WO2013122048A1 - 超音波発生装置 - Google Patents

Abstract

　広い周波数帯域にわたり高い音圧を得ることができ、かつより一層高い音圧を得ることができる超音波発生装置を提供する。　第１の音波放出孔１２ａ，１２ｃを有し、内部で第１の音響共鳴が生じて第１の音波放出孔１２ａ，１２ｃから超音波を放出させる超音波発生器２が、ケース３の内面に固定されており、第１の音波放出孔１２ａ，１２ｃと、ケース３に設けられておりかつ外部に超音波を放出させる第２の音波放出孔７ａとの間に、第１の音響共鳴とは異なる第２の音響共鳴が生じるキャビティが形成されるようにケース３が構成されている、超音波発生装置１。

Description

超音波発生装置

　本発明は、音響共鳴を利用した超音波発生装置に関し、より詳細には、音響共鳴を利用した超音波発生器がケースに内蔵されている超音波発生装置に関する。

　従来、圧電振動子を用いた電気音響変換器が種々提案されている。例えば、下記の特許文献１には、図１３に部分切欠正面断面図で示す圧電型電気音響変換装置１００１が開示されている。圧電型電気音響変換装置１００１では、ケース１００３に圧電型電気音響変換器１００２が取り付けられている。圧電型電気音響変換器１００２では、圧電セラミック素子１００４が、ケース材１００５の内面に固定されている。ケース材１００５で囲まれた空間が共鳴室１００６を構成している。圧電型電気音響変換器１００２では、共鳴室１００６内における音響共鳴により、高い音圧が得られるとされている。さらに、圧電型電気音響変換装置１００１では、ケース１００３の外壁と圧電型電気音響変換器１００２との間に音響空間１００３ａが形成されており、それによって音圧をより一層高めることができるとされている。

実開平６－２８９８号公報

　電気音響変換器を利用して音圧を取り出す装置を例えばセンサにおける超音波発生源等として利用する場合、周波数帯域が広いことが求められる。それによって、センサの設計の自由度を高め得るとともに、感度を高めることができる。しかしながら、特許文献１に記載の圧電型電気音響変換装置１００１では、１つの音響共鳴のみを利用するものであるため、音圧を高め得る周波数帯域が狭かった。

　加えて、特許文献１に記載の圧電型電気音響変換装置１００１では、共鳴室１００６を利用した音響共鳴を利用しているだけであるため、音響空間１００３ａが設けられているにしても、ケース１００３に対する圧電型電気音響変換器１００２の実装状態によって音圧が制限されがちであった。すなわち、より大きな音圧を確実に取り出すことができないことがあった。

　本発明の目的は、広い周波数帯域にわたり高い音圧を得ることができ、かつより一層高い音圧を得ることができる超音波発生装置を提供することにある。

　本発明に係る超音波発生装置は、超音波発生器と、ケースとを備える。超音波発生器は、第１の音波放出孔を有し、内部で第１の音響共鳴が生じて第１の音波放出孔から超音波を放出させる。ケースでは、超音波発生器が内面に固定されている。また、ケースには、外部に超音波を放出させる第２の音波放出孔が設けられている。そして、第１の音波放出孔と第２の音波放出孔との間に、第１の音響共鳴とは異なる第２の音響共鳴が生じるキャビティが形成されるようにケースが構成されている。

　本発明に係る超音波発生装置のある特定の局面では、キャビティの一方側に第１の音波放出孔が位置しており、キャビティの一方側とは反対側に第２の音波放出孔が位置している。この場合には、キャビティにおいて第２の音響共鳴をより効果的に発生させ、より高い音圧を得ることができる。

　本発明に係る超音波発生装置の他の特定の局面では、ケースが、第２の音波放出孔が設けられている外壁材と、外壁材の内面に固定されている内側ケース材とを有する。外壁材と内側ケース材とで囲まれた空間内において超音波発生器が内側ケース材の内面に固定されている。この場合には、内側ケース材の形状を工夫することにより、第２の音響共鳴をより一層確実に発生させることができる。

　本発明に係る超音波発生装置のさらに別の特定の局面では、内側ケース材が、一方面に超音波発生器が実装されている実装基板と、一端が実装基板の一面に接合されており、他端が外壁材の内面に接合されている筒状ケース材とを有する。この場合には、筒状ケース材を介して外壁材を実装基板に接合することができる。よって、第２の音響共鳴が生じるキャビティをより確実に形成することができる。

　本発明に係る超音波発生装置のさらに他の特定の局面では、超音波発生器が、第１の音波放出孔が外表面に形成された素子ケース材と、素子ケース材内に収納されている超音波発生素子とを有する。超音波発生素子と素子ケース材との間の空間において第１の音響共鳴が生じるように素子ケース材内に超音波発生素子が収納されている。この場合には、第１の音響共鳴をより効果的に発生させることができる。

　本発明に係る超音波発生装置のさらに他の特定の局面では、超音波発生素子が、中央に凹部及び貫通孔のうちの一方が形成されているスペーサと、スペーサの一方主面に接合されており、かつ平板状の第１の圧電振動子と、スペーサの他方主面に接合されており、かつ平板状の第２の圧電振動子とを有する。第１の圧電振動子と第２の圧電振動子とが互いに逆位相で振動することにより超音波を発生させる。この場合には、より一層高い音圧を得ることができる。

　本発明に係る超音波発生装置のさらに別の特定の局面では、超音波発生素子の両主面のうちの少なくとも一方側に、超音波発生素子で発生した超音波を圧縮し、該超音波発生素子の主面に沿う方向に超音波が伝搬する音響経路が超音波発生素子と素子ケース材との間の空間により形成されている。この音響経路において第１の音響共鳴が生じて、超音波が第１の音波放出孔から放出される。この場合には、より一層高い音圧を得ることができる。

