超音波を利用した先端研究...

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）

原理 音響放射圧

P

物体表面に加わる圧力

t

t

微小振幅

有限振幅

原理 音響放射圧

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

n

1

2

Focal point

・・

・

XDCRs

・・

・

t Input signal

Tn

原理 フェーズドアレイ

焦点における音圧分布

x

D=17cm

R=20cm

w=2cm

λ=0.8cm

フェーズドアレイ

原理

原理 焦点における音圧分布

実測

Microphone

Trans. array

Lock-in amp. 1

Lock-in amp. 2

Measured data

Modulation signal

40kHz driving signal

Envelope of 40kHz component

Amplitude of AM component

Ref.

Ref.

XYZ stage

200

mm

実測 焦点における音圧分布

理論 実測

音圧分布

Raw data

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

触れる空中映像

[Hoshi, 2009]

空中インタフェース

[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]

東京大学 篠田・牧野研究室

Bristol University Interaction and Graphics

名古屋工業大学 星貴之

集束超音波の研究者の分布

※ 継続的に論文を出している研究グループ

東京大学 篠田・牧野研究室

Visuo-Tactile Projector [2013]

東京大学 篠田・牧野研究室

HORN [2014]

東京大学 篠田・牧野研究室

HaptoMime [2014]

Bristol Interaction and Graphics

Ultra-tangibles [2011]

Bristol Interaction and Graphics

UltraHaptics [2013]

？ 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

スーパーコンピュータ京

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 （音響インピーダンスの違いさえあればよい）

何が問題？

これまでのデバイス

1st prototype [2008] 2nd prototype [2010]

（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

誰でも使ってみることができる。

小型化・集積化

システム構成

FPGA

CLK

Master Slaves Transducer array

PC MEM

FPGA AMP

Previous

Driving circuit

Transducer array

PC

FPGA AMP USB

New

システム構成

FPGA board (Verilog-HDL)

285ch driving signals

X Y Z

Amp.

Phase delay calculator

Signal generator

Phases

Enable Modulator

Freq. U

SB interface

C-language FTDI API

Coordinate (X, Y, Z) Amplitude Modulation frequency

USB board

PC

8bit data rxf rd

システム構成

Driving circuit

Transducer array

PC

FPGA AMP USB

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 ・印刷による回路製造 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

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

Mea

sure

d in

tens

ity [a

.u.]

Applied voltage [V]

分解能：30V程度 cf. セーターの静電気：5kV

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

人工授粉

京都大学・清水教授

イチゴ・トマトなどの授粉

http://d.hatena.ne.jp/TarZ/20101012/1286902330 より引用

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

イチゴ・トマトなどの授粉

京都大学・清水教授

イチゴ・トマトなどの授粉

微小径孔の脱水

埼玉大・高崎教授

微小径孔（貫通／非貫通）の脱水

埼玉大・高崎教授

微小径孔（貫通／非貫通）の脱水

埼玉大・高崎教授

微小径孔（貫通／非貫通）の脱水

柔らかいインタフェース

慶應大学・杉浦特任助教

Graffiti Fur : カーペットに描くグラフィクス

シャボン膜の反射制御

東京大学・落合氏

シャボン膜の反射制御による世界最薄ディスプレイ

時分割BRDF

入射光 反射光

振動するシャボン膜

時間

鏡面反射

東京大学・落合氏

シャボン膜の反射制御による世界最薄ディスプレイ

微小粒子の浮上搬送

慶應大学・河野氏

lapillus bug : コバエのように動く粒

慶應大学・河野氏

lapillus bug : コバエのように動く粒

超音波ビーム断面のポテンシャルエネルギー分布

転がり落ちる

定在波

中心

三次元音響浮遊

1D Acoustic Manipulation

[Argonne National Laboratory 2012]

2D Acoustic Manipulation

[Foresti et al. 2013]

2D Acoustic Manipulation

[Foresti et al. 2013]

東京大学・落合氏

三次元音響浮遊

最小構成

ポテンシャルエネルギー分布

Bernoulli’s force

Radiation pressure

Laval Virtual 2014

空中グラフィクス

東京大学・落合氏

Pixie Dust : 空中グラフィクス

東京大学・落合氏

Pixie Dust : 空中グラフィクス

Laval Virtual Awards 2014 部門賞＆審査員特別賞

経済産業省 Innovative Technologies 2014 特別賞（Culture）

グッドデザイン賞 2014

超音波シンポジウム 2013 若手奨励賞

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