JP4285537B2 - 静電型超音波トランスデューサ - Google Patents

Description

本発明は、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指向性の鋭い静電型超音波トランスデューサ、これを用いた指向性の鋭い超音波スピーカ、音声信号再生方法、超指向性音響システム及び表示装置に関する。

指向性の鋭い音響放射装置としての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９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。
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。
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９に示す超音波トランスデューサの周波数特性が図１０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１３２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、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）。

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）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型の静電型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た（特許文献３参照）。この静電型超音波トランスデューサの構成を図１２に示す。図１２（Ａ）は静電型超音波トランスデューサの構成を示し、図１２（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１２において、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１０Ａ、１０Ｂと、一対の固定電極に挟持され、電極層１２１を有する振動膜１２と、一対の固定電極１０Ａ、１０Ｂと振動膜１２とを保持する部材（図示せず）とを有している。

振動膜１２は、絶縁体（絶縁層）１２０で形成され、導電性材料で形成された電極層１２１を有しており、該電極層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が電極層１２１との間に印加されるようになっている。

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同数かつ複数の貫通穴１４を有しており、一対の固定電極１０Ａ、１０Ｂの導電部材間には信号源１８により相互に位相反転した交流信号１８Ａ，１８Ｂが印加されるようになっている。１６は直流バイアス電源である。
固定電極１０Ａと電極層１２１、固定電極１０Ｂと電極層１２１は、それぞれコンデンサが形成されている。なお、信号源１８及び直流バイアス電源１６を制御する制御部及び、制御部の制御特性を示すテーブルが格納されている記憶部の構成は、図１２では省略してある。
この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が形成された一対の固定電極１０Ａ、１０Ｂにより挟持し、振動膜１２に直流バイアス電源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１０Ａ、１０Ｂ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。

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時が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型の静電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。

上述したように、指向性の鋭い音響放射装置（例えば、超音波スピーカ）に適用される超音波トランスデューサとしては、上述したように、圧電方式と静電方式が提案されているが、圧電方式は共振点が鋭く広帯域化が困難であるため音再現性に乏しいという欠点を有している（特許文献４，５参照）。これに対し静電方式は振動膜の共振自体が鋭くなく、また音響管の気柱共鳴現象を用いることで広帯域化が可能で音再現性に優れている（音質がよい）という長所を有している（特許文献３参照）。
特開２０００−５０３８７号公報 特開２０００−５０３９２号公報 特開２００５−３５４４７２号公報 特開昭６１−２９６８９７号公報 特開２０００−２８７２９７号公報

しかしながら、超音波スピーカに超音波トランスデューサを適用する場合には超音波トランスデューサの出力音圧が高いことが要求されるが、比較的高い音圧が得られる静電方式の超音波トランスデューサでも更なる高音圧化が望まれていた。
更に静電方式の超音波トランスデューサでは、高音圧出力を得るためには電極間に印加する電圧は、２００Ｖ以上の高電圧が必要となり、低電圧化を図ることが解決課題となっていた。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、電極間に印加する電圧が従来より低電圧でかつ高音圧を得ることができる低消費電力化を図った静電型超音波トランスデューサ、これを用いた超音波スピーカ、音声信号再生方法、超指向性音響システム及び表示装置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、貫通穴を有する第１の電極と、貫通穴を有する第２の電極と、前記第１の電極の前記貫通穴と前記第２の電極の前記貫通穴とが対をなすように配置されかつ前記第１の電極と前記第２の電極とからなる一対の電極に挟まれるとともに電極層を有し、該電極層に直流バイアス電圧が印加される振動膜と、を含み、前記一対の電極は、前記貫通穴の周縁部に位置する箇所に電極層を有し、前記一対の電極と前記振動膜の電極層との間に交流信号が印加されることを特徴とする。ここで、本願明細書及び特許請求の範囲において、貫通穴とは、上記第１の電極及び第２の電極の厚さ方向に貫通して空けられた音波を通過させる柱状の空間を指すものとする。

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型超音波トランスデューサ）では、前記一対の電極において、静電力を作用させるのに必要な箇所である、貫通穴の周縁部に位置する箇所に電極層が形成される。
これにより、前記一対の電極の電極層面積を低減することができ、前記一対の電極と、振動膜の電極層とで形成される静電容量を小さくすることができる。したがって、静電型超音波トランスデューサを容量性負荷として使用する場合に、負荷インピーダンスが大きくなり、静電型超音波トランスデューサにおける前記一対の電極の各々の電極と振動膜の電極層との間に流れる電流が減少し、静電型超音波トランスデューサの駆動時における低電圧化、延いては低消費電力化が図れる。

また、本発明の静電型超音波トランスデューサは、貫通穴を有する第１の電極と、貫通穴を有する第２の電極と、前記第１の電極の前記貫通穴と前記第２の電極の前記貫通穴とが対をなすように配置されかつ前記第１の電極と前記第２の電極とからなる一対の電極に挟まれるとともに電極層を有し、該電極層に直流バイアス電圧が印加される振動膜と、を含み、前記一対の電極の母材は非導電性材料であり、前記一対の電極は、前記貫通穴の周縁部に段部を有し、前記振動膜の前記電極層に対向する前記段部表面に電極層を有すると共に、前記一対の電極と前記振動膜の前記電極層との間に交流信号が印加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（Ｐｕｓｈ−Ｐｕｌｌ型超音波トランスデューサ）では、前記一対の電極の母材は非導電性材料であり、前記一対の電極の貫通穴の周縁部に段部を有し、前記振動膜の電極層に対向する前記段部表面に電極層を有する。
これにより、前記一対の電極の電極層面積を低減することができ、前記一対の電極と、振動膜の電極層とで形成される静電容量を小さくすることができる。
したがって、静電型超音波トランスデューサを容量性負荷として使用する場合に、負荷インピーダンスが大きくなり、静電型超音波トランスデューサにおける前記一対の電極の各々の電極と振動膜の電極層との間に流れる電流が減少し、静電型超音波トランスデューサの駆動時における低電圧化、延いては低消費電力化が図れる。

