(57)【要約】【課題】放出する超音波の音圧を強めることができる超音波発生装置、超音波発生アレイ及び超音波触感提示装置を提供する。【解決手段】超音波発生装置（３）は、超音波素子（３０）と、ホーン（４）とを備える。超音波素子は、所定の周波数を有する超音波を発生する。ホーンは、超音波素子が超音波を放出する放音面（３０ｓ）を囲むように配置される。ホーンは、超音波素子の放音面に対向する開口面（４０ｓ）を形成する開口端（４１）を有する。超音波素子の放音面とホーンの開口面間の距離ｈと、開口端の開口径ｄと、超音波の周波数に対応する波長λとが、式（１）：ｈ＝（９ｄ２−４ｎ２λ２）／８ｎλ（ｎは自然数）で表される条件を満たす。【選択図】図４
2019129504.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の周波数を有する超音波を発生する超音波素子と、
前記超音波素子が前記超音波を放出する放音面を囲むように配置されたホーンと
を備え、
前記ホーンは、前記超音波素子の放音面に対向する開口面を形成する開口端を有し、
前記超音波素子の放音面と前記ホーンの開口面間の距離ｈと、前記開口端の開口径ｄと、前記超音波の周波数に対応する波長λとが、以下の式（１）で表される条件を満たし、
ｈ＝（９ｄ２−４ｎ２λ２）／８ｎλ    …（１）
ここで、ｎは自然数である
超音波発生装置。
【請求項２】
前記距離ｈと前記開口径ｄと前記波長λとが、以下の式（２）で表される条件を満たし、
ｈ＝λ（２ｍ＋１）／４−０．３ｄ    …（２）
ここで、ｍは自然数である
請求項１に記載の超音波発生装置。
【請求項３】
前記式（１）及び（２）で表される条件は、前記距離ｈの大きさの±５％の範囲内で成立する
請求項２に記載の超音波発生装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の超音波発生装置を複数、備え
前記複数の超音波発生装置がアレイ状に配置された
超音波発生アレイ。
【請求項５】
前記複数の超音波発生装置のうちの一部又は全ての超音波発生装置のホーンが、一体的に形成された
請求項４に記載の超音波発生アレイ。
【請求項６】
前記複数の超音波発生装置は、それぞれ超音波を放出する中心軸を有し、
前記複数の超音波発生装置のうちの一部又は全ての超音波発生装置の中心軸が、互いに交わる交点を有する
請求項４又は５に記載の超音波発生アレイ。
【請求項７】
前記複数の超音波発生装置を駆動する駆動回路をさらに備え、
前記交点において各々の中心軸が交わる超音波発生装置の組の間で、各超音波発生装置から前記交点までの距離の差分が前記波長の整数倍になるように、前記超音波発生装置の組が配置され、
前記駆動回路は、前記超音波発生装置の組を同時に駆動する
請求項６に記載の超音波発生アレイ。
【請求項８】
請求項４〜７のいずれか１項に記載の超音波発生アレイと、
前記超音波発生アレイから生じる超音波によって、利用者に触感を提示するように、前記超音波発生アレイを制御するコントローラとを備えた
超音波触感提示装置。
【請求項９】
所定の周波数を有する超音波を発生する超音波素子と、
前記超音波素子が前記超音波を放出する放音面を囲むように配置されたホーンと
を備え、
前記ホーンは、前記超音波素子の放音面に対向する開口面を形成する開口端と、前記開口面から前記放音面までの空間を囲む内壁とを有し、
前記放音面と前記開口面間の距離である直進距離と、前記放音面から前記内壁上の反射位置を介して前記開口端に到る距離である反射距離との間の差分が、前記超音波の周波数に対応する波長の整数倍となるように、前記ホーンが配置された
超音波発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、超音波発生装置、複数の超音波発生装置を備える超音波発生アレイ、及び超音波発生アレイを備える超音波触感提示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は、超音波マイクロホン及び当該超音波マイクロホンの指向性を調整するためのホーンを備えた超音波送波装置を開示している。特許文献１の超音波送波装置では、内部の固形物の端面からホーンの底壁前面までの距離が、超音波マイクロホンから送波される超音波の波長の４分の１を整数倍した値と等しい距離となるように設定されている。これにより、上記の端面からホーンの底壁前面までの距離のばらつきに対する超音波の音圧の変化を相対的に小さくして、超音波の音圧のばらつきを抑制する効果を得ている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−２７４２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本開示の目的は、放出する超音波の音圧を強めることができる超音波発生装置、超音波発生アレイ及び超音波触感提示装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本開示の一態様に係る超音波発生装置は、超音波素子と、ホーンとを備える。超音波素子は、所定の周波数を有する超音波を発生する。ホーンは、超音波素子が超音波を放出する放音面を囲むように配置される。ホーンは、超音波素子の放音面に対向する開口面を形成する開口端を有する。超音波素子の放音面とホーンの開口面間の距離ｈと、開口端の開口径ｄと、超音波の周波数に対応する波長λとが、以下の式（１）で表される条件を満たす。
ｈ＝（９ｄ２−４ｎ２λ２）／８ｎλ    …（１）
ここで、ｎは自然数である。
【０００６】
本開示の別の態様に係る超音波発生装置は、超音波素子と、ホーンとを備える。ホーンは、開口端と、開口面から放音面までの空間を囲む内壁とを有する。放音面と開口面間の距離である直進距離と、放音面から内壁上の反射位置を介して開口端に到る距離である反射距離との間の差分が、超音波の周波数に対応する波長の整数倍となるように、ホーンが配置されている。
