JP4269869B2 - 超音波トランスデューサ - Google Patents

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において、振動膜の振幅を大きくすることによりでエネルギー効率を向上させ、強い超音波を発生させることができる超音波トランスデューサに関する。

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６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６（Ａ）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。
一方、図６（Ｂ）に示すユニモルフ型の超音波トランスデューサは、１枚の圧電セラミック７１と、ケース７２と、リード７３および７４と、内部配線７５と、ガラス７６とから構成されている圧電セラミック７１は、内部配線７５を介してリード７３が接続されるとともに、ケース７２に接地されている。
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６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７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７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３３は、リード５２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３５に固定されている。

また、上電極３２は、リード５３が接続されており、このリード５３は直流バイアス電源５０に接続されている。この直流バイアス電源５０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３２が下電極３３側に吸着されるようになっている。５１は信号源である。
誘電体３１および上電極３２ならびにベース板３５は、メタルリング３６、３７、および３８、ならびにメッシュ３９とともに、ケース３０によってかしめられてる。

下電極３３の誘電体３１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３３と誘電体３１との間の空隙となるので、上電極３２および下電極３３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３３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。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、超音波トランスデューサ２２の周波数特性が図８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１４では、上電極３２に直流バイアス電圧が印加された状態で上電極３２と下電極３３との間に矩形波信号（ドライバ１２の出力：５０〜１５０Ｖp-p）が印加されるようになっている。因みに、図８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）。

ここで、広帯域発振型の超音波トランスデューサにおいて、高い音圧レベルを得るのに上電極の振動膜の振幅を大きくとる必要性があるのは、以下の理由による。すなわち、超音波トランスデューサから放射される超音波の音圧レベル（ＳＰＬ）は、デバイス面積をＳ、振動膜の振動速度をｖ、上電極と下電極との間に印加される印加電圧をＶとすると、ＳＰＬ∝Ｓ・ｖ・Ｖの関係がある。音圧レベルを大きくとるには、デバイス面積Ｓ、振動膜の振動速度ｖ、印加電圧Ｖのいずれかまたは、すべてを大きくすればよいが、超音波トランスデューサの小型化を考慮すると、デバイス面積Ｓ、印加電圧Ｖを大きくしたくない。

したがって、音圧レベルを大きくするという要求を満たすためには、振動膜の振動速度ｖを大きくする必要がある。ここで、振動膜の振動速度ｖは、振動周波数と振幅に依存するが、広周波数帯域にわたって高い音圧レベルを得る必要性から振動膜の振動速度、ひいては音圧レベルを大きくするためには、振動膜の振幅を大きく取る必要があることが判る。
特開２０００−５０３８７号公報 特開２０００−５０３９２号公報

しかしながら、従来の広帯域発振型の超音波トランスデューサにあっては、数十〜数百Vの直流バイアス電圧を用いて上電極の薄膜と下電極のバルク材料を吸着しているために、上電極における振動膜の十分な振幅が得られないという問題を抱えている。
また、この直流バイアス電圧は高電圧であり、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。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、振動時に振動膜の振幅を大きくすることができ、かつ直流バイアス電圧の低減を図った超音波トランスデューサを提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、絶縁体で形成された振動膜と該振動膜上に形成された導電膜とからなる上電極と、前記上電極の振動膜に対向する面に凹凸が複数、形成された下電極とを有し、前記上電極と下電極とを密着させ、該上電極と下電極との間に交流信号を印加することにより超音波を発生させる超音波トランスデューサであって、前記上電極と下電極とを密着させることにより該上電極と下電極との間に形成される複数の空洞部内において前記振動膜が振動時に生ずる空気の圧縮抵抗を低減させる圧縮抵抗低減手段を有することを特徴とする。
請求項１に記載の発明によれば、前記上電極と下電極とを密着させることにより該上電極と下電極との間に形成される複数の空洞部内において前記振動膜が振動時に生ずる空気の圧縮抵抗を低減させる圧縮抵抗低減手段を有するので、振動膜が振動時に空気の流れガスムーズとなり、振動膜の振幅を大きくすることができる。

