(57)【要約】【課題】  簡単な構成で静電力を向上させることにより音圧の向上を図った静電型超音波トランスデューサを提供する。【解決手段】  複数の貫通穴１４が形成された第１の固定電極１０Ａと、前記第１の固定電極と対をなす複数の貫通穴１４が形成された第２の固定電極１０Ｂと、前記一対の固定電極に挟持され絶縁性フィルム１２１の両面に導電層１２０を有し、該導電層に直流バイアス電源１６により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保持部材とを有し、前記一対の固定電極間には信号源１８により交流信号が印加される静電型超音波トランスデューサであって、前記第１、第２の固定電極における各々の振動膜側に絶縁皮膜層が形成されている。【選択図】    図１
2007082052.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の貫通穴が形成された第１の固定電極と、
前記第１の固定電極と対をなす複数の貫通穴が形成された第２の固定電極と、
前記一対の固定電極に挟持され絶縁性フィルムの両面に導電層を有し、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保持部材とを有し、
前記一対の固定電極間には交流信号が印加される静電型超音波トランスデューサであって、
前記第１、第２の固定電極における各々の振動膜側に絶縁皮膜層を形成したことを特徴とする静電型超音波トランスデューサ。
【請求項２】
前記第１、第２の固定電極の前記貫通穴内壁にも絶縁皮膜層が形成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】
前記貫通穴内壁を含む前記第１、第２の固定電極全面に絶縁皮膜層が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の静電型超音波トランスデューサ。
【請求項４】
前記絶縁皮膜層は、感光性コーティング材、非導電性塗料、電着材料のいずれか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静電型超音波トランスデューサ。
【請求項５】
複数の貫通穴が形成された第１の固定電極と、
前記第１の固定電極と対をなす複数の貫通穴が形成された第２の固定電極と、
前記一対の固定電極に挟持され絶縁性フィルムの両面に導電層を有し、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保持部材とを有し、
前記一対の固定電極間には交流信号が印加される静電型超音波トランスデューサの製造方法であって、
前記第１、第２の固定電極は、
導電体に前記複数の穴のパターンが形成されたマスク部材を被覆し、エッチング処理により貫通穴を形成する第１の工程と、
前記貫通穴が形成された後に前記マスク部材を剥離する第２の工程と、
前記貫通穴が形成された導電体の片面に所定の膜厚の絶縁皮膜層を形成する第３の工程と、
前記絶縁皮膜層が形成された導電体上の貫通穴及び該貫通穴近傍の領域をマスクするマスク部材を前記導電体表面上に載置し、かつ該導電体表面上に前記振動膜と対向する導電体部分を露出させるための絶縁性の対向電極形成体を形成するための対向電極形成材をセットし、スキージを移動させて前記対向電極形成材を前記導電体表面におけるマスク部材によりマスクされていない部分に塗布する第４の工程と、
前記第４の工程において、前記対向電極形成材の塗布完了後に前記マスク部材を外し、かつ前記導電体上に形成された対向電極形成体を乾燥させる第５の工程と、
により作製されることを特徴とする静電型超音波トランスデューサの製造方法。
【請求項６】
前記第３の工程の代わりに、前記第１、第２の固定電極の貫通穴内壁にも絶縁皮膜層を形成する第３’の工程を有することを特徴とする請求項５に記載の静電型超音波トランスデューサの製造方法。
【請求項７】
前記第３の工程の代わりに、前記貫通穴が形成された導電体に対し、所定の膜厚の絶縁皮膜層を前記貫通穴の内壁を含む導電体全面に形成する第３’’の工程を有することを特徴とする請求項５に記載の静電型超音波トランスデューサの製造方法。
【請求項８】
前記絶縁皮膜層は、感光性コーティング材、非導電性塗料、電着材料のいずれかで形成することを特徴とする請求項５乃至７のいずれかに記載の静電型超音波トランスデューサの製造方法。
【請求項９】
請求項１乃至４のいずれかに記載の静電型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、