【０００７】
本開示の一態様に係る超音波発生アレイは、超音波発生装置を複数、備える。複数の超音波発生装置は、アレイ状に配置される。
【０００８】
本開示の一態様に係る超音波触感提示装置は、超音波発生アレイと、超音波発生アレイから生じる超音波によって、利用者に触感を提示するように、超音波発生アレイを制御するコントローラとを備える。
【発明の効果】
【０００９】
本開示に係る超音波発生装置、超音波発生アレイ及び超音波触感提示装置によると、超音波発生装置のホーンにおいて波の強め合いを生じさせ、放出する超音波の音圧を強めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本開示の実施形態１に係る超音波触感提示装置の構成を示す図
【図２】実施形態１に係る超音波発生装置の構成を示す斜視図
【図３】超音波発生装置による音圧分布を説明するための図
【図４】超音波発生装置のホーンについての条件（１）を説明するための図
【図５】超音波発生装置のホーンについての条件（２）を説明するための図
【図６】ホーンの設定条件の許容範囲を説明するための図
【図７】超音波発生装置における第１のシミュレーション結果を示す図
【図８】超音波発生装置における第２のシミュレーション結果を示す図
【図９】超音波発生装置についての第１の検討実験の結果を示す図
【図１０】超音波発生装置についての第２の検討実験の結果を示す図
【図１１】実施形態２に係る超音波発生アレイの構成例を示す図
【図１２】実施形態２の変形例１に係る超音波発生アレイの構成を示す図
【図１３】実施形態２の変形例２に係る超音波発生アレイの構成を示す図
【図１４】実施形態３に係る超音波発生アレイの構成例を示す図
【図１５】実施形態３の変形例に係る超音波発生アレイの構成を示す図
【図１６】実施形態４に係る超音波発生アレイの構成例を示す図
【図１７】実施形態４の変形例に係る超音波発生アレイの構成を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、適宜図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明、或いは実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。
【００１２】
なお、出願人は、当業者が本開示を十分に理解するために添付図面および以下の説明を提供するのであって、これらによって特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。
【００１３】
（実施形態１）
実施形態１では、超音波発生アレイを構成する超音波発生装置、および超音波発生アレイを用いた超音波触感提示装置について説明する。
【００１４】
１．構成
本実施形態に係る超音波触感提示装置の構成を、図１を参照して説明する。図１は、超音波触感提示装置１の構成を示す図である。
【００１５】
本実施形態に係る超音波触感提示装置１は、図１に示すように、超音波発生アレイ１０と、コントローラ１１とを備える。超音波触感提示装置１は、超音波発生アレイ１０から発生する超音波の音圧により、利用者の指２及び手などに触感を提示するための装置である。超音波触感提示装置１は、例えば空中に立体的なオブジェクトを視認させる立体ディスプレイ、非接触で操作可能なタッチパネル、或いは虚像のアイコン等を用いる操作インタフェースにおいて、利用者に、空気中で触れたり操作したりする感覚を与えるように適用される。
【００１６】
超音波発生アレイ１０は、複数の超音波発生装置３と、駆動回路１２とを備える。超音波発生装置３は、所定の周波数を有する超音波を発生させるデバイスである。超音波の周波数は、例えば１０〜３００ｋＨｚである。
【００１７】
超音波発生アレイ１０においては、基板等に複数の超音波発生装置３が、例えば２次元アレイ状に配置される。従来の超音波発生アレイにおいては、アレイ内の個々の素子から発生する超音波の音圧が弱いため、充分な触感を提示するためには多数の素子数を要してしまうという課題があった。そこで、本実施形態では、個々の超音波発生装置３による超音波の音圧を強めるように、超音波発生装置３を構成する。本実施形態に係る超音波発生装置３の構成については後述する。
【００１８】
超音波発生アレイ１０の駆動回路１２は、コントローラ１１の制御に従って、各超音波発生装置３を駆動する。例えば、駆動回路１２は、複数の超音波発生装置３の間で超音波の位相を同期させる位相制御を行う。駆動回路１２は、各超音波発生装置３による超音波の振幅を変調したり、周波数を設定したりしてもよい。駆動回路１２は、超音波発生アレイ１０の外部に設けられてもよい。
【００１９】
コントローラ１１は、超音波触感提示装置１の全体動作を制御する。コントローラ１１は、例えばソフトウェアと協働して所定の機能を実現するＣＰＵ又はＭＰＵを備える。コントローラ１１は、フラッシュメモリ等の内部メモリを備える。コントローラ１１は、内部メモリに格納されたデータ及びプログラムを読み出して種々の演算処理を行い、各種の機能を実現する。例えば、コントローラ１１は、触感を再現する対象のオブジェクト等に関する情報に基づいて、駆動回路１２に超音波を変調させる制御信号を生成する。
【００２０】
コントローラ１１は、所定の機能を実現するように設計された専用の電子回路或いは再構成可能な電子回路などのハードウェア回路であってもよい。コントローラ１１は、ＣＰＵ、ＭＰＵ、マイコン、ＤＳＰ、ＦＰＧＡ、ＡＳＩＣ等の種々の半導体集積回路で構成されてもよい。また、コントローラ１１は、駆動回路１２と一体的に構成されてもよい。
【００２１】
１−１．超音波発生装置の構成