また、本発明の静電型超音波トランスデューサは、貫通穴を有する第１の電極と、貫通穴を有する第２の電極と、前記第１の電極の前記貫通穴と前記第２の電極の前記貫通穴とが対をなすように配置されかつ前記第１の電極と前記第２の電極とからなる一対の電極に挟まれるとともに電極層を有し、該電極層に直流バイアス電圧が印加される振動膜とを含み、前記一対の電極の母材は、導電材料であり、前記一対の電極は、電極部分のみが凸形状となっており、前記貫通穴を有する前記母材と、挿通孔の空いた非導電性部材とからなり、前記母材の凸形状の電極部分が前記非導電性部材の前記挿通孔に嵌装されることにより構成され、前記一対の電極と前記振動膜の電極層との間に交流信号が印加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（Ｐｕｓｈ−Ｐｕｌｌ型超音波トランスデューサ）では、前記一対の電極の母材は、導電材料であり、前記一対の電極の各々は、前記振動膜の電極層との距離を長くとるように静電力を作用させるための電極部分のみが凸形状に形成され、貫通穴を有する前記母材と、挿通孔の空いた非導電性部材とからなり、前記母材の凸形状の電極部分が前記非導電性部材の前記挿通孔に嵌装されることにより一体的に構成される。
これにより、前記一対の電極において静電力を作用させる部分以外の前記一対の電極の電極層と、振動膜の電極層との間の距離を大きくとることができ、前記一対の電極と、振動膜の電極層とで形成される静電容量を小さくすることができる。
したがって、静電型超音波トランスデューサを容量性負荷として使用する場合に、負荷インピーダンスが大きくなり、静電型超音波トランスデューサにおける前記一対の電極の各々の電極と振動膜の電極層との間に流れる電流が減少し、静電型超音波トランスデューサの駆動時における低電圧化、延いては低消費電力化が図れる。

また、本発明の静電型超音波トランスデューサは、貫通穴を有する第１の電極と、貫通穴を有する第２の電極と、前記第１の電極の前記貫通穴と前記第２の電極の前記貫通穴とが対をなすように配置されかつ前記第１の電極と前記第２の電極とからなる一対の電極に挟まれるとともに電極層を有し、該電極層に直流バイアス電圧が印加される振動膜とを含み、前記一対の電極は、前記貫通穴の内部に位置する箇所に電極層を有し、前記一対の電極と前記振動膜の電極層との間に交流信号が印加されることを特徴とする。ここで、本願明細書及び特許請求の範囲において、貫通穴の内部とは、上記第１の電極及び第２の電極の厚さ方向に貫通して空けられた音波を通過させる柱状の空間内を指すものとする。

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型超音波トランスデューサ）では、前記一対の電極において、静電力を作用させるのに必要な箇所である、貫通穴の内部に位置する箇所に電極層を有する。
これにより、前記一対の電極の電極層面積を低減することができ、前記一対の電極と、振動膜の電極層とで形成される静電容量を小さくすることができる。したがって、静電型超音波トランスデューサを容量性負荷として使用する場合に、負荷インピーダンスが大きくなり、静電型超音波トランスデューサにおける前記一対の電極の各々の電極と振動膜の電極層との間に流れる電流が減少し、静電型超音波トランスデューサの駆動時における低電圧化、延いては低消費電力化が図れる。

また、本発明の静電型超音波トランスデューサは、貫通穴を有する第１の電極と、貫通穴を有する第２の電極と、前記第１の電極の前記貫通穴と前記第２の電極の前記貫通穴とが対をなすように配置されかつ前記第１の電極と前記第２の電極とからなる一対の電極に挟まれるとともに電極層を有し、該電極層に直流バイアス電圧が印加される振動膜とを含み、前記一対の電極の母材は非導電性材料であり、前記一対の電極は、前記貫通穴の内部に位置し、前記振動膜の前記電極層に対向するブリッジ状の母材部分の表面に電極層を有するとともに、前記一対の電極と前記振動膜の前記電極層との間に交流信号が印加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（Ｐｕｓｈ−Ｐｕｌｌ型超音波トランスデューサ）では、前記一対の電極の母材は非導電性材料であり、前記一対の電極の貫通穴の内部に位置し、前記振動膜の電極層に対向するようにブリッジ状に形成された母材部分の表面に電極層を有する。
これにより、前記一対の電極の電極層面積を低減することができ、前記一対の電極と、振動膜の電極層とで形成される静電容量を小さくすることができる。
したがって、静電型超音波トランスデューサを容量性負荷として使用する場合に、負荷インピーダンスが大きくなり、静電型超音波トランスデューサにおける前記一対の電極の各々の電極と振動膜の電極層との間に流れる電流が減少し、静電型超音波トランスデューサの駆動時における低電圧化、延いては低消費電力化が図れる。

また、本発明の静電型超音波トランスデューサは、貫通穴を有する第１の電極と、貫通穴を有する第２の電極と、前記第１の電極の前記貫通穴と前記第２の電極の前記貫通穴とが対をなすように配置されかつ前記第１の電極と前記第２の電極とからなる一対の電極に挟まれるとともに電極層を有し、該電極層に直流バイアス電圧が印加される振動膜とを含み、前記一対の電極の母材は、導電材料であり、前記一対の電極は、電極部分のみが凸形状でかつ前記振動膜の電極層に対向するようにブリッジ状に形成された前記母材と、挿通孔の空いた非導電性部材とからなり、前記母材の凸形状の電極部分が前記非導電性部材の前記挿通孔に嵌装されることにより構成され、前記一対の電極と前記振動膜の電極層との間に交流信号が印加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（Ｐｕｓｈ−Ｐｕｌｌ型超音波トランスデューサ）では、前記一対の電極の母材は、導電材料であり、前記一対の電極は、前記振動膜の電極層との距離を長くとるように静電力を作用させるための電極部分のみが凸形状でかつ前記振動膜の電極層に対向するようにブリッジ状に形成された前記母材と、挿通孔の空いた非導電性部材とからなり、前記母材の凸形状の電極部分が前記非導電性部材の前記挿通孔に嵌装されることにより一体的に構成される。
これにより、前記一対の電極において静電力を作用させる部分以外の前記一対の電極の電極層と、振動膜の電極層との間の距離を大きくとることができ、前記一対の電極と、振動膜の電極層とで形成される静電容量を小さくすることができる。
したがって、静電型超音波トランスデューサを容量性負荷として使用する場合に、負荷インピーダンスが大きくなり、静電型超音波トランスデューサにおける前記一対の電極の各々の電極と振動膜の電極層との間に流れる電流が減少し、静電型超音波トランスデューサの駆動時における低電圧化、延いては低消費電力化が図れる。

また、本発明の超音波スピーカは、貫通穴を有する第１の電極と、貫通穴を有する第２の電極と、前記第１の電極の前記貫通穴と前記第２の電極の前記貫通穴とが対をなすように配置されかつ前記第１の電極と前記第２の電極とからなる一対の電極に挟まれるとともに電極層を有し、該電極層に直流バイアス電圧が印加される振動膜とを含み、前記一対の電極は、前記貫通穴の周縁部に位置する箇所に電極層を有し、前記一対の電極と前記振動膜の電極層との間に交流信号が印加される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、前記電極と前記振動膜の電極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特徴とする。

