JP3867716B2 - 超音波トランスデューサ、超音波スピーカ、及び超音波トランスデューサの駆動制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、超音波トランスデューサ、超音波スピーカ、及び超音波トランスデューサの駆動制御方法に関し、特に、静電型の超音波トランスデューサであって、入力信号に忠実に音波を出力することのできる、超音波トランスデューサ、超音波スピーカ、及び超音波トランスデューサの駆動制御方法に関する。

超音波トランスデューサの代表的なものとして、圧電型のトランスデューサと静電型トランスデューサがある。圧電型トランスデューサは、振動体にピエゾ等の圧電素子を使用したもので、その共振周波数帯域を利用して駆動するタイプの共振型トランスデューサである。よって、効率的に高い音圧を発生させることができるものの、音圧―周波数特性は狭帯域であるという特徴がある。これに対し、静電型のトランスデューサは、固定電極と薄い電極膜との間に静電力を作用させることで電極膜を振動させるタイプのトランスデューサであり、音圧−周波数特性が広帯域であるという特徴がある。

ところで、高音圧の超音波搬送波を可聴帯域の音響信号によって振幅変調した変調波（音波）を空中に放射すると、空気の非線形性により、音圧の高いところでは音速が高くなり、低いところでは音速が低くなって、空中を音波が伝播するに従って波形に歪みが発生する。この結果、音波が空中を伝搬するに従い波形に歪みが蓄積されて徐々に搬送波成分が減衰し、変調に用いた可聴帯域の音響信号成分が自己復調されてくることが知られている。この現象はパラメトリックアレイと呼ばれている。超音波で搬送することにより、自己復調された可聴音が鋭い指向性を有することから、この原理を応用したスピーカはパラメトリックスピーカや超指向性スピーカ（超音波スピーカ）などと呼ばれている。

超指向性スピーカ（超音波スピーカ）は高音圧を発生させる必要があるため、従来の超指向性スピーカでは一般的に共振型のトランスデューサが用いられている（例えば、特許文献１、２参照）。しかし、従来の超指向性スピーカは、ラウドスピーカと比較して再生音質が低いという評価が多く、局所アナウンスや展示解説など音声用途にしか用いられていない。このように、共振型トランスデューサは音圧一周波数特性が狭帯域であり、駆動周波数が限定されるため、再生音質の向上を図るのが難しく、再生範囲の調節もし難いという問題がある。また、過大入力に対して敏感であり、素子を破損し易いため、取り扱いにも注意を要するという問題もある。

一方、静電型トランスデューサの場合は、共振型のトランスデューサよりも単位面積あたりの出力音圧は小さくなるが、広帯域の音圧−周波数特性を有するため、再生音質の向上を図りやすく、再生範囲の調節が容易という特長がある。また、共振型のトランスデューサと比較して、振動体（膜）が柔軟であるため、過大入力に対してもトランスデューサを破損しにくく、共振型トランスデューサのように取り扱いに神経質にならなくても良いという特長もある。

このように、再生音質の向上や、取り扱いのし易さという観点からは、静電型トランスデューサを用いて超指向性スピーカを構成する方が望ましい。

また、静電型トランスデューサは、その構造においてプル型とプッシュプル型の二種類に大きく分けられる。それぞれの長所、短所は次の通りである。

図１１は、プル型の静電型超音波トランスデューサの駆動概念を説明するための図であり、振動膜（絶縁フィルムなど）に導電層を蒸着した振動膜１０と固定電極２０との間に、ＤＣバイアス電源から出力される直流バイアスに交流信号を重畳して印加し、該交流信号により、振動膜１０を振動させて超音波を出力する。

図１１（ａ）は、振動膜１０に対して、交流信号の正（＋）側の出力が直流バイアスに重畳された状態で印加された場合の振動膜１０の振幅状態を示し、図１１（ｂ）は、交流信号の負（−）側の出力が直流バイアスに重畳された状態で印加された場合の振動膜１０の振幅状態を示している。

図１１（ａ）に示す状態では、固定電極２０と振動膜１０との間の電位差が大きくなり、固定電極２０と振動膜１０との間に強い静電力（吸引力）が作用し、振動膜１０の中央部は固定電極２０の方向に引き寄せられる。図１１（ｂ）に示す状態の場合は、固定電極２０と振動膜１０との間の電位差が小さくなり、固定電極２０と振動膜１０との間の静電力（吸引力）が弱まり、振動膜１０の中央部は、弾性復元力により固定電極２０と反対の方向に引き戻される。このようにして、振動膜１０は交流信号に応じて振動し、超音波を出力する。

このプル型の静電型超音波トランスデューサは、プッシュプル型の静電型超音波トランスデューサのように（後述）、音波を通すための貫通穴などを固定電極に設ける必要がないため、開口率が大きく、音圧を稼ぎ易いという長所がある。一方、振動に寄与する成分が静電吸引力と膜の弾性復元力のみであるため、出力波形の歪みが大きくなるという短所がある。

また、図１２は、プッシュプル型の静電型超音波トランスデューサの駆動概念を説明するための図であり、プッシュプル型の静電型超音波トランスデューサでは、振動膜１０に対向して、上側の固定電極２０ａと下側の固定電極２０ｂとが設けられる。そして、振動膜１０に、ＤＣバイアス電源により＋側のＤＣバイアスを与え、上側の固定電極２０ａと下側の固定電極２０ｂの間に交流信号を印加する。

図１２（ａ）は、交流信号がゼロ（０）の場合の、振動膜１０の振幅状態を示す図であり、振動膜１０は中立（上側の固定電極２０ａと下側の固定電極２０ｂの真ん中）の位置にある。図１２（ｂ）は、上側の固定電極２０ａに交流信号の＋電圧が印加され、下側の固定電極２０ｂに交流信号の−電圧が印加された場合の、振動膜１０の振幅状態を示す図であり、振動膜１０の中央部は、下側の固定電極２０ｂとの間の静電力（吸引力）と、上側の固定電極２０ａとの間の静電力（反発力）により、下側の固定電極２０ｂの方向に引き寄せられる。

