JP2007228472A - Electrostatic ultrasonic transducer, configuration method of electrostatic ultrasonic transducer, and ultrasonic speaker - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、従来の静電型超音波トランスデューサに比べて出力音圧を増加させることができる、静電型超音波トランスデューサ、静電型超音波トランスデューサの構成方法、および超音波スピーカに関するものである。 The present invention relates to an electrostatic ultrasonic transducer, a method for constructing an electrostatic ultrasonic transducer, and an ultrasonic speaker capable of increasing an output sound pressure as compared with a conventional electrostatic ultrasonic transducer. .
超音波トランスデューサは、超音波周波数帯域の搬送波を可聴帯域の音響信号によって変調した変調波を出力することで、鋭い指向性を有する音を再生することができるというものである。 The ultrasonic transducer can reproduce a sound having a sharp directivity by outputting a modulated wave obtained by modulating a carrier wave in an ultrasonic frequency band with an acoustic signal in an audible band.
図7は、従来の圧電型の超音波トランスデューサの構成例を示す図である。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。圧電型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。 FIG. 7 is a diagram illustrating a configuration example of a conventional piezoelectric ultrasonic transducer. Most conventional ultrasonic transducers are resonant types using piezoelectric ceramics. A piezoelectric ultrasonic transducer uses a piezoelectric ceramic as a vibration element to perform both conversion from an electric signal to ultrasonic waves and conversion from ultrasonic waves to electric signals (transmission and reception of ultrasonic waves).
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。
The bimorph type ultrasonic transducer shown in FIG. 7 includes two
圧電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。しかし、圧電型のトランスデューサは素子の鋭い共振特性を利用していることから、高い音圧が得られるが周波数帯域は非常に狭い。このため、圧電型のトランスデューサを用いた超音波スピーカでは再生可能な周波数帯域が狭く、ラウドスピーカと比較して再生音質が悪いという傾向がある。 Since the piezoelectric ultrasonic transducer utilizes the resonance phenomenon of piezoelectric ceramic, the transmission and reception characteristics of ultrasonic waves are good in a relatively narrow frequency band around the resonance frequency. However, since the piezoelectric transducer utilizes the sharp resonance characteristics of the element, a high sound pressure can be obtained, but the frequency band is very narrow. For this reason, an ultrasonic speaker using a piezoelectric transducer has a narrow reproducible frequency band, and there is a tendency that reproduced sound quality is poor as compared with a loudspeaker.
上述した圧電型の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に広帯域発振型の静電型超音波トランスデューサの構成例を示す。この静電型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に働くことからプル型(Pull型)と呼ばれている。 Unlike the piezoelectric transducers described above, electrostatic ultrasonic transducers are conventionally known as broadband oscillation ultrasonic transducers that can generate high sound pressure over a high frequency band. FIG. 8 shows a configuration example of a broadband oscillation type electrostatic ultrasonic transducer. This electrostatic ultrasonic transducer is called a pull type because it works only in the direction in which the vibrating membrane is attracted to the fixed electrode side.
図8に示す静電型の超音波トランスデューサは、振動体(振動膜)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、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いる。
The electrostatic ultrasonic transducer shown in FIG. 8 uses a dielectric 131 (insulator) such as PET (polyethylene terephthalate resin) having a thickness of about 3 to 10 μm as a vibrating body (vibrating film). An
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(凹凸部)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、周波数特性が広帯域となっている(特許文献1、2)。
On the surface of the
上述したように、図8に示す静電型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。
(特許文献1、2参照)。
(See Patent Documents 1 and 2).
しかしながら、上述した従来の静電型超音波トランスデューサから出力される音圧は振動膜に働く静電力の大きさに依存し、出力音圧が十分でない場合もあった。近時は機器の小型化と高性能化の要求が強くなっており、静電型超音波トランスデューサにおいて更なる音圧増を実現する為には、何らかの構造的な工夫が必要とされていた。 However, the sound pressure output from the conventional electrostatic ultrasonic transducer described above depends on the magnitude of the electrostatic force acting on the vibrating membrane, and the output sound pressure may not be sufficient. Recently, there has been a strong demand for miniaturization and high performance of devices, and some structural ingenuity has been required to achieve further increase in sound pressure in electrostatic ultrasonic transducers.
