(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
貫通穴を有する第１の電極と、
貫通穴を有し、該貫通穴と前記第１の電極の前記貫通穴とが対をなすように配置される第２の電極と、
前記第１の電極と前記第２の電極と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の電極と前記第２の電極との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、
前記第１の電極と前記第２の電極のうち少なくとも一方の貫通穴を共鳴管として作用させるとともに、
前記振動膜の機械的振動共振周波数と前記貫通穴の音響共鳴周波数とをずらすようにすることを特徴とする静電型超音波トランスデューサの駆動制御方法。
【請求項２】
貫通穴を有する第１の電極と、
貫通穴を有し、該貫通穴と前記第１の電極の前記貫通穴とが対をなすように配置される第２の電極と、
前記第１の電極と前記第２の電極と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の電極と前記第２の電極との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、
前記振動膜の機械的振動共振点となる共振周波数から所定の周波数だけずらした周波数のキャリア波の波長をλとしたとき、
前記第１の電極と前記第２の電極のうち少なくとも一方の厚さｔを（λ／４）・ｎもしくは略（λ／４）・ｎ（但し、λはキャリア波（超音波）の波長、ｎは正の奇数）と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】
貫通穴を有する第１の電極と、
貫通穴を有し、該貫通穴と前記第１の電極の前記貫通穴とが対をなすように配置される第２の電極と、
前記第１の電極と前記第２の電極と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の電極と前記第２の電極との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、
前記振動膜の機械的振動共振点となる共振周波数から所定の周波数だけずらした周波数のキャリア波の波長をλとしたとき、
前記第１の電極と前記第２の電極のうち少なくとも一方の厚さｔを、
（λ／４）・ｎ−λ／８≦ｔ≦（λ／４）・ｎ＋λ／８（但し、λは超音波の波長、ｎは正の奇数）と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４】
貫通穴を有する第１の電極と、
貫通穴を有し、該貫通穴と前記第１の電極の前記貫通穴とが対をなすように配置される第２の電極と、
前記第１の電極と前記第２の電極と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の電極と前記第２の電極との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、
前記振動膜の機械的振動共振点となる共振周波数から所定の周波数だけずらした周波数のキャリア波の波長をλとしたとき、
前記第１の電極の厚さｔ１を
（λ／４）・ｎもしくは略（λ／４）・ｎ（但し、λは超音波の波長、ｎは正の奇数）とし、
前記第２の電極の厚さｔ２を（λ／４）・ｍもしくは略（λ／４）・ｍ（但し、λは超音波の波長、ｍは正の偶数）と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５】
貫通穴を有する第１の電極と、
貫通穴を有し、該貫通穴と前記第１の電極の前記貫通穴とが対をなすように配置される第２の電極と、
前記第１の電極と前記第２の電極と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の電極と前記第２の電極との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、
前記振動膜の機械的振動共振点となる共振周波数から所定の周波数だけずらした周波数のキャリア波の波長をλとしたとき、
前記第１の電極の厚さｔ１を、
（λ／４）・ｎ−λ／８≦ｔ１≦（λ／４）・ｎ＋λ／８（但し、λは超音波の波長、ｎは正の奇数）とし、
前記第２の電極の厚さｔ２を、
（λ／４）・ｍ−λ／８≦ｔ２≦（λ／４）・ｍ＋λ／８（但し、λは超音波の波長、ｍは正の偶数であり、m＝０のとき、ｔ２は右辺の値のみとり得る。）と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６】
第２の電極の超音波放射面に対向する位置に設置され、前記第２の電極の超音波放射面の各開口部から放射された超音波を全て同じ長さの経路で前記第１の電極の超音波放射面側に放射する音響反射板を有する、
ことを特徴とする請求項２記載の静電型超音波トランスデューサ。
【請求項７】
前記音響反射板は、超音波トランスデューサの前記第２の電極の超音波放射面の中心位置に一端が位置し、該中心位置を基準として超音波トランスデューサの前記第２の電極の超音波放射面の両側に対して４５°の角度で配置され他端が超音波トランスデューサの端部と一致する長さの一対の第１の反射板と、一対の第１の反射板の前記端部と直角の角度をなして各々前記第１の反射板の外側方向に接続され前記第１の反射板長と同等の長さを有する一対の第２の反射板とを有してい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。
【請求項８】
貫通穴を有する第１の電極と、
貫通穴を有し、該貫通穴と前記第１の電極の前記貫通穴とが対をなすように配置される第２の電極と、
前記第１の電極と前記第２の電極と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、
前記振動膜の機械的振動共振点となる共振周波数から所定の周波数だけずらした周波数のキャリア波の波長をλとしたとき、
前記第１の電極と前記第２の電極のうち少なくとも一方の厚さｔを（λ／４）・ｎもしくは略（λ／４）・ｎ（但し、λは超音波の波長、ｎは正の奇数）とし、
前記第１の電極と前記第２の電極との間には超音波周波数帯の前記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、前記第１の電極と前記振動膜の電極層との間ならびに前記第２の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】
貫通穴を有する第１の電極と、
貫通穴を有し、該貫通穴と前記第１の電極の前記貫通穴とが対をなすように配置される第２の電極と、
前記第１の電極と前記第２の電極と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、
前記振動膜の機械的振動共振点となる共振周波数から所定の周波数だけずらした周波数のキャリア波の波長をλとしたとき、
前記第１の電極と前記第２の電極のうち少なくとも一方の厚さｔを（λ／４）・ｎもしくは略（λ／４）・ｎ（但し、λは超音波の波長、ｎは正の奇数）とし、
前記第１の電極と前記第２の電極との間には超音波周波数帯の前記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、
前記第１の電極と前記振動膜の電極層との間ならびに前記第２の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】
貫通穴を有する第１の電極と、
貫通穴を有し、該貫通穴と前記第１の電極の前記貫通穴とが対をなすように配置される第２の電極と、
前記第１の電極と前記第２の電極と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、
前記振動膜の機械的振動共振点となる共振周波数から所定の周波数だけずらした周波数のキャリア波の波長をλとしたとき、
前記第１の電極と前記第２の電極のうち少なくとも一方の厚さｔを（λ／４）・ｎもしくは略（λ／４）・ｎ（但し、λは超音波の波長、ｎは正の奇数）とし、
前記第１の電極と前記第２の電極との間には超音波周波数帯の前記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中高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低音域の音声信号を再生する低音再生用スピーカと、
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】
貫通穴を有する第１の電極と、
貫通穴を有し、該貫通穴と前記第１の電極の前記貫通穴とが対をなすように配置される第２の電極と、
前記第１の電極と前記第２の電極と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、
前記振動膜の機械的振動共振点となる共振周波数から所定の周波数だけずらした周波数のキャリア波の波長をλとしたとき、
前記第１の電極と前記第２の電極のうち少なくとも一方の厚さｔを（λ／４）・ｎもしくは略（λ／４）・ｎ（但し、λは超音波の波長、ｎは正の奇数）とし、
前記第１の電極と前記第２の電極との間には超音波周波数帯の前記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、広周波数帯域に亘って一定の高音圧を発生する静電型超音波トランスデューサの駆動制御方法、静電型超音波トランスデューサ、これを用いた超音波スピーカ、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。
【背景技術】
【０００２】
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。
ここで、従来の超音波トランスデューサの構成を図１５に示す。従来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た共振型がほとんどである。図１５に示す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。図１５に示すバイモフル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。
【０００３】
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。
共振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。
【０００４】
上述した図１５に示す共振型の超音波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。この静電型の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働くことからＰｕｌｌ型と呼ばれている。
図１６に広帯域発振型超音波トランスデューサ（Ｐｕｌｌ型）の具体的構成を示す。
【０００５】
図１６に示す静電型の超音波トランスデューサは、振動体として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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
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。
【０００８】
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、図１６に示す超音波トランスデューサの周波数特性が図１７において曲線Ｑ１に示すように広帯域となっている。
【０００９】
