JPWO2019159400A1 - 熱励起型の音波発生装置及び音波発生システム - Google Patents

Abstract

部品点数を低減した小型の熱励起型の音波発生装置及び音波発生システムを提供する。熱励起型の音波発生装置（１００）は、第１の発熱体（１３）と、第１の発熱体が主面に配置された基板（１１）と、を含む第１の音波源（１０）と、第２の発熱体（２３）と、第２の発熱体が主面に配置された対向体（２１）と、を含む第２の音波源（２０）と、第１の発熱体及び第２の発熱体に接続された一対の電極（３０ａ，３０ｂ）と、を備え、第１の音波源及び第２の音波源は、第１の発熱体と第２の発熱体とが離間して対向するように配置され、一対の電極は、第１の音波源と第２の音波源との間に配置される。

Description

本発明は、空気を加熱することによって音波を発生させる熱励起型の音波発生装置及び音波発生システムに関する。

特許文献１は、熱伝導性の基板と、基板上の一方の面に形成された熱絶縁層と、熱絶縁層上に形成されて交流の信号電流により電気的に駆動される抵抗体である発熱体薄膜と、を有する熱励起型の音波発生装置を開示している。この音波発生装置は、発熱体薄膜上にヘルムホルツ共鳴器を備える。ヘルムホルツ共鳴器は、発熱体薄膜の上方の空間を覆う共鳴箱と、共鳴箱の天井部に形成された貫通孔であるダクトとにより構成されている。これにより、共鳴箱の内部でヘルムホルツ共鳴が発生する。共鳴箱の容積（バネ定数に相当）と、ダクト内の気柱の質量とによって、固有振動数が定まるため、可聴周波数帯域の所望の周波数となるように、共鳴箱の容積とダクトの形状が決定される。これにより、低周波の可聴周波数帯域の音波を効率よく発生させている。

特開２００８−１６７２５２号公報

本発明の課題は、部品点数を低減した小型の熱励起型の音波発生装置及び音波発生システムを提供することである。

本発明に係る熱励起型の音波発生装置は、第１の発熱体と、第１の発熱体が主面に配置された基板と、を含む第１の音波源と、第２の発熱体と、第２の発熱体が主面に配置された対向体と、を含む第２の音波源と、第１の発熱体及び第２の発熱体に接続された一対の電極と、を備え、第１の音波源及び第２の音波源は、第１の発熱体と第２の発熱体とが離間して対向するように配置され、一対の電極は、第１の音波源と第２の音波源との間に配置される。

本発明に係る音波発生システムは、音波を発生させる熱励起型の音波発生装置と、音波発生装置に駆動信号を供給する駆動装置と、を備え、音波の波長は、駆動信号により規定される。

本発明に係る熱励起型の音波発生装置及び音波発生システムによれば、部品点数を低減した小型の音波発生装置及び音波発生システムを実現できる。

実施形態１に係る熱励起型の音波発生装置の構成を示す斜視図 実施形態１に係る熱励起型の音波発生装置の断面図 実施形態１に係る熱励起型の音波発生装置の分解斜視図 実施形態１に係る熱励起型の音波発生装置における音波の進行方向における内部空間の長さを説明するための図 実施形態１に係る音波発生システムの回路図 実施形態１に係る熱励起型の音波発生装置の音波の周期を説明するための図 実施形態１に係る熱励起型の音波発生装置のシミュレーション結果を示すグラフ 実施形態１に係る熱励起型の音波発生装置の実測値を示すグラフ 実施形態２に係る熱励起型の音波発生装置の構成を示す分解斜視図 実施形態２に係る熱励起型の音波発生装置における音波の進行方向における内部空間の長さを説明するための図 熱励起型の音波発生装置の変形例を示す斜視図 熱励起型の音波発生装置の変形例を示す斜視図 熱励起型の音波発生装置の変形例を示す斜視図 熱励起型の音波発生装置の変形例を示す斜視図 図１４の音波発生装置の分解斜視図 熱励起型の音波発生装置の変形例を示す斜視図

本発明に係る熱励起型の音波発生装置及び音波発生システムは、部品点数を低減して小型化するために、共通の電極に接続された２つの発熱体が対向する構成を有する。また、下記実施形態に係る熱励起型の音波発生装置及び音波発生システムは、小型の音波発生装置において、音波の発生効率を向上させるために、気柱共鳴を利用する構成を有する。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及び音波発生システムの実施形態を説明する。

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また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。

（実施形態１）
１．構成
実施形態１に係る音波発生装置の構成について、図１〜３を参照して説明する。図１は、本実施形態に係る熱励起型の音波発生装置１００の構成を示す斜視図である。図２は、図１のＡ−Ａ’断面における音波発生装置１００の断面図である。図３は、図１の音波発生装置１００の分解斜視図である。熱励起型の音波発生装置１００は、空気の加熱及び冷却を繰り返すことによって、空気の疎密を作り、空気の圧力波、すなわち、音波を発生させるサーモホンである。音波発生装置１００は、例えば、超音波を対象物に向けて発信し、反射波を受信することによって対象物までの距離を検出する超音波センサなどの距離センサ或いは近接センサ等の用途において利用されうる。

