特許7568144超音波トランスデューサおよびこれを備えるパラメリックスピーカ
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B1)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-10-07
(45)【発行日】2024-10-16
(54)【発明の名称】超音波トランスデューサおよびこれを備えるパラメリックスピーカ
(51)【国際特許分類】
H04R 1/28 20060101AFI20241008BHJP
H04R 3/00 20060101ALI20241008BHJP
H04R 1/40 20060101ALI20241008BHJP
H04R 17/00 20060101ALI20241008BHJP
【ＦＩ】
H04R1/28 330
H04R3/00 310
H04R1/40 330
H04R17/00 330K
H04R17/00 332A
【請求項の数】
9
(21)【出願番号】P 2023574620
(86)(22)【出願日】2023-07-19
(86)【国際出願番号】 JP2023026362
【審査請求日】2023-12-04
(31)【優先権主張番号】P 2022192879
(32)【優先日】2022-12-01
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】000006231
【氏名又は名称】株式会社村田製作所
(74)【代理人】
【識別番号】110001195
【氏名又は名称】弁理士法人深見特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】山本 浩誠
【審査官】佐久 聖子
(56)【参考文献】
【文献】中国特許出願公開第１１５１０３２８０（ＣＮ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１６／１０４４１４（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２００６－０２５１０６（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０４Ｒ １／２８、１／４０
Ｈ０４Ｒ ３／００
Ｈ０４Ｒ １７／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
振動板と、長手方向に延在し、前記振動板に接合された少なくとも一つの枠体と、
前記少なくとも一つの枠体にそれぞれ取り付けられており、前記振動板に間隔をあけて対向する少なくとも一つの超音波振動子と、
前記振動板に関して前記少なくとも一つの枠体とは反対側において前記振動板に隙間をあけて対向しつつ、前記長手方向に沿って延在する少なくとも一つの共鳴板とを備え、
前記振動板は、前記振動板に直交する方向において前記少なくとも一つの超音波振動子とは逆位相で共振振動し、
前記少なくとも一つの枠体の内側における前記長手方向の寸法は、前記少なくとも一つの枠体の内側における前記長手方向と直交する短手方向の寸法より大きく、
前記少なくとも一つの超音波振動子の駆動周波数から変換された波長をλとすると、前記隙間において前記短手方向にλ／２の空気共鳴を発生可能である、超音波トランスデューサ。
【請求項2】
前記少なくとも一つの枠体の内側における前記長手方向の寸法は、前記少なくとも一つの枠体の内側における前記短手方向の寸法の４倍以上である、請求項１に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項3】
前記空気共鳴の周波数は、前記振動板および前記少なくとも一つの超音波振動子の共振周波数の±１０％以内である、請求項２に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項4】
前記少なくとも一つの共鳴板の前記短手方向の寸法は、前記振動板に直交する方向における前記隙間の寸法より大きい、請求項３に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項5】
前記少なくとも一つの共鳴板の前記短手方向の寸法は、前記振動板に直交する方向における前記隙間の寸法の２．５倍以上５倍以下である、請求項４に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項6】
前記少なくとも一つの共鳴板の厚みが０．３ｍｍ以下である、請求項３に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項7】
前記少なくとも一つの枠体が前記短手方向に並ぶように複数配置されて前記振動板に接合されており、前記少なくとも一つの枠体において前記短手方向に隣り合う枠体同士は、互いの前記長手方向における両端部にて繋がっており、
前記少なくとも一つの共鳴板が前記短手方向に並ぶように複数配置されており、
前記少なくとも一つの共鳴板において前記短手方向に隣り合う共鳴板同士は、互いの前記長手方向における両端部にて繋がっている、請求項１に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項8】
前記少なくとも一つの共鳴板の前記短手方向の寸法をＤｓとし、空気中の超音波の波長をλａとし、前記短手方向における前記少なくとも一つの超音波振動子の配置ピッチをＰＡとすると、Ｄｓ＋３λａ／４≦ＰＡ≦Ｄｓ＋５λａ／４の関係を満たす、請求項７に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項9】
請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の前記超音波トランスデューサを備え、前記超音波トランスデューサの変調駆動により可聴音を再生する、パラメトリックスピーカ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、超音波トランスデューサおよびこれを備えるパラメリックスピーカに関する。
【背景技術】
【0002】
空気共鳴を利用して音圧レベルを高くした超音波トランスデューサを開示した先行文献として、国際公開第２０１２／０２６３１９号(特許文献１)および国際公開第２０１３／０１８５７９号(特許文献２)がある。特許文献１および特許文献２に記載された超音波トランスデューサは、超音波発生素子と、ケースとを備える。超音波発生素子は、圧電振動子を有する。ケースは、超音波放出孔を有し、超音波発生素子を収容する。超音波発生素子とケースとにより、圧電振動子から超音波放出孔に至る、空気を媒質とする音響経路が形成されている。音響経路において、圧電振動子で発生した超音波により、超音波放出孔を開放端として空気共鳴が発生する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】国際公開第２０１２／０２６３１９号
【文献】国際公開第２０１３／０１８５７９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
特許文献１および特許文献２に記載された超音波トランスデューサにおいては、さらに小型化された構成で音圧レベルを高くできる余地がある。
【0005】
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであって、小型化された構成で音圧レベルを高くすることができる、超音波トランスデューサおよびこれを備えるパラメリックスピーカを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明に基づく超音波トランスデューサは、振動板と、少なくとも一つの枠体と、少なくとも一つの超音波振動子と、少なくとも一つの共鳴板とを備える。上記少なくとも一つの枠体は、長手方向に延在し、振動板に接合されている。上記少なくとも一つの超音波振動子は、上記少なくとも一つの枠体にそれぞれ取り付けられており、振動板に間隔をあけて対向する。上記少なくとも一つの共鳴板は、振動板に関して上記少なくとも一つの枠体とは反対側において振動板に隙間をあけて対向しつつ、上記長手方向に沿って延在する。振動板は、振動板に直交する方向において上記少なくとも一つの超音波振動子とは逆位相で共振振動する。上記少なくとも一つの枠体の内側における上記長手方向の寸法は、上記少なくとも一つの枠体の内側における上記長手方向と直交する短手方向の寸法より大きい。上記少なくとも一つの超音波振動子の駆動周波数から変換された波長をλとすると、上記隙間において上記短手方向にλ／２の空気共鳴を発生可能である。
【発明の効果】
【0007】
