JP5083970B2 - 縞モード振動板を用いる超音波音源 - Google Patents

Description

本発明は超音波音源に関し、特に、縞モード振動板を用いる超音波音源に関する。

従来から、空気中に強力な音波を放射する音源として、縞モード振動板や格子モード振動板を用いた矩形たわみ振動板型の超音波音源が存在する。このような振動板は、例えば非特許文献１や非特許文献２に開示されている。これらは、大出力容量の空中超音波を高効率で発生できるため、集塵や乾燥等に利用されている。

このような縞モード振動板では、発生した超音波がそのまま空気中に放射された後減衰されてしまうため、有効に音波エネルギを利用できない問題があった。また、強力音場の範囲も必然的に狭くなってしまう問題もあった。このような問題を解決するために、特許文献１では、縞モード振動板の一側面又は表裏両面側に、板面から放射された超音波を一端に開口した放射口に向けて反射して合成音波と成す反射板と傾斜反射板をそれぞれ設け、各反射板には放射口から放射される合成された超音波を内側に反射してライン状に集束する放物面反射板を連設したものが開示されている。

特開平９−２９９８８１号公報 山根宏之、川村雅恭著「屈曲振動板と反射板とを用いた空中超音波用音源」日本音響学会誌、Ｖｏｌ．３２、Ｎｏ．２、１９７６年０２月０１日、ｐ．８３−９１ 三浦光著「格子モード方形たわみ振動板を用いた空中超音波音源」日本音響学会誌、Ｖｏｌ．５０、Ｎｏ．９、１９９４年０９月０１日、ｐ．６７７−６８４

しかしながら、特許文献１に開示の超音波音源を含めて、縞モード振動板を用いた超音波音源では、振動源が接続される駆動点はすべて振動板の中心に配置されていた。即ち、振動板の面内に駆動点が設けられるものであった。したがって、駆動点に接続される振動源の共振棒や振幅拡大ホーン等が振動板の中心に配置されることになるためこれが妨げとなり、音源として利用するときに制約を受けるものであった。例えば特許文献１のような反射板を設ける構造の場合、裏面に反射板を設けようと思うと、共振棒等を避けるように反射板に孔を設け、これを共振棒が貫くように構成しなければならなかった。このため、反射板と振動板間に存在してしまう共振棒の影響や、反射板に設けられた孔の影響等により、電気音響変換効率が落ちてしまっていた。

本発明は、斯かる実情に鑑み、振動板の表裏の区別も無く、超音波音源の利用性を高め、電気音響変換効率も良好な超音波音源を提供しようとするものである。

上述した本発明の目的を達成するために、本発明による超音波音源は、振動子と振動伝達部とからなる振動源と、振動源による振動に共振して縞モード振動が生ずる振動板と、振動板の一辺から延在し、振動源が接続される駆動点を有する駆動凸部と、を具備するものである。

ここで、駆動凸部は、縞モード振動の節線と平行な振動板の一辺から延在するものであれば良い。

また、駆動凸部は、振動板の一辺の中心から延在するものであっても良い。

また、駆動凸部は、その振動板から駆動点までの長さが、自然数から０．１を引いた値の倍数であれば良い。

また、振動板は、その縞モード振動の節線の間隔に対する節線と平行な一辺の長さが、自然数且つ奇数であれば良い。

本発明の超音波音源は、振動板から延在する駆動凸部に駆動点を設けることにより、振動板の面外に駆動点を配置できるため、振動板の表裏の区別無く超音波音源を利用でき、したがって、電気音響変換効率も良好な超音波音源を実現可能であるという利点がある。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図示例と共に説明する。図１は、本発明の超音波音源の構成を説明するための斜視図である。図示の通り、本発明の超音波音源は、振動源１と振動板２と駆動凸部３とから主に構成されるものである。図示例では、振動源１は、振動子１０と、振動伝達部１１とから構成されている。振動子１０は、超音波振動を発生させるものであり、高強度で大振幅特性に優れたものが好ましい。振動子１０の具体例としては、例えばランジュバン型振動子や磁歪振動子等が挙げられる。

振動伝達部１１は、振動子１０からの振動を駆動点に伝達するものである。振動伝達部１１は、例えば振幅拡大用ホーン１２及び共振棒１３とから構成されている。振幅拡大用ホーン１２は、振動子１０からの振動を拡大するためのホーンである。また、共振棒１３は、縦振動周波数調整用の棒であり、これは振動子１０からの振動周波数を振動板２の共振周波数に合わせるために微調整を行うものである。なお、図示例では振動伝達部１１として、振幅拡大用ホーン１２や共振棒１３を示したが、本発明はこれに限定されず、振動子１０からの振動を振動板２に伝達でき、振動板を共振させるものであれば、振幅拡大や周波数調整はしなくても良い。

