(57)【要約】  熱励起型の音波発生装置（１）は、音波源（１０）と、スイッチング素子（２３）と、キャパシタ（２１）と、制限抵抗（２２）とを備える。音波源は、直流電源から供給される電流により発熱して音波を発生する。制限抵抗は、直流電源と音波源の間に挿入され、直流電源から音波源に流入する電流を制限する。スイッチング素子は、音波源に直列に接続され、オン／オフして音波源を流れる電流の流入／遮断を制御する。キャパシタは、音波源とスイッチング素子の直列回路に並列に接続される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源から供給される電流により発熱して音波を発生する音波源と、
前記直流電源と前記音波源の間に挿入され、前記直流電源から前記音波源に流入する電流を制限する抵抗素子と、
前記音波源に直列に接続され、オン／オフして前記音波源を流れる電流の流入／遮断を制御するスイッチング素子と、
前記音波源とスイッチング素子の直列回路に並列に接続されたキャパシタと、
を備えた熱励起型の音波発生装置。
【請求項２】
前記抵抗素子の抵抗値は、前記音波源の抵抗値よりも大きい
請求項１に記載の熱励起型の音波発生装置。
【請求項３】
前記抵抗素子に接続された直流電源をさらに備える
請求項１又は２に記載の熱励起型の音波発生装置。
【請求項４】
前記スイッチング素子をパルス駆動するパルス駆動回路をさらに備える
請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱励起型の音波発生装置。
【請求項５】
前記音波源は、電流を流すことにより発熱する発熱体と、前記発熱体からの熱を断熱する断熱層と、前記発熱体及び前記断熱層が積層された基板とを備える
請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱励起型の音波発生装置。
【請求項６】
直流電源から供給される電流により発熱して音波を発生する音波源と、
オン／オフして前記音波源に流れる電流の流入／遮断を制御するスイッチング素子と、
前記スイッチング素子がオフしたときに前記直流電源により充電されて、前記スイッチング素子がオンしたときに前記充電による電流を前記音波源に供給するキャパシタと、
前記スイッチング素子がオンしたときに前記音波源に流れる電流を制限する抵抗素子と
を備えた熱励起型の音波発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空気を加熱して音波を発生させる熱励起型の音波発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電流を流すと発熱する発熱体を用いて空気を加熱することによって、空気の圧力波（即ち音波）を発生させる音波源が提案されている。【０００３】
特許文献１は、直流電源で音波源を駆動する超音波発生装置を開示している。超音波発生装置は、パルス発生回路と、直流電源と、ＭＯＳＦＥＴと、音波源とを備える。超音波発生装置において、音波源は、ＭＯＳＦＥＴのドレインと直流電源との間に接続される。ＭＯＳＦＥＴのソースは、接地される。パルス発生回路は、パルス電圧をＭＯＳＦＥＴのゲートに印加する。特許文献１の超音波発生装置は、ＭＯＳＦＥＴのゲート信号に応じて、直流電源から音波源に駆動電流を流している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２０１２／０２０６００号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、電流に応じた発熱によって音波を発生する際の安全性を向上することができる熱励起型の音波発生装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様に係る熱励起型の音波発生装置は、音波源と、スイッチング素子と、キャパシタと、制限抵抗とを備える。音波源は、直流電源から供給される電流により発熱して音波を発生する。制限抵抗は、直流電源と音波源の間に挿入され、直流電源から音波源に流入する電流を制限する。スイッチング素子は、音波源に直列に接続され、オン／オフして音波源を流れる電流の流入／遮断を制御する。キャパシタは、音波源とスイッチング素子の直列回路に並列に接続される。【０００７】
