JPWO2019159395A1 - Thermal excitation type sound wave generator - Google Patents
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Abstract
熱励起型の音波発生装置(1)は、音波源(10)と、スイッチング素子(23)と、キャパシタ(21)と、制限抵抗(22)とを備える。音波源は、直流電源から供給される電流により発熱して音波を発生する。制限抵抗は、直流電源と音波源の間に挿入され、直流電源から音波源に流入する電流を制限する。スイッチング素子は、音波源に直列に接続され、オン/オフして音波源を流れる電流の流入/遮断を制御する。キャパシタは、音波源とスイッチング素子の直列回路に並列に接続される。The thermal excitation type sound wave generator (1) includes a sound wave source (10), a switching element (23), a capacitor (21), and a limiting resistor (22). The sound wave source generates heat by the current supplied from the DC power source to generate sound waves. The limiting resistor is inserted between the DC power supply and the sound wave source to limit the current flowing from the DC power supply to the sound wave source. The switching element is connected in series with the sound wave source and turns on / off to control the inflow / cutoff of the current flowing through the sound wave source. The capacitor is connected in parallel to the series circuit of the sound wave source and the switching element.
Description
本発明は、空気を加熱して音波を発生させる熱励起型の音波発生装置に関する。 The present invention relates to a heat-excited sound wave generator that heats air to generate sound waves.
電流を流すと発熱する発熱体を用いて空気を加熱することによって、空気の圧力波(即ち音波)を発生させる音波源が提案されている。 A sound wave source that generates a pressure wave (that is, a sound wave) of air by heating air using a heating element that generates heat when an electric current is passed has been proposed.
特許文献1は、直流電源で音波源を駆動する超音波発生装置を開示している。超音波発生装置は、パルス発生回路と、直流電源と、MOSFETと、音波源とを備える。超音波発生装置において、音波源は、MOSFETのドレインと直流電源との間に接続される。MOSFETのソースは、接地される。パルス発生回路は、パルス電圧をMOSFETのゲートに印加する。特許文献1の超音波発生装置は、MOSFETのゲート信号に応じて、直流電源から音波源に駆動電流を流している。
本発明の目的は、電流に応じた発熱によって音波を発生する際の安全性を向上することができる熱励起型の音波発生装置を提供することである。 An object of the present invention is to provide a heat-excited sound wave generator capable of improving safety when generating sound waves by heat generation according to an electric current.
本発明の一態様に係る熱励起型の音波発生装置は、音波源と、スイッチング素子と、キャパシタと、制限抵抗とを備える。音波源は、直流電源から供給される電流により発熱して音波を発生する。制限抵抗は、直流電源と音波源の間に挿入され、直流電源から音波源に流入する電流を制限する。スイッチング素子は、音波源に直列に接続され、オン/オフして音波源を流れる電流の流入/遮断を制御する。キャパシタは、音波源とスイッチング素子の直列回路に並列に接続される。 The heat-excited sound wave generator according to one aspect of the present invention includes a sound wave source, a switching element, a capacitor, and a limiting resistor. The sound wave source generates heat by the current supplied from the DC power source to generate sound waves. The limiting resistor is inserted between the DC power supply and the sound wave source to limit the current flowing from the DC power supply to the sound wave source. The switching element is connected in series with the sound wave source and turns on / off to control the inflow / cutoff of the current flowing through the sound wave source. The capacitor is connected in parallel to the series circuit of the sound wave source and the switching element.
本発明の別の態様に係る熱励起型の音波発生装置は、音波源と、スイッチング素子と、キャパシタと、抵抗素子とを備える。音波源は、電流を流すことによって発熱して、音波を発生する。スイッチング素子は、音波源に流す電流をオンオフ制御する。キャパシタは、スイッチング素子がオフしたときに充電されて、スイッチング素子がオンしたときに充電による電流を音波源に供給する。抵抗素子は、スイッチング素子がオンしたときに音波源に流れる電流を制限する。 The heat-excited sound wave generator according to another aspect of the present invention includes a sound wave source, a switching element, a capacitor, and a resistance element. The sound wave source generates heat by passing an electric current to generate sound waves. The switching element controls on / off of the current flowing through the sound wave source. The capacitor is charged when the switching element is turned off, and supplies the current due to charging to the sound wave source when the switching element is turned on. The resistance element limits the current flowing through the sound wave source when the switching element is turned on.
本発明に係る熱励起型の音波発生装置によれば、電流に応じた発熱によって音波を発生する際の安全性を向上することができる。 According to the heat-excited sound wave generator according to the present invention, it is possible to improve the safety when generating sound waves by heat generation according to an electric current.
