JP6665820B2

JP6665820B2 - 超音波出力装置

Info

Publication number: JP6665820B2
Application number: JP2017062753A
Authority: JP
Inventors: 利明中山
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2017-03-28
Filing date: 2017-03-28
Publication date: 2020-03-13
Anticipated expiration: 2037-03-28
Also published as: WO2018181145A1; US20200015004A1; JP2018166262A; US10880639B2

Description

本開示は、超音波を出力する超音波出力装置に関する。

下記の特許文献１には、車両にパラメトリックスピーカを採用した技術が開示されている。

特開２０１１−１６２０７３号公報

ところで、パラメトリックスピーカ等の超音波出力装置を採用した技術では、用途に応じて指向性を変更できるようにすることが求められる。指向性を変更する場合、求める指向性に応じて音波出力面の大きさを変更すればよいが、用途毎に設計変更の手間とコストが必要になるという問題があった。

本開示では、超音波を出力する超音波出力装置において、超音波出力部の音波出力面の大きさを変更することなく、指向性を変更できるようにする技術を提供する。

本開示の超音波出力装置（１，２，３）は、少なくとも１つの超音波出力部（１０）と、振動部（２６，５６）とを備える。超音波出力部（１０）は、入力信号に応じた超音波を予め設定された進行方向に向けて音波出力面（１０Ａ）から出力するように構成される。

振動部（２６，５６）は、ｎを０以上の整数、λを超音波の波長として、音波出力面と平行な振動面であって音波出力面からの距離がｎλに設定された振動面（２６Ａ，５６Ａ）を有し、超音波出力部の進行方向とは直交する方向における周囲を取り囲む板状の部材であり、超音波出力部に生じる振動が振動面に伝達されるように構成される。

このような超音波出力装置によれば、振動部において音波出力面からの距離がｎλに設定された振動面（２６Ａ）を有しており、振動部を超音波出力部の一部として機能させることができる。この構成では、振動部によって超音波出力部の音波出力面の大きさを変更した場合と同様の指向特性を得ることができる。よって、超音波出力部の音波出力面の大きさを変更することなく、指向性を変更することができる。

ここで、本開示での「平行」とは、厳密な意味での平行に限るものではなく、上記と同様の効果を奏するのであれば厳密に平行でなくてもよい。なお、この欄および特許請求の範囲に記載した括弧内の符号は、一つの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、本開示の技術的範囲を限定するものではない。

第１実施形態における超音波出力装置のＩ−Ｉ断面図である。第１実施形態における超音波出力装置の正面図である。第１実施形態における超音波出力装置の斜視図である。超音波出力装置の指向性を示す平面図である。第１実施形態の変形例における超音波出力装置の中央断面図である。第２実施形態における超音波出力装置のVI−VI断面図である。第２実施形態における超音波出力装置の正面図である。第２実施形態における超音波出力装置の斜視図である。

以下、図面を参照しながら、本開示の実施形態を説明する。
［１．第１実施形態］
［１−１．構成］
図１，図２，図３に示す第１実施形態の超音波出力装置１は、超音波を出力する装置である。超音波出力装置１は、超音波出力部１０と、ケース部２０と、を備える。超音波出力部１０は、超音波によって可聴音を出力するパラメトリックスピーカとして構成される。

超音波出力部１０には、図示しない超音波アンプから、図３に示すコネクタ３６付のリード線３４を介して入力信号が入力され、この入力信号に応じて指向性を有する可聴音を出力する。入力信号としては、所定の周波数（例えば４０ｋＨｚ）を有する振幅一定の超音波の波形を振幅変調して所定の可聴音とするための信号が入力される。

ここで、超音波出力部１０は、図１，図２，図３に示すように例えば円柱状に構成され、一端面である音波出力面１０Ａから入力信号に応じた超音波を音波出力面１０Ａに対する鉛直方向である進行方向に向けて出力する。進行方向は、図１では右向きであり、図２では紙面手前向きである。なお、図１，図２，図３では、超音波出力部１０が１つだけ備えられた例を示すが、超音波出力部１０は複数備えられてもよい。

ケース部２０は、例えば、ステンレスやアルミ合金のような金属製であり、超音波出力部１０を取り囲んで保持する部材である。ケース部２０は、内径部分および外径部分に段差部２０Ａ，２０Ｂを有する円筒状に形成されている。ケース部２０は、段差部２０Ａ，２０Ｂによって進行方向側の内径および外径が大きくなるよう構成される。

