(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ができ、かつ振動膜の膜振動エネルギーの有効活用を図る。【解決手段】  一対の固定電極１０Ａ，１０Ｂと、前記一対の固定電極に挟持され、導電層１２１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１２と、前記一対の固定電極と前記振動膜を保持する部材を有し、前記一対の固定電極は前記振動膜を介して対向する位置に複数の穴を有し、前記一対の固定電極間には交流信号が印加される超音波トランスデューサ５５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が設置されている。この音響反射板は、前記超音波トランスデューサ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超音波トランスデューサ前面に放射されるように配置されている。【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の穴が形成された第１の固定電極と、
前記第１の固定電極と対をなす複数の穴が形成された第２の固定電極と、
前記一対の固定電極に挟持され、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、
前記一対の固定電極と前記振動膜を保持する部材とを有し、
前記第２の固定電極に形成された複数の穴は前記振動膜を介して前記第１の固定電極に形成された複数の穴と対向する位置に全て,または大多数が形成され、前記一対の固定電極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を設置したことを特徴とする超音波トランスデューサ。
【請求項２】
前記音響反射板は、前記超音波トランスデューサ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超音波トランスデューサ前面に放射されるように配置されてい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】
前記音響反射板は、
前記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前記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前記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、
前記一対の第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の反射板とを有す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】
前記音響反射板は、
前記超音波トランスデューサ背面のいずれか一方の端部に一端が位置し、該一方の端部から前記超音波トランスデューサ背面の他方の端部方向に４５°の角度で配置され、その他端が前記超音波トランスデューサの他方の端部と一致する長さを有する第１の反射板と、
前記第１の反射板の他端に直角の角度をなして前記第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第２の反射板とを有することを特徴とする請求項２記載の超音波トランスデューサ。
【請求項５】
前記音響反射板は、
前記超音波トランスデューサ背面の中心位置を基準として前記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、その端部が前記超音波トランスデューサの端部と一致する長さの母線を有する円錐形状の第１の反射板と、
前記第１の反射板の母線と直角の角度をなして前記第１の反射板の外側へ接続される前記第１の反射板長と同等の長さの母線を有する円錐台形状の第２の反射板と、
を有す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】
前記音響反射板における反射面の凹凸形状のサイズは、前記超音波トランスデューサから放射される超音波の波長以下であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の超音波トランスデューサ。
【請求項７】
前記一対の固定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請求項１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】
前記一対の固定電極に形成された穴は、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請求項１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９】
前記一対の固定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請求項１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１０】
前記一対の固定電極に形成された穴は、平面が矩形状の貫通穴であることを特徴とする請求項１乃至６に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項１１】
前記一対の固定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請求項１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１２】
前記一対の固定電極に形成された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とを特徴とする請求項１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１３】
前記固定電極に形成された穴は、反振動膜側に対して振動膜側の方の穴径が大きく、且つ深さが浅いことを特徴とする請求項８に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項１４】
前記固定電極に形成された矩形穴は、反振動膜側に対し振動膜側の方の幅が大きく、且つ深さが浅いことを特徴とする請求項１１または１２のいずれかに記載の超音波トランスデューサ。
【請求項１５】
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請求項７乃至１４のいずれかに記載の超音波トランスデューサ。
【請求項１６】
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請求項７乃至１４のいずれかに記載の超音波トランスデューサ。
【請求項１７】
前記一対の固定電極は、単一の導電性部材からなることを特徴とする請求項７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】
前記一対の固定電極は、複数の導電性部材からなることを特徴とする請求項７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１９】
前記一対の固定電極は、導電性部材と絶縁部材からなることを特徴とする請求項７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２０】
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請求項１乃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請求項１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請求項１６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、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請求項１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２４】
請求項２０または請求項２３に記載の振動膜を用いる場合は、前記一対の固定電極の各々の振動膜側に電気的絶縁処理を施すことを特徴とする請求項１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２５】
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ことを特徴とする請求項１乃至２４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構成することを特徴とする請求項１乃至２４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１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】
