JP2007104521A - 静電型超音波トランスデューサ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】より量産性が良く、製作工程において取り扱いが容易な静電型超音波トランス
デューサを提供する。
【解決手段】複数の貫通穴が形成された第１の固定電極１０Ａと、前記第１の固定電
極と対をなす複数の貫通穴が形成された第２の固定電極１０Ｂと、前記一対の固定電極に
挟持され導電層１２１を有し、該導電層に直流バイアス電圧が印加される振動膜１２と、
前記一対の固定電極と前記振動膜を保持する保持部材とを有し、前記一対の固定電極間に
は交流信号が印加される静電型超音波トランスデューサであって、前記振動膜において前
記第１、第２の固定電極に設けられた貫通穴１４及びその外周部に対向する部分が凹部と
なるように前記振動膜の両面に段部を形成した。
【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６に示す。従来の超音波トランスデ
ューサは、振動素子として圧電セラミックを用いた共振型がほとんどである。図９に示す
超音波トランスデューサは、振動素子として圧電セラミックを用いて電気信号から超音波
への変換と、超音波から電気信号への変換（超音波の送信と受信）の両方を行う。図９に
示すバイモフル型の超音波トランスデューサは、２枚の圧電セラミック６１および６２と
、コーン６３と、ケース６４と、リード６５および６６と、スクリーン６７とから構成さ
れている。

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９に示す共振型の超音波トランスデューサと異なり、従来より静電方式の超
音波トランスデューサは高周波数帯域にわたって高い音圧を発生可能な広帯域発振型超音
波トランスデューサとして知られている。この静電型の超音波トランスデューサは、振動
膜が固定電極側に引き付けられる方向のみ働くことからＰｕｌｌ型と呼ばれている。
図１０に広帯域発振型超音波トランスデューサ（Ｐｕｌｌ型）の具体的構成を示す。

図１０に示す静電型の超音波トランスデューサは、振動体として３〜１０μm程度の厚
さのＰＥＴ（ポリ・エチレン・テレフタレート樹脂）等の誘電体１３１（絶縁体）を用い
ている。誘電体１３１に対しては、アルミ等の金属箔として形成される上電極１３２がそ
の上面部に蒸着等の処理によって一体形成されるとともに、真鍮で形成された下電極１３
３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１３２には
５０〜１５０Ｖ程度の上電極吸着用の直流バイアス電圧が常時、印加され上電極１３２が
下電極１３３側に吸着されるようになっている。１５１は信号源である。

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、１
３７、および１３８、ならびにメッシュ１３９とともに、ケース１３０によってかしめら
れている。
下電極１３３の誘電体１３１側の面には不均一な形状を有する数十〜数百μｍ程度の微
小な溝が複数形成されている。この微小な溝は、下電極１３３と誘電体１３１との間の空
隙となるので、上電極１３２および下電極１３３間の静電容量の分布が微小に変化する。

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７に示す超音波トランスデ
ューサの周波数特性が図１１において曲線Ｑ１に示すように広帯域となっている。

上記構成の超音波トランスデューサでは、上電極１３２に直流バイアス電圧が印加され
た状態で上電極１２と下電極１３３との間に矩形波信号（５０〜１５０Ｖp-p）が印加さ
れるようになっている。因みに、図１１に曲線Ｑ２で示すように共振型の超音波トランス
デューサの周波数特性は、中心周波数（圧電セラミックの共振周波数）が例えば、４０kH
z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、４
０kHz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９に示す共振型の超音波トランスデューサと違い、図１０に示す静
電方式の超音波トランスデューサは従来から広周波数帯に渡って比較的高い音圧を発生さ
せることが可能な広帯域超音波トランスデューサ（Ｐｕｌｌ型）として知られている。
しかしながら、音圧の最大値は図１１に示すように、共振型の超音波トランスデューサ
が１３０ｄＢ以上であるのに比べ、静電型の超音波トランスデューサでは１２０ｄＢ以下
と音圧が低く、超音波スピーカとして利用するには若干音圧が不足していた。

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が顕著に表れ、密な部分は音速が速く、疎な部分
は音速が遅くなるので変調波自身に歪が生じ、その結果キャリア波（超音波）と可聴波（
元オーディオ信号）に波形分離され、我々人間は２０kHz以下の可聴音（元オーディオ信
号）のみを聴くことができるという原理であり、一般にはパラメトリックアレイ効果と呼
ばれている。

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共振型の超音波スピーカでは到底この２０kHzという広帯域を忠
実に再生（復調）することは困難であることは容易に理解できるであろう。

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。

これに対し図１０に示した静電型の超音波トランスデューサ（Ｐｕｌｌ型）を用いた超
音波スピーカは、上記従来技術の抱える課題をほぼ解決できるが、帯域を広くカバーでき
る反面、復調音が十分な音量であるためには絶対的な音圧が不足しているという問題を抱
えていた。
また、Ｐｕｌｌ型の超音波トランスデューサは、静電力は固定電極側へのみ引き付ける
方向にしか働かず振動膜（図１０における上電極１３２に相当する。）の振動の対称性が
保たれないため、超音波スピーカに用いる場合、振動膜の振動が直接、可聴音を発生させ
るという問題が有った。