以下、添付の図面を参照して本発明に係る熱励起型の音波発生装置の実施の形態について説明する。 Hereinafter, embodiments of the heat-excited sound wave generator according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
各実施形態は例示であり、異なる実施形態で示した構成の部分的な置換又は組み合わせが可能であることは言うまでもない。実施形態2以降では実施形態1と共通の事項についての記述を省略し、異なる点についてのみ説明する。特に、同様の構成による同様の作用効果については、実施形態毎には逐次言及しない。 It goes without saying that each embodiment is an example, and partial replacement or combination of the configurations shown in different embodiments is possible. In the second and subsequent embodiments, the description of the matters common to the first embodiment will be omitted, and only the differences will be described. In particular, the same action and effect due to the same configuration will not be mentioned sequentially for each embodiment.
(実施形態1)
1.構成
実施形態1に係る熱励起型の音波発生装置の構成について、図1,2を参照して説明する。図1は、本実施形態に係る音波発生装置1を示す図である。図2は、図1のA−A’断面に対応する、音波発生装置1の音波源10の構成を示す断面図である。(Embodiment 1)
1. 1. Configuration The configuration of the heat-excited sound wave generator according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. 1 and 2. FIG. 1 is a diagram showing a
本実施形態に係る音波発生装置1は、図1に示すように、音波源10と駆動部20とを備える。音波発生装置1は、音波源10における発熱によって音波を発生する熱励起型の音波発生装置である。例えば、音波発生装置1は、音波源10の瞬間的な発熱によって周囲の空気の圧力を変化させることにより、パルス状の音波を発生することができる。本実施形態の音波発生装置1は、例えばTOF(飛行時間測定)方式の距離センサ或いは近接センサ等の用途に適用可能である。
As shown in FIG. 1, the
音波発生装置1において、駆動部20は、例えば電流駆動により音波源10を駆動する回路である。駆動部20の回路構成については後述する。
In the
音波源10は、空気を加熱して音波を発生させる素子である。音波源10は、図2に示すように、発熱体11と、基板12と、一対の電極13と、断熱層14とを備える。音波源10において、発熱体11と断熱層14とは基板12上に積層される。以下、基板12における発熱体11等が積層された主面の側を上側といい、他方の主面側を下側という場合がある。
The
発熱体11は、電流を流すことによって発熱する抵抗体である。発熱体11は、例えば基板12の上側の空気に接触するように設けられる。発熱体11の周囲の空気は、発熱体11の温度変化によって膨張又は収縮する。これにより、空気の圧力波即ち音波が発生する。
The
発熱体11は、銀パラジウム、銀、金、プラチナ、カーボンナノチューブなどで構成される。発熱体11は、例えば500[J/kg℃]以下の比熱、及び50[W/mK]以上の熱伝導率を有する。発熱体11は、例えば基板12の主面上で種々の形状を有するようにパターン印刷されてもよい。
The
断熱層14は、発熱体11と基板12との間に設けられる。断熱層14は、例えば、基板12の熱伝導率よりも小さい熱伝導率を有する。断熱層14は、発熱体11から下側への熱伝導を抑制する。断熱層14は、ガラスグレース、ポーラスシリコン、二酸化ケイ素などで構成される。断熱層14は、例えばガラス成分及び金属成分を含む厚膜導体として、発熱体11と一体的に構成されてもよい。
The heat insulating layer 14 is provided between the
基板12は、シリコン、酸化アルミニウムなどの絶縁性の材料で構成される。基板12においては、断熱層14で遮断しきれずに発熱体11から伝導した熱を放熱することができる。基板12は、プリント基板であってもよい。
The
一対の電極13は、音波源10の外部から発熱体11に電流を流すための電極である。一対の電極13は、発熱体11の両側に設けられる。駆動部20は、電極13を介して音波源10に接続される。各電極13はCu、Au、Alなどの金属材料で構成される。
The pair of
以上のような音波源10においては、発熱体11を発熱させるための電流が、故障等により過度に発熱体11に、供給され続けると、過熱状態になる場合がある。このような問題に対して、本実施形態の音波発生装置1は、駆動部20により、上記のような故障時においても発熱体11の過熱状態を避けることができる構成を有する。以下、本実施形態の駆動部20の詳細を説明する。
In the
1−1.音波発生装置の駆動部について
本実施形態における音波発生装置1の駆動部20の回路構成について、図3を用いて説明する。図3は、音波発生装置1における駆動部20の構成例を示す回路図である。1-1. About the drive unit of the sound wave generator The circuit configuration of the
なお、以下では、発熱体11の抵抗値をR1としている。抵抗値R1は、例えば1Ωである。
In the following, the resistance value of the
