超音波発生装置及びそれを備えた設備機器
【課題】強力な音圧レベルの超音波を広範囲に放射することができる超音波発生装置及びそれを備えた設備機器を提供する。
【解決手段】超音波発生装置１００は、圧電素子１０ａが設けられている振動子１０（超音波振動子）と、振動子１０から発振される超音波の腹の部分に対応する位置に取り付けられ、振動子１０の振動と共振することでたわみ振動し超音波を発生する複数枚の振動板１２と、振動板１２に所定の間隔で対向させ、振動子１０から発振される超音波の節の部分に対応する位置に取り付けられ、振動板１２からの音放射を反射する複数枚の反射振動板２２と、を有していることを特徴とする。
【解決手段】超音波発生装置１００は、圧電素子１０ａが設けられている振動子１０（超音波振動子）と、振動子１０から発振される超音波の腹の部分に対応する位置に取り付けられ、振動子１０の振動と共振することでたわみ振動し超音波を発生する複数枚の振動板１２と、振動板１２に所定の間隔で対向させ、振動子１０から発振される超音波の節の部分に対応する位置に取り付けられ、振動板１２からの音放射を反射する複数枚の反射振動板２２と、を有していることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波を発生する超音波発生装置に関し、特に強力な音圧レベルの超音波を広範囲に放射することが可能な超音波発生装置及びそれを備えた設備機器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）等の圧電素子を利用した超音波発生装置が存在する。このような超音波発生装置は、一般的に、圧電素子に電圧を印加することで圧電素子を発振させ、一定方向の振動の共振周波数を利用することで、特定の周波数を音響発振するようになっている。この超音波を利用して空中に浮遊している塵埃等の粒子を凝集させるようにした空気清浄機等に搭載される超音波凝集装置が存在する。この超音波凝集は、疎密波である超音波の特性によって発生することが知られている。つまり、疎密波の「密」の部分では、強い音圧放射によって、空気同士が摩擦を起こして静電効果が発生し、疎密波の「疎」の部分の塵埃が「密」の部分に移動して粒子が凝集するのである。
【０００３】
そのようなものとして、「人の動き等を感知する人感センサを用いた自動運転モードを有して吸気口から吸い込んだ空気を清浄化する空気清浄機において、前記吸気口を空気清浄機本体の少なくとも正面と側面の２面に形成し、前記人感センサとして超音波を送受信する超音波送受信手段を少なくとも前記正面と側面の２面に向けて回動可能に設けると共に、これを用いて人を感知した時は超音波を空気中に照射することにより得られる超音波集塵機能を利用して空気中の埃を肥大化させて集塵する制御手段を備えた空気清浄機」が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００４】
また、コロナ放電による電気集塵を助長する手段として音放射を組み合わせるようにした技術が開示されている。そのようなものとして、「荷電部と集塵部と、前記荷電部のうちの少なくとも放電部位の一部に対して音波を照射する音波発生手段とを備え、前記荷電部は、放電電極と対向電極とで構成されるとともに、前記音波発生手段は、少なくとも前記放電電極と前記対向電極との間の放電空間に音波を照射する電気集塵装置」が提案されている（たとえば、特許文献２参照）。
【０００５】
【特許文献１】特許第３７００６８５号公報（第５頁、第２図）
【特許文献２】特開２００４−３５１３３０号公報（第６頁、第６図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
超音波の音圧レベルは、圧電素子を駆動させる入力電圧に依存しており、空中に放射すると極端に減衰してしまう。また、超音波凝集を起こすためには、音波照射範囲内に一定時間異常粒子を滞留させる必要がある。しかしながら、特許文献１及び特許文献２に記載の技術では、音波の照射範囲が狭く、音圧レベルが低いため、超音波凝集を起こすのに必要な時間だけ、音波照射内に粒子を留めておくことができない構成となっている。したがって、特許文献１及び特許文献２に記載の技術は、音圧レベルを上昇させること及び粒子を留めておくことを考慮していないため、超音波凝集効果を十分に得られないものとなっていた。
【０００７】
本発明は、以上のような課題を解決するためになされたもので、強力な音圧レベルの超音波を広範囲に放射することができる超音波発生装置及びそれを備えた設備機器を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る超音波発生装置は、圧電素子が設けられている超音波振動子と、前記超音波振動子から発振される超音波の腹の部分に対応する位置に取り付けられ、前記超音波振動子の振動と共振することでたわみ振動し超音波を発生する１枚又は複数枚の振動板と、前記振動板に所定の間隔で対向させ、前記超音波振動子から発振される超音波の節の部分に対応する位置に取り付けられ、前記振動板からの音放射を反射する１枚又は複数枚の反射振動板と、を有していることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る超音波発生装置によれば、振動板と反射振動板との間に強力な音圧レベルの超音波を広範囲に繰り返し放射することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る超音波発生装置１００の概略構成を示す構成図である。図１に基づいて、超音波発生装置１００の構成について説明する。この超音波発生装置１００は、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）等の圧電素子で構成される超音波振動子にパルス電圧を印加し、振動子を発振させることによって、超音波を発生させるものである。なお、図１を含め、以下の図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものとは異なる場合がある。
【００１１】
図１に示すように、超音波発生装置１００は、振動子（超音波振動子）１０と、ホーン１１と、複数枚の振動板１２と、複数枚の反射振動板２２と、を有している。振動子１０には、圧電素子１０ａが設けられ、図示省略の正電極端子及び負電極端子を介してパルス電圧が印加され、発振するようになっている。つまり、振動子１０は、パルス電圧が印加されることによって、所定の周波数範囲（一般的に４０ｋＨｚ前後）の音波（超音波）を発振する機能を有しているのである。ホーン１１は、両端面が開口され、内部に音響通路（超音波帯域の音響信号を増幅する通路）が形成されるように構成されており、振動子１０の先端部（紙面上端部）に取り付けられている。また、ホーン１１は、円錐台形状に構成され、振動子１０側から振動板１２側に向けて徐々に縮径されているのが好ましい。
【００１２】
複数枚の振動板１２は、振動子１０から発信される超音波信号（振動子１０内部の発振モード波線Ａ）の「腹」の部分に対応する位置に取り付けられており、振動子１０の発振（振動）と共振することによって共振波である超音波を作り出す機能を有している。この図１では、３枚の振動板１２がホーン１１に取り付けられている状態を図示している。紙面最上部に取り付けられている振動板１２を振動板１２ａと、中間部に取り付けられている振動板１２を振動板１２ｂと、最下部に取り付けられている振動板１２を振動板１２ｃと、それぞれ称して以下の説明で使用するものとする。なお、振動板１２の枚数を図示している３枚に限定するものではない。
【００１３】
複数枚の反射振動板２２は、振動子１０から発信される超音波信号（振動子１０内部の発振モード波線Ａ）の「節」の部分に対応する位置に設置されている固定部材１４に取り付けられたり、あるいは、振動子１０から発信される超音波信号の「節」の部分に相当する筐体面を構成するように取り付けられたりするようになっており、振動板１２から放射された超音波を反射させる機能を有している。この図１では、４枚の反射振動板２２が取り付けられている状態を図示している。なお、固定部材１４は、図示するようにホーン１１に設置されている。
【００１４】
紙面最上部で、たとえば筐体面を構成するように取り付けられている反射振動板２２を反射振動板２２ａと、振動板１２ａと振動板１２ｂとの間に取り付けられている反射振動板２２を反射振動板２２ｂと、振動板１２ｂと振動板１２ｃとの間に取り付けられている反射振動板２２を反射振動板２２ｃと、最下部に取り付けられている反射振動板２２を反射振動板２２ｄと、それぞれ称して以下の説明で使用するものとする。なお、反射振動板２２の枚数を図示している４枚に限定するものではない。複数枚の振動板１２及び複数枚の反射振動板２２で多段振動部を構成している。
【００１５】
図２は、超音波発生装置１００の特徴事項である「格子モード」の「たわみ振動」を説明するための説明図である。図２に基づいて、「格子モード」の「たわみ振動」について説明する。図２（ａ）が振動板１２を上から見た状態を示す平面図を、図２（ｂ）が超音波発生装置１００の縦断面構成の一部を省略して示す概略断面図をそれぞれ示している。上述したように、振動板１２は、振動子１０から発信される超音波信号の「腹」の部分に対応する位置に取り付けられているために、「たわみ振動」を行なうようになっている。つまり、振動板１２は、板そのものの固有振動数で決まる「格子モード」での振動（「たわみ振動」）を行なうのである。
【００１６】
具体的には、図２（ａ）の破線で示すように、振動板１２は、格子状になっている破線部分を「節（発生した超音波における疎の部分）」、破線以外の部分を「腹（発生した超音波における密の部分）」として「たわみ振動」するようになっているのである。そして、超音波発生装置１００では、振動板１２の有する振動モードの振動周波数を、振動子１０の発振周波数と一致させて用いるようにしている。したがって、振動板１２からの超音波は、振動板１２の両面（図２（ｂ）では、ホーン１１側の面及びその対向面）から発生することになる。
【００１７】
図２（ｂ）に示す振動板１２は、ホーン１１の先端部に取り付けられており、振動子１０から発信され、ホーン１１を伝搬した超音波信号（波線Ａ）が伝搬することになる。振動板１２の有する振動モードの振動周波数は、上述したように振動子１０の発振周波数と一致しているので、伝搬した超音波信号により加振（共振）されることになる（波線Ｂ1 ）。このとき、振動板１２が「たわみ振動」することで超音波が発生し、この超音波が振動板１２の両面側に放射されるようになっている。
【００１８】
振動板１２は、以下の計算式（１）で大きさを決定することができ、所望の寸法を設計することができる。
λ＝｛２πＣｐｈ／ｆ｝＊１／２・・・式（１）
ここで、λが波長を、Ｃｐが振動板１２を構成する板材料の固有定数を、ｈが振動板１２を構成する板材料の厚みを、ｆが周波数をそれぞれ表している。なお、Ｃｐは、振動板１２を構成する材料固有の定数であり、その材料のヤング率やポアソン比等を用いて算出することができる。
【００１９】
また、「格子モード」の発生に必要な振動板１２の一辺の長さＬ1 は、以下の計算式（２）で決定することができる。
Ｌ1 ＝（Ｎ1 −０．５）＊λ／２・・・式（２）
ここで、Ｎ1 が振動板１２に出現する「節」線の数（偶数値）を表している。
すなわち、振動板１２の一辺の長さＬ1 を式（２）で示す関係に設定すれば、振動板１２のたわみ振動時におけるモード形状を「格子モード」とすることができる。
【００２０】
以上のように、振動板１２を「格子モード」で「たわみ振動」させることで、振動板１２が振動子１０から発信された超音波信号と同等の周波数の特定周波数で振動を行なうことができる。この特定の周波数による振動板１２の周波数は、振動板１２の全面から放射されることになるので、振動板１２の大きさに応じた広い面積から特定の超音波帯域の周波数を持つ強力な音（たとえば、１４０ｄＢ以上）が一様に空中放射（振動子１０の中心軸上に沿って３０ｃｍ以上）されることになる。なお、図２では、ホーン１１が設けられている場合を例に示しているが、振動子１０の先端部に振動板１２を取り付けるようにしてもよい。
【００２１】