上記構成の超音波トランスデューサでは、上電極１３２に直流バイアス電圧が印加された状態で上電極１２と下電極１３３との間に矩形波信号（５０〜１５０Ｖp-p）が印加されるようになっている。因みに、図１７に曲線Ｑ２で示すように共振型の超音波トランスデューサの周波数特性は、中心周波数（圧電セラミックの共振周波数）が例えば、４０kHzであり、最大音圧となる中心周波数に対して±５kHzの周波数において最大音圧に対して−３０dＢである。
これに対して、上記構成の広帯域発振型の超音波トランスデューサの周波数特性は、４０kHzから１００kHz付近まで平坦で、１００kHzで最大音圧に比して±６dＢ程度である（特許文献１、２参照）。
【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】
【００１０】
上述したように、図１５に示す共振型の超音波トランスデューサと違い、図１６に示す静電方式の超音波トランスデューサは従来から広周波数帯に亘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。
しかしながら、音圧の最大値は図１７に示すように、共振型の超音波トランスデューサが１３０ｄＢ以上であるのに比べ、静電型の超音波トランスデューサでは１２０ｄＢ以下と音圧が低く、超音波スピーカとして利用するには若干音圧が不足していた。
【００１１】
ここで、超音波スピーカについて説明しておく。キャリア波と呼ばれる超音波周波数帯域の信号にオーディオ信号（可聴周波数帯の信号）でAM変調をかけ、この変調信号で超音波トランスデューサを駆動することにより、超音波を信号源のオーディオ信号で変調した状態の音波が空中に放射され、空気の非線形性により、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。
【００１２】
つまり、音波は空気を媒体として伝播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な顕著に表れ、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。
【００１３】
上記のパラメトリック効果が十分現れるためには１２０ｄＢ以上の超音波音圧が必要であるが、静電型の超音波トランスデューサではこの数値を達成することが難しく、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。
【００１４】
一般に、人間の最大可聴周波数帯域は２０Hz〜２０kHzと云われており約２０kHzの帯域を持つ。すなわち超音波スピーカにおいては、超音波領域で２０kHzの周波数帯域に亘って高い音圧を確保しないと、元のオーディオ信号を忠実に復調することは不可能となる。従来の圧電素子を用いた共振型の超音波スピーカでは到底この２０kHzという広帯域を忠実に再生（復調）することは困難であることは容易に理解できるであろう。
【００１５】
実際、従来の共振型の超音波トランスデューサを用いた超音波スピーカでは、（１）帯域が狭く再生音質が悪い、（２）ＡＭ変調度をあまり大きくすると復調音が歪むため最大でも0.5程度までしか変調度を上げられない、（３）入力電圧を上げると（ボリュームを上げると）圧電素子の振動が不安定となり、音が割れる。さらに電圧を上げると圧電素子自身が破壊され易い、（４）アレイ化や大型化、小型化が困難であり、それが故にコストが高い、といった問題が有った。
【００１６】
これに対し図１６に示した静電型の超音波トランスデューサ（Ｐｕｌｌ型）を用いた超音波スピーカは、上記従来技術の抱える課題をほぼ解決できるが、帯域を広くカバーできる反面、復調音が十分な音量であるためには絶対的な音圧が不足しているという問題を抱えていた。
また、Ｐｕｌｌ型の超音波トランスデューサは、静電力は固定電極側へのみ引き付ける方向にしか働かず振動膜（図１６における上電極１３２に相当する。）の振動の対称性が保たれないため、超音波スピーカに用いる場合、振動膜の振動が直接、可聴音を発生させるという問題が有った。
【００１７】
これに対して、我々は、広周波数帯域に亘ってパラメトリックアレイ効果を得るのに十分に高い音圧レベルの音響信号を発生することができる超音波トランスデューサを既に提案している。この超音波トランスデューサは、導電層を有する振動膜を対向する位置に貫通穴が形成された一対の固定電極により挟持し、振動膜に直流バイアス電圧が印加された状態で一対の固定電極に交流信号を印加するように構成したものである。
【００１８】
この超音波トランスデューサは、Ｐｕｓｈ−Ｐｕｌｌ型の超音波トランスデューサと呼ばれており、一対の固定電極により挟持された振動膜が交流信号の極性に応じた方向において静電吸引力と静電斥力を同時が同方向にかつ同時に受けるために、振動膜の振動をパラメトリックアレイ効果を得るのに十分に大きくすることができるだけでなく、振動の対称性が確保されるため、従来のＰｕｌｌ型超音波トランスデューサに比して高い音圧を広周波数帯域に亘って発生させることができる。
【００１９】
しかしながら、このＰｕｓｈ−Ｐｕｌｌ型の超音波トランスデューサは、音が抜ける貫通穴が比較的小面積であるためこのままでは、十分な音圧を空中に発生させることは困難であるという問題がある。
したがって、このような構造を有するＰｕｓｈ−Ｐｕｌｌ型の超音波トランスデューサにおいても十分な音圧を発生させるための技術が必要とされていた。
さらに、広帯域なレンジに亘って高い音圧を発生することができれば、超音波トランスデューサとして付加価値が増す。
【００２０】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、同一の駆動条件でより強力な超音波を発生することができる、電気−音響エネルギーの変換効率の向上を図ったＰｕｓｈ−Ｐｕｌｌ型の静電型超音波トランスデューサ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の駆動制御方法は、貫通穴を有する第１の電極と、貫通穴を有する第２の電極と、前記第１の電極の前記貫通穴と前記第２の電極の前記貫通穴とが対をなすように配置されかつ前記第１の電極と前記第２の電極とからなる一対の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、前記一対の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、前記一対の電極が有する貫通穴を共鳴管として作用させるとともに、前記振動膜の機械的振動共振周波数と前記貫通穴の音響共鳴周波数とをずらすようにすることを特徴とする。
【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の駆動方法では、第１の電極と、第２の電極の対向する位置に複数の貫通穴を有し、振動膜の導電層に直流バイアス電圧が印加された状態で、第１、第２の電極からなる一対の電極に駆動信号である交流信号が印加されるために、一対の電極に挟まれた振動膜は、交流信号の極性に応じた方向において、静電吸引力と静電斥力とを同方向に同時に受けるために、振動膜の振動を、パラメトリック効果を得るのに十分大きくすることができるだけでなく、振動の対称性が確保されるため、高い音圧を広周波数帯域に亘って発生させることができる。
【００２３】
さらに、前記一対の電極に設けられた貫通穴を共鳴管として作用させ、振動膜の機械的振動共振周波数と貫通穴の音響共鳴周波数とをずらすように静電型超音波トランスデューサが駆動制御される。したがって、広周波数帯域に亘って強い超音波を発生させることができ、電気−音響エネルギー変換効率を向上させることが可能となる。
【００２４】
また、本発明の静電型超音波トランスデューサは、貫通穴を有する第１の電極と、貫通穴を有する第２の電極と、前記第１の電極の前記貫通穴と前記第２の電極の前記貫通穴とが対をなすように配置されかつ前記第１の電極と前記第２の電極とからなる一対の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、前記一対の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、前記振動膜の機械的振動共振点となる共振周波数から所定の周波数だけずらした周波数のキャリア波の波長をλとしたとき、前記一対の固定電極の各々の厚さｔを（λ／４）・ｎもしくは略（λ／４）・ｎ（但し、λはキャリア波（超音波）の波長、ｎは正の奇数）としたことを特徴とする。
【００２５】
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、第１の電極と、第２の電極の対向する位置に複数の貫通穴を有し、振動膜の導電層に直流バイアス電圧が印加された状態で、第１、第２の電極からなる一対の電極に駆動信号である交流信号が印加されるために、一対の電極に挟まれた振動膜は、交流信号の極性に応じた方向において、静電吸引力と静電斥力とを同方向に同時に受けるために、振動膜の振動を、パラメトリック効果を得るのに十分大きくすることができるだけでなく、振動の対称性が確保されるため、高い音圧を広周波数帯域に亘って発生させることができる。
【００２６】
さらに、前記振動膜の機械的振動共振点となる共振周波数から所定の周波数だけずらした周波数のキャリア波の波長をλとしたとき、前記一対の固定電極の各々の厚さｔを（λ／４）・ｎもしくは略（λ／４）・ｎ（但し、λは超音波の波長、ｎは正の奇数）とすることにより、各電極の貫通穴部分における電極の厚み部分が共鳴管を構成すると共に、振動膜の機械的振動共振周波数と貫通穴の音響的共鳴周波数とをずらし、電極出口付近で音圧を最大とすることができ、Ｐｕｓｈ−Ｐｕｌｌ型の超音波トランスデューサにおいて、同一の駆動条件でより強力な超音波を発生することができる。すなわち、Ｐｕｓｈ−Ｐｕｌｌ型の超音波トランスデューサにおいて電気−音響エネルギーの変換効率の向上が図れる。
【００２７】
また、本発明の静電型超音波トランスデューサは、貫通穴を有する第１の電極と、貫通穴を有する第２の電極と、前記第１の電極の前記貫通穴と前記第２の電極の前記貫通穴とが対をなすように配置されかつ前記第１の電極と前記第２の電極とからなる一対の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、前記一対の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、前記振動膜の機械的振動共振点となる共振周波数から所定の周波数だけずらした周波数のキャリア波の波長をλとしたとき、前記一対の電極の各々の厚さｔを、（λ／４）・ｎ−λ／８≦ｔ≦（λ／４）・ｎ＋λ／８（但し、λは超音波の波長、ｎは正の奇数）としたことを特徴とする。
【００２８】
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、第１の電極と、第２の電極の対向する位置に複数の貫通穴を有し、振動膜の導電層に直流バイアス電圧が印加された状態で、第１、第２の電極からなる一対の電極に駆動信号である交流信号が印加されるために、一対の電極に挟まれた振動膜は、交流信号の極性に応じた方向において、静電吸引力と静電斥力とを同方向に同時に受けるために、振動膜の振動を、パラメトリック効果を得るのに十分大きくすることができるだけでなく、振動の対称性が確保されるため、高い音圧を広周波数帯域に亘って発生させることができる。
【００２９】
