(57)【要約】【課題】  振動膜と固定電極との間に直流バイアス電圧を印加するための直流バイアス電源を必要とせず、また、固定電極の表面に微細な多数の穴を一定の深さで均一に開けるという作業を不要にすることができる、超音波トランスデューサを提供する。【解決手段】  振動膜の振動により超音波信号を発生させる超音波トランスデューサであって、振動膜の振動音を伝達する複数の貫通穴を形成した平板状の単一の支持部材と、前記単一の支持部材の一方の面に圧着される、第１の電極層を含む振動膜と、前記振動膜に圧力を印加し、該振動膜を前記支持部材の面に圧着させるための加圧手段と、前記振動膜の加圧される側の面と対向するように配置される第２の電極層と、前記第１の電極層と前記第２の電極層との間に交流信号を印加する交流信号印加手段とを備える。【選択図】  図１
2006261728.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動膜の振動により超音波信号を発生させる超音波トランスデューサであって、
振動膜の振動音を伝達する複数の貫通穴を形成した平板状の単一の支持部材と、
前記単一の支持部材の一方の面に圧着される、第１の電極層を含む振動膜と、
前記振動膜に圧力を印加し、該振動膜を前記支持部材の面に圧着させるための加圧手段と、
前記振動膜の加圧される側の面と対向するように配置される第２の電極層と、
前記第１の電極層と前記第２の電極層との間に交流信号を印加する交流信号印加手段と
を備えることを特徴とする超音波トランスデューサ。
【請求項２】
前記加圧手段は気体が充填されて弾性体を形成する支持膜であり、該支持膜を前記振動膜に押し付け、該支持膜内の気体の圧力により前記振動膜を前記支持部材に圧着するように構成したこと
を特徴とする請求項１に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項３】
前記第２の電極層が前記支持膜の振動膜と接する部分に形成されたこと
を特徴とする請求項２に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項４】
前記第２の電極層が導電材料で形成された固定電極か、または導電層を含む固定電極であり、該固定電極と前記振動膜との間に前記加圧手段を配置したこと
を特徴とする請求項１に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項５】
前記加圧手段が前記振動膜と固定電極との間の閉空間により形成され、該閉空間内の圧力により、前記振動膜を前記支持部材に圧着するように構成したこと
を特徴とする請求項４に記載の超音波トランスデューサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波トランスデューサに関し、特に、振動膜と固定電極との間に直流バイアス電圧を印加するための直流バイアス電源を必要とせず、また、加工コストを低減することができる、静電型の超音波トランスデューサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より静電型の超音波トランスデューサ（静電トランスデューサ）は高周波数帯域にわたって高い音圧を発生可能な広帯域発振型超音波トランスデューサとして知られている。
【０００３】
図６に、静電型の超音波トランスデューサの例を示す。図６に示す超音波トランスデューサ２０は、絶縁体で形成された絶縁膜２１Ｂと該絶縁膜２１Ｂ上に形成された電極層２１Ａとからなる振動膜２１と、振動膜２１の絶縁膜２１Ｂに対向する面に凹凸が複数形成された固定電極（下電極）２２と、直流バイアス電源２４と、信号源２５とを有している。
【０００４】
振動膜２１の電極層２１Ａと固定電極２２との間には、常時、電圧調整可能な直流バイアス電源２４により一定の直流バイアス電圧が印加されており、この電界により発生する静電力により固定電極２２の凸部２２Ａに振動膜２１が吸着され、振動膜２１と固定電極２２との間に形成される空洞部２３を除き、密着した状態にある。また、振動膜２１と固定電極２２との間には、直流バイアス電源２４による直流バイアス電圧に重畳された状態で信号源２５により信号電圧である交流信号（周波数は２０ｋＨｚ以上の超音波周波数帯）が印加されるようになっている。
【０００５】
