特開 2023-77233 制御装置及び制御方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023077233

(43)【公開日】2023-06-05

(54)【発明の名称】制御装置及び制御方法

(51)【国際特許分類】

   H04R 1/40 20060101AFI20230529BHJP

【ＦＩ】

H04R1/40 330

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021190456

(22)【出願日】2021-11-24

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用申請有り 令和 ２年１１月２５日に第４１回超音波エレクトロニクスの基礎と応用に関するシンポジウムにて発表 令和 ２年１１月２５日に第４１回超音波エレクトロニクスの基礎と応用に関するシンポジウムのウェブサイトにて公開 令和 ３年６月２日にＪａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｖｏｌｕｍｅ ６０のウェブサイトにて公開 令和 ３年１０月１１日に第３回アコースティックイメージング研究会にて発表 令和 ３年１０月１１日に第３回アコースティックイメージング研究会のウェブサイトにて公開 令和 ３年１０月２５日に第４２回超音波エレクトロニクスの基礎と応用に関するシンポジウムにて発表 令和 ３年１０月２５日に第４２回超音波エレクトロニクスの基礎と応用に関するシンポジウムのウェブサイトにて公開

(71)【出願人】

【識別番号】305027401

【氏名又は名称】東京都公立大学法人

(74)【代理人】

【識別番号】100165179

【弁理士】

【氏名又は名称】田▲崎▼ 聡

(74)【代理人】

【識別番号】100175824

【弁理士】

【氏名又は名称】小林 淳一

(74)【代理人】

【識別番号】100152272

【弁理士】

【氏名又は名称】川越 雄一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100181722

【弁理士】

【氏名又は名称】春田 洋孝

(72)【発明者】

【氏名】大久保 寛

(72)【発明者】

【氏名】近藤 昇太

【テーマコード（参考）】

5D019

【Ｆターム（参考）】

5D019AA06

5D019BB20

5D019FF06

(57)【要約】

【課題】ステージに置かれている物体を物体に接触することなく拾い上げることができる振動子の制御装置を提供する。
【解決手段】半球体の球帯ごとに並べて配置された振動子が発生する超音波の大きさ及び位相を制御する制御装置であって、前記振動子で構成される振動子アレイが発生する超音波と前記超音波がステージを反射することで発生する反射超音波とにより形成される目標波動場に基づいて前記振動子が発生する超音波の大きさを制御する、制御装置。
【選択図】図６

【特許請求の範囲】

【請求項1】

半球体の球帯ごとに並べて配置された振動子が発生する超音波の大きさ及び位相を制御する制御装置であって、
前記振動子で構成される振動子アレイが発生する超音波と前記超音波がステージを反射することで発生する反射超音波とにより形成される目標波動場に基づいて前記振動子が発生する超音波の大きさを制御する、
制御装置。

【請求項2】

前記振動子が配置された前記球帯ごとに、前記振動子が発生する超音波の大きさと位相を制御する、
請求項１に記載の制御装置。

【請求項3】

前記制御装置は、同じ球帯に配置された振動子のうち、前記半球体の第１の四分球に配置された振動子が発生する超音波の位相と、前記半球体から前記第１の四分球を除いた第２の四分球に配置された振動子が発生する超音波の位相とは逆位相になるように制御する、
請求項２に記載の制御装置。

【請求項4】

半球体の球帯ごとに並べて配置された振動子が発生する超音波の大きさ及び位相を制御する制御方法であって、
前記振動子で構成される振動子アレイが発生する超音波と前記超音波がステージを反射することで発生する反射超音波とにより形成される目標波動場に基づいて前記振動子が発生する超音波の大きさを制御する、
制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、制御装置及び制御方法に関する。

【背景技術】

【0002】

物体に波（例えば超音波）を当てるとその物体に圧力を加えることができる。このとき、物体に加えられる力は音響放射力と呼ばれる。音響放射力を使用した応用技術として、対象とする物体に音響放射力を加え、浮揚させ空中で動きを制御する音響浮揚と呼ばれる技術がある。

【0003】

音響浮揚において、超音波アレイを使用することで物体を自由度高く空中で制御することができる。例えば、非特許文献１には対向させた超音波アレイが発生する定在波により物体を制御する技術が開示されている。また、非特許文献２及び３には、超音波アレイの振動子の位相を特殊な手法により制御することで片面のみのアレイで物体を制御する技術が開示されている。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0004】

【非特許文献1】T.Hoshi, Y.Oshiai, J.Rekimoto, "Three-dimensional noncontact manipulation by opposite ultrasonic phased arrays, "Jpn.J.Appl.Phys.53, 7S , 2014.

