WO2019159401A1 - 熱励起型の音波発生装置及び音波発生システム - Google Patents

熱励起型の音波発生装置及び音波発生システム Download PDF

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WO2019159401A1
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wave generator
substrate
path
sound
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晋一 佐々木
隆昭 浅田
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株式会社村田製作所
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Definitions

  • the present invention relates to a thermal excitation type sound wave generator and a sound wave generation system that generate sound waves by heating air.
  • Patent Document 1 is a thermally conductive substrate, a thermal insulation layer formed on one surface of the substrate, and a resistor formed on the thermal insulation layer and electrically driven by an AC signal current.
  • a thermal excitation type sound wave generator having a heating element thin film is disclosed.
  • This sound wave generator includes a Helmholtz resonator on a heating element thin film.
  • the Helmholtz resonator includes a resonance box that covers a space above the heating element thin film, and a duct that is a through hole formed in a ceiling portion of the resonance box. Thereby, Helmholtz resonance is generated inside the resonance box.
  • the volume of the resonance box (corresponding to the spring constant) and the mass of the air column in the duct
  • the volume of the resonance box and the shape of the duct are set so that the desired frequency is in the audible frequency band. It is determined. Thereby, the sound wave of a low frequency audible frequency band is generated efficiently.
  • An object of the present invention is to provide a thermal excitation type sound wave generator and a sound wave generation system that improve the efficiency of sound wave generation.
  • the thermal excitation type sound wave generator includes a first heating element, a substrate on which the first heating element is disposed on the main surface, and a position facing the substrate via the first heating element.
  • a path of a sound wave is formed by the substrate and the counter body, and the length of the path is in the vicinity of an integral multiple of a quarter wavelength of the sound wave.
  • the sound wave generation system includes a thermally excited sound wave generation device that generates sound waves and a drive device that supplies a drive signal to the sound wave generation device, and the wavelength of the sound wave is defined by the drive signal.
  • the generation efficiency of sound waves can be improved.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a configuration of a thermal excitation type sound wave generator according to Embodiment 1.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view of a thermal excitation type sound wave generator according to Embodiment 1.
  • FIG. Circuit diagram of the sound wave generation system according to the first embodiment The figure for demonstrating the period of the sound wave of the thermal excitation type sound wave generator which concerns on Embodiment 1.
  • FIG. 5 is a graph showing actual measurement values of the thermal excitation type sound wave generator according to the first embodiment.
  • FIG. FIG. 4 is an exploded perspective view showing the configuration of a thermal excitation type sound wave generator according to Embodiment 2. The figure for demonstrating the length of the internal space in the advancing direction of the sound wave in the thermal excitation type sound wave generator which concerns on Embodiment 2.
  • FIG. The perspective view which shows the modification of a thermal excitation type sound wave generator The perspective view which shows the modification of a thermal excitation type sound wave generator
  • the perspective view which shows the modification of a thermal excitation type sound wave generator The perspective view which shows the modification of a thermal excitation type sound wave generator
  • the perspective view which shows the modification of a thermal excitation type sound wave generator 14 is an exploded perspective view of the sound wave generator of FIG.
  • the perspective view which shows the modification of a thermal excitation type sound wave generator 17 is a sectional view of the sound wave generator of
  • the thermal excitation type sound wave generator and sound wave generation system according to the present invention have a configuration using air column resonance in order to improve sound wave generation efficiency. DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments of a thermal excitation type sound wave generator and a sound wave generation system according to the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a configuration of a thermal excitation type sound wave generator 100 according to the present embodiment.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the sound wave generator 100 taken along the line AA ′ of FIG.
  • FIG. 3 is an exploded perspective view of the sound wave generator 100 of FIG.
  • the thermal excitation type sound wave generator 100 is a thermophone that generates air pressure waves, that is, sound waves, by making air dense and dense by repeating heating and cooling of air.
  • the sound wave generation device 100 is used in applications such as a distance sensor such as an ultrasonic sensor that detects a distance to an object by transmitting an ultrasonic wave toward the object and receiving a reflected wave, or a proximity sensor, for example. sell.
  • the sound wave generator 100 includes a first sound wave source 10, a second sound wave source 20, and a pair of electrodes 30 a and 30 b disposed between the first sound wave source 10 and the second sound wave source 20. Including.
  • the first acoustic wave source 10 includes a substrate 11, a heat insulating layer 12 disposed on one main surface of the substrate 11, and a heating element 13 disposed on a main surface of the heat insulating layer 12 opposite to the substrate 11. .
  • the second sound source 20 includes a counter body 21, a heat insulating layer 22 disposed on one main surface of the counter body 21, and a heating element 23 disposed on the main surface of the heat insulating layer 22 on the opposite side of the counter body 21. ,including.
  • the second acoustic wave source 20 is held on the first acoustic wave source 10 by the pair of electrodes 30a and 30b.
  • the first sound source 10 and the second sound source 20 are positioned so that the heating elements 13 and 23 face each other.
  • the heating elements 13 and 23 are electrically connected to the common electrodes 30a and 30b.
  • substrate 11 and the opposing body 21 are insulating flat board
  • a ceramic substrate such as an alumina substrate, a glass substrate with excellent heat dissipation, a printed substrate, or the like can be used.
