JP2005341143A - 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 - Google Patents

Abstract

【課題】 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提供する。
【解決手段】 分割された積層部材から構成され表面に凹凸部を有する固定電極１０と、電極層を有し固定電極１０の表面に設置される振動膜１２と、固定電極１０と振動膜１２とを保持する固定部材を有している。固定電極１０は、同幅の第１の固定電極２と第２の固定電極３とを有し、且つ各々絶縁体４で狭持されている。振動膜１２の電極層には、直流バイアス電源１４により単一極性の直流バイアス電圧が印加され、振動膜１２の電極層と、第１の固定電極２または第２の固定電極３との間には、上記直流バイアス電圧に重畳して信号源１６から出力される交流信号が印加されるようになっている。
【選択図】 図１

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及びこれを用いた超音波スピーカに関する。

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７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７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７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。

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。

上述した図７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８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８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。

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。
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８に示す超音波トランスデューサの周波数特性が図９において曲線Ｑ１に示すように広帯域となっている。

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９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）。
特開２０００−５０３８７号公報 特開２０００−５０３９２号公報

上述したように、図７に示す共振型の超音波トランスデューサと違い、図８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として知られている。
しかしながら、音圧の最大値は図９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。

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。

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）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。

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。

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。

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。
これに対し静電型の超音波トランスデューサ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、絶対的な音圧が不足しているという問題を抱えていた。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、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及びこれを用いた超音波スピーカを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために請求項１に記載の発明は、分割された積層部材から構成され表面に凹凸部を有する固定電極と、電極層を有し前記固定電極の表面に設置される振動膜と、前記固定電極と振動膜とを保持する部材とを有し、前記振動膜の電極層と固定電極との間に交流信号を印加することにより駆動することを特徴とする。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の超音波トランスデューサにおいて、前記固定電極は、同幅の第１の固定電極と第２の固定電極とを有し、各々相互に逆位相の交流信号を印加され、且つ各々絶縁体で狭持されていることを特徴とする。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の超音波トランスデューサにおいて、前記固定電極は、各々異なる幅の第１の固定電極と第２の固定電極とを有し、各々相互に逆位相の電圧を印加され、且つ各々絶縁体で狭持されていることを特徴とする。

また、請求項４に記載の発明は、請求項2または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、前記固定電極の凹凸部は、同心円状に形成された複数の真円溝で構成されていることを特徴とする。

また、請求項５に記載の発明は、請求項２または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、前記固定電極の凹凸部は、同心円状に形成された複数の楕円溝で構成されていることを特徴とする。

また、請求項６に記載の発明は、請求項２または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、前記固定電極の凹凸部は、複数の直線溝で構成されていることを特徴とする。

また、請求項７に記載の発明は、請求項４乃至６のいずれかに記載の超音波トランスデューサにおいて、前記溝断面形状は矩形状、テーパー形状、下部略半円形状などのいずれかで構成されていることを特徴とする。

また、請求項８に記載の発明は、請求項２乃至７のいずれかに記載の超音波トランスデューサにおいて、前記振動膜は、絶縁性高分子フィルムの片面に電極層が形成された薄膜であることを特徴とする。

また、請求項９に記載の発明は、請求項２乃至７のいずれかに記載の超音波トランスデューサにおいて、前記振動膜は、電極層を絶縁性高分子フィルムで挟むように形成された薄膜であることを特徴とする。

また、請求項１０に記載の発明は、請求項２乃至７のいずれかに記載の超音波トランスデューサにおいて、前記振動膜は、絶縁性高分子フィルムの両面に電極層が形成された薄膜であることを特徴とする。

また、請求項１１に記載の発明は、請求項２乃至１０のいずれかに記載の超音波トランスデューサにおいて、前記振動膜電極に単一極性の直流バイアス電圧が印加されることを特徴とする。

