JP2024055757A - 超音波発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】全長変更の自由度を向上させ、小型化が可能な超音波発生装置を提供する。【解決手段】縦振動を発生させる振動子ユニット２と、振動子ユニット２に接続されると共に縦振動から超音波を生成して空中に放射する超音波放射体３とを備え、超音波放射体３が、振動子ユニット２が接続される振動子接続部４と、振動子接続部４を介して伝達される縦振動の少なくとも一部を横振動に変換するコニカルホーン５と、コニカルホーン５に接続されると共に、横振動が伝達されてたわみ振動することで超音波を放射するたわみ振動板６とを有する。【選択図】図１

Description

本発明は、超音波発生装置に関するものである。

例えば、特許文献１には、超音波音源が開示されている。特許文献１に開示された超音波音源は、振動子と、振幅拡大用ホーンと、共振棒と、振動板とを備えている。振動子は、縦振動を生成する。振動子で生成された縦振動は、振幅拡大用ホーンで振幅が増大され、共振棒を介して振動板に伝達される。振動板は、縦振動が伝達されることでたわむように振動し、超音波を空中に放射する。

特許第５０８３９７０号公報

このような特許文献１に開示された超音波音源は、振動子と、振幅拡大用ホーンと、共振棒との各々は、縦振動に共振するように、使用周波数（振動子で生成される縦振動の周波数）に基づいて設定されている。例えば、振動子と、振幅拡大用ホーンと、共振棒との各々は、縦振動の波長の半分の長さに形成されている。このように、特許文献１に開示された超音波音源は、全長が使用周波数に依存して決定するため、全長を任意に変更することが難しい。このため、特許文献１に開示された超音波音源は、全長を短くして小型化することが困難であった。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、全長変更の自由度を向上させ、小型化が可能な超音波発生装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するための手段として、以下の構成を採用する。

本発明の第１の態様は、超音波発生装置であって、縦振動を発生させる振動子ユニットと、上記振動子ユニットに接続されると共に上記縦振動から超音波を生成して空中に放射する超音波放射体とを備え、上記超音波放射体が、上記振動子ユニットが接続される振動子接続部と、上記振動子接続部を介して伝達される上記縦振動の少なくとも一部を横振動に変換する横振動生成部と、上記横振動生成部に接続されると共に、上記横振動が伝達されてたわみ振動することで上記超音波を放射する振動板とを有するという構成を採用する。

本発明の第２の態様は、上記第１の態様において、上記横振動生成部が、上記縦振動の進行方向と直交する断面積が、上記振動子ユニットから遠ざかるに連れて減少するホーンであるという構成を採用する。

本発明の第３の態様は、上記第２の態様において、上記ホーンが、反対方向を向くと共に、上記振動子ユニットから遠ざかるに連れて互いに近づく第１傾斜面及び第２傾斜面を有し、上記第１傾斜面及び上記第２傾斜面は、上記縦振動の進行方向に対する傾斜角度が異なるという構成を採用する。

本発明の第４の態様は、上記第１～第３のいずれか一つの態様において、上記超音波放射体が、複数の上記振動板を有するという構成を採用する。

本発明の第５の態様は、上記第４の態様において、複数の上記振動板が、互いの間に定在波が形成可能な位置に配置されているという構成を採用する。

本発明の第６の態様は、上記第４または第５の態様において、複数の上記振動板の各々に対して、上記横振動生成部が設けられているという構成を採用する。

本発明の第７の態様は、上記第１～第３のいずれかの態様において、単一の前記振動子接続部に対して、単一の前記横振動生成部と、単一の前記振動板とが設けられているという構成を採用する。

本発明の第８の態様は、上記第７の態様において、前記横振動生成部が、前記縦振動の進行方向と直交する断面積が、前記振動子ユニットから遠ざかるに連れて減少するホーンであり、前記ホーンは、反対方向を向くと共に、前記振動子ユニットから遠ざかるに連れて互いに近づく第１傾斜面及び第２傾斜面を有し、前記第１傾斜面及び前記第２傾斜面は、前記縦振動の進行方向に対する傾斜角度が異なり、前記横振動の振動方向における前記振動子接続部の中心位置に対して近い側に前記第１傾斜面が位置し、前記中心位置に対して遠い側に前記第２傾斜面が位置し、前記第１傾斜面の前記傾斜角度は前記第２傾斜面の前記傾斜角度よりも大きいという構成を採用する。

本発明の第９の態様は、上記第７の態様において、前記振動子接続部が、複数の側面を有する直方体形状に形成され、前記横振動生成部が、前記縦振動の進行方向と直交する断面積が、前記振動子ユニットから遠ざかるに連れて減少するホーンであり、前記ホーンが、前記振動子接続部の前記側面と面一の平滑面と、前記平滑面と反対側を向く反対側傾斜面とを有し、前記振動板の片面が、前記平滑面と面一であるという構成を採用する。

本発明は、振動子ユニットに接続される超音波放射体を備える。また、超音波放射体は、縦振動を横振動に変更する横振動生成部を有する。さらに、振動板は横振動が伝達されることでたわみ振動する。このような超音波放射体は、縦振動に対して共振しなくても超音波を放射することができる。このため、超音波放射体の進行方向における長さ寸法（全長）は、振動子ユニットで生成される縦振動の波長に依存して設定する必要がなく、任意に設定することができる。よって、本発明の超音波発生装置は、全長変更の自由度が向上し、小型化が可能である。

