JP4193615B2

JP4193615B2 - 超音波変換装置

Info

Publication number: JP4193615B2
Application number: JP2003192292A
Authority: JP
Inventors: 欣也松澤
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2003-07-04
Filing date: 2003-07-04
Publication date: 2008-12-10
Anticipated expiration: 2023-07-04
Also published as: JP2005027186A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気信号と超音波信号とを変換する超音波変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の主な超音波変換装置（超音波トランスデューサ）には、共振型のものと、静電型（静電方式）のものとがある。共振型の超音波変換装置は、圧電セラミックの共振現象を利用して電気信号と超音波信号との変換を行っている。そのため、超音波信号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。
【０００３】
一方、静電型の超音波変換装置は、静電効果による振動によって、電気信号と超音波信号との変換を行う。その際、静電効果をなすための静電容量を複数形成するとともに、各容量を異ならせることによって、広帯域型の周波数特性を実現している（例えば特許文献１および２、非特許文献１参照）。
【０００４】
ここで、図６および図７を参照して従来の静電型の超音波変換装置の構成の一例について説明する。図６に示す静電型の超音波変換装置は、振動体として数μｍ（３〜１０μｍ程度）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８１（絶縁体）を用いている。誘電体８１に対しては、金属箔として形成される上電極８２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、真鍮の下電極８３が下面部に接触するように設けられている。下電極８３は、リード８４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８５に固定されている。誘電体８１および上電極８２ならびにベース板８５は、メタルリング８６、８７、および８８、ならびにメッシュ８９とともに、ケース８０によってかしめられている。
【０００５】
上電極８２と下電極８３との間には直流電源９０と交流電源９１とが接続されている。直流電源９０は、上電極８２の吸着用のバイアス電圧を発生するためのもので、直流５０〜１５０Ｖ程度の電圧を発生する。交流電源９１は、超音波信号を発生させるための周波数２０ｋＨｚ以上の交流電圧を発生するためのもので、ピーク−ピークで５０〜１５０Ｖ程度の電圧を発生する。
【０００６】
また、下電極８３の誘電体８１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８３ａが複数形成されている。このランダムな微小な溝８３ａは例えば、下電極８３の表面を手作業でヤスリで荒らすことで形成されている。図７に示すように、誘電体８１は、上電極８２と下電極８３との間に直流電圧が印加されると、上電極８２と下電極８３とが静電気すなわちクーロン力によって引き合い、下電極８３の凸部８３ｂに吸着する。各微小な溝８３ａが下電極８３と誘電体８１との間に各空隙を形成するとともに、それぞれが微小な容量となる。そのため、上電極８２および下電極８３間の静電容量の分布が微小に変化する。
【０００７】
直流バイアスを掛けた状態で交流電圧を印加すると、誘電体８１の溝８３ａに対応する各部分は、それぞれ異なる共振周波数を有して破線で示すように振動する。静電型の超音波変換装置では、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、超音波変換装置の周波数特性を広帯域としている。
【０００８】
【特許文献１】
特開２０００−５０３８７号公報（第９−１０頁、第１１、１２図）
【特許文献２】
特開２０００−５０３９２号公報（第５頁、第３図）
【非特許文献１】
「静電型超音波トランスデューサの電極表面形状と出力音圧」１９９５年１月、青木利元、電気通信大学
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように従来の静電型の超音波変換装置は、上電極の薄膜と下電極のバルク材料とを吸着するために数十〜数百Ｖの直流バイアス電圧（ＤＣバイアス電圧）を必要としていた。この直流バイアス電圧は高電圧であり、感電等の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。