  • the heat insulating layers 12 and 22 are made of glass grace, porous Si, or SiO 2 .
  • the heat insulating layers 12 and 22 have a thermal conductivity smaller than that of the substrate 11 and the opposing body 21.
  • the heating elements 13 and 23 a conductor such as Ag, Ag / Pd, or RuO 2 , a metal film such as Au or Pt, or a carbon nanotube or a sheet can be used.
  • the heating elements 13 and 23 have, for example, a specific heat of 500 [J / kg ° C.] or less and a thermal conductivity of 50 [W / mK] or more.
  • the heating elements 13 and 23 may be pattern-printed so as to have various shapes on the main surfaces of the substrate 11 and the counter body 21, for example.
  • the electrodes 30a and 30b are made of a conductive material such as Ag, Ag / Pd, Sn, Al, Au, or Cu.
  • the electrodes 30a and 30b are bonded to the heating elements 13 and 23 by, for example, a conductive adhesive.
  • An internal space (hereinafter also referred to as “path”) 40 is formed between the first acoustic wave source 10, the second acoustic wave source 20, and the electrodes 30a and 30b.
  • the pair of electrodes 30 a and 30 b are disposed along the Y direction between the first sound wave source 10 and the second sound wave source 20. That is, the internal space 40 is closed in the X direction by the pair of electrodes 30a and 30b.
  • Openings 41 a and 41 b are provided between the first sound source 10 and the second sound source 20 on the front and back sides of the sound wave generator 100 in FIGS. 1 and 3.
  • the openings 41a and 41b are rectangular.
  • the internal space 40 has a quadrangular prism shape in which a rectangle that is the shape of the openings 41a and 41b extends in the Y direction.
  • the openings 41a and 41b form the open ends (so-called free ends) of the internal space 40.
  • the heating elements 13 and 23 When the current for generating heat from the heating elements 13 and 23 (hereinafter also referred to as “driving current”) is supplied to the heating elements 13 and 23 via the electrodes 30a and 30b, the heating elements 13 and 23 generate heat. When the heating elements 13 and 23 generate heat, the air in the vicinity of the heating elements 13 and 23 is heated and expands. On the other hand, when the supply of the drive current to the heating elements 13 and 23 is stopped, the substrate 11 and the opposing body 21 dissipate the heat of the heating elements 13 and 23, so that the temperature of the heating elements 13 and 23 decreases. Thereby, the air in the vicinity of the heating elements 13 and 23 is cooled and contracts.
  • an air pressure wave (that is, a sound wave) is generated in the internal space 40.
  • the pressure wave is emitted from the openings 41a and 41b.
  • the internal space 40 becomes a path of pressure waves (that is, sound waves) generated in the internal space 40.
  • the pressure wave tries to diffuse in all directions.
  • the substrate 11 and the opposing body 21 are arranged in the height direction (Z direction) of the internal space 40, diffusion in the height direction is limited.
  • the main surface on the side where the substrate 11 and the opposing body 21 face each other, that is, the upper surface of the substrate 11 and the lower surface of the opposing body 21 are flat.
  • the upper surface 15 of the first acoustic wave source 10 and the lower surface 25 of the second acoustic wave source 20 are flat.
  • Flatness of the lower surface of the top facing 21 of the substrate 11, is 1/3 or less variation with respect to distance designed (corresponding to the height L z of the internal space 40).
  • the length L y in the direction (Y direction) between the opening 41a and the opening 41b of the internal space 40, that is, the length of the path is defined by the length of the substrate 11 and the opposing body 21 in the Y direction.
  • the height Lz of the internal space 40 is defined by the thickness of the electrodes 30a and 30b and the thickness of the conductive adhesive that bonds the electrodes 30a and 30b and the heating elements 13 and 23 together.
  • Height L z of the internal space 40 is smaller than the length L y.
  • L z is smaller than 1/10 of L y .
  • L z is 1 mm or less.
  • L z may be 1/100 of L y , and specifically, L z may be about 0.16 mm.
  • the pressure wave will diffuse in the horizontal direction, that is, the direction between the opening 41a and the opening 41b (Y direction) and the direction between the electrodes 30a and 30b (X direction).
  • the electrodes 30a and 30b are disposed so as to close the X direction of the internal space 40, the electrodes 30a and 30b reflect the pressure wave in the X direction in the internal space 40. Functions as a reflector. Therefore, the pressure wave diffused in the horizontal direction in the internal space 40 is reflected by the inner surfaces of the electrodes 30a and 30b and emitted from the openings 41a and 41b.
  • a direction (Y direction) between the openings 41a and 41b is a traveling direction of a sound wave that is a pressure wave.
  • FIG. 4A is a plan view of the sound wave generator 100.
  • FIG. 4B shows a waveform of a sound wave that is a pressure wave generated in the internal space 40.
  • the sound wave generator 100 has an open tube structure formed by the first sound wave source 10, the second sound wave source 20, and the electrodes 30a and 30b.
  • the sound wave generator 100 generates air column resonance in the internal space 40 to increase the pressure change of the air, that is, the sound pressure.
