(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
貫通孔を有する第１の固定電極と、
貫通孔を有する第２の固定電極と、
前記第１の固定電極の前記貫通孔と前記第２の固定電極の前記貫通孔とが対をなすように配置されかつ前記第１の固定電極と前記第２の固定電極とからなる一対の固定電極に挟まれるとともに導電層を有し、該導電層に直流バイアス電圧が印加される振動膜と、
を含み、
前記第１の固定電極と、前記第２の固定電極とは、前記貫通孔の内部に、前記振動膜に対して対向する対向電極部を有し、
前記一対の固定電極間には超音波周波数帯のキャリア波を可聴周波数帯の信号波で変調した変調波が印加されること
を特徴とする静電型超音波トランスデューサ。
【請求項２】
前記対向電極部は、前記貫通孔の外周部と内部とを架橋するブリッジ構造の対向電極部であること
を特徴とする請求項１に記載の静電型超音波トランスデューサ。
【請求項３】
前記ブリッジ構造が十字構造であること
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】
前記ブリッジ構造が十字構造であると共に、
前記十字構造の中央部に、前記ブリッジ構造より幅の広い中央対向電極部が設けられたこと
を特徴とする請求項３に記載の静電型超音波トランスデューサ。
【請求項５】
前記ブリッジ構造がＹ字構造であること
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６】
貫通孔を有する第１の固定電極と、貫通孔を有する第２の固定電極と、前記第１の固定電極の前記貫通孔と前記第２の固定電極の前記貫通孔とが対をなすように配置されかつ前記第１の固定電極と前記第２の固定電極とからなる一対の固定電極に挟まれるとともに導電層を有し、該導電層に直流バイアス電圧が印加される振動膜と、を含み、前記第１の固定電極と、前記第２の固定電極とは、前記貫通孔の内部に、振動膜に対して対向する対向電極部を有し、前記一対の固定電極間には超音波周波数帯のキャリア波を可聴周波数帯の信号波で変調した変調波が印加される静電型超音波トランスデューサの製造方法であって、
前記固定電極は、
前記貫通孔内に前記振動膜の振動領域に対向する対向電極部を形成した導電性の電極母材を製造する第１の工程と、
前記電極母材の貫通孔及び該貫通孔の近傍の領域をマスクするマスク部材を前記電極母材の一方の面に載置し、かつ該電極母材の前記マスク部材が載置された面上に絶縁性の対向電極形成体を形成するための対向電極形成材をセットし、前記対向電極形成材を、前記電極母材の面上における前記マスク部材によりマスクされていない部分に塗布する第２の工程と、
前記第２の工程において、前記対向電極形成材の塗布完了後に前記マスク部材を外し、かつ前記電極母材の面上に形成された対向電極形成体を乾燥させる第３の工程と
を少なくとも含むことを特徴とする静電型超音波トランスデューサの製造方法。
【請求項７】
前記電極母材を、複数の貫通孔と該貫通孔内に対向電極部を有する平板状の導電体材料を積層して構成すること
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の製造方法。
【請求項８】
貫通孔を有する第１の固定電極と、
貫通孔を有する第２の固定電極と、
前記第１の固定電極の前記貫通孔と前記第２の固定電極の前記貫通孔とが対をなすように配置されかつ前記第１の固定電極と前記第２の固定電極とからなる一対の固定電極に挟まれるとともに導電層を有し、該導電層に直流バイアス電圧が印加される振動膜と、
を含み、
前記第１の固定電極と、前記第２の固定電極とは、前記貫通孔の内部に、振動膜に対して対向する対向電極部を有し、
前記一対の固定電極間には超音波周波数帯のキャリア波を可聴周波数帯の信号波で変調した変調波が印加される静電型超音波トランスデューサと、
可聴周波数帯の信号波を生成する信号源と、
超音波周波数帯のキャリア波を生成し、出力するキャリア波供給手段と、
前記キャリア波を前記信号源から出力される可聴周波数帯の信号波により変調する変調手段とを有し、
前記静電型超音波トランスデューサは、前記一対の固定電極と前記振動膜の電極層との間に印加される前記変調手段から出力される変調信号により駆動されることを特徴とする超音波スピーカ。
【請求項９】
貫通孔を有する第１の固定電極と、
貫通孔を有する第２の固定電極と、
前記第１の固定電極の前記貫通孔と前記第２の固定電極の前記貫通孔とが対をなすように配置されかつ前記第１の固定電極と前記第２の固定電極とからなる一対の固定電極に挟まれるとともに導電層を有し、該導電層に直流バイアス電圧が印加される振動膜と、
を含み、
前記第１の固定電極と、前記第２の固定電極とは、前記貫通孔の内部に、振動膜に対して対向する対向電極部を有し、
前記一対の固定電極間には超音波周波数帯のキャリア波を可聴周波数帯の信号波で変調した変調波が印加される静電型超音波トランスデューサを使用すると共に、
信号源により可聴周波数帯の信号波を生成する手順と、
キャリア波供給手段により超音波周波数帯のキャリア波を生成し、出力する手順と、
変調手段により前記キャリア波を前記可聴周波数帯の信号波により変調した変調信号を生成する手順と、
前記固定電極と前記振動膜の電極層との間に前記変調信号を印加することにより前記静電型超音波トランスデューサを駆動する手順と、
を含むことを特徴とする静電型超音波トランスデューサによる音声信号再生方法。
【請求項１０】
貫通孔を有する第１の固定電極と、
貫通孔を有する第２の固定電極と、
前記第１の固定電極の前記貫通孔と前記第２の電極の前記貫通孔とが対をなすように配置されかつ前記第１の固定電極と前記第２の固定電極とからなる一対の固定電極に挟まれるとともに導電層を有し、該導電層に直流バイアス電圧が印加される振動膜と、
を含み、
前記第１の固定電極と、前記第２の固定電極とは、前記貫通孔の内部に、振動膜に対して対向する対向電極部を有し、
前記一対の固定電極間には超音波周波数帯のキャリア波を可聴周波数帯の信号波で変調した変調波が印加される静電型超音波トランスデューサを用いて構成され、音響ソースから供給される音声信号のうち第１の音域の音声信号を再生する超音波スピーカと、
前記音響ソースから供給される音声信号のうち第２の音域の音声信号を再生する再生用スピーカと、
を有し、
前記超音波スピーカにより前記音響ソースから供給される音声信号を再生し、スクリーン等の音波反射面近傍に仮想音源を形成することを特徴とする超指向性音響システム。
【請求項１１】
貫通孔を有する第１の固定電極と、
貫通孔を有する第２の固定電極と、
前記第１の固定電極の前記貫通孔と前記第２の固定電極の前記貫通孔とが対をなすように配置されかつ前記第１の固定電極と前記第２の固定電極とからなる一対の固定電極に挟まれるとともに導電層を有し、該導電層に直流バイアス電圧が印加される振動膜と、
を含み、
前記第１の固定電極と、前記第２の固定電極とは、前記貫通孔の内部に、振動膜に対して対向する対向電極部を有し、
前記一対の固定電極間には超音波周波数帯のキャリア波を可聴周波数帯の信号波で変調した変調波が印加される静電型超音波トランスデューサを含んで構成され、音響ソースから供給される音声信号から可聴周波数帯の信号音を再生する超音波スピーカと、
映像を投影面に投影する投影光学系と、
を有することを特徴とする表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、  本発明は、振動膜の有効な膜変位量を増大させ、かつ音波放射する放射孔（貫通孔）の開口率を増大させることにより、出力音圧の向上を図ることができる、静電型超音波トランスデューサ、静電型超音波トランスデューサの製造方法、超音波スピーカ、音声信号再生方法、超指向性音響システム及び表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
超音波トランスデューサは、超音波帯域の搬送波を可聴帯域の音響信号によって変調した変調波を出力することで、鋭い指向性を有する音を再生することができるというものである。
【０００３】
図１５は、従来の超音波トランスデューサの構成例を示す図である。従来の超音波トランスデューサは、圧電セラミックを用いた共振型がほとんどである。図１５（Ａ）に示す圧電型の超音波トランスデューサは、振動素子として圧電セラミックを用いて電気信号から超音波への変換と、超音波から電気信号への変換（超音波の送信と受信）の両方を行う。
【０００４】
図１５（Ａ）に示すバイモルフ型の超音波トランスデューサは、２枚の圧電セラミック６１および６２と、コーン６３と、ケース６４と、リード６５および６６と、スクリーン６７とから構成されている。圧電セラミック６１および６２は、互いに貼り合わされていて、その貼り合わせ面と反対側の面にそれぞれリード６５とリード６６が接続されている。