本発明によれば、超音波トランスデューサにおいて小型化された構成で音圧レベルを高くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【図1】本発明の実施形態１に係る超音波トランスデューサの構成を示す斜視図である。
【図3】本発明の実施形態１に係る超音波トランスデューサの構成を示す分解斜視図である。
【図4】本発明の実施形態１に係る超音波トランスデューサが備える枠体の構成を示す斜視図である。
【図5】本発明の実施形態１に係る超音波トランスデューサが備える超音波振動子の構成を示す断面図である。
【図6】本発明の実施形態１に係る超音波トランスデューサが超音波を送信または受信しているときの、有限要素法を用いてシミュレーション解析した振動板および超音波振動子の変位状態を示す斜視図である。
【図8】本発明の実施形態１に係る超音波トランスデューサにおいて超音波を送信しつつλ／２の空気共鳴を発生させているときの、有限要素法を用いてシミュレーション解析した振動板および超音波振動子の変位状態を示す図である。
【図9】本発明の実施形態１に係る超音波トランスデューサにおいてλ／２の空気共鳴が発生しているときの、有限要素法を用いてシミュレーション解析した音圧分布を示す図である。
【図10】本発明の実施形態１に係る超音波トランスデューサにおいて発生するλ／２の空気共鳴を示す図である。
【図11】本発明の実施形態１に係る超音波トランスデューサにおいてλ／２の空気共鳴が発生しているときの、有限要素法を用いてシミュレーション解析した粒子速度を示す図である。
【図12】振動板と共鳴板との隙間で発生する空気共鳴の周波数と共鳴板の幅の寸法との関係について、有限要素法を用いてシミュレーション解析したグラフである。
【図13】振動板および超音波振動子の周波数と振動板の変位との関係について、有限要素法を用いてシミュレーション解析したグラフである。
【図14】共振周波数が１５０ｋＨｚである振動板および超音波振動子に、空気共鳴の周波数が１５０ｋＨｚである共鳴板を組み合わせた超音波トランスデューサにおける、超音波トランスデューサから送信される超音波の音圧と、振動板および超音波振動子の周波数との関係について、有限要素法を用いてシミュレーション解析したグラフである。
【図15】振動板と共鳴板との隙間で発生する空気共鳴の周波数と、振動板と共鳴板との隙間の寸法との関係について、有限要素法を用いてシミュレーション解析したグラフである。
【図16】振動板と共鳴板との隙間の寸法と共鳴板の幅の寸法との比と、音圧増幅比との関係について、有限要素法を用いてシミュレーション解析したグラフである。
【図17】振動板と共鳴板との隙間の寸法と、音圧増幅比との関係について、有限要素法を用いてシミュレーション解析したグラフである。
【図18】超音波トランスデューサから送信される超音波の音圧と共鳴板の厚みの寸法との関係について、有限要素法を用いてシミュレーション解析したグラフである。
【図19】共鳴板の厚みの寸法が０．１ｍｍである超音波トランスデューサにおいてλ／２の空気共鳴が発生しているときの、有限要素法を用いてシミュレーション解析した音圧分布を示す図である。
【図20】共鳴板の厚みの寸法が０．６ｍｍである超音波トランスデューサにおいてλ／２の空気共鳴が発生しているときの、有限要素法を用いてシミュレーション解析した音圧分布を示す図である。
【図21】本発明の実施形態２に係る超音波トランスデューサの構成を示す斜視図である。
【図22】本発明の実施形態２に係る超音波トランスデューサの構成を示す分解斜視図である。
【図23】シミュレーション解析した超音波トランスデューサのＦＥＭモデルを示す模式図である。
【図24】超音波トランスデューサから送信される超音波の音圧とアレイピッチとの関係について、有限要素法を用いてシミュレーション解析したグラフである。
【図25】アレイピッチが２．２ｍｍであるときの超音波トランスデューサの周囲における、有限要素法を用いてシミュレーション解析した音圧分布を示す図である。
【図26】アレイピッチが２．６ｍｍであるときの超音波トランスデューサの周囲における、有限要素法を用いてシミュレーション解析した音圧分布を示す図である。
【図27】アレイピッチが３．０ｍｍであるときの超音波トランスデューサの周囲における、有限要素法を用いてシミュレーション解析した音圧分布を示す図である。
【図28】アレイピッチが３．６ｍｍであるときの超音波トランスデューサの周囲における、有限要素法を用いてシミュレーション解析した音圧分布を示す図である。
【図29】アレイピッチが４．４ｍｍであるときの超音波トランスデューサの周囲における、有限要素法を用いてシミュレーション解析した音圧分布を示す図である。
【図30】超音波トランスデューサから送信される超音波の指向性とアレイピッチとの関係について、有限要素法を用いてシミュレーション解析したグラフである。
【図31】共鳴板の幅の寸法を変えて超音波トランスデューサから放射される超音波の出力を実測した結果を示すグラフである。
【図32】本発明の実施形態３に係る超音波トランスデューサの構成を示す分解斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【0009】
以下、本発明の各実施形態に係る超音波トランスデューサについて図面を参照して説明する。以下の実施形態の説明においては、図中の同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は繰り返さない。本発明は、パラメトリックスピーカ用の超音波トランスデューサ、超音波センサまたは非接触ハプティクスなどの高音圧の超音波が必要なアプリケーションについて適用可能である。以下の実施形態においては、パラメトリックスピーカ用の超音波トランスデューサについて例示して説明するが、超音波トランスデューサの用途はこれに限られない。
【0010】
(実施形態１)
図１は、本発明の実施形態１に係る超音波トランスデューサの構成を示す斜視図である。図２は、図１に示す超音波トランスデューサをＩＩ－ＩＩ線矢印方向から見た断面図である。図３は、本発明の実施形態１に係る超音波トランスデューサの構成を示す分解斜視図である。図１～図３に示すように、本発明の実施形態１に係る超音波トランスデューサ１００は、振動板１１０と、枠体１２０と、超音波振動子１３０と、共鳴板１４０と、スペーサ１５０とを備える。
図１は、本発明の実施形態１に係る超音波トランスデューサの構成を示す斜視図である。図２は、図１に示す超音波トランスデューサをＩＩ－ＩＩ線矢印方向から見た断面図である。図３は、本発明の実施形態１に係る超音波トランスデューサの構成を示す分解斜視図である。図１～図３に示すように、本発明の実施形態１に係る超音波トランスデューサ１００は、振動板１１０と、枠体１２０と、超音波振動子１３０と、共鳴板１４０と、スペーサ１５０とを備える。
【0011】
振動板１１０は、平板状の形状を有している。振動板１１０は、アルミニウムを含むジェラルミンなどのアルミニウム合金、または、ステンレス鋼などの金属で構成されている。本実施形態においては、振動板１１０は、ステンレス鋼で構成されている。振動板１１０の厚みは、たとえば、０．１ｍｍ以上０．２ｍｍ以下である。
【0012】
枠体１２０は、矩形環状の形状を有している。枠体１２０は、第１方向(Ｘ軸方向)に沿う短手方向を有し、第２方向(Ｙ軸方向)に沿う長手方向を有している。枠体１２０は、第２方向(Ｙ軸方向)に延在している。枠体１２０の軸方向は、第３方向(Ｚ軸方向)に沿っている。枠体１２０の第３方向(Ｚ軸方向)の一端が、エポキシ樹脂などからなる接合剤によって振動板１１０に接合されている。
【0013】
枠体１２０は、アルミニウム合金もしくはステンレス鋼などの金属、ガラスエポキシまたは樹脂などから形成されている。超音波トランスデューサ１００の温度変化による特性変化を抑制する観点では、枠体１２０は金属で構成されていることが好ましい。一方、超音波トランスデューサ１００が送信または受信する超音波を低周波数化する観点、および、超音波トランスデューサ１００を小型化する観点では、枠体１２０は樹脂で構成されていることが好ましい。本実施形態においては、枠体１２０は、ステンレス鋼で構成されている。枠体１２０の厚みは、たとえば、０．２ｍｍ以上０．８ｍｍ以下である。
【0014】
図４は、本発明の実施形態１に係る超音波トランスデューサが備える枠体の構成を示す斜視図である。図４に示すように、枠体１２０は、第２方向(Ｙ軸方向)に延在する１対の長辺部１２１と、第１方向(Ｘ軸方向)に延在する１対の短辺部１２２とを有している。短辺部１２２同士の平均間隔は、長辺部１２１同士の最短間隔の４倍以上である。すなわち、枠体１２０の内側における第２方向(Ｙ軸方向)の長手寸法Ｌ１は、枠体１２０の内側における第１方向(Ｘ軸方向)の短手寸法Ｌ２の４倍以上である。ただし、長手寸法Ｌ１は、短手寸法Ｌ２の４倍以上に限られず、短手寸法Ｌ２より大きければよい。
【0015】
