または２において、前記超音波発生手段が放射する超音波は、２０ｋＨｚ〜８０ｋＨｚの範囲内で周波数変調されることを特徴とする。

この発明によれば、蛾の天敵であるコウモリが発する超音波域の標定音と同一の帯域を有する超音波を放射することができる。

請求項４の発明は、請求項１乃至３いずれかにおいて、前記超音波発生手段が、ベース基板と、ベース基板の一表面側に形成された発熱体層と、ベース基板の前記一表面側でベース基板と発熱体層との間に介在する熱絶縁層とを備え、発熱体層への通電に伴う発熱体層の温度変化により空気に熱衝撃を与えることで超音波を発生するものであることを特徴とする。

この発明によれば、立ち上がりと立ち下りにダレの少ない超音波を超音波発生手段から放射することが可能となる。また、超音波の周波数を、超音波発生手段として圧電素子を用いている場合に比べて広範囲に亘って変化させることができる。

請求項５の発明は、請求項１乃至４いずれかにおいて、光源を備えた照明器具に取り付けられることを特徴とする。

この発明によれば、光源に近づいて来た蛾等の害虫を駆除することができる。

以上説明したように、本発明では、蛾等の害虫を駆除するために効果的な波形の超音波を放射することができるという効果がある。また、バースト波の各最大振幅を異なる大きさに設定し、放射する超音波に変化を与えることで、蛾等の害虫を超音波の放射に慣れにくくさせている。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

（実施形態１）
本実施形態の超音波発生装置は、図１に示すように、超音波の放射を指示する操作部１の操作に応じて超音波を放射するものであって、操作部１、駆動部２、超音波発生素子３、出力制御部４、メモリ５とから構成される。

メモリ５は、放射する超音波の波形データを格納しており、出力制御部４は、ＣＰＵ等により構成されて、超音波の放射を指示する操作部１の操作によってメモリ５から波形データを読み出し、この波形データに基づいて駆動部２を制御する。

駆動部２は、発振信号の周波数及び振幅が可変である発振回路２１，信号の増幅機能を有する増幅回路２２を備える。そして、出力制御部４によって、発振回路２１が出力する発振信号の周波数および振幅が変調され、この発振信号を増幅回路２２で増幅した後、超音波発生素子３の駆動信号として出力する。

超音波発生素子３は、増幅回路２２が出力する駆動信号により駆動されることで、メモリ５に格納されている波形データに応じた超音波を放射する。

すなわち、出力制御部４が、発振回路２１の発振信号の周波数および振幅を制御することにより、超音波発生素子３から周波数変調および振幅変調させた超音波を放射させるのである。

また、超音波発生素子３は、図２に示すように、単結晶のシリコン基板からなるベース基板３１と、ベース基板３１の一表面側（図２の上面側）に設けられた金属薄膜（例えば、イリジウム薄膜）からなる発熱体層３３と、ベース基板３１の上記一表面側でベース基板３１と発熱体層３３との間に介在する熱絶縁層３２と、ベース基板３１の上記一表面側で発熱体層３３の両端部それぞれと電気的に接続された一対のパッド３４，３４とを備えている。この超音波発生素子３では、一対のパッド３４，３４を介した発熱体層３３への通電に伴う発熱体層３３の温度変化により媒質である空気に熱衝撃を与えることで超音波を発生させる。すなわち、この超音波発生素子３は、発熱体層３３へ与える駆動電圧波形もしくは駆動電流波形からなる駆動信号波形に応じた発熱体層３３の温度変化により空気に熱衝撃を与えることにより超音波を発生させることができるものである。なお、ベース基板３１の平面形状は長方形状であって、熱絶縁層３２、発熱体層３３それぞれの平面形状も長方形状に形成してある。また、ベース基板３１の上記一表面側において熱絶縁層３２が形成されていない部分の表面にはシリコン酸化膜からなる絶縁膜（図示せず）が形成されている。