これに対して、我々は、広周波数帯域にわたってパラメトリックアレイ効果を得るのに
十分に高い音圧レベルの音響信号を発生することができる静電型超音波トランスデューサ
を既に提案している。この静電型超音波トランスデューサの構成を図１に示す。この超音
波トランスデューサの構成及び動作の詳細は図１を参照して後述するが、その概略につい
て説明する。図１において、静電型超音波トランスデューサ１は、導電層１２１を有する
振動膜１２を対向する位置に貫通穴１４が形成された母材を導電材料とする一対の固定電
極１０Ａ，１０Ｂにより挟持し、振動膜１２に直流電源１６により直流バイアス電圧が印
加された状態で一対の固定電極に信号源１８により交流信号１８Ａ，１８Ｂを印加するよ
うに構成したものである。なお、１２０は振動膜１２を形成する絶縁フィルムであり、ま
た１７は一対の固定電極１０Ａ，１０Ｂの一部を成し、振動膜１２を挟持する機能と、振
動膜１２との間で静電力が作用する部分である対向電極部２０を形成する機能とを有する
対向電極形成体である。

この静電型超音波トランスデューサは、Ｐｕｓｈ−Ｐｕｌｌ型の静電型超音波トランス
デューサと呼ばれており、一対の固定電極により挟持された振動膜が交流信号の極性に応
じた方向において静電吸引力と静電斥力を同方向にかつ同時に受けるために、振動膜の振
動をパラメトリックアレイ効果を得るのに十分に大きくすることができるだけでなく、振
動の対称性が確保されるため、従来のＰｕｌｌ型超音波トランスデューサに比して高い音
圧を広周波数帯域にわたって発生させることができる。

ところで、このようなＰｕｓｈ−Ｐｕｌｌ型の静電型超音波トランスデューサでは、固
定電極側に対して対向電極形成体を設けていた。その固定電極の製造工程を図７にて説明
する。
固定電極の製作工程は、貫通穴の形成とスクリーン印刷による対向電極形成体の形成の
２工程に区分される。

まず、図７（ａ）〜（ｃ）で示すように、貫通穴の形成は導電体（銅またはステンレス
）３００へのエッチングで行っている。すなわち、導電体３００の表面に複数の貫通穴の
パターンを形成させるためのマスク部材３０２を被せてエッチングにより貫通穴３０４を
形成した導電体３００をい得る。但し、固定電極には所望の剛性が必要とされるため、導
電体３００は過度な厚みを持った構成としなくてはならない。

所望の径、例えば０．７５ｍｍの貫通穴を設けた厚み１．５ｍｍの固定電極を製作した
い場合、穴径に対する厚みの比が２となり、エッチング工程のみで製作することは困難と
なる。そこで穴径よりも薄い、例えば厚み０．２５ｍｍの金属板にエッチングで０．７５
ｍｍの貫通穴を空けたものを複数枚製作しておき、これらを６枚数重ねて熱圧着または拡
散接合して、厚み１．５ｍｍの固定電極を製作している。

以上の工程で製作した貫通穴の空いた導電体３００の上に、対向電極形成体を形成する
ためのスクリーン版３０６および液状の対向電極形成材３０８をセットし、スキージ３１
０を移動させて対向電極形成材３０８をマスク部材３０６のかかっていない部分に塗り込
む（図７（ｄ））。ここで、有効と考えられる対向電極形成材は、永久的に対向電極形成
体として構成でき、かつ非導電性のもので、例えば、回路基板で一般的に使用されるパッ
ケージ用の液状ソルダーレジストやサンドブラスト用レジストとして使用されるマスキン
グインクなどである。特にフレキシブルプリント基板用のソルダーレジストは比較的柔ら
かい（鉛筆の硬さでＨＢ〜３Ｈ程度）ため、振動膜をしっかりと挟持するには有効である
。

対向電極形成材３０８の塗布完了後に対向電極形成用のスクリーン版３０６を外すと、
対向電極部を除く他の部分に非導電性の層である対向電極形成体３１２が残り、これを乾
燥させると固定電極が完成する（図７（ｅ））。
このようにして作製された固定電極２枚における対向電極形成体を形成した面が対向す
るように配して、振動膜を挟持することにより、超音波トランスデューサが構成される。

以上の製造工程での問題点を以下に示す。
固定電極のエッジ部にも対向電極形成体を形成するためにレジスト印刷を施しているが
、レジスト厚みを増やすとエッジ部にレジスト材が溜まり易くなり、帯状に凸部ができる
。この状態で振動膜を挟持すると、凸部で過剰な押し付けカが作用し、膜変形（皺）や破
損の不具合が発生していた。
また、固定電極の厚みにパラツキがあるとレジスト厚みに不具合が生じる事があり、安
定的に精度の良い印刷を行うには、その都度、技術の構築を必要とした。
さらに、金属材料から成る固定電極の反りや僅かなバリが、印刷用版の破損の原因とな
り易いため、搬送、前処理、機械へのセッティング、梱包等、全ての工程において慎重な
作業が必須であるという問題が有った。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、より量産性が良く、かつ製造
工程において取り扱いが容易な静電型超音波トランスデューサ及びその製造方法を提供す
ることを目的とする。

上記目的を達成するために本発明の静電型超音波トランスデューサは、複数の貫通穴が
形成された第１の固定電極と、前記第１の固定電極と対をなす複数の貫通穴が形成された
第２の固定電極と、前記一対の固定電極に挟持され導電層を有し、該導電層に直流バイア
ス電圧が印加される振動膜と、前記一対の固定電極と前記振動膜を保持する保持部材とを
有し、前記一対の固定電極間には交流信号が印加される静電型超音波トランスデューサで
あって、前記振動膜において前記第１、第２の固定電極に設けられた貫通穴及びその外周
部に対向する部分が凹部となるように前記振動膜の両面に段部を形成したことを特徴とす
る。

