(57)【要約】      （修正有）【課題】周波数が２０ｋＨｚ以上１２０ｋＨｚ以下の領域において、音圧レベルが９５ｄＢ／ｍ以上の超音波を出力することができる超音波放射器を提供する。【解決手段】超音波を発振するボルト締め振動素子２と、ボルト締め振動素子２に取り付けられ、ボルト締め振動素子２が発振した超音波を伝送し、放射するためのホーン３からなる超音波放射器１であって、ホーン３は、先細り形状であり、ホーン３から放射された超音波が、周波数が２０ｋＨｚ以上１２０ｋＨｚ以下の領域において、音圧レベルが９５ｄＢ／ｍ以上となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波を発振するボルト締め振動素子と、該ボルト締め振動素子に取り付けられ、前記ボルト締め振動素子が発振した超音波を伝送し、放射するためのホーンからなる超音波放射器であって、
前記ホーンは、先細り形状であり、
前記ホーンから放射された超音波が、周波数が２０ｋＨｚ以上１２０ｋＨｚ以下の領域において、音圧レベルが９５ｄＢ／ｍ以上となるものであることを特徴とする超音波放射器。
【請求項２】
前記ホーンは、カテノイダル形状、コニカル形状、ステップ形状、エックスポーネンシャル形状、及び卵型形状のいずれかのものであることを特徴とする請求項１に記載の超音波放射器。
【請求項３】
前記ボルト締め振動素子と、前記ホーンの間に金属板を挟み込んだものであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の超音波放射器。
【請求項４】
前記金属板は、平板形状、皿形状または椀形状のものであることを特徴とする請求項３に記載の超音波放射器。
【請求項５】
前記ボルト締め振動素子は、基本周波数及び、基本周波数の３倍の周波数で発振するものであることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の超音波放射器。
【請求項６】
前記超音波放射器は防水構造のものであることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の超音波放射器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波放射器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、液体中に超音波を照射して超音波洗浄を行う超音波洗浄器が知られている（例えば、特許文献１参照）。このようなを超音波を発生させる装置では、一般的に、振動素子に電圧を印加して振動素子を発振させることで、可聴域よりも高い周波数領域の音を発することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−１６５９１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、強力な超音波を空気中に放射し、植物や野菜等に照射して利用することが検討されている。これに関し、オーディオ用の高域スピーカー（以下、スーパーツイーターともいう）における、スーパーツイーターから発せられる超音波の周波数ごとの音圧レベルを調査したところ、図１８に示すようなものであった。図１８に示すように、２０ｋＨｚ以上の領域において、音圧レベルが９５ｄＢ/ｍ以上の超音波を発することは従来できなかった。
【０００５】
また、超音波レベル計などに使用されているセラミック円盤素子は、高周波数を発することはできるが、連続定格使用に耐えることができないという問題がある。
【０００６】
本発明は前述のような問題に鑑みてなされたもので、周波数が２０ｋＨｚ以上１２０ｋＨｚ以下の領域において、音圧レベルが従来より高い超音波を出力することができる超音波放射器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】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明によれば、超音波を発振するボルト締め振動素子と、該ボルト締め振動素子に取り付けられ、前記ボルト締め振動素子が発振した超音波を伝送し、放射するためのホーンからなる超音波放射器であって、
前記ホーンは、先細り形状であり、
前記ホーンから放射された超音波が、周波数が２０ｋＨｚ以上１２０ｋＨｚ以下の領域において、音圧レベルが９５ｄＢ／ｍ以上となるものであることを特徴とする超音波放射器を提供する。
【０００８】
このようなものであれば、ホーンから放射された超音波を、周波数が２０ｋＨｚ以上１２０ｋＨｚ以下の領域において、音圧レベルを９５ｄＢ／ｍ以上とすることができる。
【０００９】
このとき、前記ホーンは、カテノイダル形状、コニカル形状、ステップ形状、エックスポーネンシャル形状、及び卵型形状のいずれかのものであることが好ましい。