図３は、超音波発生装置１００の特徴事項である「平行縞モード」の「たわみ振動」を説明するための説明図である。図３に基づいて、「平行縞モード」の「たわみ振動」について説明する。図３（ａ）が振動板１２を上から見た状態を示す平面図を、図３（ｂ）が超音波発生装置１００の縦断面構成の一部を省略して示す概略断面図をそれぞれ示している。上述したように、振動板１２は、振動子１０から発信される超音波信号の「腹」の部分に対応する位置に取り付けられ、「たわみ振動」を行なうようになっている。つまり、振動板１２は、板そのものの固有振動数で決まる「平行縞モード」での振動（「たわみ振動」）を行なうのである。
【００２２】
具体的には、図３（ａ）の破線で示すように、振動板１２は、平行縞状になっている破線部分を「節（発生した超音波における疎の部分）」、破線以外の部分を「腹（発生した超音波における密の部分）」として「たわみ振動」するようになっているのである。そして、超音波発生装置１００では、振動板１２の有する振動モードの振動周波数を、振動子１０の発振周波数と一致させて用いるようにしている。したがって、振動板１２からの超音波は、振動板１２の両面（図３（ｂ）では、ホーン１１側の面及びその対向面）から発生することになる。なお、上記式（１）で振動板１２の大きさを決定することができ、上記式（２）で「平行縞モード」の発生に必要な振動板１２の一辺の長さＬ2 を決定することができる。
【００２３】
図３（ｂ）で示す振動板１２は、ホーン１１の先端部に取り付けられており、振動子１０から発信され、ホーン１１を伝搬した超音波信号（波線Ａ）が伝搬することになる。振動板１２の有する振動モードの振動周波数は、上述したように振動子１０の発振周波数と一致しているので、伝搬した超音波信号により加振（共振）されることになる（波線Ｂ2 ）。このとき、振動板１２が「たわみ振動」することで、超音波が発生し、この超音波が振動板１２ａの両面側に放射されるようになっている。
【００２４】
以上のように、振動板１２を「平行縞モード」で「たわみ振動」させることで、振動板１２が振動子１０から発信された超音波信号と同等の周波数の特定周波数で振動を行なうことができる。この特定の周波数による振動板１２の周波数は、振動板１２の全面から放射されることになるので、振動板１２の大きさに応じた広い面積から特定の超音波帯域の周波数を持つ強力な音（たとえば、１４０ｄＢ以上）が一様に空中放射（振動子１０の中心軸上に沿って３０ｃｍ以上）されることになる。なお、図３では、ホーン１１が設けられている場合を例に示しているが、振動子１０に振動板１２を取り付けるようにしてもよい。また、「格子モード」に基づいて以下を説明するが、「平行縞モード」でも同様の作用及び効果を有することは言うまでもない。
【００２５】
図４は、反射振動板２２を設置した状態における超音波放射を説明するための説明図である。図４に基づいて、反射振動板２２を設置した状態での超音波の放射について説明する。上述したように、超音波発生装置１００では、振動板１２の両面から強力な超音波が一様に空中放射される。そこで、「たわみ振動」する反射振動板２２を振動板１２に所定の間隔（以下で説明する計算式（３））で対向させて設置し、振動板１２から放射された超音波を減衰させないようにしているのである。なお、図４では、１枚の反射振動板２２が設置されている状態を例に説明するものとする。
【００２６】
図４に示すように、超音波は、「たわみ振動」する振動板１２の両面から音放射されるようになっている（超音波放射領域：矢印Ｃ）。そして、振動板１２の下側に所定の間隔をもって、振動板１２からの音放射を反射するための反射振動板２２を設置している。このような位置に反射振動板２２を設置することによって、反射振動板２２と振動板１２との間に常に強力な音圧レベルを持つ音放射が繰り返し、放射（超音波放射領域：矢印Ｄ）可能になっている。このとき、振動板１２は振動子１０から発信される超音波信号の「腹」が生じる部分に対応する位置に取り付けられ、反射振動板２２は振動子１０から発信される超音波信号の「節」が生じる部分に対応する位置に設置されている固定部材１４に取り付けられている。
【００２７】
すなわち、共振周波数の最も強い場所であるホーン１１の先端部（「腹」が生じる部分に対応する位置）に取り付けた振動板１２と、そのほかの場所（「節」が生じる部分に対応する位置）に設置した固定部材１４に取り付けた反射振動板２２とを活用して、両者間で超音波を繰り返し反射させ、超音波を減衰させないようにしているのである。したがって、振動板１２の前面（紙面上側面）が超音波放射領域（矢印Ｃ）となり、振動板１２と反射振動板２２との間が超音波発生領域（矢印Ｄ）となる。なお、振動板１２の振動モードによって任意の角度を持って発生する側面波（矢印Ｃ1 ）及び反射側面波（矢印Ｄ1 ）については図５で説明する。
【００２８】
このように、振動板１２と反射振動板２２との間に超音波信号が放射／反射を繰り返すことによって、振動板１２と反射振動板２２との間には複数本の鋭い指向性による超音波信号（矢印Ｃ及び矢印Ｄ）が発生しており、疎密波を繰り返す超音波による「音の壁」を存在させることができるのである。なお、図４では、反射振動板２２を「節」が生じる部分に対応する位置に設置した固定部材１４によって取り付けている場合を例に示している。この場合、固定部材１４を「節」が生じる部分に対応する位置に設置されていればよく、反射振動板２２が「節」が生じる部分に対応する位置になくてもよい。
【００２９】
振動板１２と反射振動板２２との所定の間隔Ｋは、以下の計算式（３）を満たす関係で決定することができる。
Ｋ＝（λｓ／２）＊Ｎ2 ・・・式（３）
ここで、Ｋが振動板１２と反射振動板２２との所定の間隔を、λｓが振動板１２で発生する周波数の波長を、Ｎ2 が次数（奇数値）をそれぞれ表している。この計算式（３）で算出された間隔Ｋの値で反射振動板２２を設置すれば、振動板１２からの音放射（矢印Ｃ）を、減衰させることなく、反射振動板２２と振動板１２との間で繰り返し、放射（矢印Ｄ）させることができるのである。
【００３０】
すなわち、振動板１２と反射振動板２２との間に複数本の鋭い指向性による超音波による「音の壁」を存在させるためには、反射振動板２２を振動板１２に対向させ、計算式（３）で算出される間隔Ｋを満たすような位置に設置しなければならないのである。計算式（３）で算出される間隔Ｋは、振動子１０から発信される超音波信号の「節（発生した超音波における疎の部分）」が生じる部分に対応しているため、反射振動板２２が「節」が生じる部分に対応する位置に取り付けられることになるのである。なお、複数枚の反射振動板２２を設置する場合でも、反射振動板２２を間隔Ｋで設置すればよい。
【００３１】
図５は、２枚の反射振動板２２を設置した状態における超音波放射を説明するための説明図である。図５に基づいて、２枚の反射振動板２２（説明の便宜上、紙面上側の反射振動板２２を反射振動板２２ｅ、紙面下側の反射振動板２２を反射振動板２２ｆと称するものとする）を設置した状態での超音波の放射について説明する。なお、反射振動板２２ａと同様に反射振動板２２ｅで、この超音波発生装置１００が搭載される設備機器（たとえば、空気清浄機等）の筐体面を構成するようにしてもよい。
【００３２】
図１に図示したように、実施の形態１に係る超音波発生装置１００は、多段振動部を備えるものである。つまり、超音波発生装置１００は、複数の振動板１２及び複数枚の反射振動板２２を備え、複数枚の反射振動板２２を振動板１２の前面（紙面上側の面）や近傍音場、後面（紙面下側の面）となる部分のいずれかに設置するようになっている。この図５では、２枚の反射振動板２２を振動板１２の前面及び後面に設置し、超音波の発生の仕組みを示している。この場合も、上記計算式（３）で算出された間隔Ｋ、つまり振動子１０から発信される定在波の疎密波である超音波信号の「疎」の部分に反射振動板２２を固定する必要がある。図５に示すように、振動板１２と反射振動板２２ｅとの間の間隔Ｋ2 は、振動板１２と反射振動板２２ｆとの間隔Ｋ1 の３倍となっているものとする。
【００３３】
また、振動板１２で発生する超音波の指向性は、振動子１０の中心軸方向に最も大きく発生するが、振動板１２の振動モードによって任意の角度を持った側面波（矢印Ｃ1 ）も発生する。したがって、振動板１２の表面積よりも、反射振動板２２ｅ及び反射振動板２２ｆの表面積を大きくすることで、側面波の有効活用を図ることもできる。つまり、側面波も反射振動板２２ｅ及び反射振動板２２ｆで反射側面波（矢印Ｄ1 ）となり、超音波発生領域に存在することになるのである。また、反射振動板２２ｅと反射振動板２２ｆとの表面積を同一としてもよいし、異なるようにしてもよい。
【００３４】
図６は、曲面形状を有する振動板１２（反射振動板２２を含む）を設置した状態における超音波放射を説明するための説明図である。図６に基づいて、超音波発生装置１００に曲面形状を有する複数の振動板１２を設置した状態での超音波の放射について説明する。図６に示すように、超音波発生装置１００に設置した振動板１２及び反射振動板２２（説明の便宜上、紙面上側の反射振動板２２を反射振動板２２ｇ、紙面下側の反射振動板２２を反射振動板２２ｈと称するものとする）は、曲面を有している。なお、反射振動板２２ａが同様に反射振動板２２ｇで、この超音波発生装置１００が搭載される設備機器の筐体面を構成するようにしてもよい。
【００３５】
この場合も、上記計算式（３）で算出された間隔Ｋ、つまり振動板１２と反射振動板２２との間の平行間隔が保たれれば、曲面を有するもの（たとえば、図６に示すような振動板１２と相似円弧形状の複数枚の反射振動板２２）を設置することも可能である。つまり、曲面を有する振動板１２を用いた場合、設置する反射振動板２２は、振動板１２の有する円弧と同等の半径を有するように構成しなければならない。したがって、超音波発生装置１００を搭載する設備機器の筐体面に応じた形状で振動板１２及び反射振動板２２を構成することができる。なお、図６では、紙面下側から反射振動板２２ｂ、振動板１２、反射振動板２２ａの順で大きくなっている場合を例に示しているが、これに限定するものではない。
【００３６】
以上のように、実施の形態１に係る超音波発生装置１００では、振動板１２（振動板１２ａ、振動板１２ｂ及び振動板１２ｃ）を「たわみ振動」させることで、振動子１０から発信された超音波信号と同等の周波数の特定周波数で振動を行ない、振動板１２の全面から特定の超音波帯域の周波数を持つ強力な音が一様に空中放射できる。また、反射振動板２２（反射振動板２２ａ、反射振動板２２ｂ、反射振動板２２ｃ、反射振動板２２ｄ、反射振動板２２ｅ、反射振動板２２ｆ、反射振動板２２ｇ及び反射振動板２２ｈ）を振動板１２から所定の間隔Ｋをもって設置することにより、振動板１２から放射された強力な超音波を、減衰させることなく、反射振動板２２と振動板１２との間で繰り返し、発生させることができる。
【００３７】
したがって、図１に示す超音波発生装置１００では、反射振動板２２ａと振動板１２ａとの間、振動板１２ａと反射振動板２２ｂとの間、反射振動板２２ｂと振動板１２ｂとの間、振動板１２ｂと反射振動板２２ｃとの間、反射振動板２２ｃと振動板１２ｃとの間、振動板１２ｃと反射振動板２２ｄとの間、のそれぞれで振動板１２ａ、振動板１２ｂ及び振動板１２ｃの全面から放射された強力な超音波を、減衰させることなく、発生させることができる。なお、振動板１２及び反射振動板２２の材料は、超音波領域の振動周波数で振動することができるものであればよく、金属や樹脂に関わらずどのような材料で構成してもよい。
【００３８】
実施の形態２．
図７は、本発明の実施の形態２に係る超音波発生装置１００ａの概略構成を示す構成図である。図７に基づいて、超音波発生装置１００ａの構成について説明する。この超音波発生装置１００ａは、ＰＺＴ等の圧電素子で構成される超音波振動子にパルス電圧を印加し、振動子を発振させることによって、超音波を発生させるものである。なお、実施の形態２では、実施の形態１と同一部分には同一符号を付し、実施の形態１との相違点を中心に説明するものとする。
【００３９】
図７に示すように、超音波発生装置１００ａの基本的な構成は、実施の形態１に係る超音波発生装置１００と同様である。ただし、超音波発生装置１００ａでは振動子１０の終端部側（ホーン１１側の端部側）の一部に曲がり段部１５を形成している点で、超音波発生装置１００と相違している。つまり、超音波発生装置１００ａでは、振動子１０に曲がり段部１５が形成されており、この曲がり段部１５の終端面に振動波を収束するためのホーン１１を取り付けているのである。なお、振動子１０の終端部に曲がり段部１５を形成した状態を例に説明したが、ホーン１１の一部を所定の角度で曲げて曲がり段部としてもよい。なお、反射振動板２２ｄも反射振動板２２ａと同様に筐体面を構成するとよい。