上記構成からなる本発明の静電型超音波トランスデューサ（Ｐｕｓｈ−Ｐｕｌｌ型）で
は、第１の固定電極と、第２の固定電極の対向する位置に複数の貫通穴が形成され、振動
膜の導電層に直流バイアス電圧が印加された状態で、第１、第２の固定電極からなる一対
の固定電極に駆動信号である交流信号が印加されるために、一対の固定電極に挟持された
振動膜は、交流信号の極性に応じた方向において、静電吸引力と静電斥力が同方向に同時
に受ける。したがって、振動膜の振動を、パラメトリック効果を得るのに十分大きくする
ことができるだけでなく、振動の対称性が確保されるため、高い音圧を広周波数帯域にわ
たって発生させることができる。

さらに、前記振動膜において前記第１、第２の固定電極に設けられた貫通穴及びその外
周部に対向する部分が凹部となるように前記振動膜の両面に段部を形成したので、振動膜
に皺、または破損が生じにくい。すなわち、振動膜側に対向電極形成体が設けられている
ため、対向電極形成体の厚みバラツキによる影響が非常に少ない。
対向電極形成体を形成する際に、スクリーン印刷法で印刷する被印刷体がフィルムであ
るため、スクリーン印刷版のメンテナンスの負荷も少なく、寿命も長くできる。また、対
向電極形成材として使用するフレキシブル基根用のレジスト材と密着性も良く、印刷後の
取り扱いが容易（巻き取り保管が可能）である。
また、従来の固定電極（金属板）への印刷に比べ、一度に広い範囲の印刷が可能なため
、作業効率が良い。また、必要量を切り出して振動膜として使用できるため歩留まりも向
上する（量産性の向上）。

また、本発明の静電型超音波トランスデューサは、固定電極と、導電層を有し前記固定
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
記振動膜の導電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静電型超音
波トランスデューサであって、前記振動膜における前記固定電極と接触する側の一方の表
面に所定間隔で凹部を形成するように段部を設けたことを特徴とする。

上記構成からなる本発明の静電型超音波トランスデューサ（Ｐｕｌｌ型）では、前記振
動膜における前記固定電極と接触する側の一方の表面に所定間隔で凹部を形成するように
段部を設けたので、上記Ｐｕｓｈ−Ｐｕｌｌ型の静電型超音波トランスデューサと同様に
、振動膜に皺、または破損が生じにくい。すなわち、振動膜側に対向電極形成体が設けら
れているため、対向電極形成体の厚みバラツキによる影響が非常に少ない。

また、対向電極形成体を形成する際に、スクリーン印刷法で印刷する被印刷体がフィル
ムであるため、スクリーン印刷版のメンテナンスの負荷も少なく、寿命も長くできる。ま
た、対向電極形成材として使用するフレキシブル基板用のレジスト材と密着性も良く、印
刷後の取り扱いが容易（巻き取り保管が可能）である。
さらに、従来の固定電極（金属板）への印刷に比べ、一度に広い範囲の印刷が可能なた
め、作業効率が良い。また、必要量を切り出して振動膜として使用できるため歩留まりも
向上する（量産性の向上）。

また、本発明の静電型超音波トランスデューサの製造方法は、複数の貫通穴が形成され
た第１の固定電極と、前記第１の固定電極と対をなす複数の貫通穴が形成された第２の固
定電極と、前記一対の固定電極に挟持され導電層を有し、該導電層に直流バイアス電圧が
印加される振動膜と、前記一対の固定電極と前記振動膜を保持する保持部材とを有し、前
記一対の固定電極間には交流信号が印加される静電型超音波トランスデューサの製造方法
であって、前記振動膜は、膜中央部に前記導電層を有し、前記振動膜の一方の面において
、前記固定電極に形成された貫通穴及び該貫通穴近傍の領域に対向する領域をマスクする
マスク部材を前記振動膜の一方の面の表面上に載置し、かつ該振動膜の一方の面の表面上
に前記固定電極と組立てた状態で該振動膜と対向する前記固定電極の導電体部分を露出さ
せるように絶縁性の対向電極形成体を形成するための対向電極形成材をセットし、スキー
ジを移動させて前記対向電極形成材を前記振動膜の一方の表面に載置されたマスク部材に
よりマスクされていない部分に塗布する第１の工程と、前記第１の工程において、前記対
向電極形成材の塗布完了後に前記マスク部材を外し、かつ前記振動膜の一方の面の表面に
形成された対向電極形成体を乾燥させる第２の工程と、前記振動膜の他方の面において、
前記固定電極に形成された貫通穴及び該貫通穴近傍の領域に対向する領域をマスクするマ
スク部材を前記振動膜の他方の面の表面上に載置し、かつ該振動膜の他方の面の表面上に
前記固定電極と組立てた状態で該振動膜と対向する前記固定電極の導電体部分を露出させ
るように絶縁性の対向電極形成体を形成するための対向電極形成材をセットし、スキージ
を移動させて前記対向電極形成材を前記振動膜の他方の表面に載置されたマスク部材によ
りマスクされていない部分に塗布する第３の工程と、前記第３の工程において、前記対向
電極形成材の塗布完了後に前記マスク部材を外し、かつ前記振動膜の他方の面の表面に形
成された対向電極形成体を乾燥させる第４の工程とにより作製されることを特徴とする。