本発明の第１実施形態における超音波発生装置の斜視図である。 本発明の第１実施形態における超音波発生装置が備える超音波放射体の三面図であり、（ａ）がｙ方向から見た図であり、（ｂ）がｘ方向から見た図であり、（ｃ）がｚ方向から見た図である。 本発明の一実施例における超音波発生装置でのアドミタンス特性の測定結果を示す図である。 本発明の一実施例における超音波発生装置でのたわみ振動板の振動変位の測定結果を示す図である。 本発明の一実施例における超音波発生装置でのたわみ振動板間の音圧の測定結果を示す図である。 本発明の第２実施形態における超音波発生装置の斜視図である。 本発明の第２実施形態における超音波発生装置が備える超音波放射体の三面図であり、（ａ）がｙ方向から見た図であり、（ｂ）がｘ方向から見た図であり、（ｃ）がｚ方向から見た図である。 本発明の第３実施形態における超音波発生装置の斜視図である。 本発明の第３実施形態における超音波発生装置が備える超音波放射体の三面図であり、（ａ）がｙ方向から見た図であり、（ｂ）がｘ方向から見た図であり、（ｃ）がｚ方向から見た図である。 本発明の第４実施形態における超音波発生装置の斜視図である。 本発明の第４実施形態における超音波発生装置が備える超音波放射体の三面図であり、（ａ）がｙ方向から見た図であり、（ｂ）がｘ方向から見た図であり、（ｃ）がｚ方向から見た図である。 本発明の第５実施形態における超音波発生装置の斜視図である。 本発明の第５実施形態における超音波発生装置が備える超音波放射体の三面図であり、（ａ）がｙ方向から見た図であり、（ｂ）がｘ方向から見た図であり、（ｃ）がｚ方向から見た図である。

以下、図面を参照して、本発明に係る超音波発生装置の一実施形態について説明する。

（第１実施形態）
図１は、本実施形態の超音波発生装置１の斜視図である。本実施形態の超音波発生装置１は、給電されることで超音波を空中に放射する超音波源である。図１に示すように、本実施形態の超音波発生装置１は、振動子ユニット２と、超音波放射体３とを備える。

本実施形態の超音波発生装置１の設置姿勢は特に限定されるものではない。ただし、以下の説明においては、便宜上、図１に示すように、振動子ユニット２と超音波放射体３との配列方向をｙ方向とする。また、ｙ方向と直交する第１の方向をｘ方向とし、ｙ方向及びｘ方向と直交する方向をｚ方向とする。なお、ｚ方向は、超音波放射体３の後述する２つのたわみ振動板６が配列される方向とする。

振動子ユニット２は、振動（超音波振動）を発生させるユニットであり、複数の圧電素子２ａと、ホルダ２ｂとを備えている。振動子ユニット２は、全体として、軸芯Ｌを有する略円柱形状に形成されている。振動子ユニット２は、軸芯Ｌがｙ方向と平行となるように配置されている。

複数の圧電素子２ａは、ｙ方向に積層配置されている。各々の圧電素子２ａは、給電されることでｙ方向を振幅方向として振動する。つまり、これらの圧電素子２ａは、給電されることで、ｙ方向（軸芯Ｌに沿う方向）に進行する縦振動を発生させる。なお、圧電素子２ａに換えて、磁歪素子、電歪素子などの電気機械変換素子を用いることも可能である。ホルダ２ｂは、複数の圧電素子２ａをｙ方向の両側から間に挟んで挟持する。

このような振動子ユニット２としては、例えば、強力な超音波振動を発生させるボルト締めランジュバン型振動子（ＢＬＴ：Bolt-clamped Langevin type Transducer）を好適に用いることができる。このような振動子ユニット２は、図示を省略する電源回路（電源）から供給される電力によって駆動される。

例えば、振動子ユニット２の全長（ｙ方向の長さ寸法）は、圧電素子２ａに発生させる縦振動の波長の２分の１に設定されている。このように、振動子ユニット２の全長を設定することで、振動子ユニット２を、縦振動に対して共振させることができる。

超音波放射体３は、振動子ユニット２に対してｙ方向から接続されている。つまり、上述のように、振動子ユニット２と超音波放射体３とは、ｙ方向に配列されている。この超音波放射体３は、振動子ユニット２から伝達される縦振動から超音波を生成して空中に放射する部位である。超音波放射体３は、例えばアルミニウム、アルミニウム合金（例えばジュラルミン）、チタン、チタン合金、ステンレス鋼、鉄等によって、後述する複数の部位（振動子接続部４、コニカルホーン５、及び、たわみ振動板６）が一体的に形成される。このような超音波放射体３は、例えば、止めネジによって、振動子ユニット２に固定されている。

図２は、超音波放射体３の三面図であり、（ａ）がｙ方向から見た図であり、（ｂ）がｘ方向から見た図であり、（ｃ）がｚ方向から見た図である。これらの図に示すように、本実施形態において超音波放射体３は、振動子接続部４と、コニカルホーン５（横振動生成部）と、たわみ振動板６（振動板）とを有する。

振動子接続部４は、振動子ユニット２に対して接続される部位である。振動子接続部４は、振動子ユニット２に向けられた振動子接続面４ａを有する直方体形状に形成されている。振動子接続面４ａは、例えば、上述の止めネジが螺合されるネジ孔が形成されている。

また、振動子接続部４は、振動子接続面４ａと反対側には、コニカルホーン５が設けられている。上述のように振動子接続部４とコニカルホーン５とは一体的に形成されている。このため、振動子接続部４とコニカルホーン５との境界面は、視認可能に設けられていない。ただし、説明の便宜上、振動子接続部４のコニカルホーン５側の面をコニカルホーン設置面４ｂと称する。このコニカルホーン設置面４ｂは、ｘ－ｚ平面と平行な面である。

