特開 2024-120302 超音波発生装置

(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】P2024120302

(43)【公開日】2024-09-05

(54)【発明の名称】超音波発生装置

(51)【国際特許分類】

   H04R 1/34 20060101AFI20240829BHJP

【ＦＩ】

H04R1/34 330B

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023027006

(22)【出願日】2023-02-24

(71)【出願人】

【識別番号】000004547

【氏名又は名称】日本特殊陶業株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】504137912

【氏名又は名称】国立大学法人 東京大学

(74)【代理人】

【識別番号】110000497

【氏名又は名称】弁理士法人グランダム特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】伊藤 伸介

(72)【発明者】

【氏名】横山 広大

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 諭

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 遼

(72)【発明者】

【氏名】笠島 崇

(72)【発明者】

【氏名】山田 恭平

(72)【発明者】

【氏名】森田 剛

【テーマコード（参考）】

5D019

【Ｆターム（参考）】

5D019AA21

5D019AA22

5D019BB10

5D019FF03

(57)【要約】

【課題】超音波が反射するときのエネルギの減衰を抑える。
【解決手段】超音波発生装置１０は、超音波発生源１１と、超音波集束部１２と、導波路１３と、を備える。超音波発生源１１は、超音波を発生する。超音波集束部１２は、超音波発生源１１から発生した超音波を集束する。導波路１３は、超音波集束部１２によって集束された超音波を伝送する。超音波集束部１２は、第１反射面２１と、第２反射面２２と、を有する。第１反射面２１のいずれの位置においても、入射縦波のエネルギに対する反射縦波のエネルギの割合は、０．２以上である。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

超音波を発生する超音波発生源と、
前記超音波発生源から発生した前記超音波を集束する超音波集束部と、
前記超音波集束部によって集束された前記超音波を伝送する導波路と、を備え、
前記超音波集束部は、
前記超音波発生源で発生した前記超音波を反射させる第１反射面と、
前記第１反射面で反射された前記超音波を反射させる第２反射面と、を有し、
前記超音波のうち縦波が、前記第２反射面で平面波として反射されて前記導波路に導入されるように前記第１反射面と前記第２反射面とが配置されてなる超音波発生装置であって、
前記超音波発生源から前記第１反射面に入射する入射波を入射縦波とし、前記入射縦波が前記第１反射面で反射する反射波のうちの縦波を反射縦波とした場合、前記第１反射面のいずれの位置においても、前記入射縦波のエネルギに対する前記反射縦波のエネルギの割合は、０．２以上である
超音波発生装置。

【請求項2】

前記超音波発生源は、前記入射縦波を放射する放射面を有し、
前記超音波集束部は、前記放射面に接合される接合面を有し、
前記放射面から前記入射縦波が放射される方向を前方とした場合に、
前記超音波集束部の後面には、前記接合面と前記第２反射面とが形成され、
前記第１反射面は、前記接合面よりも前方の位置に配置され、
前記超音波集束部は、前記第１反射面の外周縁と、前記後面の外周縁とに連なり、前後方向に沿った形状をなす外周面を有する
請求項１に記載の超音波発生装置。

【請求項3】

前記第１反射面のいずれの位置においても、前記入射縦波のエネルギに対する前記反射縦波のエネルギの割合は、０．４以上である
請求項１又は請求項２に記載の超音波発生装置。

【請求項4】

前記超音波発生源は、前記入射縦波を放射する放射面を有し、
前記超音波集束部は、前記放射面に接合される接合面を有し、
前記放射面から前記入射縦波が放射される方向を前方とした場合に、
前記超音波集束部の後面には、前記接合面と前記第２反射面とが形成され、
前記第１反射面は、前記接合面よりも前方の位置に配置され、
前記第２反射面は、前後方向と直交する平面方向において前記第１反射面の外周縁よりも内側に配置され、
前記接合面は、前記第２反射面の外周縁よりも前方の位置に配置される前側接合面を有し、
前記第１反射面は、前記前側接合面のうち前記平面方向において前記第２反射面の外周縁から最も離れた部位を通る前記入射縦波が入射される外側入射部を有し、
前記前側接合面は、前記外側入射部からの前記反射縦波が通る経路よりも後方の位置に配置される
請求項１又は請求項２に記載の超音波発生装置。

【請求項5】

前記接合面は、前記平面方向において、前記前側接合面よりも前記第２反射面の外周縁から離れた位置に配置される第２前側接合面を有し、
前記第２前側接合面は、前記前側接合面よりも前方の位置に配置され、
前記第１反射面は、前記第２前側接合面のうち前記平面方向において前記第２反射面の外周縁から最も離れた部位を通る前記入射縦波が入射される第２外側入射部を有し、
前記前側接合面及び前記第２前側接合面は、前記第２外側入射部からの前記反射縦波を通る経路よりも後方の位置に配置される
請求項４に記載の超音波発生装置。

【請求項6】

前記超音波発生源は、複数設けられ、
前記前側接合面及び前記第２前側接合面には、互いに異なる前記超音波発生源が接合される
請求項５に記載の超音波発生装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、超音波発生装置に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、超音波放射器が開示されている。この超音波放射器は、超音波振動子と、超音波振動子からの超音波を伝搬する音響伝播体と、を含んでいる。音響伝播体は、本体と、本体の前面から前方へ延びる軸体と、を備えている。本体の前面は、超音波振動子からの超音波を反射する凹型の一次反射面として機能する。本体は、一次反射面からの超音波を反射する凹型の二次反射面を有する。二次反射面で反射された超音波は、軸体に伝播される。これにより、減衰を抑制しつつ集束された超音波が、軸体によって構成される導波路に伝播される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特許第６７７４６９７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１の技術では、超音波が反射するときのエネルギの減衰について考慮されておらず、この点について改善の余地がある。