さらに、前記振動膜の機械的振動共振点となる共振周波数から所定の周波数だけずらした周波数のキャリア波の波長をλとしたとき、前記一対の電極の各々の厚さｔを一対の電極の各々の厚さｔを、（λ／４）・ｎ−λ／８≦ｔ≦（λ／４）・ｎ＋λ／８（但し、λは超音波（キャリア波）の波長、ｎは正の奇数）とすることにより、振動膜の機械的振動共振周波数と貫通穴の音響的共鳴周波数とをずらし、各電極の貫通穴部分における電極の厚み部分が共鳴管を構成し、電極出口付近で音圧を略、最大値近傍の値に設定することができ、Ｐｕｓｈ−Ｐｕｌｌ型の超音波トランスデューサにおいて、同一の駆動条件でより強力な超音波を発生することができる。すなわち、Ｐｕｓｈ−Ｐｕｌｌ型の超音波トランスデューサにおいて電気−音響エネルギーの変換効率の向上が図れる。
【００３０】
また、本発明の静電型超音波トランスデューサは、貫通穴を有する第１の電極と、貫通穴を有する第２の電極と、前記第１の電極の前記貫通穴と前記第２の電極の前記貫通穴とが対をなすように配置されかつ前記第１の電極と前記第２の電極とからなる一対の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、前記一対の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、前記振動膜の機械的振動共振点となる共振周波数から所定の周波数だけずらした周波数のキャリア波の波長をλとしたとき、前記一対の電極のうち一方の厚さｔ１を（λ／４）・ｎもしくは略（λ／４）・ｎ（但し、λは超音波の波長、ｎは正の奇数）とし、他方の厚さｔ２を（λ／４）・ｍもしくは略、（λ／４）・ｍ（但し、λは超音波の波長、ｍは正の偶数）としたことを特徴とする。
【００３１】
上記構成からなる静電型超音波トランスデューサでは、第１の電極と、第２の電極の対向する位置に複数の貫通穴を有し、振動膜の導電層に直流バイアス電圧が印加された状態で、第１、第２の電極からなる一対の電極に駆動信号である交流信号が印加されるために、一対の電極に挟まれた振動膜は、交流信号の極性に応じた方向において、静電吸引力と静電斥力とを同方向に同時に受けるために、振動膜の振動を、パラメトリック効果を得るのに十分大きくすることができるだけでなく、振動の対称性が確保されるため、高い音圧を広周波数帯域に亘って発生させることができる。
【００３２】
さらに、前記振動膜の機械的振動共振点となる共振周波数から所定の周波数だけずらした周波数のキャリア波の波長をλとしたとき、前記一対の固定電極のうち一方の厚さｔ１を（λ／４）・ｎもしくは略（λ／４）・ｎ（但し、λは超音波の波長、ｎは正の奇数）とし、他方の厚さｔ２を（λ／４）・ｍもしくは略（λ／４）・ｍ（但し、λは超音波の波長、ｍは正の偶数）とすることにより、高い音圧の音を放射したい一方（前面）の電極の貫通部分における厚み部分が共鳴管を構成すると共に、振動膜の機械的振動共振周波数と貫通穴の音響的共鳴周波数とをずらし、電極の貫通穴出口付近で音圧を最大とし、かつ音の放射を必要としない他方（背面）の電極の貫通穴部分における厚み部分では貫通穴出口付近で音圧を最小とすることができる。
【００３３】
したがって、Ｐｕｓｈ‐Ｐｕｌｌ型の静電型超音波トランスデューサにおいて、同一の駆動条件でより強力な超音波を一方（前面側）の電極から広周波数帯域に亘って発生することができるだけでなく、他方（背面側）の電極からの音の放射を小さく抑制することができる。すなわち、Ｐｕｓｈ−Ｐｕｌｌ型の超音波トランスデューサにおいて電気−音響エネルギーの変換効率の向上が図れる。
【００３４】
また、本発明の静電型超音波トランスデューサは、貫通穴を有する第１の電極と、貫通穴を有する第２の電極と、前記第１の電極の前記貫通穴と前記第２の電極の前記貫通穴とが対をなすように配置されかつ前記第１の電極と前記第２の電極とからなる一対の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、前記一対の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、前記振動膜の機械的振動共振点となる共振周波数から所定の周波数だけずらした周波数のキャリア波の波長をλとしたとき、前記一対の電極の各々の厚さｔ１，ｔ２を、（λ／４）・ｎ−λ／８≦ｔ１≦（λ／４）・ｎ＋λ／８（但し、λは超音波の波長、ｎは正の奇数）（λ／４）・ｍ−λ／８≦ｔ２≦（λ／４）・ｍ＋λ／８（但し、λは超音波の波長、ｍは正の偶数であり、m＝０のとき、ｔ２は右辺の値のみとり得る。）としたことを特徴とする。
【００３５】
上記構成からなる静電型超音波トランスデューサでは、第１の電極と、第２の電極の対向する位置に複数の貫通穴を有し、振動膜の導電層に直流バイアス電圧が印加された状態で、第１、第２の電極からなる一対の電極に駆動信号である交流信号が印加されるために、一対の電極に挟まれた振動膜は、交流信号の極性に応じた方向において、静電吸引力と静電斥力とを同方向に同時に受けるために、振動膜の振動を、パラメトリック効果を得るのに十分大きくすることができるだけでなく、振動の対称性が確保されるため、高い音圧を広周波数帯域に亘って発生させることができる。
【００３６】
さらに、前記振動膜の機械的振動共振点となる共振周波数から所定の周波数だけずらした周波数のキャリア波の波長をλとしたとき、前記一対の電極の各々の厚さｔ１，ｔ２を、（λ／４）・ｎ−λ／８≦ｔ１≦（λ／４）・ｎ＋λ／８（但し、λは超音波（キャリア波）の波長、ｎは正の奇数）、（λ／４）・ｍ−λ／８≦ｔ２≦（λ／４）・ｍ＋λ／８（但し、λは超音波（キャリア波）の波長、ｍは正の偶数であり、m＝０のとき、ｔ２は右辺の値のみとり得る。）とすることにより、高い音圧の音を放射したい一方（前面）の電極の貫通部分における厚み部分が共鳴管を構成すると共に、振動膜の機械的振動共振周波数と貫通穴の音響的共鳴周波数とをずらし、電極の貫通穴出口付近で音圧を最大とし、かつ音の放射を必要としない他方（背面）の電極の貫通穴部分における厚み部分では貫通穴出口付近で音圧を最小とすることができる。
【００３７】
したがって、Ｐｕｓｈ‐Ｐｕｌｌ型の静電型超音波トランスデューサにおいて、同一の駆動条件でより強力な超音波を一方（前面側）の電極から広周波数帯域に亘って発生することができるだけでなく、他方（背面側）の電極からの音の放射を小さく抑制することができる。すなわち、Ｐｕｓｈ−Ｐｕｌｌ型の超音波トランスデューサにおいて電気−音響エネルギーの変換効率の向上が図れる。
【００３８】
また、本発明の静電型超音波トランスデューサは、前記一対の電極に形成された穴は円柱状に形成された貫通穴であることを特徴とする。
このように構成した本発明の静電型超音波トランスデューサでは、振動膜の振動により発生する超音波が一対の電極が有する円柱状の貫通穴を介して放射される。この円柱状の貫通穴は、製造が最も簡単であるという長所を有する。
【００３９】
また、本発明の静電型超音波トランスデューサは、前記一対の電極に形成された穴は、直径及び深さが各々異なる少なくとも二種類以上のサイズの同心円柱状の穴が連なって形成された貫通穴であることを特徴とする。
【００４０】
このように構成した本発明の静電型超音波トランスデューサでは、一対の電極に直径および深さが各々異なる少なくとも二種類以上のサイズの同心円柱状の穴が連なった貫通穴が形成される。したがって、一対の電極に形成された上記二種類以上のサイズの同心円柱状の各穴の縁部分に並行する電極部分が振動膜の導電層と対向するように構成されるため、平行コンデンサが形成される。
したがって、振動膜の前記各穴の縁部分に対向する部分が、持ち上げられると同時に、引き下げられる力が働くため振動膜の振動を大きくすることができる。
【００４１】
また、本発明の静電型超音波トランスデューサは、前記一対の電極に形成された穴は、断面がテーパー状に形成されていることを特徴とする。
このように構成した本発明の静電型超音波トランスデューサでは、一対の電極に断面がテーパー状の貫通穴が形成されているため、この電極のテーパ−部分が、振動膜の導電層と対向するように構成され、平行コンデンサが形成される。
したがって、前記電極のテーパ−部分に対向する振動膜の部分が、持ち上げられると同時に、引き下げられる力が働くため振動膜の振動を大きくすることができる。
【００４２】
また、本発明の静電型超音波トランスデューサは、前記一対の電極に形成された穴は、断面が矩形状の貫通穴であることを特徴とする。
このように構成した本発明の静電型超音波トランスデューサでは、振動膜の振動により発生する超音波が一対の電極に形成された断面が矩形状の貫通穴を介して放射される。この断面が矩形状に形成された貫通穴は、製造が最も簡単であるという長所を有する。
【００４３】
また、本発明の静電型超音波トランスデューサは、前記一対の電極に形成された穴は、同一中心線上に形成され長さが同一で幅および深さが各々異なる少なくとも二種類以上のサイズの矩形状穴が連なって形成された貫通穴であることを特徴とする。
このように構成した本発明の静電型超音波トランスデューサでは、一対の電極に同一中心線上に形成され長さが同一で幅および深さが各々異なる少なくとも二種類以上のサイズの矩形状の穴が連なった貫通穴が形成される。したがって、一対の電極に形成された上記二種類以上のサイズの矩形状の各穴の縁部分に並行する電極部分が振動膜の導電層と対向するように構成されるため、平行コンデンサが形成される。したがって、振動膜の前記各穴の縁部分に対向する部分が、持ち上げられると同時に、引き下げられる力が働くため振動膜の振動を大きくすることができる。
【００４４】
また、本発明の静電型超音波トランスデューサは、前記一対の電極に形成された穴は、前記一対の電極に形成された矩形状の貫通穴は平面が矩形状で、かつ断面がテーパー状に形成されていることを特徴とする。
このように構成した本発明の静電型超音波トランスデューサでは、一対の電極に平面が矩形状で、かつ断面がテーパー状の貫通穴が形成されているため、この電極のテーパ−部分が、振動膜の導電層と対向するように構成されるので、平行コンデンサが形成される。
したがって、前記電極のテーパ−部分に対向する振動膜の部分が、持ち上げられると同時に、引き下げられる力が働くため振動膜の振動を大きくすることができる。
【００４５】
また、本発明の静電型超音波トランスデューサは、前記一対の電極に形成された穴は、振動膜とは反対側に対して振動膜側の方が穴径が大きく、かつ深さが浅いことを特徴とする。
このように構成した本発明の静電型超音波トランスデューサでは、一対の電極に形成された穴は、振動膜とは反対側に対して振動膜側の方の穴径が大きく、且つ深さが浅いので、上記二種類以上のサイズの同心円柱状の各穴の縁部分に並行する電極部分が振動膜の導電層と対向するように構成されることにより平行コンデンサが形成されるので、振動膜の導電層に働く静電吸引力及び静電斥力を大きくすることができる。
【００４６】
また、本発明の静電型超音波トランスデューサは、前記一対の電極に形成された矩形穴は、振動膜とは反対側に対して振動膜側の方が幅が大きく、かつ深さが浅いことを特徴とする。
このように構成した本発明の静電型超音波トランスデューサでは、一対の電極に形成された矩形穴は、振動膜とは反対側に対して振動膜側の方の幅が大きく、且つ深さが浅いので、上記二種類以上のサイズの矩形状の各穴の縁部分に並行する電極部分、または電極のテーパ−部分が振動膜の導電層と対向するように構成されることにより平行コンデンサが形成されるので、振動膜の導電層に働く静電吸引力及び静電斥力を大きくすることができる。
【００４７】
また、本発明の静電型超音波トランスデューサは、前記複数個の貫通穴は、各々同一サイズであることを特徴とする。
このように構成した本発明の静電型超音波トランスデューサでは、一対の電極に各々、同一サイズの貫通穴が形成される。したがって、穴加工が容易であり、製造コストの低減が図れる。
【００４８】
また、本発明の静電型超音波トランスデューサは、前記複数個の貫通穴は、各々対向する位置では同一サイズであり、複数の穴サイズ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静電型超音波トランスデューサでは、一対の電極において各々対向する位置では同一サイズであり、複数の穴サイズの貫通穴が形成される。したがって、穴加工が容易であり、製造コストの低減が図れる。