音波発生装置１００は、第１の音波源１０と、第２の音波源２０と、第１の音波源１０と第２の音波源２０との間に配置された一対の電極３０ａ，３０ｂとを含む。

第１の音波源１０は、基板１１と、基板１１の一主面に配置された断熱層１２と、基板１１と反対側の断熱層１２の主面に配置された発熱体１３と、を含む。第２の音波源２０は、対向体２１と、対向体２１の一主面に配置された断熱層２２と、対向体２１と反対側の断熱層２２の主面に配置された発熱体２３と、を含む。一対の電極３０ａ，３０ｂにより、第２の音波源２０が第１の音波源１０上に保持される。第１の音波源１０及び第２の音波源２０は、互いの発熱体１３，２３が対向するように位置付けられる。発熱体１３，２３は、共通の電極３０ａ，３０ｂに電気的に接続されている。

基板１１及び対向体２１は、絶縁性の平板状の基板である。基板１１及び対向体２１は、例えば、Ｓｉ又はＡｌ_２Ｏ_３により構成される。例えば、基板１１及び対向体２１として、アルミナ基板等のセラミック基板、放熱性の優れたガラス基板、プリント基板等を用いることができる。断熱層１２，２２は、ガラスグレース、ポーラスＳｉ、又はＳｉＯ_２で構成される。断熱層１２，２２は、例えば、基板１１及び対向体２１の熱伝導率よりも小さい熱伝導率を有する。発熱体１３，２３として、Ａｇ，Ａｇ／Ｐｄ，ＲｕＯ_２等の導電体、Ａｕ、Ｐｔ等の金属膜、又はカーボンナノチューブもしくはシートを用いることができる。発熱体１３，２３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１３，２３は、それぞれ、例えば基板１１及び対向体２１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。電極３０ａ，３０ｂは、Ａｇ，Ａｇ／Ｐｄ，Ｓｎ，Ａｌ，Ａｕ、Ｃｕ等の導電性材料で構成される。電極３０ａ，３０ｂは、例えば、導電性接着剤により、発熱体１３，２３に接着される。

第１の音波源１０と第２の音波源２０と電極３０ａ，３０ｂとの間に内部空間（以下、「行路」とも称する）４０が形成される。一対の電極３０ａ，３０ｂは、第１の音波源１０と第２の音波源２０との間において、Ｙ方向に沿って配置されている。すなわち、一対の電極３０ａ，３０ｂにより、Ｘ方向において内部空間４０は閉じている。図１及び図３における音波発生装置１００の正面及び背面側における、第１の音波源１０と第２の音波源２０との間に、開口４１ａ，４１ｂが設けられる。開口４１ａ，４１ｂは矩形状である。内部空間４０は、開口４１ａ，４１ｂの形状である矩形がＹ方向に沿って延びた四角柱状である。開口４１ａ，４１ｂは、内部空間４０の開口端（所謂、自由端）を形成する。

発熱体１３，２３を発熱させるための電流（以下、「駆動電流」とも称する）が、電極３０ａ，３０ｂを介して発熱体１３，２３に供給されると、発熱体１３，２３は発熱する。発熱体１３，２３が発熱すると、発熱体１３，２３近傍の空気が加熱されて膨張する。一方、発熱体１３，２３への駆動電流の供給が停止されると、基板１１及び対向体２１が発熱体１３，２３の熱を放散するため、発熱体１３，２３の温度は低下する。これにより、発熱体１３，２３近傍の空気が冷却されて収縮する。この空気の膨張及び収縮により、内部空間４０内に空気の圧力波（すなわち、音波）が発生する。圧力波は、開口４１ａ，４１ｂから出射される。このように、内部空間４０は、内部空間４０内で発生した圧力波（すなわち、音波）の行路となる。

圧力波は四方に拡散しようとする。しかし、内部空間４０の高さ方向（Ｚ方向）に基板１１と対向体２１とが配置されているため、高さ方向への拡散が制限される。基板１１と対向体２１が対向している側の主面、すなわち、基板１１の上面と対向体２１の下面は平坦である。換言すると、第１の音波源１０の上面１５と第２の音波源２０の下面２５は平坦である。これにより、不所望な方向の拡散を抑制することができる。基板１１の上面と対向体２１の下面の平坦度は、設計された離間距離（内部空間４０の高さＬ_ｚに相当）に対してバラツキが１／３以下である。