上記構成からなる本発明の超音波スピーカでは、使用される静電型超音波トランスデューサにおける前記一対の電極において、静電力を作用させるのに必要な箇所である、貫通穴の周縁部に位置する箇所に電極層を有するので、前記一対の電極の電極層面積を低減することができ、前記一対の電極と、振動膜の電極層とで形成される静電容量を小さくすることができる。したがって、静電型超音波トランスデューサを容量性負荷として使用する場合に、負荷インピーダンスが大きくなり、静電型超音波トランスデューサにおける前記一対の電極の各々の電極と振動膜の電極層との間に流れる電流が減少し、静電型超音波トランスデューサの駆動時における低電圧化、延いては低消費電力化が図れる。すなわち、従来の超音波スピーカと同一の音圧を、より少ないエネルギーで発生させることが可能となり、超音波スピーカの低消費電力化が図れる。

また、本発明の静電型超音波トランスデューサによる音声信号再生方法は、貫通穴を有する第１の電極と、貫通穴を有する第２の電極と、前記第１の電極の前記貫通穴と前記第２の電極の前記貫通穴とが対をなすように配置されかつ前記第１の電極と前記第２の電極とからなる一対の電極に挟まれるとともに電極層を有し、該電極層に直流バイアス電圧が印加される振動膜とを含み、前記一対の電極は、前記貫通穴の周縁部に位置する箇所に電極層を有し、前記一対の電極と前記振動膜の電極層との間に交流信号が印加される静電型超音波トランスデューサを使用すると共に、信号源により可聴周波数帯の信号波を生成する手順と、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を生成し、出力する手順と、変調手段により前記キャリア波を前記可聴周波数帯の信号波により変調した変調信号を生成する手順と、前記電極と前記振動膜の電極層との間に前記変調信号を印加することにより前記静電型超音波トランスデューサを駆動する手順とを含むことを特徴とする。

このような手順を含む静電型超音波トランスデューサの音声信号再生方法では、信号源により可聴周波数帯の信号波が生成され、またキャリア波供給源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。そして、変調手段によりキャリア波が前記可聴周波数帯の信号波により変調され、この変調信号が電極と振動膜の電極層との間に印加され、静電型超音波トランスデューサが駆動される。
これにより、上記構成の静電型超音波トランスデューサにより、電極間に印加する電圧が低電圧でかつ膜振動を増大でき、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出力し、音声信号を再生することが可能になる。

また、本発明の超指向性音響システムは、貫通穴を有する第１の電極と、貫通穴を有する第２の電極と、前記第１の電極の前記貫通穴と前記第２の電極の前記貫通穴とが対をなすように配置されかつ前記第１の電極と前記第２の電極とからなる一対の電極に挟まれるとともに電極層を有し、該電極層に直流バイアス電圧が印加される振動膜とを含み、前記一対の電極は、前記貫通穴の周縁部に位置する箇所に電極層を有し、前記一対の電極と前記振動膜の電極層との間に交流信号が印加される静電型超音波トランスデューサを用いて構成され、音響ソースから供給される音声信号のうち中高音域の音声信号を再生する超音波スピーカと、前記音響ソースから供給される音声信号のうち低音域の音声信号を再生する低音再生用スピーカとを有し、前記超音波スピーカにより前記音響ソースから供給される音声信号を再生し、スクリーン等の音波反射面近傍に仮想音源を形成することを特徴とする。

上記構成の超指向性音響システムでは、貫通穴を有する第１の電極と、貫通穴を有する第２の電極と、前記第１の電極の前記貫通穴と前記第２の電極の前記貫通穴とが対をなすように配置されかつ前記第１の電極と前記第２の電極とからなる一対の電極に挟まれるとともに電極層を有し、該電極層に直流バイアス電圧が印加される振動膜とを含み、前記一対の電極は、前記貫通穴の周縁部に位置する箇所に電極層を有し、前記一対の電極と前記振動膜の電極層との間に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構成される超音波スピーカを使用する。そして、この超音波スピーカにより、音響ソースから供給される音声信号のうち中高音域の音声信号を再生する。また、音響ソースから供給される音声信号のうち低音域の音声信号は低音再生用スピーカにより再生する。
したがって、中高音域の音響を、静電型超音波トランスデューサの電極間に印加される電圧が低電圧化され、かつ音圧特性が改善された状態で十分な音圧と広帯域特性を持って、スクリーン等の音波反射面近傍に形成される仮想音源から発せられるように再生できる。また、低音域の音響は、音響システムに備えられた低音再生用スピーカから直接出力されるので、低音域の補強ができ、より臨場感の高い音場環境を創生できる。

また、本発明の表示装置は、貫通穴を有する第１の電極と、貫通穴を有する第２の電極と、前記第１の電極の前記貫通穴と前記第２の電極の前記貫通穴とが対をなすように配置されかつ前記第１の電極と前記第２の電極とからなる一対の電極に挟まれるとともに電極層を有し、該電極層に直流バイアス電圧が印加される振動膜とを含み、前記一対の電極は、前記貫通穴の周縁部に位置する箇所に電極層を有し、前記一対の電極と前記振動膜の電極層との間に交流信号が印加される静電型超音波トランスデューサを含んで構成され、音響ソースから供給される音声信号から可聴周波数帯の信号音を再生する超音波スピーカと、映像を投影面に投影する投影光学系とを有することを特徴とする。

上記構成の表示装置では、貫通穴を有する第１の電極と、貫通穴を有する第２の電極と、前記第１の電極の前記貫通穴と前記第２の電極の前記貫通穴とが対をなすように配置されかつ前記第１の電極と前記第２の電極とからなる一対の電極に挟まれるとともに電極層を有し、該電極層に直流バイアス電圧が印加される振動膜とを含み、前記一対の電極は、前記貫通穴の周縁部に位置する箇所に電極層を有し、前記一対の電極と前記振動膜の電極層との間に交流信号が印加される静電型超音波トランスデューサを含んで構成される超音波スピーカを使用する。そして、この超音波スピーカにより、音響ソースから供給される音声信号を再生する。
これにより、音響信号を音圧特性が改善された状態で十分な音圧と広帯域特性を持って、スクリーン等の音波反射面近傍に形成される仮想音源から発せられるように再生できる。このため、音響信号の再生範囲の制御も容易に行えるようになる。また、超音波スピーカから放射される音の指向性制御を行うことが可能である。

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。
[本発明による静電型超音波トランスデューサの構成例]
本発明の第１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、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、本発明の第１実施形態に係る静電型超音波トランスデューサ１は、貫通穴１４を有する固定電極１０Ａ（第１の電極）と、固定電極１０Ａの貫通穴１４と対をなす貫通穴１４を有する固定電極１０Ｂ（第２の電極）と、固定電極１０Ａと固定電極１０Ｂからなる一対の固定電極１０Ａ、１０Ｂに挟まれ、電極層１２１を有する振動膜１２と、一対の固定電極１０Ａ、１０Ｂと振動膜を保持する部材（図示せず）とを有している。