コニカルホーン５は、振動子接続部４のコニカルホーン設置面４ｂから、振動子ユニット２と反対側の方向に突出するように形成されている。本実施形態においては、コニカルホーン５は、たわみ振動板６ごとに設けられている。本実施形態において、たわみ振動板は２つ設けられているため、コニカルホーン５も２つ設けられている。

各々のコニカルホーン５は、振動子ユニット２から伝達された縦振動の一部の成分を横振動に変換する。より具体的には、各々のコニカルホーン５は、縦振動の一部の成分を、ｚ方向を変位方向（振幅方向）とする横振動に変換する。また、各々のコニカルホーン５は、縦振動の進行方向（ｙ方向）と直交する断面積（ｘ－ｚ平面における断面積）が、振動子ユニット２から遠ざかるに連れて減少する。このようなコニカルホーン５は、縦振動及び横振動の振幅を増幅させる。

各々のコニカルホーン５の形状をより詳しく説明する。図２に示すように、各々のコニカルホーン５は、４つの側面を有し、ｚ方向から見た形状とｘ方向から見た形状との各々が台形となるように形成されている。本実施形態では、２つのコニカルホーン５は、振動子ユニット２の軸芯Ｌを含むｘ－ｙ平面を対称面とした対称形に形成されている。なお、４つの側面のうち、他のコニカルホーン５側を向く面を第１面５ａと称し、第１面５ａと反対側の面を第２面５ｂと称し、残りの２つの面を第３面５ｃ及び第４面５ｄと称する。

図２（ｂ）に示すように、第１面５ａ（第１傾斜面）及び第２面５ｂ（第２傾斜面）は、反対方向を向いており、振動子ユニット２から遠ざかるに連れて互いに近づくように傾斜している。第１面５ａのｙ方向（縦振動の進行方向）に対する傾斜角度α１は、第２面５ｂのｙ方向に対する傾斜角度α２よりも大きい。つまり、本実施形態においては、第１面５ａ及び第２面５ｂは、ｙ方向に対する傾斜角度が異なる。このため、第１面５ａのコニカルホーン設置面４ｂからたわみ振動板６までの長さ寸法は、第２面５ｂのコニカルホーン設置面４ｂからたわみ振動板６までの長さ寸法よりも大きい。なお、第１面５ａのｙ方向（縦振動の進行方向）に対する傾斜角度α１は、第２面５ｂのｙ方向に対する傾斜角度α２よりも小さくてもよい。

これらの第１面５ａ及び第２面５ｂは、コニカルホーン５の内部を伝わる縦振動を反射する。縦振動が第１面５ａあるいは第２面５ｂに反射すると、ｚ方向を変位方向とする振動成分（横振動成分）が発生する。ここで、第１面５ａ及び第２面５ｂの縦振動の進行方向に対する傾斜角度が異なるため、第１面５ａで発生した横振動成分と第２面５ｂで発生した横振動成分との強さに差が生じ、この結果、コニカルホーン５がｚ方向に振動する。すなわち、コニカルホーン５において、ｚ方向の横振動が生成される。

図２（ｃ）に示すように、第３面５ｃ及び第４面５ｄは、反対方向を向いており、振動子ユニット２から遠ざかるに連れて互いに近づくように傾斜している。第３面５ｃのｙ方向（縦振動の進行方向）に対する傾斜角度α３は、第４面５ｄのｙ方向に対する傾斜角度α４と同一である。つまり、本実施形態においては、第３面５ｃ及び第４面５ｄは、ｙ方向に対する傾斜角度が同じである。このため、第３面５ｃのコニカルホーン設置面４ｂからたわみ振動板６までの長さ寸法は、第４面５ｄのコニカルホーン設置面４ｂからたわみ振動板６までの長さ寸法と同じである。

これらの第３面５ｃ及び第４面５ｄは、コニカルホーン５の内部を伝わる縦振動を反射する。縦振動が第３面５ｃあるいは第４面５ｄに反射すると、ｘ方向を変位方向とする振動成分が発生する。第３面５ｃ及び第４面５ｄの縦振動の進行方向に対する傾斜角度が同じであるため、互いのｘ方向の振動成分が打ち消し合い、コニカルホーン５のｘ方向の振動が抑制される。

このように、本実施形態において、各々のコニカルホーン５は、振動子ユニット２から伝達される縦振動の一部を、ｚ方向を変位方向（振幅方向）とする横振動に変換する。このような横振動は、各々のコニカルホーン５に接続されたたわみ振動板６に伝達される。なお、本実施形態では、ｘ－ｚ断面における断面積がｙ方向に一定の割合で変化するコニカルホーン５を用いたが、ｘ－ｚ断面における断面積がｙ方向に指数関数的に変化するエクスポネンシャルホーンを用いてもよい。

たわみ振動板６は、２つ設けられており、各々のコニカルホーン５の先端（振動子接続部４と反対側の端部）に１つずつ接続されている。各々のたわみ振動板６は、ｚ方向に表裏面が向けられた平板状の部位である。２つのたわみ振動板６は、ｚ方向に離間して配列されている。

各々のたわみ振動板６は、コニカルホーン５から伝達される横振動によって、ｚ方向を変位方向（振幅方向）とするように、たわみ振動する。各々のたわみ振動板６がたわみ振動することで、たわみ振動板６から音波が空中に放射される。本実施形態では、振動子ユニット２で生成する縦振動が超音波振動であり、たわみ振動板６からは、超音波が空中に放射される。