なお、長辺部１２１と短辺部１２２とに挟まれた角部は、面取りされていてもよい。また、短辺部１２２は、第３方向(Ｚ軸方向)から見て、直線状に限られず、枠体１２０の内側に凸状の円弧状、または、枠体１２０の外側に凸状の円弧状であってもよい。
【0016】
枠体１２０の内側における第１方向(Ｘ軸方向)の短手寸法Ｌ２を変更することによって、振動板１１０の共振周波数を調整可能である。たとえば、振動板１１０の共振周波数を１００ｋＨｚ以上とする場合、上記短手寸法Ｌ２は、１．５ｍｍ以上３ｍｍ以下となる。
【0017】
枠体１２０の内側における第２方向(Ｙ軸方向)の長手寸法Ｌ１は、上記短手寸法Ｌ２の４倍以上であり、超音波トランスデューサ１００が送信する超音波の音圧レベルを高くする観点から、上記長手寸法Ｌ１は、たとえば２０ｍｍ以上である。
【0018】
図５は、本発明の実施形態１に係る超音波トランスデューサが備える超音波振動子の構成を示す断面図である。図１に示すように、超音波振動子１３０は、枠体１２０に取り付けられており、振動板１１０に間隔をあけて対向する。具体的には、超音波振動子１３０は、枠体１２０の第３方向(Ｚ軸方向)の他端に取り付けられており、枠体１２０の内側空間を間に挟んで振動板１１０と対向している。
【0019】
図１、図２および図５に示すように、超音波振動子１３０は、圧電体１３１を含む圧電素子である。図５に示すように、本実施形態においては、超音波振動子１３０は、積層された２つの圧電体１３１を含む。２つの圧電体１３１の分極方向Ｄｐは、互いに異なっている。具体的には、２つの圧電体１３１の分極方向Ｄｐは、第３方向(Ｚ軸方向)において互いに向かい合っている。２つの圧電体１３１は、第１電極１３２および第２電極１３３に挟まれており、２つの圧電体１３１の間に中間電極１３４が配置されている。第１電極１３２および第２電極１３３は交流電圧を印加可能な処理回路１６０と電気的に接続されている。超音波振動子１３０は、いわゆる、シリーズ型のバイモルフ型圧電振動子である。２つの圧電体１３１の厚みの合計は、たとえば、０．５ｍｍ以上０．８５ｍｍ以下である。なお、超音波振動子１３０は、シリーズ型のバイモルフ型圧電振動子に限られず、パラレル型のバイモルフ型圧電振動子、マルチモルフ型圧電振動子またはユニモルフ型圧電振動子であってもよい。
【0020】
図６は、本発明の実施形態１に係る超音波トランスデューサが超音波を送信または受信しているときの、有限要素法を用いてシミュレーション解析した振動板および超音波振動子の変位状態を示す斜視図である。図７は、図６の超音波トランスデューサをＶＩＩ－ＶＩＩ線矢印方向から見た断面図である。図６および図７においては、共鳴板１４０を図示していない。シミュレーション解析条件として、振動板１１０の厚みを０．１ｍｍ、２つの圧電体１３１を合わせた厚みを０．８ｍｍ、枠体１２０の内側における長手寸法Ｌ１を２０ｍｍ、短手寸法Ｌ２を２ｍｍ、枠体１２０の第３方向(Ｚ軸方向)の厚みを０．４ｍｍとした。
【0021】
図６および図７に示すように、本発明の実施形態１に係る超音波トランスデューサ１００の振動モードにおいて、振動板１１０は、振動板１１０に直交する第３方向(Ｚ軸方向)において超音波振動子１３０とは逆位相で共振振動する。すなわち、図７に示すように、振動板１１０の共振振動Ｂｍの変位方向と、超音波振動子１３０の共振振動Ｂｐの変位方向とは、第３方向(Ｚ軸方向)において互いに反対向きである。本実施形態においては、振動板１１０および超音波振動子１３０の共振周波数は、１００ｋＨｚ以上である。
【0022】
振動板１１０において、枠体１２０の内側における長手方向の中間上に位置する中間部１１０ｃが共振振動の腹となり、枠体１２０の内側における長手方向の両端上に位置する端部１１０ｅが共振振動の節となる。すなわち、振動板１１０において枠体１２０の内側空間の上方に位置する部分が、共振振動する振動領域となる。振動板１１０の振動領域の長手寸法は、枠体１２０の内側における長手寸法Ｌ１と同一となり、振動板１１０の振動領域の短手寸法は、枠体１２０の内側における短手寸法Ｌ２と同一となる。
【0023】
振動板１１０の共振周波数は、振動板１１０の音速と、枠体１２０を固定端とした振動の反射とによって決まるが、枠体１２０の内側における長手寸法Ｌ１が短手寸法Ｌ２の４倍を超えたときから、振動の反射に関して短手寸法Ｌ２の影響が支配的になり、長手寸法Ｌ１が短手寸法Ｌ２の４倍よりさらに大きくなっても振動の反射の状態が変わらない。
【0024】
枠体１２０の内側における長手寸法Ｌ１が大きくなるにしたがって、超音波トランスデューサ１００から送信される超音波の音圧が大きくなる。これは、振動板１１０の振動領域の長手寸法を大きくした場合においても、両端部１１０ｅの間の振動板１１０の振動領域の全体が振動していることを意味する。すなわち、振動板１１０の振動領域が長くなった分だけ振動領域の面積を増加させることができ、その結果、振動板１１０の振動による空気の圧力変化を大きくして高い音圧を得ることができる。
【0025】
本実施形態に係る超音波トランスデューサ１００は、振動板１１０の振動領域の長手寸法を大きくすることにより、共振周波数と略一定に維持しつつ音圧を高くすることができる。また、長手方向の両端部にノード点があるため、当該両端部を支持または固定することができるため、超音波トランスデューサ１００の実装が容易である。
【0026】
図１および図３に示すように、２つのスペーサ１５０は、振動板１１０において振動の少ないノード点上にそれぞれ配置されている。本実施形態においては、２つのスペーサ１５０は、振動板１１０における第２方向(Ｙ軸方向)の端部上にそれぞれ配置されているが、振動板１１０および超音波振動子１３０の共振周波数がたとえば４０ｋＨｚ程度の低周波数である場合は、２つのスペーサ１５０は、振動板１１０における第１方向(Ｘ軸方向)の端部上にそれぞれ配置されていてもよい。
【0027】
２つのスペーサ１５０上に、共鳴板１４０が配置されている。共鳴板１４０は、振動板１１０に関して枠体１２０とは反対側において振動板１１０に隙間をあけて対向しつつ、第２方向(Ｙ軸方向)に沿って延在している。共鳴板１４０における第２方向(Ｙ軸方向)に延在する中心軸は、振動板１１０の振動領域における第２方向(Ｙ軸方向)に延在する中心軸に沿っている。理想的には、第３方向(Ｚ軸方向)から見て、共鳴板１４０における第２方向(Ｙ軸方向)に延在する中心軸は、振動板１１０の振動領域における第２方向(Ｙ軸方向)に延在する中心軸と重なっている。
【0028】
振動板１１０と共鳴板１４０との間の隙間の第３方向(Ｚ軸方向)の寸法は、スペーサ１５０によって規定される。スペーサ１５０は、両面に接着材が塗布された金属板で構成されていてもよいし、両面テープで構成されていてもよい。スペーサ１５０の厚みの寸法は、後述するように振動板１１０と共鳴板１４０との隙間で発生させる空気共鳴の周波数に応じて決定される。スペーサ１５０の厚みの寸法は、空気共鳴の周波数が１５０ｋＨｚのときは約０．１ｍｍ、空気共鳴の周波数が１００ｋＨｚのときは０．１ｍｍ以上０．２ｍｍ以下である。
【0029】
共鳴板１４０の第２方向(Ｙ軸方向)の長さは、振動板１１０の第２方向(Ｙ軸方向)の長さと略同一である。共鳴板１４０の厚みが薄いほど、振動板１１０と共鳴板１４０との隙間で空気共鳴が起きやすくなる。本実施形態においては、共鳴板１４０は、ステンレス鋼で構成されている。共鳴板１４０の材質は、ステンレス鋼に限られず、アルミニウム合金または剛性の高い樹脂でもよい。共鳴板１４０の厚みは、たとえば、０．１ｍｍ以上０．２ｍｍ以下である。共鳴板１４０の第１方向(Ｘ軸方向)の幅は、空気共鳴の周波数が１５０ｋＨｚのときは０．７ｍｍ以上０．９ｍｍ以下、空気共鳴の周波数が１００ｋＨｚのときは１．１ｍｍ以上１．４ｍｍ以下である。
【0030】
本発明の実施形態１に係る超音波トランスデューサにおいては、超音波振動子１３０の駆動周波数から変換された波長をλとすると、振動板１１０と共鳴板１４０との隙間において第１方向(Ｘ軸方向)にλ／２の空気共鳴を発生可能である。振動板１１０と共鳴板１４０との隙間で発生する空気共鳴の周波数が、振動板１１０および超音波振動子１３０の共振周波数の±１０％以内となるように、超音波トランスデューサ１００の各構成が設計されている。
【0031】
図８は、本発明の実施形態１に係る超音波トランスデューサにおいて超音波を送信しつつλ／２の空気共鳴を発生させているときの、有限要素法を用いてシミュレーション解析した振動板および超音波振動子の変位状態を示す図である。図８に示すように、超音波振動子１３０の共振振動の変位に比較して、振動板１１０の共振振動の変位の方が大きいため、メインの超音波は、振動板１１０に垂直な第３方向(Ｚ軸方向)に放射される。
【0032】
