(57)【要約】【課題】  静電型トランスデューサにおいて、出力振動波形の正負（上下）非対称歪みを抑制する。【解決手段】  固定電極と、該固定電極の表面に対向して設置され導電層を有する振動膜と、前記固定電極と振動膜とを保持する部材とを有し、前記固定電極と振動膜の導電層との間に交流信号を印加することにより超音波を発生させる超音波トランスデューサであって、前記固定電極の一部が超音波トランスデューサを駆動する駆動用固定電極として形成され、一部が前記振動膜の振幅を検出する検出用固定電極として形成されると共に、前記検出用固定電極で検出された振動膜の振幅の大きさに基づいて、該振動膜の振幅の大きさが入力信号に対して比例して振動するように前記駆動用固定電極に印加する信号を制御する手段を備える。【選択図】  図１
2006005733.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定電極と、該固定電極の表面に対向して設置され導電層を有する振動膜と、前記固定電極と振動膜とを保持する部材とを有し、前記固定電極と振動膜の導電層との間に交流信号を印加することにより超音波を発生させる超音波トランスデューサであって、
前記固定電極の一部が超音波トランスデューサを駆動する駆動用固定電極として形成され、一部が前記振動膜の振幅を検出する検出用固定電極として形成されると共に、
前記検出用固定電極で検出された振動膜の振幅の大きさに基づいて、該振動膜の振幅の大きさが入力信号に対して比例して振動するように前記駆動用固定電極に印加する信号を制御する手段を
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】
前記固定電極が互いに絶縁された複数の電極で形成され、前記固定電極の一部が駆動用固定電極として、一部が振幅検出用の検出用固定電極として形成された
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】
前記振動膜が、片側表面に導電層が被覆形成された絶縁膜であって、絶縁膜面側が前記固定電極に対向するように保持されていること
を特徴とする請求項１または請求項２に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項４】
前記固定電極と振動膜との間に空隙が設けられたこと
を特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の超音波トランスデューサ。
【請求項５】
前記固定電極の振動膜に対向する面に、凹凸部が形成されたこと
を特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の超音波トランスデューサ。
【請求項６】
前記検出用固定電極と前記振動膜の導電層との間の電圧測定により、振動膜の振幅により生じる振幅電圧を検出する振幅電圧検出手段と、
前記振幅電圧検出手段により検出された振幅電圧の正（＋）側の振幅電圧レベルを検出する＋側振幅電圧レベル検出手段と、
前記振幅電圧検出手段により検出された振幅電圧の負（−）側の振幅電圧レベルを検出する−側振幅電圧レベル検出手段と
を備えることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の超音波トランスデューサ。
【請求項７】
前記＋側振幅電圧レベル検出手段により検出した＋側の振幅電圧レベルと、目標とする電圧レベルとの誤差を検出する＋側誤差検出手段と、
前記−側振幅電圧レベル検出手段により検出した−側の振幅電圧レベルと、目標とする電圧レベルとの誤差を検出する−側誤差検出手段と、
前記＋側誤差検出手段による誤差検出結果を基に、前記駆動用固定電極に印加する交流信号の＋側の利得を調整する＋側可変利得調整手段と、
前記−側誤差検出手段による誤差検出結果を基に、前記駆動用固定電極に印加する交流信号の−側の利得を調整する−側可変利得調整手段と
備えることを特徴とする請求項６に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項８】
前記＋側可変利得調整手段および−側可変利得調整手段の利得をマニュアルで調整するマニュアル調整手段を
備えることを特徴とする請求項７に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項９】
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生成する変調手段を備え、前記変調手段から、前記請求項１から８のいずれかに記載の超音波トランスデューサに前記変調波が供給されるように構成されていること