図１２（ｃ）は、上側の固定電極２０ａに交流信号の−電圧が印加され、下側の固定電極２０ｂに交流信号の＋電圧が印加された場合の、振動膜１０の振幅状態を示す図であり、振動膜１０の中央部は、上側の固定電極２０ａとの間の静電力（吸引力）と下側の固定電極２０ｂとの間の静電力（反発力）により、上側の固定電極２０ａの方向に引き寄せられる。このようにして、振動膜１０は交流信号に応じて振動し、音波を出力する。

このプッシュプル型の静電型超音波トランスデューサは、振動膜に対して静電吸引力と静電反発力との両方が作用するため、つまり正負対称に静電力が作用するため、出力波形の歪みが小さくなるという長所がある。一方、固定電極に設けられた貫通穴を通して音波が出力されるため、開口率が小さく、音圧を稼ぎ難いのが短所である。

ところで、超指向性スピーカに静電型トランスデューサを用いる場合、超音波帯域の理想的な振幅変調波をスピーカに入力しても、トランスデューサから出力される波形（搬送波）の正負非対称歪みが大きいと、その歪み成分が可聴音成分となり、超音波成分のほかにスピーカから可聴音が直接出力されてしまい、聴感上の指向性が低くなるという特有の問題がある。これは、静電型トランスデューサが広周波数帯域の音圧特性を有する（可聴音自体を直接入力してもそれなりの音圧が出る）ためであり、広帯域特性を有するトランスデューサに特有の問題であるといえる。よって、上記の問題を回避するためには、プル型より出力波形の歪みが小さいプッシュプル型を用いるほうが望ましい。

プッシュプル型トランスデューサに正弦波の駆動信号を供給して駆動する場合を考える。プッシュプル型トランスデューサの上側電極と下側電極との電気的特性、機械的形状寸法が全て同じである場合、つまり完全に上下対称な構造になっている場合には、振動膜は正負（上下）対称に振動する。（例えば、図１３の点線に示すように、＋側振幅と一側振幅との大きさが等しくなる）。

しかし、上側電極と下側電極との間で、形状寸法誤差や位置合わせの誤差が存在する場合や、電気的特性にばらつきがある場合には、図１３に示すように、上側電極と下側電極とに供給している駆動信号の振幅の大きさが同じでも（点線）、実際に振動膜に作用する静電力の大きさは上電極側と下電極側とで異なってくるため、振動膜は上下対称に振動しない（実線）。

このため、従来のプッシュプル型トランスデューサを使用して超指向性スピーカを構成する場合、製造上の加工誤差、位置合わせ誤差や電気的特性のばらづきが存在すると、出力波形（搬送波）に正負非対称歪みが発生し、その結果、聴感上の指向性が低下するという問題がある。
特開２００３−４７０８５号公報 特開２００４−１１２２１２号公報

本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、その目的は、プッシュプル型の静電型トランスデューサにおいて、出力振動波形の正負非対称歪みを抑制して、トランスデューサから直接発せられる可聴音成分を低減し、指向性の高いスピーカとして構成することを可能にする、超音波トランスデューサ、超音波スピーカ、及び超音波トランスデューサの駆動制御方法を提供することにある。

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、本発明の超音波トランスデューサは、導電層を有する振動膜と、該振動膜のそれぞれの面に対向して設けられた第１および第２の一対の固定電極とを有し、前記一対の固定電極には対応する位置に複数の貫通穴が設けられ、前記振動膜の導電層にＤＣバイアス電圧を印加すると共に、前記第１および第２の固定電極間に交流信号を印加して超音波を発生させる静電型の超音波トランスデューサであって、前記一対の固定電極の一部が超音波トランスデューサを駆動する駆動用固定電極として形成され、前記一対の固定電極の一部が前記振動膜の振幅を検出する検出用固定電極として形成されると共に、前記検出用固定電極で検出された振動膜の振幅の大きさに基づいて、前記第１および第２の固定電極と振動膜との間のギャップをそれぞれアクチュエータで調整することにより、入力信号に対して前記振動膜の振幅が比例して振動するように制御する手段を備えることを特徴とする。
このような構成により、振動膜のそれぞれの面に対向して設けられた第１および第２の一対の固定電極のそれぞれについて、そのうちの一部を駆動用電極、一部を検出用電極（静電型センサ）として用いる。そして、第１および第２の固定電極のそれぞれの検出用電極で検出された振動膜の振幅情報を基にして、振動膜が両面対称（入力信号に対して正負対称）に振動するように、第１および第２の固定電極と振動膜とのギャップ（空隙）をそれぞれアクチュエータにより制御する。
これにより、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、トランスデューサの振動膜に対向する一対の固定電極の間で加工誤差や位置合わせ誤差、電気特性のばらつきが生じても、振動膜と固定電極との間のギャップをアクチュエータにより調整し、出力振動波形の正負非対称歪みを抑制して、トランスデューサから直接発せられる可聴音成分を低減することができるので、より指向性の高いスピーカとして構成することが可能になる。

また、本発明の超音波トランスデューサは、前記一対の固定電極のそれぞれが、互いに絶縁された複数の電極をアレイ状に配列して形成され、前記電極アレイの一部が駆動用固定電極として、一部が振幅検出用の検出用固定電極として形成されたことを特徴とする。
このような構成により、固定電極を、互いに絶縁された複数の電極アレイを配列させた構造とする。これにより、電極アレイを組み合わせて超音波トランスデューサを製作でき、電極アレイの組み合わせ方により、種々の大きさ、形状の超音波トランスデューサを形成できる。また、検出用固定電極とする電極アレイを所望の位置に配置することができる他、複数の検出用固定電極を形成することもできる。