請求項１乃至２７のいずれかに記載の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１０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１０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１０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。
【０００４】
上述した図１０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１１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１１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７に示す超音波トランスデューサの周波数特性が図８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８に曲線Ｑ１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１０に示す共振型の超音波トランスデューサと違い、図１１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。
しかしながら、音圧の最大値は図１２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１１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７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】
さらに、安定した膜振動を実現するためには、上電極の振動薄膜と下電極（固定電極）のバルク材料を吸着するために数百Ｖの直流バイアス電圧を、また薄膜を振動させる為の１００Vを超える交流電圧を必要としていた。これらの電圧は高電圧であり、危険性もさることながら装置の大型化／高パワー化／高コスト化を招いていた。
また、振動薄膜と、固定電極間に印加する電圧を抑えると、膜振動が不安定になり、場所ごとに振幅や位相が不揃いの振動を引き起こしてしまうため、膜振動エネルギーを有効に空中に超音波エネルギーとして放出することができなかった
【００１８】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、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、かつ振動膜の膜振動エネルギー（音響エネルギー）の有効活用を図った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】
【００１９】
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、複数の穴が形成された第１の固定電極と、前記第１の固定電極と対をなす複数の穴が形成された第２の固定電極と、前記一対の固定電極に挟持され、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、前記一対の固定電極と前記振動膜を保持する部材とを有し、前記第２の固定電極に形成された複数の穴は前記振動膜を介して前記第１の固定電極に形成された複数の穴と対向する位置に全て、または大多数が形成され、前記一対の固定電極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を設置したことを特徴とする。
【００２０】
上記構成からなる本発明の超音波トランスデューサでは、第１の固定電極と、第２の固定電極の対向する位置に複数の穴が形成され、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の固定電極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、一対の固定電極に挟持された振動膜は、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が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わたって発生させることができる。
また、振動膜の振動により第１、第２の固定電極に形成された複数の穴より超音波トランスデューサの前面側及び背面側に超音波周波数帯の音響信号（超音波）が出力される。超音波トランスデューサの背面側に出力される音響信号は上記音響反射板により位相が揃った状態で超音波トランスデューサの前方に放射されるので、超音波トランスデューサの前面側に放射される超音波のみならず、超音波トランスデューサの背面側に放射される超音波も利用でき、振動膜の膜振動エネルギーを最大限に有効活用することができる。
【００２１】
また、本発明の超音波トランスデューサは、前記音響反射板は、前記超音波トランスデューサ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超音波トランスデューサ前面に放射されるように配置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、音響反射板は、前記超音波トランスデューサ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超音波トランスデューサ前面に放射されるように配置されているため、超音波トランスデューサの背面側に出力される音響信号は上記音響反射板により位相が揃った状態で超音波トランスデューサの前方に放射されるので、超音波トランスデューサの前面側に放射される超音波のみならず、超音波トランスデューサの背面側に放射される超音波も利用でき、振動膜の膜振動エネルギーを最大限に有効活用することができる。
【００２２】
また、本発明の超音波トランスデューサは、前記音響反射板は、前記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前記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前記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、前記一対の第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の反射板とを有することを特徴とする。
【００２３】
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、超音波トランスデューサの背面に放射された超音波は、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前記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前記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の反射板により水平方向に反射され、前記一対の第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の反射板で超音波トランスデューサの前面に向けて反射され、反射経路が同一の経路長となるように反射される。したがって、超音波トランスデューサの背面側に出力される音響信号は上記音響反射板により位相が揃った状態で超音波トランスデューサの前方に放射されるので、超音波トランスデューサの前面側に放射される超音波のみならず、超音波トランスデューサの背面側に放射される超音波も利用でき、振動膜の膜振動エネルギーを最大限に有効活用することができる。
【００２４】
また、本発明の超音波トランスデューサは、前記音響反射板は、前記超音波トランスデューサ背面のいずれか一方の端部に一端が位置し、該一方の端部から前記超音波トランスデューサ背面の他方の端部方向に４５°の角度で配置され、その他端が前記超音波トランスデューサの他方の端部と一致する長さを有する第１の反射板と、前記第１の反射板の他端に直角の角度をなして前記第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第２の反射板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超音波トランスデューサでは、超音波トランスデューサの背面に放射された超音波は、超音波トランスデューサ背面のいずれか一方の端部に一端が位置し、該一方の端部から前記超音波トランスデューサ背面の他方の端部方向に４５°の角度で配置され、その他端が前記超音波トランスデューサの他方の端部と一致する長さを有する第１の反射板により、水平方向に反射され、この反射波は、前記第１の反射板の他端に直角の角度をなして前記第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第２の反射板により反射されて超音波トランスデューサの前面に位相の揃った状態で放射される。したがって、超音波トランスデューサの前面側に放射される超音波のみならず、超音波トランスデューサの背面側に放射される超音波も利用でき、振動膜の膜振動エネルギーを最大限に有効活用することができる。