【非特許文献2】A.Marzo, S.A.Seah, B.W.Drinkwater, D.R.Sahoo, B.Long, S.Subramanian, "Holographic acoustic elements for manipulation of levitated objects, "Nature Communications, 6, 8661, 2015.

【非特許文献3】A.Marzo, A.Ghobrial, L.Cox, M.Caleap, A.Croxford, B.W.Drinkwater, "Realization of compact tractor beams using acoustic delay-lines, "Applied.Physics.Letters, 110, 014102, 2017.

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、非特許文献１－３に開示された物体を制御する技術においては、ステージに置かれている物体を拾い上げることが難しい。そのため、物体を空中で制御するためには事前に物体を強い波動場が集まっている空間近くまで運ぶ必要がある。
本発明の目的は、ステージに置かれている物体を物体に接触することなく拾い上げることができる振動子の制御装置及び制御方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の一態様は、半球体の球帯ごとに並べて配置された振動子が発生する超音波の大きさ及び位相を制御する制御装置であって、前記振動子で構成される振動子アレイが発生する超音波と前記超音波がステージを反射することで発生する反射超音波とにより形成される目標波動場に基づいて前記振動子が発生する超音波の大きさを制御する。

【0007】

本発明の一態様は、半球体の球帯ごとに並べて配置された振動子が発生する超音波の大きさ及び位相を制御する制御方法であって、前記振動子で構成される振動子アレイが発生する超音波と前記超音波がステージを反射することで発生する反射超音波とにより形成される目標波動場に基づいて前記振動子が発生する超音波の大きさを制御する。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、ステージに置かれている物体を物体に接触することなく拾い上げることができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】第１の実施形態に係る物体浮揚システムの構成を示す図である。

【図2】第１の実施形態に係る振動子アレイの構成を示す図である。

【図3】半球体の各部分を示す図である。

【図4】半球体の球帯の一例を示す図である。

【図5】２つの四分球を示す図である。

【図6】振動子アレイと虚振動子アレイを示す図である。

【図7】目標波動場と制御点を示す図である。

【図8】振動子が発生する波動場のシミュレーション結果である。

【図9】振動子が発生する超音波の大きさ及び位相を示す図である。

【図10】発生する波動場による対象物体の浮揚を撮影した画像である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳しく説明する。
〈物体浮揚システム〉
図１は、第１の実施形態に係る物体浮揚システム１の構成を示す図である。物体浮揚システム１は、制御装置１１、ＤＡＣ(Digital-Analog Converter)１２、増幅器１３、振動子アレイ１４を備える。
制御装置１１は、ＤＡＣ１２にデジタル信号を出力する。制御装置１１による制御の詳細については後述する。ＤＡＣ１２は入力されるデジタル信号をアナログ信号に変換し、増幅器１３に出力する。増幅器１３は入力される信号を増幅し、振動子アレイ１４に出力する。振動子アレイ１４は、増幅器１３から入力される信号を振動に変換し、超音波を発生する。振動子アレイ１４は超音波を発生させることで対象物体１５に力を加え、対象物体１５を浮揚させる。

【0011】

物体浮揚システム１において、制御装置１１がアナログ信号を増幅器１３に出力してもよい。また、制御装置１１は振動子アレイ１４が超音波を発生させるために十分な大きさの信号を振動子アレイ１４に出力してもよい。

【0012】

〈振動子アレイ〉
図２は、第１の実施形態に係る振動子アレイ１４の構成を示す図である。
振動子アレイ１４は半球状に配置された振動子１４１により構成される。振動子１４１は、例えば中空の半球体１４２の内壁に配置されることで半球状に配置される。振動子１４１は、半球体１４２の内壁の法線と振動子１４１の照射面とが直交するように配置され、半球体１４２のほぼ中心に超音波が集中するように配置される。図３は、半球体１４２の各部分を示す図である。ここで半球体１４２の全球に対する切断面を開口面１４３と呼ぶ。また、半球体１４２上の点のうち、開口面１４３から最も距離が離れた点を頭頂点１４４と呼ぶ。
振動子１４１は、半球体１４２と開口面１４３に平行な複数の平面との交線上に並べて配置される。つまり、振動子１４１は、半球体１４２の球帯ごとに並べて配置される。

