(57)【要約】【課題】  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を図った超音波トランスデューサを提供する。【解決手段】  絶縁体で形成された振動膜２と該振動膜上に形成された導電膜３とからなる上電極１０と、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、板材２００に所望の周波数で共鳴する両端開口管を形成する複数の通気孔２０１が設けられてなる共鳴管ユニット２０を上電極１０表面に固設する。【選択図】    図１
2005223820.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、
板材に所望の周波数で共鳴する両端開口管を形成する複数の通気孔が設けられてなる共鳴管ユニットを前記上電極表面に固設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】
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、前記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、
板材に所望の周波数で共鳴する両端開口管を形成する複数の通気孔が設けられてなる共鳴管ユニットを前記上電極表面に固設したことを特徴とする超音波トランスデューサ。
【請求項３】
両面に凹凸が複数、形成された下電極と、
前記下電極の両面に、それぞれ対向して配置され絶縁体で形成された振動膜と該振動膜上に形成された導電膜とからなる二つの上電極とを有し、
前記二つの上電極と下電極とを密着させることにより下電極の上下端に複数の空洞部が形成されてなり、該複数の空洞部のうち前記下電極の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超音波トランスデューサであって、
板材に所望の周波数で共鳴する両端開口管を形成する複数の通気孔が設けられてなる共鳴管ユニットを前記二つの上電極表面に固設したことを特徴とする超音波トランスデューサ。
【請求項４】
前記共鳴管ユニットは共鳴する前記所望の周波数の超音波が吸収されない材料で形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の超音波トランスデューサ。
【請求項５】
前記共鳴管ユニットに形成された前記通気孔の深さ方向の長さは共鳴する超音波の波長の半波長の長さの整数倍であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の超音波トランスデューサ。
【請求項６】
前記共鳴管ユニットの表面形状は、各共鳴管の深さ方向の長さが中央部に向うほど短くなるように凹面状に形成されていることを特徴とする請求項４または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】
前記共鳴管ユニットの表面形状は、各共鳴管の深さ方向の長さが中央部に向うほど長くなるように凸面状に形成されていることを特徴とする請求項４または５のいずれかに記載の超音波トランスデューサ。
【請求項８】
前記共鳴管ユニットの表面形状は、前記板材の一端から他端に向って、各共鳴管の深さ方向の長さが直線的に変化するように傾斜して形成されていることを特徴とする請求項４または５のいずれかに記載の超音波トランスデューサ。
【請求項９】
前記共鳴管ユニットに形成される通気孔は、前記下電極に形成される前記凹部に対応する位置に形成されることを特徴とする１乃至８のいずれかに記載の超音波トランスデューサ。
【請求項１０】
前記共鳴管ユニットと前記上電極との間に開放端補正用の間隙を設けたことを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の超音波トランスデューサ。
【請求項１１】
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に係り、特に、音波の共鳴原理を適用することで、強い超音波を発生させることができる超音波トランスデューサに関する。
【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。図１１に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。
【０００５】
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３２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。
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。
【０００６】
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。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１１に示す超音波トランスデューサの周波数特性が図１２において曲線Ｑ１に示すように広帯域となっている。
【０００７】
上記構成の超音波トランスデューサでは、上電極３２に直流バイアス電圧が印加された状態で上電極３２と下電極３３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１２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）。
【０００８】
ここで、広帯域発振型の超音波トランスデューサにおいて、高い音圧レベルを得るのに上電極の振動膜の振幅を大きくとる必要性があるのは、以下の理由による。すなわち、超音波トランスデューサから放射される超音波の音圧レベル（ＳＰＬ）は、デバイス面積をＳ、振動膜の振動速度をｖ、上電極と下電極との間に印加される印加電圧をＶとすると、ＳＰＬ∝Ｓ・ｖ・Ｖの関係がある。音圧レベルを大きくとるには、デバイス面積Ｓ、振動膜の振動速度ｖ、印加電圧Ｖのいずれかまたは、すべてを大きくすればよいが、超音波トランスデューサの小型化を考慮すると、デバイス面積Ｓ、印加電圧Ｖを大きくしたくない。
【０００９】