【0005】

本開示は、超音波が反射するときのエネルギの減衰を抑えやすい技術の提供を目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の超音波発生装置は、超音波を発生する超音波発生源と、
前記超音波発生源から発生した前記超音波を集束する超音波集束部と、
前記超音波集束部によって集束された前記超音波を伝送する導波路と、を備え、
前記超音波集束部は、
前記超音波発生源で発生した前記超音波を反射させる第１反射面と、
前記第１反射面で反射された前記超音波を反射させる第２反射面と、を有し、
前記超音波のうち縦波が、前記第２反射面で平面波として反射されて前記導波路に導入されるように前記第１反射面と前記第２反射面とが配置されてなる超音波発生装置であって、
前記超音波発生源から前記第１反射面に入射する入射波を入射縦波とし、前記入射縦波が前記第１反射面で反射する反射波のうちの縦波を反射縦波とした場合、前記第１反射面のいずれの位置においても、前記入射縦波のエネルギに対する前記反射縦波のエネルギの割合は、０．２以上である。

【発明の効果】

【0007】

本開示によれば、超音波が反射するときのエネルギの減衰を抑えやすい。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】図１は、第１実施形態における超音波発生装置の側面図である。

【図2】図２は、第１実施形態における超音波発生装置の断面図である。

【図3】図３は、縦波反射率と入射角との関係を示すグラフである。

【図4】図４は、第２実施形態における超音波発生装置の断面図である。

【図5】図５は、第３実施形態における超音波発生装置の断面図である。

【図6】図６は、第４実施形態における超音波発生システムの正面図である。

【図7】図７は、第５実施形態における超音波発生システムの正面図である。

【図8】図８は、第５実施形態における超音波発生システムの側面図である。

【図9】図９は、第６実施形態における超音波発生装置の断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下では、本開示の実施形態が列記されて例示される。

【0010】

〔１〕超音波を発生する超音波発生源と、
前記超音波発生源から発生した前記超音波を集束する超音波集束部と、
前記超音波集束部によって集束された前記超音波を伝送する導波路と、を備え、
前記超音波集束部は、
前記超音波発生源で発生した前記超音波を反射させる第１反射面と、
前記第１反射面で反射された前記超音波を反射させる第２反射面と、を有し、
前記超音波のうち縦波が、前記第２反射面で平面波として反射されて前記導波路に導入されるように前記第１反射面と前記第２反射面とが配置されてなる超音波発生装置であって、
前記超音波発生源から前記第１反射面に入射する入射波を入射縦波とし、前記入射縦波が前記第１反射面で反射する反射波のうちの縦波を反射縦波とした場合、前記第１反射面のいずれの位置においても、前記入射縦波のエネルギに対する前記反射縦波のエネルギの割合は、０．２以上である
超音波発生装置。

【0011】

上記超音波発生装置は、第１反射面のいずれの位置においても、入射縦波のエネルギに対する反射縦波のエネルギの割合が０．２以上となっている。したがって、上記超音波発生装置は、第１反射面で反射される縦波のエネルギの減衰を抑えやすい。

【0012】

〔２〕前記超音波発生源は、前記入射縦波を放射する放射面を有し、
前記超音波集束部は、前記放射面に接合される接合面を有し、
前記放射面から前記入射縦波が放射される方向を前方とした場合に、
前記超音波集束部の後面には、前記接合面と前記第２反射面とが形成され、
前記第１反射面は、前記接合面よりも前方の位置に配置され、
前記超音波集束部は、前記第１反射面の外周縁と、前記後面の外周縁とに連なり、前後方向に沿った形状をなす外周面を有する
〔１〕に記載の超音波発生装置。

【0013】

上記超音波集束部は、第１反射面の外周縁と、後面の外周縁とに連なり、前後方向に沿った形状をなす外周面を有する。このため、上記超音波集束部は、第１反射面と後面を互いの延長線上で直接繋ぐ構成と比較して、前後方向と直交する方向の小型化を図りやすい。

【0014】

〔３〕前記第１反射面のいずれの位置においても、前記入射縦波のエネルギに対する前記反射縦波のエネルギの割合は、０．４以上である
〔１〕又は〔２〕に記載の超音波発生装置。

【0015】

上記超音波発生装置は、第１反射面のいずれの位置においても、入射縦波のエネルギに対する反射縦波のエネルギの割合が０．４以上となっている。したがって、上記超音波発生装置は、第１反射面で反射される縦波のエネルギの減衰をより一層抑えることができる。

【0016】

〔４〕前記超音波発生源は、前記入射縦波を放射する放射面を有し、
前記超音波集束部は、前記放射面に接合される接合面を有し、
前記放射面から前記入射縦波が放射される方向を前方とした場合に、
前記超音波集束部の後面には、前記接合面と前記第２反射面とが形成され、
前記第１反射面は、前記接合面よりも前方の位置に配置され、
前記第２反射面は、前後方向と直交する平面方向において前記第１反射面の外周縁よりも内側に配置され、
前記接合面は、前記第２反射面の外周縁よりも前方の位置に配置される前側接合面を有し、
前記第１反射面は、前記前側接合面のうち前記平面方向において前記第２反射面の外周縁から最も離れた部位を通る前記入射縦波が入射される外側入射部を有し、
前記前側接合面は、前記外側入射部からの前記反射縦波が通る経路よりも後方の位置に配置される
〔１〕から〔３〕のいずれか一つに記載の超音波発生装置。