上記構成において、振動膜２１の電極層２１Ａと固定電極２２との間に直流バイアス電源２４により、直流バイアス電圧が印加されると、振動膜２１が固定電極２２の凸部２２Ａに吸着され、この状態で信号源２５より交流信号が振動膜２１（電極層２１Ａ）と固定電極２２との間に直流バイアス電圧に重畳されて印加される。これにより、振動膜２１と固定電極２２との間の静電吸引力が交流信号により変化し、振動膜２１は交流信号により駆動され、振動する。
【０００６】
このように、図６に示す超音波トランスデューサ２０は、振動膜２１が固定電極２２から吸引力を受けて振動することからプル（Ｐｕｌｌ）型と呼ばれている。
【０００７】
しかしながら、図６に示すプル型の超音波トランスデューサにおいては、薄膜である振動膜２１を固定電極２２の凸部に均一に密着させるために、振動膜２１と固定電極２２との間に高圧の直流バイアス電圧を印加するための直流バイアス電源２４を必要としていた。また、超音波帯の振動を実現するためには振動膜２１が振動する空洞部２３の穴径を数ｍｍ以下にする必要がある。そのため、固定電極２２の表面に、微細な多数の穴を一定の深さで均一に開ける必要があり、この穴加工によるコストの増大を招いていた。
【０００８】
なお、超音波トランスデューサについての従来技術が開示されている（例えば、特許文献１、２参照）。この特許文献１の従来技術は、歪みを低減し、効率を改善した、従来システムのキャリア周波数よりも十分に高いキャリア周波数を有するパラメトリックオーディオシステムを提供することを目的としたものである。また、特許文献２の従来技術は、効率が良く動作帯域の広いトランスデューサを提供することを目的としたものである。しかしながら、本発明は、薄膜である振動膜を固定電極に密着させるために直流バイアス電源が必要であったという問題や、振動膜が振動する部分の穴加工のコストの問題を解決しようとするものであり、本発明と従来技術とは、発明の目的と構成が異なるものである。
【特許文献１】特開２０００−５０３８７号公報
【特許文献２】特開２０００−５０３９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述したように、図６に示す従来の超音波トランスデューサにおいては、振動膜と固定電極との間に直流バイアス電圧を印加するための直流バイアス電源を必要としていた。また、固定電極（下電極）の表面に一定の深さの微小な穴を多数あける必要があるため、加工コストの増大を招いていた。
【００１０】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、振動膜と固定電極との間に直流バイアス電圧を印加するための直流バイアス電源を必要とせず、また、固定電極の表面に微細な多数の穴を一定の深さで均一に開けるという作業を不要にすることができる、超音波トランスデューサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために本発明の超音波トランスデューサは、振動膜の振動により超音波信号を発生させる超音波トランスデューサであって、振動膜の振動音を伝達する複数の貫通穴を形成した平板状の単一の支持部材と、前記単一の支持部材の一方の面に圧着される、第１の電極層を含む振動膜と、前記振動膜に圧力を印加し、該振動膜を前記支持部材の面に圧着させるための加圧手段と、前記振動膜の加圧される側の面と対向するように配置される第２の電極層と、前記第１の電極層と前記第２の電極層との間に交流信号を印加する交流信号印加手段とを備えることを特徴とする。
このように構成した超音波トランスデューサでは、加圧手段を用いて、複数の貫通穴を形成した支持部材に振動膜を押し付け、振動膜が支持部材の貫通穴から張り出した部分を振動させて超音波を発生するようにする。そして、振動膜に形成された第１の電極層と、振動膜に対向する第２の電極層との間に交流信号を印加し、振動膜を振動させて超音波を発生させる。
したがって、従来の超音波トランスデューサでは、振動膜と固定電極との間に直流バイアス電圧を印加するための直流バイアス電源が必要であったが、本発明の超音波トランスデューサでは直流バイアス電源を使用する必要がなくなる。また、本発明の超音波トランスデューサでは、従来のように固定電極の表面に微小な穴を多数あける必要がないため、加工コストを低減できる。
【００１２】
