JP6743947B2 - 静音化した超音波集束装置 - Google Patents

Description

本発明は、超音波を焦点に集束させる超音波集束装置に関するものである。

複数個の超音波トランスデューサから出力される超音波を焦点に集束させ、かつ各超音波トランスデューサの振動の位相を変化させることで焦点を３次元空間内で変化させる超音波集束装置の技術が、本願発明者によって開示されている（非特許文献１参照）。

星貴之、小型超音波集束装置の理論と実装、電気学会Ｃ部門 知覚情報技術委員会 触覚デバイスの高度化協同研究委員会 第１回研究会 資料、ｐ．１−６、２０１３年２月２７日

超音波の焦点の位置を変化させる際、位相の切り替えを行う必要がある。超音波自体は耳に聞こえないが、位相の切り替えによって超音波トランスデューサから破裂音、すなわち騒音が発生する。この騒音は、超音波集束装置の使用環境によっては問題となる可能性がある。

本発明は上記点に鑑み、複数個の超音波トランスデューサの振動の位相を変化させることで超音波の焦点を空間内で変化させる超音波集束装置において、位相の切り替えに起因する騒音を低減することを目的とする。

本発明の一態様は、複数個の超音波トランスデューサ（４２）を有するトランスデューサアレイ（４０）と、空間中の位置座標（Ｘ、Ｙ、Ｚ）が入力され、前記複数個の超音波トランスデューサ（４２）の超音波が前記位置座標で焦点（Ｇ）を結ぶよう、前記複数個の超音波トランスデューサ（４２）に前記位置座標に応じた位相で超音波を発生させる制御装置（２０）と、を備え、前記制御装置（２０）は、入力される空間中の位置座標が変化した場合、前記複数個の超音波トランスデューサ（４２）が出力する超音波について、変化後の位置座標でそれら超音波が焦点（Ｇ）を結ぶために必要な目標の位相に対応する目標値（Ｔｎｅｗ）を算出し、出力している超音波の現在の位相に対応する現在値（Ｔｔｍｐ）と目標値（Ｔｎｅｗ）とが異なる超音波トランスデューサ（４２）について、出力している超音波の位相を前記目標の位相まで複数段階でまたは連続的に変化させることを特徴とする超音波集束装置である。

超音波トランスデューサで発生する破裂音は、位相が急激に（すなわち不連続に）変化することにより生じる。これに対し、本発明では、１段階ずつ複数段階で位相を変化させることで、駆動信号の立ち上がりと立ち下がりの間の時間間隔が短すぎてしまう可能性が低くなる。したがって、位相の切り替えに起因する騒音を低減することが可能となる。

なお、上記および特許請求の範囲における括弧内の符号は、特許請求の範囲に記載された用語と後述の実施形態に記載される当該用語を例示する具体物等との対応関係を示すものである。

第１実施形態における超音波集束装置１の全体構成図である。 超音波の焦点Ｇの軌跡Ｊを例示する図である。 焦点Ｇと複数個の超音波トランスデューサの位置関係を例示する図である。 各超音波トランスデューサへの駆動信号の位相ずれを例示する図である。 第１実施形態における波形生成処理のフローチャートである。 従来および本実施形態における駆動信号の位相の経時変化を例示する図である。 実験環境の構成を示す図である。 実験結果のグラフである。 焦点の移動状況を示す図である。 焦点の移動状況を示す図である。 焦点の移動状況を示す図である。 焦点の移動状況を示す図である。 焦点の移動状況を示す図である。 第２実施形態における波形生成処理のフローチャートである。 Ｔｔｍｐの値と増減の関係を示す図である。 焦点の移動状況を示す図である。 焦点の移動状況を示す図である。 焦点の移動状況を示す図である。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について説明する。図１に示すように、本実施形態の超音波集束装置１は、指示入力装置１０、制御装置２０、増幅部３０、トランスデューサアレイ４０を有している。

指示入力装置１０は、ユーザの操作等に従って、超音波の焦点の３次元位置座標Ｘ、Ｙ、Ｚ、超音波の音圧Ｐ、および超音波の変調周波数ｆを制御装置２０に入力する装置であり、例えば、パーソナルコンピュータ、ワークステーション、マイクロコントローラ等で実現できる。

この指示入力装置１０は、インターフェース部１１、操作部１２、メモリ１３、および演算部１４を有している。インターフェース部１１は、演算部１４から制御装置２０への信号の入力を媒介するインターフェース回路であり、例えば周知のＵＳＢインターフェースで実現できる。操作部１２は、ユーザの操作を受け付ける装置であり、例えば、キーボード、マウス、ジョイスティック等で実現できる。メモリ１３は、演算部１４が実行するプログラム等が格納されている。また、演算部１４が作業領域としてメモリ１３を使用する。

演算部１４は、種々のプログラムを実行して後述の処理を行うことで、インターフェース部１１を介して制御装置２０に対して、超音波の焦点の３次元位置座標Ｘ、Ｙ、Ｚ、超音波の音圧Ｐ、および超音波の変調周波数ｆを入力する。

制御装置２０は、指示入力装置１０から入力された３次元位置座標Ｘ、Ｙ、Ｚ、音圧Ｐ、および変調周波数ｆに基づいて、複数本の駆動信号および単一のＥｎａｂｌｅ信号を増幅部３０に入力する。この制御装置２０は、図１に示すように、データ受信部２１、変調部２２、時間差計算部２３、および波形生成部２４を有している。

制御装置２０は、データ受信部２１、変調部２２、時間差計算部２３、波形生成部２４の全機能をハードウェアとして実現する１個のＦＰＧＡボードとして実現されていてもよい。ＦＰＧＡボードとしては、例えば、ＨｕＭＡＮＤＡＴＡ社製のＡＣＭ−２０２−５５Ｃ８を用いてもよい。あるいは、データ受信部２１、変調部２２、時間差計算部２３、波形生成部２４は、それぞれが独立した１個のマイクロコンピュータとして実現されていてもよい。データ受信部２１、変調部２２、時間差計算部２３、波形生成部２４の機能および作動は後述する。

増幅部３０は、制御装置２０から入力された複数本の駆動信号を増幅すると共に、制御装置２０から入力されたＥｎａｂｌｅ信号に基づいて、この増幅された当該駆動信号をＡＭ変調する。そして増幅部３０は、増幅およびＡＭ変調の結果得られた複数本の駆動信号をトランスデューサアレイ４０に入力する。増幅部３０としては、例えば、ＳＴＭｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ社製のＬ２９３ＤＤというドライバＩＣを用いてもよい。

トランスデューサアレイ４０は、正方形の基板４１と、基板４１の一方側の面に実装された複数個の超音波トランスデューサ４２を有している。超音波トランスデューサ４２の個数は、増幅部３０からトランスデューサアレイ４０に入力される駆動信号の本数と同じである。基板４１上の超音波トランスデューサ４２は、本実施形態の例では、縦１７個×横１７個の正方形に並べられた正方格子点群から四隅の点を除いた１７×１７−４＝２８５個の位置に配置されている。

超音波トランスデューサ４２としては、本実施形態の例では、日本セラミック株式会社製からパラメトリックスピーカ用に発売されているＴ４０１０Ｂ４を２８５個用いている。このＴ４０１０Ｂ４は、共振周波数が４０ｋＨｚ、基板４１と平行な面内における直径が１ｃｍ、距離３０ｃｍ離れた位置での音圧が１１７ｄＢ ＳＰＬとなっている。これら超音波トランスデューサ４２に、上述の増幅部３０からの駆動信号が、極性を揃えて１対１で入力される。