また、上述の超音波発生素子３は、ベース基板３１としてｐ形のシリコン基板を用いており、熱絶縁層３２を多孔度が略６０〜略７０％の多孔質シリコン層により構成しているので、ベース基板３１として用いるシリコン基板の一部をフッ化水素水溶液とエタノールとの混合液からなる電解液中で陽極酸化処理することにより熱絶縁層３２となる多孔質シリコン層を形成することができる。多孔質シリコン層は、多孔度が高くなるにつれて熱伝導率および熱容量が小さくなるので、熱絶縁層３２の熱伝導度および熱容量をベース基板３１の熱伝導度および熱容量に比べて小さくし、熱絶縁層３２の熱伝導度と熱容量との積をベース基板３１の熱伝導度と熱容量との積に比べて十分に小さくすることにより、発熱体層３３の温度変化を空気に効率よく伝達することができ発熱体層３３と空気との間で効率的な熱交換が起こり、かつ、ベース基板３１が熱絶縁層３２からの熱を効率良く受け取って熱絶縁層３２の熱を逃がすことができて発熱体層３３からの熱が熱絶縁層３２に蓄積されるのを防止することができる。

発熱体層３３は、高融点金属の一種であるタングステンにより形成してあるが、発熱体層３３の材料はタングステンに限らず、例えば、タンタル、モリブデン、イリジウム、アルミニウムなどを採用してもよい。また、上述の超音波発生素子３では、ベース基板３１の厚さを３００〜７００μｍ、熱絶縁層３２の厚さを１〜１０μｍ、発熱体層３３の厚さを２０〜１００ｎｍ、各パッド３４の厚さを０．５μｍとしてあるが、これらの厚さは一例であって特に限定するものではない。また、ベース基板３１の材料としてＳｉを採用しているが、ベース基板３１の材料はＳｉに限らず、例えば、Ｇｅ，ＳｉＣ，ＧａＰ，ＧａＡｓ，ＩｎＰなどの陽極酸化処理による多孔質化が可能な他の半導体材料でもよい。

ところで、図３に示すように周波数及び振幅が可変である発振回路２１が出力する発振信号を抵抗Ｒ１，Ｒ２で分圧した後、増幅回路２２のトランジスタＴｒ１で増幅して、その増幅出力をパルストランスＰＴで昇圧して超音波発生素子３に与える回路構成を駆動部２に採用した場合、超音波発生素子３が従来のような圧電素子であれば、圧電素子の共振周波数では高い音圧の超音波が放射されるが、共振周波数からずれると音圧が低くなってしまい、また、機械的振動により超音波を発生させるので、超音波の立ち上がりと立ち下りにダレが起こる。なお、トランジスタＴｒ１のエミッタ端子−ゲート端子間にはダイオードＤ１が接続され、トランジスタＴｒ１のコレクタ端子には商用電源（ＡＣ１００Ｖ）から生成された制御電圧Ｖｃｃが接続されている。

これに対して、本実施形態における超音波発生素子３は、一対のパッド３４，３４を介した発熱体層３３への通電に伴う発熱体層３３の温度変化に伴って音波を発生するものであり、図３のような簡単な回路構成で、周波数変調させる場合、全ての周波数帯域において安定した音圧を出力することができるとともに、立ち上がりと立ち下りにダレのない超音波を放射することができる。また、本実施形態における超音波発生素子３では、発熱体層３３へ与える駆動電圧波形あるいは駆動電流波形からなる駆動信号波形を例えば周波数がｆ１の正弦波波形（図４（ａ）参照）とした場合、理想的には、発熱体層３３で生じる温度振動の周波数が駆動信号波形の周波数ｆ１の２倍の周波数ｆ２となり、駆動信号波形ｆ１の略２倍の周波数の超音波（図４（ｂ）参照）を発生させることができる。すなわち、上述の超音波発生素子３は、平坦な周波数特性を有しており、発生させる超音波の周波数を圧電素子に比べて広範囲にわたって変化させることができる。

ここで、上述の説明から分かるように、超音波発生素子３から６０ｋＨｚの超音波を発生させるには、発振回路２１の出力周波数を３０ｋＨｚとすればよく、超音波発生素子３から４０ｋＨｚの超音波を発生させるには発振回路２１の出力周波数を２０ｋＨｚとすればよい。

なお、本実施形態では、超音波発生素子３における発熱体層３３が薄板状の発熱体を構成しているが、空気に熱衝撃を与えることにより超音波を発生する超音波発生素子は、少なくとも薄板状の発熱体を備えていればよく、例えば、アルミニウム製の薄板を発熱体として当該発熱体への通電に伴う発熱体の急激な温度変化による熱衝撃によって音波を発生させるものでもよい。