内部空間４０の開口４１ａ，開口４１ｂ間の方向（Ｙ方向）の長さＬ_ｙ、すなわち行路の長さは、基板１１及び対向体２１のＹ方向の長さによって規定される。内部空間４０の高さＬ_ｚは、電極３０ａ，３０ｂの厚みと、電極３０ａ，３０ｂと発熱体１３，２３とを接着する導電性接着剤の厚みによって規定される。内部空間４０の高さＬ_ｚは、長さＬ_ｙよりも小さい。例えば、Ｌ_ｚはＬ_ｙの１／１０より小さく、具体的にはＬ_ｚは１ｍｍ以下である。Ｌ_ｚはＬ_ｙの１／１００であってもよく、具体的にはＬ_ｚは０．１６ｍｍ程度であってもよい。これにより、圧力波の高さ方向の拡散を制限すると共に、水平方向への拡散を促進することができる。

高さ方向への拡散が制限されることによって、圧力波は、水平方向、すなわち、開口４１ａ，開口４１ｂ間の方向（Ｙ方向）と電極３０ａ，３０ｂ間の方向（Ｘ方向）とに拡散しようとする。しかし、本実施形態では、電極３０ａ，３０ｂが、内部空間４０のＸ方向を閉じるように配置されているため、電極３０ａ，３０ｂは、Ｘ方向において圧力波を内部空間４０内の方向へ反射する反射体として機能する。よって、内部空間４０内において水平方向へ拡散された圧力波は、電極３０ａ，３０ｂの内面で反射されて、開口４１ａ，４１ｂから出射される。すなわち、開口４１ａ，４１ｂ間の方向（Ｙ方向）以外に向かう圧力波のエネルギーを電極３０ａ，３０ｂに沿って開口方向に誘導させることができる。よって、開口４１ａ，４１ｂから出力される圧力波のエネルギーが増加する。開口４１ａ，４１ｂ間の方向（Ｙ方向）が圧力波である音波の進行方向となる。

図４（ａ）は、音波発生装置１００の平面図である。図４（ｂ）は、内部空間４０内に発生する圧力波である音波の波形を示している。

音波発生装置１００は、第１の音波源１０と第２の音波源２０と電極３０ａ，３０ｂとによって形成される開管構造を有する。音波発生装置１００は、内部空間４０内において気柱共鳴を発生させて、空気の圧力変化、すなわち音圧を大きくする。気柱共鳴は、開口４１ａ，４１ｂ間の長さＬ_ｙによって決まる固有振動数における波の重なりによる共鳴である。本実施形態では、内部空間４０の開口４１ａ，４１ｂ間の長さＬ_ｙを気柱共鳴が起こる長さに設定する。具体的には、式（１）に示すように、内部空間４０の開口４１ａ，４１ｂ間の長さＬ_ｙが、内部空間４０内に発生する圧力波の半波長λ／２のｎ倍（ｎは整数、例えばｎ＝１，２，３）の近傍となるように、基板１１及び対向体２１のＹ方向の長さを設定する。例えば、ｎ＝１に設定する。圧力波の波長λは、後述するように、駆動電流が発熱体１３，２３に供給される周期（図６のパルス周期Ｔｐ）の長さに応じて決まる。

２．動作
図５〜図８を用いて、本実施形態に係る音波発生システム１の全体の動作について説明する。

図５は、音波発生装置１００と、音波発生装置１００を駆動する駆動装置２００の回路図を示している。音波発生装置１００と駆動装置２００とにより、音波発生システム１を構成する。図５において、第１の音波源１０の発熱体１３は、抵抗値Ｒ１を持つ抵抗体である。第２の音波源２０の発熱体２３は、抵抗値Ｒ２を持つ抵抗体である。

駆動装置２００は、直流電源２０１、パルス駆動回路２０２、ＭＯＳＦＥＴ２０３、キャパシタ２０４、及び抵抗２０５を備える。

直流電源２０１は、直流電圧を出力する。直流電源２０１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。

パルス駆動回路２０２は、ＭＯＳＦＥＴ２０３のゲートに接続されて、ＭＯＳＦＥＴ２０３を駆動する。パルス駆動回路２０２は、発振器などを含む。パルス駆動回路２０２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）。本実施形態では、共鳴を利用するため、パルス駆動回路２０２は、例えば、デューティ比５０％の複数波（例えば、２〜５波）のバースト波Ｗｂを含むパルス信号Ｓｐを生成する。これにより、内部空間４０内に空気の定在波（音波）が生成される。音波発生装置１００はパルス信号Ｓｐに応じて駆動されるため、本実施形態においてパルス信号Ｓｐを、音波発生装置１００を駆動するための「駆動信号」とも称する。パルス駆動回路２０２は、パルス信号Ｓｐを用いて、ＭＯＳＦＥＴ２０３をオンオフ制御する。

ＭＯＳＦＥＴ２０３は、電極３０ａと直流電源２０１の低圧側端との間に接続される。ＭＯＳＦＥＴ２０３のソースは、例えば接地される。ＭＯＳＦＥＴ２０３のドレインは、電極３０ａに接続される。ＭＯＳＦＥＴ２０３は、発熱体１３，２３に流す駆動電流Ｉをオンオフ制御するスイッチング素子の一例である。図５では、スイッチング素子としてｎ型のＭＯＳＦＥＴ２０３を用いる構成例を示している。