を特徴とする超音波スピーカ。
【請求項１０】
固定電極と、該固定電極の表面に対向して設置され導電層を有する振動膜と、前記固定電極と振動膜とを保持する部材とを有し、前記固定電極と振動膜の導電層との間に交流信号を印加することにより超音波を発生させる超音波トランスデューサの駆動制御方法であって、
前記固定電極の一部を超音波トランスデューサを駆動する駆動用固定電極として使用し、一部を前記振動膜の振幅を検出する検出用固定電極として使用する手順と、
前記検出用固定電極で検出された振動膜の振幅の大きさに基づいて、該振動膜の振幅の大きさが入力信号に対して比例して振動するように前記駆動用固定電極に印加する信号を制御する手順と
を含むこと特徴とする超音波トランスデューサの駆動制御方法。
【請求項１１】
前記検出用固定電極と前記振動膜の導電層との間の電圧測定により、振動膜の振幅により生じる振幅電圧を検出する振幅電圧検出手順と、
前記振幅電圧検出手順により検出された振幅電圧の正（＋）側の振幅電圧レベルを検出する＋側振幅電圧レベル検出手順と、
前記振幅電圧検出手順により検出された振幅電圧の負（−）側の振幅電圧レベルを検出する−側振幅電圧レベル検出手順と、
前記＋側振幅電圧レベル検出手順により検出した＋側の振幅電圧レベルと、目標とする電圧レベルとの誤差を検出する＋側誤差検出手順と、
前記−側振幅電圧レベル検出手順により検出した−側の振幅電圧レベルと、目標とする電圧レベルとの誤差を検出する−側誤差検出手順と、
前記＋側誤差検出手順による誤差検出結果を基に、前記駆動用固定電極に印加する交流信号の＋側の利得を調整する＋側可変利得調整手順と、
前記−側誤差検出手順による誤差検出結果を基に、前記駆動用固定電極に印加する交流信号の−側の利得を調整する−側可変利得調整手順と
をさらに含むことを特徴とする請求項１０に記載の超音波トランスデューサの駆動制御方法。
【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、超音波スピーカ、及び超音波トランスデューサの駆動制御方法に関し、特に、静電型の超音波トランスデューサであって、入力信号に忠実に音波を出力することのできる、超音波トランスデューサ、超音波スピーカ、及び超音波トランスデューサの駆動制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波トランスデューサの代表的なものとして、圧電型のトランスデューサと静電型トランスデューサがある。圧電型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。これに対し、静電型の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。
【０００３】
ところで、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。
【０００４】
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トランスデューサが用いられている（例えば、特許文献１、２参照）。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。
【０００５】
一方、静電型トランスデューサの場合は、共振型の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トランスデューサを破損しにくく、共振型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。
【０００６】
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。
【０００７】
また、静電型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８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電極膜１０と固定電極２０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、振動電極膜１０を振動させて超音波を出力する。
【０００９】
図８（ａ）は、振動電極膜１０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電極膜１０の振幅状態を示し、図８（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電極膜１０の振幅状態を示している。