本実施形態に係る超音波発生装置３の構成について、図２，３を用いて説明する。図２は、超音波発生装置３の構成を示す斜視図である。
【００２２】
本実施形態に係る超音波発生装置３は、図２に示すように、超音波素子３０と、ホーン４とを備える。超音波発生装置３は、超音波の放音における中心軸３５を有する。本実施形態では、超音波発生装置３の中心軸３５の方向をＺ方向とする。また、Ｚ方向に直交し、且つ互いに直交する２方向を「Ｘ方向」及び「Ｙ方向」とする。以下では、超音波が放出される＋Ｚ側を上側といい、−Ｚ側を下側という場合がある。
【００２３】
超音波素子３０は、所定の周波数を有する超音波を発生させる素子である。超音波素子３０は、例えば圧電素子、振動板及びコーン（錐状の振動子）などを含む。超音波の周波数は、超音波素子３０の各部の固有振動数に対応してもよいし、駆動回路１２（図１）により設定されてもよい。超音波素子３０は、超音波を放出する放音面の一例として、例えばＸＹ平面上で中心軸３５が通る上面３０ｓを有する。
【００２４】
ホーン４は、例えば円筒形状を有する中空部材で構成される。ホーン４は、中心軸３５に沿って超音波素子３０の少なくとも上面の周囲を囲むように配置される。ホーン４は、超音波素子３０よりも上方の端部において開口部４０を構成する。ホーン４は、超音波素子３０の上面と共に下部の周囲を囲んでもよい。ホーン４は、円筒形状に限らず、各種の中空形状を有してもよい。
【００２５】
本実施形態の超音波発生装置３においては、超音波素子３０単体による超音波の音圧分布を中心軸３５近傍に集中させるために、ホーン４を用いる。超音波発生装置３による音圧分布について、図３（ａ），（ｂ）を用いて説明する。
【００２６】
図３（ａ）は、ホーン４がない場合の超音波素子３０による音圧分布のグラフを示す。図３（ｂ）は、ホーン４がある場合の本実施形態の超音波発生装置３による音圧分布のグラフを示す。図３（ａ），（ｂ）において、縦軸は音圧を示し、横軸は音圧の放射角を示す。当該放射角は、超音波発生装置３の中心軸３５を基準とし、放射角０°の方向は＋Ｚ方向に対応する。以下、放射角０°近傍の音圧を「中心音圧」という。
【００２７】
ホーン４がない場合の超音波素子３０の音圧分布は、図３（ａ）に例示するように、メインローブとサイドローブとを有することが一般的である。メインローブは、中心音圧に対応する放射角０°近傍の音圧のピークを有する。本例のサイドローブは、放射角３０°を超えた角度位置に音圧のピークを有する。サイドローブは、例えば超音波素子３０のコーンの形状（錐角）に応じて形成される。
【００２８】
図３（ａ）の例のような一般的な超音波素子３０の音圧分布は、メインローブからサイドローブにわたって広い角度範囲に分散している。このため、例えば５０ｍｍ四方等の超音波発生アレイ１０（図１）で放射角±１５°の範囲内の音圧を用いる設計が行われると、個々の素子による当該範囲の外側の音圧分布は損失となってしまう。
【００２９】
そこで、本実施形態の超音波発生装置３では、ホーン４を用いて超音波素子３０による外側の音圧分布を集音することにより、中心軸３５に沿って放出される超音波の中心音圧を強める。図３（ｂ）に、本実施形態の超音波発生装置３の一例における音圧分布の実測値を例示する。
【００３０】
本実施形態では、ホーン４における超音波の各種反射波の位相等を考慮して、ホーン４の寸法、及び超音波素子３０に対する配置が設定される。これにより、ホーン４から放出する超音波の間で中心軸３５に沿って強め合いを生じさせ、中心音圧を顕著に強めることができる。本実施形態のホーン４の設定条件については、後述する。
【００３１】
本実施形態の超音波発生装置３において、ホーン４の厚みは特に制限されない。ホーン４の振動に対する剛性を保つ観点から、ホーン４の厚みは、例えば好適には０．５ｍｍ以上、より好適には１ｍｍ以上であってもよい。
【００３２】
また、ホーン４において超音波を反射する観点から、内壁の表面粗さと材料（密度・音速）が求められる。表面粗さとしては、例えばＲａ＜８０μｍである。材料としては、密度（ｋｇ／ｍ３）×音速（ｍ／ｓ）＞４．０８×１０５（ｋｇ／ｍ２ｓ）を満たせば十分である。例えば、空孔のない樹脂および金属などがホーン４の材料に採用可能である。好適な材料として、樹脂においては液晶ポリマー（ＬＣＰ）など、金属においてはアルミなどが挙げられる。
【００３３】
１−２．ホーンの設定条件について
本実施形態の超音波発生装置３におけるホーン４の設定条件について、図４〜５を用いて説明する。本実施形態では、ホーン４の設定条件として、２つの条件（１），（２）を採用する。
【００３４】
図４は、超音波発生装置３のホーン４についての条件（１）を説明するための図である。図５は、ホーン４についての条件（２）を説明するための図である。図４，５は、中心軸３５を通るＸＺ断面における超音波発生装置３を模式的に示している。
【００３５】
超音波発生装置３におけるホーン４は、図４に示すように、開口部４０を構成する開口端４１と内壁４２とを有する。開口端４１は、ホーン４の＋Ｚ側の端部において中心軸３５の周囲を囲むことにより、ＸＹ平面に沿った開口面４０ｓを形成する。ホーン４の内壁４２は、超音波素子３０の＋Ｚ側の空間を囲んでいる。
【００３６】
本実施形態に係る超音波発生装置３では、次式で表される条件（１）を満たすように、ホーン４及び超音波素子３０が構成される。
ｈ＝（９ｄ２−４ｎ２λ２）／８ｎλ    …（１）
【００３７】
上式（１）において、ｈはホーン４先端の高さであり、ｄは開口端４１の開口径であり、λは超音波素子３０が出力する超音波の波長であり、ｎは自然数である。高さｈは、Ｚ方向における超音波素子３０の上面（放音面）３０ｓと、ホーン４先端の開口面４０ｓ間の距離で規定される。よって、Ｚ方向におけるホーン４の長さＬは、図４に示すようにｈ以上となる。波長λは、基準温度の空気中の音速など、ホーン４内部で想定される音速に基づき設定される。基準温度は、例えば０〜４５℃に含まれ、例えば２０℃である。