キャパシタ２０４は、抵抗２０５と直流電源２０１の低圧側端との間であって、発熱体１３，２３とＭＯＳＦＥＴ２０３との直列回路に並列に接続される。キャパシタ２０４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。

抵抗２０５は、直流電源２０１の高圧側端と、キャパシタ２０４との間に接続される。抵抗２０５は、抵抗値Ｒ３を有する。抵抗２０５は、直流電源２０１からの発熱体１３，２３に流れる電流を制限する抵抗素子の一例である。

上記構成の駆動装置２００において、パルス駆動回路２０２は、ＭＯＳＦＥＴ２０３のゲートにパルス信号Ｓｐを出力して、ＭＯＳＦＥＴ２０３をパルス駆動する。ＭＯＳＦＥＴ２０３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。

ＭＯＳＦＥＴ２０３がオフしているとき、発熱体１３，２３には電流が流れないので、発熱体１３，２３は発熱しない。このとき、直流電源２０１からの直流電圧が、抵抗２０５を介してキャパシタ２０４に印加され、キャパシタ２０４は充電される。

ＭＯＳＦＥＴ２０３がオンしたときは、キャパシタ２０４が放電され、キャパシタ２０４から発熱体１３，２３への電流が流れて、発熱体１３，２３は発熱する。発熱体１３，２３は、それぞれ流れる電流Ｉ_１，Ｉ_２の大きさに応じて発熱する。抵抗２０５の抵抗値Ｒ３は、例えば、直流電源２０１から発熱体１３，２３に流れる電流が、キャパシタ２０４から発熱体１３，２３に流れる電流に対して無視できる程度に大きい値に設定される。これにより、ＭＯＳＦＥＴ２０３がオンして、直流電源２０１、抵抗２０５、発熱体１３，２３、及びＭＯＳＦＥＴ２０３の閉回路が形成されたときであっても、直流電源２０１から発熱体１３，２３への電流は、ほとんど流れなくなる。よって、例えばＭＯＳＦＥＴ２０３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１３，２３が過熱状態になることを回避して、音波発生装置１００の安全性を向上できる。

ＭＯＳＦＥＴ２０３を連続してオンオフすることにより、発熱体１３，２３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。

駆動装置２００の動作によって音波発生装置１００が発生する音波の周期について、図６を用いて説明する。図６は、音波の周期を説明するためのタイミングチャートである。図６（ａ）は、駆動装置２００のＭＯＳＦＥＴ２０３におけるパルス信号Ｓｐの入力タイミングを示す。図６（ａ）において、横軸は時間（ｓ）であり、縦軸は電圧（Ｖ）である。図６（ｂ）は、音波発生装置１００による音波の出力タイミングを示す。図６（ｂ）において、横軸は時間（ｓ）であり、縦軸は音圧（Ｐａ）である。

ＭＯＳＦＥＴ２０３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２０４は、満充電近傍の状態にある。

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））、ＭＯＳＦＥＴ２０３がオンする。すると、キャパシタ２０４は、放電を開始して、電流Ｉを発熱体１３，２３に流す。このとき、発熱体１３，２３の温度が上昇し、発熱体１３，２３は周囲の空気を加熱する。これにより、内部空間４０内の空気が熱膨張し、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。

ＭＯＳＦＥＴ２０３がオンしている期間Ｔｏｎ（以下、「パルス幅」とも称する）の間、キャパシタ２０４の放電による発熱体１３，２３に対する電流Ｉの供給が継続される。当該期間Ｔｏｎの経過中に、内部空間４０内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））。

時刻ｔ１からオン期間Ｔｏｎ経過後の時刻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））、ＭＯＳＦＥＴ２０３がオフする。これにより、キャパシタ２０４は放電を停止し、発熱体１３，２３に対する電流Ｉの供給が停止される。このとき、発熱体１３，２３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、内部空間４０内の空気が収縮し、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。

パルス信号Ｓｐは、パルス周期Ｔｐ（＝Ｔｏｎ＋Ｔｏｆｆ）で発生する複数のパルス（例えば、２〜５波）を含むバースト波Ｗｂを含み、時刻ｔ３において、再度、立上がる。パルス信号Ｓｐのパルスのオン期間Ｔｏｎ及びオフ期間Ｔｏｆｆに応じて、音圧の上昇及び低下が生じることにより、パルス周期Ｔｐに応じた周期Ｔｓの音波が形成される（図６（ｂ））。

パルス信号Ｓｐは、バースト波Ｗｂの後、オフ電圧Ｖｏｆｆを維持し、ＭＯＳＦＥＴ２０３がオフしている期間の間に、キャパシタ２０４は充電される。パルス信号Ｓｐは、時刻ｔ１から所定のバースト周期Ｔｂ後の時刻ｔ４において、再度、立上がる（図６（ａ））。これにより、上記と同様のバースト波Ｗｂに応じた音波が繰り返し形成される。

以上のように、本実施形態の音波発生システム１によると、パルス信号Ｓｐのバースト波Ｗｂに応じて、図６（ｂ）に示すように、複数パルスの音波をバースト周期Ｔｂ毎に発生させることができる。