【００１０】
図８（ａ）に示す状態の場合は、固定電極２０と振動電極膜１０との間の電位差が大きくなり、固定電極２０と振動電極膜１０との間に強い静電力（吸引力）が作用し、振動電極膜１０の中央部は固定電極２０の方向に引き寄せられる。図８（ｂ）に示す状態の場合は、固定電極２０と振動電極膜１０との間の電位差が小さくなり、固定電極２０と振動電極膜１０との間の静電力（吸引力）が弱まり、振動電極膜１０の中央部は、弾性復元力により固定電極２０と反対の方向に引き戻される。このようにして、振動電極膜１０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を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９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、振動電極膜１０に対向して、上側の固定電極２０ａと下側の固定電極２０ｂとが設けられる。そして、振動電極膜１０に、ＤＣバイアス電源により＋側のＤＣバイアスを与え、上側の固定電極２０ａと下側の固定電極２０ｂの間に交流信号を印加する。
【００１３】
図９（ａ）は、交流信号がゼロ（０）の場合の、振動電極膜１０の振幅状態を示す図であり、振動電極膜１０は中立（上側の固定電極２０ａと下側の固定電極２０ｂの真ん中）の位置にある。
【００１４】
図９（ｂ）は、上側の固定電極２０ａに交流信号の＋電圧が印加され、下側の固定電極２０ｂに交流信号の−電圧が印加された場合の、振動電極膜１０の振幅状態を示す図であり、振動電極膜１０の中央部は、下側の固定電極２０ｂとの間の静電力（吸引力）と、上側の固定電極２０ａとの間の静電力（反発力）により、下側の固定電極２０ｂの方向に引き寄せられる。
【００１５】
図９（ｃ）は、上側の固定電極２０ａに交流信号の−電圧が印加され、下側の固定電極２０ｂに交流信号の＋電圧が印加された場合の、振動電極膜１０の振幅状態を示す図であり、振動電極膜１０の中央部は、上側の固定電極２０ａとの間の静電力（吸引力）と下側の固定電極２０ｂとの間の静電力（反発力）により、上側の固定電極２０ａの方向に引き寄せられる。
このようにして、振動電極膜１０は交流信号に応じて振動し、音波を出力する。
【００１６】
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。
【００１７】
ところで、超指向性スピーカに静電型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、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。
【００１８】
しかし、プッシュプル型トランスデューサは、外部に音を放出するために、固定電極に音波の貫通する穴を設ける必要がある。このため、開口率を上げようとすれば、振動膜に作用する静電力が小さくなって音圧が低下するし、逆に単位面積あたりの静電力を上げようとすれば、開口率が低下してしまい、音圧がうまく上げられないという問題がある。また、プル型の超音波トランスデューサに比べて、製造が難しく、高い加工精度、位置決め精度が要求されるため、コストがかかるという問題もある。
【００１９】
まず高い音圧を発生させることが、高指向性のスピーカを実現するための第一の必要条件であり、高音圧を発生させるのは、プッシュプル型トランスデューサよりもプル型トランスデューサの方が実現し易い。
【００２０】
プル型の静電型トランスデューサに正弦波の駆動信号を供給して駆動する場合を考える。プル型の静電型トランスデューサは、振動電極膜と固定電極との間に直流バイアスを印加して静電吸引力を作用させて、振動膜に緊張力をかけた状態で、直流バイアスに交流信号を重畳して静電吸引力を変動させることで振動膜を振動させる。
【００２１】
このように、振動膜には静電吸引力と膜の弾性力（復元力）しか作用せず、強制振動力は静電吸引力のみである。よって、上下両固定電極から吸引力と反発力とが対称に振動膜に作用するプッシュプル型のトランスデューサと比較して、振動膜が正負（上下）対称に
振動しにくい。
【００２２】
図１０は、振動波形の上下非対称歪の例を示す図であり、図に示すように、＋側振幅と一側振幅との大きさが等しい正弦波信号（点線で示す波形）を入力しても、実線で示すように正負非対称に振動する。
【００２３】
このため、従来のプル型トランスデューサを使用して超指向性スピーカを構成する場合、出力波形（搬送波）に正負非対称歪みが発生し、聴感上の指向性が低下するという問題がある。
【特許文献１】特開２００３−４７０８５号公報