【００１０】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、静電型超音波変換装置において、直流バイアス電圧を不要にあるいは低電圧化することができる超音波変換装置（超音波トランスデューサ）を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は、超音波周波数帯域で振動する振動膜と、振動膜の一方の面に形成された強磁性体である導体と、振動膜の他方の面に対向して配置された磁石とを備えることを特徴とする。例えばＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）等の絶縁体をなす高分子物質から振動膜を構成し、その一面にニッケル等の強磁性体の金属等の導体の薄膜をめっき等の処理で形成する。振動膜は、その強磁性体の導体と振動膜の他方の面に配置された磁石との引力によって、磁石に対して吸着される。よって、直流バイアス電圧を用いなくても、振動膜に対して必要な吸着力を得ることができる。あるいは、直流バイアスを必要とする場合でも、磁石による吸着力と直流バイアスによる吸着力とを併用することで従来よりも小さな電圧値による直流バイアスで、所望の吸着力を得ることができる。
【００１２】
また他の発明は、前記磁石が、高分子化合物と強磁性体粉末とを混合したものからなり且つ単極着磁されたものであって、さらに導体をなすものであることを特徴とする。この構成では、磁石を、プラスチックマグネット、ゴムマグネット等の高分子化合物と強磁性体粉末とを混合したもので構成し、さらに強磁性体粉末によって導電性を確保し、磁石を導体として用いるようにする。この磁石がなす導体と、振動膜に形成された導体とに交流電圧を印加することで、超音波信号を発生することができる。また、単極着磁とすることで、磁石の着磁を簡単化することができる。
【００１３】
また他の発明は、前記磁石が、高分子化合物と強磁性体粉末とを混合したものからなり且つ多極着磁されたものであって、さらに導体をなすものであることを特徴とする。この構成では、磁石を、プラスチックマグネット、ゴムマグネット等の高分子化合物と強磁性体粉末とを混合したもので構成し、さらに強磁性体粉末によって導電性を確保し、磁石を導体として用いるようにする。この磁石がなす導体と、振動膜に形成された導体とに交流電圧を印加することで、超音波信号を発生することができる。また、多極着磁とすることで、磁石の磁力を高めることができる。
【００１４】
また他の発明は、前記磁石が、単極着磁された永久磁石であり、前記磁石と前記振動膜との間に非磁性体である導体をさらに備えることを特徴とする。この構成では、アルミニウム、銅、真鍮等の非磁性体導体と、振動膜に形成された導体とに交流電圧を印加することで、超音波信号を発生することができる。また、単極着磁とすることで、磁石の着磁を簡単化することができる。ここで、永久磁石は、希土類マグネット等の磁力が比較的強いものを用いることが望ましい。
【００１５】
また他の発明は、前記磁石が、多極着磁された永久磁石であり、前記磁石と前記振動膜との間に非磁性体である導体をさらに備えることを特徴とする。この構成では、アルミニウム、銅、真鍮等の非磁性体導体と、振動膜に形成された導体とに交流電圧を印加することで、超音波信号を発生することができる。また、多極着磁とすることで、磁石の磁力を高めることができる。ここで、永久磁石は、希土類マグネット等の磁力が比較的強いものを用いることが望ましい。
【００１６】
なお、上記構成においてはさらに、磁石の振動膜側の面に深さが異なる複数の溝を設けるようにしたり、非磁性体である導体の振動膜側の面に深さが異なる複数の溝を設けるようにしたり、あるいは、さらに磁石又は非磁性体である導体と振動膜との間に深さが異なる複数の空隙を形成するようなスペーサを追加して設けるようにしてもよい。これによれば、超音波信号の周波数特性を容易に広帯域化することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の超音波変換装置の一実施の形態について図面を参照して説明する。以下で説明する本発明の超音波変換装置の各実施の形態は、静電型の超音波トランスデューサである。そして、その特徴部分は、超音波の振動体としての誘電体からなる振動膜に対して吸着力を発生するための構成と電圧を印加するための１対の電極の構成である。
【００１８】
図１は、本発明の超音波変換装置の第１の実施の形態における超音波振動膜と、振動膜を挟む１対の電極とからなる部分の断面図である。振動膜１１は、数μｍ（３〜１０μｍ程度）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）である。振動膜１１の厚みは、その振動特性から１０μｍ以下が望ましい。振動膜１１に対しては、その上面に上電極１２が金属箔として形成されている。
【００１９】
