(57)【要約】【課題】  低い直流バイアス電圧および交流信号電圧で広周波数帯域にわたって高い音圧レベルの音響信号を放射することができる静電型トランスデューサを提供する。【解決手段】  上部に開口を有し、断面Ｕ字状でかつ筒状に形成された絶縁基材１０と、絶縁基材１０の底部上面に導電性材料で形成された固定電極１２と、固定電極１２に対向して絶縁基材１０の上端部に導電材料で形成された可動電極１４とを有し、固定電極１２及び可動電極１４間に超音波周波数帯の交流信号を印加することにより広周波数帯域にわたって一定の高音圧の音波を発生する静電型トランスデューサであって、固定電極１２又は可動電極１４のうち少なくともいずれか一方の電極の表面積を増加させるように固定電極１２又は可動電極１４を形成する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
上部に開口を有し、断面Ｕ字状でかつ筒状に形成された絶縁基材と、
前記絶縁基材の底部上面に導電性材料で形成された固定電極と、
前記固定電極に対向して前記絶縁基材の上端部に導電材料で形成された可動電極とを有し、
前記固定電極及び可動電極間に超音波周波数帯の交流信号を印加することにより広周波数帯域にわたって一定の高音圧の音波を発生する静電型トランスデューサであって、
前記固定電極又は可動電極のうち少なくともいずれか一方の電極の表面積を増加させるように前記固定電極又は可動電極を形成したことを特徴とする静電型トランスデューサ。
【請求項２】
上部に開口を有し、断面Ｕ字状でかつ筒状に形成された絶縁基材と、
前記絶縁基材の底部上面に導電性材料で形成された固定電極と、
前記固定電極に対向して前記絶縁基材の上端部に非導電性材料により形成された振動膜と、該振動膜の片面に形成された金属膜からなる可動電極とを有し、
前記固定電極及び可動電極間に超音波周波数帯の交流信号を印加することにより広周波数帯域にわたって一定の高音圧の音波を発生する静電型トランスデューサであって、
前記振動膜表面に凹凸を形成し、該凹凸を含む振動膜表面に金属膜を形成することにより前記可動電極を形成したことを特徴とする静電型トランスデューサ。
【請求項３】
上部に開口を有し、断面Ｕ字状でかつ筒状に形成された絶縁基材と、
前記絶縁基材の底部上面に導電性材料で形成された固定電極と、
前記固定電極に対向して前記絶縁基材の上端部に非導電性材料により形成された振動膜と、該振動膜の片面に形成された金属膜からなる可動電極とを有し、
前記固定電極及び可動電極間に超音波周波数帯の交流信号を印加することにより広周波数帯域にわたって一定の高音圧の音波を発生する静電型トランスデューサであって、
前記固定電極における前記可動電極に対向する面に凹凸を形成したことを特徴とする静電型トランスデューサ。
【請求項４】
上部に開口を有し、断面Ｕ字状でかつ筒状に形成された絶縁基材と、
前記絶縁基材の底部上面に導電性材料で形成された固定電極と、
前記固定電極に対向して前記絶縁基材の上端部に非導電性材料により形成された振動膜と、該振動膜の片面に形成された金属膜からなる可動電極とを有し、
前記固定電極及び可動電極間に超音波周波数帯の交流信号を印加することにより広周波数帯域にわたって一定の高音圧の音波を発生する静電型トランスデューサであって、
前記振動膜表面に凹凸を形成し、該凹凸を含む振動膜表面に金属膜を形成することにより前記可動電極を形成し、
かつ前記固定電極における前記可動電極に対向する面に凹凸を形成したことを特徴とする静電型トランスデューサ。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載の静電型トランスデューサを有す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（超音波周波数帯域）にわたって一定の高音圧の音響信号を発生する静電型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】
従来のこの種の超音波トランスデューサとして、広周波数帯域にわたって高音圧レベルの音響信号（超音波）を発生するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。この超音波トランスデューサは、導電性膜と、少なくとも１つの電極からなるバックプレートと、前記膜とパックプレートとの間に誘電性のスペーサを設けることにより予め決められた周波数で共振する深さが異なる共振キャビティを形成し、これらの複数の共振キャビティから放射される個々の共振特性が所望の周波数範囲をカバーできるようになっている。
【０００３】
