CN1965609B - 超声换能器和使用其的超声扬声器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及超声换能器和使用其的超声扬声器。超声换能器包括：一对固定电极，其包括导电部件；振动膜，其具有导电层；以及保持所述一对固定电极和振动膜的部件。振动膜形成有非导电主体并具有由导电材料形成的电极层。通过直流偏置电源对该电极层施加单极性的直流偏置电压，并且还对该电极层施加从信号源输出的叠加在直流偏置电压上的交流信号。所述一对固定电极在隔着振动膜彼此相对的多个位置处具有相同数量的多个孔，并且通过信号源在所述一对固定电极的导电部件之间施加交流信号。
Description
技术领域
本发明涉及在宽频带上生成恒定高声压的静电超声换能器和使用其的超声扬声器。
背景技术
图6示出了常规超声换能器的结构。大部分常规超声换能器是使用压电陶瓷作为振动元件的谐振超声换能器。图6所示的超声换能器使用压电陶瓷作为振动元件以执行从电信号到超声波的转换和从超声波到电信号的转换(超声波的发送和接收)。图6所示的双压电晶片型超声换能器包括两个压电陶瓷61和62、锥体63、壳体64、引线65和66以及屏蔽网67。
压电陶瓷61和62粘贴在一起，并且引线65和66分别在陶瓷61和62的与其粘贴面相对的表面处连接到陶瓷61和62。
由于谐振超声换能器利用了压电陶瓷的谐振现象，所以只能在谐振频率附近的相对窄的频带中获得优良的超声发送和接收特性。如图8中的曲线Q2所示，谐振超声换能器的频率特性对于相对于例如40kHz的具有最大声压的中心频率(压电陶瓷的谐振频率)±5kHz的频率，是相对于最大声压的-30dB。
除了图6所示的谐振超声换能器以外，静电超声换能器是迄今为止公知的宽频带振荡型超声换能器，如日本待审专利申请首次公报第2000-50392号中公开的那样，其可以在宽频带上生成相对高的声压。静电超声换能器被称为拉型(Pull type)，这是因为振动膜只在被吸引到固定电极侧的方向上工作。
图7示出了宽频带振荡型超声换能器(拉型)的具体结构。
图7所示的静电超声换能器使用厚度为约3到10μm的诸如PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯树脂)的介电膜131(绝缘器)作为振动膜。
通过诸如真空蒸镀的处理，将形成为铝等的金属箔的上电极132在电介质131的上表面上与电介质131形成为一体，并设置由黄铜形成的下电极133以与电介质131的下表面相接触。下电极133与引线152相连接，并固定于由酚醛塑料等形成的底板135。
上电极132与引线153相连接，该引线153又连接到直流偏压电源150。通过直流偏压电源150始终对上电极132施加用于吸引上电极132的约50V到150V的直流偏置电压，使得将上电极132吸引到下电极133侧。信号源151连接到下电极133。
电介质131、上电极132以及底板135与金属环136、137、138以及格网139一起紧密地安装在壳体130中。
在下电极133的位于电介质131侧的表面中形成有具有不规则、非均匀形状的约几十到几百μm的多个细槽。这些细槽形成下电极133与电介质131之间的间隙，由此，上电极132与下电极133之间的电容分布发生轻微变化。
通过使用磨锉手工使下电极133的表面变粗糙来形成这些随机细槽。由此，静电超声换能器以此方式形成有包括不同大小间隙和不同深度的无数个电容器。在对上电极132施加直流偏置电压的情况下，在上电极132与下电极133之间施加矩形波信号(50到150Vp-p)。
在具有以上结构的超声换能器中，如图8中的曲线Q1所示，图7所示的超声换能器的频率特性变成宽频带。即，静电、宽频带振荡型超声换能器的频率特性是：从40kHz到大约100kHz是平坦的，并且在100kHz处与最大声压相比约为-6dB。
然而，如图8所示，对于最大声压值，与谐振超声换能器的130dB或更高的最大声压值相比，静电超声换能器具有低达120dB或者更低的值。因此对于使用静电超声换能器作为超声扬声器来说，该声压稍微不足。
这里，将给出对其中利用超声换能器的超声扬声器的说明。在该超声扬声器中，通过音频信号(音频频带中的信号)对超声频带中的被称为载波的信号进行AM调制，并由调制后的信号来驱动超声换能器。由此，将在通过来自信号源的音频信号调制超声波的状态下的声波辐射到空气中，使得原始音频信号由于空气的非线性而在空气中自再现。