　本発明に係る超音波発生装置のさらに別の特定の局面では、第１，第２の圧電振動子が、バイモルフ型圧電振動子からなる。この場合には、バイモルフ型圧電振動子を用いているため、より一層高い音圧を取り出すことができる。

　本発明に係る超音波発生装置のさらに他の特定の局面では、ケースに第２の音波放出孔が複数設けられている。これらの複数の第２の音波放出孔が、第２の音響共鳴の振動の節となる位置に設けられている。この場合には、第２の音響共鳴により、より一層高い音圧を取り出すことが可能となる。

　本発明に係る超音波発生装置のさらに他の特定の局面では、複数の第２の音波放出孔が、第２の音響共鳴の振動の腹の中心に対向しているケースの第２の音波放出孔が設けられている主面上の点を通り、かつ超音波発生器の第１の音波放出孔が設けられている超音波発生器の主面と平行に延びる仮想直線に対して線対称に配置されている。この場合には、複数の第２の音波放出孔を、第２の音響共鳴の振動の節となる位置に確実に配置することができる。

　本発明に係る超音波発生装置のさらに他の特定の局面では、複数の第２の音波放出孔が、第２の音響共鳴の振動の腹の中心に対向しているケースの第２の音波放出孔が設けられている主面上の点を中心とする仮想円上において等間隔に分散配置されている。この場合には、複数の第２の音波放出孔を、第２の音響共鳴の振動の節となる位置に確実に配置することができる。

　本発明に係る超音波発生装置によれば、超音波発生器内における第１の音響共鳴と、ケースと超音波発生器との間のキャビティ内における第２の音響共鳴とを利用し、超音波を高い音圧で放出させることができる。また、第２の音響共鳴は第１の音響共鳴と異なるため、高い音圧が得られる周波数帯域を広げることが可能となる。

図１（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る超音波発生装置の模式的正面断面図であり、図１（ｂ）はその模式的平面図であり、図１（ｃ）は、本発明の第１の実施形態に係る超音波発生装置で用いられている超音波発生器を示し、図２のＩ－Ｉ線に沿う部分における拡大正面断面図である。 図２は、本発明の第１の実施形態に係る超音波発生装置に用いられている超音波発生器の外観を示す斜視図である。 図３は、本発明の第１の実施形態に係る超音波発生装置に用いられている超音波発生器内に配置されている超音波発生素子の模式的分解斜視図である。 図４は、本発明の第１の実施形態に係る超音波発生装置に用いられている超音波発生器の分解斜視図である。 図５（ａ）及び図５（ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係る超音波発生装置に用いられている超音波発生器の動作を説明するための各部分切欠正面断面図である。 図６は、本発明の第１の実施形態に係る超音波発生装置における音圧－周波数特性の一例を示す図である。 図７（ａ）及び図７（ｂ）は、本発明の第２の実施形態に係る超音波発生装置の模式的平面図及び模式的正面断面図である。 図８は、本発明の第２の実施形態に係る超音波発生装置の模式的分解斜視図である。 図９は、本発明の第２の実施形態に係る超音波発生装置において、キャビティの高さを変化させた場合の音圧－周波数特性の変化を説明するための図である。 図１０（ａ）～図１０（ｄ）は、本発明の第２の実施形態に係る超音波発生装置における複数の第２の音波放出孔の形状及び位置の第１～第４の変形例を示す各模式的平面図である。 図１１（ａ）～図１１（ｄ）は、本発明の第２の実施形態に係る超音波発生装置における複数の第２の音波放出孔の形状及び位置の第５～第８の変形例を示す各模式的平面図である。 図１２（ａ）及び図１２（ｂ）は、本発明の第２の実施形態に係る超音波発生装置における複数の第２の音波放出孔の形状及び位置の第９及び第１０の変形例を示す各模式的平面図である。 図１３は、従来の圧電型電気音響変換装置を説明するための部分切欠正面断面図である。

　以下、図面を参照しつつ、本発明の具体的な実施形態を説明することにより、本発明を明らかにする。

　図１（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る超音波発生装置１の模式的正面断面図である。図１（ｂ）は、本実施形態に係る超音波発生装置１の模式的平面図である。

　超音波発生装置１は、超音波を発生させる超音波発生器２と、ケース３とを有する。超音波発生器２は、ケース３内に収納されている。ケース３は、本実施形態では、内側ケース材６と、外壁材７とを有する。内側ケース材６は、実装基板４と、筒状ケース材５とを有する。実装基板４の上面に超音波発生器２が実装されている。すなわち、超音波発生器２が内側ケース材６の内面に固定されている。超音波発生器２の上方には、内側ケース材６と外壁材７とによりキャビティＡが構成されている。

　実装基板４は、セラミックス、金属または合成樹脂などの適宜の材料からなる。筒状ケース材５は、ゴム弾性を有する材料、合成樹脂、金属またはセラミックスなどからなる。本実施形態では、ゴム弾性を有する材料からなるガスケットにより筒状ケース材５が構成されている。

　実装基板４の上面に筒状ケース材５の下端が接合されている。筒状ケース材５の上端が、外壁材７の下面に接合されている。すなわち、内側ケース材６は、外壁材７の内面に固定されている。外壁材７は、超音波発生装置１が構成される機器の外壁を構成している。上記外壁材７は、金属、合成樹脂またはセラミックスなどの適宜の材料からなる。上記外壁材７と、内側ケース材６とで囲まれた空間内に、超音波発生器２が配置されている。

　なお、本実施形態では、内側ケース材６は、実装基板４及び筒状ケース材５を有するが、これらを一体化してなる内側ケース材を用いてもよい。

　もっとも、平板状の実装基板４上には超音波発生器２を容易に実装することができる。また、筒状ケース材５を用いて実装基板４を機器の外壁材７に容易に固定し、超音波発生装置１を構成することができる。