上電極１２は、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、それらの合金、アモルファス合金等の強磁性体であってかつ導電性を有する材料から構成された導体である。上電極１２は、例えば、めっき処理すなわち溶融金属に浸したり、真空蒸着をしたりする処理によって振動膜１１の上面に形成することができる。
【００２０】
振動膜１１の下面には、下面に対して対向し、接触するようにして下電極１３が配置されている。下電極１３は、プラスチック、ゴム等の高分子化合物と、フェライト粉末、希土類マグネット粉末等の強磁性体粉末とを混合したプラスチックマグネット、ゴムマグネット等であって、さらに導体をなすように形成された電極である。例えば導電性プラスチックは、通常樹脂に導電材料粉をバインドしたものである。したがって、バインド材料に磁性材料であるニッケル、鉄、コバルト、これらの複合材料の合金粉などを混在させれば、導電性と磁性を確保することが可能となり、導電性プラスチックマグネットとなる。あるいは、プラスチックマグネット、ゴムマグネットの表面近傍に導電性を有する材料で構成された電極層を全面に対して部分的に分散するような形状で高分子化合物と一体成形することで構成し、それを導体として用いるようにしてもよい。
【００２１】
下電極１３は、単極着磁されて、永久磁石としての特性を有している。図中の矢印はマグネットの着磁方向を示している。下電極１３によって破線で示すような磁力線が生じる。したがって、強磁性体からなる上電極１２と永久磁石を構成する下電極１３は、互いに引き合い、振動膜１１を下電極１３に吸着させる。
【００２２】
なお、振動膜１１、上電極１２、下電極１３の平面形状は、円板状のもの、円環状のもの、多角形状のもの等の形状を有している。図１に示す振動膜１１は、上電極１２と下電極１３間の磁力によって吸着され、上電極１２と下電極１３の間に超音波信号の周波数の交流電圧を印加することで超音波信号の周波数で振動する。印加電圧は、例えばピーク−ピークで５０〜１５０Ｖの交流電圧である。ただし、振動膜１１を下電極１３に吸着させるための吸着力は、すべて磁力によって発生させずに、直流バイアス電圧を上電極１２と下電極１３との間に印加して静電気による吸着力を併用するようにしてもよい。
【００２３】
また、下電極１３にはさらに、振動膜１１側の面に、表面を粗面状として深さが異なる複数の溝を設けるようにしたり、振動膜１１との間に深さが異なる複数の空隙を形成するようなスペーサを追加して設けるようにしてもよい。これによれば、超音波信号の周波数特性をさらに広帯域化することができる。ただし、表面仕上げは、鏡面状とするようにしてもよい。
【００２４】
図２は、本発明の超音波変換装置の第２の実施の形態における超音波振動膜と、振動膜を挟む１対の電極とからなる部分の断面図である。振動膜１１と上電極１２は、図１に示すものと同様に構成されている。振動膜１１の下面には、下面に対して対向し、接触するようにして下電極１４が配置されている。
【００２５】
下電極１４は、図１の下電極１３と同様に、プラスチック、ゴム等の高分子化合物と、フェライト粉末、希土類マグネット粉末等の強磁性体粉末とを混合したプラスチックマグネット、ゴムマグネット等であって、さらに導体をなすように形成された電極である。下電極１４は、図１の下電極１３と異なり、多極着磁されて、永久磁石としての特性を有している。すなわち、図１の構成と図２の構成の相違点は、着磁パターンである。図中の矢印はマグネットの着磁方向を示している。図２に示す構成では、部分的に互い違いに逆方向に着磁している。この場合、下電極１４によって破線で示すような磁力線が矢印に対応して複数発生する。そのため、磁気回路が短くなり吸着力を強くすることができる。
【００２６】
図３は、本発明の超音波変換装置の第３の実施の形態における超音波振動膜と、振動膜を挟む１対の電極とからなる部分の断面図である。振動膜１１と上電極１２は、図１および図２に示すものと同様に構成されている。振動膜１１の下面には、下面に対して対向し、接触するようにして下電極１５が配置され、さらに下電極１５の下面には磁石１６が配置されている。
【００２７】
下電極１５は、非磁性体であってかつ導電材料である物質から構成されている。非磁性体は、強磁性体以外の磁性体である。非磁性体の金属としては、例えば、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、白金（Ｐｔ）、真鍮等の物質がある。あるいは、導電性プラスチックを使用することもできる。ここで、導電材料である物質は、導体（電気伝導率の大きい物質）としての性質を有するものである。
【００２８】
下電極１５の下側には、磁石１６が配置されている。磁石１６と下電極１５は、接着、圧着等によって互いに固定されていてもよいし、上下方向に移動可能なように把持されていてもよい。磁石１６は、永久磁石であって、磁石材料の種類は問わない。ただし、磁力の弱いフェライトマグネットよりも、磁力の強いプラスチックマグネット、さらに磁力の強い希土類マグネットなどを用いることが望ましい。
【００２９】
