CN1942020A - 静电型超声波换能器及其设计方法、超声波扬声器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种静电型超声波换能器。推挽型静电型超声波换能器中，定量求出固定电极的凸部高度。推挽型静电型超声波换能器(1)中，使把给定了期望声压和驱动频率时的固定电极(10A、10B)的凸部高度(t)设定为最佳的数式定型化。该数式为，在设期望声压为P(dB)、驱动频率为f(Hz)，振动膜(12)的单侧振幅值为a(m)时，通过a＝(1/πf)

{(I_o·10^P/10)/2ρ_oC}进行计算。I_o：基准声强为0.96×10^－12(W/m²)，ρ_o：空气密度为1.2(kg/m³)，C：空气中的声速为约340(m/S)。使固定电极的凸部高度t为超过由该计算式求出的膜振动的单侧振幅值a，且极接近该振幅值a的值(至少在不会因膜振动而使振动膜接触电极的范围内)。

Description

静电型超声波换能器及其设计方法、超声波扬声器

技术领域

本发明涉及一种推挽(push-pull)型的静电型超声波换能器，涉及能够以比以往少的能量产生相同的声压并能够实现低电压化(低功率化)的静电型超声波换能器、采用该静电型超声波换能器的超声波扬声器、静电型超声波换能器的设计方法、使用静电型超声波换能器的声音信号再现方法、静电型超声波换能器的设计装置、静电型超声波换能器的设计程序、静电型超声波换能器的固定电极的制造方法、超指向性音响系统和显示装置。

背景技术

以往，作为静电方式的超声波换能器，公知有可在整个高频域产生高声压的宽频带振荡型超声波换能器。图7表示宽频带振荡型超声波换能器的结构例。该静电型超声波换能器由于仅在把振动膜拉向固定电极侧的方向上发挥作用，所以被称为挽型(Pull型)。

图7所示的静电型超声波换能器采用3～10μm左右的厚度的PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯树脂)等电介质131(绝缘体)作为振动体(振动膜)。在电介质131的上表面部上通过蒸镀等处理一体形成有上电极132，该上电极132是由铝等的金属箔形成，并且在电介质131的下表面部与电介质131接触地设置有由黄铜形成的下电极133。该下电极133与导线152连接，并且固定于由贝克莱特酚醛树脂(Bakelite)等构成的基板135上。

并且，上电极132与导线153连接，该导线153与直流偏压电源150连接。通过该直流偏压电源150向上电极132始终施加50～150V左右的上电极吸附用的直流偏压，上电极132被吸附在下电极133侧。151是信号源。

电介质131和上电极132以及基板135与金属圈136、137和138以及网状物139一起，通过壳体130被铆接。

在下电极133的电介质131侧的面上形成有多个具有不均一形状的数十～数百μm左右的微小槽。由于该微小槽成为下电极133和电介质131之间的空隙，所以上电极132和下电极133之间的静电电容分布发生微小变化。该随机的微小槽是以手工作业用锉刀对下电极133的表面进行粗加工而形成的。在静电方式的超声波换能器中，由于如此形成空隙大小和深度不同的无数个电容器，从而频率特性成为宽频域(例如，参照专利文献1、2)。

如上所述，作为图7所示的静电方式的超声波换能器一直以来作为可在整个宽频带产生较高声压的宽频域超声波换能器(挽型)而被公知。

但是，声压的最大值稍低、例如是声压低至120dB以下，作为超声波扬声器来利用时，声压存在些许不足。为了使超声波扬声器中的参量效应充分表现，则需要120dB以上的超声波声压，然而在静电型超声波换能器(挽型)中很难达到这个数值，要采用专门的PZT(锆钛酸铅)等的陶瓷压电元件或PVDF(聚偏二氟乙烯)等的高分子压电元件作为超声波产生体。但是，由于压电元件无论其材料如何都具有敏锐的谐振点，在该谐振频率下进行驱动，作为超声波扬声器得到实用，所以能够确保高声压的频率范围极其窄。即可以说是窄频带的。

为了解决这种问题，如图1所示，目前已提出了应用本发明的设计方法的静电型超声波换能器的方案(日本特願2004-173946号公报)。这种结构一般称为推挽(push-pull)型，其结构和动作的细节在后面叙述，与挽(pull)型静电型超声波换能器相比，图1所示的超声波换能器具有同时满足宽频带性和高声压的能力。

但是，在图1所示的推挽型静电型超声波换能器中，特别是，固定电极10A、10B的凸部高度t(带阶梯的孔的阶梯高度)设为多大成为重要的问题。关于该固定电极10A、10B的凸部高度t(带阶梯的孔的阶梯高度)，以往例如根据经验观察其余量，并大多设定为10～20μm等。这样，如果把凸部高度t设定得较高，则对应这部分就需要高驱动交流电压、还消耗额外的能量，从而成为问题。因此，要求提供根据期望声压和驱动频率的值定量地设计最佳凸部高度t的方法。

如果能够定量地求得最佳的凸部高度t，则能够实现以低驱动电压来获得期望声压的高效结构。换言之，能够以更少的能量产生相同的声压，能够实现静电型超声波换能器的低电压化(低功率化)。

专利文献1：日本特开2000-50387号公报

专利文献2：日本特开2000-50392号公报

如上所述，在图1所示的推挽型静电型超声波换能器中，要求提供定量地设计固定电极10A、10B的凸部高度t(带阶梯的孔的阶梯高度)的方法。如果能够定量地求得最佳的凸部高度t，则能够实现以低驱动电压来获得期望声压的高效结构，能够以更少的能量产生相同的声压。即，能够实现静电型超声波换能器的低电压化(低功率化)。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而提出的，第一目的在于提供一种推挽型的静电型超声波换能器，能够定量地求出固定电极的凸部的高度，以比以往少的能量产生相同的声压，实现低电压化(低功率化)。

本发明的第二目的在于，提供采用上述推挽型的静电型超声波换能器的超声波扬声器、静电型超声波换能器的设计方法、静电型超声波换能器的设计装置、静电型超声波换能器的设计程序、声音信号再现方法、制造方法、超指向性音响系统和投影仪。

本发明是为了解决上述课题而提出的，本发明的超声波换能器的特征在于，该静电型超声波换能器具有：形成有通孔的第一电极；第二电极，其形成有与所述第一电极的通孔成对的通孔，且所述第二电极与所述第一电极之间被施加交流信号；振动膜，其被所述一对电极夹持着，并具有导电层，该导电层被施加直流偏压；和保持部件，其保持所述一对电极和所述振动膜，

在设输出的期望声压为P(dB)、驱动频率为f(Hz)时，若设所述振动膜被驱动时的该振动膜中的膜振动的单侧振幅值为a(m)，则膜振动的单侧振幅值a利用下式计算：

a＝(1/πf){(I_o·10^P/10)/2ρ_oC}，

其中，I_o：基准声强，为0.96×10^-12(W/m²)，ρ_o：空气密度，为1.2(kg/m³)，C：空气中的声速，为约340(m/S)，

在所述一对电极的各自的振动膜侧的通孔外周上具有阶梯部，该阶梯部在所述振动膜侧方向的高度设定为，超过所述单侧振幅值a且为所述单侧振幅值a附近的值。

根据这样的结构，例如在图1所示的推挽型的静电型超声波换能器中，使用于在给定了期望声压和驱动频率时把带阶梯的孔的阶梯高度t设定为最佳的数式定型化。在把期望声压设为P(dB)、驱动频率设为f(Hz)、膜振动的单侧振幅为a(m)时，该数式由下式给出：a＝(1/πf){(I_o·10^P/10)/2ρ_oC}，其中，I_o：基准声强，为0.96×10^-12(W/m²)，ρ_o：空气密度，为1.2(kg/m³)，C：空气中的声速，为约340(m/S)。

而且，将固定电极的带阶梯的孔的阶梯高度t设计成，超过由上述计算式求得的膜振动振幅的值，且极其接近该振幅值的值(至少不会因膜振动而使振动膜与电极接触的范围内)，制作利用所述方法来设计固定电极的超声波换能器。

由此，能够根据期望声压和驱动频率的值来设计最佳的凸部高度t，其结果，静电型超声波换能器为高效结构，所以可以更小的驱动电压得到期望的声压。换言之，能够以更少的能量产生与现有技术相同的声压，能够实现静电型超声波换能器的低电压化(低功率化)。

并且，本发明的超声波换能器的设计方法的特征在于，该超声波换能器具有：形成有通孔的第一电极；第二电极，其形成有与所述第一电极的通孔成对的通孔，且所述第二电极与所述第一电极之间被施加交流信号；振动膜，其被所述一对电极夹持着，并具有导电层，该导电层被施加直流偏压；和保持部件，其保持所述一对固定电极和所述振动膜，

在设输出的期望声压为P(dB)、驱动频率为f(Hz)时，若设所述振动膜被驱动时的该振动膜中的膜振动的单侧振幅值为a(m)，则利用下式计算膜振动的单侧振幅值a：

a＝(1/πf){(I_o·10^P/10)/2ρ_oC}，

其中，I_o：基准声强，为0.96×10^-12(W/m²)，ρ_o：空气密度，为1.2(kg/m³)，C：空气中的声速，为约340(m/S)，

在所述一对电极的各自的振动膜侧的通孔外周上具有阶梯部，将该阶梯部在所述振动膜侧方向的高度设定为，超过所述单侧振幅值a且为所述单侧振幅值a附近的值。

根据这样的步骤，例如在图1所示的推挽型的静电型超声波换能器中，使在给定了期望声压和驱动频率时把带阶梯的孔的阶梯高度t设定为最佳的数式定型化。在把期望声压设为P(dB)、驱动频率设为f(Hz)、膜振动的单侧振幅为a(m)时，该数式由下式给出：a＝(1/πf){(I_o·10^P/10)/2ρ_oC}，其中，I_o：基准声强，为0.96×10^-12(W/m²)，ρ_o：空气密度，为1.2(kg/m³)，C：空气中的声速，为约340(m/S)。

而且，将固定电极的带阶梯的孔的阶梯高度t设计成，超过由上述计算式求得的膜振动振幅的值，且极其接近该振幅值的值(至少不会因膜振动而使振动膜与电极接触的范围内)，制作利用所述方法来设计固定电极的超声波换能器。

由此，能够根据期望声压和驱动频率的值来设计最佳的凸部(阶梯部)高度t，其结果，静电型超声波换能器为高效结构，所以可以更小的驱动电压得到期望的声压。换言之，能够以更少的能量产生与现有技术相同的声压，能够实现静电型超声波换能器的低电压化(低功率化)。

并且，本发明的静电型超声波换能器的设计装置，其特征在于，该静电型超声波换能器具有：形成有通孔的第一电极；第二电极，其形成有与所述第一电极的通孔成对的通孔，且所述第二电极与所述第一电极之间被施加交流信号；振动膜，其被所述一对电极夹持着，并具有导电层，该导电层被施加直流偏压；和保持部件，其保持所述一对固定电极和所述振动膜，