【００４９】
また、本発明の静電型超音波トランスデューサは、前記一対の電極は、単一の導電性部材からなることを特徴とする。
このように構成した本発明の静電型超音波トランスデューサでは、前記一対の電極は、単一の導電性部材、例えば、ＳＵＳ、真鍮、鉄、ニッケル等の導電性材料で形成することができる。
【００５０】
また、本発明の静電型超音波トランスデューサは、前記一対の電極は、複数の導電性部材からなることを特徴とする。
このように構成した本発明の静電型超音波トランスデューサでは、前記一対の電極は、複数の導電性部材で形成することができる。
【００５１】
また、本発明の静電型超音波トランスデューサは、前記一対の電極は、導電性部材と絶縁部材とからなることを特徴とする。
このように構成した本発明の静電型超音波トランスデューサでは、前記一対の電極は、導電性部材と絶縁部材から構成される。例えば、ガラスエポキシ基板や紙フェノール基板等の絶縁部材に所望の穴加工をした後、ニッケルや金、銀、銅等でメッキ処理をすることにより、電極を導電性部材と絶縁部材で形成することができる。これにより、超音波トランスデューサの軽量化が図れる。
【００５２】
また、本発明の静電型超音波トランスデューサは、前記振動膜は、絶縁性高分子フィルムの両面に電極層が形成された薄膜であることを特徴とする。
このように構成した本発明の超音波トランスデューサでは、振動膜は絶縁性高分子フィルムの両面に電極層が形成される。そしてこの場合に後述するように振動膜に対向する電極側には絶縁層が設けられる。したがって、振動膜の作製が容易になる。
【００５３】
また、本発明の静電型超音波トランスデューサは、前記振動膜は、電極層が２枚の絶縁性高分子フィルムで挟むように形成された薄膜であることを特徴とする。
このように構成した本発明の超音波トランスデューサでは、電極層を絶縁層（絶縁高分子フィルム）で挟むように振動膜が形成される。したがって、電極側の絶縁処理が不要になり、超音波トランスデューサの製造が容易になる。また、振動膜に対する電極の配置の対称性の確保が容易になる。
【００５４】
また、本発明の静電型超音波トランスデューサは、前記振動膜は、絶縁性高分子フィルムの片面に電極層が形成された薄膜を２枚使用し、各々電極層同士を密着させて構成されていることを特徴とする。
このように構成した本発明の静電型超音波トランスデューサでは、絶縁性高分子フィルムの片面に電極層が形成された薄膜を２枚使用し、各々電極層同士を密着させることにより振動膜が形成される。したがって、振動膜の作製が容易となる。
【００５５】
また、本発明の静電型超音波トランスデューサは、前記振動膜は、エレクトレットフィルムを用いていることを特徴とする。
このように構成した本発明の静電型超音波トランスデューサでは、前記振動膜は、エレクトレットフィルムが用いられる。この場合に電極側には絶縁層が形成される。したがって、振動膜の作製が容易となる。
【００５６】
また、本発明の静電型超音波トランスデューサは、絶縁性高分子フィルムの両面に電極層が形成された薄膜である振動膜、またはエレクトレットフィルムを用いた振動膜を用いる場合は、前記一対の電極の各々振動膜側に電気的絶縁処理を施すことを特徴とする。
このように構成した本発明の静電型超音波トランスデューサでは、振動膜として絶縁層（絶縁フィルム）の両面に導電層（電極層）が形成された振動膜を使用する場合、あるいは振動膜としてエレクトレットフィルムを使用する場合には電極の振動膜側に電気的絶縁処理が施される。したがって、絶縁層（絶縁フィルム）の両面に導電層（電極層）が形成された両面電極蒸着膜や、エレクトレットフィルムを振動膜として使用することが可能となる。
【００５７】
また、本発明の静電型超音波トランスデューサは、前記振動膜には、単一極性の直流バイアス電圧が印加されていることを特徴とする。
このように構成した本発明の静電型超音波トランスデューサでは、前記振動膜には、単一極性の直流バイアス電圧が印加される。したがって、振動膜の電極層には常に同極性の電荷が蓄積されるので、前記一対の電極に印加される交流信号により変化する電極の電圧の極性に応じて、振動膜が静電吸引力及び静電斥力を受け、振動する。
【００５８】
また、本発明の静電型超音波トランスデューサは、前記電極と前記振動膜を保持する部材は絶縁材料で構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音波トランスデューサでは、前記電極と振動膜を保持する部材は絶縁材料で構成される。したがって、電極と振動膜との間の電気的絶縁が保持される。
【００５９】
また、本発明の静電型超音波トランスデューサは、前記振動膜は膜表面上における直角四方向に張力をかけて固定されていることを特徴とする。
このように構成した本発明の静電型超音波トランスデューサでは、前記振動膜は膜平面上における直角四方向に張力をかけて固定される。したがって、従来、振動膜を電極側に吸着させるために数百ボルトの直流バイアス電圧を振動膜に印加する必要があったが、振動膜の膜ユニット作製時に膜に張力をかけて固定することにより、従来、上記直流バイアス電圧が担っていた引張り張力と同様の作用をもたらすため、上記直流バイアス電圧を低減することができる。
【００６０】
また、本発明の静電型超音波トランスデューサは、貫通穴を有する第１の電極と、貫通穴を有する第２の電極と、前記第１の電極の前記貫通穴と前記第２の電極の前記貫通穴とが対をなすように配置されかつ前記第１の電極と前記第２の電極とからなる一対の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、前記振動膜の機械的振動共振点となる共振周波数から所定の周波数だけずらした周波数のキャリア波の波長をλとしたとき、前記一対の固定電極の各々の厚さｔを（λ／４）・ｎもしくは略（λ／４）・ｎ（但し、λは超音波の波長、ｎは正の奇数）とし、前記一対の電極間には超音波周波数帯の前記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背面に、該背面の各開口部から放射された超音波を全て同じ長さの経路で前記静電型超音波トランスデューサの前面に放射する音響反射板を設置したことを特徴する。
【００６１】
また、本発明の静電型超音波トランスデューサは、前記音響反射板は、超音波トランスデューサ背面の中心位置に一端が位置し、該中心位置を基準として超音波トランスデューサ背面の両側に対して４５°の角度で配置され他端が超音波トランスデューサの端部と一致する長さの一対の第１の反射板と、一対の第１の反射板の前記端部と直角の角度をなして各々前記第１の反射板の外側方向に接続され前記第１の反射板長と同等の長さを有する一対の第２の反射板とを有していることを特徴とする。
【００６２】
このように構成した本発明の超音波トランスデューサでは、第１の電極と、第２の電極の対向する位置に複数の貫通穴を有し、振動膜の導電層に直流バイアス電圧が印加された状態で、第１、第２の電極からなる一対の電極に駆動信号である交流信号が印加されるために、一対の電極に挟まれた振動膜は、交流信号の極性に応じた方向において、静電吸引力と静電斥力とを同方向に同時に受けるために、振動膜の振動を、パラメトリック効果を得るのに十分大きくすることができるだけでなく、振動の対称性が確保されるため、高い音圧を広周波数帯域に亘って発生させることができる。
【００６３】
また、前記振動膜の機械的振動共振点となる共振周波数から所定の周波数だけずらした周波数のキャリア波の波長をλとしたとき、前記一対の固定電極の各々の厚さｔを（λ／４）・ｎもしくは略（λ／４）・ｎ（但し、λは超音波の波長、ｎは正の奇数）とすることにより、各電極の貫通穴部分における電極の厚み部分が共鳴管を構成すると共に、振動膜の機械的振動共振周波数と貫通穴の音響的共鳴周波数とをずらし、電極出口付近で音圧を最大とすることができ、Ｐｕｓｈ−Ｐｕｌｌ型の超音波トランスデューサにおいて、同一の駆動条件でより強力な超音波を発生することができる。すなわち、Ｐｕｓｈ−Ｐｕｌｌ型の超音波トランスデューサにおいて電気−音響エネルギーの変換効率の向上が図れる。
【００６４】
さらに、上記静電型超音波トランスデューサの背面に、該背面の各開口部から放射された超音波が全て同じ長さの経路で前記静電型超音波トランスデューサの前面に放射されるように音響反射板を設置することにより、すなわち、具体的には、超音波トランスデューサ背面の中心位置に一端が位置し、該中心位置を基準として超音波トランスデューサ背面の両側に対して４５°の角度で配置され他端が超音波トランスデューサの端部と一致する長さの一対の第１の反射板と、一対の第１の反射板の前記端部と直角の角度をなして各々前記第１の反射板の外側方向に接続され前記第１の反射板長と同等の長さを有する一対の第２の反射板とで音響反射板を上記静電型超音波トランスデューサの背面に設置することにより、静電型超音波トランスデューサの背面から放出された超音波が音響反射板により前面に反射されるので、静電型超音波トランスデューサの前面及び背面から放出される超音波を有効活用することができる。
【００６５】
また、本発明の超音波スピーカは、貫通穴を有する第１の電極と、貫通穴を有する第２の電極と、前記第１の電極の前記貫通穴と前記第２の電極の前記貫通穴とが対をなすように配置されかつ前記第１の電極と前記第２の電極とからなる一対の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、前記振動膜の機械的振動共振点となる共振周波数から所定の周波数だけずらした周波数のキャリア波の波長をλとしたとき、前記一対の固定電極の各々の厚さｔを（λ／４）・ｎもしくは略（λ／４）・ｎ（但し、λは超音波の波長、ｎは正の奇数）とし、前記一対の電極間には超音波周波数帯の前記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。
【００６６】
このように構成した本発明の超音波スピーカでは、信号源により可聴周波数帯の信号波が生成され、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が生成され、出力される。さらに、変調手段によりキャリア波が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され、この変調手段から出力される変調信号が前記固定電極と前記振動膜の電極層との間に印加され、駆動される。
【００６７】
本発明の超音波スピーカでは、上記構成の静電型超音波トランスデューサを用いて構成したので、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発生することができる超音波スピーカを実現できる。
また、本発明の超音波スピーカでは、振動膜の機械的振動共振周波数と貫通穴の音響的共鳴周波数とをずらす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、膜振動の共振現象と音波の共鳴原理を適用し、各々の共振点をずらすことによって広周波数帯域に亘って強力な超音波を発生でき、音質の向上が図れる。
【００６８】
また、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、貫通穴を有する第１の電極と、貫通穴を有する第２の電極と、前記第１の電極の前記貫通穴と前記第２の電極の前記貫通穴とが対をなすように配置されかつ前記第１の電極と前記第２の電極とからなる一対の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、前記振動膜の機械的振動共振点となる共振周波数から所定の周波数だけずらした周波数のキャリア波の波長をλとしたとき、前記一対の固定電極の各々の厚さｔを（λ／４）・ｎもしくは略（λ／４）・ｎ（但し、λは超音波の波長、ｎは正の奇数）とし、前記一対の電極間には超音波周波数帯の前記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。
