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図面 (5)

課題

小型の受波素子を用いて検出周波数帯域を確保しつつ、雑音を低減することのできるハイドロホンを得る。

解決手段

受波した音波に基づいた信号を出力する受波素子を備えたハイドロホンであって、音響媒体102を満たした筐体101の中に前記受波素子を固定し、前記筐体101のいずれかの面に、音圧を受けて振動する整音板103を構成したことを特徴とする。

概要

背景

従来のハイドロホンとして、船舶に取り付けて水中の音を検出する場合に発生する雑音を低減することのできるものがある。例えば、乱流で発生する雑音や、振動する大きな板から発生する雑音(以下では単に雑音と記す)は、信号となる音波より波長が短いことを利用し、ハイドロホンの受波面を広くして空間的に平均することで雑音を低減しているものがある。
また、光ファイバハイドロホンに関する技術として、光ファイバ渦巻状に巻いて振動板接着した構造を有し、音による振動板の屈曲振動で光ファイバが歪み、その光ファイバを伝搬した光の位相変調されるようにして水中の音を検出するものがある(非特許文献1)。これは、水中部電子回路を用いずに多重伝送系を構成できるので、信号を伝送するケーブルが少なくなり軽量となる。電気式のハイドロホンでも多重伝送系を構成できるが電子回路、電子回路を入れる容器、電子回路を駆動するための電力供給系が必要となり重くなるという課題がある。この点において、光ファイバハイドロホンに優位性がある。
また、『圧力バランス構造による高耐水圧光ファイバ型音響センサを得る。』ことを目的とした、『二重円筒体円筒1,2を隔壁板3を介して直列接続して一体的に形成した縦続型二重円筒体の両端にそれぞれ蓋5,5aを有し、かつ縦続型二重円筒体の各内円筒1a,2aに光ファイバ4,4aを巻回してなり、円筒1及び円筒2の各内外空洞部1L,1H及び2H,2Lに面する各蓋5,5aに、各内外空胴部と縦続型二重円筒体の外周部との静水圧を等しくするオリフィス11L,11H及び12H,12Lをそれぞれ設けたもの。』というものもある(特許文献1)。
特開平9−196749号公報(要約)
電子情報通信学会技術研究報告書OPE95−2「光ファイバハイドロホンの研究」(図5)

概要

小型の受波素子を用いて検出周波数帯域を確保しつつ、雑音を低減することのできるハイドロホンを得る。受波した音波に基づいた信号を出力する受波素子を備えたハイドロホンであって、音響媒体102を満たした筐体101の中に前記受波素子を固定し、前記筐体101のいずれかの面に、音圧を受けて振動する整音板103を構成したことを特徴とする。

目的

上記非特許文献1に示された光ファイバハイドロホンにおいて、振動板を大きくすることにより、上記従来技術で示した空間的に平均する手法と同様に雑音を低減することができるが、振動板の共振周波数が低くなり、検出できる音の周波数帯が狭くなるという課題がある。
また、上記特許文献1に示された円筒状に巻いた光ファイバハイドロホンにおいても、同様に円筒を大きくすることで雑音を低減することができるが、やはり共振周波数が低くなり検出できる音の周波数帯が狭くなるという課題がある。
そのため、小型の受波素子を用いて検出周波数帯域を確保しつつ、雑音を低減することのできるハイドロホンが望まれていた。

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

受波した音波に基づいた信号を出力する受波素子を備えたハイドロホンであって、音響媒体を満たした筐体の中に前記受波素子を固定し、前記筐体のいずれかの面に、音圧を受けて振動する第1振動板を構成したことを特徴とするハイドロホン。

請求項2

前記受波素子は、音響中心が前記第1振動板の中心線に重なるように配置されたことを特徴とする請求項1に記載のハイドロホン。

請求項3

複数の前記受波素子を備え、前記受波素子は、前記第1振動板の中心線を対称軸とした線対称の位置に配置されたことを特徴とする請求項2に記載のハイドロホン。

請求項4

前記筐体の、前記第1振動板に対向する面に、音圧を受けて振動する第2振動板を構成したことを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれかに記載のハイドロホン。