これらのたわみ振動板６は、互いの間に定在波が形成可能な位置に配置されている。２つのたわみ振動板６の間に定在波が形成される距離は、たわみ振動板６が放射する超音波の周波数に基づいて定まる。また、たわみ振動板６が放射する超音波の周波数は、振動子ユニット２で生成される縦振動の周波数に基づいて定まる。つまり、たわみ振動板６の離間距離は、振動子ユニット２で生成される縦振動の周波数に基づいて設定されている。

上述のように、超音波放射体３においては、コニカルホーン５とたわみ振動板６とが一体化されている。このような超音波放射体３は、振動子ユニット２に接続されると共に縦振動から超音波を生成して空中に放射する。超音波放射体３の全長（ｙ方向における長さ寸法）は、縦振動の波長に依存して設定する必要がなく、任意に設定することができる。ただし、超音波放射体３の全長は、縦振動の波長の２分の１としてもよい。

このような本実施形態の超音波発生装置１では、振動子ユニット２に給電されることで、振動子ユニット２がｙ方向に進行する縦振動を生成する。振動子ユニット２で生成された縦振動は、超音波放射体３に伝達される。超音波放射体３に伝達された縦振動は、振動子接続部４を介して、各々のコニカルホーン５に伝わる。各々のコニカルホーン５に伝達された縦振動は、コニカルホーン５の第１面５ａでｚ方向に反射する。この結果、コニカルホーン５が横振動する。つまり、コニカルホーン５によって、縦振動が横振動に変換される。コニカルホーン５で発生した横振動は、たわみ振動板６に伝わる。各々のたわみ振動板６に横振動が伝わることで、各々のたわみ振動板６がたわみ振動し、超音波が空中に放射される。また、２つのたわみ振動板６の間には定在波が形成され、効率的に音圧の大きな超音波が放射される。

以上のような本実施形態の超音波発生装置１は、振動子ユニット２と、超音波放射体３とを備える。振動子ユニット２は、縦振動を発生させる。超音波放射体３は、振動子ユニット２に接続されると共に縦振動から超音波を生成して空中に放射する。また、超音波放射体３は、振動子接続部４と、コニカルホーン５と、たわみ振動板６とを有する。振動子接続部４は、振動子ユニット２が接続される。コニカルホーン５は、振動子接続部４を介して伝達される縦振動の少なくとも一部を横振動に変換する。たわみ振動板６は、コニカルホーン５に接続されると共に、横振動が伝達されてたわみ振動することで超音波を放射する。

このように本実施形態の超音波発生装置１は、振動子ユニット２に接続される超音波放射体３を備える。また、超音波放射体３は、縦振動を横振動に変更するコニカルホーン５を有する。さらに、たわみ振動板６は横振動が伝達されることでたわみ振動する。このような超音波放射体３は、縦振動に対して共振しなくても超音波を放射することができる。このため、超音波放射体３の進行方向における長さ寸法（全長）は、振動子ユニット２で生成される縦振動の波長に依存して設定する必要がなく、任意に設定することができる。よって、本実施形態の超音波発生装置１は、全長変更の自由度が向上し、小型化が可能である。

また、本実施形態の超音波発生装置１において、コニカルホーン５は、縦振動の進行方向と直交する断面積が、振動子ユニット２から遠ざかるに連れて減少するホーンである。このため、コニカルホーン５で横振動を生成すると共に、振動の振幅を増大させてたわみ振動板６に伝達することができる。

また、本実施形態の超音波発生装置１は、コニカルホーン５が、反対方向を向くと共に、振動子ユニットから遠ざかるに連れて互いに近づく第１面５ａ及び第２面５ｂを有する。また、第１面５ａ及び第２面５ｂは、縦振動の進行方向に対する傾斜角度が異なる。このため、本実施形態の超音波発生装置１は、簡素な形状のコニカルホーン５によって横振動を生成することができる。

また、本実施形態の超音波発生装置１において、超音波放射体３は、複数のたわみ振動板６を有する。このような本実施形態の超音波発生装置１によれば、超音波放射体３の複数の部位から超音波を放射することができる。

また、本実施形態の超音波発生装置１において、複数のたわみ振動板６は、互いの間に定在波が形成可能な位置に配置されている。複数のたわみ振動板６の間に定在波が形成されることで、効率的に音圧の大きな超音波を放射することができる。

また、本実施形態の超音波発生装置１は、複数のたわみ振動板６の各々に対して、コニカルホーン５が設けられている。このような本実施形態の超音波発生装置１によれば、各々のコニカルホーン５の形状を、たわみ振動板６の位置や振動のさせ方に応じて変化させることができる。このため、例えば、複数のたわみ振動板６を容易に定在波が形成可能な位置に配置することができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の趣旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上記実施形態においては、たわみ振動板６が２つ設けられた構成について説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、単一のたわみ振動板６を備える構成を採用することもできる。また、３つ以上のたわみ振動板６を備える構成を採用することもできる。

また、上記実施形態においては、１つのコニカルホーン５に対して１つのたわみ振動板６が設けられた構成について説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、１つのコニカルホーン５に対して複数のたわみ振動板６を設ける構成を採用することも可能である。

また、上記実施形態においては、コニカルホーン５にて、横振動の生成と振幅の増大とを行った。しかしながら、これらのうち横振動の生成のみを行う横振動生成部を備える構成を採用することも可能である。

［実施例］
続いて、超音波発生装置１の実施例について説明する。本実施例では、共振周波数が２８ｋＨｚとなるように超音波発生装置１を設計した。本実施例では、振動子ユニット２のｙ方向の全長と、超音波放射体３のｙ方向の全長とを、各々縦振動の半波長とした。つまり、本実施例の超音波発生装置１のｙ方向の全長は、縦振動の１波長である。