　また、ゴム弾性を有する材料からなる筒状ケース材５を用いることにより、外部への超音波の漏れを効果的に防止することができる。従って、本実施形態のように、上記筒状ケース材５及び実装基板４からなる内側ケース材６を用いることが好ましい。

　外壁材７には第２の音波放出孔７ａが設けられている。図１（ｂ）に示すように、第２の音波放出孔７ａは、平面視して円形の形状を有するが、この第２の音波放出孔の平面形状は特に限定されるものではない。

　超音波発生器２の詳細を、以下に示す。図１（ｃ）は、本実施形態に係る超音波発生装置１で用いられている超音波発生器２を示し、図２のＩ－Ｉ線に沿う部分における拡大正面断面図である。図２は、本実施形態に係る超音波発生装置１で用いられている超音波発生器２の外観を示す斜視図である。

　超音波発生器２は、基板１１と、キャップ１２とからなる素子ケース材１３を有する。すなわち、平板状の基板１１上に、下方に開いた開口を有するキャップ１２が固定されている。それによって、素子ケース材１３が構成されている。基板１１とキャップ１２とにより囲まれた空間内に超音波発生素子１４が収納されている。

　図２に示すように、上記キャップ１２の天板部には、複数の第１の音波放出孔１２ａ～１２ｄが設けられている。図１（ｃ）では、第１の音波放出孔１２ａ，１２ｃのみが図示されている。

　図２に示した第１の音波放出孔１２ａ～１２ｄは、超音波発生器２の天板部に設けられている。従って、第１の音波放出孔１２ａ～１２ｄは、図１（ａ）に示されている第２の音波放出孔７ａとキャビティＡを介して対向している。言い換えれば、キャビティＡの一方側に第１の音波放出孔１２ａ～１２ｄが位置しており、反対側に第２の音波放出孔７ａが位置していることから、第１の音波放出孔１２ａ～１２ｄと第２の音波放出孔７ａとの間にキャビティＡが形成されている。

　図３は、本実施形態に係る超音波発生装置１に用いられている超音波発生器２内に配置されている超音波発生素子１４の模式的分解斜視図である。超音波発生素子１４は、スペーサ１５を有する。スペーサ１５は、例えばセラミックスや合成樹脂などの適宜の剛性材料からなる。スペーサ１５の中央には、開口１５ａが形成されている。スペーサ１５の上面には、接着剤１６を介して、第１のバイモルフ型圧電振動子１７が接合されている。接着剤１６は、開口１６ａを有する。接着剤１６は、上記開口１５ａを除く領域においてスペーサ１５の上面に塗布されている。

　同様に、スペーサ１５の下面には、接着剤１８を介して、第２のバイモルフ型圧電振動子１９が接合されている。接着剤１８は、開口１８ａを有する。すなわち、スペーサ１５の下面においても、開口１５ａを除く領域に、接着剤１８が塗布されている。

　なお、スペーサ１５は貫通孔からなる開口１５ａを有するが、開口１５ａに代えて、中央領域において両面に凹部を形成してもよい。第１，第２のバイモルフ型圧電振動子１７，１９は、後述するように、中央領域が圧電効果により振動する部分である。従って、この振動を妨げないように、スペーサ１５の両面に凹部を形成してもよい。

　なお、開口１５ａの周縁の一部からスペーサ１５の外周縁に至る欠落部が形成されていてもよい。

　図１（ｃ）に示すように、第１のバイモルフ型圧電振動子１７は、チタン酸ジルコン酸鉛系圧電セラミックスなどの圧電セラミックスからなる圧電板１７ａを有する。圧電板１７ａは、平面視して正方形状である。圧電板１７ａは、２つの圧電体層と、該２つの圧電体層の間に配置された内部励振電極１７ｃとを有する。圧電板１７ａの上面中央には、第１の励振電極１７ｂが形成されている。第１の励振電極１７ｂは、内部励振電極１７ｃと上側の圧電体層を介して重なり合うように設けられている。圧電板１７ａの下面中央には、第２の励振電極１７ｄが形成されている。第２の励振電極１７ｄは、内部励振電極１７ｃと下側の圧電体層を介して重なり合うように設けられている。第１，第２の励振電極１７ｂ，１７ｄは、ＡｇやＰｄなどの金属からなる。図３に示すように、第１の励振電極１７ｂは、圧電板１７ａの上面における隣り合う２つのコーナー部に向かって延びる、引き出し電極１７ｂ１，１７ｂ２に連ねられている。第２の励振電極１７ｄも同様に、圧電板１７ａの下面における隣り合う２つのコーナー部に向かって延びる、引き出し電極（図示せず）に連ねられている。

　第１の励振電極１７ｂと内部励振電極１７ｃとの間の圧電体層及び内部励振電極１７ｃと第２の励振電極１７ｄとの間の圧電体層は、厚み方向において同一方向に分極されている。他方、バイモルフ型圧電振動子として動作させるために、第１の励振電極１７ｂが引き出し電極１７ｂ１，１７ｂ２を介して第１の端子電極２１に電気的に接続されており、第２の励振電極１７ｄが引き出し電極（図示せず）を介して第１の端子電極２１に電気的に接続されている。第１の端子電極２１は、超音波発生素子１４の一方端面に形成されている。超音波発生素子１４の他方端面には、第２の端子電極２２が形成されている。内部励振電極１７ｃは、内部励振電極１７ｃに連なる引き出し電極（図示せず）を介して第２の端子電極２２に電気的に接続されている。従って、第１の端子電極２１と第２の端子電極２２との間に交流電界を印加することにより、第１のバイモルフ型圧電振動子１７が振動し、超音波を発生させる。