また、本発明の超音波トランスデューサは、前記振動膜が、導電層なる電極膜の両表面に絶縁層を被覆して形成されたことを特徴とする。
このような構成により、導電層（電極膜）を絶縁層で挟む形で振動膜を形成する。これにより、固定電極側の絶縁が不要になり、超音波トランスデューサの製造が容易になる。また、振動膜に対する固定電極の配置の対称性の確保が容易になる。

また、本発明の超音波トランスデューサは、前記振動膜は、該振動膜の片面、または両面に導電層を被覆して形成され、前記固定電極の前記振動膜の導電層に対向する面には、絶縁層が形成されたことを特徴とする。
このような構成により、振動膜の片面または両面に導電層を被覆することにより、振動膜を形成する。そして、導電層と対向する固定電極側に絶縁層を設ける。これにより、振動膜の製作が容易となる。

また、本発明の超音波トランスデューサは、前記一対の固定電極のうちの第１の固定電極側の検出用固定電極と前記振動膜との間の電圧測定により、該振動膜の第１の固定電極側に対する振幅電圧を検出する第１の振幅検出手段と、前記一対の固定電極のうちの第２の固定電極側の検出用固定電極と前記振動膜との間の電圧測定により、該振動膜の第２の固定電極側に対する振幅電圧を検出する第２の振幅検出手段と、前記第１の振幅検出手段により検出した振幅電圧レベルと、目標とする電圧レベルとの誤差を検出する第１の誤差検出手段と、前記第２の振幅検出手段により検出した振幅電圧レベルと、目標とする電圧レベルとの誤差を検出する第２の誤差検出手段と、前記第１の誤差検出手段による誤差検出結果を基に、前記第１の固定電極と振動膜との間のギャップをアクチュエータで調整する第１の空隙制御手段と、前記第２の誤差検出手段による誤差検出結果を基に、前記第２の固定電極と振動膜との間のギャップをアクチュエータで調整する第２の空隙制御手段とを備えることを特徴とする。
このような構成により、第１の振幅検出手段により、第１の検出用固定電極と振動膜の導電層とを静電センサとして使用し、第１の検出用固定電極と導電層との間の電圧を測定して、第１の固定電極に対する振動膜の振動（振幅）状態を検出する。また、第２の振幅検出手段により、第２の検出用固定電極と振動膜の導電層とを静電センサとして使用し、第２の検出用固定電極と導電層との間の電圧を測定して、第２の固定電極に対する振動膜の振動（振幅）状態を検出する。また、第１の誤差検出手段により、第１の振幅検出手段で検出した振動膜の振動電圧レベルと、目標とする電圧レベルとの誤差を検出する。また、第２の誤差検出手段により、第２の振幅検出手段で検出した振動膜の振幅電圧レベルと、目標とする電圧レベルとの誤差を検出する。そして、第１の誤差検出手段による誤差検出結果を基に、第１の空隙制御部手段により、振動膜と第１の固定電極間のギヤップをアクチュエータにより調整する。また、第２の誤差検出手段による誤差検出結果を基に、第２の空隙制御部手段により、振動膜と第２の固定電極間のギヤップをアクチュエータにより調整する。
これにより、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、トランスデューサの振動膜に対向する一対の固定電極の間で加工誤差や位置合わせ誤差、電気特性のばらつきが生じても、振動膜と固定電極と間のギャップ（空隙）をアクチュエータにより調整し、出力振動波形の正負非対称歪みを抑制することができる。このため、トランスデューサから直接発せられる可聴音成分を低減することができるので、より指向性の高いスピーカとして構成することが可能になる。

また、本発明の超音波トランスデューサは、前記一対の固定電極のうちの第１の固定電極側の検出用固定電極と前記振動膜との間の電圧測定により、該振動膜の第１の固定電極側に対する振幅電圧を検出する第１の振幅検出手段と、前記一対の固定電極のうちの第２の固定電極側の検出用固定電極と前記振動膜との間の電圧測定により、該振動膜の第２の固定電極側に対する振幅電圧を検出する第２の振幅検出手段と、前記第１の振幅検出手段により検出した振幅電圧レベルと、目標とする電圧レベルとの誤差を検出する第１の誤差検出手段と、前記第２の振幅検出手段により検出した振幅電圧レベルと、目標とする電圧レベルとの誤差を検出する第２の誤差検出手段と、前記第１の誤差検出手段による誤差検出結果が所定の値以下の場合に、前記第１の固定電極側の駆動用固定電極に印加する交流信号の利得を調整する第１の可変利得調整手段と、前記第２の誤差検出手段による誤差検出結果が所定の値以下の場合に、前記第２の固定電極側の駆動用固定電極に印加する交流信号の利得を調整する第２の可変利得調整手段と、前記第１の誤差検出手段による誤差検出結果が所定の値以上の場合に、前記第１の固定電極と振動膜との間のギャップをアクチュエータで調整する第１の空隙制御手段と、前記第２の誤差検出手段による誤差検出結果が所定の値以上の場合に、前記第２の固定電極と振動膜との間のギャップをアクチュエータで調整する第２の空隙制御手段とを備えることを特徴とする。
このような構成により、第１の誤差検出手段により、第１の振幅検出手段で検出した第１の固定電極側の振動電圧レベルと、目標とする電圧レベルとの誤差を検出する。また、第２の誤差検出手段により、第２の振幅検出手段で検出した第２の固定電極側の振幅電圧レベルと、目標とする電圧レベルとの誤差を検出する。また、第１の誤差検出手段による誤差検出結果が所定の値以下の場合は、第１の可変利得調整手段により、第１の固定電極側の駆動用固定電極に印加する交流信号の利得を調整する。また、第２の誤差検出手段による誤差検出結果が所定の値以下の場合は、第２の可変利得調整手段により、第２の固定電極側の駆動用固定電極に印加する交流信号の利得を調整する。また、第１の誤差検出手段による誤差検出結果が所定の値以上の場合は、第１の空隙制御手段により、第１の固定電極と振動膜との間のギャップをアクチュエータで調整する。また、第２の誤差検出手段による誤差検出結果が所定の値以上の場合は、第２の空隙制御手段により、第２の固定電極と振動膜との間のギャップをアクチュエータで調整する。
これにより、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、トランスデューサの振動膜に対向する一対の固定電極の間で加工誤差や位置合わせ誤差、電気特性のばらつきが生じても、超音波トランスデューサを駆動する正負の信号の利得を調整するか、または、振動膜と固定電極と間のギャップをアクチュエータにより調整し、出力振動波形の正負非対称歪みを抑制することができる。