  • Air column resonance is a resonance due to overlapping of the wave in the natural frequency determined by the length L y between the openings 41a, 41b. In this embodiment, set to a length that the opening 41a of the inner space 40, the length L y between 41b is the air column resonance occurs.
  • the opening 41a of the inner space 40, the length L y between 41b, the pressure wave generated in the internal space 40 of the half-wavelength lambda / 2 n times (n
  • the wavelength ⁇ of the pressure wave is determined according to the length of the period (pulse period Tp in FIG. 6) in which the drive current is supplied to the heating elements 13 and 23, as will be described later.
  • FIG. 5 shows a circuit diagram of the sound wave generator 100 and the drive device 200 that drives the sound wave generator 100.
  • the sound wave generator 100 and the drive device 200 constitute a sound wave generator system 1.
  • the heating element 13 of the first acoustic wave source 10 is a resistor having a resistance value R1.
  • the heating element 23 of the second acoustic wave source 20 is a resistor having a resistance value R2.
  • the driving device 200 includes a DC power supply 201, a pulse driving circuit 202, a MOSFET 203, a capacitor 204, and a resistor 205.
  • the DC power supply 201 outputs a DC voltage.
  • the DC power supply 201 is composed of various power supply circuits and / or batteries.
  • Various power supply circuits include, for example, an AC / DC converter, a DC / DC converter, a regulator, and a battery.
  • the pulse drive circuit 202 is connected to the gate of the MOSFET 203 and drives the MOSFET 203.
  • the pulse driving circuit 202 includes an oscillator and the like.
  • the pulse driving circuit 202 generates a pulse signal Sp indicating the on voltage Von or the off voltage Voff based on, for example, a preset cycle and duty ratio (see FIG. 6).
  • the pulse driving circuit 202 in order to use resonance, the pulse driving circuit 202 generates a pulse signal Sp including a burst wave Wb of a plurality of waves (for example, 2 to 5 waves) with a duty ratio of 50%, for example. Thereby, a standing wave (sound wave) of air is generated in the internal space 40.
  • the pulse signal Sp is also referred to as a “drive signal” for driving the sound wave generator 100 in the present embodiment.
  • the pulse drive circuit 202 performs on / off control of the MOSFET 203 using the pulse signal Sp.
  • the MOSFET 203 is connected between the electrode 30a and the low voltage side end of the DC power supply 201.
  • the source of the MOSFET 203 is grounded, for example.
  • the drain of the MOSFET 203 is connected to the electrode 30a.
  • the MOSFET 203 is an example of a switching element that performs on / off control of the drive current I flowing through the heating elements 13 and 23.
  • FIG. 5 shows a configuration example using an n-type MOSFET 203 as a switching element.
  • the capacitor 204 is connected between the resistor 205 and the low-voltage side end of the DC power supply 201 and is connected in parallel to the series circuit of the heating elements 13 and 23 and the MOSFET 203.
  • the capacitor 204 is, for example, an electrolytic capacitor or a ceramic capacitor.
  • the resistor 205 is connected between the high-voltage side end of the DC power supply 201 and the capacitor 204.
  • the resistor 205 has a resistance value R3.
  • the resistor 205 is an example of a resistance element that limits the current flowing from the DC power supply 201 to the heating elements 13 and 23.
  • the pulse driving circuit 202 outputs the pulse signal Sp to the gate of the MOSFET 203 to drive the MOSFET 203 in pulses.
  • the MOSFET 203 is turned on (conductive) when the pulse signal Sp indicates the on-voltage Von, and turned off (non-conductive) when the pulse signal Sp indicates the off-voltage Voff.
  • the capacitor 204 When the MOSFET 203 is turned on, the capacitor 204 is discharged, current flows from the capacitor 204 to the heating elements 13 and 23, and the heating elements 13 and 23 generate heat.
  • the heating elements 13 and 23 generate heat according to the magnitudes of the flowing currents I 1 and I 2 , respectively.
  • the resistance value R3 of the resistor 205 is set to a value that is so large that the current flowing from the DC power supply 201 to the heating elements 13 and 23 can be ignored relative to the current flowing from the capacitor 204 to the heating elements 13 and 23.
  • the MOSFET 203 is turned on and the DC power supply 201, the resistor 205, the heating elements 13 and 23, and the closed circuit of the MOSFET 203 are formed, the current from the DC power supply 201 to the heating elements 13 and 23 is , Almost no flow. Therefore, for example, even when the MOSFET 203 is always turned on due to a failure, the heating elements 13 and 23 can be prevented from being overheated, and the safety of the sound wave generator 100 can be improved.
  • FIG. 6 is a timing chart for explaining the period of sound waves.
  • FIG. 6A shows the input timing of the pulse signal Sp in the MOSFET 203 of the driving device 200.
  • the horizontal axis is time (s)
  • the vertical axis is voltage (V).
  • FIG. 6B shows a sound wave output timing by the sound wave generator 100.
  • the horizontal axis represents time (s)
  • the vertical axis represents sound pressure (Pa).
  • the pulse signal Sp input to the gate of the MOSFET 203 indicates the off voltage Voff before time t1, as shown in FIG. 6 (a). At this time, the capacitor 204 is in a state near full charge.