【００３８】
条件（１）は、超音波素子３０による超音波において、ホーン４中を直進する第１の波５１と、内壁４２において１度、反射する第２の波５２とが、ホーン４から出射する際に開口面４０ｓ上で同じ位相になるための条件である。図４に示すように、ホーン４内で、第１の波５１は直進行路６１を通り、第２の波５２は反射行路６２を通る。
【００３９】
直進行路６１は、超音波発生装置３の中心軸３５に沿ったホーン４内の直線距離による行路である。直進行路６１は、例えば超音波素子３０の上面３０ｓ中央の放音位置Ｐ１から、開口面４０ｓの中心位置Ｐ２に到る。直進行路６１の長さは、本実施形態において上記の高さｈと等しい直進距離の一例である。
【００４０】
反射行路６２は、放音位置Ｐ１から内壁４２上の反射位置Ｐ３に入射角ａ１で入射する直線部分と、反射位置Ｐ３から入射角ａ１と同じ大きさの反射角ａ２で出射する直線部分とを含む。反射行路６２において、反射角ａ２の直線部分は、反射位置Ｐ３から中心軸３５を跨ぎ、開口面４０ｓ上で開口端４１が位置する先端位置Ｐ４に到る。反射行路６２の長さは、本実施形態における反射距離の一例である。
【００４１】
反射行路６２からの直進行路６１の行路差が、波長λの自然数ｎ倍になる場合、第１の波５１と第２の波５２とを開口面４０ｓ上で同位相にすることができる。反射行路６２の長さは、放音位置Ｐ１からの直線部分と直進行路６１との間の角度θを用いて、ｈ／ｃｏｓθのように表せる。このことから、上記の場合は、次式（１１）のように表すことができる。
ｈ／ｃｏｓθ−ｈ＝ｎλ    …（１１）
【００４２】
また、上記の角度θ、高さｈ及び開口径ｄの間には、次式（１２）のような幾何学な関係が成立する。
ｈ＝３ｄ／２ｔａｎθ      …（１２）
式（１）は、上式（１１），（１２）から角度θを消去することによって得られる。
【００４３】
条件（１）によると、ホーン４中で別々の行路６１，６２を通る第１及び第２の波５１，５２の位相を揃えることにより、開口面４０ｓにおいて波の強め合いを生じさせ、強い音場を形成することができる。条件（１）では、ｈ，λが一定の場合にｎが小さいほど、ホーン４の開口径ｄも小さくなる。超音波発生装置３の小型化の観点からは、ｎ＝１が好ましい。
【００４４】
条件（１）に加えて、本実施形態に係る超音波発生装置３では、次式で表される条件（２）を満たすように、ホーン４及び超音波素子３０が構成される。
ｈ＝λ（２ｍ＋１）／４−０．３ｄ    …（２）
【００４５】
上式（２）において、ｍは自然数である。また、上式（２）の右辺の第２項は、開口端補正のための補正量を示す。条件（２）について、図５を用いて説明する。
【００４６】
条件（２）は、図５に示すように、ホーン４内の共鳴により定在波５０を生じさせるための条件である。定在波５０は、超音波素子３０から＋Ｚ向きに発する超音波と、ホーン４の開口部４０近傍において−Ｚ側に自由端反射する反射波との重ね合わせにより形成される。超音波素子３０の上面３０ｓには、定在波５０の節が位置する。
【００４７】
条件（２）によると、ホーン４先端の高さｈがλ／４の奇数倍から開口端補正の補正量分、小さく設定されることにより、定在波５０の腹が開口部４０の＋Ｚ側の近傍に位置するように、定在波５０を形成することができる。これにより、ホーン４の開口面４０ｓ近傍において超音波の音場を強くすることができる。
【００４８】
また、条件（２）によると、ｍが小さいほど、ｈ（又はｄ）を小さくすることができる。超音波発生装置３の小型化の観点から、ｍは例えば５以下であってもよい。
【００４９】
以上の２条件（１），（２）によるホーン４先端の高さｈ及び開口径ｄの設定は、超音波素子３０から出力され得る超音波の周波数の中で一意の周波数について行われればよい。例えば、超音波発生装置３による超音波の周波数が４３．５ｋＨｚである場合に、超音波の波長λは、温度２１℃の環境下で７．９１ｍｍとなる。この場合、式（１），（２）においてｎ＝１，ｍ＝５とすると、理想的な設定値としてｈ＝１８．２ｍｍ，ｄ＝１２．５ｍｍが導出される。
【００５０】
なお、以上の例では、ホーン４の内壁４２に傾斜がないこととしている。また、高さ７．２ｍｍを有する超音波素子３０が固定される基板等にホーン４を設置する設計では、ホーン４の長さＬが２５．４ｍｍ程度になる。
【００５１】
上記の理想的な設定値によると、ホーン４がある超音波発生装置３において、放射角０°の中心音圧を、ホーン４がない場合の１．８倍にまで増大する効果が得られた（図３参照）。このような音圧の増大効果は、例えば放射角±３０°内の音圧分布で見込め、放射角±１５°以内でも１．６倍の音圧増大が得られた。
【００５２】
本実施形態のホーン４の設定条件は、必ずしも上記の理想的な場合のように式（１），（２）に厳密に一致しなくてもよく、種々の観点から適宜、許容誤差を設定可能である。例えば、次式（３）のように、係数ｋを用いて高さｈのずれの許容範囲を考えることができる。
ｈ＝ｋ（９ｄ２−４ｎ２λ２）／８ｎλ
＝ｋ×｛λ（２ｍ＋１）／４−０．３ｄ｝      …（３）
【００５３】
ホーン４の設定条件（１），（２）における高さｈのずれの許容範囲について、図６（ａ），（ｂ）を用いて説明する。図６（ａ）は、中心音圧の増大効果の有効度に基づく許容範囲を例示する図表である。図６（ｂ）は、使用温度に基づく許容範囲を例示する図表である。
【００５４】
図６（ａ）では、設定条件（１），（２）に従うホーン４による中心音圧の増大効果について、上記の理想的な設定値を最大１００％とする有効度を８０％以上に保つ観点から、高さｈのずれの計算値と実測値とを示している。当該ずれの計算値は、下記の考え方により算出した。
【００５５】