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、静電型超音波トランスデューサにおいて、出力音圧をさらに増加させることができる、静電型超音波トランスデューサ、静電型超音波トランスデューサの構成方法、および超音波スピーカを提供することにある。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide an electrostatic ultrasonic transducer, an electrostatic ultrasonic transducer capable of further increasing the output sound pressure in the electrostatic ultrasonic transducer. An object of the present invention is to provide a method of constructing an acoustic transducer and an ultrasonic speaker.
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、本発明の静電型超音波トランスデューサは、複数の貫通孔が形成された第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孔が形成された第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固定電極構造の複数が、各固定電極構造の対応する貫通穴の位置が一致するように並列に積層されると共に、外部への音波放射面を形成する固定電極構造の振動膜の振動部に対して、他の固定電極構造の振動膜の振動部が加振作用を及ぼすように構成されたことを特徴とする。
このように構成された静電型超音波トランスデューサでは、例えば、図1に示すような、放射穴(貫通穴)14を有する上下の固定電極10、11により振動膜12を挟持したプッシュプル型の固定電極構造を複数並列に積層する。そして、外部への音波放射面を形成する固定電極構造の振動膜の振動部に対し、他の固定電極構造の振動膜の振動部が、加振作用を及ぼすように構成する。
このように、複数の固定電極構造を積層し、振動膜の振動部に加振作用が生じるようにすることで、超音波出力音圧を増加させることができる。
The present invention has been made to solve the above problems, and an electrostatic ultrasonic transducer according to the present invention includes a first fixed electrode in which a plurality of through holes are formed, and a pair of the first fixed electrode and the first fixed electrode. A second fixed electrode having a plurality of through holes formed therein, a conductive layer sandwiched between the pair of fixed electrodes, and a vibrating membrane to which a DC bias voltage is applied to the conductive layer, A plurality of fixed electrode structures to which an AC signal is applied between a pair of fixed electrodes are stacked in parallel so that the positions of the corresponding through holes of each fixed electrode structure coincide with each other, and the sound wave radiating surface to the outside is provided. It is characterized in that the vibration part of the vibration film of another fixed electrode structure exerts an exciting action on the vibration part of the vibration film of the fixed electrode structure to be formed.
In the electrostatic ultrasonic transducer configured as described above, for example, as shown in FIG. 1, a push-pull type in which a vibrating
As described above, the ultrasonic output sound pressure can be increased by laminating a plurality of fixed electrode structures so that a vibration action is generated in the vibrating portion of the vibrating membrane.
また、本発明の静電型超音波トランスデューサは、前記積層された固定電極構造の結合部の上下の貫通孔と振動膜とで形成される空間に対して、該空間に面する振動膜の振動部が空気による抵抗を受けることなく振動できるようにするための空気抜き構造を設けたことを特徴とする。
このような構成の静電型超音波トランスデューサにおいては、固定電極構造の結合部分の上下の貫通孔と振動膜とで構成される空間が密閉空間とならないように空気抜き構造を設ける。すなわち、振動膜の振動部分が振動空間となる貫通孔内で空気抵抗(振動膜の振動により空気を排除または吸引する際の空気抵抗)を受けずに自由に振動できるようにする。
これにより、固定電極構造を積層した場合においても、振動膜の振動部が空気抵抗を受けることなく自由に振動することができる。このため、超音波出力音圧を増加させることができる。
Further, the electrostatic ultrasonic transducer according to the present invention is configured such that the vibration of the vibration film facing the space is formed with respect to the space formed by the upper and lower through holes and the vibration film of the coupling portion of the laminated fixed electrode structure. An air vent structure is provided to allow the part to vibrate without receiving resistance by air.
In the electrostatic ultrasonic transducer having such a configuration, an air vent structure is provided so that the space formed by the upper and lower through holes and the vibration film of the joint portion of the fixed electrode structure is not a sealed space. That is, the vibrating portion of the vibrating membrane can be freely vibrated without receiving air resistance (air resistance when air is removed or sucked by vibration of the vibrating membrane) in the through-hole serving as a vibration space.
Thereby, even when the fixed electrode structure is laminated, the vibrating portion of the vibrating membrane can vibrate freely without receiving air resistance. For this reason, the ultrasonic output sound pressure can be increased.