これら超音波トランスデューサ４２が出力する超音波振動の位相が個々に設定されることで、図２に示すように、３次元空間中において、基板４１上のすべての超音波トランスデューサ４２から出力される超音波が単一の焦点Ｇを結ぶ。焦点Ｇの直径ｗ、トランスデューサアレイ４０の各辺の長さＤ（上記正方形の各辺の長さ）、各超音波トランスデューサ４２から出力される超音波の波長λ、焦点距離Ｒの間には、ｗ＝２λＲ／Ｄの関係がある。すなわち、焦点距離Ｒは設定した位相により決まり、焦点距離Ｒによって焦点の直径ｗが決まる。例えば、本実施形態において、Ｒ＝２０ｃｍ、λ＝８．５ｍｍ、Ｄ＝１７ｃｍのとき、ｗ＝２０ｍｍになる。

以下、上記のような構成の超音波集束装置１の作動について説明する。指示入力装置１０の演算部１４は、図２に示すような３次元空間中の超音波の焦点Ｇの軌跡Ｊ（時刻毎の位置）を、操作部１２に対するユーザの入力内容、または、メモリ１３にあらかじめ記録された軌跡データに基づいて決定する。

超音波の焦点Ｇは、トランスデューサアレイ４０のすべての超音波トランスデューサ４２から出力される超音波が集束する位置である。軌跡Ｊの位置を表す３次元位置座標Ｘ、Ｙ、Ｚは、トランスデューサアレイ４０に固定された座標系におけるトランスデューサアレイ４０を基準とする相対的な位置座標である。

また演算部１４は、各超音波トランスデューサ４２が出力する超音波の音圧Ｐおよび超音波をＡＭ変調するための変調周波数ｆを、操作部１２に対するユーザの入力内容、または、メモリ１３にあらかじめ記録されたデータに基づいて決定する。音圧Ｐおよび変調周波数ｆは、時間によらず一定でもよいし、時間と共に変動してもよい。

そして演算部１４は、決定した軌跡Ｊ、音圧Ｐ、変調周波数ｆに基づいて、定期的に１フレーム（本実施形態の例ではプログラムにより１ｍｓ単位で１ｍｓから１００ｍｓまで指定可能）毎に、その時点における軌跡Ｊ上の焦点Ｇの３次元位置座標Ｘ、Ｙ、Ｚ、音圧Ｐ、変調周波数ｆを制御装置２０に入力する。これらのデータの制御装置２０への入力は、インターフェース部１１を介して行う。

制御装置２０では、データ受信部２１が、指示入力装置１０のインターフェース部１１から制御装置２０に入力される３次元位置座標Ｘ、Ｙ、Ｚ、音圧Ｐ、および変調周波数ｆを、１フレーム毎に受け取る。またデータ受信部２１は、入力された変調周波数ｆを１フレーム毎に変調部２２に入力し、入力された３次元位置座標Ｘ、Ｙ、Ｚを１フレーム毎に時間差計算部２３に入力し、入力された音圧Ｐを１フレーム毎に波形生成部２４に入力する。なお、データ受信部２１は、３次元位置座標Ｘ、Ｙ、Ｚの各々を超音波の波長の約１／３２に相当する０．２５ｍｍを最小単位とするデジタル値で表す。したがって、制御装置２０の内部では、３次元位置座標Ｘ、Ｙ、Ｚの値は０．２５ｍｍ刻みの値となる。

変調部２２は、データ受信部２１から入力された変調周波数ｆに応じて、この変調周波数ｆで超音波をＡＭ変調するためのＥｎａｂｌｅ信号を増幅部３０に入力する。本実施形態の例では、このＥｎａｂｌｅ信号として、周波数が上記変調周波数ｆでデューティ比が５０％でオン、オフが切り替わる矩形波を用いる。また、変調部２２に入力される変調周波数ｆは、０Ｈｚ以上１０２３Ｈｚ以下の範囲内で１Ｈｚ刻みで設定可能である。１Ｈｚ以上１０２３Ｈｚ以下という帯域は、人間の触知覚を有効に刺激できる範囲をカバーする範囲である。

時間差計算部２３は、データ受信部２１から１フレーム毎に入力された３次元位置座標Ｘ、Ｙ、Ｚに基づいて、その３次元位置座標Ｘ、Ｙ、Ｚの表す位置で超音波が単一の焦点を結ぶよう、２８５個の超音波トランスデューサ４２間の振動の時間差Ｔを算出する。例えば、あらかじめ１個選ばれている基準となる超音波トランスデューサ４２（例えば、中央に配置されている超音波トランスデューサ４２）が出力する超音波に対する、各超音波トランスデューサ４２が出力する超音波の進み時間を、時間差Ｔとして算出する。この時間差Ｔは、基準となる超音波トランスデューサ４２の超音波振動に対する各超音波トランスデューサ４２の超音波振動の位相の進み量に比例する。そして時間差計算部２３は、算出した時間差Ｔを、１フレーム毎に波形生成部２４に入力する。

ここで、時間差Ｔの算出方法について、図３、図４を参照して説明する。図３に示すように、超音波トランスデューサ４２から焦点Ｇまでの直線距離は、基準となる超音波トランスデューサ４２＿０と他の超音波トランスデューサ４２＿１、４２＿２、…４２＿ｉとでは異なる。例えば、基準となる超音波トランスデューサ４２＿０から焦点Ｇまでの直線距離に対し、超音波トランスデューサ４２＿ｉから焦点Ｇまでの直線距離はΔｋｉだけ長い。

このような場合、基準となる超音波トランスデューサ４２＿０と超音波トランスデューサ４２＿ｉの時間差Δｔｉは、Δｔｉ＝Δｋｉ／ｃ０という式で得られる。ここでｃ０は、空気中での音速である。この式は、図４に示すように、焦点Ｇまでの直線距離が長い超音波トランスデューサ４２ほど早く鳴らす（時間をより進ませる）ことを意味している。

本実施形態では、時間差計算部２３は、この原理を利用して、各超音波トランスデューサ４２から焦点Ｇまでの直線距離を算出する。そして、基準となる超音波トランスデューサ４２＿０から焦点Ｇまでの直線距離に対する各超音波トランスデューサ４２から焦点Ｇまでの直線距離の増分Δｋｉを算出する（ただし、ｉ＝０、１、２、…、２８４）。そして、算出した各増分Δｋｉを上述のΔｔｉ＝Δｋｉ／ｃ０という式に適用し、その結果の各値Δｔｉを、各々の超音波トランスデューサ４２の時間差Ｔとする。なお、空気中での音速ｃ０の値は、あらかじめ定められた固定値としてもよいし、温度や湿度を計測した結果から適宜定めてもよい。

波形生成部２４は、データ受信部２１から１フレーム毎に入力される音圧Ｐおよび時間差計算部２３から１フレーム毎に入力される各超音波トランスデューサ４２の時間差Ｔに基づいて、超音波トランスデューサ４２毎に駆動信号を生成する。

各駆動信号は、基本的には周波数が４０ｋＨｚの矩形波であるが、データ受信部２１から入力される音圧Ｐが実現するようＰＷＭ（パルス幅変調）がかけられることで、デューティ比が調整される。また、各駆動信号は、時間差計算部２３から入力される時間差Ｔの変化に応じて位相が変化する。

図５に、波形生成部２４が実行する波形生成処理のフローチャートを示す。波形生成部２４は、波形生成処理を、超音波トランスデューサ４２毎に１つ実行するので、合計２８５個の波形生成処理を同時並行的に実行する。

