JP7342323B2

JP7342323B2 - 超音波放射装置

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Publication number: JP7342323B2
Application number: JP2019096504A
Authority: JP
Inventors: 行雄松尾
Original assignee: gakkou houjin touhoku Gakuin
Current assignee: gakkou houjin touhoku Gakuin
Priority date: 2019-05-23
Filing date: 2019-05-23
Publication date: 2023-09-12
Anticipated expiration: 2039-05-23
Also published as: JP2020191569A

Description

本発明は、超音波放射装置に関する。

超音波は、種々の用途に利用されている。例えば、超音波センサーを車のバンパに取り付けて障害物を検知する障害物検知装置が使用されている。さらに、侵入者のような動き物体の検知に対しても利用されている。なお、超音波とは、２０ｋHzを超える音成分のことである。

さらに、害虫のヤガ類の一部はコウモリが発したエコーロケーション（超音波）を聞くと逃避行動を示すことを利用して農薬を使わずに超音波を用いて防虫することが提案されている（特許文献１参照）。

また、イチゴ圃場（ハウス）において、ハスモンヨトウなどの害虫に対して効果的な雑音が特許文献２において提案されている。さらに、予想不可能な害虫の侵入経路である全方位をカバーするように、水平方向の３６０°の範囲に超音波を送出できるスピーカ装置が提案されている。特許文献３では、超音波発生素子として、有機圧電フィルムの両面に電極が設けられ、可撓性を有するものが使用されている。

特開２０１３－０５１９２５号公報特開２０１８－０５７３３５号公報特開２０１７－０７９７３４号公報

特許文献３に記載の装置では、水平方向で３６０°の範囲に超音波を発生することができるが、上方向に対して超音波を発生することができない。例えばハウスによっては、側窓だけでなく天窓も設けられており，天窓からの害虫の侵入に対して対応できない。また、側窓及び天窓の方向に強い超音波を放射する場合には、複数の超音波スピーカを使用する必要があり、コストが上昇する問題があった。

したがって、本発明の目的は、単一のスピーカ装置によって、水平方向のみならず、上方に対しても超音波を発生することができる超音波放射装置を提供することにある。

本発明は、円形又は多角形の断面を有する筒状の支持体の周面に設けられ、周面の法線方向に超音波成分を放射するスピーカと、
スピーカに比して低い高さとされ、スピーカの下側部分の周面と対向する反射面を有し、スピーカが放射した超音波成分を反射面で上方向に反射させる反射ユニットと、
超音波成分として、害虫の行動を阻害するような音響パラメータの雑音を発生させるための信号をスピーカに供給する信号発生装置とを備え、
スピーカの上側部分の法線方向に反射面が存在しないようになされ、
横方向及び上方向に大きい振幅の超音波成分を発生するようになされた超音波放射装置である。

少なくとも一つの実施形態によれば、単一のスピーカ装置によって、横方向及び上方向の両方向に対して超音波を放射することができる。なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本明細書に記載されたいずれかの効果又はそれらと異質な効果であっても良い。

図１Ａ及び図１Ｂは、本発明の一実施形態に係るスピーカ装置の構成を示すブロック図及びスピーカ装置の一例の断面図である。図２は、側窓を備えるハウスにおける超音波を使用した害虫対策の説明のための略線図である。図３は、側窓及び天窓を備えるハウスにおける超音波を使用した害虫対策の説明のための略線図である。図４は、本発明によるスピーカ装置を使用した害虫対策の説明のための略線図である。図５Ａ及び図５Ｂは、本発明によるスピーカ装置の第１の例の断面図及び指向特性を示すグラフである。図６Ａ及び図６Ｂは、本発明によるスピーカ装置の第２の例の断面図及び指向特性を示すグラフである。図７Ａ及び図７Ｂは、本発明によるスピーカ装置の第３の例の断面図及び指向特性を示すグラフである。図８Ａ及び図８Ｂは、本発明によるスピーカ装置の第４の例の断面図及び一部断面図である。図９は、本発明によるスピーカ装置の第５の例の断面図である。図１０は、スピーカ装置の第５の例の超音波放射方向の説明に用いる略線図である。図１１Ａ及び図１１Ｂは、スピーカ装置の他の例の斜視図及び平面図である。