【０００５】
圧電型の超音波トランスデューサは、圧電セラミックの共振現象を利用しているので、超音波の送信および受信の特性がその共振周波数周辺の比較的狭い周波数帯域で良好となる。しかし、圧電型のトランスデューサは素子の鋭い共振特性を利用していることから、高い音圧が得られるが周波数帯域は非常に狭い。このため、圧電型のトランスデューサを用いた超音波スピーカでは再生可能な周波数帯域が狭く、ラウドスピーカと比較して再生音質が悪いという傾向がある。
【０００６】
上述した圧電型のトランスデューサと異なり、従来より静電方式の超音波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。図１５（Ｂ）に広帯域発振型の静電型超音波トランスデューサの構成例を示す。この静電型超音波トランスデューサは、振動膜が固定電極側に引き付けられる方向のみに働くことからプル型（Ｐｕｌｌ型）と呼ばれている。
【０００７】
図１５（Ｂ）に示す静電型の超音波トランスデューサは、振動体（振動膜）として３〜１０μｍ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１３１（絶縁体）を用いている。誘電体１３１に対しては、アルミ等の金属箔として形成される上電極１３２がその上面部に蒸着等の処理によって一体形成されるとともに、真鍮で形成された下電極１３３が誘電体１３１の下面部に接触するように設けられている。この下電極１３３は、リード１５２が接続されるとともに、ベークライト等からなるベース板１３５に固定されている。
【０００８】
また、上電極１３２は、リード１５３が接続されており、このリード１５３は直流バイアス電源１５０に接続されている。この直流バイアス電源１５０により上電極１３２には５０〜１５０Ｖ程度の上電極吸着用の直流バイアス電圧が常時印加され、上電極１３２が下電極１３３側に吸着されるようになっている。１５１は信号源である。
【０００９】
誘電体１３１および上電極１３２ならびにベース板１３５は、メタルリング１３６、１３７、および１３８、ならびにメッシュ１３９とともに、ケース１３０によってかしめられている。
【００１０】
下電極１３３の誘電体１３１側の面には不均一な形状を有する数十〜数百μｍ程度の微小な溝（凹凸部）が複数形成されている。この微小な溝は、下電極１３３と誘電体１３１との間の空隙となるので、上電極１３２および下電極１３３間の静電容量の分布が微小に変化する。このランダムな微小な溝は、下電極１３３の表面を手作業でヤスリにより荒らすことで形成されている。静電方式の超音波トランスデューサでは、このようにして空隙の大きさや深さの異なる無数のコンデンサを形成することによって、周波数特性が広帯域となっている（特許文献１、２）。
【００１１】
上述したように、図１５（Ｂ）に示す静電型の超音波トランスデューサは従来から広周波数帯に渡って比較的高い音圧を発生させることが可能な広帯域超音波トランスデューサ（Ｐｕｌｌ型）として知られている。
【００１２】
しかしながら、この静電型の超音波トランスデューサの出力音圧の最大値はやや低く、パラメトリックアレイ効果を得るに必要な超音波音圧を得ることが難しく、もっぱらＰＺＴなどのセラミック圧電素子やＰＶＤＦなどの高分子圧電素子が超音波発信体として用いられてきた。しかし、圧電素子はその材質を問わず鋭い共振点を有しており、その共振周波数で駆動して超音波スピーカとして実用化しているため、高い音圧を確保出来る周波数領域が極めて狭い。すなわち狭帯域であるといえる。
【００１３】
このような問題を解決するために、本願出願人は、図１６に示すような、静電型超音波トランスデューサを先に提案している（特願２００４−１７３９４６号）。このような構造は一般にプッシュプル（Ｐｕｓｈ−Ｐｕｌｌ）型と呼ばれており、プル（Ｐｕｌｌ）型の静電型超音波トランスデューサに比して、広帯域性と高音圧を同時に満たす能力を持っている。
【００１４】
図１６は、プッシュプル型の静電型超音波トランスデューサの構成例を示す図であり、図１６（Ａ）は、断面構造を示す図であり、図１６（Ｂ）は、固定電極を振動膜側から見た平面図を示している。また、図１６（Ａ）は、図１６（Ｂ）のＸ−Ｙ方向の断面断構造を示している。
【００１５】
図１６において、プッシュプル型の静電型超音波トランスデューサは、電極として機能する導電性材料で形成された導電部材を含む一対の固定電極２０、２１と、一対の固定電極２０、２１に挟持され、導電層（振動膜電極）２２１を有する振動膜２２と、一対の固定電極２０、２１と振動膜２２を保持する支持部材２５とを有している。
【００１６】
振動膜２２は、絶縁層２２０と、導電性材料で形成された導電層２２１とを有しており、該導電層２２１には、直流バイアス電源２７により単一極性（正極性でも負極性のいずれでもよい）の直流バイアス電圧が印加されるようになっている。
【００１７】
また、一対の固定電極２０、２１は振動膜２２を介して対向する位置に同数かつ複数の貫通孔２４を有しており、一対の固定電極２０、２１の導電部材間には信号源２８Ａ、２８Ｂにより交流信号が印加されるようになっている。固定電極２０と導電層２２１、固定電極２１と導電層２２１には、それぞれコンデンサが形成されている。
【００１８】
上記構成において、静電型超音波トランスデューサは、振動膜２２の導電層２２１に、直流バイアス電源２７により単一極性の（本例では正極性の）直流バイアス電圧が印加される。一方、一対の固定電極２０、２１には、信号源２８Ａ、２８Ｂにより交流信号が印加される。この結果、信号源２８Ａ、２８Ｂから出力される交流信号の正の半サイクルでは、固定電極２０に正の電圧が印加されるために、振動膜２２の固定電極で挟持されていない表面部分２３Ａには、静電反発力が作用し、表面部分２３Ａは、図１６上、下方に引っ張られる。また、このとき、対向する固定電極２１には、負の電圧が印加されるために、振動膜２２の裏面側である裏面部分２３Ｂには、静電吸引力が作用し、裏面部分２３Ｂは、図１６上、さらに下方に引っ張られる。
【００１９】
したがって、振動膜２２の一対の固定電極２０、２１により挟持されていない膜部分は、同方向に静電反発力と静電斥力を受ける。これは、信号源２８Ａ、２８Ｂから出力される交流信号の負の半サイクルについても同様に、振動膜２２の表面部分２３Ａには図１６上、上方に静電吸引力が、また裏面部分２３Ｂには、図１６上、上方に静電反発力が作用し、振動膜２２の一対の固定電極２０、２１により挟持されていない膜部分は、同方向に静電反発力と静電斥力を受ける。このようにして、交流信号の極性の変化に応じて振動膜２２が同方向に静電反発力と静電斥力を受けながら、交互に静電力が働く方向が変化するので、大きな膜振動、すなわち、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。
【００２０】
このように図１６に示す超音波トランスデューサは、振動膜２２が一対の固定電極２０、２１から力を受けて振動することからプッシュプル（Ｐｕｓｈ−Ｐｕｌｌ）型と呼ばれている。プッシュプル型の静電型超音波トランスデューサは、振動膜に静電吸引力のみしか作用しないプル型（Ｐｕｌｌ）型の静電型超音波トランスデューサに比して、広帯域性と高音圧を同時に満たす能力を持っている。
【００２１】
上述したように、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は、振動膜には高電圧の直流バイアス電圧が印加され、固定電極には交流電圧が印加されることにより、固定電極−振動膜に働く静電力（引力及び斥力）により膜部分が振動する。この場合、超音波帯の振動を実現する為には振動部分の孔径を数ｍｍ以下にする必要があり、例えば、図１７に示すように、固定電極２０上に多数の貫通孔（振動孔）２４を設けることにより、追従性が高くて出力が大きいトランスデューサを構成する必要がある。
【００２２】
図１８は、図１６に示す、プッシュプル方式の静電型超音波トランスデューサに使用される固定電極の構成及びその製造工程を説明するための図である。
【００２３】
上述したように固定電極には音波を放射させるための貫通孔が必要であり、多いものでは１０００個以上必要である。加工精度上は機械加工が適切ではあるが、コスト的に妥当ではないため、エッチングによる加工を適用している。しかしながら、エッチングにより空けられる貫通孔の口径には、厚みとの関係で制約がある。例えば、貫通孔口径０．７５ｍｍ、厚み１．５ｍｍで所望の加工精度を満足する固定電極を、エッチング加工のみで製作することは困難である。
【００２４】