本発明の別の態様に係る熱励起型の音波発生装置は、音波源と、スイッチング素子と、キャパシタと、抵抗素子とを備える。音波源は、電流を流すことによって発熱して、音波を発生する。スイッチング素子は、音波源に流す電流をオンオフ制御する。キャパシタは、スイッチング素子がオフしたときに充電されて、スイッチング素子がオンしたときに充電による電流を音波源に供給する。抵抗素子は、スイッチング素子がオンしたときに音波源に流れる電流を制限する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明に係る熱励起型の音波発生装置によれば、電流に応じた発熱によって音波を発生する際の安全性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施形態１に係る熱励起型の音波発生装置を示す図
【図２】音波発生装置における音波源の構成を示す断面図
【図３】音波発生装置における駆動部の構成例を示す回路図
【図４】音波発生装置の充電時における等価回路を示す図
【図５】音波発生装置の放電時における等価回路を示す図
【図６】音波発生装置における音波の発生方法を説明するためのタイミングチャート
【図７】抵抗値Ｒ２を５０Ωに設定した音波発生装置のシミュレーション結果を示す波形図
【図８】抵抗値Ｒ２を５００Ωに設定した音波発生装置のシミュレーション結果を示す波形図
【図９】抵抗値Ｒ２を５ｋΩに設定した音波発生装置のシミュレーション結果を示す波形図
【図１０】音波発生装置における発熱体の電流Ｉ１と制限抵抗の抵抗値Ｒ２との関係を例示するグラフ
【図１１】音波発生装置における制限抵抗の電流Ｉ２と抵抗値Ｒ２との関係を例示するグラフ
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、添付の図面を参照して本発明に係る熱励起型の音波発生装置の実施の形態について説明する。
【００１１】
各実施形態は例示であり、異なる実施形態で示した構成の部分的な置換又は組み合わせが可能であることは言うまでもない。実施形態２以降では実施形態１と共通の事項についての記述を省略し、異なる点についてのみ説明する。特に、同様の構成による同様の作用効果については、実施形態毎には逐次言及しない。
【００１２】
（実施形態１）
１．構成
実施形態１に係る熱励起型の音波発生装置の構成について、図１，２を参照して説明する。図１は、本実施形態に係る音波発生装置１を示す図である。図２は、図１のＡ−Ａ’断面に対応する、音波発生装置１の音波源１０の構成を示す断面図である。
【００１３】
本実施形態に係る音波発生装置１は、図１に示すように、音波源１０と駆動部２０とを備える。音波発生装置１は、音波源１０における発熱によって音波を発生する熱励起型の音波発生装置である。例えば、音波発生装置１は、音波源１０の瞬間的な発熱によって周囲の空気の圧力を変化させることにより、パルス状の音波を発生することができる。本実施形態の音波発生装置１は、例えばＴＯＦ（飛行時間測定）方式の距離センサ或いは近接センサ等の用途に適用可能である。
【００１４】
音波発生装置１において、駆動部２０は、例えば電流駆動により音波源１０を駆動する回路である。駆動部２０の回路構成については後述する。
【００１５】
音波源１０は、空気を加熱して音波を発生させる素子である。音波源１０は、図２に示すように、発熱体１１と、基板１２と、一対の電極１３と、断熱層１４とを備える。音波源１０において、発熱体１１と断熱層１４とは基板１２上に積層される。以下、基板１２における発熱体１１等が積層された主面の側を上側といい、他方の主面側を下側という場合がある。
【００１６】
発熱体１１は、電流を流すことによって発熱する抵抗体である。発熱体１１は、例えば基板１２の上側の空気に接触するように設けられる。発熱体１１の周囲の空気は、発熱体１１の温度変化によって膨張又は収縮する。これにより、空気の圧力波即ち音波が発生する。
【００１７】
発熱体１１は、銀パラジウム、銀、金、プラチナ、カーボンナノチューブなどで構成される。発熱体１１は、例えば５００［Ｊ／ｋｇ℃］以下の比熱、及び５０［Ｗ／ｍＫ］以上の熱伝導率を有する。発熱体１１は、例えば基板１２の主面上で種々の形状を有するようにパターン印刷されてもよい。
【００１８】