上記構成からなる本発明の静電型超音波トランスデューサの製造方法では、前記振動膜
は、膜中央部に前記導電層を有し、前記振動膜の一方の面において、前記固定電極に形成
された貫通穴及び該貫通穴近傍の領域に対向する領域をマスクするマスク部材を前記振動
膜の一方の面の表面上に載置し、かつ該振動膜の一方の面の表面上に前記固定電極と組立
てた状態で該振動膜と対向する前記固定電極の導電体部分を露出させるように絶縁性の対
向電極形成体を形成するための対向電極形成材をセットし、スキージを移動させて前記対
向電極形成材を前記振動膜の一方の表面に載置されたマスク部材によりマスクされていな
い部分に塗布する第１の工程と、前記第１の工程において、前記対向電極形成材の塗布完
了後に前記マスク部材を外し、かつ前記振動膜の一方の面の表面に形成された対向電極形
成体を乾燥させる第２の工程と、前記振動膜の他方の面において、前記固定電極に形成さ
れた貫通穴及び該貫通穴近傍の領域に対向する領域をマスクするマスク部材を前記振動膜
の他方の面の表面上に載置し、かつ該振動膜の他方の面の表面上に前記固定電極と組立て
た状態で該振動膜と対向する前記固定電極の導電体部分を露出させるように絶縁性の対向
電極形成体を形成するための対向電極形成材をセットし、スキージを移動させて前記対向
電極形成材を前記振動膜の他方の表面に載置されたマスク部材によりマスクされていない
部分に塗布する第３の工程と、前記第３の工程において、前記対向電極形成材の塗布完了
後に前記マスク部材を外し、かつ前記振動膜の他方の面の表面に形成された対向電極形成
体を乾燥させる第４の工程とにより作製される。

上記構成からなる本発明の静電型超音波トランスデューサの製造方法によれば、振動膜
の振動を、パラメトリック効果を得るのに十分大きくすることができるだけでなく、振動
の対称性が確保されるため、高い音圧を広周波数帯域にわたって発生させることができる
静電型超音波トランスデューサが得られる。
また、上記構成からなる静電型超音波トランスデューサの製造方法によれば、振動膜に
皺または破損が生じにくく、かつ対向電極形成体を形成後に取り扱いが容易であるととも
に、量産性が高い静電型超音波トランスデューサが得られる。

また、本発明の超音波スピーカは、上記静電型超音波トランスデューサと、可聴周波数
帯の信号波を生成する信号源と、超音波周波数帯のキャリア波を生成し、出力するキャリ
ア波供給手段と、前記キャリア波を前記信号源から出力される可聴周波数帯の信号波によ
り変調する変調手段とを有し、前記静電型超音波トランスデューサは、前記第１、第２の
固定電極と前記振動膜の導電層との間に印加される前記変調手段から出力される変調信号
により駆動されることを有することを特徴とする。

上記構成からなる超音波スピーカでは、上記構成からなる本発明の超音波スピーカでは
、信号源により可聴周波数帯の信号波が生成され、キャリア波供給手段により超音波周波
数帯のキャリア波が生成され、出力される。さらに、変調手段によりキャリア波が前記信
号源から出力される可聴周波数帯の信号波により変調され、この変調手段から出力される
変調信号が前記第１、第２固定電極と前記振動膜の電極層との間に印加され、駆動される
。

本発明の超音波スピーカでは、上記構成の静電型超音波トランスデューサを用いて構成
したので、広周波数帯域にわたってパラメトリックアレイ効果を得るのに十分高い音圧レ
ベルの音響信号を発生することができる超音波スピーカを実現できる。
さらに、上記構成の静電型超音波トランスデューサを用いて構成したので、すなわち、
上記静電型超音波トランスデューサの振動膜において前記第１、第２の固定電極に設けら
れた貫通穴及びその外周部に対向する部分が凹部となるように前記振動膜の両面に段部を
形成したので、振動膜に皺または破損が生じにくく、かつ対向電極形成体を形成後に取り
扱いが容易であるとともに、量産性が高い静電型超音波トランスデューサを有する超音波
スピーカを実現することができる。

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。本発明の実施形態に係る
静電型超音波トランスデューサの構成を図１に示す。図１（ａ）は静電型超音波トランス
デューサの構成を示し、同図（ｂ）は静電型超音波トランスデューサの一部を破断した平
面図を示している。
図１において、本発明の実施形態に係る静電型超音波トランスデューサ１は、一対の固
定電極１０Ａ、１０Ｂと、一対の固定電極に挟持され、導電層１２１を有する振動膜１２
と、一対の固定電極１０Ａ、１０Ｂと振動膜１２を保持する部材（図示せず）とを有して
いる。

ここで、振動膜１２の構造を図２（ａ）及び図２（ｂ）に示す。図２（ａ）は、振動膜
の側面断面図、 図２（ｂ）は、図２（ａ）の部分拡大平面図である。図２（ａ）におい
て、振動膜１２は、膜中央部に電極部と成る導電層（金属蒸着層）１２１を有し、その両
面を絶縁抵抗性に優れた絶縁フィルム（高分子膜）１２０で被覆したサンドイッチ構造を
成している。