以下、本発明の実施形態等について図面を参照しながら説明する。なお、以下に説明する実施形態等は本発明の好適な具体例であり、本発明の内容がこれらの実施形態等に限定されるものではない。

図１Ａ及び図１Ｂは、本発明におけるスピーカ装置の一実施形態の構成を示す。超音波発生装置としてのスピーカ装置１は、図１Ｂに示すように、円筒状の支持体２と、支持体２の周面に巻き付けられたフィルム状超音波スピーカ（以下、単にスピーカと適宜称する）３と、スピーカ３の放射面と対向して配置された反射ユニット４から構成されている。反射ユニット４は、カップ状のもので、その底面のほぼ中心位置に支持体２が立設されている。反射ユニット４は、法線方向に放射される超音波の一部を反射させて上方向に向かうようにする反射面を有する。なお、スピーカ３は、支持体２の全周に巻き付けられるが、側窓に対応するように、支持体２の周面の一部例えば１／４周にわたって巻き付けられてもよい。

スピーカ３に対して、信号発生装置１１にて発生された信号が増幅装置１２を介して供給され、スピーカ３によって雑音が発生される。但し、雑音とは、ランダムな値の系列により生成される音を意味する。雑音は、ヨトウガ類害虫の行動を阻害するような超音波をスピーカ装置１によって発生させるような音響パラメータに設定されている。すなわち、雑音を用いて、ヨトウガ類害虫の農園芸作物栽培圃場及び／又は施設への飛来を抑止することができる。

一例として、雑音の音響パラメータが次のａ）～ｄ）に示されるパラメータである合成波である。
ａ）パルス長１～２００ｍｓ
ｂ）パルス間間隔（パルス間の静音部の長さ）５～４００ｍｓ
ｃ）構成周波数１０～１００ｋHz
ｄ）音圧６０ｄＢＳＰＬ以上（測定距離５０cm；０ｄＢＳＰＬ＝２０μＰａ）

反射ユニット４は、スピーカ３の周囲を取り囲むように配されてスピーカ３が発生した超音波を反射して上方に向けるための反射面を有する。反射ユニット４の高さは、スピーカ３の超音波放射面の高さに比較して低いものとされている。したがって、スピーカ３が発生する超音波の一部が反射ユニット４によって反射されて進行方向が例えば９０°上方に折り曲げられる。また、スピーカ３が発生する超音波の他の一部が反射されずに、水平方向に直進する。

反射ユニット４は、超音波を反射することができるような平滑な反射面を有するもので、樹脂成型品、金属などの材質とされている。深さの浅いカップ状の内面を反射ユニット４が有し、その底面には、野外での使用を考慮して水抜き用の穴５ａ，５ｂが形成されている。穴以外にスリットなどを形成してもよい。

信号発生装置１１は、通常公知の超音波信号を発生させることができる装置であれば特に制限なく用いることができ、例えば、振動素子を備えた信号発生装置やファンクションジェネレータ、パーソナルコンピュータのソフトにより超音波波形を作成して出力する信号発生装置などを用いることができる。

なお、信号発生装置１１により発生させた超音波信号がデジタル信号である場合には、Ｄ／Ａ（デジタル／アナログ）コンバータによりアナログ信号に変換して出力するようになされる。Ｄ／Ａコンバータは、信号発生装置１１が備えるものでもよいし、信号発生装置１１と増幅装置１２の間に設置するものであってもよい。また、パーソナルコンピュータのソフトを用いて発生させたデジタル信号は、パーソナルコンピュータに設けられているＤ／Ａコンバータによりアナログ信号に変換して出力することができる。

