(57)【要約】【課題】  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を可能とする。【解決手段】  表面に凹凸部を有する固定電極１０と、電極層１２Ｂを有し固定電極１０の表面に設置される振動膜１２と、固定電極１０と振動膜１２とを保持する部材３０とを有し、振動膜１２の電極層１２Ｂと固定電極１０との間に交流信号を印加することにより駆動される超音波トランスデューサであって、周波数２０kHzから１２０kHzの範囲において１２０ｄＢ以上の音圧を発生する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に凹凸部を有する固定電極と、
電極層を有し前記固定電極の表面に設置される振動膜と、
前記固定電極と振動膜とを保持する部材とを有し、
前記振動膜の電極層と固定電極との間に交流信号を印加することにより駆動する超音波トランスデューサであって、
周波数２０kHzから１２０kHzの範囲において１２０ｄＢ以上の音圧を発生することを特徴とする超音波トランスデューサ。
【請求項２】
周波数２０kHzから１２０kHzの範囲における１２０ｄＢ以上の音圧の変動が、６ｄＢ以内（±３ｄＢ）である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】
前記固定電極の凹凸部は、同心円状に形成された複数の真円溝で構成されていることを特徴とする請求項２に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項４】
前記固定電極の凹凸部は、同心円状に形成された複数の楕円溝で構成されていることを特徴とする請求項２に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項５】
前記固定電極の凹凸部は、複数の直線溝で構成されていることを特徴とする請求項２に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項６】
前記固定電極の凹凸部は、複数の自由曲線溝で構成されていることを特徴とする請求項２に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項７】
前記溝断面形状は矩形状、テーパー形状、下部略半円形状などのいずれかで構成されていることを特徴とする請求項３乃至６のいずれかに記載の超音波トランスデューサ。
【請求項８】
前記固定電極の凹凸部は、複数の円柱穴で構成されていることを特徴とする請求項２に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項９】
前記固定電極の凹凸部は、複数の円錐穴で構成されていることを特徴とする請求項２に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項１０】
前記固定電極の凹凸部は、請求項３乃至５記載のいずれかまたは複数形状の溝と、請求項８または９記載のいずれかまたは複数形状の穴で構成されていることを特徴とする請求項２に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項１１】
前記固定電極の凹凸部の凸部上面に溝部、または連続的に配置される穴が設けられていることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載の超音波トランスデューサ。
【請求項１２】
前記溝部は連続した溝状に形成されていることを特徴とする請求項１１に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項１３】
前記溝部は、同心円状に形成された複数の真円溝で構成されていることを特徴とする請求項１２に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項１４】
前記溝部は、同心円状に形成された複数の楕円溝で構成されていることを特徴とする請求項１２に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項１５】
前記溝部は、複数の直線溝で構成されていることを特徴とする請求項１２に記載超音波トランスデューサ。
【請求項１６】
前記溝部は、複数の自由曲線溝で構成されていることを特徴とする請求項１２に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項１７】
前記溝部の断面形状は、矩形状、テーパー形状、下部略半円形状などのいずれかで構成されていることを特徴とする請求項１３乃至１６のいずれかに記載の超音波トランスデューサ。
【請求項１８】
前記穴は、同心円状、または直線状に連続的に配置される複数の円柱穴で構成されることを特徴とする請求項１１に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項１９】
前記穴は、同心円状、または直線状に連続的に配置される複数の円錐穴で形成されることを特徴とする請求項１１に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項２０】
前記固定電極は、単一の導電性部材からなることを特徴とする請求項２乃至１９のいずれかに記載の超音波トランスデューサ。
【請求項２１】
前記固定電極は、複数の導電性部材からなることを特徴とする請求項２乃至１９のいずれかに記載の超音波トランスデューサ。
【請求項２２】
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であることを特徴とする請求項２乃至２１のいずれかに記載の超音波トランスデューサ。
【請求項２３】
前記振動膜は、電極層を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請求項２乃至２１のいずれかに記載の超音波トランスデューサ。
【請求項２４】
前記振動膜の電極層に単一極性の直流バイアス電圧が印加されることを特徴とする請求項２乃至２３のいずれかに記載の超音波トランスデューサ。
【請求項２５】
前記固定電極に単一極性の直流バイアス電圧が印加されることを特徴とする請求項２乃至請求項２３のいずれかに記載の超音波トランスデューサ。
【請求項２６】
前記固定電極と振動膜を保持する部材は絶縁材料で形成されていることを特徴とする請求項２乃至２５のいずれかに記載の超音波トランスデューサ。
【請求項２７】
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ていることを特徴とする請求項２乃至２６のいずれかに記載の超音波トランスデューサ。
【請求項２８】
前記超音波トランスデューサは固有振動の共振点ではなく、駆動電圧で発生する静電力による強制振動を利用することを特徴とする請求項２乃至２７のいずれかに記載の超音波トランスデューサ。
【請求項２９】
請求項１乃至２８のいずれかに記載の超音波トランスデューサと、
可聴波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、
を有する超音波スピーカであって、
前記超音波トランスデューサは、前記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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、広周波数帯域に渡って一定の高音圧を発生する静電型の超音波トランスデューサ及びこれを用いた超音波スピーカに関する。
【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１８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１８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１８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。
【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。
【特許文献１】特表２００２−５２６００４号公報