また、請求項１２に記載の発明は、請求項２乃至１１のいずれかに記載の超音波トランスデューサにおいて、前記固定電極と振動膜を保持する部材は絶縁材料で形成されていることを特徴とする。

また、請求項１３に記載の発明は、請求項２乃至１２のいずれかに記載の超音波トランスデューサにおいて、前記振動膜は膜平面上における直角四方向に張力をかけて固定されていることを特徴とする。

また、請求項１４に記載の発明は、請求項２乃至１３のいずれかに記載の超音波トランスデューサにおいて、前記超音波トランスデューサは固有振動の共振点ではなく、駆動電圧で発生する静電力による強制振動を利用することを特徴とする。

また、請求項１５に記載の発明は、請求項１乃至１４のいずれかに記載の超音波トランスデューサと、可聴波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、前記超音波トランスデューサは、前記固定電極と前記振動膜の電極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。

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よれば、分割された積層部材から構成され表面に凹凸部を有する固定電極、電極層を有し前記固定電極の表面に設置される振動膜、及び前記固定電極と振動膜とを保持する部材を有し、前記固定電極と前記振動膜の電極層との間に交流信号を印加する際に前記分割された各固定電極に、相互に逆位相の交流信号を印加するようにしたので、振動膜の振動を大きくすることができ、その結果、空中へより大きな音圧レベルの超音波を発生することが可能となる。

また、本発明に係る超音波スピーカによれば、上記構成の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スピーカを実現できる。

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。同図において、第１実施形態に係る超音波トランスデューサ１は、分割された積層部材から構成され表面に凹凸部を有する固定電極１０と、電極層を有し固定電極１０の表面に設置される振動膜１２と、固定電極１０と振動膜１２とを保持する固定部材（図示せず）を有している。この固定部材は、絶縁材料で構成されている。
固定電極１０は、同幅の第１の固定電極２と第２の固定電極３と、且つ各々絶縁体４で狭持されている。

振動膜１２の電極層には、直流バイアス電源１４により単一極性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、振動膜１２の電極層と、第１の固定電極２または第２の固定電極３との間には、上記直流バイアス電圧に重畳して信号源１６から出力される振動膜１２を振動させるための交流信号が印加されるようになっている。
なお、隣接する第１の固定電極２と第２の固定電極３には、相互に逆位相の、すなわち極性の異なる交流信号が信号源１６により印加されるように構成されている。

図８に示した従来の静電型超音波トランスデューサでは、振動膜の固定方法は静電力による吸引力を利用しているため、振動膜の両端は固定端とみなすことができる。
一方、図１に示す本発明の第１実施形態に係る超音波トランスデューサの構成では振動膜１２の両端の固定方法は両端支持である。材料力学および振動力学においては、梁の最大撓みは両端支持の場合、両端固定端の場合に比べ５倍の撓みを持つことが一般的に知られている（材料力学Ｉ，ｐ87〜105，1985，渥美 光 他、森北出版）。

従って、本発明の第１実施形態に係る超音波トランスデューサにおける構成の方が従来の静電型超音波トランスデューサに比して振動膜の振幅を大きく取ることが可能となり、その結果より高い音圧の超音波を空中に発信できる。
なお、第１実施形態に係る超音波トランスデューサの構成の場合、図２に示すように、固定電極形状（固定電極の凹凸部の形状）は同心円状に形成された複数の真円溝で構成された円形溝構造（図２（ａ））、同心円状に形成された複数の楕円溝で構成された楕円溝構造（図２（ｂ））、複数の直線溝で構成された直線溝構造（図２（ｃ））などが可能である。生産技術上はスリット構造のほうが簡便で望ましい。図２（ａ）〜図２（ｃ）において、白色部分は固定電極の溝部であり、黒色部分は、凸部を形成する絶縁体である。