振動板２は、振動源１による振動に共振して縞モード振動が生ずるものである。図示例の振動板２は、縞モード振動を生ずるべく寸法を構成した矩形状のものである。図示例では、縞モード振動の節線は、長手方向の辺に垂直な方向に現れるものを示している。しかしながら、本発明はこれに限定されず、必要により長手方向の辺に平行な方向に縞モード振動の節線が現れるように設計しても良いし、振動板の形状についても必ずしも矩形状のものでなくても良い。

そして、本発明の超音波音源に用いられる振動板２には、駆動凸部３が設けられている。駆動凸部３は、振動板２の一辺から延在し、振動源１が接続される駆動点３０を有している。ここで、駆動凸部３についてより詳細に説明する。

図２は、本発明の超音波音源に用いられる振動板の上面図である。図中、図１と同一の符号を付した部分は同一物を表わしている。なお、図中の点線は、縞モード振動の節線を表している。図２に示されるように、駆動凸部３は、縞モード振動の節線と平行な振動板２の一辺から延在している。なお、駆動凸部３は、振動板２を切り出して一体的に形成されても良いし、振動板２に後から固定されても良い。図示例では、駆動凸部３は、振動板２の一辺の中心から延在するものを示した。しかしながら、本発明はこれに限定されず、振動板２において縞モード振動が生ずる位置であれば、必要により中心からオフセットした位置に設けられても良い。また、駆動凸部は、縞モード振動の節線と垂直な一辺から延在するようなものでも良い。さらに、図示例の駆動凸部３は、振動板２の面と共面のものを示したが、本発明はこれに限定されず、振動板２に縞モード振動が生ずるよう振動が伝わるものであれば、共面ではなく、駆動凸部を例えば曲面状に曲げても良い。

以下、本発明の超音波音源に用いられる振動板及び駆動凸部の設計について説明する。本発明の超音波音源に用いられる振動板２は、縞モード振動を生ずるべく寸法を構成した矩形状のものである。図２に示されるように、縞モード振動の節線の間隔をｄとすると、以下の関係式が成り立つ。

但し、Ｃ_Ｄは振動板の材料に固有な定数、ｈは振動板の板厚、ｆは共振時に縞モード振動が現れる周波数である。

ここで、節線と垂直な辺の長さをＬ、節線と平行な辺の長さをＷとすると、以下の関係式が成り立つ。
Ｌ＝（Ｎ_Ｌ−０．５）ｄ
Ｗ＝Ｎ_Ｗｄ
但し、Ｎ_Ｌは節数であり自然数、Ｎ_Ｗは自然数である。

上述のような関係式を用いて縞モード振動を生ずるように振動板２が設計される。

また、図２に示されるように、振動板２の辺から駆動凸部３の駆動点３０までの長さをＬ_ＤＶとすると、以下の関係式のように定義できる。
Ｌ_ＤＶ＝Ｎ_ｉｄ
但し、Ｎ_ｉは小数値である。

以下、振動板の幅と駆動点端から振動板端までの長さを変化させた場合について検討した実験結果を説明する。なお、実験条件としては以下の通りである。超音波音源の構成としては図１に示したような構成であり、振動子１０として、２０ｋＨｚ用ボルト締めランジュバン型振動子を用いた。また、振動伝達部１１の振幅拡大用ホーン１２としては、太端面の直径が７０ｍｍ、細端面の直径が１０ｍｍ、振幅拡大比が７であるジュラルミン製のエキスポネンシャルホーンを用い、共振棒１３としては、直径１０ｍｍのジュラルミン製の縦振動周波数調整用の半波長共振棒を用いた。これをネジで結合し、その先端に駆動凸部３を有する縞モードたわみ振動板２をネジで結合したものを用いた。振動板２及び駆動凸部３はジュラルミン製の板を切り出して一体的に形成されたものであり、その板厚ｈは３ｍｍである。また、このとき、Ｃ_Ｄは１５０９ｋＨｚ・ｍｍとし、Ｎ_Ｌ＝１２一定とした。また、ｆは１９．８ｋＨｚ、ｄは１８．８６ｍｍとした。