【0017】

上記超音波発生装置は、前側接合面を第２反射面の外周縁よりも前方の位置に配置することで、接合面における前側接合面と第１反射面との間隔を縮めることができるため、超音波集束部の体積を減らすことができる。また、上記超音波発生装置は、前側接合面が外側入射部からの反射縦波が通る経路よりも後方の位置に配置されるため、第１反射面で反射した反射縦波の第２反射面への到達が妨害されない。

【0018】

〔５〕前記接合面は、前記平面方向において、前記前側接合面よりも前記第２反射面の外周縁から離れた位置に配置される第２前側接合面を有し、
前記第２前側接合面は、前記前側接合面よりも前方の位置に配置され、
前記第１反射面は、前記第２前側接合面のうち前記平面方向において前記第２反射面の外周縁から最も離れた部位を通る前記入射縦波が入射される第２外側入射部を有し、
前記前側接合面及び前記第２前側接合面は、前記第２外側入射部からの前記反射縦波を通る経路よりも後方の位置に配置される
〔４〕に記載の超音波発生装置。

【0019】

上記超音波発生装置は、第２前側接合面が前側接合面よりも前方の位置に配置されることで、接合面における第２前側接合面と第１反射面との間隔をより縮めることができるため、超音波集束部の体積をより減らすことができる。また、上記超音波発生装置は、前側接合面及び第２前側接合面が第２外側入射部からの反射縦波が通る経路よりも後方の位置に配置されるため、第１反射面で反射した反射縦波の第２反射面への到達が妨害されない。

【0020】

〔６〕前記超音波発生源は、複数設けられ、
前記前側接合面及び前記第２前側接合面には、互いに異なる前記超音波発生源が接合される
〔５〕に記載の超音波発生装置。

【0021】

上記超音波発生装置は、前側接合面と第２前側接合面との位置関係を考慮せずに前側接合面と第２前側接合面に超音波発生源を接合させることができるため、超音波発生源の構造を簡素化しやすい。

【0022】

１．第１実施形態
１－１．超音波発生装置１０の構成
超音波発生装置１０は、図１及び図２に示すように、超音波発生源１１と、超音波集束部１２と、導波路１３と、を備えている。超音波発生源１１は、超音波を発生する。超音波集束部１２は、超音波発生源１１から発生した超音波を集束する。導波路１３は、超音波集束部１２によって集束された超音波を伝送する。超音波発生装置１０は、後端側から超音波発生源１１、超音波集束部１２、導波路１３の順に配置されて構成されている。

【0023】

超音波発生源１１は、例えば圧電素子である。圧電素子は、例えば圧電セラミックスからなる圧電体と、圧電体の両側に設けられる電極と、を有している。超音波発生源１１は、前後方向に厚さを有する板状をなしている。超音波発生源１１は、本実施形態では、環状（より具体的には、円環状）をなしている。

【0024】

超音波発生源１１は、図示しない信号送受信回路から電気信号を与えられると超音波を発生する。超音波発生源１１は、超音波を放射する放射面１５を有している。放射面１５は、超音波発生源１１の前面に形成されており、前方を向いた状態で配置されている。放射面１５は、平坦な面であり、超音波発生装置１０の前後方向に対して直交する方向に広がっている。放射面１５は、超音波を前方に放射する。超音波発生源１１から発生した超音波は、前方に向けて直進する平面波である。超音波発生源１１は、例えば、３０ｋＨｚ以上で且つ１０ＭＨｚ以下の周波数で超音波を発生させる。

【0025】

超音波集束部１２は、金属（例えばジュラルミン）によって形成されている。超音波集束部１２は、前後方向から見た外縁の形状が円形である。超音波集束部１２は、超音波発生源１１（より具体的には、放射面１５）に接合される接合面２０を有している。接合面２０は、超音波集束部１２の後面１２Ａに形成され、後方を向いた状態で配置されている。接合面２０は、平坦な面である。接合面２０は、環状（より具体的には、円環状）をなしている。

【0026】

超音波集束部１２は、第１反射面２１及び第２反射面２２を有している。第１反射面２１は、接合面２０よりも前方の位置に配置されている。第１反射面２１は、超音波発生源１１の放射面１５と対向して配置されている。第１反射面２１と超音波発生源１１の放射面１５との対向方向は、前後方向と平行である。第１反射面２１は、超音波集束部１２の外部から見ると、前方側（超音波発生源１１とは反対側）に凸な湾曲面（例えば放物面）である。第１反射面２１は、超音波集束部１２の内部から見ると凹型である。第１反射面２１は、環状をなしている。第１反射面２１の内周縁は、第１反射面２１の外周縁よりも前方に位置している。第１反射面２１は、超音波集束部１２及び導波路１３の中心を通り前後方向に延びる軸線を回転軸として構成される回転湾曲面、具体的には回転放物面である。