　第２のバイモルフ型圧電振動子１９も、第１のバイモルフ型圧電振動子１７と同様に構成されている。もっとも、第２のバイモルフ型圧電振動子１９は、第１のバイモルフ型圧電振動子１７に対して逆相で変位するように構成されている。例えば、第２のバイモルフ型圧電振動子１９は、圧電体層は厚み方向において第１のバイモルフ型圧電振動子１７の圧電体層とは逆方向に分極されていることにより、第１のバイモルフ型圧電振動子１７に対して逆相で変位するように構成されている。第２のバイモルフ型圧電振動子１９もまた、第１，第２の励振電極と内部励振電極とが第１，第２の端子電極２１，２２に電気的に接続されている。従って、第１の端子電極２１と第２の端子電極２２との間に交流電界を印加することにより、第２のバイモルフ型圧電振動子１９も振動し、超音波を発生させる。第１，第２のバイモルフ型圧電振動子１７，１９の振動により、超音波発生素子１４の上方と下方で超音波が発生する。

　図１（ｃ）に示すように、超音波発生器２では、上記超音波発生素子１４により発生した超音波が、破線の矢印で示す方向に伝搬し、第１の音波放出孔１２ａ～１２ｄから超音波発生器２の上方に放出される。

　図４は、本実施形態に係る超音波発生装置１に用いられている超音波発生器２の分解斜視図である。上述したスペーサ１５の上下に接着剤１６，１８を介して第１，第２のバイモルフ型圧電振動子１７，１９が接合されている構造を有する超音波発生素子１４が、基板１１とキャップ１２とからなる素子ケース材１３内に収納される。図４に示すように、超音波発生素子１４が、複数の支持部材２３を介して基板１１上に固定されている。複数の支持部材２３は、適宜のセラミックスもしくは金属等により形成される。超音波発生素子１４の下面すなわち第２のバイモルフ型圧電振動子１９の下面と、基板１１の上面との間には、ギャップが形成される。そのため、第２のバイモルフ型圧電振動子１９の振動が妨げられ難い。

　図１（ｃ）に示すように、超音波発生素子１４の上面すなわち第１のバイモルフ型圧電振動子１７の上面と、キャップ１２の天板部内面との間には、ギャップが形成される。そのため、第１のバイモルフ型圧電振動子１７の振動が妨げられ難い。

　次に、本実施形態の超音波発生装置１の動作について説明する。図５（ａ）及び（ｂ）は、本実施形態に係る超音波発生装置１に用いられている超音波発生器２の動作を説明するための各部分切欠正面断面図である。超音波発生器２の第１，第２の端子電極２１，２２間に交流電界を印加すると、第１，第２のバイモルフ型圧電振動子１７，１９は、図５（ａ）で示す変位状態と、図５（ｂ）で示す変位状態とを繰り返す。すなわち、超音波発生素子１４は、座屈音叉振動モードにより振動し、超音波を放出する。この場合、図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、第１，第２のバイモルフ型圧電振動子１７，１９では、励振部が振動の腹となり、スペーサ１５に固定されている部分が振動の節となる。振幅が最も大きい部分、すなわち振動の腹の中心は、励振部の中心となる。

　第１のバイモルフ型圧電振動子１７の上面と、キャップ１２の天板部内面との間には、ギャップが存在する。第１のバイモルフ型圧電振動子１７の振動の腹の中心がキャップ１２の天板部内面に近接した状態と、離間した状態とを交互に繰り返すことになる。そのため、超音波が圧縮され、矢印Ｂで示すように、振動の腹の中心から外側に向かって超音波が伝搬することとなる。

　第２のバイモルフ型圧電振動子１９の下面と、基板１１の上面との間には、ギャップが存在する。第２のバイモルフ型圧電振動子１９の振動の腹の中心が基板１１の上面に近接した状態と、離間した状態とを交互に繰り返すことになる。そのため、超音波が圧縮され、矢印Ｃで示すように、振動の腹の中心すなわち励振部の中心から外側に向かって超音波が伝搬することとなる。

　図１（ｃ）に矢印Ｂ及び矢印Ｃで示す方向に伝搬する超音波は、位相が揃った状態で、第１の音波放出孔１２ａ～１２ｄに伝搬し、第１の音波放出孔１２ａ～１２ｄから超音波発生器２の上方に放出されることになる。

　言い換えれば、図１（ｃ）に示すように、超音波発生器２では、超音波発生素子１４の上面とキャップ１２の天板部内面との間のギャップにより第１の音響経路が構成されている。また、超音波発生素子１４の下面と基板１１の上面との間のギャップにより第２の音響経路が構成されている。この第１の音響経路及び第２の音響経路をそれぞれ矢印Ｂ及び矢印Ｃで示すように伝搬する超音波が、合成され、第１の音波放出孔１２ａ，１２ｃから放出される。第１，第２のバイモルフ型圧電振動子１７，１９の振動の腹の中心から第１の音波放出孔１２ａ～１２ｄまでの距離は、発生する超音波の波長をλとしたときに、λ／４とされている。

　なお、矢印Ｃで示すように伝搬する超音波は、図１（ｃ）に示すように、超音波発生素子１４の下面側の第２の音響経路から、超音波発生素子１４の側方において上方に伝搬する。従って、第１のバイモルフ型圧電振動子１７の振動の腹の中心から第１の音波放出孔１２ａ～１２ｄまでの距離と、第２のバイモルフ型圧電振動子１９の振動の腹の中心から第１の音波放出孔１２ａ～１２ｄまでの距離は異なる。しかしながら、超音波発生素子１４の厚みは、波長に対して無視できる程小さくすることができる。例えば、超音波発生器２で発生する超音波の周波数が６０ｋＨｚである場合、波長は５．７ｍｍである。これに対して、超音波発生素子１４の厚みは、２００～４００μｍ程度である。従って、上記距離の差は２００～４００μｍ程度すなわち０．０３λ～０．０７λ程度である。よって、上記距離の差は、音圧を高める効果にさほど影響しない。