増幅装置１２は、信号発生装置１１で発生させた超音波信号を入力して増幅させ、スピーカ３に出力する、パワーアンプの機能を有する装置である。この増幅装置１２は、入力した超音波信号をスピーカ３から所定の音圧（ｄＢ）で出力可能に増幅する機能を有するものであれば特に制限なく用いることができ、例えば、バイポーラ電源や一般に用いられる音響用オーディオアンプ、共振回路を用いた増幅回路等を用いることができる。増幅装置１２により増幅された超音波信号は、スピーカ３から出力される。

なお、信号発生装置１１及び増幅装置１２は、外部の電源装置からの電気供給により稼働させるが、この電源は一般に用いられる交流１００Ｖ電源や蓄電池等を用いることができる。また、電源装置として蓄電池を用いる場合には、太陽電池を接続した蓄電池を用いて、太陽光により蓄電した電気を供給して稼働させることもできる。太陽電池を接続した蓄電池を用いることにより、屋外の交流１００Ｖ電源からの電気供給が困難な場所であっても装置を稼働させることが可能となる。

スピーカ３は、有機圧電フィルムの両面に電極を取り付けた構成の可撓性を有するフィルム状ピエゾ素子である。有機圧電フィルムとしては、例えば、ポリフッ化ビニリデン三フッ化エチレン共重合体、ポリフッ化ビニリデン等を主成分とするものを用いることができる。これらの中でも、ポリフッ化ビニリデン三フッ化エチレン共重合体を特に好適に用いることができる。また、有機圧電フィルムの厚みは特に制限はないが、通常、０．０４～０．１０ｍｍ、好ましくは０．０４～０．０７ｍｍ、より好ましくは０．０４～
０．０６ｍｍの範囲のものが用いられる。

有機圧電フィルムの両面に取付ける電極としては、通常フィルム状のピエゾ素子に用いられる薄膜電極であれば特に制限なく用いることができ、例えば、アルミ箔、銅箔等を挙げることができる。電極の厚みは特に制限されるものではないが、スピーカ３の全体の厚みを考慮した場合、３０～３００ｎｍ、好ましくは１００～２００ｎｍ程度が考慮される。電極の厚みを上記範囲内とすることにより、スピーカ３に可撓性を付与することができる。

有機圧電フィルムを用いたスピーカ３は、従来のセラミックを用いた振動素子と比較して、優れた柔軟性、耐衝撃性、耐電圧性、耐水性、耐薬品性等を有しており、大きさも測定の用途に応じて適宜設定することができる。

特に、本発明で用いるスピーカ３は、フィルム状であり可撓性を有しているため、容易に所望の曲率の形状とすることができる。スピーカ３の形状は使用環境や使用状況に応じて適宜設定することができる。また、湾曲とした場合の曲率（Ｒ）は特に制限されるものではないが、通常、一部の曲率（Ｒ）が３０～４００ｍｍ、好ましくは６０～１００ｍｍ、より好ましくは１７～４０ｍｍの範囲が考慮される。

上述したスピーカ装置１を有する本発明の一実施形態は、ヨトウガ類害虫の農園芸作物栽培圃場及び／又は施設への飛来を抑止することができる。例えばヨトウガ類害虫のハウスに対する進入を抑制することができる。図２に示すように、ハウス２１Ａの内部に従来のスピーカ３を設置している場合、スピーカ３が発生する水平方向に向かう超音波によってハウス２１Ａの側面に設けられている窓（側窓）２２ａ，２２ｂからの害虫の進入を抑制することができる。

しかしながら、実際には、図３に示すように、天井に窓（天窓）２３ａ，２３ｂが設けられているハウス２１Ｂも使用されている。この場合では、スピーカ３から超音波を発生させても、天窓２３ａ，２３ｂを通じて害虫が侵入することを抑制することができない問題が生じる。

上述した本発明の一実施形態におけるスピーカ装置１は、スピーカ３と反射ユニット４を有するので、図４に示すように、側窓２２ａ，２２ｂと天窓２３ａ，２３ｂの両方に向かう超音波を発生させることができ、害虫の進入に対する抑制効果を高めることができる。