前記静電型超音波トランスデューサは、前記第１、第２の固定電極と前記振動膜の導電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９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９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９に示すバイモフル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９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１０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１０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いる。
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１０に示す超音波トランスデューサの周波数特性が図１１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１１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）。
【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９に示す共振型の超音波トランスデューサと違い、図１０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１１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が顕著に表れ、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８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１０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】
これに対して、我々は、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を既に提案している。この超音波トランスデューサの構成を図１２に示す。図１２において、超音波トランスデューサは、導電層１２１を有する振動膜１２を対向する位置に貫通穴１４が形成された一対の固定電極１０Ａ，１０Ｂにより挟持し、振動膜１２に直流電源１６により直流バイアス電圧が印加された状態で一対の固定電極に信号源１８により交流信号１８Ａ，１８Ｂを印加するように構成したものである。なお、１２０は振動膜を形成する絶縁フィルムであり、１７は、一対の固定電極１０Ａ，１０Ｂの一部を成し、振動膜１２を挟持する機能と、振動膜１３との間で静電力が作用する部分である対向電極部１９を形成する機能とを有する対向電極形成体である。
【００１８】
この超音波トランスデューサは、Ｐｕｓｈ−Ｐｕｌｌ型の超音波トランスデューサと呼ばれており、一対の固定電極により挟持された振動膜が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を同方向にかつ同時に受けるために、振動膜の振動をパラメトリックアレイ効果を得るのに十分に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、従来のＰｕｌｌ型超音波トランスデューサに比して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。
【００１９】
ところで、Ｐｕｓｈ−Ｐｕｌｌ型の超音波トランスデューサでは振動膜に作用する静電力の強さは、固定電極面と振動膜側の導電層との距離に大きく依存し、理論的に距離の２乗に反比例する。よって、可能な限り距離を減らすために、固定電極に設ける対向電極部の厚みを減らし、振動膜を薄くすることが効果的であるが、現在、既に提案したＰｕｓｈ−Ｐｕｌｌ型の超音波トランスデューサ（図１２）の構成では限界があった。
例えば、対向電極部の最小厚みを６μｍ、振動膜の導電層を基準として片側の厚みを９μｍとした場合、固定電極面と振動膜の導電層との距離は１５μｍとなり、この距離が現構成で安定かつ信頼性の高い駆動が可能な条件である。したがって、固定電極と振動膜の導電層との間の距離をこれ以上、短くすることはできない。
【００２０】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、簡単な構成で静電力を向上させることにより音圧の向上を図った静電型超音波トランスデューサ及びその製造方法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】
【００２１】
上記目的を達成するために本発明の静電型超音波トランスデューサは、複数の貫通穴が形成された第１の固定電極と、前記第１の固定電極と対をなす複数の貫通穴が形成された第２の固定電極と、前記一対の固定電極に挟持され絶縁性フィルムの両面に導電層を有し、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保持部材とを有し、前記一対の固定電極間には交流信号が印加される静電型超音波トランスデューサであって、前記第１、第２の固定電極における各々の振動膜側に絶縁皮膜層を形成したことを特徴とする。