図９は、本発明の実施形態１に係る超音波トランスデューサにおいてλ／２の空気共鳴が発生しているときの、有限要素法を用いてシミュレーション解析した音圧分布を示す図である。図９においては、空気が存在している部分において、黒色から白色になるにしたがって、音圧が高くなっていることを示している。図９に示す状態においては、振動板１１０と共鳴板１４０との隙間Ｒｇにおいて音圧が高くなっており、共鳴板１４０の直上の領域Ｒｆにおいて音圧が低くなっている。
【0033】
図１０は、本発明の実施形態１に係る超音波トランスデューサにおいて発生するλ／２の空気共鳴を示す図である。振動板１１０の振動領域における第２方向(Ｙ軸方向)に延在する中心軸上の領域は、振動板１１０が上方に変位した際に共鳴板１４０との間で圧縮されて音圧が高まり、図１０に示すように空気共鳴Ｗｒの腹となる。振動板１１０と共鳴板１４０との隙間Ｒｇの外側の領域は、空気が開放されているため、図１０に示すように空気共鳴Ｗｒの節となる。すなわち、振動板１１０と共鳴板１４０との隙間Ｒｇの外側の領域は、空気共鳴Ｗｒの開放端となる。
【0034】
図１１は、本発明の実施形態１に係る超音波トランスデューサにおいてλ／２の空気共鳴が発生しているときの、有限要素法を用いてシミュレーション解析した粒子速度を示す図である。粒子速度は、空気の流れを示している。図１１においては、振動板１１０が下方に変位している状態を示している。図１１に示すように、振動板１１０が下方に変位している状態においては、共鳴板１４０の直上の領域Ｒｆの空気が、振動板１１０と共鳴板１４０との隙間Ｒｇに吸い込まれている。逆に、振動板１１０が上方に変位している状態においては、振動板１１０と共鳴板１４０との隙間Ｒｇの空気が、共鳴板１４０の直上の領域Ｒｆに放出される。
【0035】
このように、λ／２の空気共鳴が発生しているときには、共鳴板１４０の直上の領域Ｒｆを中心とした空気の出入りによって、共鳴板１４０の直上の領域Ｒｆにおいて音圧が高くなったり低くなったりする仮想音源が形成される。これにより、λ／２の空気共鳴が発生しているときの超音波トランスデューサ１００においては、仮想音源による音圧が重畳されて高い音圧レベルの超音波が放射される。
【0036】
図１２は、振動板と共鳴板との隙間で発生する空気共鳴の周波数と共鳴板の幅の寸法との関係について、有限要素法を用いてシミュレーション解析したグラフである。図１２においては、縦軸に、振動板１１０と共鳴板１４０との隙間Ｒｇで発生する空気共鳴の周波数(ｋＨｚ)、横軸に、共鳴板１４０の幅の寸法(ｍｍ)を示している。
【0037】
図１２に示すように、空気共鳴の周波数は、共鳴板１４０の第１方向(Ｘ軸方向)の幅が広くなるにしたがって低くなる。これは、共鳴板１４０の第１方向(Ｘ軸方向)の幅が広くなるにしたがって、空気共鳴のλ／２の長さが長くなるため、空気の音速をλ／２で除して求められる空気共鳴の周波数の値が小さくなるためである。
【0038】
図１３は、振動板および超音波振動子の周波数と振動板の変位との関係について、有限要素法を用いてシミュレーション解析したグラフである。図１３においては、縦軸に、振動板１１０の変位(ｎｍ)、横軸に、振動板１１０および超音波振動子１３０の周波数(ｋＨｚ)を示している。図１３に示す例では、振動板１１０および超音波振動子１３０の周波数が１５０ｋＨｚのとき、振動板１１０の変位が最も大きくなっており、振動板１１０および超音波振動子１３０の共振周波数が１５０ｋＨｚであることを示している。振動板１１０および超音波振動子１３０の共振周波数は、振動板１１０の厚みおよび振動板１１０の第１方向(Ｘ軸方向)の幅によって変化する。
【0039】
図１４は、共振周波数が１５０ｋＨｚである振動板および超音波振動子に、空気共鳴の周波数が１５０ｋＨｚである共鳴板を組み合わせた超音波トランスデューサにおける、超音波トランスデューサから送信される超音波の音圧と、振動板および超音波振動子の周波数との関係について、有限要素法を用いてシミュレーション解析したグラフである。図１４においては、縦軸に、超音波トランスデューサ１００から送信される超音波の音圧(Ｐａ)、横軸に、振動板１１０および超音波振動子１３０の周波数(ｋＨｚ)を示している。図１４においては、共鳴板を配置した超音波トランスデューサのデータを実線、共鳴板を配置していない超音波トランスデューサのデータを点線で示している。音圧は、超音波トランスデューサの正面から第３方向(Ｚ軸方向)に３０ｃｍ離れた地点における音圧の値を示している。
【0040】
図１４に示すように、振動板１１０および超音波振動子１３０の共振周波数と略同一の周波数の空気共鳴を発生させる共鳴板１４０を配置された超音波トランスデューサは、共鳴板を配置されていない超音波トランスデューサに比較して、高い音圧の超音波を放射することができる。
【0041】
図１５は、振動板と共鳴板との隙間で発生する空気共鳴の周波数と、振動板と共鳴板との隙間の寸法との関係について、有限要素法を用いてシミュレーション解析したグラフである。図１２においては、縦軸に、振動板１１０と共鳴板１４０との隙間Ｒｇで発生する空気共鳴の周波数(ｋＨｚ)、横軸に、振動板１１０と共鳴板１４０との隙間Ｒｇの第３方向(Ｚ軸方向)の寸法(ｍｍ)を示している。
【0042】
図１５に示すように、空気共鳴の周波数は、振動板１１０と共鳴板１４０との隙間Ｒｇの第３方向(Ｚ軸方向)の寸法が小さくなるにしたがって高くなる。この理由を以下に説明する。振動板１１０と共鳴板１４０との隙間Ｒｇの第３方向(Ｚ軸方向)の寸法が小さくなるほど隙間Ｒｇの体積が小さくなる。ボイルシャルルの法則により、振動板１１０と共鳴板１４０との隙間Ｒｇの体積が小さくなるほど、振動板１１０の変位に対する圧力の変化が大きくなる。振動板１１０と共鳴板１４０との隙間Ｒｇの第３方向(Ｚ軸方向)の寸法が小さいとき、振動板１１０の変位によって振動板１１０と共鳴板１４０との間で圧縮された空気は硬くなり、当該空気における音速が上昇する。そのため、振動板１１０と共鳴板１４０との隙間Ｒｇの第３方向(Ｚ軸方向)の寸法が小さくなるほど、隙間Ｒｇに位置する空気の音速が高くなって、空気共鳴のλ／２の長さは一定であっても空気共鳴の周波数が高くなる。
【0043】
次に、第１方向(Ｘ軸方向)にλ／２の空気共鳴が有効に発生する条件について詳細に説明する。図１６は、振動板と共鳴板との隙間の寸法と共鳴板の幅の寸法との比と、音圧増幅比との関係について、有限要素法を用いてシミュレーション解析したグラフである。図１６においては、縦軸に音圧増幅比、横軸に、振動板１１０と共鳴板１４０との隙間Ｒｇの第３方向(Ｚ軸方向)の寸法(ｍｍ)と共鳴板１４０の第１方向(Ｘ軸方向)の幅の寸法との比を示している。図１６においては、振動板１１０および超音波振動子１３０の共振周波数、および、振動板１１０と共鳴板１４０との隙間で発生する空気共鳴の周波数の各々が、１５０ｋＨｚのときのデータを実線、１００ｋＨｚのときのデータを点線、８０ｋＨｚのときのデータを一点鎖線で示している。
【0044】
たとえば、振動板１１０と共鳴板１４０との隙間で発生する空気共鳴の周波数が８０ｋＨｚのとき、振動板１１０と共鳴板１４０との隙間Ｒｇの第３方向(Ｚ軸方向)の寸法が０．１ｍｍのときに共鳴板１４０の第１方向(Ｘ軸方向)の幅の寸法が１．８ｍｍであるため、隙間Ｒｇの第３方向(Ｚ軸方向)の寸法と共鳴板１４０の第１方向(Ｘ軸方向)の幅の寸法との比は、０．１／１．８＝０．０５６となる。振動板１１０および超音波振動子１３０の共振周波数が８０ｋＨｚのとき、共鳴板１４０が配置されていない超音波トランスデューサの正面から第３方向(Ｚ軸方向)に３０ｃｍ離れた地点における音圧の値は、０．２７６Ｐａであり、上記の隙間Ｒｇの第３方向(Ｚ軸方向)の寸法と共鳴板１４０の第１方向(Ｘ軸方向)の幅の寸法との比が０．０５６である共鳴板１４０が配置された超音波トランスデューサの正面から第３方向(Ｚ軸方向)に３０ｃｍ離れた地点における音圧の値は、０．５２２Ｐａである。よって、音圧増幅比は、０．５２２／０．２７６＝１．８９となる。
【0045】
図１６に示すように、隙間Ｒｇの第３方向(Ｚ軸方向)の寸法と共鳴板１４０の第１方向(Ｘ軸方向)の幅の寸法との比が１以下、すなわち、共鳴板１４０の短手方向の寸法が振動板１１０に直交する方向における隙間Ｒｇの寸法より大きいとき、上記３つのいずれの周波数においても超音波トランスデューサから放射される超音波の音圧が大きくなる効果が得られる。共鳴板１４０の短手方向の寸法が振動板１１０に直交する方向における隙間Ｒｇの寸法の２．５倍以上５倍以下のとき、超音波トランスデューサから放射される超音波の音圧を２倍以上大きくできる効果が得られる。
【0046】
一方、隙間Ｒｇの第３方向(Ｚ軸方向)の寸法が小さくなりすぎると、振動板１１０が変位する際に空気共鳴と空気の圧縮による押し返し力が大きくなり、振動板１１０の変位が小さくなる。そのため、図１６に示すように、隙間Ｒｇの第３方向(Ｚ軸方向)の寸法と共鳴板１４０の第１方向(Ｘ軸方向)の幅の寸法との比が０．１以下の範囲においては、音圧増幅比が低くなっている。