また、請求項２に記載の発明は、絶縁体で形成された振動膜と該振動膜上に形成された導電膜とからなる上電極と、前記上電極の振動膜に対向する面に凹凸が複数、形成された下電極とを有し、前記上電極と下電極とを密着させ、該上電極と下電極との間に交流信号を印加することにより超音波を発生させる超音波トランスデューサであって、前記上電極と下電極とを密着させることにより該上電極と下電極との間に形成される複数の空洞部内から外部に連通する通気孔を前記下電極に設けたことを特徴とする。
請求項２に記載の発明によれば、前記上電極と下電極とを密着させることにより該上電極と下電極との間に形成される複数の空洞部内から外部に連通する通気孔を前記下電極に設けたので、振動膜が振動時に空気の流れがスムーズとなり、振動膜の振幅を大きくすることができる。

また、請求項３に記載の発明は、両面に凹凸が複数、形成された下電極と、前記下電極の両面に、それぞれ対向して配置され絶縁体で形成された振動膜と該振動膜上に形成された導電膜とからなる二つの上電極とを有し、前記二つの上電極と下電極とを密着させることにより前記下電極の上下端に複数の空洞部が形成されてなる超音波トランスデューサであって、前記下電極の上下端に形成された空洞部のうち前記下電極の上端に形成された空洞部と、その直下の前記下電極の下端に形成された空洞部とをそれぞれ、連通する通気孔を形成したことを特徴とする。
請求項３に記載の発明によれば、下電極の両面に上電極を構成する振動膜を設け、前記下電極の上下端に形成された空洞部のうち上端に形成された空洞部と、その直下の前記下電極の下端に形成された空洞部とをそれぞれ、連通する通気孔を形成したので、二つの上電極の振動膜を二つの上電極間に印加される交流信号の極性に応じて、同方向に変位させることにより下電極の上下端に形成された空洞部にトラップされた空気の体積変化を抑制することができ、それ故、空気の体積膨張率によるばね効果が減少し、より大きな膜振動が得られる。

また、請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の超音波トランスデューサにおいて、前記二つの上電極と下電極との接触面を接着することにより固定したことを特徴とする。
請求項４に記載の発明によれば、二つの上電極と下電極との接触面を接着することにより固定するようにしたので、二つの上電極と下電極との接触面を吸着させるための直流バイアス電圧を低減することができ、従来大掛かりであった電源装置の小型化が図れる。

また、請求項５に記載の発明は、請求項３に記載の超音波トランスデューサにおいて、前記二つの上電極と下電極との接触面を押圧する押圧手段を有することを特徴とする。
請求項５に記載の発明によれば、二つの上電極と下電極との接触面を押圧して固定する押圧手段を有するので、二つの上電極と下電極との接触面を吸着させるための直流バイアス電圧を低減することができ、従来大掛かりであった電源装置の小型化が図れる。

また、請求項６に記載の発明は、請求項３乃至５のいずれかに記載の超音波トランスデューサにおいて、前記下電極に一定の直流バイアス電圧を印加し、前記二つの上電極間に交流信号電圧を印加することを特徴とする。
請求項６に記載の発明によれば、下電極に一定の直流バイアス電圧を印加し、下電極の上下端に配置された二つの上電極間に交流信号電圧を印加するようにしたので、下電極の上下端に配置された上電極の振動膜を効率的に振動させることができる。

また、請求項７に記載の発明は、請求項３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、前記二つの上電極のいずれか一方に対面した位置に音波を前方に発散または収束させるコーンを有することを特徴とする。
請求項７に記載の発明によれば、前記二つの上電極のいずれか一方に対面した位置に音波を前方に発散または収束させるコーンを有するので、二つの上電極を構成する振動膜の振動により発生する超音波出力を有効利用することができる。

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。図１に本発明の第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。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、絶縁体で形成された振動膜２と該振動膜２上に形成された導電膜３とからなる上電極１０と、上電極１０の振動膜２に対向する面に凹凸が複数、形成された下電極１２と、直流バイアス電源１８と、信号源２０とを有している。
上電極１０と下電極１２との間には、常時、電圧調整可能な直流バイアス電源１８により一定の直流バイアス電圧が印加されており、この電界により発生する静電力により下電極１２の凸部Ａに上電極１０が吸着され、上電極１０とした電極１２との間に形成せれる空洞部１４を除き、密着した状態にある。
また、下電極１２には、空洞部１４から外部に連通する通気孔１６が形成されている。