また、一対の固定電極１０Ａ，１０Ｂは振動膜１２を介して対向する位置に規則性を持
った間隔で設けられた同数かつ複数の貫通穴１４を有している。
振動膜１２の両面に対し、所望の径の穴（凹部）が規則性を持った間隔で、かつ振動膜
１２の両面に配置された各穴（凹部）の中心位置が一致するように、振動膜１２の両面に
対向電極形成体１７が形成されている。この対向電極形成体１７は絶縁体（例えば、液状
ソルダーレジスト、感光性コーティング材、非導電性塗料、電着材料等のいずれか）で形
成されている。図２（ｂ）において、１２ａは、振動膜１２の上面側の表面を示している
。
このように対向電極形成体１７を両面に形成した振動膜１２は、図１に示したＰｕｓｈ
−Ｐｕｌｌ型の静電型超音波トランスデューサに使用される。

図３は本発明の実施形態に係る振動膜を用いたＰｕｓｈ−Ｐｕｌｌ型の静電型超音波ト
ランスデューサの構造を示し、図３（ａ）は部品状態に分解した図、図３（ｂ）は、組立
状態を示す図である。
図１に示した本発明の実施形態に係る静電型超音波トランスデューサは、図３（ａ）に
示すように、２枚の固定電極１０Ａ，１０Ｂと、振動膜１２の、３部品にて構成されてい
る。固定電極１０Ａ，１０Ｂは、導電体である銅またはステンレスに対し、エッチング処
理を施して貫通穴１４を形成したものであり、この貫通穴１４は振動膜１２の両面に対向
電極形成体１７で形成された穴（凹部）と同じ間隔で配置されている。

ここで固定電極１０Ａ，１０Ｂの製造方法について簡単に説明する。所望の径、例えば
０．７５ｍｍの貫通穴を設けた厚み１．５ｍｍの固定電極を製作したい場合、穴径に対す
る厚みの比が２となり、エッチング工程のみで作製することは困難である。そこで穴径よ
りも薄い、例えば厚み０．２５ｍｍの金属板にエッチングで０．７５ｍｍの貫通穴を空け
たものを複数枚、製作しておき、これらを６枚重ねて熱圧着または拡散接合して、厚み１
．５ｍｍの固定電極を作製する。

以上の部品を図３（ｂ）の組立状態図で示すように、固定電極１０Ａ，１０Ｂの貫通穴
１４の中心と、振動膜１２において隣接する対向電極形成体１７により形成された凹部の
中心がそれぞれ、一致する状態で振動膜１２を２枚の固定電極１０Ａ，１０Ｂで扶持して
、Ｐｕｓｈ−Ｐｕｌｌ型の静電型超音波トランスデューサを構成すると、導電体１０に設
けた貫通穴１４の外周に対向電極部が形成される。この対向電極部と振動膜１２における
導電層１２１との間に作用する静電力で振動膜１２が振動し、音波が発生するようになっ
ている。
なお、振動膜１２の挟持方法としては、従来通りの機械的な締め付け力による方法でも
良いが、固定電極側に接着剤を薄く（１μｍ程度）塗布して、振動膜１２の両面に形成さ
れた対向電極形成体１７と固定電極１０Ａ，１０Ｂを接着固定すれば良い確実な挟持力が
得られる。

図１に戻り、振動膜１２における導電層１２１には、直流バイアス電源１６により単一
極性（正極性でも負極性のいずれでもよい。）の直流バイアス電圧が印加されるようにな
っており、さらに、この直流バイアス電圧に重畳して固定電極１０Ａと固定電極１０Ｂの
導電膜２０には、信号源１８から出力される相互に位相反転した交流信号１８Ａ，１８Ｂ
が導電層１２１との間に印加されるようになっている。

振動膜１２の絶縁フィルム（絶縁体）１２０は、絶縁抵抗性に優れた高分子材料（ポリ
・エチレン・テレフタレート（ＰＥＴ）、ポリ・エステル、ポリ・エチレン・ナフタレー
ト（ＰＥＮ）、アラミド、ポリ・フェニレン・サルファイド（ＰＰＳ））等で形成されて
いる。

また、対向電極形成体１７は、一対の固定電極１０Ａ，１０Ｂの一部を成し、振動膜１
２を挟持する機能と、固定電極１０Ａ，１０Ｂと振動膜１２とを組み立てた際に、振動膜
１３との間で静電力が作用する部分である対向電極部（導電体１０表面が露出した部分）
２０（図３（ｂ）参照）を形成する機能とを有しており、固定電極１０Ａまたは１０Ｂの
貫通穴１４と振動膜１２側に形成された対向電極形成体１７とで、段付き穴が形成されて
いる。
固定電極１０Ａの対向電極部２０と導電層１２１、固定電極１０Ｂの対向電極部２０と
電極層１２１は、それぞれコンデンサが形成されている。

上記構成において、静電型超音波トランスデューサ１は、振動膜１２の導電層１２１に
、直流バイアス電源１６により単一極性の（本実施形態では正極性の）直流バイアス電圧
に信号源１８から出力される相互に位相反転した交流信号１８Ａ，１８Ｂが重畳された状
態で印加される。
一方、一対の固定電極１０Ａ、１０Ｂには、信号源１８より相互に位相反転した交流信
号１８Ａ，１８Ｂが印加される。

この結果、信号源１８から出力される交流信号１８Ａの正の半サイクルでは、固定電極
１０Ａに正の電圧が印加されるために、振動膜１２の固定電極で挟持されていない表面部
分には、静電反発力が作用し、該表面部分は、図１上、下方に引っ張られる。
また、このとき、交流信号１８Ｂが負のサイクルとなり、対向する固定電極１０Ｂには
負の電圧が印加されるために、振動膜１２の裏面部分には、静電吸引力が作用し、該裏面
部分は、図１上、さらに下方に引っ張られる。