このようなものであれば、音圧レベルを確実に高いものとすることができる。さらに、ホーンが卵型形状であれば、ホーンから放射された超音波を無指向性とすることができる。
【００１０】
またこのとき、前記ボルト締め振動素子と、前記ホーンの間に金属板を挟み込んだものであることが好ましい。
このようなものであれば、ホーンから放射される超音波の放射角度を広くして、指向性を無指向性とすることができる。
【００１１】
また、このとき前記金属板は、平板形状、皿形状または椀形状のものであることが好ましい。
このようなものであれば、ホーンから放射される超音波の放射角度を広くして、指向性を無指向性とすることがより確実にできる。
【００１２】
またこのとき、前記ボルト締め振動素子は、基本周波数及び、基本周波数の３倍の周波数で発振するものであることが好ましい。
このように、ボルト締め振動素子が発振する周波数として、上記のような周波数を好適に使用することができる。
【００１３】
またこのとき、前記超音波放射器は防水構造のものであるとすることができる。
このようなものであれば、超音波放射器を水中で駆動させることが可能である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の超音波放射器は、周波数が２０ｋＨｚ以上１２０ｋＨｚ以下の領域において、音圧レベルが９５ｄＢ／ｍ以上の超音波を出力することができる。従って、強力な超音波が要求される用途において好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係るの一例を示した概略図である。
【図２】本発明の超音波放射器で用いることができるホーンの形状（カテノイダル形状）の一例を示した概略図である。
【図３】本発明の超音波放射器で用いることができるホーンの形状（コニカル形状）の一例を示した概略図である。
【図４】本発明の超音波放射器で用いることができるホーンの形状（ステップ形状）の一例を示した概略図である。
【図５】本発明の超音波放射器で用いることができるホーンの形状（エックスポーネンシャル形状）の一例を示した概略図である。
【図６】本発明の超音波放射器で用いることができるホーンの形状（卵型形状）の一例を示した概略図である。
【図７】本発明の超音波放射器において、ボルト締め振動素子とホーンとの間に金属板を挿入した場合の一例を示した概略図である。
【図８】本発明の超音波放射器において、ボルト締め振動素子とホーンとの間にブースターを設けた場合の一例を示した概略図である。
【図９】本発明の超音波放射器における、防水構造の一例を示した概略図である。
【図１０】本発明の超音波放射器における、別の防水構造の一例を示した概略図である。
【図１１】実施例１において、超音波放射器から放射された超音波の音圧レベルを測定する方法を説明するための概略図である。
【図１２】実施例２において、超音波放射器から放射された超音波の音圧レベルを測定する方法を説明するための概略図である。
【図１３】実施例２において、超音波放射器から放射された超音波の音圧レベルを測定する別の方法を説明するための概略図である。
【図１４】実施例２において、超音波放射器から放射された超音波の音圧レベルを測定した結果を示す図である。
【図１５】実施例３において、超音波放射器から放射された超音波の音圧レベルを測定する方法を説明するための概略図である。
【図１６】実施例３において、超音波放射器から放射された超音波の音圧レベルを測定した結果を示す図である。
【図１７】実施例３において、超音波放射器から放射された超音波の音圧レベルを測定する別の方法を説明するための概略図である。
【図１８】スーパーツイーターから発せられる超音波の周波数ごとの音圧レベルを示したグラフである。
【図１９】実施例４におけるボルト締め振動素子の共振特性の測定結果を示したグラフである（４０ｋＨｚ）。
【図２０】実施例４におけるボルト締め振動素子の共振特性の測定結果を示したグラフである（約１２０ｋＨｚ）。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明について実施の形態を説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
上述したように、従来、周波数が２０ｋＨｚ〜１２０ｋＨｚ以内の領域において、音圧レベルが９５ｄＢ／ｍ以上の超音波を出力することができる超音波放射器は存在しなかった。
【００１７】
そこで、本発明者らはこのような問題を解決すべく鋭意検討を重ねた。その結果、ボルト締め振動素子に、先細り形状のホーンを取り付けることで、音圧を高くすることができることに想到した。そして、これらを実施するための最良の形態について精査し、本発明を完成させた。
【００１８】
図１に示すように、本発明の超音波放射器１は、超音波を発振するボルト締め振動素子２と、ボルト締め振動素子２に取り付けられ、ボルト締め振動素子２が発振した超音波を伝送し、放射するためのホーン３からなるものである。ホーン３の形状はホーン３の先端が細くなっているような、先細り形状となっている。このような先細り形状のホーン３を用いることで、ホーンから放射される超音波を、周波数が２０ｋＨｚ以上１２０ｋＨｚ以下の領域において、音圧レベルを９５ｄＢ／ｍ以上、さらには、１００ｄＢ／ｍ以上とすることができる。
