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超音波を利用した先端研究
~集束超音波による非接触作用力の応用展開について~
星 貴之
名古屋工業大学 若手研究イノベータ養成センター
テニュア・トラック助教
集束超音波?
複数の音源の位相制御によって一点で強め
合う(焦点)ように制御された超音波
局在した、強力超音波を、自在に動かせる
収束:連続っぽい(レンズ)
集束:離散っぽい(フェーズドアレイ)
※個人の見解です
三次元音響浮遊 [2014]
一カ所に集めた超音波で
離れた場所に力を発生!
Hoshi (2012)音響放射圧:強力超音波による表面応力
似て非なるデバイス
超指向性スピーカ
清水寺(京都)
清水の舞台の手前の頭上
スピーチジャマー [2010]
超指向性スピーカ
[Tristate Inc.] 同相駆動 ⇒ 直進
個別駆動 ⇒ 集束
DIY音響浮揚装置
話を戻しましょう
集束超音波
2つの原理
原理
音響放射圧
有限振幅の音波が物体を押す非線形現象
P
全反射のとき
(入射波+反射波)
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t
t
微小振幅
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原理
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試算
超音波の音圧 p = 24 Pa RMS at 30 cm
空気の密度 ρ = 1.2 kg/m3
空気中の音速 c = 340 m/s at 14 deg C
原理
フェーズドアレイ
dn
0
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1
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Focal point
・・・
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Input signal
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原理
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D=17cm
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原理
原理
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Ref.
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実測
焦点における音圧分布
理論 実測
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LPF
実測(時間応答)
Rising time = 1 ms
周波数特性
(長所1) 非接触の作用力
(長所2) 自在に動かせる
(短所1) 対象を押す方向
(短所2) 弱い(16 mN)
非接触触覚
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[Hoshi, 2009]
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[Hoshi, 2011]
手書き文字コミュニケーション
[Hoshi, 2011]
変遷と世界の動向
集束超音波の誕生@東大・篠田研
0th prototype [Iwamoto, 2008] 1st prototype [Hoshi, 2008]
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名古屋工業大学
星貴之
集束超音波の研究者の分布
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Visuo-Tactile Projector [2013]
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?
振動子の個数が少ない
⇒ 1. 出力が小さい
2. 焦点径が大きい
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触覚だけ?
原理
音響放射圧
有限振幅の音波が物体を押す非線形現象
P
材質を選ばず生じる
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(長所1) 非接触の作用力
(長所2) 自在に動かせる
(短所1) 対象を押す方向
(短所2) 弱い(16 mN)
(短所3) 装置が大掛かり
小型
軽量 な超音波集束装置の開発
簡便
短時間でセッティングが完了し
様々な場所・状況で
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小型化・集積化
システム構成
FPGA
CLK
Master Slaves
Transducer array
PC MEM
FPGA AMP
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signals
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Amp.
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calculator
Signal generator
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Enable
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Freq.
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Coordinate (X, Y, Z)
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Modulation frequency
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8bit data
rxf
rd
システム構成
Driving circuit
Transducer array
PC
FPGA AMPUSB
New
-79% in volume
従来との比較
従来との比較
Previous New
Transducer 384 pcs 285 pcs
Size 290x200x150mm 190x190x50mm
Weight 3.2 kg 0.6 kg
Interface Digital I/O USB
Inter-board
connection
Wirings Pin connectors
Output force 18 mN 16 mN
-26%
-11%
静電気分布計測
産総研・菊永主任研究員
局所振動による静電気分布計測法
・シート素材
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など
産総研・菊永主任研究員
局所振動による静電気分布計測法
産総研・菊永主任研究員
局所振動による静電気分布計測法
①③⑤:+500V
②④ :-500V
3cm
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局所振動による静電気分布計測法
産総研・菊永主任研究員
局所振動による静電気分布計測法
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局所振動による静電気分布計測法
人工授粉
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京都大学・清水教授
イチゴ・トマトなどの授粉
蜂 ぶんぶん太助 トマトトーン
http://tokushima-
marche.jp/home/index.php/2012
/02/20/aboutichigo/ より引用
京都大学・清水教授
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微小径孔(貫通/非貫通)の脱水
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シャボン膜の反射制御による世界最薄ディスプレイ
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慶應大学・河野氏
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[Foresti et al. 2013]
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Laval Virtual Awards 2014
部門賞&審査員特別賞
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グッドデザイン賞 2014
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まとめ
• 集束超音波/音響放射圧
• 小型超音波集束装置
• 分野を越えて応用を探索

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