【００２５】
また、本発明の超音波トランスデューサは、前記音響反射板は、前記超音波トランスデューサ背面の中心位置を基準として前記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、その端部が前記超音波トランスデューサの端部と一致する長さの母線を有する円錐形状の第１の反射板と、前記第１の反射板の母線と直角の角度をなして前記第１の反射板の外側へ接続される前記第１の反射板長と同等の長さの母線を有する円錐台形状の第２の反射板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超音波トランスデューサでは、超音波トランスデューサの背面に放射された超音波は、超音波トランスデューサ背面の中心位置を基準として前記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、その端部が前記超音波トランスデューサの端部と一致する長さの母線を有する円錐形状の第１の反射板により水平方向に反射され、この反射波は、前記第１の反射板の母線と直角の角度をなして前記第１の反射板の外側へ接続される前記第１の反射板長と同等の長さの母線を有する円錐台形状の第２の反射板により反射されて超音波トランスデューサの前面に位相の揃った状態で放射される。したがって、超音波トランスデューサの前面側に放射される超音波のみならず、超音波トランスデューサの背面側に放射される超音波も利用でき、振動膜の膜振動エネルギーを最大限に有効活用することができる。
【００２６】
また、本発明の超音波トランスデューサ請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５のいずれかに記載の超音波トランスデューサにおいて、前記音響反射板における反射面の凹凸形状のサイズは、前記超音波トランスデューサから放射される超音波の波長以下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、音響反射板における反射面の凹凸形状のサイズは、前記超音波トランスデューサから放射される超音波の波長以下であるため、超音波が吸収されずに、有効に反射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、前記一対の固定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固定電極に形成された円柱状の貫通穴を介して放射される。この円柱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が、振動膜と対向する電極部分が固定電極側に存在しないために振動膜の導電層との間に作用する静電力が弱いという欠点を有している。
【００２８】
また、本発明の超音波トランスデューサは、前記一対の固定電極に形成された穴は、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。
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、一対の固定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、一対の固定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固定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
【００２９】
また、本発明の超音波トランスデューサは、前記一対の固定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超音波トランスデューサでは、一対の固定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、この固定電極のテーパ−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、前記固定電極のテーパ−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。
【００３０】
また、本発明の超音波トランスデューサは、前記一対の固定電極に形成された穴は、平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固定電極に形成された平面が矩形状の貫通穴を介して放射される。この平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が、振動膜と対向する電極部分が固定電極側に存在しないために振動膜の導電層との間に作用する静電力が弱いという欠点を有している。
【００３１】
また、本発明の超音波トランスデューサは、前記一対の固定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。
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、一対の固定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、一対の固定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固定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。
【００３２】
また、本発明の超音波トランスデューサは、前記一対の固定電極に形成された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、一対の固定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、この固定電極のテーパ−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、前記固定電極のテーパ−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。
【００３３】
また、本発明の超音波トランスデューサは、前記固定電極に形成された穴は、反振動膜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、固定電極に形成された穴は、反振動膜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固定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。
【００３４】
また、本発明の超音波トランスデューサは、前記固定電極に形成された矩形穴は、反振動膜側に対して振動膜側の方の幅が大きく、且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超音波トランスデューサでは、固定電極に形成された矩形穴は、反振動膜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固定電極部分、または固定電極のテーパ−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。
【００３５】
また、本発明の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超音波トランスデューサでは、一対の固定電極に各々、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。
【００３６】
また、本発明の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超音波トランスデューサでは、一対の固定電極において各々、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。
【００３７】
また、本発明の超音波トランスデューサは、前記一対の固定電極は、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。
【００３８】
また、本発明の超音波トランスデューサは、前記一対の固定電極は、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、前記一対の固定電極は、複数の導電性部材で形成することができる。
【００３９】