【0027】

第２反射面２２は、第１反射面２１と対向して配置されている。第２反射面２２は、超音波集束部１２の外部から見ると、後方側（第１反射面２１とは反対側）に凸な湾曲面（例えば放物面）である。第２反射面２２は、超音波集束部１２の内部から見ると凹型である。第２反射面２２は、後方に突出している。つまり、第２反射面２２の突出方向は後方である。第２反射面２２は、接合面２０よりも後方に突出している。第２反射面２２の前端の前後方向の位置は、接合面２０の前後方向の位置と同じである。

【0028】

超音波集束部１２の後面１２Ａには、接合面２０を含む接合用面２３と第２反射面２２とが形成されている。接合用面２３は、接合面２０を含む平坦な面のことである。接合用面２３は、環状（より具体的には、円環状）をなしている。接合用面２３は、第２反射面２２の外周を囲んでいる。接合用面２３の内周縁は、第２反射面２２の外周縁に連なっている。超音波集束部１２は、第１反射面２１の外周縁と、後面１２Ａ（より具体的には、接合用面２３）の外周縁とに連なり、前後方向に沿った形状をなす外周面２４を有している。外周面２４は、環状（より具体的には、円環状）をなしている。

【0029】

第１反射面２１は、超音波発生源１１で発生した超音波を、第２反射面２２に向けて反射させる。第２反射面２２は、第１反射面２１で反射された超音波を、導波路１３の後端部に向けて反射させる。第１反射面２１及び第２反射面２２は、第２反射面２２で反射された超音波が平面波として反射されて導波路１３に導入されるように配置されている。

【0030】

第１反射面２１のいずれの位置においても、入射縦波のエネルギに対する反射縦波のエネルギの割合（以下、縦波反射率ともいう）は、０．２以上であり、０．４以上であることがより好ましい。入射縦波は、超音波発生源１１から第１反射面２１に入射する入射波のことである。反射縦波は、入射縦波が第１反射面２１で反射する反射波のうちの縦波のことである。縦波とは、超音波のうち入射角と反射角が同じ角度となる成分のことである。放射面１５は、入射縦波を含む超音波を放射する。入射縦波は、放射面１５に対して直交し、放射面１５から第１反射面２１に向かって前方に放射される。

【0031】

縦波反射率は、図３に示すように、入射角と第１反射面２１を形成する材料のポアソン比νとに依存する。つまり、超音波発生装置１０は、縦波反射率が０．２以上となるように、入射角と第１反射面２１を形成する材料のポアソン比νとが調整された構成となっている。

【0032】

例えば、第１反射面２１を形成する材料のポアソン比νが０．３３である構成においては、入射角が５０°以下であれば、縦波反射率が０．２以上となり、入射角が３７°以下であれば、縦波反射率が０．４以上となる。

【0033】

入射角は、図２に示すように、第１反射面２１に対する入射位置が前後方向と直交する平面方向において第２反射面２２から離れるほど大きくなる。このため、超音波発生源１１における第２反射面２２から最も離れた位置から放射される入射縦波の第１反射面２１に対する入射角が５０°以下であれば、第１反射面２１のいずれの位置においても、縦波反射率が０．２以上となる。また、上記入射角が３７°以下であれば、第１反射面２１のいずれの位置においても、縦波反射率が０．４以上となる。

【0034】

例えば、図２に示す例では、超音波発生源１１における第２反射面２２から最も離れた位置から放射される入射縦波の第１反射面２１に対する入射角θＡが３７°以下となっているため、縦波反射率が０．４以上となっている。

【0035】

なお、図３に示すように、ポアソン比νが０以上で且つ０．３３以下である場合に、縦波反射率が０．４を下回ることがあり、０．２を下回ることがある。このため、本発明は、第１反射面２１を形成する材料のポアソン比νが０以上で且つ０．３３以下である構成において特に有効である。

【0036】

ポアソン比νは、以下の式（１）～（３）によって求められる。
ν＝－ε１／ε２ ・・・式（１）
ε１＝δ／ｄ ・・・式（２）
ε２＝λ／ｌ ・・・式（３）
ε１は、横ひずみ。ε２は、縦ひずみ。δは、物体の直径の変化量。ｄは、元の物体の直径。λは、物体の長さの変化量。ｌは、元の物体の長さ。

【0037】

ポアソン比の測定方法として、ＪＩＳ Ｚ ２２４１（金属材料引張試験方法）に準ずる方法で実施することが好ましい。十分なサイズの試験片が得られない場合、測定装置は、例えば、日本テクノプラス株式会社製の「圧電共振（ＲＵＳ）式弾性定数、弾性率測定装置ＣＣシリーズ」であることが好ましい。この測定装置によれば、数ｍｍ角の試験片のポアソン比を測定することができる。

【0038】

導波路１３は、超音波集束部１２の前端から前方に向かって延びる柱状（より具体的には円柱状）をなしている。つまり、導波路１３は、超音波発生源１１から超音波が放射される方向に延びている。導波路１３は、本実施形態では超音波集束部１２と別部材として説明するが、超音波集束部１２と同一部材であってもよい。導波路１３は、超音波伝搬性の高い材料によって形成されることが好ましく、例えば、アルミ合金、金属ガラスなどで形成されることが好ましい。また、導波路１３は、例えばチタンとニッケルの合金からなる形状記憶合金で形成される構成であってもよい。導波路１３は、弾性変形し得る。

