JP2005223820A - Ultrasonic transducer - Google Patents
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Abstract
Description
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。 The present invention relates to an electrostatic ultrasonic transducer that generates a constant high sound pressure over a wide frequency band, and more particularly, an ultrasonic wave that can generate strong ultrasonic waves by applying the resonance principle of sound waves. It relates to a transducer.
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。
Most of conventional ultrasonic transducers are resonant types using piezoelectric ceramics.
Here, FIG. 10 shows a configuration of a conventional ultrasonic transducer. Most of conventional ultrasonic transducers are resonant types using piezoelectric ceramics as vibration elements. The ultrasonic transducer shown in FIG. 10 performs both the conversion from an electric signal to an ultrasonic wave and the conversion from an ultrasonic wave to an electric signal (transmission and reception of an ultrasonic wave) using a piezoelectric ceramic as a vibration element. The bimorph ultrasonic transducer shown in FIG. 10 includes two
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。
The
Since the resonance type ultrasonic transducer uses the resonance phenomenon of the piezoelectric ceramic, the transmission and reception characteristics of the ultrasonic wave are good in a relatively narrow frequency band around the resonance frequency.
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。
Unlike the resonant ultrasonic transducer shown in FIG. 10 described above, an electrostatic ultrasonic transducer is conventionally known as a broadband oscillation ultrasonic transducer capable of generating a high sound pressure over a high frequency band. FIG. 11 shows a specific configuration of the broadband oscillation type ultrasonic transducer. The electrostatic ultrasonic transducer shown in FIG. 11 uses a dielectric 131 (insulator) such as PET (polyethylene terephthalate resin) having a thickness of about 3 to 10 μm as a vibrating body. An
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。
The
The dielectric 131, the
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。
On the surface of the
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)。
In the ultrasonic transducer having the above configuration, a rectangular wave signal (50 to 150 Vp-p) is applied between the
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。 Here, in the broadband oscillation type ultrasonic transducer, it is necessary to increase the amplitude of the vibration film of the upper electrode in order to obtain a high sound pressure level for the following reason. That is, the sound pressure level (SPL) of the ultrasonic wave radiated from the ultrasonic transducer is as follows: the device area is S, the vibration speed of the vibrating membrane is v, and the applied voltage applied between the upper electrode and the lower electrode is V. Then, there is a relationship of SPL∝S · v · V. In order to increase the sound pressure level, any one or all of the device area S, the vibration velocity v of the diaphragm, and the applied voltage V may be increased. However, considering the miniaturization of the ultrasonic transducer, the device area S, I do not want to increase the applied voltage V.
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。
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。
However, in the conventional broadband oscillation type ultrasonic transducer, since the upper electrode thin film and the lower electrode bulk material are adsorbed by using a DC bias voltage of several tens to several hundreds V, There is a problem that sufficient amplitude of the vibrating membrane cannot be obtained. Furthermore, the vibration film in the upper electrode is driven by an AC signal of several hundred volts.
In addition, since this DC bias voltage is a high voltage, and the AC signal as a signal applied to the upper electrode thin film and the lower electrode is also a high voltage, the size of the apparatus is increased while the danger is increased. Invite power and cost.
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。 The present invention has been made in view of such circumstances, and the sound pressure can be increased by using a resonance phenomenon without changing the amplitude of the vibrating membrane during vibration, and the DC bias voltage and the AC signal can be increased. An object of the present invention is to provide an ultrasonic transducer in which voltage is reduced.
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。
In order to achieve the above object, an invention according to
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。
The invention according to
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。
The invention according to
Two upper electrodes comprising a vibrating film formed of an insulator and opposed to each other on both surfaces of the lower electrode; and the two upper electrodes, A plurality of cavities are formed at the upper and lower ends of the lower electrode by closely contacting the lower electrode, and the cavity formed at the upper end of the lower electrode among the plurality of cavities, and the lower electrode immediately below the cavity Resonance formed by forming a plurality of vent holes that form a double-ended opening tube that resonates at a desired frequency in a plate material. A tube unit is fixed to the two upper electrode surfaces.
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。 According to a fourth aspect of the present invention, in the ultrasonic transducer according to any one of the first to third aspects, the resonance tube unit is formed of a material that does not absorb ultrasonic waves of the desired frequency that resonates. Features.
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。 According to a fifth aspect of the present invention, in the ultrasonic transducer according to any one of the first to fourth aspects, the length in the depth direction of the vent hole formed in the resonance tube unit is a wavelength of the ultrasonic wave that resonates. It is characterized by being an integral multiple of the length of the half wavelength.
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。 The invention according to claim 6 is the ultrasonic transducer according to claim 4, wherein the surface shape of the resonance tube unit is such that the length of each resonance tube in the depth direction is toward the center. It is formed in a concave shape so as to be short.