断熱層１４は、発熱体１１と基板１２との間に設けられる。断熱層１４は、例えば、基板１２の熱伝導率よりも小さい熱伝導率を有する。断熱層１４は、発熱体１１から下側への熱伝導を抑制する。断熱層１４は、ガラスグレース、ポーラスシリコン、二酸化ケイ素などで構成される。断熱層１４は、例えばガラス成分及び金属成分を含む厚膜導体として、発熱体１１と一体的に構成されてもよい。
【００１９】
基板１２は、シリコン、酸化アルミニウムなどの絶縁性の材料で構成される。基板１２においては、断熱層１４で遮断しきれずに発熱体１１から伝導した熱を放熱することができる。基板１２は、プリント基板であってもよい。
【００２０】
一対の電極１３は、音波源１０の外部から発熱体１１に電流を流すための電極である。一対の電極１３は、発熱体１１の両側に設けられる。駆動部２０は、電極１３を介して音波源１０に接続される。各電極１３はＣｕ、Ａｕ、Ａｌなどの金属材料で構成される。
【００２１】
以上のような音波源１０においては、発熱体１１を発熱させるための電流が、故障等により過度に発熱体１１に、供給され続けると、過熱状態になる場合がある。このような問題に対して、本実施形態の音波発生装置１は、駆動部２０により、上記のような故障時においても発熱体１１の過熱状態を避けることができる構成を有する。以下、本実施形態の駆動部２０の詳細を説明する。
【００２２】
１−１．音波発生装置の駆動部について
本実施形態における音波発生装置１の駆動部２０の回路構成について、図３を用いて説明する。図３は、音波発生装置１における駆動部２０の構成例を示す回路図である。
【００２３】
なお、以下では、発熱体１１の抵抗値をＲ１としている。抵抗値Ｒ１は、例えば１Ωである。
【００２４】
図３に示すように、駆動部２０は、直流電圧Ｅを出力する直流電源２４と、直流電源２４の高圧側端と電極１３ｂとの間に接続された制限抵抗２２とを備える。駆動部２０は、さらに、電極１３ａと直流電源２４の低圧側端との間に接続されたＭＯＳＦＥＴ２３と、ＭＯＳＦＥＴ２３を駆動するパルス駆動回路２５と、電極１３ｂと直流電源２４の低圧側端との間に接続されたキャパシタ２１とを備える。
【００２５】
ＭＯＳＦＥＴ２３は、発熱体１１に流す電流Ｉ１をオンオフ制御するスイッチング素子の一例である。図３では、スイッチング素子としてｎ型のＭＯＳＦＥＴ２３を用いる構成例を示している。ＭＯＳＦＥＴ２３のソースは、例えば接地される。ＭＯＳＦＥＴ２３のドレインは、発熱体１１の電極１３ａに接続される。
【００２６】
キャパシタ２１は、発熱体１１とＭＯＳＦＥＴ２３との直列回路に並列に接続される。キャパシタ２１は、容量値Ｃ１を有する。キャパシタ２１の容量値Ｃ１は、例えば１０ｕＦ以上１００ｕＦ以下である。キャパシタ２１は、例えば電解コンデンサ又はセラミックコンデンサである。
【００２７】
制限抵抗２２は、直流電源２４からの発熱体１１に流れる電流を制限する抵抗素子の一例である。制限抵抗２２は、抵抗値Ｒ２を有する。制限抵抗２２の抵抗値Ｒ２は、例えば発熱体１１の抵抗値Ｒ１よりも大きい。抵抗値Ｒ２は、例えば５０Ω以上５ｋΩ以下である。
【００２８】
直流電源２４は、制限抵抗２２の他端に直流電圧Ｅを供給する。直流電源２４は、各種の電源回路及び／又はバッテリ等で構成される。各種の電源回路は、例えばＡＣ／ＤＣコンバータ、ＤＣ／ＤＣコンバータ、レギュレータ、バッテリを含む。直流電圧Ｅは、例えば５Ｖである。
【００２９】
パルス駆動回路２５は、例えば予め設定された周期及びデューティ比等に基づいて、オン電圧Ｖｏｎ又はオフ電圧Ｖｏｆｆを示すパルス信号Ｓｐを生成する（図６参照）。パルス駆動回路２５は、パルス信号Ｓｐを用いて、ＭＯＳＦＥＴ２３をオンオフ制御する。パルス信号Ｓｐのオン電圧Ｖｏｎは、ＭＯＳＦＥＴ２３のしきい値電圧よりも大きい。オフ電圧Ｖｏｆｆは、当該しきい値電圧よりも小さい。パルス駆動回路２５は、ＭＯＳＦＥＴ２３のゲートに接続される。パルス駆動回路２５は、発振器などを含む。
【００３０】
２．動作
本実施形態に係る音波発生装置１の動作について以下説明する。
２−１．駆動部の動作
本実施形態に係る音波発生装置１の駆動部２０が音波源１０を駆動する動作について、図３〜５を用いて説明する。以下では、図３の構成例の駆動部２０による動作の一例を説明する。
【００３１】