したがって、振動膜１２の一対の固定電極１０Ａ、１０Ｂにより挟持されていない膜部
分は、同時にかつ同方向に静電反発力と静電斥力を受ける。これは、信号源１８から出力
される交流信号の負の半サイクルについても同様に、振動膜１２の表面部分には図１上、
上方に静電吸引力が、また裏面部分には、図１上、上方に静電反発力が作用し、一対の固
定電極１０Ａ、１０Ｂにより挟持されていない振動膜１２における膜部分は、同時にかつ
同方向に静電反発力と静電吸引力を受ける。このようにして、交流信号の極性の変化に応
じて振動膜１２が同時にかつ同方向に静電反発力と静電吸引力を受けながら、交互に静電
力が働く方向が変化するので、大きな膜振動、すなわち、パラメトリックアレイ効果を得
るのに十分な音圧レベルの音響信号を発生することができる。

本発明の実施形態に係る静電型超音波トランスデューサによれば、振動膜において前記
第１、第２の固定電極に設けられた貫通穴及びその外周部に対向する部分が凹部となるよ
うに前記振動膜の両面に段部を形成したので、振動膜に皺、または破損が生じにくい。す
なわち、振動膜側に対向電極形成体が設けられているため、対向電極形成体の厚みバラツ
キによる影響が非常に少ない。

振動膜に対向電極形成体を形成する際に、スクリーン印刷法で印刷する被印刷体がフィ
ルムであるため、スクリーン印刷版のメンテナンスの負荷も少なく、寿命も長くできる。
また、対向電極形成材として使用するフレキシブル基根用のレジスト材と密着性も良く、
印刷後の取り扱いが容易（巻き取り保管が可能）である。
さらに、従来の固定電極（金属板）への印刷に比べ、一度に広い範囲の印刷が可能なた
め、作業効率が良い。また、必要量を切り出して振動膜として使用できるため歩留まりも
向上する（量産性の向上）。

本発明の実施形態に係る超音波トランスデューサ１は、振動膜１２が一対の固定電極１
０Ａ，１０Ｂから力を受けて振動することからプッシュプル（Ｐｕｓｈ―Ｐｕｌｌ）型と
呼ばれている。
本発明の実施形態に係る超音波トランスデューサ１は、従来の、振動膜に静電吸引力のみ
しか作用しない静電型の超音波トランスデューサ（Ｐｕｌｌ型）に比して、広帯域性と高
音圧を同時に満たす能力を持っている。

本発明の実施形態に係る超音波トランスデューサの周波数特性を図１１に示す。同図に
おいて、曲線Ｑ３が本実施形態に係る静電型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１２
０ｄＢ以上の音圧レベルが得られることが分かる。

次に、本発明が適用される静電型超音波トランスデューサにおける振動膜の他の構成例
を図４に示す。図４（ａ）は、振動膜の側面断面図、図４（ｂ）は、図４（ａ）の部分拡
大平面図である。同図において、振動膜１２Ａは、絶縁抵抗性に優れた絶縁フィルム（例
えば、高分子膜）１２０の片面に導電層（金属蒸着層）１２１を有する、一般的に良く知
られている蒸着フィルムである。この蒸着フィルムの絶縁フィルム側の片面に対し、所望
の径の凹部（穴）１２ｂが規則性を持った間隔で形成されるように対向電極形成体１７が
形成されている。
このように対向電極形成体１７を片面に形成した振動膜１２Ａは、Ｐｕｌｌ型の静電型
超音波トランスデューサに使用する。

図５は図４に示した振動膜を用いたの構造を示し、図５（ａ）は部品状態に分解した図
、図５（ｂ）は、組立状態を示す図である。
図５（ａ）に示すように、Ｐｕｌｌ型の静電型超音波トランスデューサは、固定電極３
０と本発明が適用される振動膜１２Ａの２部品にて構成される。固定電極３０は、導電体
である銅、ステンレス、アルミニウム等の金属から成り、Ｐｕｓｈ−Ｐｕｌｌ型の静電型
超音波トランスデューサで必要とされる貫通穴は不要である。

この２部品を図５（ｂ）に示す状態で組み合わせると、振動膜１２Ａに形成された隣接
する対向電極形成体１７で形成された凹部（穴）内の固定電極側の表面領域が対向電極部
となり、この対向電極部と振動膜１２Ａにおける導電層１２１との間に作用する静電力で
振動膜１２Ａが振動し、音波が発生する。Ｐｕｌｌ型の静電型超音波トランスデューサの
動作についての詳細は、既に図１０を参照して説明したので、省略する。

図５では絶縁フィルムの片面にのみ対向電極形成体を形成した振動膜を用いた場合を示
したが、図２に示した絶縁フィルムの両面に対向電極形成体を形成した振動膜を用いるこ
とも可能である。その場合、従来は振動膜の電極部が剥き出しとなるために非常に危険で
あった構成が、絶縁層で被覆されるため、安全性の高い構成とする事ができる。
なお、固定電極への振動膜の固定方法としては、固定電極側に接着剤を薄く（１μｍ程
度）塗布して、対向電極形成体と固定電極を接着固定する方法、あるいは対向電極形成体
を接着剤の転写体として、必要最小限の範囲で固定電極と接着固定する方法でも良い。