また、図３に示す構成では、単極着磁されて、一方向の着磁パターンを有している。したがって、強磁性体からなる上電極１２と永久磁石を構成する磁石１６は、互いに引き合い、振動膜１１を下電極１５に吸着させる。
【００３０】
なお、振動膜１１、上電極１２、下電極１５、磁石１６の平面形状は、円板状、円環状、多角形状等の形状である。図３に示す振動膜１１は、上電極１２と磁石１６間の磁力によって吸着され、上電極１２と下電極１５の間に超音波信号の周波数の交流電圧を印加することで超音波信号の周波数で振動する。印加電圧は、例えばピーク−ピークで５０〜１５０Ｖの交流電圧である。ただし、振動膜１１を下電極１５に吸着させるための吸着力は、すべて磁力によって発生させずに、直流バイアス電圧を上電極１２と下電極１５との間に印加して静電気による吸着力を併用するようにしてもよい。
【００３１】
また、下電極１５にはさらに、振動膜１１側の面に、表面を粗面状として深さが異なる複数の溝を設けるようにしたり、振動膜１１との間に深さが異なる複数の空隙を形成するようなスペーサを追加して設けるようにしてもよい。これによれば、超音波信号の周波数特性をさらに広帯域化することができる。ただし、表面仕上げは、鏡面状とするようにしてもよい。
【００３２】
図４は、本発明の超音波変換装置の第４の実施の形態における超音波振動膜と、振動膜を挟む１対の電極とからなる部分の断面図である。振動膜１１と上電極１２は、図１、図２および図３に示すものと同様に構成されている。
【００３３】
磁石１７は、図３の磁石１６と同様に下電極１５の下側に配置された磁石である。磁石１７は、永久磁石であって、磁石材料の種類は問わない。ただし、磁力の弱いフェライトマグネットよりも、磁力の強いプラスチックマグネット、さらに磁力の強い希土類マグネットなどを用いることが望ましい。磁石１７は、図３の磁石１６と異なり、多極着磁されている。すなわち、図３の構成と図４の構成の相違点は、着磁パターンである。図中の矢印はマグネットの着磁方向を示している。図４に示す構成では、部分的に互い違いに逆方向に着磁している。そのため、磁気回路が短くなり吸着力を強くすることができる。この場合、磁石１７によって破線で示すような磁力線が矢印に対応して複数発生する。
【００３４】
図５は、図１〜図４に示す構造を有する超音波変換装置の周波数特性の一例を示す図である。横軸に周波数、縦軸に音圧を示している。また参考のため、従来の共振型の超音波変換装置の周波数特性の一例を示している。本発明の各実施の形態によれば、広周波数帯域に渡って（周波数約４０ｋＨｚ以上の帯域で）一定の高音圧を発生することができる。
【００３５】
以上説明したように、本発明の各実施の形態によれば、強磁性体である上電極１２が、永久磁石である下電極１３もしくは１４または磁石１６もしくは１７と磁力によって引き合うことで、振動膜１１が下電極１３、１４または１５に吸着する。したがって、直流バイアス電圧を不要としたり、あるいは直流バイアス電圧の電圧値を低くすることができる。そのため、装置の小型化／低コスト化を容易に実現することができる。
【００３６】
なお、本発明の超音波変換装置は、例えば各種センサ、指向性スピーカ用音源、インパルス信号発生源として応用することができる。この場合、超音波センサとして用いれば、広い周波数帯域を、簡易な駆動回路によって実現することができる。インパルス信号発生源として用いれば、理想波形に近い、インパルス信号を発生することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の超音波変換装置の第１の実施の形態を示す断面図。
【図２】本発明の超音波変換装置の第２の実施の形態を示す断面図。
【図３】本発明の超音波変換装置の第３の実施の形態を示す断面図。
【図４】本発明の超音波変換装置の第４の実施の形態を示す断面図。
【図５】第１〜第４の実施の形態の特性を示す周波数特性図。
【図６】従来の静電型超音波変換装置の構成例を示す断面図。
【図７】図６の部分拡大図。
【符号の説明】
１１…振動膜、１２…上電極、１３，１４，１５…下電極、１６，１７…磁石

Claims

超音波周波数帯域で振動する振動膜と、
振動膜の一方の面に形成された強磁性体である導体と、
振動膜の他方の面に対向して配置された磁石と
を備えることを特徴とする超音波変換装置。
前記磁石が、高分子化合物と強磁性体粉末とを混合したものからなり且つ単極着磁されたものであって、さらに導体をなすものであることを特徴とする請求項１記載の超音波変換装置。
前記磁石が、高分子化合物と強磁性体粉末とを混合したものからなり且つ多極着磁されたものであって、さらに導体をなすものであることを特徴とする請求項１記載の超音波変換装置。
前記磁石が、単極着磁された永久磁石であり、
前記磁石と前記振動膜との間に非磁性体である導体をさらに備える
ことを特徴とする請求項１記載の超音波変換装置。
前記磁石が、多極着磁された永久磁石であり、
前記磁石と前記振動膜との間に非磁性体である導体をさらに備える
ことを特徴とする請求項１記載の超音波変換装置。