JP2017079734A - 防虫用超音波発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 予想不可能な害虫の侵入経路である全方位をカバーする形状の自由度を備え、且つ、対象とする害虫の個体に対し切り替えにより、瞬時に必要とする超音波帯域を出力可能な防虫用超音波発生装置を提供する。
【解決手段】 電源装置、信号発生装置、増幅装置及び超音波発生素子を備えた防虫用超音波発生装置であって、前記超音波発生素子は、有機圧電フィルムの両面に電極が設けられ、可撓性を有することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、防虫用超音波発生装置に関するものであり、詳しくは、果樹やキノコ類に害を与える害虫を忌避させる防虫用超音波発生装置に関するものである。

近年、果樹やキノコ類の生産現場では、害虫の食害に対し、化学農薬に依存しない物理的保護技術等の新たな植物保護技術の開発が求められている。特にキノコ類の生産現場においては、化学農薬を使用した防除ができないため深刻な問題となっている。

このような問題に対し、物理的保護技術として、特定の害虫の天敵とされるコウモリ類が発生する超音波の周波数帯を発生させることにより、果樹やキノコ類への害虫の定着、産卵を阻害する害虫防除装置が提案されている（例えば特許文献１を参照）。この害虫防除装置によれば、超音波を発生させるための振動素子として、磁歪フェライト型振動子、ランジュバン型振動子、セラミック型振動子を用いて害虫を防除している。

特開２０１３−５１９２５号公報

しかしながら、この特許文献１の害虫防除装置で用いている振動素子は、硬質のフェライト系材料やセラミック系材料を使用しているため、形状の自由度が限られている。そのため、予測できない害虫の進入経路に対し全方位へ超音波出力することを想定した場合、複数の振動素子を多方向に向けて設置する必要がある。

また、複数の振動素子を球体状に組み合わせて形成する場合には、形成加工に煩雑を極めることが想定される。

さらに、フェライト材料やセラミック系材料は高い超音波出力特性を有するが、材料の種類毎に出力する超音波の周波数が異なる。そのため、防除の対象とする害虫毎に発生させる超音波の波長に合わせて設計が必要となることから、設計が煩雑になるため広く普及するには至っていない。

また、セラミック系材料を用いて超音波を出力する場合、振動素子の厚さに共振周波数が依存するため、出力する超音波の周波数に合わせて、その都度超音波発生装置や増幅装置の調整が必要となり、特定の超音波帯域の周波数を瞬時に発生させることが困難であった。

本発明は、以上の通りの事情に鑑みてなされたものであり、共振周波数がＭＨｚ領域に存在する有機圧電フィルムを超音波発生素子として使用することで、予想不可能な害虫の侵入経路である全方位をカバーする形状の自由度を備え、且つ、対象とする害虫の個体に対し、切り替えにより瞬時に必要とする超音波帯域の周波数を出力可能な防虫用超音波発生装置を提供することを課題としている。

即ち、本発明の防虫用超音波発生装置は以下のことを特徴としている。

第１に、本発明の防虫用超音波発生装置は、電源装置、信号発生装置、増幅装置及び超音波発生素子を備えた防虫用超音波発生装置であって、前記超音波発生素子は、有機圧電フィルムの両面に電極が設けられ、可撓性を有することを特徴とする。

第２に、上記第１の発明の防虫用超音波発生装置において、前記有機圧電フィルムは、ポリフッ化ビニリデン三フッ化エチレン共重合体を主成分とし、厚みが０．０４〜０．１０ｍｍの範囲であることが好ましい。

第３に、上記第１又は第２の発明の防虫用超音波発生装置において、前記超音波発生素子の少なくとも一部が曲率１７〜４０ｍｍの範囲の湾曲に成形されていることが好ましい。

第４に、上記第１から第３の発明の防虫用超音波発生装置において、前記超音波発生素子は、２０〜１２０ｋＨｚの広帯領域において音圧６０〜１２０ｄＢ ＳＰＬの超音波を出力させることが好ましい。