また、固定電極の溝底面の断面構造も図３に示すように矩形状（図３（ａ））、テーパー状（図３（ｂ））、曲線状（下部略半円形状）（図３（ｃ））などの形態が考えられる。
固定電極の材質は導電性であればよく、例えばアルミニウムやＳＵＳ、真鍮、鉄、ニッケル、チタン、導電性プラスチックなどが使用可能である。

次に振動膜１２について説明する。振動膜１２の機能は常に同極性の電荷を蓄積しておき（＋の極性または−の極性のいずれでもかまわない）、交流電圧で変化する固定電極２または３との間に働く静電力により振動することである。本発明の第１実施形態に係る超音波トランスデューサにおける振動膜１２の具体的構成例を、図４を参照して説明する。

図４（ａ）は振動膜１２が片面電極蒸着膜である場合の振動膜１２の断面図である。同図に示すように、絶縁フィルム１２０の表面に電極層１２１が蒸着により形成されている。絶縁フィルム１２０は高分子材料、例えばポリ・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）、ポリ・フェニレン・サルファイド（ＰＰＳ）などが伸縮性、電気耐圧的に好ましい。

電極層１２１を形成する電極蒸着材料はＡｌが最も一般的で、その他、Ｎｉ、Ｃｕ、ＳＵＳ、Ｔｉなどが上記高分子材料との相性、コストなどの面から望ましい。振動膜１２における絶縁フィルム１２０としての絶縁高分子膜の厚みは駆動周波数や固定電極穴サイズなどにより最適値が異なるため一意には決めかねるが、一般には１μm以上１００μm以下の範囲でおおよそ十分と思われる。望ましくは１μm〜５０μm、さらに望ましくは１μm〜２０μm程度が良い。

電極層１２１としての電極蒸着層の厚みも４０nm〜２００nmの範囲が望ましい。電極蒸着層の厚みは薄すぎると電荷がほとんど蓄積できず、また厚すぎると膜が硬くなって振幅が小さくなるという問題につながってしまう。
また、電極材料としては透明導電膜ＩＴＯ/Ｉｎ，Ｓｎ，Ｚｎ酸化物などでも良い。

図４（ｂ）は電極層１２１を高分子材料で形成された絶縁フィルム（絶縁性高分子フィルム）１２０で挟み込んだ構造の振動膜１２の断面構造を示している。このときの電極層１２１の厚みも図４（ａ）の場合と同様に４０nm〜２００nmの範囲が望ましい。

また、電極層１２１を挟む絶縁フィルム１２０の材質、厚さも図４（ａ）の片面電極蒸着膜と同様にポリ・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）、ポリ・フェニレン・サルファイド（ＰＰＳ）、１μm以上１００μm以下で良い。望ましくは１μm〜５０μm、さらに望ましくは１μm〜２０μm程度が良い。この場合も電極材料としては、Ａｌが最も一般的で、その他、Ｎｉ、Ｃｕ、ＳＵＳ、Ｔｉなどが上記高分子材料との相性、コストなどの面から望ましい。さらに、電極材料としては透明導電膜ＩＴＯ/Ｉｎ，Ｓｎ，Ｚｎ酸化物などでも良い。

図４（ｃ）は絶縁フィルム１２０の両面に電極蒸着処理を施し、電極層１２１を形成した振動膜１２の断面構造を示している。図１に示したように振動膜１２と固定電極１０の接点が絶縁体４であるためこのような振動膜を使用することにより直流バイアス電圧で電極層１２１に蓄積される電荷量を２倍とすることが可能となり、より大きな振動、または低電圧化に有効に作用することになる。このときの電極層１２１の厚みも図４（ａ），図４（ｂ）の場合と同様に４０nm〜２００nmの範囲が望ましい。