また、本発明の超音波トランスデューサは、前記加圧手段は気体が充填されて弾性体を形成する支持膜であり、該支持膜を前記振動膜に押し付け、該支持膜内の気体の圧力により前記振動膜を前記支持部材に圧着するように構成したことを特徴とする。
このように構成した超音波トランスデューサでは、気体を充填した弾性体である支持膜（例えば、円盤状の支持膜）を使用して、振動膜を支持部材に押し付け、この支持膜内の気体の圧力により振動膜を支持部材に圧着する。
したがって、直流バイアス電源を使用することなく、また接着剤等を使用することなく、振動膜を支持部材に圧着することができ、超音波トランスデューサの構成を簡易化できる。また、支持部材の貫通穴部分において、振動膜を無理なく張り出させ、交流信号に応じて振動させることができる。
【００１３】
また、本発明の超音波トランスデューサは、前記第２の電極層が前記支持膜の振動膜と接する部分に形成されたことを特徴とする。
このように構成した超音波トランスデューサでは、気体を充填した弾性体である支持膜（例えば、円盤状の支持膜）の上部にアルミ箔等の導電性材料により電極層を形成し、この支持膜の電極層と振動膜の電極層との間に交流信号を印加する。したがって、固定電極を使用することなく、超音波トランスデューサを構成できる。このため、超音波トランスデューサの構成をさらに簡略化できる。
【００１４】
また、本発明の超音波トランスデューサは、前記第２の電極層が導電材料で形成された固定電極か、または導電層を含む固定電極であり、該固定電極と前記振動膜との間に前記加圧手段を配置したことを特徴とする。
このように構成した超音波トランスデューサでは、第２の電極層を固定電極とし、この固定電極と支持膜との間に気体を充填した弾性体等の加圧手段を配置し、弾性体等の加圧手段を、固定電極側から振動膜に押し付け、振動膜を支持部材に圧着させる。
したがって、直流バイアス電源を使用することなく、また接着剤等を使用することなく、振動膜を支持部材に圧着することができ、超音波トランスデューサの組み立て工程が簡易化できる。また、支持部材の貫通穴部分において、振動膜を無理なく張り出させ、交流信号に応じて振動させることができる。
【００１５】
また、本発明の超音波トランスデューサは、前記加圧手段が前記振動膜と固定電極との間の閉空間により形成され、該閉空間内の圧力により、前記振動膜を前記支持部材に圧着するように構成したことを特徴とする。
このように構成した超音波トランスデューサでは、第２の電極層を固定電極とし、この固定電極と支持膜とで閉空間を形成し、この閉空間内の圧力を加圧して、振動膜を支持部材に圧着させる。
したがって、直流バイアス電源を使用することなく、また接着剤等を使用することなく、閉空間内の圧力を調節して、振動膜を支持部材に圧着することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
次に本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の超音波トランスデューサの構成例を示す図である。図１に示す超音波トランスデューサ１は、単一の円形平板状の支持部材２と、支持部材２の下面に配置される振動膜３と、振動膜３の下面に配置され空気等の気体が充填される弾性材料で形成された円柱形状の支持膜（加圧手段）４と、支持膜４の下面に配置される下部支持部材５とで構成される。なお、支持部材２には振動穴の形状を構成する貫通穴２Ａが複数設けられている。また、振動膜４の上面にはアルミ箔等により電極層（第２の電極層）４Ａが形成されている。
【００１７】
そして、支持部材２と下部支持部材５の間に振動膜３と支持膜４を挟み、枠部材６、７により、支持部材２と下部支持部材５に図上で上下に圧力を加え、支持膜４により振動膜３を支持部材２に押し付け、振動膜３を支持部材２に圧着させて固定する。
【００１８】
なお、振動膜３には、３〜２０μｍ程度の厚さのＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート樹脂）等の誘電体（絶縁体）が用いられる。
【００１９】
図２は、振動膜３の断面を示す図である。図２に示すように、振動膜３は、電極層（第１の電極層）３ＡをＰＥＴ等の絶縁膜３Ｂ、３Ｃで全体を覆う形態で構成されている。
【００２０】