【特許文献２】特表２００４−５０１５２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述した図１６に示す共振型の超音波トランスデューサと異なり、従来から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。
しかし、音圧の最大値は、図１９において、曲線Ｑ２で示すように共振型超音波トランスデューサが１３０ｄＢ以上であるのに比べ、静電型超音波トランスデューサでは同図において、曲線Ｑ１で示すように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。
【０００５】
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にオーディオ信号（可聴領域信号）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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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の周波数帯域に渡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。
【０００９】
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。
【００１０】
これに対し本発明に係る静電型の超音波トランスデューサは、上記従来技術の抱える課題を全て解決できるとともに、後述する電極構造を工夫することにより静電型超音波トランスデューサの課題であった音圧不足も解消したデバイスであり、その応用として超音波スピーカには大変適したデバイスであるといえる。
その周波数特性も図１９において、曲線Ｑ３で示すように、広周波数帯域にわたって、１２０ｄＢ以上の音圧が得られることが分かる。
【００１１】
本発明は、上述した従来技術の課題を解決し、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超音波トランスデューサ及びこれを用いた超音波スピーカを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために本発明の超音波トランスデューサは、表面に凹凸部を有する固定電極と、電極層を有し前記固定電極の表面に設置される振動膜と、前記固定電極と振動膜とを保持する部材とを有し、前記振動膜の電極層と固定電極との間に交流信号を印加することにより駆動する超音波トランスデューサであって、周波数２０kHzから１２０kHzの範囲において１２０ｄＢ以上の音圧を発生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、固定電極及び振動膜の構造を工夫することにより、周波数２０kHzから１２０kHzの広周波数帯域にわたってパラメトリック効果が得られるのに十分な１２０ｄＢ以上の音圧が得られる。このため、キャリア周波数を種々、選択でき、音の拡がりや、音の到達距離等の制御を容易に行うことができる。
【００１３】
また、本発明の超音波トランスデューサは、周波数２０kHzから１２０kHzの範囲における１２０ｄＢ以上の音圧の変動が、６ｄＢ以内（±３ｄＢ）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、周波数２０kHzから１２０kHzの範囲における１２０ｄＢ以上の音圧の変動が、６ｄＢ以内（±３ｄＢ）であり、安定した音響出力が得られる。
【００１４】
また、本発明の超音波トランスデューサは、前記固定電極の凹凸部は、同心円状に形成された複数の真円溝で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超音波トランスデューサでは、前記固定電極の凹凸部は、同心円状に形成された複数の真円溝で構成される。このため、固定電極と振動膜との間で複数のコンデンサが形成され、それらの出力が合成されることにより、既述した広周波数帯域において、パラメトリックアレイ効果が得られるのに十分に高い音圧が得られる。また、この場合、外周側の真円溝の方が振幅がとれるため、指向性が鋭くなるという長所を有している。
【００１５】
また、本発明の超音波トランスデューサは、前記固定電極の凹凸部は、同心円状に形成された複数の楕円溝で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超音波トランスデューサでは、前記固定電極の凹凸部は、同心円状に形成された複数の楕円溝で構成される。この溝形状の場合にも、同心円状に形成された複数の楕円溝で構成される場合と同様の効果を有する。
【００１６】
また、本発明の超音波トランスデューサは、前記固定電極の凹凸部は、複数の直線溝で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超音波トランスデューサでは、前記固定電極の凹凸部は、複数の直線溝で構成される。この溝形状の場合にも、同心円状に形成された複数の楕円溝で構成される場合と同様の効果を有する。なお、この直線溝にした場合には、最も固定電極を容易に製造することができる。
【００１７】
また、本発明の超音波トランスデューサは、前記固定電極の凹凸部は、複数の自由曲線溝で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超音波トランスデューサでは、前記固定電極の凹凸部は、複数の自由曲線溝で構成される。この溝形状の場合にも、同心円状に形成された複数の楕円溝で構成される場合と同様の効果を有する。
【００１８】
また、本発明の超音波トランスデューサは、前記溝断面形状は矩形状、テーパー形状、下部略半円形状などのいずれかで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超音波トランスデューサでは、前記溝断面形状は矩形状、テーパー形状、下部略半円形状などのいずれかで構成される。これらのいずれの形状でも固定電極と振動膜との間で複数のコンデンサが形成され、既述した広周波数帯域において、パラメトリックアレイ効果が得られるのに十分に高い音圧が得られる。
【００１９】
また、本発明の超音波トランスデューサは、前記固定電極の凹凸部は、複数の円柱穴で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超音波トランスデューサでは、固定電極と振動膜との間で無数のコンデンサが形成され、それらの出力が合成されることにより、既述した広周波数帯域において、パラメトリックアレイ効果が得られるのに十分に高い音圧が得られる。
【００２０】
また、本発明の超音波トランスデューサは、前記固定電極の凹凸部は、複数の円錐穴で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超音波トランスデューサでは、固定電極と振動膜との間で無数のコンデンサが形成され、それらの出力が合成されることにより、既述した広周波数帯域において、パラメトリックアレイ効果が得られるのに十分に高い音圧が得られる。
【００２１】
また、本発明の超音波トランスデューサは、前記固定電極の凹凸部は、同心円状に形成された複数の真円溝、同心円状に形成された複数の楕円溝、複数の直線溝のいずれかまたは複数形状の溝と、複数の円柱穴、複数円錐穴のいずれかまたは複数形状の穴で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超音波トランスデューサでは、前記固定電極の凹凸部は、同心円状に形成された複数の真円溝、同心円状に形成された複数の楕円溝、複数の直線溝のいずれかまたは複数形状の溝と、複数の円柱穴、複数円錐穴のいずれかまたは複数形状の穴で構成される。したがって、固定電極と振動膜との間で無数のコンデンサが形成され、それらの出力が合成されることにより、既述した広周波数帯域において、パラメトリックアレイ効果が得られるのに十分に高い音圧が得られる。
【００２２】
また、本発明の超音波トランスデューサは、前記固定電極の凹凸部の凸部上面に溝部、または連続的に配置される穴が設けら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超音波トランスデューサでは、前記固定電極の凹凸部の凸部上面に溝部、または連続的に配置される穴が設けられる。これにより、振動膜が固定電極に吸着する程度が弱まり、電気信号を音波信号に変換する変換効率の向上が図れ、出力音圧レベルを向上させることができる。