本実施形態において、音波発生装置１００が生成する音波の周波数ｆ_ｓは「ｆ_ｓ＝１／Ｔｓ」である。パルス信号Ｓｐのバースト波Ｗｂを構成するパルスのパルス周波数ｆ_ｐは「ｆ_ｐ＝１／Ｔｐ」である。音波発生装置１００が生成する音波の周期Ｔｓは、パルス信号Ｓｐのパルス周期Ｔｐの長さに応じて決まるため、音波の周波数ｆ_ｓはパルス周波数ｆ_ｐに応じて決まる。すなわち、式（１）に示す音波の波長λは、パルス信号Ｓｐのパルス周波数ｆ_ｐによって決まる。

本実施形態では、出力しようとする音波の周波数ｆ_ｓに応じて、パルス信号Ｓｐのバースト波Ｗｂのパルス周波数ｆ_ｐと、内部空間４０の開口４１ａ，４１ｂ間の長さＬ_ｙとを設定する。

ここで、本実施形態の音波発生装置１００は開管構造であるため、内部空間４０内の気柱は、式（２）に示すように、内部空間４０の開口４１ａ，４１ｂ間の長さＬ_ｙに依存した固有振動数ｆ_ｒを持つ。式（２）において、ｃは音速（２５℃の場合３４６．５ｍ／ｓｅｃ）である。

本実施形態では気柱共鳴を利用するため、音波発生装置１００が出力する音波の周波数ｆ_ｓが、内部空間４０内の気柱の固有振動数ｆ_ｒ又はその近傍となるように、パルス信号Ｓｐのバースト波Ｗｂのパルス周波数ｆ_ｐが設定される。上記式（２）において、例えば、Ｌ_ｙ＝４ｍｍ、ｃ＝３４６．５ｍ／ｓｅｃとした場合、気柱の固有振動数ｆ_ｒは４３ｋＨｚになる。この場合、音波の周波数ｆ_ｓが例えば４３ｋＨｚ（ｆ_ｓ＝ｆ_ｒ）となるように、パルス信号Ｓｐのバースト波Ｗｂのパルス周波数ｆ_ｐが設定される。

図７は、共鳴効果を確認するためのシミュレーション結果であって、Ｌ_ｙ＝４ｍｍ、ｃ＝３４６．５ｍ／ｓｅｃとし、連続する正弦波の周波数を変更したときの音圧振幅のシミュレーション結果を示している。図７において、横軸は正弦波の周波数（Ｈｚ）であり、縦軸は音圧振幅（ａｒｂ．ｕｎｉｔ）である。図７において、実線７１は、本実施形態の音波発生装置１００、すなわち、第１の音波源１０と第２の音波源２０とを対向させた構成において発生した音波の音圧振幅を示している。破線７２は、一つの音波源のみ、すなわち、対向する構成を有しない従来の音波発生装置が発生した音波の音圧振幅を示している。このシミュレーションにおいては、実線７１に示すように、音圧振幅のピーク値が得られる周波数ｆ_ｒ１は、３４ｋＨｚの近傍であった。図７のシミュレーションにおける半値幅は８ｋＨｚであった。実線７１と破線７２とが示すように、本実施形態の音波発生装置１００は、一つの音波源のみと比較して、最大１４倍程度の音圧が得られることが示された。

図８は、約２５℃の環境（ｃ＝３４６．５ｍ／ｓｅｃ）で、Ｌ_ｙ＝４ｍｍの長さを持つ音波発生装置１００の開口端近傍にＭＥＭＳマイクを配置した状態で、デューティ比５０％の５パルスで構成されるバースト波Ｗｂにおいて、バースト波Ｗｂのパルス周波数ｆ_ｐを変更したときのマイクの出力の実測値を示している。図８において、横軸は「１／Ｔｐ」に相当するパルス周波数ｆ_ｐ（ｋＨｚ）であり、縦軸はマイク出力（ａｒｂ．ｕｎｉｔ）である。図８において、実線８１は、本実施形態の音波発生装置１００、すなわち、第１の音波源１０と第２の音波源２０を対向させた構成における出力値を示している。破線８２は、１つの音波源のみ、すなわち、対向する構成を有しない従来の音波発生装置における出力値を示している。実測では、実線８１に示すように、マイク出力のピーク値が得られる周波数ｆ_ｒ２は、３０ｋＨｚの近傍であった。図８の実測における半値幅は２１ｋＨｚであった。

ここで、内部空間４０内の圧力波の腹の位置（ｎ×λ／２）は、実際には、開口４１ａ，４１ｂよりもわずかに外側になることが考えられる。また、音波の周期Ｔｓは、パルス信号Ｓｐのパルス周期Ｔｐよりもわずかに長くなる場合もあることが考えられる。よって、図７のシミュレーション結果及び図８の実測値によって示されているように、気柱共鳴効果が最も得られる周波数ｆ_ｒ１（３４ｋＨｚ），ｆ_ｒ２（３０ｋＨｚ）は、式（２）により理論的に算出される固有振動数ｆ_ｒ（４３ｋＨｚ）と必ずしも一致せず、固有振動数ｆ_ｒの近傍の値となる。よって、パルス信号Ｓｐのパルス周波数ｆ_ｐと、式（２）によって算出される固有振動数ｆ_ｒとの誤差を考慮して、パルス周波数ｆ_ｐが設定されてもよい。

