JP4294798B2

JP4294798B2 - Ultrasonic transducer

Info

Publication number: JP4294798B2
Application number: JP19638299A
Authority: JP
Inventors: フランク・ジョセフ・ポンペイ
Original assignee: マサチューセッツ・インスティテュート・オブ・テクノロジー
Priority date: 1998-07-16
Filing date: 1999-07-09
Publication date: 2009-07-15
Anticipated expiration: 2019-07-09
Also published as: EP0973149A2; EP0973149A3; JP2000050392A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、音波信号の伝送に関連し、より詳しくは、かかる信号を空気中を伝送させるためのトランスデューサに関連する。
【０００２】
【従来の技術】
超音波信号は、可聴範囲（通常２０kHz）を超える周波数の音波である。ほとんどではないにしても、超音波を伴う多くの用途では、明確に規定されたビームを生成することが必要である。従って、電気信号を対応する音響信号に変換する超音波トランスデューサは、高い変換効率に加えて、指向性が極めて良好な伝送特性を有していなければならない。さらに、トランスデューサの機械的インピーダンスは、伝達媒体のインピーダンスに可能な限り近いものでなければならない。
【０００３】
空中伝送に関する超音波トランスデューサは、静電性結晶デバイスと圧電性結晶デバイスの２つの重要な分類に分けられる。静電性トランスデューサでは、薄膜が、電界の容量効果によって振動することにより、一方、圧電性トランスデューサでは、印加された電位によってピエゾセラミック材料の形状が変化することにより、音響信号がそれぞれ生成される。いずれのタイプのトランスデューサにも、種々の動作上の制限があり、それによって、いくつかの用途ではそれらの有用性が大きく制限されてしまう。特に、これらの動作上の制限によって、パラメトリックスピーカー（すなわち、超音波の非線形相互作用によって非常に良好な指向性を有する可聴音を発生する装置）の開発が妨げられてきた。パラメトリックシステムにおいては、オーディオ信号で変調された高強度の超音波信号は、それが大気（すなわち、非線形伝達媒体）中を通過するときに復調され、それによって、指向性が極めて良好な可聴音が生成される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
圧電トランスデューサは、通常、限定された帯域幅について高い効率で動作する。パラメトリックアプリケーションでは、可聴信号に現れる歪みの度合いは、トランスデューサの利用可能な帯域幅に直接関連し、その結果、狭帯域のトランスデューサ（例えば、圧電性トランスデューサ）を使用した場合には、音質の悪い音が発生することになるであろう。さらに、圧電性トランスデューサは、高い音響インピーダンスを有する傾向があり、その結果、インピーダンスが低い大気内では放射効率が悪くなる。この不整合のために、トランスデューサに加えられるエネルギーの大部分が、反射して増幅器（または、トランスデューサ自体）に戻り、熱を発生してエネルギーを浪費する。最後に、従来の圧電性トランスデューサは、壊れやすく、高価で、さらに、電気的に接続することが困難であるという傾向がある。
【０００５】
従来の静電性トランスデューサは、直流（ＤＣ）バイアスによって導電性のバックプレートに保持された金属被膜された重合体膜を使用する。バックプレートは、所望の動作周波数で音響−機械共振を生成するくぼみ(depression)を備えている。直流バイアス源に加えられる交流（ＡＣ）電圧が、そのバイアスを交互に増加させたり減少させたりし、それによって、前記膜をバックプレートに引き込む力を増加させたり、減少させたりする。この変化は、表面が接触している箇所には全く影響しないが、膜をくぼみの上で振動させることになる。十分なダンピングがない場合には、静電性トランスデューサの共振ピークは、非常にシャープであり、限定された帯域幅を犠牲にして、効率的な動作を行うことになる。（例えば、空気と接触する膜の表面を粗くして）ダンピングを行うことによって、帯域幅は幾分広がるであろうが、効率は悪くなるであろう。
【０００６】
Mattila他による、Sensors and Actuators A,45,203-208(1994)に記載されているように、静電性トランスデューサの帯域幅を広げるための他の技法は、トランスデューサの表面を横断するくぼみの深さを変えて、足し合わせると広い帯域幅になる異なる共振を生成することである。
【０００７】
トランスデューサの最大駆動電力（及び最大直流バイアス）は、膜が耐えることができる電界の強度、ならびに、エアギャップが耐えることができる電圧の大きさによって制限される。最大の電界は、膜がバックプレートに（すなわち、くぼみの外側で）実際に接触するところで発生する。膜は一般的には、非常に薄い重合体膜（高分子膜）なので、十分な耐電圧を有する材料でさえも、非常に高い電圧が与えられると、充電またはパンチスルー（つきぬけ）による破損を起こしてしまう。同様に、薄膜を使用すると、薄膜の金属被膜された表面がバックプレートに非常に近づくので、薄膜を横断する電界、従って、デバイスの容量が、極めて高くなり、その結果、大きな駆動電流が必要となる。