　上記超音波発生器２内において、超音波を圧縮し伝搬させた場合、高い音圧で第１の音波放出孔１２ａ～１２ｄから超音波を放出することができる。また、上記座屈音叉振動モードでは、振動の腹の中心が、第１，第２のバイモルフ型圧電振動子１７，１９の励振部の中心にある。他方、上記超音波発生素子１４と素子ケース材１３との間の上記ギャップ内において管共鳴の開放端となる位置に、第１の音波放出孔１２ａ～１２ｄが設けられている。従って、超音波発生器２内において管共鳴の形で第１の音響共鳴が生じ、非常に高い音圧で超音波を第１の音波放出孔１２ａ～１２ｄから上方に向かって放出させることができる。

　加えて、本実施形態では、図１（ａ）に示すように、超音波発生器２の上方にキャビティＡが構成されている。このキャビティＡは、超音波発生器２から放出された超音波が、キャビティＡ内において、第１の音響共鳴と異なる第２の音響共鳴を生じるように構成されている。すなわち、上記のように、ケース３が構成されている。具体的には、キャビティＡにおいて、実装基板４の上面から外壁材７の下面までの距離Ｈが、発生する超音波の波長をλとしたときに、３／４λとされている。距離Ｈは、言い換えれば、キャビティＡの高さである。そのため、本実施形態では、キャビティＡ内における第２の音響共鳴が生じる。第１の音響共鳴と第２の音響共鳴とも利用して、非常に高い音圧で超音波を第２の音波放出孔７ａから外部に向かって放出させることができる。第２の音響共鳴を発生させるためには、距離Ｈは、発生する超音波の波長をλとしたときに、λ／２以上であることが望ましい。それによって、第２の音響共鳴を確実に発生させることができる。

　なお、このキャビティＡ内における第２の音響共鳴は、第１の音響共鳴とは異なる。本願発明者らは、有限要素法により、超音波発生装置１を駆動した際の音圧分布及び位相分布を測定し、これを確認した。

　すなわち、キャビティＡ内における第２の音響共鳴では、キャビティＡ内において音圧が最も高く、その場合、超音波発生器２内を伝搬している超音波の位相と、キャビティＡの超音波発生器２に近い領域を伝搬している超音波の位相とがほとんど変わっていないことが確認された。これに対して、超音波発生器２内における第１の音響共鳴の場合には、超音波発生器２内を伝搬している超音波の位相と、キャビティＡの超音波発生器２に近い領域を伝搬している超音波の位相とは１８０°反転していることが確認できた。すなわち、超音波発生器２内ではλ／４の第１の音響共鳴が生じており、キャビティＡ内では上記Ｈが３／４λとなっている第２の音響共鳴が生じていることが確認された。

　従って、本実施形態の超音波発生装置１によれば、超音波発生器２内における第１の音響共鳴と、第１の音響共鳴とは異なるキャビティＡ内における第２の音響共鳴とを利用し、超音波を高い音圧で放出させることができる。しかも、第１の音響共鳴と第２の音響共鳴が異なり、すなわちその周波数帯が異なるため、広い周波数帯域にわたり高い音圧を得ることができる。

　図６は、本実施形態に係る超音波発生装置１における音圧－周波数特性の一例を示す図である。図６におけるピークＤは、キャビティＡ内における第２の音響共鳴による音圧ピークを示す。ピークＥが、超音波発生器２内における第１の音響共鳴による音圧ピークを示す。

　上記ピークＤの周波数位置は、距離Ｈ、キャビティＡの容積等を調整することによりシフトさせることができる。また、ピークＥの周波数位置は、超音波発生器２の音響経路の寸法を調整することによりシフトさせることができる。ピークＤとピークＥの位置を近接させ、ただし両者が一致しないように配置することにより、広い周波数域にわたり、大きな音圧を得ることができる。

　よって、例えば超音波センサの超音波発生源として本実施形態の超音波発生装置１を用いれば、広い周波数域にわたり高い感度で超音波を検出することが可能となる。また、超音波受信側回路の設計の自由度を高めることも可能となる。

　図７（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第２の実施形態に係る超音波発生装置３１の模式的平面図及び模式的正面断面図であり、図８はその模式的分解斜視図である。図７（ｂ）は、図７（ａ）のＩＩ－ＩＩ線に沿う部分における拡大正面断面図である。

　第２の実施形態の超音波発生装置３１では、超音波を発生させる超音波発生器２と、ケース３Ａとを有する。超音波発生器２は、ケース３Ａ内に収納されている。ケース３Ａは、本実施形態では、内側ケース材６Ａと、外壁材７とを有する。内側ケース材６Ａは、実装基板４と、筒状ケース材５Ａとを有する。実装基板４の上面に超音波発生器２が固定されている。筒状ケース材５Ａは、詳細には底部を有する筒状であり、底部に貫通孔５ａ～５ｄが形成されている。超音波発生器２の上方には、内側ケース材６Ａと外壁材７とによりキャビティＡが構成されている。これらの構造については、第１の実施形態と同一部分については同一の参照番号を付することにより、第１の実施形態の説明を援用することにより省略することとする。第２の実施形態が第１の実施形態と異なるところは、図７（ａ）に示すように、外壁材７に複数の第２の音波放出孔７Ａ～７Ｄが設けられていることにある。