ここで、図５に表されている変数についてまず説明する。変数ｉは、４０ｋＨｚに対応した周期（２５μｓ）毎に変動する整数である。変数Ｔｎｅｗは整数であり、時間差計算部２３から入力される時間差Ｔの最新値である。変数Ｔｔｍｐは初期値がゼロの整数であり、実際に生成する駆動信号で実現する時間差（基準となる超音波トランスデューサに対する進み時間）である。本実施形態の例では、時間差Ｔｎｅｗおよび時間差Ｔｔｍｐは、超音波トランスデューサ４２の超音波振動の周期を１６分割した時間である２５／１６μｓを１単位とする量であり、既に説明した通り、位相の進み量に比例する。したがって、Ｔｔｍｐ、Ｔｎｅｗの値は、０から１５までの整数値を取る。ただし、時間差Ｔｔｍｐ、Ｔｎｅｗは、位相差に比例する量であり、１周期分の位相差はゼロの位相差と同じなので、Ｔｔｍｐ、Ｔｎｅｗの取り得る値の最大値と最小値との時間差は、実質的には１単位分であるとも言える。閾値ＲＥＰは整数であり、何周期に１回Ｔｔｍｐを更新するかを表す位相変化間隔である。例えば、閾値ＲＥＰが２の場合は２周期に１回Ｔｔｍｐが更新される。

なお、変数ｉ、時間差Ｔｎｅｗ、時間差Ｔｔｍｐは、１つの波形生成処理内のローカル変数であり、他の波形生成処理内の変数ｉ、時間差Ｔｎｅｗ、時間差Ｔｔｍｐとは互いに無関係である。また、閾値ＲＥＰは、すべての波形生成処理で共通に参照されるグローバル変数である。つまり、すべての波形生成処理で閾値ＲＥＰの値は同じである。

また、時間差Ｔｎｅｗおよび時間差Ｔｔｍｐは、超音波トランスデューサ４２の超音波振動の周期を３２分割した時間である２５／３２μｓを１単位とする量としてもよい。

波形生成部２４は、各超音波トランスデューサ４２のための波形生成処理において、まずステップ１１０で、変数ｉに１を代入する。続いてステップ１１５で、対象とする超音波トランスデューサ４２について時間差計算部２３から入力された時間差Ｔの最新値Ｔｎｅｗを取得する。なお、時間差Ｔｎｅｗは上述の通り１フレーム（１ｍｓ以上）毎に更新され、１周期は２５μｓなので、最小でも４０周期毎に時間差Ｔｎｅｗが更新される。従って、Ｔｎｅｗの値は短くても４０周期連続で同じ値になる。

続いてステップ１２０では変数ｉが閾値ＲＥＰより小さいか否か判定し、変数ｉが閾値ＲＥＰより小さい場合はステップ１２５に進み、変数ｉが閾値ＲＥＰに等しい場合はステップ１３５に進む。このステップ１２０の判定処理は、現在の周期がＴｔｍｐを変更してはいけない周期であるか、してもよい周期であるかを、判定する処理である。

ステップ１２５では、変数ｉの値を１だけ増加させる。続いてステップ１３０では、現在の時間差Ｔｔｍｐを持つ駆動信号を１周期（２５μｓ）分生成して増幅部３０に入力する。時間差Ｔｔｍｐを持つ駆動信号は、より具体的には、各超音波トランスデューサ４２で一定となっている基準タイミングよりも時間差Ｔｔｍｐだけ進んだ駆動信号である。

なおこの際、生成する駆動信号のデューティ比は、入力された最新の音圧Ｐに対応するものとする。駆動信号のデューティ比が５０％に近づくほど、対象とする超音波トランスデューサ４２が出力する音圧が高くなる。ここで音圧Ｐは整数である。本実施形態の例では、音圧Ｐは、超音波トランスデューサ４２の超音波振動の周期を１２４８分割した時間である２５／１２４８μｓを１単位とする量であり、デューティ比に比例する。このとき音圧Ｐの値６２３がデューティ比５０％に相当する。ステップ１３０の後は、ステップ１１５に戻る。

ステップ１３５では、現在の時間差Ｔｔｍｐと時間差Ｔｎｅｗとを比較する。そして、Ｔｔｍｐ＜Ｔｎｅｗならばステップ１４０に進んでＴｔｍｐの値を１だけ増加させ、Ｔｔｍｐ＝Ｔｎｅｗならばステップ１４５に進んでＴｔｍｐの現在値を維持し、Ｔｔｍｐ＞Ｔｎｅｗならばステップ１５０に進んでＴｔｍｐの値を１だけ減少させる。

つまり、ステップ１４０およびステップ１５０では、現在の時間差Ｔｔｍｐを時間差Ｔｎｅｗに近づけるように１段階分（２５／１６μｓ）変化させ、ステップ１４５では、時間差Ｔｔｍｐが時間差Ｔｎｅｗに等しいので、Ｔｔｍｐを現状のままに維持する。

ステップ１４０、１４５、１５０の後は、ステップ１５５に進み、ステップ１３０と同じ方法で、現在の時間差Ｔｔｍｐを持つ駆動信号を１周期（２５μｓ）分生成して増幅部３０に入力する。なおこの際、駆動信号のデューティ比は、入力された最新の音圧Ｐに対応するものとする。ステップ１５５の後は、ステップ１１０に戻って変数ｉを１に戻す。

このような処理で波形生成部２４が超音波トランスデューサ４２毎かつ１周期毎に生成した駆動信号は、増幅部３０に入力される。増幅部３０では、波形生成部２４から入力された駆動信号のそれぞれを増幅し、更に、変調部２２から入力されたＥｎａｂｌｅ信号を増幅された各駆動信号に乗算することで、各駆動信号をＡＭ変調する。そして増幅部３０は、増幅およびＡＭ変調の結果得られた各駆動信号をトランスデューサアレイ４０の各超音波トランスデューサ４２に入力する。

このように、波形生成部２４から増幅部３０に入力された各駆動信号がＥｎａｂｌｅ信号によってＡＭ変調されて各超音波トランスデューサ４２に入力されることで、トランスデューサアレイ４０から出力される超音波振動が人の触知覚を刺激できるようになる。

また、各超音波トランスデューサ４２が、当該超音波トランスデューサ４２についての時間差Ｔｎｅｗに応じた分だけ位相が進んだ超音波を出力することで、トランスデューサアレイ４０から出力される超音波が集束して焦点Ｇを結ぶ。更に、１フレーム毎にその焦点Ｇの位置が軌跡Ｊに沿って変化する。これにより、人の手に対して軌跡Ｊに沿った触覚刺激を与えることができる。

このような、軌跡Ｊ上を移動する焦点Ｇにおいて人の触覚刺激を与える応用は、音響放射圧として知られる現象を利用した技術である。このような応用以外にも、パラメトリックスピーカの基礎原理である自己復調の現象を利用して、音源を軌跡Ｊに沿って移動させる応用も可能である。また、波長よりも小さな物体が空中に保持される音響浮遊の現象を利用して、粒子、水滴、虫等を軌跡Ｊに沿って浮遊移動させる応用も可能である。また、これ以外にも、超音波の焦点Ｇにおいて発生する強力な超音波、非接触の力、気流などを利用した様々な応用が考えられる。

ここで、波形生成部２４から出力される各駆動信号と各超音波トランスデューサ４２から出力される超音波の関係について説明する。

波形生成部２４が実行する全数の波形生成処理においてＴｔｍｐ＝Ｔｎｅｗとなっている期間は、指示入力装置１０から入力された最新の位置座標Ｘ、Ｙ、Ｚにおいて、各超音波トランスデューサ４２から出力される超音波振動が集束して焦点Ｇを結ぶ。

その後、演算部１４がそれまでの位置座標（Ｘ、Ｙ、Ｚ）＝（Ｘ０、Ｙ０、Ｚ０）とは値が異なる新たな位置座標（Ｘ、Ｙ、Ｚ）＝（Ｘ１、Ｙ１、Ｚ１）をインターフェース部１１を介して制御装置２０に入力したとする。するとデータ受信部２１は、この位置座標Ｘ１、Ｙ１、Ｚ１を時間差計算部２３に入力し、時間差計算部２３は、この位置座標Ｘ１、Ｙ１、Ｚ１で超音波が集束して焦点Ｇを結ぶよう各超音波トランスデューサ４２の時間差Ｔ＝Ｔｎｅｗを算出して波形生成部２４に入力する。