したがって、音圧レベルを大きくするという要求を満たすためには、振動膜の振動速度ｖを大きくする必要がある。ここで、振動膜の振動速度ｖは、振動周波数と振幅に依存するが、広周波数帯域にわたって高い音圧レベルを得る必要性から振動膜の振動速度、ひいては音圧レベルを大きくするためには、振動膜の振幅を大きく取る必要があることが判る。しかし、振動膜の振幅を大きくすることは困難であり、振幅を変えずに発生する音圧を大きくする方法が望まれる。
【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】
しかしながら、従来の広帯域発振型の超音波トランスデューサにあっては、数十〜数百Vの直流バイアス電圧を用いて上電極の薄膜と下電極のバルク材料を吸着しているために、上電極における振動膜の十分な振幅が得られないという問題を抱えている。さらに、数百Ｖの交流信号で上電極における振動膜を駆動している。
また、この直流バイアス電圧は高電圧であり、さらに上電極の薄膜と下電極とのに印加される信号としての交流信号も高電圧であるため、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。
【００１１】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、振動時に振動膜の振幅を変化させることなく共鳴現象を用いることにより音圧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を図った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】
【００１２】
上記目的を達成するために請求項１に記載の発明は、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、板材に所望の周波数で共鳴する両端開口管を形成する複数の通気孔が設けられてなる共鳴管ユニットを前記上電極表面に固設したことを特徴とする。
【００１３】
請求項２に記載の発明は、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、前記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、板材に所望の周波数で共鳴する両端開口管を形成する複数の通気孔が設けられてなる共鳴管ユニットを前記上電極表面に固設したことを特徴とする。
【００１４】
請求項３に記載の発明は、両面に凹凸が複数、形成された下電極と、
前記下電極の両面に、それぞれ対向して配置され絶縁体で形成された振動膜と該振動膜上に形成された導電膜とからなる二つの上電極とを有し、前記二つの上電極と下電極とを密着させることにより下電極の上下端に複数の空洞部が形成されてなり、該複数の空洞部のうち前記下電極の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超音波トランスデューサであって、板材に所望の周波数で共鳴する両端開口管を形成する複数の通気孔が設けられてなる共鳴管ユニットを前記二つの上電極表面に固設したことを特徴とする。
【００１５】
請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載の超音波トランスデューサにおいて、前記共鳴管ユニットは共鳴する前記所望の周波数の超音波が吸収されない材料で形成されていることを特徴とする。
【００１６】
請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載の超音波トランスデューサにおいて、前記共鳴管ユニットに形成された前記通気孔の深さ方向の長さは共鳴する超音波の波長の半波長の長さの整数倍であることを特徴とする。
【００１７】
請求項６に記載の発明は、請求項４または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、前記共鳴管ユニットの表面形状は、各共鳴管の深さ方向の長さが中央部に向うほど短くなるように凹面状に形成されていることを特徴とする。
【００１８】
請求項７に記載の発明は、請求項４または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、前記共鳴管ユニットの表面形状は、各共鳴管の深さ方向の長さが中央部に向うほど長くなるように凸面状に形成されていることを特徴とする。
【００１９】
請求項８に記載の発明は、請求項４または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、前記共鳴管ユニットの表面形状は、前記板材の一端から他端に向って、各共鳴管の深さ方向の長さが直線的に変化するように傾斜して形成されていることを特徴とする。
【００２０】
請求項９に記載の発明は、１乃至８のいずれかに記載の超音波トランスデューサ前記共鳴管ユニットに形成される通気孔は、前記下電極に形成される前記凹部に対応する位置に形成されることを特徴とする。
【００２１】
請求項１０に記載の発明は、請求項１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、前記共鳴管ユニットと前記上電極との間に開放端補正用の間隙を設けたことを特徴とする。
【００２２】
請求項１１に記載の発明は、請求項1乃至９のいずれかに記載の超音波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である。
【発明の効果】
【００２３】
以上説明したように、本発明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、板材に所望の周波数で共鳴する両端開口管を形成する複数の通気孔が設けられてなる共鳴管ユニットを前記上電極表面に固設するように構成したので、振動時に振動膜の振幅を変えることなく共鳴現象により音圧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。
【００２４】
したがって、この超音波トランスデューサを用いて超音波スピーカを構成することにより、振動時に振動膜の振幅を変えることなく共鳴現象により音圧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を図った超音波スピーカを実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