なお、円柱状、円筒状には、略円柱状、略円筒状を含む。また、内径の段差部２０Ａは、保持部２２として機能する。保持部２２は、超音波出力部１０における進行方向とは反対側の面に対して、直接的または他の部材を介して間接的に接触して超音波出力部１０を保持する。

ケース部２０のうちの内径が大きな部位は、筒状部２４として機能する。筒状部２４は、超音波出力部１０の進行方向とは直交する方向における周囲を取り囲む。ただし、筒状部２４と超音波出力部１０との間には、筒状部２４と超音波出力部１０とが一定間隔となるような隙間部１２が形成されるように構成される。

また、筒状部２４は、円筒形に構成され、進行方向側の端部において外周側に突出するように構成された振動部２６が接続される。振動部２６は、超音波出力部１０の周囲を取り囲む円環状に構成される。なお、ケース部２０において筒状部２４は保持部２２および振動部２６と一体に構成される。

振動部２６は、進行方向側の面が振動面２６Ａを構成し、この振動面２６Ａが音波出力面１０Ａと同一平面上に位置するように構成される。同一平面上とは、音波出力面１０Ａから放出される超音波と振動面２６Ａから放出される超音波とが、同周波数かつ同位相となることを示す。

振動部２６は、ケース部２０全体とともに振動するように構成される。振動部２６は筒状部２４の厚みに対して薄く構成される。
振動部２６は、超音波出力部１０が超音波を発する際の反作用による振動が、ケース部２０に伝達されることによって、音波出力面１０Ａから放出される超音波と同周波数かつ同位相となる超音波を振動面２６Ａから放出する。なお、超音波出力装置１では、振動面２６Ａの面積が大きくなるにつれて指向性が高くなる特性があり、必要とされる指向性に応じて振動面２６Ａの面積、換言すれば振動面２６Ａの外径が設定される。

超音波出力装置１は、支持部３０と、振動抑制部材３２とをさらに備える。支持部３０は、超音波出力部１０が保持された状態のケース部２０を支持する。支持部３０は、ケース部２０における外径の段差部２０Ｂよりも進行方向の後方側で、振動抑制部材３２を介してケース部２０を支持する。

振動抑制部材３２は、保持部２２と支持部３０との間に配置されたリング状の部材であり、保持部２２よりも柔らかい材料によって構成される。この構成によって、超音波出力部１０による振動がケース部２０に伝達し、支持部３０には伝達しにくくすることで、出力の損失を抑制する。

なお、振動抑制部材３２が硬いか柔らかいかについては、超音波の振動を吸収しやすい物質をより柔らかいものとする。厳密に硬いか柔らかいかを測定するには、例えば、硬いか柔らかいかを比較する物質について、同一形状のサンプルを準備し、サンプルの一端を固定し他端に荷重を加えて該他端を解放することで振動させるとよい。この際の振動数が少ない物質をより柔らかいものとするとよい。振動抑制部材３２としては、例えば、ゴム等の樹脂製のガスケットやゴム板、或いはゴム系の接着剤等を採用できる。

［１−２．効果］
以上詳述した第１実施形態によれば、以下の効果を奏する。
（１ａ）本開示の超音波出力装置１は、少なくとも１つの超音波出力部１０と、振動部２６とを備える。超音波出力部１０は、入力信号に応じた超音波を予め設定された進行方向に向けて音波出力面１０Ａから出力するように構成される。振動部２６は、振動面２６Ａが音波出力面１０Ａと同一平面上に位置するように構成される。

このような超音波出力装置１によれば、振動部２６を超音波出力部１０の一部として機能させることができるので、振動部２６によって超音波出力部１０の音波出力面１０Ａの大きさを変更した場合と同様の指向特性を得ることができる。よって、超音波出力部１０の音波出力面１０Ａの大きさを変更することなく、指向性を変更することができる。

また、このような超音波出力装置１によれば、振動面２６Ａが音波出力面１０Ａと同一平面上に位置するので、周波数変調した超音波を出力する場合であっても良好に超音波を出力することができる。

ここで、振動部２６を備えることなく超音波出力部１０から超音波を放射した場合には、図４の白丸印にて示すように、比較的広範囲に超音波が照射される。なお、図４の白丸印は、音圧が同じレベルとなる地点を示している。

また、図４では、超音波出力部１０の中心軸の方向での音圧レベルに対して基準となる音圧（例えば−６ｄＢ）以上となる領域を放射領域３５として示す。中心軸の方向とは、超音波出力部１０の中心から進行方向に沿う軸を示し、図４では、同心円の中心から真上の方向を示す。

