以下、本発明の実施の形態を図面に基づい� ��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� �生装置100の一例を説明するための説明図で� �る。図1に基づいて、超音波発生装置100の構� ��及び超音波発生装置100の特徴事項である「� ��わみ振動」について説明する。また、図1(a) が超音波発生装置100を上から見た状態を示す 平面図を、図1(b)が超音波発生装置100の縦断� �構成を示す概略断面図をそれぞれ示してい� �。なお、図1を含め、以下の図面では各構成� ��材の大きさの関係が実際のものとは異なる� ��合がある。

 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� �子にパルス電圧を印加し、振動子を発振さ� �ることによって、超音波を発生させるよう� �なっている。図1に示すように、超音波発生� ��置100は、振動子(超音波振動子)10と、ホーン 11と、振動板12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� ��よって、所定の周波数範囲(一般的に40kHz前� ��)の音波(超音波)を発振する機能を有してい� ��のである。

 ホーン11は、両端面が開口され、内部に� �響通路(超音波帯域の音響信号を増幅する通� ��)が形成されるように構成されており、振動 子10と振動板12との間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� �されているのが好ましい。振動板12は、ホー ン11の他端部(振動子10が配置されている一端� ��の反対側の端部)を塞ぐように固着されてお り、振動子10の発振(振動)と共振することに� �って共振波である超音波を作り出す機能を� �している。この超音波は、振動板12の両面(� �ーン11側の面(ホーン11を設けない場合には振 動子10の設置面)及びその対向面)から発生す� �。

 また、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 ₁  )の「腹」の部分に固着されている。この振� �板12は、「たわみ振動」を行なうようになっ ている。すなわち、振動板12は、板そのもの� ��固有振動数で決まる「格子モード」での振� ��を行なうようになっているのである。図1(a) の破線で示すように、振動板12は、格子状に� ��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(� ��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� ��有する振動モードの振動周波数を、振動子1 0の発振周波数と一致させて用いるようにし� �いる。

 ここで、「格子モード」の「たわみ振動」� ��ついて説明する。振動板12は、ホーン11の先 端部に固着されており、振動子10から発信さ� ��、ホーン11を伝搬した超音波信号(波線A ₁  )が伝搬する。振動板12の有する振動モードの 振動周波数は、振動子10の発振周波数と一致� ��ているので、伝搬した超音波信号により加� ��(共振)される(波線B ₁  )。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、振動板12の両面側� ��放射されるようになっている。

 振動板12は、以下の計算式(1)で大きさを決� �することができ、所望の寸法を設計するこ� �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� ��板材料の固有定数を、hが振動板12を構成す� ��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� �固有の定数であり、その材料のヤング率や� �アソン比等を用いて算出することができる� �

 また、「格子モード」の発生に必要な振動� ��12の一辺の長さL ₁  は、以下の計算式(2)で決定することができる 。
 L ₁  =(N ₁  -0.5)*λ/2・・・式(2)
 ここで、N ₁  が振動板12に出現する「節」線の数(偶数値)� �表している。
 すなわち、振動板12の一辺の長さL ₁  を式(2)で示す関係に設定すれば、振動板12の� ��わみ振動時におけるモード形状を「格子モ� ��ド」とすることができる。

 したがって、振動板12を「格子モード」� �「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� ��数の特定周波数で振動を行なうことができ� ��。この特定の周波数による振動板12の周波� �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� ��ら特定の超音波帯域の周波数を持つ強力な� ��(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� ��、図1では、ホーン11が設けられている場合� ��例に示しているが、振動子10の先端部に振� �板12を固着するようにしてもよい。

 図2は、本発明の実施の形態1に係る超音� �発生装置100aの他の一例を説明するための説� ��図である。図2に基づいて、超音波発生装置 100aの構成及び超音波発生装置100aの特徴事項� ��ある「たわみ振動」について説明する。ま� ��、図2(a)が超音波発生装置100aを上から見た� �態を示す平面図を、図2(b)が超音波発生装置1 00aの縦断面構成を示す概略断面図をそれぞれ 示している。なお、図2では図1に係る超音波� ��生装置100との相違点を中心に説明するもの� ��し、超音波発生装置100と同一部分には、同� ��符号を付して説明を省略するものとする。