また、電極層１２１、１２１で挟む絶縁フィルム（絶縁性高分子フィルム）１２の材質、厚さも図４（ａ）の片面電極蒸着膜と同様にポリ・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）、ポリ・フェニレン・サルファイド（ＰＰＳ）１μm以上１００μm以下で良い。望ましくは１μm〜５０μm、さらに望ましくは１μm〜２０μm程度が良い。この場合も電極材料としては、Ａｌが最も一般的で、その他、Ｎｉ、Ｃｕ、ＳＵＳ、Ｔｉなどが上記高分子材料との相性、コストなどの面から望ましい。さらに、電極材料としては透明導電膜ＩＴＯ/Ｉｎ，Ｓｎ，Ｚｎ酸化物などでも良い。

また、振動膜１２あるいは固定電極１０には数百ボルトの直流バイアス電圧が必要となるが、膜ユニット作製時に振動膜１２の膜表面上における直角四方向に張力をかけて固定することにより、上記直流バイアス電圧は低減できる。これはあらかじめ膜に張力をかけておくことで、従来バイアス電圧が担っていた引っ張り張力がもたらす膜の復元力と同様の作用をもたらすためであり、低電圧化のためには非常に有効な手段である。

次に、上記固定電極あるいは振動膜の固定材料であるが、アクリル、ベークライト、ポリアセタール（ポリオキシメチレン）樹脂（ＰＯＭ）などのプラスチック系材料が、軽量、非導電性という観点から好ましい。

上記構成において、振動膜１２の電極層には、直流バイアス電源１４により単一極性の直流バイアス電圧が印加され、かつ振動膜１２の電極層と、第１の固定電極２または第２の固定電極３との間には、上記直流バイアス電圧に重畳して信号源１６から出力される交流信号が印加される。

ここで、隣接する第１の固定電極２と第２の固定電極３には、相互に逆位相の、すなわち極性の異なる交流信号が同一時間において信号源１６により印加されるので、第１の固定電極２と第２の固定電極３が逆位相で振動し、従来の静電型超音波トランスデューサのように分割されていない固定電極に交流信号を印加する場合に比して膜振動を大きくすることができる。

さらに、本実施形態に係る超音波トランスデューサでは、振動膜１２と固定電極１０とを既述したように両端支持構造としたので、従来の静電型超音波トランスデューサに比してより高い音圧の超音波を空中に発信することができる。発信される超音波は鋭い指向性を有するため、逆位相の音波であっても互いに相殺することなく、空中へ伝播する。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を図９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。

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の構成を図５に示す。本発明の第２実施形態に係る超音波トランスデューサが図１に示した第１実施形態に係る超音波トランスデューサと構成上、異なるのは、分割された固定電極の幅を、第１の固定電極２Ａと第２の固定電極３Ａとで、異ならしめたことであり、その他の構成は同一である。

すなわち、本実施形態に係る超音波トランスデューサは、固定電極１０Ａは、各々異なる幅の第１の固定電極２Ａと第２の固定電極３Ａとを有し、各々相互に逆位相の電圧を印加され、且つ各々絶縁体４Ａで狭持されていることを特徴としている。また、振動膜１２と、第１の固定電極２Ａ及び第２の固定電極３Ａとが、両端支持構造である点も第１実施形態と同様である。

第１の固定電極２Ａ、第２の固定電極３Ａ及び振動膜１２の構成例及び材料は第１実施形態の場合と同様である。また、絶縁体４Ａの材料についても第１実施形態の場合と同様であるので、重複する説明を省略する。
本実施形態においても、第１実施形態と同様の効果が得られる。なお、第２実施形態に係る超音波トランスデューサの場合に、超音波の放射に大きく寄与するのは、幅の広い第２の固定電極３Ａである。

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６に示す。本実施形態に係る超音波スピーカは、上述した第１実施形態に係る超音波トランスデューサ（図１）、または第２実施形態に係る超音波トランスデューサ（図５）のいずれかを超音波トランスデューサ５５として用いたものである。

図６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。

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。

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。

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スピーカを提供できる。
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、音が広がるスピーカが提供できる。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。

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用いれば、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。

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、第１、第２実施形態に係る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忠実度の高い信号音（可聴周波数帯域）を再生することができる。