図５は本実施形態の超音波発生素子３から放射する超音波の波形を示し、１個目のバースト波Ｗ１と、バースト波Ｗ１に続いて放射される２個目のバースト波Ｗ２とのセットを基本波形Ｗ０とする。バースト波Ｗ１，Ｗ２は、それぞれが周波数変調および振幅変調されており、例えば対象とする害虫が蛾の場合、蛾の天敵であるコウモリが発する超音波域の標定音と同一の２０ｋＨｚ〜８０ｋＨｚの範囲内で周波数変調されている。なお、この周波数変調の帯域は、対象とする害虫に応じて効果的な周波数を設定すればよい。

また、バースト波Ｗ１，Ｗ２は、それぞれが振幅変調されているが、バースト波Ｗ１，Ｗ２の各振幅は最小値から最大値を介して最小値に変化しており、蛾等の害虫に対して影響を効果的に与える超音波波形に生成されている。

そして、バースト波Ｗ１の最大振幅をＡ、バースト波Ｗ２の最大振幅をＢとすると、Ａ≠Ｂであり、例えば、Ｂ／Ａ＝０．２〜０．８に設定される。このように、バースト波Ｗ１，Ｗ２の各最大振幅Ａ，Ｂを異なる大きさに設定し、放射する超音波に変化を与えることで、蛾等の害虫を超音波の放射に慣れにくくさせている。

さらに、上記バースト波Ｗ１，Ｗ２からなる基本波形Ｗ０の出力時間Ｔ１は８〜１０秒に設定され、基本波形Ｗ０はインターバル時間Ｔ２を介して間欠的に放射される。インターバル時間Ｔ２は０秒〜１０秒で可変に設定されており、図５では、左端と中央の各基本波形Ｗ０間のインターバル時間Ｔ２が０秒に設定されている。このようにインターバル時間Ｔ２を設けて、基本波形Ｗ０を間欠的に放射することで、蛾等の害虫に対して超音波の影響をさらに効果的にしている。

このように、超音波発生素子３からは、蛾等の害虫を駆除するのに効果的な周波数変調および振幅変調を施された超音波を、効果的に設定された波形、パターンで放射することができ、蛾等の害虫が忌避行動を起こす。

なお、メモリ５に複数の波形データを格納しておき、出力制御部４が読み出す波形データを操作部１の操作に応じて選択することで、１台の超音波発生装置で、様々な種類の害虫の駆除に用いることができる。

（実施形態２）
本実施形態の超音波発生装置は、図６にその構成を示し、実施形態１と同様の構成には同一の符号を付して説明は省略する。

本実施形態の駆動部２は、図６に示すように、発振回路２１を、出力バッファ２１ａ、Ｄ／Ａ変換回路２１ｂ、駆動制御回路２１ｃで構成し、増幅部２２はトランジスタＴｒ２で構成される。

また、超音波発生素子３から放射する超音波の波形は図５に示す波形となり、メモリ５にはバースト波Ｗ１，Ｗ２からなる基本波形Ｗ０の波形データが１個格納されている。

まず、出力制御部４は、超音波の放射を指示する操作部１の操作によってメモリ５から波形データを読み出し、この波形データを出力バッファ２１ａへ出力する。波形データは、周波数変調および振幅変調のデータを含んだデジタル信号であり、Ｄ／Ａ変換回路２１ｂ（１２ｂｉｔ，１００ｋＨｚ）は、出力バッファ２１ａから出力されたデジタルの波形データをアナログの発振信号に変換する。

駆動制御回路２１ｃは、ＦＰＧＡで構成され、上記出力バッファ２１ａの出力タイミングや、Ｄ／Ａ変換回路２１ｂの変換動作を制御することで、Ｄ／Ａ変換回路２１ｂが出力する発振信号のインターバル時間Ｔ２等を制御する。

そして上記発振信号は、メモリ５からの波形データに基づいて周波数変調および振幅変調を施されており、増幅回路２２のトランジスタＴｒ２で増幅された後、超音波発生素子３の駆動信号として出力される。なお、駆動部２と超音波発生素子３との間に介挿された接点ＳＷ１は、操作部１の操作に連動しており、超音波放射時にオンすることで、駆動信号は超音波発生素子３に伝達される。

ここで、メモリ５をシリアルＥＥＰＲＯＭで構成した場合、駆動信号の最大周波数１００ｋＨｚ、バースト波Ｗ１，Ｗ２からなる基本波形Ｗ０の出力時間Ｔ１を１０秒、基本波形Ｗ０のデータ長を２ｂｙｔｅとすると、メモリ５の容量は、２Ｍｂｙｔｅ以上必要になる。