図７の実線７１及び図８の実線８１と図７の破線７２及び図８の破線８２とを比較すると、計算した音圧振幅のピーク値の半値又はマイク出力のピーク値の半値であっても、一つの音波源のみの構成よりも高い出力が得られることがわかる。すなわち、音波の周波数ｆ_ｓが気柱の固有振動数ｆ_ｒの近傍の範囲（例えば、ｆ_ｒの±２０％）内であれば、十分な気柱共鳴効果が得られることがわかる。よって、音波発生システム１は、図７に示す音圧振幅がピーク値の半値以上又は図８に示すマイク出力がピーク値の半値以上となるように、パルス信号Ｓｐのパルス周波数ｆ_ｐを設定すればよい。換言すると、気柱の固有振動数ｆ_ｒに対して音波の周波数ｆ_ｓが「ｆ_ｓ＝（１±α）ｆ_ｒ」（例えば、０≦α≦０．２）となるように、出力しようとする音波の周波数ｆ_ｓを設定する。音波の周波数ｆ_ｓがα≒０．２で設定された場合、行路の長さＬ_ｙは、気柱の固有振動数ｆ_ｒに対応する波長のｎ／２倍の値から±２０％程度の許容誤差を有する。

以上のように、音波発生システム１は、気柱共鳴が発生するように、出力しようとする音波の周波数ｆ_ｓに基づいて、パルス信号Ｓｐのパルス周波数ｆ_ｐと、音波の進行方向における内部空間４０（すなわち、行路）の両端間の距離Ｌ_ｙとを決定する。なお、音波発生システム１は、気柱共鳴効果を利用できる構成であればよい。よって、パルス信号Ｓｐのパルス周波数ｆ_ｐに応じて、内部空間４０の開口４１ａ，４１ｂ間の長さＬ_ｙが決定されてもよい。例えば、長さＬ_ｙは、パルス信号Ｓｐによって規定される音波の波長λのｎ／２倍を基準値として、基準値の±２０％の範囲内に設定されてもよい。又は、内部空間４０の開口４１ａ，４１ｂ間の長さＬ_ｙに応じて、パルス信号Ｓｐのパルス周波数ｆ_ｐが設定されてもよい。

３．まとめ
本実施形態に係る熱励起型の音波発生装置１００は、発熱体１３（第１の発熱体）と、発熱体１３が主面に配置された基板１１と、を含む第１の音波源１０と、発熱体２３（第２の発熱体）と、発熱体２３が主面に配置された対向体２１と、を含む第２の音波源２０と、発熱体１３，２３に接続された一対の電極３０ａ，３０ｂと、を備える。第１の音波源１０及び第２の音波源２０は、発熱体１３と発熱体２３とが離間して対向するように配置され、一対の電極３０ａ，３０ｂは、第１の音波源と第２の音波源との間に配置される。

このように、発熱体１３，２３が対向するようにして配置されているため、音波発生装置１００を小型化することができる。また、発熱体１３，２３が共通の電極３０ａ，３０ｂに接続されているため、回路の部品点数を低減することができる。

第１の音波源１０及び第２の音波源２０は、一対の電極３０ａ，３０ｂを介して保持される。これにより、電極３０ａ，３０ｂはスペーサとして機能し、第１の音波源１０と第２の音波源２０との間に行路を形成することができる。

基板１１の主面と対向体２１の主面は平坦である。これにより、不所望な方向の拡散を抑制することができる。

第１の音波源１０、第２の音波源２０、及び一対の電極３０ａ，３０ｂにより、音波の行路が形成され、第１の音波源１０と第２の音波源２０との離間距離（すなわち、内部空間４０の高さ）Ｌ_ｚは、行路（音波の進行方向における内部空間４０）の長さＬ_ｙよりも小さい。これにより、行路内の圧力波の高さ方向の拡散を制限すると共に、水平方向への拡散を促進することができる。

行路は四角柱状である。よって、行路内において乱流の発生を防止することができる。

行路の両端は開口端であり、行路の長さＬ_ｙは、音波の１／２波長の整数倍の近傍である。「音波の１／２波長の整数倍の近傍」とは、行路内において気柱共鳴を利用できる値であって、波長λのｎ／２倍を基準値とする所定範囲内の値である。ここで、近傍の範囲は、気柱の固有振動数ｆ_ｒを基準とすると、「ｆ_ｓ＝（１±α）ｆ_ｒ」（例えば、０≦α≦０．２）となる周波数ｆ_ｓの音波の１／２波長の整数倍を含む。これにより、行路内で気柱共鳴が発生し、音波の発生効率を向上させることができる。