請求項5

前記第2振動板は、中心線が前記第1振動板の中心線と重なるように配置されたことを特徴とする請求項4に記載のハイドロホン。

請求項6

前記第2振動板は、前記第1振動板と同一方向に振動した際に、前記音響媒体が前記受波素子に与える圧力が変化しないようにインピーダンスを調整されてなることを特徴とする請求項4又は請求項5に記載のハイドロホン。

請求項7

一方の端部を前記筐体に固着したバネを設け、該バネのもう一方の端部を、前記第1振動板の中央部に固着したことを特徴とする請求項1ないし請求項6のいずれかに記載のハイドロホン。

請求項8

一方の端部を前記筐体に固着したバネを設け、該バネのもう一方の端部を、前記第2振動板の中央部に固着したことを特徴とする請求項4ないし請求項6のいずれかに記載のハイドロホン。

請求項9

一方の端部を前記第1振動板の中央部近傍に固着したバネを設け、該バネのもう一方の端部を、前記第2振動板の中央部に固着したことを特徴とする請求項4ないし請求項6のいずれかに記載のハイドロホン。

請求項10

前記バネは、該バネを固着した前記第1振動板又は前記第2振動板の面外方向の振動による変位が一様となるように、バネ定数を調整されてなることを特徴とする請求項7ないし請求項9のいずれかに記載のハイドロホン。

請求項11

前記第1振動板の周縁部分の板厚を薄くして形成した屈曲部を設けたことを特徴とする請求項1ないし請求項10のいずれかに記載のハイドロホン。

請求項12

前記第2振動板の周縁部分の板厚を薄くして形成した屈曲部を設けたことを特徴とする請求項4ないし請求項10のいずれかに記載のハイドロホン。

請求項13

前記第1振動板は、アルミ合金で形成されたことを特徴とする請求項1ないし請求項12のいずれかに記載のハイドロホン。

請求項14

前記第2振動板は、アルミ合金で形成されたことを特徴とする請求項4ないし請求項12のいずれかに記載のハイドロホン。

請求項15

前記受波素子として、光ファイバセンサを用いたことを特徴とする請求項1ないし請求項14のいずれかに記載のハイドロホン。

技術分野

0001

本発明は、ハイドロホンに関するものである。

背景技術

0002

従来のハイドロホンとして、船舶に取り付けて水中の音を検出する場合に発生する雑音を低減することのできるものがある。例えば、乱流で発生する雑音や、振動する大きな板から発生する雑音(以下では単に雑音と記す)は、信号となる音波より波長が短いことを利用し、ハイドロホンの受波面を広くして空間的に平均することで雑音を低減しているものがある。
また、光ファイバハイドロホンに関する技術として、光ファイバ渦巻状に巻いて振動板接着した構造を有し、音による振動板の屈曲振動で光ファイバが歪み、その光ファイバを伝搬した光の位相変調されるようにして水中の音を検出するものがある(非特許文献1)。これは、水中部電子回路を用いずに多重伝送系を構成できるので、信号を伝送するケーブルが少なくなり軽量となる。電気式のハイドロホンでも多重伝送系を構成できるが電子回路、電子回路を入れる容器、電子回路を駆動するための電力供給系が必要となり重くなるという課題がある。この点において、光ファイバハイドロホンに優位性がある。
また、『圧力バランス構造による高耐水圧光ファイバ型音響センサを得る。』ことを目的とした、『二重円筒体円筒1,2を隔壁板3を介して直列接続して一体的に形成した縦続型二重円筒体の両端にそれぞれ蓋5,5aを有し、かつ縦続型二重円筒体の各内円筒1a,2aに光ファイバ4,4aを巻回してなり、円筒1及び円筒2の各内外空洞部1L,1H及び2H,2Lに面する各蓋5,5aに、各内外空胴部と縦続型二重円筒体の外周部との静水圧を等しくするオリフィス11L,11H及び12H,12Lをそれぞれ設けたもの。』というものもある(特許文献1)。
特開平9−196749号公報(要約)
電子情報通信学会技術研究報告書OPE95−2「光ファイバハイドロホンの研究」(図5)

