特開 2024-64368 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】P2024064368

(43)【公開日】2024-05-14

(54)【発明の名称】超音波発生装置

(51)【国際特許分類】

   H04R 1/34 20060101AFI20240507BHJP

【ＦＩ】

H04R1/34 330B

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022172911

(22)【出願日】2022-10-28

(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】森田 剛

【テーマコード（参考）】

5D019

【Ｆターム（参考）】

5D019GG04

(57)【要約】

【課題】超音波発生源と超音波集束部との間の超音波の伝播効率を向上させる。
【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、中間部材１４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。中間部材１４は、超音波発生源１１と超音波集束部１２との間に配置される。中間部材１４の音響インピーダンスは、超音波発生源１１の音響インピーダンスと超音波集束部１２の音響インピーダンスとの間の値である。
【選択図】図１

【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、
前記第２反射面で反射された前記超音波が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、
更に、前記超音波発生源と前記超音波集束部との間に配置される中間部材を備え、
前記超音波発生源の音響インピーダンスと前記超音波集束部の音響インピーダンスとは互いに異なり、
前記中間部材の音響インピーダンスは、前記超音波発生源の音響インピーダンスと前記超音波集束部の音響インピーダンスとの間の値である
超音波発生装置。

【請求項2】

前記超音波集束部は、前記中間部材に接合される接合面を有し、
前記第２反射面は、前記接合面に直交する方向である突出方向に前記接合面よりも突出しており、
前記中間部材の前記突出方向の端は、前記第２反射面の前記突出方向の端よりも前記突出方向の位置に配置される
請求項１に記載の超音波発生装置。

【請求項3】

前記超音波発生源は、板状をなしており、
前記超音波発生源及び前記超音波集束部は、前記超音波発生源の厚さ方向と直交する仮想平面に前記超音波発生源と前記超音波集束部とを投影した場合に少なくとも一部が重なる位置関係で配置され、
前記中間部材は、前記仮想平面において前記超音波発生源と前記超音波集束部とが重なる部分全体にわたって配置される
請求項１又は請求項２に記載の超音波発生装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、超音波発生装置に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、超音波照射器が開示されている。この超音波照射器は、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。つまり、超音波振動子は、超音波発生源として機能し、音響伝播体の本体は、超音波集束部として機能する。

【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、超音波発生源と超音波集束部との間の超音波の伝播効率が高いことが好ましく、この点で改善の余地がある。

【0005】

本発明は、超音波発生源と超音波集束部との間の超音波の伝播効率を向上させることが可能な技術の提供を目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

［１］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、上記超音波発生源から発生した上記超音波を集束する超音波集束部と、上記超音波集束部によって集束された上記超音波を伝送する導波路と、を備えている。上記超音波集束部は、第１反射面と、第２反射面と、を有している。第１反射面は、超音波発生源で発生した上記超音波を反射させる。第２反射面は、第１反射面で反射された上記超音波を反射させる。第１反射面及び第２反射面は、第２反射面で反射された上記超音波が平面波として反射されて導波路に導入されるように配置されている。更に、上記超音波発生装置は、上記超音波発生源と上記超音波集束部との間に配置される中間部材を備えている。上記超音波発生源の音響インピーダンスと上記超音波集束部の音響インピーダンスとは互いに異なる。上記中間部材の音響インピーダンスは、上記超音波発生源の音響インピーダンスと上記超音波集束部の音響インピーダンスとの間の値である。

【0007】

この構成によれば、超音波発生源から発生した超音波を、減衰を抑制しつつ集束させ、平面波として導波路に導入させることができる。しかも、超音波発生源と超音波集束部との間に中間部材が配置されており、中間部材の音響インピーダンスは、超音波発生源の音響インピーダンスと超音波集束部の音響インピーダンスとの間の値である。したがって、この構成によれば、超音波集束部と超音波発生源との間の超音波の伝播効率を向上させることができる。

【0008】

［２］上記超音波集束部は、上記中間部材に接合される接合面を有していてもよい。上記第２反射面は、上記接合面に直交する方向である突出方向に上記接合面よりも突出していてもよい。上記中間部材の上記突出方向の端は、上記第２反射面の上記突出方向の端よりも上記突出方向の位置に配置されていてもよい。