次に、本発明の実施形態に係る静電型超音波トランスデューサにおける振動膜の製造工
程について図６を参照して説明する。図６は、スクリーン印刷法を用いて振動膜へ対向電
極形成体を形成する工程について示している。本実施形態では、図６（ａ）に示すように
、振動膜２００の膜中央部に電極部となる導電層（金属蒸着層）２０１を有し、その両面
を絶縁抵抗性に優れた絶縁フィルム（例えば、高分子膜）２０２で被覆したようなサンド
イッチ構造を成した振動膜２００を例に説明する。

まず、振動膜２００の一方の面において、固定電極に形成された貫通穴及び該貫通穴近
傍の領域に対向する領域をマスクするマスク部材として機能するスクリーン版２０４、お
よび振動膜２００の一方の面の表面上に前記固定電極と組立てた状態で該振動膜と対向す
る前記固定電極の導電体部分を露出させるように絶縁性の対向電極形成体を形成するため
の液状の対向電極形成材２０６をセットし、スキージ２０８を移動させて対向電極形成材
２０６をマスクのかかっていない部分に塗布する（第１工程：図６（ｂ））。

ここで、有効と考えられる対向電極形成材２０６は、永久的に対向電極形成体として構
成でき、かつ非導電性のもので、例えば回路基板で一般的に使用されるパッケージ用の液
状ソルダーレジストやサンドブラスト用レジストとして使用されるマスキングインクなど
である。特にフレキシブルプリント基板用のソルダーレジストは比較的柔らかい（鉛筆の
硬さでＨＢ〜３Ｈ程度）ため、取り扱いが容易で、対向電極形成体の割れや破損を回避す
る点では非常に有効である。

次いで、対向電極形成材２０６の塗布完了後にスクリーン版２０４を外し、かつ振動膜
２００の一方の面の表面に形成された対向電極形成体２０６を乾燥させる。すなわち、対
向電極形成材２０６の塗布完了後に対向電極形成用のスクリーン版２０４を外すと、対向
電極部を除く他の部分に非導電性の層、すなわち対向電極形成材２０６が残り、これを乾
燥させると片面に所望の対向電極形成体２１０が形成される（第２の工程：図６（ｃ））
。

次に、振動膜２００のもう一方の面に対し、図６（ｂ）に示したのと同様、スクリーン
版２０４および液状の対向電極形成材２０６をセットし、スキージを移動させて対向電極
形成材をマスクのかかっていない部分に塗布する（第３工程：図６（ｄ））。
対向電極形成材２０６の塗布完了後に対向電極形成用のスクリーン版２０４を外して乾
燥させると、両面に所望の対向電極形成体２１０が形成された振動膜２００が完成する（
第４工程：図６（ｅ））。
なお、振動膜２００の片面のみに対向電極形成体２１０を形成させたい場合には、図６
（ｃ）の第２工程までを行えば良く、片面蒸着への印刷もこれと同様の工程で行えば良い
。

以上のように、本発明の実施形態に係る静電型超音波トランスデューサの製造方法によ
れば、振動膜の振動を、パラメトリック効果を得るのに十分大きくすることができるだけ
でなく、振動の対称性が確保されるため、高い音圧を広周波数帯域にわたって発生させる
ことができる静電型超音波トランスデューサが得られる。

また、上記構成からなる静電型超音波トランスデューサの製造方法によれば、振動膜に
皺または破損が生じにくく、かつ対向電極形成体を形成後に取り扱いが容易であるととも
に、量産性が高い静電型超音波トランスデューサが得られる。

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８に示す。本実施形態に係る
超音波スピーカは、上述した本発明の実施形態に係る静電型超音波トランスデューサ（図
１）を超音波トランスデューサ５５として用いたものである。

図８において、本実施形態に係る超音波スピーカは、可聴波周波数帯の信号波を生成す
る可聴周波数波発振源（信号源）５１と、超音波周波数帯のキャリア波を生成し、出力す
るキャリア波発振源（キャリア波供給手段）５２と、変調器（変調手段）５３と、パワー
アンプ５４と、超音波トランスデューサ５５とを有している。
変調器５３は、キャリア波発振源５２から出力されるキャリア波を可聴周波数波発振源
５１から出力される可聴波周波数帯の信号波により変調し、パワーアンプ５４を介して超
音波トランスデューサ５５に供給する。

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
届く超音波スピーカを提供することができる。
逆にキャリア周波数が高いと減衰が激しいのでパラメトリックアレイ効果が十分に起き
ず、音が広がる超音波スピーカを提供することができる。これらは同じ超音波スピーカで
も用途に応じて使い分けることが可能なため大変有効な機能である。

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１００k
Hzまでの音を聴くことが可能であるため、それ以上のキャリア周波数をもちいれば、ペッ
トに及ぼす影響もなくなるという利点も有する。いずれにせよ色々な周波数で利用できる
ということは多くのメリットをもたらす。

本発明の実施形態に係る超音波スピーカによれば、広周波数帯域にわたってパラメトリ
ックアレイ効果を得るのに十分に高い音圧レベルの音響信号を発生することができる。
また、上記構成の静電型超音波トランスデューサを用いて超音波スピーカを構成したの
で、すなわち上記静電型超音波トランスデューサの振動膜において第１、第２の固定電極
に設けられた貫通穴及びその外周部に対向する部分が凹部となるように前記振動膜の両面
に段部を形成したので、振動膜に皺または破損が生じにくく、かつ対向電極形成体を形成
後に取り扱いが容易であるとともに、量産性が高い静電型超音波トランスデューサを有す
る超音波スピーカを実現することができる。