【0013】

〈振動子アレイの制御方法〉
制御装置１１は、振動子１４１が発生する超音波の大きさ及び位相を制御し、対象物体１５の周囲の波動場を変化させることで対象物体１５を浮揚させる。制御装置１１は、例えば対象物体１５の周囲の波動場を変化させ、対象物体１５に半球体１４２の内壁から中心へ向く方向の力を加えることで対象物体１５を捕捉する。その後、制御装置１１は、振動子１４１が発生する超音波の大きさ及び位相を変化させ、空間において加えられる力の大きさ及び向きを変化させることで、対象物体１５を浮揚させる。

【0014】

制御装置１１は、半球体１４２の球帯ごとに、当該球帯に配置される振動子１４１に発生させる超音波の大きさと位相を制御する。つまり、制御装置１１は、異なる球帯に配置された振動子１４１同士で、発生する超音波の大きさと位相が異なるように制御する。また、制御装置１１は、同じ球帯に配置された振動子１４１どうしで、発生する超音波の大きさが同じになるように制御する。図４は、半球体１４２の球帯の一例を示す図である。図４に示す例においては、球帯には開口面１４３に近い方から順に第１球帯、第２球帯、第３球帯、第４球帯及び第５球帯という名称が付与されている。制御装置１１は、振動子１４１が配置される第１球帯、第２球帯、第３球帯、第４球帯及び第５球帯のそれぞれについて独立して振動子１４１が発生する超音波の大きさと位相を制御する。

【0015】

また、振動子１４１が配置される半球体１４２を、中心と頭頂点１４４とを通る平面で２等分される第１の四分球及び第２の四分球に分けて考える。図５は、２つの四分球を示す図である。制御装置１１は、同じ球帯に配置された振動子１４１が発生する超音波の位相のうち、第１の四分球に配置された振動子１４１が発生する超音波の位相と第２の四分球に配置された振動子１４１が発生する超音波の位相とが逆位相になるように振動子１４１が発生する超音波の位相を制御する。これにより、制御装置１１は、対象物体１５が半球体１４２の中心と頭頂点１４４とを通る軸から動くのを防ぐことができる。

【0016】

制御装置１１は、振動子アレイ１４が発生する超音波と超音波がステージを反射することで発生する反射超音波とにより形成される波動場が目標波動場となるように、振動子１４１に発生させる超音波の大きさ及び位相を制御する。目標波動場は例えば対象物体１５の周囲の波動場が強い分布を有する波動場である。波動場において周囲に強い波動場がある点は焦点と呼ばれる。制御装置１１は、対象物体１５の近くに焦点を有する目標波動場を生成し、経時的に目標波動場の焦点の位置を上昇させることで、対象物体１５を上昇させることができる。

【0017】

反射超音波は、振動子アレイ１４と対象物体１５を載せたステージを対称面として振動子アレイ１４と対称に位置する虚振動子アレイ２４が発生する超音波であると考えることができる。図６は、振動子アレイ１４と虚振動子アレイ２４を示す図である。波動場を求めるためのモデルにおいて虚振動子アレイ２４を考慮することで、反射超音波を考慮することができ、対象物体１５の浮揚を容易に行うことができる。

【0018】

〈振動子の超音波の決定方法〉
以下、振動子１４１が発生する超音波を決定する方法について説明する。

【0019】

目標波動場をＨ、振動子１４１に係るパラメータをＧ、フィルタ係数をＷとすると、Ｈ＝ＧＷと表される。

【0020】

目標波動場Ｈは式（１）により表される。

【0021】

【数1】

【0022】

式（１）において、Ｈの各要素であるh₀、h₁・・・h_cは空間内の各制御点における波動場の強度及び位相を示す。Ｈの各要素は複素数であって、各制御点における波動場の強度及び位相を示す。制御点は例えば振動子アレイ１４と虚振動子アレイ２４の間の空間にとられる。ｃは空間内にとられた制御点の数を示す。つまり、Ｈは空間内にとられた全ての制御点における目標波動場を示す。空間内の制御点の位置は任意に決めてよい。