【0009】

この構成によれば、中間部材の突出方向側に配置される超音波発生源が第２反射面と干渉しなくなるため、超音波発生源の形状が第２反射面によって制限されなくなり、超音波発生源の形状の自由度が高まる。

【0010】

［３］上記超音波発生源は、板状をなしていてもよい。上記超音波発生源及び上記超音波集束部は、上記超音波発生源の厚さ方向と直交する仮想平面に上記超音波発生源と上記超音波集束部とを投影した場合に少なくとも一部が重なる位置関係で配置されていてもよい。上記中間部材は、上記仮想平面において上記超音波発生源と上記超音波集束部とが重なる部分全体にわたって配置されていてもよい。

【0011】

この構成によれば、超音波発生源が発生した超音波を効率良く超音波集束部に伝播させることができる。

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば、超音波発生源と超音波集束部との間の超音波の伝播効率を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】図１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2】図２は、第１実施形態における超音波発生装置の背面図である。

【図3】図３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4】図４は、第２実施形態における超音波発生装置の背面図である。

【図5】図５は、第１の他の実施形態における超音波発生装置の背面図である。

【図6】図６は、第２の他の実施形態における超音波発生装置の背面図である。

【図7】図７は、第３の他の実施形態における超音波発生装置の背面図である。

【図8】図８は、第４の他の実施形態における超音波発生装置の背面図である。

【図9】図９は、第５の他の実施形態における超音波発生装置の背面図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

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。超音波発生装置１０は、中間部材１４を備えている。中間部材１４は、超音波発生源１１と超音波集束部１２との間に配置される。

【0015】

超音波発生源１１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、円板状をなしている。

【0016】

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、超音波を発生する放射面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。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。

【0017】

中間部材１４は、前後方向に厚さを有する板状をなしている。中間部材１４は、環状、より具体的には円環状をなしている。中間部材１４は、第１面１４Ａと、第２面１４Ｂと、を有している。第１面１４Ａは、中間部材１４の後面に形成されている。第１面１４Ａは、平坦な面である。第１面１４Ａは、超音波発生源１１の放射面１５に接合されている。第２面１４Ｂは、超音波発生源１１における第１面１４Ａとは反対側の面である。第２面１４Ｂは、中間部材１４の前面に形成されている。第２面１４Ｂは、平坦な面である。第２面１４Ｂは、第１面１４Ａと平行である。第２面１４Ｂは、超音波集束部１２に接合されている。

【0018】

超音波発生源１１の音響インピーダンスと超音波集束部１２の音響インピーダンスとは互いに異なる。中間部材１４の音響インピーダンスは、超音波発生源１１の音響インピーダンスと超音波集束部１２の音響インピーダンスとの間の値である。例えば、超音波発生源１１がチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系の圧電セラミック（音響インピーダンス：約３３×１０^６ｋｇ／ｍ^２ｓ）であり、超音波集束部１２が、アルミニウム合金（音響インピーダンス：約１７×１０^６ｋｇ／ｍ^２ｓ）である場合 、中間部材１４は、その間の値となるように、例えばコージェライト系セラミックス（音響インピーダンス：約２１×１０^６ｋｇ／ｍ^２ｓ）によって形成されている。なお、コージェライト系セラミックスは、例えば黒崎播磨株式会社製のＮＥＸＣＥＲＡ（登録商標） Ｎ１１３Ｂである。中間部材１４は、自身が接着剤としての機能を有さず、接着剤によって、超音波発生源１１及び超音波集束部１２に接着されている。接着剤の厚みは、音響インピーダンスに影響を与えないようにするために薄い方が望ましく、駆動周波数の１／４波長以下であることが好ましい。接着剤を伝搬する音波の波長は駆動周波数、及び接着剤の縦波音速から算出することができる。例えば、エポキシ系接着剤（音速２６００ｍ／ｓｅｃ）を用いたデバイスを１０ＭＨｚで駆動させた場合、波長は以下の計算式で算出ができる。
伝搬する音波の波長＝２６００［ｍ／ｓｅｃ］／１０×１０^６［１／ｓｅｃ］
＝２６０［μｍ］
このため、１／４波長以下とするために、接着剤の厚みは６５μｍ以下であることが好ましい。なお、一般的に接着剤として用いる材料としては、アクリル系接着剤およびエポキシ系接着剤が挙げられるが、それぞれの音速は、アクリル系で２７００ｍ／ｓ程度、エポキシ系で２５００～２８００ｍ／ｓ程度であることが知られている。