【０００８】
圧電薄膜トランスデューサは、印加される電位に応答して形状を変えるポリフッ化ビニリデン（PVDF）薄膜のような、軽量で、可撓性の膜材料を利用する。この薄膜は、それの空気に対する音響インピーダンス整合を改善するために非常に軽く作成することができ、その結果、効率の良い超音波伝送が得られる。１つの既知の構成では、PVDF薄膜は、その両面を導電性材料でコーティングされ、孔の開いた金属プレートの上に置かれる。プレートは、他の方法で閉じられた空間の最上部であり、その空間に加えられる真空によって、その膜が孔の中に引き込まれる。膜の２つの金属被膜された表面（これは、誘電体によって分離された電極として動作する）間に接続された交流電圧源によって、PVDF材料が伸び縮みし、孔の中に入るくぼみの度合いが変化し、それによって音波が発生する。関連する構成（これも既知である）では、膜は、孔の開いたプレートの上ではなくて、それ下に置かれ、さらに、圧力源が真空に取って代わる。このバージョンでは、交流源によって、膜が孔の中に突き出す、あるいは、孔を通って突き出る度合いが変化し、同様にして音が発生する。
【０００９】
これらのトランスデューサの電気−音響特性によって、それらはパラメトリックアプリケーションに適したものとなるが、その実用性には疑問が残る。商品化という観点からみた実際の環境において、真空または圧力を、長期間十分に維持することができるということは非常に可能性の低いことであり、わずかな漏れによって、トランスデューサは感度を失い、結局は故障してしまうであろう。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の態様によれば、超音波トランスデューサの最大出力電力は、トランスデューサの膜の耐電圧によっては制限されない。従来の装置のように、導体の表面に膜を直接配置する（これによって、膜の両端の電界が非常に大きくなる）のではなくて、誘電性のスペーサに膜を保持する。超音波の伝送は、強力な電界の存在には依存しない。従って、故障の危険をおかすことなく、比較的大きなバイアス及び駆動電圧を、膜とスペーサの両端に加えることができる。なぜなら、スペーサが、膜が受ける電界を大きく低減するからである。さらに、スペーサによって、トランスデューサの容量も減少するので、必要な駆動電流がそれに応じて減少し、電力増幅器の設計が単純なものとなる。
【００１１】
本発明のこの態様に従う音波トランスデューサは、導電性の膜、少なくとも１つの電極を備えるバックプレート、及び、膜とバックプレートの間に配置され、あるパターンで配列された一連のくぼみを有する誘電性のスペーサを備えることができ、前記くぼみは、予め決められた周波数でそれぞれが共振するキャビティを形成する。くぼみは、例えば、同心円状に配列した環状の溝、円筒状のくぼみの分布パターン等の適切な任意の形態をとることができ、誘電性のスペーサを部分的に、または完全に通過して延びることができる。さらに、くぼみは、異なる周波数で共振するキャビティを形成するために、スペーサを通る深さを変えることができる。すなわち、１つの深さを形成するくぼみの各組毎に、異なる電極を割り当てることができる。
【００１２】
第２の態様では、本発明は、圧電性の動作モードと静電性の動作モードを組み合わせる。本発明のこの態様に従う音波トランスデューサは、１対の対向して配置された導電性表面を有する実質的に非導電性の圧電性膜、少なくとも１つの電極を備えるバックプレート、及び、膜と電極（または複数の電極）との間に共振するキャビティまたは構造を作成するための手段を備えることができる。例えば、キャビティを、くぼみ（円筒状の凹部または開口部、溝など）を有する誘電性のスペーサによって形成して、膜と電極（または複数の電極）の間に配置することができる。直流バイアスが、共振するキャビティ内に膜を押し込み、膜の両端に接続された交流源が、駆動信号を供給する。
【００１３】
トランスデューサは、容量性のトランスデューサが、該トランスデューサの音響−機械共振周波数で、回路のインダクタンスと共振するところの該回路で駆動されるのが好ましい。こうすることによって、電気エネルギーをトランスデューサに非常に効率良く伝送することができ、従って、比較的高いキャリア（搬送波）周波数を容易に使用することができるようになる。本明細書に記載されたトランスデューサの高い効率と汎用性により、これらのトランスデューサは、パラメトリックアプリケーションだけでなく、測距、流れ検出（flow detection）、及び非破壊試験のような他の超音波アプリケーションにも適合するものとなる。パラメトリックアプリケーションでは、複数のトランスデューサをトランスデューサモジュールに組み込みことができ、実質的に、大きな放射表面と大きな非線形相互作用領域を形成するように、このモジュールを配列し、及び／または電気的に駆動する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