  • the pulse signal Sp rises to the on voltage Von (FIG. 6A), and the MOSFET 203 is turned on. Then, the capacitor 204 starts discharging, and causes the current I to flow through the heating elements 13 and 23. At this time, the temperature of the heating elements 13 and 23 rises, and the heating elements 13 and 23 heat the surrounding air. Thereby, the air in the internal space 40 is thermally expanded, and the pressure of the air (that is, the sound pressure) rises from the steady value P0 as shown in FIG. 6B.
  • the pulse signal Sp falls to the off voltage Voff (FIG. 6A), and the MOSFET 203 is turned off.
  • the capacitor 204 stops discharging, and the supply of the current I to the heating elements 13 and 23 is stopped.
  • the heating elements 13 and 23 do not generate heat, and cool the air as the temperature decreases.
  • the air in the internal space 40 contracts, and the sound pressure decreases from the steady value P0 as shown in FIG. 6B. Thereafter, the sound pressure returns to the steady value P0.
  • the pulse signal Sp maintains the off voltage Voff after the burst wave Wb, and the capacitor 204 is charged during the period in which the MOSFET 203 is off.
  • the pulse signal Sp rises again at time t4 after a predetermined burst period Tb from time t1 (FIG. 6A). Thereby, the sound wave according to the burst wave Wb similar to the above is repeatedly formed.
  • Period Ts of the sound waves wave generator 100 generates, in order depends on the length of the pulse period Tp of the pulse signal Sp, the frequency f s of the sound wave is determined according to the pulse frequency f p. That is, the wavelength ⁇ of the acoustic wave shown in Equation (1) is determined by the pulse frequency f p of the pulse signal Sp.
  • the air column in the internal space 40 has a length L between the openings 41a and 41b of the internal space 40 as shown in Expression (2). with a natural frequency f r that depends on y.
  • c is the speed of sound (346.5 m / sec at 25 ° C.).
  • the pulse signal Sp pulse frequency f p of the burst wave Wb is set.
  • L y 4 mm
  • the horizontal axis represents the frequency (Hz) of the sine wave
  • the vertical axis represents the sound pressure amplitude (arb.unit).
  • a solid line 71 indicates the sound pressure amplitude of the sound wave generated in the sound wave generating device 100 of the present embodiment, that is, the configuration in which the first sound wave source 10 and the second sound wave source 20 are opposed to each other. .
  • a broken line 72 indicates the sound pressure amplitude of a sound wave generated by only one sound wave source, that is, a conventional sound wave generator that does not have an opposing configuration.
  • the frequency f r1 that as shown in the solid line 71, the peak value of the sound pressure amplitude is obtained, and in the vicinity of 34 kHz.
  • the half width in the simulation of FIG. 7 was 8 kHz.
  • the sound wave generating device 100 of the present embodiment can obtain a sound pressure of about 14 times at maximum as compared with only one sound wave source.
  • the horizontal axis represents the pulse frequency f p (kHz) corresponding to “1 / Tp”
  • the vertical axis represents the microphone output (arb.unit).
  • a solid line 81 indicates an output value in the sound wave generator 100 of the present embodiment, that is, a configuration in which the first sound source 10 and the second sound source 20 are opposed to each other.
  • a broken line 82 indicates an output value in a conventional sound wave generator that does not have only one sound wave source, that is, an opposing configuration.
  • the frequency f r2 at which the peak value of the microphone output is obtained is in the vicinity of 30 kHz.
  • the half width in the actual measurement in FIG. 8 was 21 kHz.
  • the position of the antinode of the pressure wave (n ⁇ ⁇ / 2) in the internal space 40 is actually slightly outside the openings 41a and 41b. It is also conceivable that the sound wave period Ts may be slightly longer than the pulse period Tp of the pulse signal Sp.
  • f r2 (30 kHz) is theoretically by the equation (2) not necessarily coincide with the natural frequency f r which is computed (43 kHz) to a value near the natural frequency f r. Therefore, a pulse frequency f p of the pulse signal Sp, in consideration of the error between the natural frequency f r which is calculated by the equation (2), the pulse frequency f p may be set.
  • the pulse frequency f p of the pulse signal Sp That's fine is greater than or equal to half the peak value, by setting the pulse frequency f p of the pulse signal Sp That's fine.
  • the frequency f s of the sound wave is set. If the frequency f s of the wave is set by the alpha ⁇ 0.2, the path length L y is from n / 2 times the value of the wavelength corresponding to the natural frequency f r of the air column of approximately ⁇ 20% Has tolerance.
  • acoustic wave generating system 1 as the air column resonance is generated, based on the frequency f s of the wave to be output, and the pulse frequency f p of the pulse signal Sp, the internal space in the direction of travel of the sound wave The distance L y between both ends of 40 (ie, the path) is determined.
  • the sound wave generation system 1 may have any configuration that can utilize the air column resonance effect. Therefore, according to the pulse frequency f p of the pulse signal Sp, the opening 41a of the inner space 40, the length L y between 41b may be determined.
  • the length L y is the n / 2 times the wavelength ⁇ of the acoustic wave are defined by the pulse signal Sp as the reference value may be set within a range of ⁇ 20% of the reference value.