本実施例では、振動子ユニット２は、２８ｋＨｚ用のボルト締めランジュバン型縦振動子を用いた。振動子ユニット２は、ｙ方向の全長は８９ｍｍであり、直径が４０ｍｍである。

本実施例における超音波放射体３の形状は、有限要素法を用いた数値シミュレーションに基づいて、以下のようにした。超音波放射体３のｙ方向の全長は８９ｍｍである。また、振動子接続部４は、ｘ方向の長さ寸法が４０ｍｍ、ｙ方向の長さ寸法が２０ｍｍ、ｚ方向の長さ寸法が４０ｍｍである。各々のコニカルホーン５は、ｘ方向の長さ寸法が４０ｍｍ、ｙ方向の長さ寸法が３０ｍｍ、ｚ方向の長さ寸法が２０ｍｍである。

また、各々のたわみ振動板６は、ｘ方向の幅寸法が２０ｍｍ、ｙ方向の長さ寸法が３９ｍｍ、ｚ方向の厚さ寸法が４ｍｍである。また、各々のたわみ振動板６は、ｙ方向から見て、ｘ方向における両端の各々がコニカルホーン５の両端の各々から１０ｍｍに位置するように配置されている。さらに、２つのたわみ振動板６の離間寸法は２４．６ｍｍである。２つのたわみ振動板６の離間寸法は、たわみ振動板６から放射される音波の波長（１２．３ｍｍ）の２倍である。各々のたわみ振動板６のｘ方向の幅寸法は、ｘ方向にたわみ振動の節ができない寸法とした。また、各々のたわみ振動板６のｙ方向の幅寸法は、ｙ方向にたわみ振動の節ができる寸法とした。

（超音波発生装置のアドミタンス特性）
振動子ユニット２を取り付けた超音波発生装置１のアドミタンス特性を測定した。測定はインピーダンスアナライザを用いた。また、圧電素子２ａの駆動電圧（実効値）を１．０Ｖで一定として行った。図３は、本実施例におけるアドミタンス特性を測定結果である。図３において、横軸はコンダクタンスを示し、縦軸はサセプタンスを示す。共振周波数は２８．３４ｋＨｚであり、この時のコンダクタンスは６．２ｍＳ（インピーダンス約１６０Ω）で、尖鋭度Ｑは約２８００であった。

（たわみ振動板の振動変位）
超音波放射体３のたわみ振動分布を知るために、たわみ振動板６の振動変位を測定した。なお、ｘｙｚ直交座標系の原点Ｏは、図２（ａ）に示すように、一方のたわみ振動板６の先端角部とした。振動変位の測定の範囲は、ｚ方向が０ｍｍの位置のｘ－ｙ平面で、ｘ方向が０ｍｍから２０ｍｍで、ｙ方向が０ｍｍから４０ｍｍである。たわみ振動板６の振動変位の測定は、振動子ユニット２への入力電力が０．１０Ｗで、周波数が２８．３４ｋＨｚで一定として行った。図４は、本実施例におけるたわみ振動板６の振動変位の測定結果である。図４において、横軸はｙ方向の距離を示し、縦軸はｘ方向の距離を示す。図４に示すように、振動変位振幅はｘ方向にはほぼ一様であり、ｙ軸方向には５ｍｍと２１ｍｍ付近に振動の節があり、３０ｍｍ付近に大きな振動の腹があることが分かる。

（たわみ振動板間の音圧）
超音波放射体３の２枚のたわみ振動板６の間の音圧を知るために、たわみ振動板６の間の音圧をプローブ付きマイクロホン（直径１ｍｍ）で測定した。測定範囲は、ｘ方向が１０ｍｍで一定の位置のｙ－ｚ平面で、ｙ方向が０ｍｍから４０ｍｍで、ｚ方向が５ｍｍから２３ｍｍである。音圧の測定は、振動子ユニット２への入力電力が０．１０Ｗで、周波数が２８．３３ｋＨｚで一定として行った。図５は、本実施例におけるたわみ振動板６の間の音圧の測定結果である。図５において、横軸はｙ方向の距離を示し、縦軸はｚ方向の距離を示している。図５に示すように、測定した範囲には６個の音圧の腹があることが分かる。この内、ｙ方向の距離が２８ｍｍから３８ｍｍ付近の３カ所の音圧の腹位置の値は大きく、１２ｍｍから１６ｍｍ付近の３カ所の音圧の腹位置の値は比較的小さい。両者ともｚ方向にはほぼ直線状に並んでおり、この方向の音圧の腹から腹までの距離が約６ｍｍであることから、周波数２８ｋＨｚの空気中の半波長とほぼ一致することが分かった。また、図４に示した振動変位振幅の結果と比較すると、音圧が大きい位置は、振動変位振幅が大きい位置であるｙ方向の距離３０ｍｍ付近とほぼ一致していることが分かる。

本実施例では、コニカルホーン５及びたわみ振動板６が超音波放射体３として一体化された状態で、定在波音場を形成する方法が検討された。その結果、全長が縦振動の１／２波長の長さでありながら、空中に定在波音場を形成できることが明らかになった。

（第２実施形態）
次に、図６及び図７を参照して、本発明の第２実施形態について説明する。なお、本実施形態において、上記第１実施形態と同様の部分については、その説明を省略あるいは簡略化する。