【００２２】
上記構成からなる本発明の静電型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。
さらに、前記振動膜は、絶縁性フィルムの両面に導電層を有し、前記第１、第２の固定電極における各々の振動膜側に絶縁皮膜層を形成したので、固定電極と振動膜の導電層との間の距離をこれまでより短くすることができ、振動膜に作用する静電力の向上が図れ、したがって、音圧の向上が図れる。
【００２３】
また、本発明の静電型超音波トランスデューサは、前記第１、第２の固定電極の前記貫通穴内壁にも絶縁皮膜層が形成されていることを特徴とする。
【００２４】
上記構成からなる本発明の静電型超音波トランスデューサでは、前記第１、第２の固定電極の前記貫通穴内壁にも絶縁皮膜層が形成される。したがって、振動膜が振動した際に、振動膜の導電層と固定電極とが接触する危険性を回避することができ、信頼性の向上が図れる。
【００２５】
また、本発明の静電型超音波トランスデューサは、前記貫通穴内壁を含む前記第１、第２の固定電極全面に絶縁皮膜層が形成されていることを特徴とする。
【００２６】
上記構成からなる本発明の静電型超音波トランスデューサでは、前記貫通穴内壁を含む前記第１、第２の固定電極全面に絶縁皮膜層が形成される。したがって、固定電極における導電部が一切、外部に露出しないようにすることができ、安全性の高い静電型超音波トランスデューサを実現できる。
【００２７】
また、本発明の静電型超音波トランスデューサは、上記のいずれかに記載の静電型超音波トランスデューサにおいて、前記絶縁皮膜層は、感光性コーティング材、非導電性塗料、電着材料のいずれかで形成されていることを特徴とする。
【００２８】
上記構成からなる本発明の静電型超音波トランスデューサでは、前記絶縁皮膜層は、感光性コーティング材、非導電性塗料、電着材料のいずれかを用いて形成される。したがって、貫通穴の空いた固定電極（導電体）に蒸着法、スピンコート法、あるいは電着法により固定電極表面あるいは貫通穴内壁を含む固定電極全面に絶縁層を形成することができる。
【００２９】
また、本発明の静電型超音波トランスデューサの製造方法は、複数の貫通穴が形成された第１の固定電極と、前記第１の固定電極と対をなす複数の貫通穴が形成された第２の固定電極と、前記一対の固定電極に挟持され絶縁性フィルムの両面に導電層を有し、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保持部材とを有し、前記一対の固定電極間には交流信号が印加される静電型超音波トランスデューサの製造方法であって、前記第１、第２の固定電極は、導電体に前記複数の穴のパターンが形成されたマスク部材を被覆し、エッチング処理により貫通穴を形成する第１の工程と、前記貫通穴が形成された後に前記マスク部材を剥離する第２の工程と、前記貫通穴が形成された導電体の片面に所定の膜厚の絶縁皮膜層を形成する第３の工程と、前記絶縁皮膜層が形成された導電体上の貫通穴及び該貫通穴近傍の領域をマスクするマスク部材を前記導電体表面上に載置し、かつ該導電体表面上に前記振動膜と対向する導電体部分を露出させるための絶縁性の対向電極形成体を形成するための対向電極形成材をセットし、スキージを移動させて前記対向電極形成材を前記導電体表面におけるマスク部材によりマスクされていない部分に塗布する第４の工程と、前記第４の工程において、前記対向電極形成材の塗布完了後に前記マスク部材を外し、かつ前記導電体上に形成された対向電極形成体を乾燥させる第５の工程とにより作製されることを特徴とする。
【００３０】
上記構成からなる本発明の静電型超音波トランスデューサの製造方法では、対を成す前記第１、第２の固定電極は、導電体に前記複数の穴のパターンが形成されたマスク部材を被覆し、エッチング処理により貫通穴を形成する第１の工程と、前記貫通穴が形成された後に前記マスク部材を剥離する第２の工程と、前記貫通穴が形成された導電体の片面に所定の膜厚の絶縁皮膜層を形成する第３の工程と、前記絶縁皮膜層が形成された導電体上の貫通穴及び該貫通穴近傍の領域をマスクするマスク部材を前記導電体表面上に載置し、かつ該導電体表面上に前記振動膜と対向する導電体部分を露出させるための絶縁性の対向電極形成体を形成するための対向電極形成材をセットし、スキージを移動させて前記対向電極形成材を前記導電体表面におけるマスク部材によりマスクされていない部分に塗布する第４の工程と、前記第４の工程において、前記対向電極形成材の塗布完了後に前記マスク部材を外し、かつ前記導電体上に形成された対向電極形成体を乾燥させる第５の工程とにより作製される。
【００３１】
上記構成からなる本発明の静電型超音波トランスデューサの製造方法によれば、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静電型超音波トランスデューサが得られる。