【００４０】
図８は、超音波発生装置１００ａでの超音波発生の仕組みを説明するための説明図である。図８に基づいて、振動子１０の終端部（紙面上側）に、振動子１０を所定の角度で曲げた曲がり段部１５を形成した状態での超音波放射について説明する。図８に示すように、振動子１０には曲がり段部１５が形成されており、この曲がり段部１５の終端面に振動波を収束するためのホーン１１を取り付けている。そして、ホーン１１の先端部に振動板１２を取り付けている。
【００４１】
したがって、図７に示す超音波発生装置１００ａでは、実施の形態１に係る超音波発生装置１００と同様に反射振動板２２と振動板１２との間で振動板１２の全面から放射された強力な超音波を、減衰させることなく、発生させることができる。また、図７に示したような構成にすることで、超音波の進行方向を変換することができ、設備機器の内部空間が小スペースであっても超音波発生装置１００ａを搭載することができるようになる。すなわち、超音波発生装置１００ａを搭載する設備機器の形状や大きさに振動子１０の形状を対応させることができるのである。
【００４２】
実施の形態３．
図９は、本発明の実施の形態３に係る超音波発生装置１００ｂの概略構成を示す構成図である。図９に基づいて、超音波発生装置１００ｂの構成について説明する。この超音波発生装置１００ｂは、ＰＺＴ等の圧電素子で構成される超音波振動子にパルス電圧を印加し、振動子を発振させることによって、超音波を発生させるものである。なお、実施の形態３では、実施の形態１及び実施の形態２と同一部分には同一符号を付し、実施の形態１及び実施の形態２との相違点を中心に説明するものとする。
【００４３】
図９に示すように、超音波発生装置１００ｂの基本的な構成は、実施の形態１に係る超音波発生装置１００及び実施の形態２に係る超音波発生装置１００ａと同様である。ただし、超音波発生装置１００ｂではホーンの終端部に振動方向変換体３０が設置されている点で、超音波発生装置１００及び超音波発生装置１００ａと相違している。つまり、超音波発生装置１００ｂでは、ホーン（以下、第１ホーン１１ａ）の終端部に振動方向変換体３０が設置されており、この振動方向変換体３０のいずれかの面に第１ホーン１１ａとは別のホーン（以下、第２ホーン１１ｂと称する）を取り付けているのである。なお、第１ホーン１１ａを設けずに、振動子１０に振動方向変換体３０を設置してもよい。
【００４４】
第１ホーン１１ａ及び第２ホーン１１ｂは、ホーン１１と同様な機能を有している。振動方向変換体３０は、金属材料で構成されていおり、第１ホーン１１ａの取付面及びこの取付面の対向面を多角形状（たとえば、正方形等）の角柱形状となっている。つまり、振動方向変換体３０は、第１ホーン１１ａから伝搬した振動を角柱の側面に伝搬することで、振動方向を変更させる機能を有しているのである。図９に示すように、超音波発生装置１００ｂは、振動子１０を振動板１２と平行となるように配置し、振動子１０からの振動を振動方向変換体３０で直角方向上側に変換し、第２ホーン１１ｂを介して振動板１２に伝搬させるようになっている。
【００４５】
図１０は、振動方向変換体３０の原理の一例を説明するための説明図である。図１０に基づいて、振動方向変換体３０が振動方向を変換する原理の一例について、第１ホーン１１ａの終端部に振動方向変換体３０を設置し、振動方向変換体３０のいずれかの面（紙面右側の面）に振動板１２を設置した状態での超音波放射の説明とともに説明する。図１０に示すように、第１ホーン１１ａの終端部に振動方向変換体３０が設置され、この振動方向変換体３０のいずれかの面（図１０では、紙面右側面）に振動板１２を取り付けている。
【００４６】
振動方向変換体３０は、第１ホーン１１ａから伝搬した振動（面内振動）を、その振動方向変換体３０を構成している角柱の側面方向に変換して伝搬させ、その側面を振動（面外振動）させるものである。すなわち、振動方向変換体３０は、面内振動を面外振動に変換する機能を有しているのである。したがって、振動方向変換体３０は、この振動方向を変換する原理を利用できる形状であればよく、たとえば図１０に示すような四面体形状や上面及び底面が他の多角形状の角柱形状であればよい。
【００４７】
図１１は、振動方向変換体３０の原理の他の一例を説明するための説明図である。図１１に基づいて、振動方向変換体３０が振動方向を変換する原理の他の一例について、第１ホーン１１ａの終端部に振動方向変換体３０を設置し、振動方向変換体３０のいずれかの面（紙面右側の面）に振動板１２を設置した状態での超音波放射の説明とともに説明する。図１１に示すように、第１ホーン１１ａの終端部に振動方向変換体３０が設置され、この振動方向変換体３０のいずれかの面（図１１では、紙面右側面）に振動板１２を取り付けている。
【００４８】
図１１に示す振動方向変換体３０は、超音波特有の原理を利用している。つまり、振動方向変換体３０は、第１ホーン１１ａから伝搬した振動を、この振動の進行波によって第１ホーン１１ａの取付面からこの取付面の対向面に衝突させ、この対向面で所定の角度（たとえば、４５°）で反射させ、振動方向変換体３０の側面に衝突させることで、その側面を振動させるものである。したがって、振動方向変換体３０は、この振動の進行波を反射させ、振動方向を変換する原理を利用できる形状であればよく、たとえば図１１に示すような第１ホーン１１ａから伝搬される振動の進行波方向の長さを第１ホーン１１ａの取付面の一辺の長さの２倍程度以上とするような形状であればよい。
【００４９】
図１２は、超音波発生装置１００ｂでの超音波発生の仕組みを説明するための説明図である。図１２に基づいて、振動方向変換体３０を設置した状態での超音波放射について説明する。図１２に示すように、第１ホーン１１ａには振動方向変換体３０が設置されており、この振動方向変換体３０のいずれかの面（ここでは紙面下側の面）に振動板１２を取り付けている。実施の形態１で説明したように、振動板１２の両面から強力な超音波が一様に空中放射される。そこで、「たわみ振動」する反射振動板２２を振動板１２に所定の間隔で対向させて設置し、振動板１２から放射された超音波を減衰させないようにしているのである。
【００５０】
図１２に示すように、超音波は、「たわみ振動」する振動板１２の両面から音放射されるようになっている（超音波放射領域：矢印Ｃ）。そして、振動板１２の下側に所定の間隔をもって、振動板１２からの音放射を反射するための反射振動板２２を設置している。反射振動板２２を設置することによって、反射振動板２２と振動板１２との間に常に強力な音圧レベルを持つ音放射が繰り返し、放射（矢印Ｄ）可能になっている。このとき、振動板１２は振動子１０から発信される超音波信号の「腹」が生じる部分に対応する位置に取り付けられ、反射振動板２２は振動子１０から発信される超音波信号の「節」が生じる部分に対応する位置に設置されている固定部材１４に取り付けられたり、振動子１０から発信される超音波信号の「節」が生じる部分の筐体面を構成したりしている。
【００５１】
すなわち、共振周波数の最も強い場所である第１ホーン１１ａの先端部（「腹」が生じる部分に対応する位置）に設置された振動方向変換体３０のいずれかの面に取り付けられた振動板１２と、そのほかの場所（「節」が生じる部分に対応する位置）に設置した反射振動板２２とを活用して、両者間で超音波を繰り返し反射させ、超音波を減衰させないようにしているのである。このように、振動板１２と反射振動板２２との間に超音波信号が放射／反射を繰り返すことによって、振動板１２と反射振動板２２との間には複数本の鋭い指向性による超音波信号（矢印Ｃ、矢印Ｃ1 矢印Ｄ及び矢印Ｄ1 ）が発生しており、疎密波を繰り返す超音波による「音の壁」を存在させることができるのである。
【００５２】
図１３は、２枚の反射振動板２２を設置した状態における超音波放射を説明するための説明図である。図１３に基づいて、２枚の反射振動板２２（説明の便宜上、紙面上側の反射振動板２２を反射振動板２２ｉ、紙面下側の反射振動板２２を反射振動板２２ｊと称するものとする）を設置した状態での超音波の放射について説明する。図１３に示すように、第１ホーン１１ａには振動方向変換体３０が設置されており、この振動方向変換体３０のいずれかの面（ここでは紙面下側の面）に振動板１２を取り付けている。
【００５３】
図９に図示したように、実施の形態３に係る超音波発生装置１００ｂは、多段振動部を備えるものである。つまり、超音波発生装置１００ｂは、複数の振動板１２及び複数枚の反射振動板２２を備え、複数枚の反射振動板２２を振動板１２の前面（紙面上側の面）や近傍音場、後面（紙面下側の面）となる部分のいずれかに設置するようになっている。この図１２では、２枚の反射振動板２２を振動板１２の前面及び後面に設置し、超音波の発生の仕組みを示している。この場合も、上記計算式（３）で算出された間隔Ｋ、つまり振動子１０から発信される定在波の疎密波である超音波信号の「疎」の部分に反射振動板２２を固定する必要がある。
【００５４】
また、振動板１２で発生する超音波の指向性は、振動子１０の中心軸方向に最も大きく発生するが、振動板１２の振動モードによって任意の角度を持った側面波（矢印Ｃ1 ）も発生する。したがって、振動板１２の表面積よりも、反射振動板２２ａ及び反射振動板２２ｂの表面積を大きくすることで、側面波の有効活用を図ることもできる。つまり、側面波も反射振動板２２ｉ及び反射振動板２２ｊで反射側面波（矢印Ｄ1 ）となり、超音波発生領域に存在することになるのである。また、反射振動板２２ｉと反射振動板２２ｊとの表面積を同一としてもよいし、異なるようにしてもよい。
【００５５】
図１４は、２枚の振動板１２を設置した状態における超音波放射を説明するための説明図である。図１４に基づいて、２枚の振動板１２（説明の便宜上、紙面上側の振動板１２を振動板１２ｄ及び紙面下側の振動板１２を振動板１２ｅと称するものとする）を設置した状態での超音波の放射について説明する。図１４に示すように、第１ホーン１１ａには振動方向変換体３０が設置されており、この振動方向変換体３０のいずれかの面（ここでは紙面下側の面及び紙面上側の面）に振動板１２ｄ及び振動板１２ｅを取り付けている。そして、振動板１２ｄと振動板１２ｅとの間には、振動板１２ｄ及び振動板１２ｅの対向面の面積と同一面積を有する反射振動板２２（以下、反射振動板２２ｋと称する）を取り付けている。
【００５６】
図１３では、１枚の振動板１２を挟んで２枚の反射振動板２２を設置した場合を例に説明したが、図１４では、２枚の振動板１２を振動方向変換体３０に設置し、それぞれの振動板１２の前面及び後面に反射振動板２２（振動板１２ｄの前面に設置した反射振動板２２を反射振動板２２ｌ、振動板１２ｅの後面に設置した反射振動板２２を反射振動板２２ｍと称する）を設置した状態を示している。なお、反射振動板２２ｋは、振動板１２ｄ及び振動板１２ｅの双方に共通して利用されるようになっている。この場合も、上記計算式（３）で算出された間隔Ｋ、つまり振動子１０から発信される定在波の疎密波である超音波信号の「疎」の部分に反射振動板２２ｋを固定する必要がある。
【００５７】
図１４に示すように、振動板１２ｄと反射振動板２２ｌとの間の間隔Ｋ2 、及び、振動板１２ｅと反射振動板２２ｍとの間の間隔Ｋ2 は、振動板１２ｄと反射振動板２２ｋとの間の間隔Ｋ1 、及び、振動板１２ｅと反射振動板２２ｋとの間の間隔Ｋ1 の３倍となっているものとする。また、振動板１２で発生する超音波の指向性は、振動子１０の中心軸方向に最も大きく発生するが、振動板１２の振動モードによって任意の角度を持った側面波（矢印Ｃ1 ）も発生する。したがって、振動板１２の表面積よりも、反射振動板２２ａ及び反射振動板２２ｂの表面積を大きくすることで、側面波の有効活用を図ることもできる。また、反射振動板２２ｌと反射振動板２２ｍとの表面積を同一としてもよいし、異なるようにしてもよい。
【００５８】
したがって、図９に示す超音波発生装置１００ｂでは、図１２〜図１４の内容を適用することで、実施の形態１に係る超音波発生装置１００と同様に反射振動板２２と振動板１２との間で振動板１２の全面から放射された強力な超音波を、減衰させることなく、発生させることができる。また、図９に示したような構成にすることで、超音波の進行方向を変換することができ、設備機器の内部空間が小スペースであっても超音波発生装置１００ｂを搭載することができるようになる。すなわち、超音波発生装置１００ｂを搭載する設備機器の形状や大きさに振動子１０の形状を対応させることができるのである。