添付の図面を参照して本発明について以下に説明する。図１に示すように、本発明を組み込んだ静電性トランスデューサモジュール２９は、円錐形のスプリング３０を備えることができ、このスプリング３０は、順に、導電性の電極ユニット３２、多くの開口３６を備えた誘電性スペーサ３４、及び金属被膜重合体膜（metalized polymer membrane）３８を支持している。コンポーネント３２〜３８は、フィルム（薄膜）３８を担持し、スプリング３０を支持するベース部材４１に挿通可能に係合する上部のリング２１によって、スプリング３０に対して押しつけられる。モジュール２９は、誘電性スペーサ３４の各開口３６に対応する、複数の静電性トランスデューサから構成される。具体的には、各開口上部のフィルム３８の一部と、開口下部の電極ユニット３２の一部が、単一のトランスデューサとして機能し、それは、とりわけ、フィルム３８の張力及び面密度、開口の直径、及び重合体層３４の厚さの関数である共振（共鳴）特性を有している。薄膜３８の各部分と電極ユニット３２との間の変化する電界によって、その薄膜の部分が、電極ユニット３２に向かう方向、またはそれから離れる方向にたわむ。そして、その移動の周波数は、加えられる電界の周波数に一致する。
【００１５】
図示のように、電極ユニット３２を、適切なエッチング技法によって、各開口３６の下部の個別の電極３２ａに分割することができる。これらの電極は、後述するように、これらの電極から１つまたは複数の駆動ユニットに延びる個別のリード線を有している。モジュール２９は、従来のフレキシブルな回路材料を使用して簡単に製造することができ、それゆえ低コストである。例えば、スペーサ３４は、デュポン社（duPont）によって販売されているPYRALUX材料のようなポリマーとすることができ、膜３８は、金属被膜されたMYLAR薄膜（これもデュポン社によって販売されている）とすることができる。所望であれば、駆動ユニットコンポーネントを、同じ基板、例えば、タブ部分３２ｂに直接配置することができる。この構造は、軽量であり、簡単な配置、アレイ構成における中心合わせ（focusing）及び／または配向のためにフレキシブルなものとすることができる。
【００１６】
幾何学的形状、特に、開口３６の深さを、モジュール２９の個々のトランスデューサの共振特性が、所望の周波数範囲をカバーするように変更することができ、それによって、単一の音響−機械共振周波数を有する単一のトランスデューサ、またはトランスデューサの配列の場合に比べて、モジュールの全体的な応答を広げることができるということが理解されよう。これは、図２に示すように、２つ（または２つより多く）の層３４ａと３４ｂとからなる誘電性スペーサ３４を使用することによって実現できる。上部の層３４ａは、十分な数の開口３６ａを有している。他方、下部の層３４ｂは、層３４ａの開口３６ａの中から選択された開口だけと位置が合う開口３６ｂの組を有している。従って、２つの開口３６ａと３６ｂの位置が合うところでは、その開口の深さは、層３４ｂの開口がない部分の上部にある、層３４ａの開口の深さよりも深い。電極ユニット３２は、層３４ｂの開口の下に電極３２ｂを有しており、層３４ａの開口のみがある部分（すなわち、層３４ｂの開口がある部分を除く）の下部に電極３２ｃを有している。これによって、より高い共振周波数（浅い方の開口）を有する第１のトランスデューサの組と、より低い共振周波数（深い方の開口）を有する第２のトランスデューサの組が提供される。スクリーン印刷やエッチングなどの他のプロセスによっても、これらの幾何学的形状及び構成を作成することができる。
【００１７】
モジュール２９の構成及び動作の異なる態様を図３と図４に示す。図３では、モジュール２９は、１つの電極３２を有しており、層３４ａ、３４ｂによって形成されるキャビティは、開口３６ａが開口３６ｂと位置が合っているかどうかによって決まる、異なる深さｄ、ｄ’を有している。図３には、膜３８をスペーサ３４に押し込む構造は示していない。交流源４２（これは、送信のための被変調信号を生成する）に付加された直流バイアス源４０は、モジュール２９の両端、すなわち、電極３２と膜３８の金属被膜された表面３８ｍに接続される。同じ信号がすべてのキャビティ３６に加えられるが、それらの異なる共振ピークによって、モジュール２９の帯域幅は全体として広がる。
【００１８】
代替的には、図４に示すように、異なる電極の組３２ｂ、３２ｃを、異なる交流駆動信号源４２ｂ、４２ａにそれぞれ接続することができる。各信号源４２ａ、４２ｂは、それが駆動するキャビティの機械共振周波数ｆ₁、ｆ₂で電気的に共振する。この「分離された多重共振」配列は、共振キャビティのそれぞれの組をそれに同調された増幅器と対にすることによって、応答を最適化し、電力転送を最大にする。抵抗器４３ａ、４３ｂは、電極３２ｂと３２ｃを分離するが、直流はそれらを通過することができる（インダクタを代わりに使用することができる）。
【００１９】
上述したように、単にトランスデューサの音響−機械共振特性を変化させるだけでなく、電気共振特性もまた変化させることもできる。例えば、トランスデューサ２９の異なる領域の容量を変化させて（例えば、スペーサ３４ａ、３４ｂの異なる領域に対して異なる誘電率を有する材料を使用することによって）、複数の電気共振回路を作成することができる。この電気共振は、増幅器からの電力転送の効率に影響し（すなわち、トランスデューサのインピーダンスが、増幅器のインピーダンスにより厳密に一致するにつれて、より多くの出力電力がトランスデューサの中で結合し、付随する電流引き込みが減少する）、そのため、異なる増幅器構成に対するトランスデューサの耐性を広げるために、単一のトランスデューサ内の変化する電気共振を、機械共振もまた変化されるかどうかに関係なく使用することができる。
【００２０】
