(57)【要約】【課題】  プッシュプル静電型超音波トランスデューサの特長を活かしながら、裏面から音波が放射されないようにした静電型超音波トランスデューサを提供する。【解決手段】  導電層を有する振動膜１１と、該振動膜のそれぞれの面に対向して設けられた一対の固定電極１２，１３とを有し、前記振動膜の導電層に直流バイアス電圧を印加すると共に、前記一対の固定電極間に交流信号を印加して振動膜に音波を発生させ、該振動膜から発生する音波を前記一対の固定電極のそれぞれに設けた貫通穴を通し、２つの音波出力面から出力するプッシュプル型の静電型超音波トランスデューサであって、前記振動膜を挟持する前面側の固定電極に複数の貫通穴を設け、かつ背面側の固定電極に前面側の固定電極に設けた各貫通穴に対向する位置に同一形状の貫通穴を設け、背面側の固定電極に対向させて吸音材１６を配置した。【選択図】  図１
2006093932.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電層を有する振動膜と、該振動膜のそれぞれの面に対向して設けられた一対の固定電極とを有し、前記振動膜の導電層に直流バイアス電圧を印加すると共に、前記一対の固定電極間に交流信号を印加して振動膜に音波を発生させ、該振動膜から発生する音波を前記一対の固定電極のそれぞれに設けた貫通穴を通し、２つの音波出力面から出力するプッシュプル型の静電型超音波トランスデューサであって、
前記振動膜を挟持する前面側の固定電極に複数の貫通穴を設け、かつ背面側の固定電極に前面側の固定電極に設けた各貫通穴に対向する位置に同一形状の貫通穴を設け、背面側の固定電極に対向させて吸音材を配置したことを特徴とする静電型超音波トランスデューサ。
【請求項２】
導電層を有する振動膜と、該振動膜のそれぞれの面に対向して設けられた一対の固定電極とを有し、前記振動膜の導電層に直流バイアス電圧を印加すると共に、前記一対の固定電極間に交流信号を印加して振動膜に音波を発生させ、該振動膜から発生する音波を前記一対の固定電極のそれぞれに設けた貫通穴を通し、２つの音波出力面から出力するプッシュプル型の静電型超音波トランスデューサであって、
振動膜を挟持する前面側の固定電極に複数の貫通穴を設け、かつ背面側の固定電極に前面側の固定電極に設けた各貫通穴に対向する位置に同一形状の貫通穴を設け、背面側の固定電極表面から所定距離を隔てて遮音カバーを対向させて配置したことを特徴とする静電型超音波トランスデューサ。
【請求項３】
背面側固定電極と遮音カバーとの間隔Ｌを
Ｌ＝(ｃ／２πｆ)２・ａ／（ｔ＋δ）（但し、ｆは定格駆動時の超音波搬送波周波数、ｃは音速、ａは背面側の固定電極貫通部の開口率、ｔは背面側の固定電極貫通部の厚さ、δは貫通部の開口形状に依存する開口端補正定数）
に基づいて設定することを特徴とする請求項２に記載の静電型超音波トランスデューサ。
【請求項４】
背面側固定電極と遮音カバーとの間隔を調整する駆動手段と、
前記固定電極と振動膜との間に印加する搬送波信号の周波数に応じて前記間隔を算出し、算出された間隔となるように前記駆動手段を制御する制御手段と、
を有することを特徴とする請求項２または３のいずれかに記載の静電型超音波トランスデューサ。
【請求項５】
前記背面側固定電極と前記遮音カバーとの間に吸音材を配置したことを特徴とする請求項２乃至４のいずれかに記載の静電型超音波トランスデューサ。
【請求項６】
導電層を有する振動膜と、該振動膜のそれぞれの面に対向して設けられた一対の固定電極とを有し、前記振動膜の導電層に直流バイアス電圧を印加すると共に、前記一対の固定電極間に交流信号を印加して振動膜に音波を発生させ、該振動膜から発生する音波を前記一対の固定電極の２つの音波出力面から出力するプッシュプル型の静電型超音波トランスデューサであって、
前記振動膜を挟持する前面側の固定電極には貫通穴を設け、背面側の固定電極には貫通穴を設けないことを特徴とする静電型超音波トランスデューサ。
【請求項７】
前記背面側の固定電極を多孔質電極で構成したことを特徴とする請求項６に記載の静電型超音波トランスデューサ。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれかに記載の静電型超音波トランスデューサを備え、超音波帯域の搬送波を可聴帯域の音響信号で変調した変調波を供給するように構成されたことを特徴とする超音波スピーカ。
【請求項９】
前記静電型超音波トランスデューサの前面側固定電極に供給する駆動信号を増幅するパワーアンプのゲインと、前記静電型超音波トランスデューサの背面側固定電極に供給する駆動信号を増幅するパワーアンプのゲインとを個別に調整するゲイン調整手段を有することを特徴とする請求項８に記載の超音波スピーカ。
【請求項１０】
前記プッシュプル型の超音波トランスデューサの前面側固定電極及び背面側固定電極の一部に、該プッシュプル型超音波トランスデューサの出力波形を検出する検出用固定電極を設けると共に、
前記検出用固定電極により検出されたプッシュプル型超音波トランスデューサの出力波形の情報に基づいて、該出力波形の歪みを検出する歪み検出手段と、
前面側固定電極に供給する駆動信号を増幅する前面側固定電極用パワーアンプのゲインを調整する第１のゲイン調整手段と、
前記静電型超音波トランスデューサの背面側固定電極に供給する駆動信号を増幅する背面側固定電極用パワーアンプのゲインを調整する第２のゲイン調整手段と、
前記歪み検出手段により検出された出力波形の歪み情報に基づいて前記プッシュプル型超音波トランスデューサの出力波形の歪みが小さくなるように、前記第１、第２のゲイン調整手段を制御する制御手段と、
を有することを特徴とする請求項８に記載の超音波スピーカ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、静電型超音波トランスデューサ及びこれを用いた超音波スピーカに関し、特に、プッシュプル型超音波トランスデューサの背面側に出力される音波を吸音し、前面側からのみ音波を放出するようにした静電型超音波トランスデューサ及びこれを用いた超音波スピーカに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
高音圧の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変調波（音波）を空中に放射すると、空気の非線形性により、音圧の高いところでは音速が高くなり、低いところでは音速が低くなって、空中を音波が伝播するに従って波形に歪みが発生する。この結果、音波が空中を伝搬するに従い波形に歪みが蓄積されて徐々に搬送波成分が減衰し、変調に用いた可聴帯域の音響信号成分が自己復調されてくることが知られている。この現象はパラメトリックアレイと呼ばれている。超音波で搬送することにより、自己復調された可聴音が鋭い指向性を有することから、この原理を応用したスピーカはパラメトリックスピーカや超指向性スピーカ（超音波スピーカ）などと呼ばれている。
【０００３】
この超指向性スピーカ（超音波スピーカ）を構成する超音波トランスデューサの代表的なものとして、圧電型の超音波トランスデューサと静電型超音波トランスデューサがある。圧電型超音波トランスデューサは、振動体にピエゾ等の圧電素子を使用したもので、その共振周波数帯域を利用して駆動するタイプの共振型超音波トランスデューサである。よって、効率的に高い音圧を発生させることができるものの、音圧―周波数特性は狭帯域であるという特徴がある。
【０００４】
これに対し、静電型の超音波トランスデューサは、固定電極と薄い電極膜との間に静電力を作用させることで電極膜を振動させるタイプの超音波トランスデューサであり、音圧−周波数特性が広帯域であるという特徴がある。