【0039】

超音波発生源１１は、図示しない信号送受信回路から電気信号を与えられると、図２に示すように、放射面１５から前方に向けて超音波を発生する。放射面１５から放射された超音波は、第１反射面２１で反射され、第１反射面２１の焦点Ｆに向かって集束する。第１反射面２１の焦点Ｆは、第２反射面２２の焦点Ｆと同じとなっている。このため、第１反射面２１の焦点Ｆを通過した超音波は、第２反射面２２で反射され、平面波として導波路１３の内部に導入される。

【0040】

１－２．超音波発生装置１０の作用及び効果の例
超音波発生装置１０は、第１反射面２１のいずれの位置においても、入射縦波のエネルギに対する反射縦波のエネルギの割合が０．４以上となっている。したがって、超音波発生装置１０は、第１反射面２１で反射される縦波のエネルギの減衰を抑えやすい。更に、超音波発生装置１０は、第１反射面２１で反射されて生じる横波のエネルギが少なくなるため、導波路１３に向かう超音波の制御がしやすくなる。

【0041】

超音波集束部１２は、第１反射面２１の外周縁と、後面１２Ａの外周縁とに連なり、前後方向に沿った形状をなす外周面２４を有する。このため、超音波集束部１２は、第１反射面２１と後面１２Ａを互いの延長線上で直接繋ぐ構成と比較して、前後方向と直交する方向の小型化を図りやすい。

【0042】

２．第２実施形態
第２実施形態では、超音波発生源を第１反射面に対してより近づけることで、超音波集束部の体積を小さくした例について説明する。なお、第２実施形態では、第１実施形態と同じ構成については同じ符号を付し、詳しい説明を省略する。

【0043】

第２実施形態の超音波発生装置２１０は、図４に示すように、超音波発生源１１と、超音波集束部２１２と、導波路１３と、を備えている。

【0044】

超音波集束部２１２は、放射面１５が接合される接合面２２０を有している。超音波集束部２１２は、第１反射面２１及び第２反射面２２を有している。超音波集束部２１２の後面２１２Ａには、接合面２２０と、第２反射面２２とが形成されている。

【0045】

第１反射面２１は、接合面２２０よりも前方の位置に配置されている。第２反射面２２は、前後方向と直交する平面方向において第１反射面２１の外周縁よりも内側に配置されている。接合面２２０は、第２反射面２２の外周縁よりも前方の位置に配置される前側接合面２３１を有している。本実施形態では、接合面２２０全体が、前側接合面２３１である。第１反射面２１は、前側接合面２３１のうち平面方向において第２反射面２２の外周縁から最も離れた部位を通る入射縦波が入射される外側入射部２１Ａを有している。前側接合面２３１は、外側入射部２１Ａからの反射縦波が通る経路ＲＡよりも後方の位置に配置されている。

【0046】

超音波集束部２１２の後面２１２Ａには、接合面２２０を含む接合用面２２３と、介在面２２５とが形成されている。接合用面２２３は、接合面２２０を含む平坦な面のことである。接合用面２２３は、環状（より具体的には、円環状）をなしている。接合用面２２３は、第２反射面２２の外周を囲んでいる。介在面２２５は、接合用面２２３と第２反射面２２との間に配置されている。介在面２２５の内周縁は、第２反射面２２の外周縁に連なっている。介在面２２５の外周縁は、段差面２２６を介して接合用面２２３の内周縁に連なっている。超音波集束部１２は、第１反射面２１の外周縁と、後面２１２Ａ（より具体的には、接合用面２２３）の外周縁とに連なり、前後方向に沿った形状をなす外周面２２４を有している。外周面２２４は、環状（より具体的には、円環状）をなしている。

【0047】

また、超音波発生装置２１０は、第１実施形態の超音波発生装置１０と同じく、第１反射面２１のいずれの位置においても、入射縦波のエネルギに対する反射縦波のエネルギの割合が０．４以上となっている。具体的には、第１反射面２１を形成する材料のポアソン比νが０．３３であり、超音波発生源１１における第２反射面２２から最も離れた位置から放射される入射縦波の第１反射面２１に対する入射角θＢ（つまり、外側入射部２１Ａに対する入射角θＢ）が３７°以下となっているため、縦波反射率が０．４以上となっている。

【0048】

以上の様に、第２実施形態の超音波発生装置２１０は、前側接合面２３１を第２反射面２２の外周縁よりも前方の位置に配置することで、接合面２２０における前側接合面２３１と第１反射面２１との間隔を縮めることができるため、超音波集束部２１２の体積を減らすことができる。また、超音波発生装置２１０は、前側接合面２３１が外側入射部２１Ａからの反射縦波が通る経路ＲＡよりも後方の位置に配置されるため、第１反射面２１で反射した反射縦波の第２反射面２２への到達が妨害されない。

【0049】

３．第３実施形態
第３実施形態では、超音波集束部の体積を第２実施形態の構成よりも小さくした例について説明する。なお、第３実施形態では、第２実施形態と同じ構成については同じ符号を付し、詳しい説明を省略する。

【0050】

第３実施形態の超音波発生装置３１０は、図５に示すように、超音波発生源３１１Ａ，３１１Ｂと、超音波集束部３１２と、導波路１３と、を備えている。

【0051】

超音波発生源３１１Ａ，３１１Ｂは、例えば、圧電セラミックスからなる圧電素子である。超音波発生源３１１Ａ，３１１Ｂは、前後方向に厚さを有する板状をなしている。超音波発生源３１１Ａ，３１１Ｂは、本実施形態では、環状（より具体的には、円環状）をなしている。超音波発生源３１１Ｂの内径は、超音波発生源３１１Ａの外径と同じであるか、超音波発生源３１１Ａの外径よりも大きい。超音波発生源３１１Ｂの外径は、超音波発生源３１１Ａの外径よりも大きい。