　なお、図７（ａ）に示すように、第２の実施形態の超音波発生装置３１では、筒状ケース材５Ａの貫通孔５ａ～５ｄは、平面視した際に第２の音波放出孔７Ａ～７Ｄと重なり合うように形成されている。また、キャビティＡに臨む部分において、外壁材７の下面にキャビティ寸法調整材３２が配置されている。キャビティ寸法調整材３２は、筒状ケース材５Ａの一部として構成されている。

　本実施形態においても、超音波発生器２内においては、第１の実施形態と同様に、第１の音響共鳴が生じ、非常に高い音圧で超音波が放出される。すなわち、第１，第２のバイモルフ型圧電振動子の振動の腹の中心から第１の音波放出孔までの距離が、発生する超音波の波長をλとしたときに、λ／４とされている。それによって、超音波発生器２内において第１の音響共鳴が生じ、高い音圧で超音波が第１の音波放出孔から放出される。

　加えて、本実施形態においても、キャビティＡは、キャビティＡ内において、第１の音響共鳴と異なる第２の音響共鳴を生じるように構成されている。第１の音響共鳴と第２の音響共鳴とも利用して、非常に高い音圧で超音波を第２の音波放出孔７Ａ～７Ｄから外部に向かって放出させることができる。もっとも、第１の実施形態では、キャビティにおける第２の音響共鳴を引き起こすには、キャビティＡの高さ、すなわち図１（ａ）の距離Ｈをλ／２以上としなければならない。

　これに対して、本実施形態では、複数の第２の音波放出孔７Ａ～７Ｄが、キャビティＡ内における第２の音響共鳴の振動の節となるように配置されている。そのため、図７（ｂ）に示す実装基板４の上面からキャビティ寸法調整材３２（外壁材７）の下面までの距離Ｈ１、すなわちキャビティＡの高さをλ／２よりも小さくした場合であっても、第２の音響共鳴を利用して、より高い音圧で超音波を放出させることができる。これを、より具体的に説明する。

　上記超音波発生器２の外形寸法を４．０ｍｍ×４．０ｍｍ×高さ０．９２ｍｍとした。キャビティＡの寸法を５．０×５．０×高さ（＝距離Ｈ１）１ｍｍとし、キャビティ寸法調整材３２（外壁材７）の下面から外壁材７の上面までの距離Ｈ２を１．４ｍｍとした。そして、複数の第１の音波放出孔７Ａ～７Ｄについては、長さ方向寸法が２ｍｍ、幅方向寸法が１．０ｍｍのコーナー部が丸められた略矩形形状の平面形状とした。

　上記キャビティＡの高さ（＝距離Ｈ１）を、１．０ｍｍ、１．６ｍｍまたは２．０ｍｍとした超音波発生装置３１を作製し、音圧－周波数特性を測定した。図９は、本実施形態に係る超音波発生装置３１において、キャビティＡの高さ（＝距離Ｈ１）を変化させた場合の音圧－周波数特性の変化を説明するための図である。図９から明らかなように、キャビティＡの高さ（＝距離Ｈ１）を１．６ｍｍとした場合には、ピークＸ１及びピークＹ１が現れていることがわかる。このピークＸ１は、超音波発生器２内における第１の音響共鳴による音圧ピークである。他方、ピークＹ１は、キャビティＡ内における第２の音響共鳴による音圧ピークである。他方、キャビティＡの高さ（＝距離Ｈ１）が２．０ｍｍの場合には、実線で示すように、ピークＸ１よりも高周波数側に単一のピークが現れている。この単一のピークは、超音波発生器２内における第１の音響共鳴による音圧ピークと、キャビティＡ内における第２の音響共鳴による音圧ピークとが重なったものであり、高い音圧となっている。そして、キャビティＡの高さ（＝距離Ｈ１）１．０ｍｍとした場合には、ピークＸ１よりも低周波数側に単一のピークが現れている。これは、以下の理由によると考えられる。

　有限要素法による分析によれば、キャビティＡ内における第２の音響共鳴において音圧がもっとも高い部分、すなわち第２の音響共鳴における振動の腹の中心は、超音波発生器２の励振部の中心の上方に位置している。具体的には、キャビティＡ内における第２の音響共鳴において音圧がもっとも高い部分、すなわち第２の音響共鳴における振動の腹の中心は、超音波発生器２の天面とキャビティ寸法調整材３２の間の中心点にあり、横方向に音響経路を長くすることができるので、超音波発生装置３１では低背であっても共鳴を起こすことができる。他方、キャビティＡの高さ（＝距離Ｈ１）が１．６ｍｍである場合、このキャビティＡ内における第２の音響共鳴の振動の節が、上記複数の第２の音波放出孔７Ａ～７Ｄの位置に存在する。すなわち、複数の第２の音波放出孔７Ａ～７Ｄが、第２の音響共鳴の振動の節となる位置に設けられている。それによって、第２の音響共鳴が確実に引き起こされ、ピークＸ１が現れている。このように、本実施形態では、発生する超音波の波長をλとしたときに、キャビティＡの高さ（＝距離Ｈ１）をλ／２よりも小さくした場合であっても、超音波発生器２内における第１の音響共鳴とともにキャビティＡ内における第２の音響共鳴を利用して高い音圧を取り出すことができ、第１の実施形態と同様に、広い周波数帯域にわたり、高い音圧を取り出すことができる。

　なお、第１の実施形態においても、距離Ｈをλ／２以上とした場合には、キャビティＡ内における第２の音響共鳴を発生させることができ、図６に示したピークＤを発生させることができる。もっとも、第２の実施形態では、上記のように、キャビティＡの高さ（＝距離Ｈ１）をλ／２より小さくした場合であっても、上記のように、広い周波数帯域で高い音圧を取り出し得る。従って、超音波発生装置３１では、低背化を進めることが可能となる。