【０００５】
超指向性スピーカ（超音波スピーカ）は高音圧を発生させる必要があるため、従来の超指向性スピーカでは一般的に共振型の超音波トランスデューサが用いられている。しかし、従来の超指向性スピーカは、ラウドスピーカと比較して再生音質が低いという評価が多く、局所アナウンスや展示解説など音声用途にしか用いられていない。このように、共振型超音波トランスデューサは音圧一周波数特性が狭帯域であり、駆動周波数が限定されるため、再生音質の向上を図るのが難しく、再生範囲の調節もし難いという問題がある。また、過大入力に対して敏感であり、素子を破損し易いため、取り扱いにも注意を要するという問題もある。
【０００６】
一方、静電型超音波トランスデューサの場合は、共振型の超音波トランスデューサよりも単位面積あたりの出力音圧は小さくなるが、広帯域の音圧−周波数特性を有するため、再生音質の向上を図りやすく、再生範囲の調節が容易という特長がある。また、共振型の超音波トランスデューサと比較して、振動体（膜）が柔軟であるため、過大入力に対しても超音波トランスデューサを破損しにくく、共振型超音波トランスデューサのように取り扱いに神経質にならなくても良いという特長もある。
【０００７】
このように、再生音質の向上や、取り扱いのし易さという観点からは、静電型超音波トランスデューサを用いて超指向性スピーカを構成する方が望ましい。
また、静電型超音波トランスデューサは、その構造においてプル型とプッシュプル型の二種類に大きく分けられる。それぞれの長所、短所は次の通りである。
【０００８】
図９は、プル型の静電型超音波トランスデューサの駆動概念を説明するための図であり、振動膜（絶縁フィルムなど）に導電層を蒸着した振動膜（振動電極膜）２1と固定電極２２との間に、ＤＣバイアス電源から出力される直流バイアスに交流信号を重畳して印加し、該交流信号により、振動膜２１を振動させて超音波を出力する。
【０００９】
図９（ａ）は、振動膜２１に対して、交流信号の正（＋）側の出力が直流バイアスに重畳された状態で印加された場合の振動膜２１の振幅状態を示し、図９（ｂ）は、交流信号の負（−）側の出力が直流バイアスに重畳された状態で印加された場合の振動膜２１の振幅状態を示している。
【００１０】
図９（ａ）に示す状態の場合は、固定電極２２と振動膜２１との間の電位差が大きくなり、固定電極２２と振動膜２１との間に強い静電力（吸引力）が作用し、振動膜２１の中央部は固定電極２２の方向に引き寄せられる。図９（ｂ）に示す状態の場合は、固定電極２２と振動膜２１との間の電位差が小さくなり、固定電極２２と振動膜２１との間の静電力（吸引力）が弱まり、振動膜２１の中央部は、弾性復元力により固定電極２２と反対の方向に引き戻される。このようにして、振動膜２１は交流信号に応じて振動し、超音波を出力する。
【００１１】
このプル型の静電型超音波トランスデューサは、プッシュプル型の静電型超音波トランスデューサのように（後述）、音波を通すための貫通穴などを固定電極に設ける必要がないため、開口率が大きく、音圧を稼ぎ易いという長所がある。一方、振動に寄与する成分が静電吸引力と膜の弾性復元力のみであるため、出力波形の歪が大きくなるという短所がある。
【００１２】
また、図１０は、プッシュプル型の静電型超音波トランスデューサの駆動概念を説明するための図であり、プッシュプル型の静電型超音波トランスデューサでは、振動膜（振動電極膜）１１に対向して、前面側の固定電極１２と背面側の固定電極１３とが設けられる。そして、振動膜１１に、ＤＣバイアス電源により＋側のＤＣバイアスを与え、前面側の固定電極１２と背面側の固定電極１３の間に交流信号を印加する。
【００１３】
図１０（ａ）は、交流信号がゼロ（０）の場合の、振動膜１１の振幅状態を示す図であり、振動膜１１は中立（前面側の固定電極１２と背面側の固定電極１３の真ん中）の位置にある。図１０（ｂ）は、前面側の固定電極１２に交流信号の−電圧が印加され、背面側の固定電極１３に交流信号の＋電圧が印加された場合の、振動膜１１の振幅状態を示す図であり、振動膜１１の中央部は、背面側の固定電極１３との間の静電力（反発力）と、前面側の固定電極１２との間の静電力（吸引力）により、前面側の固定電極１２の方向に引き寄せられる。
【００１４】
図１０（ｃ）は、前面側の固定電極１２に交流信号の＋電圧が印加され、背面側の固定電極１３に交流信号の−電圧が印加された場合の、振動膜１１の振幅状態を示す図であり、振動膜１１の中央部は、前面側の固定電極１２との間の静電力（反発力）と背面側の固定電極１３との間の静電力（吸引力）により、背面側の固定電極１３の方向に引き寄せられる。
このようにして、振動膜１１は交流信号に応じて振動し、音波を出力する。
【００１５】
このプッシュプル型の静電型超音波トランスデューサは、振動膜に対して静電吸引力と静電反発力との両方が作用するため、つまり正負対称に静電力が作用するため、出力波形の歪が小さくなるという長所がある。一方、固定電極に設けられた貫通穴を通して音波が出力されるため、開口率が小さく、音圧を稼ぎ難いのが短所である。
【００１６】
ところで、超指向性スピーカに静電型超音波トランスデューサを用いる場合、超音波帯域の理想的な振幅変調波をスピーカに入力しても、超音波トランスデューサから出力される波形（搬送波）の正負非対称歪みが大きいと、その歪み成分が可聴音成分となり、超音波成分のほかにスピーカから可聴音が直接出力されてしまい、聴感上の指向性が低くなるという特有の問題がある。これは、静電型超音波トランスデューサが広周波数帯域の音圧特性を有する（可聴音自体を直接入力してもそれなりの音圧が出る）ためであり、広帯域特性を有する超音波トランスデューサに特有の問題であるといえる。よって、上記の問題を回避するためには、プル型より出力波形の歪みが小さいプッシュプル型を用いるほうが望ましい。
【００１７】
プッシュプル型の超音波トランスデューサによって超指向性スピーカ（超音波スピーカ）を構成する場合、従来の超音波トランスデューサでは、振動膜を挟む上下固定電極の両方に音波を通過させるための貫通穴が設けられているので、正面と裏面との両方に音波が放出される（例えば、特許文献１参照）。
【００１８】
このような超指向性スピーカを、例えばプロジェクタ等の機器に搭載し、映像を投影するスクリーンに音波を反射させてスクリーンサウンドを実現することを考える。この場合、プロジェクタの筐体外側に張り出すようにスピーカを設置すると、プロジェクタの後方からスクリーンを見ている人には、スクリーンで反射される音以外に、プロジェクタ本体のスピーカからも音が直接聞こえてしまい、臨場感を損なうという問題がある。一方、プロジェクタの前方でスクリーンを見ている人には、スピーカ裏面から放射された音波が後方の壁で反射することで、スクリーンで反射された音と同じ音が後方からも聞こえてくることになり、やはり臨場感を損なうという問題がある。
【００１９】
また、プロジェクタの筐体内側にスピーカを設置すると、裏面から放射される音波は筐体もしくは内部構造物で遮られて、正面側にしか音波が放射されなくなるので、上記のような問題は生じない。しかし、筐体もしくは内部構造物など至近距離で反射された音波が超音波トランスデューサの振動膜に直接跳ね返ってきて、振動膜の振動を乱す。その結果、正面から出力される音波の指向性や音質が劣化してしまうという問題がある。
【特許文献１】特開平６−２０９４９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
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、プッシュプル静電型超音波トランスデューサの特長を活かしながら、裏面から音波が放射されないようにできる、静電型超音波トランスデューサ及びこれを用いた超音波スピーカを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