また、上記構成からなる本発明の静電型超音波トランスデューサの製造方法では、固定電極の導電体片面に絶縁皮膜層が形成される。したがって、上記構成からなる本発明の静電型超音波トランスデューサの製造方法によれば、振動膜が振動した際に、振動膜の導電層と固定電極とが接触する危険性を回避することができ、信頼性の向上を図った静電型超音波トランスデューサが得られる。
【００３２】
また、本発明の静電型超音波トランスデューサの製造方法は、上記静電型超音波トランスデューサの製造方法において、前記第３の工程の代わりに、前記第１、第２の固定電極の貫通穴内壁にも絶縁皮膜層を形成する第３’の工程を有することを特徴とする。
【００３３】
上記構成からなる本発明の静電型超音波トランスデューサの製造方法では、前記第１、第２の固定電極の貫通穴内壁にも絶縁皮膜層が形成される。したがって、振動膜が振動した際に、振動膜の導電層と固定電極とが接触する危険性を回避することができ、信頼性の向上を図った静電型超音波トランスデューサが得られる。
【００３４】
また、本発明の静電型超音波トランスデューサの製造方法は、上記静電型超音波トランスデューサの製造方法において、前記第３の工程の代わりに、前記貫通穴が形成された導電体に対し、所定の膜厚の絶縁皮膜層を前記貫通穴の内壁を含む導電体全面に形成する第３’’の工程を有することを特徴とする。
【００３５】
上記構成からなる本発明の静電型超音波トランスデューサの製造方法では、前記貫通穴が形成された導電体に対し、所定の膜厚の絶縁皮膜層が前記貫通穴の内壁を含む導電体全面に形成される。
したがって、前記貫通穴内壁を含む前記第１、第２の固定電極全面に絶縁皮膜層が形成される。したがって、固定電極における導電部が一切、外部に露出しないようにすることができ、安全性の高い静電型超音波トランスデューサが得られる。
【００３６】
また、本発明の静電型超音波トランスデューサの製造方法は、上記いずれかの静電型超音波トランスデューサの製造方法において、前記絶縁皮膜層は、感光性コーティング材、非導電性塗料、電着材料のいずれかで形成することを特徴とする。
【００３７】
上記構成からなる本発明の静電型超音波トランスデューサの製造方法によれば、前記絶縁皮膜層は、感光性コーティング材、非導電性塗料、電着材料のいずれかを用いて形成される。したがって、貫通穴の空いた固定電極（導電体）に蒸着法、スピンコート法、あるいは電着法により固定電極表面あるいは貫通穴内壁を含む固定電極全面に絶縁層を形成することができる。
【００３８】
また、本発明の超音波スピーカは、上記いずれかの静電型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、前記静電型超音波トランスデューサは、前記第１、第２の固定電極と前記振動膜の導電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。
【００３９】
上記構成からなる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。
【００４０】
本発明の超音波スピーカでは、上記構成の静電型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超音波スピーカを実現できる。
さらに、上記構成の静電型超音波トランスデューサを用いて構成したので、すなわち、前記振動膜は、絶縁性フィルムの両面に導電層を有し、前記第１、第２の固定電極における各々の振動膜側に絶縁皮膜層を形成したので、固定電極と振動膜の導電層との間の距離をこれまでより短くすることができ、振動膜に作用する静電力の向上が図れ、したがって、音圧の向上が図れる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４１】
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静電型超音波トランスデューサの構成を図１に示す。図１（Ａ）は、静電型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、本発明の実施形態に係る静電型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、絶縁フィルム１２０の両面に導電層１２１を有する振動膜１２と、一対の固定電極１０Ａ、１０Ｂと振動膜１２を保持する部材（図示せず）とを有している。
【００４２】
振動膜１２は、絶縁フィルム（絶縁体）１２０と、その両面に導電性材料で形成された導電層１２１を有しており、該導電層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固定電極１０Ａと固定電極１０Ｂには、信号源１８から出力される相互に位相反転した交流信号１８Ａ，１８Ｂが導電層１２１との間に印加されるようになっている。
振動膜１２の絶縁フィルム（絶縁体）１２０は、絶縁抵抗性に優れた高分子材料（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）、アラミド、ポリ・フェニレン・サルファイド（ＰＰＳ）等）で形成されている。
【００４３】