更具体来说，由于声波是通过空气作为介质传播的压缩波，因此在调制后的超声波的传播过程中会显著地出现空气的稠密部分和稀疏部分。由于声音的速率在稠密部分中快而在稀疏部分中慢，所以在经调制波本身中会出现失真。因此，波形被分成载波(超声波)和音频波(原始音频信号)，并且人类只能听到20kHz或20kHz以下的音频声音(原始音频信号)。通常将该原理称为参数阵列效应。
需要不低于120dB的超声声压，以使参数阵列效应充分出现，但是难以通过静电超声换能器来实现该特性。因此，使用诸如PZT的陶瓷压电元件或诸如PVDF的聚合物压电元件作为超声波传输部件。
然而，压电元件具有与材料无关的锐谐振点，以谐振频率驱动该压电元件从而将其实际用作超声扬声器。因此，可以确保高声压的频域相当窄。即，可以说压电元件最终具有窄带。
通常，人类的最大音频频带是约20Hz到20kHz，频带为约20kHz。即，在超声扬声器中，不能保真地对原始音频信号进行解调，除非在超声区中确保20kHz频带上的高声压。
很容易理解，难以通过利用常规压电元件的谐振超声扬声器来保真地对20kHz的宽频带进行再现(解调)。
实际上，利用图6所示的常规谐振超声换能器的超声扬声器存在以下问题：(1)频带窄并且再现出的声音质量低；(2)如果AM调制系数太高，则解调出的声音会失真，因此调制系数最大可增大到约0.5；(3)如果增大输入电压(如果增大音量)，则压电元件的振动变得不稳定，并且声音发生失真。当进一步增大电压时，压电元件本身可能被击穿；以及(4)难以进行排列、放大以及小型化，因此制造成本高。
另一方面，如在日本待审专利申请首次公报第2000-50387号中公开的那样，利用图7所示的静电超声换能器(拉型)的超声扬声器可以基本上解决上述常规技术的问题，并且可以覆盖宽频带。但存在的问题在于：绝对声压不足以使解调出的声音具有足够的音量。
此外，在拉型超声换能器中，静电力只在受固定电极侧吸引的方向上起作用，因此不能保持振动膜(对应于图7中的上电极132)的振动的对称性质。因此，存在如下问题：当使用拉型超声换能器作为超声扬声器时，振动膜的振动会直接产生可听声音。
发明内容
鉴于上述情况，本发明的一个目的是提供超声换能器和使用其的超声扬声器，所述超声换能器可产生具有足够高的声压级以在宽频带上获得参数阵列效应的声信号。
为了实现上述目的，根据本发明的超声换能器包括：第一固定电极，其设置有多个孔；第二固定电极，其设置有与所述第一固定电极的所述多个孔成对形成的多个孔；以及振动膜，其夹在所述第一固定电极与所述第二固定电极之间并具有被施加直流偏置电压的导电层，其中，设置在所述第二固定电极上的所述多个孔中的所有孔或大多数孔被形成在与设置在所述第一固定电极上的所述多个孔相对的位置处，振动膜位于所述第一固定电极与所述第二固定电极之间，并且在所述第一固定电极与所述第二固定电极之间施加交流信号。
在本发明的具有以上结构的超声换能器中，所述多个孔形成在所述第一固定电极与所述第二固定电极上的彼此相对的位置处，并在对所述振动膜的导电层施加直流偏置电压的状态下对由所述第一固定电极和所述第二固定电极形成的固定电极对施加作为驱动信号的交流信号。因此，夹在所述固定电极之间的振动膜沿与对应于所述交流信号的极性的方向相同的方向，同时经受静电引力和静电斥力。因此，不仅可以使振动膜的振动充分增大以获得参数效应，而且可以确保振动的对称性质。因此，可以在宽频带上产生高声压。
此外，在本发明的超声换能器中，形成在所述第一固定电极和所述第二固定电极上的所述多个孔可以是形成为圆筒形的通孔。
在本发明的具有这种结构的超声换能器中，通过振动膜的振动产生的超声声波经由形成在所述第一固定电极和所述第二固定电极中的圆筒形通孔辐射。这些圆筒形通孔的优点在于制造是最简单的，但是具有如下缺点：由于在固定电极侧不存在面对振动膜的电极部分，所以作用在振动膜的导电层与所述多个通孔之间的静电力较弱。
此外，在本发明的超声换能器中，形成在所述第一固定电极和所述第二固定电极上的所述多个孔可以是由在直径和深度上具有至少两个不同尺寸的多个连续同心圆筒形孔形成的通孔。
在本发明的具有这种结构的超声换能器中，所述多个通孔由所述第一固定电极和所述第二固定电极中的在直径和深度上具有至少两个不同尺寸的多个连续同心圆筒形孔形成。因此，与形成在所述第一固定电极和所述第二固定电极中的具有至少两个不同尺寸的各同心圆筒形孔的边缘相平行的固定电极部分面对振动膜的导电层，从而形成平行电容器。因此，在将振动膜的面对各孔的边缘的部分抬高的同时，对该部分作用了用于将它向下拉的力，因此可以增强振动膜的振动。