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超音波トランスデューサを備え、超音波帯域の搬送波を可聴帯域の音響信号で変調した変調波を供給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、出力振動波形の正負非対称歪を抑制した超音波トランスデューサを使用して、指向性の高い復調音を再生可能な超音波スピーカを構成できる。

また、本発明の超音波トランスデューサの駆動制御方法は、導電層を有する振動膜と、該振動膜のそれぞれの面に対向して設けられた第１および第２の一対の固定電極とを有し、前記一対の固定電極には対応する位置に複数の貫通穴が設けられ、前記振動膜の導電層にＤＣバイアス電圧を印加すると共に、前記第１および第２の固定電極間に交流信号を印加して超音波を発生させる静電型の超音波トランスデューサの駆動制御方法であって、前記一対の固定電極の一部を超音波トランスデューサを駆動する駆動用固定電極として形成し、前記一対の固定電極の一部を前記振動膜の振幅を検出する検出用固定電極として形成する手順と、前記検出用固定電極で検出された振動膜の振幅の大きさに基づいて、前記第１および第２の固定電極と振動膜との間のギャップをそれぞれアクチュエータで調整することにより、入力信号に対して前記振動膜の振幅が比例して振動するように制御する手順とを含むことを特徴とする。
このような方法により、振動膜のそれぞれの面に対向して設けられた第１および第２の一対の固定電極のそれぞれについて、そのうちの一部を駆動用電極、一部を検出用電極（静電型センサ）として用いる。そして、第１および第２の固定電極のそれぞれの検出用電極で検出された振動膜の振幅情報を基にして、振動膜が両面対称（入力信号に対して正負対称）に振動するように、第１および第２の固定電極と振動膜とのギャップ（空隙）をそれぞれアクチュエータにより制御する。
これにより、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、トランスデューサの振動膜に対向する一対の固定電極の間で加工誤差や位置合わせ誤差、電気特性のばらつきが生じても、振動膜と固定電極と間のギャップをアクチュエータにより調整し、出力振動波形の正負非対称歪みを抑制することができる。このため、トランスデューサから直接発せられる可聴音成分を低減することができるので、より指向性の高いスピーカとして構成することが可能になる。

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。

［本発明による超音波トランスデューサの構成例の説明］
図１は、本発明による超音波トランスデューサの第１の構成例を示す図（断面図）である。図１に示す超音波トランスデューサ１はプッシュプル型の静電型超音波トランスデューサであり、導電層を有する振動膜（振動電極膜）１０を、上側の固定電極（上駆動用固定電極２１ａと上検出用固定電極２２ａ）と、下側の固定電極（下駆動用固定電極２１ｂと下検出用固定電極２２ｂ）とで挟んだ構造となっている。また、振動膜１０のそれぞれの面に対向するように、上側の固定電極（第１の固定電極）と、下側の固定電極（第２の固定電極）が配置されている。なお、図１に示す超音波トランスデューサ１では、振動膜１０に対して、固定電極２１ａ、２２aと、固定電極２１ｂ、２２ｂが対称の位置にあり、説明の都合上、振動膜１０に対して、固定電極２１ａ、２２ａの側を上側、固定電極２１ｂ、２２ｂの側を下側としている（他の図においても同じ）。

また、図１に示す上駆動用固定電極２１ａおよび下駆動用固定電極２１ｂを総称する場合は、駆動用固定電極２１と呼ぶ。上検出用固定電極２２ａおよび下検出用固定電極２２ｂを総称する場合は、検出用固定電極２２と呼ぶ。上下の固定電極を総称する場合は、固定電極２０と呼ぶ。上振幅検出部３０ａと下振幅検出部３０ｂを総称する場合は、振幅検出部３０と呼ぶ。上電圧制御部４０ａと下電圧制御部４０ｂを総称する場合は、電圧制御部４０と呼ぶ。

また、図２は、振動膜１０の構成例を示す図であり、図２（ａ）に示す振動膜（振動電極膜）１０は、導電層（電極膜）１２を絶縁膜１１で挟み込んだ形状になっている。また、図２（ｂ）に示す振動膜１０は、絶縁膜１１の片面に導電層（電極膜）１２を被覆した形状のものである。また、図２（ｃ）に示す振動膜１０は、絶縁膜１１の両面に導電層（電極膜）１２を被覆した形状のものである。なお、図２（ｂ）および図２（ｃ）に示す振動膜１０を使用する場合には、振動膜１０の導電層（電極膜）１２に対向する固定電極２０側に絶縁層を設けることが必要になる。

図１に戻り、固定電極２０は、互いに絶縁された複数の電極アレイを配列させた構造としてもよい。また、固定電極２０には、振動膜１０から発せられた音波を通す貫通部（または貫通穴）が設けられている。なお、貫通部はアレイ状の各電極を間隙を設けるように配置して確保しても良いし、固定電極２０に貫通穴を設けるようにしても良い。

そして、上下対向する固定電極２０の電極アレイのうち、その一部を上駆動用固定電極２１ａ、下駆動用固定電極２１ｂとして使用し、上駆動用固定電極２１ａには上電圧制御部４０ａを接続し、下駆動用固定電極２１ｂには下電圧制御部４０ｂを接続し、交流信号（駆動信号）を印加する。