本実施形態に係る音波発生システム１は、熱励起型の音波発生装置１００と、音波発生装置１００にパルス信号（駆動信号）Ｓｐを供給する駆動装置２００と、を備え、音波の波長は、駆動信号により規定される。これにより、音波の発生効率を駆動信号に応じて向上させることができる。

（実施形態２）
実施形態１では、音波発生装置１００は開管構造を有した。実施形態２では、音波発生装置１００は閉管構造を有する。以下、実施形態２に係る音波発生装置１００について説明する。

図９は、実施形態２の音波発生装置１００の構成を示す分解斜視図である。本実施形態の音波発生装置１００は、実施形態１の構成に加えて、閉塞体５５をさらに備える。閉塞体５５は、内部空間４０の閉口端（所謂、固定端）を形成する。具体的には、閉塞体５５は、第１の音波源１０と第２の音波源２０との間において、行路の一端、すなわち、内部空間４０のＹ方向における一端を閉塞するように電極３０ａ，３０ｂの間に設けられる。よって、本実施形態の音波発生装置１００は、一つの開口４１ｂを形成する。音波発生装置１００は、第１の音波源１０と第２の音波源２０と電極３０ａ，３０ｂと閉塞体５５とによって形成される閉管構造を有する。

図１０（ａ）は、実施形態２の音波発生装置１００の平面図である。図１０（ｂ）は、実施形態２における内部空間４０内の圧力波である音波の波形を示している。本実施形態では、式（３）に示すように、内部空間４０の閉口端と開口端との間の長さＬ_ｙが、内部空間４０内に発生する圧力波の１／４波長の奇数倍（２ｎ−１）の近傍となるように、基板１１及び対向体２１のＹ方向の長さＬ_ｙを設定する。式（３）において、ｎは整数（例えば、ｎ＝１，２，３）である。例えば、ｎ＝１に設定する。

閉管構造は、式（４）に示すように、内部空間４０のＹ方向の長さＬ_ｙに依存した固有振動数ｆ_ｒを持つ。式（４）において、ｃは音速である。

駆動装置２００は、実施形態１と同様に、音波の周波数ｆ_ｓが「ｆ_ｓ＝（１±α）ｆ_ｒ」（例えば、０≦α≦０．２）となるように、パルス信号Ｓｐのバースト波Ｗｂのパルス周波数ｆ_ｐ（＝１／Ｔｐ）を設定する。これにより、内部空間４０において気柱共鳴が発生し、音圧が大きくなる。

以上のように、本実施形態の音波発生装置１００において、音波の進行方向における内部空間４０（行路）の両端の一方は開口端で、他方は閉口端である。行路の長さＬ_ｙは、音波の１／４波長の奇数倍の近傍である。ここで、近傍の範囲は、気柱の固有振動数ｆ_ｒに対して、「ｆ_ｓ＝（１±α）ｆ_ｒ」（例えば、０≦α≦０．２）となる周波数ｆ_ｓの音波の１／４波長の奇数倍を含む。これにより、実施形態１と同様に、内部空間４０内において気柱共鳴が生じるため、音波の発生効率が向上する。

（他の実施形態）
第１及び第２実施形態では、第１の音波源１０及び第２の音波源２０が平板状であって、開口４１ａ，４１ｂが第１の音波源１０と第２の音波源２０との間に形成される例について説明した。しかし、音波発生装置１００の構成は、これに限定されない。音波発生装置１００は、別の構成によって、共鳴を利用してもよい。以下、図１１から図１６を参照して、音波発生装置１００の別の構成例について説明する。

図１１〜図１３は、音波発生装置１００の変形例を示している。図１１の例では、第１の音波源１０は凹型であり、第２の音波源２０は平板状である。図１２の例では、第１の音波源１０はＬ字型であり、第２の音波源２０は平板状である。図１３の例では、第１の音波源１０及び第２の音波源２０は共にＬ字型である。図１１〜図１３において、発熱体１３，２３は、第１の音波源１０と第２の音波源２０とが対向する面に配置される。また、図１１〜図１３のいずれにおいても、第１の音波源１０と第２の音波源２０と電極３０ａ，３０ｂとによって、内部空間（行路）４０が形成される。図１１〜図１３において、内部空間（行路）４０を明確にするために、第１の音波源１０、第２の音波源２０、及び電極３０ａ，３０ｂをハッチングで示している。例えば、図１１において、内部空間４０は、ＹＺ面における凹型の形状がＸ方向に延びた形となる。図１１〜図１３において、内部空間（行路）４０の長さＬ_ｙは、内部空間（行路）４０内における開口４１ａ，４１ｂ間の最短距離である。例えば、図１１の例では、内部空間（行路）４０の長さＬ_ｙは、凹型の内部空間４０において第２の音波源２０の外縁に沿った長さに相当する。