此外，在本发明的超声换能器中，形成在所述第一固定电极和所述第二固定电极上的所述多个孔可以被形成为剖面呈锥形。
在本发明的具有这种结构的超声换能器中，由于在所述第一固定电极和所述第二固定电极上形成有剖面呈锥形的多个通孔，因此使得所述固定电极的锥形部分面对振动膜的导电层，由此形成平行电容器。
因此，在将振动膜的面对所述固定电极的锥形部分的部分抬高的同时，对该部分作用了用于将它向下拉的力，因此可以增强振动膜的振动。
此外，在本发明的超声换能器中，形成在所述第一固定电极和所述第二固定电极上的所述多个孔可以是在平面图中呈矩形的通孔。
在本发明的具有这种结构的超声换能器中，由振动膜的振动产生的超声波经由形成在所述第一固定电极和所述第二固定电极中的在平面中呈矩形的通孔进行辐射。在平面中以矩形形成的这些通孔的一个优点在于制造是最简单的。
此外，在本发明的超声换能器中，形成在所述第一固定电极和所述第二固定电极中的所述多个孔可以是由形成在同一轴上并具有相同长度的、在宽度和深度上具有至少两个不同尺寸的多个连续矩形孔形成的通孔。
在本发明的具有这种结构的超声换能器中，由在宽度和深度上具有至少两个不同尺寸的多个连续矩形孔形成的多个通孔形成在同一轴上并具有相同的长度。因此，与形成在所述第一固定电极和所述第二固定电极中的具有至少两个不同尺寸的各矩形孔的边缘相平行的固定电极部分面对振动膜的导电层，从而形成平行电容器。因此，在将振动膜的面对各孔的边缘的部分抬高的同时，对该部分作用了用于将它向下拉的力，因此可以增强振动膜的振动。
此外，在本发明的超声换能器中，形成在所述第一固定电极和所述第二固定电极上的所述多个矩形孔可以被形成为剖面呈锥形。
在本发明的具有这种结构的超声换能器中，由于在所述第一固定电极和所述第二固定电极中形成有剖面呈锥形并在平面中呈矩形的多个通孔，因此使得所述固定电极的锥形部分面对振动膜的导电层，从而形成平行电容器。
因此，在将振动膜的面对固定电极的锥形部分的部分抬高的同时，对该部分作用了用于将它向下拉的力，因此可以增强振动膜的振动。
此外，在本发明的超声换能器中，形成在所述固定电极上的所述多个孔可以在所述振动膜侧比在其相对侧具有更大的直径和更浅的深度。
在本发明的具有这种结构的超声换能器中，由于形成在所述固定电极上的所述多个孔在所述振动膜侧比在其相对侧具有更大的直径和更浅的深度，因此通过使与具有至少两个尺寸的各同心圆筒形孔的边缘相平行的固定电极部分面对振动膜的导电层，形成了平行电容器。因此，可以增大作用于振动膜的导电层的静电引力和静电斥力。
此外，在本发明的超声换能器中，形成在所述固定电极上的所述多个矩形孔可以在所述振动膜侧比在其相对侧具有更大的宽度和更浅的深度。
在本发明的具有这种结构的超声换能器中，由于形成在所述固定电极上的所述多个矩形孔在所述振动膜侧比在其相对侧具有更大的宽度和更浅的深度，因此通过使与具有至少两个尺寸的各矩形孔的边缘相平行的固定电极部分或者使固定电极的锥形部分面对振动膜的导电层而形成了平行电容器。因此，可以增大作用于振动膜的导电层的静电引力和静电斥力。
此外，在本发明的超声换能器中，所述多个通孔均具有相同的尺寸。
在本发明的具有这种结构的超声换能器中，将具有相同尺寸的所述多个通孔分别形成在所述第一固定电极和所述第二固定电极上。因此，钻孔比较容易，从而使得制造成本下降。
此外，在本发明的超声换能器中，所述多个通孔可以在彼此面对的位置处具有相同的尺寸，而在其他位置处可以具有多个孔尺寸。
在本发明的具有这种结构的超声换能器中，分别在所述第一固定电极和所述第二固定电极上形成在彼此面对的位置处具有相同尺寸而具有多个孔尺寸的所述多个通孔。因此，钻孔处理较容易，从而使得制造成本下降。
此外，在本发明的超声换能器中，可以由单个导电部件形成所述第一固定电极和所述第二固定电极。
在本发明的具有这种结构的超声换能器中，例如可以由诸如SUS、黄铜、铁或镍的导电材料的单个导电部件形成所述第一固定电极和所述第二固定电极。
此外，在本发明的超声换能器中，可以由多个导电部件制成所述第一固定电极和所述第二固定电极。
在本发明的具有这种结构的超声换能器中，可以由多个导电部件形成所述第一固定电极和所述第二固定电极。
此外，在本发明的超声换能器中，可以由导电部件和非导电部件制成所述第一固定电极和所述第二固定电极。