また、従来の静電型トランスデューサとして、図６に示すものが有る。この静電型トランスデューサは、広周波数帯域にわたって高い音圧レベルの音響信号を発生可能な広周波数帯域発振型超音波トランスデューサとして知られている。図６において、静電型トランスデューサ１は、上部に開口を有し、断面Ｕ字状でかつ筒状に絶縁材料で形成された絶縁基材１０と、絶縁基材１０の底部上面に導電性材料で形成された固定電極１２と、固定電極１２に対向してスペーサ１６を介して絶縁基材１０の上端部に導電性材料で形成された可動電極１４とを有している。２０は、可動電極１４のリード部を形成するとともに、可動電極１４を絶縁基材１０に圧着固定する可動電極引出し部材であり、１２Ａは固定電極１２の引き出し部である。
【０００４】
上記構成において、可動電極１４と固定電極１２との間に直流バイアス電源３０により数十〜数百Ｖの直流バイアス電圧を印加して可動電極１４を予め固定電極１２側に吸引する。吸引された可動電極１４の位置を動作点とし、直流バイアス電圧の電圧レベルよりやや低い波高値の交流信号を信号源４０により直流バイアス電圧に重畳することにより静電型トランスデューサ１を駆動する。
【特許文献１】特開２０００−５０３９２公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に示す超音波トランスデューサでは、広周波数帯域にわたって、音圧レベルが平坦な周波数特性が得られないという問題が有る。
また、図６に示す静電型トランスデューサでは、可動電極１４と固定電極１２との間に印加される直流バイアス電圧および交流信号は、高電圧であり、危険性もさることながら、装置が大型化し、高電圧化および高コスト化を招くという問題が有った。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、低い直流バイアス電圧および交流信号電圧で広周波数帯域にわたって高い音圧レベルの音響信号を放射することができる静電型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】
【０００７】
上記目的を達成するために請求項１に記載の発明（静電型トランスデューサ）は、上部に開口を有し、断面Ｕ字状でかつ筒状に形成された絶縁基材と、
前記絶縁基材の底部上面に導電性材料で形成された固定電極と、
前記固定電極に対向して前記絶縁基材の上端部に導電材料で形成された可動電極とを有し、
前記固定電極及び可動電極間に超音波周波数帯の交流信号を印加することにより広周波数帯域にわたって一定の高音圧の音波を発生する静電型トランスデューサであって、
前記固定電極又は可動電極のうち少なくともいずれか一方の電極の表面積を増加させるように前記固定電極又は可動電極を形成したことを特徴とする。
【０００８】
請求項２に記載の発明（静電型トランスデューサ）は、上部に開口を有し、断面Ｕ字状でかつ筒状に形成された絶縁基材と、
前記絶縁基材の底部上面に導電性材料で形成された固定電極と、
前記固定電極に対向して前記絶縁基材の上端部に非導電性材料により形成された振動膜と、該振動膜の片面に形成された金属膜からなる可動電極とを有し、
前記固定電極及び可動電極間に超音波周波数帯の交流信号を印加することにより広周波数帯域にわたって一定の高音圧の音波を発生する静電型トランスデューサであって、
前記振動膜表面に凹凸を形成し、該凹凸を含む振動膜表面に金属膜を形成することにより前記可動電極を形成したことを特徴とする。
【０００９】
請求項３に記載の発明（静電型トランスデューサ）は、上部に開口を有し、断面Ｕ字状でかつ筒状に形成された絶縁基材と、
前記絶縁基材の底部上面に導電性材料で形成された固定電極と、
前記固定電極に対向して前記絶縁基材の上端部に非導電性材料により形成された振動膜と、該振動膜の片面に形成された金属膜からなる可動電極とを有し、
前記固定電極及び可動電極間に超音波周波数帯の交流信号を印加することにより広周波数帯域にわたって一定の高音圧の音波を発生する静電型トランスデューサであって、
前記固定電極における前記可動電極に対向する面に凹凸を形成したことを特徴とする。
【００１０】
請求項４に記載の発明（静電型トランスデューサ）は、上部に開口を有し、断面Ｕ字状でかつ筒状に形成された絶縁基材と、
前記絶縁基材の底部上面に導電性材料で形成された固定電極と、
前記固定電極に対向して前記絶縁基材の上端部に非導電性材料により形成された振動膜と、該振動膜の片面に形成された金属膜からなる可動電極とを有し、
前記固定電極及び可動電極間に超音波周波数帯の交流信号を印加することにより広周波数帯域にわたって一定の高音圧の音波を発生する静電型トランスデューサであって、