【特許文献２】特開２００４−１１２２１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、その目的は、プル型の静電型トランスデューサにおいて、出力振動波形の正負（上下）非対称歪みを抑制して、トランスデューサから直接発せられる可聴音成分を低減し、指向性の高いスピーカとして構成することを可能にする、超音波トランスデューサ、超音波スピーカ、及び超音波トランスデューサの駆動制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
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、本発明の超音波トランスデューサは、固定電極と、該固定電極の表面に対向して設置され導電層を有する振動膜と、前記固定電極と振動膜とを保持する部材とを有し、前記固定電極と振動膜の導電層との間に交流信号を印加することにより超音波を発生させる超音波トランスデューサであって、前記固定電極の一部が超音波トランスデューサを駆動する駆動用固定電極として形成され、一部が前記振動膜の振幅を検出する検出用固定電極として形成されると共に、前記検出用固定電極で検出された振動膜の振幅の大きさに基づいて、該振動膜の振幅の大きさが入力信号に対して比例して振動するように前記駆動用固定電極に印加する信号を制御する手段を備えることを特徴とする。
このような構成により、静電型の超音波トランスデューサにおいて、固定電極の一部を超音波トランスデューサの駆動用固定電極として用い、固定電極の一部を検出用固定電極（静電型センサ）として用いる。そして、検出用固定電極で検出された振動膜の振幅情報を基にして、振動膜の振幅が正負対称の入力信号に対して正負対称に、つまり忠実に（比例して）振動するように、駆動用固定電極に与える信号の＋側信号と一側信号とを別々の増幅率で増幅し、超音波トランスデューサを駆動制御する。
これにより、静電型の超音波トランスデューサにおける、出力振動波形の正負非対称歪みを抑制して、超音波トランスデューサから直接発せられる可聴音成分を低減することができるので、静電型の超音波トランスデューサを、より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。
【００２６】
また、本発明の超音波トランスデューサは、前記固定電極が互いに絶縁された複数の電極で形成され、前記固定電極の一部が駆動用固定電極として、一部が振幅検出用の検出用固定電極として形成されたことを特徴とする。
このような構成により、例えば、複数の検出用固定電極を使用して、振動膜の振幅検出を行う。この場合は、複数の検出用固定電極で検出された振幅電圧の平均値を検出出力として使用する。
これにより、超音波トランスデューサの中央部は振幅が最も大きくとれる部分であるので、この部分を駆動用固定電極として使用できる。
【００２７】
また、本発明の超音波トランスデューサは、前記振動膜が、片側表面に導電層が被覆形成された絶縁膜であって、絶縁膜面側が前記固定電極に対向するように保持されていることを特徴とする。
このような構成により、例えば、振動膜の一部が固定電極に接触した際の、振動膜と固定電極間の短絡を防ぐことができる。
【００２８】
また、本発明の超音波トランスデューサは、前記固定電極と振動膜との間に空隙が設けられたことを特徴とする。
このような構成により、固定電極と振動膜との間に全体的に空隙（ギャップ）設ける。これにより、超音波トランスデューサを可聴音帯域の再生を重視したラウドスピーカ向けのスピーカとすることができる。
【００２９】
また、本発明の超音波トランスデューサは、前記固定電極の振動膜に対向する面に、凹凸部が形成されたことを特徴とする。
このような構成により、駆動用固定電極の振動膜と対向する面に凹凸を設け、振動膜が固定電極の凸部に接触するように保持する。これにより、固定電極の凹部と振動膜との間にのみ空隙が形成されて、振動膜が固定電極の凹部分のみで振動するようになる（振動面積が小さくなる）ので、出力振動波形の正負非対称歪みを抑制する効果に加えて、超音波帯域の感度（応答性）が向上する。
【００３０】
また、本発明の超音波トランスデューサは、前記検出用固定電極と前記振動膜の導電層との間の電圧測定により、振動膜の振幅により生じる振幅電圧を検出する振幅電圧検出手段と、前記振幅電圧検出手段により検出された振幅電圧の正（＋）側の振幅電圧レベルを検出する＋側振幅電圧レベル検出手段と、前記振幅電圧検出手段により検出された振幅電圧の負（−）側の振幅電圧レベルを検出する−側振幅電圧レベル検出手段とを備えることを特徴とする。