図６は、本実施形態の超音波発生装置１Ａの斜視図である。また、図７は、本実施形態の超音波発生装置１Ａが備える超音波放射体３の三面図であり、（ａ）がｙ方向から見た図であり、（ｂ）がｘ方向から見た図であり、（ｃ）がｚ方向から見た図である。

図６及び図７に示すように、本実施形態の超音波発生装置１Ａの超音波放射体３は、上記第１実施形態に２つずつ設けられたコニカルホーン５及びたわみ振動板６を１つずつ備える。つまり、本実施形態における超音波放射体３は、単一の振動子接続部４に対して、単一のコニカルホーン５と、単一のたわみ振動板６とが設けられている。

振動子接続部４のコニカルホーン設置面４ｂは、ｚ方向における中心位置４ｂ１から一方の半分の範囲にコニカルホーン５が設けられている。コニカルホーン設置面４ｂの他方の半分の範囲には、コニカルホーン５は設けられていない。つまり、本実施形態において、コニカルホーン設置面４ｂの半分は、露出面４ｃである。なお、コニカルホーン設置面４ｂにて、コニカルホーン５が設けられている範囲と露出面４ｃとの割合は変更可能である。コニカルホーン設置面４ｂにて、コニカルホーン５が設けられている範囲と露出面４ｃとの割合を変更することで、第１面５ａの傾斜角度α１と、第２面５ｂの傾斜角度α２とを変更可能である。

上記実施形態と同様に、本実施形態においても、第１面５ａのｙ方向に対する傾斜角度α１は、第２面５ｂのｙ方向に対する傾斜角度α２よりも大きい。このため、第１面５ａのコニカルホーン設置面４ｂからたわみ振動板６までの長さ寸法は、第２面５ｂのコニカルホーン設置面４ｂからたわみ振動板６までの長さ寸法よりも大きい。

また、第１面５ａは、振動子接続部４のｚ方向における中心位置４ｂ１と接続されている。また、第２面５ｂは、振動子接続部４のｚ方向側の端部（－ｚ側の端部）に接続されている。つまり、図７（ｂ）に示すように、横振動の振動方向であるｚ方向における振動子接続部４の中心位置４ｂ１に対して近い側に第１面５ａが位置し、中心位置４ｂ１に対して遠い側に第２面５ｂが位置している。

このような本実施形態の超音波発生装置１Ａは、単一のたわみ振動板６がたわみ振動する。この結果、たわみ振動板６から超音波が空中に放射される。なお、このような超音波発生装置１Ａは、ツール等に超音波振動を付与する用途に用いることも可能である。例えば、たわみ振動板６にツールを接続することで、ツールを超音波振動させることが可能である。このような超音波発生装置１Ａは、例えばたわみ振動板６に液滴を落下させて微粒化させる微粒化装置や、たわみ振動板６を液中に浸漬させて霧化する霧化装置として用いることも可能である。

また、本実施形態の超音波発生装置１Ａにおいて、第１面５ａ及び第２面５ｂは、縦振動の進行方向に対する傾斜角度が異なる。さらに、横振動の振動方向における振動子接続部４の中心位置４ｂ１に対して近い側に第１面５ａが位置し、中心位置４ｂ１に対して遠い側に第２面５ｂが位置する。また、第１面５ａの傾斜角度α１は第２面５ｂの傾斜角度α２よりも大きい。

このような本実施形態の超音波発生装置１Ａでは、コニカルホーン５の先端に接続されたたわみ振動板６のｚ方向の位置は、第１面５ａの傾斜角度α１が第２面５ｂの傾斜角度α２よりも小さい場合と比較して、中心位置４ｂ１に対して外側となる。ｚ方向において、コニカルホーン設置面４ｂの中心位置４ｂ１に対して外側の方が大きなたわみ振動を得ることができる。このため、本実施形態の超音波発生装置１Ａは、第１面５ａの傾斜角度α１は第２面５ｂの傾斜角度α２よりも小さい場合よりもたわみ振動板６において大きなたわみ振動を得ることができる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について、図８及び図９を参照して説明する。なお、本実施形態の説明において、上記第１実施形態あるいは上記第２実施形態と同様の部分については、その説明を省略あるいは簡略化する。

図８は、本実施形態の超音波発生装置１Ｂの斜視図である。また、図９は、本実施形態の超音波発生装置１Ｂが備える超音波放射体３の三面図であり、（ａ）がｙ方向から見た図であり、（ｂ）がｘ方向から見た図であり、（ｃ）がｚ方向から見た図である。

図８及び図９に示すように、本実施形態の超音波発生装置１Ｂの超音波放射体３は、上記第１実施形態に２つずつ設けられたコニカルホーン５及びたわみ振動板６を１つずつ備える。つまり、本実施形態における超音波放射体３は、上記第２実施形態と同様に、単一の振動子接続部４に対して、単一のコニカルホーン５と、単一のたわみ振動板６とが設けられている。

本実施形態の超音波発生装置１Ｂでは、振動子接続部４のコニカルホーン設置面４ｂの全面を覆うように、コニカルホーン５が設けられている。また、上記実施形態と同様に、本実施形態においても、第１面５ａのｙ方向に対する傾斜角度α１は、第２面５ｂのｙ方向に対する傾斜角度α２よりも大きい。このため、第１面５ａのコニカルホーン設置面４ｂからたわみ振動板６までの長さ寸法は、第２面５ｂのコニカルホーン設置面４ｂからたわみ振動板６までの長さ寸法よりも大きい。また、第１面５ａは、振動子接続部４のｚ方向における一方の端部（＋ｚ側の端部）と接続されている。また、第２面５ｂは、振動子接続部４のｚ方向側の他方の端部（－ｚ側の端部）に接続されている。