前記振動膜表面に凹凸を形成し、該凹凸を含む振動膜表面に金属膜を形成することにより前記可動電極を形成し、
かつ前記固定電極における前記可動電極に対向する面に凹凸を形成したことを特徴とする。
【００１１】
請求項５に記載の発明（超音波スピーカ）は、請求項１乃至４のいずれかに記載の静電型トランスデューサを有することを特徴とする。
【００１２】
請求項１乃至４に記載の発明によれば、静電型トランスデューサの対向電極の表面積を大きくすることができ、それ故、静電型トランスデューサを駆動するための直流バイアス電圧および交流信号電圧のレベルを低くすることができる。すなわち、低い直流バイアス電圧および交流信号電圧で広周波数帯域にわたって高い音圧の音響信号を放射することができる、という効果が得られる。
【００１３】
また、請求項５に記載の発明によれば、低い直流バイアス電圧および交流信号電圧で広周波数帯域にわたって高い音圧の音響信号を放射することができる静電型トランスデューサを使用するので、超音波スピーカの小型化、低電圧化および低コスト化が図れる。
という効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
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。図１に本発明の実施形態に係る静電型トランスデューサの要部の構成を示す。全体構成は、図６に示す従来の静電型トランスデューサと基本的に同じであるが、本実施形態に係る静電型トランスデューサは、固定電極および可動電極のうち少なくともいずれか一方の電極の表面積を増加させる  ように固定電極および可動電極を形成したことを特徴としている。図１において、図６に示す従来の装置と同一の部分には同一の符号を付してある。
【００１５】
図１において、静電型トランスデューサ１は、上部に開口を有し、断面Ｕ字状でかつ筒状に形成された絶縁基材１０と、絶縁基材１０の底部上面に導電性材料、例えば、金属のバルク材で形成された固定電極１２と、固定電極１２に対向してスペーサ１６を介して絶縁基材１０の上端部に非導電性材料により形成された振動膜１４０と、該振動膜１４０の片面に形成された金属膜１４２からなる可動電極１４とを有している。
【００１６】
また、固定電極１２の振動膜１４２と対向する面には凹凸が形成されている。可動電極１４と固定電極１２とは可動電極取り出し部材２０と絶縁基材１０により密着固定されている。
可動電極１４における金属膜１４２への給電は、可動電極取り出し部材２０を介して行われる。図６で説明したように、可動電極１４における金属膜１４２と固定電極１２との間には、直流バイアス電圧に交流信号が重畳された状態で駆動電圧が印加されるようになっている。
【００１７】
上記構成からなる静電型トランスデューサ１において、固定電極１２と可動電極１４における金属膜１４２との間に直流バイアス電圧が印加されると、可動電極１４は、固定電極１２に吸引されて変位し、この位置で安定する。この可動電極１４の位置を動作点とする。この状態で、超音波周波数帯の交流信号を印加すると、可動電極１４は、動作点を中心に振動し、歪の少ない振動を発生する。
【００１８】
ここで、固定電極１２の振動膜１４０と対向する面には凹凸が形成されているので、固定電極１２の振動膜１４０と対向する面が平坦である場合に比して表面積を増加させることができ、このため、固定電極１２と可動電極１４との間に形成される静電容量を増加させることができるので、静電型トランスデューサの駆動電圧を低下させることができる。
本実施形態に係る静電型トランスデューサでは固定電極１０及び可動電極１４間に従来に比して、低い直流バイアス電圧および低い超音波周波数帯の交流信号を印加することにより広周波数帯域にわたって一定の高音圧の音波を生成することができる。
【００１９】
次に、可動電極１４の表面積を従来の静電型トランスデューサよりも増加させるように構成した例について図２および図３を参照して説明する。図２において、可動電極１４にいおける振動膜１４０Ａは、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート樹脂）等の絶縁材の片側表面に複数の凹凸が形成されている。振動膜１４０Ａの厚みは、その振動特性から１０μｍ以下が望ましいが、振動膜１４０Ａの表面に形成された凹凸は数μｍの深さである。この凹凸を形成した面にアルミを蒸着して電極となる金属膜１４２Ａを形成する。この蒸着により形成される金属膜１４２Ａの厚みは数千Åである。
【００２０】