ＭＯＳＦＥＴ２３がオフしているとき、発熱体１１には電流が流れないので、発熱体１１は発熱しない。このとき、直流電源２４からの直流電圧が、制限抵抗２２を介してキャパシタ２１に印加され、キャパシタ２１は充電される。ＭＯＳＦＥＴ２３がオンしたときは、直流電源２４、制限抵抗２２、発熱体１１、及びＭＯＳＦＥＴ２３の閉回路が形成されるが、制限抵抗２２の抵抗値Ｒ２が大きいので、直流電源２４から発熱体１１への電流は、ほとんど流れない。このとき、キャパシタ２１が放電され、キャパシタ２１から発熱体１１への電流が流れて、発熱体１１は発熱する。ＭＯＳＦＥＴ２３を連続してオンオフすることにより、発熱体１１の周囲の空気が加熱される状態と、加熱されない状態とを連続して作り出して空気の膨張、収縮を発生させる。これにより、音波を発生させる。
【００３２】
本実施形態の駆動部２０において、パルス駆動回路２５は、ＭＯＳＦＥＴ２３のゲートにパルス信号Ｓｐを出力して、ＭＯＳＦＥＴ２３をパルス駆動する。ＭＯＳＦＥＴ２３は、パルス信号Ｓｐがオン電圧Ｖｏｎを示すときにオン（導通）し、パルス信号Ｓｐがオフ電圧Ｖｏｆｆを示すときにオフ（非導通）する。
【００３３】
音波発生装置１の駆動部２０は、ＭＯＳＦＥＴ２３がオフしているときに、キャパシタ２１を充電する。図４に、ＭＯＳＦＥＴ２３のオフ状態における音波発生装置１の等価回路を示す。直流電源２４は、直流電圧Ｅを制限抵抗２２に供給する。この際、制限抵抗２２に電流Ｉ２が流れることにより、時刻ｔにおけるキャパシタ２１の充電電圧Ｖ（ｔ）は、増大する。キャパシタ２１の充電電圧Ｖ（ｔ）は、制限抵抗２２の電流Ｉ２が流れなくなる満充電の状態において、Ｖ（ｔ）＝Ｅに到る。
【００３４】
また、駆動部２０は、ＭＯＳＦＥＴ２３がオンしているときに、キャパシタ２１を放電して、音波源１０の発熱体１１に電流Ｉ１を流す。図５に、ＭＯＳＦＥＴ２３のオン状態における音波発生装置１の等価回路を示す。なお、図５の等価回路では、制限抵抗２２の抵抗値Ｒ２の設定に基づき、図３の電流Ｉ２を無視している。
【００３５】
図５に示すように、ＭＯＳＦＥＴ２３がオン状態の期間中に、キャパシタ２１の充電電圧Ｖ（ｔ）が発熱体１１に印加され、発熱体１１に電流Ｉ１が流れる。発熱体１１は、電流Ｉ１の大きさに応じて発熱する。キャパシタ２１においては、発熱体１１に電流を供給することによって充電電圧Ｖ（ｔ）が減少する。
【００３６】
以上の駆動部２０の動作によると、ＭＯＳＦＥＴ２３をオンすると放電するキャパシタ２１の充放電によって、発熱体１１を発熱させる電流Ｉ１を流して、音波源１０を駆動することができる。ここで、本実施形態では、直流電源２４からの電流Ｉ２が発熱体１１を発熱させる電流Ｉ１に対して無視できる程度に、大きい抵抗値Ｒ２が制限抵抗２２に設定される。これにより、例えばＭＯＳＦＥＴ２３が故障によって常にオン状態になった場合においても、発熱体１１が過熱状態になることを回避して、音波発生装置１の安全性を向上できる。
【００３７】
なお、制限抵抗２２の抵抗値Ｒ２は、必ずしも電流Ｉ２が無視できる程度に大きくなくてもよい。制限抵抗２２の抵抗値Ｒ２は、例えば発熱体１１の抵抗値Ｒ１を基準として設定可能であり、抵抗値Ｒ１よりも大きい程度であってもよい。
【００３８】
２−２．音波の発生方法について
以上の駆動部２０の動作によって音波発生装置１が音波を発生させる方法について、図６を用いて説明する。
【００３９】
図６は、音波発生装置１における音波の発生方法を説明するためのタイミングチャートである。図６（ａ）は、ＭＯＳＦＥＴ２３におけるパルス信号Ｓｐの入力タイミングを示す。図６（ｂ）は、音波源１０による音波の出力タイミングを示す。
【００４０】
ＭＯＳＦＥＴ２３のゲートに入力されるパルス信号Ｓｐは、図６（ａ）に示すように、時刻ｔ１前に、オフ電圧Ｖｏｆｆを示している。このとき、キャパシタ２１は、満充電近傍の状態にある（図４参照）。
【００４１】
時刻ｔ１において、パルス信号Ｓｐはオン電圧Ｖｏｎに立上がり（図６（ａ））、ＭＯＳＦＥＴ２３がオンする。すると、キャパシタ２１は、放電を開始して、電流Ｉ１を発熱体１１に流す（図５参照）。このとき、発熱体１１の温度が上昇し、発熱体１１は周囲の空気を加熱する。これにより、音波源１０近傍の空気が熱膨張し、空気の圧力（即ち音圧）は、図６（ｂ）に示すように定常値Ｐ０から上昇する。
【００４２】