図3に示すように、駆動部20は、直流電圧Eを出力する直流電源24と、直流電源24の高圧側端と電極13bとの間に接続された制限抵抗22とを備える。駆動部20は、さらに、電極13aと直流電源24の低圧側端との間に接続されたMOSFET23と、MOSFET23を駆動するパルス駆動回路25と、電極13bと直流電源24の低圧側端との間に接続されたキャパシタ21とを備える。
As shown in FIG. 3, the
MOSFET23は、発熱体11に流す電流I1をオンオフ制御するスイッチング素子の一例である。図3では、スイッチング素子としてn型のMOSFET23を用いる構成例を示している。MOSFET23のソースは、例えば接地される。MOSFET23のドレインは、発熱体11の電極13aに接続される。
The
キャパシタ21は、発熱体11とMOSFET23との直列回路に並列に接続される。キャパシタ21は、容量値C1を有する。キャパシタ21の容量値C1は、例えば10uF以上100uF以下である。キャパシタ21は、例えば電解コンデンサ又はセラミックコンデンサである。
The
制限抵抗22は、直流電源24からの発熱体11に流れる電流を制限する抵抗素子の一例である。制限抵抗22は、抵抗値R2を有する。制限抵抗22の抵抗値R2は、例えば発熱体11の抵抗値R1よりも大きい。抵抗値R2は、例えば50Ω以上5kΩ以下である。
The limiting
直流電源24は、制限抵抗22の他端に直流電圧Eを供給する。直流電源24は、各種の電源回路及び/又はバッテリ等で構成される。各種の電源回路は、例えばAC/DCコンバータ、DC/DCコンバータ、レギュレータ、バッテリを含む。直流電圧Eは、例えば5Vである。
The
パルス駆動回路25は、例えば予め設定された周期及びデューティ比等に基づいて、オン電圧Von又はオフ電圧Voffを示すパルス信号Spを生成する(図6参照)。パルス駆動回路25は、パルス信号Spを用いて、MOSFET23をオンオフ制御する。パルス信号Spのオン電圧Vonは、MOSFET23のしきい値電圧よりも大きい。オフ電圧Voffは、当該しきい値電圧よりも小さい。パルス駆動回路25は、MOSFET23のゲートに接続される。パルス駆動回路25は、発振器などを含む。
The
2.動作
本実施形態に係る音波発生装置1の動作について以下説明する。
2−1.駆動部の動作
本実施形態に係る音波発生装置1の駆動部20が音波源10を駆動する動作について、図3〜5を用いて説明する。以下では、図3の構成例の駆動部20による動作の一例を説明する。2. 2. Operation The operation of the
2-1. Operation of Drive Unit The operation of the
MOSFET23がオフしているとき、発熱体11には電流が流れないので、発熱体11は発熱しない。このとき、直流電源24からの直流電圧が、制限抵抗22を介してキャパシタ21に印加され、キャパシタ21は充電される。MOSFET23がオンしたときは、直流電源24、制限抵抗22、発熱体11、及びMOSFET23の閉回路が形成されるが、制限抵抗22の抵抗値R2が大きいので、直流電源24から発熱体11への電流は、ほとんど流れない。このとき、キャパシタ21が放電され、キャパシタ21から発熱体11への電流が流れて、発熱体11は発熱する。MOSFET23を連続してオンオフすることにより、発熱体11の周囲の空気が加熱される状態と、加熱されない状態とを連続して作り出して空気の膨張、収縮を発生させる。これにより、音波を発生させる。
When the
本実施形態の駆動部20において、パルス駆動回路25は、MOSFET23のゲートにパルス信号Spを出力して、MOSFET23をパルス駆動する。MOSFET23は、パルス信号Spがオン電圧Vonを示すときにオン(導通)し、パルス信号Spがオフ電圧Voffを示すときにオフ(非導通)する。
In the
音波発生装置1の駆動部20は、MOSFET23がオフしているときに、キャパシタ21を充電する。図4に、MOSFET23のオフ状態における音波発生装置1の等価回路を示す。直流電源24は、直流電圧Eを制限抵抗22に供給する。この際、制限抵抗22に電流I2が流れることにより、時刻tにおけるキャパシタ21の充電電圧V(t)は、増大する。キャパシタ21の充電電圧V(t)は、制限抵抗22の電流I2が流れなくなる満充電の状態において、V(t)=Eに到る。
The
また、駆動部20は、MOSFET23がオンしているときに、キャパシタ21を放電して、音波源10の発熱体11に電流I1を流す。図5に、MOSFET23のオン状態における音波発生装置1の等価回路を示す。なお、図5の等価回路では、制限抵抗22の抵抗値R2の設定に基づき、図3の電流I2を無視している。
Further, when the
図5に示すように、MOSFET23がオン状態の期間中に、キャパシタ21の充電電圧V(t)が発熱体11に印加され、発熱体11に電流I1が流れる。発熱体11は、電流I1の大きさに応じて発熱する。キャパシタ21においては、発熱体11に電流を供給することによって充電電圧V(t)が減少する。
As shown in FIG. 5, while the
以上の駆動部20の動作によると、MOSFET23をオンすると放電するキャパシタ21の充放電によって、発熱体11を発熱させる電流I1を流して、音波源10を駆動することができる。ここで、本実施形態では、直流電源24からの電流I2が発熱体11を発熱させる電流I1に対して無視できる程度に、大きい抵抗値R2が制限抵抗22に設定される。これにより、例えばMOSFET23が故障によって常にオン状態になった場合においても、発熱体11が過熱状態になることを回避して、音波発生装置1の安全性を向上できる。
According to the above operation of the
なお、制限抵抗22の抵抗値R2は、必ずしも電流I2が無視できる程度に大きくなくてもよい。制限抵抗22の抵抗値R2は、例えば発熱体11の抵抗値R1を基準として設定可能であり、抵抗値R1よりも大きい程度であってもよい。
The resistance value R2 of the limiting
2−2.音波の発生方法について
以上の駆動部20の動作によって音波発生装置1が音波を発生させる方法について、図6を用いて説明する。2-2. About the method of generating sound waves A method of generating sound waves by the