発明が解決しようとする課題

0003

上記非特許文献1に示された光ファイバハイドロホンにおいて、振動板を大きくすることにより、上記従来技術で示した空間的に平均する手法と同様に雑音を低減することができるが、振動板の共振周波数が低くなり、検出できる音の周波数帯が狭くなるという課題がある。
また、上記特許文献1に示された円筒状に巻いた光ファイバハイドロホンにおいても、同様に円筒を大きくすることで雑音を低減することができるが、やはり共振周波数が低くなり検出できる音の周波数帯が狭くなるという課題がある。
そのため、小型の受波素子を用いて検出周波数帯域を確保しつつ、雑音を低減することのできるハイドロホンが望まれていた。

課題を解決するための手段

0004

本発明に係るハイドロホンは、
受波した音波に基づいた信号を出力する受波素子を備えたハイドロホンであって、
音響媒体を満たした筐体の中に前記受波素子を固定し、
前記筐体のいずれかの面に、音圧を受けて振動する第1振動板を構成したことを特徴とするものである。

発明の効果

0005

本発明に係るハイドロホンによれば、小型の受波素子を用いて検出周波数帯域を確保しつつ、雑音を低減することが可能となる。

発明を実施するための最良の形態

0006

実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1に係るハイドロホンの構成を説明するものである。
ハイドロホン100は、本実施の形態1に係るハイドロホンであり、筐体101の中には音響媒体102(水などの液体)が満たされている。
筐体101の正面には、音圧を受けて振動する振動板(以下、整音板103と呼ぶ)が構成されており、整音板103が振動することにより、筐体101内に音が伝わるようになっている。
筐体101の内部には、支柱105で筐体101の内壁に固定された光ファイバコイル106が配置されている。
光ファイバコイル106は、光ファイバを円柱状に巻回して形成したものであり、受波素子としての役割を果たす。
光ファイバコイル106には入出力光ファイバ107が取り付けられており、ハイドロホン100の外部と、信号の入出力が行えるようになっている。

0007

筐体101は、直方体状に形成されており、ハイドロホン100の外部の音が直接筐体101の内部に伝わらないように、硬い材質を用いて形成する。

0008

整音板103の材料には、撓み振動が生じ難い硬いものを用いる。具体的には、硬さと軽さを兼ね備えたアルミ合金が適している。
剛性が十分な材質を用いることにより、整音板103の中心近傍が他の部分よりも大きく撓むことがなくなるので、整音板103が音響媒体102に与える圧力を均等にすることができる。

0009

光ファイバコイル106は、筐体101内に複数配置されている。その配置は、音響感度の中心位置である音響中心が、整音板103の中心線上に位置するようにする。
特に、同じ感度の光ファイバコイル106を、整音板103の中心線を対称軸とした線対称の位置に配置することが望ましい。
このように配置することで、ハイドロホンの感度を高めることができるとともに、後述の整音板103による雑音低減効果を十分に発揮することができる。

0010

整音板103の周縁部分には、整音板103の板厚を薄くすることにより形成された、屈曲部104が設けられている。整音板103が音圧を受けると、屈曲部104が撓むことにより、整音板103が面外方向に一様に振動するようになっている。
仮に、屈曲部104を設けずに、整音板103を均等な厚さで形成した場合、整音板103の剛性が十分でなければ、整音板103の中心近傍が他の部分よりも大きく撓むこととなり、整音板103が音響媒体102に与える圧力に偏りが生じてしまう。
そこで、屈曲部104を設けることにより整音板103の周縁に可撓部を形成し、撓みをこの部分に集中させているので、整音板103が面外方向に一様に振動するように構成することができる。
ただし、屈曲部104の面方向の幅を広く形成し過ぎると、整音板103の振動の一様性が損なわれるため、整音板103の表面積に対して狭く形成することが好ましい。

