(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１と該振動膜上に形成された導電膜２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、前記上電極を、積層構造とする。【選択図】    図５
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【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、
前記上電極を、積層構造と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】
前記積層された上電極の各導電膜が上電極の各層の端部に形成された配線部を介して電源側と接続する際に、各導電膜が短絡しないように前記積層される上電極の各層毎に、交互に振動膜上面の両端部に導電膜が形成されていないマージン部を設けた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】
前記上電極の積層数を奇数としたことを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の超音波トランスデューサ。
【請求項４】
前記積層される上電極のうちの各振動膜の厚みが異な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】
請求項１乃至４のいず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１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１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１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１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２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２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２に示す超音波トランスデューサの周波数特性が図６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６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。
【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（膜変位）を大きくして、大きな音圧を得ることができ、かつかつ直流バイアス電圧及び交流信号電圧の低減が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、前記上電極を、積層構造としたことを特徴とする。
【００１３】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の超音波トランスデューサにおいて、前記積層された上電極の各導電膜が上電極の各層の端部に形成された配線部を介して電源側と接続する際に、各導電膜が短絡しないように前記積層される上電極の各層毎に、交互に振動膜上面の両端部に導電膜が形成されていないマージン部を設けたことを特徴とする。
【００１４】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２のいずれかに記載の超音波トランスデューサにおいて、前記上電極の積層数を奇数と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、前記積層される上電極のうちの各振動膜の厚みが異なることを特徴とする。
【００１６】
請求項５に記載の発明は、超音波スピーカであって、請求項１乃至４のいず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。
【発明の効果】
【００１７】
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、前記上電極を、積層構造としたので、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。
【００１８】
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】
【００１９】
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超音波トランスデューサの構成は、電極部の構成を除き、図２に示した広周波数帯域発振型超音波トランスデューサと同一であるので、上電極と下電極とからなる電極部の構成について説明し、重複する説明は省略する。
本発明の実施形態に係る超音波トランスデューサの電極部の構成を図３に、従来の静電型の広周波数帯域発振型超音波トランスデューサの電極構造を図４に示す。図３に本発明で使用したフィルム（振動薄膜）の構造および具体的な構成を示している。これは一般の積層コンデンサの膜及び電極構成方法にならっている。図３（ａ）は、本実施形態に係る超音波トランスデューサの電極部の展開図であり、図３（ｂ）は、その断面図である。
【００２０】
図４に示すように、従来の広周波数帯域発振型超音波トランスデューサの電極構造は、下電極１２と、絶縁体で形成された振動膜１及び該振動膜１の上面に蒸着された導電膜２からなる上電極１０とからなり、下電極１２に上電極１０の振動膜１側が接触するように構成されている。すなわち、上電極は１層となるように構成されている。
【００２１】
これに対して本発明の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、超音波トランスデューサの上電極は、図３（ａ）に示すように、多層構造になっている。すなわち、振動膜１の上面に導電膜２（蒸着部）が形成された上電極部１０−１に、同一構造の上電極部１０−２が積層される。ここで、上電極部１０−１の一端には、導電膜が蒸着されていないマージン部２Ａが形成され、上電極部１０−１の上に積層される上電極部１０−２には、上電極部１０−１のマージン部２Ａと反対側の端部にマージン部２Ａが形成されている。
図３（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３（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１０を構成する。
【００２２】
図３（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３（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。
【００２３】
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１０−１、１０−２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。
【００２４】
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事も出来る。
上述したように構成された本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。
【００２５】
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。
【００２６】
したがって、本発明の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６において、曲線Ｑ３のようになる。
【００２７】
次に、図５に本発明の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。
しかし、図５に示した例では、第二層の導電膜２が下電極１２に短絡されているために、第一層の導電膜２に働く静電力（吸引力）Ｆ１、Ｆ２、第三層の導電膜２に働く静電力（吸引力）Ｆ３の総和が、下電極１２に対して上電極の導電膜２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５に示した本実施形態は、導電膜２に蓄積された電荷に働く力として矢印で示した。
【００２８】
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。
【００２９】
また、図５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１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１（各層に形成された導電膜２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５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。
【００３０】
本発明の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。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】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２】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３】本発明の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４】従来の超音波トランスデューサの電極構造を示す図。
【図５】本発明の実施形態に係る超音波トランスデューサの電極構造の具体例を示す図。
【図６】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】
【００３２】
１…振動膜、２…導電膜（蒸着部）、２Ａ…マージン部、１０、１０−１、１０−２…上電極、１１…配線部、１２…下電極、２０…リード線
【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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