【0047】
なお、振動板１１０が変位する際に空気共鳴と空気の圧縮による押し返し力を適度に発生させることにより、振動板１１０の振幅を低減して、放射音圧に対する超音波トランスデューサ１００内に生ずる第３方向(Ｚ軸方向)の内部応力を小さくすることができる。すなわち、超音波トランスデューサ１００から放射される超音波の音圧を維持しつつ超音波トランスデューサ１００内に生ずる第３方向(Ｚ軸方向)の内部応力を低減することができる。
【0048】
図１７は、振動板と共鳴板との隙間の寸法と、音圧増幅比との関係について、有限要素法を用いてシミュレーション解析したグラフである。図１７においては、縦軸に音圧増幅比、横軸に、振動板１１０と共鳴板１４０との隙間Ｒｇの第３方向(Ｚ軸方向)の寸法(ｍｍ)を示している。図１７においては、振動板１１０および超音波振動子１３０の共振周波数、および、振動板１１０と共鳴板１４０との隙間で発生する空気共鳴の周波数の各々が、１５０ｋＨｚのときのデータを実線、１００ｋＨｚのときのデータを点線、８０ｋＨｚのときのデータを一点鎖線で示している。
【0049】
図１７に示すように、振動板１１０および超音波振動子１３０の共振周波数および空気共鳴の周波数の各々が高くなるほど、隙間Ｒｇの第３方向(Ｚ軸方向)の寸法が小さい方に音圧増幅比のピークがシフトしている。具体的には、振動板１１０および超音波振動子１３０の共振周波数および空気共鳴の周波数の各々が、８０ｋＨｚのとき隙間Ｒｇの第３方向(Ｚ軸方向)の寸法が０．２ｍｍ付近において、１００ｋＨｚのとき隙間Ｒｇの第３方向(Ｚ軸方向)の寸法が０．１５ｍｍ付近において、１５０ｋＨｚのとき隙間Ｒｇの第３方向(Ｚ軸方向)の寸法が０．０７ｍｍ付近において、音圧増幅比がピークとなっている。この結果から、振動板１１０および超音波振動子１３０の共振周波数および空気共鳴の周波数に応じて、隙間Ｒｇの第３方向(Ｚ軸方向)の寸法を変更することにより、音圧増幅比をピーク値に近づけることが可能である。
【0050】
以下、本発明の一形態に係る超音波トランスデューサ１００が備える共鳴板１４０の厚みについて説明する。図１８は、超音波トランスデューサから送信される超音波の音圧と共鳴板の厚みの寸法との関係について、有限要素法を用いてシミュレーション解析したグラフである。図１８においては、縦軸に、超音波トランスデューサ１００から送信される超音波の音圧(Ｐａ)、横軸に、共鳴板１４０の厚みの寸法(ｍｍ)を示している。音圧は、超音波トランスデューサの正面から第３方向(Ｚ軸方向)に３０ｃｍ離れた地点における音圧の値を示している。図１８に示すように、共鳴板１４０が厚くなるにしたがって超音波トランスデューサ１００から送信される超音波の音圧が低下する。
【0051】
図１９は、共鳴板の厚みの寸法が０．１ｍｍである超音波トランスデューサにおいてλ／２の空気共鳴が発生しているときの、有限要素法を用いてシミュレーション解析した音圧分布を示す図である。図２０は、共鳴板の厚みの寸法が０．６ｍｍである超音波トランスデューサにおいてλ／２の空気共鳴が発生しているときの、有限要素法を用いてシミュレーション解析した音圧分布を示す図である。
【0052】
図１９に示すように、共鳴板の厚みの寸法が０．１ｍｍであるときは、共鳴板１４０の直上の領域Ｒｆに集中して仮想音源が形成されているが、図２０に示すように、共鳴板１４０の厚みの寸法が０．６ｍｍであるときは、共鳴板１４０の上部に仮想音源が分散しており正面音圧が小さくなっている。すなわち、共鳴板１４０が厚くなるにしたがって、λ／２の空気共鳴が発生しているときの共鳴板１４０の直上の領域Ｒｆを中心とした空気の出入りが弱くなり、仮想音源による音圧を重畳する効果が低くなってくる。よって、共鳴板１４０の厚みの寸法は、０．３ｍｍ以下であることが好ましい。なお、共鳴板１４０の厚みの寸法が０．０５ｍｍ未満になると、ステンレス鋼などの剛性の高い金属からなる共鳴板１４０であっても剛性が小さくなり、共鳴板１４０に反りなどが発生して振動板１１０と共鳴板との隙間を精度よく確保することが難しくなるとともに、共鳴による空気の押し返しによって不要な振動が発生する可能性が高くなるため、共鳴板１４０の厚みの寸法は、０．０５ｍｍ以上０．３ｍｍ以下であることがより好ましい。
【0053】
本発明の実施形態１に係る超音波トランスデューサ１００においては、振動板１１０と、少なくとも一つの枠体１２０と、少なくとも一つの超音波振動子１３０と、少なくとも一つの共鳴板１４０を備える。上記少なくとも一つの枠体１２０は、長手方向に延在し、振動板１１０に接合されている。上記少なくとも一つの超音波振動子１３０は、上記少なくとも一つの枠体１２０にそれぞれ取り付けられており、振動板１１０に間隔をあけて対向する。上記少なくとも一つの共鳴板１４０は、振動板１１０に関して上記少なくとも一つの枠体１２０とは反対側において振動板１１０に隙間Ｒｇをあけて対向しつつ、上記長手方向に沿って延在する。振動板１１０は、振動板１１０に直交する方向において上記少なくとも一つの超音波振動子１３０とは逆位相で共振振動する。上記少なくとも一つの枠体の内側における上記長手方向の寸法は、上記少なくとも一つの枠体１２０の内側における上記長手方向の寸法Ｌ１は、上記少なくとも一つの枠体１２０の内側における上記長手方向と直交する短手方向の寸法Ｌ２より大きい。上記少なくとも一つの超音波振動子１３０の駆動周波数から変換された波長をλとすると、上記隙間Ｒｇにおいて上記短手方向にλ／２の空気共鳴を発生可能である。これにより、超音波トランスデューサ１００において、小型化された構成で音圧レベルを高くすることができる。
【0054】
本発明の実施形態１に係る超音波トランスデューサ１００においては、上記少なくとも一つの枠体１２０の内側における上記長手方向の寸法Ｌ１は、上記少なくとも一つの枠体１２０の内側における上記長手方向と直交する短手方向の寸法Ｌ２の４倍以上である。これにより、超音波トランスデューサ１００において、簡易で小型化された構成で音圧レベルを高くすることができる。
【0055】
本発明の実施形態１に係る超音波トランスデューサ１００においては、空気共鳴の周波数は、振動板１１０および少なくとも一つの超音波振動子１３０の共振周波数の±１０％以内である。これにより、振動板１１０および超音波振動子１３０の共振により放射される超音波の音圧に、空気共鳴による音圧を重畳させて、超音波トランスデューサ１００から高い音圧の超音波を放射することができる。
【0056】
本発明の実施形態１に係る超音波トランスデューサ１００においては、少なくとも一つの共鳴板１４０の上記短手方向の寸法は、振動板１１０に直交する方向における隙間Ｒｇの寸法より大きい。これにより、超音波トランスデューサ１００から放射される超音波の音圧を高めつつ、放射音圧に対する超音波トランスデューサ１００内に生ずる第３方向(Ｚ軸方向)の内部応力を小さくすることができる。
【0057】
本発明の実施形態１に係る超音波トランスデューサ１００においては、少なくとも一つの共鳴板１４０の上記短手方向の寸法は、振動板１１０に直交する方向における隙間Ｒｇの寸法の２．５倍以上５倍以下である。これにより、共鳴板１４０が設けられない超音波トランスデューサに比較して超音波トランスデューサ１００から放射される超音波の音圧を２倍以上高めつつ、放射音圧に対する超音波トランスデューサ１００内に生ずる第３方向(Ｚ軸方向)の内部応力を小さくすることができる。
【0058】
本発明の実施形態１に係る超音波トランスデューサ１００においては、少なくとも一つの共鳴板１４０の厚みが０．３ｍｍ以下である。これにより、振動板１１０および超音波振動子１３０の共振により放射される超音波の音圧に、空気共鳴による音圧を効果的に重畳させて、超音波トランスデューサ１００から高い音圧の超音波を放射することができる。
【0059】
本発明の実施形態１に係る超音波トランスデューサ１００を備えるパラメトリックスピーカにおいては、超音波トランスデューサ１００の変調駆動により、超音波トランスデューサ１００から放射された超音波を変調させて可聴音を再生することが可能である。変調方式として、ＡＭ変調方式(振幅変調方式)およびＦＭ変調方式(周波数変調方式)がある。
【0060】
(実施形態２)
以下、本発明の実施形態２に係る超音波トランスデューサについて図を参照して説明する。本発明の実施形態２に係る超音波トランスデューサは、複数の超音波振動子がアレイ状に配置されている点が本発明の実施形態１に係る超音波トランスデューサと異なるため、本発明の実施形態１に係る超音波トランスデューサと同様である構成については説明を繰り返さない。
以下、本発明の実施形態２に係る超音波トランスデューサについて図を参照して説明する。本発明の実施形態２に係る超音波トランスデューサは、複数の超音波振動子がアレイ状に配置されている点が本発明の実施形態１に係る超音波トランスデューサと異なるため、本発明の実施形態１に係る超音波トランスデューサと同様である構成については説明を繰り返さない。