上記目的を達成するために本発明の静電型超音波トランスデューサは、導電層を有する振動膜と、該振動膜のそれぞれの面に対向して設けられた一対の固定電極とを有し、前記振動膜の導電層に直流バイアス電圧を印加すると共に、前記一対の固定電極間に交流信号を印加して振動膜に音波を発生させ、該振動膜から発生する音波を前記一対の固定電極のそれぞれに設けた貫通穴を通し、２つの音波出力面から出力するプッシュプル型の静電型超音波トランスデューサであって、前記振動膜を挟持する前面側の固定電極に複数の貫通穴を設け、かつ背面側の固定電極に前面側の固定電極に設けた各貫通穴に対向する位置に同一形状の貫通穴を設け、背面側の固定電極に対向させて吸音材を配置したことを特徴とする。
【００２２】
上記構成からなる本発明の静電型超音波トランスデューサでは、導電層を有する振動膜と、該振動膜のそれぞれの面に対向して設けられた一対の固定電極とを有し、前記振動膜の導電層に直流バイアス電圧を印加すると共に、前記一対の固定電極間に交流信号を印加して振動膜に音波を発生させ、該振動膜から発生する音波を前記一対の固定電極のそれぞれに設けた貫通穴を通し、２つの音波出力面から出力するプッシュプル型の静電型超音波トランスデューサにおいて、背面側の固定電極に対向させて配置した吸音材により、背面側の固定電極に設けた貫通穴より出力される音波が吸音される。
これにより、入力信号に対して歪みの少ない音波を前面固定電極側にのみ放射することが可能となる。
【００２３】
また、本発明の静電型超音波トランスデューサは、導電層を有する振動膜と、該振動膜のそれぞれの面に対向して設けられた一対の固定電極とを有し、前記振動膜の導電層に直流バイアス電圧を印加すると共に、前記一対の固定電極間に交流信号を印加して振動膜に音波を発生させ、該振動膜から発生する音波を前記一対の固定電極のそれぞれに設けた貫通穴を通し、２つの音波出力面から出力するプッシュプル型の静電型超音波トランスデューサであって、振動膜を挟持する前面側の固定電極に複数の貫通穴を設け、かつ背面側の固定電極に前面側の固定電極に設けた各貫通穴に対向する位置に同一形状の貫通穴を設け、背面側の固定電極表面から所定距離を隔てて遮音カバーを対向させて配置したことを特徴とする。
【００２４】
上記構成からなる、本発明の静電型超音波トランスデューサでは、導電層を有する振動膜と、該振動膜のそれぞれの面に対向して設けられた一対の固定電極とを有し、前記振動膜の導電層に直流バイアス電圧を印加すると共に、前記一対の固定電極間に交流信号を印加して振動膜に音波を発生させ、該振動膜から発生する音波を前記一対の固定電極のそれぞれに設けた貫通穴を通し、２つの音波出力面から出力するプッシュプル型の静電型超音波トランスデューサにおいて、背面側の固定電極表面から所定距離を隔てて遮音カバーが対向するように配置される。
【００２５】
これにより、背面側固定電極と遮音カバーとの間に形成されるギャップ部分と背面側固定電極の貫通部（貫通穴）でヘルムホルツの共鳴器が形成される。上記ギャップ部分がヘルムホルツの共鳴器における太い閉管に相当し、背面側固定電極の貫通部が細い開管に相当する。上記構成において、ヘルムホルツの共鳴器の原理により、細い開管部分である背面側固定電極の貫通部内の空気が質点要素となり、太い閉管である上記ギャップ部分内の空気がばね要素となって、振動系が形成され、細い開管部分である背面側固定電極の貫通部と空気との摩擦により背面側の固定電極に設けた貫通穴より出力される音波が吸音される。
したがって、入力信号に対して歪みの少ない音波を前面固定電極側にのみ放射することが可能となる。
【００２６】
また、本発明の静電型超音波トランスデューサは、背面側固定電極と遮音カバーとの間隔ＬをＬ＝(ｃ／２πｆ)２・ａ／（ｔ＋δ）（但し、ｆは定格駆動時の超音波搬送波周波数、ｃは音速、ａは背面側の固定電極貫通部の開口率、ｔは背面側の固定電極貫通部の厚さ、δは貫通部の開口形状に依存する開口端補正定数）に基づいて設定することを特徴とする。
上記構成からなる本発明の静電型超音波トランスデューサでは、背面側固定電極と遮音カバーとの間隔ＬがＬ＝(ｃ／２πｆ)２・ａ／（ｔ＋δ）（但し、ｆは定格駆動時の超音波搬送波周波数、ｃは音速、ａは背面側の固定電極貫通部の開口率、ｔは背面側の固定電極貫通部の厚さ、δは貫通部の開口形状に依存する開口端補正定数）に基づいて設定される。
これにより、超音波トランスデューサ背面側に放出される超音波を小さい体積でより効率よく吸音することができる。
【００２７】
また、本発明の静電型超音波トランスデューサは、背面側固定電極と遮音カバーとの間隔を調整する駆動手段と、前記固定電極と振動膜との間に印加する搬送波信号の周波数に応じて前記間隔を算出し、算出された間隔となるように前記駆動手段を制御する制御手段とを有することを特徴とする。
上記構成からなる本発明の静電型超音波トランスデューサでは、制御手段により、前記固定電極と振動膜との間に印加する搬送波信号の周波数に応じて前記間隔Ｌが算出され、該算出された間隔となるように背面側固定電極と遮音カバーとの間隔を調整する駆動手段が制御される。
これにより、超音波トランスデューサ背面側に放出される超音波を小さい体積でより効率よく吸音することができる。
【００２８】
また、本発明の静電型超音波トランスデューサは、上記静電型超音波トランスデューサにおいて、前記背面側固定電極と前記遮音カバーとの間に吸音材を配置したことを特徴とする。
上記構成からなる本発明の静電型超音波トランスデューサでは、背面側固定電極と前記遮音カバーとの間に吸音材を充填することにより、超音波トランスデューサ背面側に放出される超音波を、さらに効率よく吸音することができる。
【００２９】
また、本発明の静電型超音波トランスデューサは、導電層を有する振動膜と、該振動膜のそれぞれの面に対向して設けられた一対の固定電極とを有し、前記振動膜の導電層に直流バイアス電圧を印加すると共に、前記一対の固定電極間に交流信号を印加して振動膜に音波を発生させ、該振動膜から発生する音波を前記一対の固定電極の２つの音波出力面から出力するプッシュプル型の静電型超音波トランスデューサであって、前記振動膜を挟持する前面側の固定電極には貫通穴を設け、背面側の固定電極には貫通穴を設けないことを特徴とする。
【００３０】
上記構成からなる本発明の静電型超音波トランスデューサでは、導電層を有する振動膜と、該振動膜のそれぞれの面に対向して設けられた一対の固定電極とを有し、前記振動膜の導電層に直流バイアス電圧を印加すると共に、前記一対の固定電極間に交流信号を印加して振動膜に音波を発生させ、該振動膜から発生する音波を前記一対の固定電極の２つの音波出力面から出力するプッシュプル型の静電型超音波トランスデューサにおいて、前記振動膜を挟持する前面側の固定電極には貫通穴を設けて音波が通るようにし、背面側の固定電極には貫通穴を設けない、ベタ状電極として構成される。
これにより、振動膜を挟持する一対の固定電極に対向するように貫通穴を設けた場合のように前面側の固定電極と背面側の貫通穴の位置合わせをする必要がなく、組立ても容易になる。
【００３１】
また、本発明の静電型超音波トランスデューサは、前記振動膜を挟持する前面側の固定電極には貫通穴を設け、背面側の固定電極には貫通穴を設けない、ベタ状電極として構成される静電型超音波トランスデューサにおいて、前記背面側の固定電極を多孔質電極で構成したことを特徴とする。
上記構成からなる本発明の静電型超音波トランスデューサでは、背面側固定電極はNi等の多孔質性の金属により形成される。この多孔質電極にはサブミクロンから数十ミクロンオーダの気孔が無数に存在しており、超音波を吸音することができる。