図6は、音波発生装置1における音波の発生方法を説明するためのタイミングチャートである。図6(a)は、MOSFET23におけるパルス信号Spの入力タイミングを示す。図6(b)は、音波源10による音波の出力タイミングを示す。
FIG. 6 is a timing chart for explaining a method of generating sound waves in the
MOSFET23のゲートに入力されるパルス信号Spは、図6(a)に示すように、時刻t1前に、オフ電圧Voffを示している。このとき、キャパシタ21は、満充電近傍の状態にある(図4参照)。
As shown in FIG. 6A, the pulse signal Sp input to the gate of the
時刻t1において、パルス信号Spはオン電圧Vonに立上がり(図6(a))、MOSFET23がオンする。すると、キャパシタ21は、放電を開始して、電流I1を発熱体11に流す(図5参照)。このとき、発熱体11の温度が上昇し、発熱体11は周囲の空気を加熱する。これにより、音波源10近傍の空気が熱膨張し、空気の圧力(即ち音圧)は、図6(b)に示すように定常値P0から上昇する。
At time t1, the pulse signal Sp rises to the on-voltage Von (FIG. 6A), and the
MOSFET23がオンしている期間Ton(以下「パルス幅Ton」という場合がある)の間、キャパシタ21の放電及び発熱体11に対する電流I1の供給は継続される。当該期間Tonの経過中に、音波源10近傍の空気の温度変化は安定化し、音圧は定常値P0に戻る(図6(b))。
During the period Ton (hereinafter, may be referred to as “pulse width Ton”) while the
時刻t1からパルス幅Tonだけ後の時刻t2において、パルス信号Spはオフ電圧Voffに立下がり(図6(a))、MOSFET23がオフする。すると、キャパシタ21は放電を停止し、発熱体11に対する電流I1の供給が停止される。このとき、発熱体11は発熱しなくなり、温度の低下に伴って空気を冷却する。これにより、音波源10近傍の空気が収縮し、図6(b)に示すように、音圧が定常値P0から低下する。その後、音圧は定常値P0に戻る。
At time t2, which is only the pulse width Ton after time t1, the pulse signal Sp falls to the off voltage Voff (FIG. 6A), and the
以上のように、パルス信号Spのパルス幅Tonの期間に応じて、音圧の低下及び上昇が生じることにより、当該期間Tonを1周期とする、単パルスの音波が形成される(図6(b))。 As described above, the sound pressure decreases and rises according to the period of the pulse width Ton of the pulse signal Sp, so that a single-pulse sound wave having the period Ton as one cycle is formed (FIG. 6 (FIG. 6). b)).
また、MOSFET23がオフしている期間Toff(以下「パルス間隔Toff」という場合がある)の間に、キャパシタ21は充電される。時刻t2からパルス幅Toffだけ後の時刻t3において、パルス信号Spは再度、立上がる(図6(a))。これにより、上記と同様の単パルスの音波が、パルス間隔Toffをあけて繰り返し形成される。
Further, the
以上のように、本実施形態の音波発生装置1によると、パルス信号Spのパルス幅Ton及びパルス間隔Toffに応じて、図6(b)に示すように、単パルスの音波をパルス周期Tp(=Toff+Ton)毎に発生させることができる。
As described above, according to the
2−3.回路定数について
上述のように音波を発生させる音波発生装置1において、パルス幅Ton及びパルス間隔Toff等は、駆動部20の各種回路定数(図3)を適宜、調整することにより、種々の値に設定可能である。以下、パルス幅Ton及びパルス間隔Toffと、回路定数との間の関係について説明する。2-3. Circuit constants In the
パルス幅Tonと回路定数との間の関係は、制限抵抗22の抵抗値R2が充分に大きい場合(図5参照)、キャパシタ21の放電開始時の充電電圧V(t1)及び放電停止時の充電電圧V(t2)に基づいて(図6)、次式のように表される。
V(t2)=V(t1)×exp[−Ton/(C1×R1)] …(1)The relationship between the pulse width Ton and the circuit constant is that when the resistance value R2 of the limiting
V (t2) = V (t1) x exp [-Ton / (C1 x R1)] ... (1)
本実施形態の音波発生装置1によると、各種仕様に応じて適宜、回路定数C1,R1を調整することにより、所望のパルス幅Tonを用いることができる。
According to the
例えば、キャパシタ21の放電停止時の充電電圧V(t2)として、放電開始時の充電電圧V(t1)の90%以上を確保する場合を考える。この場合、V(t2)≧0.9V(t1)より、パルス幅Tonは、次式の範囲内で設定できる。
Ton≦−C1×R1×ln(0.9)≒0.1×C1×R1 …(11)For example, consider a case where 90% or more of the charging voltage V (t1) at the start of discharging is secured as the charging voltage V (t2) when the discharge of the