また、本発明の静電型超音波トランスデューサは、前記外部への音波放射面を形成する固定電極構造の振動膜の振動部に対して、他の固定電極構造の振動膜の振動部が加振作用を及ぼすように、前記各固定電極構造の振動膜に印加する交流信号の位相を調整するための移相手段を備えることを特徴とする。
このような構成により、外部への音波を放射する固定電極構造の振動膜の振動部に対して、他の固定電極構造の振動膜の振動部が加振作用を及ぼすように、固定電極構造の振動膜に印加する交流信号の位相を調整する。
これにより、各固定電極構造の振動膜に印加する交流信号の位相を設定することができ、振動膜に加振作用が生じるようにできる。このため、超音波出力音圧を増加させることができる。
In the electrostatic ultrasonic transducer according to the present invention, the vibration part of the vibration film of the other fixed electrode structure is vibrated with respect to the vibration part of the vibration film of the fixed electrode structure forming the sound wave emission surface to the outside. A phase shift means for adjusting the phase of the AC signal applied to the vibrating membrane of each of the fixed electrode structures so as to exert an action is provided.
With such a configuration, the fixed electrode structure of the vibration film of another fixed electrode structure exerts an excitation action on the vibration part of the vibration film of the fixed electrode structure that radiates sound waves to the outside. The phase of the AC signal applied to the vibrating membrane is adjusted.
Thereby, the phase of the AC signal applied to the vibration film of each fixed electrode structure can be set, and the vibration action can be generated in the vibration film. For this reason, the ultrasonic output sound pressure can be increased.
また、本発明の静電型超音波トランスデューサは、前記固定電極構造の積層数が2層であり、貫通穴の放射軸上に振動部が2箇所形成されるように構成されると共に、一方の固定電極構造の振動膜の振動部により、他方の固定電極構造の振動膜の振動部を加振するように構成されたことを特徴とする。
このような構成により、固定電極構造を2層とし、また、一方の固定電極構造の振動膜の振動部により、他方の固定電極構造の振動膜部の振動を加振する。これにより、静電型超音波トランスデューサの固定電極構造を2層にすることにより、超音波出力音圧を増加させることができる。
Further, the electrostatic ultrasonic transducer according to the present invention is configured such that the number of stacked layers of the fixed electrode structure is two, and two vibrating portions are formed on the radial axis of the through hole. The vibration part of the vibration film of the fixed electrode structure is configured to vibrate the vibration part of the vibration film of the other fixed electrode structure.
With such a configuration, the fixed electrode structure has two layers, and the vibration of the vibration film part of the other fixed electrode structure is vibrated by the vibration part of the vibration film of one fixed electrode structure. Thereby, the ultrasonic output sound pressure can be increased by making the fixed electrode structure of the electrostatic ultrasonic transducer into two layers.
また、本発明の静電型超音波トランスデューサの構成方法は、複数の貫通孔が形成された第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孔が形成された第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固定電極構造の複数を、各固定電極構造の対応する貫通穴の位置が一致するように並列に積層する手順と、外部への音波放射面を形成する固定電極構造の振動膜の振動部に対して、他の固定電極構造の振動膜の振動部が加振作用を及ぼすように構成する手順とを含むことを特徴とする。
このような手順の静電型超音波トランスデューサの構成方法では、例えば、図1に示すような、放射穴(貫通穴)14を有する上下の固定電極10、11により振動膜12を挟持したプッシュプル型の固定電極構造を複数並列に積層する。そして、外部への音波放射面を形成する固定電極構造の振動膜の振動部に対し、他の固定電極構造の振動膜の振動部が、加振作用を及ぼすようにする。
このように、複数の固定電極構造を積層することで、超音波出力音圧を増加させることができる。
The electrostatic ultrasonic transducer according to the present invention includes a first fixed electrode having a plurality of through holes and a plurality of through holes that are paired with the first fixed electrode. Two fixed electrodes and a vibration layer sandwiched between the pair of fixed electrodes and having a conductive layer to which a DC bias voltage is applied, and an AC signal is applied between the pair of fixed electrodes. A plurality of fixed electrode structures to be stacked in parallel so that the positions of the corresponding through-holes of each fixed electrode structure coincide with each other, and a vibrating part of the vibrating membrane of the fixed electrode structure that forms a sound wave radiating surface to the outside On the other hand, the present invention is characterized in that it includes a procedure in which a vibrating portion of a vibrating membrane having another fixed electrode structure exerts a vibrating action.
In the configuration method of the electrostatic ultrasonic transducer of such a procedure, for example, as shown in FIG. 1, push-pull in which the vibrating
Thus, by laminating a plurality of fixed electrode structures, the ultrasonic output sound pressure can be increased.
また、本発明の超音波スピーカは、上記のいずれかに記載の静電型超音波トランスデューサを有することを特徴とする。
これにより、超音波スピーカにおいて超音波出力音圧を増加させることがでる。
In addition, an ultrasonic speaker according to the present invention includes any one of the electrostatic ultrasonic transducers described above.