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により相互に位相反転した交流信号１８Ａ、１８Ｂが印加されるようになっている。
【００４４】
また１７は、一対の固定電極１０Ａ，１０Ｂの一部を成し、振動膜１２を挟持する機能と、振動膜１３との間で静電力が作用する部分である対向電極部（導電部が露出した部分）１９を形成する機能とを有する対向電極形成体であり、固定電極１０Ａまたは１０Ｂの貫通穴１４と対向電極形成体１９とで、段付き穴が形成されている。
固定電極１０Ａの対向電極部１９と電極層１２１、固定電極１０Ｂの対向電極部１９と電極層１２１は、それぞれコンデンサが形成されている。
【００４５】
図１におけるＸ部の拡大図を図２に示す。図１では示されていないが、図２に示すように対向電極部２０を含む固定電極１０Ａ，１０Ｂの導電部１０の表面に絶縁皮膜層２０が形成されている。これにより振動膜１２が振動し、その導電層１２１が固定電極１０Ａ，１０Ｂの導電部１０に接近した際の放電（絶縁破壊）を防止し、振動膜１２と固定電極１０Ａ，１０Ｂとの絶縁性を確保することができるようになっている。
【００４６】
また、振動膜１２を挟持する対向電極形成体は、従来通り絶縁材料（液状ソルダーレジスト、感光性コーティング材、非導電性塗料、電着材料等）で形成する。
絶縁皮膜層２０を構成する材料としてはポリイミドやエポキシ系高分子材料等が有効であり、その厚み２〜３μｍで、約５００Ｖの絶縁破壊耐圧が確保できる。
また、さらに高い絶縁性を得るために、図３に示すように、固定電極１０Ａ，１０Ｂの貫通穴１４内部の側面を含む固定電極片面（対向電極部２０として構成される面）に絶縁皮膜層２０Ａを形成してもよいし、また、図４に示すように、固定電極１０Ａ，１０Ｂの貫通穴１４内部の側面を含む固定電極全面に絶縁皮膜層２０Ｂを形成しても良い。
【００４７】
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の導電層１２１、１２１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から出力される相互に位相反転した交流信号１８Ａ，１８Ｂ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より相互に位相反転した交流信号１８Ａ，１８Ｂが印加される。
【００４８】
この結果、信号源１８から出力される交流信号１８Ａ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側の導電層１２１には、静電反発力が作用し、表面側の導電層１２１は、図１上、下方に引っ張られる。
また、このとき、交流信号１８Ｂが負のサイクルとなり、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の裏面側の導電層１２１には、静電吸引力が作用し、裏面側の導電層１２１は、図１上、さらに下方に引っ張られる。
【００４９】
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、同時にかつ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の表面側の導電層１２１には図１上、上方に静電吸引力が、また裏面側の導電層１２１には、図１上、上方に静電反発力が作用し、一対の固定電極１０Ａ、１０Ｂにより挟持されていない振動膜１２における膜部分は、同時にかつ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が同時にかつ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。
【００５０】
このように本発明の実施形態に係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。
本発明の実施形態に係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。
【００５１】
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図１１に示す。同図において、曲線Ｑ３が本実施形態に係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。
【００５２】
本発明の実施形態に係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。
【００５３】
次に、本発明の実施形態に係るＰｕｓｈ−Ｐｕｌｌ型の静電型超音波トランスデューサにおける固定電極の製造工程について図５及び図６を参照して説明する。
ここでは、Ｐｕｓｈ−Ｐｕｌｌ型の静電型超音波トランスデューサにおける一対の固定電極のうち、一方の固定電極の製造工程について説明する。