【0061】
図２１は、本発明の実施形態２に係る超音波トランスデューサの構成を示す斜視図である。図２２は、本発明の実施形態２に係る超音波トランスデューサの構成を示す分解斜視図である。図２１および図２２に示すように、本発明の実施形態２に係る超音波トランスデューサ２００においては、第１方向(Ｘ軸方向)に並んでアレイ状に配置された実施形態１に係る超音波トランスデューサ１００が一体に構成されている。超音波トランスデューサ２００は、振動板２１０と、複数の枠体２２０と、複数の超音波振動子１３０と、複数の共鳴板２４０とを備える。振動板２１０に複数の枠体２２０が接合されており、複数の枠体２２０に複数の超音波振動子１３０がそれぞれに接合されている。
【0062】
振動板２１０は、平板状の形状を有しており、第２方向(Ｙ軸方向)に延在する複数のスリット２１１が第１方向(Ｘ軸方向)に間隔をあけて形成されている。振動板２１０は、アルミニウムを含むジェラルミンなどのアルミニウム合金、または、ステンレス鋼などの金属で構成されている。本実施形態においては、振動板２１０は、ステンレス鋼で構成されている。複数のスリット２１１は、エッチングまたは切削などにより形成されている。
【0063】
複数の枠体２２０の各々は、矩形環状の形状を有している。複数の枠体２２０の各々は、第１方向(Ｘ軸方向)に沿う短手方向を有し、第２方向(Ｙ軸方向)に沿う長手方向を有している。複数の枠体２２０の各々は、第２方向(Ｙ軸方向)に延在している。複数の枠体２２０の各々の軸方向は、第３方向(Ｚ軸方向)に沿っている。複数の枠体２２０の各々は、第２方向(Ｙ軸方向)に延在する１対の長辺部２２１と、第１方向(Ｘ軸方向)に延在する１対の短辺部２２２とを有している。長辺部２２１同士の最短間隔は、短辺部２２２同士の最短間隔の４倍以上である。ただし、長辺部２２１同士の最短間隔は、短辺部２２２同士の最短間隔の４倍以上に限られず、短辺部２２２同士の最短間隔より広ければよい。
【0064】
複数の枠体２２０は、第１方向(Ｘ軸方向)に並んで配置されている。第１方向(Ｘ軸方向)において隣り合う枠体２２０同士の間に、スリット２２３が形成されている。複数のスリット２２３は、エッチングまたは切削などにより形成されている。第１方向(Ｘ軸方向)において隣り合う枠体２２０において互いに隣り合う長辺部２２１同士は、スリット２２３によって互いに分離されている。
【0065】
第１方向(Ｘ軸方向)において隣り合う枠体２２０同士は、短辺部２２２にて繋がっている。すなわち、複数の枠体２２０において上記短手方向に隣り合う枠体２２０同士は、互いの長手方向における両端部にて繋がっている。
【0066】
複数の枠体２２０の各々は、アルミニウム合金もしくはステンレス鋼などの金属、ガラスエポキシまたは樹脂などから形成されている。本実施形態においては、複数の枠体２２０は、１枚の薄板から形成されているが、これに限られず、複数の薄板からそれぞれ形成された複数の枠体２２０の短辺部２２２が互いに接合されることにより一体にされていてもよい。
【0067】
本実施形態においては、複数の超音波振動子１３０の各々は、積層された２つの圧電体１３１を含む。複数の超音波振動子１３０を構成する２つの圧電体１３１は、２枚の薄板の状態で積層されて接合される。
【0068】
図２２に示すように、スリット２１１とスリット２２３とは、第３方向(Ｚ軸方向)において互いに重なるように、第１方向(Ｘ軸方向)において同じ位置に配置される。圧電体１３１は、スリット２１１およびスリット２２３と第３方向(Ｚ軸方向)において重なるように第２方向(Ｙ軸方向)に延在する複数のカットラインＬＣにてダイサーなどによって切断されて分割されている。
【0069】
図２１および図２２に示すように、２つのスペーサ２５０は、振動板２１０において振動の少ないノード点上にそれぞれ配置されている。本実施形態においては、２つのスペーサ２５０は、振動板２１０における第２方向(Ｙ軸方向)の端部上にそれぞれ配置されている。
【0070】
複数の共鳴板２４０は、第１方向(Ｘ軸方向)に並ぶように互いに間隔をあけて配置されている。複数の共鳴板２４０において第１方向(Ｘ軸方向)に隣り合う共鳴板２４０同士は、互いの第２方向(Ｙ軸方向)における両端部にて連結部２４１によって繋がっている。２つの連結部２４１の各々は、第１方向(Ｘ軸方向)に延在しており、スペーサ２５０上に配置されている。
【0071】
ここで、複数の超音波トランスデューサ１００の配置間隔であるアレイピッチと空気共鳴との関係について有限要素法を用いてシミュレーション解析した結果について説明する。図２３は、シミュレーション解析した超音波トランスデューサのＦＥＭモデルを示す模式図である。シミュレーション解析条件としては、振動板２１０と共鳴板２４０との隙間において振動板２１０の空気との界面に位置する振動源ＶＳが１ｍ／ｓの速さで第３方向(Ｚ軸方向)に振動している状態において、第１方向(Ｘ軸方向)に隣り合う超音波トランスデューサ１００同士の間隔である図２３に示すアレイピッチＰＡを変化させたときの、５個の超音波トランスデューサ１００を含む超音波トランスデューサ２００の正面から第３方向(Ｚ軸方向)に３０ｃｍ離れた地点における音圧、および、超音波トランスデューサ２００の周囲の音圧分布について、有限要素法を用いてシミュレーション解析した。空気共鳴の周波数を１５０ｋＨｚ、共鳴板１４０の第１方向(Ｘ軸方向)の幅を０．９ｍｍとした。
【0072】
図２４は、超音波トランスデューサから送信される超音波の音圧とアレイピッチとの関係について、有限要素法を用いてシミュレーション解析したグラフである。図２４においては、縦軸に、超音波トランスデューサ２００から送信される超音波の音圧(Ｐａ)、横軸に、アレイピッチ(ｍｍ)を示している。音圧は、超音波トランスデューサ２００の正面から第３方向(Ｚ軸方向)に３０ｃｍ離れた地点における音圧の値を示している。図２４において、２点鎖線で示す基準音圧は、１個の超音波トランスデューサ１００の正面から第３方向(Ｚ軸方向)に３０ｃｍ離れた地点における音圧を５倍した音圧である。
【0073】
超音波トランスデューサ２００から送信される超音波の音圧が基準音圧より高いときは、超音波トランスデューサ１００のアレイ化によって音圧を強め合っていることになり、超音波トランスデューサ２００から送信される超音波の音圧が基準音圧より低いときは、超音波トランスデューサ１００のアレイ化によって音圧を弱め合っていることになる。
【0074】
図２５は、アレイピッチが２．２ｍｍであるときの超音波トランスデューサの周囲における、有限要素法を用いてシミュレーション解析した音圧分布を示す図である。図２６は、アレイピッチが２．６ｍｍであるときの超音波トランスデューサの周囲における、有限要素法を用いてシミュレーション解析した音圧分布を示す図である。図２７は、アレイピッチが３．０ｍｍであるときの超音波トランスデューサの周囲における、有限要素法を用いてシミュレーション解析した音圧分布を示す図である。図２８は、アレイピッチが３．６ｍｍであるときの超音波トランスデューサの周囲における、有限要素法を用いてシミュレーション解析した音圧分布を示す図である。図２９は、アレイピッチが４．４ｍｍであるときの超音波トランスデューサの周囲における、有限要素法を用いてシミュレーション解析した音圧分布を示す図である。
【0075】
図２５に示すように、アレイピッチが２．２ｍｍで狭すぎる場合、振動板２１０と共鳴板２４０との隙間Ｒｇでの音圧の腹が第１方向(Ｘ軸方向)に延びて潰れたようになり、空気共鳴が発生していないため、互いに隣り合う共鳴板２４０同士の隙間の領域Ｒｓおよび隙間Ｒｇが略白色になっている。そのため、図２４に示すように、超音波トランスデューサ２００から送信される超音波の音圧が基準音圧より低くなっている。
【0076】
図２６に示すように、アレイピッチが２．６ｍｍである場合、隙間Ｒｇが白色になって領域Ｒｓが黒色になっており、空気共鳴が発生しはじめている。そのため、図２４に示すように、超音波トランスデューサ２００から送信される超音波の音圧が基準音圧より僅かに高くなっている。
【0077】
図２７に示すように、アレイピッチが３．０ｍｍである場合、隙間Ｒｇが白色になって領域Ｒｓが黒色になっており、共鳴板１４０の直上の領域Ｒｆも黒色になっており、領域Ｒｆに仮想音源が形成されている。そのため、図２４に示すように、超音波トランスデューサ２００から送信される超音波の音圧がピーク付近まで高くなっている。
【0078】
図２８に示すように、アレイピッチが３．６ｍｍである場合、それぞれの超音波トランスデューサ１００における空気共鳴がほとんど互いに影響し合わない状態になっている。そのため、図２４に示すように、超音波トランスデューサ２００から送信される超音波の音圧は、基準音圧より僅かに高くなっている。