ＭＯＳＦＥＴ２３がオンしている期間Ｔｏｎ（以下「パルス幅Ｔｏｎ」という場合がある）の間、キャパシタ２１の放電及び発熱体１１に対する電流Ｉ１の供給は継続される。当該期間Ｔｏｎの経過中に、音波源１０近傍の空気の温度変化は安定化し、音圧は定常値Ｐ０に戻る（図６（ｂ））。
【００４３】
時刻ｔ１からパルス幅Ｔｏｎだけ後の時刻ｔ２において、パルス信号Ｓｐはオフ電圧Ｖｏｆｆに立下がり（図６（ａ））、ＭＯＳＦＥＴ２３がオフする。すると、キャパシタ２１は放電を停止し、発熱体１１に対する電流Ｉ１の供給が停止される。このとき、発熱体１１は発熱しなくなり、温度の低下に伴って空気を冷却する。これにより、音波源１０近傍の空気が収縮し、図６（ｂ）に示すように、音圧が定常値Ｐ０から低下する。その後、音圧は定常値Ｐ０に戻る。
【００４４】
以上のように、パルス信号Ｓｐのパルス幅Ｔｏｎの期間に応じて、音圧の低下及び上昇が生じることにより、当該期間Ｔｏｎを１周期とする、単パルスの音波が形成される（図６（ｂ））。
【００４５】
また、ＭＯＳＦＥＴ２３がオフしている期間Ｔｏｆｆ（以下「パルス間隔Ｔｏｆｆ」という場合がある）の間に、キャパシタ２１は充電される。時刻ｔ２からパルス幅Ｔｏｆｆだけ後の時刻ｔ３において、パルス信号Ｓｐは再度、立上がる（図６（ａ））。これにより、上記と同様の単パルスの音波が、パルス間隔Ｔｏｆｆをあけて繰り返し形成される。
【００４６】
以上のように、本実施形態の音波発生装置１によると、パルス信号Ｓｐのパルス幅Ｔｏｎ及びパルス間隔Ｔｏｆｆに応じて、図６（ｂ）に示すように、単パルスの音波をパルス周期Ｔｐ（＝Ｔｏｆｆ＋Ｔｏｎ）毎に発生させることができる。
【００４７】
２−３．回路定数について
上述のように音波を発生させる音波発生装置１において、パルス幅Ｔｏｎ及びパルス間隔Ｔｏｆｆ等は、駆動部２０の各種回路定数（図３）を適宜、調整することにより、種々の値に設定可能である。以下、パルス幅Ｔｏｎ及びパルス間隔Ｔｏｆｆと、回路定数との間の関係について説明する。
【００４８】
パルス幅Ｔｏｎと回路定数との間の関係は、制限抵抗２２の抵抗値Ｒ２が充分に大きい場合（図５参照）、キャパシタ２１の放電開始時の充電電圧Ｖ（ｔ１）及び放電停止時の充電電圧Ｖ（ｔ２）に基づいて（図６）、次式のように表される。
Ｖ（ｔ２）＝Ｖ（ｔ１）×ｅｘｐ［−Ｔｏｎ／（Ｃ１×Ｒ１）］    …（１）
【００４９】
本実施形態の音波発生装置１によると、各種仕様に応じて適宜、回路定数Ｃ１，Ｒ１を調整することにより、所望のパルス幅Ｔｏｎを用いることができる。
【００５０】
例えば、キャパシタ２１の放電停止時の充電電圧Ｖ（ｔ２）として、放電開始時の充電電圧Ｖ（ｔ１）の９０％以上を確保する場合を考える。この場合、Ｖ（ｔ２）≧０．９Ｖ（ｔ１）より、パルス幅Ｔｏｎは、次式の範囲内で設定できる。
Ｔｏｎ≦−Ｃ１×Ｒ１×ｌｎ（０．９）≒０．１×Ｃ１×Ｒ１    …（１１）
【００５１】
上式（１１）の場合、例えば発熱体１１に流した電流Ｉ１を停止する時刻ｔ２（図６参照）前後における電流Ｉ１の変化量を、時刻ｔ１前後における電流Ｉ１の変化量の９０％以上に確保することができる。
【００５２】
また、例えば、上式（１１）の場合よりも大幅な放電においてキャパシタ２１を使用する観点から、放電停止時の充電電圧Ｖ（ｔ２）を、放電開始時の充電電圧Ｖ（ｔ１）の５０％以上とする場合を考える。この場合、上記と同様に式（１）から、パルス幅Ｔｏｎは、次式の範囲内で設定できる。
Ｔｏｎ≦−Ｃ１×Ｒ１×ｌｎ（０．５）≒０．７×Ｃ１×Ｒ１    …（１２）
【００５３】
具体的に、駆動部２０の回路定数がＣ１＝３０ｕＦで且つＲ１＝１Ωに設定されている場合、式（１１）によると、パルス幅Ｔｏｎは３マイクロ秒以下になる。また、式（１２）によると、パルス幅Ｔｏｎは２１マイクロ秒以下になる。
【００５４】
また、パルス間隔Ｔｏｆｆと回路定数との間の関係は、キャパシタ２１の充電を開始する時刻ｔ２に、制限抵抗２２を介して電流Ｉ２＝（Ｅ−Ｖ（ｔ２））／Ｒ２が流れることから（図４参照）、パルス間隔Ｔｏｆｆだけ後の時刻ｔ３における電流Ｉ２に基づき（図６）、次式のように表される。
Ｉ２＝（Ｅ−Ｖ（ｔ２））／Ｒ２×ｅｘｐ［−Ｔｏｆｆ／（Ｃ１×Ｒ２）］    …（２）
【００５５】