さらに、スピーカ装置の第１の例について図５Ａ及び図５Ｂを参照して説明する。図５Ａは、反射ユニット４_１の外側エッジがスピーカ３と同心円状であり、外側エッジから中心に向かって低くなる反射面４ａの断面が直線とされたスピーカ装置１_１を示す。反射面４ａは、底面に対してθの角度で傾斜されている。なお、図１Ｂと同様に水抜き用の穴を底面に形成するようにしてもよい。以下に説明するスピーカ装置においても同様に、水抜き用の穴を底面に形成するようにしてもよい。

反射面４ａの外側エッジと内側エッジ（底面）の間の高さをｈと表記し、外側エッジと内側エッジの水平方向の距離をａで表し、底面の円の直径から２ａを減じた値をｂと表す。

図５Ｂは、スピーカ３のみの場合の指向特性（破線）と、反射ユニット４_１を有するスピーカ装置１_１の指向特性（実線）を比較して示すグラフである。反射ユニット４_１の直径が１２cmで（ａ＝４cm、ｂ＝３．６cm、ｈ＝３．４cm）とし、θ＝４０°としている。図５Ｂは、水平方向を０°として上方を＋９０°、下方を－９０°として振幅特性を測定した結果である。

反射ユニット４_１を有しない従来の構成では、破線の特性で示すように、水平方向の振幅が最大となり、上方向及び下方向に向かうほど、振幅が減衰している。上方向に対しての超音波の振幅が小さいものとなっている。これに対して、反射ユニット４_１を設けたスピーカ装置１_１の場合では、０°と、＋８０°付近に振幅のピークが存在し、横方向及び上方に向かう超音波が強いことが分かる。角度０°に発生する指向特性のピークを第１ピークとし、角度＋８０°付近に発生する指向特性のピークを第２ピークと呼ぶと、第２ピークの角度をθ（ｈ）の値によって変えることができる。

さらに、スピーカ装置の第２の例について図６Ａ及び図６Ｂを参照して説明する。図６Ａに示すスピーカ装置１_２は、反射ユニット４２の外側エッジがスピーカ３と同心円状であり、外側エッジから中心に向かって低くなる反射面４ｂの断面が外側に膨らむ円弧とされている。すなわち、円弧の外側に反射ユニットが存在する形状とされている。

反射面４ｂの外側エッジと内側エッジ（底面）の間の高さをｈと表記し、外側エッジと内側エッジの水平方向の距離をａで表し、底面の円の直径から２ａを減じた値をｂと表す。また、反射面４ｂの外側エッジと内側エッジを結ぶ線が底面に対してなす角度をθとする。

図６Ｂは、スピーカ３のみの場合の指向特性（破線）と、反射ユニット４_２を有するスピーカ装置１_２の指向特性（実線）を比較して示すグラフである。反射ユニット４_２の直径が１２cmで（ａ＝４cm、ｂ＝３．６cm、ｈ＝４cm）とし、θ＝４５°としている。図６Ｂは、水平方向を０°として上方を＋９０°、下方を－９０°として振幅特性を測定した結果である。反射ユニット４_２を有しない従来の構成では、破線の特性で示すように、水平方向の振幅が最大となり、上方向及び下方向に向かうほど、振幅が減衰している。これに対して、反射ユニット４_２を設けた場合では、０°に振幅のピークが存在し、また、０°から＋３０°付近までは振幅が減衰するが、＋３０°付近から＋９０°までの範囲で殆ど振幅が減衰しない指向特性か得られる。すなわち、横方向と上方に向かう超音波が強いことが分かる。上方に向かう超音波は、ピークを有しないが、全体的に超音波を強くしているので、野外での使用に適している。

さらに、スピーカ装置の第３の例について図７Ａ及び図７Ｂを参照して説明する。図７Ａに示すスピーカ装置１_３は、反射ユニット４３の外側エッジがスピーカ３と同心円状であり、外側エッジから中心に向かって低くなる反射面４ｃの断面が内側に膨らむ円弧とされている。すなわち、円弧の内側に反射ユニットが存在する形状とされている。