第５に、上記第１から第４の発明の防虫用超音波発生装置において、前記電源装置として太陽電池を接続した蓄電池が用いられることが好ましい。

本発明によれば、予想不可能な害虫の広範囲の侵入経路の方位をカバーする形状の自由度を備え、且つ、対象とする害虫の個体に対し、切り替えにより瞬時に必要とする超音波帯域を出力可能な防虫用超音波発生装置を提供することができる。

本発明の防虫用超音波発生装置の構成を示すブロック図である。 周波数測定装置の構成を示すブロック図である。 本発明で用いる有機圧電フィルムの周波数特性を表すグラフである。 アワノメイガの飛行の様子を示す写真である。 アワノメイガの飛行軌跡を表したグラフであり、（Ａ）は個体１の動きの状態を示し、（Ｂ）は個体２の動きの状態を示している。 超音波発生素子の湾曲の曲率を変更した場合の音圧レベルを表した図であり、（Ａ）は曲率１７ｍｍ、（Ｂ）は曲率３０ｍｍ、（Ｃ）は曲率４０ｍｍを表している。

以下に本発明の防虫用超音波発生装置について、図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明の防虫用超音波発生装置の一実施形態を示すブロック図である。

本実施形態の防虫用超音波発生装置１は、少なくとも、超音波信号を生成させる信号発生装置２と、信号発生装置２で発生させた超音波信号を増幅させるための増幅装置３と、増幅装置３で増幅した超音波信号を出力する超音波発生素子４から構成されている。

信号発生装置２は、通常公知の超音波信号を発生させることができる装置であれば特に制限なく用いることができ、例えば、振動素子を備えた信号発生装置２やファンクションジェネレータ、パーソナルコンピュータのソフトにより超音波波形を作成して出力する信号発生装置２等を用いることができる。

本発明で用いる信号発生装置２で発生させる超音波信号の波長は２０〜１２０ｋＨｚ、好ましくは３０〜８０ｋＨｚ、より好ましくは３５〜５５ｋＨｚの範囲の波長である。これらの波長のうち、特に、害虫の天敵とされるコウモリ類が発する超音波の周波数帯である３５〜４５ｋＨｚ程度を確実に発生することが望ましい。

なお、信号発生装置２により発生させた超音波信号がデジタル信号である場合には、Ｄ／Ａ（デジタル／アナログ）コンバータによりアナログ信号に変換して出力することが考慮される。Ｄ／Ａコンバータは、信号発生装置２の機能として備えられているものでもよいし、信号発生装置２と増幅装置３の間に設置するものであってもよい。また、パーソナルコンピュータのソフトを用いて発生させたデジタル信号は、パーソナルコンピュータに設けられているＤ／Ａコンバータによりアナログ信号に変換して出力することができる。

上記信号発生装置２で発生させた超音波信号は、信号発生装置２に接続された増幅装置３に出力される。

増幅装置３は、信号発生装置２で発生させた超音波信号を入力して増幅させ、超音波発生素子４に出力する、所謂パワーアンプの機能を有する装置である。この増幅装置３は、入力した超音波信号を超音波発生素子４から所定の音圧（ｄＢ）で出力可能に増幅する機能を有するものであれば特に制限なく用いることができ、例えば、バイポーラ電源や一般に用いられる音響用オーディオアンプ、共振回路を用いた増幅回路等を用いることができる。

これらの中でも超音波送信可能な広帯域性と音圧レベルの観点から、バイポーラ電源を好適に用いることができる。バイポーラ電源を用いる増幅では、超音波発生素子４に印加する電圧を増幅させることにより、超音波発生素子４自体の振動が大きくなり、音圧レベルを大きくすることができる。

増幅装置３による超音波信号の増幅は、超音波発生素子４から出力する超音波の音圧を６０〜１２０ｄＢ ＳＰＬ、好ましくは１００〜１２０ｄＢ ＳＰＬ、より好ましくは１００〜１１０ｄＢ ＳＰＬとなるように増幅させる。