【0023】

フィルタ係数Ｗの値は各球帯に配置される振動子１４１が発生する超音波のパワーの大きさ及び位相を示す値である。フィルタ係数Ｗは式（２）により表される。

【0024】

【数2】

【0025】

フィルタ係数Ｗの各要素は複素数であって、超音波のパワーの大きさ及び位相を示す。式（２）において、ｔは振動子アレイ１４において振動子１４１がそれぞれ配置される球帯の数を示す。つまり、振動子１４１は振動子アレイ１４の第ｔ球帯まで配置される。

【0026】

振動子１４１に係るパラメータＧは式（３）により表される。

【0027】

【数3】

【0028】

パラメータＧが既知であるとき、目標波動場Ｈ及びパラメータＧに基づいてフィルタ係数Ｗを計算することができる。フィルタ係数Ｗは例えば式（４）により、加重最小２乗法(weighted least squares method)を用いて算出される。

【0029】

【数4】

【0030】

式（４）において、＊はエルミート転置を示し、Φは重みである。パラメータＧが固定されるとき、目標波動場Ｈとフィルタ係数Ｗは１対１の対応関係である。制御装置１１は、計算されたフィルタ係数Ｗに基づいて振動子アレイ１４に信号を送信し振動子アレイ１４を構成する振動子１４１が発生する超音波の大きさ及び位相を制御することで、目標波動場を対象物体１５の周囲に発生させ、対象物体１５を浮揚させる。例えば、対応するフィルタ係数の絶対値が大きい球帯に配置される振動子１４１が発生する超音波の大きさは大きくなり、対応するフィルタ係数の絶対値が小さい球帯に配置される振動子１４１が発生する超音波の大きさは小さくなる。

【0031】

式（３）において、ｇ_ｉｊは振動子アレイ１４の振動子１４１に関するパラメータである。ｇ_ｉｊは式（５）により表される。

【0032】

【数5】

【0033】

式（５）において、ｍは振動子アレイ１４及び虚振動子アレイ２４の第ｊ球帯に配置される振動子１４１の数である。反射面に対して面対象な振動子アレイ１４と虚振動子アレイ２４とは、対応する序数を有する。例えば、振動子アレイ１４の第ｎ球帯と虚振動子アレイ２４の第ｎ球帯とは、反射面に対して面対象となる。Ｍ_ｉ ^ｎは振動子アレイ１４又は虚振動子アレイ２４の１つの振動子１４１により各制御点に与えられる波動圧である。Ｍ_ｉ ^ｎは式（６）により定義される。

【0034】

【数6】

【0035】

式（６）において、ｐ_０は振動子１４１から発生される超音波のパワーにより定義される定数である。ｐ_０は振動子アレイ１４の振動子であっても虚振動子アレイ２４の振動子であっても等しい値である。Ｊ_０（ｘ）は、次数０の第一種ベッセル関数である。ｋは振動子１４１から発生される超音波の波数である。ｒは振動子１４１の照射面の半径である。ｄ_ｉ ^ｎは各振動子１４１と制御点との間の距離である。θ_ｉ ^ｎは振動子１４１の照射面と垂直である音軸と振動子１４１と制御点とを通る直線とがなす角度である。

【0036】

式（６）において、虚振動子アレイ２４の振動子１４１が各制御点に与える波動圧が計算され、式（５）において振動子アレイ１４の各球帯に対応するパラメータに虚振動子アレイ２４の振動子１４１が各制御点に与える波動圧が含まれることで、虚振動子アレイ２４が考慮される。

【0037】

以上により、制御装置１１は、目標波動場Ｈ及びパラメータＧからフィルタ係数Ｗを計算し、振動子１４１が発生する超音波の大きさ及び位相を制御することができる。

【0038】

制御装置１１は、対象物体１５の浮揚した距離に基づいて振動子アレイ１４に送信する信号を決定してもよい。対象物体１５の浮揚した距離はカメラなどを通して人間が目視で判定し制御装置１１に入力してもよく、カメラなどにより物体認識され、制御装置１１に入力されてもよい。振動子１４１を用いてステージからの反射成分により距離を判定することで、対象物体の浮揚した距離は制御装置１１に入力されてもよい。制御装置１１は、事前に決定されたタイミングで振動子アレイ１４に送信する信号を変化させることで、振動子１４１が発生する超音波の大きさ及び位相を変化させ、対象物体１５を浮揚させてもよい。