该静电型超声波换能器的设计装置具有：

运算单元，其在设输出的期望声压为P(dB)、驱动频率为f(Hz)，设所述振动膜被驱动时的该振动膜中的膜振动的单侧振幅值为a(m)时，利用下式计算膜振动的单侧振幅值a：

a＝(1/πf){(I_o·10^P/10)/2ρ_oC}，

其中，I_o：基准声强，为0.96×10^-12(W/m²)，ρ_o：空气密度，为1.2(kg/m³)，C：空气中的声速，为约340(m/S)；以及

设定单元，在所述一对电极的各自的振动膜侧的通孔外周上具有作为振动膜夹持部的阶梯部，该设定单元将该阶梯部在所述振动膜侧方向的高度设定为，超过所述单侧振幅值a且为所述单侧振幅值a附近的值。

根据上述结构，运算单元在设输出的期望声压为P(dB)、驱动频率为f(Hz)，设所述振动膜被驱动时的该振动膜中的膜振动的单侧振幅值为a(m)时，利用下式计算膜振动的单侧振幅值a：a＝(1/πf){(I_o·10^P/10)/2ρ_oC}，其中，I_o：基准声强，为0.96×10^-12(W/m²)，ρ_o：空气密度，为1.2(kg/m³)，C：空气中的声速，为约340(m/S)，在所述一对电极的各自的振动膜侧的通孔外周上具有作为振动膜夹持部的阶梯部，设定单元将该阶梯部在所述振动膜侧方向的高度设定为，超过所述单侧振幅值a且为所述单侧振幅值a附近的值(至少不会因膜振动而使振动膜与电极接触的范围内)。

由此，能够根据期望声压和驱动频率的值来设计最佳的凸部(阶梯部)高度t，其结果，静电型超声波换能器为高效结构，所以可以更小的驱动电压得到期望的声压。换言之，能够以更少的能量产生与现有技术相同的声压，能够实现静电型超声波换能器的低电压化(低功率化)。

并且，本发明的静电型超声波换能器的设计程序，该静电型超声波换能器具有：形成有通孔的第一电极；第二电极，其形成有与所述第一电极的通孔成对的通孔，且所述第二电极与所述第一电极之间被施加交流信号；振动膜，其被所述一对电极夹持着，并具有导电层，该导电层被施加直流偏压；和保持部件，其保持所述一对固定电极和所述振动膜，

该静电型超声波换能器的设计程序使计算机执行如下步骤：第一步骤，在设输出的期望声压为P(dB)、驱动频率为f(Hz)时，若设所述振动膜被驱动时的该振动膜中的膜振动的单侧振幅值为a(m)，则利用下式计算膜振动的单侧振幅值a：a＝(1/πf){(I_o·10^P/10)/2ρ_oC}，其中，I_o：基准声强，为0.96×10^-12(W/m²)，ρ_o：空气密度，为1.2(kg/m³)，C：空气中的声速，为约340(m/S)；和第二步骤，在所述一对电极的各自的振动膜侧的通孔外周上具有阶梯部，将该阶梯部在所述振动膜侧方向的高度设定为，超过所述单侧振幅值a且为所述单侧振幅值a附近的值。

在上述结构中，通过使计算机执行静电型超声波换能器的设计程序，其中该静电型超声波换能器的设计程序用于使计算机执行如下步骤：第一步骤，在设输出的期望声压为P(dB)、驱动频率为f(Hz)时，若设所述振动膜被驱动时的该振动膜中的膜振动的单侧振幅值为a(m)，则利用下式计算膜振动的单侧振幅值a：a＝(1/πf){(I_o·10^P/10)/2ρ_oC}，其中，I_o：基准声强，为0.96×10^-12(W/m²)，ρ_o：空气密度，为1.2(kg/m³)，C：空气中的声速，为约340(m/S)；和第二步骤，在所述一对电极的各自的振动膜侧的通孔外周上具有阶梯部，将该阶梯部在所述振动膜侧方向的高度设定为，超过所述单侧振幅值a且为所述单侧振幅值a附近的值(至少不会因膜振动而使振动膜与电极接触的范围内)，由此，能够根据期望声压和驱动频率的值来设计最佳的凸部(阶梯部)高度t，其结果，静电型超声波换能器为高效结构，所以可以更小的驱动电压得到期望的声压。换言之，能够以更少的能量产生与现有技术相同的声压，能够实现静电型超声波换能器的低电压化(低功率化)。

本发明的超声波扬声器的特征在于，其具有：形成有通孔的第一电极；第二电极，其形成有与所述第一电极的通孔成对的通孔，且所述第二电极与所述第一电极之间被施加交流信号；振动膜，其被所述一对电极夹持着，并具有导电层，该导电层被施加直流偏压；和保持部件，其保持所述一对电极和所述振动膜，

在设输出的期望声压为P(dB)、驱动频率为f(Hz)时，若设所述振动膜被驱动时的该振动膜中的膜振动的单侧振幅值为a(m)，则膜振动的单侧振幅值a利用下式求出：a＝(1/πf){(I_o·10^P/10)/2ρ_oC}，其中，I_o：基准声强，为0.96×10^-12(W/m²)，ρ_o：空气密度，为1.2(kg/m³)，C：空气中的声速，为约340(m/S)，在所述一对电极的各自的振动膜侧的通孔外周上具有阶梯部，该阶梯部在所述振动膜侧方向的高度设定为，超过所述单侧振幅值a且为所述单侧振幅值a附近的值。

由此，超声波换能器为高效结构，因此能以更少的电压得到期望声压。即，能够以更少的能量产生与现有技术的超声波扬声器相同的声压，能够实现超声波扬声器的低电压化(低功率化)。

并且，本发明的静电型超声波换能器的声音信号再现方法，其特征在于，该静电型超声波换能器的声音信号再现方法使用如下的静电型超声波换能器，该静电型超声波换能器具有：形成有通孔的第一电极；第二电极，其形成有与所述第一电极的通孔成对的通孔，且所述第二电极与所述第一电极之间被施加交流信号；振动膜，其被所述一对电极夹持着，并具有导电层，该导电层被施加直流偏压；和保持部件，其保持所述一对电极和所述振动膜，在设输出的期望声压为P(dB)、驱动频率为f(Hz)时，若设所述振动膜被驱动时的该振动膜中的膜振动的单侧振幅值为a(m)，则膜振动的单侧振幅值a利用下式求出：a＝(1/πf){(I_o·10^P/10)/2ρ_oC}，其中，I_o：基准声强，为0.96×10^-12(W/m²)，ρ_o：空气密度，为1.2(kg/m³)，C：空气中的声速，为约340(m/S)，在所述一对电极的各自的振动膜侧的通孔外周上具有阶梯部，该阶梯部在所述振动膜侧方向的高度设定为，超过所述单侧振幅值a且为所述单侧振幅值a附近的值，

并且，该静电型超声波换能器的声音信号再现方法包括如下步骤：由信号源生成可听频带的信号波的步骤；由载波供给源生成超声波频带的载波的步骤；生成利用所述可听频带的信号波将所述载波调制后的调制信号的步骤；以及通过在所述固定电极和所述振动膜的电极层之间施加所述调制信号，来驱动所述静电型超声波换能器的步骤。

在包括这样的步骤的静电型超声波换能器的声音信号再现方法中，通过信号源生成可听频带的信号波，并通过载波供给源生成并输出超声波频带的载波。而且，利用所述可听频带的信号波对载波进行调制，该调制信号被施加于固定电极与振动膜的电极层之间，从而驱动静电型超声波换能器。

由此，利用上述结构的静电型超声波换能器，为了在宽频带下得到参量阵效应，可以输出足够高的声压电平的音响信号，能够再现声音信号。

并且，本发明的静电型超声波换能器的制造方法，其特征在于，该静电型超声波换能器具有：形成有通孔的第一电极；第二电极，其形成有与所述第一电极的通孔成对的通孔，且所述第二电极与所述第一电极之间被施加交流信号；振动膜，其被所述一对电极夹持着，并具有导电层，该导电层被施加直流偏压；和保持部件，其保持所述一对电极和所述振动膜，所述静电型超声波换能器的制造方法具有如下工序：第一工序，在用于形成所述一对电极的固定电极部的导电体板上，覆盖形成有通孔的图案的掩模部件，通过蚀刻处理在所述导电体板上形成通孔；以及第二工序，在设所述静电型超声波换能器所输出的期望声压为P(dB)、驱动频率为f(Hz)时，若设所述振动膜被驱动时的该振动膜中的膜振动的单侧振幅值为a(m)，则利用下式求出膜振动的单侧振幅值a：a＝(1/πf){(I_o·10^P/10)/2ρ_oC}，其中，I_o：基准声强，为0.96×10^-12(W/m²)，ρ_o：空气密度，为1.2(kg/m³)，C：空气中的声速，为约340(m/S)，在所述一对电极的各自的振动膜侧的通孔外周上具有阶梯部，将该阶梯部在所述振动膜侧方向的高度设定为，超过所述单侧振幅值a且为所述单侧振幅值a附近的值。

在由上述工序构成的本发明的静电型超声波换能器的制造方法中，在用于形成一对固定电极的固定电极部的导电体板上覆盖形成有多个通孔的图案的掩模部件，通过蚀刻处理在所述导电体板上形成多个通孔。而且，在设所述静电型超声波换能器所输出的期望声压为P(dB)、驱动频率为f(Hz)时，若设所述振动膜被驱动时的该振动膜中的膜振动的单侧振幅值为a(m)，则利用下式求出膜振动的单侧振幅值a：a＝(1/πf){(I_o·10^P/10)/2ρ_oC}，其中，I_o：基准声强，为0.96×10^-12(W/m²)，ρ_o：空气密度，为1.2(kg/m³)，C：空气中的声速，为约340(m/S)，将在所述一对固定电极的各自的振动膜侧的通孔外周设置的作为振动膜夹持部的阶梯部的高度形成为，超过所述单侧振幅值a且为所述单侧振幅值a附近的值(至少不会因膜振动而使振动膜与电极接触的范围内)。

由此，能够定量地求出固定电极的凸部的高度，能够以比以往少的能量产生相同的声压，从而得到实现了低电压化(低功率化)的静电型超声波换能器。

并且，本发明的静电型超声波换能器的制造方法，其特征在于，该制造方法还具有：第三工序，在形成有所述通孔的导电体板上，将作为振动膜夹持部形成材料的非导电性的感光性抗蚀剂形成为预定厚度；第四工序，在所述非导电性的感光性抗蚀剂表面上，覆盖形成有所述振动膜夹持部的图案的振动膜夹持部形成用掩模部件，并进行曝光；以及第五工序，将所述振动膜夹持部形成用掩模部件剥离，通过显影去除不需要的所述感光性抗蚀剂。

在由上述工序构成的本发明的静电型超声波换能器的制造方法中，由于该制造方法还具有：第三工序，在形成有通孔的导电体板上，将作为振动膜夹持部形成材料的非导电性的感光性抗蚀剂形成为预定厚度；第四工序，在所述非导电性的感光性抗蚀剂表面上，覆盖形成有所述振动膜夹持部的图案的振动膜夹持部形成用掩模部件，并进行曝光；以及第五工序，将所述振动膜夹持部形成用掩模部件剥离，通过显影去除不需要的所述感光性抗蚀剂，因此，可以不需要现有技术所必需的金属电铸及之后的工序，所以能够缩短制造工序，且削减制造成本。并且，不需要在剥离残留抗蚀剂工序中使用的溶剂等(主要是强碱溶剂)，在环境方面也能够得到改善。