【００６９】
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、広周波数帯域に亘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、振動膜の機械的振動共振周波数と貫通穴の音響的共鳴周波数とをずらす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、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。
【００７０】
また、本発明の超指向性音響システムは、貫通穴を有する第１の電極と、貫通穴を有する第２の電極と、前記第１の電極の前記貫通穴と前記第２の電極の前記貫通穴とが対をなすように配置されかつ前記第１の電極と前記第２の電極とからなる一対の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、前記振動膜の機械的振動共振点となる共振周波数から所定の周波数だけずらした周波数のキャリア波の波長をλとしたとき、前記一対の固定電極の各々の厚さｔを（λ／４）・ｎもしくは略（λ／４）・ｎ（但し、λは超音波の波長、ｎは正の奇数）とし、前記一対の電極間には超音波周波数帯の前記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中高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低音域の音声信号を再生する低音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。
【００７１】
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、貫通穴を有する第１の電極と、該第１の電極の貫通穴と対をなす貫通穴を有する第２の電極と、前記第１と第２の電極からなる一対の電極に挟まれるとともに電極層を有し、該電極層に直流バイアス電圧が印加される振動膜とを有し、かつ前記一対の電極と前記振動膜とを保持し、前記一対の電極と前記振動膜の電極層との間に交流信号が印加される静電型超音波トランスデューサ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、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、低音域の音響は、音響システムに備えられた低音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、振動膜の機械的振動共振周波数と貫通穴の音響的共鳴周波数とをずらす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、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。
【００７２】
また、本発明の表示装置は、貫通穴を有する第１の電極と、貫通穴を有する第２の電極と、前記第１の電極の前記貫通穴と前記第２の電極の前記貫通穴とが対をなすように配置されかつ前記第１の電極と前記第２の電極とからなる一対の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、前記振動膜の機械的振動共振点となる共振周波数から所定の周波数だけずらした周波数のキャリア波の波長をλとしたとき、前記一対の固定電極の各々の厚さｔを（λ／４）・ｎもしくは略（λ／４）・ｎ（但し、λは超音波の波長、ｎは正の奇数）とし、前記一対の電極間には超音波周波数帯の前記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。
【００７３】
このように構成した本発明の表示装置では、貫通穴を有する第１の電極と、前記第１の電極の前記貫通穴と対をなす貫通穴を有する第２の電極と、前記第１と第２の電極からなる一対の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有し、前記一対の電極と前記振動膜とを保持するとともに、前記振動膜の機械的振動共振点となる共振周波数から所定の周波数だけずらした周波数のキャリア波の波長をλとしたとき、前記一対の固定電極の各々の厚さｔを（λ／４）・ｎもしくは略（λ／４）・ｎ（但し、λは超音波の波長、ｎは正の奇数）とし、前記一対の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である交流信号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、振動膜の機械的振動共振周波数と貫通穴の音響的共鳴周波数とをずらす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、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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００７４】
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。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１に示す。図１（Ａ）は、静電型超音波トランスデューサの構成を示し、同図（Ｂ）は、静電型超音波トランスデューサの一部を破断した平面図を示している。
図１において、本発明の実施形態に係る静電型超音波トランスデューサ１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１０Ａ（第１の電極）、１０Ｂ（第２の電極）と、一対の固定電極１０Ａ、１０Ｂに挟さまれ、導電層１２１を有する振動膜１２と、一対の固定電極１０Ａ、１０Ｂと振動膜を保持する部材（図示せず）とを有している。
【００７５】
振動膜１２は、絶縁体１２０で形成され、導電性材料で形成された電極層１２１を有しており、該電極層１２１には、直流バイアス電源１６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おり、さらに、この直流バイアス電圧に重畳して固定電極１０Ａと固定電極１０Ｂには、信号源１８から出力される相互に位相反転した交流信号１８Ａ，１８Ｂが電極層１２との間に印加されるようになっている。
【００７６】
また、一対の固定電極１０Ａ、１０Ｂは振動膜１２を介して対向する位置に同数かつ複数の貫通穴１４を有しており、一対の固定電極１０Ａ、１０Ｂの導電部材間には信号源１８により相互に位相反転した交流信号１８Ａ，１８Ｂが印加されるようになっている。
固定電極１０Ａと電極層１２１、固定電極１０Ｂと電極層１２１は、それぞれコンデンサが形成されている。
また、上記一対の固定電極１０Ａ、１０Ｂの一方または双方における貫通穴は後述するように、共鳴管として作用するように固定電極の厚さｔが設定されており、かつ静電型超音波トランスデューサ１は振動膜１２の機械的振動共振周波数と貫通穴１４の音響共振周波数とをずらすよう駆動制御されるようになっている。
【００７７】
上記構成において、静電型超音波トランスデューサ１は、振動膜１２の電極層に、直流バイアス電源１６により単一極性の（本実施形態では正極性の）直流バイアス電圧に信号源１８から出力される相互に位相反転した交流信号１８Ａ，１８Ｂが重畳された状態で印加される。
一方、一対の固定電極１０Ａ、１０Ｂには、信号源１８より相互に位相反転した交流信号１８Ａ，１８Ｂが印加される。
【００７８】
この結果、信号源１８から出力される交流信号１８Ａの正の半サイクルでは、固定電極１０Ａに正の電圧が印加されるために、振動膜１２の固定電極で挟持されていない表面部分１２Ａには、静電反発力が作用し、表面部分１２Ａは、図１上、下方に引っ張られる。
また、このとき、交流信号１８Ｂが負のサイクルとなり、対向する固定電極１０Ｂには負の電圧が印加されるために、振動膜１２の前記表面部分１２Ａの裏面側である裏面部分１２Ｂには、静電吸引力が作用し、裏面部分１２Ｂは、図１上、さらに下方に引っ張られる。
【００７９】
したがって、振動膜１２の一対の固定電極１０Ａ、１０Ｂにより挟ま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１８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１２の表面部分１２Ａには図１上、上方に静電吸引力が、また裏面部分１２Ｂには、図１上、上方に静電反発力が作用し、振動膜１２の一対の固定電極１０Ａ、１０Ｂ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。このとき、静電型超音波トランスデューサ１は振動膜１２の機械的振動共振周波数と貫通穴１４の音響共振周波数とをずらすよう駆動制御される。具体的には、後述する。
【００８０】
このようにして、交流信号の極性の変化に応じて振動膜１２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だけでなく、振動の対称性が確保されるため、高い音圧を広周波数帯域に亘って発生させることができる。
さらに、静電型超音波トランスデューサ１は、前記一対の固定電極に設けられた貫通穴１４を共鳴管として作用させるように固定電極の厚さが設定され、振動膜１２の機械的振動共振周波数と貫通穴１４の音響共振周波数とをずらすよう駆動制御される。
したがって、広周波数帯域に亘って強い超音波を発生させることができ、電気−音響エネルギー変換効率を向上させることが可能となる。
【００８１】
このように本発明の実施形態に係る超音波トランスデューサ１は、振動膜１２が一対の固定電極１０Ａ、１０Ｂ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。
本発明の実施形態に係る超音波トランスデューサ１は、従来の、振動膜に静電吸引力のみしか作用しない静電型の超音波トランスデューサ（Ｐｕｌｌ型）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。
【００８２】
本発明の実施形態に係る超音波トランスデューサの周波数特性を図１７に示す。同図において、曲線Ｑ３が本実施形態に係る超音波トランスデューサの周波数特性である。同図から明らかなように、従来の広帯域型の静電型超音波トランスデューサの周波数特性に比して、より広い周波数帯にわたって、高い音圧レベルが得られることが分かる。具体的には、２０kHz〜１２０kHzの周波数帯域においてパラメトリック効果が得られる１２０ｄＢ以上の音圧レベルが得られることが分かる。
【００８３】
本発明の実施形態に係る超音波トランスデューサ１は一対の固定電極１０Ａ、１０Ｂに挟持された薄膜の振動膜１２が静電吸引力と静電斥力の両方を受けるため、大きな振動が発生するばかりでなく、振動の対称性が確保されるため、高い音圧を広周波数帯域に亘って発生させることができるのである。
【００８４】
次に、本実施形態に係る超音波トランスデューサの固定電極について説明する。図２は円柱状固定電極（一対の固定電極のうち片方の電極のみ）のいくつかの構成例（断面図）を示している。
図２（ａ）は貫通穴タイプであり、具体的には、一対の固定電極１０Ａ，１０Ｂに形成された穴は、円柱状に形成された貫通穴である。この貫通穴が形成された固定電極は、製造は最も簡単である。
【００８５】