　上記のように、第２の実施形態において低背化を進め得るのは、複数の第２の音波放出孔が、キャビティ内における第２の音響共鳴の振動の節となる位置に設けられていることによる。従って、このような複数の第２の音波放出孔の形状及び位置については、図７（ａ）に示した形状及び位置に限定されるものではない。図１０（ａ）～（ｄ）、図１１（ａ）～（ｄ）、図１２（ａ），（ｂ）に、本実施形態に係る超音波発生装置３１における複数の第２の音波放出孔の形状及び位置の第１～第１０の変形例を模式的平面図でそれぞれ示す。

　なお、図１０（ａ）及び以下の各図において、中心Ｏを通る破線で示す直線Ｐ，Ｑを理解を容易とするために記載する。中心Ｏは、第２の音響共鳴の振動の腹の中心上に位置している点であり、言い換えれば超音波発生器２における励振部の中心の直上に位置する点である。また、中心Ｏは、外壁材７上、すなわち超音波発生装置３１のケース３Ａの主面上にあり、第２の音響共鳴の振動の腹の中心に対向している位置にある。直線Ｐ及び直線Ｑは、中心Ｏを通りかつ超音波発生器２の上面と平行に延びる直線である。直線Ｐと直線Ｑは、９０°の角度をなしている。また、円Ｒは、中心Ｏを中心とする半径ｒの円である。

　図１０（ａ）に示すように、上記第２の実施形態の第１の変形例では、複数の第２の音波放出孔７Ａ～７Ｄは、中心Ｏを通る直線Ｐに対して線対称に、あるいは直線Ｑに対して線対称に配置されている。言い換えれば、中心Ｏを中心とする半径ｒの円Ｒの円周上において均一に分散配置されている。

　前述したように、第２の音響共鳴における振動の腹の中心は、中心Ｏの下方に位置している。従って、第２の音響共鳴における振動の腹の中心から所定の距離を隔てて第２の音波放出孔７Ａ，７Ｃ同士が対向しており、他の組の第２の音波放出孔７Ｂ，７Ｄが対向している。すなわち、第２の音波放出孔７Ａ，７Ｃを例に取ると、第２の音響共鳴の振動の腹の中心に対し、一方側の節となる位置に第２の音波放出孔７Ａが位置しており、他方側の節となる位置に第２の音波放出孔７Ｃが位置している。

　図１０（ａ）では、複数の第２の音波放出孔７Ａ～７Ｄの長さ方向は、直線Ｐまたは直線Ｑに平行とされていた。図１０（ｂ）に示す第２の実施形態の第２の変形例のように、複数の第２の音波放出孔７Ａ～７Ｄの長さ方向は、直線Ｐまたは直線Ｑに平行でなくともよい。この場合においても、直線Ｐまたは直線Ｑに対して線対称に、複数の第２の音波放出孔７Ａ～７Ｄが配置されている。

　また、図１０（ｃ）に示す第２の実施形態の第３の変形例のように、一対の複数の第２の音波放出孔７Ａ，７Ｃのみを設けてもよい。さらに、図１０（ｄ）に示す第２の実施形態の第４の変形例のように、円Ｒよりも半径の大きな円弧と、円Ｒよりも半径の小さな円弧の両端を結んだ形状の複数の第２の音波放出孔７Ｅ～７Ｈを用いてもよい。

　図１１（ａ）に示す第２の実施形態の第５の変形例のように、平面形状が円形の複数の第２の音波放出孔７Ｉ～７Ｌを設けてもよい。その場合、図１１（ｂ）に示す第２の実施形態の第６の変形例のように、３個の平面形状が円形の第２の音波放出孔７Ｉ～７Ｋを、円Ｒの円周上において均一に分散配置してもよい。この場合においても、直線Ｐに対して、第２の音波放出孔７Ｉ～７Ｋは線対称に位置していることとなる。すなわち、複数の第２の音波放出孔は、中心Ｏを通る任意の直線に対して線対称に配置されていればよい。

　図１１（ｃ）に示す第２の実施形態の第７の変形例のように、２個の第２の音波放出孔７Ｉ，７Ｋのみを中心Ｏを介して対向するように配置してもよい。さらに、図１１（ｄ）に示す第２の実施形態の第８の変形例のように、より多数の平面形状が円形の第２の音波放出孔７Ｉ～７Ｎを配置してもよい。

　図１０（ａ）～（ｄ）、図１１（ａ）～（ｄ）に示すように、複数の第２の音波放出孔の配置パターンについては、前述したように、中心Ｏを通る任意の直線に対して線対称に配置されていればよい。また、表現を替えれば、中心Ｏを中心とする半径ｒの円Ｒの円周上において均一に複数の第２の音波放出孔を配置すればよい。この場合、半径ｒは、中心Ｏを介して向かい合う複数の第２の音波放出孔が第２の音響共鳴の振動の節となるように定めればよい。

　また、図１０（ａ）～（ｄ）及び図１１（ａ）～（ｄ）では、複数の第２の音波放出孔の平面形状は等しくされていたが、図１２（ａ）及び（ｂ）に示すように、複数種の形状の第２の音波放出孔を設けてもよい。図１２（ａ）に示す第２の実施形態の第９の変形例では、平面形状がコーナー部が丸められた略矩形形状の第２の音波放出孔７Ａと、平面形状が円形の第２の音波放出孔７Ｊ，７Ｋが円Ｒの円周上において分散配置されている。ここでも、直線Ｐを介して線対称に、第２の音波放出孔７Ａ，７Ｊ，７Ｋが配置されている。