これにより、背面側固定電極にも静電力を作用させながら、超音波トランスデューサの背面側に放出される音波を電極自体で吸音することができる。
このように、電極自体に吸音性を与えることにより、構成が簡素になるとともに、ベタ状電極構成とすることで、前面側固定電極と背面側固定電極との貫通部（貫通穴）を位置合わせする必要がなく、超音波トランスデューサの組み立てが容易になる。
【００３２】
また、本発明の超音波スピーカは、上述したいずれかの静電型超音波トランスデューサを備え、超音波帯域の搬送波を可聴帯域の音響信号で変調した変調波を供給するように構成されたことを特徴とする。
上記構成の超音波スピーカでは、超音波トランスデューサの背面側に放射される音波を吸音手段により吸音し、入力信号に対して歪みの小さい音波を超音波トランスデューサの前面側にのみ放射するようにしたプッシュプル型の静電型超音波トランスデューサを有するので、出力波形の歪みを小さくでき、指向性の高い超音波スピーカを構成できる。したがって、この超音波スピーカは、プロジェクタ等の機器に搭載することを目的とした超指向性スピーカとして好適である。
【００３３】
また、本発明の超音波スピーカは、前記静電型超音波トランスデューサの前面側固定電極に供給する駆動信号を増幅するパワーアンプのゲインと、前記静電型超音波トランスデューサの背面側固定電極に供給する駆動信号を増幅するパワーアンプのゲインとを個別に調整するゲイン調整手段を有することを特徴とする。
上記構成からなる超音波スピーカでは、ゲイン調整手段により、前記静電型超音波トランスデューサの前面側固定電極に供給する駆動信号を増幅するパワーアンプのゲインと、前記静電型超音波トランスデューサの背面側固定電極に供給する駆動信号を増幅するパワーアンプのゲインとが個別に調整される。
このように構成することにより、前面側固定電極と振動膜との間と、背面側固定電極と振動膜との間に作用する静電力により、振動膜に正負対称に静電力が作用させることができ、これにより、入力信号に対する出力波形の歪みを小さくすることができる。
【００３４】
また、本発明の超音波スピーカは、前記プッシュプル型の超音波トランスデューサの前面側固定電極及び背面側固定電極の一部に、該プッシュプル型超音波トランスデューサの出力波形を検出する検出用固定電極を設けると共に、前記検出用固定電極により検出されたプッシュプル型超音波トランスデューサの出力波形の情報に基づいて、該出力波形の歪みを検出する歪み検出手段と、前面側固定電極に供給する駆動信号を増幅する前面側固定電極用パワーアンプのゲインを調整する第１のゲイン調整手段と、前記静電型超音波トランスデューサの背面側固定電極に供給する駆動信号を増幅する背面側固定電極用パワーアンプのゲインを調整する第２のゲイン調整手段と、前記歪み検出手段により検出された出力波形の歪み情報に基づいて前記プッシュプル型超音波トランスデューサの出力波形の歪みが小さくなるように、前記第１、第２のゲイン調整手段を制御する制御手段とを有することを特徴とする。
【００３５】
上記構成からなる超音波スピーカでは、プッシュプル型の超音波トランスデューサの前面側固定電極及び背面側固定電極の一部に、該プッシュプル型超音波トランスデューサの出力波形を検出する検出用固定電極を設け、制御手段によりプッシュプル型超音波トランスデューサの出力波形の歪みが小さくなるように（入力信号に比例して振動膜が忠実に振動するように）、前面側固定電極用パワーアンプ及び背面側固定電極用パワーアンプのゲインを調整するように第１、第２のゲイン調整手段が制御される。
これにより、経年変化等によって超音波トランスデューサの機械的特性や電気的特性が変動した場合にも、自動的に、前面側固定電極用パワーアンプ及び背面側固定電極用パワーアンプのゲインが調整されて、常に低歪みの超音波を出力することが可能になる。  すなわち、再生音（自己復調音）の指向性を高く維持することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。
本発明の第１実施形態に係る静電型超音波トランスデューサの構成（側断面図）を図１に示す。本発明の第１実施形態に係る静電型超音波トランスデューサは、背面側固定電極に対向して、超音波を吸収する吸音材を配置し、プッシュプル型の静電型超音波トランスデューサの背面側から放出される音波を上記吸音材により吸音するように構成した例である。
【００３７】
図１において、本発明の第１実施形態に係る静電型超音波トランスデューサは、導電層を有する振動膜（振動電極膜）１１と、該振動膜１１のそれぞれの面に対向して設けられた前面側固定電極１２及び背面側固定電極１３からなる一対の固定電極とを有している。振動膜１１は、電極を形成する導電層（導電膜）を絶縁膜で挟むように形成してもよいし、振動膜１１全体を導電性材料で形成するようにしてもよい。
【００３８】
また、振動膜１１を挟持する前面側固定電極１２には複数の貫通穴１４が設けられており、かつ背面側固定電極１３には前面側の固定電極に設けた各貫通穴１４に対向する位置に同一形状の貫通穴１４が設けられている。前面側固定電極１２、背面側固定電極１３及び振動膜１１は、絶縁支持枠１５により電気的に絶縁された状態で支持されている。
更に、該背面側固定電極１３の後方に配置された絶縁支持枠１５と背面側固定電極１３との間で形成されるギャップ部に配置され、背面側の固定電極１３に対向させて吸音材１６が配置されている。この吸音材１６には例えば、グラスウールや多孔質材を用いることができる。
【００３９】
振動膜１１の導電層には直流バイアス電源３０により直流バイアス電圧が印加され、前面側固定電極１２と振動膜１１との間には、信号源３１から出力される交流信号が、また背面側固定電極１３と振動膜１１との間には信号源３２から出力される交流信号が上記直流バイアス電圧に重畳して印加されるようになっている。信号源３１から出力される交流信号と信号源３２から出力される交流信号とは互いに位相が１８０°異なる。図１における信号源は２つ示しているが、１つの信号源から出力される交流信号を一方の固定電極に印加し、この交流信号を位相反転させた交流信号を他方の固定電極に印加させるようにしてもよい。
【００４０】
上記構成において、振動膜１１に直流バイアス電源３０により直流バイアスを印加し、かつ前面側固定電極１２と背面側固定電極１３に信号源３１、３２により互いに位相反転した駆動信号（交流信号）を印加することによって、振動膜１１には静電吸引力及び静電反発力が同方向に同時に作用し、信号源３１、３２から出力される駆動信号（交流信号）の極性が反転する毎に、上記静電吸引力及び静電反発力の作用する方向が変化するために振動膜１１がプッシュプル駆動される。
【００４１】
この結果、振動膜で発生した音波は前面側固定電極１２と背面側固定電極１３に設けられた貫通穴（貫通部）１４を通じて外部へ放出される。このとき、前面側固定電極１２及び背面側固定電極１３には、振動膜１１を介して対向する位置に同一形状の貫通穴（貫通部）１４がそれぞれ設けられているため、振動膜１１に作用する静電力は正負対称（正弦波入力に対して）となり、入力信号に対する歪みの小さい音波が生成され、貫通穴（貫通部）１４を通じて外部へ放出される。
【００４２】
背面側固定電極１３の外側には、背面側固定電極に対向するように配置された吸音材１６により、背面側に放出される超音波が吸収される。したがって、歪みの小さい超音波をプッシュプル型超音波トランスデューサ１０の前面側にのみ放射することが可能になる。
なお、図１ではプッシュプル型超音波トランスデューサ１０の構成として振動膜１１全体に渡って前面側固定電極１２との間、及び背面側固定電極１３との間にギャップがあるように構成した例（ラウドスピーカ向き）を示しているが、振動膜と固定電極との一部を接触させるように構成（超音波スピーカ向き）してももちろん構わない。