振動膜１２は、絶縁体（絶縁層）１２０で形成され、絶縁体（絶縁層）１２０中間部には導電性材料で形成された電極層１２１が形成されている。振動膜１２は、具体的には、数ミクロン厚の高分子膜（絶縁体）の片面にメタライズ加工したものが、接着剤により積層されている。高分子膜の材料としては、例えばポリ・エチレン・テレフタレート（ＰＥＴ）、アラミド、ポリ・エステル、ポリ・エチレン・ナフタレート（ＰＥＮ）、ポリ・フェニレン・サルファイド（ＰＰＳ）などを用いる。メタライズの材料はＡｌが最も一般的で、その他、Ｎｉ、Ｃｕ、ＳＵＳ、Ｔｉなどでも良い。
メタライズの厚さは５００Å〜１５００Å程度が望ましい。

これらの電極層１２１には、直流バイアス電源１６により単一極性（本実施形態では、正極性であるが、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。振動膜１２のメタライズ部分（電極層１２１）には回路側より５０〜３００Ｖの直流バイアス電圧が印加される。
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が複数の電極層１２１との間に印加されるようになっている。

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同数かつ複数の貫通穴１４を有している。一対の固定電極１０Ａ、１０Ｂの母材１００は非導電性材料であり、一対の電極１０Ａ、１０Ｂは、該一対の電極１０Ａ、１０Ｂが有する貫通穴１４の周縁部に段部を有しており、振動膜の電極層１２１に対向する段部表面には導電材料で電極層１０１が形成されている。
上記一対の固定電極１０Ａ、１０Ｂの母材である非導電性材料としては、例えば、ガラス、ガラス繊維材料、プラスチック、硬質ゴム等を使用することができる。また、電極層１０１を形成する導電材料としては、銅、アルミ、ニッケル、金、銀、クロム等を使用することができる。母材で形成された前記一対の電極１０Ａ、１０Ｂの段部表面に電極層１０１をメッキ、蒸着、印刷等の手法により形成する。

固定電極１０Ａと振動膜１２における電極層１２１との間と、固定電極１０Ｂと振動膜１２の電極層１２１との間には信号源１８により相互に位相反転した交流信号１８Ａ，１８Ｂが印加されるようになっている。一対の固定電極１０Ａ、１０Ｂには回路側より１００〜３００V程度の交流電圧（交流信号）が印加される。１６は直流バイアス電源である。
そして、固定電極１０Ａと電極層１２１、固定電極１０Ｂと電極層１２１により、それぞれコンデンサが形成されている。なお、信号源１８及び直流バイアス電源１６を制御する制御部及び、制御部の制御特性を示すテーブルが格納されている記憶部の構成は、図１では省略してある。

上記構成において、超音波トランスデューサ１は、振動膜１２における電極層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）直流バイアス電圧が印加される。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、固定電極１０Ａと振動膜１２、固定電極１０Ｂと振動膜１２における電極層１２１との間には、それぞれ、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１２Ａには、静電反発力が作用し、表面部分１２Ａ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の前記表面部分１２Ａの裏面側である裏面部分１２Ｂには、静電吸引力が作用し、裏面部分１２Ｂ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、同方向に静電吸引力と静電反発力（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１２Ａには図１上、上方に静電吸引力が、また裏面部分１２Ｂ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１０Ａ、１０Ｂにより挟持されていない膜部分は、同方向に静電吸引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が同方向に静電吸引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。

こ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１は、振動膜１２が一対の固定電極１０Ａ、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静電型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１２０ｄＢ以上の音圧レベルが得られることが分かる。

本発明の実施形態に係る超音波トランスデューサ１は一対の固定電極１０Ａ、１０Ｂに挟持された薄膜の振動膜１２が静電吸引力と静電斥力の両方を受けるため、大きな振動が発生するばかりでなく、振動の対称性が確保されるため、高い音圧を広帯域に渡って発生させることができる。

ここで、本発明の特徴である図１における固定電極１０Ａ（第１の電極）、固定電極１０Ｂ（第２の電極）の構造の一例を図２に示す。図２（Ａ）は固定電極１０Ａ、１０Ｂの片側の平面図、図２（Ｂ）は図２（Ａ）におけるX−X’切断線による断面図、図２（Ｃ）は２（Ａ）におけるＸ−Ｘ’切断線による断面構造の他の例を示す図である。図２では、説明の便宜上、音が放射される貫通穴は７個のみ表示してある。図２に示したように、非導電性材料の母材１００に貫通穴１４の周縁部に段部１００Ａを形成するように加工し、その段部１００Ａ表面に電極層１０１を形成する。

母材の加工方法は、プレス、射出成型、マシニング加工等、材質により適宜選定する。従来は電極層に加え、母材部分も導電性材料であったため、前記一対の固定電極１０Ａ、１０Ｂと振動膜１２の電極層１２１との間で形成される静電容量の容量値が大きく、低消費電力困難であった。
本発明の第１実施形態では、この母材を非導電性材料で構成することにより電極面積を低減し、上記静電容量の容量値を低減することができる。この結果、静電型超音波トランスデューサ駆動時における低消費電力化が図れる。

図２（Ａ）、図２（Ｂ）に示した電極構造において、貫通穴１４の径をφ０．７５ｍｍ、電極層１０１の外径をφ１．５ｍｍ、貫通穴ピッチを１．６２５ｍｍとしたとき、母材１００を非導電性材料で構成することにより静電容量の容量値を２０％低減することができる。これは、電流も２０％低減することを意味しており、従来と同等の電圧を一対の固定電極１０Ａ、１０Ｂと振動膜１２の電極層１２１との間に印加したときに流れる電流が従来例の８０％になることを意味しており、その結果、消費電力も従来例の８０％とすることが可能となる。

図２（Ｃ）は、図２（Ａ）におけるＸ−Ｘ’切断線による電極の断面構造の他の例（第１実施形態の変形例）を示している。静電型超音波トランスデューサの固定電極以外の構成は基本的に図１と同一であるので、図1及び図２（Ｃ）を参照して、この変形例について説明する。静電型超音波トランスデューサ１における一対の固定電極１０Ａ、１０Ｂと振動膜１２の電極層１２１との間で形成される静電容量の容量値を低減する電極構造の他の例である。図２（Ｃ）において、一対の固定電極１０Ａ、１０Ｂの母材１１０は、図１、図２（Ａ），（Ｂ）の場合とは、異なり導電材料であり、一対の固定電極１０Ａ、１０Ｂの各々は、振動膜１２の電極層１２１との距離を長くとるように貫通穴１４を有し静電力を作用させるための電極部分１１０Ａのみが凸形状に形成された母材１１０と、挿通孔１１２の空いた非導電性部材１１１とから構成されている。そして一対の固定電極１０Ａ、１０Ｂの各々は、前記母材１１０の凸形状の電極部分１１０Ａが前記非導電性部材１１１の挿通孔１１２に嵌装されることにより一体的に構成されている。その他の構成は、図１、図２（Ａ）と同様である。