【0079】
図２９に示すように、アレイピッチが４．４ｍｍである場合、隙間Ｒｇおよび領域Ｒｓが白色になっており、隙間Ｒｇと領域Ｒｓとの間が黒色になっており、互いに隣り合う超音波トランスデューサ１００から送信される超音波の音圧が打ち消し合って正面音圧が小さくなる空気共鳴が起きている。そのため、図２４に示すように、超音波トランスデューサ２００から送信される超音波の音圧は、基準音圧より低くなっている。
【0080】
図３０は、超音波トランスデューサから送信される超音波の指向性とアレイピッチとの関係について、有限要素法を用いてシミュレーション解析したグラフである。図３０においては、縦軸に、超音波トランスデューサ２００から送信される超音波の音圧レベル(ｄＢ)、半円状に、指向角を示している。アレイピッチが、２．２ｍｍのデータを線Ａ、３．０ｍｍのデータを線Ｂ、４．８ｍｍのデータを線Ｃで示している。
【0081】
図３０に示すように、アレイピッチが大きくなるほど、サイドローブが大きくなりつつ正面側に出てきている。すなわち、アレイピッチが大きくなりすぎると、超音波トランスデューサ２００の正面への超音波の放射効率が低下する。
【0082】
これらのことから、超音波トランスデューサ２００の正面への超音波の放射効率の低下を抑制しつつ、超音波トランスデューサ２００から送信される超音波の音圧が基準音圧より高くなる範囲として、図２４に示す点線Ｌ１１と点線Ｌ１３とに囲まれた範囲が好適である。この好適な範囲に入るためには、共鳴板２４０の第１方向(Ｘ軸方向)の寸法をＤｓとし、空気中の超音波の波長をλａとし、第１方向(Ｘ軸方向)における超音波振動子１３０の配置ピッチであるアレイピッチをＰＡとすると、Ｄｓ＋３λａ／４≦ＰＡ≦Ｄｓ＋５λａ／４の関係を満たす必要がある。
【0083】
たとえば、空気共鳴の周波数を１５０ｋＨｚ、共鳴板１４０の第１方向(Ｘ軸方向)の幅を０．９ｍｍとしたとき、アレイピッチＰＡ＝Ｄｓ＋λａ＝３．１６ｍｍである図２４に示す一点鎖線Ｌ１２を中心に、アレイピッチＰＡ＝Ｄｓ＋λａ－λａ／４＝Ｄｓ＋３λａ／４＝２．６ｍｍである図２４に示す点線Ｌ１１を下限とし、アレイピッチＰＡ＝Ｄｓ＋λａ＋λａ／４＝Ｄｓ＋５λａ／４＝３．７ｍｍである図２４に示す点線Ｌ１３を上限とする範囲内が好適である。振動板１１０と共鳴板２４０との間の隙間の第３方向(Ｚ軸方向)の寸法を２倍にした場合、および、共鳴板１４０の第１方向(Ｘ軸方向)の幅を変えて共鳴周波数を変更した場合においても、Ｄｓ＋３λａ／４≦ＰＡ≦Ｄｓ＋５λａ／４の関係を満たすことにより、超音波トランスデューサ２００の正面への超音波の放射効率の低下を抑制しつつ、超音波トランスデューサ２００から送信される超音波の音圧を基準音圧より高くできることを確認済である。
【0084】
図３１は、共鳴板の幅の寸法を変えて超音波トランスデューサから放射される超音波の出力を実測した結果を示すグラフである。図３１においては、縦軸に、出力、横軸に、共鳴板の幅の寸法(ｍｍ)を示している。図３１において、共鳴板の幅の寸法が０は、共鳴板を配置していないときのデータである。振動板１１０および超音波振動子１３０の共振周波数を１４１ｋＨｚ、振動板１１０と共鳴板２４０との間の隙間の第３方向(Ｚ軸方向)の寸法を０．２ｍｍ、アレイピッチを２．８ｍｍとした。
【0085】
図３１に示すように、共鳴板２４０の第１方向(Ｘ軸方向)の幅の寸法が０．８ｍｍのときは、共鳴板を配置していないときに比較して、約２倍の出力が得られた。この結果から、本実施形態に係る超音波トランスデューサ２００においては、共鳴板が設けられていない超音波トランスデューサに比較して、高出力で超音波を放射できることが確認できた。
【0086】
本発明の実施形態２に係る超音波トランスデューサ２００を備えるパラメトリックスピーカにおいては、超音波トランスデューサ２００の変調駆動により、超音波トランスデューサ２００から放射された超音波を変調させて可聴音を再生することが可能である。
【0087】
１００ｋＨｚ以上の高周波の超音波を送信する本実施形態に係る超音波トランスデューサ２００を備えるパラメトリックスピーカにおいては、不必要に遠くまで音が届くこと、および、不要な反射による音漏れを抑制して、限られた空間のみに可聴音を再生することができる。１００ｋＨｚ以上の高周波の超音波は、犬または猫などの動物の可聴領域外であるため、これらの動物に与える影響を抑制することができる。
【0088】
伝搬距離が３０ｃｍ以降で可聴音が減衰するようにするためには、レイリー距離を３０ｃｍ以内にする必要がある。レイリー距離Ｒ０は、Ｒ０＝(ｋ×ａ2)／２の関係を満たす。ｋは、波数であり、ａは、音源の半径である。よって、空気の音速を３４０ｍ／ｓとすると、超音波の周波数が１００ｋＨｚである場合、振動板２１０の振動領域の長手寸法は３６ｍｍ以下であり、超音波の周波数が１５０ｋＨｚである場合、振動板２１０の振動領域の長手寸法は２９．４ｍｍ以下であり、超音波の周波数が２００ｋＨｚである場合、振動板２１０の振動領域の長手寸法は２５．５ｍｍ以下である。超音波の周波数が１００ｋＨｚ以上である場合、長手寸法Ｌ１は、短手寸法Ｌ２の４倍以上２４倍以下である。
【0089】
本発明の実施形態２に係る超音波トランスデューサ２００においては、少なくとも一つの枠体２２０が上記短手方向に並ぶように複数配置されて振動板２１０に接合されている。少なくとも一つの枠体２２０において上記短手方向に隣り合う枠体２２０同士は、互いの上記長手方向における両端部にて繋がっている。少なくとも一つの共鳴板２４０が上記短手方向に並ぶように複数配置されている。少なくとも一つの共鳴板２４０において上記短手方向に隣り合う共鳴板２４０同士は、互いの上記長手方向における両端部にて繋がっている。これにより、容易に音圧レベルを高くすることができる。
【0090】
本発明の実施形態２に係る超音波トランスデューサ２００においては、少なくとも一つの共鳴板２４０の上記短手方向の寸法をＤｓとし、空気中の超音波の波長をλａとし、上記短手方向における少なくとも一つの超音波振動子１３０の配置ピッチをＰＡとすると、Ｄｓ＋３λａ／４≦ＰＡ≦Ｄｓ＋５λａ／４の関係を満たす。これにより、超音波トランスデューサ２００の正面への超音波の放射効率の低下を抑制しつつ、超音波トランスデューサ２００から送信される超音波の音圧を高くすることができる。
【0091】
(実施形態３)
以下、本発明の実施形態３に係る超音波トランスデューサについて図を参照して説明する。本発明の実施形態３に係る超音波トランスデューサは、振動板にスリットが形成されている点が本発明の実施形態１に係る超音波トランスデューサと異なるため、本発明の実施形態１に係る超音波トランスデューサと同様である構成については説明を繰り返さない。
以下、本発明の実施形態３に係る超音波トランスデューサについて図を参照して説明する。本発明の実施形態３に係る超音波トランスデューサは、振動板にスリットが形成されている点が本発明の実施形態１に係る超音波トランスデューサと異なるため、本発明の実施形態１に係る超音波トランスデューサと同様である構成については説明を繰り返さない。
【0092】
図３２は、本発明の実施形態３に係る超音波トランスデューサの構成を示す分解斜視図である。図３２に示すように、本発明の実施形態３に係る超音波トランスデューサ３００は、振動板３１０と、枠体１２０と、超音波振動子１３０と、共鳴板１４０と、スペーサ１５０とを備える。振動板３１０には、第１方向(Ｘ軸方向)に延在する少なくとも１つのスリット３１０ｓが形成されている。本実施形態においては、枠体１２０の内周面における第２方向(Ｙ軸方向)の端縁上の位置に、２つのスリット３１０ｓが形成されている。
【0093】
２つのスリット３１０ｓの各々は、枠体１２０の内側における第１方向(Ｘ軸方向)の短手寸法Ｌ２以上延在している。本実施形態においては、スリット３１０ｓの第１方向(Ｘ軸方向)の長さ寸法は、枠体１２０の内側における第１方向(Ｘ軸方向)の短手寸法Ｌ２と同一である。スリット３１０ｓの第２方向(Ｙ軸方向)の幅寸法は、０．４ｍｍ以上０．６ｍｍ以下である。スリット３１０ｓは、枠体１２０の内周面における第２方向(Ｙ軸方向)の端縁上の位置から第２方向(Ｙ軸方向)に上記幅寸法だけ内側の位置まで形成されている。２つのスリット３１０ｓは、枠体１２０の内側における第２方向(Ｙ軸方向)の両端部にそれぞれ開口している。
【0094】
振動板１１０において枠体１２０の内側の内部空間の上方に位置しつつ第２方向(Ｙ軸方向)においてスリット３１０ｓ同士の間に位置する部分が、共振振動する振動領域となる。振動板１１０の振動領域の長手寸法は、スリット３１０ｓ同士の間の寸法となり、振動板１１０の振動領域の短手寸法は、枠体１２０の内側における短手寸法Ｌ２と同一となる。振動板１１０において、枠体１２０の内側における長手方向の中間上に位置する中間部は大きく変位し、第２方向(Ｙ軸方向)においてスリット３１０ｓの外側に位置する端部はほとんど変位しない。