0011

なお、本実施の形態1においては、「第1振動板」は、整音板103がこれに該当する。また、「光ファイバセンサ」は、光ファイバコイル106がこれに該当する。

0012

次に、ハイドロホン100の基本的な動作について説明する。
(1)
ハイドロホン100に音圧が加わると、整音板103が振動して筐体101内の音響媒体102に圧力が伝わり、光ファイバコイル106が歪む。
(2)
この光ファイバコイル106の歪みにより、光ファイバ内を伝搬する光の経路長が変化するため、光ファイバ内を伝搬する光に位相変位が生じる。即ち、音圧による歪みが位相信号に変調されて、入出力光ファイバ107より出力される。
この変調位相信号を所定の復調演算処理等により復調することで、音圧を検出することができる。なお、復調処理に関しては公知の技術を用いればよい。

0013

次に、整音板103による雑音低減効果について説明する。
整音板103は、その表面に加わる音圧の空間平均が力となって振動する。そのため、不均一な分布をもつ雑音成分は、整音板103で平均された上で筐体101内に伝わることとなる。
これにより、筐体101の内部においては雑音の影響が低減され、結果として信号対雑音比が良くなる。
なお、整音板103に加わる雑音で整音板103が回転する動きが生じると、筐体101内にこれが伝わるが、光ファイバコイル106の全てを伝搬したところでキャンセルされるため、特段の問題はない。

0014

このように、受波素子である光ファイバコイル106自体を大型にすることに替えて、整音板103を設けることにより、光ファイバコイル106自体は小型のものを用いながら、雑音をキャンセルすることができるのである。

0015

以上のように、本実施の形態1によれば、
音響媒体102を満たした筐体101の中に光ファイバコイル106を固定し、
筐体101のいずれかの面に、音圧を受けて振動する整音板103を構成したので、
整音板103で雑音を平均化してキャンセルすることができ、受波素子自体を大型化する必要はない。これにより、小型の受波素子を用いて検出周波数帯域を確保しつつ、雑音を低減することが可能となる。

0016

また、本実施の形態1によれば、
複数の光ファイバコイル106を備え、
各光ファイバコイル106は、音響中心が整音板103の中心線に重なるように配置され、さらには整音板103の中心線を対称軸とした線対称の位置に配置されたので、
ハイドロホンの感度を高めることができるとともに、整音板103による雑音低減効果を十分に発揮することができる。

0017

また、本実施の形態1によれば、
整音板103の周縁部分の板厚を薄くして形成した屈曲部104を設けたので、
撓みを屈曲部104に集中させて、整音板103が面外方向に一様に振動するように構成することができる。これにより、整音板103が音圧に応じて一様に振動することとなるので、整音板103による雑音低減効果が向上する。

0018

実施の形態2.
図2は、本発明の実施の形態2に係るハイドロホンの構成を説明するものである。
図2におけるハイドロホン200と、実施の形態1におけるハイドロホン100との差異は、図1における整音板103と対向する面に、対となるもう1つの整音板を設けたことである。
なお、ハイドロホン200のその他の構成は図1と同様であるため、同様の符号を付して説明を省略する。

0019

図2において、図1の整音板103に相当するものを、第1整音板203aとする。
また、筐体201の、第1整音板203aに対向する面には、第2整音板203bが構成されている。図1の屈曲部104に相当するものを、それぞれ第1屈曲部304a、第2屈曲部304bとする。
第2整音板203bは、第1整音板203aと同一方向に振動したときに、筐体内の音響媒体202の圧力が変化しないように、インピーダンスバランスを調整されている。
また、第2整音板203bは、中心線が第1整音板203aの中心線と重なるように配置する。
光ファイバコイル206は、実施の形態1と同様に、音響中心が第1整音板203aの中心線と重なる位置に配置し(第2整音板203bの中心線とも重なる)、支柱205で筐体201に連結する。