上記構成により、図２（Ｃ）に示す電極構造をとる場合には、前記一対の固定電極１０Ａ、１０Ｂにおいて静電力を作用させる部分以外の前記一対の固定電極１０Ａ、１０Ｂの電極層（電極部分１１０Ａ）と、振動膜の電極層１２１（図１参照）との間の距離を大きくとることができ、前記一対の固定電極と、振動膜の電極層とで形成される静電容量を小さくすることができる。
したがって、静電型超音波トランスデューサを容量性負荷として使用する場合に、負荷インピーダンスが大きくなり、静電型超音波トランスデューサにおける前記一対の電極の各々の電極と振動膜の電極層との間に流れる電流が減少し、静電型超音波トランスデューサの駆動時における低電圧化、延いては低消費電力化が図れる。

次に、本発明の第２の実施形態に係る静電型超音波トランスデューサについて説明する。本発明の第２実施形態に係る静電型超音波トランスデューサは、図１における一対の固定電極１０Ａ、１０Ｂの構造を除き、基本的に第１実施形態と同一であるので、図１及び図３を参照して第２実施形態に係る静電型超音波トランスデューサについて説明する。本発明の第２実施形態に係る静電型超音波トランスデューサの固定電極の構造を図３に示す。図３（Ａ）は固定電極１０Ａ、１０Ｂの片側の平面図、図３（Ｂ）は図３（Ａ）におけるＹ−Ｙ’切断線による断面図、図３（Ｃ）は図３（Ａ）におけるＹ−Ｙ’切断線による断面構造の他の例を示す図である。

図１及び図３（Ａ），（Ｂ）において、一対の固定電極１０Ａ、１０Ｂの母材２００は非導電性材料であり、一対の固定電極１０Ａ、１０Ｂの貫通穴２１４の内部に位置し、振動膜１２の電極層１２１に対向するようにブリッジ状に形成された母材部分２００Ａの表面に電極層２０１が形成されている。
これにより、静電型超音波トランスデューサにおける一対固定電極の電極層面積を低減することができ、前記一対の電極と、振動膜の電極層とで形成される静電容量を小さくすることができる。
したがって、静電型超音波トランスデューサを容量性負荷として使用する場合に、負荷インピーダンスが大きくなり、静電型超音波トランスデューサにおける前記一対の電極の各々の電極と振動膜の電極層との間に流れる電流が減少し、静電型超音波トランスデューサの駆動時における低電圧化、延いては低消費電力化が図れる。

図３（Ｃ）は、図３（Ａ）におけるＹ−Ｙ’切断線による電極の断面構造の他の例（第２実施形態の変形例）を示している。図１及び図３（Ｃ）において、静電型超音波トランスデューサ１における一対の固定電極１０Ａ、１０Ｂの母材２１０は、導電材料であり、前記一対の固定電極１０Ａ、１０Ｂの各々は、振動膜１２の電極層１２１との距離を長くとるように静電力を作用させるための電極部分２１０Ａのみが凸形状でかつ振動膜１２の電極層１２１に対向するようにブリッジ状に形成された母材２１０と、挿通孔２１２の空いた非導電性部材２１１とからなり、母材２１０の凸形状の電極部分２１０Ａが非導電性部材２１１の挿通孔２１２に嵌装されることにより一体的に構成される。

これにより、一対の固定電極１０Ａ、１０Ｂにおいて静電力を作用させる部分以外の前記一対の電極の電極層（電極部分２１０Ａ）と、振動膜１２の電極層１２１との間の距離を大きくとることができ、前記一対の電極１０Ａ、１０Ｂと、振動膜１２の電極層１２１とで形成される静電容量を小さくすることができる。
したがって、静電型超音波トランスデューサを容量性負荷として使用する場合に、負荷インピーダンスが大きくなり、静電型超音波トランスデューサにおける前記一対の電極の各々の電極と振動膜の電極層との間に流れる電流が減少し、静電型超音波トランスデューサの駆動時における低電圧化、延いては低消費電力化が図れる。

以上に説明したように、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（Ｐｕｓｈ−Ｐｕｌｌ型超音波トランスデューサ）によれば、一対の電極（固定電極）において、静電力を作用させるのに必要な箇所である、貫通穴の周縁部もしくは内部に位置する箇所に電極層が形成される。
これにより、前記一対の電極の電極層面積を低減することができ、前記一対の電極と、振動膜の電極層とで形成される静電容量を小さくすることができる。
したがって、静電型超音波トランスデューサを容量性負荷として使用する場合に、負荷インピーダンスが大きくなり、静電型超音波トランスデューサにおける前記一対の電極の各々の電極と振動膜の電極層との間に流れる電流が減少し、静電型超音波トランスデューサの駆動時における低電圧化、延いては低消費電力化が図れる。

図３（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）の実施形態では、非導電性材料または導電性材料の母材に電極層（電極部分）を形成しているが、これに限らず、電極を構成するための母材を設けずに貫通穴をブリッジ状の電極で橋架するように構成してもよい。この場合にも第２の実施形態と同様の効果が得られる。

[本発明による超音波スピーカの構成例]
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４に示す。本実施形態に係る超音波スピーカは、上述した本発の実施形態に係る静電型超音波トランスデューサ（図１参照）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４において、本実施形態に係る超音波スピーカ５０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（静電型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１００ｋＨｚ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、上記構成からなる本発明の超音波スピーカでは、使用される静電型超音波トランスデューサにおける前記一対の電極において、静電力を作用させるのに必要な箇所である、貫通穴の周縁部もしくは内部に位置する箇所に電極層が形成されるので、前記一対の電極の電極層面積を低減することができ、前記一対の電極と、振動膜の電極層とで形成される静電容量を小さくすることができる。したがって、静電型超音波トランスデューサを容量性負荷として使用する場合に、負荷インピーダンスが大きくなり、静電型超音波トランスデューサにおける前記一対の電極の各々の電極と振動膜の電極層との間に流れる電流が減少し、静電型超音波トランスデューサの駆動時における低電圧化、延いては低消費電力化が図れる。すなわち、従来の超音波スピーカと同一の音圧を、より少ないエネルギーで発生させることが可能となり、超音波スピーカの低消費電力化が図れる。