一方、振動部２６を備えた第１実施形態の構成では、超音波出力部１０から超音波を放射した場合には、図４のハッチングされた丸印にて示すように、比較的狭い範囲内に超音波が照射される。なお、図４のハッチングされた丸印は、前述の白丸印と音圧が同じレベルとなる地点を示している。また、図４では、超音波出力部１０の中心軸の方向での音圧レベルに対して振動部２６を備えない場合と同様の基準となる音圧以上となる領域を放射領域３６として示す。

本実施形態の構成では、振動部２６を備えない場合と比較して指向性が高くなっていることが分かる。
（１ｂ）上記実施形態の超音波出力装置１において、振動部２６は、超音波出力部１０の周囲を取り囲む円環状に構成される。

このような超音波出力装置１によれば、振動部２６が円環状に構成されるので、音波出力面１０Ａを中心に振動部２６を均一に振動させることができる。
（１ｃ）上記実施形態の超音波出力装置１においては、筒状部２４をさらに備える。筒状部２４は、超音波出力部１０の進行方向とは直交する方向における周囲を取り囲み、超音波出力部１０を保持するとともに、進行方向側の端部に振動部２６が接続されて構成される。

このような超音波出力装置１によれば、筒状部２４によって超音波出力部１０にて発生した振動を振動部２６に伝達することができる。また、筒状部２４によって超音波出力部１０の外周部を保護することができる。

（１ｄ）上記実施形態の超音波出力装置１において筒状部２４は、超音波出力部１０の周囲を取り囲む円筒形に構成される。
このような超音波出力装置１によれば、筒状部２４が円筒形に構成されるので、音波出力面１０Ａにて発生した振動を振動部２６に均等に伝達することができる。

［１−３．第１実施形態の変形例］
上記の第１実施形態では、振動面２６Ａが音波出力面１０Ａと同一平面上に位置するように構成されたが、このような構成に限られない。

図５に示す第１実施形態の変形例の超音波出力装置２では、振動部２６は、振動面２６Ａが音波出力面１０Ａと平行であって音波出力面１０Ａからの距離がｎλとなる位置に設定されてもよい。ただし、ｎは０以上の整数、λは超音波の波長である。

なお、この場合、音波出力面１０Ａは振動面２６Ａよりも進行方向側に位置するとよい。音波出力面１０Ａから放出された音波が筒状部２４に反射されることによる音波の干渉を抑制するためである。

このような超音波出力装置２によれば、振動部２６において音波出力面１０Ａからの距離がｎλに設定された振動面２６Ａを有しているので、上記の（１ａ）と同様に、振動部２６を超音波出力部１０の一部として機能させることができる。

［２．第２実施形態］
［２−１．第１実施形態との相違点］
第２実施形態は、基本的な構成は第１実施形態と同様であるため、相違点について以下に説明する。なお、第１実施形態と同じ符号は、同一の構成を示すものであって、先行する説明を参照する。

前述した第１実施形態では、１つの超音波出力部１０が備えられる例について説明した。これに対し、第２実施形態では、超音波出力部１０が複数備えられる点で、第１実施形態と相違する。

［２−２．構成］
第２実施形態の超音波出力装置３においては、図６，図７，図８に示すように、複数の超音波出力部１０を備える。複数の超音波出力部１０にはそれぞれ同周波数かつ同位相の入力信号が入力される。

また、前述の保持部２２、筒状部２４、振動部２６を有するケース部２０に換えて、保持部５２、筒状部５４、振動部５６を有するケース部５０を備える。また、前述の支持部３０、振動抑制部材３２に換えて、支持部６０、振動抑制部材６２を備える。

保持部５２、筒状部５４、振動部５６、支持部６０、振動抑制部材６２は、前述の保持部２２、筒状部２４、振動部２６、支持部３０、振動抑制部材３２と概ね同様の機能を有する。

複数の超音波出力部１０は、互いに隙間がないように並べて配置される。具体的には、ある１つの超音波出力部１０を中心として、その周囲に他の６つの超音波出力部１０が配置される。

筒状部５４は、内周部の断面形状が、複数の超音波出力部１０を並べて配置したときにおける複数の超音波出力部１０の外周の形状に沿うように構成される。筒状部５４の内周部と超音波出力部１０の外周部との間には、筒状部５４の内周部と超音波出力部１０との間に一定間隔となる隙間部４２が形成される。