并且，本发明的静电型超声波换能器的制造方法，其特征在于，该制造方法还具有：第三工序，在形成有所述通孔的导电体板表面上，设置丝网印刷板和液状的振动膜夹持部形成材料，该丝网印刷板是排列用于形成所述振动膜夹持部形成材料的掩模部件而成的；第四工序，在形成有所述通孔的导电体板表面上设置所述丝网印刷板和所述液状的振动膜夹持部形成材料之后，一边移动橡皮滚，一边在没有覆盖掩模部件的部分上涂布所述振动膜夹持部形成材料；以及第五工序，在没有覆盖掩模部件的部分上涂布所述振动膜夹持部形成材料之后，取下所述丝网印刷板，使残留在所述导电体板表面上的所述振动膜夹持部形成材料干燥。

在由上述工序构成的本发明的静电型超声波换能器的制造方法中，该制造方法还具有：第三工序，在形成有通孔的导电体板表面上，设置丝网印刷板和液状的振动膜夹持部形成材料，该丝网印刷板是排列用于形成所述振动膜夹持部形成材料的掩模部件而成的；第四工序，在形成有所述多个通孔的导电体板表面上设置所述丝网印刷板和液状的振动膜夹持部形成材料之后，一边移动橡皮滚，一边在没有覆盖掩模部件的部分上涂布所述振动膜夹持部形成材料；以及第五工序，在没有覆盖掩模部件的部分上涂布所述振动膜夹持部形成材料之后，取下所述丝网印刷板，使残留在所述导电体板表面上的所述振动膜夹持部形成材料干燥，因此可以不需要现有技术所必需的金属电铸及之后的工序，进一步也完全不需要利用光刻法进行的显影的工序，从而能够大幅度缩短制造工序，且能够大幅度削减制造成本。

并且，本发明的超指向性音响系统，其特征在于，该超指向性音响系统利用超声波扬声器，再现从音响源供给的声音信号，并在屏幕等声波反射面附近形成虚拟声源，其中所述超声波扬声器使用如下的静电型超声波换能器而构成，该静电型超声波换能器具有：形成有通孔的第一电极；第二电极，其形成有与所述第一电极的通孔成对的通孔，且所述第二电极与所述第一电极之间被施加交流信号；振动膜，其被所述一对电极夹持着，并具有导电层，该导电层被施加直流偏压；和保持部件，其保持所述一对电极和所述振动膜，在设输出的期望声压为P(dB)、驱动频率为f(Hz)时，若设所述振动膜被驱动时的该振动膜中的膜振动的单侧振幅值为a(m)，则膜振动的单侧振幅值a利用下式计算：a＝(1/πf){(I_o·10^P/10)/2ρ_oC}，其中，I_o：基准声强，为0.96×10^-12(W/m²)，ρ_o：空气密度，为1.2(kg/m³)，C：空气中的声速，为约340(m/S)，在所述一对电极的各自的振动膜侧的通孔外周上具有阶梯部，该阶梯部在所述振动膜侧方向的高度设定为，超过所述单侧振幅值a且为所述单侧振幅值a附近的值，其特征在于，该超指向性音响系统具有：超声波扬声器，其再现从所述音响源供给的声音信号中的中高音域的信号；和低音再现用扬声器，其再现从所述音响源供给的声音信号中的低音域的声音。

在上述结构的超指向性音响系统中，使用由如下的静电型超声波换能器构成的超声波扬声器，该静电型超声波换能器中，在设静电型超声波换能器输出的期望声压为P(dB)、驱动频率为f(Hz)时，若设所述振动膜被驱动时的该振动膜中的膜振动的单侧振幅值为a(m)，则膜振动的单侧振幅值a利用下式计算：a＝(1/πf){(I_o·10^P/10)/2ρ_oC}，其中，I_o：基准声强，为0.96×10^-12(W/m²)，ρ_o：空气密度，为1.2(kg/m³)，C：空气中的声速，为约340(m/S)，将在所述一对固定电极的各自的振动膜侧的通孔外周设置的作为振动膜夹持部的阶梯部的高度设定为，超过所述单侧振幅值a且为所述单侧振幅值a附近的值(至少不会因膜振动而使振动膜与电极接触的范围内)。而且，利用该超声波扬声器再现从音响源供给的声音信号中的中高音域的声音信号。并且，利用低音再现用扬声器再现从音响源供给的声音信号中的低音域的声音信号。

因此，能够进行再现，使得中高音域的音响具有足够的声压和宽频域特性、从形成在屏幕等声波反射面附近的虚拟声源发出。并且，由于从音响系统所具有的低音再现用扬声器直接输出低音域的音响，所以能够加强低音域，能够产生现场感强的音场环境。

本发明的显示装置，其特征在于，该显示装置具有：超声波扬声器，其根据从音响源供给的声音信号再现可听频带的信号声，该超声波扬声器包括如下的静电型超声波换能器，该静电型超声波换能器具有：形成有通孔的第一电极；第二电极，其形成有与所述第一电极的通孔成对的通孔，且所述第二电极与所述第一电极之间被施加交流信号；振动膜，其被所述一对电极夹持着，并具有导电层，该导电层被施加直流偏压；和保持部件，其保持所述一对电极和所述振动膜，在设输出的期望声压为P(dB)、驱动频率为f(Hz)时，若设所述振动膜被驱动时的该振动膜中的膜振动的单侧振幅值为a(m)，则膜振动的单侧振幅值a利用下式计算：a＝(1/πf){(I_o·10^P/10)/2ρ_oC}，其中，I_o：基准声强，为0.96×10^-12(W/m²)，ρ_o：空气密度，为1.2(kg/m³)，C：空气中的声速，为约340(m/S)，在所述一对电极的各自的振动膜侧的通孔外周上具有阶梯部，该阶梯部在所述振动膜侧方向的高度设定为，超过所述单侧振幅值a且为所述单侧振幅值a附近的值；以及

投影光学系统，其将视频投影在投影面上。

在上述结构的显示装置中，使用由如下的静电型超声波换能器构成的超声波扬声器，该静电型超声波换能器中，在设静电型超声波换能器输出的期望声压为P(dB)、驱动频率为f(Hz)时，若设所述振动膜被驱动时的该振动膜中的膜振动的单侧振幅值为a(m)，则膜振动的单侧振幅值a利用下式计算：a＝(1/πf){(I_o·10^P/10)/2ρ_oC}，其中，I_o：基准声强，为0.96×10^-12(W/m²)，ρ_o：空气密度，为1.2(kg/m³)，C：空气中的声速，为约340(m/S)，将在所述一对固定电极的各自的振动膜侧的通孔外周设置的作为振动膜夹持部的阶梯部的高度设定为，超过所述单侧振幅值a且为所述单侧振幅值a附近的值(至少不会因膜振动而使振动膜与电极接触的范围内)。并且，利用该超声波扬声器，再现从音响源供给的声音信号。

由此，能够进行再现，使得从具有足够的声压和宽频域特性、形成在屏幕等声波反射面附近的虚拟声源发出音响信号。因此，能够易于进行音响信号的再现范围的控制。

附图说明

图1是应用本发明的设计方法的超声波换能器的概略结构图。

图2是图1所示的静电超声波换能器的固定电极的凸部的放大图。

图3是波动方程式推导概念图。

图4是表示声强的推导概念图。

图5是表示膜振幅的计算例的图。

图6是表示超声波扬声器的结构例的图。

图7是表示挽型的静电型超声波换能器的结构例的图。

图8是表示超声波换能器的制造方法的第一实施方式的图。

图9是表示超声波换能器的制造方法的第二实施方式的图。

图10是表示振动膜的绝缘层厚度和振动膜夹持部的厚度和静电电容的关系的图。

图11是表示本发明的实施方式的投影仪的使用状态的图。

图12是表示图11所示的投影仪的外观结构的图。

图13是表示图12所示的投影仪的电结构的方框图。

图14是使用超声波换能器的再现信号的再现状态的说明图。

图15是超声波换能器的现有制造方法的制造工序图。

图16是表示现有制造方法制造的超声波换能器的结构上的问题的图。

图17是表示通过本发明的制造方法所得到的性能改善的说明图。

图18是表示本发明的实施方式的静电型超声波换能器的设计装置的结构的方框图。

图19是表示本发明的实施方式的静电型超声波换能器的设计程序的内容的流程图。

符号说明

1：推挽型的静电型超声波换能器；10：固定电极部；10A、10B：固定电极；10C：导电体板；11：掩模部件；12：振动膜；12A：表面部分；12B：背面部分；14：通孔(带阶梯的通孔)；16：直流偏压电源；18：信号源；20：振动膜夹持部；21：振动膜夹持部形成用掩模部件；22、23：感光性抗蚀剂；24：残留抗蚀剂；30：丝网印刷板；31：橡皮滚；32：振动膜夹持部形成材料；40：超声波扬声器；41：可听频率波信号振荡源；42：载波信号源；43：调制器；44：功率放大器；45：静电型超声波换能器；120：绝缘体；121：电极层；301：投影仪；302：屏幕(投影面)；303：视听者；310：操作输入部；312：再现范围设定部；313：再现范围控制处理部；314：声音/视频信号再现部；316：载波振荡源；317A、317B：高通滤波器；318A、318B：调制器；319：低通滤波器；320：投影仪主体；321：加法器；322A、322B、322C：功率放大器；323：低音再现用扬声器；324A、324B：静电型超声波换能器；331：投影仪镜头；332：视频生成部；333：投影光学系统；400：总线；401：输入装置；402：处理装置；403：存储装置；404：显示装置；405：输出装置。

具体实施方式

下面，参照附图对本发明的实施方法详细进行说明。

[发明的概要]

在本发明中，在图1所示的推挽型的静电型超声波换能器中，使在给定了期望声压和驱动频率时用于把带阶梯的孔的阶梯(相当于振动膜夹持部。)高度t设定为最佳的数式定型化。该数式利用下式求出在设期望声压为P(dB)、驱动频率为f(Hz)时的膜振动的单侧振幅值为a(m)：

[数式1]

$a=\frac{1}{\mathrm{\πf}}\sqrt{\frac{I_0{10}^{P/10}}{2{\mathrm{\ρ}}_{0}c}}$

其中，I_o：基准声强，为0.96×10^-12(W/m²)，ρ_o：空气密度，为1.2(kg/m³)，C：空气中的声速，为约340(m/S)。

而且，将固定电极的带阶梯的孔的阶梯高度t设计为，超过由上述计算式求出的膜振动的单侧振幅值a，且极接近该振幅值a的值(至少不会因膜振动而使振动膜与电极接触的范围内)，来制作超声波换能器。并且，将通过所述方法设计了固定电极的超声波换能器用于超声波扬声器。

[对应用本发明的设计方法的超声波换能器的示例的说明]