Ton ≦ −C1 × R1 × ln (0.9) ≈0.1 × C1 × R1… (11)
上式(11)の場合、例えば発熱体11に流した電流I1を停止する時刻t2(図6参照)前後における電流I1の変化量を、時刻t1前後における電流I1の変化量の90%以上に確保することができる。
In the case of the above equation (11), for example, the amount of change in the current I1 before and after the time t2 (see FIG. 6) when the current I1 flowing through the
また、例えば、上式(11)の場合よりも大幅な放電においてキャパシタ21を使用する観点から、放電停止時の充電電圧V(t2)を、放電開始時の充電電圧V(t1)の50%以上とする場合を考える。この場合、上記と同様に式(1)から、パルス幅Tonは、次式の範囲内で設定できる。
Ton≦−C1×R1×ln(0.5)≒0.7×C1×R1 …(12)Further, for example, from the viewpoint of using the
Ton ≦ −C1 × R1 × ln (0.5) ≒ 0.7 × C1 × R1… (12)
具体的に、駆動部20の回路定数がC1=30uFで且つR1=1Ωに設定されている場合、式(11)によると、パルス幅Tonは3マイクロ秒以下になる。また、式(12)によると、パルス幅Tonは21マイクロ秒以下になる。
Specifically, when the circuit constant of the
また、パルス間隔Toffと回路定数との間の関係は、キャパシタ21の充電を開始する時刻t2に、制限抵抗22を介して電流I2=(E−V(t2))/R2が流れることから(図4参照)、パルス間隔Toffだけ後の時刻t3における電流I2に基づき(図6)、次式のように表される。
I2=(E−V(t2))/R2×exp[−Toff/(C1×R2)] …(2)Further, the relationship between the pulse interval Toff and the circuit constant is that the current I2 = (EV (t2)) / R2 flows through the limiting
I2 = (EV (t2)) / R2 × exp [-Toff / (C1 × R2)]… (2)
上式(2)によると、パルス間隔Toffは、制限抵抗22の抵抗値R2に対して相関関係を有する。本実施形態によると、回路定数R2,C1を調整することにより、所望のパルス間隔Toffを用いることができる。
According to the above equation (2), the pulse interval Toff has a correlation with the resistance value R2 of the limiting
例えば、時刻t3において充電を終了する際の電流I2が、充電開始時(t2)の10%以下に到るようにキャパシタ21を充電する場合を考える。この場合、パルス間隔Toffは、次式の範囲内で設定できる。
Toff≧−C1×R2×ln(0.1)≒2.3×C1×R2 …(21)For example, consider a case where the
Toff ≧ −C1 × R2 × ln (0.1) ≒ 2.3 × C1 × R2… (21)
上式(21)の場合、例えば時刻t2から時刻t3までのパルス間隔Toffの期間中にキャパシタ21を満充電近傍にまで充電でき、キャパシタ21を効率良く使用することができる。
In the case of the above equation (21), for example, the
上式(21)によると、駆動部20の回路定数がR2=50Ωで且つC1=30uFに設定されている場合、パルス間隔Toffは3.45ミリ秒以上になる。また、制限抵抗22の抵抗値R2を500Ωに増やすと、パルス間隔Toffは34.5ミリ秒以上になる。さらに、抵抗値R2を5kΩに増やすと、パルス間隔Toffは345ミリ秒以上になる。
According to the above equation (21), when the circuit constant of the
2−3−1.シミュレーション結果について
以上のように制限抵抗22の抵抗値R2を変化させた場合における音波発生装置1のシミュレーション結果について、図7〜図11を用いて説明する。2-3-1. Simulation Results The simulation results of the
図7は、制限抵抗22の抵抗値R2を50Ωに設定した音波発生装置1のシミュレーション結果を示す波形図である。
FIG. 7 is a waveform diagram showing a simulation result of the
図7のシミュレーションは、以下のシミュレーション条件において行った。即ち、回路定数R2=50Ω,C1=30uF,R1=1Ωを設定すると共に、直流電圧E=5Vを設定した。さらに、パルス幅Tonは10マイクロ秒に設定し、パルス周期Tpは100ミリ秒に設定した。この際、パルス間隔Toff(略100ミリ秒)は、上述した条件式(21)の範囲内になっている。 The simulation of FIG. 7 was performed under the following simulation conditions. That is, the circuit constants R2 = 50Ω, C1 = 30uF, and R1 = 1Ω were set, and the DC voltage E = 5V was set. Further, the pulse width Ton was set to 10 microseconds and the pulse period Tp was set to 100 milliseconds. At this time, the pulse interval Toff (approximately 100 milliseconds) is within the range of the above-mentioned conditional expression (21).