また、固定電極２０の電極アレイのうちの一部を、上検出用固定電極２２ａ、下検出用固定電極２２ｂとして使用し、上検出用固定電極２２ａには上振幅検出部３０ａを接続し、下検出用固定電極２２ｂには、下振幅検出部３０ｂを接続し、振動膜１０の上下方向の膜振幅情報を検出する。

そして、上振幅検出部３０ａおよび下振幅検出部３０ｂにより検出された振動膜の振幅情報を基にして、正負（上下）対称の入力信号に対しては、振動膜が上下対称に、つまり入力信号に比例して振動するように、上駆動用固定電極２１ａおよび下駆動用固定電極２１ｂに与える信号（駆動電圧）を調節する。なお、振幅検出部３０および電圧制御部４０の構成と動作の詳細については後述する。

また、図１に示した固定電極は、振動膜１０と固定電極２０との間の全体にわたって空隙を設けた構成であるが、振動膜１０と上下の固定電極２０との間のギャップ（空隙）は設けても設けなくても良い。ギャップを設ける場合は、ラウドスピーカ向きとなり、振動膜１０と固定電極２０とを接触して挟み込むようにすれば超音波スピーカ向きとなる。

また、図１に示す例では、検出用固定電極として、上側の固定電極については上検出用固定電極２２ａを、下側の固定電極については下検出用固定電極２２ｂを、それぞれ１個だけ配置した例を示しているが、検出用固定電極は複数個設けてもよい。この場合には、最も大きく振幅がとれる中央部分を駆動用固定電極として使用できるようになる。また、複数の検出用固定電極で検出された振幅電圧の平均値を振幅出力として使用する。

なお、図１は、超音波トランスデューサの横断面を示しているが、固定電極の平面形状は、円や矩形など、様々なパターンに形成することができる。また、音波の貫通部の平面形状についても、円や矩形、同心円状環、同心矩形状環など、様々なパターンに形成することができる。

また、図３は、超音波トランスデューサの第２の構成例を示す図であり、振動膜１０と上側固定電極（上駆動用固定電極２１ａおよび上検出用固定電極２２ａ）との間のギャップ（空隙）を調節する上アクチュエータ２３ａと、振動膜１０と下側固定電極（下駆動用固定電極２１ｂおよび下検出用固定電極２２ｂ）の間のギャップ（空隙）を調節する下アクチュエータ２３ｂとを設けた例である。

この例では、上振幅検出部３０ａ及び下振幅検出部３０ｂで検出された振動膜１０の振幅情報を基にして、振動膜１０が入力信号に対して忠実に（比例して）振動するようにギャップ（空隙）を調整する。このギャップ（空隙）の調整は、上空隙制御部５０ａと下空隙制御部５０ｂから、上アクチュエータ２３ａと下アクチュエータ２３ｂに信号を与えて制御することにより行われる（なお、上空隙制御部５０ａと下空隙制御部５０ｂを総称する場合は、空隙制御部５０と呼ぶ）。

また、図４は、超音波トランスデューサの第３の構成例を示す図であり、図１に示す第１の超音波トランスデューサと、図３に示す第２の超音波トランスデューサの有する機能を複合して設けた超音波トランスデューサの構成例を示す図である。

図４に示す超音波トランスデューサにおいては、上下対向する固定電極２０の電極アレイのうち、その一部を上駆動用固定電極２１ａ、下駆動用固定電極２１ｂとして使用し、上駆動用固定電極２１ａには上電圧制御部４０ａを接続し、下駆動用固定電極２１ｂには下電圧制御部４０ｂを接続し、駆動信号を印加する。

また、固定電極２０の電極アレイのうち、その一部を、上検出用固定電極２２ａ、下検出用固定電極２２ｂとして使用し、上検出用固定電極２２ａには上振幅検出部３０ａを接続し、下検出用固定電極２２ｂには下振幅検出部３０ｂを接続し、振動膜１０の上下方向の膜振幅情報を検出する。

そして、上振幅検出部３０ａおよび下振幅検出部３０ｂにより検出された振動膜の振幅情報を基にして、振動膜が上下対称に振動するように、上下の固定電極２０に与える信号（駆動電圧）を、上電圧制御部４０ａおよび下電圧制御部４０ｂにより調節する。

さらに、振動膜１０と上駆動用固定電極２１ａとの間のギャップ（空隙）を調節する上アクチュエータ２３ａと、振動膜１０と下駆動用固定電極２１ｂとの間のギャップ（空隙）を調節する下アクチュエータ２３ｂとを設け、上振幅検出部３０ａおよび下振幅検出部３０ｂで検出された振動膜１０の振幅情報を基にして、振動膜１０が入力信号に対して忠実に（比例して）振動するようにギャップ（空隙）を調整する。このギャップ（空隙）の調整は、上空隙制御部５０ａと下空隙制御部５０ｂから、上アクチュエータ２３ａと下アクチュエータ２３ｂに信号を与えて制御することにより行われる。

この第３の構成例においては、上振幅検出部３０ａおよび下振幅検出部３０ｂで検出された振動膜１０の上側振幅と下側振幅との非対称性の大きさに応じて、電圧制御部４０による駆動電圧制御と、空隙制御部５０による空隙制御とを選択的に使い分けるようにした構成例である。

例えば、膜振幅の上下非対称性が所定値よりも大きい間は、空隙制御部５０による空隙制御を行い、非対称性が所定値よりも小さくなったら、電圧制御部４０による駆動電圧制御を行うようにする。

［振幅検出の原理と振幅検出部の構成と動作説明］
振幅検出の原理は、コンデンサマイクの検出原理と同様である。振動膜１０と検出用固定電極２２との間にはコンデンサが形成されているため、振動膜１０が振動して検出用固定電極２２とのギャップが変動すると、コンデンサの静電容量が変化してコンデンサに誘起される電荷量が変化する。その結果、コンデンサ電極間の電圧が変化する。よって、振動膜１０と検出用固定電極２２との電圧を検出することで、振動膜１０と検出用固定電極２２のギャップ、すなわち振幅を検出することができる。