このような本実施形態の超音波発生装置１Ｂは、単一のたわみ振動板６がたわみ振動する。この結果、たわみ振動板６から超音波が空中に放射される。なお、このような超音波発生装置１Ｂも、上記第２実施形態の超音波発生装置１Ａと同様に、ツール等に超音波振動を付与する用途に用いることも可能である。例えば、たわみ振動板６にツールを接続することで、ツールを超音波振動させることが可能である。

（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について、図１０及び図１１を参照して説明する。なお、本実施形態の説明において、上記第１実施形態、上記第２実施形態あるいは上記第３実施形態と同様の部分については、その説明を省略あるいは簡略化する。

図１０は、本実施形態の超音波発生装置１Ｃの斜視図である。また、図１１は、本実施形態の超音波発生装置１Ｃが備える超音波放射体３の三面図であり、（ａ）がｙ方向から見た図であり、（ｂ）がｘ方向から見た図であり、（ｃ）がｚ方向から見た図である。

図１０及び図１１に示すように、本実施形態の超音波発生装置１Ｃの超音波放射体３は、上記第１実施形態に２つずつ設けられたコニカルホーン５及びたわみ振動板６を１つずつ備える。つまり、本実施形態における超音波放射体３は、上記第２実施形態及び第３実施形態と同様に、単一の振動子接続部４に対して、単一のコニカルホーン５と、単一のたわみ振動板６とが設けられている。

本実施形態の超音波発生装置１Ｃでは、振動子接続部４のコニカルホーン設置面４ｂのｚ方向における端部を除く中央部を覆うように、コニカルホーン５が設けられている。第１面５ａは、振動子接続部４のｚ方向における一方の端部（＋ｚ側の端部）よりも中心側にてコニカルホーン設置面４ｂと接続されている。また、第２面５ｂは、振動子接続部４のｚ方向側の端部（－ｚ側の端部）よりも中心側にてコニカルホーン設置面４ｂと接続されている。このため、本実施形態では、コニカルホーン設置面４ｂのｚ方向における各々の端部からコニカルホーン５までの間に、コニカルホーン５が設けられていない露出面４ｃが形成されている。

また、上記実施形態と同様に、本実施形態においても、第１面５ａのｙ方向に対する傾斜角度α１は、第２面５ｂのｙ方向に対する傾斜角度α２よりも大きい。このため、第１面５ａのコニカルホーン設置面４ｂからたわみ振動板６までの長さ寸法は、第２面５ｂのコニカルホーン設置面４ｂからたわみ振動板６までの長さ寸法よりも大きい。

このような本実施形態の超音波発生装置１Ｃは、単一のたわみ振動板６がたわみ振動する。この結果、たわみ振動板６から超音波が空中に放射される。なお、このような超音波発生装置１Ｃも、上記第２実施形態の超音波発生装置１Ａ及び上記第３実施形態の超音波発生装置１Ｂと同様に、ツール等に超音波振動を付与する用途に用いることも可能である。例えば、たわみ振動板６にツールを接続することで、ツールを超音波振動させることが可能である。

（第５実施形態）
次に、図１２及び図１３を参照して、本発明の第５実施形態について説明する。なお、本実施形態において、上記第１実施形態と同様の部分については、その説明を省略あるいは簡略化する。

図１２は、本実施形態の超音波発生装置１Ｄの斜視図である。また、図１３は、本実施形態の超音波発生装置１Ｄが備える超音波放射体３の三面図であり、（ａ）がｙ方向から見た図であり、（ｂ）がｘ方向から見た図であり、（ｃ）がｚ方向から見た図である。

図１２及び図１３に示すように、本実施形態の超音波発生装置１Ｄの超音波放射体３は、上記第１実施形態に２つずつ設けられたコニカルホーン５及びたわみ振動板６を１つずつ備える。つまり、本実施形態における超音波放射体３は、単一の振動子接続部４に対して、単一のコニカルホーン５と、単一のたわみ振動板６とが設けられている。

振動子接続部４のコニカルホーン設置面４ｂは、ｚ方向における中心位置４ｂ１から一方の半分の範囲にコニカルホーン５が設けられている。コニカルホーン設置面４ｂの他方の半分の範囲には、コニカルホーン５は設けられていない。つまり、本実施形態において、コニカルホーン設置面４ｂの半分は、露出面４ｃである。なお、コニカルホーン設置面４ｂにて、コニカルホーン５が設けられている範囲と露出面４ｃとの割合は変更可能である。コニカルホーン設置面４ｂにて、コニカルホーン５が設けられている範囲と露出面４ｃとの割合を変更することで、第１面５ａの傾斜角度α１と、第２面５ｂの傾斜角度α２とを変更可能である。

本実施形態においては、第１面５ａのｙ方向に対する傾斜角度α１は、０°よりも大きい。一方で、第２面５ｂは、ｙ方向に対する傾きは０°であり、振動子接続部４の１つの側面４ｄと同一平面内に位置している。つまり、本実施形態において第２面５ｂは、複数の側面４ｄを有する直方体形状に形成された振動子接続部４の１つの側面４ｄと面一の平滑面である。また、たわみ振動板６の片面６ａは、第２面５ｂと面一である。つまり、本実施形態では、振動子接続部４の１つの側面４ｄと、コニカルホーン５の第２面５ｂと、たわみ振動板６の片面６ａとが、同一平面内に位置する。