そこで、図１８（Ａ）に示すように、貫通孔口径よりも十分に薄い、例えば０．２５ｍｍの厚みの導電体（通常は金属で、銅やステンレスを使用）２０２に所望の貫通孔２０３を形成するためのマスク部材２０１を被せてエッチング加工を行い、貫通孔２０３の空いた導電体２０２を複数枚用意する。
【００２５】
そして、図１８（Ｂ）に示すように、総厚み１．５ｍｍとする場合には、これらの導電体２０２を６枚、全ての貫通孔２０３の位置が一致するよう積層する。それから、図１８（Ｃ）に示すように、積層した導電体２０２を両面から加圧した状態で、熱圧着または拡散接合処理を行い、結果１．５ｍｍ厚みで一体化（金属結合）した固定電極が出来上がる。なお、図１８に示す例では、方形の固定電極を製作する例を示したが、図１８に示すような、円形の固定電極を製作する場合には、導電体２０２を円形とする。
【００２６】
ところで、上述したように静電型超音波トランスデューサの固定電極には音波を放射させるための多数の貫通孔が必要である。この場合に、図１６（Ｂ）に示すように、貫通孔２４の周囲には振動膜に対し静電力を作用させる対向電極部２６が配されており、この対向電極部２６と振動膜２２の振動領域（振動膜の固定電極で挟持されていない部分）との間で静電力を作用させるように構成されている。
【００２７】
この場合に、通常は、貫通孔２４の径Ｄ１を、対向電極部２６を成す電極径Ｄ２に対し半分の径としている。この関係は、音波の放射効率と膜振幅量の関係が最も良好となるように設定されたものである。例えば、貫通孔径を小さく（＝対向電極部２６の面積を拡げる）すれば静電力が強くなり膜振幅量は増加するが、音波の放射面積が狭くなり、放射音圧が低下してしまう。一方、貫通孔径を大きく（＝対向電極部２６の面積を狭くする）すれば音波の放射面積は拡がるが、静電力が弱まり、膜振幅量が低下するため、放射音圧が低下してしまう。
【００２８】
以上の関係から上記の構成としているが、図１６（Ｂ）に示す従来の構成では、振動膜に作用する静電力は振動領域の外周部にしか作用せず、基本的に効率良く膜振動を発生させることは困難であった。
【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】
【００２９】
上述したように、現在のプッシュプル型の静電型超音波トランスデューサでは、振動膜に作用する静電力は振動領域の外周部にしか作用せず、基本的に効率良く膜振動を発生させることは困難であった。
【００３０】
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、振動膜の有効な膜変位量を増大させ、かつ音波放射する放射孔（貫通孔）の開口率を増大させることにより、出力音圧の向上を図ることができる、静電型超音波トランスデューサ、静電型超音波トランスデューサの製造方法、および超音波スピーカを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００３１】
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、本発明の静電型超音波トラン
スデューサは、貫通孔を有する第１の固定電極と、貫通孔を有する第２の固定電極と、前記第１の固定電極の前記貫通孔と前記第２の固定電極の前記貫通孔とが対をなすように配置されかつ前記第１の固定電極と前記第２の固定電極とからなる一対の固定電極に挟まれるとともに導電層を有し、該導電層に直流バイアス電圧が印加される振動膜と、を含み、前記第１の固定電極と、前記第２の固定電極とは、前記貫通孔の内部に、前記振動膜に対して対向する対向電極部を有し、前記一対の固定電極間には超音波周波数帯のキャリア波を可聴周波数帯の信号波で変調した変調波が印加されることを特徴とする。
このような構成により、貫通孔内に、振動膜の振動領域（貫通孔に対面する振動膜の部
分）に対向して対向電極部を配する。
これにより、振動膜の振動領域の膜振幅量を増大させることができる。また、貫通孔内
に対向電極部を形成することにより、貫通孔の径を大きくすることができるので、開口率
を増大させることができ、出力音圧を向上させることができる。
【００３２】
また、本発明の静電型超音波トランスデューサは、前記対向電極部は、前記貫通孔の外周部と内部とを架橋するブリッジ構造の対向電極部であることを特徴とする。
このような構成により、対向電極部を貫通孔の中心を通り該貫通孔を横断するブリッジ構造とする。そして、ブリッジの幅を狭くし、対向電極部が、振動膜からの音波放射の障害とならないようにする。
これにより、振動膜の振動領域の膜振幅量を増大させることができると共に、対向電極部が音波放射の障害とならないようして、開口率を増大させることができる。
【００３３】
また、本発明の静電型超音波トランスデューサは、前記ブリッジ構造が十字構造であることを特徴とする。
これにより、振動膜の振動領域の膜振幅量を増大させることができる。また、対向電極部が音波放射の障害とならないようして、開口率を増大させることができる。
【００３４】
また、本発明の静電型超音波トランスデューサは、前記ブリッジ構造が十字構造であると共に、前記十字構造の中央部に、前記ブリッジ構造より幅の広い中央対向電極部が設けられたことを特徴とする。
このような構成により、対向電極部を十字のブリッジ構造とすると共に、十字構造の中心部に、ブリッジ幅よりも広い中央対向電極部を配する。
これにより、振動膜の振動領域の膜振幅量をさらに増大させることができる。
【００３５】
また、本発明の静電型超音波トランスデューサは、前記ブリッジ構造がＹ字構造であることを特徴とする。
これにより、振動膜の振動領域の膜振幅量を増大させることができると共に、開口率をさらに増大させることができる。
【００３６】
また、本発明の静電型超音波トランスデューサの製造方法は、貫通孔を有する第１の固定電極と、貫通孔を有する第２の固定電極と、前記第１の固定電極の前記貫通孔と前記第２の固定電極の前記貫通孔とが対をなすように配置されかつ前記第１の固定電極と前記第２の固定電極とからなる一対の固定電極に挟まれるとともに導電層を有し、該導電層に直流バイアス電圧が印加される振動膜と、を含み、前記第１の固定電極と、前記第２の固定電極とは、前記貫通孔の内部に、振動膜に対して対向する対向電極部を有し、前記一対の固定電極間には超音波周波数帯のキャリア波を可聴周波数帯の信号波で変調した変調波が印加される静電型超音波トランスデューサの製造方法であって、前記電極は、前記貫通孔内に前記振動膜の振動領域に対向する対向電極部を形成した導電性の電極母材を製造する第１の工程と、前記電極母材の貫通孔及び該貫通孔の近傍の領域をマスクするマスク部材を前記電極母材の一方の面に載置し、かつ該電極母材の前記マスク部材が載置された面上に絶縁性の対向電極形成体を形成するための対向電極形成材をセットし、前記対向電極形成材を、前記電極母材の面上における前記マスク部材によりマスクされていない部分に塗布する第２の工程と、前記第２の工程において、前記対向電極形成材の塗布完了後に前記マスク部材を外し、かつ前記電極母材の面上に形成された対向電極形成体を乾燥させる第３の工程とを少なくとも含むことを特徴とする。
このような方法により、貫通孔内に対向電極部を形成した導電性の電極母材を準備する。そして、貫通孔及び該貫通孔の近傍の領域をマスクするスクリーン版（絶縁体である対向電極形成体を電極母材の表面に形成するためのマスク部材）を電極母材の一方の面にセットし、スキージを移動させて絶縁体である対向電極形成材をマスクされていない部分に塗り込む。この対向電極形成材は、永久的に対向電極形成体として構成でき、かつ非導電性のもので、例えば回路基板で一般的に使用されるパッケージ用の液状ソルダーレジストやサンドブラスト用レジストとして使用されるマスキングインクなどである。そして、塗布完了後に対向電極形成用のスクリーン版を外し、対向電極形成体を乾燥させて所望の電極が出来上がる。
これにより、静電型超音波トランスデューサの電極を製造する場合に、電極母材の面上に対向電極形成体を容易に形成できる。このため、静電型超音波トランスデューサの製造コストを低減できる。
【００３７】
また、本発明の静電型超音波トランスデューサの製造方法は、前記電極母材を、複数の貫通孔と該貫通孔内に対向電極部を有する平板状の導電体材料を積層して構成することを特徴とする。
このような方法により、電極母材を製作する場合に、貫通孔と該貫通孔の内側に対向電極部を有する平板状の導電体材料を、エッチング等により作成し、この平板状の導電体材料を積層して電極母材を製作する。
これにより、所望の厚みを持つ電極母材を容易に製作することができる。
【００３８】