増幅装置３により増幅された超音波信号は、超音波発生素子４から上記周波数及び音圧の範囲で出力される。

なお、防虫用超音波発生装置１において、上記信号発生装置２及び増幅装置３は、外部の電源装置からの電気供給により稼働させるが、この電源は一般に用いられる交流１００Ｖ電源や蓄電池等を用いることができる。また、電源装置として蓄電池を用いる場合には、太陽電池を接続した蓄電池を用いて、太陽光により蓄電した電気を供給して稼働させることもできる。太陽電池を接続した蓄電池を用いることにより、屋外の交流１００Ｖ電源からの電気供給が困難な場所であっても防虫用超音波発生装置１を稼働させることが可能となる。

超音波発生素子４は、有機圧電フィルムの両面に電極を取り付けた構成の可撓性を有するフィルム状ピエゾ素子である。有機圧電フィルムとしては、例えば、ポリフッ化ビニリデン三フッ化エチレン共重合体、ポリフッ化ビニリデン等を主成分とするものを用いることができる。これらの中でも、ポリフッ化ビニリデン三フッ化エチレン共重合体を特に好適に用いることができる。また、有機圧電フィルムの厚みは特に制限はないが、通常、０．０４〜０．１０ｍｍ、好ましくは０．０４〜０．０７ｍｍ、より好ましくは０．０４〜０．０６ｍｍの範囲のものが用いられる。

有機圧電素子の両面に取付ける電極としては、通常フィルム状のピエゾ素子に用いられる薄膜電極であれば特に制限なく用いることができ、例えば、アルミ箔、銅箔等を挙げることができる。電極の厚みは特に制限されるものではないが、超音波発生素子４全体の厚みを考慮した場合、３０〜３００ｎｍ、好ましくは１００〜２００ｎｍ程度が考慮される。電極の厚みを上記範囲内とすることにより、超音波発生素子４に可撓性を付与することができる。

有機圧電フィルムを用いた超音波発生素子４は、従来のセラミックを用いた振動素子と比較して、優れた柔軟性、耐衝撃性、耐電圧性、耐水性、耐薬品性等を有しており、大きさも測定の用途に応じて適宜設定することができる。

特に、本発明で用いる超音波発生素子４は、フィルム状であり可撓性を有しているため、容易に所望の曲率に成形することができる。超音波発生素子４の形状は使用環境や使用状況に応じて適宜設定することができ、平坦な形状は勿論、一部を折り曲げた形状や、超音波発生素子４の少なくとも一部を湾曲とした形状、円筒状に巻いた形状まで種々の形状とすることができる。また、湾曲とした場合の曲率（Ｒ）は特に制限されるものではないが、通常、一部の曲率（Ｒ）が３０〜４００ｍｍ、好ましくは６０〜１００ｍｍ、より好ましくは１７〜４０ｍｍの範囲が考慮される。

本発明の防虫用超音波発生装置１では、超音波発生素子４の形状を種々の形状、特に一部を湾曲に成形することにより、予想不可能な害虫の広範囲の侵入経路の方位をカバーする自由度を備えた防虫用超音波発生装置１とすることができる。

また、実験により曲率（Ｒ）とスピーカー特性の関係を調べたところ、曲率（Ｒ）を小さくすると高指向性特性が向上することが確認されたため、使用する環境に応じて曲率を適宜設定することが望ましい。

また、特定の有機圧電フィルムを用いた超音波発生素子４は、上記のとおり非常に薄く、共振周波数がＭＨｚ領域に存在していることから、広帯域の超音波を出力できる特性を有しており、従来のセラミック系材料を用いた振動素子とは異なり、信号発生装置２や増幅装置３を調整することなく、必要とする周波数の超音波を瞬時に出力することが可能となる。