図２（ｂ）は２段貫通穴構造の固定電極の構造を示している。すなわち、一対の固定電極１０Ａ，１０Ｂに形成された穴は、直径および深さが各々異なる少なくとも二種類以上（本実施形態では二種類）のサイズの同心円柱状の穴が連なって形成された貫通穴である。固定電極に形成された穴は、振動膜とは反対側に対して振動膜側の方の穴径が大きく、且つ深さが浅く形成されている。
この場合各穴の淵部分に並行する場所が振動膜１２と対向しており、この部分が平行板コンデンサを構成している。
【００８６】
したがって振動膜１２の淵部分が持ち上げられると同時に、引き下げられる力が働くため膜振動を大きくさせることができる。また図２（ｃ）は断面がテーパー状の貫通穴を示している。この形状を固定電極として採用した場合の効果も図（ｂ）における構成により得られる効果と同様である。
【００８７】
図３は溝形状の貫通穴を有する固定電極のいくつかの構成例（一対の固定電極のうち片方の電極のみ）を示している。図３（ａ）は貫通溝穴タイプで、一対の固定電極１０Ａ，１０Ｂに形成された穴は、平面が矩形で、かつ断面が矩形状の貫通穴である。この貫通穴が形成された固定電極も製造は最も簡単である。
【００８８】
図３（ｂ）は２段貫通溝穴構造の固定電極の構成を示している。すなわち、一対の固定電極１０Ａ，１０Ｂに形成された穴は、同一中心線上に形成され長さが同一で幅および深さが各々異なる少なくとも二種類以上（本実施形態では二種類）のサイズの平面が矩形状の穴が連なって形成された貫通穴である。
この場合、丸穴形状のときと同様に各溝穴の淵部分に並行する場所が振動膜１２と対向しており、ここが平行板コンデンサを構成している。
したがって振動膜１２の淵部分が持ち上げられると同時に、引き下げられる力が働くため振動膜１２の膜振動を大きくさせることができる。
【００８９】
また、図３（ｃ）はテーパー状の貫通溝穴を示している。すなわち、一対の固定電極１０Ａ，１０Ｂに形成された平面が矩形状の貫通穴は断面がテーパー状に形成されている。この形状を固定電極として採用した場合の効果も図３（ｂ）における構成の固定電極と同様の効果が得られる。
なお、図３（ｂ）、（ｃ）の構成例において、固定電極に形成された矩形穴は、振動膜とは反対側に対して振動膜側の方の幅が大きく、且つ深さが浅くなるように形成されている。
【００９０】
また、図２、図３に示した各構成例に示した、固定電極に形成された複数個の貫通穴は、各々同一サイズとしてもよい。
また、前記複数個の貫通穴は、各々対向する位置では同一サイズであり、複数の穴サイズを有するようにしてもよい。
【００９１】
本実施形態に係る超音波トランスデューサを構成する固定電極は、単一の導電性部材で構成してもよいし、複数の導電性部材で形成してもよい。
また、本実施形態に係る超音波トランスデューサを構成する固定電極は、導電性部材と絶縁部材から構成してもよい。
【００９２】
具体的には、本実施形態に係る超音波トランスデューサの固定電極の材質は導電性であればよく例えばＳＵＳや真鍮、鉄、ニッケルの単体構成も可能である。
また、軽量化を図る必要があるため、回路基板などで一般的に用いられるガラスエポシキ基板や紙フェノール基板に所望の穴加工を施した後、ニッケルや金、銀、銅などでメッキ処理をすることなども可能である。また、この場合成型後のソリを防止するために基板へのメッキ加工は両面に施すなどの工夫も有効である。
【００９３】
ただし、振動膜１２に、両面電極蒸着膜やエレクトレットフィルムを使う場合は、図１に示した超音波トランスデューサ１において、一対の固定電極１０Ａ，１０Ｂの振動膜１２側には何らかの絶縁処理が必要となる。例えば、アルミナ、珪素ポリマー系材料、アモルファス・カーボン膜、ＳｉＯ２などで絶縁薄膜処理を施すなどの必要がある。
【００９４】
次に、振動膜１２について説明する。振動膜１２の機能は常に同極性の電荷を蓄積しておき（＋の極性でも−の極性でもかまわない）、交流電圧で変化する固定電極１０Ａ，１０Ｂ間で静電力により振動することである。本発明の実施形態に係る超音波トランスデューサにおける振動膜１２の具体的構成例を、図４を参照して説明する。
【００９５】
図４（ａ）は絶縁フィルム１２０の両面に電極蒸着処理を施し、電極層１２１を形成した振動膜１２の断面構造を示している。中心の絶縁フィルム１２０は高分子材料、例えばポリ・エチレン・テレフタレート（ＰＥＴ）、ポリ・エステル、ポリ・エチレン・ナフタレート（ＰＥＮ）、ポリ・フェニレン・サルファイド（ＰＰＳ）などが伸縮性、電気耐圧的に好ましい。
【００９６】
電極層１２１を形成する電極蒸着材料はＡｌが最も一般的で、その他、Ｎｉ、Ｃｕ、ＳＵＳ、Ｔｉなどが上記高分子材料との相性、コストなどの面から望ましい。振動膜１２を形成する絶縁フィルム１２０としての絶縁性高分子フィルムの厚みは駆動周波数や固定電極に設けた穴サイズなどにより最適値が異なるため一意には決めかねるが、一般には１μm以上１００μm以下の範囲でおおよそ十分であると思われる。
【００９７】
電極層１２１としての電極蒸着層の厚みも４０ｎｍ〜２００ｎｍの範囲が望ましい。電極厚みは薄すぎると電荷がほとんど蓄積できず、また厚すぎると膜が硬くなって振幅が小さくなるという問題につながってしまう。また、電極材料としては透明導電膜ＩＴＯ/Ｉｎ，Ｓｎ，Ｚｎ酸化物などでも良い。
【００９８】
図４（ｂ）は電極層１２１を絶縁フィルム１２０としての絶縁性高分子フィルムで挟み込んだ構造を示している。このときの電極層１２１の厚みも図４（ａ）の場合と同様に４０ｎｍ〜２００ｎｍの範囲が望ましい。また、電極層１２１それを挟む絶縁フィルム１２０の材質、厚さも図４（ａ）の両面電極蒸着膜と同様にポリ・エチレン・テレフタレート（ＰＥＴ）、ポリ・エステル、ポリ・エチレン・ナフタレート（ＰＥＮ）、ポリ・フェニレン・サルファイド（ＰＰＳ）、１μm以上１００μm以下が望ましい。
【００９９】
図４（ｃ）は片面電極蒸着膜を電極面が接触するように２枚張り合わせたものである。このときの絶縁膜および電極部の条件は上述した他の振動膜と同様の条件が望ましい。
また、振動膜１２には数百ボルトの直流バイアス電圧が必要となるが、膜ユニット作製時に振動膜１２の膜表面上における直角四方向に張力をかけて固定することにより、前記バイアス電圧は低減できる。
【０１００】
これはあらかじめ膜に張力をかけておくことで、従来バイアス電圧が担っていた引っ張り張力と同様の作用をもたらすためであり、低電圧化のためには非常に有効な手段である。
この場合も膜電極材料としては、Ａｌが最も一般的で、その他、Ｎｉ、Ｃｕ、ＳＵＳ、Ｔｉなどが上記高分子材料との相性、コストなどの面から望ましい。さらに透明導電膜ＩＴＯ/Ｉｎ，Ｓｎ，Ｚｎ酸化物などでも良い。
【０１０１】
次に、上記固定電極あるいは振動膜の固定材料であるが、アクリル、ベークライト、ポリアセタール（ポリオキシメチレン）樹脂（ＰＯＭ）などのプラスチック系材料が、軽量、非導電性という観点から好ましい。
【０１０２】
次に、本発明の実施形態に係る静電型超音波トランスデューサの要部の構成について説明する。図２及び図３を参照して既に固定電極の構造について説明したが、本発明の実施形態に係る一対の固定電極１０Ａ，１０Ｂのいずれか一方または双方の固定電極の厚み部分が共鳴現象を生じる音響管である共鳴管を構成するようにその長さｔが設定されている（図２参照）。
図５は、貫通穴（共鳴管）１４が設けられた固定電極（共鳴管ユニット）１０Ａ（１０Ｂ）の平面図であり、固定電極１０Ａ（１０Ｂ）に設けられた貫通穴の配置の一例を示している。貫通穴の配置は図５に示したように規則的に配列されるとは限らない。
【０１０３】
また、貫通穴の長さは、構造上、固定電極の厚み部分の長さｔが支配的であり、したがって、固定電極の貫通穴部分を共鳴管として使用するためには固定電極の厚み部分の長さｔが共鳴管を構成するように決定される必要がある。
図６は、共鳴管の集合体である共鳴管ユニットとしての固定電極における音の共鳴状態を示した正面断面図である。図中ｔは共鳴管の長さを示しており、本例では１／２波長の音波が伝播する様子を示している。
【０１０４】
共鳴現象を起こす最小の波長単位は１／２波長であり、両端開口端の共鳴現象の理論式は以下のようである。すなわち、ｆを超音波周波数、ｃを音速（約３４０ｍ／ｓ）、λを波長とすると、
λ＝ｍｃ／ｆ                （１）
の関係がある（ただし、ｍは整数）。
ここで、最適音響管長をλopt，ｎを奇数の自然数とすると、
λopt=ｎｃ／４ｆ              （２）
で表せる。
【０１０５】
音波の波長λが式（２）を満たすとき、音圧は音響管出口で最大となり、これが求める音響管（共鳴管）長、すなわち固定電極の厚み部分の長さｔである。したがって、図６（ｂ）が共鳴管ユニット、すなわち固定電極を最もコンパクトにする形態であるが、図中ｔは１／４波長の正の自然数倍であればいかなる値をとっても良い。
本発明の一実施例（第１実施例）では、例えば、図１に示した静電型超音波トランスデューサ１における振動膜１２の機械的振動共振点となる共振周波数から所定の周波数だけずらした周波数の前記キャリア波の波長をλとしたとき、一対の固定電極１０Ａ，１０Ｂの各々の厚さｔを（λ／４）・ｎもしくは略（λ／４）・ｎ（但し、λは超音波の波長、ｎは正の奇数）とするように構成される。
【０１０６】
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、第１の固定電極１０Ａと、第２の固定電極１０Ｂの対向する位置に複数の貫通穴１４を有し、振動膜１２の導電層１２１に直流バイアス電圧が印加された状態で、第１、第２の固定電極１０Ａ，１０Ｂからなる一対の固定電極に駆動信号である交流信号が印加されるために、一対の固定電極１０Ａ，１０Ｂに挟まれた振動膜１２は、交流信号の極性に応じた方向において、静電吸引力と静電斥力とを同方向に同時に受けるために、振動膜１２の振動をパラメトリック効果を得るのに十分大きくすることができるだけでなく、振動の対称性が確保されるため、高い音圧を広周波数帯域に亘って発生させることができる。
【０１０７】
さらに、振動膜１２の機械的振動共振点となる共振周波数から所定の周波数だけずらした周波数の前記キャリア波（超音波）の波長をλとしたとき、前記一対の固定電極の各々の厚さｔを（λ／４）・ｎもしくは略（λ／４）・ｎ（但し、λは超音波の波長、ｎは正の奇数）とすることにより、各固定電極の貫通穴部分における固定電極の厚み部分が共鳴管を構成すると共に、振動膜１２の機械的振動共振周波数と音響的共鳴周波数とをずらし、固定電極出口付近で音圧を最大とすることができ、Ｐｕｓｈ−Ｐｕｌｌ型の超音波トランスデューサにおいて、同一の駆動条件で同一の駆動条件でより強力な超音波を発生することができる。すなわち、Ｐｕｓｈ−Ｐｕｌｌ型の超音波トランスデューサにおいて電気−音響エネルギーの変換効率の向上が図れる。
【０１０８】
共鳴管として機能させるための固定電極の厚さの一例を示せば、超音波の周波数が４０ｋＨｚの場合、波長は８．５ｍｍあるので、その１／４の２．１２５ｍｍの共鳴管長（固定電極厚）ｔがあればよい。発生させるのが超音波であるので、２０ｋＨｚを基準に取れば、波長は１７ｍｍである。したがって、その１／４の４．２５ｍｍの共鳴管長（固定電極厚）ｔがあればよい。
また、１００ｋＨｚを基準に取れば、波長は３．４ｍｍである。したがって、その１／４の０．８５ｍｍの共鳴管長（固定電極厚）ｔがあればよい。
【０１０９】
次に、図７に振動膜の機械的振動共振による音圧、音響共鳴による音圧、およびそれらの合成音圧（最終的な出力音圧）と周波数との関係を示す。図７（Ａ）は、振動膜の機械的振動の一次共振周波数と二次共振周波数との間に貫通穴の音響共鳴周波数がくるように設定した場合であり、図７（Ｂ）は、一次共振周波数の手前に貫通穴の音響共鳴周波数がくるように設定した場合である。