As a result, the ultrasonic output sound pressure can be increased in the ultrasonic speaker.
次に本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。 Next, the best mode for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings.
[プッシュプル型の静電型超音波トランスデューサについての説明]
図1は、本発明の超音波トランスデューサの構成要素となる、プッシュプル型と呼ばれる静電型超音波トランスデューサについて説明するための図である。図1(A)は、プッシュプル型の静電型超音波トランスデューサ1の断面構造を示す図であり、図1(B)は、静電型超音波トランスデューサ1の上面図を示している。本発明の超音波トランスデューサでは、このプッシュプル型の静電型超音波トランスデューサ1を積層すること特徴がある。
[Description of push-pull type electrostatic ultrasonic transducer]
FIG. 1 is a diagram for explaining an electrostatic ultrasonic transducer called a push-pull type that is a constituent element of the ultrasonic transducer of the present invention. FIG. 1A is a diagram showing a cross-sectional structure of a push-pull type electrostatic ultrasonic transducer 1, and FIG. 1B shows a top view of the electrostatic ultrasonic transducer 1. The ultrasonic transducer of the present invention is characterized in that this push-pull type electrostatic ultrasonic transducer 1 is laminated.
図1において、プッシュプル型の静電型超音波トランスデューサ1は、電極として機能する導電性材料で形成された導電部材を含む一対の固定電極10、11と、一対の固定電極10、11に挟持され、導電層(蒸着膜層)121を有する振動膜12と、一対の固定電極10、11と振動膜12を保持する部材(図示せず)とを有している。
In FIG. 1, a push-pull type electrostatic ultrasonic transducer 1 is sandwiched between a pair of fixed
振動膜12は、絶縁層120と、導電性材料で形成された導電層121とを有しており、該導電層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いる。
The
また、一対の固定電極10、11は振動膜12を介して対向する位置に同数かつ複数の放射穴(段付きの貫通穴)14を有しており(図1(B)を参照)、一対の固定電極10、11の導電部材間には交流信号源18A、18Bにより交流信号が印加されるようになっている。固定電極10と導電層121、固定電極11と導電層121には、それぞれコンデンサが形成されている。
In addition, the pair of fixed
上記構成において、超音波トランスデューサは、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(本例では正極性の)直流バイアス電圧が印加される。一方、一対の固定電極10、11には、信号源18A、18Bにより交流信号が印加される。この結果、信号源18A、18Bから出力される交流信号の正の半サイクルでは、固定電極10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13Aには、静電反発力が作用し、表面部分13Aは、図1上、下方に引っ張られる。また、このとき、対向する固定電極11には、負の電圧が印加されるために、振動膜12の前記表面部分13Aの裏面側である裏面部分13Bには、静電吸引力が作用し、裏面部分13Bは、図1上、さらに下方に引っ張られる。
In the above configuration, in the ultrasonic transducer, a DC bias voltage having a single polarity (positive polarity in this example) is applied to the
したがって、振動膜12の一対の固定電極10、11により挟持されていない膜部分は、同方向に静電反発力と静電斥力を受ける。これは、信号源18A、18B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13Aには図1上、上方に静電吸引力が、また裏面部分13Bには、図1上、上方に静電反発力が作用し、振動膜12の一対の固定電極10、11により挟持されていない膜部分は、同方向に静電反発力と静電斥力を受ける。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が同方向に静電反発力と静電斥力を受けながら、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。
Accordingly, the membrane portion of the vibrating
このように超音波トランスデューサは、振動膜12が一対の固定電極10、11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。プッシュプル型の静電型超音波トランスデューサは、振動膜に静電吸引力のみしか作用しないプル型(Pull)型の静電型超音波トランスデューサに比して、広帯域性と高音圧を同時に満たす能力を持っている。
In this way, the ultrasonic transducer is called a push-pull type because the vibrating
図1に示す静電型超音波トランスデューサにおいて、固定電極10、11は、その材質が導電性であればよく、例えば、SUSや真鍮、鉄、ニッケルの単体構成も可能である。また、軽量化をはかる必要があるため、回路基板などで一般的に用いられるガラスエポシキ基板や紙フェノール基板に所望の穴加工を施した後、ニッケルや金、銀、銅などでメッキ処理をすることなども可能である。またこの場合成型後のソリを防止するために基板へのメッキ加工は両面に施すなどの工夫も有効である。ただし絶縁性を考慮すると、各々の固定電極の振動膜側には何らかの絶縁処理が施される事が望ましい。例えば、液状ソルダーレジスト、感光性フイルム、感光性コート材、非導電性塗料、電着材料などで絶縁された凸部を形成する。
In the electrostatic ultrasonic transducer shown in FIG. 1, the fixed