信号源４２ａ、４２ｂは、図５に示すように実現することができる。変調された出力信号（被変調出力信号）は、一対のフィルタ４４ａ、４４ｂに送られる。これらのフィルタは、その信号を異なる周波数帯域に分割して、それらを一対の同調増幅器４６ａ、４６ｂに送る。増幅器４６ａはｆ₁に同調される。すなわち、増幅器４６ａが接続されているキャビティの両端の測定された容量に直列に入っている増幅器４６ａのインダクタンスによって、電気共振周波数が、それらのキャビティの機械共振周波数に等しくされる。増幅器４６ｂはｆ₂に同調される。フィルタ４４ａ、４４ｂは、ｆ₁とｆ₂の間で被変調信号を分割するバンドパスフィルタ、または、ローパスフィルタ及びハイパスフィルタとすることができる。
【００２１】
モジュール２９の共振キャビティは、その断面が、図示のような円形の断面である必要はない。代わりに、これとは違った断面（例えば、正方形、長方形、または他の多角形状）とすることができ、スペーサ３４に同心円状に配列された環状の溝（正方形、Ｖ型、円形状など）の形態をとることもできる。あるいは、選択された用途（または、所望の製造方法）に適した他の容積形状を有することもできる。同心円状に溝をつけられたトランスデューサの配列を駆動するためのバックプレートの電極を図６及び図７に示す。ここでは、電極ユニット５２の導電性のパターンは、リング５３、５５及び５７から構成されており、それによって、異なる深さの溝を個別に駆動できるようになっている。リングの間隔、及び加えられる信号の相対位相を、トランスデューサモジュールから放射される超音波ビームを成形するために選択することができる。
【００２２】
所望の動作周波数に対する適正な溝の深さは、必要以上の実験を行うことなく容易に得られる。綿密度σ（kg/ｍ²）の薄膜、及び深さｈ（ｍ）の正方形の溝の場合には、共振周波数ｆ₀は、以下の値になることが予測される。
【００２３】
【数１】

【００２４】
ここで、ｃは、空気中の音の速度であり、ρ₀は、空気の密度である。（正方形でない溝についての式は、上記式と類似している）。共振周波数は、膜の張力、溝の幅、及び直流バイアスによっても影響を受ける。従って、面密度がσ=0.0113kg/m²である薄膜を基材として６５ｋＨｚの共振周波数を有するトランスデューサにつては、孔／構造の深さｈは、７４μｍ（３ミル）である。このキャビティの深さによって、例えば、５００ｐＦの容量が生成される場合には、１２ｍＨのインダクタンス（通常、トランスの２次側）が、６５ｋＨｚの共振を実現するために選択される。
【００２５】
このトランスデューサの場合、効率的な駆動のために適度な帯域幅は、１０ｋＨｚ（すなわち、６０〜７０ｋＨｚ）である。従って、有効な出力帯域幅を広げるためには、７５ｋＨｚの共振周波数を有する第２の組のトランスデューサを利用することが望ましいであろう。同じ設計アプローチを使用した場合、７５ｋＨｚの共振を実現するためには、５６μｍ（２ミル）の構造の深さが必要である。
【００２６】
図８及び図９に、代替構成のトランスデューサモジュールの配列を示す。図８では、各モジュールは、その外形が六角形であり、これによって、モジュールが密に詰め込まれている。図９では、モジュールは正方形構造であり、この場合もモジュールが密に詰め込まれている。この配列は、多重ビームの生成、及びフェーズドアレイビーム（phased-array beam）の配向に対して十分適している。これまでの全てのトランスデューサの実現例において、電極間の電気的なクロストークは、電極間にいわゆる「ガードトラック」を配置することによって低減することができるということに留意すべきである。多重電気共鳴（必ずしも音響−機械共振ではない）を有するトランスデューサを、広帯域にわたって増幅効率を高めるために使用することができるということも理解されるべきである。
【００２７】
以上のトランスデューサの実現例は、本質的に静電性である。図１０に示すように、誘電性スペーサのアプローチを圧電性膜と共に使用することができる。この場合には、トランスデューサモジュール６０は、圧電性（例えば、PVDF）の膜６２、導電性のバックプレート６４、及び開口部６８を有する誘電性スペーサ６６を備えており、開口部６８を通って共振キャビティが形成される。この場合も、キャビティ６８は、単一の深さを有するものではなくて、その深さが変化するものとすることができ、バックプレート６４は、キャビティ６８のそれぞれのキャビティに整合する一連の電極から構成することができる。
【００２８】
膜６２は、本質的に誘電性であり、かつ、その上面及び底面が金属被膜されていることが好ましい。回路７０によって供給される直流バイアスが、バックプレート６４と膜６２の導電性の上面との間に接続されており、これによって、膜をキャビティ６８の中に押し込む。これは、膜６２に対して信頼性のある機械的（力学的）バイアスを提供するものであり、これによって、膜は、従来の圧電トランスデューサ駆動手法で膜６２の両端に接続された駆動回路７２の電気的出力に応答して音響信号を生成するために、線形的に作用することができる。従って、膜は静電（静電気）力によって所定の位置に保持されるが、圧電的に駆動される。上述したように、直流バイアス回路７０は、それを交流駆動回路７２から分離するコンポーネントを備えることができる。
【００２９】
代替的には、代用として、または直流バイアスを増加させるために膜変位の機械的形状を利用することができる。例えば、膜がキャビティ６８の中に引き込まれるように、膜を形成するか、または膜に機械的に張力を加えることができる。圧電的に引き起こされた収縮と膨張によって、バイアスされた薄膜が変位して、音波信号が発生する。