【0019】

超音波集束部１２は、金属（例えばジェラルミン）によって形成されている。超音波集束部１２は、前後方向から見た形状が円形である（図２参照）。超音波集束部１２は、接合面１２Ａを有している。接合面１２Ａは、超音波集束部１２の後面に形成され、後方を向いた状態で配置されている。接合面１２Ａは、平坦な面である。接合面１２Ａは、環状、より具体的には円環状をなしている。接合面１２Ａは、中間部材１４の第２面１４Ｂに接合されている。

【0020】

超音波集束部１２は、第１反射面１６及び第２反射面１７を有している。第１反射面１６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１６と放射面１５との間には、中間部材１４が配置されている。第１反射面１６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１６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１６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１６は、環状をなしている。第１反射面１６の内周縁は、第１反射面１６の外周縁よりも前方に位置している。第１反射面１６は、超音波発生源１１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。

【0021】

第２反射面１７は、第１反射面１６と対向して配置されている。第２反射面１７は、超音波集束部１２の外部から見ると、後方側（第１反射面１６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１７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１７は、後方に突出している。つまり、第２反射面１７の突出方向は後方である。第２反射面１７は、接合面１２Ａよりも後方に突出している。第２反射面１７の前端の前後方向の位置は、接合面１２Ａの前後方向の位置と同じである。中間部材１４の厚さは、第２反射面１７の突出寸法よりも大きい。中間部材１４の後端は、第２反射面１７の後端よりも後方の位置に配置されている。

【0022】

第１反射面１６は、超音波発生源１１で発生した超音波を、第２反射面１７に向けて反射させる。第２反射面１７は、第１反射面１６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１６及び第２反射面１７は、第２反射面１７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。

【0023】

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。

【0024】

１－２．超音波発生装置１０の作用及び効果の例
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、中間部材１４を介して超音波集束部１２に伝播される。上述したように、中間部材１４の音響インピーダンスは、超音波発生源１１の音響インピーダンスと超音波集束部１２の音響インピーダンスとの間の値である。このため、この構成によれば、中間部材１４が設けられない構成と比較して、超音波発生源１１と超音波集束部１２との間の超音波の伝搬効率を向上させることができる。

【0025】

放射面１５から放射された超音波は、第１反射面１６で反射され、第１反射面１６の焦点に向かって集束する。第１反射面１６の焦点は、第２反射面１７の焦点と同じとなっている。このため、第１反射面１６の焦点を通過した超音波は、第２反射面１７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。この構成によれば、超音波発生源１１から発生した超音波を、減衰を抑制しつつ集束させ、平面波として導波路１３に導入させることができる。そして、この構成によれば、導波路１３に導入された超音波を、減衰を抑制しつつ、導波路１３の先端側に伝播させることができる。

【0026】

更に、中間部材１４の後端（後面）は、第２反射面１７の後端よりも後方の位置に配置されている。そして、中間部材１４の後端（後面）に、超音波発生源１１が接合されている。この構成によれば、超音波発生源１１が第２反射面１７と干渉しなくなるため、超音波発生源１１の形状が第２反射面１７によって制限されなくなり、超音波発生源１１の形状の自由度が高まる。

【0027】

２．第２実施形態
超音波発生源が発生した超音波は、超音波集束部に効率良く伝播されることが好ましい。第２実施形態では、超音波発生源が発生した超音波が、超音波集束部に効率良く伝播される例について説明する。なお、以下の説明では、第１実施形態と同じ構成については同じ符号を付して詳しい説明を省略する。