即ち、条件（１）について、高さｈがずれることにより、直進行路６１と反射行路６２（図４）間の行路差が変化し、第１及び第２の波５１，５２間に位相差が生じることとなる。そこで、音圧の増大効果の有効度が、位相差０のときの１００％から、位相差π／２のときに０％になるという考え方から、高さｈのずれの計算値を算出した。位相差０〜π／２の区間中の計算には、正弦曲線を用いた。
【００５６】
また、条件（２）については、上記のようにｍ＝５の場合、定在波５０（図５）が６つの腹を有し、高さｈに開口端補正を行うと１１／４λになる。この場合、高さｈが１／１１λずれると開口部４０近傍が節となり、中心音圧が減少する（即ち有効度０％）と考えられる。なお、図６（ａ）では、条件（１）の考え方による計算結果を示す。
【００５７】
以上の考え方によると、図６（ａ）に示すように、中心音圧の増大効果について、有効度に応じた計測値が、実測値に良く整合して得られた。図６（ａ）によると、例えば有効度９０％以上の中心音圧の増大効果を得るための高さｈの許容誤差は、±２．５％程度になり、ｋ＝１±０．０２５となる。
【００５８】
また、高さｈ等の許容誤差は、超音波発生装置３が使用される際の温度の観点から設定されてもよい。空気の温度が変わると音速が変化することから、超音波発生装置３が出力する超音波の波長λは、超音波の周波数が一定であっても、使用温度に応じて変動する。
【００５９】
図６（ｂ）では、２０℃の場合に式（１），（２）から導出される高さｈを基準として、想定される種々の使用温度において高さｈがずれる影響、及び上記の音圧の増大効果の減少率を示している。
【００６０】
超音波発生装置３および超音波発生アレイ１０の使用温度としては、例えば０〜４０℃、好適には１０〜３０℃、より好適には１５〜２５℃が想定される。例えば使用温度が０〜４０℃において変化すると、図６（ｂ）に示すように、使用温度毎に理想的な高さｈが−４．９％〜＋５．２％の範囲で変動することとなる。このような観点から、例えば基準とする２０℃の高さｈの理想的な設定値から±５％を高さｈのずれの許容範囲として（即ちｋ＝１±０．０５）、超音波発生装置３が製造されてもよい。
【００６１】
また、超音波発生アレイ１０に使用する超音波素子３０に応じてホーン４を設計する場合、開口径ｄは、ホーン４で集音する放射角の範囲が、超音波素子３０のサイドローブ（図３）を包含するように決定されてもよい。例えば、上記の角度θ（図４）がサイドローブの放射角以上に設計されることにより、集音効果を高められる。また、開口径ｄの決定には、超音波発生アレイ１０の製造上、許容される素子数及び面積等が考慮されてもよい。
【００６２】
以上の説明では、ホーン４の内壁４２が中心軸３５に対して傾斜していない場合について説明したが、内壁４２は傾斜を有してもよい。この場合、内壁４２上で反射する第２の波５２の反射位置Ｐ３及び反射行路６２等を考慮して、直進行路６１と反射行路６２間の差分が波長λのｎ倍となるようにホーン４が設定される（条件（１））。これにより、上記の場合と同様に、開口面４０ｓにおいて第１及び第２の波５１，５２を同位相にして、強め合いを生じさせることができる。
【００６３】
２．動作
以上のように構成される超音波触感提示装置１及び超音波発生装置３の動作について、以下説明する。
【００６４】
本実施形態の超音波触感提示装置１（図１）は、例えば立体的なオブジェクト又は操作インタフェース等が空中に設定された状態において、コントローラ１１により超音波発生アレイ１０を制御する。コントローラ１１は、設定されたオブジェクト等の位置および形状などに応じて触感を再現するための制御信号を生成し、超音波発生アレイ１０の駆動回路１２に制御信号を出力する。駆動回路１２は、制御信号に基づき各超音波発生装置３を駆動する。これにより、超音波の音圧によって、オブジェクト等を触れたり操作したりする触感を利用者に提示することができる。
【００６５】
本実施形態の超音波発生装置３によると、上記の設定条件を満たすホーン４を用いることにより、触感を提示するための超音波の音圧を強めて、超音波触感提示装置１によって提示される触感を強くすることができる。また、個々の超音波発生装置３による音圧を強めることにより、超音波発生アレイ１０に含まれる超音波発生装置３の個数を低減することができる。
【００６６】
２−１．シミュレーション及び検討実験について
本願発明者は、本実施形態の超音波発生装置３による効果を確認するための数値解析によるシミュレーション、及び検討実験を行った。本願発明者による解析シミュレーション及び検討実験について、図７〜１０を用いて説明する。
【００６７】
図７は、超音波発生装置３の解析シミュレーションにおける第１のシミュレーション結果を示す。図８は、第２のシミュレーション結果を示す。図９は、超音波発生装置３についての第１の検討実験の結果を示す。図１０は、第２の検討実験の結果を示す。
【００６８】
図７，８の解析シミュレーションにおいては、超音波発生装置３におけるホーン４の長さＬ等の寸法を変化させ、各種寸法のホーン４周囲の空間における音圧を数値計算した。図７（ａ）〜８（ｂ）においては、超音波発生装置３における中心軸３５から＋Ｘ側の様子を示している。
【００６９】
図７（ａ）は、上述した条件（１）を満たす場合の第１のシミュレーション結果を示す。図７（ｂ）は、条件（１）を満たさない場合の第１のシミュレーション結果を示す。
【００７０】
条件（１）を満たす場合、上述した第１及び第２の波５１，５２（図４）間の強め合いが、ホーン４の＋Ｚ側の出口となる開口面４０ｓ近傍で生じる。これにより、図７（ａ）に示すように、ホーン４の出口から＋Ｚ方向の延長線上に強い音圧の波が出力されている。
【００７１】