图1是应用了本发明的设计方法的推挽型的静电型超声波换能器的概略结构图。

在图1中，应用本发明的设计方法的推挽型的静电型超声波换能器1具有：作为电极发挥功能的一对固定电极10A、10B，所述固定电极包括由导电性材料所形成的导电部件；振动膜12，该振动膜被一对固定电极夹持，具有电极层(导电层)121；和保持一对固定电极10A、10B和振动膜的部件(未图示)。

振动膜12由绝缘体120构成，具有由导电性材料形成的电极层121，通过直流偏压电源16对该电极层121施加单一极性(正极性或负极性都可)的直流偏压，进而在一对固定电极10A、10B之间施加从信号源18输出的相互相位反转的交流信号18A、18B，所述交流信号18A、18B叠加于所述直流偏压上。

并且，一对固定电极10A、10B在隔着振动膜12对置的位置上具有数量相同且为多个的通孔(带阶梯的通孔)14，通过信号源18在一对固定电极10A、10B的导电部件之间施加相互相位反转的交流信号18A、18B。固定电极10A和电极层121、固定电极10B和电极层121分别形成电容器。

在上述结构中，超声波换能器1在通过直流偏压电源16在单一极性的(本例中为正极性的)直流偏压上叠加了从信号源18输出的相互相位反转的交流信号18A、18B的状态下，将其施加给振动膜12的电极层121。

另一方面，通过信号源18向一对固定电极10A、10B施加交流信号。其结果为，在从信号源18输出的交流信号18A的正的半个周期中，对固定电极10A施加正电压，而对振动膜12的没有被固定电极夹持的表面部分12A作用静电推斥力，表面部分12A在图1中被向下方拉。

然后，此时，交流信号18B变为负的周期，由于对相对置的固定电极10B施加负电压，所以对振动膜12的所述表面部分12A的背面侧即背面部分12B作用静电吸引力，背面部分12B在图1中被向更下方拉。

因此，振动膜12的没有被一对固定电极10A、10B夹持的膜部分在同一方向受到静电推斥力和静电斥力。这对于从信号源18输出的交流信号的负的半个周期也相同，对振动膜12的表面部分12A向图1中的上方作用静电吸引力，对背面部分12B向图1中的上方作用静电推斥力，振动膜12的没有被一对固定电极10A、10B夹持的膜部分在同一方向受到静电推斥力和静电斥力。从而，根据交流信号极性的变化，振动膜12在同一方向受到静电推斥力和静电斥力，并且静电力作用的方向交替变化，所以能够产生为了得到较大的膜振动、即参量阵效应所需的足够的声压电平的音响信号。

这样由于超声波换能器1的振动膜12从一对固定电极10A、10B受到力的作用而振动，所以被称为推挽(push-pull)型。与对振动膜仅作用静电吸引力的挽(pull)型的静电型超声波换能器相比，推挽型超声波换能器1具有能够同时满足宽频域性和高声压的能力。

在图1所示的超声波换能器中，固定电极10A、10B的材质是导电性材质即可，例如可以是SUS、黄铜、铁、镍的单体结构。并且，由于需要实现轻型化，所以可以在对电路基板等一般采用的环氧玻璃基板或纸酚基板实施期望的孔加工之后，以镍或金、银、铜等进行电镀处理等。并且，为了防止这样成型后的翘曲，对基板在两面实施电镀加工等处理也是有效的。但是，如果考虑绝缘性，则优选对各固定电极的振动膜侧实施某种绝缘处理。例如，用液状焊接抗蚀剂、感光性膜、感光性涂层材料、非导电性涂料、电沉积材料等形成绝缘的凸部。

这里，图2表示图1所示的静电超声波换能器的固定电极的凸部的放大图。如图2所示可知，如果凸部的阶梯高度t不大于等于振动膜12的膜振幅，则振动膜12有可能和固定电极接触。因此，可知，为了设计凸部高度(带阶梯的孔的阶梯高度)t，只要计算振动膜12的膜振幅即可。换言之，只要使凸部高度(带阶梯的孔的阶梯高度)t为接近膜振幅的值(至少在不会因膜振动而使振动膜接触电极的范围内)，即是最佳设计，能够以更少的能量产生期望的声压，能够实现低电压化(低功率化)。下面，对振动膜12的膜振幅的计算方法进行说明。

[振动膜的膜振幅的计算(波动方程式的计算)]

作为用于计算振动膜的膜振幅的第一步骤，进行波动方程式的推导(有关空中音响)。虽然膜振幅和声压没有直接关系，但在理解今后频繁使用的重要变量的定义方面是重要的公式的推导，所以，首先推导关于音响的波动方程式(出处：音响工学原论(上卷)，伊藤毅著，コロナ社，P158～159)。

如图3所示，平面x与平面x+δx之间所夹着的气体体积在发生变化后的t时刻时，变成被夹在平面(x+ξ)与平面(x+ξ+δx+δξ)之间，所以，包围该体积的两个面之间的距离从δx变化为δx+δξ。因此，可认为δξ为下式所示：

[数式2]

$\mathrm{\δ\ξ}=\frac{\∂\mathrm{\ξ}}{\∂x}\mathrm{\δx}\·\·\·\left(1\right)$

所以，层的厚度变化为：

[数式3]

$(1+\frac{\∂\mathrm{\ξ}}{\∂x})\mathrm{\ξx}$

从而，这部分的膨胀率(无量纲量)为：

[数式4]

$\mathrm{\Δ}=\frac{\∂\mathrm{\ξ}}{\∂x}\·\·\·\left(2\right)$

因此，凝缩率(无量纲量)为：

[数式5]

$s=-\mathrm{\Δ}=-\frac{\∂\mathrm{\ξ}}{\∂x}\·\·\·\left(3\right)$

接下来，若用凝缩率s、即ξ的项来表示压力较为方便，所以利用下式(4)：

[数式6]

$\mathrm{\δp}=-k\frac{\mathrm{\δv}}{v}=-\mathrm{k\Δ}=-\mathrm{ks}\left(\mathrm{Pa}\right)\·\·\·\left(4\right)$

[数式7]

        P＝P₀+δP＝P₀+ks(Pa)                …(5)

这里，建立对于平面x和平面x+δx之间的气体质量的运动方程式。作用于该平面的单位面积上的力的平衡式为下式(6)：

[数式8]

${\mathrm{\ρ}}_0\mathrm{\δx}\frac{{\∂}^2\mathrm{\ξ}}{{\∂t}^2}=-\mathrm{\δP}\left(\mathrm{Pa}\right)\·\·\·\left(6\right)$

这里，δP是平面的前表面上的压力增大的大小。通过式(3)、(5)(6)得到式(7)：

[数式9]

$\frac{{\∂}^2\mathrm{\ξ}}{{\∂t}^2}=c^2\frac{{\∂}^2\mathrm{\ξ}}{{\∂x}^2},$

$c=\sqrt{k/{\mathrm{\ρ}}_0}$ (m/s)        …(7)

式(7)是与音响有关的平面波动方程式。

[振动膜的膜振幅的计算(平面波的声强的推导)]

作为用于计算振动膜的膜振幅的第二步骤，求出贯穿流过平面波的波阵面的单位面积的能量流。这如图4所示，考虑如下情形：假设截面面积为S的筒，利用一端具有的活塞使其中的空气进行振动，导出声强。

在图4中用式(8)表示活塞的运动。

[数式10]

        ξ₀＝acosωt                        …(8)

位于x的正侧的空气按式(9)进行移位。

[数式11]

$\mathrm{\ξ}=a\cos \mathrm{\ω}(t-\frac{x}{c})\·\·\·\left(9\right)$

此时，活塞每秒对空气的做功量为式(10)：

[数式12]

$W=\frac{\mathrm{Fx}}{t}=F\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{dt}}=\mathrm{PS}\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{dt}}=(P_0+\mathrm{ks})S\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{dt}}$

$=-P_0\mathrm{\ωSa}\sin \mathrm{\ωt}+\frac{k{\mathrm{\ω}}^2{a}^2}{c}S{\sin }^2\mathrm{\ωt}\left(W\right)\·\·\·\left(10\right)$

如果取时间的平均，则式(10)的第一项没有，由此得到式(11)。

[数式13]

$W=\frac{1}{2}k{\mathrm{\ω}}^2{a}^2\frac{1}{c}S=\frac{1}{2}{\mathrm{\ρ}}_0\mathrm{cS}{\mathrm{\ω}}^2{a}^2\left(W\right)\·\·\·\left(11\right)$

该值等于cS的体积内所含有的声波能量，每秒从活塞向空中放出该值大小的能量。但是，由于声波每秒传播C大小的距离，所以波阵面每秒前进C的距离，每秒使cS的体积内的空气由静止开始再次振动。这样，声波的波阵面以式(11)所示的比率传播能量。将其称为能量流。从而，波阵面的单位面积每秒运送的能量由式(12)表示：

[数式14]

$W=\frac{1}{2}{\mathrm{\ρ}}_{0}c{\mathrm{\ω}}^2{a}^2(W/m^2)\·\·\·\left(12\right)$

在音响中将其称为功率密度或者声强并利用I来表示。另一方面，声压P(dB)和声强I(W/m³)具有下式所示的关系：

[数式15]

$P=10\log \frac{I}{I_0}\·\·\·\left(13\right)$

这里，I₀是基准声强，为0.96×10^-12(W/m²)。根据式(12)、(13)，利用下式表示膜振幅值a：

[数式16]

$a=\frac{1}{\mathrm{\πf}}\sqrt{\frac{I_0{10}^{P/10}}{2{\mathrm{\ρ}}_{0}c}}\·\·\·\left(14\right)$

式(14)是计算在设计中所必需的膜振幅的式子。

在超声波扬声器的情况下，由于声压需要在130dB以上，所以考虑式(14)中的声压P为130、140、150(dB)的情况。当使载波超声波的频率为40、50、60(kHz)时，振幅值a如图5所示。

例如，在要以50kHz的频率进行驱动、得到140(dB)的声压时，膜振幅需要为2.18μm的振幅。因此，为使膜振动时膜不接触固定电极且静电力高效地发挥作用，则优选将固定电极凸部的高度t设定为2.18μm以上且非常接近2.18μm。

[超声波扬声器的结构例的说明]

图6是表示使用根据上述设计方法设计的超声波换能器的超声波扬声器的一般结构例。超声波扬声器是如下的装置：若用音频信号(可听域信号)对被称为载波的超声波施加AM调制，将其向空中放出时，由于空气的非线性，在空中原来的音频信号自己再现。

即，声波是以空气作为介质进行传播的疏密波，因而在调制后的超声波进行传播的过程中，空气密的部分和稀疏的部分表现得显著，密的部分的声速快，稀疏的部分的声速慢，所以调制波自身产生失真，其结果为，波形分离为载波(超声波)和可听波(原来的音频信号)，这即是我们人类只能听见20kHz以下的可听音(原来的音频信号)的原理，一般称为参数阵效应。

在图6中，超声波扬声器40具有：生成可听频带的信号波的可听频率波信号振荡源(音频信号源)41；生成并输出超声波频带的载波的载波信号源42；调制器43；功率放大器44和超声波换能器45。这里，在本实施方式中，所谓“可听频带”为20kHz以下的频带，所谓“超声波频带”为超过20kHz的频带。