上述したように、プッシュプル型の静電型超音波トランスデューサにおいては、振動膜には高電圧の直流バイアス電圧が印加され、固定電極には交流電圧が印加されることにより、固定電極−振動膜に働く静電力(引力及び斥力)により膜部分が振動する。この場合、超音波帯の振動を実現する為には振動部分の穴径を数mm以下にする必要があり、多数の振動穴を設けることにより、追従性が高くて出力が大きいトランスデューサを構成する必要がある。なお、固定電極の形状は円形のみならず、方形等の任意の形状とすることができる。 As described above, in the push-pull type electrostatic ultrasonic transducer, a high voltage DC bias voltage is applied to the vibration film, and an AC voltage is applied to the fixed electrode, so that the fixed electrode-vibration film The membrane part vibrates due to the electrostatic force (attraction and repulsive force) acting on. In this case, in order to realize the vibration of the ultrasonic band, it is necessary to reduce the hole diameter of the vibration part to several mm or less, and by providing a large number of vibration holes, a transducer with high followability and high output is configured. There is a need. Note that the shape of the fixed electrode is not limited to a circle but may be an arbitrary shape such as a square.
[本発明の静電型超音波トランスデューサの構成例の説明]
図2は、本発明の超音波トランスデューサの構成例を示す図であり、本発明の静電型超音波トランスデューサの一部分を示したものである。図2(A)は、断面構造を示す図であり、図2(B)は底面図である。なお、図2(A)に示す断面構造は、図2(B)上の一点鎖線で示すX−Y方向の断面を示している。
[Description of Configuration Example of Electrostatic Ultrasonic Transducer of the Present Invention]
FIG. 2 is a diagram showing a configuration example of the ultrasonic transducer of the present invention, and shows a part of the electrostatic ultrasonic transducer of the present invention. 2A is a diagram illustrating a cross-sectional structure, and FIG. 2B is a bottom view. Note that the cross-sectional structure illustrated in FIG. 2A illustrates a cross section in the XY direction indicated by a dashed-dotted line in FIG.
本発明の超音波トランスデューサ2は、図2上で上側の固定電極構造3と、下側の固定電極構造4とが絶縁材19を介して積層して構成されている。
The
上側の固定電極構造3は、図1に示したプッシュプル型の静電型超音波トランスデューサ1の固定電極構造と同じ構成と機能のものである。下側の固定電極構造4は、上側の固定電極構造3と同様な構成と機能のものであるが、空気抜き穴31A、31Bを設け空気抜き構造を有している点が異なる。 The upper fixed electrode structure 3 has the same configuration and function as the fixed electrode structure of the push-pull electrostatic ultrasonic transducer 1 shown in FIG. The lower fixed electrode structure 4 has the same configuration and function as the upper fixed electrode structure 3, except that air vent holes 31A and 31B are provided and an air vent structure is provided.
図2に示すように、下側の固定電極構造4は、上側の固定電極構造3と同様に、電極として機能する導電性材料で形成された導電部材を含む一対の固定電極20、21と、一対の固定電極20、21に挟持され、導電層(蒸着膜層)221を有する振動膜22とを有している。
As shown in FIG. 2, the lower fixed electrode structure 4 includes a pair of fixed
振動膜22は、絶縁層220と、導電性材料で形成された導電層221とを有している。また、一対の固定電極20、21は振動膜22を介して対向する位置に同数かつ複数の放射穴(段付きの貫通穴)24を有している。
The
上記構成により、超音波の放射軸CL上に振動膜の振動部25A、25Bが2箇所並列に形成され、一方の振動部25Aに対して他方の振動部25Bがアシスト(加振用)となる。このような構成により振動部25Aにおける出力音圧増を実現することができる(この加振の仕組みについては後述する)。なお、図2に示した例では、下側の固定電極構造4を上側の固定電極構造3のアシストとして使用する例としたが、反対であっても構わない。
With the above configuration, the vibrating
また、図3は、図2に示す静電型超音波トランスデューサの下側の固定電極構造の空気抜き穴の例を示す図である。図3の右側の図は、下側の固定電極構造4の一部を拡大して示した斜視図であり、図面の分かり易さのために、空気抜き穴のみを示しており、固定電極および振動膜は省略して示している。 FIG. 3 is a diagram showing an example of an air vent hole in the fixed electrode structure on the lower side of the electrostatic ultrasonic transducer shown in FIG. The right side of FIG. 3 is an enlarged perspective view showing a part of the lower fixed electrode structure 4 and shows only the air vent holes for easy understanding of the drawing. The membrane is omitted.