在本发明的具有这种结构的超声换能器中，可以由导电部件和非导电部件制成所述第一固定电极和所述第二固定电极。例如，在经受了期望的钻孔处理之后，利用金、银、铜等对诸如玻璃环氧基板或酚醛纸基板的非导电部件进行镀敷处理，从而由导电部件和非导电部件形成固定电极。因此，可以使超声换能器的重量变轻。
此外，在本发明的超声换能器中，所述振动膜可以是具有形成在非导电聚合物膜的相对两侧的电极层的薄膜。
在本发明的具有这种结构的超声换能器中，振动膜具有形成在非导电聚合物膜的相对两侧的电极层。在此情况下，如稍后所述，在固定电极的面对振动膜的表面上设置有非导电层。因此，振动膜的制备变得容易。
此外，在本发明的超声换能器中，所述振动膜可以是具有电极层和覆盖所述电极层的两个表面的两个非导电聚合物膜的薄膜。
在本发明的具有这种结构的超声换能器中，将振动膜形成为使得电极层置于非导电层(非导电聚合物膜)之间。因此，不必对固定电极执行绝缘处理，从而便于制造超声换能器。此外，可以容易地确保固定电极的布置相对于振动膜的对称性质。
此外，在本发明的超声换能器中，通过使用其中在非导电聚合物膜的一侧形成有电极层的两个薄膜，并使得所述电极层彼此粘合，来形成所述振动膜。
在本发明的具有这种结构的超声换能器中，使用其中在非导电聚合物膜的一侧形成有电极层的两个薄膜，并使得所述电极层彼此粘合，从而形成振动膜。因此，振动膜的制备变得容易。
此外，在本发明的超声换能器中，可使用驻极体膜来形成所述振动膜。
在本发明的具有这种结构的超声换能器中，使用驻极体膜作为振动膜。在此情况下，在固定电极侧上形成非导电膜。因此，振动膜的制备变得容易。
此外，在本发明的超声换能器中，当使用其中在所述非导电聚合物膜的相对两侧形成有所述电极层的振动膜或其中利用所述驻极体膜的振动膜时，可以使所述第一固定电极和所述第二固定电极的振动膜侧经受电绝缘处理。
在本发明的具有这种结构的超声换能器中，当使用其中在非导电层(非导电膜)的相对两侧形成有导电层(电极层)的振动膜或使用其中利用驻极体膜的振动膜时，对所述第一固定电极和所述第二固定电极的振动膜侧施加电绝缘处理。因此，可以使用其中在非导电层(绝缘膜)的相对两面上形成有导电层(电极层)的双面电极蒸镀膜，或者驻极体膜，作为振动膜。
此外，在本发明的超声换能器中，可以对所述振动膜施加单极性直流偏置电压。
在本发明的具有这种结构的超声换能器中，对所述振动膜施加单极性直流偏置电压。因此，由于在振动膜的电极层中始终累积具有相同极性的电荷，所以振动膜受到静电引力和静电斥力，并与所述多个固定电极的根据施加给所述第一固定电极和所述第二固定电极的交流信号而变化的电压极性相对应地振动。
此外，在本发明的超声换能器中，可以设置由绝缘材料制成的保持所述固定电极和所述振动膜的部件。
在本发明的具有这种结构的超声换能器中，保持所述固定电极和所述振动膜的部件包括绝缘材料。因此，能够在所述固定电极与所述振动膜之间保持电绝缘。
此外，在本发明的超声换能器中，可通过在膜平面上沿四个直角方向施加张力来固定所述振动膜。
在本发明的具有这种结构的超声换能器中，通过在膜平面上沿四个直角方向施加张力来固定所述振动膜。传统上，必须对振动膜施加几百伏特的直流偏置电压，以将振动膜吸引到固定电极侧。然而，通过在制备膜单元时对膜施加张力来固定振动膜，实现了与常规直流偏置电压相同的效果。因此，可以降低直流偏置电压。
本发明的超声扬声器包括：以上多个超声换能器中的任何一个；信号源，其产生音频带中的信号波；载波供应单元，其产生并输出超声频带中的载波；以及调制单元，其根据从所述信号源输出的音频带中的信号波对所述载波进行调制，并且所述超声换能器通过从所述调制单元输出并施加在所述固定电极与所述振动膜的所述电极层之间的调制信号来驱动。
在本发明的具有这种结构的超声扬声器中，通过信号源生成音频带中的信号波，并通过载波供应单元生成并输出超声频带中的载波。此外，由调制单元根据音频带中的信号波对载波进行调制，并将从调制单元输出的调制信号施加在固定电极与振动膜的电极层之间以对超声换能器进行驱动。
由于通过使用具有以上结构的超声换能器来构造本发明的超声扬声器，因此可以实现如下超声扬声器，所述超声扬声器能够产生具有足够高的声压级以在宽频带上获得参数阵列效应的声信号。
附图说明
图1A和1B分别是剖面图和剖开一部分的平面图，示出了根据本发明实施例的超声换能器的结构。
图2A、2B以及2C是示出在根据本发明实施例的超声换能器中使用的固定电极的形状的示例的剖面图。