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。本実施形態に係る超音波トランスデューサは、図１１に示した従来の超音波トランスデューサに共鳴管ユニット２０を付設したものであり、超音波トランスデューサ本体は図１１に示したものと同一構成である。
図１において、超音波トランスデューサ１は、絶縁体（誘電体）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とを有している。
また、上電極１０の表面には、共鳴管ユニット２０が固設されている。
【００２６】
振動膜２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（絶縁体）を用いている。振動膜２に対しては、アルミ等の金属箔として形成される導電膜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、真鍮で形成された下電極１２が振動膜２の下面部に接触するように設けられている。この下電極１２は、リード４１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１４に固定されている。
【００２７】
また、上電極１０の導電膜３には、リード４０が接続されており、このリード４０は直流バイアス電源３０に接続されている。この直流バイアス電源３０により上電極１０の導電膜３には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１０が下電極１２側に吸着されるようになっている。３２は信号源である。
振動膜２および導電膜３ならびにベース板１４は、メタルリング１５、１６、および１７、ならびに共鳴管ユニット２０とともに、ケース１８によってかしめられている。
【００２８】
共鳴管ユニット２０は、板材２００に所望の周波数で共鳴する両端開口管を形成する複数のが設けられており、この通気孔２０１は、下電極１２に形成される凹部に対応する位置に上記凹部と同数だけ、形成されている。板材２００は、例えば、剛体で構成されている。ただし剛体といっても共鳴する所望の周波数の超音波を吸収せずに反射させることのできる材料なら金属、セラミック、プラスチックなどでも良い。図２は共鳴管ユニット２０の平面図であり、通気孔２０１の配置の一例を示している。通気孔２０１の配列は図２に示すように規則的に配列されるとは限らず、下電極１２の凹部形状および位置に対応して配列される。
【００２９】
このように共鳴管として機能する通気孔を配置することにより超音波トランスデューサ１より放射される超音波の音圧レベルを、共鳴現象を利用して向上させる際により効率的に行うことができる。
図３は共鳴管ユニット２０を更に詳しく記述した正面断面図である。図中aは共鳴管としての通気孔２０１の長さを示しており、本実施形態では１／２波長の波が伝播する様子を示している。共鳴現象を起こす最小の波長単位は１／２波長であり、両端開口管の共鳴現象の理論式は以下のようになる。
λ＝ｍｃ／ｆ                            （１）
ただし、ｆは共鳴する超音波周波数、ｃは音速（約３４０m/s）、λは波長、mは自然数である。
【００３０】
したがって、図２が共鳴管ユニットを最もコンパクトにする形態であるが、図３中aは半波長の自然数倍であればいかなる値をとっても良い。一例を示せば、超音波トランスデューサ１において、発生する超音波周波数が、４０kHzの場合には、波長は８．５mmであるので、その半分の４．２５mmの共鳴管長があれば発生する超音波を共鳴させ、音圧レベルを向上させることができることになる。
【００３１】
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。従ってその半分の８．５mmの共鳴管長があればよく、共鳴現象が半波長毎に起きることを考慮すると２０kHzからそれより高い周波数に対して２０kHz刻みで共鳴現象が起きることになり、これは幅広い周波数を使用することが可能となること意味する。これは静電型トランスデューサの特徴である広帯域周波数特性を犠牲にすることなく使用できることを意味する。もっと細かい刻み幅で超音波を可変させる場合に基本周波数を１０kHz、あるいは５kHzとし、それに合わせて上記の考え方で共鳴管サイズを決定すればよい。
【００３２】
なお、図１において、共鳴管ユニット２０と上電極１０間に若干の隙間があるが、これは開口端補正を行うためであり、一般には共鳴管半径の０．６倍程度必要である。
また、本原理を利用する場合、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。本発明の場合、発生超音波は平面波であり、また管内径は大きくても１００μm程度であるので発振超音波が２０kHzの時の波長１７mmに対して十分小さい値であるので全く問題ないと考えられる。
【００３３】
更に、離散的な共鳴周波数ではなく連続的な共鳴周波数を得る方法としては、図４に示すように、共鳴管ユニット２０Ａの表面形状を各共鳴管２０１Ａの深さ方向の長さが中央部に向うほど短くなるように滑らかな凹面状に形成することにより実現できる。
また、連続的な共鳴周波数を得るには、図５に示すように、共鳴管ユニット２０Ｂの表面形状を各共鳴管２０１Ｂの深さ方向の長さが中央部に向うほど長くなるように滑らかな凸面状に形成することによっても実現できる。
【００３４】
さらに、連続的な共鳴周波数を得る方法としては、共鳴管ユニットの平面形状を矩形状にし、かつ図６、７に示すように、共鳴管ユニット２０Ｃ（２０Ｄ）の表面形状を、板材の一端から他端に向って、各共鳴管２０１Ｃ（２０１Ｄ）の深さ方向の長さが直線的に変化するように傾斜して形成することにより実現できる。
ただし、図４〜図７に示す共鳴管ユニットを用いた場合、ある瞬間だけに注目すると、共鳴する管が限られてしまい全体的な共鳴現象を起こすことは困難となる。
【００３５】
本発明の第１実施の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、板材に所望の周波数で共鳴する両端開口管を形成する複数の通気孔が設けられてなる共鳴管ユニットを前記上電極表面に固設するように構成したので、振動時に振動膜の振幅を変えることなく共鳴現象により音圧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。