このように構成された可動電極１４によれば、固定電極１２と対向する金属膜１４２Ａの表面積が図３に示す従来の静電型トランスデューサにおける可動電極よりも増加させることができる。可動電極の金属膜１４２Ａの表面積を増加させることにより、固定電極１２と可動電極１４との間で形成される静電容量Ｃが大きくなるので、直流バイアス電圧が同一であれば、静電容量Ｃに蓄積される電荷Ｑが大きくなる。
【００２１】
静電容量Ｃに蓄積される電荷Ｑが大きいということはクーロンの法則より可動電極１４の金属膜１４２Ａに働く吸引力が大きくなることを意味し、結果として可動電極１４の振幅が大きく取れるので、静電型トランスデューサ１から放出される音波（音響信号）の音圧レベルは大きくなる。
一方、音圧レベルを大きくせずに、すなわち吸引力を大きくしなければ、固定電極１２と可動電極１４との間に印加される駆動信号としての直流バイアス電圧と交流信号電圧とを低くして静電型トランスデューサを動作させることができる。
【００２２】
次に、固定電極の構成の一例を図４に示す。図４に示す構成例では、固定電極１２Ａは平面円形の金属バルク材を使用する。金属バルク材で形成される固定電極１２Ａ表面には、化学処理（例えば、腐蝕処理）等により深さ数μｍ〜数十μｍの凹凸を形成する。このように構成することにより、単に平坦面であった従来の静電型トランスデューサにおける固定電極に比較して可動電極と対向する面の表面積が大きくなるので、図２を参照して説明した可動電極について得られる効果と同様の効果が得られる。
【００２３】
図４に示した固定電極１２Ａは、平面円形の金属バルク材で説明したが、固定電極は可動電極と対向する面であるから、固定電極における可動電極と対向する面が導電性材料で形成されていればよく、必ずしも固定電極全体が導電性材料で形成されている必要はない。
また、固定電極は、導電性材料で形成された層の表面を保護する非導電性膜が形成される場合も有る。
【００２４】
なお、本実施形態に係る静電型トランスデューサでは、固定電極および可動電極のうち少なくともいずれか一方の電極の表面積を増加させるように固定電極および可動電極を形成しているが、固定電極および可動電極の双方の対向する電極表面の面積を上述した方法により増加させるようにすれば、固定電極および可動電極の一方の表面積を増加させた場合に比して静電型トランスデューサの駆動電圧をより低下させることができる。
【００２５】
次に、上述した本発明の実施形態に係る静電型トランスデューサを使用した超音波スピーカの構成を図５に示す。同図において、超音波スピーカ１００は可聴周波数波発振源１１０と、キャリア波発振源１１２と、再生範囲設定部１１４と、再生範囲制御処理部１１６と、変調器１１８と、パワーアンプ１２０と、静電型トランスデューサ１２２とを有している。
【００２６】
可聴周波数波発振源１１０は可聴周波数帯の信号波を生成する機能を有する。
また、キャリア波発振源１１２は、超音波周波数帯の周波数のキャリア波を生成する機能を有する。
再生範囲設定部１１４は、操作用キー、つまみ等の操作手段を有しており、ユーザが再生信号の再生範囲を指定するための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、該データを設定し、保持する機能を有している。再生信号の再生範囲の設定は、静電型トランスデューサ１２２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行われる。
【００２７】
再生範囲制御処理部１１６は、再生範囲設定部１１４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１１２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１１２を制御する機能を有する。
例えば、再生範囲設定部１１４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１１２に対して５０kHzで発振するように制御する。
【００２８】
再生範囲制御処理部１１６は、再生範囲を規定する静電型トランスデューサ１２２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１１６０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。
【００２９】
再生範囲設定部１１４に再生範囲を示すデータが設定された際に、上記テーブルを参照して変更すべき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１１２を制御する。
なお、上記記憶部は、再生範囲設定部１１４に設けるようにしてもよい。