本発明の実施形態に係る静電型超音波トランスデューサは、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。

本発明の実施形態に係る静電型超音波トランスデューサの構成を示す図。 図１に示した静電型超音波トランスデューサにおける振動膜の構造を示す図。 本発明の実施形態に係る振動膜を用いたＰｕｓｈ−Ｐｕｌｌ型の静電型超音波トランスデューサの構造を示す図。 本発明が適用される振動膜の他の構成例示す図。 図４に示した振動膜を用いたＰｕｌｌ型の静電型超音波トランスデューサの構造を示す図。 本発明の実施形態に係る静電型超音波トランスデューサにおける振動膜の製造工程を示す図。 Ｐｕｓｈ−Ｐｕｌｌ型の静電型超音波トランスデューサにおける固定電極の製造工程を示す図。 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。 従来の共振型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静電型超音波トランスデューサの周波数特性を従来の超音波トランスデューサの周波数特性と共に示した図。

符号の説明

１…静電型超音波トランスデューサ、１０Ａ，１０Ｂ…固定電極、１２…振動膜、１４…
貫通穴、１６…直流バイアス電源、１７…対向電極形成体（段部）１８…信号源、５１…
可聴周波数波発振源、５２…キャリア波発振源、５３…変調器、５４…パワーアンプ、５
５…超音波トランスデューサ、１２０…絶縁フィルム、１２１…導電層。

Claims (4)

1. 複数の貫通穴が形成された第１の固定電極と、
   前記第１の固定電極と対をなす複数の貫通穴が形成された第２の固定電極と、
   前記一対の固定電極に挟持され導電層を有し、該導電層に直流バイアス電圧が印加される
   振動膜と、
   前記一対の固定電極と前記振動膜を保持する保持部材とを有し、
   前記一対の固定電極間には交流信号が印加される静電型超音波トランスデューサであって
   、
   前記振動膜において前記第１、第２の固定電極に設けられた貫通穴及びその外周部に対
   向する部分が凹部となるように前記振動膜の両面に段部を形成したことを特徴とする静電
   型超音波トランスデューサ。
2. 固定電極と、
   導電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、
   前記振動膜の導電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静電型超
   音波トランスデューサであって、
   前記振動膜における前記固定電極と接触する側の一方の表面に所定間隔で凹部を形成す
   るように段部を設けたことを特徴とする静電型超音波トランスデューサ。
3. 複数の貫通穴が形成された第１の固定電極と、
   前記第１の固定電極と対をなす複数の貫通穴が形成された第２の固定電極と、
   前記一対の固定電極に挟持され導電層を有し、該導電層に直流バイアス電圧が印加される
   振動膜と、
   前記一対の固定電極と前記振動膜を保持する保持部材とを有し、
   前記一対の固定電極間には交流信号が印加される静電型超音波トランスデューサの製造方
   法であって、
   前記振動膜は、膜中央部に前記導電層を有し、
   前記振動膜の一方の面において、前記固定電極に形成された貫通穴及び該貫通穴近傍の
   領域に対向する領域をマスクするマスク部材を前記振動膜の一方の面の表面上に載置し、
   かつ該振動膜の一方の面の表面上に前記固定電極と組立てた状態で該振動膜と対向する前
   記固定電極の導電体部分を露出させるように絶縁性の対向電極形成体を形成するための対
   向電極形成材をセットし、スキージを移動させて前記対向電極形成材を前記振動膜の一方
   の表面に載置されたマスク部材によりマスクされていない部分に塗布する第１の工程と、
   前記第１の工程において、前記対向電極形成材の塗布完了後に前記マスク部材を外し、
   かつ前記振動膜の一方の面の表面に形成された対向電極形成体を乾燥させる第２の工程と
   、
   前記振動膜の他方の面において、前記固定電極に形成された貫通穴及び該貫通穴近傍の
   領域に対向する領域をマスクするマスク部材を前記振動膜の他方の面の表面上に載置し、
   かつ該振動膜の他方の面の表面上に前記固定電極と組立てた状態で該振動膜と対向する前
   記固定電極の導電体部分を露出させるように絶縁性の対向電極形成体を形成するための対
   向電極形成材をセットし、スキージを移動させて前記対向電極形成材を前記振動膜の他方
   の表面に載置されたマスク部材によりマスクされていない部分に塗布する第３の工程と、
   前記第３の工程において、前記対向電極形成材の塗布完了後に前記マスク部材を外し、
   かつ前記振動膜の他方の面の表面に形成された対向電極形成体を乾燥させる第４の工程と
   、
   により作製されることを特徴とする静電型超音波トランスデューサの製造方法。
4. 請求項１に記載の静電型超音波トランスデューサと、
   可聴周波数帯の信号波を生成する信号源と、
   超音波周波数帯のキャリア波を生成し、出力するキャリア波供給手段と、
   前記キャリア波を前記信号源から出力される可聴周波数帯の信号波により変調する変調
   手段とを有し、
   前記静電型超音波トランスデューサは、前記第１、第２の固定電極と前記振動膜の導電
   層との間に印加される前記変調手段から出力される変調信号により駆動されることを有す
   ることを特徴とする超音波スピーカ。
   
   

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