また、上電極１０と下電極１２との間には、直流バイアス電源１８による直流バイアス電圧に重畳された状態で信号源２０により信号電圧である交流信号（周波数は２０ｋHｚ以上の超音波周波数帯）が印加されるようになっている。
前記通気孔１６は、空洞部１４内において振動膜２が振動時に生ずる空気の圧縮抵抗を低減させる圧縮抵抗低減手段として機能する。
上記構成において、上電極１０の導電膜３と下電極１２との間に直流バイアス電源１８により、直流バイアス電圧が印加されると、上電極１０に下電極１２の凸部１２Ａが吸着され、この状態で信号源２０より交流信号が上電極１０の導電膜３と下電極１２との間に直流バイアス電圧に重畳されて印加されることにより上電極１０の振動膜２は交流信号により駆動され、振動する。

このとき、空洞部１４内の空気には振動膜の振動に応じて圧力が加わるが、この空気は外部に連通する通気孔１６を介してスムーズに流れるので、振動膜２においてより大きな振動（振幅）が得られる。
図３は、従来の超音波トランスデューサと本発明の第１実施形態に係る超音波トランスデューサの動作時の状態を示している。図３は、超音波トランスデューサにおいて、上電極と下電極との間に形成されている１つの空洞部についてのみ簡略化して示している。
図３（Ａ）に示すように従来の静電型の超音波トランスデューサでは、動作時に空洞部14内の空気がダンパ（ばね）として作用するために上電極１０の膜振動の振幅は小さくなる。これに対して、本発明の第1実施形態に係る超音波トランスデューサでは、空洞部１４から外部に連通する通気孔１６が下電極１２に設けられているので、上電極１０の振動膜が振動時に空洞部14内の空気の流れがスムーズになり、膜振動の振幅は大きくなる。

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１の断面構造は、実際には、図２（Ａ）に示すように、ケース２０によりかしめられている。
なお、第１実施形態に係る超音波トランスデューサの断面構造は、図２（Ａ）に示したものに限らず、図２（Ｂ）に示すように、ベース板２２上に下電極１２を固定し、下電極１２に設けられたすべての通気孔１４をベース板２２に設けた外部に連通する凹部２４に連通するように構成してもよい。
また、図２（Ｃ）に示すように、ベース板３０上に下電極１２を固定し、下電極１２に設けられた複数の通気孔１４の各々をベース板２２に設けた外部に連通する上記各通気孔１４の直下に設けられた通路２４に連通するように構成してもよい。

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４に示す。同図において、第２実施形態に係る超音波トランスデューサ１Ａは、両面に凹凸が複数、形成された下電極１１２と、下電極１１２の両面に、それぞれ対向して配置され絶縁体で形成された振動膜１０１と該振動膜１０１上に形成された導電膜１０２とからなる二つの上電極１００Ａ、１００Ｂと、直流バイアス電源１１８と、信号源１２０と、二つの上電極１００、１００の一方に、例えば、上電極１００Ｂに対面する位置に設けられたコーン１２５とを有している。
二つの上電極１００Ａ、１００Ｂと下電極１１２とを密着させることにより下電極１１２の上下端に複数の空洞部１１４Ａ（下電極の上端側），１１４Ｂ（下電極の下端側）が形成されている。

また、下電極１１２の上下端に形成された空洞部１１４Ａ，１１４Ｂのうち下電極１１２の上端に形成された空洞部１１４Ａと、その直下の下電極１１２の下端に形成された空洞部１１４Ｂとをそれぞれ、連通する通気孔１１６が下電極１１２に形成されている。
また、下電極１１２には、電圧調整可能な直流バイアス電源１１８により一定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、信号源１２０により、二つの上電極１００Ａ、１００Ｂ間に信号電圧である交流信号（周波数は２０ｋHｚ以上の超音波周波数帯）が印加されるようになっている。

上電極１００Ｂの一方に対面する位置に設けられたコーン１２５は、図上、下方に向けて発生した超音波を反射面１２５Ａ，１２５Ｂにより上方に反射する機能を有する。なお、本実施形態におけるコーン１２５の配置では、コーン１２５は下方に向けて発生した超音波を発散するよう機能するが、このコーン１２５の反射面１３０Ｃを上電極１００Ｂに対面するように位置させた場合には、コーン１２５は下方に向けて発生した超音波を前方に収束するように機能する。
コーンの材質としては、空気と音響インピーダンスの差が大きい材料、例えば硬い固体（金属、セラミック、プラスチック）などが望ましい。