また、振動膜と固定電極間の静電容量を減少させ、超音波トランスデューサの駆動電流を軽減させることができる。
【００２３】
また、本発明の超音波トランスデューサは、前記溝部は連続した溝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超音波トランスデューサでは、前記溝部は連続した溝状に形成される。これにより、振動膜が固定電極に吸着する程度が弱まり、電気信号を音波信号に変換する変換効率の向上が図れ、出力音圧レベルを向上させることができる。
また、振動膜と固定電極間の静電容量を減少させ、超音波トランスデューサの駆動電流を軽減させることができる。
【００２４】
また、本発明の超音波トランスデューサは、前記溝部は、同心円状に形成された複数の真円溝で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超音波トランスデューサでは、前記溝部は、同心円状に形成された複数の真円溝で構成される。これにより、振動膜が固定電極に吸着する程度が弱まり、電気信号を音波信号に変換する変換効率の向上が図れ、出力音圧レベルを向上させることができる。
また、振動膜と固定電極間の静電容量を減少させ、超音波トランスデューサの駆動電流を軽減させることができる。
【００２５】
また、本発明の超音波トランスデューサは、前記溝部は、同心円状に形成された複数の楕円溝で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超音波トランスデューサでは、前記溝部は、同心円状に形成された複数の楕円溝で構成される。これにより、振動膜が固定電極に吸着する程度が弱まり、電気信号を音波信号に変換する変換効率の向上が図れ、出力音圧レベルを向上させることができる。
また、振動膜と固定電極間の静電容量を減少させ、超音波トランスデューサの駆動電流を軽減させることができる。
【００２６】
また、本発明の超音波トランスデューサは、前記溝部は、複数の直線溝で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超音波トランスデューサでは、前記溝部は、複数の直線溝で構成される。これにより、振動膜が固定電極に吸着する程度が弱まり、電気信号を音波信号に変換する変換効率の向上が図れ、出力音圧レベルを向上させることができる。
また、振動膜と固定電極間の静電容量を減少させ、超音波トランスデューサの駆動電流を軽減させることができる。
【００２７】
また、本発明の超音波トランスデューサは、前記溝部は、複数の自由曲線溝で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超音波トランスデューサでは、前記溝部は、複数の自由曲線溝で構成される。これにより、振動膜が固定電極に吸着する程度が弱まり、電気信号を音波信号に変換する変換効率の向上が図れ、出力音圧レベルを向上させることができる。
また、振動膜と固定電極間の静電容量を減少させ、超音波トランスデューサの駆動電流を軽減させることができる。
【００２８】
また、本発明の超音波トランスデューサは、前記溝部の断面形状は、矩形状、テーパー形状、下部略半円形状などのいずれかで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超音波トランスデューサでは、前記溝部の断面形状は、矩形状、テーパー形状、下部略半円形状などのいずれかで構成される。これにより、振動膜が固定電極に吸着する程度が弱まり、電気信号を音波信号に変換する変換効率の向上が図れ、出力音圧レベルを向上させることができる。
また、振動膜と固定電極間の静電容量を減少させ、超音波トランスデューサの駆動電流を軽減させることができる。
【００２９】
また、本発明の超音波トランスデューサは、前記穴は、同心円状、または直線状に連続的に配置される複数の円柱穴で構成され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、前記穴は、同心円状、または直線状に連続的に配置される複数の円柱穴で構成される。これにより、振動膜が固定電極に吸着する程度が弱まり、電気信号を音波信号に変換する変換効率の向上が図れ、出力音圧レベルを向上させることができる。
また、振動膜と固定電極間の静電容量を減少させ、超音波トランスデューサの駆動電流を軽減させることができる。
【００３０】
また、本発明の超音波トランスデューサは、前記穴は、同心円状、または直線状に連続的に配置される複数の円錐穴で形成され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、前記穴は、同心円状、または直線状に連続的に配置される複数の円錐穴で形成される。これにより、振動膜が固定電極に吸着する程度が弱まり、電気信号を音波信号に変換する変換効率の向上が図れ、出力音圧レベルを向上させることができる。
また、振動膜と固定電極間の静電容量を減少させ、超音波トランスデューサの駆動電流を軽減させることができる
【００３１】
また、本発明の超音波トランスデューサは、また、請求項２０に記載の発明は、請求項２乃至９のいずれかに記載の超音波トランスデューサにおいて、前記固定電極は、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超音波トランスデューサでは、前記一対の固定電極は、単一の導電性部材、例えば、ＳＵＳ、真鍮、鉄、ニッケル等の導電材料で形成することができる。
【００３２】
また、本発明の超音波トランスデューサは、前記固定電極は、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超音波トランスデューサでは、前記固定電極は、複数の導電性部材で形成することができる。
【００３３】
また、本発明の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、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る。したがって、振動膜を容易に作製することができる。
【００３４】
また、本発明の超音波トランスデューサは、前記振動膜は、電極層を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、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、固定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。
【００３５】
また、本発明の超音波トランスデューサは、前記振動膜の電極層に単一極性の直流バイアス電圧が印加され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、前記固定電極と振動膜との間に印加される交流信号の極性に応じて、振動膜が静電吸引力を受け、振動する。
【００３６】
また、本発明の超音波トランスデューサは、前記固定電極に単一極性の直流バイアス電圧が印加され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、前記固定電極に単一極性の直流バイアス電圧が印加される。したがって、前記固定電極と振動膜の電極層との間には直流バイアス電圧に重畳された交流信号が印加され、該交流信号の極性に応じて、振動膜が静電吸引力を受け、振動する。
【００３７】
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を保持する部材は絶縁材料で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超音波トランスデューサでは、前記固定電極と振動膜を保持する部材は絶縁材料で形成される。したがって、固定電極と振動膜との間の電気的絶縁が保持される。
【００３８】
また、本発明の超音波トランスデューサは、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てい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、振動膜を固定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。