【００１９】
上記したように、ホーンから周波数が２０ｋＨｚ以上１２０ｋＨｚ以下の領域において、音圧レベルが９５ｄＢ／ｍ以上の超音波を放射することができるので、音圧レベルが高い超音波を、例えば植物や野菜の成長過程で照射することができる、これによって、病気に強い作物や、質の良い作物を作る研究に使用することができる。
また、昆虫や蛾、小動物に超音波を照射することで逃避、退散させたり、弱体化させることの研究に、また胞子やカビなど菌類に照射させる等、多々利用することができる。
【００２０】
ホーン３の形状は、先細り形状のものであれば特に限定されないが、具体的には、カテノイダル形状のホーン３ａ（図２参照）、コニカル形状のホーン３ｂ（図３参照）、ステップ形状のホーン３ｃ（図４参照）、エックスポーネンシャル形状のホーン３ｄ（図５参照）、及び卵型形状のホーン３ｅ（図６参照）のいずれかのものとすることができる。
このようなものであれば、ホーンから放射される超音波の音圧レベルを確実に高いものとすることができる。
さらに、ホーン３が卵型形状のホーン３ｅとすれば、ホーン３ｅから放射された超音波の指向性を無指向性とすることができる。このように、超音波を無指向性で放射することができれば、超音波を同時に広範囲に伝達することができる。これにより、超音波通信において、具体的には、例えばリモコン操作における方向指定をなくすことができる。
【００２１】
図２、図３、図５に示すような、カテノイダル形状のホーン３ａ、コニカル形状のホーン３ｂ、エックスポーネンシャル形状のホーン３ｄの形状は、後端から先端に向かって、曲線又は直線からなる先細りの形状となっている。
図４に示すような、ステップ形状のホーン３ｃの形状は、後端側の太い部分と、先端側の細い部分からなる先細りの形状となっている。
図６に示すように卵型形状のホーン３ｅは、先端に向かって先細りの曲線形状となっており、且つ、後端に向かっても、先細りの曲線形状となっている。なお、後端は、取り付けのために平らに加工されている。
【００２２】
ホーン３の材質は特に限定されないが、例えば、アルミ、ステンレス、鉄、チタン材等の金属を好適に用いることができる。
ホーン３の長さは、発生する超音波の波長のほぼ１／２波長のものを好適に使用することができる。
【００２３】
図７に示すように、超音波放射器１ａは、ボルト締め振動素子２とホーン３の間に金属板４を挟み込んだものとすることができる。このようなものであれば、ホーン３から放射される超音波の放射角度を広くすることができるので、指向性を無指向性とすることができる。
【００２４】
ホーン３の長さを上記したような、発生する超音波の波長のほぼ１／２波長のものを用いた場合、ボルト締め振動素子２とホーン３の間に挟み込んだ金属板４の位置は、音響工学的に、発生する超音波の振動振幅が最大となる腹の位置となる。
【００２５】
金属板４の形状は特に限定されないが、例えば、平板形状、皿形状または椀形状とすることができる。このようなものであれば、ホーン３から放射される超音波の放射角度を広くすることができるので、指向性を無指向性とすることがより確実にできる。
金属板４の材質は特に限定されないが、例えば、ステンレス鋼等を好適に用いることができる。
【００２６】
図８に示すように、ボルト締め振動素子２とホーン３ｅの間にブースター５を設けたような超音波放射器１ｂとしてもよい。このようなものであれば、ボルト締め振動素子２が発振した超音波の振幅を、ブースター５により拡大することができるので、より高い音圧をより確実に得ることができる。
なお、図８では、卵型形状のホーン３ｅの場合を例に記載したが、ほかの形状のホーンを用いて、ボルト締め振動素子とホーンの間にブースターを設けてもよい。
【００２７】
なお、上記したような金属板４（図７を参照）とブースター５（図８を参照）を併用することも可能である。
【００２８】
超音波放射器は防水構造のものとすることができる。
具体的には、例えば、図９に示すような、防水構造の超音波放射器１ｃとすることができる。超音波放射器１ｃのホーン３の中央部付近のノードの位置は、フランジ６が設けられている。フランジ６に設けられたカバー取り付け孔（不図示）を介して、フランジ６に防水用のカバー７を取り付けることができる。この際に、フランジ６とカバー７の隙間にパッキン８を挿入することで、防水機能をより高くすることができる。
【００２９】
また、図８に示すような、ボルト締め振動素子２とホーン３の間に、ブースター５を設けた場合には、ブースター５にフランジ６を設けることができる。そして、図１０に示すように、フランジ６に設けられたカバー取り付け孔（不図示）を介して、防水用のカバー７を取り付けた超音波放射器１ｄとすることができる。この際に、フランジ６とカバー７の隙間にパッキン８を挿入することで、防水機能をより高くすることができる。