ここで、変数ＲＥＰは１に設定されているとする。その場合、波形生成部２４は、各波形生成処理において、ステップ１２０の判定が常にＮＯになる。したがって、波形生成部２４は、ＴｔｍｐがＴｎｅｗと違っている間は、毎周期、ステップ１４０またはステップ１５０で、ＴｔｍｐがＴｎｅｗに近づくようにＴｔｍｐを１単位（１周期の１／１６）分変化させる。そして波形生成部２４は、その変化したＴｔｍｐに応じた駆動信号をステップ１５５で１周期分だけ生成して増幅部３０に入力する。つまり、波形生成部２４は、超音波トランスデューサ４２が出力する振動の位相（時間差Ｔｔｍｐに対応した位相）を目標の位相（時間差Ｔｎｅｗに対応した位相）に向けて、一気に１段階ではなく小刻みに複数段階で切り替える。

具体的には、図６の時点ｔ１で上述のように新たな位置座標Ｘ１、Ｙ１、Ｚ１が時間差計算部２３に入力されたとする。そして、時間差計算部２３が当該位置座標Ｘ１、Ｙ１、Ｚ１に基づいて、ある特定の超音波トランスデューサ４２について、現在の時間差Ｔｔｍｐよりも７段階分（すなわち、２５／１６×７μｓ）進んだ新たな時間差Ｔｎｅｗを波形生成部２４に入力したとする。この場合、時点ｔ１における目標の時間差Ｔｎｅｗと現在の時間差Ｔｔｍｐの関係は、
Ｔｎｅｗ＝Ｔｔｍｐ＋２５／１６×７［μｓ］
となる。

この場合、波形生成部２４は、上記特定の超音波トランスデューサ４２に対して行う波形生成処理において、図６の時点ｔ１では、ステップ１３５でＴｔｍｐ＜Ｔｎｅｗであると判定してステップ１４０に進み、Ｔｔｍｐの値を１単位だけ増加させる。これにより、Ｔｎｅｗ＝Ｔｔｍｐ＋２５／１６×６［μｓ］となり、目標の時間差Ｔｎｅｗと現在の時間差Ｔｔｍｐの差が少なくなる。そしてステップ１５５で、増加後のＴｔｍｐに応じた１周期分の駆動信号５１を生成して増幅部３０に入力する。この駆動信号５１は時点ｔ１から時点ｔ２までの１周期の間出力され、時点ｔ１以前の駆動信号５０に比べ、１段階（すなわち、２５／１６μｓ）分だけ位相が進んでいる。

波形生成部２４は、その後の時点ｔ２でも、ステップ１３５からステップ１４０に進んでＴｔｍｐの値を１単位だけ増加させる。これにより、Ｔｎｅｗ＝Ｔｔｍｐ＋２５／１６×５［μｓ］となり、目標の時間差Ｔｎｅｗと現在の時間差Ｔｔｍｐの差が更に少なくなる。そして波形生成部２４はステップ１５５で、増加後のＴｔｍｐに応じて駆動信号５１に比べて１段階分だけ位相が進んだ駆動信号５２を時点ｔ２から時点ｔ３までの１周期分、増幅部３０に入力する。

波形生成部２４は時点ｔ２以後も、１周期間隔で訪れる時点ｔ３、ｔ４、ｔ５、ｔ６、ｔ７の各々において、ステップ１３５からステップ１４０に進んでＴｔｍｐの値を１単位だけ増加させる。そしてステップ１５５で、増加後のＴｔｍｐに応じて直前の駆動信号に比べて１段階分だけ位相が進んだ駆動信号５３、５４、５５、５６、５７を１周期分、増幅部３０に入力する。

なお、時点ｔ７においては、ステップ１４０でＴｔｍｐが増加した結果、Ｔｎｅｗ＝Ｔｔｍｐとなる。したがって、時点ｔ７から１周期が経過した後の時点ｔ８では、波形生成部２４は、ステップ１３５でＴｔｍｐ＝Ｔｎｅｗであると判定してステップ１４５に進み、現在の時間差Ｔｔｍｐの値を維持する。そして波形生成部２４はステップ２５５で、時点ｔ８以前と同じ位相の駆動信号５８を１周期分、増幅部３０に入力する。それ以降は、指示入力装置１０から入力される３次元位置座標Ｘ、Ｙ、Ｚが変化して当該特定の超音波トランスデューサ４２についての時間Ｔｎｅｗが変化しない限り、当該特定の超音波トランスデューサ４２についてのＴｔｍｐは変化しない。

このように、本事例では、Ｔｎｅｗが変化してからＴｔｍｐがＴｎｅｗに追い付くまで、時点ｔ１から時点ｔ７までの６×２５＝１５０μｓがかかる。また超音波トランスデューサ４２毎に目標の位相Ｔｎｅｗに到達するまでの時間が異なる。しかし、目標の時間差Ｔｎｅｗが変化してから現在の時間差Ｔｔｍｐが目標の時間差Ｔｎｅｗに追い付くまでの時間の遅れ、および当該遅れの超音波トランスデューサ４２毎のばらつきは、実用上問題とならない。なぜなら、現在の時間差Ｔｔｍｐと目標の時間差Ｔｎｅｗのずれ量の絶対値は最大でも１５段階分であり、４０段階までの変化なら１フレーム（最小で１ｍｓ）以内で終了し、各超音波トランスデューサ４２の立ち上がり時間も１ｍｓだからである。

なお、指示入力装置１０から制御装置２０に入力される位置座標Ｘ、Ｙ、Ｚが変化した後は、すべての超音波トランスデューサ４２についてＴｔｍｐがＴｎｅｗに等しくなる前は、各超音波トランスデューサ４２から出力される超音波が焦点を結ばない場合も結ぶ場合もある。しかし、すべての超音波トランスデューサ４２についてＴｔｍｐがＴｎｅｗに等しくなってから、指示入力装置１０から制御装置２０に入力される位置座標Ｘ、Ｙ、Ｚが更に変化するまでの期間は、各超音波トランスデューサ４２から出力される超音波が集束して焦点Ｇを結ぶ。

以上説明した通り、時間差計算部２３は、入力される３次元空間中の位置座標Ｘ、Ｙ、Ｚが変化した場合、複数個の超音波トランスデューサ４２が出力する超音波について、それら超音波が変化後の位置座標Ｘ１、Ｙ１、Ｚ１で焦点Ｇを結ぶために必要な目標の位相に対応する時間差Ｔｎｅｗ（目標値の一例に相当する）を算出する。そして波形生成部２４は、複数の超音波トランスデューサ４２のうち、出力している超音波の現在の位相に対応する時間差Ｔｔｍｐ（現在値の一例に相当する）と目標の時間差Ｔｎｅｗとが異なる特定の超音波トランスデューサ４２について、出力している超音波の位相を目標の位相まで複数段階で変化させる（ステップ１４０、１５０）。

ここで、このように、超音波トランスデューサ４２が出力する振動の位相Ｔｔｍｐを目標の位相Ｔｎｅｗに向けて１段階ではなく小刻みに複数段階で切り替えることの意義について説明する。

超音波の焦点Ｇが変化して超音波トランスデューサ４２への駆動信号の位相が変化すると、超音波トランスデューサ４２が出力する超音波の位相も変化する。超音波自体は耳に聞こえないが、位相切り替えによって超音波トランスデューサから破裂音、すなわち騒音が発生する。この騒音は、超音波集束装置の使用環境によっては問題となる可能性がある。例えば人が傍にいるような使用方法では、この騒音を抑えることが望ましい。

この騒音を低減する方法としては、二通りの方法が考えられる。１つ目は、指示入力装置１０から制御装置２０に出力される超音波の焦点Ｇの位置Ｘ、Ｙ、Ｚの移動距離を小さくすることである。