【００３９】
また、本発明の超音波トランスデューサは、固有振動の共振点ではなく、駆動電圧で発生する静電力による強制振動を利用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、固有振動の共振点ではなく、駆動電圧で発生する静電力による強制振動を利用する。したがって、駆動電圧のレベル、周波数を変化させることにより広周波数帯域にわたって所望の音圧レベルの音響信号を発生させることができる。
【００４０】
また、本発明の超音波スピーカは、上記いずれかの超音波トランスデューサと、可聴波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する超音波スピーカであって、前記超音波トランスデューサは、前記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。
【００４１】
このように構成した本発明の超音波スピーカでは、信号源により可聴波周波数帯の信号波を生成され、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で変調され、前記超音波トランスデューサは、前記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。
本発明の超音波スピーカは、上記構成の超音波トランスデューサを用いて構成したので、広帯域超音波スピーカとして用いる場合、圧電材料を用いる従来の静電型超音波トランスデューサに比べ、安価で音質の良い超音波スピーカが実現できる。
また広帯域であるため様々なキャリア周波数を用いることができ、音の広がりや音の到達距離などの制御も可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４２】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。本発明の第１実施形態に係る超音波トランスデューサの構成を図１に示す。本発明の第１実施形態に係る超音波トランスデューサは、表面に凹凸部を有する固定電極１２と、電極層３を有し固定電極１２の表面に設置される振動膜１０と、固定電極１２と振動膜１０とを保持する部材３０とを有し、振動膜１０の電極層３と固定電極１２との間に交流信号を印加することにより駆動される超音波トランスデューサであって、周波数２０kHzから１２０kHzの範囲において１２０ｄＢ以上の音圧を発生することを特徴としている。
【００４３】
また、本発明の第１実施形態に係る超音波トランスデューサでは、周波数２０kHzから１２０kHzの範囲における１２０ｄＢ以上の音圧の変動が、６ｄＢ以内（±３ｄＢ）であることを特徴としている。
【００４４】
図１において、第１実施形態に係る超音波トランスデューサ（静電型）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２（絶縁体）を用いている。誘電体２に対しては、アルミ等の金属箔として形成される電極層３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、真鍮で形成された固定電極１２が誘電体２の下面部に接触するように設けられている。誘電体２及び電極層３で振動膜１０が形成されている。固定電極１２は、リード４２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３５に固定されている。
【００４５】
また、振動膜１０における電極層３は、リード４３が接続されており、このリード４３は直流バイアス電源４０に接続されている。この直流バイアス電源４０により振動膜１０の電極層３には５０〜１５０Ｖ程度の振動膜吸着用の直流バイアス電圧が常時、印加され振動膜１０の電極層３が固定電極１２側に吸着されるようになっている。４１は信号源である。
【００４６】
誘電体２および電極層３ならびにベース板３５は、メタルリング３６、３７、および３８、ならびにメッシュ３９とともに、ケース３０によってかしめられてる。
固定電極１２の誘電体２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、固定電極１２と誘電体２との間の空隙となるので、電極層３および固定電極１２間の静電容量の分布が微小に変化する。
【００４７】
このランダムな微小な溝は、固定電極１２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、広帯域な周波数特性が得られるようになっている。
【００４８】
上記構成の超音波トランスデューサでは、振動膜１０の電極層３に直流バイアス電圧が印加された状態で振動膜１０の電極層３と固定電極１２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。
【００４９】
これに対して、上記構成の本発明の第１実施形態に係る超音波トランスデューサの周波数特性は、２０kHzから１２０kHzの広周波数帯域にわたって１２０ｄＢ以上の高音圧が得られ、最大音圧に比して±３dＢ程度である。
図１に示す本発明の第１実施形態に係る超音波トランスデューサ（広帯域型の静電トランスデューサ）は従来の超音波トランスデューサに対し、広帯域性と高音圧を同時に満たす能力を持っている。これは、固定電極表面に形成された凹凸部と振動膜がおびただしい数のコンデンサを音波放射面に形成し各々の振動が合成されることにより、高い音圧を広帯域に渡って発生させることができるのである。
【００５０】
なお、本発明の第１実施形態に係る超音波トランスデューサの構成の場合、図２に示すように、固定電極形状（固定電極の凹凸部の形状）は同心円状に形成された複数の真円溝で構成された円形溝構造（図２（ａ））、同心円状に形成された複数の楕円溝で構成された楕円溝構造（図２（ｂ））、複数の直線溝で構成された直線溝構造（図２（ｃ））などが可能である。生産技術上はスリット構造のほうが簡便で望ましい。図２（ａ）〜図２（ｃ）において、白色部分は固定電極の溝部であり、黒色部分は、凸部を形成する絶縁体である。
【００５１】
また、固定電極の溝底面の断面構造も図３に示すように矩形状（図３（ａ））、テーパー状（図３（ｂ））、曲線状（下部略半円形状）（図３（ｃ））などの形態が考えられる。
固定電極の材質は導電性であればよく、例えばアルミニウムやＳＵＳ、真鍮、鉄、ニッケル、チタン、導電性プラスチックなどが使用可能である。
【００５２】
図４は固定電極表面の凹凸部を形成するいくつかの穴パターンを示している。図４（ａ）は円柱穴タイプで、製造は最も簡単である。図４（ｂ）はテーパー状の円錐穴を示している。これら穴の効果も溝の効果と同様、振動膜との間でおびただしい数のコンデンサを構成し、音圧を上げる役割を担っている。
【００５３】
固定電極に形成される溝および穴の音圧上昇効果は上述した通りであるが、広帯域性（広い周波数範囲にわたって高い音圧を発生すること）の主たる原因は、溝や穴の自由振動の固有周波数（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形状にメッキ加工などを施すなどの方法も有効である。共振点）で動作させず、電気的エネルギーによる強制振動が支配的な周波数領域で駆動させるように設計されていることに起因する。
【００５４】
固定電極１０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、導電性プラスチックなど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形状にメッキ加工などを施すなどの方法も有効である。
【００５５】
図５は、本発明の第１実施形態に係る超音波トランスデューサの固定電極の凹凸部における凸部上面の構造の一例を示す断面図及び部分拡大図である。
【００５６】
図５において、固定電極１２には、凹部２１と凸部２２が形成され、凸部２２の上面には、例えば、インクジェット法により液滴（エポキシ系の液滴材料など）を塗布してバンク２３が形成される。また、バンク２３により溝部（連続溝または穴（窪み））２４が形成される。このように、凸部２２の表面にバンク２３と溝部２４を設けることにより、振動膜が固定電極１２に吸着（張り付く）ことを防止でき、電気信号を音波信号に変換する効率を向上でき、出力音圧レベルを向上させることができる。