【0052】

超音波発生源１１は、図示しない信号送受信回路から電気信号を与えられると超音波を発生する。超音波発生源３１１Ａは、超音波を放射する放射面１５Ａを有している。放射面１５Ａは、超音波発生源３１１Ａの前面に形成されており、前方を向いた状態で配置されている。超音波発生源３１１Ｂは、超音波を放射する放射面１５Ｂを有している。放射面１５Ｂは、超音波発生源３１１Ｂの前面に形成されており、前方を向いた状態で配置されている。放射面１５Ａ，１５Ｂは、平坦な面であり、超音波発生装置１０の前後方向に対して直交する方向に広がっている。放射面１５Ａ，１５Ｂは、超音波を前方に放射する。超音波発生源３１１Ａ，３１１Ｂから発生した超音波は、前方に向けて直進する平面波である。超音波発生源３１１Ａ，３１１Ｂは、例えば、３０ｋＨｚ以上で且つ１０ＭＨｚ以下の周波数で超音波を発生させる。

【0053】

超音波集束部３１２は、放射面１５Ａ，１５Ｂが接合される接合面３２０を有している。超音波集束部３１２は、第１反射面２１及び第２反射面２２を有している。超音波集束部３１２の後面３１２Ａには、接合面３２０と、第２反射面２２とが形成されている。

【0054】

第１反射面２１は、接合面３２０よりも前方の位置に配置されている。第２反射面２２は、前後方向と直交する平面方向において第１反射面２１の外周縁よりも内側に配置されている。接合面３２０は、第２反射面２２の外周縁よりも前方の位置に配置される第１前側接合面３３１を有している。第１前側接合面３３１は、放射面１５Ａに接合される。第１反射面２１は、第１前側接合面３３１のうち上記平面方向において第２反射面２２の外周縁から最も離れた部位を通る入射縦波が入射される第１外側入射部３２１Ａを有している。第１前側接合面３３１は、第１外側入射部３２１Ａからの反射縦波が通る経路ＲＢよりも後方の位置に配置されている。

【0055】

接合面２２０は、上記平面方向において、第１前側接合面３３１よりも第２反射面２２の外周縁から離れた位置に配置される第２前側接合面３３２を有している。第２前側接合面３３２は、放射面１５Ｂに接合されている。第２前側接合面３３２は、第１前側接合面３３１よりも前方の位置に配置されている。第１反射面２１は、第２前側接合面３３２のうち上記平面方向において第２反射面２２の外周縁から最も離れた部位を通る入射縦波が入射される第２外側入射部３２１Ｂを有している。第１前側接合面３３１及び第２前側接合面３３２は、第２外側入射部３２１Ｂからの反射縦波を通る経路ＲＣよりも後方の位置に配置されている。

【0056】

超音波集束部２１２の後面２１２Ａには、第１前側接合面３３１を含む第１前側接合用面３３３と、第２前側接合面３３２を含む第２前側接合用面３３４と、介在面３２５とが形成されている。

【0057】

第１前側接合用面３３３は、第１前側接合面３３１を含む平坦な面のことである。第１前側接合用面３３３は、環状（より具体的には、円環状）をなしている。第１前側接合用面３３３は、第２反射面２２の外周を囲んでいる。介在面３２５は、第１前側接合用面３３３と第２反射面２２との間に配置されている。介在面３２５の内周縁は、第２反射面２２の外周縁に連なっている。介在面３２５の外周縁は、第１段差面３２６を介して第１前側接合用面３３３の内周縁に連なっている。

【0058】

第２前側接合用面３３４は、第２前側接合面３３２を含む平坦な面のことである。第２前側接合用面３３４は、環状（より具体的には、円環状）をなしている。第２前側接合用面３３４は、第１前側接合用面３３３の外周を囲んでいる。第１前側接合用面３３３の外周縁は、第２段差面３２７を介して第２前側接合用面３３４の内周縁に連なっている。超音波集束部３１２は、第１反射面２１の外周縁と、後面３１２Ａ（より具体的には、第２前側接合用面３３４）の外周縁とに連なり、前後方向に沿った形状をなす外周面３２４を有している。外周面３２４は、環状（より具体的には、円環状）をなしている。

【0059】

また、超音波発生装置３１０は、第１実施形態の超音波発生装置１０と同じく、第１反射面２１のいずれの位置においても、入射縦波のエネルギに対する反射縦波のエネルギの割合が０．４以上となっている。具体的には、第１反射面２１を形成する材料のポアソン比νが０．３３であり、超音波発生源３１１Ａ，３１１Ｂにおける第２反射面２２から最も離れた位置から放射される入射縦波の第１反射面２１に対する入射角θＣ（つまり、第２外側入射部３２１Ｂに対する入射角θＣ）が３７°以下となっているため、縦波反射率が０．４以上となっている。

【0060】

以上の様に、第３実施形態の超音波発生装置３１０は、第１前側接合面３３１を第２反射面２２の外周縁よりも前方の位置に配置することで、接合面３２０における第１前側接合面３３１と第１反射面２１との間隔を縮めることができるため、超音波集束部３１２の体積を減らすことができる。また、超音波発生装置３１０は、第１前側接合面３３１が第１外側入射部３２１Ａからの反射縦波が通る経路ＲＢよりも後方の位置に配置されるため、第１反射面２１で反射した反射縦波の第２反射面２２への到達が妨害されない。