図５に、振幅検出部の一構成例を示す。振幅検出部３０は上振幅検出部（第１の振幅検出手段）３０ａと下振幅検出部（第２の振幅検出手段）３０ｂから構成される。上振幅検出部３０ａでは、上電圧検出部３１ａにより振動膜１０と上検出用固定電極２２ａとの間の振幅電圧を検出し、検出された電圧波形の極大点を上ピーク検出部３２ａにて検出することで振動膜１０の上側の振幅を検出する。

また、下振幅検出部３０ｂでは、下電圧検出部３１ｂにより振動膜１０と下検出用固定電極２２ｂとの間の電圧を検出し、検出された電圧波形の極大点を下ピーク検出部３２ｂにて検出することで振動膜１０の下側の振幅を検出する。

これにより、正負の駆動信号に対する振動膜１０の振幅状態を検出し、振動膜１０における非対称歪を検出することができる。

［電圧制御部の構成と動作説明］
また、図６は、電圧制御部の一構成例を示す図である。電圧制御部４０は、上振幅検出部３０ａと下振幅検出部３０ｂ（図５参照）に対応して、上電圧制御部４０ａと下電圧制御部４０ｂが設けられている。上電圧制御部４０ａと下電圧制御部４０ｂはそれぞれ同じ回路構成である。

上誤差検出回路（第１の誤差検出手段）４１ａは、上振幅検出部３０ａ（図５参照）で検出された振動膜の振幅（上検出振幅）の上目標振幅に対する偏差を出力する。また、下誤差検出回路（第２の誤差検出手段）４１ｂは、下振幅検出部３０ｂ（図５参照）で検出された振動膜の振幅（下検出振幅）の下目標振幅に対する偏差を出力する。ここで、目標振幅は駆動電圧に対する目標振幅を予め対応付けておいても良いし、一方の検出用固定電極で検出された振幅を対向する電極側の目標振幅として設定するようにしても良い。

上可変利得増幅回路（第１の可変利得調整手段）４２ａは、上誤差検出回路４１ａから出力される目標振幅に対する偏差量に応じて増幅回路の利得を調節しながら交流信号（駆動信号）を増幅する。また、下可変利得増幅回路（第２の可変利得調整手段）４２ｂは、下誤差検出回路４１ｂから出力される目標振幅に対する偏差量に応じて増幅回路の利得を調節しながら交流信号（駆動信号）を増幅する。ここでは目標振幅に対して検出振幅が小さい場合（＋偏差）には利得を増大させ、大きい場合（−偏差）には利得を減少させる。

このようにして、振幅の偏差に応じて利得の調整が行われた後、上パワーアンプ４３ａおよび下パワーアンプ４３ｂで電力増幅が行われ、超音波トランスデューサ１の上駆動用固定電極２１ａおよび下駆動用固定電極２１ｂに駆動信号が供給される。

なお、上可変利得増幅回路４２ａおよび下可変利得増幅回路４２ｂにおける利得の調整は、基本的には自動調整により行われるが、これをマニュアル（手動）で調整（設定）できるようにしてもよい。例えば、工場出荷時に予めマニュアル（手動）で調整しておくことにより、超音波トランスデューサを最適な状態で出荷することができる。

［空隙制御部の構成と動作説明］
図７は、空隙制御部の一構成例を示す図であり、空隙制御部５０には、上アクチュエータ２３ａと下アクチュエータ２３ｂ（図３、図４を参照）に対応して、上空隙制御部５０ａと下空隙制御部５０ｂとが設けられている。上空隙制御部５０ａと下空隙制御部５０ｂとはそれぞれ同じ回路構成である。

上誤差検出回路（第１の誤差検出手段）５１ａにより、振動膜１０の上検出振幅と上目標振幅との偏差を出力する。また、下誤差検出回路（第２の誤差検出手段）５１ｂにより、振動膜１０の下検出振幅と下目標振幅との偏差を出力する。ここで、目標振幅は駆動電圧に対する目標振幅を予め対応付けておいても良いし、一方の検出用固定電極で検出された振幅を対向する電極側の目標振幅として設定するようにしても良い。

上空隙制御回路（第１の空隙制御手段）５２ａは、振幅の差（上誤差検出回路５１ａの出力）がゼロ（０）になるように上アクチュエータ（アクチュエータ素子）を介して、振動膜１０と上駆動用固定電極２１ａとの間の空隙を制御するように構成されている。同様に、下空隙制御回路（第２の空隙制御手段）５２ｂは、振幅の差（下誤差検出回路５１ｂの出力）がゼロ（０）になるように下アクチュエータ（アクチュエータ素子）を介して、振動膜１０と下駆動用固定電極２１ｂとの間の空隙を制御するように構成されている。上空隙制御回路５２ａおよび下空隙制御回路５２ｂには、例えばＰＩ制御器やＰＩＤ制御器などを用いることができる。

また、図１０は、空隙制御可能に構成された超音波トランスデューサの固定電極の例を示す図であり、図１０に示すよう、アクチュエータ素子（上アクチュエータ２３ａおよび下アクチュエータ２３ｂ）としては、例えば、振動膜１０と上駆動用固定電極２１ａ間、および振動膜１０と下駆動用固定電極２１ｂ間にフッ化ビニリデン樹脂（ＰＤＶＦ）等のフィルム状（平板状）圧電素子を挟んだ構成とし、上記空隙制御部５０によって、ＰＤＶＦに与える電圧を調節することで、ＰＤＶＦフィルムの厚さが変化するので、空隙の微小制御を行うことができる。なお、振動膜１０の振動や音波の放射を妨げないように、上記圧電素子は固定電極２０が振動膜１０に接触する面部にのみ形成されている。なお、これ以外の微小制御可能なアクチュエータ手段を用いて構成することももちろん可能である