上式（２）によると、パルス間隔Ｔｏｆｆは、制限抵抗２２の抵抗値Ｒ２に対して相関関係を有する。本実施形態によると、回路定数Ｒ２，Ｃ１を調整することにより、所望のパルス間隔Ｔｏｆｆを用いることができる。
【００５６】
例えば、時刻ｔ３において充電を終了する際の電流Ｉ２が、充電開始時（ｔ２）の１０％以下に到るようにキャパシタ２１を充電する場合を考える。この場合、パルス間隔Ｔｏｆｆは、次式の範囲内で設定できる。
Ｔｏｆｆ≧−Ｃ１×Ｒ２×ｌｎ（０．１）≒２．３×Ｃ１×Ｒ２    …（２１）
【００５７】
上式（２１）の場合、例えば時刻ｔ２から時刻ｔ３までのパルス間隔Ｔｏｆｆの期間中にキャパシタ２１を満充電近傍にまで充電でき、キャパシタ２１を効率良く使用することができる。
【００５８】
上式（２１）によると、駆動部２０の回路定数がＲ２＝５０Ωで且つＣ１＝３０ｕＦに設定されている場合、パルス間隔Ｔｏｆｆは３．４５ミリ秒以上になる。また、制限抵抗２２の抵抗値Ｒ２を５００Ωに増やすと、パルス間隔Ｔｏｆｆは３４．５ミリ秒以上になる。さらに、抵抗値Ｒ２を５ｋΩに増やすと、パルス間隔Ｔｏｆｆは３４５ミリ秒以上になる。
【００５９】
２−３−１．シミュレーション結果について
以上のように制限抵抗２２の抵抗値Ｒ２を変化させた場合における音波発生装置１のシミュレーション結果について、図７〜図１１を用いて説明する。
【００６０】
図７は、制限抵抗２２の抵抗値Ｒ２を５０Ωに設定した音波発生装置１のシミュレーション結果を示す波形図である。
【００６１】
図７のシミュレーションは、以下のシミュレーション条件において行った。即ち、回路定数Ｒ２＝５０Ω，Ｃ１＝３０ｕＦ，Ｒ１＝１Ωを設定すると共に、直流電圧Ｅ＝５Ｖを設定した。さらに、パルス幅Ｔｏｎは１０マイクロ秒に設定し、パルス周期Ｔｐは１００ミリ秒に設定した。この際、パルス間隔Ｔｏｆｆ（略１００ミリ秒）は、上述した条件式（２１）の範囲内になっている。
【００６２】
図７（ａ）は、Ｒ２＝５０Ωのシミュレーションにおけるキャパシタ２１の充電電圧Ｖ（ｔ）を示す。また、図７（ｂ）は、制限抵抗２２の電流Ｉ２を示す。図７（ｃ）は、発熱体１１の電流Ｉ１を示す。
【００６３】
図７のシミュレーションによると、キャパシタ２１の充電電圧Ｖ（ｔ）は、図７（ａ）に示すように、パルス周期Ｔｐの間に満充電Ｖ（ｔ）＝５Ｖに到っている。これに応じて、図７（ｂ）に示すように、制限抵抗２２の電流Ｉ２は、パルス幅Ｔｏｎのタイミング（即ち放電時）にピーク値として２８ｍＡを有する。このとき、発熱体１１の電流Ｉ１のピーク値は、図７（ｃ）に示すように、５Ａになっている。
【００６４】
以上の図７のシミュレーション条件から、制限抵抗２２の抵抗値Ｒ２を増大させた場合のシミュレーション結果を図８，９に示す。
【００６５】
図８は、制限抵抗２２の抵抗値Ｒ２を５００Ωに設定した音波発生装置１のシミュレーション結果を示す波形図である。なお、パルス間隔Ｔｏｆｆの条件式（２１）は、この場合も満たされている。
【００６６】
図８（ａ），８（ｂ），８（ｃ）は、それぞれＲ２＝５００Ωのシミュレーションにおけるキャパシタ２１の充電電圧Ｖ（ｔ）、制限抵抗２２の電流Ｉ２、及び発熱体１１の電流Ｉ１を示す。
【００６７】
図８のシミュレーションによると、キャパシタ２１の充電電圧Ｖ（ｔ）は、図７（ａ）と同様に、Ｖ（ｔ）＝５Ｖに到っている（図８（ａ））。一方、制限抵抗２２の電流Ｉ２のピーク値は、図７（ｂ）の場合から２．８ｍＡに減少している（図８（ｂ））。発熱体１１の電流Ｉ１については、図７（ｃ）と同様のピーク値５Ａが得られている（図８（ｃ））。
【００６８】
図９は、制限抵抗２２の抵抗値Ｒ２を５ｋΩに設定した音波発生装置１のシミュレーション結果を示す波形図である。この場合、パルス間隔Ｔｏｎの条件式（２１）は、満たされてない。
【００６９】
図９（ａ），９（ｂ），９（ｃ）は、それぞれＲ２＝５ｋΩのシミュレーションにおけるキャパシタ２１の充電電圧Ｖ（ｔ）、制限抵抗２２の電流Ｉ２、及び発熱体１１の電流Ｉ１を示す。
【００７０】
図９のシミュレーションによると、キャパシタ２１の充電電圧Ｖ（ｔ）は、図９（ａ）に示すように３．９Ｖ未満になっている。また、図９（ｂ）に示すように、制限抵抗２２の電流Ｉ２のピーク値は、図７（ｂ），８（ｂ）の場合から４５０ｕＡにまで減少している。また、図９（ｃ）に示すように、発熱体１１の電流Ｉ１のピーク値は、図７（ｃ），８（ｃ）の場合から４．０Ａ未満に減少している。
