特許ウォッチ

公開番号2025079004
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-05-21
出願番号2023191387
出願日2023-11-09
発明の名称超音波投射装置
出願人学校法人日本大学,日本特殊陶業株式会社
代理人個人
主分類H04R 17/00 20060101AFI20250514BHJP(電気通信技術)
要約【課題】安定的に作製可能で、音圧が強く指向性の広い超音波投射装置を提供する。
【解決手段】振動発生部4を有し、軸線O方向に振動を発生させるベース部20と、ベース部の先端側に設けられて超音波を投射する振動部13と、振動部とベース部とを接続する接続部15と、を備えた超音波投射装置100であって、軸線方向から見て、振動部は多角形、円形、又は楕円形をなし、振動部が角数nの多角形の場合、接続部は多角形の頂点のうち、n×7/8個(但し、小数点以下切り上げ)以上の頂点に少なくとも設けられ、振動部が円形の場合、接続部は円の外周縁のうち、中心角が等間隔の3つ以上の位置の7/8以上の箇所(但し、小数点以下切り上げ)に少なくとも設けられ、振動部が楕円形の場合、接続部は4か所に少なくとも設けられ、かつ、振動部の面方向の中央部には接続部が設けられずにベース部との間に空間を有し、空間が外部へとつながる穴を一つ以上有する。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
振動発生部を有し、軸線方向に振動を発生させるベース部と、
前記ベース部の前記軸線方向の先端側に設けられて超音波を投射する振動部と、
前記振動部と前記ベース部とを接続する接続部と、
を備えた超音波投射装置であって、
前記軸線方向から見て、前記振動部は多角形、円形、又は楕円形をなし、
前記振動部が角数ｎの多角形の場合、前記接続部は前記多角形の頂点のうち、ｎ×７/８個（但し、小数点以下切り上げ）以上の頂点に少なくとも設けられ、
前記振動部が円形の場合、前記接続部は前記円の外周縁のうち、中心角が等間隔の３つ以上の位置の７/８以上の箇所（但し、小数点以下切り上げ）に少なくとも設けられ、
前記振動部が楕円形の場合、前記接続部は前記楕円の外周縁のうち、長軸及び短軸と交わる４か所に少なくとも設けられ、
かつ、前記振動部の面方向の中央部には前記接続部が設けられずに前記ベース部との間に空間を有し、
前記空間が外部へとつながる穴を一つ以上有することを特徴とする超音波投射装置。
続きを表示（約 460 文字）【請求項２】
前記接続部は、前記振動部の外周縁のすべてに繋がって設けられることを特徴とする請求項１に記載の超音波投射装置。
【請求項３】
前記接続部は、前記振動部より後端側で前記ベース部を径方向に貫通する１個以上の貫通孔として設けられることを特徴とする請求項１に記載の超音波投射装置。
【請求項４】
前記振動部と前記ベース部とは別体であることを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波投射装置。
【請求項５】
前記軸線方向から見て、前記振動部は正多角形又は円形であることを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波投射装置。
【請求項６】
前記接続部と前記ベース部との境界部は、前記振動部に向かって径方向に細くなる形態であることを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波投射装置。
【請求項７】
前記接続部と前記振動部との境界部は、前記振動部に向かって径方向に太くなる形態であることを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波投射装置。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波投射装置に関する。
続きを表示（約 2,400 文字）【背景技術】
【０００２】
強力な振動を発生させる超音波源として、ボルト締めランジュバン型振動子などが挙げられる（特許文献１、２、３参照）。
このような振動源を利用した超音波投射装置は、単体で強い出力を得るために上述の特許文献１の技術のように指向性の狭い平面波を形成するものが主流であり、主に水中音響の分野で検討されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
特許第5338294号
特開2023-122410号公報