【００３０】
図１１に示すように、個別の圧電ドライバ、及び静電ドライバを利用することができる。従って、上述のように圧電ドライバ７２ａは膜６２の両端に接続されるが、静電ドライバ７２ｂは、直流バイアス回路７０と同様に、膜６２の金属被膜された上面とバックプレート６４の間に接続される。この結果、圧電による力と静電による力（静電力）が、膜６２を駆動するために共に使用される。膜６２の向きに依存して、ドライバ７２ａ、７２ｂを、同相または違相で駆動することができる（これによって、これらの力は互いに弱め合うのではなくて強め合う）。従って、交流源７２ａによって生成される駆動電圧が正方向に振れると、静電力が、膜６２をバックプレート６４の方に引き寄せ（これは、図に示すように、高い直流バイアス電圧で維持されるのが好ましい）、同時に、圧電ドライバ７２ｂが、膜６２を膨張させたり収縮（薄く）させたりする。ドライバ７２ａによって生成される電圧が負方向に振れると、この引き寄せる静電力が弱まり、圧電ドライバ７２ｂが、膜６２を収縮させたり、膨張（厚く）させたりすることによってこの処理を補助する。
【００３１】
これとは逆に、これらの力が互いに強め合うのではなくて、例えば、信号の向きを変えるためにトランスデューサの選択された部分を動作させないようにして、わざと弱め合うように、圧電ドライバ及び静電ドライバを動作させることができる。
【００３２】
図１２に示すように、他の実施態様では、電界を使用することによって、孔を通して膜をバックプレートの方に引き込むために従来技術の装置で利用される真空を置き換える。図１２のトランスデューサモジュール８０は、上面と底面が金属被膜された圧電性膜６２を備えており、この膜は、さらに、孔を開けられた上部プレート８２（これは、導電性でも非導電性でもよい）に接触している。従来のトランスデューサモジュールと同様に、上部プレート８２は、側壁８４によってバックプレート６４の上部に隔置されている。回路７０によって供給される直流バイアスは、バックプレート６４と膜６２の導電性の表面の間に接続され、これによって、膜６２をプレート８２の開口部８６の中に引き込む。これは、膜６２に対して信頼性のある機械的バイアスを提供し、これによって、膜は、圧電駆動回路７２の電気的出力に応答して、音響信号を生成するために線形的に作用することができる。
【００３３】
図１０に示す構造を、図示のスペーサとバックプレートの代わりに、導電性の、溝（例えばＶ字状の溝）をつけられた金属製のバックプレートを使用することによってさらに単純なものにすることができる。この場合には、溝は、スペーサのギャップと同じ役目を果たし、直流バイアスされたバックプレート（または、上述したような機械的構成）が、膜６２を溝の中に引き込む。
【００３４】
以上のトランスデューサの実施態様はすべて、送信用だけでなく受信用にも使用することができ、また、駆動回路及び関連する回路を、トランスデューサの基板上に直接実装することがしばしば可能であるということを強調しておく。
【００３５】
従って、本発明者は、従来技術に認められた制限を除去する改良された超音波トランスデューサを開発したということが理解されよう。本明細書で用いた用語及び表現は、説明の用語として使用したものであって、それらに限定するものではなく、そのような用語及び表現を使用することにおいて、図示し説明した等価な特徴、またはその一部分のいずれをも排除することを意図したものではない。しかし、本発明の特許請求の範囲内において種々の変更が可能であるということは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を組み込んだ静電性トランスデューサモジュールの組立分解図である。
【図２】多重共振周波数動作用に構成された、図１のトランスデューサモジュールの変形を示す。
【図３】図１又は図２に示したトランスデューサモジュールの構成及び動作モードを示す部分略側面図である。
【図４】図２に示したトランスデューサモジュールの図３とは異なる構成及び動作モードを示す部分略側面図である。
【図５】図４に示した実施態様に用いる駆動回路の概略図である。
【図６】代表的な電極構成を示す。
【図７】別の代表的な電極構成を示す。
【図８】代表的なトランスデューサモジュールの配列を示す。
【図９】別の代表的なトランスデューサモジュールの配列を示す。
【図１０】直流バイアスを備えた圧電性ドライブと共振を利用するハイブリッドトランスデューサの部分略側面図である。
【図１１】静電及び圧電の両方で駆動されるハイブリッドトランスデューサの部分略側面図である。
【図１２】改良した圧電性トランスデューサの構成を示す。
【符号の説明】
２９トランスデューサモジュール
３２電極
３４誘電性スペーサ
３６、６８開口部（キャビティ）
３８膜
４０、７０直流バイアス源（直流バイアス回路）
４２、７２交流源（交流駆動回路）
６４バックプレート[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to the transmission of sound wave signals, and more particularly to a transducer for transmitting such signals through the air.
[0002]
[Prior art]