また、図３、図４および図１０に示す超音波トランスデューサの例では、上下それぞれの空隙を制御可能な構成として示しているが、一方を省略して上下どちらか片方のみ制御するように構成してもかまわない。

また、上空隙制御回路５２ａおよび下空隙制御回路５２ｂにおける空隙調整は、基本的には自動調整により行われるが、これをマニュアル（手動）で調整（設定）できるようにしてもよい。例えば、工場出荷時に予めマニュアル（手動）で調整しておくことにより、超音波トランスデューサを最適な状態で出荷することができる。

［超音波トランスデューサの固定電極の構成例］
図１に示した固定電極は、振動膜１０と固定電極２０との間の全体にわたって空隙を設けた構成であり、振動面積が大きいことから、可聴音帯域の再生を重視したラウドスピーカ向きの構成である。なお、図１はトランスデューサの横断面を示しているが、音波貫通部の平面形状は、円や矩形、同心円状環、同心矩形状環など、様々なパターンに形成することができる。

また、図８は、超音波トランスデューサの固定電極の構成例を示す図であり、固定電極の一部を切り出して示したものであり、両面絶縁層の振動膜１０を使用し、振動膜１０に固定電極を接触挟持するようにした構成例である。なお、図８に示す例は、電極アレイの一部を示したものであり、実際には、図８に示す構成部が複数隣接配置されるようなイメージとなる。また、図８に示す構成例は、図１に示す構成よりも振動面積が小さいことから、超音波スピーカ向きの構成である。

この場合、振動電極膜、及び固定電極の構成例としては、次のケースが考えられる。
第１のケースとし、両表面に絶縁膜が被覆形成された振動膜１０を用いる（図８参照）。
第２のケースとして、振動膜１０の両表面には電極層が形成（被覆）され、振動膜に対向する上下固定電極の表面にはそれぞれ絶縁層が形成されている（図示せず）。
第３のケースとして、図９に示すように、絶縁膜の片面に導電層（電極膜面）が被覆形成された振動膜を用い、振動膜１０の導電層形成面に対向する固定電極の表面には絶縁層が形成されている。

上下の対称性を考えると、第１のケース（両表面に絶縁膜が被覆形成された振動膜）の構成が好ましいが、そのような振動膜は製造が難しいという問題がある。第３のケース（絶縁膜の片面に導電層が被覆形成された振動膜）における振動膜を２枚貼り合わせることで結果的に、第１のケースの振動膜を形成することも可能だが、均一に接着するのが難しく、膜の特性が局部的にばらつく恐れがある上に、上下の対称性も確保し難くなるという問題がある。接着剤も導電性のものを用いなければならない。

第２のケースや、第３のケースの場合は、絶縁膜の表面に電極層を均一に蒸着する技術は既に確立されているので、振動膜については製造上大きな問題はない。また、固定電極にも絶縁層を形成する技術は存在するので製造上は大きな問題はない。しかし、図に示すような階段形状の固定電極上に絶縁層を形成する場合は、厚さを高精度に管理するのが難しいため、やはり上下の非対称性が発生してしまうという問題がある。

このように、製造上の点から、図８に示す構成は、図１に示す構成よりも上下の非対称性が大きくなる傾向がある。本発明は、このように上下の特性が非対称な構成のトランスデューサに対して上下対称に振動させることを可能とするものである。

なお、図８および図９に示す例では、矩形状の音波貫通部を有するように構成しているが、これ以外にも、貫通部が円状など、その他の形状に構成することも勿論可能である。また、振動膜１０に作用する静電力を大きくするため、固定電極の断面形状が階段状になるように形成しているが、これ以外にも、テーパ状に形成したり、あるいは階段部をなくしてストレートに貫通するように形成することも勿論可能である。

以上、本発明の実施の形態について説明した。本発明による超音波トランスデューサを使用して超音波スピーカを構成すれば、超音波帯域の搬送波を可聴帯域の音響信号で変調した変調波による駆動する場合に、出力振動波形の正負非対称歪みを抑制でき、トランスデューサから直接発せられる可聴音成分を低減することができる。このため、より指向性の高い超音波スピーカとして構成することが可能になる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明の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。

本発明による超音波トランスデューサの第１の構成例を示す図。 振動電極膜の構成例を示す図。 本発明による超音波トランスデューサの第２の構成例を示す図。 本発明による超音波トランスデューサの第３の構成例を示す図。 振幅検出部の一構成例を示す図。 電圧制御部の一構成例を示す図。 空隙制御部の一構成例を示す図。 超音波トランスデューサの固定電極の構成例を示す図。 超音波トランスデューサの固定電極の他の構成例を示す図。 空隙制御可能に構成された固定電極の構成例を示す図。 プル型の静電型超音波トランスデューサの駆動概念の説明図。 プッシュプル型の静電型超音波トランスデューサの駆動概念の説明図。 振動波形の上下非対称歪の例を示す図。

符号の説明

１…超音波トランスデューサ、１０…振動膜、１１…絶縁膜、１２…導電層（電極膜）、２０…固定電極、２０ａ…固定電極、２０ｂ…固定電極、２１…駆動用固定電極、２１ａ…上駆動用固定電極、２１ｂ…下駆動用固定電極、２２…検出用固定電極、２２ａ…上検出用固定電極、２２ｂ…下検出用固定電極、２３ａ…上アクチュエータ、２３ｂ…下アクチュエータ、３０…振幅検出部、３０ａ…上振幅検出部、３０ｂ…下振幅検出部、３１ａ…上電圧検出部、３１ｂ…下電圧検出部、３２ａ…上ピーク検出部、３２ｂ…下ピーク検出部、４０…電圧制御部、４０ａ…上電圧制御部、４０ｂ…下電圧制御部、４１ａ…上誤差検出回路、４１ｂ…下誤差検出回路、４２ａ…上可変利得増幅回路、４２ｂ…下可変利得増幅回路、５０…空隙制御部、５０ａ…上空隙制御部、５０ｂ…下空隙制御部、５１ａ…上誤差検出回路、５１ｂ…下誤差検出回路
５２ａ 上空隙制御回路、 ５２ｂ 下空隙制御回路