0020

なお、本実施の形態2においては、「第1振動板」は第1整音板203aに、「第2振動板」は第2整音板203bに、それぞれ対応する。

0021

ここで、第1整音板203aと第2整音板203bのインピーダンスとは、機械インピーダンス放射インピーダンス合成インピーダンスのことを指す。
機械インピーダンスは、整音板の材質と形状(弾性抵抗、慣性に寄与するパラメータ)等により定まる。
また、放射インピーダンスは、整音板の形状(特に放射面の面積)、媒質密度(kg/m^3)、当該媒質を伝わる音速(m/s)、整音板付近に存在する物の形状、等により定まる。
第1整音板203aと第2整音板203bは、これらにより定まるインピーダンスのバランスを、上述の通りあらかじめ調整されているものとする。

0022

ハイドロホン200の基本的な動作は、実施の形態1におけるハイドロホン100と同様であるが、第2整音板203bを備えたことにより、以下の効果を奏する。
ハイドロホン200本体に全体的な加速度が加えられた場合、例えばハイドロホン200本体を振動させたような場合は、第1整音板203aと第2整音板203bが同一方向に振動するので、筐体201内の音響媒体202の圧力変化がキャンセルされることとなる。
即ち、ハイドロホン200本体の振動を誤って検出することはなく、本来検出すべき音波による振動のみを検出することができるのである。
また、不均一な分布をもつ雑音成分は、実施の形態1と同様に第1整音板203aと第2整音板203bで平均された上で筐体201内に伝わることとなるので、筐体201の内部においては雑音の影響が低減され、結果として信号対雑音比が良くなる。

0023

以上のように、本実施の形態2によれば、
筐体201の、第1整音板203aに対向する面に、
音圧を受けて振動する第2整音板203bを構成し、
第2整音板203bは、
第1整音板203aと同一方向に振動した際に、音響媒体202が光ファイバコイル206に与える圧力が変化しないようにインピーダンスを調整されてなるので、
ハイドロホン200本体を振動させたような場合は、第1整音板203aと第2整音板203bが同一方向に振動することとなり、筐体201内の音響媒体202の圧力変化がキャンセルされる。
これにより、ハイドロホン200本体の振動を誤って検出することがなく、本来検出すべき音波による振動のみを検出することができるので、ハイドロホン200を振動の多い場所等に設置することが可能となり、ハイドロホン200の広範な用途が確保される。

0024

また、本実施の形態2によれば、
第2整音板203bは、
中心線が第1整音板203aの中心線と重なるように配置されたので、
音響中心が第1整音板203aと第2整音板203bそれぞれの中心線上に位置することなり、ハイドロホンの感度を高めることができるとともに、整音板による雑音低減効果を十分に発揮することができる。

0025

実施の形態3.
図3は、本発明の実施の形態3に係るハイドロホンの構成を説明するものである。
図3におけるハイドロホン300と、実施の形態2におけるハイドロホン200との差異は、整音板同士を連結するバネ308を設けたことである。
なお、ハイドロホン300のその他の構成は図2と同様であるため、同様の符号を付して説明を省略する。

0026

バネ308の位置、数、及びバネ定数は、第1整音板303a及び第2整音板303bそれぞれの屈曲部のバネ定数とのバランスをとり、第1整音板303a及び第2整音板303bが、面外方向に一様な変位で振動するように設定する。
バネ308にはコイルバネ板バネ、棒状のバネなど用いることもできるが、設置スペースの少ない棒状のバネまたはコイルバネが望ましい。

0027

バネ308を設けたことにより、実施の形態2のように、第1整音板303a及び第2整音板303bの板自身の剛性だけで整音板中央付近の撓みを抑えている構成と比較すると、それぞれの整音板を薄くすることができる。
これにより、ハイドロホン300の小型化ないし軽量化を図ることができる。

0028

なお、本実施の形態3において、バネ308を介して第1整音板303aと第2整音板303bを連結することにより、整音板中央付近の剛性を補強する例を示したが、バネを介してそれぞれの整音板の中央付近と筐体301を連結することにより、剛性を補強することも可能である。
この場合も、バネの位置、数、及びバネ定数は、第1整音板303a及び第2整音板303bそれぞれの屈曲部のバネ定数とのバランスをとり、第1整音板303a及び第2整音板303bが、面外方向に一様な変位で振動するように設定する。