また、本発明の超音波スピーカは、貫通孔を有する第１の固定電極と、貫通孔を有する第２の固定電極と、前記第１の固定電極の前記貫通孔と前記第２の固定電極の前記貫通孔とが対をなすように配置されかつ前記第１の固定電極と前記第２の固定電極とからなる一対の固定電極に挟まれるとともに導電層を有し、該導電層に直流バイアス電圧が印加される振動膜と、を含み、前記第１の固定電極と、前記第２固定電極とは、前記貫通孔の内部に、振動膜に対して対向する対向電極部を有し、前記一対の固定電極間には超音波周波数帯のキャリア波を可聴周波数帯の信号波で変調した変調波が印加される静電型超音波トランスデューサと、可聴周波数帯の信号波を生成する信号源と、超音波周波数帯のキャリア波を生成し、出力するキャリア波供給手段と、前記キャリア波を前記信号源から出力される可聴周波数帯の信号波により変調する変調手段とを有し、前記静電型超音波トランスデューサは、前記一対の固定電極と前記振動膜の電極層との間に印加される前記変調手段から出力される変調信号により駆動されることを特徴とする。
これにより、超音波スピーカの出力音圧を向上させることができる。
【００３９】
本発明の静電型超音波トランスデューサによる音声信号再生方法は、貫通孔を有する第１の固定電極と、貫通孔を有する第２の固定電極と、前記第１の固定電極の前記貫通孔と前記第２の固定電極の前記貫通孔とが対をなすように配置されかつ前記第１の固定電極と前記第２の固定電極とからなる一対の固定電極に挟まれるとともに導電層を有し、該導電層に直流バイアス電圧が印加される振動膜と、を含み、前記第１の固定電極と、前記第２の固定電極とは、前記貫通孔の内部に、振動膜に対して対向する対向電極部を有し、前記一対の固定電極間には超音波周波数帯のキャリア波を可聴周波数帯の信号波で変調した変調波が印加される静電型超音波トランスデューサを使用すると共に、信号源により可聴周波数帯の信号波を生成する手順と、
キャリア波供給手段により超音波周波数帯のキャリア波を生成し、出力する手順と、
変調手段により前記キャリア波を前記可聴周波数帯の信号波により変調した変調信号を生成する手順と、前記電極と前記振動膜の電極層との間に前記変調信号を印加することにより前記静電型超音波トランスデューサを駆動する手順と、を含むことを特徴とする。
このような手順を含む本発明の静電型超音波トランスデューサの音声信号再生方法では、信号源により可聴周波数帯の信号波が生成され、またキャリア波供給源により超音波周波数帯のキャリア波が生成され、出力される。そして、変調手段によりキャリア波が前記可聴周波数帯の信号波により変調され、この変調信号が電極と振動膜の電極層との間に印加され、静電型超音波トランスデューサが駆動される。
これにより、上記構成の静電型超音波トランスデューサにより、電極間に印加する電圧が低電圧でかつ膜振動を増大でき、広周波数帯域にわたってパラメトリックアレイ効果を得るのに十分高い音圧レベルの音響信号を出力し、音声信号を再生することが可能になる。
また、本発明の静電型超音波トランスデューサの音声信号再生方法では、前記一対の固定電極が、前記貫通孔の内部に、振動膜に対して対向する対向電極部を有するように構成した静電型超音波トランスデューサを用いているので、すなわち、前記貫通孔内に、振動膜の振動領域（貫通孔に対面する振動膜の部分）に対向して対向電極部を配するようにしたので、振動膜の振動領域の膜振幅量を増大させることができる。また、貫通孔内に対向電極部を形成することにより、貫通孔の径を大きくすることができるので、開口率を増大させることができ、出力音圧を向上させることができる。
【００４０】
本発明の超指向性音響システムは、貫通孔を有する第１の固定電極と、貫通孔を有する第２の固定電極と、前記第１の固定電極の前記貫通孔と前記第２の固定電極の前記貫通孔とが対をなすように配置されかつ前記第１の固定電極と前記第２の固定電極とからなる一対の固定電極に挟まれるとともに導電層を有し、該導電層に直流バイアス電圧が印加される振動膜と、を含み、前記第１の固定電極と、前記第２の固定電極とは、前記貫通孔の内部に、振動膜に対して対向する対向電極部を有し、前記一対の固定電極間には超音波周波数帯のキャリア波を可聴周波数帯の信号波で変調した変調波が印加される静電型超音波トランスデューサを用いて構成され、音響ソースから供給される音声信号のうち第１の音域の音声信号を再生する超音波スピーカと、前記音響ソースから供給される音声信号のうち第２の音域の音声信号を再生する再生用スピーカとを有し、前記超音波スピーカにより前記音響ソースから供給される音声信号を再生し、スクリーン等の音波反射面近傍に仮想音源を形成することを特徴とする。
このように構成した本発明の超指向性音響システムでは、貫通孔を有する第１の固定電極と、貫通孔を有する第２の固定電極と、前記第１の固定電極の前記貫通孔と前記第２の固定電極の前記貫通孔とが対をなすように配置されかつ前記第１の固定電極と前記第２の固定電極とからなる一対の固定電極に挟まれるとともに導電層を有し、該導電層に直流バイアス電圧が印加される振動膜と、を含み、前記第１の固定電極と、前記第２の固定電極とは、前記貫通孔の内部に、振動膜に対して対向する対向電極部を有し、前記一対の固定電極間には超音波周波数帯のキャリア波を可聴周波数帯の信号波で変調した変調波が印加される静電型超音波トランスデューサを含んで構成される超音波スピーカを使用する。そして、この超音波スピーカにより、音響ソースから供給される音声信号のうち中高音域の音声信号を再生する。また、音響ソースから供給される音声信号のうち低音域の音声信号は低音再生用スピーカにより再生する。
したがって、第１の音域（中高音域）の音響を、静電型超音波トランスデューサの電極間に印加される電圧が低電圧化され、かつ音圧特性が改善された状態で十分な音圧と広帯域特性を持って、スクリーン等の音波反射面近傍に形成される仮想音源から発せられるように再生できる。また、第２の音域（低音域）の音響は、音響システムに備えられた再生用スピーカから直接出力されるので、低音域の補強ができ、より臨場感の高い音場環境を創生できる。
また、本発明の超指向性音響システムでは、前記一対の固定電極が、前記貫通孔の内部に、振動膜に対して対向する対向電極部を有するように構成した静電型超音波トランスデューサを用いているので、すなわち、前記貫通孔内に、振動膜の振動領域（貫通孔に対面する振動膜の部分）に対向して対向電極部を配するようにしたので、振動膜の振動領域の膜振幅量を増大させることができる。また、貫通孔内に対向電極部を形成することにより、貫通孔の径を大きくすることができるので、開口率を増大させることができ、出力音圧を向上させることができる。
【００４１】
本発明の表示装置は、貫通孔を有する第１の固定電極と、貫通孔を有する第２の固定電極と、前記第１の固定電極の前記貫通孔と前記第２の固定電極の前記貫通孔とが対をなすように配置されかつ前記第１の固定電極と前記第２の固定電極とからなる一対の固定電極に挟まれるとともに導電層を有し、該導電層に直流バイアス電圧が印加される振動膜と、を含み、前記第１の固定電極と、前記第２の固定電極とは、前記貫通孔の内部に、振動膜に対して対向する対向電極部を有し、前記一対の固定電極間には超音波周波数帯のキャリア波を可聴周波数帯の信号波で変調した変調波が印加される静電型超音波トランスデューサを含んで構成され、音響ソースから供給される音声信号から可聴周波数帯の信号音を再生する超音波スピーカと、
映像を投影面に投影する投影光学系とを有することを特徴とする。
このように構成した  本発明の表示装置では、貫通孔を有する第１の固定電極と、貫通孔を有する第２の固定電極と、前記第１の固定電極の前記貫通孔と前記第２の固定電極の前記貫通孔とが対をなすように配置されかつ前記第１の固定電極と前記第２の固定電極とからなる一対の固定電極に挟まれるとともに導電層を有し、該導電層に直流バイアス電圧が印加される振動膜と、を含み、前記第１の固定電極と、前記第２の固定電極とは、前記貫通孔の内部に、振動膜に対して対向する対向電極部を有し、前記一対の固定電極間には超音波周波数帯のキャリア波を可聴周波数帯の信号波で変調した変調波が印加される静電型超音波トランスデューサを含んで構成される超音波スピーカを使用する。そして、この超音波スピーカにより、音響ソースから供給される音声信号を再生する。
これにより、音響信号を音圧特性が改善された状態で十分な音圧と広帯域特性を持って、スクリーン等の音波反射面近傍に形成される仮想音源から発せられるように再生できる。このため、音響信号の再生範囲の制御も容易に行えるようになる。また、超音波スピーカから放射される音の指向性制御を行うことが可能である。
また、本発明の超指向性音響システムでは、前記一対の固定電極が、前記貫通孔の内部に、振動膜に対して対向する対向電極部を有するように構成した静電型超音波トランスデューサを用いているので、すなわち、前記貫通孔内に、振動膜の振動領域（貫通孔に対面する振動膜の部分）に対向して対向電極部を配するようにしたので、振動膜の振動領域の膜振幅量を増大させることができる。また、貫通孔内に対向電極部を形成することにより、貫通孔の径を大きくすることができるので、開口率を増大させることができ、出力音圧を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４２】