例えば振動膜の直径1500μm、厚さ12μm、音響管直径750μm、長さ1.5μmの場合、振動膜の機械的振動共振周波数（一次共振周波数）ｆ１は３０kHz付近となる。図７（Ａ）は、振動膜の機械的振動の一次共振周波数ｆ１と二次共振周波数ｆ２の中間に貫通穴の音響共鳴周波数ｆ３がくるように設計した例であるが、振動膜の機械的振動の一次共振周波数ｆ１と二次共振周波数ｆ２の中間に貫通穴の音響共鳴周波数ｆ３がくるように設計する以外にも、図７（Ｂ）に示すように振動膜の機械的振動の一次共振周波数ｆ１の手前に貫通穴の音響共鳴周波数がくるように設計しても高帯域化が可能である。
【０１１０】
また、固定電極の貫通穴を共鳴管として機能させるには、現実的には、次式（３）に示すように、固定電極の厚み部分の長さｔの選択値にある程度の幅を持たせることがよい。
（λ／４）・ｎ−λ／８≦ｔ≦（λ／４）・ｎ＋λ／８          （３）
ただし、λは、超音波の波長（Ｈｚ）、ｎは正の奇数である。
また、
λ＝ｃ／ｆ                （４）
ただし、ｃは音速であり、ｃ＝３３１．３＋０．６Ｔ（ｍ／ｓ）（ただし、Ｔは空気温度（℃））、ｆは超音波の周波数（Ｈｚ）である。
【０１１１】
式（３）の意味するところは、共鳴管長の最適値の前後（±）１／８波長の範囲で共鳴管長（固定電極厚）を選択する、ということである。１／８波長というのは、最適値の約７０％に相当し、それ以上ならその値を選択しても効率的には大きな損失は無いと推測される限界値である。
【０１１２】
図８に振動膜の機械的振動の一次共振周波数、キャリア波（超音波周波数帯）の波長λ、音響管長との関係の具体例を示す。同図における振動膜の機械的振動の一次共振周波数は、振動膜を規定するパラメータ（例えば、膜径、膜材料、膜厚等）を決定し振動膜の機械的振動の共振点、すなわち共振周波数（この例では、一次共振周波数）を決定する。次いで、この共振周波数から所定の周波数（本実施形態では１０kHz）だけずらした周波数の前記キャリア波の波長をλとすると、キャリア波（超音波）周波数ｆをλ＝ｃ／ｆ（ｃは音速）（式（４））から決定する。
さらに、音響管長（固定電極の厚さ）を式（３）から決定する。このようにして求めた数値例が図８の内容である。
なお、本実施形態では、図１において、固定電極（共鳴管ユニット）１０Ａの底部と振動膜との間には実際には若干の隙間が設けられている（図面では隙間がなく、密着した状態になっているが）。この隙間は、開口端補正であり、一般には共鳴管半径の０．６〜０．８５倍程度必要である。
【０１１３】
また、本原理を利用する場合には、共鳴管内径は音波長より十分小さく、管内では平面波が発生することが前提とされている。本発明の実施形態に係る静電型超音波トランスデューサの場合、発生する超音波は平面波であり、また管内径は大きくても２．１ｍｍ程度であるのでキャリア波として発振する超音波の周波数が２０ｋＨｚの時の波長１７ｍｍに対して十分に小さい値であるので、全く問題ないと考えられる。
【０１１４】
次に、本発明の実施形態に係る静電型超音波トランスデューサの第２実施例について説明する。この実施例では、前記振動膜の機械的振動共振点となる共振周波数から所定の周波数だけずらした周波数の前記キャリア波の波長をλとしたとき、図１に示した静電型超音波トランスデューサ１における一対の固定電極１０Ａ，１０Ｂのうち一方の厚さｔ１をλ／４）・ｎもしくは略（λ／４）・ｎ（但し、λは超音波の波長、ｎは正の奇数）とし、他方の厚さｔ２を（λ／４）・ｍもしくは略（λ／４）・ｍ（但し、λは超音波の波長、ｍは正の偶数）とするように構成される。
【０１１５】
上記構成からなる静電型超音波トランスデューサでは、第１の固定電極１０Ａと、第２の固定電極１０Ｂの対向する位置に複数の穴１４が形成され、振動膜１４の導電層１２１に直流バイアス電圧が印加された状態で、第１、第２の固定電極１０Ａ．１０Ｂからなる一対の固定電極１０Ａ．１０Ｂに駆動信号である交流信号が印加されるために、一対の固定電極１０Ａ．１０Ｂに挟持された振動膜１４は、交流信号の極性に応じた方向において、静電吸引力と静電斥力とを同方向に同時に受けるために、振動膜１４の振動をパラメトリック効果を得るのに十分大きくすることができるだけでなく、振動の対称性が確保されるため、高い音圧を広周波数帯域に亘って発生させることができる。
【０１１６】
さらに、振動膜１４の機械的振動共振点となる共振周波数から所定の周波数だけずらした周波数のキャリア波の波長をλとしたとき、前記一対の固定電極のうち一方の厚さｔ１をλ／４）・ｎもしくは略（λ／４）・ｎ（但し、λは超音波の波長、ｎは正の奇数）とし、他方の厚さｔ２を（λ／４）・ｍもしくは略（λ／４）・ｍ（但し、λは超音波の波長、ｍは正の偶数）とすることにより、高い音圧の音を放射したい一方（前面）の固定電極の貫通部分における厚み部分が共鳴管を構成すると共に、振動膜の機械的振動共振周波数と貫通穴の音響的共鳴周波数とをずらし、固定電極の貫通穴出口付近で音圧を最大とし、かつ音の放射を必要としない他方（背面）の固定電極の貫通穴部分における厚み部分では貫通穴出口付近で音圧を最小とすることができる。
【０１１７】
したがって、Ｐｕｓｈ‐Ｐｕｌｌ型の静電型超音波トランスデューサにおいて、同一の駆動条件でより強力な超音波を一方（前面側）の固定電極から広周波数帯域に亘って発生することができるだけでなく、他方（背面側）の固定電極からの音の放射を小さく抑制することができる。すなわち、Ｐｕｓｈ−Ｐｕｌｌ型の超音波トランスデューサにおいて電気−音響エネルギーの変換効率の向上が図れる。
【０１１８】
なお、第２実施例においても、前記振動膜の機械的振動共振点となる共振周波数から所定の周波数だけずらした周波数の前記キャリア波の波長をλとしたとき、前記一対の固定電極の各々の厚さｔ１，ｔ２を、（λ／４）・ｎ−λ／８≦ｔ１≦（λ／４）・ｎ＋λ／８（但し、λは超音波の波長、ｎは正の奇数）、（λ／４）・ｍ−λ／８≦ｔ２≦（λ／４）・ｍ＋λ／８（但し、λは超音波の波長、ｍは正の偶数であり、m＝０のとき、ｔ２は右辺の値のみとり得る。）とするようにして、固定電極の厚さｔ１，ｔ２の選択値に幅を持たせるようにしてもよい。この場合にも、同様の効果が得られる。
【０１１９】
このように、本発明の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、音の共鳴現象を利用してＰｕｓｈ−Ｐｕｌｌタイプの静電型超音波トランスデューサにおける固定電極の厚み部分の長さを、固定電極における貫通穴が共鳴管として機能するように設定し、かつ振動膜の機械的振動共振周波数と貫通穴の音響共鳴周波数とをずらすことにより、同一の駆動条件でもより強力な超音波を発生させることが可能となる。換言すれば、Ｐｕｓｈ−Ｐｕｌｌタイプの静電型超音波トランスデューサにおいて、これまでよりもより少ない電気エネルギーで同一レベルの音圧を発生させることができ、低電圧化（低電力化）を実現することができる。
【０１２０】
次に、本発明の他の実施形態に係る超音波トランスデューサの構成を図９に示す。本発明の第２実施形態に係る超音波トランスデューサ５５の構成は、音響反射板を超音波トランスデューサの背面に設置したことを除き、図１に示した構成と同一である。すなわち、本実施形態に係る超音波トランスデューサ５５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１０Ａ，１０Ｂと、前記一対の固定電極１０Ａ，１０Ｂに挟持され、導電層１２１を有し、該導電層１２１に直流バイアス電圧が印加される振動膜１２と、一対の固定電極１０Ａ，１０Ｂと振動膜１２を保持する部材（図示せず）とを有し、一対の固定電極１０Ａ，１０Ｂは振動膜１２を介して対向する位置に同数かつ複数の穴を有し、一対の固定電極１０Ａ，１０Ｂの導電部材間には交流信号が印加される超音波トランスデューサであって、該超音波トランスデューサの背面に音響反射板２０を設置したことを特徴としている。一対の固定電極１０Ａ，１０Ｂの貫通穴の厚み部分の長さtを同一とし、かつ既述したように共鳴管として機能するように設定することは前記実施形態と同様である。
【０１２１】
音響反射板２０は、超音波トランスデューサ５５背面の各開口部から放射された超音波が全て同じ長さの経路で超音波トランスデューサ５５前面に放射されるように配置されている。
すなわち、音響反射板２０は、超音波トランスデューサ５５背面の中心位置Ｍに一端が位置し、該中心位置を基準として超音波トランスデューサ５５背面の両側に対して４５°の角度で配置され他端が超音波トランスデューサ５５の端部Ｘ１、Ｘ２と一致する長さの一対の第１の反射板２００、２００と、一対の第１の反射板２００、２００の前記端部と直角の角度をなして各々前記第１の反射板の外側方向に接続され前記第１の反射板長と同等の長さを有する一対の第２の反射板とを有している。
【０１２２】
上記構成において、超音波トランスデューサ５５背面の中心Ｍの両側に対して４５°の角度で第１の反射板２００、２００を配置し、その端が超音波トランスデューサ５５の端と一致する点までの長さが必要となる。この第１の反射板２００、２００により超音波トランスデューサ５５背面から放出された超音波は水平方向へ反射される。
【０１２３】
次に、第１の反射板２００、２００と直角の角度を持って接続された第２の反射板２０２、２０２を各々第１の反射板２００、２００の外側へ接続することで超音波は超音波トランスデューサ５５横または上下から前面へ放出される。この第２の反射板長も第一の反射板長と同等であることが必要である。ここで重要なことは超音波トランスデューサ５５背面から放射された超音波が全て同じ長さの経路を持つことである。経路長が同じであることは背面から放出される超音波の位相が全てそろっていることを意味しているからである。
【０１２４】
また、図９のように音波を幾何学的に扱うことができるのは、放出する音波が超音波であるため、極めて強い指向性を持つからである。またもう一点言及しておく必要があるのは、超音波トランスデューサ５５前面から放出された超音波と背面から反射されて前面へ放出された超音波の時間差である。
【０１２５】
トランスデューサの中心からaの距離だけ離れた地点から放出された超音波は、トランスデューサを円形と仮定しその半径をｒとすると、トランスデューサ前面まで到達する距離はおおよそ2ｒ、すなわちトランスデューサの直径に等しい。勿論、距離aは次式を満たしていなければならない。
０≦ａ≦ｒ    ……  （５）
【０１２６】
今、トランスデューサの直径を約１０cmとし、音速を３４０m/secとすると、前面から放出される超音波と背面から放出された超音波が反射して前面に到達するまでの時間差は約０．２９msecであり、人間が知覚できない時間差であるので問題はない。すなわち、トランスデューサの前面および背面から放出される超音波を有効利用できる。
【０１２７】
[本発明による超音波スピーカの構成例]
次に、本発明の実施形態に係る超音波スピーカの構成を図１０に示す。本実施形態に係る超音波スピーカは、上述した本発の実施形態に係る静電型超音波トランスデューサ（図１）を超音波トランスデューサ５５として用いたものである。
【０１２８】
図１０において、本実施形態に係る超音波スピーカは、可聴波周波数帯の信号波を生成する可聴周波数波発振源（信号源）５１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発振源（キャリア波供給手段）５２と、変調器（変調手段）５３と、パワーアンプ５４と、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）５５とを有している。
変調器５３は、キャリア波発振源５２から出力されるキャリア波を可聴周波数波発振源５１から出力される可聴波周波数帯の信号波により変調し、パワーアンプ５４を介して超音波トランスデューサ５５に供給する。
【０１２９】