筒状部２４の外周部は、複数の超音波出力部１０の外周に沿うような曲面として構成される。すなわち、筒状部５４は、概ね均一な厚みを有する板状の部材が複数の超音波出力部１０の外周に沿うように変形されて構成される。

［２−３．効果］
以上詳述した第２実施形態によれば、前述した第１実施形態の効果（１ａ）を奏し、さらに、以下の効果を奏する。

（２ａ）超音波出力装置３において、超音波出力部１０は、複数備えられ、筒状部２４は、内周部および外周部の断面形状が、複数の超音波出力部１０を並べて配置したときにおける複数の超音波出力部１０の外周の形状に沿うように構成される。

このような超音波出力装置３によれば、筒状部２４の内周部および外周部を複数の超音波出力部１０の外周の形状に沿わせるので、筒状部２４を単なる円筒状とする場合と比較して筒状部２４の剛性を向上させることができる。

（２ｂ）超音波出力装置３において、複数の超音波出力部１０は、互いに隙間がないように構成される。
このような超音波出力装置３によれば、複数の超音波出力部１０が互いに隙間なく配置されるので、特性のばらつきを抑制し、複数の超音波出力部１０を１つの超音波出力部１０として利用しやすくすることができる。

［３．他の実施形態］
以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は上述の実施形態に限定されることなく、種々変形して実施することができる。

（３ａ）上記第２実施形態では、複数の超音波出力部１０にはそれぞれ同位相の入力信号が入力されるが、これに限定されるものではない。例えば、複数の超音波出力部１０に同周波数であり、かつ異なる位相の入力信号を入力し、出力される超音波を互いに干渉させることによって指向性を変更する構成としてもよい。

（３ｂ）上記実施形態における１つの構成要素が有する複数の機能を、複数の構成要素によって実現したり、１つの構成要素が有する１つの機能を、複数の構成要素によって実現したりしてもよい。また、複数の構成要素が有する複数の機能を、１つの構成要素によって実現したり、複数の構成要素によって実現される１つの機能を、１つの構成要素によって実現したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加または置換してもよい。なお、特許請求の範囲に記載した文言から特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本開示の実施形態である。

（３ｃ）例えば、上記実施形態では、筒状部２４，５６を備え、振動部２６，５６は筒状部２４，５６に接続されるように構成したが、振動部２６，５６は直接的に超音波出力部１０に接続されてもよい。この場合、筒状部２４，５６を省略できる。

（３ｄ）上述した超音波出力装置１，２，３の他、当該超音波出力装置１，２，３を構成要素とするシステムなど、種々の形態で本開示を実現することもできる。

１，２，３…超音波出力装置、１０…超音波出力部、１０Ａ…音波出力面、１２，４２…隙間部、２０，５０…ケース部、２０Ａ，２０Ｂ…段差部、２２，５２…保持部、２４，５４…筒状部、２６，５６…振動部、２６Ａ，５６Ａ…振動面、３０，６０…支持部、３２，６２…振動抑制部材、３４…リード線、３６…コネクタ。

Claims

入力信号に応じた超音波を予め設定された進行方向に向けて音波出力面（１０Ａ）から出力するように構成された少なくとも１つの超音波出力部（１０）と、
ｎを０以上の整数、λを前記超音波の波長として、前記音波出力面と平行な振動面であって前記音波出力面からの距離がｎλに設定された振動面（２６Ａ，５６Ａ）を有し、前記超音波出力部の前記進行方向とは直交する方向における周囲を取り囲む板状の部材であり、前記超音波出力部に生じる振動が前記振動面に伝達されるように構成された振動部（２６，５６）と、
を備える超音波出力装置（１，２，３）。
請求項１に記載の超音波出力装置であって、
前記振動部は、前記振動面が前記音波出力面と同一平面上に位置する
ように構成された超音波出力装置。
請求項１または請求項２に記載の超音波出力装置であって、
前記振動部は、前記超音波出力部の周囲を取り囲む円環状
に構成された超音波出力装置。
請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の超音波出力装置であって、
前記超音波出力部の前記進行方向とは直交する方向における周囲を取り囲み、前記超音波出力部を保持するとともに、前記進行方向側の端部に前記振動部が接続されて構成された筒状部（２４，５４）
をさらに備えた超音波出力装置。
請求項４に記載の超音波出力装置であって、
前記筒状部は、前記超音波出力部の周囲を取り囲む円筒形
に構成された超音波出力装置。