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。
【００４３】
図１および図２は、本発明の静電型超音波トランスデューサの固定電極の対向電極部の構成例を示す図であり、固定電極を製作するための導電性部材である固定電極母材の上視図である。
【００４４】
図１（Ａ）は、本発明による対向電極部の実施の形態（１）を示す図であり、導電体１０で形成された固定電極母材１Ａの貫通孔１１の部分に、十字型のブリッジ構造を成す対向電極部１２を配した例を示している。ここで、ブリッジ構造とは、超音波トランスデューサの組み立て状態を示す図６から明らかなように、固定電極と振動膜とを超音波トランスデューサを構成するように組み立てた際に、対向電極部１２が、貫通孔１１の外周部と内部とを架橋する構造を意味している。
図１（Ｂ）は、本発明による対向電極部の実施の形態（２）を示す図であり、導電体１０で形成された固定電極母材２Ａの貫通孔１１の部分に、十字型のブリッジ構造であり、かつ中央部（中央対向電極部１３ａ）がブリッジ幅よりも広い構造の対向電極部１３を配した例を示している。
【００４５】
また、図２は、本発明による対向電極部の実施の形態（３）を示す図であり、固定電極母材３Ａの貫通孔１１の部分に、Ｙ字のブリッジ構造の対向電極部１４を配した例を示している。
【００４６】
このようなブリッジ構造は機械加工で形成する事は非常に困難なため、エッチング工法を適用することが望ましい。なお、エッチングにより空けられる貫通孔の口径は、処理する母材の厚みとの関係に制約があり、貫通孔径よりも厚い固定電極を構成する場合には、図１８に示したような従来の工法を用いる。
【００４７】
図１８では貫通孔形状が円形の場合例を示しているが、本発明の固定電極の対向電極部を形成するためには、貫通孔の内側にブリッジ構造を構成すればよい。その構成は以下の工程で行う。
第１の工程で、貫通孔口径よりも薄い厚みの導電体（銅またはステンレス）に、所望の対向電極部（＝ブリッジ構造）を形成するためのマスク部材を被せてエッチング加工を行い、同様の処理を行った導電体を複数枚用意する。
第２の工程で、導電体の対向電極部の位置を合わせ、所望の電極厚みに積層する。
第３の工程で、積層体を両面から加圧し、熱圧着または拡散接合処理を行い、一体化電極に仕上げる。
【００４８】
なお、上述した例では、対向電極部１２、１３、１４の厚みを、それぞれの固定電極母材１Ａ、２Ａ、３Ａと同じ厚みで構成する例を示しているが、特にこれに限定されることはなく、例えば、固定電極母材１Ａ、２Ａ、３Ａの一方の面（例えば、振動膜と対向する面）にのみ、薄厚の対向電極部を形成するようにしてもよい。
【００４９】
また、図３および図４は、本発明の超音波トランスデューサを構成する固定電極の最終形態を示す概観図である。
図３（Ａ）に示す固定電極１は、図１（Ａ）に示す固定電極母材１Ａの一方の面上に、絶縁体である対向電極形成１５を形成したものである。
図３（Ｂ）に示す固定電極２は、図１（Ｂ）に示す固定電極母材２Ａの一方の面上に、絶縁体である対向電極形成１５を形成したものである。
図４に示す固定電極３は、図２に示す固定電極母材３Ａの一方の面上に、絶縁体である対向電極形成１５を形成したものである。
【００５０】
図５は、図３（Ａ）に示した固定電極１の断面構造を示す図である。なお、図５（Ｂ）に示す断面構造図は、図５（Ａ）上の一点鎖線で示すＸ−Ｙ方向の断面図である。
【００５１】
図５（Ｂ）に示すように、対向電極部１２を成すブリッジ構造部を除く導電体１０の残りの全領域に対し、絶縁体である対向電極形成体１５を形成することにより、所望の構造を成す固定電極１が出来上がる。
【００５２】
図６は、本発明の超音波トランスデューサの組立状態を示す図であり、上下に２枚の固定電極１を対向させて、その間に振動膜（振動電極膜）２２を挟持する。ここで、振動膜２２は固定電極１との絶縁性を確保する必要があるため、膜中央部に導電層２２１を成す金属蒸着層を有し、その両面を絶縁抵抗性に優れた高分子膜である絶縁層２２０で被覆したサンドイッチ構造を成す。振動膜２２は、対向する固定電極１の対向電極形成体１５によってのみ挟持され、対向電極部１２が存在する領域では、振動膜２２との間に所望の隙間が構成される。
このように、本発明に係る超音波トランスデューサ（静電型超音波トランスデューサ）は、図６に示すように、貫通孔１１を有する固定電極（第１の固定電極）１と、貫通孔１１を有する他の固定電極（第２の固定電極）１と、第１の固定電極１の貫通孔１１と第２の固定電極１の貫通孔１１とが対をなすように配置されかつ第１の固定電極１と第２の固定電極１とからなる一対の固定電極に挟まれるとともに導電層２２１を有し、該導電層２２１に直流バイアス電圧が印加される振動膜２２と、を含み、第１の固定電極１と、第２の固定電極１とは、貫通孔１１の内部に、振動膜２２に対して対向する対向電極部１２を有し、一対の固定電極間１，１には超音波周波数帯のキャリア波を可聴周波数帯の信号波で変調した変調波が印加されるようになっている。
このような構成により、貫通孔内に、振動膜の振動領域（貫通孔に対面する振動膜の部分）に対向して対向電極部を配する。
これにより、振動膜の振動領域の膜振幅量を増大させることができる。また、貫通孔内に対向電極部を形成することにより、貫通孔の径を大きくすることができるので、開口率を増大させることができ、出力音圧を向上させることができる。
【００５３】
図７は、本発明による超音波トランスデューサの固定電極の製造工程を説明するための図である。以下、図７を参照して、固定電極の製造工程について説明する。
【００５４】
最初に、図７（Ａ）に示すように、エッチング及び接合処理により形成された、固定電極母材となる導電体１０を用意する。
【００５５】
次に、図７（Ｂ）に示すように、導電体１０に、対向電極形成体を形成するためのスクリーン版となるマスク部材１６および液状の対向電極形成材１５ａをセットし、スキージ１７を移動させて対向電極形成材１５ａをマスクのかかっていない部分に塗り込む。
【００５６】
ここで、有効と考えられる対向電極形成材１５ａは、永久的に対向電極形成体１５として構成でき、かつ非導電性のもので、例えば回路基板で一般的に使用されるパッケージ用の液状ソルダーレジストやサンドブラスト用レジストとして使用されるマスキングインクなどである。
【００５７】
特にフレキシブルプリント基板用のソルダーレジストは比較的柔らかい（鉛筆の硬さでＨＢ〜３Ｈ程度）ため、金属をはじめ、様々な導電体（導電性樹脂など）との密着強度にも優れ、高分子膜から成る振動電極膜の挟持性に非常に有効である。
【００５８】
そして、図７（Ｃ）に示すように、対向電極形成材１５ａの塗布完了後に対向電極形成用のスクリーン版であるマスク部材１６を外すと、対向電極部１２を除く他の部分に非導電性の層（＝対向電極形成体１５）が残り、これを乾燥させて所望の固定電極が出来上がる。
【００５９】
次に、本発明の対向電極部の仕様の例、および該仕様における特長、効果について説明する。理論上、膜振動をピストン振動と仮定して音圧特性を評価した場合、膜振幅量が２倍に増加すると仕事量が２倍に増えたこととなり、結果として音圧が約６ｄＢ増加する。
【００６０】
本発明の対向電極部の全てにおいて、膜振動の最大変位は、従来の構成（図１６を参照）に比べ増加するが、対向電極部自体が音波放射を遮ってしまうため、最大変位では評価できない。そこで、各対向電極部仕様について、膜振動による仕事量を排除空気量（＝排除体積）で評価（計算）する。
【００６１】
図８は、対向電極部の仕様と評価条件の例を示す図であり、各対向電極部の仕様を図８（Ａ）に、評価に使用した条件を図８（Ｂ）に示す。なお、静電力は対向電極部に対向する振動膜の領域のみに作用するものとする。
【００６２】
図８（Ａ）に示す仕様において、従来仕様は、図１６（Ｂ）に示す形状の固定電極のものであり、対向電極部２６の径Ｄ２が「ｆ＝１．５ｍｍ」であり、開口部（貫通孔２４）の径Ｄ１が「ｆ＝０．７５ｍｍ」のものである。また、従来仕様においては、開口部の中央には対向電極部が存在しない。
【００６３】
本発明の形態（１）は、図３（Ａ）に示す形状の固定電極１のものであり、開口部（貫通孔１１）の部分に、十字型のブリッジ構造を成す対向電極部１２を配したものである。
この形態（１）では、対向電極径（貫通孔１１を横断するブリッジの長さ）が開口部外形の径と同じ「ｆ＝１．５ｍｍ」となる。
【００６４】