上記構成において、下電極１１２に直流バイアス電源１１８により一定の直流バイアス電圧が印加された状態で、信号源１２０により交流信号が上電極１００Ａ，１００Ｂ間に印加されることにより二つの上電極１００Ａ，１００Ｂの導電膜１０２は駆動され、振動する。このときに上電極１００Ａの導電膜１０２に正極性の交流電圧が印加されるときは、上電極１００Ｂの導電膜１０２には負極性の交流電圧が印加される。この場合に、下電極１１２に正の直流バイアス電圧が印加されているので、下電極１１２の上端側に形成されている空洞部１１４Ａに対面する位置にある上電極１００Ａの振動膜１０１は下電極１１２より反発力を受け、図上、上方に変位する。

また、このとき、下電極１１２の下端側に形成されている空洞部１１４Ｂに対面する位置にある上電極１００Ｂの振動膜１０１は、下電極１１２より吸引力を受け、図上、上方に変位する。
同様に、上電極１００Ａの導電膜１０２に負極性の交流電圧が印加されるときは、上電極１００Ｂの導電膜１０２には正極性の交流電圧が印加される。この場合に、下電極１１２に正の直流バイアス電圧が印加されているので、下電極１１２の上端側に形成されている空洞部１１４Ａに対面する位置にある上電極１００Ａの振動膜１０１は下電極１１２より吸引力を受け、図上、下方に変位する。

また、このとき、下電極１１２の下端側に形成されている空洞部１１４Ｂに対面する位置にある上電極１００Ｂの振動膜１０１は、下電極１１２より反発力を受け、図上、下方に変位する。
このように、上電極１００Ａ，１００Ｂの導電膜１０２、１０２間に信号源１２０より交流信号が印加されると、その印加される交流信号の極性に応じて、上電極１００Ａの振動膜１０１が上方に変位する場合には、上電極１００Ｂの振動膜１０１も上方に変位し、上電極１００Ａの振動膜１０１が下方に変位する場合には、上電極１００Ｂの振動膜１０１も下方に変位するように、上電極１００Ａ，１００Ｂの導電膜１０２、１０２は、同方向に変位するために、空洞部１１４Ａ、空洞部１１４Ｂ内にトラップされた空気は、通気孔１１６を介して移動し、空洞部１１４Ａ，１１４Ｂにトラップされた空気の体積変化を抑制することができ、それ故、空気の体積膨張率によるばね効果が減少し、より大きな膜振動が得られる。

図５に第２実施形態に係る超音波トランスデューサの上電極と下電極との固定方法を示している。図４に示した第２実施形態に係る超音波トランスデューサでは、上電極１００Ａ，１００Ｂの振動膜は、交流信号の極性に応じて上下双方の力を交互に受けるので、常に下電極１１２に吸引されているわけではない。したがって、静電吸引力に代わる他の方法が必要となる。なお、図５では、電極構造を簡略化して示しているが、図４に示す超音波トランスデューサの電極構造と同一のものである。

図５（Ａ）に示す上電極と下電極との固定方法は、超音波トランスデューサ１Ａにおける二つの上電極１００Ａ，１００Ｂと下電極１１２との接触面を接着することにより固定するものである。
図５（Ｂ）に示す上電極と下電極との固定方法は、下電極１１２の空洞部１１４Ａ，１１４Ｂの形状に対応する（同一の）形状の、例えばメッシュ状の部材１４０で上電極１００Ａ，１００Ｂを下電極１１２に固定する方法を図示している。メッシュの材質としては電極を傷めないような柔らかく滑らかな加工が施されている材料、例えば繊維、プラスチックなどが望ましい。メッシュ状の部材１４０は本発明の押圧手段に相当する。

図５に示す方法により上電極と下電極とを固定することにより、上電極を下電極に吸着させるための直流バイアス電圧を不要とすることができる。
なお、第１実施の形態、第実施形態に係る超音波トランスデューサの周波数特性は、図８における曲線Ｑ１に示すものとなり、広周波数帯域にわたって、音圧レベルが一定で、かつ大きくとれる。