图3A、3B以及3C是示出在根据本发明实施例的超声换能器中使用的固定电极的穿透缝结构的示例的剖面图。
图4A、4B以及4C是示出在根据本发明实施例的超声换能器中使用的振动膜的结构的示例的剖面图。
图5是示出使用根据本发明实施例的超声换能器的超声扬声器的框图。
图6是示出常规谐振超声换能器的剖面图。
图7是示出常规静电宽频带振荡型超声换能器的剖面图。
图8是示出根据本发明实施例的超声换能器的频率特性以及常规超声换能器的频率特性的曲线图。
具体实施方式
参照附图对本发明实施例进行详细描述。
在图1A和1B中，根据本实施例的超声换能器1包括：一对固定电极10A和10B，其包括由用作电极的导电材料形成的导电部件；振动膜12，其具有导电层121并夹在所述一对固定电极之间；以及保持所述一对固定电极10A和10B以及振动膜12的部件(在图1A或1B中未示出，但是具有基本上与图7所示的壳体130相同的结构)。以下可将所述一对固定电极10A和10B分别称为第一固定电极10A和第二固定电极10B。
振动膜12形成有非导电主体120并具有由导电材料形成的电极层121。通过直流偏压电源16对电极层121施加具有单极性(其可以是正极性或负极性)的直流偏置电压，并且还对电极层121施加与该直流偏置电压相叠加的从信号源18输出的交流信号。
此外，所述一对固定电极10A和10B具有位于隔着振动膜12彼此相对的位置处的相同数量的多个孔14，并且通过信号源18在所述一对固定电极10A和10B的导电部件之间施加交流信号。
在固定电极10A与电极层121之间和固定电极10B与电极层121之间分别形成有电容器。
在以上结构中，在超声换能器1中，将从信号源18输出的交流信号施加给振动膜12的电极层121，从而将该交流信号叠加在来自直流偏压电源16的具有单极性(在本实施例中为正极性)的直流偏置电压上。
另一方面，通过信号源18对所述一对固定电极10A和10B施加交流信号。
因此，在从信号源18输出的交流信号的正半周期中，对第一固定电极10A施加正电压。因此，对振动膜12的位于孔14处并且不被固定电极10A和10B夹着的表面部分12A作用了静电斥力，因此在图1A中表面部分12A被向下拉。
而且，此时，由于对第二固定电极10B施加了负电压，因此对作为振动膜的表面部分12A的背侧的背面部分12B作用了静电引力，因此在图1A中背面部分12B被进一步向下拉。
因此，振动膜的未夹在所述一对固定电极10A与10B之间的膜部分同时受到静电斥力和静电引力。同样，在从信号源18输出的交流信号的负半周期中，在图1中对振动膜12的表面部分12A向上作用静电引力，并且在图1中对背面部分12B向上作用静电斥力，因此振动膜12的未被所述一对固定电极10A和10B夹着的膜部分受到沿相同方向的静电引力和静电斥力。以此方式，在振动膜12受到与交流信号的极性变化相对应的相同方向上的静电引力和静电斥力的同时，静电力的作用方向交替变化。因此，可以产生具有足以获得大膜振动(即，参数阵列效应)的声压级的声信号。
因此，由于振动膜12在受到来自所述一对固定电极10A和10B的力时发生振动，所以将根据本实施例的超声换能器1称为推拉型的。
与对振动膜只施加静电引力的常规静电超声换能器(拉型)相比，根据本实施例的超声换能器1具有同时满足宽频带性质和高声压的能力。
图8示出了根据本实施例的超声换能器的频率特性。在该图中，曲线Q3示出了根据以上实施例的超声换能器的频率特性。从该图显见，与常规宽频带型静电超声换能器的频率特性相比，可以看到可在更宽的频带上获得高声压级。具体来说，在从20到120kHz的频带中，可以实现能够获得参数效应的120dB或更高的声压级。
在根据本实施例的超声换能器1中，由于夹在所述一对固定电极10A与10B之间的薄振动膜12既受到静电引力又受到静电斥力，因此不仅可以产生大振动，而且可以确保振动的对称性质。因此，可以在宽频带上产生高声压。
接下来对在根据本实施例的超声换能器中使用的固定电极进行描述。图2A到2C以剖面示出了盘状固定电极(只示出了所述一对固定电极中的一个电极)的一些结构示例。在这些图中的每一个图中，将面对振动膜12的下表面表示为“膜侧”。
图2A示出了通孔型固定电极，具体来说，形成在所述一对固定电极10A和10B中的孔是形成为圆筒形的通孔。可以非常容易地制造其中形成有通孔的这种类型的固定电极，但是这存在以下缺点：由于不存在与面对振动膜12的电极相对应的部分，因此静电力相对较弱。