このような構成により、振幅電圧検出手段により、検出用固定電極と振動膜の導電層とを静電センサとして使用し、検出用固定電極と導電層との間の電圧を測定して、振動膜の振動（振幅）状態を検出する。この場合、振幅電圧検出手段で検出された振幅電圧を基に、＋側振幅電圧レベル検出手段により、正（＋）側の振幅電圧レベルを検出し、振動膜の一方の側（＋側）の振動状態を検出する。また、−側振幅電圧レベル検出手段により負（−）側の振幅電圧レベルを検出し、振動膜の他方の側（−側）の振幅状態を検出する。
これにより、正負の駆動信号に対する振動膜の振幅状態を検出し、振動膜における非対称歪を検出することができる。
【００３１】
また、本発明の超音波トランスデューサは、前記＋側振幅電圧レベル検出手段により検出した＋側の振幅電圧レベルと、目標とする電圧レベルとの誤差を検出する＋側誤差検出手段と、前記−側振幅電圧レベル検出手段により検出した−側の振幅電圧レベルと、目標とする電圧レベルとの誤差を検出する−側誤差検出手段と、前記＋側誤差検出手段による誤差検出結果を基に、駆動用固定電極に印加する交流信号の＋側の利得を調整する＋側可変利得調整手段と、前記−側誤差検出手段による誤差検出結果を基に、駆動用固定電極に印加する交流信号の−側の利得を調整する−側可変利得調整手段と備えることを特徴とする。
このような構成により、＋側誤差検出手段により、振幅電圧検出手段で検出した＋側の振動電圧レベルと、目標とする電圧レベルとの誤差を検出する。また、−側誤差検出手段により、振幅電圧検出手段で検出した−側の振幅電圧レベルと、目標とする電圧レベルとの誤差を検出する。そして、＋側誤差検出手段による誤差検出結果を基に、＋側可変利得調整手段により、前記駆動用固定電極に印加する交流信号の＋側の利得を調整する。また、−側誤差検出手段による誤差検出結果を基に、−側可変利得調整手段により、前記駆動用固定電極に印加する交流信号の−側の利得を調整する。
これにより、超音波トランスデューサを駆動する正負の信号の利得を調整し、超音波トランスデューサにおける正負非対称歪を抑制することができる。
【００３２】
また、本発明の超音波トランスデューサは、前記＋側可変利得調整手段および−側可変利得調整手段の利得をマニュアルで調整するマニュアル調整手段を備えることを特徴とする。
このような構成により、超音波トランスデューサを駆動する信号の＋側の利得を調整する＋側可変利得調整手段と、−側の信号の利得を調整する−側可変利得調整手段において、マニュアル（手動）で利得を調整できるようにする。
これにより、例えば、工場出荷時に予め利得をマニュアル（手動）で調整しておくことにより、超音波トランスデューサを最適な状態で出荷することができる。
【００３３】
また、本発明の超音波スピーカは、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生成する変調手段を備え、前記変調手段から、前記超音波トランスデューサに前記変調波が供給されるように構成されていることを特徴とする。
このような構成により、出力振動波形の正負非対称歪を抑制した超音波トランスデューサを使用して、指向性の高い復調音を再生可能な超音波スピーカを構成できる。
【００３４】
また、本発明の超音波トランスデューサの駆動制御方法は、固定電極と、該固定電極の表面に対向して設置され導電層を有する振動膜と、前記固定電極と振動膜とを保持する部材とを有し、前記固定電極と振動膜の導電層との間に交流信号を印加することにより超音波を発生させる超音波トランスデューサの駆動制御方法であって、前記固定電極の一部を超音波トランスデューサを駆動する駆動用固定電極として使用し、一部を前記振動膜の振幅を検出する検出用固定電極として使用する手順と、前記検出用固定電極で検出された振動膜の振幅の大きさに基づいて、該振動膜の振幅の大きさが入力信号に対して比例して振動するように前記駆動用固定電極に印加する信号を制御する手順とを含むこと特徴とする。
このような方法により、静電型の超音波トランスデューサにおいて、固定電極の一部を超音波トランスデューサの駆動用固定電極として用い、固定電極の一部を検出用固定電極（静電型センサ）として用いる。そして、検出用固定電極で検出された振動膜の振幅情報を基にして、振動膜の振幅が正負対称の入力信号に対して正負対称に、つまり忠実に（比例して）振動するように、駆動用固定電極に与える信号の＋側信号と一側信号とを別々の増幅率で増幅し、超音波トランスデューサを駆動制御する。