以上に説明したように、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よれば、上電極と下電極とを密着させることにより該上電極と下電極との間に形成される複数の空洞部内から外部に連通する通気孔を前記下電極に設けたので、振動膜が振動時に空気の流れがスムーズとなり、振動膜の振幅を大きくすることができる。

また、本発明の第２実施形態に係る超音波トランスデューサによれば、下電極の両面に上電極を構成する振動膜を設け、前記下電極の上下端に形成された空洞部のうち上端に形成された空洞部と、その直下の前記下電極の下端に形成された空洞部とをそれぞれ、連通する通気孔を形成したので、二つの上電極の振動膜を二つの上電極間に印加される交流信号の極性に応じて、同方向に変位させることにより下電極の上下端に形成された空洞部にトラップされた空気の体積変化を抑制することができ、それ故、空気の体積膨張率によるばね効果が減少し、より大きな膜振動が得られる。

さらに、第２実施形態に係る超音波トランスデューサによれば、二つの上電極と下電極との接触面を接着することにより固定するようにしたので、二つの上電極と下電極との接触面を吸着させるための直流バイアス電圧を低減することができ、従来大掛かりであった電源装置の小型化が図れる。
さらに、第２実施形態に係る超音波トランスデューサによれば、二つの上電極と下電極との接触面を押圧して固定する押圧手段を有するので、二つの上電極と下電極との接触面を吸着させるための直流バイアス電圧を低減することができ、従来大掛かりであった電源装置の小型化が図れる。

さらに、第２実施形態に係る超音波トランスデューサによれば、下電極に一定の直流バイアス電圧を印加し、下電極の上下端に配置された二つの上電極間に交流信号電圧を印加するようにしたので、下電極の上下端に配置された上電極の振動膜を効率的に振動させることができる。

さらに、第２実施形態に係る超音波トランスデューサによれば、二つの上電極のいずれか一方に対面した位置に音波を前方に発散または収束させるコーンを有するので、二つの上電極を構成する振動膜の振動により発生する超音波出力を有効利用することができる。

本発明に係る超音波トランスデューサは、位置計測用の各種センサ、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。 図１に示した本発明の第１実施形態に係る超音波トランスデューサの電極構造の具体例を示す断面図。 従来の超音波トランスデューサと本発明の第１実施形態に係る超音波トランスデューサの動作時の状態を示す説明図。 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。 本発明の第２実施形態に係る超音波トランスデューサの上電極と下電極との固定方法を示す説明図。 従来の超音波トランスデューサの構成を示す図。 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構成図。 超音波トランスデューサの音圧レベルの周波数特性を示す特性図。

符号の説明

１、１Ａ…超音波トランスデューサ、２、１０１…振動膜、３、１０２…導電膜、１０、１００Ａ、１００Ｂ…上電極、１２、１１２…下電極、１４、１１４Ａ、１１４Ｂ…空洞部、１６、１１６…通気孔、１８、１１８…直流バイアス電源、２０、１２０…信号源、１２５…コーン

Claims (5)

1. 両面に凹凸が複数、形成された下電極と、
   前記下電極の両面に、それぞれ対向して配置され絶縁体で形成された振動膜と該振動膜上に形成された導電膜とからなる二つの上電極とを有し、
   前記二つの上電極と下電極とを密着させることにより下電極の上下端に複数の空洞部が形成されてなる超音波トランスデューサであって、
   前記下電極の上下端に形成された空洞部のうち前記下電極の上端に形成された空洞部と、 その直下の前記下電極の下端に形成された空洞部とをそれぞれ、連通する通気孔を形成したことを特徴とする超音波トランスデューサ。
2. 前記二つの上電極と下電極との接触面を接着することにより固定し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. 前記二つの上電極と下電極との接触面を押圧して固定する押圧手段を有する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。
4. 前記下電極に一定の直流バイアス電圧を印加し、前記二つの上電極間に交流信号電圧を印加することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の超音波トランスデューサ。
5. 前記二つの上電極のいずれか一方に対面した位置に音波を前方に発散または収束させるコーンを有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の超音波トランスデューサ。

Images