反射面４ｃの外側エッジと内側エッジ（底面）の間の高さをｈと表記し、外側エッジと内側エッジの水平方向の距離をａで表し、底面の円の直径から２ａを減じた値をｂと表す。また、反射面４ｃの外側エッジと内側エッジを結ぶ線が底面に対してなす角度をθとする。

図７Ｂは、スピーカ３のみの場合の指向特性（破線）と、反射ユニット４_３を有するスピーカ装置１_３の指向特性（実線）を比較して示すグラフである。反射ユニット４_３の直径が１２cmで（ａ＝４cm、ｂ＝３．６cm、ｈ＝４cm）とし、θ＝４５°としている。図７Ｂは、水平方向を０°として上方を＋９０°、下方を－９０°として振幅特性を測定した結果である。反射ユニット４_３を有しない従来の構成では、破線の特性で示すように、水平方向の振幅が最大となり、上方向及び下方向に向かうほど、振幅が減衰している。これに対して、反射ユニット４_３を設けた場合では、０°に振幅のピークが存在し、また、０°から＋２０°付近までは振幅が減衰するが、＋５０°付近、並びに＋８０°付近で振幅が大きくなるような指向特性が得られる。すなわち、横方向及び上方の二つの方向に向かう超音波が強いことが分かる。

上述したように、反射ユニットの反射面の角度を調整することによって上方への超音波の強さを変化させることができる。したがって、実際のハウスの天窓の形状、天窓の設けられている位置、ハウス内か／屋外かなどを考慮して反射ユニットの角度を設定するようになされる。

以上の説明では、反射ユニット４の反射面がスピーカ３を取り囲むリング状の隆起部の表面として形成されているが、単に反射面を有する板状の構成であってもよいすなわち、反射ユニットの反射面がスピーカ３と対向して直線状に延びる構成とされ、スピーカ３が放射した超音波成分が反射ユニットで反射されて上方に向かうようになされる。図８Ａは、かかるスピーカ装置１_４の側面断面図であり、図８Ｂは、正面一部断面図である。スピーカ３が周囲に巻き付けられた支持体２が例えば直方体の形状の基部６に立設されている。

基部６に対して矩形の板状の反射ユニット７が取り付けられる。反射ユニット７は、水平方向に対して所定の角度でもって傾斜する反射面７ａを有する。スピーカ３から出射された超音波の一部が横方向に送出され、その一部が反射面７ａで反射されて上方に送出される。したがって、ハウスの側窓及び天窓の両方に向けて超音波を送出することができる。また、反射面７ａが長手方向に延びる形状とされているので、上方に向かう超音波がハウスの天井部分で長手方向の広い範囲に到達することができる。

かかる反射ユニット７を有するスピーカ装置１_４は、上述したスピーカ装置と同様の効果を奏することができる。反射ユニット７の形状、傾きなど例えば角度を設定することによって天窓の位置に対応して超音波を送出することができる。なお、図８の構成では、スピーカ３の片側にしか反射ユニット７を設けていないが、反射ユニット７と対向するようにスピーカ３の反対側に他の反射ユニットを設けてもよい。さらに、板状の反射ユニットとしては、反射面が曲面の反射ユニットを使用してもよい。

図９は、スピーカ３の両側に矩形の板状の反射ユニット７Ａ及び７Ｂを対称の位置に設けると共に、各反射ユニットの傾き角度を可変する角度可変機構１０Ａ及び１０Ｂを設けたスピーカ装置１５を示す。角度可変機構１０Ａ及び１０Ｂは、手動又はモーターなどのアクチュエーターによって駆動される。アクチュエーターを使用する場合には、複数のスピーカ装置を遠隔制御することができる。