図7(a)は、R2=50Ωのシミュレーションにおけるキャパシタ21の充電電圧V(t)を示す。また、図7(b)は、制限抵抗22の電流I2を示す。図7(c)は、発熱体11の電流I1を示す。
FIG. 7A shows the charging voltage V (t) of the
図7のシミュレーションによると、キャパシタ21の充電電圧V(t)は、図7(a)に示すように、パルス周期Tpの間に満充電V(t)=5Vに到っている。これに応じて、図7(b)に示すように、制限抵抗22の電流I2は、パルス幅Tonのタイミング(即ち放電時)にピーク値として28mAを有する。このとき、発熱体11の電流I1のピーク値は、図7(c)に示すように、5Aになっている。
According to the simulation of FIG. 7, the charging voltage V (t) of the
以上の図7のシミュレーション条件から、制限抵抗22の抵抗値R2を増大させた場合のシミュレーション結果を図8,9に示す。
The simulation results when the resistance value R2 of the limiting
図8は、制限抵抗22の抵抗値R2を500Ωに設定した音波発生装置1のシミュレーション結果を示す波形図である。なお、パルス間隔Toffの条件式(21)は、この場合も満たされている。
FIG. 8 is a waveform diagram showing a simulation result of the
図8(a),8(b),8(c)は、それぞれR2=500Ωのシミュレーションにおけるキャパシタ21の充電電圧V(t)、制限抵抗22の電流I2、及び発熱体11の電流I1を示す。
8 (a), 8 (b), and 8 (c) show the charging voltage V (t) of the
図8のシミュレーションによると、キャパシタ21の充電電圧V(t)は、図7(a)と同様に、V(t)=5Vに到っている(図8(a))。一方、制限抵抗22の電流I2のピーク値は、図7(b)の場合から2.8mAに減少している(図8(b))。発熱体11の電流I1については、図7(c)と同様のピーク値5Aが得られている(図8(c))。
According to the simulation of FIG. 8, the charging voltage V (t) of the
図9は、制限抵抗22の抵抗値R2を5kΩに設定した音波発生装置1のシミュレーション結果を示す波形図である。この場合、パルス間隔Tonの条件式(21)は、満たされてない。
FIG. 9 is a waveform diagram showing a simulation result of the
図9(a),9(b),9(c)は、それぞれR2=5kΩのシミュレーションにおけるキャパシタ21の充電電圧V(t)、制限抵抗22の電流I2、及び発熱体11の電流I1を示す。
9 (a), 9 (b), and 9 (c) show the charging voltage V (t) of the
図9のシミュレーションによると、キャパシタ21の充電電圧V(t)は、図9(a)に示すように3.9V未満になっている。また、図9(b)に示すように、制限抵抗22の電流I2のピーク値は、図7(b),8(b)の場合から450uAにまで減少している。また、図9(c)に示すように、発熱体11の電流I1のピーク値は、図7(c),8(c)の場合から4.0A未満に減少している。
According to the simulation of FIG. 9, the charging voltage V (t) of the
以上の図7〜9のシミュレーション結果によると、R2≧50Ωにおいて、制限抵抗22の電流I2のピーク値は、電流I1のような発熱体11を発熱させる値から充分に小さくなっていることが確認できる(図7(b),図8(b),図9(b))。よって、本実施形態の音波発生装置1によると、MOSFET23が常時オンになるような誤動作があったとしても、制限抵抗22により、過電流による発熱体11への影響を低減できることが確認された。
According to the simulation results of FIGS. 7 to 9 above, it is confirmed that the peak value of the current I2 of the limiting
一方、R2=5kΩにおける図9のシミュレーションにおいては、シミュレーションに用いたパルス間隔Toffが上述の式(21)を満たさないことから、キャパシタ21が充分に充電される前に放電を開始する結果になった(図9(a))。なお、R2=5kΩの場合においても、パルス間隔Toffを適切に設定することにより(式(21)参照)、キャパシタ21を充分に充電させる動作を実現可能である。
On the other hand, in the simulation of FIG. 9 at R2 = 5 kΩ, the pulse interval Toff used in the simulation does not satisfy the above equation (21), resulting in the start of discharging before the
図10は、音波発生装置1における発熱体11の電流I1と制限抵抗22の抵抗値R2との関係を例示するグラフである。
FIG. 10 is a graph illustrating the relationship between the current I1 of the
図10では、図7〜9と同様のシミュレーション条件から制限抵抗22の抵抗値R2を変化させた場合における電流I1のピーク値の数値計算の結果を示している。当該電流I1のピーク値は、キャパシタ21の放電時に発熱体11に流す電流I1に対応している。
FIG. 10 shows the result of numerical calculation of the peak value of the current I1 when the resistance value R2 of the limiting
図10によると、制限抵抗22の抵抗値R2が1kΩに到るまで、発熱体11に流す電流I1のピーク値が低減していない。このことから、音波源10からの音波の出力に影響させずに、制限抵抗22を適用可能であることが確認された。
According to FIG. 10, the peak value of the current I1 flowing through the
図11は、音波発生装置1における制限抵抗22の電流I2と抵抗値R2との関係を例示するグラフである。
FIG. 11 is a graph illustrating the relationship between the current I2 of the limiting
