小型で強力な空中超音波を発生する装置
ー ２種類の音源 ー
日本大学 理工学部 電気工学科 教授 三浦 光 助手

淺見 拓哉

目的・背景
直径 10～14 mm

 空中超音波センサ（図１）は、超音波の伝搬時間より対象物との距離を簡単に7～9 mm測れるセンサである（図２）。

図１ 代表的な超音波センサ（村田製作所製MA40S4）1

 代表的な用途として、自動車に搭載のパーキングアシストシステムのバックソナーや対象物超音波の送受信の時間
t [s]コーナーソナー等があり、ハイレベルの自動運転にも必須のセンサである。
 空中超音波センサの重要な性能の一つに「測定可能距離」がある。

超音波センサ 測定可能距離はセンサから出力される音圧の大きさに依存する。

距離
音速340[m/s]✕t/2[s] 本稿では小型でありながら大きな音圧の超音波を発生させる装置を提案する。

図2 超音波センサによる距離測定の原理

原理・方法
円板

 小型でありながら強力な超音波を発生させるために、円板のたわみ振動を用いる。

音波振動 円板たわみ振動に位相差が生じると正面方向の音圧が低下する。
加振部

 円板全体が同相で振動するために、図３に示すような２種類の構造を考案した。

(a) 中心部を加振した場合(a) 中心部を加振した場合 ： 加振部を太くすることで円板が同相で振動する構造とし、円板円板の円周にて大きな振動が得られる。

振動(b) 円周部を加振した場合 ： 円周上から振動を加えることで円板が同相で振動する構造とし、加振部

音波

円板の中央で大きな振動が得られる。
 このような構造にすることで正面方向に強力な超音波を発生させる。

(b) 円周部を加振した場合

図３ 円板が同相で振動するための加振方法

結果・まとめ7052 Pa
60(128dB)
音圧 [Pa]50(b) 円周部を加振した場合(a) 中心部を加振した場合

半値角25°

4026 Pa30 (122 dB)
20

図４ 両方式の装置の構造

100−90 −60 −30 図４は両超音波発生装置の具体的な構造である。

0306090角度 [°]・ 両装置とも振動子、固定用フランジ付き棒及びその先端の棒の図５ 中心部を加振の場合の音波の指向性部分（(a)のみ）が加振部となる。

表１ 各装置の特性

・ 図(b)の場合は中空棒の先端に円板をエポキシ系接着剤で接着しているため、防水になっている。
 図５は中心部を加振した場合の放射音波の指向性の測定結果（振動子駆動周波数：58 kHz、駆動電圧：2.5 Vrmsの場合）であり、半値角が25°の鋭い指向性が得られている。

村田製作所製MA40S41
中心部を加振円周部を加振駆動電圧 音圧(距離300 mm) 半値角
10 Vrms
20Pa (120dB)
96°
2.5 Vrms
52Pa (128dB)
25°
2.5 Vrms
23Pa (121dB)
40°

最大音圧(距離300 mm)－78Pa (132dB, 4Vrmsで駆動)
61Pa (130dB, 7Vrmsで駆動)

 表１に示すように、提案した装置では、低い駆動電圧にて高い指向性で高い音圧が得られている。

応用分野・用途 長距離用の空中超音波センサ
 アレイ状に配置して超強力超音波発生装置

参考
1 村田製作所、開放型超音波センサ、https://www.murata.com/

日本大学産官学連携知財センター （NUBIC)〒102-8275 東京都千代田区九段南4-8-24 日本大学会館
Tel: 03-5275-8139 Fax: 03-5275-8328 E-mail: nubic@nihon-u.ac.jp

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小型で強力な空中超音波を発生する装置
ー 中心部を加振する音源 ー
日本大学 理工学部 電気工学科 教授 三浦 光 助手 淺見 拓哉

1.超音波音源の概略

Φ15

図中に示したタイプA,B,Cの音源を製作し、振動変位分布を比較検討する。

15Resonancerod
60 kHz bolt-clamped 19.5
YCircular
Langevin-type
Uniform rod
vibrating plate
Z ultrasonic transducer
with flange

シミュレーションモデル
1.0
1.0

0.5
0.500

1.01.0Driving point

7.5

節ありの一例00

節なしの範囲AB

節ありの範囲C

Diameter of strut Φ [mm]Vibration amplitude

解析結果より、節の有り無しの条件が明らかになった。また、振動変位の極大値は、節なしから節ありになる手前にあることがわかった。

Thickness of vibrating plate T [mm]

結果

0.5
0.5

Normalized sound pressure

2.3

Normalized sound pressure

有限要素法を用いた
7/2
シミュレーションソフト(COMSOL Multiphysics)で解析する。
2.1
振動板の厚さT (1～5 mm) Z
Driving point
及び支柱の直径Φ(1～87.5mm)を変化させたとき、Y
節なしの一例
振動板の振動の“節”の有2/2無を明らかにする。

Normalized vibration amplitude Normalized vibration amplitude

YY

20：Type A：Type B
：Type C15
105
0−7.5 −5 −2.5

02.55

7.5

Distance from the center [mm]4. 放射された音波の指向性

Driving point

節がない寸法になる場合に Zついて、振動板端の変位を中心変位で割った値をプロットしたカラーマップで示す。
解析条件
駆動周波数58 kHz
駆動点に1 μmの加振解析結果と同一の傾向となり、タイプCの振動板端の変位が最大であった。

検討方法

測定方法
・T ： 振動板の厚さ
レーザードッ プラー振動・Φ ： 支柱の太さ計を用いて、振動板の振・L ： 共振周波数調整用伝送棒の長さ動変位分布の測定。
測定条件
駆動周波数58kHz付近
2. 振動部の寸法の検討の共振周波数
駆動電力0.1W
検討目的
Unit : mm 測定範囲
Central axis
たわみ振動の節がなく、測定範囲は振動板中心を7.5全体が同一方向に大きな通る直径 (±7.5 mmの範振幅で振動する寸法（振T 囲)で0.2 mm間隔
動板の厚さT 及び支柱の Z
Vibrating plate
直径Φ）を検討する。
Φ/2

検討方法

結果

検討目的

Normalized vibration amplitudeX

d=25,T = 1.0
L
42.5

Unit : mm
T1.2

結果

検討目的
音源の特性として放射された音波の指向性の測定を行う。

いずれのタイプも角度0 °付近の音圧が大きい。
中でもタイプCは最大音圧が約43 Paとなった。

検討方法
測定方法
1/8コンデンサマイクロホンを用いて音圧を測定。
測定条件
駆動周波数 58 kHz付近の共振周波数
駆動電力 0.1 W
測定距離 30 cm
測定範囲
振動板面の正面方向を0°とし、±90°とした。

45：Type A：Type B

Sound pressure [Pa]393. 実測による振動板の振動変位分布：Type C

30150−90 −60 −300306090

Angle of the sound source [°]5. まとめ振動変位分布の結果

音圧変位分布の結果

変位分布はシミュレーショ
ン結果と実測値の正規化した結果が同様の傾向になった。

タイプCの場合に正面方向に指向性の鋭い音波を放射できることがわかった。

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