これらの図において、固定電極の母材である導電体１００に複数の穴のパターンが形成されたマスク部材１０２を被覆し、エッチング処理により貫通穴を形成する（第１の工程：図５（ａ），（ｂ））。ここで、導電体１００としては、銅、ステンレスが用いられるが、ニッケル電鋳に対しては銅が好適である。
【００５４】
次いで、貫通穴１０４が形成された後にマスク部材１０２を剥離して、貫通穴１０４の空いた導電体１００が得られる（第２の工程：図５（ｃ））。
ここでエッチング処理によって空けられる貫通穴１０４の口径には、厚みとの関係で制約がある。例えば、本発明の実施形態に係る超音波トランスデューサで使用している貫通孔の最小口径は０．２５ｍｍであり、この径の貫通孔が空けられる板厚は０．２５ｍｍ以下とされている。よって、０．２５ｍｍ以上の、厚みの固定電極を必要とする場合には、厚み０．２５ｍｍ金属板にエッチング処理で貫通穴を空けたものを予め数枚、用意しておき、これらを必要枚数重ねて熱圧着または拡散接合により金属結合させ、所望の厚みの固定電極を製作する。
【００５５】
次に、貫通穴１０４が形成された導電体（金属板）１００の片面に、蒸着法またはスピンコート法を用いて、所定の膜厚の絶縁皮膜層１０６を形成する（第３の工程：図５（ｄ−１））。
または、貫通穴１０４が形成された導電体１００に対し、電着法を用いて所定の膜厚の絶縁皮膜層を貫通穴１０４の内壁を含む導電体１００全面に形成する（第３’’の工程：図５（ｄ−２））。
以降の工程では、図５（ｄ−１）に示した貫通穴１０４が形成された導電体（金属板）１００の片面に、蒸着法またはスピンコート法を用いて、所定の膜厚の絶縁皮膜層１０６を形成する工程が行われたものとして、固定電極完成までの工程について説明を続ける。
【００５６】
次に、絶縁皮膜層１０６が形成された導電体１００上の貫通穴１０４及び該貫通穴１０４近傍の領域をマスクするマスク部材１０８を導電体１００表面上に載置し、かつ該導電体１００表面上に振動膜と対向する導電体部分を露出させるための絶縁性の対向電極形成体を形成するための対向電極形成材１１０をセットし、スキージ１１２をマスク部材１０８に沿って移動させて対向電極形成材１１０を導電体１００表面におけるマスク部材１０８によりマスクされていない部分に塗布する（第４の工程：図６（ｅ），（ｆ））。
【００５７】
有効と考えられる対向電極形成材は、永久的に対向電極形成体として構成でき、かつ非導電性のもので、例えば回路基板で一般的に使用されるパッケージ用の液状ソルダーレジストやサンドプラスト用レジストとして使用されるマスキングインクなどである。
特にフレキシブルプリント基板用のソルダーレジストは比較的柔らかい（鉛筆の硬さでＨＢ〜３Ｈ程度）ため、金属をはじめ、様々な導電体（導電性樹脂など）との密着強度にも優れ、高分子膜から成る振動膜の挟持性に非常に有効である。
【００５８】
前記第４の工程において、対向電極形成材１１０の塗布完了後にマスク部材１０８を外し、かつ導電体１００上に形成された対向電極形成体１１４を乾燥させ、所望の固定電極が完成する（第５の工程：図６（ｇ））。
【００５９】
次に、本発明の実施形態に係る静電型超音波トランスデューサを用いた場合の効果について図７を参照して説明する。
（1）静電力向上による音圧の改善が図れる。
図７（ｂ）に示す構成（本願出願以前に提案されている静電型超音波トランスデューサの構成）では、固定電極１０Ａ（または１０Ｂ）における導電部１０の振動膜１２側の面と振動膜１２の導電層１２１との距離は、振動膜１２の絶縁層１２０の厚みＴ１と対向電極形成体１７の厚みＴ２で決まる。
例えば、絶縁層１２０の厚みＴ１= ９μｍ、対向電極形成体１７の厚みＴ２=６μｍの場合、電極間距離は１５μｍとなる。
【００６０】
これに対し、図７（ａ）に示す本発明の構成では、固定電極１０Ａ（または１０Ｂ）における導電部１０の振動膜１２側の面と振動膜１２の導電層１２１との距離は、対向電極形成体１７の厚みｔ１と絶縁皮膜層２０の厚みｔ２で決まる。
対向電極形成体１７の厚みｔ１は図７（ａ）の構成と同様に６μｍとした場合でも、絶縁皮膜層２０の厚みｔ２が３μｍ程度で済むため、電極間距離を９μｍに抑えられる。
その結果得られる静電力は、従来構成に対し２．７７倍（距離の比の二乗）となり、音圧としては４ｄＢ以上向上する。
【００６１】
（２）信頼性の向上が図れる。
図７（ｂ）に示す構成では、振動膜１２の絶縁層１２０が破損（傷、亀裂など）すると内側の導電層（金属蒸着膜）１２１が剥き出しとなり、振動によって上記破損部が、導電部１０が剥き出しの対向電極部に接近すると絶縁破壊が生じることがあった。
これに対し、本発明の構成では、固定電極１０Ａ（または１０Ｂ）を構成する導電部１０の表面全体に絶縁皮膜処理を施したことにより、対向電極部を含め、振動膜１２の導電層１２１が直接、固定電極１０Ａ（または１０Ｂ）の導電部１０に接触する危険性が回避され、絶縁破壊が起きにくい。したがって、信頼性の向上が図れる。
【００６２】
（３）安全性（絶縁）の確保が図れる。
図７（ｂ）に示す構成では、固定電極１０Ａ（または１０Ｂ）を構成する導電部１０が、外側両面に剥き出しの状態となるため、安全ネットを張ったケースなどに収める必要があった。