图2B示出了具有两级通孔结构的固定电极。即，形成在所述一对固定电极10A和10B中的孔是由在直径和深度上具有至少两个不同尺寸(在本实施例中是两个尺寸)的多个连续同心圆筒形孔形成的通孔。形成在固定电极中的孔在振动膜侧比在其相对侧的直径更大并且深度更浅。
在此情况下，固定电极的包括所述多个孔的边缘的表面(即，固定电极的除所述多个孔以外的下表面)面对振动膜12，并且该部分形成平行板电容器。
因此，当在面对所述多个孔的部分处对振动膜12作用拉力时，振动膜12的所述多个孔的边缘的部分升高，从而增强了膜振动。
图2C示出具有剖面为锥形的通孔的固定电极。当针对固定电极采用该形状时所产生的效果类似于通过图2B所示的结构获得的效果。
图3A到3C示出具有槽形或缝形通孔的固定电极(只示出了所述一对固定电极中的一个电极)的另一示例。图3A示出了穿透缝型的固定电极，并且形成在所述一对固定电极10A和10B中的穿透缝在平面中是矩形。制造其中形成有穿透缝的固定电极是可能最容易的，但是这存在以下缺点：由于不存在与面对振动膜12的电极相对应的部分，因此静电力相对较弱。
图3B示出了具有两级穿透缝结构的固定电极。即，形成在所述一对固定电极10A和10B中的穿透缝是由形成在同一轴上并具有同一长度的，在宽度和深度上具有至少两个不同尺寸(在本实施例中是两个尺寸)的多个连续矩形孔形成的通孔。
在此情况下，类似于圆孔的情况，固定电极的包括所述多个缝或孔的边缘的表面(即，固定电极的除所述多个缝或孔以外的下表面)面对振动膜12，并且该表面形成平行板电容器。
因此，当在面对所述多个孔的部分处对振动膜12作用拉力时，振动膜12的所述多个孔的边缘的一部分被抬高，从而增强了振动膜12的膜振动。
图3C示出了锥形穿透缝。即，形成在所述一对固定电极10A和10B中的多个孔形成为剖面为锥形。当针对固定电极采用该形状时所产生的效果类似于通过图3B所示的结构获得的效果。
在图3B和3C所示的结构示例中，将形成在固定电极中的矩形孔形成为使得在固定电极的振动膜侧比其相对侧的宽度更大并且深度更浅。
形成在图2A到2C和图3A到3C所示的各结构示例中的固定电极中的多个通孔可以具有相同的尺寸。
此外，这些通孔可以在彼此面对的位置处具有相同的尺寸，但是可以在其他位置处具有多个孔尺寸。
构成根据本实施例的超声换能器的固定电极可以由单个导电部件或多个导电部件形成。
此外，构成根据本实施例的超声换能器的固定电极可以由导电部件和非导电部件形成。
具体来说，根据本实施例的超声换能器的固定电极的材料只需是导电性的，例如，也可采用SUS、黄铜、铁或者镍的的单元结构。
此外，当需要使固定电极变轻时，也可以使通常用作电路基板等的玻璃环氧基板或酚醛纸基板经受希望的钻孔处理，然后利用镍、金、银、铜等进行镀敷处理。在此情况下，为了防止在进行了模制之后发生翘曲，将应用于基板的镀敷处理应用于其相反侧是有效的。
当使用双面电极蒸镀膜或驻极体膜作为振动膜12时，必需对超声换能器1中的所述一对固定电极10A和10B的振动膜侧执行某种绝缘处理。例如，必需利用薄膜，例如，利用氧化铝、硅聚合物材料、无定形碳膜或SiO2来执行绝缘处理。
接下来对振动膜12进行描述。振动膜12的功能是始终累积具有相同极性(正极性或负极性)的电荷，并由于静电力(其由于交流电压而变化)而在固定电极10A和10B之间振动。下面将参照图4A到4C对根据本发明本实施例的超声换能器中的振动膜12的具体结构示例进行描述。
图4A示出了通过对非导电膜120a的相对两面施加电极蒸镀处理以形成电极层121a，而获得的振动膜12a的剖面结构。从柔性和耐压能力方面来看，优选的是，中央非导电膜120a由聚合物材料(例如，聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚脂、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚苯硫醚(PPS))形成。
作为形成电极层121a的电极蒸镀材料，Al是最常用的，而从与聚合物材料的相容性和成本的方面来看Ni、Cu、SUS以及Ti是优选的。不能唯一地确定振动膜12a的非导电聚合物膜120a的厚度，因为其最佳值基于驱动频率和设置在固定电极中的孔的尺寸而有所不同，但是一般来说，认为从1μm到100μm(含1μm和100μm)的范围是足够的。
还期望充当电极层121a的电极蒸镀层的厚度是从40nm到200nm。如果电极的厚度太薄，则难以累积电荷，而如果太厚，则膜会变硬，导致诸如振幅减小的问题。可以使用透明导电膜ITO/In、Sn、Zn氧化物等作为电极材料。