The ultrasonic signal is a sound wave having a frequency exceeding the audible range (usually 20 kHz). In many, if not most, applications involving ultrasound, it is necessary to produce a well-defined beam. Therefore, an ultrasonic transducer that converts an electrical signal into a corresponding acoustic signal must have transmission characteristics with extremely good directivity in addition to high conversion efficiency. In addition, the mechanical impedance of the transducer must be as close as possible to the impedance of the transmission medium.
[0003]
Ultrasonic transducers for airborne transmission fall into two important categories: electrostatic crystal devices and piezoelectric crystal devices. In the electrostatic transducer, the thin film vibrates due to the capacitive effect of the electric field, while in the piezoelectric transducer, an acoustic signal is generated by changing the shape of the piezoceramic material according to the applied potential. Both types of transducers have various operational limitations, which severely limit their usefulness in some applications. In particular, these operational limitations have hampered the development of parametric speakers (i.e., devices that generate audible sound with very good directivity through nonlinear interaction of ultrasound). In a parametric system, a high-intensity ultrasound signal modulated with an audio signal is demodulated as it passes through the atmosphere (ie, a non-linear transmission medium), thereby producing an audible sound with very good directivity. Generated.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
Piezoelectric transducers typically operate with high efficiency over a limited bandwidth. In parametric applications, the degree of distortion that appears in the audible signal is directly related to the available bandwidth of the transducer, and as a result, poor sound quality when using a narrowband transducer (eg, a piezoelectric transducer). Will occur. In addition, piezoelectric transducers tend to have high acoustic impedance, resulting in poor radiation efficiency in the atmosphere with low impedance. Because of this mismatch, most of the energy applied to the transducer is reflected back to the amplifier (or the transducer itself), generating heat and wasting energy. Finally, conventional piezoelectric transducers tend to be fragile, expensive, and difficult to electrically connect.