これにより、静電型の超音波トランスデューサにおける、出力振動波形の正負非対称歪みを抑制して、超音波トランスデューサから直接発せられる可聴音成分を低減することができるので、静電型の超音波トランスデューサを、より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。
【００３５】
また、本発明の超音波トランスデューサの駆動制御方法は、前記検出用固定電極と前記振動膜の導電層との間の電圧測定により、振動膜の振幅により生じる振幅電圧を検出する振幅電圧検出手順と、前記振幅電圧検出手順により検出された振幅電圧の正（＋）側の振幅電圧レベルを検出する＋側振幅電圧レベル検出手順と、前記振幅電圧検出手順により検出された振幅電圧の負（−）側の振幅電圧レベルを検出する−側振幅電圧レベル検出手順と、前記＋側振幅電圧レベル検出手順により検出した＋側の振幅電圧レベルと、目標とする電圧レベルとの誤差を検出する＋側誤差検出手順と、前記−側振幅電圧レベル検出手順により検出した−側の振幅電圧レベルと、目標とする電圧レベルとの誤差を検出する−側誤差検出手順と、前記＋側誤差検出手順による誤差検出結果を基に、前記駆動用固定電極に印加する交流信号の＋側の利得を調整する＋側可変利得調整手順と、前記−側誤差検出手順による誤差検出結果を基に、前記駆動用固定電極に印加する交流信号の−側の利得を調整する−側可変利得調整手順とをさらに含むことを特徴とする。
このような方法により、振幅電圧検出手順により、検出用固定電極と振動膜の導電層とを静電センサとして使用し、検出用固定電極と導電層との間の電圧を測定して、振動膜の振動（振幅）状態を検出する。この場合、振幅電圧検出手順により検出された振幅電圧を基に、＋側振幅電圧レベル検出手順により、正（＋）側の振幅電圧レベルを検出し、振動膜の一方の側（＋側）の振動状態を検出する。また、−側振幅電圧レベル検出手順により負（−）側の振幅電圧レベルを検出し、振動膜の他方の側（−側）の振幅状態を検出する。
そして、＋側誤差検出手順により、振幅電圧検出手順で検出した＋側の振動電圧レベルと、目標とする電圧レベルとの誤差を検出する。また、−側誤差検出手順により、電圧検出手順で検出した−側の振幅電圧レベルと、目標とする電圧レベルとの誤差を検出する。そして、＋側誤差検出手順による誤差検出結果を基に、＋側可変利得調整手順により、駆動用固定電極に印加する交流信号の＋側の利得を調整する。また、−側誤差検出手順による誤差検出結果を基に、−側可変利得調整手順により、駆動用固定電極に印加する交流信号の−側の利得を調整する。
これにより、正負の駆動信号に対する振動膜の振幅状態を検出し、この検出結果を基に、超音波トランスデューサを駆動する正負の信号の利得を調整して、超音波トランスデューサにおける正負非対称歪を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
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。
【００３７】
［本発明による超音波トランスデューサの構成例の説明］
図１は、本発明による超音波トランスデューサの第１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は円形状のプル型の静電型超音波トランスデューサであり、図１（ａ）は、超音波トランスデューサ１の上面図であり、超音波トランスデューサ１を、導電層１２側から固定電極２０の方向に向かって見た図であり、理解を容易にするために、導電層１２の左上の半分を取り除いて示した図である。また、図１（ｂ）は、図１に示す超音波トランスデューサの断面図（Ａ−Ａ´方向の断面図）である。
【００３８】
超音波トランスデューサ１は、絶縁体（例えば、絶縁フィルムなど）である振動膜１１の上面に導電層（上電極）１２を蒸着などにより設けた振動電極膜１０と、振動膜１１に対向する固定電極（下電極）２０とで構成されている。
【００３９】
固定電極２０は、表面に同心円状の凹凸部が形成されており、また、絶縁層２３により互いに絶縁された複数の電極を隣接配置させた構造を有している。固定電極２０のうち、一部には電圧制御部４０を接続して交流信号を印加し、超音波トランスデューサ１を駆動する駆動用固定電極２１として用いる。また、一部には振幅検出部３０を接続して振動膜の振幅情報を検出する検出用固定電極２２として用いる。
【００４０】
図１に示す例では、検出用固定電極２２を、円の直径方向に、固定電極２０を横断する形状で設けた例である。この検出用固定電極２２には振幅検出部３０が接続され、振幅検出部３０で検出された振動電極膜１０の振幅情報を基にして、振動膜１１の振幅が、正負対称の入力信号に対しては正負対称に振動するように、駆動用固定電極２１に与える交流信号（駆動電圧）を電圧制御部４０により調整する。なお、振幅検出部３０および電圧制御部４０の構成と動作の詳細については後述する。