0029

以上の実施の形態1〜3において、受波素子として円筒型光ファイバコイルを用いる例を説明したが、振動板に渦巻状に巻いた形など、他の形状に構成した光ファイバセンサを用いることもできる。

0030

また、実施の形態1〜3において、受波素子として光ファイバコイルを用いる例を説明したが、これに変えて圧電材料など他の素子を用いて構成してもよい。
即ち、整音板により雑音をキャンセルし、筐体内の信号対雑音比を向上させたことを有効利用できるものであれば、任意の受波素子を用いることができる。

0031

また、実施の形態1〜3において、筐体内に液体を満たして音響媒体とする例を説明したが、液体の代わりに、ゴムなどの音を透過する弾性材料を用いる、または液体とゴムなどの弾性材料を併用する構成を用いることもできる。

0032

また、実施の形態1〜3において、筐体は直方体状に形成されているものとしたが、形状は直方体に限られるものではなく、例えば立方体や円筒などの形状としてもよい。
ただし、音響媒体に加わる圧力が不均一となることは検出精度の観点から好ましくないので、対向する面が同一形状となる、対称性を有する形状を用いることが望ましい。

0033

図4は、実施の形態3において、筐体を円筒状に形成した場合の構成例である。各部の符号は図3と同様のものを付している。
このように、筐体の形状は、対向する面が同一形状となるように構成することが望ましい。

0034

以上のように、本実施の形態3によれば、
一方の端部を第1整音板303aの中央部に固着したバネ308を設け、
バネ308のもう一方の端部を、第2整音板303bの中央部に固着するように構成したので、
それぞれの整音板の中央付近の剛性をバネ308により補強し、整音板を薄く形成することができる。これにより、ハイドロホン全体の軽量化ないし小型化に資する。
また、中央付近の剛性を補強しているので、中央付近が他の部分よりも撓んでしまい、音響媒体に与える圧力に偏りが生じてしまうようなこともないので、ハイドロホンの感度の安定化にも資する。

0035

また、一方の端部を前記筐体に固着したバネを設け、
該バネのもう一方の端部を、第1整音板303a又は第2整音板303b、もしくはその双方の中央部に固着するように構成することもできる。
このように構成することにより、整音板同士をバネで連結した場合と同様の効果を奏する。

0036

また、本実施の形態3によれば、
バネ308は、
バネ308を固着した第1整音板303a又は第2整音板303bの面外方向の振動による変位が一様となるように、バネ定数を調整されてなるので、
整音板103が音圧に応じて一様に振動することとなり、整音板103による雑音低減効果を損なうことなく、整音板を薄く形成することができる。

図面の簡単な説明

0037

実施の形態1に係るハイドロホンの構成を説明するものである。
実施の形態2に係るハイドロホンの構成を説明するものである。
実施の形態3に係るハイドロホンの構成を説明するものである。
実施の形態4に係るハイドロホンの構成を説明するものである。

符号の説明

0038

100ハイドロホン、101筐体、102音響媒体、103整音板、104屈曲部、105支柱、106光ファイバコイル、107入出力光ファイバ、200 ハイドロホン、201 筐体、202 音響媒体、203a 第1整音板、203b 第2整音板、204a 第1屈曲部、204b 第2屈曲部、205 支柱、206 光ファイバコイル、207 入出力光ファイバ、300 ハイドロホン、301 筐体、302 音響媒体、303a 第1整音板、303b 第2整音板、304a 第1屈曲部、304b 第2屈曲部、305 支柱、306 光ファイバコイル、307 入出力光ファイバ、308バネ、400 ハイドロホン、401 筐体、402 音響媒体、403a 第1整音板、403b 第2整音板、404a 第1屈曲部、404b 第2屈曲部、405 支柱、406 光ファイバコイル、407 入出力光ファイバ、408 バネ。

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