このように、ブースター５にフランジ６を設ければ、ホーン３にフランジを設けなくとも良いので、防水用のカバー７を容易に取り付けることができる。
【００３０】
上記のような防水構造の超音波放射器１ｃ（図９参照）、超音波放射器１ｄ（図１０参照）であれば、水中で駆動させることが可能となる。これにより、洗浄、分散、混合、剥離等、幅広い用途で利用することが可能である。特にウェット洗浄において、箱形のものは、一般に箱の内側洗浄が難しいが、図１０のような卵型形状のホーン３ｅを使用した超音波放射器１ｄであれば、ホーン３ｅから放射された超音波は上記したように無指向性であるため、箱の隅々まで強い振動を伝えることができるので、ウェット洗浄に好適に用いることができる。
【００３１】
なお、ボルト締め振動素子２は、基本周波数及び、基本周波数の３倍の周波数で発振するものとすることができる。
ボルト締め振動素子２は、非常にＱ値の高い共振特性を持っているため、基本周波数及び、基本周波数の３倍の周波数でも好適に動作を行うことができる。
また、ボルト締め振動素子２であれば、連続定格で使用することができる。
また、ボルト締め振動素子２に発振器から供給する電力は、数Ｗ程度の低出力で音圧レベル９５ｄＢ／ｍ以上、さらには、１００ｄＢ／ｍ以上の超音波を発することができる。
【実施例】
【００３２】
以下、本発明の実施例及び比較例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００３３】
（実施例１）
図１に示すような基本周波数４０ｋＨｚのボルト締め振動素子２と、ホーン３を有する本発明の超音波放射器１を用意した。そして、超音波放射器１の、ボルト締め振動素子２を基本周波数の３倍の周波数で発振させたときに、ホーン３から放射された超音波の音圧レベルの測定を行った。
ホーン３の形状は、コニカル形状のものを用い、ホーン３の長さは、発生する超音波の波長のほぼ１／２波長のものを使用した。ホーン３の材質は、アルミ材のものを使用した。
【００３４】
音圧レベルの測定は、ボルト締め振動素子２を周波数１２０ｋＨｚで発振させた際に、図１１に示すように、床から垂直方向に高さＨだけ上方にある超音波放射器１から放射される超音波を、超音波放射器１から水平方向に距離Ｌだけ離れた位置にあるマイクロフォン９により音圧を測定した。さらに、マイクロフォン９を左右に動かした場合の音圧レベルも測定した。測定の結果を表１に示した。
【００３５】
【表１】
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【００３６】
表１に示すように、超音波放射器１は指向性はあるものの、音圧レベル９５ｄＢ／ｍ以上の超音波を放射することができた。
ホーン３から放射された超音波の放射角度を求めたところ、発振周波数１２０ｋＨｚでは、指向性が１０°であった。
【００３７】
ボルト締め振動素子３を周波数４０ｋＨｚで発振させて、上記と同様にして測定を行ったところ、超音波放射器１とマイクロフォン９の距離Ｌが０．３ｍの場所での音圧レベルは１２５．０ｄＢ／ｍ、また、距離Ｌが０．７ｍの場所での音圧レベルは１１８．６ｄＢ／ｍであった。
このように、１２０ｄＢを超える非常に高い音圧レベルの超音波を放射することもできた。
【００３８】
ホーン３から放射された超音波の放射角度を求めたところ、発振周波数が４０ｋＨｚの場合には、指向性が３７°であった。この場合、超音波が当たる面積は１ｍ離れた地点で６０ｃｍ×６０ｃｍであった。
このように、周波数が高くなると、ホーンから放射される超音波の指向性が狭くなることが分かった。
【００３９】
このように、ホーンから放射された超音波に指向性がある場合、複数の超音波放射器を用いることで広い面積に超音波を照射することができる。
【００４０】
（実施例２）
図７に示すような、ボルト締め振動素子２の先端とホーン３の後端の間に金属板４を挟み込んで共締めして固定した、超音波放射器１ａを用意した。金属板４の位置は、音響工学的に振動振幅が最大となる腹の部分となっている。金属板４は、ステンレス鋼からなる、直径２３ｃｍの椀形状のものを用いた。ホーン３の形状は、コニカル形状のものを用い、ホーン３の長さは、発生する超音波の波長のほぼ１／２波長のものを使用した。ホーン３の材質は、アルミ材のものを使用した。
【００４１】
超音波放射器１ａのボルト締め振動素子２を周波数１２０ｋＨｚで発振させたときに、ホーン３から放射された超音波の音圧レベルの測定を行った。
音圧レベルの測定は、まず、図１２に示すように、床から垂直方向に高さＨだけ上方にある超音波放射器１ａのホーン３から放射された超音波を、超音波放射器１ａから水平方向に距離Ｌだけ離れた位置にあるマイクロフォン９により測定した。さらに、マイクロフォン９を左右に動かした場合の音圧レベルも測定した。測定の結果を表２に示した。
【００４２】
【表２】