また、本実施形態における超音波発生素子３では、発熱体層３３へ与える駆動信号波形として、例えば周波数がｆ１の正弦波波形をオフセット電圧Ｖｄｃだけ正側にオフセットした波形とし（図７（ａ）参照）、発熱体層３３には駆動信号の増減に応じてジュール熱が発生する（図７（ｂ）参照）。この場合、発熱体層３３で生じる温度振動の周波数が周波数ｆ１の２倍の周波数ｆ２となり、周波数がｆ１の略２倍の正弦波を正側にオフセットした波形の超音波（図７（ｃ）参照）を発生させることができる。

例えば、図６に示す超音波発生装置では、操作部１の操作によってオフセット電圧Ｖｄｃを可変としており、超音波発生素子３の駆動信号として、１０Ｖｐ−ｐの正弦波電圧に１〜１０Ｖのオフセット電圧を重畳可能に構成し、超音波発生素子３の抵抗を４〜５Ω、出力電流容量を１．２Ａ以下に設定する。

上記のように構成される本実施形態においても実施形態１と同様に、超音波発生素子３からは、蛾等の害虫を駆除するのに効果的な周波数変調および振幅変調を施された超音波を、効果的に設定された波形、パターンで放射することができ、蛾等の害虫が忌避行動を起こす。

（実施形態３）
本実施形態の超音波発生装置は、図８に示すように、実施形態１または実施形態２の超音波発生装置を照明器具１０に設けている。なお、実施形態１，２と同様の構成には同一の符号を付して説明は省略する。

照明器具１０は、点灯装置１１と光源１２とを備えており、光源１２は例えば放電灯などであり、点灯装置１１は、例えば、商用電源を整流および平滑等して直流電力を得る直流電源部（図示なし）と、この直流電源部で得られた直流電力を交流電力に変換するインバータ部（図示なし）とにより構成され、インバータ部で変換された交流電力を光源３に供給することによりこれを点灯するものである。

そして、点灯装置１１が光源１２を点灯した時点から、光源１２に近づいて来た蛾等の害虫を駆除するために、出力制御部４は、駆動部２を介して超音波発生素子３を駆動して、超音波を放射する。これにより、照明器具１０に近づいて来た蛾等の害虫が忌避行動を起こし、照明器具１０から離れるようになる。

なお、本実施形態では、超音波発生装置を備える照明器具を例示したが、本発明の超音波発生装置を害虫駆除に使用する形態としては様々な形態が考えられ、上記照明器具に限定されるものではない。

実施形態１の超音波発生装置の構成図である。同上の超音波発生素子の概略断面図である。同上の要部説明図である。（ａ）（ｂ）同上の動作説明図である。同上の超音波の波形図である。実施形態２の超音波発生装置の構成図である。（ａ）（ｂ）（ｃ）同上の動作説明図である。実施形態３の超音波発生装置の構成図である。

符号の説明

１操作部
２駆動部
３超音波発生素子
４出力制御部
５メモリ
２１発振回路
２２増幅回路

Claims

超音波を放射する超音波発生手段と、この放射する超音波の波形データを格納した記憶手段と、前記記憶手段に格納した前記波形データに基づいて前記超音波発生手段を駆動する駆動手段とを備え、前記超音波発生手段が放射する超音波は、周波数および振幅を変調させたバースト波が２個続いて生成されたものであり、前記バースト波の振幅は最小値から最大値を介して最小値に変化し、１個目の前記バースト波の最大振幅と２個目の前記バースト波の最大振幅とは異なることを特徴とする超音波発生装置。
前記超音波発生手段は、前記２個続いて生成された前記バースト波を間欠的に繰り返して放射することを特徴とする請求項１記載の超音波発生装置。
前記超音波発生手段が放射する超音波は、２０ｋＨｚ〜８０ｋＨｚの範囲内で周波数変調されることを特徴とする請求項１または２記載の超音波発生装置。
前記超音波発生手段が、ベース基板と、このベース基板の一表面側に形成された発熱体層と、前記ベース基板の前記一表面側で前記ベース基板と前記発熱体層との間に介在する熱絶縁層とを備え、前記発熱体層への通電に伴う前記発熱体層の温度変化により空気に熱衝撃を与えることで超音波を発生するものであることを特徴とする請求項１乃至３いずれか記載の超音波発生装置。
光源を備えた照明器具に取り付けられることを特徴とする請求項１乃至４いずれか記載の超音波発生装置。