【００４３】
次に、本発明の第２実施形態に係る静電型超音波トランスデューサの構成（側断面図）を図２に示す。本発明の第１実施形態に係る静電型超音波トランスデューサは、背面側固定電極と遮音カバーとの間に形成されるギャップ部分と、背面側固定電極の貫通部とで形成される空間における空気の摩擦を利用して吸音する構成例を示したものである。
なお、図２では、固定電極の一部と振動膜とを接触挟時させて、超音波帯域の感度を向上させたトランスデューサとして構成した例で示している。
【００４４】
図２において、本発明の第２実施形態に係る静電型超音波トランスデューサは、導電層を有する振動膜４１と、該振動膜４１のそれぞれの面に対向して設けられた前面側固定電極５１及び背面側固定電極５２からなる一対の固定電極５０とを有している。
振動膜４１は、電極を形成する導電層（電極膜）４１ｂを絶縁膜４１ａで挟むように形成されている。また、前面側固定電極５１及び背面側固定電極５２の振動膜４１と接触している部分のみを絶縁部材で形成し、振動膜４１全体を導電性材料で形成するようにしてもよい。
【００４５】
また、振動膜４１を挟持する前面側固定電極５１には複数の貫通穴（貫通部）５３が設けられており、かつ背面側固定電極５２には前面側固定電極５１に設けた各貫通穴５３に対向する位置に同一形状の貫通穴（貫通部）５４が設けられている。前面側固定電極５１、背面側固定電極５２及び振動膜４１は、絶縁支持枠６０により電気的に絶縁された状態で支持されている。
【００４６】
振動膜４１の導電層には直流バイアス電源３０により直流バイアス電圧が印加され、前面側固定電極５１と振動膜４１との間には、信号源３１から出力される交流信号が、また背面側固定電極５２と振動膜４１との間には信号源３２から出力される交流信号が上記直流バイアス電圧に重畳して印加されるようになっている。信号源３１から出力される交流信号と信号源３２から出力される交流信号とは互いに位相が１８０°異なる。図２における信号源は２つ示しているが、第１実施形態と同様に、１つの信号源から出力される交流信号を一方の固定電極に印加し、この交流信号を位相反転させた交流信号を他方の固定電極に印加させるようにしてもよい。
【００４７】
また、本実施形態に係る静電型超音波トランスデューサでは、背面側固定電極５２表面から所定距離Ｌを隔てて遮音カバー６２を対向して配置するように構成されている。また、この所定距離Ｌはギャップ調整部６１により矢印Ｘ方向に調整できるように構成されている。
ギャップ調整部６１は、例えば、リニアモータ等のリニアアクチュエータ及び機構部品等で構成される。
【００４８】
図２に示す背面側固定電極５２と遮音カバー６２との間に形成されるギャップ部分と背面側固定電極５２の貫通部（貫通穴）５４でヘルムホルツの共鳴器が形成される。すなわち、背面側固定電極５２と遮音カバー６２との間に形成されるギャップ部分と、背面側固定電極５２の貫通部（貫通穴）５４とで形成される連続した空間は、ちょうどヘルムホルツの共鳴器に相当しており、ヘルムホルツの共鳴器による吸音と同じ原理で吸音作用が生じる。
【００４９】
ヘルムホルツの共鳴器は、断面積S、長さtの細い開管の一端に、容積Vの太い閉管が接続されている音響管であり、本実施形態においては、背面側固定電極５２の貫通部５４がヘルムホルツの共鳴器における細い開管に、背面側固定電極５２と遮音カバー６２との間に形成されるギャップ部分がヘルムホルツの共鳴器における太い閉管に相当する。
上述した細い開管部分の空気が質点要素となり、太い閉管内の空気がばね要素となって、振動系が形成され、細い閉管と空気との摩擦によって主に吸音が行われる。
【００５０】
このようなヘルムホルツの共鳴器の共鳴周波数ｆは、音速をｃとすると、
ｆ＝（ｃ／２π）・√（Ｓ／Vｔ）              （１）
で与えられる。
なお実際には、細い開管の長さtをそのまま用いるのではなく、開口端補正をした長さｔ´を用いることにより、実際の共鳴周波数が得られる。
例えば、直径dの円管の場合には、
ｔ´＝ｔ＋0.8ｄ                                （２）
で与えられる開口端補正を施すようにする。
【００５１】
背面側固定電極５２の貫通部５４の開口率をａ、背面側固定電極５２から遮音カバー６２までの距離をLとすると、式（１）は、
ｆ＝（ｃ／２π）・√（ａ／Ｌｔ）              （３）
のように書き換えられる。ここでｔは、背面側固定電極５２の貫通部５４の厚さ（長さ）に開口端補正を施したものである。
本実施形態に係る静電型超音波トランスデューサを超音波スピーカに適用する場合には、超音波トランスデューサの背面側に形成される吸音系の共鳴周波数（式（３））が、超音波スピーカの定格駆動時の搬送波周波数に一致するように、背面側固定電極貫通部の開口率と厚さ、そして背面側固定電極から遮音カバーまでの距離を設定すれば、背面側に放射される超音波搬送波を効率よく吸音することができる。
【００５２】
すなわち、定格駆動時の搬送波周波数がfの超音波スピーカの場合、背面側固定電極５２の開口率がa、厚さがｔとすると、遮音カバー６２と背面側固定電極５２との距離Lが、
Ｌ＝(ｃ／２πｆ)２・ａ／（ｔ＋δ）              （４）
となるように遮音カバー６２を配置すれば、背面側に放出される超音波を小さい体積でより効率よく吸音することができる。なお、cは音速、δは貫通部の開口形状に依存する開口端補正定数である。
【００５３】
なお、図２に示す構成において、図３に示すように、背面側固定電極５２と遮音カバー６２との間に吸音材６４を充填することにより、さらに効率よく吸音することができる。
図３に示す静電型超音波トランスデューサでは、遮音カバー６２と背面側固定電極５２との距離Lを調整するギャップ調整部が設けられていないが、この実施形態では、既述したように、定格駆動時の搬送波周波数がfの超音波スピーカの場合、背面側固定電極５２の開口率がa、厚さがtとすると、遮音カバー６２と背面側固定電極５２との距離Lが、上式（４）に示すように形成されているものとする。
【００５４】
上記構成において、振動膜４１に直流バイアス電源３０により直流バイアスを印加し、かつ前面側固定電極５１と背面側固定電極５２に信号源３１、３２により互いに位相反転した駆動信号（交流信号）を印加することによって、振動膜４１には静電吸引力及び静電反発力が同方向に同時に作用し、信号源３１、３２から出力される駆動信号（交流信号）の極性が反転する毎に、上記静電吸引力及び静電反発力の作用する方向が変化するために振動膜４１がプッシュプル駆動され、該振動膜から発生する音波が前記一対の固定電極のそれぞれに設けた貫通穴５３、５４を通じて２つの音波出力面から出力される。
【００５５】
一方、ヘルムホルツの共鳴器の原理により、細い開管部分である背面側固定電極５２の貫通部５４内の空気が質点要素となり、太い閉管である背面側固定電極５２と遮音カバー６２との間に形成されるギャップ部分内の空気がばね要素となって、振動系が形成され、細い開管部分である背面側固定電極５２の貫通部５４と空気との摩擦により背面側固定電極５２に設けた貫通穴５４より出力される音波が吸音される。
したがって、入力信号に対して歪みの少ない音波を前面固定電極側５１にのみ放射することが可能となる。
【００５６】
次に、図１、図２に示した静電型超音波トランスデューサを有する本発明の第１、第２実施形態に係る超音波スピーカの電気的構成を図５に示す。超音波帯域の搬送波（キャリア波）を可聴音帯域の信号波（例えば、オーディオ信号）で変調した信号を上記のような超音波トランスデューサから出力すると、パラメトリックアレイ効果によって自己復調されたオーディオ信号の指向性は非常に高くなる。このように超音波の変調波形を出力して指向性の高い音を再生するように構成されたスピーカは超音波スピーカと呼ばれる。