また、支持部材２に使用する材料としては、樹脂、ガラス、セラミック、鉄、銅等の無機材料、アクリル樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリカーボネート樹脂等の有機材料などが使用できる。また、支持部材２の貫通穴２Ａの穴径半径を、４５０μｍ〜１０５０ｍ程度で構成することにより、４０ｋＨｚ〜５０ｋＨｚ付近の音圧ピークを持つ超音波トランスデューサを構成することができる。
【００２１】
図３は、図１に示す超音波トランスデューサの断面を模式的に示した図である。図３に示すように、振動膜３は、空気等の気体が充填された弾性体である支持膜４により支持部材２に押し付けられており、支持部材２の貫通穴２Ａの部分では、振動膜３の一部が張り出し、この張り出し部分３１が振動して超音波を発生する。
【００２２】
なお、振動膜３の貫通穴２Ａの部分の共振周波数の理論式は次式で表される。
ｆ＝（ｕｎｍ/２πａ）√（Ｔ／ρ）、
ここで、fは共振周波数（Ｈｚ）、
ａは 穴半径（ｍ）、ｕｎｍはベッセル関数Ｊｏ（ｘ）の解（2.405, 5.520, ・・・）、
ρは密度（ｋｇ／ｍ＾３）・・・ １．３９Ｅ＋０３（ＰＥＴ）、
Ｔは応力（Ｐａ）・・・ ３．１７Ｅ＋０６（ＰＥＴ）、
を示している。
【００２３】
例えば、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート樹脂）を振動膜とした場合、４０ｋＨｚ〜５０ｋＨｚ付近を音圧ピークとするには、一次共振周波数または 二次共振周波数に対応する穴径半径は、４５０μｍ〜１０５０μｍとなり非常に小さな振動穴となる。
【００２４】
また、図４は、振動膜の静電力駆動を行なうための回路構成例を示す図である。
前述したように、振動膜３は、３〜２０μｍ程度の厚さのＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート樹脂）等の絶縁体で形成され、内部にアルミ箔等の導電性材料により形成された電極層３Ａを有している。また、支持膜４の上面（振動膜３と接する面）には、アルミ箔等の導電性材料により電極層４Ａが形成されている。
【００２５】
上記構成において、超音波トランスデューサ１は、振動膜３の電極層３Ａと、支持膜４の電極層４Ａに、信号源（交流信号印加手段）８から出力される交流信号が印加される。なお、この交流信号は超音波搬送波を可聴帯域の音響信号によって振幅変調した信号である。
【００２６】
この結果、信号源８から出力される交流信号の正の半サイクルでは、振動膜３の電極層３Ａには交流信号の正の電圧が印加され、支持膜４の電極層４Ａには交流信号の負の電圧が印加されるために、電極層３Ａと電極層４Ａとの電位差により、振動膜３の貫通穴２Ａの部分は支持膜４の方向に静電吸引力により吸引され、図上で下方向に変位する。そして、交流信号が０になると、電極層３Ａと電極層４Ａとの電位差がなくなり、静電吸引力は作用せず、振動膜３は弾性復元力により図上で上方向に引き戻される。
【００２７】
次に、信号源８から出力される交流信号の負の半サイクルについては、振動膜３の電極層３Ａには交流信号の負電圧が印加され、支持膜４の電極層４Ａには交流信号の正電圧が印加されるために、電極層３Ａと電極層４Ａとの電位差により、振動膜３の貫通穴２Ａの部分は支持膜４の方向に静電吸引力により吸引され、図上で下方向に変位する。そして、交流信号が０になると、電極層３Ａと電極層４Ａとの電位差がなくなり、静電吸引力は作用せず、振動膜３は弾性復元力により図上で上方向に引き戻される。
【００２８】
このようにして、交流信号の変化に応じて振動膜３の貫通穴２Ａの部分は、図上で上下に振動し、パラメトリックアレイ効果を得るのに十分な音圧レベルの音響信号を発生することができる。
【００２９】
なお、上述した例では、支持膜４内に充填される気体は空気に限らず、他の気体であってもよい。また、支持膜４の全体（外部および内部）をゴム等の弾性体で構成することも可能である。
【００３０】
上記構成により、図６に示した従来の超音波トランスデューサのように直流バイアス電源を使用することなく、また接着剤等を使用することなく、支持膜４により振動膜３を支持部材２に圧着することができる。また、支持部材２の貫通穴２Ａの部分において、振動膜１３を無理なく張り出させ、交流信号に応じて振動させることができる。さらに、本発明の超音波トランスデューサでは、図６に示した従来の超音波トランスデューサのように固定電極の表面に微小な穴を多数あける必要がないため、加工コストを低減できる。