  • the opening 41a of the inner space 40, depending on the length L y between 41b, the pulse frequency f p of the pulse signal Sp may be set.
  • the thermal excitation type sound wave generator 100 includes a heating element 13, a substrate 11 on which the heating element 13 is disposed on the main surface side, and a position facing the substrate 11 with the heating element 13 interposed therebetween. And a counter body 21 arranged.
  • the substrate 11 and the opposing body 21 form an internal space 40 where sound waves are generated, that is, a path of sound waves.
  • the length L y of the path is in the vicinity of integral multiples of 1/4 wavelength of sound waves.
  • “Near an integral multiple of a quarter wavelength of a sound wave” is a value that can use air column resonance in a path and is a value within a predetermined range with n / 4 times the wavelength ⁇ as a reference value.
  • the length L y of the path is specifically in the vicinity of an integral multiple of 1 ⁇ 2 wavelength of the sound wave.
  • air column resonance occurs in the path, and the generation efficiency of sound waves can be improved.
  • Distance between the substrate 11 and the counter member 21 i.e., the height L z of the internal space 40
  • the length L y of the path is smaller than the length L y of the path.
  • the surface of the substrate 11 that faces the counter body 21 is flat, and the surface of the counter body 21 that faces the substrate 11 is flat. Thereby, diffusion in an undesired direction can be suppressed.
  • a pair of reflectors that reflect sound waves are provided along the path between the substrate 11 and the counter body 21, and a path is formed between the substrate 11, the counter body 21, and the pair of reflectors.
  • the pair of electrodes 30a and 30b that are connected to the heating element 13 and supply current to the heating element 13 function as a pair of reflectors.
  • the substrate 11 and the opposing body 21 are held via electrodes 30a and 30b that function as reflectors.
  • the electrodes 30 a and 30 b function as spacers, and a path can be formed between the first sound source 10 and the second sound source 20.
  • a heating element 23 is provided on a surface of the opposing body 21 that faces the substrate 11. By providing the heating elements 13 and 23, it is possible to generate a sound wave having a higher sound pressure. Moreover, the sound wave generator 100 can be reduced in size by providing the heat generating bodies 13 and 23 in the position where the 1st sound wave source 10 and the 2nd sound wave source 20 oppose.
  • the heating element 23 is connected to the common electrodes 30a and 30b. Thereby, the air column resonance effect can be obtained even in the pressure wave generated by heating the heating element 23. In addition, since the heating elements 13 and 23 are supplied with power through the common electrodes 30a and 30b, the number of circuit components can be reduced.
  • the route is a quadrangular prism. Therefore, it is possible to prevent the occurrence of turbulent flow in the route.
  • the sound wave generation system 1 includes a thermally excited sound wave generator 100 and a drive device 200 that supplies a pulse signal (drive signal) Sp to the sound wave generator 100, and the wavelength of the sound wave is driven. Defined by signal. Thereby, the generation efficiency of sound waves can be improved according to the drive signal.
  • drive signal pulse signal
  • the sound wave generator 100 has an open tube structure.
  • the sound wave generator 100 has a closed tube structure.
  • the sound wave generator 100 according to the second embodiment will be described.
  • FIG. 9 is an exploded perspective view showing the configuration of the sound wave generator 100 of the second embodiment.
  • the sound wave generation device 100 of the present embodiment further includes a closing body 55.
  • the closing body 55 forms a closed end (so-called fixed end) of the internal space 40.
  • the closing body 55 is arranged between the first sound source 10 and the second sound source 20 so as to close one end of the path, that is, one end in the Y direction of the internal space 40. 30b. Therefore, the sound wave generating device 100 of the present embodiment forms one opening 41b.
  • the sound wave generator 100 has a closed tube structure formed by the first sound wave source 10, the second sound wave source 20, the electrodes 30 a and 30 b, and the closing body 55.
  • FIG. 10A is a plan view of the sound wave generator 100 of the second embodiment.
  • FIG. 10B shows a waveform of a sound wave that is a pressure wave in the internal space 40 in the second embodiment.
  • the length L y between the closed end and the open end of the inner space 40, an odd multiple of a quarter wavelength of the pressure wave generated in the internal space 40 The length L y in the Y direction of the substrate 11 and the opposing body 21 is set so as to be in the vicinity of (2n ⁇ 1).
  • Equation (4) having a natural frequency f r which depends on the length L y in the Y-direction of the inner space 40.
  • c is the speed of sound.
  • one of the both ends of the internal space 40 (travel path) in the traveling direction of the sound wave is an open end, and the other is a closed end.
  • the length L y of the path is in the vicinity of the odd multiple of 1/4 wavelength of sound waves.
  • the first acoustic wave source 10 and the second acoustic wave source 20 are plate-shaped, and the openings 41 a and 41 b are between the first acoustic wave source 10 and the second acoustic wave source 20.
  • the example formed in the above has been described.
  • the configuration of the sound wave generator 100 is not limited to this.
  • the sound wave generator 100 may be configured to use resonance.
  • another configuration example of the sound wave generator 100 will be described with reference to FIGS. 11 to 18.
  • FIG. 11 to 13 show modifications of the sound wave generator 100.