【0039】

〈作用・効果〉
制御装置１１は、振動子アレイ１４が発生する超音波が対象物体１５を載せたステージで反射するのを考慮し、振動子アレイ１４を構成する振動子１４１を配置される球帯の違いにより異なる制御を行う。これにより、ステージによる反射がある場合であっても波動場が擾乱することなく対象物体１５を捕捉することができる。

【0040】

〈実験結果〉
以下、実験結果を説明する。本実験において使用した振動子アレイ１４を構成する振動子１４１は１８０個である。振動子１４１は、振動子１４１が配置された球帯が第１球帯から第８球帯のいずれかにより８通りに制御される。各々の球帯に配置される振動子１４１の数は、第１球帯から第８球帯まで３２、３２、３２、２８、２４、１６、１２、４である。半球体１４２の直径は１２０ｍｍである。振動子１４１が発生する超音波の中央周波数は４０ｋＨｚであり、振動子１４１の直径はおよそ１０ｍｍである。

【0041】

制御点は半球体１４２の中心を中心とする一辺４０ｍｍの立方体の空間内に４ｍｍ間隔で設定した。つまり、１１^３＝１３３１個の制御点を設定した。式（１）における重みΦを半球体１４２の中心を中心とする一辺２０ｍｍの立方体の空間内の制御点においては５とし、半球体１４２の中心を中心とする一辺１０ｍｍの立方体の空間内の制御点においては１０とし、他の場合は１とした。本実験において、球帯は第１球帯から第８球帯まで８個、制御点は１３３１個であるため、パラメータＧは８×１３３１の行列となる。

【0042】

図７は、目標波動場と制御点を示す図である。図７に示す目標波動場においてｘ＝０であり、焦点は（ｙ、ｚ）＝（０，０）である。ｘｙ平面が開口面１４３と平行であるとき、対象物体１５に目標波動場の焦点を合わせ、時間経過に応じて目標波動場の焦点を上昇させることで、対象物体１５を上昇させることができる。

【0043】

図８は、振動子１４１が発生する波動場のシミュレーション結果である。（ｙ，ｚ）＝（０，０）が半球体１４２の中心となり、ｚ軸が半球体１４２の中心と頭頂点１４４とを結ぶ直線と平行になるように座標を定義した。Ａは、図７に示す目標波動場のテンプレートをＺ軸方向に－２５ｍｍオフセットした目標波動場に、波動場が近づくようにシミュレートした結果である。Ａは対象物体１５がステージ上にある状態、つまり、対象物体１５が置かれているステージから対象物体１５を浮揚させるときである。Ｂは、図７に示す目標波動場のテンプレートをＺ軸方向に－１０ｍｍオフセットした目標波動場に、波動場が近づくようにシミュレートした結果である。Ｂは対象物体１５がステージからおよそ１５ｍｍ上昇した状態である。

【0044】

図９は、振動子１４１が発生する超音波の大きさ及び位相を示す図である。角柱の位置は振動子１４１が設置される位置を示し、角柱の大きさは当該振動子１４１が発生する超音波の大きさ、角柱の濃淡は当該振動子１４１が発生する超音波の位相を示す。Ａは対象物体１５が半球体１４２の中心付近にある状態の振動子１４１が発生する超音波の大きさ及び位相を示し、Ｂは対象物体１５が半球体１４２の中心付近からおよそ１５ｍｍ上昇した状態の振動子１４１が発生する超音波の大きさ及び位相を示す。

【0045】

図１０は、発生する波動場による対象物体１５の浮揚を撮影した画像である。対象物体１５が段階(a)から(f)になるにつれて浮揚し、最終的にステージから２ｃｍ浮揚しているのが分かる。

【0046】

〈他の実施形態〉
以上、図面を参照してこの発明の一実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内において様々な設計変更等をすることが可能である。

【0047】

上述した実施形態における制御装置１１の一部又は全部をコンピュータで実現するようにしてもよい。その場合、この機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することによって実現してもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器のハードウェアを含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ－ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記録装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものを含んでもよい。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよく、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであってもよく、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のプログラマブルロジックデバイスを用いて実現されるものであってもよい。

【符号の説明】

【0048】

１ 物体浮揚システム、１１ 制御装置、１２ ＤＡＣ、１３ 増幅器、１４ 振動子アレイ、１５ 対象物体、１４１ 振動子、１４２ 半球体、１４３ 開口面、１４４ 頭頂点、２４ 虚振動子アレイ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】