一方、同相条件（１）を満たさない場合、上記のような波の強め合いが生じない。このため、図７（ｂ）に示すように、ホーン４を出た波が、ホーン４よりも＋Ｘ側など、外側に広がっている。よって超音波の音圧が、ホーン４から＋Ｚ方向に離れるほど分散されることとなる。
【００７２】
図８（ａ），（ｂ）は、それぞれ条件（１）を満たす場合と満たさない場合との第２のシミュレーション結果を示す。図８（ａ）は、条件（１）を満たす場合において、第３の波５３の位相が、開口面４０ｓにおいて第１及び第２の波５１，５２と逆位相になったときのシミュレーション結果を示している。第３の波５３は、超音波素子３０からの超音波において、ホーン４内部で反射した後、開口面４０ｓの中心に到達する波である。
【００７３】
上記の場合、第３の波５３の重畳により、図８（ａ）に示すようにホーン４の開口面４０ｓの中心近傍では音圧は強くなっていない。しかしながら、第１及び第２の波５１，５２間の強め合いは生じていることから、ホーン４の出口から＋Ｚ方向の延長線上には、強い音圧の波が出力されている。以上のように、同相条件（１）によると、ホーン４の中心軸３５の方向に強い音圧の波を出力できることが確認された。
【００７４】
第１の検討実験（図９）においては、ホーン４の長さＬ及び開口径ｄを変化させながら、音圧の測定を行った。この際、超音波素子３０の高さは変えず、高さｈを変化させた。測定時の温度は２１℃であり、超音波素子３０の駆動条件は４３．５ｋＨｚ且つ２５Ｖｐ−ｐであった。
【００７５】
第１の検討実験においては、長さＬを０．１ｍｍ毎に変化させて音圧の測定を行った。音圧の測定値としては、５素子間の平均値を用いて、各々の中心音圧（即ち放射角０°の音圧）を測定した。ホーン４がない場合の中心音圧を１とする正規化を行った。なお、ｄ＝１２．２５，１２．７５のときについては実測の代わりに、それぞれｄ＝１２及び１２．５のときの測定値の平均値、並びにｄ＝１２．５及び１３の平均値によって補間した。
【００７６】
図９では、（ｄ，ｈ）の２次元座標において、測定結果の音圧の分布（等高線）を示している（図１０も同様）。また、図９では、上述のホーン４の設定条件（１），（２）を満たす区間を示している。第１の検討実験によると、図９に示すように、条件（１）を満たして、且つ条件（２）を満たす場合に、より強い音圧を得られることが確認された。
【００７７】
第２の検討実験においては、第１の検討実験と同様の音圧の測定を、長さＬを０．５ｍｍ毎に変化させて行った。未測定の領域については、音圧の増減が指数関数的であることを仮定して補間することにより、図１０の実験結果が得られた。図１０に示すように、第２の検討実験によると、第１の検討実験と同様に、本実施形態の超音波発生装置３におけるホーン４の設定条件（１），（２）によって、中心音圧を強められることが確認できた。
【００７８】
３．まとめ
以上のように、本実施形態に係る超音波発生装置３は、超音波素子３０と、ホーン４とを備える。超音波素子３０は、所定の周波数を有する超音波を発生する。ホーン４は、超音波素子３０が超音波を放出する放音面（上面３０ｓ）を囲むように配置される。ホーン４は、超音波素子３０の放音面に対向する開口面４０ｓを形成する開口端４１を有する。超音波素子３０の放音面とホーン４の開口面４０ｓ間の距離ｈと、開口端４１の開口径ｄと、超音波の周波数に対応する波長λとが、上述した式（１）で表される条件を満たす（図４参照）。
【００７９】
以上の超音波発生装置３によると、超音波発生装置３のホーン４の開口面４０ｓにおいて、第１及び第２の波５１，５２の位相を揃えて強め合いを生じさせ、超音波発生装置３から放出する超音波の音圧を強めることができる。
【００８０】
本実施形態における超音波発生装置３では、距離ｈと開口径ｄと波長λとが、上述した式（２）で表される条件を満たす（図５参照）。これにより、ホーン４において定在波５０を生じさせ、超音波の音場を強くすることができる。
【００８１】
本実施形態における超音波発生装置３では、式（１）及び（２）で表される条件は、距離ｈの大きさの±５％の範囲内で成立する。これにより、実用上、充分に音圧を増大する効果を得られる。
【００８２】
また、本実施形態において、超音波発生装置３は、超音波素子３０と、開口端４１及び内壁４２を有するホーン４とを備える。ホーン４の内壁４２は、開口面４０ｓから放音面までの空間を囲む。放音面と開口面４０ｓ間の距離である直進距離と、放音面から内壁４２上の反射位置Ｐ３を介して開口端４１に到る距離である反射距離との間の差分が、超音波の周波数に対応する波長λの整数倍となるように、ホーン４が配置されている。以上の超音波発生装置３によっても、第１及び第２の波５１，５２の強め合いを生じさせ、超音波発生装置３から放出する超音波の音圧を強めることができる。
【００８３】
本実施形態における超音波発生アレイ１０は、超音波発生装置３を複数、備える。複数の超音波発生装置３は、アレイ状に配置される。本実施形態の超音波発生アレイ１０によると、超音波発生装置３によって、放出する超音波の音圧を強めることができる。
【００８４】
本実施形態における超音波触感提示装置１は、超音波発生アレイ１０と、コントローラ１１とを備える。コントローラ１１は、超音波発生アレイ１０から生じる超音波によって、利用者に触感を提示するように、超音波発生アレイ１０を制御する。本実施形態の超音波触感提示装置１によると、超音波発生アレイ１０における複数の超音波発生装置３によって、触感を提示するための超音波の音圧を強めることができる。
【００８５】
（実施形態２）
実施形態２では、複数の超音波発生装置のホーンが一体的に構成される超音波発生アレイについて、図１１〜１３を参照して説明する。
【００８６】
図１１は、実施形態２に係る超音波発生アレイ１０Ａの構成例を示す図である。本実施形態に係る超音波発生アレイ１０Ａは、実施形態１の超音波発生アレイ１０（図１）と同様の構成において複数のホーン４の代わりに、複数のホーン部４ａが一体的に形成された一体化ホーン４Ａを備える。一体化ホーン４Ａの各ホーン部４ａは、それぞれ実施形態１のホーン４と同様に、個別の超音波素子３０に対応して、設定条件（１），（２）を満たすように各種寸法を設定される。