図3に示すように、空気抜き穴として、下側の固定電極構造4の固定電極20には放射穴(段付き貫通穴)24と連通する、図3上で、横方向の空気抜き穴31Aが設けられる。また、空気抜き31Aと連通する、図3上で、縦方向の空気抜き穴31Bが設けられる。
As shown in FIG. 3, the fixed
この空気抜き穴31A、31Bから振動膜22および振動膜12の振動部の表面に空気を供給することにより、振動膜22および振動膜12の振動面が空気抵抗(振動膜の振動により空気を排除または吸引する際の空気抵抗)の影響を受けることなく、自由に振動するように構成されている。なお、空気抜き穴31A、31Bの構造については、図3に示す例に限定されず、振動膜22および振動膜12の振動面が空気抵抗の影響を受けないような構造であれば、どのような構造であっても構わない。
By supplying air to the surfaces of the vibrating portions of the vibrating
図4は、本発明の静電型超音波トランスデューサの駆動方法の例を示す図である。下側の固定電極構造4についても、上側の固定電極構造3と同様に、振動膜22の導電層221に、直流バイアス電源26により単一極性の(本例では正極性の)直流バイアス電圧が印加される。一方、一対の固定電極20、21には、信号源28A、28Bにより交流信号(超音波周波数帯のキャリア波信号を可聴周波数波信号で変調した信号)が印加される。
FIG. 4 is a diagram showing an example of a driving method of the electrostatic ultrasonic transducer according to the present invention. Similarly to the upper fixed electrode structure 3, the lower fixed electrode structure 4 also has a single-polarity (positive polarity in this example) DC bias voltage applied to the conductive layer 221 of the
次に、この様な積層構造で構成される静電型超音波トランスデューサの1つの放射穴(貫通穴)を例に、本発明における振動構造による音圧増加の仕組みについて説明する。 Next, the mechanism of increasing the sound pressure by the vibration structure in the present invention will be described by taking one radiation hole (through hole) of the electrostatic ultrasonic transducer having such a laminated structure as an example.
図5は、本発明の静電型超音波トランスデューサにおける加振作用の仕組みを説明するための図である。図5に示す例は、振動膜の放射軸上に2つの振動部(A)、(B)が形成されている例である。なお、図面簡略化の為、固定電極および空気の抜き穴等は省略されている。 FIG. 5 is a view for explaining the mechanism of the excitation action in the electrostatic ultrasonic transducer of the present invention. The example shown in FIG. 5 is an example in which two vibrating portions (A) and (B) are formed on the radial axis of the vibrating membrane. Note that, for the sake of simplification of the drawings, the fixed electrode and the air vent hole are omitted.
図5(A)中の振動部(A)から右側を放射方向とし、超音波を放射するトランスデューサを考える。この振動部(A)を加振する役割を持つ振動部(B)が存在している。 Consider a transducer that emits ultrasonic waves, with the right side from the vibrating part (A) in FIG. There is a vibration part (B) having a role of exciting the vibration part (A).
加振の仕組みは、振動部(A)と振動部(B)との距離に依存し、駆動周波数(超音波周波数帯のキャリア波信号の周波数)に応じた距離に振動部(A)、(B)を配置することが必要になる。例えば、駆動周波数を60kHz(λ=約5.7mm)とした場合には、1/4波長(約1.425mm)の奇数倍になる距離に構成し、振動部(A)の駆動位相を振動部(B)に対して遅らせることにより、振動部(A)の振動振幅を増加させることができる。 The mechanism of the excitation depends on the distance between the vibration part (A) and the vibration part (B), and the vibration part (A), (with the distance according to the drive frequency (frequency of the carrier wave signal in the ultrasonic frequency band), ( It is necessary to arrange B). For example, when the drive frequency is 60 kHz (λ = about 5.7 mm), the distance is an odd multiple of a quarter wavelength (about 1.425 mm), and the drive phase of the vibration part (A) is vibrated. By delaying the portion (B), the vibration amplitude of the vibration portion (A) can be increased.