调制器43利用从可听频率波信号振荡源41输出的可听频带的信号波来调制从载波信号源42输出的载波，并通过功率放大器44供给至超声波换能器45。

在上述结构中，通过调制器43利用由可听频率波信号振荡源41输出的音频信号波来调制从载波信号源42输出的超声波频带的载波，利用由功率放大器44放大的调制信号来驱动超声波换能器45。其结果为，上述调制信号通过超声波换能器45变换成有限振幅电平的声波，该声波被放射到介质中(空气中)，因介质(空气)的非线性效应，原来的可听频带的信号音自我再现。即，由于声波是以空气作为介质进行传播的疏密波，因而在调制后的超声波传播的过程中，空气密的部分和稀疏的部分表现得显著，密的部分的声速快，稀疏的部分的声速慢，所以调制波自身产生失真，其结果为，与载波(超声波频带)波形分离，再现可听频带的信号波(信号音)。

如上说明所示，在图1所示的推挽型的静电型超声波换能器中，由于使给定了驱动频率和期望声压时的膜振幅定型化，所以能够定量地设计固定电极的良好表面形状(凸部形状的振动膜夹持部)。以往，由于固定电极的凸部高度为10～20μm，所以需要较高的驱动交流电压。但是，根据本发明的设计方法，如果确定了期望声压和驱动频率，则膜振幅就决定了，根据该值就能够设计最佳的凸部高度t，其结果为，能够形成高效的结构。因此，能够以更小的电压得到期望声压。换言之，能够以更少的能量产生与现有技术相同的声压，可实现低电压化(低功率化)。

[关于本发明的静电型超声波换能器的固定电极的制造方法的说明]

接下来，对本发明的推挽型的静电型超声波换能器的固定电极部分的制造方法进行说明。

首先，参照图15对通过光刻法用以往的方法制造超声波换能器的固定电极部分时的制造工序进行说明。在该图中，首先，在导电体板(采用铜、不锈钢，但对于镍电铸则铜更适合。)10C上覆盖形成有多个通孔的图案的掩模部件11，通过蚀刻处理在导电体板10C上形成通孔14(图15(a)、(b))。

接下来，在导电体板10C上形成通孔14之后剥离掩模部件11，得到开设有通孔14的导电体板10C(图15(c))。

这里，通过蚀刻处理在导电体板10C上开设的通孔14的开口直径受到与导电体板10C的厚度的关系的制约。例如，如果在本发明的实施方式的超声波换能器中所使用的通孔14的最小开口直径为0.25mm，则开设有该直径的通孔14的板厚为0.25mm以下。从而，在需要0.25mm以上厚度的固定电极的情况下，就要预先准备多张在厚度为0.25mm的金属板上通过蚀刻处理开设有通孔14的金属板，重叠必要张数的金属板并通过热压接或者扩散接合使金属接合来进行叠层，从而制造出期望厚度的固定电极。

接下来，为了在开设有通孔14的导电体板10C(或者叠层的导电体板)上形成构成固定电极的振动膜夹持部(阶梯差部)，在施加了作为预处理材料的感光性抗蚀剂(液体的情况下为涂层，薄膜的情况下为叠片)23后，覆盖振动膜夹持部形成用掩模部件21进行曝光(图15(d))。

作为感光性抗蚀剂23，一般采用为了以蚀刻处理或电镀等形成暂时的中间结构体而使用的液体抗蚀剂或干性膜，在本构成品中，目的在于密封通孔14，所以采用干性膜更加有效。

当通过显影除去不需要的抗蚀剂时，只露出形成固定电极的振动膜夹持部(阶梯部)部分的导电体板10C的表面(图15(e))。

接下来，针对导电体板10C的上述露出面，通过电铸法将金属(例如镍)叠层到期望高度(图15(f))。在该情况下，固定电极的振动膜夹持部，即设置在通孔外周上的阶梯部的高度按如下所述进行设定。

即，设由静电型超声波换能器输出的期望声压为P(dB)、驱动频率为f(Hz)时，若设所述振动膜被驱动时的该振动膜的膜振动的单侧振幅值为a(m)，则膜振动的单侧振幅值a由下式求出：a＝(1/πf){(I_o·10^P/10)/2ρ_oC}，其中，I_o：基准声强，为0.96×10^-12(W/m²)，ρ_o：空气密度为1.2(kg/m³)，C：空气中的声速为约340(m/S)，将设置在所述一对固定电极的各自的振动膜侧的通孔外周上的振动膜夹持部、即阶梯部的高度设定为，超过所述单侧振幅值a且为所述单侧振幅值a附近的值(至少在不会因膜振动而使振动膜接触电极的范围内)。

电铸处理结束后，剥离残留抗蚀剂24，就能够形成期望的固定电极(图15(g))。

在通过以上的以往制造工序进行制造时，固定电极具有如下所示的问题。

(1)动膜不能使用薄的膜

上述的以往的制造工序中制造固定电极时，即固定电极的振动膜夹持部由导电材料构成时，振动膜的金属蒸镀层(＝导电层)和固定电极的最大间隙是振动膜的绝缘层厚度。

这里，本发明的实施方式的超声波换能器所使用的振动电极膜的绝缘层由聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚苯硫醚(PPS，Polyphenylenesulfide)、聚丙烯(PP)、聚酰亚胺(PI)等构成。

这里，各材料的绝缘破坏强度如下所述。

PET、PPS、PI：200V/μm

PP：300V/μm

并且，施加到本换能器上的电压在固定电极和振动电极膜上都是数百到数千伏。

因而，在以往的结构中，例如在振动膜的绝缘层中采用PET时，为了施加2kV的电压，膜厚要至少10μm，不能使用比10μm更薄的膜作为振动膜。

(2)引起绝缘破坏。

通过蚀刻处理而成形的固定电极的边缘部非常锐利。并且，在进行追加加工(机械加工)的位置上产生数微米～十几微米的毛刺等。并且经确认，在进行了蚀刻处理的金属上容易产生变形，即使进行热压接或者扩散接合，也会残留十几μm的翘曲。

这样，如果要在固定电极有翘曲的状态下可靠地夹持振动电极膜，则如图16所示，固定电极上的振动膜夹持部20的边缘部陷入振动膜12的绝缘层120中。

在以往结构中，由于振动膜夹持部20由导电材料形成，振动膜12的电极层121和固定电极的导电部之间的最小间隙为图中的d1，间隙因陷入量而相应变窄，绝缘破坏强度降低。

例如，绝缘层120由PET构成的情况下，如果d1小至1μm左右，则很难施加200V以上的电压。

(3)静电电容变大，白白消耗能量。

投入电力由静电电容决定，振动膜12的电极层121和固定电极之间的间隙变得越窄，即振动电极膜的绝缘层120变得越薄，则静电电容变得越大，投入电力增加。

另一方面，作用于对超声波换能器的主特性(＝声压)最有影响的振动膜12上的静电力，由作为振动膜夹持部而露出的固定电极的金属面的面积和振动膜夹持部的阶梯差(＝导电体和振动膜之间的间隙)决定。

从而，如果采用绝缘层薄的振动膜，则静电力增加，但同时静电电容也大幅度增加，所以能量效率不佳。

如以上说明那样，在通过以往制造工序制造超声波换能器的固定电极时具有如下问题：(1)振动膜不能使用薄的膜；(2)在固定电极和振动膜的导电层之间容易引起绝缘破坏；(3)振动膜的导电层和固定电极之间形成的静电电容变大，白白消耗能量。

这些问题通过下面说明的超声波换能器的制造方法能够解决。

(本发明的静电型超声波换能器的固定电极的制造方法的第一实施方式(光刻法))

图8表示本发明的静电型超声波换能器的固定电极的制造方法的第一实施方式。

在图8中，首先，在导电体板(采用铜、不锈钢，但对于镍电铸则铜更适合。)10C上覆盖形成有多个通孔图案的掩模部件11，通过蚀刻处理在导电体板10C上形成通孔14(图8(a)、(b))。

接下来，在导电体板10C上形成通孔14之后剥离掩模部件11，得到开设有通孔14的导电体板10C(图8(c))。接下来，将导电体板10C进行叠层，形成期望的厚度。当然，如果能利用1张导电体板10C得到上述期望的厚度，则不需要将导电体板10C进行叠层。

接下来，在开设有通孔14的导电体板10C(或者叠层的导电体板)上施加用于形成构成振动膜夹持部的阶梯差的感光性抗蚀剂(液体的情况下为涂层处理，薄膜的情况下为叠层处理)22后，覆盖振动膜夹持部形成用掩模部件21进行曝光(图8(d))。

这里，作为所使用的振动膜夹持部形成材料的感光性抗蚀剂22，必须是能够永久地构成为振动膜夹持部、且是非导电性的材料。在认为有效的材料中，在液体的情况下有感光性聚酰亚胺涂层材料(＝在半导体制造中所使用的感光性的涂层材料，通过旋涂法对金属板进行涂层来使用)，在薄膜的情况下有在电路基板的封装中所使用的感光性焊接抗蚀剂膜或感光性聚酰亚胺膜等。

剥离振动膜夹持部形成用掩模部件21，通过显影除去不需要的感光性抗蚀剂22，则只露出成为固定电极部的导电体板10C的表面，在其他部分残留有非导电性的感光性抗蚀剂22，形成期望的固定电极(图8(e))。

在由上述工序构成的超声波换能器的固定电极的制造方法中，通过光刻法用绝缘材料形成夹持振动膜的固定电极上的振动膜夹持部，所以不需要以往制造方法中所必需的金属电铸及之后的工序，从而能够缩短制造工序且削减制造成本。并且，不需要在残留抗蚀剂的剥离工序中使用的溶剂等(主要是强碱溶剂)，在环境方面也能够得到改善。

(本发明的静电型超声波换能器的固定电极的制造方法的第二实施方式(丝网印刷法))

接下来，图9表示本发明的静电型超声波换能器的固定电极的制造方法(制造工序)的第二实施方式。

在图9中，首先，在导电体板(采用铜、不锈钢，但对于镍电铸则铜更适合。)10C上覆盖形成有多个通孔图案的掩模部件11，通过蚀刻处理在导电体板10C上形成通孔14(图9(a)、(b))。

接着，在导电体板10C上形成通孔14之后剥离掩模部件11，得到开设有通孔14的导电体板10C(图9(c))。

接下来，将导电体板10C进行叠层，形成期望的厚度。当然，如果利用1张导电体板10C能得到上述期望的厚度，则不需要将导电体板10C进行叠层。

在开设有通孔14的导电体板10C(或者叠层的导电体板)上设置用于形成固定电极上的振动膜夹持部的丝网印刷板30和液状的振动膜夹持部形成材料32，使橡皮滚31移动，在丝网印刷板30的没有覆盖掩模部件的部分上涂封振动膜夹持部形成材料32(图9(d))。