本発明の形態（２）は、図３（Ｂ）に示す形状の固定電極２のものであり、開口部（貫通孔１１）の部分に、十字型のブリッジ構造を成すと共に、中央部に径「ｆ＝０．５ｍｍ」の中央対向電極部１３ａを有する対向電極部１３を配したものである。この形態（２）では、対向電極径（貫通孔１１を横断するブリッジの長さ）が開口部外形の径と同じ「ｆ＝１．５ｍｍ」となる。
【００６５】
本発明の形態（３）は、図４に示す形状の固定電極３のものであり、開口部（貫通孔１１）の部分に、Ｙ字型のブリッジ構造を成す対向電極部１４を配したものである。この形態（３）では、対向電極径（貫通孔１１を横断するブリッジの長さ）が開口部外形の径と同じ「ｆ＝１．５ｍｍ」となる。
【００６６】
また、図８（Ｂ）に示すように、評価条件として、振動膜厚み、振動膜の物性（ヤング率、ポアソン比、密度）、振動膜に印加する静電力を定める。
【００６７】
図９は、対向電極部の各評価位置での膜変位量比率の変化を示す図である。図９（Ａ）において、横軸の距離０ｍｍは対向電極部の中心部（＝振動膜中央）であり、距離０．７５ｍｍが対向電極部の外周エッジに相当する。また、膜変位量比率は従来仕様（図１６を参照）での値を基準（＝1）として、それに対する比率で示している。
【００６８】
また、図９（Ｂ）に評価結果を示す。振動膜変位量については、振動膜中央部と電極開口部それぞれの最大値を示す。ここで、電極開口部の膜変位量は、対向電極部が音波放射の障害とならない部分で、より膜中央部に近い領域での値を指す。なお、振動膜変位量及び排除体積は、図９（Ａ）と同様、従来仕様での値を基準（＝１）として、それに対する比率で示している。
【００６９】
従来仕様は、振動膜中央部が開口部中央部に相当するので、振動膜の絶対変位量は同じである。一方、本発明の形態（１）、形態（２）、形態（３）では、いずれも振動膜中央部に対向電極部が存在するので、図９（Ａ）からもわかるように、膜振動の最大振幅量は従来仕様（図１６を参照）に比べ大きくなり、中央部の対向電極面積が大きい本発明の形態（２）（図３（Ｂ）を参照）の振幅量が増大するのは当然である。しかしながら、対向電極部は音波放射の障害となる事から、電極開口部での振幅量を比較するのが妥当と考えられる。
【００７０】
図９（Ａ）のグラフから、対向電極部が障害とならない領域の最大変位量を求めた値が図９（Ｂ）に示した電極開口部の値であるが、電極開口部の絶対変位量は振動膜中央部に比べ低くなっても、従来仕様に比べれば、十字ブリッジ構造の場合では１０〜２０％ほど大きい。なお、Ｙ字ブリッジ構造は従来仕様と同等となる。
【００７１】
図９（Ａ）に示した電極開口部の各評価位置での膜変位量をから求めた、電極開口部からの放出される排除体積を比較すると、本発明の形態（１）、形態（２）、形態（３）では、いずれも従来仕様に対し増大する。とりわけ、十字ブリッジ構造のうち、本発明の形態（１）（図３（Ａ）を参照）は２倍以上に増大し、結果約６ｄＢ以上、音圧を増大させる事ができる。この音圧増大の要因は、電極開口部の絶対変位量が従来仕様に対し、約２０％大きい事と、開口率が従来仕様の２５％に対して約６８％（約２．７倍）に増大した事により、より有効に音波を放出する事を可能とした事である。
【００７２】
なお、開口率は、「開口率＝（貫通孔面積）／（対向電極部面積＋貫通孔面積）」、で定義され、例えば、図１６（Ｂ）に示す、従来の固定電極２０における開口率は、対向電極部２６の外郭線Ｃの内側全体の面積に対する、図中の白抜きで示した貫通孔２４の面積の比率に相当する、図１６（Ｂ）に示す例では２５％である。本発明のブリッジ構造においては、例えば、図３（Ａ）において、図中の各小穴において、図中白抜きで示した貫通孔１１（４つの領域に分割されている）の外郭線Ｃの内側全体の面積に対する、貫通孔１１のみの面積の比率に相当する。
【００７３】
また、Ｙ字ブリッジ構造の本発明の形態（３）（図４を参照）では、従来仕様の２．９倍にも増大し、約９ｄＢ音圧を増大させる事ができる。ここで、膜変位が従来仕様と殆ど差が無いにも関わらず音圧が増大する最大の要因は開口率（約７８％）であり、従来仕様の約３倍、十字ブリッジ構造に対しても約１０％の増加が見られ、音波がより効率的に放出されるためである。
【００７４】
以上の結果より、対向電極部をブリッジ構造として、振動膜中央部に必要最小限の対向電極部を配置すれば、有効な膜変位量を増大させ、かつ振幅音波放射の損失を最小限に抑えることができる。その結果、膜振動によって放出される空気の排除体積を２倍以上に増大させる事が可能となり、音圧を６ｄＢ以上向上させる事ができる。
【００７５】
また、図１０は、本発明の静電型超音波トランスデューサを使用した超音波スピーカの構成例を示す図である。超音波スピーカは、キャリア波と呼ばれる超音波にオーディオ信号（可聴周波数信号）でＡＭ変調をかけ、これを空中に放出すると空気の非線形により、空中で元のオーディオ信号が自己再生される、というものである。つまり音波は空気を媒体として伝挿する粗密波であるので、変調された超音波が伝播する過程で、空気の密な部分と疎な部分とが顕著に表れ、密な部分は音速が速く、疎な部分は音速が遅くなるので変調波自身に歪が生じ、その結果キャリア波（超音波）と可聴波（元オーディオ信号）に波形分離され、我々人間は２０ｋＨｚ以下の可聴音（元オーディオ信号）のみを聴くことができるという原理であり、一般にはパラメトリックアレイ効果と呼ばれている。
【００７６】
図１０に示す超音波スピーカ３０は、可聴波周波数帯の信号波を生成する可聴周波数信号源（オーディオ信号源）３１と、超音波周波数帯のキャリア波を生成し、出力するキャリア波信号源３２と、変調器３３と、パワーアンプ３４と、本発明による静電型超音波トランスデューサ３５とを有している。
ここで、本明細書では「可聴周波数帯」とは２０ｋHｚ未満の周波数帯をいい、「超音波周波数帯」とは２０ｋHｚ以上の周波数帯をいうものとする。
【００７７】
上記構成において、可聴周波数信号源３１より出力されるオーディオ信号波により、キャリア波信号源３２から出力される超音波周波数帯のキャリア波を変調器３３により変調し、パワーアンプ３４で増幅した変調信号により静電型超音波トランスデューサ３５を駆動する。この結果、上記変調信号が静電型超音波トランスデューサ３５により有限振幅レベルの音波に変換され、この音波は媒質中（空気中）に放射されて媒質（空気）の非線形効果によって元の可聴周波数帯の信号音が自己再生される。
【００７８】
この超音波スピーカ３０には、本発明の静電型超音波トランスデューサ３５が使用されており、従来の超音波スピーカよりも高音圧の超音波を放射することができる。
【００７９】
以上説明したように、本発明の静電型超音波トランスデューサにおいては、対向電極部をブリッジ構造とし、対向電極部を振動膜の振動領域の中央部に配する。また、ブリッジ構造を十字構造またはＹ字構造とする。これにより、対向電極部を振動領域の中心部に配して膜振幅量を増大させ、かつ対向電極部が音波放射の障害とならないような構成として開口率を増大させることで、音圧向上が可能となる。
【００８０】
［本発明による超指向性音響システムの構成例の説明］
次に、本発明の静電型超音波トランスデューサ、すなわち、貫通孔を有する第１の固定電極と、貫通孔を有する第２の固定電極と、前記第１の固定電極の前記貫通孔と前記第２の固定電極の前記貫通孔とが対をなすように配置されかつ前記第１の固定電極と前記第２の固定電極とからなる一対の固定電極に挟まれるとともに導電層を有し、該導電層に直流バイアス電圧が印加される振動膜と、を含み、前記第１の固定電極と、前記第２の固定電極とは、前記貫通孔の内部に、振動膜に対して対向する対向電極部を有し、前記一対の固定電極間には超音波周波数帯のキャリア波を可聴周波数帯の信号波で変調した変調波が印加されるＰｕｓｈ−Ｐｕｌｌ型の静電型超音波トランスデューサを用いて構成される超音波スピーカを使用した超指向性音響システムについて説明する。
【００８１】
以下、本発明に係る超指向性音響システムの一例としてプロジェクタを例に採り説明する。なお、本発明に係る超指向性音響システムは、プロジェクタに限らず、音声と映像の再生を行う表示装置に広く適用できるものである。
図１１は本発明に係るプロジェクタの使用状態を示している。同図に示すように、プロジェクタ３０１は視聴者３０３の後方に設置され、視聴者３０３の前方に設置されたスクリーン３０２に映像を投影するとともに、プロジェクタ３０１に搭載されている超音波スピーカによりスクリーン３０２の投影面に仮想音源を形成し、音声を再生するようになっている。
【００８２】