なお、第１面５ａのコニカルホーン設置面４ｂからたわみ振動板６までの長さ寸法は、第２面５ｂのコニカルホーン設置面４ｂからたわみ振動板６までの長さ寸法よりも大きい。また、第１面５ａは、振動子接続部４のｚ方向における中心位置４ｂ１と接続されている。つまり、横振動の振動方向であるｚ方向における振動子接続部４の中心位置４ｂ１に対して近い側に第１面５ａが位置し、中心位置４ｂ１に対して遠い側に第２面５ｂが位置している。

このような本実施形態の超音波発生装置１Ｄは、単一のたわみ振動板６がたわみ振動する。この結果、たわみ振動板６から超音波が空中に放射される。なお、このような超音波発生装置１Ｄは、上記第２実施形態の超音波発生装置１Ａと同様に、ツール等に超音波振動を付与する用途に用いることも可能である。例えば、たわみ振動板６にツールを接続することで、ツールを超音波振動させることが可能である。

また、本実施形態の超音波発生装置１Ｄにおいて、コニカルホーン５は、振動子接続部４の側面４ｄと面一の平滑面である第２面５ｂと、平滑面と反対側を向く反対側傾斜面である第１面５ａとを有する。また、たわみ振動板６の片面６ａは、平滑面と面一である。このため、コニカルホーン５の先端に接続されたたわみ振動板６のｚ方向の位置は、第２面５ｂのたわみ振動板６側の端部が第１面５ａ側に向かうように第２面５ｂが傾斜している場合と比較して、中心位置４ｂ１に対して外側となる。ｚ方向において、コニカルホーン設置面４ｂの中心位置４ｂ１に対して外側のほうが大きなたわみ振動を得ることができる。このため、本実施形態の超音波発生装置１Ｄは、たわみ振動板６において大きなたわみ振動を得ることができる。

また、本実施形態の超音波発生装置１Ｄにおいては、振動子接続部４の１つの側面４ｄと、コニカルホーン５の第２面５ｂと、たわみ振動板６の片面６ａとが、同一平面内に位置する。このため、削出し等の方法で超音波放射体３を形成する場合に、振動子接続部４の１つの側面４ｄと、コニカルホーン５の第２面５ｂと、たわみ振動板６の片面６ａとを平面状に形成することができ、容易に形成することが可能となる。

１……超音波発生装置、１Ａ～１Ｄ……超音波発生装置、２……振動子ユニット、３……超音波放射体、４……振動子接続部、４ａ……振動子接続面、４ｂ……コニカルホーン設置面、４ｃ……露出面、４ｄ……側面、５……コニカルホーン（横振動生成部、ホーン）、５ａ……第１面（第１傾斜面）、５ｂ……第２面（第２傾斜面）、５ｃ……第３面、５ｄ……第４面、６……たわみ振動板（振動板）

Claims (9)

1. 縦振動を発生させる振動子ユニットと、
   前記振動子ユニットに接続されると共に前記縦振動から超音波を生成して空中に放射する超音波放射体と
   を備え、
   前記超音波放射体は、
   前記振動子ユニットが接続される振動子接続部と、
   前記振動子接続部を介して伝達される前記縦振動の少なくとも一部を横振動に変換する横振動生成部と、
   前記横振動生成部に接続されると共に、前記横振動が伝達されてたわみ振動することで前記超音波を放射する振動板と
   を有する
   ことを特徴とする超音波発生装置。
2. 前記横振動生成部は、前記縦振動の進行方向と直交する断面積が、前記振動子ユニットから遠ざかるに連れて減少するホーンであることを特徴とする請求項１記載の超音波発生装置。
3. 前記ホーンは、
   反対方向を向くと共に、前記振動子ユニットから遠ざかるに連れて互いに近づく第１傾斜面及び第２傾斜面を有し、
   前記第１傾斜面及び前記第２傾斜面は、前記縦振動の進行方向に対する傾斜角度が異なる
   ことを特徴とする請求項２記載の超音波発生装置。
4. 前記超音波放射体は、複数の前記振動板を有することを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載の超音波発生装置。
5. 複数の前記振動板は、互いの間に定在波が形成可能な位置に配置されていることを特徴とする請求項４記載の超音波発生装置。
6. 複数の前記振動板の各々に対して、前記横振動生成部が設けられていることを特徴とする請求項４記載の超音波発生装置。
7. 単一の前記振動子接続部に対して、単一の前記横振動生成部と、単一の前記振動板とが設けられていることを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載の超音波発生装置。
8. 前記横振動生成部は、前記縦振動の進行方向と直交する断面積が、前記振動子ユニットから遠ざかるに連れて減少するホーンであり、
   前記ホーンは、
   反対方向を向くと共に、前記振動子ユニットから遠ざかるに連れて互いに近づく第１傾斜面及び第２傾斜面を有し、
   前記第１傾斜面及び前記第２傾斜面は、前記縦振動の進行方向に対する傾斜角度が異なり、
   前記横振動の振動方向における前記振動子接続部の中心位置に対して近い側に前記第１傾斜面が位置し、前記中心位置に対して遠い側に前記第２傾斜面が位置し、前記第１傾斜面の前記傾斜角度は前記第２傾斜面の前記傾斜角度よりも大きい
   ことを特徴とする請求項７記載の超音波発生装置。
9. 前記振動子接続部は、複数の側面を有する直方体形状に形成され、
   前記横振動生成部は、前記縦振動の進行方向と直交する断面積が、前記振動子ユニットから遠ざかるに連れて減少するホーンであり、
   前記ホーンは、前記振動子接続部の前記側面と面一の平滑面と、前記平滑面と反対側を向く反対側傾斜面とを有し、
   前記振動板の片面は、前記平滑面と面一である
   ことを特徴とする請求項７記載の超音波発生装置。

Images