图4B示出了其中在用作非导电膜120b的多个非导电聚合物膜之间设置了电极层121b的振动膜12b。与图4A中的情况相同，也期望电极层121b的厚度在此情况下在从40nm到200nm的范围内。与图4A中的双面电极蒸镀膜120a一样，其间带有电极层121b的非导电膜120b的材料优选的是聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚脂、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)或聚苯硫醚(PPS)，并且其厚度优选地在从1μm到100μm(含1μm和100μm)的范围内。
图4C示出了其中将两个单面电极蒸镀膜粘贴在一起使得其电极平面彼此接触的振动膜12c。即，形成了两个非导电或绝缘膜120c，其中在其一个表面上形成有电极层121c。在使各电极层121c相接触的情况下将由此获得的两个膜固定在一起。
非导电膜120c和电极层121c的情况优选地与上述其他振动膜的情况相同。
此外，振动膜12通常需要几百伏特的直流偏置电压，但是通过在制备膜单元时沿四个直角方向对振动膜12的膜平面施加张力来固定振动膜12，可以降低偏置电压。
这是因为通过预先对膜施加张力，可以获得与施加常规偏置电压相同的效果，因此这是降低电压的非常有效的方法。
同样，在此情况下，Al是最常用的，而从与聚合物材料的相容性和成本的方面来看Ni、Cu、SUS以及Ti是优选的。此外，可以使用透明导电膜ITO/In、Sn、Zn氧化物等。
作为用于对固定电极或振动膜进行固定的材料，从轻质和非导电性的角度出发，诸如压克力(acryl)、酚醛塑料、聚缩醛(聚甲醛)树脂(POM)是优选的。
接下来，图5示出了使用根据本实施例的超声换能器的超声扬声器。
在图5中，根据本实施例的超声扬声器包括：音频波振荡源(信号源)51，其用于产生音频带中的信号波；载波振荡源(载波提供单元)52，其用于产生并输出超声频带中的载波；调制器(调制单元)53；功率放大器54；以及超声换能器1。
调制器53利用从音频波振荡源51输出的在所述音频带中的信号波对从载波振荡源52输出的载波进行调制，并将载波通过功率放大器54提供给超声换能器55。
在以上结构中，通过调制器53利用从音频波振荡源51输出的信号波对从载波振荡源52输出的在所述超声频带中的载波进行调制，以通过由功率放大器54放大的调制信号来驱动超声换能器55。因此，通过超声换能器55将调制信号转换成具有有限振幅级的声波，并将该声波辐射到介质(空气)中。由此通过介质(空气)的非线性效应对所述音频带中的原始信号声音进行自再现。
换句话说，由于声波是通过空气作为介质传播的压缩波，所以在调制超声波的传播过程中显著地出现了空气的稠密部分和稀疏部分。由于声速在稠密部分中快而在稀疏部分中慢，所以会在调制波本身中出现失真。因此，将波形分成载波(超声频带)和音频波，以对所述音频带中的信号波(信号声)进行再现。
如果可以确保高声压下的宽频带性质，则扬声器的各种应用变为可能。超声波在空气中急剧衰减，并与频率的平方成比例地衰减。因此，当载波频率(超声波)低时，衰减减小，从而实现可以按波束的形式长距离传播声音的扬声器。
与之对照的是，如果载波频率高，则衰减急剧，因此，参数阵列效应不足，从而提供可以扩展声音的扬声器。使用同一超声换能器，可以根据应用来使用这些特征，这是非常有效的功能。
此外，作为宠物与人类共享生活的狗和猫，狗可以听到高达40kHz的声音，猫可以听到高达100kHz的声音。因此，如果使用比100kHz高的载波频率，则不会影响宠物。在各种频率下的应用会带来许多优点。
由于根据本发明实施例的超声扬声器使用根据本发明实施例的超声换能器，所以可以产生具有足够高的声压级以在宽频带上获得参数阵列效应的声信号。因此，可以在宽频带上以高保真度再现信号声音(音频带)。
根据本实施例的超声换能器可以用于各种类型的传感器，例如距离测量传感器，并且如上所述，可以用于定向扬声器的声源、理想脉冲信号发生源等。
本申请要求于2004年6月11日提交的日本专利申请第2004-173946号的优先权，通过引用将其全部内容合并于此。
Claims (23)
1.一种超声换能器，该超声换能器包括：
第一固定电极，其设置有多个孔；
第二固定电极，其设置有与设置在所述第一固定电极上的所述多个孔成对形成的多个孔；以及