プロジェクタ３０１の外観構成を図１２に示す。プロジェクタ３０１は、映像をスクリーン等の投影面に投影する投影光学系を含むプロジェクタ本体３２０と、超音波周波数帯の音波を発振できる超音波トランスデューサ３２４Ａ，３２４Ｂを含んで構成され、音響ソースから供給される音声信号から可聴周波数帯の信号音を再生する超音波スピーカとが一体的に構成されている。本実施形態では、ステレオ音声信号を再生するために、投影光学系を構成するプロジェクタレンズ３３１を挟んで左右に超音波スピーカを構成する超音波トランスデューサ３２４Ａ，３２４Ｂがプロジェクタ本体に搭載されている。
さらに、プロジェクタ本体３２０の底面には低音再生用スピーカ３２３が設けられている。また、３２５は、プロジェクタ本体３２０の高さ調整を行うための高さ調節ねじ、３２６は、空冷フアン用の排気口である。
【００８３】
また、プロジェクタ３０１では、超音波スピーカを構成する超音波トランスデューサとして本発明によるＰｕｓｈ−Ｐｕｌｌ型の静電型超音波トランスデューサを使用しており、広周波数帯域の音響信号（超音波周波数帯の音波）を高音圧で発振することができる。このため、キャリア波の周波数を変更することにより可聴周波数帯の再生信号の空間的な再生範囲を制御することにより、ステレオサラウンドシステムや５．１ｃｈサラウンドシステム等で得られるような音響効果を従来必要であった大掛かりな音響システムを必要とすることなく実現でき、かつ持ち運びが容易なプロジェクタを実現することができる。
【００８４】
次に、プロジェクタ３０１の電気的構成を図１３に示す。プロジェクタ３０１は、操作入力部３１０と、再生範囲設定部３１２、再生範囲制御処理部３１３、音声／映像信号再生部３１４、キャリア波発振源３１６、変調器３１８Ａ，３１８Ｂ、パワーアンプ３２２Ａ，３２２Ｂ及び静電型超音波トランスデューサ３２４Ａ，３２４Ｂからなる超音波スピーカと、ハイパスフィルタ３１７Ａ，３１７Ｂと、ローパスフィルタ３１９と、加算器３２１と、パワーアンプ３２２Ｃと、低音再生用スピーカ３２３と、プロジェクタ本体３２０とを有している。なお、静電型超音波トランスデューサ３２４Ａ，３２４Ｂは本発明によるＰｕｓｈ−Ｐｕｌｌ型の静電型超音波トランスデューサである。
【００８５】
プロジェクタ本体３２０は、映像を生成する映像生成部３３２と、生成された映像を投影面に投影する投影光学系３３３とを有している。プロジェクタ３０１は、超音波スピーカ及び低音再生用スピーカ３２３と、プロジェクタ本体３２０とが一体化されて構成されている。
【００８６】
操作入力部３１０は、テンキー、数字キー、電源のオン、オフをおこなうための電源キーを含む各種機能キーを有している。再生範囲設定部３１２は、ユーザが操作入力部３１０をキー操作することにより再生信号（信号音）の再生範囲を指定するデータを入力できるようになっており、該データが入力されると、再生信号の再生範囲を規定するキャリア波の周波数が設定され、保持されるようになっている。再生信号の再生範囲の設定は、超音波トランスデューサ３２４Ａ，３２４Ｂの音波放射面から放射軸方向に再生信号が到達する距離を指定することにより行われる。
【００８７】
また、再生範囲設定部３１２は、音声／映像信号再生部３１４より映像内容に応じて出力される制御信号によりキャリア波の周波数が設定できるようになっている。
また、再生範囲制御処理部３１３は、再生範囲設定部３１２の設定内容を参照し、設定された再生範囲となるようキャリア波発振源３１６により生成されるキャリア波の周波数を変更するようにキャリア波発振源３１６を制御する機能を有する。
例えば、再生範囲設定部３１２の内部情報として、キャリア波周波数が５０ｋＨｚに対応する上記距離が設定されている場合、キャリア波発振源３１６に対して５０ｋＨｚで発振するように制御する。
【００８８】
再生範囲制御処理部３１３は、再生範囲を規定する超音波トランスデューサ３２４Ａ，３２４Ｂの音波放射面から放射軸方向に再生信号が到達する距離とキャリア波の周波数との関係を示すテーブルが予め記憶されている記憶部を有している。このテーブルのデータは、キャリア波の周波数と上記再生信号の到達距離との関係を実際に計測することにより得られる。
再生範囲制御処理部３１３は、再生範囲設定部３１２の設定内容に基づいて、上記テーブルを参照して設定された距離情報に対応するキャリア波の周波数を求め、該周波数となるようにキャリア波発振源３１６を制御する。
【００８９】
音声／映像信号再生部３１４は、例えば、映像媒体としてＤＶＤを用いるＤＶＤプレーヤーであり、再生した音声信号のうちＲチャンネルの音声信号は、ハイパスフィルタ３１７Ａを介して変調器３１８Ａに、Ｌチャンネルの音声信号はハイパスフィルタ３１７Ｂを介して変調器３１８Ｂに、映像信号はプロジェクタ本体３２０の映像生成部３３２にそれぞれ、出力されるようになっている。
また、音声／映像信号再生部３１４より出力されるＲチャンネルの音声信号とＬチャンネルの音声信号は、加算器３２１により合成され、ローパスフィルタ３１９を介してパワーアンプ３２２Ｃに入力されるようになっている。音声／映像信号再生部３１４は、音響ソースに相当する。
【００９０】
ハイパスフィルタ３１７Ａ，３１７Ｂは、それぞれ、Ｒチャンネル、Ｌチャンネルの音声信号における中高音域の周波数成分のみを通過させる特性を有しており、またローパスフィルタは、Ｒチャンネル、Ｌチャンネルの音声信号における低音域の周波数成分のみを通過させる特性を有している。
したがって、上記Ｒチャンネル、Ｌチャンネルの音声信号のうち中高音域の音声信号は、それぞれ超音波トランスデューサ３２４Ａ、３２４Ｂにより再生され、上記Ｒチャンネル、Ｌチャンネルの音声信号のうち低音域の音声信号は低音再生用スピーカ３２３により再生されることとなる。
【００９１】
なお、音声／映像信号再生部３１４はＤＶＤプレーヤーに限らず、外部から入力されるビデオ信号を再生する再生装置であってもよい。また、音声／映像信号再生部３１４は、再生される映像のシーンに応じた音響効果を出すために再生音の再生範囲を動的に変更するように、再生範囲設定部３１２に再生範囲を指示する制御信号を出力する機能を有している。
【００９２】
キャリア波発振源３１６は、再生範囲設定部３１２より指示された超音波周波数帯の周波数のキャリア波を生成し、変調器３１８Ａ，３１８Ｂに出力する機能を有している。
変調器３１８Ａ，３１８Ｂは、キャリア波発振源３１６から供給されるキャリア波を音声／映像信号再生部３１４から出力される可聴周波数帯の音声信号でＡＭ変調し、該変調信号を、それぞれパワーアンプ３２２Ａ，３２２Ｂに出力する機能を有する。
【００９３】
超音波トランスデューサ３２４Ａ，３２４Ｂは、それぞれ、変調器３１８Ａ，３１８Ｂからパワーアンプ３２２Ａ，３２２Ｂを介して出力される変調信号により駆動され、該変調信号を有限振幅レベルの音波に変換して媒質中に放射し、可聴周波数帯の信号音（再生信号）を再生する機能を有する。
【００９４】
映像生成部３３２は、液晶ディスプレイ、プラズマディスプレイパネル（ＰＤＰ）等のディスプレイと、該ディスプレイを音声／映像信号再生部３１４から出力される映像信号に基づいて駆動する駆動回路等を有しており、音声／映像信号再生部３１４から出力される映像信号から得られる映像を生成する。
投影光学系３３３は、ディスプレイに表示された映像をプロジェクタ本体３２０の前方に設置されたスクリーン等の投影面に投影する機能を有している。
【００９５】
次に、上記構成からなるプロジェクタ３０１の動作について説明する。まず、ユーザのキー操作により操作入力部３１０から再生信号の再生範囲を指示するデータ（距離情報）が再生範囲設定部３１２に設定され、音声／映像信号再生部３１４に再生指示がなされる。
【００９６】
この結果、再生範囲設定部３１２には、再生範囲を規定する距離情報が設定され、再生範囲制御処理部３１３は、再生範囲設定部３１２に設定された距離情報を取り込み、内蔵する記憶部に記憶されているテーブルを参照し、上記設定された距離情報に対応するキャリア波の周波数を求め、該周波数のキャリア波を生成するようにキャリア波発振源３１６を制御する。
この結果、キャリア波発振源３１６は、再生範囲設定部３１２に設定された距離情報に対応する周波数のキャリア波を生成し、変調器３１８Ａ，３１８Ｂに出力する。
【００９７】
一方、音声／映像信号再生部３１４は、再生した音声信号のうちＲチャンネルの音声信号を、ハイパスフィルタ３１７Ａを介して変調器３１８Ａに、Ｌチャンネルの音声信号をハイパスフィルタ３１７Ｂを介して変調器３１８Ｂに、Ｒチャンネルの音声信号及びＬチャンネルの音声信号を加算器３２１に出力し、映像信号をプロジェクタ本体３２０の映像生成部３３２にそれぞれ、出力する。
【００９８】
したがって、ハイパスフィルタ３１７Ａにより上記Ｒチャンネルの音声信号のうち中高音域の音声信号が変調器３１８に入力され、ハイパスフィルタ３１７Ｂにより上記Ｌチャンネルの音声信号のうち中高音域の音声信号が変調器３１８Ｂに入力される。