【００３６】
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について説明する。第２実施形態に係る超音波トランスデューサは、図８に示す超音波トランスデューサに図２乃至図７のいずれかに示した共鳴管ユニットを上電極表面に固設するようにしたものである。これにより、第１実施形態に係る超音波トランスデューサにより得られるのと同様の効果が得られる。
図８に示す第２実施形態に係る超音波トランスデューサ１Ａの構成について説明する。なお、本実施形態では、共鳴管ユニットについては、説明の便宜上、図示していない。図８において、超音波トランスデューサ１Ａは、絶縁体で形成された振動膜４２と該振動膜４２上に形成された導電膜４３とからなる上電極５０と、上電極５０の振動膜４２に対向する面に凹凸が複数、形成された下電極５２と、直流バイアス電源３０と、信号源３２とを有している。
【００３７】
上電極５０と下電極５２との間には、常時、電圧調整可能な直流バイアス電源３０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５２の凸部５２Ａに上電極５０が吸着され、上電極５０と下電極５２との間に形成される空洞部５４を除き、密着した状態にある。
また、下電極５２には、空洞部５４から外部に連通する通気孔５６が形成されている。
【００３８】
また、上電極５０と下電極５２との間には、直流バイアス電源３０による直流バイアス電圧に重畳された状態で信号源３２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５６は、空洞部５４内において振動膜４２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。
【００３９】
上記構成において、上電極５０の導電膜４３と下電極５２との間に直流バイアス電源３０により、直流バイアス電圧が印加されると、上電極５０に下電極５２の凸部５２Ａが吸着され、この状態で信号源３２より交流信号が上電極５０の導電膜４３と下電極５２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５０の振動膜４２は交流信号により駆動され、振動する。
【００４０】
このとき、空洞部５４内の空気には振動膜４２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５６を介してスムーズに流れるので、振動膜４２においてより大きな振動（振幅）が得られる。
このように構成された超音波トランスデューサ１Ａに第１実施形態に適用される既述した共鳴管ユニット（図２〜図７のいずれか）を使用することにより、放射される超音波の音圧レベルを、共鳴現象を利用して向上させることができる。
【００４１】
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について説明する。第３実施形態に係る超音波トランスデューサは、図９に示す超音波トランスデューサに図２乃至図７のいずれかに示した共鳴管ユニットを上電極表面に固設するようにしたものである。これにより、第１実施形態に係る超音波トランスデューサにより得られるのと同様の効果が得られる。
図９に示す第３実施形態に係る超音波トランスデューサ１Ｂの構成について説明する。なお、本実施形態では、共鳴管ユニットについては、説明の便宜上、図示していない。
【００４２】
図９において、超音波トランスデューサ１Ｂ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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
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。
【００４９】
このように構成された超音波トランスデューサ１Ｂに第１実施形態に適用される既述した共鳴管ユニット（図２〜図７のいずれか）を使用することにより、すなわち、使用目的に応じて上電極１００Ａ及び１００Ｂのうちの一方または双方の表面に、共鳴管ユニット（図２〜図７のいずれか）を固設することにより、放射される超音波の音圧レベルを、共鳴現象を利用して向上させることができる。
【００５０】
また、第１〜第３実施形態に係る超音波トランスデューサを超音波スピーカに適用することにより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を図った超音波スピーカを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【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】図１に示した本発明の第１実施形態に係る超音波トランスデューサにおける共鳴管ユニットの平面図。
【図３】図２に示した共鳴管ユニットの縦断面図。
【図４】共鳴管ユニットの平面形状を凹面状に形成した構成例を示す縦断面図。
【図５】共鳴管ユニットの平面形状を凸面状に形成した構成例を示す縦断面図。
【図６】共鳴管ユニットの平面形状を直線状に変化するように形成した構成例を示す縦断面図。
【図７】共鳴管ユニットの平面形状を直線状に変化するように形成した他の構成例を示す縦断面図。
【図８】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９】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】従来の広帯域発振型超音波トランスデューサの構成を示す図。
【図１２】超音波トランスデューサの音圧レベルの周波数特性を示す図。
【符号の説明】
【００５２】
１、１Ａ、１Ｂ…超音波トランスデューサ、２…振動膜、３…導電膜、１０…上電極、１２…下電極、１４…ベース板、１５、１６、１７…メタルリング、１８…ケース、２０…共鳴管ユニット、３０…直流バイアス電源、３２…信号源
【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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