[0005]
Conventional electrostatic transducers use a metallized polymer film that is held on a conductive backplate by a direct current (DC) bias. The backplate is provided with a depression that produces an acousto-mechanical resonance at the desired operating frequency. An alternating current (AC) voltage applied to a direct current bias source alternately increases or decreases the bias, thereby increasing or decreasing the force that pulls the membrane into the backplate. This change has no effect on where the surface is in contact, but will cause the membrane to vibrate over the indentation. In the absence of sufficient damping, the resonant peak of the electrostatic transducer is very sharp and will operate efficiently at the expense of limited bandwidth. By damping (eg, roughening the surface of the membrane in contact with air), the bandwidth will be increased somewhat, but efficiency will be reduced.
[0006]
As described in Mattila et al., Sensors and Actuators A, 45, 203-208 (1994), other techniques for increasing the bandwidth of electrostatic transducers include reducing the depth of the indentation across the transducer surface. In other words, it produces different resonances that when added together result in a wider bandwidth.
[0007]
The maximum drive power (and maximum DC bias) of the transducer is limited by the strength of the electric field that the membrane can withstand and the magnitude of the voltage that the air gap can withstand. The maximum electric field is generated where the membrane is actually in contact with the backplate (ie, outside the well). The membrane is generally a very thin polymer film (polymer film), so even a material with a sufficient withstand voltage can be damaged by charging or punch-through when applied with a very high voltage. I will wake you up. Similarly, using a thin film, the metallized surface of the thin film is so close to the backplate that the electric field across the thin film, and thus the device capacity, is very high, resulting in the need for large drive currents. Become.
[0008]
Piezoelectric thin film transducers utilize a lightweight, flexible membrane material, such as a polyvinylidene fluoride (PVDF) thin film that changes shape in response to an applied potential. This thin film can be made very light to improve its acoustic impedance matching to air, resulting in efficient ultrasonic transmission. In one known configuration, the PVDF membrane is coated on both sides with a conductive material and placed on a perforated metal plate. The plate is the top of a space that is otherwise closed, and the membrane is drawn into the hole by the vacuum applied to the space. The AC voltage source connected between the two metallized surfaces of the membrane (which acts as an electrode separated by a dielectric) causes the PVDF material to expand and contract, and the degree of indentation entering the hole. Change, thereby generating sound waves. In a related configuration (also known), the membrane is placed below the perforated plate rather than above, and the pressure source replaces the vacuum. In this version, the AC source changes the degree that the membrane protrudes into or through the hole, producing sound in the same way.
[0009]
The electro-acoustic properties of these transducers make them suitable for parametric applications, but their practicality remains questionable. In a real environment from the point of view of commercialization, it is very unlikely that a vacuum or pressure can be sufficiently maintained for a long time, and a slight leak will cause the transducer to lose sensitivity and eventually Will break down.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
According to the first aspect of the present invention, the maximum output power of the ultrasonic transducer is not limited by the withstand voltage of the transducer membrane. Rather than placing the film directly on the surface of the conductor (thus increasing the electric field across the film very much) as in conventional devices, the film is held in a dielectric spacer. Ultrasonic transmission does not depend on the presence of a strong electric field. Thus, a relatively large bias and drive voltage can be applied across the membrane and spacer without risking failure. This is because the spacer greatly reduces the electric field received by the film. In addition, the spacer also reduces the transducer capacitance, which reduces the required drive current accordingly and simplifies the power amplifier design.
[0011]
An acoustic transducer according to this aspect of the invention comprises a dielectric film having a conductive film, a backplate comprising at least one electrode, and a series of indentations disposed between the film and the backplate and arranged in a pattern. Spacers can be provided, and the indentations form cavities that each resonate at a predetermined frequency. The indentations can take any suitable form such as, for example, concentrically arranged annular grooves, a distribution pattern of cylindrical indentations, and extend partially or completely through the dielectric spacer. be able to. In addition, the indentation can be varied in depth through the spacer to form cavities that resonate at different frequencies. That is, a different electrode can be assigned to each set of indentations forming one depth.