【0095】
本発明の実施形態３に係る超音波トランスデューサ３００においては、スリット３１０ｓを通じて枠体１２０の内側の内部空間と枠体の外側の外部空間とが連通しているため、たとえば、振動板１１０と枠体１２０とを接合する接着材を加熱して硬化させる際の内部空間内の圧力変化を低減して超音波トランスデューサ３００内の内部応力が高くなることを抑制することができる。また、スリット３１０ｓに隣接している箇所は共振振動している振動板１１０の自由端となって変位しやすくなるため、共振振動している振動板１１０内に生ずる内部応力を低減することができる。よって、超音波トランスデューサ３００において、簡易で小型化された構成で内部応力を低減しつつ音圧レベルを高くすることができる。
【0096】
(付記)
上述した例示的な実施形態は、以下の態様の具体例であることが当業者により理解される。
上述した例示的な実施形態は、以下の態様の具体例であることが当業者により理解される。
【0097】
＜１＞
振動板と、
長手方向に延在し、前記振動板に接合された少なくとも一つの枠体と、
前記少なくとも一つの枠体にそれぞれ取り付けられており、前記振動板に間隔をあけて対向する少なくとも一つの超音波振動子と、
前記振動板に関して前記少なくとも一つの枠体とは反対側において前記振動板に隙間をあけて対向しつつ、前記長手方向に沿って延在する少なくとも一つの共鳴板とを備え、
前記振動板は、前記振動板に直交する方向において前記少なくとも一つの超音波振動子とは逆位相で共振振動し、
前記少なくとも一つの枠体の内側における前記長手方向の寸法は、前記少なくとも一つの枠体の内側における前記長手方向と直交する短手方向の寸法より大きく、
前記少なくとも一つの超音波振動子の駆動周波数から変換された波長をλとすると、前記隙間において前記短手方向にλ／２の空気共鳴を発生可能である、超音波トランスデューサ。
振動板と、
長手方向に延在し、前記振動板に接合された少なくとも一つの枠体と、
前記少なくとも一つの枠体にそれぞれ取り付けられており、前記振動板に間隔をあけて対向する少なくとも一つの超音波振動子と、
前記振動板に関して前記少なくとも一つの枠体とは反対側において前記振動板に隙間をあけて対向しつつ、前記長手方向に沿って延在する少なくとも一つの共鳴板とを備え、
前記振動板は、前記振動板に直交する方向において前記少なくとも一つの超音波振動子とは逆位相で共振振動し、
前記少なくとも一つの枠体の内側における前記長手方向の寸法は、前記少なくとも一つの枠体の内側における前記長手方向と直交する短手方向の寸法より大きく、
前記少なくとも一つの超音波振動子の駆動周波数から変換された波長をλとすると、前記隙間において前記短手方向にλ／２の空気共鳴を発生可能である、超音波トランスデューサ。
【0098】
＜２＞
前記少なくとも一つの枠体の内側における前記長手方向の寸法は、前記少なくとも一つの枠体の内側における前記短手方向の寸法の４倍以上である、＜１＞に記載の超音波トランスデューサ。
前記少なくとも一つの枠体の内側における前記長手方向の寸法は、前記少なくとも一つの枠体の内側における前記短手方向の寸法の４倍以上である、＜１＞に記載の超音波トランスデューサ。
【0099】
＜３＞
前記空気共鳴の周波数は、前記振動板および前記少なくとも一つの超音波振動子の共振周波数の±１０％以内である、＜１＞または＜２＞に記載の超音波トランスデューサ。
前記空気共鳴の周波数は、前記振動板および前記少なくとも一つの超音波振動子の共振周波数の±１０％以内である、＜１＞または＜２＞に記載の超音波トランスデューサ。
【0100】
＜４＞
前記少なくとも一つの共鳴板の前記短手方向の寸法は、前記振動板に直交する方向における前記隙間の寸法より大きい、＜１＞から＜３＞のいずれか１つに記載の超音波トランスデューサ。
前記少なくとも一つの共鳴板の前記短手方向の寸法は、前記振動板に直交する方向における前記隙間の寸法より大きい、＜１＞から＜３＞のいずれか１つに記載の超音波トランスデューサ。
【0101】
＜５＞
前記少なくとも一つの共鳴板の前記短手方向の寸法は、前記振動板に直交する方向における前記隙間の寸法の２．５倍以上５倍以下である、＜４＞に記載の超音波トランスデューサ。
前記少なくとも一つの共鳴板の前記短手方向の寸法は、前記振動板に直交する方向における前記隙間の寸法の２．５倍以上５倍以下である、＜４＞に記載の超音波トランスデューサ。
【0102】
＜６＞
前記少なくとも一つの共鳴板の厚みが０．３ｍｍ以下である、＜１＞から＜５＞のいずれか１つに記載の超音波トランスデューサ。
前記少なくとも一つの共鳴板の厚みが０．３ｍｍ以下である、＜１＞から＜５＞のいずれか１つに記載の超音波トランスデューサ。
【0103】
＜７＞
前記少なくとも一つの枠体が前記短手方向に並ぶように複数配置されて前記振動板に接合されており、
前記少なくとも一つの枠体において前記短手方向に隣り合う枠体同士は、互いの前記長手方向における両端部にて繋がっており、
前記少なくとも一つの共鳴板が前記短手方向に並ぶように複数配置されており、
前記少なくとも一つの共鳴板において前記短手方向に隣り合う共鳴板同士は、互いの前記長手方向における両端部にて繋がっている、＜１＞から＜６＞のいずれか１つに記載の超音波トランスデューサ。
前記少なくとも一つの枠体が前記短手方向に並ぶように複数配置されて前記振動板に接合されており、
前記少なくとも一つの枠体において前記短手方向に隣り合う枠体同士は、互いの前記長手方向における両端部にて繋がっており、
前記少なくとも一つの共鳴板が前記短手方向に並ぶように複数配置されており、
前記少なくとも一つの共鳴板において前記短手方向に隣り合う共鳴板同士は、互いの前記長手方向における両端部にて繋がっている、＜１＞から＜６＞のいずれか１つに記載の超音波トランスデューサ。
【0104】
＜８＞
前記少なくとも一つの共鳴板の前記短手方向の寸法をＤｓとし、空気中の超音波の波長をλａとし、前記短手方向における前記少なくとも一つの超音波振動子の配置ピッチをＰＡとすると、
Ｄｓ＋３λａ／４≦ＰＡ≦Ｄｓ＋５λａ／４の関係を満たす、＜７＞に記載の超音波トランスデューサ。
前記少なくとも一つの共鳴板の前記短手方向の寸法をＤｓとし、空気中の超音波の波長をλａとし、前記短手方向における前記少なくとも一つの超音波振動子の配置ピッチをＰＡとすると、
Ｄｓ＋３λａ／４≦ＰＡ≦Ｄｓ＋５λａ／４の関係を満たす、＜７＞に記載の超音波トランスデューサ。
【0105】
上述した実施形態の説明において、組み合わせ可能な構成を相互に組み合わせてもよい。
【0106】
今回開示された実施形態はすべ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。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【0107】
１００，２００ 超音波トランスデューサ、１１０，２１０ 振動板、１１０ｃ 中間部、１１０ｅ 端部、１２０，２２０ 枠体、１２１，２２１ 長辺部、１２２，２２２ 短辺部、１３０ 超音波振動子、１３１ 圧電体、１３２ 第１電極、１３３ 第２電極、１３４ 中間電極、１４０，２４０ 共鳴板、１５０，２５０ スペーサ、１６０ 処理回路、２１１，２２３ スリット、２４１ 連結部、Ａ，Ｂ，Ｃ 線、Ｂｍ，Ｂｐ 共振振動、Ｄｐ 分極方向、Ｌ１ 長手寸法、Ｌ２ 短手寸法、ＬＣ カットライン、ＰＡ アレイピッチ、Ｒｇ 隙間、ＶＳ 振動源、Ｗｒ 空気共鳴。
【要約】
振動板(１１０)と、少なくとも一つの枠体(１２０)と、少なくとも一つの超音波振動子(１３０)と、少なくとも一つの共鳴板(１４０)とを備える。上記少なくとも一つの枠体(１２０)は、長手方向に延在し、振動板(１１０)に接合されている。上記少なくとも一つの超音波振動子(１３０)は、上記少なくとも一つの枠体(１２０)にそれぞれ取り付けられており、振動板(１１０)に間隔をあけて対向する。上記少なくとも一つの共鳴板(１４０)は、振動板(１１０)に関して上記少なくとも一つの枠体(１２０)とは反対側において振動板(１１０)に隙間をあけて対向しつつ、上記長手方向に沿って延在する。振動板(１１０)は、振動板(１１０)に直交する方向において上記少なくとも一つの超音波振動子(１３０)とは逆位相で共振振動する。上記少なくとも一つの枠体(１２０)の内側における上記長手方向の寸法は、上記少なくとも一つの枠体(１２０)の内側における上記長手方向と直交する短手方向の寸法より大きい。上記少なくとも一つの超音波振動子(１３０)の駆動周波数から変換された波長をλとすると、上記隙間において上記短手方向にλ／２の空気共鳴を発生可能である。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】
【図28】
【図29】
【図30】
【図31】
【図32】