这里，认为有效的振动膜夹持部形成材料32是能够永久地构成为振动膜夹持部、且是非导电性的材料，例如在电路基板中一般所使用的封装用的液状焊接抗蚀剂或用作喷砂用抗蚀剂的掩蔽墨水等。特别是，由于柔性印刷基板用的焊接抗蚀剂比较柔软(为铅笔的硬度HB～3H左右)，所以在牢固地夹持振动电极膜方面是有效的。

完成了将振动膜夹持部形成材料32涂布到丝网印刷板30的没有覆盖掩模部件的部分上之后，取下丝网印刷板30，则在导电体板10C上的振动膜夹持部上残留非导电性层(＝振动膜夹持部形成材料32)，使其干燥，形成期望的固定电极(图9(e))。

这样，若将固定电极的振动膜夹持部通过丝网印刷法用绝缘材料形成，则不需要以往制造方法中所必需的金属电铸及之后的工序，也完全不需要利用光刻法进行的显影这样的工序，从而能够大幅度缩短制造工序且能够大幅度削减制造成本。

并且，作为其他的超声波换能器的固定电极的制造方法，还可以采用如下的方法：在导电体板上预先形成抗蚀剂，使得只在应进行涂层的部分使导电部露出，用墨水喷头喷射非导电性墨水(非导电性涂料)来进行涂布，或者将导电体板浸入电沉积聚酰亚胺材料中进行电沉积涂层，涂布或者电沉积后剥离抗蚀剂。

如以上说明那样，通过用非导电性材料(绝缘材料)形成静电型超声波换能器的固定电极中的振动膜夹持部，能够得到如下的效果。

(1)成振动膜的膜的厚度的选择范围扩大

绝缘层的厚度可相应地增大由非导电性材料形成的固定电极中的振动膜夹持部的阶梯差部分(数μm～数十μm)的大小，即使振动膜是10μm以下的厚度的薄的膜也没有问题，还能够在高电压下使用。

例如，在振动电极膜的绝缘层使用3μm的PET膜时，以往的固定电极的结构(由导电性材料形成固定电极整体)中能够施加的电压的上限值为600V，通过使用非导电性材料，例如即使在振动膜夹持部的阶梯差为3μm的情况下，由于固定电极面和振动膜的导电层之间的间隙为6μm，所以能够施加1kV以上的电压。

并且，例如固定电极中的振动膜夹持部的阶梯差为20μm、希望施加3kV的电压的情况下，以往的固定电极的结构中需要15μm的绝缘层(PET)，但若使用非导电性材料形成固定电极的振动膜夹持部时，则采用1μm的PET膜(间隙：21μm)就足够了。

(2)能够回避由于振动膜的破损而在固定电极和振动膜的导电层之间产生绝缘破坏

即，在固定电极10A、10B的振动膜夹持部20由非导电材料构成时，在图16中，另外追加了振动膜夹持部20的阶梯差d2(数μm～数十μm)作为绝缘层，所以振动膜12的电极层121和固定电极的固定电极部(导电部)10之间最小间隙为(d1+d2)，所以，即使边缘部较深地陷入振动膜12的绝缘层120中，也能充分确保绝缘破坏强度，不产生现有技术那样的不良情况，即使在较薄的振动电极膜时也能没有问题地进行使用。

并且，即使固定电极10A或者10B的一部分完全与振动膜12的电极层121接触，或者完全穿过振动膜12，与相反侧的固定电极相接触，也能使导电部之间不接触，并能够完全防止由于固定电极的结构上的变形造成的绝缘强度降低和短路。

(3)通过降低静电电容来实现能量效率的改善

与现有技术那样完全由导电材料构成固定电极的情况相比，由非导电性材料构成振动膜夹持部时，作用于振动膜的静电力完全不变化，能够实现只降低与固定电极的导电部(固定电极部10)之间的静电电容。

例如，在本发明的换能器的结构(图17)中，若振动膜12的绝缘层120为PET(比介电常数3.2)，其厚度为t1，并且振动膜夹持部20为聚酰亚胺(比介电常数3.5)，其厚度(＝振动膜夹持部20的阶梯差)为t2，振动膜夹持部20的外径为φD1，内径为外径的一半，则与现有技术的固定电极的结构的静电电容之比如图10(a)、(b)所示。

从图10(a)、(b)可知，振动膜12的绝缘层120的厚度t1越薄，则由绝缘材料形成振动膜夹持部20使静电电容降低的效果越大，并且振动膜夹持部20的厚度t2越厚，则静电电容的降低效果越大。

根据上述，由于可在不改变静电力的情况下只降低投入电力，所以能够实现改善了能量效率的超声波换能器。

[本发明的超指向性音响系统或显示装置的结构例的说明]

接下来，对使用超声波扬声器的超指向性音响系统进行说明，该超声波扬声器采用本发明的静电型超声波换能器，即如下的推挽型的静电型超声波换能器而构成，该静电型超声波换能器中，当设静电型超声波换能器输出的期望声压为P(dB)、驱动频率为f(Hz)时，若设所述振动膜被驱动时的该振动膜的膜振动的单侧振幅值为a(m)时，膜振动的单侧振幅值a由下式求出：a＝(1/πf){(I_o·10^P/10)/2ρ_oC}，其中，I_o：基准声强，为0.96×10^-12(W/m²)，ρ_o：空气密度，为1.2(kg/m³)，C：空气中的声速，为约340(m/S)，将在所述一对固定电极的各自的振动膜侧的通孔外周上设置的振动膜夹持部即阶梯部高度设定为超过所述单侧振幅值a且为所述单侧振幅值a附近的值(至少在不会因膜振动而使振动膜接触电极的范围内)。

下面，采用示例说明作为本发明的超指向性音响系统或者显示装置的一例的投影仪。图11表示本发明的投影仪的使用状态。如该图所示，投影仪301设置于视听者303的后方，将视频投影到设置于视听者303前方的屏幕302上，并通过安装于投影仪301上的超声波扬声器在屏幕302的投影面上形成虚拟声源，再现声音。

图12表示投影仪301的外观结构。投影仪301构成为包括：投影仪主体320，其具有将视频投影到屏幕等投影面上的投影光学系统；超声波换能器324A、324B，其能够振荡产生超声波频带的声波，并且，投影仪301和从音响源供给的声音信号中再现可听频带的信号音的超声波扬声器构成为一体。在本实施方式中，为了再现立体声信号，而将构成超声波扬声器的超声波换能器324A、324B左右夹持着构成投影光学系统的投影仪镜头331的方式安装在投影仪主体上。

进而，在投影仪主体320的底面设有低音再现用扬声器323。并且，325是进行投影仪主体320的高度调整的高度调节螺丝，326是空气冷却风扇用排气口。

在投影仪301中，使用本发明的推挽型的静电型超声波换能器作为构成超声波扬声器的超声波换能器，能够在高声压下振荡产生宽频域的音响信号(超声波频带的声波)。因此，通过改变载波的频率来控制可听频带的再现信号在空间上的再现范围，从而不需要现有技术所必需的大型音响系统就能够实现可由立体声环绕系统或5.1ch环绕系统等获得的音响效果，并且能够易于搬运。

接下来，图13表示投影仪301的电结构。投影仪301具有：操作输入部310；超声波扬声器，其包括再现范围设定部312、再现范围控制处理部313、声音/视频信号再现部314、载波振荡源316、调制器318A、318B、功率放大器322A、322B、静电型超声波换能器324A、324B；高通滤波器317A、317B；低通滤波器319；加法器321；功率放大器322C；低音再现用扬声器323；以及投影仪主体320。而且，静电型超声波换能器324A、324B是本发明的推挽型的静电型超声波换能器。

投影仪主体320具有：生成视频的视频生成部332、将生成的视频投影到投影面上的投影光学系统333。投影仪301是将超声波扬声器、低音再现用扬声器323和投影仪主体320一体化而构成的。

操作输入部310具有各种功能键，其中包括1到10数字键、数字键、用于进行电源开关的电源键。再现范围设定部312可通过用户对操作输入部310进行按键操作来输入用于指定再现信号(信号音)的再现范围的数据，输入该数据后，就设定并保存了规定再现信号的再现范围的载波的频率。再现信号的再现范围的设定是通过指定再现信号从超声波换能器324A、324B的声波放射面沿放射轴方向所到达的距离来进行的。

再现范围设定部312可根据由声音/视频信号再现部314对应于视频内容而输出的控制信号来设定载波的频率。

再现范围控制处理部313具有如下功能：参照再现范围设定部312的设定内容，控制载波振荡源316，以便改变由载波振荡源316生成的载波的频率从而成为所设定的再现范围。

例如，在设定了与载波频率50kHz对应的上述距离作为再现范围设定部312的内部信息时，控制载波振荡源316使得其以50kHz进行振荡。

再现范围控制处理部313具有存储部，其预先存储了载波频率与规定了再现范围的、再现信号从超声波换能器324A、324B的声波放射面沿放射轴方向所到达的距离的关系的表格。该表格的数据是通过实际测量载波的频率和上述再现信号的到达距离的关系而得到的。

再现范围控制处理部313根据再现范围设定部312的设定内容，参照上述表格求得与设定的距离信息相对应的载波的频率，控制载波振荡源316以成为该频率。

声音/视频信号再现部314是例如采用DVD作为视频介质的DVD播放器，再现的声音信号中的R频道的声音信号通过高通滤波器317A输出到调制器318A，L频道的声音信号通过高通滤波器317B输出到调制器318B，视频信号输出到投影仪主体320的视频生成部332。

从声音/视频信号再现部314输出的R频道的声音信号和L频道的声音信号由加法器321合成，通过低通滤波器319输入到功率放大器322C。声音/视频信号再现部314相当于音响源。

高通滤波器317A、317B具有分别仅使R频道、L频道的声音信号中的中高音域的频率分量通过的特性，低通滤波器具有分别仅使R频道、L频道的声音信号中的低音域的频率分量通过的特性。

因此，上述R频道、L频道的声音信号中的中高音域的声音信号分别通过超声波换能器324A、324B再现，上述R频道、L频道的声音信号中的低音域的声音信号通过低音再现用扬声器323再现。

声音/视频信号再现部314并不限于DVD播放器，只要是将从外部输入的视频信号再现的再现装置即可。并且，声音/视频信号再现部314具有如下功能：向再现范围设定部312输出指示再现范围的控制信号，以便为了输出与要再现的视频的场景相对应的音响效果而动态地改变再现声音的再现范围。

载波振荡源316具有生成由再现范围设定部312指示的超声波频带的频率的载波，并将该载波输出至调制器318A、318B的功能。

调制器318A、318B具有如下功能：以从声音/视频信号再现部314输出的可听频带的声音信号将从载波振荡源316供给的载波进行AM调制，并将该调制信号分别输出至功率放大器322A、322B。

超声波换能器324A、324B分别被从调制器318A、318B通过功率放大器322A、322B输出的调制信号驱动，具有如下功能：将该调制信号变换成有限振幅电平的声波并发射到介质中，再现可听频带的信号声音(再现信号)。

视频生成部332具有：液晶显示器、等离子显示器(PDP)等显示器；和根据从声音/视频信号再现部314输出的视频信号驱动该显示器的驱动电路等，该视频生成部332生成由从声音/视频信号再现部314输出的视频信号而得到的视频。