上記構成において、可聴周波数波発振源５１より出力される信号波によってキャリア波発振源５２から出力される超音波周波数帯のキャリア波を変調器５３により変調し、パワーアンプ５４で増幅した変調信号により超音波トランスデューサ５５を駆動する。この結果、上記変調信号が超音波トランスデューサ５５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。
【０１３０】
すなわち、音波は空気を媒体として伝播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な顕著に表れ、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（超音波周波数帯）とに波形分離され、可聴波周波数帯の信号波（信号音）が再生される。
【０１３１】
以上のように高音圧の広帯域性が確保されると様々な用途にスピーカとして利用することが可能となる。超音波は空中では減衰が激しく、その周波数の二乗に比例して減衰する。したがって、キャリア周波数（超音波）が低いと減衰も少なくビーム状に遠くまで音の届く超音波スピーカを提供することができる。
【０１３２】
逆にキャリア周波数が高いと減衰が激しいのでパラメトリックアレイ効果が十分に起きず、音が広がる超音波スピーカを提供することができる。これらは同じ超音波スピーカでも用途に応じて使い分けることが可能なため大変有効な機能である。
【０１３３】
また、ペットとして人間と生活をともにすることの多い犬は４０ｋHｚまで、猫は１００ｋHｚまでの音を聞くことが可能であるため、それ以上のキャリア周波数を用いればペットに及ぼす影響もなくなるという利点も有する。いずれにせよ色々な周波数で利用できるということは多くのメリットをもたらす。
【０１３４】
本発明の実施形態に係る超音波スピーカによれば、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に高い音圧レベルの音響信号を発生することができる。
【０１３５】
また、本発明の実施形態に係る超音波スピーカでは、上記各実施形態に示した静電型超音波トランスデューサの何れかを使用して構成したので、すなわち、静電型超音波トランスデューサにおける前記一対の固定電極に設けられた貫通穴を共鳴管として作用させ、振動膜の機械的振動共振周波数と貫通穴の音響共鳴周波数とをずらすように静電型超音波トランスデューサを駆動制御するようにしたので、広周波数帯域に亘って強い超音波を発生させることができ、電気−音響エネルギー変換効率を向上させることが可能となる。
【０１３６】
［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、貫通穴を有する第１の電極と、前記第１の電極の前記貫通穴と対をなす貫通穴を有する第２の電極と、前記第１と第２の電極からなる一対の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有し、前記一対の電極と前記振動膜とを保持するとともに、前記振動膜の機械的振動共振点となる共振周波数から所定の周波数だけずらした周波数のキャリア波の波長をλとしたとき、前記一対の固定電極の各々の厚さｔを（λ／４）・ｎもしくは略（λ／４）・ｎ（但し、λは超音波の波長、ｎは正の奇数）とし、前記一対の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である交流信号が印加される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。
【０１３７】
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。
【０１３８】
プロジェクタ３０１の外観構成を図５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。
【０１３９】
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。
【０１４０】
次に、プロジェクタ３０１の電気的構成を図６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。
【０１４１】
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。
【０１４２】
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。
【０１４３】
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。
【０１４４】
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。
【０１４５】
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。
【０１４６】
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。
【０１４７】
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。
【０１４８】
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。
【０１４９】
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。
【０１５０】
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。
【０１５１】
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。
【０１５２】
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。
【０１５３】
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。
【０１５４】
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。
【０１５５】
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４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。
【０１５６】
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。
【０１５７】
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。
【０１５８】
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。
【０１５９】
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。
【０１６０】
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７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。
【０１６１】
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７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。
【０１６２】
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。
【０１６３】
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。
【０１６４】
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既述したように、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。
また、本発明のプロジェクタでは、振動膜の機械的振動共振周波数と貫通穴の音響的共鳴周波数とをずらすように駆動制御する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、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。
【産業上の利用可能性】
【０１６５】
本発明の実施形態に係る超音波トランスデューサは、各種センサ、例えば、測距センサ等に利用可能であり、また、既述したように、指向性スピーカ用の音源や、理想的なインパルス信号発生源等に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１６６】
【図１】本発明の実施形態に係る超音波トランスデューサの構成を示す図。
【図２】本発明の実施形態に係る超音波トランスデューサにおける固定電極の形状の具体例を示す説明図。
【図３】本発明の実施形態に係る超音波トランスデューサにおける固定電極の貫通溝構造の具体例を示す説明図。
【図４】本発明の実施形態に係る超音波トランスデューサにおける振動膜の構造の具体例を示す説明図。
【図５】本発明の実施形態に係る超音波トランスデューサにおける貫通穴が設けられた固定電極の構成を示す平面図。
【図６】共鳴管の集合体である共鳴管ユニットとしての固定電極における音の共鳴状態を示す正面断面図。
【図７】振動膜の機械的振動共振による音圧、音響共鳴による音圧、およびそれらの合成音圧（最終的な出力音圧）と周波数との関係を示す特性図。
【図８】振動膜の機械的振動の一次共振周波数、キャリア波（超音波周波数帯）の波長λ、音響管長との関係の具体例を示す説明図。
【図９】本発明の他の実施形態に係る超音波トランスデューサの構成を示す図。
【図１０】本発明の実施形態に係る超音波スピーカの構成を示すブロック図。
【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ブロック図。
【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】従来の共振型の超音波トランスデューサの構成を示す図。
【図１６】従来の静電型の広帯域発振型超音波トランスデューサの具体的構成を示す図。
【図１７】本発明の実施形態に係る超音波トランスデューサの周波数特性を従来の超音波トランスデューサの周波数特性と共に示した図。
【符号の説明】
【０１６７】
１…超音波トランスデューサ、１０Ａ，１０Ｂ…固定電極、１２…振動膜、１４…穴、１６…直流バイアス電源、１８…信号源、５１…可聴周波数波発振源、５２…キャリア波発振源、５３…変調器、５４…パワーアンプ、５５…超音波トランスデューサ、１２０…絶縁フィルム、１２１…電極層
【図１】
0004802998.tif 000002
【図２】
0004802998.tif 000003
【図３】
0004802998.tif 000004
【図４】
0004802998.tif 000005
【図５】
0004802998.tif 000006
【図６】
0004802998.tif 000007
【図７】
0004802998.tif 000008
【図８】
0004802998.tif 000009
【図９】
0004802998.tif 000010
【図１０】
0004802998.tif 000011
【図１１】
0004802998.tif 000012
【図１２】
0004802998.tif 000013
【図１３】
0004802998.tif 000014
【図１４】
0004802998.tif 000015
【図１５】
0004802998.tif 000016
【図１６】
0004802998.tif 000017
【図１７】
0004802998.tif 000018