また、振動膜と固定電極との間に形成される平行コンデンサの静電容量を減少させ、超音波トランスデューサの駆動電流を軽減することができる。
【００５７】
なお、図５に示す固定電極１２の例では、凹部２１は、深さが０．６ｍｍ、幅が０．３ｍｍである。凸部２２は、幅が０．２ｍｍ、高さが０．６ｍｍである。そして、凸部２２の上面のバンク２３は０．１ｍｍの間隔で並列に形成され、バンク２３の幅は５０μｍであり、その高さは１０μｍである。
【００５８】
また、バンク２３の間に形成される溝部２４の幅は０．１ｍｍであり、その幅は、バンク２３の形成位置を変更することにより、０．０５ｍｍから０．１５ｍｍの範囲に設定することができる。また、バンク２３の高さは５μｍ〜２０μｍの範囲に設定することができる。
【００５９】
また、固定電極１２の材料としては、例えば、Ｎｉ（ニッケル）、ＳＵＳ、黄銅、真鍮、銅、アルミなどが使用できる。なお、固定電極１２にアルミを使用する場合には、例えば、凸部２２の上面にＣｒ（クローム）メッキ処理を施すことにより、液滴材料との密着性を向上させることができる。また、凸部２２の上面に親液処理を施し、液滴材料との密着性を向上させることもできる。
【００６０】
また、図６は、固定電極の平面図を示したものであり、凸部２２の上面にバンクを形成した状態を模式的に示したものである。図６に示す例おいては、凸部２２上には、バンク２３が０．１ｍｍ幅の間隔で平行して形成され、凸部上に溝部（連続溝または穴（窪み））２４が形成された例を示している。なお、図６に示す例では、凸部２２が３つの場合を示しているが、実際には、必要に応じてより多くの凸部２２が形成される。
【００６１】
上記実施形態では、固定電極１２の凹凸部の凸部上面に、バンクを形成することにより溝部を形成するようにしているが、固定電極１２の凹凸部の凸部上面に放電加工等により溝部を形成するようにしてもよい。
また、固定電極１２の凹凸部の凸部上面に形成される溝部は、孤立した溝を連続的に形成してもよいし、連続した溝状に形成してもよく、どちらでも同様の効果が得られる。例えば、この溝部は、図２（ａ）に示すように、同心円状に形成された複数の真円溝で構成されてもよい。
また、溝部は、図２（ｂ）に示すように、同心円状に形成された複数の楕円溝で構成されてもよい。
【００６２】
また、前記溝部は、図２（ｃ）に示すように複数の直線溝、あるいは複数の自由曲線溝で構成されてもよい。さらに、上記溝部の断面形状は、図３に示すように矩形状、テーパー形状、下部略半円形状などのいずれかで構成されてもよい。
さらに、固定電極の凹凸部の凸部上面に溝部の代りに連続的に配置される穴を設けるようにしてもよい。この穴は、同心円状、または直線状に連続的に配置される複数の図４（ａ）に示すような、円柱穴を形成するようにしてもよい。
さらに、上記穴は、同心円状、または直線状に連続的に配置される複数の図４（ｂ）に示すような円錐穴を形成するようにしてもよい。
【００６３】
このように、固定電極の凹凸部の凸部上面に溝部の代りに連続的に配置される穴を設けた場合にも溝部を設けた場合と同様の効果が得られる。
また、溝部の代りに連続的に穴を設けた場合において、穴の種類を問わず、同様の効果が得られる。
また、上述した固定電極の凹凸部における凸部に溝部または穴を形成する方法は、どのような方法を用いてもよい。
【００６４】
次に振動膜１０について説明する。振動膜１０の機能は常に同極性の電荷を蓄積しておき（＋の極性または−の極性のいずれでもかまわない）、交流電圧で変化する固定電極との間に働く静電力により振動することである。本発明の第１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１０の具体的構成例を、図５を参照して説明する。
【００６５】
図５（ａ）は振動膜１０が片面電極蒸着膜である場合の振動膜１０の断面図である。同図に示すように、絶縁フィルム１０１の表面に電極層１０２が蒸着により形成されている。絶縁フィルム１０１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。
【００６６】
電極層１０２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１０における絶縁フィルム１０１としての絶縁高分子膜の厚みは駆動周波数や固定電極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と思われる。望ましくは１μm〜５０μm、さらに望ましくは１μm〜２０μm程度が良い。
【００６７】
電極層１０２としての電極蒸着層の厚みも４０nm〜２００nmの範囲が望ましい。電極蒸着層の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。
【００６８】
図５（ｂ）は電極層１０２を高分子材料で形成された絶縁フィルム（絶縁性高分子フィルム）１０１で挟み込んだ構造の振動膜１０の断面構造を示している。このときの電極層１０２の厚みも図５（ａ）の場合と同様に４０nm〜２００nmの範囲が望ましい。
【００６９】
また、電極層１０２を挟む絶縁フィルム１０１の材質、厚さも図５（ａ）の片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以下で良い。望ましくは１μm〜５０μm、さらに望ましくは１μm〜２０μm程度が良い。この場合も電極材料としては、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、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。
【００７０】
また、振動膜１０あるいは固定電極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１０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、上記直流バイアス電圧は低減できる。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がもたらす膜の復元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。
【００７１】
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。
【００７２】
つぎに、図６に本発明の第１実施形態に係る超音波トランスデューサの電極構造の具体例を示す。図６（Ａ）は、超音波トランスデューサの一部破断平面図を示し、図６（Ｂ）は、超音波トランスデューサの概略構成を示している。
図６において、超音波トランスデューサ１の固定電極は銅板にニッケルメッキで同心円状に直径１００μm、深さ１０μmの穴を設け、その後穴を避けるように放電加工で同心円状に幅０．３mm、深さ０．６mmの溝を９８本作製している。振動膜１０を構成する絶縁膜２の材質はＰＥＴで厚さは６μm、電極層３は５０nm厚さのアルミニウムを蒸着で生成している。
【００７３】
上記構成の超音波トランスデューサを直流バイアス電源４０により直流バイアス電圧１２５Ｖを振動膜１０の電極層３に印加し、かつ１５０Ｖp-pの交流電圧を信号源４１により振動膜１０の電極層３と固定電極１２との間に印加して駆動する。
このときの周波数特性を図７に示す。図７に示すように２０kHz〜１２０kHzの広帯域に渡って１２０ｄＢ以上の高音圧を実現し、かつ変動±３ｄＢ以下を実現していることが分かる。
【００７４】
因みに、一般に平行板コンデンサの電極間に働く力は次式で表される。
【００７５】
Ｆ＝ε／２・（Ｖ／ｄ）２・Ｓ      …  （１）
但し、Ｆは吸引力、εは誘電率、Ｖは電極間の印加電圧、ｄは電極間距離、Ｓは電極面積である。
したがって、吸引力は、式（１）から分かるように電極間の印加電圧の二乗及び電極面積に比例する。これは、電極間の印加電圧や、固定電極に凹凸を設けることによる電極表面の面積の増加に伴い、振動膜の電極層に蓄えられる電荷が増加するためである。
【００７６】