投影光学系统333具有将显示在显示器上的视频投影到设置于投影仪主体320前方的屏幕等投影面上的功能。

接下来，对由上述结构构成的投影仪301的动作进行说明。首先，通过用户的按键操作从操作输入部310在再现范围设定部312中设定指示再现信号的再现范围的数据(距离信息)，对声音/视频信号再现部314进行再现指示。

其结果为，在再现范围设定部312中设定了规定再现范围的距离信息，再现范围控制处理部313取入设定在再现范围设定部312中的距离信息，参照存储于内置的存储部中的表格，求得与上述设定的距离信息相对应的载波的频率，控制载波振荡源316生成该频率的载波。

其结果为，载波振荡源316生成与再现范围设定部312所设定的距离信息相对应的频率的载波，并输出至调制器318A、318B。

一方面，声音/视频信号再现部314将再现的声音信号中的R频道的声音信号通过高通滤波器317A输出到调制器318A，将L频道的声音信号通过高通滤波器317B输出到调制器318B，将R频道的声音信号和L频道的声音信号输出至加法器321，将视频信号输出至投影仪主体320的视频生成部332。

因此，通过高通滤波器317A将上述R频道的声音信号中的中高音域的声音信号输入到调制器318A，通过高通滤波器317B将上述L频道的声音信号中的中高音域的声音信号输入到调制器318B。

上述R频道的声音信号和L频道的声音信号由加法器321合成，通过低通滤波器319将上述R频道的声音信号和L频道的声音信号中的低音域的声音信号输入功率放大器322C。

在视频生成部332中，根据输入的视频信号驱动显示器，生成并显示视频。显示在该显示器上的视频通过投影光学系统333而投影在投影面、例如图11所示的屏幕302上。

另一方面，调制器318A以从高通滤波器317A输出的上述R频道的声音信号中的中高音域的声音信号将从载波振荡源316输出的载波进行AM调制，并输出至功率放大器322A。

调制器318B以从高通滤波器317B输出的上述L频道的声音信号中的中高音域的声音信号将从载波振荡源316输出的载波进行AM调制，并输出至功率放大器322B。

由功率放大器322A、322B放大的调制信号分别施加到超声波换能器324A、324B的上电极10A和下电极10B(参照图1)之间，该调制信号被变换成有限振幅电平的声波(音响信号)，放射到介质(空气中)，从超声波换能器324A再现上述R频道的声音信号中的中高音域的声音信号，从超声波换能器324B再现上述L频道的声音信号中的中高音域的声音信号。

由功率放大器322C放大的上述R频道和L频道中的低音域的声音信号通过低音再现用扬声器323再现。

如上所述，在通过超声波换能器放射到介质中(空气中)的超声波的传播中，伴随该传播，在声压高的部分声速变快，在声压低的部分声速变慢。其结果产生波形的失真。

在利用可听频带的信号对放射的超声波频带的信号(载波)进行调制(AM调制)时，上述波形失真的结果为，调制时所用的可听频带的信号波与超声波频带的载波分离，以自我解调的形式形成。此时，再现信号的扩散由于超声波特性而呈波束状，只在与普通的扬声器完全不同的特定方向上再现声音。

从构成超声波扬声器的超声波换能器324输出的波束状的再现信号，向着通过投影光学系统333投影视频的投影面(屏幕)发射，被投影面反射而扩散。在该情况下，根据再现范围设定部312中设定的载波的频率，从超声波换能器324的声波发射面到在其发射轴方向(法线方向)上再现信号从载波分离为止的距离、和载波的波束宽度(波束的扩散角)不同，所以再现范围变化。

图15表示投影仪301中包括超声波换能器324A、324B而构成的超声波扬声器再现再现信号时的状态。在投影仪301中，在利用以声音信号将载波调制后的调制信号驱动超声波换能器时，在由再现范围设定部312设定的载波频率低时，从超声波换能器324的声波发射面到在其发射轴方向(声波发射面的法线方向)上再现信号从载波分离为止的距离、即到再现地点的距离变长。

因此，再现的可听频带的再现信号的波束扩散不大地到达投影面(屏幕)302，在该状态下，在投影面302反射，所以再现范围为图14中虚线箭头所示的可听范围A，仅在离投影面302较远且较窄的范围内能够听到再现信号(再现声音)。

对此，由再现范围设定部312设定的载波频率比上述情形高时，从超声波换能器324的声波发射面发射出的声波与载波频率低时相比更集中，但从超声波换能器324的声波发射面到在其发射轴方向(声波发射面的法线方向)上再现信号从载波分离为止的距离、即到再现地点的距离变短。

因此，再现的可听频带的再现信号的波束在到达投影面302之前扩散，到达投影面302，在该状态下在投影面302反射，所以再现范围为图14实线箭头所示的可听范围B，仅在离投影面302较近且较宽的范围内能听见再现信号(再现声音)。

如以上说明那样，在本发明的投影仪中，使用具有本发明的推挽型的静电型超声波换能器的超声波扬声器，能够具有充分的声压和宽频域特性，以从形成在屏幕等声波反射面附近的虚拟声源发出音响信号的方式再现音响信号。因此，容易进行该再现范围的控制。

[本发明的静电型超声波换能器的设计装置的结构例的说明]

下面，对已经描述过的本发明的静电型超声波换能器的设计装置进行说明。图18表示本发明的实施方式的静电型超声波换能器的设计装置的结构。在该图中，本发明的实施方式的静电型超声波换能器的设计装置具有：输入装置401、处理装置402、存储静电型超声波换能器的设计程序的存储装置403、显示装置404、和输出装置405。输入装置401、处理装置402、存储装置403、显示装置404和输出装置405通过总线400相互连接。

输入装置401具有键盘、鼠标等输入装置，在输入设计静电型超声波换能器所必需的各种参数的值时使用。

在存储装置403中存储有静电型超声波换能器的设计程序。该设计程序是静电型超声波换能器的设计程序，该静电型超声波换能器具有：形成有多个通孔的第一电极；第二电极，其与所述第一电极成对，形成有多个通孔；振动膜，其被所述一对电极夹持，并具有导电层，该导电层被施加直流偏压；和保持部件，其保持所述一对固定电极和所述振动膜，所述一对电极之间被施加交流信号，该设计程序的特征在于，使计算机执行如下步骤：第一步骤，在设所输出的期望声压为P(dB)、驱动频率为f(Hz)时，若设所述振动膜被驱动时的该振动膜的膜振动的单侧振幅值为a(m)，则膜振动的单侧振幅值a由下式计算：a＝(1/πf){(I_o·10^P/10)/2ρ_oC}，其中，I_o：基准声强，为0.96×10^-12(W/m²)，ρ_o：空气密度，为1.2(kg/m³)，C：空气中的声速，为约340(m/S)；第二步骤，在所述一对电极的各自的振动膜侧的通孔外周上具有作为振动膜夹持部的阶梯部，将该阶梯部的所述振动膜侧方向的高度设定为，超过所述单侧振幅值a且为所述单侧振幅值a附近的值。图19表示该设计程序的内容。

处理装置402读出存储于存储装置403中的静电型超声波换能器的设计程序，并执行该设计程序。处理装置402相当于本发明的运算装置和设定装置。

显示装置404显示各种数据和设计处理过程的内容。

输出装置例如是打印机，根据输出指示将各种数据和设计处理过程的内容打印出来。

参照图19所示的流程图说明由上述结构构成的本发明的实施方式的静电型超声波换能器的设计装置的动作。在图19中，启动设计程序后，通过输入装置401输入图1所示的静电型超声波换能器的设计所必需的各种参数的值(步骤501)。接下来，在将从静电型超声波换能器输出的期望声压设为P(dB)、驱动频率设为f(Hz)时，若设所述振动膜被驱动时的该振动膜的膜振动的单侧振幅值为a(m)，则处理装置402利用下式计算膜振动的单侧振幅值a：a＝(1/πf){(I_o·10^P/10)/2ρ_oC}，其中，I_o：基准声强，为0.96×10^-12(W/m²)，ρ_o：空气密度，为1.2(kg/m³)，C：空气中的声速，为约340(m/S)(步骤502)。

进一步，在所述一对电极的各自的振动膜侧的通孔外周具有作为振动膜夹持部的阶梯部，处理装置402将该阶梯部的所述振动膜侧方向的高度设定为超过所述单侧振幅值a且为所述单侧振幅值a附近的值(步骤503)。这样，设计处理所得到的设计数据通过处理装置402输出到显示装置404、输出装置405，并在显示装置404的显示画面上显示，并且通过作为输出装置405的打印机打印出来。

以上，对本发明的实施方式进行了说明，但本发明的静电型超声波换能器、使用静电型超声波换能器的声音信号再现方法、静电型超声波换能器的制造方法、超声波扬声器、超指向性音响系统、显示装置、静电型超声波换能器的设计方法、静电型超声波换能器的设计装置、静电型超声波换能器的设计程序并不限于上述的图示例，在不脱离本发明要点的范围内当然可以进行各种变更。

本发明的实施方式的超声波换能器可利用于各种传感器，例如测距传感器等，并且，如上所述，还可利用于指向性扬声器用的声源和理想的脉冲信号产生源等。并且，对超指向性音响系统和投影仪等显示装置也有用。

Claims (11)

1.一种静电型超声波换能器，其特征在于，该静电型超声波换能器具有：形成有通孔的第一电极；第二电极，其形成有与所述第一电极的通孔成对的通孔，且所述第二电极与所述第一电极之间被施加交流信号；振动膜，其被所述一对电极夹持着，并具有导电层，该导电层被施加直流偏压；和保持部件，其保持所述一对电极和所述振动膜，

在设输出的期望声压为P(dB)、驱动频率为f(Hz)时，若设所述振动膜被驱动时的该振动膜中的膜振动的单侧振幅值为a(m)，则膜振动的单侧振幅值a利用下式计算：

a＝(1/πf){(I_o·10^P/10)/2ρ_oC}，

其中，I_o：基准声强，为0.96×10^-12(W/m²)，ρ_o：空气密度，为1.2(kg/m³)，C：空气中的声速，为约340(m/S)，

在所述一对电极的各自的振动膜侧的通孔外周上具有阶梯部，该阶梯部在所述振动膜侧方向的高度设定为，超过所述单侧振幅值a且为所述单侧振幅值a附近的值。

2.一种静电型超声波换能器的设计方法，其特征在于，该静电型超声波换能器具有：形成有通孔的第一电极；第二电极，其形成有与所述第一电极的通孔成对的通孔，且所述第二电极与所述第一电极之间被施加交流信号；振动膜，其被所述一对电极夹持着，并具有导电层，该导电层被施加直流偏压；和保持部件，其保持所述一对固定电极和所述振动膜，