また、本発明の超音波トランスデューサは、前記一対の固定電極は、導電性部材と絶縁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、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、固定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。
【００４０】
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固定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。
【００４１】
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、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。また、振動膜に対する固定電極の配置の対称性の確保が容易になる。
【００４２】
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。
【００４３】
また、本発明の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。この場合に固定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。
【００４４】
また、本発明の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振動膜、またはエレクトレットフィルムを使用した振動膜を用いる場合は、前記一対の固定電極の各々の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固定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。
【００４５】
また、本発明の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、前記一対の固定電極に印加される交流信号により変化する固定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。
【００４６】
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、前記固定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、固定電極と振動膜との間の電気的絶縁が保持される。
【００４７】
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。
【００４８】
また、本発明の超音波スピーカは、上記いずれかに記載の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。
【００４９】
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。また、超音波トランスデューサの背面に放射された超音波が超音波トランスデューサの背面に設置された音響反射板により反射され、位相が揃った状態で超音波トランスデューサ前面に放射される。
したがって、本発明の超音波スピーカでは、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とができるとともに、振動膜の膜振動エネルギーを最大限に有効活用することができるので、低パワー化が図れる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５０】
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。本発明が適用される超音波トランスデューサの構成を図１に示す。図１（Ａ）は、超音波トランスデューサの構成を示し、同図（Ｂ）は、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、本発明が適用される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、１０Ｂと、一対の固定電極に挟持され、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。
【００５１】
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信号源１８から出力される交流信号が印加されるようになっている。
【００５２】
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により交流信号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。
【００５３】
上記構成において、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から出力される交流信号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より交流信号が印加される。
【００５４】
この結果、信号源１８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、表面部分部分１２Ａは、図１上、下方に引っ張られる。
また、このとき、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。
【００５５】
したがって、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。
【００５６】
このように本発明が適用され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。
本発明が適用され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。
【００５７】
本発明が適用される超音波トランスデューサの周波数特性を図８に示す。同図において、曲線Ｑ３が本発明が適用され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。
【００５８】
本発明が適用され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、高い音圧を広帯域に渡って発生させることができるのである。
【００５９】
次に、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構成を図２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５５の構成は、音響は反射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、本発明の第１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。
【００６０】
また、この音響反射板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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
また、２図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。
【００６４】
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    ……  （１）
【００６５】
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。
【００６６】
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３に示す。第１実施形態と構成上、異なるのは、反射板の構成のみであり、他の構成は第１実施形態と同様であるので、重複する説明は省略する。
図３において、本実施形態に係る超音波トランスデューサでは、音響反射板３０は、超音波トランスデューサ５５背面のいずれか一方の端部（Ｘ１、またはＸ２：本実施形態ではＸ１）に一端Ａが位置し、該一方の端部Ｘ１から超音波トランスデューサ５５背面の他方の端部Ｘ２方向に４５°の角度で配置され、その他端Ｂが超音波トランスデューサ５５の他方の端部Ｘ２と一致する長さを有する第１の反射板（ＡＢ）３００と、第１の反射板３００の他端Ｂに直角の角度をなして第１の反射板３００の外側方向に接続され第１の反射板長と同等の長さを有する第２の反射板（ＢＣ）３０２とを有している。
【００６７】
上記構成において、超音波トランスデューサ５５背面から放射された超音波は、第１の反射板３００で水平方向に反射され、されあに第の反射板３0２で反射されて超音波トランスデューサ５５の前面に位相の揃った状態で放射されることとなる。
本実施形態においても第１の実施形態に係る超音波トランスデューサと同様の効果が得られる。
【００６８】