この方法では、焦点Ｇの１フレーム（超音波トランスデューサの立ち上がり時間１ｍｓ以上）当たりの移動距離を小さくすることになる。本実施形態では、時間差計算部２３、波形生成部２４で位相（Ｔ、Ｔｎｅｗ、Ｔｔｍｐ）を離散的に扱っており、移動距離が小さいとき位相が変化する超音波トランスデューサの個数が少なくなる。したがって、同時に破裂音を出す超音波トランスデューサを少なくすることで騒音を抑えることができる。ただしこの方法は、焦点Ｇを素早く動かしたい場合、すなわち、焦点Ｇの１フレーム当たりの移動距離を長くした場合に、適切でない。

そこで、本実施形態では、２番目の方法を用いる。すなわち、超音波トランスデューサ４２が出力する超音波振動の位相を目標の位相に向けて１段階ではなく小刻みに複数段階で切り替える。

上述の破裂音は、位相が急激に（すなわち不連続に）変化することにより、例えば上に移動しようとしている超音波トランスデューサ４２中の振動板に対して下に移動させる信号が入力されたときに生じる。

例えば、図６の上段に示すように、従来通りに、時点ｔ１において指示入力装置１０から入力される位置座標Ｘ、Ｙ、ＺがＸ０、Ｙ０、Ｚ０からＸ１、Ｙ１、Ｚ１に変化した場合に、駆動信号６０の位相もそれに一致して急激に７段階分まとめて変化すると、駆動信号の立ち上がりと立ち下がりとの時間間隔Ａが短すぎてしまう。そしてその結果、破裂音が生じる。

これに対し、本実施形態における図６の下段の駆動信号５０〜５８は、既に説明した通り、１段階ずつ複数段階で少しずつ位相を変化させている。したがって、駆動信号の立ち上がりと立ち下がりの間の時間間隔が短すぎてしまう可能性が低くなる。

このように、本実施形態では、指示入力装置１０から制御装置２０に入力される位置座標Ｘ、Ｙ、Ｚの変化量が大きい場合でも、超音波トランスデューサ４２に入力される駆動信号の位相の変化を最小限に抑えることで、騒音を抑えることができる。また、このようにすることで、超音波集束装置１を音響浮遊に利用する場合は、衝撃波が抑えられ物体が落ちにくくなる。

なお、図６の事例では、変数ＲＥＰが１に設定されているが、変数ＲＥＰが２以上に設定されている場合は、波形生成部２４は、ＴｔｍｐがＴｎｅｗと異なっている場合でも、変数ＲＥＰよりも１だけ少ない回数分、ステップ１２５および１３０を実行する。

これにより、例えば図６の事例を変数ＲＥＰが３となるように変更した場合は、ＴｔｍｐがＴｎｅｗと異なっている場合でも、波形生成部２４は、２周期連続して同じ位相Ｔｔｍｐの駆動信号をステップ１３０で出力する。その後波形生成部２４は、ステップ１２０でｉ＝ＲＥＰと判定されてステップ１３５に進み、ステップ１４０または１５０でＴｔｍｐを変化させる。つまり、図６の事例を変数ＲＥＰがＮ（Ｎは２以上）となるように変更した場合は、波形生成部２４は、時点ｔ１以降、Ｎ周期毎にｔｍｐを１段階変化させる。

このように、指示入力装置１０から制御装置２０に入力される位置座標Ｘ、Ｙ、Ｚが変化してＴｎｅｗが変化した場合、駆動信号の位相を変化させる方法としては、少なくとも以下の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）があり得る。
（ａ）従来のように１段階で一気に変化させる方法（本実施形態の静音化法を適用しない方法）
（ｂ）複数段階で１周期毎に変化させる方法（本実施形態でＲＥＰ＝１とする方法）
（ｃ）複数段階で２周期毎に変化させる方法（本実施形態でＲＥＰ＝２とする方法）
（ｄ）複数段階で３周期毎に変化させる方法（本実施形態でＲＥＰ＝３とする方法）
これらの方法のうち、発明者の実体験によれば、（ｃ）の方法で最も静音化が達成される。（ｂ）の方法より（ｃ）の方法の方が静かなのは、駆動信号がより連続に近いためであると考えられる。（ｄ）の方法が（ｃ）の方法よりも騒音が大きいのは、３周期（７５マイクロ秒）ごとに生じる位相切り替えが１３キロヘルツという人の可聴域の音を発生するためと考えられる。

したがって、複数周期毎に変化させるといっても、その周期が人の可聴域（２０Ｈｚ〜２０ｋＨｚ、周期で言えば５０ｍｓ〜５０μｓ）の音の周期に入らないようにすることが望ましい。したがって、複数周期といっても、その複数周期の長さが５０μｓ以下であることが望ましい。なお、本実施形態において、ＲＥＰの値を４以上にしてもよい。

ここで、フレームの時間長（フレームレートの逆数）と位相変化間隔ＲＥＰの種々の組について行った騒音計測実験の結果について説明する。この実験では、図７に示すように、トランスデューサアレイ４０の基板４１が水平に配置される。そして、指示入力装置１０の演算部１４は、トランスデューサアレイ４０から上方１５ｃｍの位置において、直径１５ｃｍの円形の軌跡Ｋを焦点Ｇが１秒間に２回転の等速度で移動し続けるよう、超音波の焦点の３次元位置座標Ｘ、Ｙ、Ｚを順次出力し続ける。

また、この実験では、時間差Ｔｎｅｗおよび時間差Ｔｔｍｐとしては、超音波トランスデューサ４２の超音波振動の周期を３２分割した時間である２５／３２μｓを１単位とする量としている。したがって、Ｔｎｅｗ、Ｔｔｍｐの１段階の変化は、２５／３２μｓ分の変化となる。また、Ｔｔｍｐ、Ｔｎｅｗの値は、０から３１までの整数値を取る。

実験で用いたフレームの時間長は、１ｍｓ、１．５ｍｓ、３ｍｓ、１０ｍｓ、１５ｍｓ、３０ｍｓ、１００ｍｓの７通りであり、位相変化間隔ＲＥＰの値は、０、１、２、…７、８の９通りを採用した。

なお、位相変化間隔ＲＥＰの値が０とされている実験は、実際にＲＥＰの値を０にして図８の処理を実行したわけではない。位相変化間隔ＲＥＰの値が０とされている実験は、本実施形態に対する従来例の実験であって、ＴｔｍｐとＴｎｅｗが異なるすべてのトランスデューサ４２について、新たなＴｎｅｗを取得してすぐに、Ｔｎｅｗを１段階で一斉にＴｎｅｗに変化させる実験である。

フレームの時間長が１５ｍｓの場合、すなわち、フレームレートが６６．６６…Ｈｚの場合、焦点は軌跡Ｋ上に等間隔で配置された３３個の点をフレーム毎にとびとびに移動する。

また、トランスデューサアレイ４０と同じ高さの位置で、かつ、トランスデューサアレイ４０から２０ｃｍ離れた位置に、リオン株式会社製のＮＬ−５２という騒音計７０を配置し、この騒音計７０により、騒音計測が行われた。

図８に、実験結果を示す。この図中、横軸がフレームレートに相当し、縦軸が騒音計７０で計測したノイズレベルに相当する。線８０〜８８の各々は、同じ位相変化間隔ＲＥＰを用いた実験結果を繋ぐ線であり、線８９は、超音波集束装置１を作動させない場合において騒音計７０で計測したノイズレベルを示している。