以下に、本発明の防虫用超音波発生装置１で用いる超音波発生素子４の周波数特性を調べた実験結果を示す。

まず、図１に示す信号発生装置２、増幅装置３、超音波発生素子４からなる装置構成の防虫用超音波発生装置１を準備した。各装置は以下のものを用いた。
信号発生装置２：ＰＣ（ソフトウェア：ｍａｔｌａｂ）を使用し超音波波形を作成。同ソフトにより１３５ｋＨｚ〜５ｋＨｚ周波数変調する２ｍｓの超音波信号を出力。
増幅装置３：エヌエフ回路設計ブロック社製 バイポーラ電源（ＮＦ４０１０）で電圧４０Ｖに増幅して超音波発生素子４に出力。
超音波発生素子４の素子構成：ポリフッ化ビニリデン三フッ化エチレン共重合体により成型したフィルム状有機圧電素子、厚み：６０μｍ、大きさ８０×８０ｍｍ、曲率：ほぼフラットな状態。

また、図２に示す、マイク６、プリアンプ７、メインアンプ８、Ａ／Ｄコンバータ９、ＰＣ１０からなる装置構成の周波数測定装置５を準備した。各装置は以下のものを用いた。
マイク６：1/8インチマイクロフォン Bruel & Kjaer 社製（Ｂ＆Ｋ４１３８）＋変換アダプター（Bruel & Kjaer 社製 ＵＡ−０１６０（１／８インチ−１／４インチ））
プリアンプ７：Bruel & Kjaer 社製 Ｂ＆Ｋ２６７０
メインアンプ８：Bruel & Kjaer 社製 Ｂ＆Ｋ２６９０
Ａ／Ｄコンバータ９：National Instruments 社製 ＵＳＢ−６３５６
次に、図１に示す防虫用超音波発生装置の超音波発生素子の前面から４０ｃｍの間隔を置いて図２に示す周波数測定装置のマイク６を設置して、２０〜１２０ｋＨｚの超音波を発生させ、超音波発生素子の周波数特性を調べた。その結果を図３の周波数−音圧レベル（ｄＢ ＳＰＬ）のグラフに示す。

この結果から、本発明の防虫用超音波発生装置１では、２０〜１２０ｋＨｚの広帯領域において音圧６０〜１２０ｄＢ ＳＰＬの超音波が出力できることが確認された。

以下、本発明の防虫用超音波発生装置について、実施例により具体的に説明する。但し、本発明は実施例に限定されるものではない。

防虫用超音波発生装置として、図１に示す上記周波数特性を調べた防虫用超音波発生装置１と同様の装置構成の防虫用超音波発生装置を用意した。なお、超音波発生素子は、ポリフッ化ビニリデン三フッ化エチレン共重合体により成型したフィルム状有機圧電素子、厚み：６０μｍ、大きさ８０×８０ｍｍ、曲率（Ｒ）が１００ｍｍのものを用いた。

また、防虫効果を確認するために、コウモリを天敵とするアワノメイガを用いた。このアワノメイガは、メイガの一種でトウモロコシに対する害虫であり、大豆等の農作物に対する害虫の一種であるハスモンヨトウ等のヤガ類のガと同様に、特定の帯域の超音波を検知することによる忌避反応がみられる。従って、アワノメイガの超音波に対する忌避反応は、ハスモンヨトウの忌避反応と推定することができる。

本実施例では、アワノメイガを２匹用意し、各個体を糸で吊るして、曲率（Ｒ）１００ｍｍの超音波発生素子の前面にランダムに配置した。そして、超音波発生素子から超音波を出力させた後の蛾の動きの様子を上側からビデオカメラで撮影して、超音波を出力してからのアワノメイガの飛行軌跡を測定した。

なお、超音波の出力条件として、０．１秒の持続時間の４０ｋＨｚの超音波を０．２秒間隔で１０秒間繰り返し送信した。これらの条件で超音波を数分間隔で再生し、アワノメイガの行動を観察した。個体１に関しては９回、個体２に関しては６回実験を行った。個体１が超音波送信を始めた時点で羽ばたきをしていた９回に対して、羽ばたき停止までの時間を表１に示す。