 振動板12aは、ホーン11の他端部(振動子10が� �置されている端部の反対側の端部)を塞ぐよ� ��に固着されており、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。この超音波は、 振動板12aの両面(ホーン11側の面(紙面下側の� �)とその反対側の面(紙面上側の面))から発生� ��る。また、振動板12aは、振動子10から発信� �れる超音波信号(振動子10内部の発振モード:� ��線A ₂  )の「腹」が生じる部分に固着されている。� �の振動板12aは、振動板12と同様に「たわみ振 動」を行なうようになっている。ただし、振 動板12aは、「格子モード」ではなく、板その ものの固有振動数で決まる「平行縞モード」 での振動を行なうようになっている。

 図2(a)の破線で示すように、振動板12aは、平 行縞になっている破線部分を「節(発生した� �音波における疎の部分)」、破線以外の部分� ��「腹(発生した超音波における密の部分)」� �して「たわみ振動」するようになっている� �である。そして、超音波発生装置100aでは、� ��動板12a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� �うにしている。なお、上記式(1)で振動板12a� �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12aの� �辺の長さL ₂ を決定することができる。

 ここで、「平行縞モード」の「たわみ振動� ��について説明する。振動板12aは、ホーン11� �先端部に固着されており、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 ₂  )が伝搬する。振動板12aの有する振動モード� �振動周波数は、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(波線B ₂  )。このとき、振動板12aが「たわみ振動」す� �ことで、超音波が発生し、振動板12aの両面� �に放射されるようになっている。

 したがって、振動板12aを「平行縞モード� ��で「たわみ振動」させることで、振動板12a� ��振動子10から発信された超音波信号と同等� �周波数の特定周波数で振動を行なうことが� �きる。この特定の周波数による振動板12aの� �波数は、振動板12aの全面から放射されるこ� �になるので、振動板12aの大きさに応じた広� �面積から特定の超音波帯域の周波数を持つ� �力な音(140dB以上)が一様に空中放射(振動子10� ��中心軸上に沿って30cm以上)されることにな� �。なお、図2では、ホーン11が設けられてい� �場合を例に示しているが、振動子10に振動板 12aを固着するようにしてもよい。

 図3は、反射振動板22を設置した状態にお� ��る超音波放射を説明するための説明図であ� ��。図3に基づいて、超音波発生装置100や超音 波発生装置100aに反射振動板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及び超音波発生 装置100aでは、振動板12及び振動板12a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� ��板12に所定の間隔(以下で説明する計算式(3)� ��算出される距離K)で対向させて設置し、振� �板12及び振動板12aから放射された超音波を減 衰させないようにしている。なお、超音波発 生装置100に反射振動板22を設置した状態を例� ��説明するものとする。

 すなわち、振動板12の前面(紙面上側の面) 及び近傍音場、更に振動板12の前面及び後面( 紙面下側の面)となる部分に振動板12からの音 放射(超音波放射領域:矢印C)を反射するため� �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� �ベルを持つ音放射が繰り返し、放射(矢印D)� �せるようになっている。このとき、振動板12 は上述したように振動子10から発信される超� ��波信号の「腹」が生じる部分に固着し、反� ��振動板22は振動子10から発信される超音波信 号の「節」が生じる部分に固着するものとし ている。

 すなわち、共振周波数の最も強い場所で� ��るホーン11の先端部(「腹」が生じる部分)に 固着した振動板12と、そのほかの場所(「節」 が生じる部分)に固着した反射振動板22とを活 用して、両者間で超音波を繰り返し反射させ ている。図3では、反射振動板22を振動板12の� ��面となる部分に設置している場合を例に示� ��ている。したがって、振動板12の前面が超� �波放射領域となり、振動板12と反射振動板22� ��の間が超音波発生領域となっている。

 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� �よって、振動板12と反射振動板22との間には� ��数本の鋭い指向性による超音波信号(矢印C� �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3では、反射振動� �22を固定部材14によって固定している場合を� ��に示している。この場合、固定部材14を「� �」が生じる部分に固着していれば、反射振� �板22が「節」が生じる部分に固着されていな くてもよい。

 振動板12と反射振動板22との所定の間隔は、 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)*N ₂  ・・・式(3)
 ここで、Kが振動板12と反射振動板22との所� �の間隔、つまり距離を、λsが振動板12で発生 する周波数の波長を、N ₂  が次数(奇数値)をそれぞれ表している。この� ��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� ��とができる。