【００３１】
また、図５は、本発明の超音波トランスデューサの他の構成例を示す図である。図５（ａ）に示す超音波トランスデューサ１ａの例は、振動膜１３と固定電極（第２の電極層）１０との間に閉空間（加圧手段）１１を設けた例である。振動膜１３には、絶縁膜１３Ｂ上にアルミ箔等の導電性材料により電極層（第１の電極層）１３Ａが形成されている。固定電極１０は、金属材料で形成されるか、または、電極層が含まれるように形成される。
【００３２】
上記構成により、閉空間１１内の空気圧を加圧装置１２により加圧し、振動膜１３に対して支持部材２の方向に圧力を掛け、振動膜１３を支持部材２に押し付けて圧着する。振動膜１３が支持部材に圧着されると、振動膜１３の貫通穴２Ａの部分は、図５（ｂ）に示すように、振動膜１３が支持部材２の貫通穴２Ａの部分に入り込むような形状（振動膜１３が張り出す形状）となる。
【００３３】
上記構成において、振動膜１３の電極層１３Ａと、固定電極１０に、信号源８から出力される交流信号が印加される。
【００３４】
この結果、信号源８から出力される交流信号の正の半サイクルでは、振動膜１３の電極層１３Ａには交流信号の正の電圧が印加され、固定電極１０には交流信号の負の電圧が印加されるために、電極層１３Ａと固定電極１０との電位差により、振動膜１３の貫通穴２Ａの部分は固定電極１０の方向に静電吸引力により吸引され、図上で下方向に変位する。そして、交流信号が０になると、電極層１３Ａと固定電極１０との電位差がなくなり、静電吸引力は作用せず、振動膜１３は弾性復元力により図上で上方向に引き戻される。
【００３５】
次に、信号源８から出力される交流信号の負の半サイクルについては、振動膜１３の電極層１３Ａには交流信号の負電圧が印加され、固定電極１０には交流信号の正電圧が印加されるために、電極層１３Ａと固定電極１０との電位差により、振動膜１３の貫通穴２Ａの部分は固定電極１０の方向に静電吸引力により吸引され、図上で下方向に変位する。そして、交流信号が０になると、電極層１３Ａと固定電極１０との電位差がなくなり、静電吸引力は作用せず、振動膜１３は弾性復元力により図上で上方向に引き戻される。
【００３６】
このようにして、交流信号の変化に応じて振動膜１３の貫通穴２Ａの部分は、図上で上下に振動し、パラメトリックアレイ効果を得るのに十分な音圧レベルの音響信号を発生することができる。
【００３７】
上記構成により、図６に示した従来の超音波トランスデューサのように直流バイアス電源を使用することなく、また接着剤等を使用することなく、閉空間１１内の圧力を周囲の気圧よりも高くして、振動膜１３を支持部材２に押し付け圧着することができる。また、支持部材２の貫通穴２Ａの部分において、振動膜１３を無理なく張り出させ、交流信号に応じて振動させることができる。
【００３８】
なお、図５に示す構成例においては、閉空間１１により振動膜１３を支持部材２に押し付ける代わりに、振動膜１３を支持部材２に接着するようにしてもよい。
【００３９】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明の超音波トランスデューサは、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の超音波トランスデューサの構成例を示す図。
【図２】振動膜の断面を示す図。
【図３】図１に示す超音波トランスデューサの断面を示す図。
【図４】振動膜の静電力駆動を行なうための回路構成例を示す図。
【図５】超音波トランスデューサの他の構成例を示す図。
【図６】従来の超音波トランスデューサの例を示す図。
【符号の説明】
【００４１】
１、１ａ…超音波トランスデューサ、２…支持部材、２Ａ…貫通穴、３、１３…振動膜、３Ａ、１３Ａ…電極層、３Ｂ、３Ｃ、１３Ｂ…絶縁膜、４…支持膜、４Ａ…電極層、５…下部支持部材、６、７…枠部材、８…信号源、１０…固定電極、１１…閉空間、１２…加圧装置
【図１】
2006261728.tif 000003
【図２】
2006261728.tif 000004
【図３】
2006261728.tif 000005
【図４】
2006261728.tif 000006
【図５】
2006261728.tif 000007
【図６】
2006261728.tif 000008