これに対し、本発明の固定電極の製造工程で説明したように、電着法を用いて、貫通穴の内壁を含む導電体全面に絶縁皮膜層を形成すれば、固定電極の導電部が一切外部に露出しない構成が容易に実現でき、安全性の高い静電型超音波トランスデューサを実現できる。このように本実施形態に係る静電型超音波トランスデューサによれば、安全性（絶縁）の確保が図れる。
【００６３】
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８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静電型超音波トランスデューサ（図１）を超音波トランスデューサ５５として用いたものである。
【００６４】
図８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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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超音波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、音が広がる超音波スピーカを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。
【００６８】
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もちいれば、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。
【００６９】
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。
また、上記構成の静電型超音波トランスデューサを用いて構成したので、すなわち、前記振動膜は、絶縁性フィルムの両面に導電層を有し、前記第１、第２の固定電極における各々の振動膜側に絶縁皮膜層を形成したので、固定電極と振動膜の導電層との間の距離をこれまでより短くすることができ、振動膜に作用する静電力の向上が図れ、したがって、音圧の向上が図れる。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
本発明の実施形態に係る静電型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】
【００７１】
【図１】本発明の実施形態に係る静電型超音波トランスデューサの構成を示す図。
【図２】図１に示した本発明の実施形態に係る静電型超音波トランスデューサにおけるＸ部の拡大図。
【図３】本発明の他の実施形態に係る静電型超音波トランスデューサの要部の構成を示す図。
【図４】本発明の更に他の実施形態に係る静電型超音波トランスデューサの要部の構成を示す図。
【図５】本発明の実施形態に係る静電型超音波トランスデューサの製造工程の一例を示す流れ図。
【図６】本発明の実施形態に係る静電型超音波トランスデューサの製造工程の一例を示す流れ図。
【図７】本発明の実施形態に係る静電型超音波トランスデューサを使用することによる得られる効果を説明するための図。
【図８】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９】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１０】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１１】本発明の実施形態に係る静電型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。
【図１２】Ｐｕｓｈ−Ｐｕｌｌ型の静電型超音波トランスデューサの構成を示す図。
【符号の説明】
【００７２】
１…静電型超音波トランスデューサ、１０Ａ，１０Ｂ…固定電極、１２…振動膜、１４…貫通穴、１６…直流バイアス電源、１８…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…導電層。
【図１】
2007082052.tif 000003
【図２】
2007082052.tif 000004
【図３】
2007082052.tif 000005
【図４】
2007082052.tif 000006
【図５】
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【図６】
2007082052.tif 000008
【図７】
2007082052.tif 000009
【図８】
2007082052.tif 000010
【図９】
2007082052.tif 000011
【図１０】
2007082052.tif 000012
【図１１】
2007082052.tif 000013
【図１２】
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