【００５９】
実施の形態４．
図１５は、本発明の実施の形態４に係る空気清浄機２００の構成の一部を示す概略構成図である。図１５に基づいて、実施の形態１に係る超音波発生装置１００、実施の形態２に係る超音波発生装置１００ａ、あるいは、実施の形態３に係る超音波発生装置１００ｂを搭載した設備機器の一例である空気清浄機２００について説明する。この空気清浄機２００は、内部に取り込んだ空気に含まれている塵埃粒子を超音波により拡大（凝集）、集塵し、清浄化した空気を外部に吹き出すものである。なお、空気清浄機２００には、空気の流れを矢印で図示している。
【００６０】
図１５に示すように、この空気清浄機２００には、実施の形態１〜実施の形態３のいずれかに係る超音波発生装置に加え、送風ファン３１と、集塵フィルタ３２と、温度センサ３３と、が設けられている。送風ファン３１は、超音波発生装置内に空気を取り込み、清浄化した空気を外部に吹き出すものであり、空気清浄機２００内における空気の流路のいずれかに設けられていればよい。集塵フィルタ３２は、空気に含まれている塵埃を集塵するものであり、空気の流れに対して略直交するように設けるようにするとよい。温度センサ３３は、超音波発生装置の近傍に設置され、超音波発生装置付近の温度を検知するものである。
【００６１】
超音波凝集の仕組みについて簡単に説明する。
疎密波である超音波の「密」の部分では、強い音圧放射によって、空気同士が摩擦を起こして静電効果が発生している。そして、振動板１２と反射振動板２２（反射振動板２２ａ、反射振動板２２ｂ、反射振動板２２ｃ及び反射振動板２２ｄ）との間における超音波発生領域に存在する「音の壁」を通過する塵埃は、摩擦による静電効果の影響を受け、疎密波の「疎」の部分の塵埃が「密」の部分に移動して粒子が拡大（凝集）する。このようにして超音波凝集が発生するようになっている。また、超音波凝集を発生させるには、強力な音（１４０ｄＢ以上）が空中放射されることが条件となる。
【００６２】
また、超音波凝集を効果的に実現するためには、塵埃を振動板１２と反射振動板２２との間に所定時間留めておく必要がある。そこで、空気清浄機２００は、実施の形態１〜実施の形態３に係る超音波発生装置を搭載し、強力な超音波を広範囲に渡って減衰することなく発生させることを可能とするとともに、振動板１２及び反射振動板２２を設置することで塵埃を超音波発生領域に所定時間留めておくことを可能としているのである。したがって、空気清浄機２００は、効果的な超音波凝集を実現したものとなっている。
【００６３】
図１６は、集塵効率と塵埃の滞留時間との関係を示すグラフである。図１７は、集塵効率と音圧レベルとの関係を示すグラフである。図１８は、共振周波数と素子部温度との関係を示すグラフである。図１６〜図１８に基づいて、超音波凝集の特徴について説明する。図１６では、縦軸が集塵効率（％）を、横軸が塵埃の滞留時間（ｓ）を、それぞれ表している。図１７では、縦軸が集塵効率（％）を、横軸が音圧レベル（ｄＢ）を、それぞれ表している。図１８では、縦軸が共振集塵部（Ｈｚ）を、横軸が素子部（超音波発生装置近傍）の温度（℃）を、それぞれ表している。
【００６４】
図１６から、塵埃の滞留時間が長くなるほど、集塵効率が向上することがわかる。つまり、塵埃を超音波発生領域に長く滞留させるほど超音波凝集を効果的に実現できるのである。また、図１７から、超音波の音圧レベルが増加するほど、集塵効率が向上することがわかる。つまり、超音波凝集を発生させるには、１４０ｄＢ以上の音圧レベルが必要であることがわかる。さらに、図１８から、素子部温度が増加するほど、共振周波数が減少することがわかる。つまり、素子部温度が低いほど超音波の共振周波数を維持できるのである。なお、図１７では、同体積及び同滞留時間での集塵効率と音圧レベルとの関係を示しているものとする。
【００６５】
以上のグラフからも、超音波凝集を高効率で発生させるには、強力な音（音圧レベルが１４０ｄＢ以上）が空中放射される必要があるということがわかる。また、塵埃を振動板１２と反射振動板２２との間に所定時間滞留させておく必要があるということがわかる。そこで、実施の形態１に係る超音波発生装置１００、実施の形態２に係る超音波発生装置１００ａ、及び、実施の形態３に係る超音波発生装置１００ｂは、いずれも強力な音を空中放射可能にし、塵埃を振動板１２と反射振動板２２との間に所定時間滞留させておくことを可能にしているのである。したがって、空気清浄機２００も、強力な超音波を広範囲に渡って減衰することなく発生でき、塵埃を超音波発生領域に所定時間留めておくことができるのである。
【００６６】
なお、空気清浄機２００には、超音波発生装置付近の温度を検知する温度センサ３３が設置されている。また、図１８から、素子部温度が増加するほど、共振周波数が減少することがわかる。したがって、温度センサ３３で検知される超音波発生装置付近の温度に基づいて、超音波発生装置から発生させる超音波の周波数を変化させるようにしておくことが望ましい。具体的には、温度センサ３３からの温度情報に基づいて、振動子１０への印加電圧を調整し、超音波の周波数を変化させるとよい。振動子１０への印加電圧の調整は、超音波発生装置に設けられている図示省略の制御手段等に実行させればよい。
【００６７】
送風ファンの大きな回転と目の細かい集塵フィルタによる塵埃の集塵とを行なっていたような空気清浄機が、超音波凝集を常時発生させることができれば、塵埃の凝集効果により、目の粗い集塵フィルタも集塵が行なえるようになる。つまり、目の細かい集塵フィルタと大きな回転を有する送風ファンとの必要性のルールが必要なくなる。したがって、空気清浄機２００では、集塵フィルタ３２の目を粗いものとしても大きな集塵効果が得られ、送風ファン３１の回転を遅くでき、送風ファン３１及び送風ファン３１を駆動するための図示省略のファンモータによる騒音発生を低減できる。
【００６８】
また、空気清浄機２００は、コロナ放電を発生させなくても、集塵効果を向上することができる。ただし、コロナ放電やミストと組み合わせることを否定するものではなく、これらと組み合わせることによって更に集塵効果を向上させることができる。さらに、空気清浄機２００の大きさや形状に対応して、実施の形態１〜実施の形態３のいずれかに係る超音波発生装置を選択することができる。したがって、設備機器の小型化及びデザイン性を損ねることなく、超音波発生装置を搭載することができる。
【００６９】
なお、実施の形態４では、実施の形態１〜実施の形態３のいずれかに係る超音波発生装置を搭載した設備機器の一例として空気清浄機２００を例に示したが、これに限定するものではない。たとえば、超音波を利用する設備機器、たとえば空気調和装置や超音波加工装置、超音波霧化装置、超音波接合装置、測距センサ、超音波洗浄装置、超音波美容装置、排ガス清浄機、オイルミストフィルタ等に備えることもできる。したがって、それらの設備機器も、強力な音（１４０ｄＢ以上）が一様に空中放射でき、反射振動板を設置することにより、振動板から放射された強力な超音波を、減衰させることなく、反射振動板と振動板との間で繰り返し、放射させることができるのである。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】実施の形態１に係る超音波発生装置の概略構成を示す構成図である。
【図２】超音波発生装置の特徴事項である「格子モード」の「たわみ振動」を説明するための説明図である。
【図３】超音波発生装置の特徴事項である「平行縞モード」の「たわみ振動」を説明するための説明図である。
【図４】反射振動板を設置した状態における超音波放射を説明するための説明図である。
【図５】２枚の反射振動板を設置した状態における超音波放射を説明するための説明図である。
【図６】曲面形状を有する振動板（反射振動板を含む）を設置した状態における超音波放射を説明するための説明図である。
【図７】実施の形態２に係る超音波発生装置の概略構成を示す構成図である。
【図８】超音波発生装置での超音波発生の仕組みを説明するための説明図である。
【図９】実施の形態３に係る超音波発生装置の概略構成を示す構成図である。
【図１０】振動方向変換体の原理の一例を説明するための説明図である。
【図１１】振動方向変換体の原理の他の一例を説明するための説明図である。
【図１２】超音波発生装置での超音波発生の仕組みを説明するための説明図である。
【図１３】２枚の反射振動板を設置した状態における超音波放射を説明するための説明図である。
【図１４】２枚の振動板を設置した状態における超音波放射を説明するための説明図である。
【図１５】実施の形態４に係る空気清浄機の構成の一部を示す概略構成図である。
【図１６】集塵効率と塵埃の滞留時間との関係を示すグラフである。
【図１７】集塵効率と音圧レベルとの関係を示すグラフである。
【図１８】共振周波数と素子部温度との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００７１】
１０ 振動子、１０ａ 圧電素子、１１ ホーン、１１ａ 第１ホーン、１１ｂ 第２ホーン、１２ 振動板、１２ａ 振動板、１２ｂ 振動板、１２ｃ 振動板、１２ｄ 振動板、１２ｅ 振動板、１４ 固定部材、１５ 曲がり段部、２２ 反射振動板、２２ａ 反射振動板、２２ｂ 反射振動板、２２ｃ 反射振動板、２２ｄ 反射振動板、２２ｅ 反射振動板、２２ｆ 反射振動板、２２ｇ 反射振動板、２２ｈ 反射振動板、２２ｉ 反射振動板、２２ｊ 反射振動板、２２ｋ 反射振動板、２２ｌ 反射振動板、２２ｍ 反射振動板、３０ 振動方向変換体、３１ 送風ファン、３２ 集塵フィルタ、３３ 温度センサ、１００ 超音波発生装置、１００ａ 超音波発生装置、１００ｂ 超音波発生装置、２００ 空気清浄機。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波を発生する超音波発生装置に関し、特に強力な音圧レベルの超音波を広範囲に放射することが可能な超音波発生装置及びそれを備えた設備機器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）等の圧電素子を利用した超音波発生装置が存在する。このような超音波発生装置は、一般的に、圧電素子に電圧を印加することで圧電素子を発振させ、一定方向の振動の共振周波数を利用することで、特定の周波数を音響発振するようになっている。この超音波を利用して空中に浮遊している塵埃等の粒子を凝集させるようにした空気清浄機等に搭載される超音波凝集装置が存在する。この超音波凝集は、疎密波である超音波の特性によって発生することが知られている。つまり、疎密波の「密」の部分では、強い音圧放射によって、空気同士が摩擦を起こして静電効果が発生し、疎密波の「疎」の部分の塵埃が「密」の部分に移動して粒子が凝集するのである。
【０００３】
そのようなものとして、「人の動き等を感知する人感センサを用いた自動運転モードを有して吸気口から吸い込んだ空気を清浄化する空気清浄機において、前記吸気口を空気清浄機本体の少なくとも正面と側面の２面に形成し、前記人感センサとして超音波を送受信する超音波送受信手段を少なくとも前記正面と側面の２面に向けて回動可能に設けると共に、これを用いて人を感知した時は超音波を空気中に照射することにより得られる超音波集塵機能を利用して空気中の埃を肥大化させて集塵する制御手段を備えた空気清浄機」が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００４】
また、コロナ放電による電気集塵を助長する手段として音放射を組み合わせるようにした技術が開示されている。そのようなものとして、「荷電部と集塵部と、前記荷電部のうちの少なくとも放電部位の一部に対して音波を照射する音波発生手段とを備え、前記荷電部は、放電電極と対向電極とで構成されるとともに、前記音波発生手段は、少なくとも前記放電電極と前記対向電極との間の放電空間に音波を照射する電気集塵装置」が提案されている（たとえば、特許文献２参照）。
【０００５】
【特許文献１】特許第３７００６８５号公報（第５頁、第２図）
【特許文献２】特開２００４−３５１３３０号公報（第６頁、第６図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