図１４は、音波発生装置１００の別の変形例を示す斜視図である。図１５は、図１４の音波発生装置１００の分解斜視図である。この音波発生装置１００では、凹型の電極３０ａ，３０ｂによって、第２の音波源２０が第１の音波源１０上に保持される。よって、内部空間４０において音波の進行方向と垂直な方向（Ｘ方向）の両端に隙間４５がある。このような場合でも、共鳴効果が得られる。

図１６は、音波発生装置１００のさらに別の変形例を示している。上記実施形態では、第１の音波源１０と第２の音波源２０との間に開口４１ａ，４１ｂが形成されたが、図１６の例では、開口４１ａ，４１ｂは、第２の音波源２０に設けられた貫通孔である。音波発生装置１００は、発熱体１３と発熱体２３との間であって、電極３０ａ，３０ｂ間の方向（Ｘ方向）に沿って延びるスペーサ５１ａ，５１ｂを備える。発熱体１３，２３とスペーサ５１ａ，５１ｂと電極３０ａ，３０ｂとによって、内部空間４０が形成される。この場合であっても、開口４１ａ，４１ｂ間の距離Ｌ_ｙは、式（１）を満たすように設計される。なお、開口４１ａ，４１ｂは、第１の音波源１０に設けた貫通孔であってもよい。開口４１ａ，４１ｂを形成する貫通孔の一つが第１の音波源１０に設けられ、もう一つが第２の音波源２０に設けられてもよい。

上記実施形態において、音波発生装置１００は、２つの開口４１ａ，４１ｂを備える構成であってもよいし、開口４１ａ，４１ｂのいずれか一方のみを備える構成であってもよい。すなわち、開管構造の場合は内部空間（行路）４０の長さＬ_ｙが式（１）を満たすものであればよく、閉管構造の場合は内部空間（行路）４０の長さＬ_ｙが式（３）を満たすものであればよい。

上記実施形態では、熱励起型の音波発生装置１００が気柱共鳴を利用する構成を有する場合について説明したが、音波発生装置１００は気柱共鳴を利用しない構成であってもよい。この場合、内部空間（行路）４０の長さＬ_ｙは、音波の１／２波長の整数倍又は音波の１／４波長の奇数倍の近傍の範囲内でなくてもよい。また、音波発生装置１００が出力する音波の周波数ｆ_ｓは、内部空間４０内の気柱の固有振動数ｆ_ｒ又はその近傍でなくてもよい。対向するように配置された発熱体１３，２３が共通の電極３０ａ，３０ｂに接続されている構成であれば、部品点数を低減した小型の音波発生装置を実現することができる。

上記実施形態において、発熱体１３，２３の対向面（例えば、発熱体１３の上面と発熱体２３の下面）に、電気絶縁性を有する薄い伝熱層などのコーティング層が形成されてもよい。

本発明は、音波を発生させる熱励起型の音波発生装置及び音波発生システムとして有用である。

１ 音波発生システム
１０ 第１の音波源
１１ 基板
１２，２２ 断熱層
１３，２３ 発熱体
２０ 第２の音波源
２１ 対向体
３０ａ，３０ｂ 電極
４０ 内部空間
５５ 閉塞体
１００ 音波発生装置
２００ 駆動装置

Claims (8)

1. 第１の発熱体と、前記第１の発熱体が主面に配置された基板と、を含む第１の音波源と、
   第２の発熱体と、前記第２の発熱体が主面に配置された対向体と、を含む第２の音波源と、
   前記第１の発熱体及び前記第２の発熱体に接続された一対の電極と、
   を備え、
   前記第１の音波源及び前記第２の音波源は、前記第１の発熱体と前記第２の発熱体とが離間して対向するように配置され、
   前記一対の電極は、前記第１の音波源と前記第２の音波源との間に配置される、
   熱励起型の音波発生装置。
2. 前記第１の音波源及び前記第２の音波源は、前記一対の電極を介して保持される、
   請求項１に記載の熱励起型の音波発生装置。
3. 前記基板の前記主面と前記対向体の前記主面は平坦である、
   請求項１又は請求項２に記載の熱励起型の音波発生装置。
4. 前記第１の音波源、前記第２の音波源、及び前記一対の電極により、音波の行路が形成され、
   前記第１の音波源と前記第２の音波源との離間距離は、前記行路の長さよりも小さい、
   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。
5. 前記行路は四角柱状である、請求項４に記載の熱励起型の音波発生装置。
6. 前記行路の両端は開口端であり、
   前記行路の長さは、前記音波の１／２波長の整数倍の近傍である、
   請求項４又は請求項５に記載の熱励起型の音波発生装置。
7. 前記行路の一端は開口端で、他端は閉口端であり、
   前記行路の長さは、前記音波の１／４波長の奇数倍の近傍である、
   請求項４又は請求項５に記載の熱励起型の音波発生装置。
8. 音波を発生させる請求項６又は請求項７に記載の熱励起型の音波発生装置と、
   前記音波発生装置に駆動信号を供給する駆動装置と、
   を備え、
   前記音波の波長は、前記駆動信号により規定される、
   音波発生システム。

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