振動部(B)による加振の有無により、振動部(A)の振動波形の大きさが変わる様子を図5(B)、図5(C)に示す。図5(B)は、振動部(B)による加振のない場合であり、図5(C)は、振動部(B)による加振のある場合を示している。図5(C)に示すように、振動部(B)による加振のある場合は、振動部(A)の振動振幅が増大する。 FIGS. 5B and 5C show how the magnitude of the vibration waveform of the vibration part (A) changes depending on the presence or absence of vibration by the vibration part (B). FIG. 5B shows a case where there is no vibration by the vibration part (B), and FIG. 5C shows a case where there is vibration by the vibration part (B). As shown in FIG. 5C, when there is excitation by the vibration part (B), the vibration amplitude of the vibration part (A) increases.
なお、振動部(A)の駆動位相を振動部(B)に対して遅らせる場合には、例えば、図4に示した駆動回路において、上側の信号源18A、18Bの交流信号の位相を、下側の信号源28A、28Bより遅らせるための移相手段を設ければよい。
When the drive phase of the vibration part (A) is delayed with respect to the vibration part (B), for example, in the drive circuit shown in FIG. 4, the phase of the AC signal of the
また、振動部(A)と振動部(B)とで形成される空間Cに空気抜き穴を設けることにより、振動部(A)と振動部(B)間の空気が自由に動けるようになるので、空気抵抗の影響を受けることなく、加振作用により振動部(A)の振動振幅を増加させることができる。このようにして、超音波出力の音圧増を実現することができる。 Further, by providing an air vent hole in the space C formed by the vibration part (A) and the vibration part (B), the air between the vibration part (A) and the vibration part (B) can move freely. The vibration amplitude of the vibration part (A) can be increased by the vibration action without being affected by air resistance. In this way, an increase in the sound pressure of the ultrasonic output can be realized.
[超音波スピーカの構成例の説明]
図6は、本発明の静電型超音波トランスデューサを使用した超音波スピーカの構成例を示す図である。超音波スピーカは、キャリア波と呼ばれる超音波にオーディオ信号(可聴周波数信号)で振幅変調(AM変調)をかけ、これを空中に放出すると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とが顕著に表れ、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、一般にはパメトリックアレイ効果と呼ばれている。
[Description of configuration example of ultrasonic speaker]
FIG. 6 is a diagram showing a configuration example of an ultrasonic speaker using the electrostatic ultrasonic transducer of the present invention. An ultrasonic speaker applies amplitude modulation (AM modulation) to an ultrasonic wave called an audio signal (audible frequency signal) on an ultrasonic wave called a carrier wave, and when it is released into the air, the original audio signal is self-regenerated in the air due to air nonlinearity. That's it. In other words, since sound waves are coarse and dense waves that propagate using air as a medium, the dense and sparse portions of the air appear prominently in the process of the modulated ultrasonic waves propagating, and the dense portions have high sound speed and sparseness. Since the speed of sound is slow in this part, the modulation wave itself is distorted. As a result, the waveform is separated into a carrier wave (ultrasonic wave) and an audible wave (original audio signal). This is the principle that only listening can be heard and is generally called the pametric array effect.
図6に示す超音波スピーカ41は、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信号源42と、可聴波周波数帯の信号波を生成する可聴周波数波信号源(オーディオ信号源)43と、変調器44と、移相回路46と、パワーアンプ45、47と、固定電極構造3、4が積層された静電型超音波トランスデューサ2とを有している。
The
上記構成において、可聴周波数波信号源43より出力されるオーディオ信号波により、キャリア波信号源42から出力される超音波周波数帯のキャリア波を変調器44により変調し、パワーアンプ45で増幅した変調信号により静電型超音波トランスデューサ2中のアシスト側の固定電極構造4を駆動する。また、変調器44の出力は移相回路46に入力され、該移相回路46により位相が遅らされた(振動膜で加振作用が起こるように位相が遅らされた)変調信号をパワーアンプ47により増幅し固定電極構造3に印加する。この結果、固定電極構造3の振動膜の振動部が、固定電極構造4の振動膜の振動部により加振される。
In the above configuration, modulation is performed by modulating the carrier wave in the ultrasonic frequency band output from the carrier
このようにして、上記変調信号が静電型超音波トランスデューサ2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。
In this way, the modulated signal is converted into a sound wave of a finite amplitude level by the electrostatic
以上説明したように、本発明の静電型超音波トランスデューサでは、プッシュプル型の静電型超音波トランスデューサの固定電極構造を積層構造とすることにより、超音波出力の音圧増を実現することができる。また、固定電極構造の積層数は、2層に限られることはなく、3層以上であってもよい。 As described above, in the electrostatic ultrasonic transducer according to the present invention, the sound pressure of the ultrasonic output can be increased by forming the fixed electrode structure of the push-pull electrostatic ultrasonic transducer into a laminated structure. Can do. Further, the number of stacked fixed electrode structures is not limited to two, and may be three or more.