超音波の音圧レベルは、圧電素子を駆動させる入力電圧に依存しており、空中に放射すると極端に減衰してしまう。また、超音波凝集を起こすためには、音波照射範囲内に一定時間異常粒子を滞留させる必要がある。しかしながら、特許文献１及び特許文献２に記載の技術では、音波の照射範囲が狭く、音圧レベルが低いため、超音波凝集を起こすのに必要な時間だけ、音波照射内に粒子を留めておくことができない構成となっている。したがって、特許文献１及び特許文献２に記載の技術は、音圧レベルを上昇させること及び粒子を留めておくことを考慮していないため、超音波凝集効果を十分に得られないものとなっていた。
【０００７】
本発明は、以上のような課題を解決するためになされたもので、強力な音圧レベルの超音波を広範囲に放射することができる超音波発生装置及びそれを備えた設備機器を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る超音波発生装置は、圧電素子が設けられている超音波振動子と、前記超音波振動子から発振される超音波の腹の部分に対応する位置に取り付けられ、前記超音波振動子の振動と共振することでたわみ振動し超音波を発生する１枚又は複数枚の振動板と、前記振動板に所定の間隔で対向させ、前記超音波振動子から発振される超音波の節の部分に対応する位置に取り付けられ、前記振動板からの音放射を反射する１枚又は複数枚の反射振動板と、を有していることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る超音波発生装置によれば、振動板と反射振動板との間に強力な音圧レベルの超音波を広範囲に繰り返し放射することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る超音波発生装置１００の概略構成を示す構成図である。図１に基づいて、超音波発生装置１００の構成について説明する。この超音波発生装置１００は、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）等の圧電素子で構成される超音波振動子にパルス電圧を印加し、振動子を発振させることによって、超音波を発生させるものである。なお、図１を含め、以下の図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものとは異なる場合がある。
【００１１】
図１に示すように、超音波発生装置１００は、振動子（超音波振動子）１０と、ホーン１１と、複数枚の振動板１２と、複数枚の反射振動板２２と、を有している。振動子１０には、圧電素子１０ａが設けられ、図示省略の正電極端子及び負電極端子を介してパルス電圧が印加され、発振するようになっている。つまり、振動子１０は、パルス電圧が印加されることによって、所定の周波数範囲（一般的に４０ｋＨｚ前後）の音波（超音波）を発振する機能を有しているのである。ホーン１１は、両端面が開口され、内部に音響通路（超音波帯域の音響信号を増幅する通路）が形成されるように構成されており、振動子１０の先端部（紙面上端部）に取り付けられている。また、ホーン１１は、円錐台形状に構成され、振動子１０側から振動板１２側に向けて徐々に縮径されているのが好ましい。
【００１２】
複数枚の振動板１２は、振動子１０から発信される超音波信号（振動子１０内部の発振モード波線Ａ）の「腹」の部分に対応する位置に取り付けられており、振動子１０の発振（振動）と共振することによって共振波である超音波を作り出す機能を有している。この図１では、３枚の振動板１２がホーン１１に取り付けられている状態を図示している。紙面最上部に取り付けられている振動板１２を振動板１２ａと、中間部に取り付けられている振動板１２を振動板１２ｂと、最下部に取り付けられている振動板１２を振動板１２ｃと、それぞれ称して以下の説明で使用するものとする。なお、振動板１２の枚数を図示している３枚に限定するものではない。
【００１３】
複数枚の反射振動板２２は、振動子１０から発信される超音波信号（振動子１０内部の発振モード波線Ａ）の「節」の部分に対応する位置に設置されている固定部材１４に取り付けられたり、あるいは、振動子１０から発信される超音波信号の「節」の部分に相当する筐体面を構成するように取り付けられたりするようになっており、振動板１２から放射された超音波を反射させる機能を有している。この図１では、４枚の反射振動板２２が取り付けられている状態を図示している。なお、固定部材１４は、図示するようにホーン１１に設置されている。
【００１４】
紙面最上部で、たとえば筐体面を構成するように取り付けられている反射振動板２２を反射振動板２２ａと、振動板１２ａと振動板１２ｂとの間に取り付けられている反射振動板２２を反射振動板２２ｂと、振動板１２ｂと振動板１２ｃとの間に取り付けられている反射振動板２２を反射振動板２２ｃと、最下部に取り付けられている反射振動板２２を反射振動板２２ｄと、それぞれ称して以下の説明で使用するものとする。なお、反射振動板２２の枚数を図示している４枚に限定するものではない。複数枚の振動板１２及び複数枚の反射振動板２２で多段振動部を構成している。
【００１５】
図２は、超音波発生装置１００の特徴事項である「格子モード」の「たわみ振動」を説明するための説明図である。図２に基づいて、「格子モード」の「たわみ振動」について説明する。図２（ａ）が振動板１２を上から見た状態を示す平面図を、図２（ｂ）が超音波発生装置１００の縦断面構成の一部を省略して示す概略断面図をそれぞれ示している。上述したように、振動板１２は、振動子１０から発信される超音波信号の「腹」の部分に対応する位置に取り付けられているために、「たわみ振動」を行なうようになっている。つまり、振動板１２は、板そのものの固有振動数で決まる「格子モード」での振動（「たわみ振動」）を行なうのである。
【００１６】
具体的には、図２（ａ）の破線で示すように、振動板１２は、格子状になっている破線部分を「節（発生した超音波における疎の部分）」、破線以外の部分を「腹（発生した超音波における密の部分）」として「たわみ振動」するようになっているのである。そして、超音波発生装置１００では、振動板１２の有する振動モードの振動周波数を、振動子１０の発振周波数と一致させて用いるようにしている。したがって、振動板１２からの超音波は、振動板１２の両面（図２（ｂ）では、ホーン１１側の面及びその対向面）から発生することになる。
【００１７】
図２（ｂ）に示す振動板１２は、ホーン１１の先端部に取り付けられており、振動子１０から発信され、ホーン１１を伝搬した超音波信号（波線Ａ）が伝搬することになる。振動板１２の有する振動モードの振動周波数は、上述したように振動子１０の発振周波数と一致しているので、伝搬した超音波信号により加振（共振）されることになる（波線Ｂ1 ）。このとき、振動板１２が「たわみ振動」することで超音波が発生し、この超音波が振動板１２の両面側に放射されるようになっている。
【００１８】
振動板１２は、以下の計算式（１）で大きさを決定することができ、所望の寸法を設計することができる。
λ＝｛２πＣｐｈ／ｆ｝＊１／２・・・式（１）
ここで、λが波長を、Ｃｐが振動板１２を構成する板材料の固有定数を、ｈが振動板１２を構成する板材料の厚みを、ｆが周波数をそれぞれ表している。なお、Ｃｐは、振動板１２を構成する材料固有の定数であり、その材料のヤング率やポアソン比等を用いて算出することができる。
【００１９】
また、「格子モード」の発生に必要な振動板１２の一辺の長さＬ1 は、以下の計算式（２）で決定することができる。
Ｌ1 ＝（Ｎ1 −０．５）＊λ／２・・・式（２）
ここで、Ｎ1 が振動板１２に出現する「節」線の数（偶数値）を表している。
すなわち、振動板１２の一辺の長さＬ1 を式（２）で示す関係に設定すれば、振動板１２のたわみ振動時におけるモード形状を「格子モード」とすることができる。
【００２０】
以上のように、振動板１２を「格子モード」で「たわみ振動」させることで、振動板１２が振動子１０から発信された超音波信号と同等の周波数の特定周波数で振動を行なうことができる。この特定の周波数による振動板１２の周波数は、振動板１２の全面から放射されることになるので、振動板１２の大きさに応じた広い面積から特定の超音波帯域の周波数を持つ強力な音（たとえば、１４０ｄＢ以上）が一様に空中放射（振動子１０の中心軸上に沿って３０ｃｍ以上）されることになる。なお、図２では、ホーン１１が設けられている場合を例に示しているが、振動子１０の先端部に振動板１２を取り付けるようにしてもよい。
【００２１】
図３は、超音波発生装置１００の特徴事項である「平行縞モード」の「たわみ振動」を説明するための説明図である。図３に基づいて、「平行縞モード」の「たわみ振動」について説明する。図３（ａ）が振動板１２を上から見た状態を示す平面図を、図３（ｂ）が超音波発生装置１００の縦断面構成の一部を省略して示す概略断面図をそれぞれ示している。上述したように、振動板１２は、振動子１０から発信される超音波信号の「腹」の部分に対応する位置に取り付けられ、「たわみ振動」を行なうようになっている。つまり、振動板１２は、板そのものの固有振動数で決まる「平行縞モード」での振動（「たわみ振動」）を行なうのである。
【００２２】
具体的には、図３（ａ）の破線で示すように、振動板１２は、平行縞状になっている破線部分を「節（発生した超音波における疎の部分）」、破線以外の部分を「腹（発生した超音波における密の部分）」として「たわみ振動」するようになっているのである。そして、超音波発生装置１００では、振動板１２の有する振動モードの振動周波数を、振動子１０の発振周波数と一致させて用いるようにしている。したがって、振動板１２からの超音波は、振動板１２の両面（図３（ｂ）では、ホーン１１側の面及びその対向面）から発生することになる。なお、上記式（１）で振動板１２の大きさを決定することができ、上記式（２）で「平行縞モード」の発生に必要な振動板１２の一辺の長さＬ2 を決定することができる。
【００２３】
図３（ｂ）で示す振動板１２は、ホーン１１の先端部に取り付けられており、振動子１０から発信され、ホーン１１を伝搬した超音波信号（波線Ａ）が伝搬することになる。振動板１２の有する振動モードの振動周波数は、上述したように振動子１０の発振周波数と一致しているので、伝搬した超音波信号により加振（共振）されることになる（波線Ｂ2 ）。このとき、振動板１２が「たわみ振動」することで、超音波が発生し、この超音波が振動板１２ａの両面側に放射されるようになっている。
【００２４】
以上のように、振動板１２を「平行縞モード」で「たわみ振動」させることで、振動板１２が振動子１０から発信された超音波信号と同等の周波数の特定周波数で振動を行なうことができる。この特定の周波数による振動板１２の周波数は、振動板１２の全面から放射されることになるので、振動板１２の大きさに応じた広い面積から特定の超音波帯域の周波数を持つ強力な音（たとえば、１４０ｄＢ以上）が一様に空中放射（振動子１０の中心軸上に沿って３０ｃｍ以上）されることになる。なお、図３では、ホーン１１が設けられている場合を例に示しているが、振動子１０に振動板１２を取り付けるようにしてもよい。また、「格子モード」に基づいて以下を説明するが、「平行縞モード」でも同様の作用及び効果を有することは言うまでもない。
【００２５】
図４は、反射振動板２２を設置した状態における超音波放射を説明するための説明図である。図４に基づいて、反射振動板２２を設置した状態での超音波の放射について説明する。上述したように、超音波発生装置１００では、振動板１２の両面から強力な超音波が一様に空中放射される。そこで、「たわみ振動」する反射振動板２２を振動板１２に所定の間隔（以下で説明する計算式（３））で対向させて設置し、振動板１２から放射された超音波を減衰させないようにしているのである。なお、図４では、１枚の反射振動板２２が設置されている状態を例に説明するものとする。
【００２６】
図４に示すように、超音波は、「たわみ振動」する振動板１２の両面から音放射されるようになっている（超音波放射領域：矢印Ｃ）。そして、振動板１２の下側に所定の間隔をもって、振動板１２からの音放射を反射するための反射振動板２２を設置している。このような位置に反射振動板２２を設置することによって、反射振動板２２と振動板１２との間に常に強力な音圧レベルを持つ音放射が繰り返し、放射（超音波放射領域：矢印Ｄ）可能になっている。このとき、振動板１２は振動子１０から発信される超音波信号の「腹」が生じる部分に対応する位置に取り付けられ、反射振動板２２は振動子１０から発信される超音波信号の「節」が生じる部分に対応する位置に設置されている固定部材１４に取り付けられている。