本発明の実施形態に係る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。

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示す図。 本発明の第１実施形態に係る超音波トランスデューサにおける固定電極の形状の具体例を示す説明図。 本発明の第１実施形態に係る超音波トランスデューサにおける固定電極の溝底面構造の具体例を示す説明図。 本発明の第１実施形態に係る超音波トランスデューサにおける振動膜の構造の具体例を示す説明図。 本発明の第２実施形態に係る超音波トランスデューサの構成を示す図。 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。 従来の超音波トランスデューサの構成を示す図。 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。 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。

符号の説明

１…超音波トランスデューサ、２，２Ａ…第１の固定電極、３，３Ａ…第２の固定電極、４，４Ａ…絶縁体、１０，１０Ａ…固定電極、１２…振動膜、１４…直流バイアス電源、１６…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…電極層、

Claims (15)

1. 分割された積層部材から構成され表面に凹凸部を有する固定電極と、
   電極層を有し前記固定電極の表面に設置される振動膜と、
   前記固定電極と振動膜とを保持する部材とを有し、
   前記振動膜の電極層と固定電極との間に交流信号を印加することにより駆動することを特徴とする超音波トランスデューサ。
2. 前記固定電極は、同幅の第１の固定電極と第２の固定電極とを有し、各々相互に逆位相の変調信号電圧を印加され、且つ各々絶縁体で狭持されていることを特徴とする請求項１記載の超音波トランスデューサ。
3. 前記固定電極は、各々異なる幅の第１の固定電極と第２の固定電極とを有し、各々相互に逆位相の電圧を印加され、且つ各々絶縁体で狭持されていることを特徴とする請求項１記載の超音波トランスデューサ。
4. 前記固定電極の凹凸部は、同心円状に形成された複数の真円溝で構成されていることを特徴とする請求項2または３のいずれかに記載の超音波トランスデューサ。
5. 前記固定電極の凹凸部は、同心円状に形成された複数の楕円溝で構成されていることを特徴とする請求項２または３のいずれかに記載の超音波トランスデューサ。
6. 前記固定電極の凹凸部は、複数の直線溝で構成されていることを特徴とする請求項２または３のいずれかに記載の超音波トランスデューサ。
7. 前記溝断面形状は矩形状、テーパー形状、下部略半円形状などのいずれかで構成されていることを特徴とする請求項４乃至６のいずれかに記載の超音波トランスデューサ。
8. 前記振動膜は、絶縁性高分子フィルムの片面に電極層が形成された薄膜であることを特徴とする請求項２乃至７のいずれかに記載の超音波トランスデューサ。
9. 前記振動膜は、電極層を絶縁性高分子フィルムで挟むように形成された薄膜であることを特徴とする請求項２乃至７のいずれかに記載の超音波トランスデューサ。
10. 前記振動膜は、絶縁性高分子フィルムの両面に電極層が形成された薄膜であることを特徴とする請求項２乃至７のいずれかに記載の超音波トランスデューサ。
11. 前記振動膜電極に単一極性の直流バイアス電圧が印加されることを特徴とする請求項２乃至１０のいずれかに記載の超音波トランスデューサ。
12. 前記固定電極と振動膜を保持する部材は絶縁材料で形成されていることを特徴とする請求項２乃至１１のいずれかに記載の超音波トランスデューサ。
13. 前記振動膜は膜平面上における直角四方向に張力をかけて固定されていることを特徴とする請求項２乃至１２のいずれかに記載の超音波トランスデューサ。
14. 前記超音波トランスデューサは固有振動の共振点ではなく、駆動電圧で発生する静電力による強制振動を利用することを特徴とする請求項２乃至１３のいずれかに記載の超音波トランスデューサ。
15. 請求項１乃至１４のいずれかに記載の超音波トランスデューサと、
    可聴波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、
    前記超音波トランスデューサは、前記固定電極と前記振動膜の電極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。
    
    

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