【００３０】
キャリア波発振源１１２は再生範囲制御処理部１１６に指示された周波数のキャリア波を生成し、変調器１１８に供給する。
変調器１１８はキャリア波発振源１１２から供給されるキャリア波を可聴周波数波発振源１１０より出力される信号波でＡＭ変調し、変調信号をパワーアンプ１２０に出力する機能を有する。
【００３１】
静電型トランスデューサ１２２は、変調器１１８からパワーアンプ１２０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。この静電型トランスデューサ１２２は、例えば、広周波数帯域の音響信号（超音波）を発振できる静電型トランスデューサである。
【００３２】
上記構成からなる本発明の実施形態に係る超音波スピーカの動作について説明する。再生範囲設定部１１４により、再生信号の再生範囲（静電型トランスデューサ１２２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）が設定されると、再生範囲制御処理部１１６は、再生範囲設定部１１４の設定データを取りこみ、内蔵する記憶部１１６０に格納されている超音波トランスデューサ２２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を参照し、キャリア波発振源１２が生成すべき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１１２を制御する。
【００３３】
この結果、キャリア波発振源１１２は、再生範囲設定部１１４で設定された再生信号の上記到達距離に対応する周波数のキャリア波を生成し、変調器１１８に出力する。
一方、変調器１１８には可聴周波数波発振源１１０より可聴周波数帯の信号波が入力される。変調器１１８では、キャリア波発信源１１４から入力されたキャリア波を可聴周波数波発振源１１０より入力された低周波信号でＡＭ変調し、該変調信号をパワーアンプ１２０に出力する。
【００３４】
パワーアンプ１２０により増幅された変調信号は、静電型トランスデューサ１２２の図示していない可動電極と固定電極との間に印加され、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）に放射される。
ここで、媒質（空気）の非線形効果について簡単に述べておくと、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、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ことが知られている。
【００３５】
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自己復調する形で形成されてくることも知られている。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。
【００３６】
本発明の実施形態に係る超音波スピーカによれば、低い直流バイアス電圧および交流信号電圧で広周波数帯域にわたって高い音圧の音響信号を放射することができる静電型トランスデューサを使用するので、超音波スピーカの小型化、低電圧化および低コスト化が図れる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の実施形態に係る静電型トランスデューサの要部の構成を示す図。
【図２】図１に示した本発明の実施形態に係る静電型トランスデューサにおける可動電極の構成を示す図。
【図３】従来の静電型トランスデューサにおける可動電極の構成の一例を示す図。
【図４】図１に示した本発明の実施形態に係る静電型トランスデューサにおける固定電極の構成の一例を示す図。
【図５】本発明の実施形態に係る超音波スピーカの電気的構成を示すブロック図。
【図６】従来の静電型トランスデューサの全体構成を示す図。
【符号の説明】
【００３８】
１…静電型トランスデューサ、１０…絶縁基材、１２…固定電極、１４…可動電極、１６…スペーサ、２０…可動電極取り出し部材、３０…直流バイアス電源、４０…信号源、１００…超音波スピーカ、１１０…可聴周波数波発振源、１１２…キャリア波発振源、１１４…再生範囲設定部、１１６…再生範囲制御処理部、１１８…変調器、１２０…パワーアンプ、１２２…静電型トランスデューサ、１４０、１４０Ａ…振動膜、１４２、１４２Ａ…金属膜
【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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