【００２７】
すなわち、共振周波数の最も強い場所であるホーン１１の先端部（「腹」が生じる部分に対応する位置）に取り付けた振動板１２と、そのほかの場所（「節」が生じる部分に対応する位置）に設置した固定部材１４に取り付けた反射振動板２２とを活用して、両者間で超音波を繰り返し反射させ、超音波を減衰させないようにしているのである。したがって、振動板１２の前面（紙面上側面）が超音波放射領域（矢印Ｃ）となり、振動板１２と反射振動板２２との間が超音波発生領域（矢印Ｄ）となる。なお、振動板１２の振動モードによって任意の角度を持って発生する側面波（矢印Ｃ1 ）及び反射側面波（矢印Ｄ1 ）については図５で説明する。
【００２８】
このように、振動板１２と反射振動板２２との間に超音波信号が放射／反射を繰り返すことによって、振動板１２と反射振動板２２との間には複数本の鋭い指向性による超音波信号（矢印Ｃ及び矢印Ｄ）が発生しており、疎密波を繰り返す超音波による「音の壁」を存在させることができるのである。なお、図４では、反射振動板２２を「節」が生じる部分に対応する位置に設置した固定部材１４によって取り付けている場合を例に示している。この場合、固定部材１４を「節」が生じる部分に対応する位置に設置されていればよく、反射振動板２２が「節」が生じる部分に対応する位置になくてもよい。
【００２９】
振動板１２と反射振動板２２との所定の間隔Ｋは、以下の計算式（３）を満たす関係で決定することができる。
Ｋ＝（λｓ／２）＊Ｎ2 ・・・式（３）
ここで、Ｋが振動板１２と反射振動板２２との所定の間隔を、λｓが振動板１２で発生する周波数の波長を、Ｎ2 が次数（奇数値）をそれぞれ表している。この計算式（３）で算出された間隔Ｋの値で反射振動板２２を設置すれば、振動板１２からの音放射（矢印Ｃ）を、減衰させることなく、反射振動板２２と振動板１２との間で繰り返し、放射（矢印Ｄ）させることができるのである。
【００３０】
すなわち、振動板１２と反射振動板２２との間に複数本の鋭い指向性による超音波による「音の壁」を存在させるためには、反射振動板２２を振動板１２に対向させ、計算式（３）で算出される間隔Ｋを満たすような位置に設置しなければならないのである。計算式（３）で算出される間隔Ｋは、振動子１０から発信される超音波信号の「節（発生した超音波における疎の部分）」が生じる部分に対応しているため、反射振動板２２が「節」が生じる部分に対応する位置に取り付けられることになるのである。なお、複数枚の反射振動板２２を設置する場合でも、反射振動板２２を間隔Ｋで設置すればよい。
【００３１】
図５は、２枚の反射振動板２２を設置した状態における超音波放射を説明するための説明図である。図５に基づいて、２枚の反射振動板２２（説明の便宜上、紙面上側の反射振動板２２を反射振動板２２ｅ、紙面下側の反射振動板２２を反射振動板２２ｆと称するものとする）を設置した状態での超音波の放射について説明する。なお、反射振動板２２ａと同様に反射振動板２２ｅで、この超音波発生装置１００が搭載される設備機器（たとえば、空気清浄機等）の筐体面を構成するようにしてもよい。
【００３２】
図１に図示したように、実施の形態１に係る超音波発生装置１００は、多段振動部を備えるものである。つまり、超音波発生装置１００は、複数の振動板１２及び複数枚の反射振動板２２を備え、複数枚の反射振動板２２を振動板１２の前面（紙面上側の面）や近傍音場、後面（紙面下側の面）となる部分のいずれかに設置するようになっている。この図５では、２枚の反射振動板２２を振動板１２の前面及び後面に設置し、超音波の発生の仕組みを示している。この場合も、上記計算式（３）で算出された間隔Ｋ、つまり振動子１０から発信される定在波の疎密波である超音波信号の「疎」の部分に反射振動板２２を固定する必要がある。図５に示すように、振動板１２と反射振動板２２ｅとの間の間隔Ｋ2 は、振動板１２と反射振動板２２ｆとの間隔Ｋ1 の３倍となっているものとする。
【００３３】
また、振動板１２で発生する超音波の指向性は、振動子１０の中心軸方向に最も大きく発生するが、振動板１２の振動モードによって任意の角度を持った側面波（矢印Ｃ1 ）も発生する。したがって、振動板１２の表面積よりも、反射振動板２２ｅ及び反射振動板２２ｆの表面積を大きくすることで、側面波の有効活用を図ることもできる。つまり、側面波も反射振動板２２ｅ及び反射振動板２２ｆで反射側面波（矢印Ｄ1 ）となり、超音波発生領域に存在することになるのである。また、反射振動板２２ｅと反射振動板２２ｆとの表面積を同一としてもよいし、異なるようにしてもよい。
【００３４】
図６は、曲面形状を有する振動板１２（反射振動板２２を含む）を設置した状態における超音波放射を説明するための説明図である。図６に基づいて、超音波発生装置１００に曲面形状を有する複数の振動板１２を設置した状態での超音波の放射について説明する。図６に示すように、超音波発生装置１００に設置した振動板１２及び反射振動板２２（説明の便宜上、紙面上側の反射振動板２２を反射振動板２２ｇ、紙面下側の反射振動板２２を反射振動板２２ｈと称するものとする）は、曲面を有している。なお、反射振動板２２ａが同様に反射振動板２２ｇで、この超音波発生装置１００が搭載される設備機器の筐体面を構成するようにしてもよい。
【００３５】
この場合も、上記計算式（３）で算出された間隔Ｋ、つまり振動板１２と反射振動板２２との間の平行間隔が保たれれば、曲面を有するもの（たとえば、図６に示すような振動板１２と相似円弧形状の複数枚の反射振動板２２）を設置することも可能である。つまり、曲面を有する振動板１２を用いた場合、設置する反射振動板２２は、振動板１２の有する円弧と同等の半径を有するように構成しなければならない。したがって、超音波発生装置１００を搭載する設備機器の筐体面に応じた形状で振動板１２及び反射振動板２２を構成することができる。なお、図６では、紙面下側から反射振動板２２ｂ、振動板１２、反射振動板２２ａの順で大きくなっている場合を例に示しているが、これに限定するものではない。
【００３６】
以上のように、実施の形態１に係る超音波発生装置１００では、振動板１２（振動板１２ａ、振動板１２ｂ及び振動板１２ｃ）を「たわみ振動」させることで、振動子１０から発信された超音波信号と同等の周波数の特定周波数で振動を行ない、振動板１２の全面から特定の超音波帯域の周波数を持つ強力な音が一様に空中放射できる。また、反射振動板２２（反射振動板２２ａ、反射振動板２２ｂ、反射振動板２２ｃ、反射振動板２２ｄ、反射振動板２２ｅ、反射振動板２２ｆ、反射振動板２２ｇ及び反射振動板２２ｈ）を振動板１２から所定の間隔Ｋをもって設置することにより、振動板１２から放射された強力な超音波を、減衰させることなく、反射振動板２２と振動板１２との間で繰り返し、発生させることができる。
【００３７】
したがって、図１に示す超音波発生装置１００では、反射振動板２２ａと振動板１２ａとの間、振動板１２ａと反射振動板２２ｂとの間、反射振動板２２ｂと振動板１２ｂとの間、振動板１２ｂと反射振動板２２ｃとの間、反射振動板２２ｃと振動板１２ｃとの間、振動板１２ｃと反射振動板２２ｄとの間、のそれぞれで振動板１２ａ、振動板１２ｂ及び振動板１２ｃの全面から放射された強力な超音波を、減衰させることなく、発生させることができる。なお、振動板１２及び反射振動板２２の材料は、超音波領域の振動周波数で振動することができるものであればよく、金属や樹脂に関わらずどのような材料で構成してもよい。
【００３８】
実施の形態２．
図７は、本発明の実施の形態２に係る超音波発生装置１００ａの概略構成を示す構成図である。図７に基づいて、超音波発生装置１００ａの構成について説明する。この超音波発生装置１００ａは、ＰＺＴ等の圧電素子で構成される超音波振動子にパルス電圧を印加し、振動子を発振させることによって、超音波を発生させるものである。なお、実施の形態２では、実施の形態１と同一部分には同一符号を付し、実施の形態１との相違点を中心に説明するものとする。
【００３９】
図７に示すように、超音波発生装置１００ａの基本的な構成は、実施の形態１に係る超音波発生装置１００と同様である。ただし、超音波発生装置１００ａでは振動子１０の終端部側（ホーン１１側の端部側）の一部に曲がり段部１５を形成している点で、超音波発生装置１００と相違している。つまり、超音波発生装置１００ａでは、振動子１０に曲がり段部１５が形成されており、この曲がり段部１５の終端面に振動波を収束するためのホーン１１を取り付けているのである。なお、振動子１０の終端部に曲がり段部１５を形成した状態を例に説明したが、ホーン１１の一部を所定の角度で曲げて曲がり段部としてもよい。なお、反射振動板２２ｄも反射振動板２２ａと同様に筐体面を構成するとよい。
【００４０】
図８は、超音波発生装置１００ａでの超音波発生の仕組みを説明するための説明図である。図８に基づいて、振動子１０の終端部（紙面上側）に、振動子１０を所定の角度で曲げた曲がり段部１５を形成した状態での超音波放射について説明する。図８に示すように、振動子１０には曲がり段部１５が形成されており、この曲がり段部１５の終端面に振動波を収束するためのホーン１１を取り付けている。そして、ホーン１１の先端部に振動板１２を取り付けている。
【００４１】
したがって、図７に示す超音波発生装置１００ａでは、実施の形態１に係る超音波発生装置１００と同様に反射振動板２２と振動板１２との間で振動板１２の全面から放射された強力な超音波を、減衰させることなく、発生させることができる。また、図７に示したような構成にすることで、超音波の進行方向を変換することができ、設備機器の内部空間が小スペースであっても超音波発生装置１００ａを搭載することができるようになる。すなわち、超音波発生装置１００ａを搭載する設備機器の形状や大きさに振動子１０の形状を対応させることができるのである。
【００４２】
実施の形態３．
図９は、本発明の実施の形態３に係る超音波発生装置１００ｂの概略構成を示す構成図である。図９に基づいて、超音波発生装置１００ｂの構成について説明する。この超音波発生装置１００ｂは、ＰＺＴ等の圧電素子で構成される超音波振動子にパルス電圧を印加し、振動子を発振させることによって、超音波を発生させるものである。なお、実施の形態３では、実施の形態１及び実施の形態２と同一部分には同一符号を付し、実施の形態１及び実施の形態２との相違点を中心に説明するものとする。
【００４３】
図９に示すように、超音波発生装置１００ｂの基本的な構成は、実施の形態１に係る超音波発生装置１００及び実施の形態２に係る超音波発生装置１００ａと同様である。ただし、超音波発生装置１００ｂではホーンの終端部に振動方向変換体３０が設置されている点で、超音波発生装置１００及び超音波発生装置１００ａと相違している。つまり、超音波発生装置１００ｂでは、ホーン（以下、第１ホーン１１ａ）の終端部に振動方向変換体３０が設置されており、この振動方向変換体３０のいずれかの面に第１ホーン１１ａとは別のホーン（以下、第２ホーン１１ｂと称する）を取り付けているのである。なお、第１ホーン１１ａを設けずに、振動子１０に振動方向変換体３０を設置してもよい。
【００４４】
第１ホーン１１ａ及び第２ホーン１１ｂは、ホーン１１と同様な機能を有している。振動方向変換体３０は、金属材料で構成されていおり、第１ホーン１１ａの取付面及びこの取付面の対向面を多角形状（たとえば、正方形等）の角柱形状となっている。つまり、振動方向変換体３０は、第１ホーン１１ａから伝搬した振動を角柱の側面に伝搬することで、振動方向を変更させる機能を有しているのである。図９に示すように、超音波発生装置１００ｂは、振動子１０を振動板１２と平行となるように配置し、振動子１０からの振動を振動方向変換体３０で直角方向上側に変換し、第２ホーン１１ｂを介して振動板１２に伝搬させるようになっている。
【００４５】
図１０は、振動方向変換体３０の原理の一例を説明するための説明図である。図１０に基づいて、振動方向変換体３０が振動方向を変換する原理の一例について、第１ホーン１１ａの終端部に振動方向変換体３０を設置し、振動方向変換体３０のいずれかの面（紙面右側の面）に振動板１２を設置した状態での超音波放射の説明とともに説明する。図１０に示すように、第１ホーン１１ａの終端部に振動方向変換体３０が設置され、この振動方向変換体３０のいずれかの面（図１０では、紙面右側面）に振動板１２を取り付けている。