従来技術のように駆動点が振動板の中心にある場合には、Ｎ_Ｗの値は自然数で奇数であることが知られている。本発明の駆動凸部による振動板において良好な駆動を行うためのＮ_Ｗの値について、上述の実験条件下において検討した。図３は、縞モード振動の節線の間隔に対する節線と平行な辺の長さを変化させたときの音源の電気インピーダンスの大きさの特性を表すグラフである。Ｎ_Ｗは４から６まで０．１ごとに変えて、共振時に縞モード振動が得られたときの超音波音源の電気インピーダンスの大きさを求めた。同図から、電気インピーダンスはＮ_Ｗの値が５のときのみ大きくなり、それ以外では小さいことが分かる。したがって、従来技術のように駆動点が振動板の中心にあるものと同様に、本発明の超音波音源でも、Ｎ_Ｗの値は自然数且つ奇数とすれば良いことが分かる。即ち、本発明の超音波音源の振動板の設計においては、縞モード振動の節線の間隔に対する節線と平行な辺の長さを、自然数且つ奇数とすれば良い。

次に、駆動凸部を用いて振動板の良好な駆動を行うためのＬ_ＤＶの値について、上述の実験条件下において検討した。図４は、節線の間隔に対する振動板端から駆動点までの長さを変化させたときの超音波音源の電気インピーダンスの大きさの特性を表すグラフである。Ｎ_Ｗは５とし、Ｎ_ｉを１から３まで０．１ごとに変えて、共振時に縞モード振動が得られたときの超音波音源の電気インピーダンスの大きさを求めた。同図から、Ｎ_ｉの値が１．９と２．９のときに電気インピーダンスが大きくなった。したがって、Ｎ_ｉの値が２から０．１引いた値や３から０．１引いた値のときに電気インピーダンスが大きくなっていることから、駆動凸部の振動板から駆動点までの長さＬ_ＤＶとしては、自然数から０．１引いた値の倍数であれば良いことが分かる。即ち、本発明の超音波音源の振動板から延在する駆動凸部の設計においては、振動板端から駆動点までの長さを、自然数から０．１引いた値の倍数とすれば良い。

本発明の超音波音源では、振動板や駆動凸部を上述のように設計することで、従来と同様の縞モード振動を発生させることが可能となる。そして、本発明の超音波音源では、振動板の表裏面には何も接続する必要がないため、表裏面の区別無く利用することが可能となる。そして、振動伝達部等が振動板上に存在しないので、例えば特許文献１に開示のような、振動板面から放射された超音波を一端に開口した放射口に向けて反射して合成音波とするような反射板を、振動板の表裏に同じように設けることも可能となる。この結果、従来の超音波音源に比べて、電気音響変換効率も良好となり、さらに利用性も高く応用範囲も広い超音波音源が実現可能となる。

なお、本発明の超音波音源は、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。上述した具体的な寸法や材質、形状等については、あくまでも単なる一例であり、これに限定されるものではない。

図１は、本発明の超音波音源の構成を説明するための斜視図である。 図２は、本発明の超音波音源に用いられる振動板の上面図である。 図３は、縞モード振動の節線の間隔に対する節線と平行な辺の長さを変化させたときの音源の電気インピーダンスの大きさの特性を表すグラフである。 図４は、節線の間隔に対する振動板端から駆動点までの長さを変化させたときの超音波音源の電気インピーダンスの大きさの特性を表すグラフである。

符号の説明

１ 振動源
２ 振動板
３ 駆動凸部
１０ 振動子
１１ 振動伝達部
１２ 振幅拡大用ホーン
１３ 共振棒
３０ 駆動点

Claims (5)

1. 超音波を放射する超音波音源であって、該超音波音源は、
   振動子と振動伝達部とからなる振動源と、
   前記振動源による振動に共振して縞モード振動が生ずる振動板と、
   前記振動板の一辺から延在し、前記振動源が接続される駆動点を有する駆動凸部と、
   を具備することを特徴とする超音波音源。
2. 請求項１に記載の超音波音源において、前記駆動凸部は、縞モード振動の節線と平行な振動板の一辺から延在することを特徴とする超音波音源。
3. 請求項１又は請求項２に記載の超音波音源において、前記駆動凸部は、前記振動板の一辺の中心から延在することを特徴とする超音波音源。
4. 請求項１乃至請求項３の何れかに記載の超音波音源において、前記駆動凸部は、その前記振動板から駆動点までの長さが、自然数から０．１を引いた値の倍数であることを特徴とする超音波音源。
5. 請求項１乃至請求項４の何れかに記載の超音波音源において、前記振動板は、その縞モード振動の節線の間隔に対する節線と平行な一辺の長さが、自然数且つ奇数であることを特徴とする超音波音源。