振动膜，其夹在所述第一固定电极与所述第二固定电极之间并具有被施加直流偏置电压的导电层，
其中，设置在所述第二固定电极上的所述多个孔中的全部或者大多数形成在与设置在所述第一固定电极上的所述多个孔相对的位置处，所述振动膜位于所述第一固定电极与所述第二固定电极之间，并且
在所述第一固定电极与所述第二固定电极之间施加交流信号。
2.根据权利要求1所述的超声换能器，其中，设置在所述第一固定电极上的所述多个孔和设置在所述第二固定电极上的所述多个孔是形成为圆筒形的通孔。
3.根据权利要求1所述的超声换能器，其中，设置在所述第一固定电极上的所述多个孔和设置在所述第二固定电极上的所述多个孔是由在直径和深度上具有至少两个不同尺寸的连续同心圆筒形孔形成的通孔。
4.根据权利要求1所述的超声换能器，其中，设置在所述第一固定电极上的所述多个孔和设置在所述第二固定电极上的所述多个孔被形成为剖面呈锥形。
5.根据权利要求1所述的超声换能器，其中，设置在所述第一固定电极上的所述多个孔和设置在所述第二固定电极上的所述多个孔是在平面图中呈矩形的通孔。
6.根据权利要求1所述的超声换能器，其中，设置在所述第一固定电极上的所述多个孔和设置在所述第二固定电极上的所述多个孔是由形成在同一轴上并具有相同长度的、在宽度和深度上具有至少两个不同尺寸的连续矩形孔形成的通孔。
7.根据权利要求5所述的超声换能器，其中，设置在所述第一固定电极上的所述矩形孔和设置在所述第二固定电极上的所述矩形孔被形成为剖面呈锥形。
8.根据权利要求3所述的超声换能器，其中，设置在所述第一固定电极上的所述多个孔和设置在所述第二固定电极上的所述多个孔在所述振动膜侧比在其相对侧具有更大的直径和更浅的深度。
9.根据权利要求6所述的超声换能器，其中，设置在所述第一固定电极上的所述矩形孔和设置在所述第二固定电极上的所述矩形孔在所述振动膜侧比在其相对侧具有更大的宽度和更浅的深度。
10.根据权利要求2所述的超声换能器，其中，所述多个通孔中的每一个都具有相同的尺寸。
11.根据权利要求2所述的超声换能器，其中，设置在所述第一固定电极上的所述多个通孔和设置在所述第二固定电极上的所述多个通孔在彼此面对的位置处具有相同的尺寸，但是在其他位置处具有不同的尺寸。
12.根据权利要求1所述的超声换能器，其中，所述第一固定电极和所述第二固定电极由单个导电部件制成。
13.根据权利要求1所述的超声换能器，其中，所述第一固定电极和所述第二固定电极由多个导电部件制成。
14.根据权利要求1所述的超声换能器，其中，所述第一固定电极和所述第二固定电极由导电部件和非导电部件制成。
15.根据权利要求1所述的超声换能器，其中，所述振动膜包括非导电聚合物膜和形成在所述非导电聚合物膜的相对两侧的导电层。
16.根据权利要求1所述的超声换能器，其中，所述振动膜包括两个非导电聚合物膜和设置在所述两个非导电聚合物膜之间的导电层。
17.根据权利要求1所述的超声换能器，其中，所述振动膜是通过使用其中在非导电聚合物膜的一侧形成有导电层的两个薄膜，并按使所述导电层彼此面对的方式将所述两个薄膜相互粘合来形成的。
18.根据权利要求1所述的超声换能器，其中，所述振动膜是使用驻极体膜来形成的。
19.根据权利要求15所述的超声换能器，其中，所述第一固定电极和所述第二固定电极的面对所述振动膜的表面经受过电绝缘处理。
20.根据权利要求1所述的超声换能器，其中，所述振动膜被施加单极性直流偏置电压。
21.根据权利要求1所述的超声换能器，其中，该超声换能器还设置有由绝缘材料制成的保持所述固定电极和所述振动膜的部件。
22.根据权利要求1所述的超声换能器，其中，所述振动膜是通过在膜平面上沿四个直角方向施加张力来固定的。
23.一种超声扬声器，该超声扬声器包括：
超声换能器，其包括：第一固定电极，其设置有多个孔；第二固定电极，其设置有与设置在所述第一固定电极上的所述多个孔大致相对应并相面对的多个孔；以及振动膜，其夹在所述第一固定电极与所述第二固定电极之间并具有被施加直流偏置电压的导电层；
信号源，其产生音频带中的信号波；
载波供应单元，其产生并输出超声频带中的载波；以及
调制单元，其根据从所述信号源输出的音频带中的信号波对所述载波进行调制，
其中，所述超声换能器是由从所述调制单元输出并施加在所述固定电极与所述振动膜的所述导电层之间的调制信号来驱动的。
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