  • the first sound wave source 10 has a concave shape
  • the second sound wave source 20 has a flat plate shape.
  • the first sound wave source 10 is L-shaped
  • the second sound wave source 20 is flat.
  • both the first sound source 10 and the second sound source 20 are L-shaped.
  • the heating elements 13 and 23 are arranged on the surface where the first sound wave source 10 and the second sound wave source 20 face each other.
  • an internal space (path) 40 is formed by the first acoustic wave source 10, the second acoustic wave source 20, and the electrodes 30a and 30b.
  • the first acoustic wave source 10, the second acoustic wave source 20, and the electrodes 30a and 30b are indicated by hatching in order to clarify the internal space (path) 40.
  • the internal space 40 has a concave shape on the YZ plane extending in the X direction.
  • the length Ly of the internal space (route) 40 is the shortest distance between the openings 41a and 41b in the internal space (route) 40.
  • the length L y of the inner space (path) 40 corresponds to the concave inner space 40 length along the outer edge of the second acoustic source 20.
  • FIG. 14 is a perspective view showing another modification of the sound wave generator 100.
  • FIG. 15 is an exploded perspective view of the sound wave generator 100 of FIG.
  • the second sound wave source 20 is held on the first sound wave source 10 by the concave electrodes 30a and 30b. Therefore, in the internal space 40, there are gaps 45 at both ends in the direction (X direction) perpendicular to the traveling direction of the sound wave. Even in such a case, a resonance effect can be obtained.
  • FIG. 16 shows still another modification of the sound wave generator 100.
  • the openings 41 a and 41 b are formed between the first sound wave source 10 and the second sound wave source 20, but in the example of FIG. 16, the openings 41 a and 41 b are provided in the opposing body 21. Through hole.
  • the sound wave generator 100 of FIG. 16 does not have the heat insulating layer 22 and the heating element 23.
  • the sound wave generator 100 includes a spacer 51 between the heating element 13 and the opposing body 21.
  • the internal space 40 is formed by the spacer 51. Even in this case, the distance L y between the openings 41a, 41b are designed to satisfy equation (1).
  • the openings 41a and 41b may be through holes provided in the first sound wave source 10.
  • One of the through holes forming the openings 41 a and 41 b may be provided in the first sound wave source 10, and the other may be provided in the second sound wave source 20.
  • FIG. 17 shows still another modification of the sound wave generator 100.
  • 18 is a cross-sectional view of the sound wave generator 100 taken along the line B-B 'of FIG.
  • the sound wave generator 100 shown in FIGS. 17 and 18 does not have the heat insulating layer 22 and the heating element 23.
  • the opposing body 21 in FIG. 17 is a housing.
  • the housing is formed of, for example, an insulating material.
  • the first sound wave source 10 is disposed on the bottom surface of the casing with the electrodes 30a and 30b interposed so that the heating element 13 faces the casing.
  • An internal space 40 is formed between the opposing body 21 that is a casing and the first sound wave source 10.
  • the sound wave generating device 100 may be configured to include the two openings 41a and 41b, or may be configured to include only one of the openings 41a and 41b. That is, in the case of open tube structure as long as the length L y of the inner space (path) 40 satisfies the equation (1), in the case of closed pipe structure length L y of the inner space (path) 40 is formula Any material satisfying (3) may be used.
  • the heating elements 13 and 23 are connected to the common electrodes 30a and 30b, but the heating elements 13 and 23 may be connected to different pairs of electrodes. Note that the number of circuit components can be reduced by supplying the drive current I to the heating elements 13 and 23 of the first sound wave source 10 and the second sound wave source 20 through the same electrodes 30a and 30b. it can.
  • only one of the first acoustic wave source 10 and the second acoustic wave source 20 may include a heating element. Even when there is only one heating element, air column resonance can be generated.
  • sound pressure can be improved by providing both the 1st acoustic wave source 10 and the 2nd acoustic wave source 20 which oppose a heating element.
  • the sound wave generator 100 can be reduced in size by making the structure which the two heat generating bodies 13 and 23 oppose.
  • the electrodes 30a and 30b function as reflectors that reflect sound waves in the direction of the internal space 40.
  • the reflector only needs to extend in the traveling direction (Y direction) of the sound wave between the first sound wave source 10 and the second sound wave source 20.
  • the reflector may be separate from the electrodes 30a and 30b, or may include the electrodes 30a and 30b in part.
  • the second sound source 20 is held on the first sound source 10 by the reflector.
  • the reflector functions as a spacer, and the internal space 40 may be formed by the first sound source 10, the second sound source 20, and the reflector.
  • a coating layer such as a thin heat transfer layer having electrical insulation may be formed on the opposing surfaces of the heating elements 13 and 23 (for example, the upper surface of the heating element 13 and the lower surface of the heating element 23).
  • the present invention is useful as a thermal excitation type sound wave generator and sound wave generation system for generating sound waves.