次に、本発明の第２実施形態に係る超音波トランスデューサの構成を図８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が第１実施形態に係る超音波トランスデューサと構成上、異なるのは電極構造のみであり、その他の構成は同一であるので、重複する説明は省略する。図８において、第２実施形態に係る超音波トランスデューサ１は、絶縁体で形成された振動膜２と該振動膜２上に形成された導電膜３とからなる上電極１０と、上電極１０の振動膜２に対向する面に凹凸が複数、形成された下電極１２と、直流バイアス電源１８と、信号源２０とを有している。
【００７７】
上電極１０と下電極１２との間には、常時、電圧調整可能な直流バイアス電源１８により一定の直流バイアス電圧が印加されており、この電界により発生する静電力により下電極１２の凸部Ａに上電極１０が吸着され、上電極１０とした電極１２との間に形成せれる空洞部１４を除き、密着した状態にある。
また、下電極１２には、空洞部１４から外部に連通する通気孔１６が形成されている。
【００７８】
また、上電極１０と下電極１２との間には、直流バイアス電源１８による直流バイアス電圧に重畳された状態で信号源２０により信号電圧である交流信号（周波数は２０ｋHｚ以上の超音波周波数帯）が印加されるようになっている。
前記通気孔１６は、空洞部１４内において振動膜２が振動時に生ずる空気の圧縮抵抗を低減させる圧縮抵抗低減手段として機能する。
【００７９】
上記構成において、上電極１０の導電膜３と下電極１２との間に直流バイアス電源１８により、直流バイアス電圧が印加されると、上電極１０に下電極１２の凸部１２Ａが吸着され、この状態で信号源２０より交流信号が上電極１０の導電膜３と下電極１２との間に直流バイアス電圧に重畳されて印加されることにより上電極１０の振動膜２は交流信号により駆動され、振動する。
【００８０】
このとき、空洞部１４内の空気には振動膜の振動に応じて圧力が加わるが、この空気は外部に連通する通気孔１６を介してスムーズに流れるので、振動膜２においてより大きな振動（振幅）が得られる。
図１０は、従来の超音波トランスデューサと本発明の第２実施形態に係る超音波トランスデューサの動作時の状態を示している。図１０は、超音波トランスデューサにおいて、上電極と下電極との間に形成されている１つの空洞部についてのみ簡略化して示している。
【００８１】
図１０（Ａ）に示すように従来の静電型の超音波トランスデューサでは、動作時に空洞部１４内の空気がダンパ（ばね）として作用するために上電極１０の膜振動の振幅は小さくなる。これに対して、本発明の第２実施形態に係る超音波トランスデューサでは、空洞部１４から外部に連通する通気孔１６が下電極１２に設けられているので、上電極１０の振動膜が振動時に空洞部14内の空気の流れがスムーズになり、膜振動の振幅は大きくなる。
【００８２】
図８に示した第２実施形態に係る超音波トランスデューサ１の断面構造は、実際には、図９（Ａ）に示すように、ケース２０によりかしめられている。
なお、第２実施形態に係る超音波トランスデューサの断面構造は、図９（Ａ）に示したものに限らず、図９（Ｂ）に示すように、ベース板２２上に下電極１２を固定し、下電極１２に設けられたすべての通気孔１４をベース板２２に設けた外部に連通する凹部２４に連通するように構成してもよい。
【００８３】
また、図９（Ｃ）に示すように、ベース板３０上に下電極１２を固定し、下電極１２に設けられた複数の通気孔１４の各々をベース板２２に設けた外部に連通する上記各通気孔１４の直下に設けられた通路２４に連通するように構成してもよい。
【００８４】
次に、本発明の第３実施形態に係る超音波トランスデューサの構成を図１１に示す。本発明の第３実施形態に係る超音波トランスデューサが第１、第２実施形態に係る超音波トランスデューサと構成上、異なるのは電極構造と、一方の上電極の背面にコーンを設けたことであり、その他の構成は同一であるので、重複する説明は省略する。
【００８５】
図１１において、第３実施形態に係る超音波トランスデューサ１Ａは、両面に凹凸が複数、形成された下電極１１２と、下電極１１２の両面に、それぞれ対向して配置され絶縁体で形成された振動膜１０１と該振動膜１０１上に形成された導電膜１０２とからなる二つの上電極１００Ａ、１００Ｂと、直流バイアス電源１１８と、信号源１２０と、二つの上電極１００、１００の一方に、例えば、上電極１００Ｂに対面する位置に設けられたコーン１２５とを有している。
【００８６】
二つの上電極１００Ａ、１００Ｂと下電極１１２とを密着させることにより下電極１１２の上下端に複数の空洞部１１４Ａ（下電極の上端側），１１４Ｂ（下電極の下端側）が形成されている。
また、下電極１１２の上下端に形成された空洞部１１４Ａ，１１４Ｂのうち下電極１１２の上端に形成された空洞部１１４Ａと、その直下の下電極１１２の下端に形成された空洞部１１４Ｂとをそれぞれ、連通する通気孔１１６が下電極１１２に形成されている。
【００８７】
また、下電極１１２には、電圧調整可能な直流バイアス電源１１８により一定の直流バイアス電圧が印加されるようになっている。
また、信号源１２０により、二つの上電極１００Ａ、１００Ｂ間に信号電圧である交流信号（周波数は２０ｋHｚ以上の超音波周波数帯）が印加されるようになっている。
【００８８】
上電極１００Ｂの一方に対面する位置に設けられたコーン１２５は、図上、下方に向けて発生した超音波を反射面１２５Ａ，１２５Ｂにより上方に反射する機能を有する。なお、本実施形態におけるコーン１２５の配置では、コーン１２５は下方に向けて発生した超音波を発散するよう機能するが、このコーン１２５の反射面１３０Ｃを上電極１００Ｂに対面するように位置させた場合には、コーン１２５は下方に向けて発生した超音波を前方に収束するように機能する。
コーンの材質としては、空気と音響インピーダンスの差が大きい材料、例えば硬い固体（金属、セラミック、プラスチック）などが望ましい。
【００８９】
上記構成において、下電極１１２に直流バイアス電源１１８により一定の直流バイアス電圧が印加された状態で、信号源１２０により交流信号が上電極１００Ａ，１００Ｂ間に印加されることにより二つの上電極１００Ａ，１００Ｂの導電膜１０２は駆動され、振動する。このときに上電極１００Ａの導電膜１０２に正極性の交流電圧が印加されるときは、上電極１００Ｂの導電膜１０２には負極性の交流電圧が印加される。この場合に、下電極１１２に正の直流バイアス電圧が印加されているので、下電極１１２の上端側に形成されている空洞部１１４Ａに対面する位置にある上電極１００Ａの振動膜１０１は下電極１１２より反発力を受け、図上、上方に変位する。
【００９０】
また、このとき、下電極１１２の下端側に形成されている空洞部１１４Ｂに対面する位置にある上電極１００Ｂの振動膜１０１は、下電極１１２より吸引力を受け、図上、上方に変位する。
同様に、上電極１００Ａの導電膜１０２に負極性の交流電圧が印加されるときは、上電極１００Ｂの導電膜１０２には正極性の交流電圧が印加される。この場合に、下電極１１２に正の直流バイアス電圧が印加されているので、下電極１１２の上端側に形成されている空洞部１１４Ａに対面する位置にある上電極１００Ａの振動膜１０１は下電極１１２より吸引力を受け、図上、下方に変位する。
【００９１】
また、このとき、下電極１１２の下端側に形成されている空洞部１１４Ｂに対面する位置にある上電極１００Ｂの振動膜１０１は、下電極１１２より反発力を受け、図上、下方に変位する。
【００９２】
このように、上電極１００Ａ，１００Ｂの導電膜１０２、１０２間に信号源１２０より交流信号が印加されると、その印加される交流信号の極性に応じて、上電極１００Ａの振動膜１０１が上方に変位する場合には、上電極１００Ｂの振動膜１０１も上方に変位し、上電極１００Ａの振動膜１０１が下方に変位する場合には、上電極１００Ｂの振動膜１０１も下方に変位するように、上電極１００Ａ，１００Ｂの導電膜１０２、１０２は、同方向に変位する。
【００９３】
このために、空洞部１１４Ａ、空洞部１１４Ｂ内にトラップされた空気は、通気孔１１６を介して移動し、空洞部１１４Ａ，１１４Ｂにトラップされた空気の体積変化を抑制することができ、それ故、空気の体積膨張率によるばね効果が減少し、より大きな膜振動が得られる。
【００９４】
図１２に第２実施形態に係る超音波トランスデューサの上電極と下電極との固定方法を示している。図１１に示した第２実施形態に係る超音波トランスデューサでは、上電極１００Ａ，１００Ｂの振動膜は、交流信号の極性に応じて上下双方の力を交互に受けるので、常に下電極１１２に吸引されているわけではない。