【００４６】
振動方向変換体３０は、第１ホーン１１ａから伝搬した振動（面内振動）を、その振動方向変換体３０を構成している角柱の側面方向に変換して伝搬させ、その側面を振動（面外振動）させるものである。すなわち、振動方向変換体３０は、面内振動を面外振動に変換する機能を有しているのである。したがって、振動方向変換体３０は、この振動方向を変換する原理を利用できる形状であればよく、たとえば図１０に示すような四面体形状や上面及び底面が他の多角形状の角柱形状であればよい。
【００４７】
図１１は、振動方向変換体３０の原理の他の一例を説明するための説明図である。図１１に基づいて、振動方向変換体３０が振動方向を変換する原理の他の一例について、第１ホーン１１ａの終端部に振動方向変換体３０を設置し、振動方向変換体３０のいずれかの面（紙面右側の面）に振動板１２を設置した状態での超音波放射の説明とともに説明する。図１１に示すように、第１ホーン１１ａの終端部に振動方向変換体３０が設置され、この振動方向変換体３０のいずれかの面（図１１では、紙面右側面）に振動板１２を取り付けている。
【００４８】
図１１に示す振動方向変換体３０は、超音波特有の原理を利用している。つまり、振動方向変換体３０は、第１ホーン１１ａから伝搬した振動を、この振動の進行波によって第１ホーン１１ａの取付面からこの取付面の対向面に衝突させ、この対向面で所定の角度（たとえば、４５°）で反射させ、振動方向変換体３０の側面に衝突させることで、その側面を振動させるものである。したがって、振動方向変換体３０は、この振動の進行波を反射させ、振動方向を変換する原理を利用できる形状であればよく、たとえば図１１に示すような第１ホーン１１ａから伝搬される振動の進行波方向の長さを第１ホーン１１ａの取付面の一辺の長さの２倍程度以上とするような形状であればよい。
【００４９】
図１２は、超音波発生装置１００ｂでの超音波発生の仕組みを説明するための説明図である。図１２に基づいて、振動方向変換体３０を設置した状態での超音波放射について説明する。図１２に示すように、第１ホーン１１ａには振動方向変換体３０が設置されており、この振動方向変換体３０のいずれかの面（ここでは紙面下側の面）に振動板１２を取り付けている。実施の形態１で説明したように、振動板１２の両面から強力な超音波が一様に空中放射される。そこで、「たわみ振動」する反射振動板２２を振動板１２に所定の間隔で対向させて設置し、振動板１２から放射された超音波を減衰させないようにしているのである。
【００５０】
図１２に示すように、超音波は、「たわみ振動」する振動板１２の両面から音放射されるようになっている（超音波放射領域：矢印Ｃ）。そして、振動板１２の下側に所定の間隔をもって、振動板１２からの音放射を反射するための反射振動板２２を設置している。反射振動板２２を設置することによって、反射振動板２２と振動板１２との間に常に強力な音圧レベルを持つ音放射が繰り返し、放射（矢印Ｄ）可能になっている。このとき、振動板１２は振動子１０から発信される超音波信号の「腹」が生じる部分に対応する位置に取り付けられ、反射振動板２２は振動子１０から発信される超音波信号の「節」が生じる部分に対応する位置に設置されている固定部材１４に取り付けられたり、振動子１０から発信される超音波信号の「節」が生じる部分の筐体面を構成したりしている。
【００５１】
すなわち、共振周波数の最も強い場所である第１ホーン１１ａの先端部（「腹」が生じる部分に対応する位置）に設置された振動方向変換体３０のいずれかの面に取り付けられた振動板１２と、そのほかの場所（「節」が生じる部分に対応する位置）に設置した反射振動板２２とを活用して、両者間で超音波を繰り返し反射させ、超音波を減衰させないようにしているのである。このように、振動板１２と反射振動板２２との間に超音波信号が放射／反射を繰り返すことによって、振動板１２と反射振動板２２との間には複数本の鋭い指向性による超音波信号（矢印Ｃ、矢印Ｃ1 矢印Ｄ及び矢印Ｄ1 ）が発生しており、疎密波を繰り返す超音波による「音の壁」を存在させることができるのである。
【００５２】
図１３は、２枚の反射振動板２２を設置した状態における超音波放射を説明するための説明図である。図１３に基づいて、２枚の反射振動板２２（説明の便宜上、紙面上側の反射振動板２２を反射振動板２２ｉ、紙面下側の反射振動板２２を反射振動板２２ｊと称するものとする）を設置した状態での超音波の放射について説明する。図１３に示すように、第１ホーン１１ａには振動方向変換体３０が設置されており、この振動方向変換体３０のいずれかの面（ここでは紙面下側の面）に振動板１２を取り付けている。
【００５３】
図９に図示したように、実施の形態３に係る超音波発生装置１００ｂは、多段振動部を備えるものである。つまり、超音波発生装置１００ｂは、複数の振動板１２及び複数枚の反射振動板２２を備え、複数枚の反射振動板２２を振動板１２の前面（紙面上側の面）や近傍音場、後面（紙面下側の面）となる部分のいずれかに設置するようになっている。この図１２では、２枚の反射振動板２２を振動板１２の前面及び後面に設置し、超音波の発生の仕組みを示している。この場合も、上記計算式（３）で算出された間隔Ｋ、つまり振動子１０から発信される定在波の疎密波である超音波信号の「疎」の部分に反射振動板２２を固定する必要がある。
【００５４】
また、振動板１２で発生する超音波の指向性は、振動子１０の中心軸方向に最も大きく発生するが、振動板１２の振動モードによって任意の角度を持った側面波（矢印Ｃ1 ）も発生する。したがって、振動板１２の表面積よりも、反射振動板２２ａ及び反射振動板２２ｂの表面積を大きくすることで、側面波の有効活用を図ることもできる。つまり、側面波も反射振動板２２ｉ及び反射振動板２２ｊで反射側面波（矢印Ｄ1 ）となり、超音波発生領域に存在することになるのである。また、反射振動板２２ｉと反射振動板２２ｊとの表面積を同一としてもよいし、異なるようにしてもよい。
【００５５】
図１４は、２枚の振動板１２を設置した状態における超音波放射を説明するための説明図である。図１４に基づいて、２枚の振動板１２（説明の便宜上、紙面上側の振動板１２を振動板１２ｄ及び紙面下側の振動板１２を振動板１２ｅと称するものとする）を設置した状態での超音波の放射について説明する。図１４に示すように、第１ホーン１１ａには振動方向変換体３０が設置されており、この振動方向変換体３０のいずれかの面（ここでは紙面下側の面及び紙面上側の面）に振動板１２ｄ及び振動板１２ｅを取り付けている。そして、振動板１２ｄと振動板１２ｅとの間には、振動板１２ｄ及び振動板１２ｅの対向面の面積と同一面積を有する反射振動板２２（以下、反射振動板２２ｋと称する）を取り付けている。
【００５６】
図１３では、１枚の振動板１２を挟んで２枚の反射振動板２２を設置した場合を例に説明したが、図１４では、２枚の振動板１２を振動方向変換体３０に設置し、それぞれの振動板１２の前面及び後面に反射振動板２２（振動板１２ｄの前面に設置した反射振動板２２を反射振動板２２ｌ、振動板１２ｅの後面に設置した反射振動板２２を反射振動板２２ｍと称する）を設置した状態を示している。なお、反射振動板２２ｋは、振動板１２ｄ及び振動板１２ｅの双方に共通して利用されるようになっている。この場合も、上記計算式（３）で算出された間隔Ｋ、つまり振動子１０から発信される定在波の疎密波である超音波信号の「疎」の部分に反射振動板２２ｋを固定する必要がある。
【００５７】
図１４に示すように、振動板１２ｄと反射振動板２２ｌとの間の間隔Ｋ2 、及び、振動板１２ｅと反射振動板２２ｍとの間の間隔Ｋ2 は、振動板１２ｄと反射振動板２２ｋとの間の間隔Ｋ1 、及び、振動板１２ｅと反射振動板２２ｋとの間の間隔Ｋ1 の３倍となっているものとする。また、振動板１２で発生する超音波の指向性は、振動子１０の中心軸方向に最も大きく発生するが、振動板１２の振動モードによって任意の角度を持った側面波（矢印Ｃ1 ）も発生する。したがって、振動板１２の表面積よりも、反射振動板２２ａ及び反射振動板２２ｂの表面積を大きくすることで、側面波の有効活用を図ることもできる。また、反射振動板２２ｌと反射振動板２２ｍとの表面積を同一としてもよいし、異なるようにしてもよい。
【００５８】
したがって、図９に示す超音波発生装置１００ｂでは、図１２〜図１４の内容を適用することで、実施の形態１に係る超音波発生装置１００と同様に反射振動板２２と振動板１２との間で振動板１２の全面から放射された強力な超音波を、減衰させることなく、発生させることができる。また、図９に示したような構成にすることで、超音波の進行方向を変換することができ、設備機器の内部空間が小スペースであっても超音波発生装置１００ｂを搭載することができるようになる。すなわち、超音波発生装置１００ｂを搭載する設備機器の形状や大きさに振動子１０の形状を対応させることができるのである。
【００５９】
実施の形態４．
図１５は、本発明の実施の形態４に係る空気清浄機２００の構成の一部を示す概略構成図である。図１５に基づいて、実施の形態１に係る超音波発生装置１００、実施の形態２に係る超音波発生装置１００ａ、あるいは、実施の形態３に係る超音波発生装置１００ｂを搭載した設備機器の一例である空気清浄機２００について説明する。この空気清浄機２００は、内部に取り込んだ空気に含まれている塵埃粒子を超音波により拡大（凝集）、集塵し、清浄化した空気を外部に吹き出すものである。なお、空気清浄機２００には、空気の流れを矢印で図示している。
【００６０】
図１５に示すように、この空気清浄機２００には、実施の形態１〜実施の形態３のいずれかに係る超音波発生装置に加え、送風ファン３１と、集塵フィルタ３２と、温度センサ３３と、が設けられている。送風ファン３１は、超音波発生装置内に空気を取り込み、清浄化した空気を外部に吹き出すものであり、空気清浄機２００内における空気の流路のいずれかに設けられていればよい。集塵フィルタ３２は、空気に含まれている塵埃を集塵するものであり、空気の流れに対して略直交するように設けるようにするとよい。温度センサ３３は、超音波発生装置の近傍に設置され、超音波発生装置付近の温度を検知するものである。
【００６１】
超音波凝集の仕組みについて簡単に説明する。
疎密波である超音波の「密」の部分では、強い音圧放射によって、空気同士が摩擦を起こして静電効果が発生している。そして、振動板１２と反射振動板２２（反射振動板２２ａ、反射振動板２２ｂ、反射振動板２２ｃ及び反射振動板２２ｄ）との間における超音波発生領域に存在する「音の壁」を通過する塵埃は、摩擦による静電効果の影響を受け、疎密波の「疎」の部分の塵埃が「密」の部分に移動して粒子が拡大（凝集）する。このようにして超音波凝集が発生するようになっている。また、超音波凝集を発生させるには、強力な音（１４０ｄＢ以上）が空中放射されることが条件となる。
【００６２】
また、超音波凝集を効果的に実現するためには、塵埃を振動板１２と反射振動板２２との間に所定時間留めておく必要がある。そこで、空気清浄機２００は、実施の形態１〜実施の形態３に係る超音波発生装置を搭載し、強力な超音波を広範囲に渡って減衰することなく発生させることを可能とするとともに、振動板１２及び反射振動板２２を設置することで塵埃を超音波発生領域に所定時間留めておくことを可能としているのである。したがって、空気清浄機２００は、効果的な超音波凝集を実現したものとなっている。
【００６３】
図１６は、集塵効率と塵埃の滞留時間との関係を示すグラフである。図１７は、集塵効率と音圧レベルとの関係を示すグラフである。図１８は、共振周波数と素子部温度との関係を示すグラフである。図１６〜図１８に基づいて、超音波凝集の特徴について説明する。図１６では、縦軸が集塵効率（％）を、横軸が塵埃の滞留時間（ｓ）を、それぞれ表している。図１７では、縦軸が集塵効率（％）を、横軸が音圧レベル（ｄＢ）を、それぞれ表している。図１８では、縦軸が共振集塵部（Ｈｚ）を、横軸が素子部（超音波発生装置近傍）の温度（℃）を、それぞれ表している。
【００６４】