在设输出的期望声压为P(dB)、驱动频率为f(Hz)时，若设所述振动膜被驱动时的该振动膜中的膜振动的单侧振幅值为a(m)，则利用下式计算膜振动的单侧振幅值a：

a＝(1/πf){(I_o·10^P/10)/2ρ_oC}，

其中，I_o：基准声强，为0.96×10^-12(W/m²)，ρ_o：空气密度，为1.2(kg/m³)，C：空气中的声速，为约340(m/S)，

在所述一对电极的各自的振动膜侧的通孔外周上具有阶梯部，将该阶梯部在所述振动膜侧方向的高度设定为，超过所述单侧振幅值a且为所述单侧振幅值a附近的值。

3.一种静电型超声波换能器的设计装置，其特征在于，该静电型超声波换能器具有：形成有通孔的第一电极；第二电极，其形成有与所述第一电极的通孔成对的通孔，且所述第二电极与所述第一电极之间被施加交流信号；振动膜，其被所述一对电极夹持着，并具有导电层，该导电层被施加直流偏压；和保持部件，其保持所述一对固定电极和所述振动膜，

该静电型超声波换能器的设计装置具有：

运算单元，其在设输出的期望声压为P(dB)、驱动频率为f(Hz)，设所述振动膜被驱动时的该振动膜中的膜振动的单侧振幅值为a(m)时，利用下式计算膜振动的单侧振幅值a：

a＝(1/πf){(I_o·10^P/10)/2ρ_oC}，

其中，I_o：基准声强，为0.96×10^-12(W/m²)，ρ_o：空气密度，为1.2(kg/m³)，C：空气中的声速，为约340(m/S)；以及

设定单元，在所述一对电极的各自的振动膜侧的通孔外周上具有作为振动膜夹持部的阶梯部，该设定单元将该阶梯部在所述振动膜侧方向的高度设定为，超过所述单侧振幅值a且为所述单侧振幅值a附近的值。

4.一种静电型超声波换能器的设计程序，其特征在于，该静电型超声波换能器具有：形成有通孔的第一电极；第二电极，其形成有与所述第一电极的通孔成对的通孔，且所述第二电极与所述第一电极之间被施加交流信号；振动膜，其被所述一对电极夹持着，并具有导电层，该导电层被施加直流偏压；和保持部件，其保持所述一对固定电极和所述振动膜，

该静电型超声波换能器的设计程序使计算机执行如下步骤：

第一步骤，在设输出的期望声压为P(dB)、驱动频率为f(Hz)时，若设所述振动膜被驱动时的该振动膜中的膜振动的单侧振幅值为a(m)，则利用下式计算膜振动的单侧振幅值a：

a＝(1/πf){(I_o·10^P/10)/2ρ_oC}，

其中，I_o：基准声强，为0.96×10^-12(W/m²)，ρ_o：空气密度，为1.2(kg/m³)，C：空气中的声速，为约340(m/S)；和

第二步骤，在所述一对电极的各自的振动膜侧的通孔外周上具有阶梯部，将该阶梯部在所述振动膜侧方向的高度设定为，超过所述单侧振幅值a且为所述单侧振幅值a附近的值。

5.一种超声波扬声器，其特征在于，该超声波扬声器具有：

静电型超声波换能器，该静电型超声波换能器具有：形成有通孔的第一电极；第二电极，其形成有与所述第一电极的通孔成对的通孔，且所述第二电极与所述第一电极之间被施加交流信号；振动膜，其被所述一对电极夹持着，并具有导电层，该导电层被施加直流偏压；和保持部件，其保持所述一对电极和所述振动膜，在设输出的期望声压为P(dB)、驱动频率为f(Hz)时，若设所述振动膜被驱动时的该振动膜中的膜振动的单侧振幅值为a(m)，则膜振动的单侧振幅值a利用下式求出：a＝(1/πf){(I_o·10^P/10)/2ρ_oC}，其中，I_o：基准声强，为0.96×10^-12(W/m²)，ρ_o：空气密度，为1.2(kg/m³)，C：空气中的声速，为约340(m/S)，在所述一对电极的各自的振动膜侧的通孔外周上具有阶梯部，该阶梯部在所述振动膜侧方向的高度设定为，超过所述单侧振幅值a且为所述单侧振幅值a附近的值；

信号源，其生成可听频带的信号波；

载波供给单元，其生成并输出超声波频带的载波；和

调制单元，其利用从所述信号源输出的可听频带的信号波对所述载波进行调制，

所述静电型超声波换能器被施加于所述固定电极和所述振动膜的电极层之间的从所述调制单元输出的调制信号所驱动。

6.一种静电型超声波换能器的声音信号再现方法，其特征在于，该静电型超声波换能器的声音信号再现方法使用如下的静电型超声波换能器，该静电型超声波换能器具有：形成有通孔的第一电极；第二电极，其形成有与所述第一电极的通孔成对的通孔，且所述第二电极与所述第一电极之间被施加交流信号；振动膜，其被所述一对电极夹持着，并具有导电层，该导电层被施加直流偏压；和保持部件，其保持所述一对电极和所述振动膜，在设输出的期望声压为P(dB)、驱动频率为f(Hz)时，若设所述振动膜被驱动时的该振动膜中的膜振动的单侧振幅值为a(m)，则膜振动的单侧振幅值a利用下式求出：a＝(1/πf){(I_o·10^P/10)/2ρ_oC}，其中，I_o：基准声强，为0.96×10^-12(W/m²)，ρ_o：空气密度，为1.2(kg/m³)，C：空气中的声速，为约340(m/S)，在所述一对电极的各自的振动膜侧的通孔外周上具有阶梯部，该阶梯部在所述振动膜侧方向的高度设定为，超过所述单侧振幅值a且为所述单侧振幅值a附近的值，

并且，该静电型超声波换能器的声音信号再现方法包括如下步骤：

由信号源生成可听频带的信号波的步骤；

由载波供给源生成超声波频带的载波的步骤；

生成利用所述可听频带的信号波将所述载波调制后的调制信号的步骤；以及

通过在所述固定电极和所述振动膜的电极层之间施加所述调制信号，来驱动所述静电型超声波换能器的步骤。

7.一种静电型超声波换能器的制造方法，其特征在于，该静电型超声波换能器具有：形成有通孔的第一电极；第二电极，其形成有与所述第一电极的通孔成对的通孔，且所述第二电极与所述第一电极之间被施加交流信号；振动膜，其被所述一对电极夹持着，并具有导电层，该导电层被施加直流偏压；和保持部件，其保持所述一对电极和所述振动膜，

所述静电型超声波换能器的制造方法具有如下工序：

第一工序，在用于形成所述一对电极的固定电极部的导电体板上，覆盖形成有通孔的图案的掩模部件，通过蚀刻处理在所述导电体板上形成通孔；以及

第二工序，在设所述静电型超声波换能器所输出的期望声压为P(dB)、驱动频率为f(Hz)时，若设所述振动膜被驱动时的该振动膜中的膜振动的单侧振幅值为a(m)，则利用下式求出膜振动的单侧振幅值a：a＝(1/πf){(I_o·10^P/10)/2ρ_oC}，其中，I_o：基准声强，为0.96×10^-12(W/m²)，ρ_o：空气密度，为1.2(kg/m³)，C：空气中的声速，为约340(m/S)，在所述一对电极的各自的振动膜侧的通孔外周上具有阶梯部，将该阶梯部在所述振动膜侧方向的高度设定为，超过所述单侧振幅值a且为所述单侧振幅值a附近的值。

8.根据权利要求7所述的静电型超声波换能器的制造方法，其特征在于，该制造方法还具有：

第三工序，在形成有所述通孔的导电体板上，将作为振动膜夹持部形成材料的非导电性的感光性抗蚀剂形成为预定厚度；

第四工序，在所述非导电性的感光性抗蚀剂表面上，覆盖形成有所述振动膜夹持部的图案的振动膜夹持部形成用掩模部件，并进行曝光；以及

第五工序，将所述振动膜夹持部形成用掩模部件剥离，通过显影去除不需要的所述感光性抗蚀剂。

9.根据权利要求7所述的静电型超声波换能器的制造方法，其特征在于，该制造方法还具有：

第三工序，在形成有所述通孔的导电体板表面上，设置丝网印刷板和液状的振动膜夹持部形成材料，该丝网印刷板是排列用于形成所述振动膜夹持部形成材料的掩模部件而成的；

第四工序，在形成有所述通孔的导电体板表面上设置所述丝网印刷板和所述液状的振动膜夹持部形成材料之后，一边移动橡皮滚，一边在没有覆盖掩模部件的部分上涂布所述振动膜夹持部形成材料；以及

第五工序，在没有覆盖掩模部件的部分上涂布所述振动膜夹持部形成材料之后，取下所述丝网印刷板，使残留在所述导电体板表面上的所述振动膜夹持部形成材料干燥。

10.一种超指向性音响系统，该超指向性音响系统利用超声波扬声器，再现从音响源供给的声音信号，并在屏幕等声波反射面附近形成虚拟声源，其中所述超声波扬声器使用如下的静电型超声波换能器而构成，该静电型超声波换能器具有：形成有通孔的第一电极；第二电极，其形成有与所述第一电极的通孔成对的通孔，且所述第二电极与所述第一电极之间被施加交流信号；振动膜，其被所述一对电极夹持着，并具有导电层，该导电层被施加直流偏压；和保持部件，其保持所述一对电极和所述振动膜，在设输出的期望声压为P(dB)、驱动频率为f(Hz)时，若设所述振动膜被驱动时的该振动膜中的膜振动的单侧振幅值为a(m)，则膜振动的单侧振幅值a利用下式计算：a＝(1/πf){(I_o·10^P/10)/2ρ_oC}，其中，I_o：基准声强，为0.96×10^-12(W/m²)，ρ_o：空气密度，为1.2(kg/m³)，C：空气中的声速，为约340(m/S)，在所述一对电极的各自的振动膜侧的通孔外周上具有阶梯部，该阶梯部在所述振动膜侧方向的高度设定为，超过所述单侧振幅值a且为所述单侧振幅值a附近的值，

其特征在于，该超指向性音响系统具有：

超声波扬声器，其再现从所述音响源供给的声音信号中的中高音域的信号；和

低音再现用扬声器，其再现从所述音响源供给的声音信号中的低音域的声音。

11.一种显示装置，其特征在于，该显示装置具有：

超声波扬声器，其根据从音响源供给的声音信号再现可听频带的信号声，该超声波扬声器包括如下的静电型超声波换能器，该静电型超声波换能器具有：形成有通孔的第一电极；第二电极，其形成有与所述第一电极的通孔成对的通孔，且所述第二电极与所述第一电极之间被施加交流信号；振动膜，其被所述一对电极夹持着，并具有导电层，该导电层被施加直流偏压；和保持部件，其保持所述一对电极和所述振动膜，在设输出的期望声压为P(dB)、驱动频率为f(Hz)时，若设所述振动膜被驱动时的该振动膜中的膜振动的单侧振幅值为a(m)，则膜振动的单侧振幅值a利用下式计算：a＝(1/πf){(I_o·10^P/10)/2ρ_oC}，其中，I_o：基准声强，为0.96×10^-12(W/m²)，ρ_o：空气密度，为1.2(kg/m³)，C：空气中的声速，为约340(m/S)，在所述一对电极的各自的振动膜侧的通孔外周上具有阶梯部，该阶梯部在所述振动膜侧方向的高度设定为，超过所述单侧振幅值a且为所述单侧振幅值a附近的值；以及

投影光学系统，其将视频投影在投影面上。

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