また、表１における７回目の個体１のアワノメイガについて、１秒毎の様子を撮影した。その写真を図４に示す。図５（Ａ）は個体１における８回目の飛行軌跡を示しており、図５（Ｂ）は個体２における３回目の飛行軌跡を示している。なお、図５（Ａ）、（Ｂ）のグラフにおいて、縦軸は画面上の位置（ピクセル）を表し、横軸は時間（超音波発生開始を０）を表している。

表１の結果から、本発明に係る防虫用超音波発生装置を用いることにより、アワノメイガの羽ばたきが１０秒以内に確実に停止することが繰り返し確認された。また、図４及び図５（Ａ）（Ｂ）から、２匹のアワノメイガのうち、１匹において逃避行動を示す動きの変化が見られ、１匹において羽ばたきを停止することが観察された。

これらの結果から、本発明の防虫用超音波発生装置は、予想不可能な害虫の侵入経路である全方位をカバーする形状の自由度を備え、且つ、対象とする害虫の個体に対し切り替えスイッチにより瞬時に必要とする超音波帯域を発振可能な防虫用超音波発生装置であることが確認された。

また、曲率（Ｒ：半径）とスピーカー特性の関係を調べた。実験は、上記実施例で用いたフィルム状有機圧電素子の曲率（Ｒ）を１７ｍｍ、３０ｍｍ、４０ｍｍとして、その音圧レベルをコンピュータ解析により視覚化して評価した。

コンピュータ解析による視覚化は、ｍａｔｌａｂを用いて、スピーカとマイク間の距離が４０ｃｍの条件で行った。

スピーカから送信した信号は、校正されたマイク(Bruel & Kjar, 4138)で計測を行い、増幅し（Bruel & Kjar, 2670,2690)、ＡＤ変換（National Instruments, USB-6356）し、ＰＣに収録した。収録した信号を周波数解析し、周波数ごとの音圧レベルを評価した。

その結果を、図６（Ａ）〜（Ｃ）に示す。図６（Ａ）は曲率１７ｍｍ、（Ｂ）は曲率３０ｍｍ、（Ｃ）は曲率４０ｍｍを表している。また、図６においては縦軸が音圧、横軸が指向性を表しており、色調が白い程高い音圧が広範囲に広がっていることを表している。図６（Ａ）〜（Ｃ）を見ると（Ｃ）のＲ＝４０ｍｍより（Ｂ）のＲ＝３０、（Ｂ）のＲ＝３０より（Ａ）のＲ＝１７の方が色調の白い部分が多く音圧が高いことがわかる。

これらの結果から、曲率（Ｒ）が小さくなるほど、高い指向性を示すことが確認された。

１ 防虫用超音波発生装置
２ 信号発生装置
３ 増幅装置
４ 超音波発生素子
５ 周波数測定装置
６ マイク
７ プリアンプ
８ メインアンプ
９ Ａ／Ｄコンバータ
１０ ＰＣ

Claims (5)

1. 電源装置、信号発生装置、増幅装置及び超音波発生素子を備えた防虫用超音波発生装置であって、前記超音波発生素子は、有機圧電フィルムの両面に電極が設けられ、可撓性を有することを特徴とする防虫用超音波発生装置。
2. 前記有機圧電フィルムは、ポリフッ化ビニリデン三フッ化エチレン共重合体を主成分とし、厚みが０．０４〜０．１０ｍｍの範囲であることを特徴とする請求項１に記載の防虫用超音波発生装置。
3. 前記超音波発生素子の少なくとも一部が曲率Ｒ１７〜４０ｍｍの湾曲の範囲に成形されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の防虫用超音波発生装置。
4. 前記超音波発生素子は、２０〜１２０ｋＨｚの広帯領域において音圧６０〜１２０ｄＢ ＳＰＬの超音波を出力させることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の防虫用超音波発生装置。
5. 前記電源装置として太陽電池を接続した蓄電池が用いられることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の防虫用超音波発生装置。