Claims (8)

1. 導電層を有する振動膜と、該振動膜のそれぞれの面に対向して設けられた第１および第２の一対の固定電極とを有し、前記一対の固定電極には対応する位置に複数の貫通穴が設けられ、前記振動膜の導電層にＤＣバイアス電圧を印加すると共に、前記第１および第２の固定電極間に交流信号を印加して超音波を発生させる静電型の超音波トランスデューサであって、
   前記一対の固定電極の一部が超音波トランスデューサを駆動する駆動用固定電極として形成され、前記一対の固定電極の一部が前記振動膜の振幅を検出する検出用固定電極として形成されると共に、
   前記検出用固定電極で検出された振動膜の振幅の大きさに基づいて、前記第１および第２の固定電極と振動膜との間のギャップをそれぞれアクチュエータで調整することにより、入力信号に対して前記振動膜の振幅が比例して振動するように制御する手段を
   備えることを特徴とする超音波トランスデューサ。
2. 前記一対の固定電極のそれぞれが、互いに絶縁された複数の電極をアレイ状に配列して形成され、前記電極アレイの一部が駆動用固定電極として、一部が振幅検出用の検出用固定電極として形成されたことを特徴とする請求項１に記載の超音波トランスデューサ。
3. 前記振動膜が、導電層なる電極膜の両表面に絶縁層を被覆して形成されたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超音波トランスデューサ。
4. 前記振動膜は、該振動膜の片面、または両面に導電層を被覆して形成され、前記固定電極の前記振動膜の導電層に対向する面には、絶縁層が形成されたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超音波トランスデューサ。
5. 前記一対の固定電極のうちの第１の固定電極側の検出用固定電極と前記振動膜との間の電圧測定により、該振動膜の第１の固定電極側に対する振幅電圧を検出する第１の振幅検出手段と、
   前記一対の固定電極のうちの第２の固定電極側の検出用固定電極と前記振動膜との間の電圧測定により、該振動膜の第２の固定電極側に対する振幅電圧を検出する第２の振幅検出手段と、
   前記第１の振幅検出手段により検出した振幅電圧レベルと、目標とする電圧レベルとの誤差を検出する第１の誤差検出手段と、
   前記第２の振幅検出手段により検出した振幅電圧レベルと、目標とする電圧レベルとの誤差を検出する第２の誤差検出手段と、
   前記第１の誤差検出手段による誤差検出結果を基に、前記第１の固定電極と振動膜との間のギャップをアクチュエータで調整する第１の空隙制御手段と、
   前記第２の誤差検出手段による誤差検出結果を基に、前記第２の固定電極と振動膜との間のギャップをアクチュエータで調整する第２の空隙制御手段と
   を備えることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の超音波トランスデューサ。
6. 前記一対の固定電極のうちの第１の固定電極側の検出用固定電極と前記振動膜との間の電圧測定により、該振動膜の第１の固定電極側に対する振幅電圧を検出する第１の振幅検出手段と、
   前記一対の固定電極のうちの第２の固定電極側の検出用固定電極と前記振動膜との間の電圧測定により、該振動膜の第２の固定電極側に対する振幅電圧を検出する第２の振幅検出手段と、
   前記第１の振幅検出手段により検出した振幅電圧レベルと、目標とする電圧レベルとの誤差を検出する第１の誤差検出手段と、
   前記第２の振幅検出手段により検出した振幅電圧レベルと、目標とする電圧レベルとの誤差を検出する第２の誤差検出手段と、
   前記第１の誤差検出手段による誤差検出結果が所定の値以下の場合に、前記第１の固定電極側の駆動用固定電極に印加する交流信号の利得を調整する第１の可変利得調整手段と、
   前記第２の誤差検出手段による誤差検出結果が所定の値以下の場合に、前記第２の固定電極側の駆動用固定電極に印加する交流信号の利得を調整する第２の可変利得調整手段と、
   前記第１の誤差検出手段による誤差検出結果が所定の値以上の場合に、前記第１の固定電極と振動膜との間のギャップをアクチュエータで調整する第１の空隙制御手段と、
   前記第２の誤差検出手段による誤差検出結果が所定の値以上の場合に、前記第２の固定電極と振動膜との間のギャップをアクチュエータで調整する第２の空隙制御手段と
   を備えることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の超音波トランスデューサ。
7. 請求項１から６のいずれかに記載の超音波トランスデューサを備え、超音波帯域の搬送波を可聴帯域の音響信号で変調した変調波を供給するように構成されたことを特徴とする超音波スピーカ。
8. 導電層を有する振動膜と、該振動膜のそれぞれの面に対向して設けられた第１および第２の一対の固定電極とを有し、前記一対の固定電極には対応する位置に複数の貫通穴が設けられ、前記振動膜の導電層にＤＣバイアス電圧を印加すると共に、前記第１および第２の固定電極間に交流信号を印加して超音波を発生させる静電型の超音波トランスデューサの駆動制御方法であって、
   前記一対の固定電極の一部を超音波トランスデューサを駆動する駆動用固定電極として形成し、前記一対の固定電極の一部を前記振動膜の振幅を検出する検出用固定電極として形成する手順と、
   前記検出用固定電極で検出された振動膜の振幅の大きさに基づいて、前記第１および第２の固定電極と振動膜との間のギャップをそれぞれアクチュエータで調整することにより、入力信号に対して前記振動膜の振幅が比例して振動するように制御する手順と
   を含むことを特徴とする超音波トランスデューサの駆動制御方法。
   

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