【0028】

第２実施形態の超音波発生装置２１０は、図３及び図４に示すように、超音波発生源２１１と、超音波集束部１２と、導波路１３と、中間部材１４と、を備えている。

【0029】

超音波発生源２１１は、第１実施形態の超音波発生源１１とは、形状が異なる。超音波発生源２１１は、板状をなしている。超音波発生源２１１は、前後方向に厚さを有している。超音波発生源２１１は、環状、より具体的には円環状をなしている。図４に示すように、超音波発生源２１１の外周縁は、超音波発生源２１１の厚さ方向と直交する平面方向において、超音波集束部１２の外周縁よりも内側に配置されている。つまり、超音波発生源２１１は、前記超音波発生源２１１の厚さ方向と直交する仮想平面に超音波発生源２１１と超音波集束部１２とを投影した場合に全体が超音波集束部１２と重なる位置関係で配置される。

【0030】

中間部材１４の外周縁の位置は、超音波発生源２１１の厚さ方向と直交する平面方向において、超音波集束部１２の外周縁の位置と一致している。中間部材１４の内周縁の位置は、超音波発生源２１１の厚さ方向と直交する平面方向において、超音波集束部１２の内周縁の位置と一致している。このため、中間部材１４は、上記仮想平面において超音波発生源２１１と超音波集束部１２とが重なる部分全体にわたって配置される。この構成によれば、超音波発生源２１１が発生した超音波を効率良く超音波集束部１２に伝播させることができる。

【0031】

＜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。
（１）上記各実施形態では、第２反射面の前端の前後方向の位置が、接合面の前後方向の位置と同じであったが、接合面よりも前方であってもよいし、接合面よりも後方であってもよい。
（２）上記第２実施形態では、中間部材の後端が第２反射面の後端よりも後方の位置に配置されている。しかし、中間部材の後端の前後方向の位置が第２反射面の後端の前後方向の位置と同じであってもよい。あるいは、中間部材の後端が第２反射面の後端よりも前方の位置に配置されていてもよい。
（３）上記各実施形態では、超音波発生源の外周縁が、超音波発生源の厚さ方向と直交する平面方向において、超音波集束部の外周縁よりも内側に配置される構成であったが、別の構成であってもよい。例えば、図５に示すように、超音波発生源３１１の外周縁が、超音波発生源３１１の厚さ方向と直交する平面方向において、超音波集束部１２の外周縁よりも外側に配置される構成であってもよい。あるいは、図６～図８に示すように、超音波発生源４１１，５１１，６１１Ａ，６１１Ｂの外周縁の少なくとも一部が、超音波発生源の厚さ方向と直交する平面方向において、超音波集束部の外周縁と重なる位置に配置される構成であってもよい。
（４）上記各実施形態では、超音波発生源の形状が、円形、又は円環状であったが、別の形状であってもよい。例えば、図６に示す超音波発生源４１１のように、楕円形であってもよい。あるいは、図７に示す超音波発生源５１１のように、矩形状であってもよい。
（５）上記各実施形態では、超音波発生源が、１つの部材で構成されていたが、複数の部材で構成されてもよい。例えば、図８に示す超音波発生源６１１Ａ，６１１Ｂのように、２つの部材で構成されていてもよい。超音波発生源を構成する複数の部材は、形状及び大きさのうち少なくとも一方が互いに異なっていてもよいし、同じであってもよい。
（６）上記第２実施形態では、超音波発生源に１つの貫通孔が形成されていたが、複数の貫通孔が形成されていてもよい。例えば、図９に示す超音波発生源７１１のように、複数の貫通孔７２１，７２２が形成されていてもよい。複数の貫通孔の形状は、互いに同じであってもよいし、異なっていてもよいし、複数の貫通孔の大きさは、互いに同じであってもよいし、異なっていてもよい。

【0032】

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】

【0033】

１０…超音波発生装置
１１…超音波発生源
１２…超音波集束部
１２Ａ…接合面
１３…導波路
１４…中間部材
１４Ａ…第１面
１４Ｂ…第２面
１５…放射面
１６…第１反射面
１７…第２反射面
２１０…超音波発生装置
２１１…超音波発生源
３１１…超音波発生源
４１１…超音波発生源
５１１…超音波発生源
６１１Ａ…超音波発生源
６１１Ｂ…超音波発生源
７１１…超音波発生源
７２１…貫通孔
７２２…貫通孔

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】