したがって、静電吸引力に代わる他の方法が必要となる。なお、図１２では、電極構造を簡略化して示しているが、図１１に示す超音波トランスデューサの電極構造と同一のものである。
【００９５】
図１２（Ａ）に示す上電極と下電極との固定方法は、超音波トランスデューサ１Ａにおける二つの上電極１００Ａ，１００Ｂと下電極１１２との接触面を接着することにより固定するものである。
図１２（Ｂ）に示す上電極と下電極との固定方法は、下電極１１２の空洞部１１４Ａ，１１４Ｂの形状に対応する（同一の）形状の、例えばメッシュ状の部材１４０で上電極１００Ａ，１００Ｂを下電極１１２に固定する方法を図示している。メッシュの材質としては電極を傷めないような柔らかく滑らかな加工が施されている材料、例えば繊維、プラスチックなどが望ましい。
【００９６】
図１２に示す方法により上電極と下電極とを固定することにより、上電極を下電極に吸着させるための直流バイアス電圧を不要とすることができる。
なお、第２実施の形態、第３第実施形態に係る超音波トランスデューサの周波数特性は、図１７における曲線Ｑ３に示すものとなり、広周波数帯域にわたって、音圧レベルが一定で、かつ大きくとれる。
【００９７】
以上に説明したように、本発明の第２実施形態に係る超音波トランスデューサによれば、上電極と下電極とを密着させることにより該上電極と下電極との間に形成される複数の空洞部内から外部に連通する通気孔を前記下電極に設けたので、振動膜が振動時に空気の流れがスムーズとなり、振動膜の振幅を大きくすることができる。
【００９８】
また、本発明の第３実施形態に係る超音波トランスデューサによれば、下電極の両面に上電極を構成する振動膜を設け、前記下電極の上下端に形成された空洞部のうち上端に形成された空洞部と、その直下の前記下電極の下端に形成された空洞部とをそれぞれ、連通する通気孔を形成したので、二つの上電極の振動膜を二つの上電極間に印加される交流信号の極性に応じて、同方向に変位させることにより下電極の上下端に形成された空洞部にトラップされた空気の体積変化を抑制することができ、それ故、空気の体積膨張率によるばね効果が減少し、より大きな膜振動が得られる。
【００９９】
さらに、第３実施形態に係る超音波トランスデューサによれば、二つの上電極と下電極との接触面を接着することにより固定するようにしたので、二つの上電極と下電極との接触面を吸着させるための直流バイアス電圧を低減することができ、従来大掛かりであった電源装置の小型化が図れる。
【０１００】
さらに、第３実施形態に係る超音波トランスデューサによれば、二つの上電極と下電極との接触面を押圧して固定する押圧手段を有するので、二つの上電極と下電極との接触面を吸着させるための直流バイアス電圧を低減することができ、従来大掛かりであった電源装置の小型化が図れる。
【０１０１】
さらに、第３実施形態に係る超音波トランスデューサによれば、下電極に一定の直流バイアス電圧を印加し、下電極の上下端に配置された二つの上電極間に交流信号電圧を印加するようにしたので、下電極の上下端に配置された上電極の振動膜を効率的に振動させることができる。
【０１０２】
さらに、第３実施形態に係る超音波トランスデューサによれば、二つの上電極のいずれか一方に対面した位置に音波を前方に発散または収束させるコーンを有するので、二つの上電極を構成する振動膜の振動により発生する超音波出力を有効利用することができる。
【０１０３】
次に、本発明の第４実施形態に係る超音波トランスデューサの電極構造を図１３に示す。本発明の第４実施形態に係る超音波トランスデューサが第１、第２の実施形態と構成上、異なるのは電極構造のみであり、他の構成は同一であるので、重複する説明は省略する。図１３において、第４実施形態に係る超音波トランスデューサの電極構造において、その上電極は、図１３（ａ）に示すように、多層構造になっている。すなわち、振動膜２０１の上面に導電膜２０２（蒸着部）が形成された上電極部２００−１に、同一構造の上電極部２００−２が積層される。
【０１０４】
ここで、上電極部２００−１の一端には、導電膜が蒸着されていないマージン部２０２Ａが形成され、上電極部２００−１の上に積層される上電極部２００−２には、上電極部２００−１のマージン部２０２Ａと反対側の端部にマージン部２０２Ａが形成されている。
図１３（ａ）では、説明の便宜上、上電極部を２層、積層する状態を示しているが、実際には、図１３（ｂ）に示すように、２層以上の複数の上部電極部を積層することにより、上部電極２００を構成する。
【０１０５】
図１３（ａ），（ｂ）に示すように、上電極部の振動膜部分には両端にマージン部（非電極蒸着部）２Ａが互い違いに設けられており、重なり合う電極（導電膜）同士が短絡しない構成になっている。また、この構成は電極を外に取出すことを容易にさせている。
図１３（ｂ）では、下電極に比べ、上電極部が積層されて形成される上電極が相対的に厚く表現されているが、これは電極構造を分かり易く説明するためであり、本来は、下電極に比べ上電極はかなり薄く形成されている。
【０１０６】
また、実物では上電極を下電極側に押し付けるために、ケースの形状などでテンションを掛けるようにしている。テンションを掛けないと上電極は接着されているわけではないので、上電極の振動挙動が不安定となり好ましくない。テンションがある場合はその力により積層された上電極（振動膜）がほぼ一体となって振動する。
上電極部２００−１、２００−２はメタリコン金属といわれるものを吹き付けることにより配線部１０を形成し、該配線部にリード線を接続することにより外部の電源等へ配線している。
【０１０７】
メタリコンは、すず、亜鉛、アルミニウム、銅、黄銅、金、銀、洋銀、ニッケル、鉄等の金属やその合金の溶融金属を吹き付けて被覆する方法で、電気ア−ク熱を利用した電気溶射法や酸素、アセチレン炎を利用したガス溶射法がある。又、メタリコンは、磁器、ガラス、木材等、金属以外の素材に施すこともできる。
上述したように構成された本発明の第４実施形態に係る超音波トランスデューサの電極構造では、上電極の各導電膜と下電極とでコンデンサが形成される。このとき、電極間に働く力は、次式で表される。
【０１０８】
Ｆ＝（ε／２）・（Ｖ／ｄ）２・Ｓ                  （１）
ただし、Ｆは電極に働く吸引力、εは振動膜の誘電率、Ｖは電極間に印加される電圧、ｄは電極間距離、Ｓは電極面積である。
上式（１）から分かるように、吸引力Ｆは、電極面積に比例する。これは、表面電極に蓄えられる電荷が面積に比例して増加するためである。
【０１０９】
したがって、本発明の第４実施形態に係る超音波トランスデューサの電極構造のように、上電極を積層構造にすることにより、上電極の電極面積、すなわち、導電膜を実質的に大きくすることにより、蓄積する電荷量を増加させることができ、その結果、上電極に働く吸引力を増大させることができるので、振動膜の膜変位大きくすることができ、音圧の増大が図れる。この場合の超音波トランスデューサの音圧レベルの周波数特性は、図１７において、曲線Ｑ３のようになる。
【０１１０】
次に、図１４に本発明の第４実施形態に係る超音波トランスデューサの電極構造の具体例を示す。同図において、上電極部の第一層と第三層の厚みはｄ／４、第二層の厚みは２ｄ／４であり、上電極の合計の厚みはｄである。厚みｄの膜一層で上電極を構成した場合、上電極に働く静電力Ｆは、上式（１）で表される。
【０１１１】
しかし、図１４に示した例では、第二層の導電膜２０２が下電極２１２に短絡されているために、第一層の導電膜２０２に働く静電力（吸引力）Ｆ１、Ｆ２、第三層の導電膜２０２に働く静電力（吸引力）Ｆ３の総和が、下電極２１２に対して上電極の導電膜２０２に作用する静電力となる。本来、静電力は基本的に吸引力のみであるので、図１４に示した本実施形態は、導電膜２０２に蓄積された電荷に働く力として矢印で示した。
【０１１２】
この場合、上式（１）の静電力Ｆを基準に考えると、Ｆ１＝Ｆ３＝１６Ｆ、Ｆ２＝−４Ｆとなり、上電極の導電膜に作用する静電力は、合計で１６Ｆ＋１６Ｆ−４Ｆ＝２８Ｆとなり、厚みｄの膜、一層で上電極を形成した場合に比して大幅に増大する。
ここで重要なことは、上電極の第一層、第三層は電気的耐久性（耐圧）、機械的耐久性（振動破壊）を保持できる厚さであれば、可能な限り薄い方がよい。また、上電極の導電膜の合計の厚みも１０μmにこだわることなく、可能な限り薄い方が望ましい。