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Abstract

音波の発生効率を向上させる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、第１の発熱体を介在して基板に対向する位置に配置された対向体（２１）と、を備え、基板及び対向体によって音波の行路（４０）が形成され、行路の長さ（Ｌｙ）は、音波の１／４波長の整数倍の近傍である。

Description

熱励起型の音波発生装置及び音波発生システム
　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、音波の発生効率を向上させる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、第１の発熱体を介在して基板に対向する位置に配置された対向体と、を備え、基板及び対向体によって音波の行路が形成され、行路の長さは、音波の１／４波長の整数倍の近傍である。
　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ると、音波の発生効率を向上させることができる。
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 熱励起型の音波発生装置の変形例を示す斜視図 図１７の音波発生装置の断面図
　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、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Ａｌ２Ｏ３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ＳｉＯ２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，ＲｕＯ２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Ｌｚ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Ｌｙ、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Ｌｚ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Ｌｚは、長さＬｙよりも小さい。例えば、ＬｚはＬｙの１／１０より小さく、具体的にはＬｚは１ｍｍ以下である。ＬｚはＬｙの１／１００であってもよく、具体的にはＬｚ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Ｌｙ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Ｌｙ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Ｌｙ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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
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Ｉ１，Ｉ２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ｆｓは「ｆｓ＝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ｆｐは「ｆｐ＝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ｆｓはパルス周波数ｆｐ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ｆｐ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ｆｓに応じて、パルス信号Ｓｐのバースト波Ｗｂのパルス周波数ｆｐと、内部空間４０の開口４１ａ，４１ｂ間の長さＬｙ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Ｌｙに依存した固有振動数ｆｒを持つ。式（２）において、ｃは音速（２５℃の場合３４６．５ｍ／ｓｅｃ）である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　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ｆｓが、内部空間４０内の気柱の固有振動数ｆｒ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ｆｐが設定される。上記式（２）において、例えば、Ｌｙ＝４ｍｍ、ｃ＝３４６．５ｍ／ｓｅｃとした場合、気柱の固有振動数ｆｒは４３ｋＨｚになる。この場合、音波の周波数ｆｓが例えば４３ｋＨｚ（ｆｓ＝ｆｒ）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ｆｐ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、Ｌｙ＝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ｆｒ１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、Ｌｙ＝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ｆｐ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ｆｐ（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ｆｒ２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ｆｒ１（３４ｋＨｚ），ｆｒ２（３０ｋＨｚ）は、式（２）により理論的に算出される固有振動数ｆｒ（４３ｋＨｚ）と必ずしも一致せず、固有振動数ｆｒの近傍の値となる。よって、パルス信号Ｓｐのパルス周波数ｆｐと、式（２）によって算出される固有振動数ｆｒとの誤差を考慮して、パルス周波数ｆｐ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ｆｓが気柱の固有振動数ｆｒの近傍の範囲（例えば、ｆｒ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ｆｐを設定すればよい。換言すると、気柱の固有振動数ｆｒに対して音波の周波数ｆｓが「ｆｓ＝（１±α）ｆｒ」（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ｆｓを設定する。音波の周波数ｆｓがα≒０．２で設定された場合、行路の長さＬｙは、気柱の固有振動数ｆｒ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ｆｓに基づいて、パルス信号Ｓｐのパルス周波数ｆｐ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Ｌｙ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ｆｐに応じて、内部空間４０の開口４１ａ，４１ｂ間の長さＬｙが決定されてもよい。例えば、長さＬｙ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Ｌｙに応じて、パルス信号Ｓｐのパルス周波数ｆｐ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と、発熱体１３が主面側に配置された基板１１と、発熱体１３を介在して基板１１に対向する位置に配置された対向体２１と、を備える。基板１１及び対向体２１によって音波が発生する内部空間４０、すなわち、音波の行路が形成される。行路の長さＬｙは、音波の１／４波長の整数倍の近傍である。
　「音波の１／４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／４倍を基準値とする所定範囲内の値である。本実施形態では、行路の両端が開口端であるため、行路の長さＬｙは、具体的には、音波の１／２波長の整数倍の近傍である。ここで、近傍の範囲は、気柱の固有振動数ｆｒを基準とすると、「ｆｓ＝（１±α）ｆｒ」（例えば、０≦α≦０．２）となる周波数ｆｓ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。
　基板１１と対向体２１との離間距離（すなわち、内部空間４０の高さＬｚ）は、行路の長さＬｙ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。