また、上記Ｒチャンネルの音声信号及びＬチャンネルの音声信号は加算器３２１により合成され、ローパスフィルタ３１９により上記Ｒチャンネルの音声信号及びＬチャンネルの音声信号のうち低音域の音声信号がパワーアンプ３２２Ｃに入力される。
【００９９】
映像生成部３３２では、入力された映像信号に基づいてディスプレイを駆動して映像を生成し、表示する。このディスプレイに表示された映像は、投影光学系３３３により、投影面、例えば、図１１に示すスクリーン３０２に投影される。
他方、変調器３１８Ａは、キャリア波発振源３１６から出力されるキャリア波をハイパスフィルタ３１７Ａから出力される上記Ｒチャンネルの音声信号における中高音域の音声信号でＡＭ変調し、パワーアンプ３２２Ａに出力する。
また、変調器３１８Ｂは、キャリア波発振源３１６から出力されるキャリア波をハイパスフィルタ３１７Ｂから出力される上記Ｌチャンネルの音声信号における中高音域の音声信号でＡＭ変調し、パワーアンプ３２２Ｂに出力する。
【０１００】
パワーアンプ３２２Ａ，３２２Ｂにより増幅された変調信号は、それぞれ、超音波トランスデューサ３２４Ａ，３２４Ｂの上電極１０Ａと下電極１０Ｂ（図１参照）との間に印加され、該変調信号は、有限振幅レベルの音波（音響信号）に変換され、媒質（空気中）に放射され、超音波トランスデューサ３２４Ａからは、上記Ｒチャンネルの音声信号における中高音域の音声信号が再生され、超音波トランスデューサ３２４Ｂからは、上記Ｌチャンネルの音声信号における中高音域の音声信号が再生される。
また、パワーアンプ３２２Ｃで増幅された上記Ｒチャンネル及びＬチャンネルにおける低音域の音声信号は低音再生用スピーカ３２３により再生される。
【０１０１】
前述したように、超音波トランスデューサにより媒質中（空気中）に放射された超音波の伝播においては、その伝播に伴い音圧の高い部分では音速が高くなり、音圧の低い部分では音速は遅くなる。この結果、波形の歪みが発生する。
【０１０２】
放射する超音波帯域の信号（キャリア波）を可聴周波数帯の信号で変調（ＡＭ変調）しておいた場合には、上記波形歪みの結果により、変調時に用いた可聴周波数帯の信号波が超音波周波数帯のキャリア波と分離して自己復調する形で形成される。その際、再生信号の広がりは超音波の特性からビーム状となり、通常のスピーカとは全く異なる特定方向のみに音が再生される。
【０１０３】
超音波スピーカを構成する超音波トランスデューサ３２４から出力されるビーム状の再生信号は、投影光学系３３３により映像が投影される投影面（スクリーン）に向けて放射され、投影面で反射され拡散する。この場合に、再生範囲設定部３１２に設定されるキャリア波の周波数に応じて、超音波トランスデューサ３２４の音波放射面からその放射軸方向（法線方向）においてキャリア波から再生信号が分離されるまでの距離、キャリア波のビーム幅（ビームの拡がり角）が異なるために、再生範囲は、変化する。
【０１０４】
プロジェクタ３０１における超音波トランスデューサ３２４Ａ，３２４Ｂを含んで構成される超音波スピーカによる再生信号の再生時の状態を図１４に示す。プロジェクタ３０１において、キャリア波が音声信号により変調された変調信号により超音波トランスデューサが駆動される際に、再生範囲設定部３１２により設定されたキャリア周波数が低い場合は、超音波トランスデューサ３２４の音波放射面からその放射軸方向（音波放射面の法線方向においてキャリア波から再生信号が分離されるまでの距離、すなわち、再生地点までの距離が長くなる。
【０１０５】
したがって、再生された可聴周波数帯の再生信号のビームは、比較的拡がらずに投影面（スクリーン）３０２に到達することとなり、この状態で投影面３０２において反射するので、再生範囲は、図１４において点線の矢印で示す可聴範囲Ａとなり、投影面３０２から比較的に遠くかつ狭い範囲でのみ再生信号（再生音）が聞こえる状態となる。
【０１０６】
これに対して、再生範囲設定部３１２により設定されたキャリア周波数が上述した場合より高い場合は、超音波トランスデューサ３２４の音波放射面から放射される音波は、キャリア周波数が低い場合より絞られているが、超音波トランスデューサ３２４の音波放射面からその放射軸方向（音波放射面の法線方向）においてキャリア波から再生信号が分離されるまでの距離、すなわち、再生地点までの距離が短くなる。
【０１０７】
したがって、再生された可聴周波数帯の再生信号のビームは、投影面３０２に到達する前に拡がって投影面３０２に到達することとなり、この状態で投影面３０２において反射するので、再生範囲は、図７において実線の矢印で示す可聴範囲Ｂとなり、投影面３０２から比較的に近くかつ広い範囲でのみ再生信号（再生音）が聞こえる状態となる。
【０１０８】
以上説明したように、本発明のプロジェクタでは、本発明によるＰｕｓｈ−Ｐｕｌｌ型、またはＰｕｌｌ型の静電型超音波トランスデューサを用いた超音波スピーカを使用しており、音響信号を十分な音圧と広帯域特性を持って、スクリーン等の音波反射面近傍に形成される仮想音源から発せられるように再生できる。
このため、その再生範囲の制御も容易に行えるようになる。また、静電型超音波トランスデューサを振動膜の振動領域を複数のブロックに分割し、上記振動膜の電極層と振動用電極パターンの各ブロック間との間に印加する交流信号の位相を、隣接するブロック間でそれぞれ所定の位相差をもたせるように駆動制御することにより、超音波スピーカから放射される音の指向性制御を行うことが可能である。
【０１０９】
また、本発明のプロジェクタでは、前記一対の固定電極が、前記振動膜の振動領域の中央部もしくはその近傍に対して、対向する対向電極部を有するように構成したＰｕｓｈ−Ｐｕｌｌ型静電型超音波トランスデューサを用いているので、すなわち、前記貫通孔内に、振動膜の振動領域（貫通孔に対面する振動膜の部分）に対向して対向電極部を配するようにしたので、振動膜の振動領域の膜振幅量を増大させることができる。また、貫通孔内に対向電極部を形成することにより、貫通孔の径を大きくすることができるので、開口率を増大させることができ、出力音圧を向上させることができる。したがって、広周波数帯域に亘って強力な超音波を発生でき、再生音の音質の向上が図れる。
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明の静電型超音波トランスデューサ、および超音波スピーカは、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。
【０１１０】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明の静電型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】
【０１１１】
【図１】本発明による十字型のブリッジ構造の対向電極部の例を示す図。
【図２】本発明によるＹ字型のブリッジ構造の対向電極部の例を示す図。
【図３】十字型のブリッジ構造の対向電極部を有する固定電極の例を示す図。
【図４】Ｙ字型のブリッジ構造の対向電極部を有する固定電極の例を示す図。
【図５】図３（Ａ）に示した固定電極１の断面構造を示す図。
【図６】本発明の超音波トランスデューサの組立状態を示す図。
【図７】本発明の超音波トランスデューサの固定電極の製造工程の説明図。
【図８】対向電極部の仕様と評価条件の例を示す図。
【図９】対向電極部の各評価位置での膜変位量比率の変化を示す図。
【図１０】本発明の超音波トランスデューサを用いた超音波スピーカを示す図。
【図１１】本発明の実施形態に係るプロジェクタの使用状態を示す図。
【図１２】図１１に示したプロジェクタの外観構成を示す図。
【図１３】図１１に示したプロジェクタの電気的構成を示す図。
【図１４】超音波トランスデューサによる再生信号の再生状態を示す説明図。
【図１５】従来の超音波トランスデューサの構成例を示す図。
【図１６】プッシュプル型の静電型超音波トランスデューサの例を示す図。
【図１７】固定電極上の貫通孔の配置の態様を示す図。
【図１８】固定電極の構成及びその製造工程を説明するための図。
【符号の説明】
【０１１２】
１、２、３…固定電極、１Ａ、２Ａ、３Ａ…固定電極母材、１０…導電体、１１…貫通孔、１２、１３、１４…対向電極部、１３ａ…中央対向電極部、１５…対向電極形成体、１５ａ…対向電極形成材、１６…マスク部材、１７…スキージ、２０、２１…固定電極、２２…振動膜、２４…貫通孔、２５…支持部材、２６…対向電極部、２７…直流バイアス電源、３０…超音波スピーカ、３１…可聴周波数信号源、３２…キャリア波信号源、３３…変調器、３４…パワーアンプ、３５…静電型超音波トランスデューサ
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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