【００４１】
なお、図１に示す例は、駆動用固定電極２１に凹凸部を設けた超音波トランスデューサの例であり、振動膜１１は固定電極２０の凸部に接触するように保持されている。このような構成により、固定電極２０の凹部と振動膜１１との間にのみ空隙が形成されて、振動膜１１が固定電極２０の凹部分のみで振動するようになる（振幅面積が小さくなる）ので、超音波帯域の感度（応答性）が向上する。この場合は、超音波スピーカ向きの構成となる。なお、振動膜１１と固定電極２０との間に全体的にギャップ（空隙）を設けるように構成しても構わない。
【００４２】
また、図４は、振動電極膜の構成例を示す図であり、図４（ａ）は、振動膜（絶縁層）１１の上面に導電層１２を形成した例を示し、図４（ｂ）は、導電層１２を振動膜（絶縁層）１１で挟むように形成された振動電極膜の例である。
【００４３】
また、図２は、本発明による超音波トランスデューサの第２の構成例を示す図（断面図）である。図２に示す超音波トランスデューサ１はプル型の静電型超音波トランスデューサであり、絶縁体（例えば、絶縁フィルムなど）である振動膜１１の上面に導電層（上電極）１２を蒸着などにより設けた振動電極膜１０と、振動膜１１に対向する固定電極（下電極）２０とで構成される。
【００４４】
固定電極２０は、絶縁層２３により互いに絶縁された複数の電極を隣接配置させた構造であり、固定電極のうち、一部には電圧制御部４０を接続して交流信号を印加し、超音波トランスデューサ１を駆動する駆動用固定電極２１として用いる。また、一部には振幅検出部３０を接続して振動膜の振幅情報を検出する検出用固定電極２２として用いる。
【００４５】
そして、振幅検出部３０で検出された振動電極膜１０の振幅情報を基にして、振動膜１１の振幅が、正負対称の入力信号に対しては正負対称に振動するように、駆動用固定電極２１に与える交流信号（駆動電圧）を電圧制御部４０により調整する。なお、振幅検出部３０および電圧制御部４０の構成と動作の詳細については後述する。
【００４６】
また、図３は、超音波トランスデューサの上面図であり、図２に示す超音波トランスデューサを、導電層１２側から固定電極２０の方向に向かって見た図であり、理解を容易にするために、導電層１２の左半分を取り除いて示した図である。
【００４７】
また、図５は、本発明による超音波トランスデューサの第３の構成例を示す図であり、検出用固定電極を複数使用する例を示す図である。図５（ａ）は、断面図であり、図５（ｂ）は、固定電極２０を振動電極膜１０側から見た図であり、検出用固定電極２２を中央から外れた位置に２個設け、２個の検出用固定電極２２から得られる振幅電圧の平均値を検出出力として使用する例を示したものである。このように、検出用固定電極２２を複数個設けることにより、最も大きく振幅がとれる中央部分を駆動用固定電極２１として使用できるようになる。なお、検出用固定電極２２は３個以上であってもよい。
【００４８】
なお、図２および図５に示す超音波トランスデューサにおいては、振動膜１１と固定電極（下電極）２０と間に全体的にギャップ（空隙）を設けて、振動膜全体が振動するように構成した例を示している。これは、可聴音帯域の再生を重視したラウドスピーカ向きの構成例である。
【００４９】
また、図１、図２及び図５に示す例では、固定電極２０が円形の例を示しているが、固定電極２０の形状は、楕円形、矩形状に形成することもできる。また、図１に示す例では、固定電極２０の凹凸部が同心円状の例を示しているが固定電極２０の凹凸部の形状は、直線状（スリット状）に形成することもできる。
【００５０】
［振幅検出の原理と振幅検出部の構成と動作の説明］
振幅検出の原理は、コンデンサマイクの検出原理と同様である。振動電極膜１０の導電層（上電極）１２と検出用固定電極２２との間にはコンデンサが形成されているため、振動膜１１が振動して導電層１２と検出用固定電極２２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、振動電極膜１０の導電層（上電極）１２と検出用固定電極２２との電圧を検出することで、振動膜１１と検出用固定電極２２のギャップ、すなわち振幅を検出することができる。
【００５１】
図６に、振幅検出部の一構成例を示す。図６に示した振幅検出部３０の例では、電圧検出部（振幅電圧検出手段）３１により振動電極膜１０の導電層（上電極）１２と検出用固定電極２２との間の電圧を検出し、検出された電圧波形の極大点をピーク検出部にて検出することで振幅を検出するように構成している。
【００５２】