反射ユニットがスピーカ３の周辺を円形に取り囲む構成の場合では、図１０Ａに示すように、ハウス２１Ｂを上から見た場合に、放射状に均等に拡がった超音波が天窓２３ａ及び２３ｂの方向に向けて放射される。図１０Ａ及び図１０Ｂでは、斜線で示すように、天窓２３ａ及び２３ｂがハウス２１Ｂの長手方向に沿って所定の幅でもって設けられている。一方、図９に示すスピーカ装置１_５のように板状の反射ユニット７Ａ及び７Ｂを備える場合には、図１０Ｂに示すように、天窓２３ａ及び２３ｂの設けられている方向に沿って超音波が放射されるので、天窓を通じて害虫が侵入することを効果的に抑制することができる。

以上の説明では、フィルム状超音波スピーカを円筒状の支持体の周面に巻き付けた構成のスピーカを使用している。しかしながら、図１１Ａ及び図１１Ｂに示すように、フィルム状超音波スピーカではない従来の超音波スピーカを使用してもよい。すなわち、リング状の支持フレーム８に対して等角間隔でもって８個の超音波スピーカＳＰ１，ＳＰ２，ＳＰ３，ＳＰ４，ＳＰ５，ＳＰ６，ＳＰ７及びＳＰ８が取り付けられる。スピーカＳＰ１～ＳＰ８に対して共通の駆動信号が供給される。

スピーカＳＰ１～ＳＰ８の周囲にカップ状の反射ユニット９が設けられる。図示しない連結部によって、支持フレーム８と反射ユニット９が所定の位置関係でもって保持される。スピーカＳＰ１～ＳＰ８と対向する反射ユニット９の反射面の断面は、上述したような円弧又は直線とされている。かかる図９Ａ及び図９Ｂに示すスピーカ装置も、上述したフィルム状超音波スピーカを使用したスピーカ装置と同様の効果を奏することができる。

以上、本発明の一実施形態について具体的に説明したが、本発明は、上述の一実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。例えばフィルム状超音波スピーカを支持する部材は、円筒に限らず、断面が楕円、多角形であってもよい。また、本発明は、ハウス内に限らず、屋外に設置するようにしてもよい。また、上述の実施形態において挙げた構成、方法、工程、形状、材料及び数値などはあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれと異なる構成、方法、工程、形状、材料及び数値などを用いてもよい。

１・・・スピーカ装置、３・・・スピーカ、４、４_１，４_２，４_３，４_４，４_５，７，９・・・反射ユニット、１０Ａ，１０Ｂ・・・角度可変機構、１１・・・信号発生装置、１２・・・増幅装置、２１Ａ，２１Ｂ・・・ハウス、２２ａ，２２ｂ・・・側窓、２３ａ，２３ｂ・・・天窓

Claims

円形又は多角形の断面を有する筒状の支持体の周面に設けられ、前記周面の法線方向に超音波成分を放射するスピーカと、
前記スピーカに比して低い高さとされ、前記スピーカの下側部分の周面と対向する反射面を有し、前記スピーカが放射した超音波成分を前記反射面で上方向に反射させる反射ユニットと、
前記超音波成分として、害虫の行動を阻害するような音響パラメータの雑音を発生させるための信号を前記スピーカに供給する信号発生装置とを備え、
前記スピーカの上側部分の法線方向に前記反射面が存在しないようになされ、
横方向及び上方向に大きい振幅の超音波成分を発生するようになされた超音波放射装置。
前記スピーカは、前記支持体の周面にフィルム状超音波スピーカが巻き付けられた構成とされた請求項１に記載の超音波放射装置。
前記反射ユニットは、前記スピーカが底面のほぼ中心に配置されるカップ状の構成とされ、内面に傾斜した反射面を有する請求項１又は２に記載の超音波放射装置。
前記反射ユニットの反射面が前記スピーカの下側部分の周面と対向して直線状に延びる構成とされ、前記スピーカが放射した超音波成分が前記反射面で反射されて上方に向かうようになされる請求項１又は２に記載の超音波放射装置。
前記反射ユニットの反射面の角度を可変する角度可変装置を備える請求項４に記載の超音波放射装置。