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４に示す。本実施形態が第１、第２実施形態と構成上、異なるのは、反射板の構成が異なるのみであり、他の構成は第１、第２実施形態と同様であるので重複する説明は省略する。
【００６９】
図４において、第３実施形態に係る超音波トランスデューサ５５においては、音響反射板４０は、超音波トランスデューサ５５背面の中心位置Ｍ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、その端部が前記超音波トランスデューサの端部と一致する長さの母線ＪＫ，ＪＬを有する円錐形状の第１の反射板４００と、第１の反射板４００の母線と直角の角度をなして第１の反射板４００の外側へ接続される第１の反射板長と同等の長さの母線を有する円錐台形状の第２の反射板４０２とを有している。
本実施形態においても第１，第２の実施形態に係る超音波トランスデューサと同様の効果が得られる。
【００７０】
図５は、第１実施形態、第２実施形態に係る超音波トランスデューサにおける音響反射板の外観構成を示す斜視図である。
【００７１】
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６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６（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が振動膜１２と対向する電極に相当する部分がないため、静電力が弱いという欠点を有している。
【００７２】
図６（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。
【００７３】
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６（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６（ｂ）における構成により得られる効果と同様である。
【００７４】
図７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７（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が振動膜１２と対向する電極に相当する部分がないため、静電力が弱いという欠点を有している。
【００７５】
図７（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。
【００７６】
また、図７（ｃ）はテーパー状の貫通溝穴を示している（後で気が付いたのですが、提案原稿には添付されていませんでした）。すなわち、一対の固定電極１０Ａ，１０Ｂに形成された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７（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７（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。
【００７７】
また、図６、図７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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
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８を参照して説明する。
【００８２】
図８（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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
図８（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８（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８（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。
【００８６】
図８（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。
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【００８９】
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９に示す。本実施形態に係る超音波スピーカは、上述した本発明の各実施形態に係る、音響反射板を備えた超音波トランスデューサ（図２〜４）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。
【００９０】
図５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。この超音波トランスデューサ５５には、本発明の実施形態に係る音響反射板（図示せず）が設置されている。
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。
【００９１】
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。
【００９２】
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。
【００９３】
そして、超音波トランスデューサ５５より音波が放射される際に、超音波トランスデューサ５５の前面から放射された音波（超音波周波数帯）は、そのまま超音波トランスデューサ前方に放射されるが、超音波トランスデューサ５５の背面から放射された音波（超音波周波数帯）は、図示してない音響反射板により反射され、このすべての反射波の経路は等しくなるので、位相が揃った状態で超音波トランスデューサ５５の前方に放射される。
したがって、超音波トランスデューサ５５における振動膜の膜振動エネルギーを最大限有効活用できるので、信号源の電圧を低くすることができ、低パワー化を図った超音波スピーカを実現できる。
【００９４】
また、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。
【００９５】
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。
【００９６】
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、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。
【産業上の利用可能性】
【００９７】
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】
【００９８】
【図１】本発明が適用され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の構成を示す図。
【図３】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４】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５】音響反射板の外観構成を示す斜視図。
【図６】本発明の各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７】本発明の各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８】本発明の各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９】本発明の各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１０】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１１】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１２】本発明の各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】
【００９９】
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、２０、３０，４０…音響反射板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】
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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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