【０１１３】
また、図１４に示す例では、第一層と第三層の振動膜１の厚さは、第二層の振動膜２０１の厚さより薄いことが必要条件である。また、全体で５層構造を採用する場合には、第一層と第三層と第五層の振動膜２０１（各層に形成された導電膜２０２は同電位とする。）は第二層、第四層の振動膜１（各層に形成された導電膜２は下電極と同電位とする。）より薄いことが重要である。これは、上電極の導電膜に作用する吸引力が大きくなるようにするためであり、上式（１）から導かれる図１４に示す静電力の関係、すなわち、各層の導電膜２に作用する力の方向から明らかである。
【０１１４】
本発明の第４実施形態に係る超音波トランスデューサによれば、絶縁体で形成された振動膜と該振動膜上に形成された導電膜とからなる上電極と、前記上電極の振動膜に対向する面に凹凸が複数、形成された下電極とを有し、前記上電極と下電極とを密着させ、該上電極と下電極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、前記上電極を、積層構造としたので、上電極に働く吸引力を増大させることができ、それ故、振動時に振動膜の振幅を大きくすることができ、かつ直流バイアス電圧及び交流信号電圧の低減が図れる。
【０１１５】
なお、第２〜４実施形態係る超音波トランスデューサにおいて、固定電極の凹凸部における凸部上面を第１実施形態に係る超音波トランスデューサと同様に、溝部または、連続的に配置される穴をもうけることにより、振動膜（上電極）が固定電極に吸着（張り付く）ことを防止でき、電気信号を音波信号に変換する効率を向上でき、出力音圧レベルを向上させることができる。
また、振動膜と固定電極との間に形成される平行コンデンサの静電容量を減少させ、超音波トランスデューサの駆動電流を軽減することができる。
【０１１６】
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１５に示す。本実施形態に係る超音波スピーカは、上述した本発明の実施形態に係る超音波トランスデューサのいずれかを超音波トランスデューサ５５として用いたものである。
【０１１７】
図１５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。
【０１１８】
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。
【０１１９】
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。
【０１２０】
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スピーカを提供することができる。
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、音が広がるスピーカが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。
【０１２１】
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までの音を聴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。
【０１２２】
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（２０kHz〜１２０kHz）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、本発明の実施形態に係る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忠実度の高い信号音（可聴周波数帯域）を再生することができる。
また、本発明の実施形態に係る超音波トランスデューサを広帯域超音波スピーカとして用いる場合、広帯域であるため様々なキャリア周波数を用いることができ、音の広がりや音の到達距離などの制御を行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【０１２３】
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】
【０１２４】
【図１】本発明の第１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】本発明の第１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】本発明の第１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溝底面構造の具体例を示す説明図。
【図４】本発明の第１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に形成される穴パターンを示す説明図。
【図５】本発明の第１実施形態に係る超音波トランスデューサの固定電極の凹凸部における凸部上面の構造の一例を示す断面図及び部分拡大図。
【図６】本発明の第１実施形態に係る超音波トランスデューサの固定電極の凹凸部における凸部上面の構造の一例を示す平面図。
【図７】本発明の第１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８】本発明の第１実施形態に係る超音波トランスデューサの具体例を示す説明図。
【図９】図８に示した超音波トランスデューサの周波数特性を示す特性図。
【図１０】本発明の第２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１１】図１０に示した本発明の第２実施形態に係る超音波トランスデューサの電極構造の具体例を示す断面図。
【図１２】従来の超音波トランスデューサと本発明の第２実施形態に係る超音波トランスデューサの動作時の状態を示す説明図。
【図１３】本発明の第３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１４】本発明の第３実施形態に係る超音波トランスデューサの上電極と下電極との固定方法を示す説明図。
【図１５】本発明の第４実施形態に係る超音波トランスデューサの電極構造を示す図。
【図１６】本発明の第４実施形態に係る超音波トランスデューサの電極構造の具体例を示す図。
【図１７】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１８】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１９】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９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】
【０１２５】
１…超音波トランスデューサ、１０…固定電極、１２…振動膜、１２Ａ…絶縁膜、１２Ｂ…電極層、４０…直流バイアス電源、４１…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】
2005354582.tif 000003
【図２】
2005354582.tif 000004
【図３】
2005354582.tif 000005
【図４】
2005354582.tif 000006
【図５】
2005354582.tif 000007
【図６】
2005354582.tif 000008
【図７】
2005354582.tif 000009
【図８】
2005354582.tif 000010
【図９】
2005354582.tif 000011
【図１０】
2005354582.tif 000012
【図１１】
2005354582.tif 000013
【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】
2005354582.tif 000018
【図１７】
2005354582.tif 000019
【図１８】
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【図１９】
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