【0061】

更に、超音波発生装置３１０は、第２前側接合面３３２が第１前側接合面３３１よりも前方の位置に配置されることで、接合面３２０における第２前側接合面３３２と第１反射面２１との間隔をより縮めることができるため、超音波集束部３１２の体積をより減らすことができる。また、超音波発生装置３１０は、第１前側接合面３３１及び第２前側接合面３３２が第２外側入射部３２１Ｂからの反射縦波が通る経路ＲＣよりも後方の位置に配置されるため、第１反射面２１で反射した反射縦波の第２反射面２２への到達が妨害されない。

【0062】

更に、超音波発生装置３１０は、複数の超音波発生源３１１Ａ，３１１Ｂを備えている。そして、第１前側接合面３３１及び第２前側接合面３３２には、互いに異なる超音波発生源３１１Ａ，３１１Ｂが接合されている。したがって、超音波発生装置３１０は、第１前側接合面３３１と第２前側接合面３３２との位置関係を考慮せずに第１前側接合面３３１と第２前側接合面３３２に超音波発生源３１１Ａ，３１１Ｂを接合させることができるため、超音波発生源３１１Ａ，３１１Ｂの構造を簡素化しやすい。

【0063】

４．第４実施形態
第４実施形態では、第１実施形態で説明した超音波発生装置１０を複数備えた超音波発生システム４００について説明する。なお、第４実施形態では、第１実施形態と同じ構成については同じ符号を付し、詳しい説明を省略する。

【0064】

第４実施形態の超音波発生システム４００は、図６に示すように、複数（本実施形態では３）の超音波発生装置１０（図２参照）と、連結部４０１と、を備えている。超音波集束部１２を前方から見た外縁の形状は、円形をなしている。複数の超音波発生装置１０は、前後方向と直交する方向に等間隔で並んで配置されている。複数の超音波発生装置１０は、超音波集束部１２同士が連結部４０１を介して連結されている。

【0065】

５．第５実施形態
第５実施形態では、第１実施形態で説明した超音波発生装置１０とは別の形態の超音波発生装置を複数備えた超音波発生システム５００について説明する。なお、第５実施形態では、第１実施形態と同じ構成については同じ符号を付し、詳しい説明を省略する。

【0066】

第５実施形態の超音波発生システム５００は、図７及び図８に示すように、複数（本実施形態では３）の超音波発生装置５１０と、連結部５０１と、を備えている。超音波発生装置５１０は、超音波発生源１１と、超音波集束部５１２と、導波路１３と、を備えている。

【0067】

超音波発生装置５１０を前方から見た外縁の形状は、多角形状（本実施形態では四角形状）をなしている。複数の超音波発生装置５１０は、前後方向と直交する方向に等間隔で並んで配置されている。複数の超音波発生装置５１０は、対角形状をなす辺の部分が互いに対向するように配置されている。複数の超音波発生装置５１０は、超音波集束部５１２同士が連結部５０１を介して連結されている。

【0068】

６．第６実施形態
第６実施形態では、第２反射面が前方に凸となるように湾曲した構成である例について説明する。なお、第６実施形態では、第１実施形態と同じ構成については同じ符号を付し、詳しい説明を省略する。

【0069】

第６実施形態の超音波発生装置６１０は、超音波発生源１１と、超音波集束部６１２と、導波路６１３と、を備えている。導波路６１３は、円筒状をなしている。

【0070】

超音波集束部６１２は、金属（例えばジュラルミン）によって形成されている。超音波集束部６１２は、前後方向から見た外縁の形状が円形である。超音波集束部１２は、接合面２０を有している。接合面２０は、超音波集束部６１２の後面６１２Ａに形成され、後方を向いた状態で配置されている。

【0071】

超音波集束部６１２は、第１反射面２１及び第２反射面６２２を有している。第２反射面６２２は、第１反射面２１と対向して配置されている。第２反射面６２２は、超音波集束部６１２の外部から見ると、後方側（第１反射面２１とは反対側）に凸な湾曲面（例えば放物面）である。第２反射面６２２は、超音波集束部６１２の内部から見ると凹型である。第２反射面６２２の内周縁は、第２反射面６２２の外周縁よりも前方に位置している。第２反射面６２２は、後方に向けて拡開する曲面形状をなしている。

【0072】

導波路６１３は、超音波集束部６１２の前端部から前方に向かって延びる筒状をなしている。導波路６１３は、本実施形態では超音波集束部６１２と別部材として説明するが、超音波集束部６１２と同一部材であってもよい。導波路６１３は、超音波伝搬性の高い材料によって形成されることが好ましく、例えば、アルミ合金、金属ガラスなどで形成されることが好ましい。また、導波路６１３は、例えばチタンとニッケルの合金からなる形状記憶合金で形成される構成であってもよい。導波路６１３は、弾性変形し得る。

【0073】

超音波集束部６１２及び導波路６１３は、超音波集束部６１２及び導波路６１３を前後方向に貫通する貫通孔６４０を有している。貫通孔６４０を形成する内周面６４１を前後方向に対して直交する方向に切断した断面は、円形をなしており、前後方向に一定の大きさである。貫通孔６４０は、環状をなす超音波集束部６１２の内側の空間と、筒状をなす導波路６１３の内側の空間とによって形成されている。貫通孔６４０を形成する内周面６４１の後端は、上述した第２反射面６２２の前端に連なっている。