図５において、本発明の第１、第２実施形態に係る超音波スピーカは、可聴周波数帯の信号波（例えば、オーディオ信号）を生成する可聴周波数帯信号発振源１００と、超音波周波数帯のキャリア波を生成するキャリア波信号源１０１と、変調部１０２と、変調部１０２の出力（駆動信号）を電力増幅して前面側固定電極５１、背面側固定電極５２に出力するパワーアンプ１０３と、ギャップ制御部１０４と、ギャップ調整部６１とを有している。
【００５７】
変調部１０２は、キャリア波信号源１０１から出力されるキャリア波を、可聴周波数帯信号発振源１００から出力された可聴周波数帯の信号波で変調する機能を有する。
ギャップ調整部６１は、図２における背面側固定電極５２と遮音カバー６２との間隔を調整する機能を有する。
ギャップ制御部１０４は、背面側固定電極５２と振動膜４１との間に印加する搬送波信号（キャリア波）の周波数に応じて背面側固定電極５２と遮音カバー６２との間隔Ｌを式（４）により算出し、該算出された間隔Ｌとなるようにギャップ調整部６１を制御する機能を有する。
ギャップ調整部６１は、本発明の駆動手段に、ギャップ制御部１０４は、本発明の制御手段に、それぞれ相当する。
【００５８】
上記構成において、可聴周波数帯の信号波（例えば、オーディオ信号）が可聴周波数帯信号発振源１００により生成され、変調部１０２に入力される。
また、超音波周波数帯のキャリア波がキャリア波信号源１０１により生成され、変調部１０２に入力される。変調部１０２では、超音波周波数帯のキャリア波が可聴周波数帯の信号波により変調され、該変調信号がパワーアンプ１０３により所定のレベルまで電力増幅される。
パワーアンプ１０３の出力信号（駆動信号）は、前面側固定電極５１及び背面側固定電極５２に出力され、図２に示す振動膜４１がプッシュプル駆動され、該振動膜から発生する音波が前記一対の固定電極のそれぞれに設けた貫通穴５３、５４を通じて２つの音波出力面から出力される。
【００５９】
ここで、パワーアンプ１０３より出力された駆動信号は、図５では、省略しているが、位相調整手段により、前面側固定電極５１に供給される駆動信号と、背面側固定電極５２に供給される駆動信号とでは、互いに位相が反転するように位相調整がされているものとする。
一方、キャリア波信号源１０１から出力される超音波周波数帯のキャリア波は、ギャップ制御部１０４に入力される。ギャップ制御部１０４は、背面側固定電極５２と振動膜４１との間に印加する搬送波信号（キャリア波）の周波数に応じて背面側固定電極５２と遮音カバー６２との間隔Ｌを式（４）により算出し、該算出された間隔Ｌとなるようにギャップ調整部６１を制御する。
【００６０】
すなわち、超音波トランスデューサの背面側に形成される吸音系の共鳴周波数（式（３））が、超音波スピーカの定格駆動時の搬送波周波数に一致するように、式（４）に基づいて背面側固定電極から遮音カバーまでの距離が設定される。
この結果、既述したように、ヘルムホルツの共鳴器の原理により、細い開管部分である背面側固定電極５２の貫通部５４内の空気が質点要素となり、太い閉管である背面側固定電極５２と遮音カバー６２との間に形成されるギャップ部分内の空気がばね要素となって、振動系が形成され、細い開管部分である背面側固定電極５２の貫通部５４と空気との摩擦により背面側固定電極５２に設けた貫通穴５４より出力される音波が吸音される。
したがって、入力信号に対して歪みの少ない音波を前面固定電極側５１にのみ放射することが可能となる。
【００６１】
次に、本発明の第３実施形態に係る静電型超音波トランスデューサの構成を図４に示す。本発明の第３実施形態に係る静電型超音波トランスデューサは、超音波トランスデューサの前面側の固定電極には貫通部を設けて音波が通るようにし、背面側の固定電極は貫通部を設けないベタ状の電極とした構成例を示している。
図４において、本発明の第３実施形態に係る静電型超音波トランスデューサは、導電層を有する振動膜（振動電極膜）７１と、該振動膜７１のそれぞれの面に対向して設けられた前面側固定電極８１及び背面側固定電極８２からなる一対の固定電極８０とを有している。振動膜７１は、電極を形成する導電層（導電膜）を絶縁膜で挟むように形成してもよいし、振動膜７１全体を導電性材料で形成するようにしてもよい。
【００６２】
また、振動膜７１を挟持する前面側固定電極８１には複数の貫通穴８３が設けられており、背面側固定電極８２には貫通穴を設けない、ベタ状電極として形成されている。
この背面側固定電極８２には、Niなどによる多孔質性の金属を用いる。多孔質電極にはサブミクロンから数十ミクロンオーダの気孔が無数に存在しており、超音波を吸音することができる。
前面側固定電極８１、背面側固定電極８２及び振動膜７１は、絶縁支持枠６０により電気的に絶縁された状態で支持されている。
【００６３】
振動膜７１の導電層には直流バイアス電源３０により直流バイアス電圧が印加され、前面側固定電極８１と振動膜７１との間には、信号源３１から出力される交流信号が、また背面側固定電極８２と振動膜７１との間には信号源３２から出力される交流信号が上記直流バイアス電圧に重畳して印加されるようになっている。信号源３１から出力される交流信号と信号源３２から出力される交流信号とは互いに位相が１８０°異なる。図４における信号源は２つ示しているが、他の実施形態と同様に、１つの信号源から出力される交流信号を一方の固定電極に印加し、この交流信号を位相反転させた交流信号を他方の固定電極に印加させるようにしてもよい。
【００６４】
上記構成において、振動膜７１に直流バイアス電源３０により直流バイアスを印加し、かつ前面側固定電極８１と背面側固定電極８２に信号源３１、３２により互いに位相反転した駆動信号（交流信号）を印加することによって、振動膜（振動電極膜）７１には静電吸引力及び静電反発力が同方向に同時に作用し、信号源３１、３２から出力される駆動信号（交流信号）の極性が反転する毎に、上記静電吸引力及び静電反発力の作用する方向が変化するために振動膜７１がプッシュプル駆動され、該振動膜７１から発生する音波が前面側固定電極８１に設けた貫通穴８３を通じて音波出力面から出力される。
【００６５】
これと同時に振動膜７１から発生する音波が背面側固定電極８２より背面側の音波出力面から出力されようとする。
しかし、背面側固定電極８２として多孔質電極を用いているために、多孔質電極に無数に存在するサブミクロンから数十ミクロンオーダの気孔により、背面側固定電極８２より出力される超音波が吸音される。これにより、背面側固定電極８２にも静電力を作用させながら、背面側固定電極８２に放出される音波を電極自体で吸音することができる。
【００６６】
また、本実施形態に係る静電型超音波トランスデューサによれば、背面側固定電極を、ベタ状電極としたので、振動膜を挟持する一対の固定電極に対向するように貫通穴を設けた場合のように前面側の固定電極と背面側の貫通穴の位置合わせをする必要がなく、組立ても容易になる。
【００６７】
ところで、図４に示した第３実施形態に係る静電型超音波トランスデューサにおいては、前面側固定電極と背面側固定電極の電極構成が非対称であるため、それぞれ作用する静電力が非対称になり、出力波形には歪みが生じる。振動膜の前面側固定電極側の振動を正方向の振動とし、背面側固定電極側の振動を負方向の振動とすると、出力波形に歪み、特に正負非対称な歪み成分（例えば偶数次の高調波歪み成分）が発生すると、上記トランスデューサを用いて超指向性スピーカを構成した場合、再生音の指向性が低下してしまう。
【００６８】