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。 According to a seventh aspect of the present invention, in the ultrasonic transducer according to the fourth or fifth aspect, the surface shape of the resonance tube unit is such that the length of each resonance tube in the depth direction is toward the center. It is formed in a convex shape so as to be long.
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。 According to an eighth aspect of the present invention, in the ultrasonic transducer according to the fourth or fifth aspect, the surface shape of the resonance tube unit has a depth of each resonance tube from one end to the other end of the plate member. It is characterized by being inclined so that the length in the vertical direction changes linearly.
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。 According to a ninth aspect of the present invention, the vent hole formed in the ultrasonic transducer according to any one of the first to eighth aspects is formed at a position corresponding to the concave portion formed in the lower electrode. It is characterized by that.
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。 A tenth aspect of the present invention is the ultrasonic transducer according to any one of the first to ninth aspects, wherein an open end correction gap is provided between the resonance tube unit and the upper electrode. To do.
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。
The invention according to claim 11 is an ultrasonic speaker comprising the ultrasonic transducer according to any one of
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。 As described above, according to the ultrasonic transducer of the present invention, the upper electrode composed of the vibration film formed of an insulator and the conductive film formed on the vibration film, and the vibration film of the upper electrode It has a lower electrode with a plurality of irregularities formed on the opposing surface. The upper electrode and the lower electrode are brought into close contact with each other, and an ultrasonic signal is generated by applying an AC signal between the upper electrode and the lower electrode. The ultrasonic transducer is configured to be fixed on the surface of the upper electrode with a resonance tube unit in which a plurality of vent holes forming a double-ended opening tube that resonates at a desired frequency are provided on the plate material. Sometimes the sound pressure can be increased by the resonance phenomenon without changing the amplitude of the diaphragm, and the DC bias voltage and the AC signal voltage can be reduced.
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。 Therefore, by constructing an ultrasonic speaker using this ultrasonic transducer, the sound pressure can be increased by the resonance phenomenon without changing the amplitude of the diaphragm during vibration, and the DC bias voltage and AC signal voltage can be reduced. Therefore, it is possible to realize an ultrasonic speaker.
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。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 shows the configuration of the ultrasonic transducer according to the first embodiment of the present invention. The ultrasonic transducer according to this embodiment is obtained by adding a
In FIG. 1, an
A
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。
As the
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。
A lead 40 is connected to the
The
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。
The
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。
By arranging the vent hole functioning as a resonance tube in this way, the sound pressure level of the ultrasonic wave radiated from the
FIG. 3 is a front sectional view illustrating the
λ = mc / f (1)
Where f is the resonant ultrasonic frequency, c is the speed of sound (about 340 m / s), λ is the wavelength, and m is a natural number.
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。
Accordingly, FIG. 2 shows a configuration in which the resonance tube unit is made most compact, but a in FIG. 3 may take any value as long as it is a natural number multiple of a half wavelength. For example, if the ultrasonic frequency generated in the
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。 Since ultrasonic waves are generated, the wavelength is 17 mm when 20 kHz is taken as a reference. Therefore, it is only necessary to have a half of the resonant tube length of 8.5 mm. Considering that the resonance phenomenon occurs every half wavelength, the resonance phenomenon occurs in 20 kHz increments from 20 kHz to higher frequencies. This means that the frequency can be used. This means that it can be used without sacrificing the broadband frequency characteristics that are characteristic of electrostatic transducers. When changing the ultrasonic wave with a finer step size, the fundamental frequency may be set to 10 kHz or 5 kHz, and the resonance tube size may be determined according to the above concept according to the basic frequency.
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。
In FIG. 1, there is a slight gap between the
Further, when using this principle, it is assumed that the inner diameter of the resonance tube is sufficiently smaller than the sound wave length and that a plane wave is generated in the tube. In the case of the present invention, the generated ultrasonic wave is a plane wave and the inner diameter of the tube is about 100 μm at most, so that the oscillation ultrasonic wave is sufficiently small with respect to a wavelength of 17 mm when the frequency is 20 kHz. .
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。
Furthermore, as a method of obtaining a continuous resonance frequency instead of a discrete resonance frequency, as shown in FIG. 4, the surface shape of the
Further, in order to obtain a continuous resonance frequency, as shown in FIG. 5, the surface shape of the
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。
Furthermore, as a method for obtaining a continuous resonance frequency, the planar shape of the resonance tube unit is rectangular, and the surface shape of the resonance tube unit 20C (20D) is changed from one end of the plate as shown in FIGS. To the other end, the resonance tube 201C (201D) can be realized by being inclined so that the length in the depth direction changes linearly.
However, when the resonance tube unit shown in FIGS. 4 to 7 is used, if attention is paid to only a certain moment, the tubes that resonate are limited, and it is difficult to cause an overall resonance phenomenon.