特開2019-42712号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、近年、空中においても強力な超音波を利用した技術が注目されており、損失の多い空中でもエネルギーを得やすい特許文献２、３のようなたわみ振動を利用した技術も提案されている。特許文献２は、振動板中央部を振動源として固定したたわみ振動であるため、両端の変位が大きく、音圧の角度方向の依存性が大きいビームを形成する、すなわち、指向性が狭いといえる。一方特許文献３は外周部を振動源として固定した構造であり、中央部が最も大きな振幅を持つ。このような場合、球面波に近い音場を形成し、指向性は広くなる。
【０００５】
強力な超音波を任意の位置で得るための技術として、フェーズドアレイが注目されている。
フェーズドアレイは、超音波を投射する素子を複数個配列し、各素子に位相差を加えることで、ビームの方向を任意に変えることができる。このような技術は障害物検知をはじめとした計測技術やハプティクス技術において注目されている。
超音波投射装置には現在おもに開放型超音波センサなどが利用されているが、より単位面積当たりの音圧が高いことが要求される。
しかしながら、特許文献１、２記載の技術のような指向性の狭い超音波素子を用いると、ビーム方向と素子との位置関係によっては出力低下が発生するという問題がある。
【０００６】
特許文献３記載の技術は、振動伝達の効率を重視するため振動源からの接続部と振動部により完全密閉の中空構造を形成しているが、これは、製作及び性能の面で改善の余地がある。
性能の面では、振動時に密閉空間内にも音波が照射されることによって、反射波による複雑な音場の形成や、音波が吸収減衰に伴う空気の温度上昇による圧力上昇が発生する可能性がある。これらにより薄板で形成される放射部に負荷を与え、目的の超音波の放射効率が低下する可能性がある。
すなわち、本発明は、安定的に作製可能で、音圧が強く、かつ指向性の広い超音波投射装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明の超音波投射装置は、振動発生部を有し、軸線方向に振動を発生させるベース部と、前記ベース部の前記軸線方向の先端に設けられて超音波を投射する振動部と、前記振動部と前記ベース部とを接続する接続部と、を備えた超音波投射装置であって、前記軸線方向から見て、前記振動部は多角形、円形、又は楕円形をなし、前記振動部が角数ｎの多角形の場合、前記接続部は前記多角形の頂点のうち、ｎ×７/８個（但し、小数点以下切り上げ）以上の頂点に少なくとも設けられ、前記振動部が円形の場合、前記接続部は前記円の外周縁のうち、中心角が等間隔の３つ以上の位置の７/８以上の箇所（但し、小数点以下切り上げ）に少なくとも設けられ、前記振動部が楕円形の場合、前記接続部は前記楕円の外周縁のうち、長軸及び短軸と交わる４か所に少なくとも設けられ、かつ、前記振動部の面方向の中央部には前記接続部が設けられずに前記ベース部との間に1か所以上の外部と接続した空間を有することを特徴とする。
【０００８】
この超音波投射装置によれば、振動部の頂点等の外周縁の大部分が接続部に接続（拘束）されると共に、振動部の面方向の中央部が接続部で拘束されないため、ベース部からの縦方向（軸線方向）の振動を、中央部分が大きく振動するたわみ振動に変換することができ、指向性の広い超音波を投射することができる。
又、もとの振動は縦方向（軸線方向）を利用した強力な振動源を用いることができるため、音圧を強くすることができる。
ただし、目的の使用周波数において、振動部中央が変位最大となる節の無いたわみ振動のモードとなるように振動部の厚みや接続部、外形幅を設計する必要がある。
又、外周部の固定が少なすぎる場合や偏っている場合、不要な外周部の強い振幅が発生し、指向性が狭くなる、回転方向の指向性が意図しない形で複雑に変化するなどの可能性があるため、注意が必要である。
さらに、ベース部と振動部が形成する空間の一部が外部とつながることで、製作上および性能上で懸念のある完全密閉を形成することを回避することができる。
【０００９】
本発明の超音波投射装置において、前記接続部は、前記振動部の外周縁のすべてに繋がって設けられてもよい。
この超音波投射装置によれば、振動部の外周縁のすべてが接続部に接続されているので、全ての方位に対して広い指向性を持つことができる。
【００１０】
本発明の超音波投射装置において、前記接続部は、前記振動部より後端側で前記ベース部を径方向に貫通する１個以上の貫通孔として設けられてもよい。
この超音波投射装置によれば、穴開け等の単純な加工によって振動部を形成することができるため、数mmオーダーの超音波素子サイズであっても、加工が容易である。
（【００１１】以降は省略されています）

関連特許