図４に示した静電型超音波トランスデューサに限らず、他の実施形態に係る静電型超音波トランスデューサにおいても、経年変化により機械的特性や電気的特性が変化して振動膜が正負非対称に振動するようになる可能性がある。
このような問題を解消するための、本発明の第３の実施形態に係る超音波スピーカの電気的構成の一例について図６を参照して説明する。なお、ここでは第３実施形態への適用例について述べるが、既述した第１、第２の実施形態におけるプッシュプル型の静電型超音波トランスデューサを用いて超音波スピーカを構成する際にも図６に示した電気的構成を適用することができる。
【００６９】
図６において、本発明の第３実施形態に係る超音波スピーカは、可聴周波数帯の信号波（例えば、オーディオ信号）を生成する可聴周波数帯信号発振源１００と、超音波周波数帯のキャリア波を生成するキャリア波信号源１０１と、変調部１０２と、前面側波形検出部１０３と、背面側波形検出部１０４と、前面側歪み検出部１０５と、背面側歪み検出部１０６と、減衰器１０７、１０８と、パワーアンプ１０９、１１０と、振動膜７１、前面側固定電極８１、背面側固定電極８２とを含んで構成されるプッシュプル型超音波トランスデューサ１０とを有している。
【００７０】
前面側固定電極８１の一部には、振動膜７１の振幅を検出するための前面側検出用固定電極１７が、また、背面側固定電極８２の一部には、振動膜１１の振幅を検出するための背面側検出用固定電極１８が、それぞれ設けられている。
【００７１】
前面側波形検出部１０３は、振動膜７１と前面側検出用固定電極１７との間のギャップ、すなわち、振動膜７１の駆動信号の非印加時における位置（中立位置）からの前面側固定電極８１側への振幅を検出する機能を有している。
背面側波形検出部１０４は、振動膜７１と背面側検出用固定電極１８との間のギャップ、すなわち、振動膜７１の駆動信号の非印加時における位置（中立位置）からの背面側固定電極８２側への振幅を検出する機能を有している。
【００７２】
前面側歪み検出部１０５は、変調部１０２から出力される原信号である変調信号と前面側波形検出部１０３から出力される振動膜７１の出力波形の振幅情報（正の振幅情報）とを比較し、振動膜７１の出力波形の前面側固定電極８１側への振幅の歪みを検出し、波形歪みを小さくするようにその歪み量に応じて減衰器１０７の減衰量を調整するための制御信号を出力する機能を有している。
背面側歪み検出部１０６は、変調部１０２から出力される原信号である変調信号と背面側波形検出部１０４から出力される振動膜７１の出力波形の振幅情報（負の振幅情報）とを比較し、振動膜７１の出力波形の背面固定電極８２側への振幅の歪みを検出し、波形歪みを小さくするようにその歪み量に応じて減衰器１０８の減衰量を調整するための制御信号を出力する機能を有している。
【００７３】
図６に示す例では、プッシュプル型超音波トランスデューサ１０の固定電極に、波形検出用の検出用固定電極が必要になるが、図８に、検出用電極を備える固定電極の例を示す。
【００７４】
図８において、プッシュプル型超音波トランスデューサ１０の対向する前面側固定電極８１、背面側固定電極８２のうち、その一部を前面側検出用固定電極１７および背面側検出用固定電極１８として使用し、振動膜７１の前面側および背面側方向への出力波形情報（振幅情報）を検出する。
【００７５】
出力波形検出の原理は、コンデンサマイクの検出原理と同様である。振動膜７１と前面側検出用固定電極１７との間、および振動膜７１と背面側検出用固定電極１８との間にはコンデンサが形成されているため、振動膜７１が振動して前面側検出用固定電極１７とのギャップが変動すると、コンデンサの静電容量が変化してコンデンサに誘起される電荷量が変化する。その結果、コンデンサ電極間の電圧が変化する。よって、振動膜７１と前面側検出用固定電極１７との電圧を検出することで、前面側検出用固定電極１７とのギャップ、すなわち振動膜７１の振幅（出力波形）を検出することができる。振動膜７１と背面側検出用固定電極１８においても同様である。
【００７６】
なお、図８に示す例では、プッシュプル型超音波トランスデューサ１０の前面側と背面側の両方に検出用固定電極１７、１８を設けた例を示したが、これは、例えば、前面側検出用固定電極１７だけを用いて波形の歪みを検出するようにしてもよい。
【００７７】
上記構成において、プッシュプル型超音波トランスデューサを構成する前面側固定電極８１と振動膜７１との間には、変調部１０２より出力された変調信号（駆動信号）がパワーアンプ１０９により所定のレベルまで電力増幅されて印加される。
同様に、背面側固定電極８２と振動膜７１との間に、変調部１０２より出力された変調信号（駆動信号）を位相反転した信号がパワーアンプ１１０により所定のレベルまで電力増幅されて印加される。この結果、振動膜７１には、これらの駆動信号（交流信号）により静電吸引力と静電反発力が常に、同方向に、働き、かつ駆動信号の極性が反転する毎に、上記静電吸引力及び静電反発力の作用する方向が変化するために振動膜７１がプッシュプル駆動され、該振動膜７１から発生する音波が前面側固定電極８１に設けた貫通穴を通じて音波出力面から出力される。
【００７８】
一方、前面側波形検出部１０３により、振動膜７１と前面側検出用固定電極１７との間のギャップ、すなわち、振動膜７１の駆動信号の非印加時における位置からの前面側固定電極８１側への振幅（正方向の振幅）が検出され、背面側波形検出部１０４により、振動膜７１と背面側検出用固定電極１８との間のギャップ、すなわち、振動膜７１の駆動信号の非印加時における位置からの背面側固定電極８２側への振幅（負方向の振幅）が検出される。
【００７９】
前面側歪み検出部１０５は、変調部１０２から出力される変調信号と前面側波形検出部１０３から出力される振動膜７１の出力波形の振幅情報（正の振幅情報）とを比較し、振動膜７１の出力波形の前面固定電極８１側への振幅の歪みを検出し、波形歪みを小さくするようにその歪み量に応じて減衰器１０７の減衰量を調整するための制御信号を減衰器１０７に出力する。
【００８０】
また、背面側歪み検出部１０６は、変調部１０２から出力される変調信号と背面側波形検出部１０４から出力される振動膜７１の出力波形の振幅情報（負の振幅情報）とを比較し、振動膜７１の出力波形の背面固定電極８２側への振幅の歪みを検出し、波形歪みを小さくするようにその歪み量に応じて減衰器１０８の減衰量を調整するための制御信号を減衰器１０８に出力する。
この結果、パワーアンプ１０９、１１０に入力される駆動信号のレベルが、振動膜７１の振動波形の正負方向の波形歪みに応じて調整され、振動膜７１は、正負対称に振動するように制御される。
【００８１】
次に、本発明の第３実施形態に係る超音波スピーカの別の電気的構成を図７に示す。本発明の第３実施形態に係る超音波スピーカが図６に示した超音波スピーカと構成上、異なる点は、振動膜の振動波形の波形歪みの歪み量に応じて前面側固定電極と背面側固定電極に駆動信号を供給するパワーアンプに入力される信号レベルを減衰器の減衰量を調整することにより行う代わりに、パワーアンプのゲイン（増幅率）を第１ゲイン調整部１１１、第２ゲイン調整部１１２により調整することにより実現するようにした点であり、他の構成は図６に示した超音波スピーカと同様であるので、重複する説明は省略する。
【００８２】
図７において、本発明の第３実施形態に係る超音波スピーカは、可聴周波数帯の信号波（例えば、オーディオ信号）を生成する可聴周波数帯信号発振源１００と、超音波周波数帯のキャリア波を生成するキャリア波信号源１０１と、変調部１０２と、前面側波形検出部１０３と、背面側波形検出部１０４と、前面側歪み検出部１０５と、背面側歪み検出部１０６と、パワーアンプ１０９、１１０と、パワーアンプ１０９のゲインを調整する第１ゲイン調整部１１１と、パワーアンプ１１０のゲインを調整する第２ゲイン調整部１１２と、振動膜７１、前面側固定電極８１、背面側固定電極８２とを含んで構成されるプッシュプル型超音波トランスデューサ１０とを有している。