【0074】

超音波発生源１１は、貫通孔６４０を塞がないように配置されている。超音波発生源１１は、前後方向と直交する径方向（以下、単に「径方向」ともいう）において、第２反射面６２２の外周縁よりも外側に配置されている。超音波発生源１１は、第２反射面６２２の外周縁を囲む環状（より具体的には円環状）をなしている。貫通孔６４０は、超音波発生源１１の内側の空間を介して超音波発生源１１の後方に開放されている。

【0075】

超音波集束部６１２の後面６１２Ａには、接合面２０を含む接合用面２３と第２反射面６２２とが形成されている。接合用面２３は、第２反射面６２２の外周を囲んでいる。接合用面２３の内周縁は、第２反射面６２２の外周縁に連なっている。超音波集束部６１２は、第１反射面２１の外周縁と、後面６１２Ａ（より具体的には、接合用面２３）の外周縁とに連なり、前後方向に沿った形状をなす外周面６２４を有している。外周面６２４は、環状（より具体的には、円環状）をなしている。

【0076】

超音波発生装置６１０は、第１実施形態の超音波発生装置１０と同じく、第１反射面２１のいずれの位置においても、入射縦波のエネルギに対する反射縦波のエネルギの割合（以下、縦波反射率ともいう）は、０．２以上であり、０．４以上であることがより好ましい。入射縦波は、超音波発生源１１から第１反射面２１に入射する入射波のことである。反射縦波は、入射縦波が第１反射面２１で反射する反射波のうちの縦波のことである。縦波とは、超音波のうち入射角と反射角が同じ角度となる成分のことである。放射面１５は、入射縦波を放射する。入射縦波は、放射面１５に対して直交し、放射面１５から第１反射面２１に向かって前方に放射される。

【0077】

超音波発生源１１は、図示しない信号送受信回路から電気信号を与えられると、放射面１５から前方に向けて超音波を発生する。放射面１５から放射された超音波は、第１反射面２１で反射され、第１反射面２１の焦点Ｆ２に向かって集束する。第１反射面２１の焦点Ｆ２を通過した超音波は、第２反射面６２２で反射され、平面波として導波路１３の内部に導入される。導波路１３の内部に導入された超音波は、導波路１３の内部を伝送され、導波路１３の前端から放射される。

【0078】

＜他の実施形態＞
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。また、上述した実施形態や後述する実施形態の様々な特徴は、矛盾しない組み合わせであればどのように組み合わされてもよい。

【0079】

（１）第１実施形態、第２実施形態、第４実施形態、第５実施形態、第６実施形態では、１つの超音波発生装置に対して超音波発生源が１つ設けられる構成であったが、複数の超音波発生源が設けられる構成であってもよい。また、超音波発生源は、環状でなくてもよい。例えば、超音波発生源は、直方体形状であってもよい。

【0080】

（２）第３実施形態では、前側接合面が第１前側接合面と第２前側接合面によって２段階で構成されていたが、３段階以上で構成されていてもよい。

【0081】

（３）第３実施形態では、第１前側接合面と第２前側接合面に対して別々の超音波発生源が接合される構成であったが、単一の超音波発生源が第１前側接合面と第２前側接合面の両方に接合される構成であってもよい。

【0082】

（４）第６実施形態において、導波路は、筒状で無くてもよい。

【0083】

（５）第２実施形態の前側接合面、第３実施形態の第１前側接合面及び第２前側接合面を、第６実施形態に適用してもよい。

【0084】

なお、今回開示された実施の形態は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、今回開示された実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示された範囲内又は特許請求の範囲と均等の範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

【符号の説明】

【0085】

１０…超音波発生装置
１１…超音波発生源
１２…超音波集束部
１２Ａ…超音波集束部の後面
１３…導波路
１５…放射面
１５Ａ…放射面
１５Ｂ…放射面
２０…接合面
２１…第１反射面
２１Ａ…外側入射部
２２…第２反射面
２３…接合用面
２４…外周面
２１０…超音波発生装置
２１２…超音波集束部
２１２Ａ…超音波集束部の後面
２２０…接合面
２２３…接合用面
２２４…外周面
２２５…介在面
２２６…段差面
２３１…前側接合面
３１０…超音波発生装置
３１１Ａ…超音波発生源
３１１Ｂ…超音波発生源
３１２…超音波集束部
３１２Ａ…超音波集束部の後面
３２０…接合面
３２１Ａ…第１外側入射部
３２１Ｂ…第２外側入射部
３２４…外周面
３２５…介在面
３２６…第１段差面
３２７…第２段差面
３３１…第１前側接合面
３３２…第２前側接合面
３３３…第１前側接合用面
３３４…第２前側接合用面
４００…超音波発生システム
４０１…連結部
５００…超音波発生システム
５０１…連結部
５１０…超音波発生装置
５１２…超音波集束部
６１０…超音波発生装置
６１２…超音波集束部
６１２Ａ…超音波集束部の後面
６１３…導波路
６２２…第２反射面
６２４…外周面
６４０…貫通孔
６４１…内周面
Ｆ…焦点
Ｆ２…焦点
ＲＡ…外側入射部からの反射縦波が通る経路
ＲＢ…第１外側入射部からの反射縦波が通る経路
ＲＣ…第２外側入射部からの反射縦波が通る経路
θＡ…入射角
θＢ…入射角
θＣ…入射角

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】