【００７１】
以上の図７〜９のシミュレーション結果によると、Ｒ２≧５０Ωにおいて、制限抵抗２２の電流Ｉ２のピーク値は、電流Ｉ１のような発熱体１１を発熱させる値から充分に小さくなっていることが確認できる（図７（ｂ），図８（ｂ），図９（ｂ））。よって、本実施形態の音波発生装置１によると、ＭＯＳＦＥＴ２３が常時オンになるような誤動作があったとしても、制限抵抗２２により、過電流による発熱体１１への影響を低減できることが確認された。
【００７２】
一方、Ｒ２＝５ｋΩにおける図９のシミュレーションにおいては、シミュレーションに用いたパルス間隔Ｔｏｆｆが上述の式（２１）を満たさないことから、キャパシタ２１が充分に充電される前に放電を開始する結果になった（図９（ａ））。なお、Ｒ２＝５ｋΩの場合においても、パルス間隔Ｔｏｆｆを適切に設定することにより（式（２１）参照）、キャパシタ２１を充分に充電させる動作を実現可能である。
【００７３】
図１０は、音波発生装置１における発熱体１１の電流Ｉ１と制限抵抗２２の抵抗値Ｒ２との関係を例示するグラフである。
【００７４】
図１０では、図７〜９と同様のシミュレーション条件から制限抵抗２２の抵抗値Ｒ２を変化させた場合における電流Ｉ１のピーク値の数値計算の結果を示している。当該電流Ｉ１のピーク値は、キャパシタ２１の放電時に発熱体１１に流す電流Ｉ１に対応している。
【００７５】
図１０によると、制限抵抗２２の抵抗値Ｒ２が１ｋΩに到るまで、発熱体１１に流す電流Ｉ１のピーク値が低減していない。このことから、音波源１０からの音波の出力に影響させずに、制限抵抗２２を適用可能であることが確認された。
【００７６】
図１１は、音波発生装置１における制限抵抗２２の電流Ｉ２と抵抗値Ｒ２との関係を例示するグラフである。
【００７７】
図１１では、図７〜９と同様のシミュレーション条件から制限抵抗２２の抵抗値Ｒ２を変化させたシミュレーションにおいて、キャパシタ２１の放電時に制限抵抗２２に流れる電流Ｉ２のピーク値の計算結果を示している。また、図１１では、Ｃ１＝３０ｕＦの場合に加えて、キャパシタ２１の容量値Ｃ１を１０ｕＦ及び１００ｕＦに変更した場合の計算結果を示す。
【００７８】
図１１において、同一の抵抗値Ｒ２における制限抵抗２２の電流Ｉ２は、キャパシタ２１の容量値Ｃ１が大きい程、小さくなっている。また、制限抵抗２２の抵抗値Ｒ２を大きくするほど、当該電流Ｉ２は小さくなり、異なる容量値Ｃ１間の電流Ｉ２の違いは収束している。
【００７９】
例えば、直流電源２４の内部抵抗を０．１Ωとした場合に、直流電源２４から流れる電流Ｉ２が、制限抵抗２２を用いない場合（図中でＲ２＝０．１Ω）の５％以下にする条件を考える。図１１によると、当該条件は、抵抗値Ｒ２を１００Ω以上にすることにより達成できる。このことから、制限抵抗２２の抵抗値Ｒ２は、直流電源２４の内部抵抗の１０００倍以上であってもよい。
【００８０】
３．まとめ
以上のように、本実施形態に係る音波発生装置１は、音波源１０と、ＭＯＳＦＥＴ２３と、キャパシタ２１と、制限抵抗２２とを備える。音波源１０は、直流電源２４から供給される電流により発熱して音波を発生する。制限抵抗２２は、直流電源２４と音波源１０の間に挿入され、直流電源２４から音波源１０に流入する電流を制限する。ＭＯＳＦＥＴ２３は、音波源１０に直列に接続され、オン／オフして音波源１０を流れる電流の流入／遮断を制御する。キャパシタ２１は、音波源１０とＭＯＳＦＥＴ２３の直列回路に並列に接続される。
【００８１】
また、本実施形態に係る音波発生装置１において、音波源１０と、ＭＯＳＦＥＴ２３と、キャパシタ２１と、制限抵抗２２とを備える。音波源１０は、直流電源２４から供給される電流Ｉ１により発熱して、音波を発生する。ＭＯＳＦＥＴ２３は、オン／オフして音波源１０に流れる電流Ｉ１の流入／遮断を制御する。キャパシタ２１は、ＭＯＳＦＥＴ２３がオフしたときに直流電源２４により充電されて、ＭＯＳＦＥＴ２３がオンしたときに充電による電流Ｉ１を音波源１０に供給する。制限抵抗２２は、ＭＯＳＦＥＴ２３がオンしたときに音波源１０に流れる電流を制限する。
【００８２】
以上の音波発生装置１によると、ＭＯＳＦＥＴ２３がオンしたままになったとしても、制限抵抗２２によって、音波源１０に流れる電流が制限される。これにより、音波発生装置１において、電流に応じた発熱によって音波を発生する際の安全性を向上することができる。