2016096508.tif 000004
【００４３】
次に、図１３に示すように、床から垂直方向に高さ１ｍ上方にある超音波放射器１ａのホーン３から放射された超音波を、超音波放射器１ａから水平方向にＬ（＝１ｍ）離れ、床から垂直方向に高さＨだけ上方にあるマイクロフォン９により測定した。測定の結果を表３に示した。
【００４４】
【表３】
2016096508.tif 000005
【００４５】
次に、図１３にように、床から垂直方向に高さ１ｍ上方にある超音波放射器１ａを角度θだけ回転させたときに、超音波放射器１ａのホーン３から放射された超音波を、超音波放射器１ａから水平方向にＬ（＝１ｍ）離れ、床から垂直方向に高さＨ（＝１ｍ）上方にあるマイクロフォン９により測定した。測定の結果を表４に示した。
【００４６】
【表４】
2016096508.tif 000006
【００４７】
表４に示した測定結果を、同心円状に配置したものを図１４に示した。表２〜４及び図１４に示したように、超音波放射器１ａはほぼ無指向性で、音圧レベル９５ｄＢ／ｍ以上の超音波を放射することができた。このように、超音波放射器１ａを用いた場合、実施例１と比べて大幅に放射角度が広くなり、ほぼ無指向性になった。
【００４８】
（実施例３）
図８に示すような、ボルト締め振動素子２と卵型形状のホーン３ｅの間にブースター５を設けたような超音波放射器１ｂを用意した。ホーン３ｅの材質は、アルミ材のものを使用した。ホーン３ｅの長さは、発生する超音波の波長のほぼ１／２波長のものを使用した。
超音波放射器１ｂのボルト締め振動素子２を周波数１２０ｋＨｚで発振させたときに、ホーン３ｅから放射された超音波の音圧レベルの測定を行った。
【００４９】
音圧レベルの測定は、まず、図１５に示すように、超音波放射器１ｂが床から高さ１ｍとなるように横倒しで設置した。このときに、超音波放射器１ｂのホーン３ｅから放射された超音波を、マイクロフォン９により測定した。マイクロフォン９は、超音波放射器１ｂから水平方向に距離Ｌ（＝１ｍ）離れた位置にある塩化ビニル製の衝立１０上に、床から垂直方向に高さＨだけ上方の位置に設置してある。測定の結果を表５に示した。
【００５０】
【表５】
2016096508.tif 000007
【００５１】
次に、図１５に示した衝立１０の面上での、超音波放射器１ｂのホーン３ｅから放射された超音波の音圧レベルの分布を測定した。測定の結果を図１６に示した。
【００５２】
次に、図１７に示すように、床から垂直方向に高さ１ｍ上方にある超音波放射器１ｂのホーン３ｅから放射された超音波をマイクロフォン９により測定した。マイクロフォン９は、超音波放射器１ｂから水平方向にＬ（＝１ｍ）離れ、床から垂直方向に高さＨだけ上方にある。測定の結果を表６に示した。
【００５３】
【表６】
2016096508.tif 000008
【００５４】
ボルト締め振動素子２と卵型形状のホーン３ｅの間にブースター５を設けたので、表５、６及び図１６に示したように、ほぼ無指向性で、音圧レベル９５ｄＢ／ｍ以上の超音波を放射することができた。また、ブースター５を設けたことで、より高い音圧レベルを得ることができた。
【００５５】
（実施例４）
基本周波数４０ｋＨｚのボルト締め振動素子を、基本周波数の３倍の周波数で動作させた際の、共振特性を測定した。このときの結果を、図１９、２０に示した。
図１９、２０に示したように、ボルト締め振動子は、非常にＱ値の高い共振特性を持っており、基本周波数４０ｋＨｚのボルト締め振動素子は（図１９参照）、基本周波数の３倍の周波数の約１２０ｋＨｚでも十分に動作可能であることが分かった（図２０参照）。
【００５６】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
【符号の説明】
【００５７】
１…超音波放射器、  ２…ボルト締め振動素子、
３、３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ…ホーン、４…金属板、  ５…ブースター、
６…フランジ、  ７…カバー、  ８…パッキン、  ９…マイクロフォン、
１０…衝立。
【図１】
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【図２】
2016096508.tif 000010
【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】
2016096508.tif 000016
【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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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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