［本発明による超指向性音響システムの構成例の説明］
次に、本発明の静電型超音波トランスデューサ、すなわち、貫通穴を有する第１の電極と、前記第１の電極の前記貫通穴と対をなす貫通穴を有する第２の電極と、前記第１と第２の電極からなる一対の電極に挟まれるとともに電極層を有し、該電極層に直流バイアス電圧が印加される振動膜とを有し、前記一対の電極の貫通穴の周縁部もしくは内部に位置する箇所に電極層を形成し、前記一対の電極と前記振動膜の電極層との間に交流信号が印加されるＰｕｓｈ−Ｐｕｌｌ型の静電型超音波トランスデューサを用いて構成される超音波スピーカを使用した超指向性音響システムについて説明する。

以下、本発明に係る超指向性音響システムの一例としてプロジェクタを例に採り説明する。なお、本発明に係る超指向性音響システムは、プロジェクタに限らず、音声と映像の再生を行う表示装置に広く適用できるものである。
図５は本発明に係るプロジェクタの使用状態を示している。同図に示すように、プロジェクタ３０１は視聴者３０３の後方に設置され、視聴者３０３の前方に設置されたスクリーン３０２に映像を投影するとともに、プロジェクタ３０１に搭載されている超音波スピーカによりスクリーン３０２の投影面に仮想音源を形成し、音声を再生するようになっている。

プロジェクタ３０１の外観構成を図６に示す。プロジェクタ３０１は、映像をスクリーン等の投影面に投影する投影光学系を含むプロジェクタ本体３２０と、超音波周波数帯の音波を発振できる超音波トランスデューサ３２４Ａ，３２４Ｂを含んで構成され、音響ソースから供給される音声信号から可聴周波数帯の信号音を再生する超音波スピーカとが一体的に構成されている。本実施形態では、ステレオ音声信号を再生するために、投影光学系を構成するプロジェクタレンズ３３１を挟んで左右に超音波スピーカを構成する超音波トランスデューサ３２４Ａ，３２４Ｂがプロジェクタ本体に搭載されている。
さらに、プロジェクタ本体３２０の底面には低音再生用スピーカ３２３が設けられている。また、３２５は、プロジェクタ本体３２０の高さ調整を行うための高さ調節ねじ、３２６は、空冷フアン用の排気口である。

また、プロジェクタ３０１では、超音波スピーカを構成する超音波トランスデューサとして本発明によるＰｕｓｈ−Ｐｕｌｌ型の静電型超音波トランスデューサを使用しており、広周波数帯域の音響信号（超音波周波数帯の音波）を高音圧で発振することができる。このため、キャリア波の周波数を変更することにより可聴周波数帯の再生信号の空間的な再生範囲を制御することにより、ステレオサラウンドシステムや５．１ｃｈサラウンドシステム等で得られるような音響効果を従来必要であった大掛かりな音響システムを必要とすることなく実現でき、かつ持ち運びが容易なプロジェクタを実現することができる。

次に、プロジェクタ３０１の電気的構成を図７に示す。プロジェクタ３０１は、操作入力部３１０と、再生範囲設定部３１２、再生範囲制御処理部３１３、音声／映像信号再生部３１４、キャリア波発振源３１６、変調器３１８Ａ，３１８Ｂ、パワーアンプ３２２Ａ，３２２Ｂ及び静電型超音波トランスデューサ３２４Ａ，３２４Ｂからなる超音波スピーカと、ハイパスフィルタ３１７Ａ，３１７Ｂと、ローパスフィルタ３１９と、加算器３２１と、パワーアンプ３２２Ｃと、低音再生用スピーカ３２３と、プロジェクタ本体３２０とを有している。なお、静電型超音波トランスデューサ３２４Ａ，３２４Ｂは本発明によるＰｕｓｈ−Ｐｕｌｌ型の静電型超音波トランスデューサである。

プロジェクタ本体３２０は、映像を生成する映像生成部３３２と、生成された映像を投影面に投影する投影光学系３３３とを有している。プロジェクタ３０１は、超音波スピーカ及び低音再生用スピーカ３２３と、プロジェクタ本体３２０とが一体化されて構成されている。

操作入力部３１０は、テンキー、数字キー、電源のオン、オフをおこなうための電源キーを含む各種機能キーを有している。再生範囲設定部３１２は、ユーザが操作入力部３１０をキー操作することにより再生信号（信号音）の再生範囲を指定するデータを入力できるようになっており、該データが入力されると、再生信号の再生範囲を規定するキャリア波の周波数が設定され、保持されるようになっている。再生信号の再生範囲の設定は、超音波トランスデューサ３２４Ａ，３２４Ｂの音波放射面から放射軸方向に再生信号が到達する距離を指定することにより行われる。

また、再生範囲設定部３１２は、音声／映像信号再生部３１４より映像内容に応じて出力される制御信号によりキャリア波の周波数が設定できるようになっている。
また、再生範囲制御処理部３１３は、再生範囲設定部３１２の設定内容を参照し、設定された再生範囲となるようキャリア波発振源３１６により生成されるキャリア波の周波数を変更するようにキャリア波発振源３１６を制御する機能を有する。
例えば、再生範囲設定部３１２の内部情報として、キャリア波周波数が５０ｋＨｚに対応する上記距離が設定されている場合、キャリア波発振源３１６に対して５０ｋＨｚで発振するように制御する。

再生範囲制御処理部３１３は、再生範囲を規定する超音波トランスデューサ３２４Ａ，３２４Ｂの音波放射面から放射軸方向に再生信号が到達する距離とキャリア波の周波数との関係を示すテーブルが予め記憶されている記憶部を有している。このテーブルのデータは、キャリア波の周波数と上記再生信号の到達距離との関係を実際に計測することにより得られる。
再生範囲制御処理部３１３は、再生範囲設定部３１２の設定内容に基づいて、上記テーブルを参照して設定された距離情報に対応するキャリア波の周波数を求め、該周波数となるようにキャリア波発振源３１６を制御する。

音声／映像信号再生部３１４は、例えば、映像媒体としてＤＶＤを用いるＤＶＤプレーヤーであり、再生した音声信号のうちＲチャンネルの音声信号は、ハイパスフィルタ３１７Ａを介して変調器３１８Ａに、Ｌチャンネルの音声信号はハイパスフィルタ３１７Ｂを介して変調器３１８Ｂに、映像信号はプロジェクタ本体３２０の映像生成部３３２にそれぞれ、出力されるようになっている。
また、音声／映像信号再生部３１４より出力されるＲチャンネルの音声信号とＬチャンネルの音声信号は、加算器３２１により合成され、ローパスフィルタ３１９を介してパワーアンプ３２２Ｃに入力されるようになっている。音声／映像信号再生部３１４は、音響ソースに相当する。