この図に示すように、殆どすべてのフレームレート、位相変化間隔ＲＥＰの組み合わせにおいて、従来例８０に比べて本実施形態の騒音低減が実現された。また、騒音の低減効果は、フレームレートが３３３Ｈｚ未満（フレーム長が３ｍｓより大きい）の場合の方が、それよりも高いフレームレートの場合に比べて、より顕著である。また、騒音の低減効果は、フレームレートが１００Ｈｚ以下（フレーム長が１０ｍｓ以上）の場合の方が、それよりも高いフレームレートの場合に比べて、更に顕著である。

また、図８の結果では、全体的に見れば、位相変化間隔ＲＥＰが大きくなるほどノイズ低減効果が高くなる傾向にある。

ただし、実験を行った発明者の聴感では、位相変化間隔ＲＥＰが５以上の場合は、位相変化間隔ＲＥＰの値が大きくなるほど高温の不快ノイズが増すように感じられた。このようになるのは、上述の通り、位相切り替えが人の可聴域の音を発生した結果である可能性がある。

以上の通りなので、位相変化間隔ＲＥＰは、１以上であればノイズ低減効果が達成される。Ｔｎｅｗの値が変化してからＴｔｍｐの値がＴｎｅｗと同じになるまでの変化期間における、超音波振動の１周期当たりの平均位相変化量は２π／ＲＥＰ×１／３２［ｒａｄ］となっているので、このことは、超音波振動の１周期当たりの平均位相変化量がπ／１６［ｒａｄ］以下であれば、ノイズ低減効果が達成されることになる。更に、ＲＥＰが４以下であれば、すなわち、超音波振動の１周期当たりの平均位相変化量がπ／６４［ｒａｄ］以下であれば、位相切り替えが人の可聴域の音を発生する可能性が大きく低減されるので、更に騒音低下の効果が顕著である。

また、ＲＥＰに設定してよい値にはフレームレートによる制約がある。ＲＥＰを大きな数に設定すると超音波の１周期当たりの平均位相変化量が小さくなる。１フレーム長内で焦点の移動を必ず完了させるためには、１フレームの長さをＴｆとし、超音波の一周期の時間をＴｓとすると、超音波の１周期当たりの平均位相変化量は、２π×Ｔｓ／Ｔｆ［ｒａｄ］以上とすることが望ましい。例えば、Ｔｆ＝１ｍｓで、Ｔｓ＝２５μｓの場合、超音波の１周期当たりの平均位相変化量は、π／２０［ｒａｄ］以上であることが望ましい。

ここで、本実施形態における焦点の移動形態のシミュレーション結果について説明する。この実験では、時間差Ｔｎｅｗおよび時間差Ｔｔｍｐとしては、超音波トランスデューサ４２の超音波振動の周期を３２分割した時間である２５／３２μｓを１単位とする量としている。したがって、Ｔｎｅｗ、Ｔｔｍｐの１段階の変化は、２５／３２μｓ分の変化となる。また、Ｔｔｍｐ、Ｔｎｅｗの値は、０から３１までの整数値を取る。

このシミュレーションでは、図９Ａ〜図９Ｅに示すように、トランスデューサアレイ４０の基板４１に平行かつ基板４１から所定距離離れた平面（Ｚ＝１５０ｍｍ）上で、焦点Ｇを初期位置（Ｘ，Ｙ，Ｚ）＝（−７ｍｍ，０ｍｍ、１５０ｍｍ）から目的位置（Ｘ，Ｙ，Ｚ）＝（７ｍｍ，０ｍｍ、１５０ｍｍ）まで移動させている。

より具体的には、指示入力装置１０の演算部１４は、超音波の焦点の３次元位置座標として、上記初期位置を出力し、それに基づいて制御装置２０が複数段階で位相を変化させて上記初期位置へ焦点を移した後、更に演算部１４は上記目的位置を出力する。

この結果、図９Ａ〜図９Ｅの順に、上記平面（Ｚ＝１５０ｍｍ）上の音圧が、経時変化した。各図のＴの値は、初期位置で焦点が結ばれている状態からの経過時刻を示し、単位は超音波の１周期である。また、図９Ａ〜図９Ｅ中では、音圧を白点の密度で表している。これらの図に示すように、焦点から初期位置から目的位置まで小刻みに徐々に移動するのではなく、初期位置において焦点が固定されながらも当該初期位置における焦点の音圧が徐々に弱くなっていき、それと共に、目的位置において新たな焦点が固定されながら当該目的位置における焦点の音圧が徐々に強くなっていく。つまり、初期位置から目的位置まで焦点が跳躍する。

（第２実施形態）
次に第２実施形態について説明する。本実施形態の超音波集束装置１は、第１実施形態の超音波集束装置１に対して、波形生成部２４が実行する波形生成処理の内容が変更されたものである。

図１０に、本実施形態における波形生成処理のフローチャートを示す。図１０の波形生成処理は、図５の波形生成処理に対して、ステップ１３５の判定内容を変更し、更に、ステップ１４０と１５５の間にステップ１４１、１４２を追加し、更に、ステップ１５０と１５５の間にステップ１５１、１５２を追加したものである。ステップ１１０、１１５、１２０、１２５、１３０、１４０、１４５、１５０、１５５の処理内容は、図５の波形生成処理と図１０の波形生成処理で同じになっている。

波形生成部２４は、図１０の波形生成処理において、ステップ１３５では、現在の時間差Ｔｔｍｐの値が条件Ａおよび条件Ｂのうちいずれか１つを満たしていればステップ１４０に進み、Ｔｔｍｐ＝Ｔｎｅｗならばステップ１４５に進み、それ以外の場合はステップ１５０に進む。

ここで、上記条件Ａ、Ｂの詳細、および、このステップ１３５の判定の意義について、図１１を用いて説明する。本実施形態では、Ｔｔｍｐの１単位分ずつ多段階でトランスデューサの位相をずらしていく場合、位相を進める変化態様と、位相を遅らせる変化態様のうち、より短い段階数でＴｎｅｗに対応した位相差を実現する変化態様で位相を変化させる。図１１中の＋、−記号は、Ｔｔｍｐを増加させる（すなわち、位相を進める）か減少させる（すなわち、位相を遅らせる）かを示している。

条件Ａは、Ｔｎｅｗ−Ｔｍｉｄ＜Ｔｔｍｐ＜Ｔｎｅｗという条件である。また、条件Ｂは、Ｔｎｅｗ＋Ｔｍｉｄ＜Ｔｔｍｐという条件である。ここで、Ｔｍｉｄは、Ｔｔｍｐ、Ｔｎｅｗの取り得る値の最大値であるＴｍａｘの半分の値である。

図１１の上段に示すように、Ｔｎｅｗ＜Ｔｍｉｄの場合、ＴｔｍｐがＴｎｅｗよりも小さい値である範囲Ａ１では、Ｔｔｍｐを増加させる方向に進める。これは、範囲Ａ１では、Ｔｔｍｐの値を１ずつ増加させていく方が、Ｔｔｍｐの値を１ずつ減少させて０にし、その次の段階でＴｍａｘにし、その後更にＴｔｍｐの値を１ずつ減少させていくよりも、より少ない段階数でＴｎｅｗに到達するからである。Ｔｎｅｗ＜Ｔｍｉｄの場合Ｔｎｅｗ−Ｔｍｉｄが負値なので、範囲Ａ１は条件Ａを満たす範囲である。

また、図１１の上段に示すように、Ｔｎｅｗ＜Ｔｍｉｄの場合、ＴｔｍｐがＴｍｉｄ＋Ｔｎｅｗよりも大きい範囲Ｂ１では、Ｔｔｍｐを増加させる方向に進める。これは、範囲Ａ２では、Ｔｔｍｐの値を１ずつ増加させてＴｍａｘにし、その次の段階で０にし、その後更にＴｔｍｐの値を１ずつ増加させていく方が、Ｔｔｍｐの値を１ずつ減少させていくよりも、より少ない段階数でＴｎｅｗに到達するからである。範囲Ｂ１は、ＴｔｍｐがＴｍｉｄ＋Ｔｎｅｗよりも大きい範囲なので、条件Ｂを満たす範囲である。