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明の静電型超音波トランスデューサは、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the electrostatic ultrasonic transducer of the present invention is not limited to the above-described illustrated examples, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention. Of course, it can be added.
1、2…静電型超音波トランスデューサ、3…上側の固定電極構造
4…下側の固定電極構造、10、11、20、21…固定電極、12、22… 振動膜、121、221…導電層、120、220…絶縁層、14、24…放射穴(貫通穴)、16、26…直流バイアス電源、18A、18B、28A、28B …交流信号源、19…絶縁材、31A、31B…空気抜き穴、41…超音波スピーカ、42…キャリア波信号源、43…可聴周波数波信号源、44…変調器、45、47…パワーアンプ、46…移相回路
DESCRIPTION OF
Claims (6)
各固定電極構造の対応する貫通穴の位置が一致するように並列に積層されると共に、
外部への音波放射面を形成する固定電極構造の振動膜の振動部に対して、他の固定電極構造の振動膜の振動部が加振作用を及ぼすように構成されたこと
を特徴とする静電型超音波トランスデューサ。 A first fixed electrode having a plurality of through holes, a second fixed electrode having a plurality of through holes paired with the first fixed electrode, and a conductive layer sandwiched between the pair of fixed electrodes A plurality of fixed electrode structures in which an AC signal is applied between the pair of fixed electrodes,
Laminated in parallel so that the positions of the corresponding through holes of each fixed electrode structure coincide,
The static part is characterized in that the vibration part of the vibration film of the other fixed electrode structure exerts an excitation action on the vibration part of the vibration film of the fixed electrode structure that forms the sound wave radiating surface to the outside. Electric ultrasonic transducer.
を特徴とする請求項1に記載の静電型超音波トランスデューサ。 The vibration part of the vibration film facing the space can vibrate without receiving resistance due to air with respect to the space formed by the upper and lower through holes and the vibration film of the coupling part of the laminated fixed electrode structure. The electrostatic ultrasonic transducer according to claim 1, further comprising an air vent structure for performing the operation.
備えることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の静電型超音波トランスデューサ。 The vibration of each of the fixed electrode structures is such that the vibration part of the vibration film of another fixed electrode structure exerts an exciting action on the vibration part of the vibration film of the fixed electrode structure that forms the sound wave emission surface to the outside. The electrostatic ultrasonic transducer according to claim 1, further comprising phase shift means for adjusting a phase of an AC signal applied to the film.
一方の固定電極構造の振動膜の振動部により、他方の固定電極構造の振動膜の振動部を加振するように構成されたこと
を特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の静電型超音波トランスデューサ。 The number of stacks of the fixed electrode structure is two, and it is configured such that two vibration parts are formed on the radial axis of the through hole,
The static part according to any one of claims 1 to 3, wherein the vibration part of the vibration film of one fixed electrode structure is configured to vibrate the vibration part of the vibration film of the other fixed electrode structure. Electric ultrasonic transducer.
各固定電極構造の対応する貫通穴の位置が一致するように並列に積層する手順と、
外部への音波放射面を形成する固定電極構造の振動膜の振動部に対して、他の固定電極構造の振動膜の振動部が加振作用を及ぼすように構成する手順と
を含むことを特徴とする静電型超音波トランスデューサの構成方法。 A first fixed electrode having a plurality of through holes, a second fixed electrode having a plurality of through holes paired with the first fixed electrode, and a conductive layer sandwiched between the pair of fixed electrodes A plurality of fixed electrode structures to which an AC signal is applied between the pair of fixed electrodes, and a vibration film to which a DC bias voltage is applied to the conductive layer.
A procedure for laminating in parallel so that the positions of the corresponding through holes of each fixed electrode structure are matched,
And a configuration in which a vibrating portion of a vibrating membrane of another fixed electrode structure exerts an excitation action on a vibrating portion of a vibrating membrane of a fixed electrode structure that forms an external sound wave radiating surface. A configuration method of an electrostatic ultrasonic transducer.
を特徴とする超音波スピーカ。
An ultrasonic speaker comprising the electrostatic ultrasonic transducer according to claim 1.
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