ハイパスフィルタ３１７Ａ，３１７Ｂは、それぞれ、Ｒチャンネル、Ｌチャンネルの音声信号における中高音域の周波数成分のみを通過させる特性を有しており、またローパスフィルタは、Ｒチャンネル、Ｌチャンネルの音声信号における低音域の周波数成分のみを通過させる特性を有している。
したがって、上記Ｒチャンネル、Ｌチャンネルの音声信号のうち中高音域の音声信号は、それぞれ超音波トランスデューサ３２４Ａ、３２４Ｂにより再生され、上記Ｒチャンネル、Ｌチャンネルの音声信号のうち低音域の音声信号は低音再生用スピーカ３２３により再生されることとなる。

なお、音声／映像信号再生部３１４はＤＶＤプレーヤーに限らず、外部から入力されるビデオ信号を再生する再生装置であってもよい。また、音声／映像信号再生部３１４は、再生される映像のシーンに応じた音響効果を出すために再生音の再生範囲を動的に変更するように、再生範囲設定部３１２に再生範囲を指示する制御信号を出力する機能を有している。

キャリア波発振源３１６は、再生範囲設定部３１２より指示された超音波周波数帯の周波数のキャリア波を生成し、変調器３１８Ａ，３１８Ｂに出力する機能を有している。
変調器３１８Ａ，３１８Ｂは、キャリア波発振源３１６から供給されるキャリア波を音声／映像信号再生部３１４から出力される可聴周波数帯の音声信号でＡＭ変調し、該変調信号を、それぞれパワーアンプ３２２Ａ，３２２Ｂに出力する機能を有する。

超音波トランスデューサ３２４Ａ，３２４Ｂは、それぞれ、変調器３１８Ａ，３１８Ｂからパワーアンプ３２２Ａ，３２２Ｂを介して出力される変調信号により駆動され、該変調信号を有限振幅レベルの音波に変換して媒質中に放射し、可聴周波数帯の信号音（再生信号）を再生する機能を有する。

映像生成部３３２は、液晶ディスプレイ、プラズマディスプレイパネル（ＰＤＰ）等のディスプレイと、該ディスプレイを音声／映像信号再生部３１４から出力される映像信号に基づいて駆動する駆動回路等を有しており、音声／映像信号再生部３１４から出力される映像信号から得られる映像を生成する。
投影光学系３３３は、ディスプレイに表示された映像をプロジェクタ本体３２０の前方に設置されたスクリーン等の投影面に投影する機能を有している。

次に、上記構成からなるプロジェクタ３０１の動作について説明する。まず、ユーザのキー操作により操作入力部３１０から再生信号の再生範囲を指示するデータ（距離情報）が再生範囲設定部３１２に設定され、音声／映像信号再生部３１４に再生指示がなされる。

この結果、再生範囲設定部３１２には、再生範囲を規定する距離情報が設定され、再生範囲制御処理部３１３は、再生範囲設定部３１２に設定された距離情報を取り込み、内蔵する記憶部に記憶されているテーブルを参照し、上記設定された距離情報に対応するキャリア波の周波数を求め、該周波数のキャリア波を生成するようにキャリア波発振源３１６を制御する。
この結果、キャリア波発振源３１６は、再生範囲設定部３１２に設定された距離情報に対応する周波数のキャリア波を生成し、変調器３１８Ａ，３１８Ｂに出力する。

一方、音声／映像信号再生部３１４は、再生した音声信号のうちＲチャンネルの音声信号を、ハイパスフィルタ３１７Ａを介して変調器３１８Ａに、Ｌチャンネルの音声信号をハイパスフィルタ３１７Ｂを介して変調器３１８Ｂに、Ｒチャンネルの音声信号及びＬチャンネルの音声信号を加算器３２１に出力し、映像信号をプロジェクタ本体３２０の映像生成部３３２にそれぞれ、出力する。

したがって、ハイパスフィルタ３１７Ａにより上記Ｒチャンネルの音声信号のうち中高音域の音声信号が変調器３１８に入力され、ハイパスフィルタ３１７Ｂにより上記Ｌチャンネルの音声信号のうち中高音域の音声信号が変調器３１８Ｂに入力される。
また、上記Ｒチャンネルの音声信号及びＬチャンネルの音声信号は加算器３２１により合成され、ローパスフィルタ３１９により上記Ｒチャンネルの音声信号及びＬチャンネルの音声信号のうち低音域の音声信号がパワーアンプ３２２Ｃに入力される。

映像生成部３３２では、入力された映像信号に基づいてディスプレイを駆動して映像を生成し、表示する。このディスプレイに表示された映像は、投影光学系３３３により、投影面、例えば、図５に示すスクリーン３０２に投影される。
他方、変調器３１８Ａは、キャリア波発振源３１６から出力されるキャリア波をハイパスフィルタ３１７Ａから出力される上記Ｒチャンネルの音声信号における中高音域の音声信号でＡＭ変調し、パワーアンプ３２２Ａに出力する。
また、変調器３１８Ｂは、キャリア波発振源３１６から出力されるキャリア波をハイパスフィルタ３１７Ｂから出力される上記Ｌチャンネルの音声信号における中高音域の音声信号でＡＭ変調し、パワーアンプ３２２Ｂに出力する。

パワーアンプ３２２Ａ，３２２Ｂにより増幅された変調信号は、それぞれ、超音波トランスデューサ３２４Ａ，３２４Ｂの上電極１０Ａと下電極１０Ｂ（図１参照）との間に印加され、該変調信号は、有限振幅レベルの音波（音響信号）に変換され、媒質（空気中）に放射され、超音波トランスデューサ３２４Ａからは、上記Ｒチャンネルの音声信号における中高音域の音声信号が再生され、超音波トランスデューサ３２４Ｂからは、上記Ｌチャンネルの音声信号における中高音域の音声信号が再生される。
また、パワーアンプ３２２Ｃで増幅された上記Ｒチャンネル及びＬチャンネルにおける低音域の音声信号は低音再生用スピーカ３２３により再生される。

前述したように、超音波トランスデューサにより媒質中（空気中）に放射された超音波の伝播においては、その伝播に伴い音圧の高い部分では音速が高くなり、音圧の低い部分では音速は遅くなる。この結果、波形の歪みが発生する。

放射する超音波帯域の信号（キャリア波）を可聴周波数帯の信号で変調（ＡＭ変調）しておいた場合には、上記波形歪みの結果により、変調時に用いた可聴周波数帯の信号波が超音波周波数帯のキャリア波と分離して自己復調する形で形成される。その際、再生信号の広がりは超音波の特性からビーム状となり、通常のスピーカとは全く異なる特定方向のみに音が再生される。

超音波スピーカを構成する超音波トランスデューサ３２４から出力されるビーム状の再生信号は、投影光学系３３３により映像が投影される投影面（スクリーン）に向けて放射され、投影面で反射され拡散する。この場合に、再生範囲設定部３１２に設定されるキャリア波の周波数に応じて、超音波トランスデューサ３２４の音波放射面からその放射軸方向（法線方向）においてキャリア波から再生信号が分離されるまでの距離、キャリア波のビーム幅（ビームの拡がり角）が異なるために、再生範囲は、変化する。