【００８７】
超音波発生アレイ１０Ａにおける複数の超音波素子３０として同じ設計の素子が用いられる場合、各々の波長は略一定であり、高さｈ及び開口径ｄなどの設定値が、アレイ中で一定値になることが考えられる。この場合、一体化ホーン４Ａは、複数のホーン部４ａ間で共通の設定値により設計可能であり、超音波発生装置３の製造を容易化できる。
【００８８】
図１１（ａ），（ｂ）は、それぞれ一体化ホーン４Ａの取り付け前後における超音波発生アレイ１０Ａの平面図を示す。図１１（ａ）に示すように、複数の超音波素子３０は、例えば平面状の基板１３上に並べて配置される。図１１（ｂ）に示すように、一体化ホーン４Ａは、各ホーン部４ａがそれぞれ超音波素子３０に対向するように、基板１３の上に取り付けられる。
【００８９】
本実施形態の超音波発生アレイ１０Ａによると、超音波素子３０毎のホーン部４ａを一体化ホーン４Ａに一体化することにより、ホーン部４ａ毎の壁厚を薄く形成でき、複数のホーン部４ａによる占有面積を低減できる。
【００９０】
本実施形態の超音波発生アレイ１０Ａは、図１１の構成例に限らず、種々の構成を採用できる。例えば、超音波発生アレイ１０Ａにおいて、全てのホーン部４ａが一体化されてもよいし、一部のホーン部４ａが一体化されてもよい。本実施形態に係る超音波発生アレイ１０Ａの変形例１，２を、図１２，１３を用いて説明する。
【００９１】
図１２は、実施形態２の変形例１に係る超音波発生アレイ１０Ｂの構成を示す。以下では、超音波発生アレイ１０Ｂの中央に位置する超音波発生装置３の中心軸３５の方向をＺ方向とする（図１２（ｂ）参照）。
【００９２】
図１２（ａ）は、Ｚ方向から見た超音波発生アレイ１０Ｂの平面図を示す。図１２（ｂ）は、Ｙ方向から見た超音波発生アレイ１０Ｂの側面図を示す。
【００９３】
本変形例の超音波発生アレイ１０Ｂは、図１１の構成例における一体化ホーン４Ａの代わりに、図１２（ａ），（ｂ）に示すように、椀形状を有する一体化ホーン４Ｂを備える。本変形例では、一体化ホーン４Ｂの椀形状における球面状の底部に、超音波発生アレイ１０Ｂの全てのホーン部４ａが配置されるように、一体化ホーン４Ｂが形成されている。
【００９４】
図１３は、実施形態２の変形例２に係る超音波発生アレイ１０Ｃの構成を示す。図１３（ａ）は、超音波発生アレイ１０Ｃの平面図を示す。図１３（ｂ）は、超音波発生アレイ１０Ｃの側面図を示す。
【００９５】
本変形例の超音波発生アレイ１０Ｃは、図１３（ａ），（ｂ）に示すように、Ｘ方向に並んだ複数の一体化ホーン４Ｃを備える。また、超音波発生アレイ１０Ｃ中の超音波素子３０は、Ｘ方向に並んだ複数の基板１４に分割して配置される。各基板１４の長手方向は、Ｙ方向に向いている。
【００９６】
本変形例において、複数の一体化ホーン４Ｃは、図１３（ａ）に示すように基板１４上に配置され、基板１４毎の複数の超音波素子３０のホーン部４ａを一体化している。超音波発生アレイ１０Ｃは、例えば図１３（ｂ）に示すように複数の基板１４を互いに傾けて配置することで、舟形に構成される。
【００９７】
以上のように、本実施形態における超音波発生アレイ１０Ａ〜１０Ｃでは、複数の超音波発生装置３のうちの一部又は全ての超音波発生装置３のホーン部４ａが、一体的に形成される。これにより、超音波発生アレイ１０Ａ〜１０Ｃを小型化できる。
【００９８】
（実施形態３）
実施形態３では、複数の超音波発生装置からの超音波の集束位置を有する超音波発生アレイについて、図１４〜１５を参照して説明する。
【００９９】
図１４は、実施形態３に係る超音波発生アレイ１０Ｂ’の構成例を示す。図１４（ａ），（ｂ）は、それぞれ超音波発生アレイ１０Ｂ’の平面図及び側面図を示す。
【０１００】
図１４に示す超音波発生アレイ１０Ｂ’では、図１２と同様の構成において、全ての超音波発生装置３の中心軸３５が＋Ｚ側の空間中の１箇所の交点Ｐ１０で交わるように、一体化ホーン４Ｂにおいて各ホーン部４ａが形成されている。交点Ｐ１０は、超音波の音圧を集中させる集束位置の一例である。
【０１０１】
各超音波素子３０の音圧分布は、放射角０°の中心軸３５方向に最も大きい中心音圧を有することから、本実施形態では、複数の超音波発生装置３を、互いに中心軸３５を合わせるように設置する。具体的には、超音波発生装置３の中心軸３５の交点Ｐ１０を超音波発生アレイ１０Ｂ’の近傍等の所望の集束位置に形成する。
【０１０２】
本実施形態の超音波発生アレイ１０Ｂ’によると、個々の超音波発生装置３で最も大きい中心音圧を集中させた交点Ｐ１０の音圧を利用することで、触感提示等の出力としての音圧を増強したり、超音波素子３０の個数を削減したりすることができる。
【０１０３】
以上のような超音波発生アレイ１０Ｂ’における交点Ｐ１０の個数は、複数であってもよい。本変形例について、図１５を用いて説明する。
【０１０４】
図１５は、実施形態３の変形例に係る超音波発生アレイ１０Ｃ’の構成を示す。図１５（ａ），（ｂ）は、それぞれ超音波発生アレイ１０Ｃ’の平面図及び側面図を示す。
【０１０５】
図１５に示す超音波発生アレイ１０Ｃ’は、図１３と同様の構成において、別々の基板１４上でＸ方向に並んだ１組の超音波発生装置３の中心軸３５が、それぞれ１交点Ｐ１０で交わるように、基板１４の傾きを調整されている。これにより、本変形例の超音波発生アレイ１０Ｃ’は、図１５（ａ）に示すように、Ｙ方向に並んだ複数の交点Ｐ１０を有する。
【０１０６】