また、図１１の上段に示すように、Ｔｎｅｗ＜Ｔｍｉｄの場合、ＴｔｍｐがＴｎｅｗよりも大きくＴｎｅｗ＋Ｔｍｉｄ以下の範囲Ｘ１では、Ｔｔｍｐを減少させる方向に進める。これは、範囲Ｘ１では、Ｔｔｍｐの値を１ずつ減少させていく方と、Ｔｔｍｐの値を１ずつ増加させてＴｍａｘにし、その次の段階で０にし、その後更にＴｔｍｐの値を１ずつ増加させていく方とを比べると、前者の方がより少ない段階数で、または両者同じ段階数で、Ｔｎｅｗに到達するからである。範囲Ｘ１は、条件ＡもＢも満たさないし、Ｔｔｍｐ＝Ｔｎｅｗでもない。

また、図１１の下段に示すように、Ｔｎｅｗ＞Ｔｍｉｄの場合、ＴｔｍｐがＴｎｅｗ−Ｔｍｉｄよりも大きい値である範囲Ａ２では、Ｔｔｍｐを増加させる方向に進める。これは、範囲Ａ２では、Ｔｔｍｐの値を１ずつ増加させていく方が、Ｔｔｍｐの値を１ずつ減少させて０にし、その次の段階でＴｍａｘにし、その後更にＴｔｍｐの値を１ずつ減少させていくよりも、より少ない段階数でＴｎｅｗに到達するからである。範囲Ａ２は条件Ａを満たす範囲である。

また、図１１の下段に示すように、Ｔｎｅｗ＞Ｔｍｉｄの場合、ＴｔｍｐがＴｎｅｗ−Ｔｍｉｄ以下の範囲Ｘ２では、Ｔｔｍｐを減少させる方向に進める。これは、範囲Ｘ２では、Ｔｔｍｐの値を１ずつ減少させて０にし、その次の段階でＴｍａｘにし、その後更にＴｔｍｐの値を１ずつ減少させていく方と、Ｔｔｍｐの値を１ずつ増加させていく方とを比べると、前者の方がより少ない段階数で、または両者同じ段階数で、Ｔｎｅｗに到達するからである。範囲Ｘ２は、ＴｔｍｐがＴｍｉｄ−Ｔｎｅｗ以下の範囲なので、条件ＡもＢも満たさないし、Ｔｔｍｐ＝Ｔｎｅｗでもない。

また、図１１の下段に示すように、Ｔｎｅｗ＜Ｔｍｉｄの場合、ＴｔｍｐがＴｎｅｗよりも大きい範囲Ｘ３では、Ｔｔｍｐを減少させる方向に進める。これは、範囲Ｘ３では、Ｔｔｍｐの値を１ずつ減少させていく方が、Ｔｔｍｐの値を１ずつ増加させてＴｍａｘにし、その次の段階で０にし、その後更にＴｔｍｐの値を１ずつ増加させていくよりも、より少ない段階数で、Ｔｎｅｗに到達するからである。範囲Ｘ３は、条件ＡもＢも満たさないし、Ｔｔｍｐ＝Ｔｎｅｗでもない。

図１０の処理の説明に戻る。ステップ１４０でＴｔｍｐを１だけ増加させた後は、ステップ１４１に進み、ＴｔｍｐがＴｍａｘより大きいか否かを判定する。ＴｔｍｐがＴｍａｘより大きいと判定した場合、ステップ１４２に進み、Ｔｔｍｐの値を０に設定し、その後ステップ１５５に進む。このようにすることで、ＴｔｍｐをＴｍａｘから増加させた場合、ステップ１４２によりＴｔｍｐを０にする。既に説明した通り、ＴｔｍｐをＴｍａｘから０に変化させることは、トランスデューサの位相を１段階ずらすのと同じことである。ステップ１４１でＴｔｍｐがＴｍａｘより大きくないと判定した場合、ステップ１４２をバイパスし、その後ステップ１５５に進む。

また、ステップ１５０でＴｔｍｐを１だけ減少させた後は、ステップ１５１に進み、Ｔｔｍｐが０より小さいか否かを判定する。Ｔｔｍｐが０より小さいと判定した場合、ステップ１５２に進み、Ｔｔｍｐの値をＴｍａｘに設定し、その後ステップ１５５に進む。このようにすることで、Ｔｔｍｐを０から減少させた場合、ステップ１５２によりＴｔｍｐをＴｍａｘにする。既に説明した通り、Ｔｔｍｐを０からＴｍａｘに変化させることは、トランスデューサの位相を１段階ずらすのと同じことである。ステップ１５１でＴｔｍｐが０より小さくないと判定した場合、ステップ１４２をバイパスし、その後ステップ１５５に進む。

なお、本実施形態では、時間差Ｔｎｅｗおよび時間差Ｔｔｍｐとしては、超音波トランスデューサ４２の超音波振動の周期を３２分割した時間である２５／３２μｓを１単位とする量としている。したがって、Ｔｎｅｗ、Ｔｔｍｐの１段階の変化は、２５／３２μｓ分の変化となる。また、Ｔｔｍｐ、Ｔｎｅｗの値は、０から３１までの整数値を取る。

本実施形態の方法でも、第１実施形態と同様に騒音低下が実現可能である。また、本実施形態の制御装置２０は、入力される空間中の位置座標が変化した場合、出力している超音波の現在の位相に対応する現在値Ｔｔｍｐと目標値Ｔｎｅｗとが異なる超音波トランスデューサ４２について、出力している超音波の位相を、位相を進める変化態様と、位相を遅らせる変化態様のうち、より短い段階数で目標の位相を実現する変化態様で、目標の位相まで複数段階で、変化させる。

このようになっていることで、すべてのトランスデューサ４２で位相の変化が終了するまでの期間を低減することができる。また、このようにすれば、制御装置２０は、ある一部のトランスデューサ４２では位相を進ませ、それと同時に他の一部のトランスデューサ４２で位相を遅らせる場合もある。

ここで、本実施形態における焦点の移動形態のシミュレーション結果について説明する。このシミュレーションでは、図１２Ａ〜図１２Ｃに示すように、トランスデューサアレイ４０の基板４１に平行かつ基板４１から所定距離離れた平面（Ｚ＝１５０ｍｍ）上で、焦点Ｇを初期位置（Ｘ，Ｙ，Ｚ）＝（−７ｍｍ，０ｍｍ、１５０ｍｍ）から目的位置（Ｘ，Ｙ，Ｚ）＝（７ｍｍ，０ｍｍ、１５０ｍｍ）まで移動させている。

より具体的には、指示入力装置１０の演算部１４は、超音波の焦点の３次元位置座標として、上記初期位置を出力し、それに基づいて制御装置２０が複数段階で位相を変化させて上記初期位置へ焦点を移した後、更に演算部１４は上記目的位置を出力する。

この結果、図１２Ａ〜図１２Ｃの順に、上記平面（Ｚ＝１５０ｍｍ）上の音圧が、経時変化した。各図のＴの値は、初期位置で焦点が結ばれている状態からの経過時刻を示し、単位は超音波の１周期である。図１２Ａ〜図１２Ｃ中では、音圧を白点の密度で表している。これらの図に示すように、焦点から初期位置から目的位置まで小刻みに徐々に移動するのではなく、初期位置において焦点が固定されながらも当該初期位置の焦点の音圧が徐々に弱くなっていき、それと共に、目的位置において新たな焦点が固定されながら当該目的位置の焦点の音圧が徐々に強くなっていく。つまり、初期位置から目的位置まで焦点が跳躍する。