【００８３】
例えば、ＭＯＳＦＥＴ２３が故障してドレインとソースとの間が短絡した場合に、制限抵抗２２が音波源１０に流れる電流を制限することによって、音波源１０の過剰な発熱を抑制することができる。さらに、制限抵抗２２によると、ＭＯＳＦＥＴ２３が短絡した場合でも、音波発生装置１の消費電流を制限することができる。このため、電流容量の小さい安価な電源を、直流電源２４として使用することができる。本実施形態によると、消費電流が制限された音波発生装置を提供することができる。
【００８４】
また、本実施形態に係る音波発生装置１において、制限抵抗２２の抵抗値Ｒ２は、音波源１０の抵抗値Ｒ１よりも大きい。これにより、電流に応じた発熱によって音波を発生する際の安全性をより向上することができる。制限抵抗２２の抵抗値Ｒ２は、例えば音波源１０の抵抗値Ｒ１の５０倍以上であってもよいし、１００倍以上であってもよい。
【００８５】
本実施形態に係る音波発生装置１において、音波源１０は、ＭＯＳＦＥＴ２３とキャパシタ２１とに接続される。制限抵抗２２の一端は、音波源１０とキャパシタ２１との間に接続される。制限抵抗２２の他端には、直流電源２４から直流電圧Ｅが供給される。
【００８６】
以上の構成によると、キャパシタ２１は、ＭＯＳＦＥＴ２３をオフしたときに充電される。キャパシタ２１は、ＭＯＳＦＥＴ２３がオンしたときに充電による電流を音波源１０に供給する。同時に、制限抵抗２２は、ＭＯＳＦＥＴ２３がオンしたときに、直流電源２４から音波源１０に流れる電流を制限する。これにより、音波発生装置１の安全性を向上することができる。
【００８７】
本実施形態に係る音波発生装置１において、ＭＯＳＦＥＴ２３をパルス駆動するパルス駆動回路２５をさらに備える。これにより、例えば単パルスの音波を形成することができる。また、パルス幅及びパルス周期を変更することによって、様々な音波を発生することができる。
【００８８】
本実施形態に係る音波発生装置１において、音波源１０は、発熱体１１と、断熱層１４と、発熱体１１及び断熱層１４が積層された基板１２とを備える。発熱体１１は、電流を流すことによって発熱する。断熱層１４は、発熱体１１からの熱を断熱する。これにより、音波発生装置１は、発熱体１１からの熱を、基板１２とは反対側の空気に効率良く伝導させることができる。
【００８９】
（他の実施形態）
上記の実施形態１では、音波発生装置１の駆動部２０について、図３の構成例を説明した。音波発生装置１の駆動部２０は、図３の構成例に限らず、種々の回路構成を有してもよい。例えば、駆動部２０のスイッチング素子はｎ型のＭＯＳＦＥＴ２３に限らず、ｐ型のＭＯＳＦＥＴであってもよい。この場合、駆動部２０における接続関係の高圧側と低圧側は適宜、反転される。
【００９０】
また、駆動部２０のスイッチング素子はＭＯＳＦＥＴに限らず、例えばＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）であってもよい。また、図３の構成例では、駆動部２０におけるＭＯＳＦＥＴ２３等の各部が接地される例を説明したが、これに限らず、駆動部２０の各部は適宜、各種の電位に接続されてもよい。
【００９１】
また、上記の各実施形態の音波発生装置１は、直流電源２４及びパルス駆動回路２５を備えたが、これに限らず、音波発生装置１は、直流電源２４及び／又はパルス駆動回路２５を備えなくてもよい。この場合、直流電圧Ｅ及び／又はパルス信号Ｓｐは、外部から音波発生装置１に供給される。
【００９２】
また、上記の各実施形態では、パルス信号Ｓｐの周期が予め設定される例を説明した。パルス信号Ｓｐのパルス幅等は、音波発生装置１の外部の制御回路から設定されてもよい。
【００９３】
上記の各実施形態では、音波発生装置１の駆動部２０におけるキャパシタ２１の例としてセラミックコンデンサを挙げたが、音鳴き対策がされたセラミックコンデンサを用いてもよい。
【００９４】
上記の各実施形態では、音波発生装置１の回路定数の具体的な値を例示したが、適宜別の回路定数の値が用いられてもよい。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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