 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� �る間隔Kを満たすような位置に設置しなけれ� ��ならないのである。計算式(3)で算出される� ��隔Kは、振動子10から発信される超音波信号� ��「節(発生した超音波における疎の部分)」� �生じる部分に対応しているため、反射振動� �22が「節」が生じる部分に固着されることに なるのである。なお、複数枚の反射振動板を 設置する場合でも、反射振動板を間隔Kで設� �すればよい。

 図4は、複数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4に基づいて、超音波発生装置10 0や超音波発生装置100aに複数枚の反射振動板( 反射振動板23及び反射振動板24)を設置した状� ��での超音波の放射について説明する。なお� ��超音波発生装置100に反射振動板を設置した� ��態を例に説明するものとする。また、反射� ��動板23及び反射振動板24も「たわみ」振動す るようになっている。さらに、振動板12の前� ��側に設置される反射振動板23が超音波発生� �置100が搭載される設備機器(たとえば、空気� ��浄機等)の筐体面である場合を例に示してい る。

 図3では、1枚の反射振動板22を設置した場合 を例に説明したが、反射振動板22の枚数を限� ��するものではなく、2枚以上の反射振動板(� �射振動板22及び反射振動板23)を設置すること もできる。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。� ��4に示すように、振動板12と反射振動板24と� �間の間隔K ₂  は、振動板12と反射振動板23との間隔K ₁  の3倍となっている。

 また、振動板12で発生する超音波の指向性� �、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� ��度を持った側面波(矢印C ₁  及び矢印C ₂  )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23及び反射振動板24の表� �積を大きくすることで、側面波の有効活用� �図ることもできる。また、反射振動板23と反 射振動板24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。なお、反射振動� ��24が筐体面であ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。また、図4で� ��、反射振動板23を反射振動板22と同様に固定 部材14によって固定している場合を例に示し� ��いる。

 図5は、曲面形状を有する振動板(反射振� �板を含む)を設置した状態における超音波放� ��を説明するための説明図である。図5に基づ いて、超音波発生装置100や超音波発生装置100 aに曲面形状を有する複数の振動板を設置し� �状態での超音波の放射について説明する。� �お、超音波発生装置100に曲面を有する振動� �(振動板12b、反射振動板25及び反射振動板26)� �設置した状態を例に説明するものとする。� �た、振動板12b、反射振動板25及び反射振動板 26も「たわみ」振動するようになっている。� ��らに、振動板12bの前面側に設置される反射� ��動板26が超音波発生装置100が搭載される設� �機器の筐体面である場合を例に示している� �

 図4では、平面形状の振動板(振動板12、反 射振動板23及び反射振動板24)を設置した状態� ��示したが、図5では、曲面形状を有する振動 板(振動板12b、反射振動板25及び反射振動板26) を設置した状態を示している。この場合も、 上記計算式(3)で算出された間隔K、つまり各� �動板の間の平行が保たれれば、曲面を有す� �振動板(たとえば、図5に示すような相似円弧 形状の複数枚の振動板)を設置することも可� �である。したがって、超音波発生装置100又� �超音波発生装置100aを搭載する設備機器の筐� ��面に応じた形状で振動板を構成することが� ��きる。

 図6は、振動子10の終端部を所定の角度で� ��げた状態を説明するための説明図である。� ��6に基づいて、振動子10の終端部(ホーン11が� ��置される側の先端部:紙面上側)に、所定の� �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6に示すよ� �に、振動子10には曲がり段部15が形成されて� ��り、この曲がり段部15の終端面(振動子10の� �端部)面に振動波を収束するためのホーン11� �取り付けている。そして、ホーン11の先端部 に振動板12(振動板12a又は振動板12bでもよい)� �固着している。

 このようにすることによって、狭い空間� ��であっても超音波発生装置100や超音波発生� ��置100aを搭載することができる。すなわち、 超音波発生装置100や超音波発生装置100aを搭� �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。ここ では、振動子10の終端部を所定の角度で曲げ� ��状態を例に説明したが、これに限定するも� ��ではなく、ホーン11を所定の角度で曲げる� �うにしてもよい。また、振動板(反射振動板� ��含む)の枚数を限定するものではなく、上記 計算式(3)で算出された間隔Kを満たすように� �れば複数枚の振動板を設けることもできる� �

 図7は、超音波発生装置100の共振特性を示 すグラフである。図7に基づいて、超音波発� �装置100の共振特性について説明する。なお� �超音波発生装置100の共振特性を例に説明す� �が、超音波発生装置100aでも同様である。こ� ��図7では、横軸が周波数(f)を、縦軸が尖鋭度 (Q)をそれぞれ表している。また、図7には、3� ��類の共振特性を図示している。破線アが振� ��子10及びホーン11の共振特性を、破線イが振 動板12の共振特性を、実線ウが振動子10、ホ� �ン11及び振動板12の共振特性をそれぞれ表し� ��いる。図7から理解できるように、各部材(� �動子10、ホーン11及び振動板12)の共振特性が� ��致することにより、尖鋭度(Q)が鋭くなり、� ��振周波数における音圧レベルの向上が可能� ��なる。

 以上のように、実施の形態1に係る超音波 発生装置では、振動板(振動板12、振動板12a及 び振動板12b)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 の全面から特定の超音波帯域の周波数を持つ 強力な音(140dB以上)が一様に空中放射(振動子1 0の中心軸上に沿って30cm以上)できる。また、 反射振動板(反射振動板22~26)を所定の間隔Kを� ��って設置することにより、振動板から放射� ��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� ��させることができる。なお、振動板及び反� ��振動板の材料は、超音波領域の振動周波数� ��振動することができるものであればよく、� ��属や樹脂に関わらずどのような材料で構成� ��てもよい。

実施の形態2.
 図8は、本発明の実施の形態2に係る空気清� �機200の構成の一部を示す概略構成図である� �図8に基づいて、実施の形態1に係る超音波発 生装置(超音波発生装置100又は超音波発生装� �100a)を備え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)、除去し、清� ��化した空気を外部に吹き出すものである。� ��お、空気清浄機200には、図4で示した超音波 発生装置が搭載されている場合、つまり反射 振動板24が空気清浄機200の筐体面を構成して� ��る場合を例に説明するものとする。

 図8に示すように、この空気清浄機200には 、実施の形態1に係る超音波発生装置に加え� �集塵フィルタ30と送風ファン31とが設けられ� ��いる。集塵フィルタ30は、空気に含まれて� �る塵埃を集塵するものであり、空気の流れ� �対して略直交するように設けるようにする� �よい。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。この空気清浄機200は、送風ファン31によ� ��て超音波発生装置内に空気を取り込み、塵� ��粒子を超音波により凝集(超音波凝集)して� �ら集塵フィルタ30で集塵し、空気を清浄化す るものである。

 超音波凝集の仕組みについて簡単に説明� ��る。疎密波である超音波の「密」の部分で� ��、強い音圧放射によって、空気同士が摩擦� ��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23との間における超音 波発生領域、及び、振動板12と反射振動板24� �の間における超音波発生領域に存在する「� �の壁」を通過する塵埃は、摩擦による静電� �果の影響を受け、疎密波の「疎」の部分の� �埃が「密」の部分に移動して粒子が拡大(凝� ��)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� �されることが条件となる。そこで、実施の� �態1に係る超音波発生装置を搭載し、超音波� ��集の発生を可能としているのである。

 送風ファンの大きな回転と目の細かい集� ��フィルタによる塵埃の集塵とを行なってい� ��ような空気清浄機が、超音波凝集を常時発� ��させることができれば、塵埃の凝集効果に� ��り、目の粗い集塵フィルタも集塵が行なえ� ��ようになる。つまり、目の細かい集塵フィ� ��タと大きな回転を有する送風ファンとの必� ��性のルールが必要なくなる。したがって、� ��気清浄機200では、実施の形態1に係る超音波 発生装置を搭載しているので、集塵フィルタ 30の目を粗いものとしても大きな集塵効果が� ��られ、送風ファン31の回転を遅くでき、送� �ファン31及び送風ファン31を駆動するための� ��示省略のファンモータによる騒音発生を低� ��できる。また、空気清浄機200は、コロナ放� ��を発生させなくても、集塵効果を向上する� ��とができる。

 なお、実施の形態2では、実施の形態1に係� �超音波発生装置を備えた設備機器の一例と� �て空気清浄機200を図示して説明したが、実� �の形態1に係る超音波発生装置を空気清浄機2 00以外の超音波を利用する設備機器、たとえ� ��空気調和装置や超音波加工装置、超音波霧� ��装置、超音波接合装置、測距センサ、超音� ��洗浄装置、超音波美容装置等に備えること� ��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。