　基板１１において対向体２１に対向する面は平坦であり、対向体２１において基板１１に対向する面は平坦である。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。
　音波を反射する一対の反射体が、行路に沿って、基板１１と対向体２１との間に設けられ、基板１１と対向体２１と一対の反射体との間に行路が形成される。本実施形態においては、発熱体１３に接続されて電流を発熱体１３に供給する一対の電極３０ａ，３０ｂが、一対の反射体として機能する。反射体を設けることによって、開口方向（Ｙ方向）以外に向かう圧力波のエネルギーを反射体に沿って開口方向に誘導させることができる。これにより、開口から出力される圧力波のエネルギーが増加する。
　基板１１と対向体２１とは、反射体として機能する電極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。
　対向体２１において基板１１と対向する面に発熱体２３が設けられる。発熱体１３，２３を備えることによって、より高い音圧の音波を発生させることができる。また、第１の音波源１０及び第２の音波源２０が対向する位置に発熱体１３，２３を備えることによって、音波発生装置１００を小型化することができる。
　発熱体２３は、共通の電極３０ａ，３０ｂに接続されている。これにより、発熱体２３の加熱によって発生する圧力波においても、気柱共鳴効果が得られる。また、発熱体１３，２３が共通の電極３０ａ，３０ｂを介して、給電されるため、回路の部品点数を削減することができる。
　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。
　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Ｌｙ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Ｌｙ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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　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Ｌｙに依存した固有振動数ｆｒを持つ。式（４）において、ｃは音速である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　駆動装置２００は、実施形態１と同様に、音波の周波数ｆｓが「ｆｓ＝（１±α）ｆｒ」（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ｆｐ（＝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Ｌｙ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ｆｒに対して、「ｆｓ＝（１±α）ｆｒ」（例えば、０≦α≦０．２）となる周波数ｆｓ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、共鳴を利用する構成であればよい。以下、図１１から図１８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Ｌｙ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Ｌｙ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、対向体２１に設けられた貫通孔である。図１６の音波発生装置１００は、断熱層２２及び発熱体２３を有しない。音波発生装置１００は、発熱体１３と対向体２１との間にスペーサ５１を備える。スペーサ５１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Ｌｙ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。
　図１７は、音波発生装置１００のさらに別の変形例を示している。図１８は、図１７のＢ－Ｂ’断面における音波発生装置１００の断面図である。図１７及び図１８に示す音波発生装置１００は、断熱層２２及び発熱体２３を有しない。図１７における対向体２１は筐体である。筐体は、例えば、絶縁性の材料によって形成される。第１の音波源１０は、発熱体１３が筐体と対向するように、電極３０ａ，３０ｂを介在して筐体の底面上に配置される。筐体である対向体２１と第１の音波源１０との間に内部空間４０が形成される。
　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Ｌｙ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Ｌｙが式（３）を満たすものであればよい。
　上記実施形態において、発熱体１３，２３は、共通の電極３０ａ，３０ｂに接続されたが、発熱体１３，２３は異なる一対の電極に接続されてもよい。なお、同一の電極３０ａ，３０ｂを介して、第１の音波源１０及び第２の音波源２０の発熱体１３，２３に駆動電流Ｉを供給することによって、回路の部品点数を削減することができる。
　上記実施形態において、第１の音波源１０及び第２の音波源２０のいずれか一方のみが発熱体を備える構成であってもよい。発熱体が１つの場合であっても、気柱共鳴を発生させることができる。なお、対向する第１の音波源１０及び第２の音波源２０の両方が発熱体を備えることによって、音圧を向上させることができる。また、２つの発熱体１３，２３が対向する構成にすることで、音波発生装置１００を小型化することができる。
　上記実施形態では、電極３０ａ，３０ｂが音波を内部空間４０内の方向へ反射する反射体として機能した。しかし、反射体は、第１の音波源１０と第２の音波源２０との間で音波の進行方向（Ｙ方向）に延びているものであればよい。例えば、反射体は、電極３０ａ，３０ｂと別体であってもよいし、一部に電極３０ａ，３０ｂを含んでもよい。この場合、第２の音波源２０は、反射体によって、第１の音波源１０上に保持される。反射体はスペーサとして機能し、第１の音波源１０、第２の音波源２０、及び反射体によって内部空間４０が形成されてもよい。
　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 (12)

  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、
    　前記第１の発熱体を介在して前記基板に対向する位置に配置された対向体と、
    　を備え、
    　前記基板及び前記対向体によって音波の行路が形成され、
    　前記行路の長さは、前記音波の１／４波長の整数倍の近傍である、
    　熱励起型の音波発生装置。
  2. 　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１に記載の熱励起型の音波発生装置。
  3. 　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１に記載の熱励起型の音波発生装置。
  4. 　前記基板と前記対向体との離間距離は、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. 　前記基板において前記対向体に対向する面は平坦であり、
    　前記対向体において前記基板に対向する面は平坦である、
    　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。
  6. 　前記音波を反射する一対の反射体が、前記行路に沿って、前記基板と前記対向体との間に設けられ、
    　前記基板と前記対向体と前記一対の反射体との間に前記行路が形成される、
    　請求項１～５のいずれか１項に記載の熱励起型の音波発生装置。
  7. 　前記基板と前記対向体とは、前記一対の反射体を介して保持される、
    　請求項６に記載の熱励起型の音波発生装置。
  8. 　前記一対の反射体は、前記第１の発熱体に接続されて電流を前記第１の発熱体に供給する一対の電極である、
    　請求項６又は７に記載の熱励起型の音波発生装置。
  9. 　前記対向体において前記基板と対向する面に第２の発熱体が設けられる、
    　請求項１～８のいずれか１項に記載の熱励起型の音波発生装置。
  10. 　前記対向体において前記基板と対向する面に第２の発熱体が設けられ、
    　前記第２の発熱体は、前記一対の電極に接続されている、
    　請求項８に記載の熱励起型の音波発生装置。
  11. 　前記行路は四角柱状である、
    　請求項１～１０のいずれか１項に記載の熱励起型の音波発生装置。
  12. 　音波を発生させる請求項１から請求項１１のいずれか１項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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