図11では、図7〜9と同様のシミュレーション条件から制限抵抗22の抵抗値R2を変化させたシミュレーションにおいて、キャパシタ21の放電時に制限抵抗22に流れる電流I2のピーク値の計算結果を示している。また、図11では、C1=30uFの場合に加えて、キャパシタ21の容量値C1を10uF及び100uFに変更した場合の計算結果を示す。
FIG. 11 shows the calculation result of the peak value of the current I2 flowing through the limiting
図11において、同一の抵抗値R2における制限抵抗22の電流I2は、キャパシタ21の容量値C1が大きい程、小さくなっている。また、制限抵抗22の抵抗値R2を大きくするほど、当該電流I2は小さくなり、異なる容量値C1間の電流I2の違いは収束している。
In FIG. 11, the current I2 of the limiting
例えば、直流電源24の内部抵抗を0.1Ωとした場合に、直流電源24から流れる電流I2が、制限抵抗22を用いない場合(図中でR2=0.1Ω)の5%以下にする条件を考える。図11によると、当該条件は、抵抗値R2を100Ω以上にすることにより達成できる。このことから、制限抵抗22の抵抗値R2は、直流電源24の内部抵抗の1000倍以上であってもよい。
For example, when the internal resistance of the
3.まとめ
以上のように、本実施形態に係る音波発生装置1は、音波源10と、MOSFET23と、キャパシタ21と、制限抵抗22とを備える。音波源10は、直流電源24から供給される電流により発熱して音波を発生する。制限抵抗22は、直流電源24と音波源10の間に挿入され、直流電源24から音波源10に流入する電流を制限する。MOSFET23は、音波源10に直列に接続され、オン/オフして音波源10を流れる電流の流入/遮断を制御する。キャパシタ21は、音波源10とMOSFET23の直列回路に並列に接続される。3. 3. Summary As described above, the
また、本実施形態に係る音波発生装置1において、音波源10と、MOSFET23と、キャパシタ21と、制限抵抗22とを備える。音波源10は、直流電源24から供給される電流I1により発熱して、音波を発生する。MOSFET23は、オン/オフして音波源10に流れる電流I1の流入/遮断を制御する。キャパシタ21は、MOSFET23がオフしたときに直流電源24により充電されて、MOSFET23がオンしたときに充電による電流I1を音波源10に供給する。制限抵抗22は、MOSFET23がオンしたときに音波源10に流れる電流を制限する。
Further, the
以上の音波発生装置1によると、MOSFET23がオンしたままになったとしても、制限抵抗22によって、音波源10に流れる電流が制限される。これにより、音波発生装置1において、電流に応じた発熱によって音波を発生する際の安全性を向上することができる。
According to the
例えば、MOSFET23が故障してドレインとソースとの間が短絡した場合に、制限抵抗22が音波源10に流れる電流を制限することによって、音波源10の過剰な発熱を抑制することができる。さらに、制限抵抗22によると、MOSFET23が短絡した場合でも、音波発生装置1の消費電流を制限することができる。このため、電流容量の小さい安価な電源を、直流電源24として使用することができる。本実施形態によると、消費電流が制限された音波発生装置を提供することができる。
For example, when the
また、本実施形態に係る音波発生装置1において、制限抵抗22の抵抗値R2は、音波源10の抵抗値R1よりも大きい。これにより、電流に応じた発熱によって音波を発生する際の安全性をより向上することができる。制限抵抗22の抵抗値R2は、例えば音波源10の抵抗値R1の50倍以上であってもよいし、100倍以上であってもよい。
Further, in the
本実施形態に係る音波発生装置1において、音波源10は、MOSFET23とキャパシタ21とに接続される。制限抵抗22の一端は、音波源10とキャパシタ21との間に接続される。制限抵抗22の他端には、直流電源24から直流電圧Eが供給される。
In the
以上の構成によると、キャパシタ21は、MOSFET23をオフしたときに充電される。キャパシタ21は、MOSFET23がオンしたときに充電による電流を音波源10に供給する。同時に、制限抵抗22は、MOSFET23がオンしたときに、直流電源24から音波源10に流れる電流を制限する。これにより、音波発生装置1の安全性を向上することができる。
According to the above configuration, the
本実施形態に係る音波発生装置1において、MOSFET23をパルス駆動するパルス駆動回路25をさらに備える。これにより、例えば単パルスの音波を形成することができる。また、パルス幅及びパルス周期を変更することによって、様々な音波を発生することができる。
The
本実施形態に係る音波発生装置1において、音波源10は、発熱体11と、断熱層14と、発熱体11及び断熱層14が積層された基板12とを備える。発熱体11は、電流を流すことによって発熱する。断熱層14は、発熱体11からの熱を断熱する。これにより、音波発生装置1は、発熱体11からの熱を、基板12とは反対側の空気に効率良く伝導させることができる。
In the
(他の実施形態)
上記の実施形態1では、音波発生装置1の駆動部20について、図3の構成例を説明した。音波発生装置1の駆動部20は、図3の構成例に限らず、種々の回路構成を有してもよい。例えば、駆動部20のスイッチング素子はn型のMOSFET23に限らず、p型のMOSFETであってもよい。この場合、駆動部20における接続関係の高圧側と低圧側は適宜、反転される。(Other embodiments)
In the first embodiment, the configuration example of FIG. 3 has been described for the
また、駆動部20のスイッチング素子はMOSFETに限らず、例えばIGBT(絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)であってもよい。また、図3の構成例では、駆動部20におけるMOSFET23等の各部が接地される例を説明したが、これに限らず、駆動部20の各部は適宜、各種の電位に接続されてもよい。
Further, the switching element of the
また、上記の各実施形態の音波発生装置1は、直流電源24及びパルス駆動回路25を備えたが、これに限らず、音波発生装置1は、直流電源24及び/又はパルス駆動回路25を備えなくてもよい。この場合、直流電圧E及び/又はパルス信号Spは、外部から音波発生装置1に供給される。
Further, the
また、上記の各実施形態では、パルス信号Spの周期が予め設定される例を説明した。パルス信号Spのパルス幅等は、音波発生装置1の外部の制御回路から設定されてもよい。