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。 According to the ultrasonic transducer of the first embodiment of the present invention, the upper electrode composed of the vibration film formed of an insulator and the conductive film formed on the vibration film, and the vibration film of the upper electrode It has a lower electrode with a plurality of irregularities formed on the opposing surface. The upper electrode and the lower electrode are brought into close contact with each other, and an ultrasonic signal is generated by applying an AC signal between the upper electrode and the lower electrode. The ultrasonic transducer is configured to be fixed on the surface of the upper electrode with a resonance tube unit in which a plurality of vent holes forming a double-ended opening tube that resonates at a desired frequency are provided on the plate material. Sometimes the sound pressure can be increased by the resonance phenomenon without changing the amplitude of the diaphragm, and the DC bias voltage and the AC signal voltage can be reduced.
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。
Next, an ultrasonic transducer according to the second embodiment of the present invention will be described. In the ultrasonic transducer according to the second embodiment, the resonance tube unit shown in any of FIGS. 2 to 7 is fixed to the upper electrode surface in the ultrasonic transducer shown in FIG. Thereby, the same effect as that obtained by the ultrasonic transducer according to the first embodiment can be obtained.
The configuration of the
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。
A constant DC bias voltage is always applied between the
The
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。
Further, an AC signal (frequency is an ultrasonic frequency band of 20 kHz or more) which is a signal voltage by the
The
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。
In the above configuration, when a DC bias voltage is applied between the
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。
At this time, pressure is applied to the air in the
By using the above-described resonance tube unit (any one of FIGS. 2 to 7) applied to the first embodiment for the
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。
Next, an ultrasonic transducer according to a third embodiment of the invention will be described. The ultrasonic transducer according to the third embodiment is such that the resonance tube unit shown in any of FIGS. 2 to 7 is fixed to the upper electrode surface in the ultrasonic transducer shown in FIG. Thereby, the same effect as that obtained by the ultrasonic transducer according to the first embodiment can be obtained.
The configuration of the
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。
In FIG. 9, an
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。
A plurality of
Of the
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。
A constant DC bias voltage is applied to the
Further, an AC signal (frequency is an ultrasonic frequency band of 20 kHz or higher) is applied between the two
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。
The
As the material of the cone, a material having a large difference in acoustic impedance from air, for example, a hard solid (metal, ceramic, plastic) or the like is desirable.
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。
In the above configuration, when a constant DC bias voltage is applied to the
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。
At this time, the
Similarly, when a negative AC voltage is applied to the
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。
At this time, the
Thus, when an AC signal is applied from the
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。
By using the above-described resonance tube unit (any one of FIGS. 2 to 7) applied to the first embodiment for the
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。 In addition, by applying the ultrasonic transducer according to the first to third embodiments to an ultrasonic speaker, the amplitude of the vibration film can be increased during vibration, and the DC bias voltage and the AC signal voltage can be reduced. A sound wave speaker can be realized.
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
DESCRIPTION OF
Claims (11)
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。 An upper electrode comprising a vibration film made of an insulator and a conductive film formed on the vibration film; and a lower electrode having a plurality of irregularities formed on a surface of the upper electrode facing the vibration film. An ultrasonic transducer that generates an ultrasonic wave by applying an alternating signal between the upper electrode and the lower electrode, and bringing the upper electrode and the lower electrode into close contact with each other,
An ultrasonic transducer characterized in that a resonance tube unit in which a plurality of vent holes for forming a double-ended opening tube that resonates at a desired frequency is provided on a plate material is fixed on the surface of the upper electrode.
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。 An upper electrode comprising a vibration film made of an insulator and a conductive film formed on the vibration film; and a lower electrode having a plurality of irregularities formed on a surface of the upper electrode facing the vibration film. The upper electrode and the lower electrode are provided with a vent hole communicating with the outside from the inside of a plurality of cavities formed between the upper electrode and the lower electrode by bringing the upper electrode and the lower electrode into close contact with each other. An ultrasonic transducer that generates an ultrasonic wave by applying an AC signal between
An ultrasonic transducer characterized in that a resonance tube unit in which a plurality of vent holes for forming a double-ended opening tube that resonates at a desired frequency is provided on a plate material is fixed on the surface of the upper electrode.
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。 A lower electrode having a plurality of irregularities formed on both sides;
On both surfaces of the lower electrode, there are two upper electrodes composed of a vibration film arranged oppositely and formed of an insulator and a conductive film formed on the vibration film,
A plurality of cavities are formed at the upper and lower ends of the lower electrode by bringing the two upper electrodes and the lower electrode into close contact with each other, and a cavity formed at the upper end of the lower electrode among the plurality of cavities, An ultrasonic transducer in which air holes communicating with the cavity formed at the lower end of the lower electrode immediately below are formed,
An ultrasonic transducer characterized in that a resonance tube unit in which a plurality of ventilation holes for forming a double-end opening tube that resonates at a desired frequency is provided on a plate material is fixed on the surface of the two upper electrodes.
An ultrasonic speaker comprising the ultrasonic transducer according to claim 1.
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