（他の実施形態）
なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。また、また、上記実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。また、上記実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではない。また、上記実施形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その形状、位置関係等に限定されるものではない。また、本発明は、上記実施形態に対する以下のような変形例も許容される。なお、以下の変形例は、それぞれ独立に、上記実施形態に適用および不適用を選択できる。すなわち、以下の変形例のうち任意の組み合わせを、上記実施形態に適用することができる。

（変形例１）
上記実施形態では、波形生成部２４は、超音波トランスデューサ４２が出力する振動の位相Ｔｔｍｐを目標の位相Ｔｎｅｗに向けて１段階ではなく小刻みに複数段階で変化させるようになっている。しかし、本発明の目的を達成するためには、複数段階で変化させる方法以外にも、連続的に変化させる方法を採用してもよい。

（変形例２）
上記実施形態では、波形生成部２４から増幅部３０に入力された各駆動信号がＥｎａｂｌｅ信号によってＡＭ変調されて各超音波トランスデューサ４２に入力されることで、トランスデューサアレイ４０から出力される超音波振動が人の触知覚を刺激できる。しかし、超音波集束装置１を人の知覚を刺激する必要がない応用に用いる場合は、変調部２２は必須の構成ではない。

また、変調部２２を排除した場合でも、音圧Ｐをなだらかに（例えば、１〜１０２３Ｈｚ程度の周波数で）変化させれば、トランスデューサアレイ４０から出力される超音波振動が人の触知覚を刺激できる。

（変形例３）
上記実施形態では、閾値ＲＥＰがすべての波形生成処理で同じ値となっているので、すべての超音波トランスデューサ４２について同じ周期数に１回だけ時間差Ｔｔｍｐを変化させることが可能となっている。しかし、時間差Ｔｔｍｐの変化タイミングとしては、上記のようなもの以外を採用してもよい。

例えば、あるトランスデューサ４２については１周期ごとに１段階で計８段階、別のトランスデューサ４２については２周期に１段階で計４段階、時間差Ｔｔｍｐを変化させるようにしてもよい。つまり、閾値ＲＥＰを、超音波トランスデューサ４２毎に異なるように設定してもよい。その場合、３次元位置座標Ｘ、Ｙ、Ｚが変化した結果、現在の時間差Ｔｔｍｐと目標の時間差Ｔｎｅｗが異なるようになった複数個の超音波トランスデューサ４２について、同じタイミングで現在の時間差Ｔｔｍｐが目標の時間差Ｔｎｅｗに到達するように各閾値ＲＥＰが設定されるようになっていてもよい。

（変形例４）
上記実施形態では、制御装置２０は、超音波振動の１周期である２５μｓの整数倍の周期毎に現在の時間差Ｔｔｍｐを変化させるようになっている。しかし、このような方法以外の方法を採用してもよい。例えば、「１周期の整数倍以外の周期（２５μｓの０．５倍の１２．５μｓなど）」毎に時間差Ｔｔｍｐが変化するようにしてもよい。あるいは、「不定期に変化する時間間隔（１周期と２周期の混在、または整数倍以外も含めたランダムなど）」毎に時間差Ｔｔｍｐが変化するようにしてもよい。

このように、１周期の０．５倍の時間間隔毎に時間差Ｔｔｍｐが１段階変化する場合は、超音波の１周期当たりの平均位相変化量がπ／４［ｒａｄ］となる。したがって、上記実施形態では、超音波の１周期当たりの平均位相変化量としてπ／３２［ｒａｄ］以上かつπ／８［ｒａｄ］としていたが、π／３２［ｒａｄ］以上かつπ／４［ｒａｄ］以下としてもよい。

（変形例５）
上記実施形態では、時間差Ｔｔｍｐ、Ｔｎｅｗは、超音波トランスデューサ４２の超音波振動の周期を１６分割した時間である２５／１６μｓを１単位とする量、または、超音波トランスデューサ４２の超音波振動の周期を３２分割した時間である２５／３２μｓを１単位とする量であった。

しかし、時間差Ｔｔｍｐ、Ｔｎｅｗは、超音波トランスデューサ４２の超音波振動の周期を４８分割した時間である２５／４８μｓを１単位とする量であってもよい。つまり、位相の１単位は、超音波トランスデューサ４２の超音波振動の周期を２以上の整数で分割した量であればよい。

（変形例６）
上記実施形態では、増幅部３０は、変調部２２から入力された矩形波のＥｎａｂｌｅ信号を各駆動信号に乗算することで、各駆動信号を変調している。しかし、増幅部３０に代えて、外部から滑らかに（あるいは２ビット以上の多段階で）変化するオーディオ信号が入力され、そのオーディオ信号を各駆動信号に乗算することで、各駆動信号の波形を滑らかに（あるいは２ビット以上の多段階で）変更する機能を有する増幅装置を採用してもよい。

（変形例７）
上記実施形態では、駆動信号の変調方式とおしてＡＭ変調を採用しているが、ＡＭ変調に代えて、ＦＭ変調等の他の変調方式を用いてもよい。

（変形例８）
上記実施形態では、トランスデューサアレイ４０によって超音波が結ぶ焦点は、１個のみであった。しかし、必ずしもこのようになっておらずともよい。例えば、トランスデューサアレイ４０によって超音波が結ぶ焦点は、複数個の離散的な点であってもよいし、超音波の干渉によって形成される広がりおよび形状を持った領域であってもよい。

１ 超音波集束装置
１０ 指示入力装置
２０ 制御装置
３０ 増幅部
４０ トランスデューサアレイ
４２ 超音波トランスデューサ

Claims (7)

1. 複数個の超音波トランスデューサと、
   空間中の位置座標の入力に応じて、前記位置座標で超音波が集束するよう、前記複数個の超音波トランスデューサに前記位置座標に応じた位相で超音波を発生させる制御装置と、を備え、
   前記制御装置は、
   焦点が離散的に移動することにより形成される軌跡上の第１位置に位置する焦点を、前記第１位置に隣接すると共に前記第１位置の次の焦点である第２位置に移動させる場合、前記第２位置に対応する位置座標に応じた目標位相を算出し、
   前記複数個のトランスデューサのうち、前記第１位置に位置する焦点に集束している超音波の出力位相と前記目標位相とが異なる超音波トランスデューサについて、前記出力位相を前記目標位相まで複数段階で変化させることを特徴とする超音波集束装置。
2. 前記制御装置は、前記出力位相と前記目標位相とが異なる超音波トランスデューサについて、前記出力位相を前記目標位相まで、当該超音波トランスデューサが出力する超音波の振動の複数周期毎に１段階ずつ、複数段階で変化させることを特徴とする請求項１に記載の超音波集束装置。
3. 前記複数周期の長さは５０μｓ以下であることを特徴とする請求項２に記載の超音波集束装置。
4. 前記制御装置は、前記出力位相と前記目標位相とが異なる超音波トランスデューサについて、前記出力位相を、位相を進める変化態様と、位相を遅らせる変化態様のうち、より短い段階数で前記出力位相が前記目標位相になる変化態様で、前記出力位相を前記目標位相まで複数段階で変化させることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の超音波集束装置。
5. 前記制御装置は、
   前記第１位置において焦点を固定しながら前記第１位置の音圧を徐々に弱くし、
   前記第２位置において新たな焦点を固定させながら前記第２位置の音圧を徐々に強くすることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の超音波集束装置。
6. 前記制御装置は、入力される空間中の位置座標が変化した場合、前記出力位相と前記目標位相とが異なる超音波トランスデューサについて、前記出力位相を、出力している超音波の１周期当たりの平均位相変化量がπ／４［ｒａｄ］以下になるように、前記目標位相まで複数段階で変化させることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の超音波集束装置。
7. 前記制御装置は、前記出力位相と前記目標位相とが異なる超音波トランスデューサについて、前記出力位相を、前記目標位相に一貫して近付くよう、前記目標位相まで変化させることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の超音波集束装置。