Further, in each of the above embodiments, an example in which the period of the pulse signal Sp is preset has been described. The pulse width of the pulse signal Sp may be set from an external control circuit of the
上記の各実施形態では、音波発生装置1の駆動部20におけるキャパシタ21の例としてセラミックコンデンサを挙げたが、音鳴き対策がされたセラミックコンデンサを用いてもよい。
In each of the above embodiments, the ceramic capacitor is mentioned as an example of the
上記の各実施形態では、音波発生装置1の回路定数の具体的な値を例示したが、適宜別の回路定数の値が用いられてもよい。
In each of the above embodiments, specific values of the circuit constants of the
Claims (6)
前記直流電源と前記音波源の間に挿入され、前記直流電源から前記音波源に流入する電流を制限する抵抗素子と、
前記音波源に直列に接続され、オン/オフして前記音波源を流れる電流の流入/遮断を制御するスイッチング素子と、
前記音波源とスイッチング素子の直列回路に並列に接続されたキャパシタと、
を備えた熱励起型の音波発生装置。A sound wave source that generates heat by the current supplied from a DC power supply and generates sound waves.
A resistance element inserted between the DC power supply and the sound wave source and limiting the current flowing from the DC power supply to the sound wave source.
A switching element that is connected in series to the sound wave source and turns on / off to control the inflow / cutoff of the current flowing through the sound wave source.
A capacitor connected in parallel to the series circuit of the sound wave source and the switching element,
A thermal excitation type sound wave generator equipped with.
請求項1に記載の熱励起型の音波発生装置。The thermal excitation type sound wave generator according to claim 1, wherein the resistance value of the resistance element is larger than the resistance value of the sound wave source.
請求項1又は2に記載の熱励起型の音波発生装置。The heat-excited sound wave generator according to claim 1 or 2, further comprising a DC power supply connected to the resistance element.
請求項1〜3のいずれか1項に記載の熱励起型の音波発生装置。The heat-excited sound wave generator according to any one of claims 1 to 3, further comprising a pulse drive circuit for pulse-driving the switching element.
請求項1〜4のいずれか1項に記載の熱励起型の音波発生装置。The sound wave source includes a heating element that generates heat by passing an electric current, a heat insulating layer that insulates heat from the heating element, and a substrate on which the heating element and the heat insulating layer are laminated. The thermal excitation type sound wave generator according to any one item.
オン/オフして前記音波源に流れる電流の流入/遮断を制御するスイッチング素子と、
前記スイッチング素子がオフしたときに前記直流電源により充電されて、前記スイッチング素子がオンしたときに前記充電による電流を前記音波源に供給するキャパシタと、
前記スイッチング素子がオンしたときに前記音波源に流れる電流を制限する抵抗素子と
を備えた熱励起型の音波発生装置。A sound wave source that generates heat by the current supplied from a DC power supply and generates sound waves.
A switching element that turns on / off to control the inflow / cutoff of the current flowing through the sound wave source, and
A capacitor that is charged by the DC power supply when the switching element is turned off and supplies a current due to the charging to the sound wave source when the switching element is turned on.
A heat-excited sound wave generator including a resistance element that limits the current flowing through the sound wave source when the switching element is turned on.
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