超音波浮揚実験装置 version 3 製品サポートページ

特徴

超音波を使って、小さく軽い物体を空中に浮かせます。

2つの超音波発振子の間に、吸い寄せられるスポットを発生させます。また、そのスポットの位置をプログラム制御により変化させ、浮かせた物体を動かします。

※このページ内の写真はversion 3.2.0と3.2.1が混在しています。両者はほぼ同等ですが、色とシルク印刷の一部が異なります。

内容物

別途ご用意いただくもの

組み立て

メイン基板とスタンドの溝を互いに差し込み、直角に組み合わせます。写真を参考にしてください。

あるいは、他の方法でメイン基板を立てて固定しても構いません。 その場合、基板に導電性のものを接触させないことと、超音波スピーカーの近くに物が干渉しないように注意してください。

使用方法

電源を入れる

メイン基板のUSB-Cコネクタに電源を接続してください。

電源が入るとLEDが点灯します。

電源スイッチはありません。接続・給電されると即座に動作を開始します。OFFするときはいつでもケーブルを取り外してください。

物体を置く

ピンセットを使用して、超音波スピーカーの間の空間に物体を置きます。

2つのスピーカーの間の空間に吸い寄せられる場所があるので、高さを変えながらそっと離すようにして探してください。

操作する

SW1＝上昇、SW2＝下降。短く押すと１単位移動。長押しで連続的に動く。

同時押し＝オートモード開始。上下に往復を続ける。先に中央に浮かせてから。

補足

出荷時のファームウェアでは、電源投入直後には、上下スピーカーの中点が吸い寄せられる点の１つになっているはずです。もしこれが中央から少しずれた場所（上下対称に２箇所）になっている場合、プログラムが変更されているか、あるいはスピーカーの極性が逆になっているケースが考えられます。このままでも、初期位置が変わる以外は動作に支障はありません。

物体を把持するのに金属製のピンセット等を使うと、静電気でピンセットにくっつく力のほうが勝り、うまく離せなくなる場合があります。付属のピンセットか、市販の竹製ピンセットをお勧めします。

浮かせる物体の作成方法

発泡スチロールの試験片が付属しておりますが、自作することができます。どんな素材や形状の物体が浮かせられるか、色々試してみてください。

軽く、小さいものである必要があります。導体（例:アルミホイル）は非推奨とします。落下時に基板上の回路をショートさせるおそれがあるためです。

また、超音波スピーカーの中に入り込んでしまうことのないように気を付けてください。粉のような小さすぎるものはこの点でお勧めしません。

例1: 紙

3mm角ぐらいの正方形に切ります。置くときは水平に向けると安定しやすくなります。

例2: 発泡スチロール

食品の梱包材等の廃材が再利用できます。

納豆のパッケージなど、板状のものの場合はハサミやニッパーで3mm角ぐらいに切ります。更に軽くするため、厚み方向で剥離して薄くします。

断熱容器として使われる、粒状構造を持った塊から作る場合、楊枝などで引っ掻いてちぎり、およそ2～3mm程度の大きさの小片にします。

より小さく(～2mm)した方が安定して浮かせやすくなります。

開発者向け情報

プログラム変更(改造する場合)

出荷時に書き込まれている、デモ用ファームウェアのソースコードは yamaguchi-am/acoustic_levitator (GitHub)で公開しています。

基板上に、UPDI用のパターンを用意しています。秋月の「ＦＴ２３４Ｘ　超小型ＵＳＢシリアル変換モジュール」を使う場合は次のような使い方が可能です:

1. AE-FT234XにL字型ピンヘッダをはんだ付けしたものを用意
2. これを本体基板上の書き込み端子に接続。ピンの向きは[+5V][GND]のシルク印刷で示されています。ピンソケットをはんだ付けしなくとも、斜めに軽く押し付けて接触させることができます。
3. PCで書き込み操作を行う (pymcuprogなど)

認識されない時は、USBケーブルのPC側を一旦抜いて挿し直してみてください。

回路図

補足説明

UPDI(プログラム書き込み)用端子

コネクタは未実装です。

J2(1.27mmピッチピンヘッダ2x3)はMicrochip推奨のボックスヘッダピン配置に合わせてあります。但しテストは行っていません。間違っている可能性もあります。

J9(2.54mmピッチピンヘッダ1x4)は秋月のUSB-シリアル変換キットAE-FT234X(M-08461)を使ってUPDIプロトコルによる書き込みを行うためのものです。そのために４番ピンが余分に配線されています。これを無視して、その他の方法によるUPDIにも使用可能です。

外部スピーカー端子（未使用）

回路図上のJ3、J4は基板上ではなく配線を延長して外部にスピーカーを設置するためのものでしたが、version3ではこの部品とパターンが削除されています。無視してください。

電源端子（J1）

改造用にUSB以外のDC電源(電池ボックスなど)をつなぐ想定をしています。LMR62421を使用した昇圧回路に入力されます。 そのため電源電圧は5Vでなくても可能で、LMR62421の入力電圧範囲で2.7V〜5.5Vとなっています。 この端子を使用するときは、同時にUSBケーブルをつなぐと電源の衝突で破損の恐れがあるため、基板上のUSB-Cコネクタをテープなどで封じておくことをおすすめします。

注意事項

• 給電中、金属などの導電体を基板や部品に接触させないでください。
• 超音波スピーカーへの配線がショートされたときは、78H660(ドライバIC)の過電流検知機能によってスピーカー出力だけが止まる場合があります。このとき、LEDは点灯したままです。復旧するためには、一旦電源を切って再投入してください。
• 発熱、発煙、異臭等の異常が見られた場合には電源ケーブルを抜いてください。
• この装置は電源が入っている間、40kHzの超音波を放射します。犬、猫、ネズミ等の動物や、超音波センサー機器等への影響に注意してください。
• 同様に、ヒトに対しても耳の近くで長時間使用することは避けてください。
• 作動中、ビデオカメラ等に音声ノイズが入る場合があります。
• LEDのリードを曲げないように気をつけてください。少しだけ光の方向を調整する程度であれば大丈夫ですが、繰り返し曲げると折れます。
• 基板には部品の足や縁のバリなど鋭利な箇所があります。怪我をしないように注意してください。

超音波の音圧について

安全管理は使用者の責任において行ってください。

本機の実際の音圧は計測していません。超音波スピーカーのカタログスペックとしては10V(RMS)時に30cmの距離で116dB SPLとなっています。

上限の見積もりとして、音圧がこの2.4倍(電圧振幅12Vで2台使用)であるとすると7.6dB増加しておよそ124dB SPLと見積もれます。

但しこれは矩形波のままでRMS(二乗平均平方根)を計算した場合です。12V振幅の正弦波として計算するとRMSは8.48V、この場合は121dB SPLという見積もりになります。

更に本装置の場合は放射方向に障害物(基板または対向するスピーカー)があり、また通常は放射方向を人に向けずに側面から見るため、使用者の場所での音圧はスピーカーの指向特性によってこれより小さくなると考えられます。

超音波曝露の許容値に関する検討(日本音響学会講演論文集, pp. 61-64, 2021 年 3 月)によると、40kHzの超音波の暫定許容値として140dB SPLが提案されています。 上記の見積もりから、本機が通常の使用でこの基準値を超えることはないと考えられますが、念のため、耳から至近距離(例:1cm)に置いて長時間使用するようなことは避けてください。また、人によっては聞こえとして知覚できる場合もあり、それが影響するケースも考えられます。異変を感じた場合には使用を中止してください。

付録