図１６から、塵埃の滞留時間が長くなるほど、集塵効率が向上することがわかる。つまり、塵埃を超音波発生領域に長く滞留させるほど超音波凝集を効果的に実現できるのである。また、図１７から、超音波の音圧レベルが増加するほど、集塵効率が向上することがわかる。つまり、超音波凝集を発生させるには、１４０ｄＢ以上の音圧レベルが必要であることがわかる。さらに、図１８から、素子部温度が増加するほど、共振周波数が減少することがわかる。つまり、素子部温度が低いほど超音波の共振周波数を維持できるのである。なお、図１７では、同体積及び同滞留時間での集塵効率と音圧レベルとの関係を示しているものとする。
【００６５】
以上のグラフからも、超音波凝集を高効率で発生させるには、強力な音（音圧レベルが１４０ｄＢ以上）が空中放射される必要があるということがわかる。また、塵埃を振動板１２と反射振動板２２との間に所定時間滞留させておく必要があるということがわかる。そこで、実施の形態１に係る超音波発生装置１００、実施の形態２に係る超音波発生装置１００ａ、及び、実施の形態３に係る超音波発生装置１００ｂは、いずれも強力な音を空中放射可能にし、塵埃を振動板１２と反射振動板２２との間に所定時間滞留させておくことを可能にしているのである。したがって、空気清浄機２００も、強力な超音波を広範囲に渡って減衰することなく発生でき、塵埃を超音波発生領域に所定時間留めておくことができるのである。
【００６６】
なお、空気清浄機２００には、超音波発生装置付近の温度を検知する温度センサ３３が設置されている。また、図１８から、素子部温度が増加するほど、共振周波数が減少することがわかる。したがって、温度センサ３３で検知される超音波発生装置付近の温度に基づいて、超音波発生装置から発生させる超音波の周波数を変化させるようにしておくことが望ましい。具体的には、温度センサ３３からの温度情報に基づいて、振動子１０への印加電圧を調整し、超音波の周波数を変化させるとよい。振動子１０への印加電圧の調整は、超音波発生装置に設けられている図示省略の制御手段等に実行させればよい。
【００６７】
送風ファンの大きな回転と目の細かい集塵フィルタによる塵埃の集塵とを行なっていたような空気清浄機が、超音波凝集を常時発生させることができれば、塵埃の凝集効果により、目の粗い集塵フィルタも集塵が行なえるようになる。つまり、目の細かい集塵フィルタと大きな回転を有する送風ファンとの必要性のルールが必要なくなる。したがって、空気清浄機２００では、集塵フィルタ３２の目を粗いものとしても大きな集塵効果が得られ、送風ファン３１の回転を遅くでき、送風ファン３１及び送風ファン３１を駆動するための図示省略のファンモータによる騒音発生を低減できる。
【００６８】
また、空気清浄機２００は、コロナ放電を発生させなくても、集塵効果を向上することができる。ただし、コロナ放電やミストと組み合わせることを否定するものではなく、これらと組み合わせることによって更に集塵効果を向上させることができる。さらに、空気清浄機２００の大きさや形状に対応して、実施の形態１〜実施の形態３のいずれかに係る超音波発生装置を選択することができる。したがって、設備機器の小型化及びデザイン性を損ねることなく、超音波発生装置を搭載することができる。
【００６９】
なお、実施の形態４では、実施の形態１〜実施の形態３のいずれかに係る超音波発生装置を搭載した設備機器の一例として空気清浄機２００を例に示したが、これに限定するものではない。たとえば、超音波を利用する設備機器、たとえば空気調和装置や超音波加工装置、超音波霧化装置、超音波接合装置、測距センサ、超音波洗浄装置、超音波美容装置、排ガス清浄機、オイルミストフィルタ等に備えることもできる。したがって、それらの設備機器も、強力な音（１４０ｄＢ以上）が一様に空中放射でき、反射振動板を設置することにより、振動板から放射された強力な超音波を、減衰させることなく、反射振動板と振動板との間で繰り返し、放射させることができるのである。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】実施の形態１に係る超音波発生装置の概略構成を示す構成図である。
【図２】超音波発生装置の特徴事項である「格子モード」の「たわみ振動」を説明するための説明図である。
【図３】超音波発生装置の特徴事項である「平行縞モード」の「たわみ振動」を説明するための説明図である。
【図４】反射振動板を設置した状態における超音波放射を説明するための説明図である。
【図５】２枚の反射振動板を設置した状態における超音波放射を説明するための説明図である。
【図６】曲面形状を有する振動板（反射振動板を含む）を設置した状態における超音波放射を説明するための説明図である。
【図７】実施の形態２に係る超音波発生装置の概略構成を示す構成図である。
【図８】超音波発生装置での超音波発生の仕組みを説明するための説明図である。
【図９】実施の形態３に係る超音波発生装置の概略構成を示す構成図である。
【図１０】振動方向変換体の原理の一例を説明するための説明図である。
【図１１】振動方向変換体の原理の他の一例を説明するための説明図である。
【図１２】超音波発生装置での超音波発生の仕組みを説明するための説明図である。
【図１３】２枚の反射振動板を設置した状態における超音波放射を説明するための説明図である。
【図１４】２枚の振動板を設置した状態における超音波放射を説明するための説明図である。
【図１５】実施の形態４に係る空気清浄機の構成の一部を示す概略構成図である。
【図１６】集塵効率と塵埃の滞留時間との関係を示すグラフである。
【図１７】集塵効率と音圧レベルとの関係を示すグラフである。
【図１８】共振周波数と素子部温度との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００７１】
１０ 振動子、１０ａ 圧電素子、１１ ホーン、１１ａ 第１ホーン、１１ｂ 第２ホーン、１２ 振動板、１２ａ 振動板、１２ｂ 振動板、１２ｃ 振動板、１２ｄ 振動板、１２ｅ 振動板、１４ 固定部材、１５ 曲がり段部、２２ 反射振動板、２２ａ 反射振動板、２２ｂ 反射振動板、２２ｃ 反射振動板、２２ｄ 反射振動板、２２ｅ 反射振動板、２２ｆ 反射振動板、２２ｇ 反射振動板、２２ｈ 反射振動板、２２ｉ 反射振動板、２２ｊ 反射振動板、２２ｋ 反射振動板、２２ｌ 反射振動板、２２ｍ 反射振動板、３０ 振動方向変換体、３１ 送風ファン、３２ 集塵フィルタ、３３ 温度センサ、１００ 超音波発生装置、１００ａ 超音波発生装置、１００ｂ 超音波発生装置、２００ 空気清浄機。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電素子が設けられている超音波振動子と、
前記超音波振動子から発振される超音波の腹の部分に対応する位置に取り付けられ、前記超音波振動子の振動と共振することでたわみ振動し超音波を発生する１枚又は複数枚の振動板と、
前記振動板に所定の間隔で対向させ、前記超音波振動子から発振される超音波の節の部分に対応する位置に取り付けられ、前記振動板からの音放射を反射する１枚又は複数枚の反射振動板と、を有している
ことを特徴とする超音波発生装置。
【請求項２】
前記振動板及び前記反射振動板は、
格子モード又は平行縞モードのたわみ駆動する固有振動数を有している
ことを特徴とする請求項１に記載の超音波発生装置。
【請求項３】
前記反射振動板を固定部材を用いて取り付ける状態において、
前記固定部材を前記超音波振動子から発信される超音波信号の節の部分に対応する位置に設置する
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波発生装置。
【請求項４】
前記所定の間隔は、
前記振動板で発生する周波数の（波長／２）＊（奇数値）で算出している
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。
【請求項５】
音響通路を構成するホーンを前記超音波振動子の先端部に設けている
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の超音波発生装置。
【請求項６】
前記超音波振動子あるいは前記ホーンを折り曲げている
ことを特徴とする請求項５に記載の超音波発生装置。
【請求項７】
前記超音波振動子から発振される超音波の進行方向を変換させる振動方向変換体を前記超音波振動子の先端部あるいは前記ホーンの先端部に取り付けている
ことを特徴とする請求項５に記載の超音波発生装置。
【請求項８】
前記振動方向変換体のいずれかの面に前記ホーンとは別のホーンあるいは前記振動板を取り付けている
ことを特徴とする請求項７に記載の超音波発生装置。
【請求項９】
前記振動方向変換体を角柱形状としている
ことを特徴とする請求項７又は８に記載の超音波発生装置。
【請求項１０】
前記振動板及び前記反射振動板が曲面形状を有している
ことを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の超音波発生装置。
【請求項１１】
前記請求項１〜１０のいずれか一項に記載の超音波発生装置を搭載した
ことを特徴とする設備機器。
【請求項１】
圧電素子が設けられている超音波振動子と、
前記超音波振動子から発振される超音波の腹の部分に対応する位置に取り付けられ、前記超音波振動子の振動と共振することでたわみ振動し超音波を発生する１枚又は複数枚の振動板と、
前記振動板に所定の間隔で対向させ、前記超音波振動子から発振される超音波の節の部分に対応する位置に取り付けられ、前記振動板からの音放射を反射する１枚又は複数枚の反射振動板と、を有している
ことを特徴とする超音波発生装置。
【請求項２】
前記振動板及び前記反射振動板は、
格子モード又は平行縞モードのたわみ駆動する固有振動数を有している
ことを特徴とする請求項１に記載の超音波発生装置。
【請求項３】
前記反射振動板を固定部材を用いて取り付ける状態において、
前記固定部材を前記超音波振動子から発信される超音波信号の節の部分に対応する位置に設置する
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波発生装置。
【請求項４】
前記所定の間隔は、
前記振動板で発生する周波数の（波長／２）＊（奇数値）で算出している
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。
【請求項５】
音響通路を構成するホーンを前記超音波振動子の先端部に設けている
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の超音波発生装置。
【請求項６】
前記超音波振動子あるいは前記ホーンを折り曲げている
ことを特徴とする請求項５に記載の超音波発生装置。
【請求項７】
前記超音波振動子から発振される超音波の進行方向を変換させる振動方向変換体を前記超音波振動子の先端部あるいは前記ホーンの先端部に取り付けている
ことを特徴とする請求項５に記載の超音波発生装置。
【請求項８】
前記振動方向変換体のいずれかの面に前記ホーンとは別のホーンあるいは前記振動板を取り付けている
ことを特徴とする請求項７に記載の超音波発生装置。
【請求項９】
前記振動方向変換体を角柱形状としている
ことを特徴とする請求項７又は８に記載の超音波発生装置。
【請求項１０】
前記振動板及び前記反射振動板が曲面形状を有している
ことを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の超音波発生装置。
【請求項１１】
前記請求項１〜１０のいずれか一項に記載の超音波発生装置を搭載した
ことを特徴とする設備機器。
【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】
【公開番号】特開２０１０−６３９６１（Ｐ２０１０−６３９６１Ａ）
【公開日】平成２２年３月２５日（２０１０．３．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２３０７２２（Ｐ２００８−２３０７２２）
【出願日】平成２０年９月９日（２００８．９．９）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年３月２５日（２０１０．３．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年９月９日（２００８．９．９）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
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