以上のように、本実施形態における超音波発生アレイ１０Ｂ’，１０Ｃ’では、複数の超音波発生装置３が、それぞれ超音波を放出する中心軸３５を有する。複数の超音波発生装置３のうちの一部又は全ての超音波発生装置３の中心軸３５が、互いに交わる交点Ｐ１０を有する。これにより、複数の超音波発生装置３からの音圧を交点Ｐ１０に集中させることで、超音波発生アレイ１０Ｃ’の出力の音圧を強くしたり、素子数を減らして小型化したりすることができる。
【０１０７】
また、超音波発生アレイ１０Ｂ’，１０Ｃ’は、駆動回路１２（図１）等で複数の超音波発生装置３からの超音波の位相を制御することにより、交点Ｐ１０以外にも音圧を集中させることもできる。
【０１０８】
（実施形態４）
実施形態４では、複数の超音波発生装置から集束位置までの距離を揃えた超音波発生アレイについて、図１６〜１７を参照して説明する。
【０１０９】
図１６は、実施形態４に係る超音波発生アレイ１０Ｂ”の構成例を示す側面図である。図１６に示す超音波発生アレイ１０Ｂ”では、図１４と同様の構成において、全ての超音波発生装置３から交点Ｐ１０までの距離Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３が等しくなるように、一体化ホーン４Ｂが形成されている。超音波発生装置３毎の交点Ｐ１０までの距離Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３は、例えば各超音波発生装置３の放音面を基準に設定される。
【０１１０】
本実施形態において、超音波発生アレイ１０Ｂ”の駆動回路１２（図１参照）は、例えば全ての超音波発生装置３に共通の信号を同時に出力して、超音波発生装置３を駆動する。これにより、各超音波発生装置３からの超音波は交点Ｐ１０において同じ位相になり、交点Ｐ１０において強め合う音圧を得ることができる。
【０１１１】
例えば超音波触感提示装置１では触感提示の音圧を大きくするために、駆動回路１２によって、複数の超音波発生装置３からの超音波の位相を合わせる位相制御を行うことが考えられる。本実施形態の超音波発生アレイ１０Ｂ”によると、超音波発生装置３毎の交点Ｐ１０までの距離Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３が揃っていることから、複雑な位相制御の回路構成を用いることなく駆動回路１２を構成することができる。
【０１１２】
超音波発生アレイ１０Ｂ”における交点Ｐ１０までの距離Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３は、超音波の波長分、ずらして設定されてもよい。実施形態４の変形例について、図１７を用いて説明する。図１７は、実施形態４の変形例に係る超音波発生アレイ１０Ｃ’の構成を示す。
【０１１３】
図１７に示す超音波発生アレイ１０Ｃ”は、図１５と同様の構成において、交点Ｐ１０をそれぞれ共有する超音波発生装置３の組において、交点Ｐ１０までの距離Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３を設定するように、基板１４の位置が調整されている。距離Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３の差分は、超音波の波長λの整数倍となるように設定される。この場合においても、上記と同様に、交点Ｐ１０において同位相の超音波により強め合う音圧を得られる。
【０１１４】
以上のように、本実施形態において、超音波発生アレイ１０Ｂ”，１０Ｃ”は、複数の超音波発生装置３を駆動する駆動回路１２（図１）を備える。交点Ｐ１０において各々の中心軸３５が交わる超音波発生装置３の組の間で、各超音波発生装置３から交点Ｐ１０までの距離Ｄ１〜Ｄ３の差分が波長λの整数倍になるように、超音波発生装置３の組が配置される。駆動回路１２は、超音波発生装置３の組を同時に駆動する。これにより、複雑な位相制御を行うことなく、交点Ｐ１０における音圧を強めることができる。
【０１１５】
（他の実施形態）
以上のように、本出願において開示する技術の例示として、実施の形態１〜４を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、適宜、変更、置換、付加、省略などを行った実施の形態にも適用可能である。また、上記各実施形態で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。
【０１１６】
以上のように、本開示における技術の例示として、実施形態を説明した。そのために、添付図面及び詳細な説明を提供した。
【０１１７】
したがって、添付図面及び詳細な説明に記載された構成要素の中には、課題解決のために必須な構成要素だけでなく、上記技術を例示するために、課題解決のためには必須でない構成要素も含まれ得る。そのため、それらの必須ではない構成要素が添付図面や詳細な説明に記載されていることをもって、直ちに、それらの必須ではない構成要素が必須であるとの認定をするべきではない。
【０１１８】
また、上述の実施形態は、本開示における技術を例示するためのものであるから、特許請求の範囲またはその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。
【符号の説明】
【０１１９】
１    超音波触感提示装置
１０，１０Ａ〜１０Ｃ”    超音波発生アレイ
１１    コントローラ
３    超音波発生装置
３０    超音波素子
３５    中心軸
４    ホーン
４０    開口部
４１    開口端
４２    内壁
【図１】
2019129504.tif 000003
【図２】
2019129504.tif 000004
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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