【００８３】
前面側歪み検出部１０５は、変調部１０２から出力される原信号である変調信号と前面側波形検出部１０３から出力される振動膜７１の出力波形の振幅情報（正の振幅情報）とを比較し、振動膜７１の出力波形（振動波形）の前面側固定電極８１側への振幅の歪みを検出し、波形歪みを小さくするようにその歪み量に応じてパワーアンプ１０９のゲインを調整するための制御信号を第１ゲイン調整部に出力する機能を有している。
【００８４】
背面側歪み検出部１０６は、変調部１０２から出力される原信号である変調信号と背面側波形検出部１０４から出力される振動膜７１の出力波形の振幅情報（負の振幅情報）とを比較し、振動膜７１の出力波形の背面側固定電極８２側への振幅の歪みを検出し、波形歪みを小さくするようにその歪み量に応じてパワーアンプ１１０のゲインを調整するための制御信号を第２ゲイン調整部１１２に出力する機能を有している。
検出用電極を備える固定電極の構成は図８と同様であるので、重複する説明は省略する。
【００８５】
上記構成において、プッシュプル型超音波トランスデューサ１０を構成する前面側固定電極８１、背面側固定電極８２と振動膜７１との間には、変調部１０２より出力された変調信号（駆動信号）がパワーアンプ１０９、１１０により所定のレベルまで電力増幅されて印加される。
振動膜７１には、これらの駆動信号（交流信号）により静電吸引力と静電反発力が常に、同方向に、働き、かつ駆動信号の極性が反転する毎に、上記静電吸引力及び静電反発力の作用する方向が変化するために振動膜７１がプッシュプル駆動される。
【００８６】
一方、前面側歪み検出部１０５は、変調部１０２から出力される原信号である変調信号と前面側波形検出部１０３から出力される振動膜７１の出力波形の振幅情報（正の振幅情報）とを比較し、振動膜７１の出力波形（振動波形）の前面側固定電極８１側への振幅の歪みを検出し、波形歪みを小さくするようにその歪み量に応じてパワーアンプ１０９のゲインを調整するための制御信号を第１ゲイン調整部１１１に出力する。
【００８７】
また、背面側歪み検出部１０６は、変調部１０２から出力される原信号である変調信号と背面側波形検出部１０４から出力される振動膜７１の出力波形の振幅情報（負の振幅情報）とを比較し、振動膜７１の出力波形の背面側固定電極８２側への振幅の歪みを検出し、波形歪みを小さくするようにその歪み量に応じてパワーアンプ１１０のゲインを調整するための制御信号を第２ゲイン調整部１１２に出力する。
この結果、パワーアンプ１０９、１１０のゲインが、振動膜７１の振動波形の正負方向の波形歪みに応じて調整され、振動膜７１は、正負対称に振動するように制御される。
【００８８】
上述した本発明の第３実施形態に係る超音波スピーカでは、固定電極の一部を検出用電極として構成して振動膜の振幅を検出し、検出された正負（前面側と背面側）の振幅情報を基に、原信号である変調波形に対して振動波形の歪みが小さくなるように前面側固定電極用のパワーアンプのゲイン（または入力信号の減衰量）と、背面側固定電極用パワーアンプのゲイン（または入力信号の減衰量）とをそれぞれ制御するように構成されている。
これにより、前面側固定電極の形状（貫通穴の形状）と背面側固定電極の形状（貫通穴の形状）とが非対称である場合にも、自動的にゲインが調整されるので、低歪みの超音波を出力することが可能になる。また、経年変化等によってトランスデューサの機械的特性や電気的特性が変動した場合にも、自動的にゲインが調整されて、常に低歪みの超音波を出力することが可能になる。  すなわち、再生音（自己復調音）の指向性を常に高く維持することができる。
【００８９】
なお、本発明の第３実施形態に係る超音波スピーカでは、原信号である変調波形に対して振動波形の歪みが小さくなるように前面側固定電極用のパワーアンプのゲイン（または入力信号の減衰量）と、背面側固定電極用パワーアンプのゲイン（または入力信号の減衰量）とをそれぞれ自動的に調整するようにしているが、これに限らず、前面側固定電極に与える駆動信号を増幅するパワーアンプと、背面側固定電極に与える駆動信号を増幅するパワーアンプとを個別に設け、入力信号に対して忠実に（歪みが小さく）振動するように、例えば、工場出荷時の調整作業またはユーザ等により手動でそれぞれのパワーアンプへの入力信号の減衰量（または、パワーアンプのゲイン）をそれぞれ個別に調整するようにしてもよい。
【００９０】
以上に説明したように、本発明の静電型超音波トランスデューサ、及びこれを用いた超音波スピーカにおいては、プッシュプル型超音波トランスデューサの背面側に放射される音波は、背面側固定電極の外側（プッシュプル型超音波トランスデューサの背面側）に設置された吸音材、もしくは吸音機構によって吸音されるため、トランスデューサ前面側からのみ音波が放射される。
また、振動膜に対して前面と背面との両側から静電力が作用する構成になっており、前記吸音機構のおかげで背面側に放射された音波の反射波成分による膜振動への悪影響も軽減されるため、出力波形の歪みを小さく（原音に忠実に）でき、指向性の高い超音波スピーカとして構成することが可能になる。
したがって、プロジェクタ等の機器に一体にスピーカを設置して、スクリーンに音波を反射させて試聴するような場合においても、臨場感を損なうことがなく、機器筐体内での反射音波の影響による音質劣化も防ぐことができる。
また、超指向性スピーカとして構成する場合には、機器筐体内での反射音波の影響による指向性低下も防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【図１】本発明の第１実施形態に係る静電型超音波トランスデューサの構成を示す側断面図。
【図２】本発明の第２実施形態に係る静電型超音波トランスデューサの構成を示す側断面図。
【図３】本発明の第２実施形態に係る静電型超音波トランスデューサの変形例の構成を示す側断面図。
【図４】本発明の第３実施形態に係る静電型超音波トランスデューサの構成を示す側断面図。
【図５】本発明の第１、第２実施形態に係る超音波スピーカの電気的構成を示すブロック図。
【図６】本発明の第３実施形態に係る超音波スピーカの電気的構成の一例を示すブロック図。
【図７】本発明の第３実施形態に係る超音波スピーカの電気的構成の他の例を示すブロック図。
【図８】本発明の第２、第３実施形態に係る超音波スピーカの固定電極の構成例を示す図。
【図９】プル型の静電型超音波トランスデューサの駆動概念を示す説明図。
【図１０】プッシュプル型の静電型超音波トランスデューサの駆動概念を示す説明図。
【符号の説明】
【００９２】
１０…プッシュプル型超音波トランスデューサ、１１、４１、７１…振動膜、１２、５１、８１…前面側固定電極、１３、５２、８２…背面側固定電極、１４…貫通穴、１５、６０…絶縁支持枠、１６、６４…吸音材、１７…前面側検出用固定電極、１８…背面側検出用固定電極、３０…直流バイアス電源、３１、３２…信号源、５０…固定電極、５３、５４…貫通穴、６１…ギャップ調整部、６２…遮音カバー、１００…可聴周波数帯信号発振源、１０１…キャリア波信号源、１０２…変調部、１０３…前面側波形検出部、１０４…背面側波形検出部、１０５…前面側歪み検出部、１０６…背面側歪み検出部、１０７、１０８…減衰器、１０９、１１０…パワーアンプ、１１１…第１ゲイン調整部、１１２…第２ゲイン調整部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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