電圧検出部３１で検出された信号波形は、正（＋）側ピーク検出部（＋側振幅電圧レベル検出手段）３２と、負（−）側ピーク検出部（−側振幅電圧レベル検出手段）３３に入力され、振動膜１１の＋側振幅と−側振幅のそれぞれのピーク値が検出されるように構成されている。これにより、正負の駆動信号に対する振動膜１１の振幅状態を検出し、振動膜１１における非対称歪を検出することができる。
【００５３】
［電圧制御部の構成と動作説明］
また、図７は、電圧制御部の一構成例を示す図である。電圧制御部４０は、＋側誤差検出回路（＋側誤差検出手段）４１と、−側誤差検出回路（−側誤差検出手段）４２と、＋側可変利得増幅回路（＋側可変利得調整手段）４３と、−側可変利得増幅回路（−側可変利得調整手段）４４と、パワーアンプ４５とから構成される。図７に示すように、電圧制御部４０は、交流信号（入力信号）の＋側波形と−側波形とでそれぞれ個別に増幅動作が行われるように構成される。
【００５４】
＋側誤差検出回路４１は、振幅検出部３０で検出された振動膜の＋側振幅の目標振幅に対する偏差を出力する。また、−側誤差検出回路４２は、振幅検出部３０で検出された振動膜の−側振幅の目標振幅に対する偏差を出力する。
【００５５】
ここで、目標振幅は駆動電圧に対する目標振幅を予め対応付けておいても良いし、一方の検出電極で検出された振幅を対向する電極側の目標振幅として設定するようにしても良い。
【００５６】
＋側可変利得増幅回路４３は、＋側誤差検出回路４１から出力される目標振幅に対する偏差量に応じて増幅回路の利得を調節しながら＋側の駆動信号を増幅する。ここでは目標振幅に対して検出振幅が小さい場合（＋偏差）には利得を増大させ、大きい場合（−偏差）には利得を減少させる。
【００５７】
また、−側可変利得増幅回路４４は、−側誤差検出回路４２から出力される目標振幅に対する偏差量に応じて増幅回路の利得を調節しながら−側の駆動信号を増幅する。ここでは目標振幅に対して検出振幅が小さい場合（＋偏差）には利得を増大させ、大きい場合（−偏差）には利得を減少させる。
【００５８】
このように＋側、一側それぞれについて、振幅の偏差に応じて個別に利得の調整が行われた後、合成され、ＤＣバイアスを重畳した後にパワーアンプ４５で電力増幅が行われ、静電型超音波トランスデューサ１の駆動用固定電極２１に駆動信号が供給される。
【００５９】
なお、パワーアンプ４５の前段でＤＣバイアスを重畳するのではなく、図示はしないが、パワーアンプとトランスデューサとの間に出力トランスを配して、出力トランス側でＤＣバイアスを重畳するように構成しても良い。
【００６０】
また、＋側可変利得増幅回路４３および−側可変利得増幅回路４４における利得の調整は、基本的には自動調整により行われるが、これをマニュアル（手動）で調整（設定）できるようにしてもよい。例えば、工場出荷時に予めマニュアル（手動）で調整しておくことにより、超音波トランスデューサを最適な状態で出荷することができる。
【００６１】
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】
【００６２】
【図１】本発明による超音波トランスデューサの第１の構成例を示す図。
【図２】本発明による超音波トランスデューサの第２の構成例を示す図。
【図３】図２に示す超音波トランスデューサの上面図。
【図４】振動電極膜の構成例を示す図。
【図５】本発明による超音波トランスデューサの第３の構成例を示す図。
【図６】振幅検出部の一構成例を示す図。
【図７】電圧制御部の一構成例を示す図。
【図８】プル型の静電型超音波トランスデューサの駆動概念の説明図。
【図９】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の説明図。
【図１０】振動波形の上下非対称歪の例を示す図。
【符号の説明】
【００６３】
１…静電型超音波トランスデューサ、１０…振動電極膜、１１…振動膜、１２…導電層、  ２０…固定電極、２１…駆動用固定電極、２２…検出用固定電極、２３…絶縁層、３０…振幅検出部、３１…電圧検出部、３２…＋側ピーク検出部、３３…−側ピーク検出部、４０…電圧制御部、４１…＋側誤差検出回路、４２…−側誤差検出回路、４３…＋側可変利得増幅回路、４４…−側可変利得増幅回路、４５…パワーアンプ
【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】
2006005733.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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