　図１２（ｂ）に示す第２の実施形態の第１０の変形例では、図１０（ｄ）に示した第２の音波放出孔７Ｅ，７Ｆと、図１０（ｄ）に示した第２の音波放出孔７Ｈ，７Ｇを連ねた形状の第２の音波放出孔７Ｐとが設けられている。ここでも、複数の第２の音波放出孔７Ｅ，７Ｆ及び７Ｐは、直線Ｑを介して線対称に配置されている。もっとも、図１２（ａ）及び（ｂ）に示した構造に対し、図１０及び図１１に示したように、中心Ｏの周りに点対称に複数の同一形状の第２の音波放出孔が配置されていることがより好ましく、それによって第２の音響共鳴による音圧向上効果をより一層高めることができる。

　なお、上述してきた実施形態では、第１，第２のバイモルフ型圧電振動子１７，１９を用いたが、第１，第２の圧電振動子として、ユニモルフ型圧電振動子などの他の圧電振動子を用いてもよい。さらに、圧電振動子に限らず、他の電気音響変換素子を用いてもよい。加えて、第１，第２の振動子を用いた超音波発生器に限らず、内部で第１の音響共鳴を引き起こして第１の音波放出孔から超音波を放出させる適宜の形態の超音波発生器を用いることができる。

　１…超音波発生装置
　２…超音波発生器
　３，３Ａ…ケース
　４…実装基板
　５，５Ａ…筒状ケース材
　６，６Ａ…内側ケース材
　７…外壁材
　７ａ，７Ａ～７Ｎ，７Ｐ…第２の音波放出孔
　１１…基板
　１２…キャップ
　１２ａ～１２ｄ…第１の音波放出孔
　１３…素子ケース材
　１４…超音波発生素子
　１５…スペーサ
　１５ａ…開口
　１６，１８…接着剤
　１６ａ，１８ａ…開口
　１７，１９…第１，第２のバイモルフ型圧電振動子
　１７ａ…圧電板
　１７ｂ，１７ｄ…第１，第２の励振電極
　１７ｂ１，１７ｂ２…引き出し電極
　１７ｃ…内部励振電極
　２１，２２…第１，第２の端子電極
　２３…支持部材
　３１…超音波発生装置
　３２…キャビティ寸法調整材

Claims (11)

1. 　第１の音波放出孔を有し、内部で第１の音響共鳴が生じて第１の音波放出孔から超音波を放出させる超音波発生器と、
   　前記超音波発生器が内面に固定されており、外部に超音波を放出させる第２の音波放出孔が設けられているケースとを備え、
   　前記第１の音波放出孔と前記第２の音波放出孔との間に、第１の音響共鳴とは異なる第２の音響共鳴が生じるキャビティが形成されるように前記ケースが構成されている、超音波発生装置。
2. 　前記キャビティの一方側に前記第１の音波放出孔が位置しており、前記キャビティの前記一方側とは反対側に前記第２の音波放出孔が位置している、請求項１に記載の超音波発生装置。
3. 　前記ケースが、前記第２の音波放出孔が設けられている外壁材と、前記外壁材の内面に固定されている内側ケース材とを有し、前記外壁材と前記内側ケース材とで囲まれた空間内において前記超音波発生器が前記内側ケース材の内面に固定されている、請求項２に記載の超音波発生装置。
4. 　前記内側ケース材が、一方面に前記超音波発生器が実装されている実装基板と、一端が前記実装基板の一面に接合されており、他端が前記外壁材の内面に接合されている筒状ケース材とを有する、請求項３に記載の超音波発生装置。
5. 　前記超音波発生器が、前記第１の音波放出孔が外表面に形成された素子ケース材と、前記素子ケース材内に収納されている超音波発生素子とを有し、前記超音波発生素子と前記素子ケース材との間の空間において前記第１の音響共鳴が生じるように前記素子ケース材内に前記超音波発生素子が収納されている、請求項１～４のいずれか１項に記載の超音波発生装置。
6. 　前記超音波発生素子が、中央に凹部及び貫通孔のうちの一方が形成されているスペーサと、前記スペーサの一方主面に接合されており、かつ平板状の第１の圧電振動子と、前記スペーサの他方主面に接合されており、かつ平板状の第２の圧電振動子とを有し、前記第１の圧電振動子と前記第２の圧電振動子とが互いに逆位相で振動することにより超音波を発生させる、請求項５に記載の超音波発生装置。
7. 　前記超音波発生素子の両主面のうちの少なくとも一方側に、前記超音波発生素子で発生した超音波を圧縮し、該超音波発生素子の主面に沿う方向に超音波が伝搬する音響経路が前記超音波発生素子と前記素子ケース材との間の空間により形成されており、該音響経路において前記第１の音響共鳴が生じて超音波が前記第１の音波放出孔から放出される、請求項６に記載の超音波発生装置。
8. 　前記第１，第２の圧電振動子が、バイモルフ型圧電振動子からなる、請求項６または７に記載の超音波発生装置。
9. 　前記ケースに前記第２の音波放出孔が複数設けられており、該複数の前記第２の音波放出孔が、前記第２の音響共鳴の振動の節となる位置に設けられている、請求項１～８のいずれか１項に記載の超音波発生装置。
10. 　前記複数の第２の音波放出孔が、前記第２の音響共鳴の振動の腹の中心に対向している前記ケースの前記第２の音波放出孔が設けられている主面上の点を通り、かつ前記超音波発生器の第１の音波放出孔が設けられている前記超音波発生器の主面と平行に延びる仮想直線に対して線対称に配置されている、請求項９に記載の超音波発生装置。
11. 　前記複数の第２の音波放出孔が、前記第２の音響共鳴の振動の腹の中心に対向している前記ケースの前記第２の音波放出孔が設けられている主面上の点を中心とする仮想円上において等間隔に分散配置されている、請求項９に記載の超音波発生装置。

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