プロジェクタ３０１における超音波トランスデューサ３２４Ａ，３２４Ｂを含んで構成される超音波スピーカによる再生信号の再生時の状態を図８に示す。プロジェクタ３０１において、キャリア波が音声信号により変調された変調信号により超音波トランスデューサが駆動される際に、再生範囲設定部３１２により設定されたキャリア周波数が低い場合は、超音波トランスデューサ３２４の音波放射面からその放射軸方向（音波放射面の法線方向においてキャリア波から再生信号が分離されるまでの距離、すなわち、再生地点までの距離が長くなる。

したがって、再生された可聴周波数帯の再生信号のビームは、比較的拡がらずに投影面（スクリーン）３０２に到達することとなり、この状態で投影面３０２において反射するので、再生範囲は、図８において点線の矢印で示す可聴範囲Ａとなり、投影面３０２から比較的に遠くかつ狭い範囲でのみ再生信号（再生音）が聞こえる状態となる。

これに対して、再生範囲設定部３１２により設定されたキャリア周波数が上述した場合より高い場合は、超音波トランスデューサ３２４の音波放射面から放射される音波は、キャリア周波数が低い場合より絞られているが、超音波トランスデューサ３２４の音波放射面からその放射軸方向（音波放射面の法線方向）においてキャリア波から再生信号が分離されるまでの距離、すなわち、再生地点までの距離が短くなる。

したがって、再生された可聴周波数帯の再生信号のビームは、投影面３０２に到達する前に拡がって投影面３０２に到達することとなり、この状態で投影面３０２において反射するので、再生範囲は、図８において実線の矢印で示す可聴範囲Ｂとなり、投影面３０２から比較的に近くかつ広い範囲でのみ再生信号（再生音）が聞こえる状態となる。

以上説明したように、本発明のプロジェクタでは、本発明によるＰｕｓｈ−Ｐｕｌｌ型、またはＰｕｌｌ型の静電型超音波トランスデューサを用いた超音波スピーカを使用しており、音響信号を十分な音圧と広帯域特性を持って、スクリーン等の音波反射面近傍に形成される仮想音源から発せられるように再生できる。このため、その再生範囲の制御も容易に行えるようになる。また、静電型超音波トランスデューサを既述したように、振動膜の振動領域を複数のブロックに分割し、上記振動膜の電極層と振動用電極パターンの各ブロック間との間に印加する交流信号の位相を、隣接するブロック間でそれぞれ所定の位相差をもたせるように駆動制御することにより、超音波スピーカから放射される音の指向性制御を行うことが可能である。
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明の静電型超音波トランスデューサ、および超音波スピーカは、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。

本発明の実施形態に係る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。また、超指向性音響システムや、プロジェクタ等の表示装置にも有用である。

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における固定電極の構造の一例を示す平面図及び断面図 図１における固定電極の構造の他の例を示す断面図。 超音波スピーカの構成例を示す図。 本発明の実施形態に係るプロジェクタの使用状態を示す図。 図４に示したプロジェクタの外観構成を示す図。 図４に示したプロジェクタの電気的構成を示すブロック図。 超音波トランスデューサによる再生信号の再生状態を示す説明図。 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。 従来の静電型超音波トランスデューサの構成例を示す図。

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、１２Ａ…表面部分、１２Ｂ…裏面部分、１４…貫通穴、１６…直流バイアス電源、１８…信号源、５０超音波スピーカ、５１…可聴周波数波発振源、５２…キャリア波信号源、５３…変調器、５４…パワーアンプ、５５…超音波トランスデューサ、１２０…絶縁体、１２１…電極層、３０１…プロジェクタ、３０２…スクリーン（投影面）、３０３…視聴者、３１０…操作入力部、３１２…再生範囲設定部、３１３…再生範囲制御処理部、３１４…音声／映像信号再生部、３１６…キャリア波発振源、３１７Ａ，３１７Ｂ…ハイパスフィルタ（ＨＰＦ）、３１８Ａ，３１８Ｂ…変調器、３１９…ローパスフィルタ（ＬＰＦ）、３２０…プロジェクタ本体、３２１…加算器、３２２Ａ，３２２Ｂ，３２２Ｃ…パワーアンプ、３２３…低音再生用スピーカ、３２４Ａ，３２４Ｂ…静電型超音波トランスデューサ、３３１…プロジェクタレンズ、３３２…映像生成部、３３３…投影光学系

Claims (3)

1. 貫通穴を有する第１の電極と、
   貫通穴を有する第２の電極と、
   前記第１の電極の前記貫通穴と前記第２の電極の前記貫通穴とが対をなすように配置されかつ前記第１の電極と前記第２の電極とからなる一対の電極に挟まれるとともに電極層を有し、該電極層に直流バイアス電圧が印加される振動膜と、
   を含み、
   前記一対の電極の母材は非導電性材料であり、
   前記一対の電極は、前記貫通穴の周縁部に段部を有し、前記振動膜の前記電極層に対向する前記段部表面に電極層を有すると共に、
   前記一対の電極と前記振動膜の前記電極層との間に交流信号が印加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。
2. 貫通穴を有する第１の電極と、
   貫通穴を有する第２の電極と、
   前記第１の電極の前記貫通穴と前記第２の電極の前記貫通穴とが対をなすように配置されかつ前記第１の電極と前記第２の電極とからなる一対の電極に挟まれるとともに電極層を有し、該電極層に直流バイアス電圧が印加される振動膜と、
   を含み、
   前記一対の電極の母材は、導電材料であり、
   前記一対の電極は、電極部分のみが凸形状となっており、前記貫通穴を有する前記母材と、挿通孔の空いた非導電性部材とからなり、前記母材の凸形状の電極部分が前記非導電性部材の前記挿通孔に嵌装されることにより構成され、
   前記一対の電極と前記振動膜の電極層との間に交流信号が印加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。
3. 貫通穴を有する第１の電極と、
   貫通穴を有する第２の電極と、
   前記第１の電極の前記貫通穴と前記第２の電極の前記貫通穴とが対をなすように配置されかつ前記第１の電極と前記第２の電極とからなる一対の電極に挟まれるとともに電極層を有し、該電極層に直流バイアス電圧が印加される振動膜と、
   を含み、
   前記一対の電極の母材は、導電材料であり、
   前記一対の電極は、電極部分のみが凸形状でかつ前記振動膜の電極層に対向するようにブリッジ状に形成された前記母材と、挿通孔の空いた非導電性部材とからなり、前記母材の凸形状の電極部分が前記非導電性部材の前記挿通孔に嵌装されることにより構成され、
   前記一対の電極と前記振動膜の電極層との間に交流信号が印加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。

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