[0012]
In a second aspect, the present invention combines a piezoelectric mode of operation and an electrostatic mode of operation. An acoustic transducer according to this aspect of the invention comprises a substantially non-conductive piezoelectric film having a pair of opposingly disposed conductive surfaces, a backplate comprising at least one electrode, and a film and electrode ( Or means for creating a cavity or structure that resonates with the plurality of electrodes). For example, the cavity can be formed by a dielectric spacer having a depression (cylindrical recess or opening, groove, etc.) and placed between the membrane and the electrode (or electrodes). A DC bias pushes the membrane into the resonating cavity, and an AC source connected across the membrane provides a drive signal.
[0013]
The transducer is preferably driven in the circuit where the capacitive transducer resonates with the inductance of the circuit at the transducer's acousto-mechanical resonance frequency. By doing this, electrical energy can be transmitted to the transducer very efficiently, and thus a relatively high carrier frequency can be easily used. Due to the high efficiency and versatility of the transducers described herein, these transducers are not only for parametric applications, but also for other ultrasonic applications such as ranging, flow detection, and non-destructive testing. Is also compatible. In parametric applications, multiple transducers can be incorporated into the transducer module, which are arranged and / or electrically driven to form a substantially large radiating surface and a large non-linear interaction region.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. As shown in FIG. 1, an electrostatic transducer module 29 incorporating the present invention can include a conical spring 30 that in turn includes a conductive electrode unit 32 and a number of openings 36. It supports a dielectric spacer 34 and a metalized polymer membrane 38 provided. The components 32 to 38 are pressed against the spring 30 by an upper ring 21 that carries a film (thin film) 38 and is detachably engaged with a base member 41 that supports the spring 30. Module 29 is composed of a plurality of electrostatic transducers corresponding to each opening 36 of dielectric spacer 34. Specifically, a portion of the film 38 at the top of each aperture and a portion of the electrode unit 32 at the bottom of the aperture function as a single transducer, which includes, among other things, the tension and surface density of the film 38, the diameter of the aperture. And a resonance characteristic that is a function of the thickness of the polymer layer 34. Due to the changing electric field between each part of the thin film 38 and the electrode unit 32, the thin film part bends in a direction toward or away from the electrode unit 32. The frequency of the movement matches the frequency of the applied electric field.
[0015]
As shown, the electrode unit 32 can be divided into individual electrodes 32a below each opening 36 by a suitable etching technique. These electrodes have individual leads extending from these electrodes to one or more drive units, as described below. Module 29 can be easily manufactured using conventional flexible circuit materials and is therefore low cost. For example, spacer 34 can be a polymer such as PYRALUX material sold by DuPont, and membrane 38 can be a metallized MYLAR thin film (also sold by DuPont). can do. If desired, the drive unit components can be placed directly on the same substrate, eg, tab portion 32b. This structure is lightweight and can be flexible for easy placement, focusing and / or orientation in the array configuration.
[0016]
The geometry, in particular the depth of the opening 36, can be changed so that the resonance characteristics of the individual transducers of the module 29 cover the desired frequency range, thereby providing a single acousto-mechanical resonance. It will be appreciated that the overall response of the module can be broadened compared to a single transducer having a frequency or an array of transducers. This can be accomplished by using a dielectric spacer 34 consisting of two (or more than two)

layers

34a and 34b, as shown in FIG. The upper layer 34a has a sufficient number of openings 36a. On the other hand, the lower layer 34b has a set of openings 36b that are aligned with only an opening selected from the openings 36a of the layer 34a. Accordingly, where the positions of the two

openings

36a and 36b are matched, the depth of the opening is deeper than the depth of the opening of the layer 34a at the upper part of the portion where the opening of the layer 34b is not present. The electrode unit 32 has the electrode 32b below the opening of the layer 34b, and has the electrode 32c below the portion where only the opening of the layer 34a is present (that is, excluding the portion where the opening of the layer 34b is present). Yes. This provides a first transducer set with a higher resonant frequency (shallow aperture) and a second transducer set with a lower resonant frequency (deep aperture). Other processes such as screen printing and etching can also create these geometric shapes and configurations.
[0017]
Different aspects of the configuration and operation of the module 29 are shown in FIGS. In FIG. 3, the module 29 has one electrode 32, and the cavities formed by the

layers

34a, 34b have different depths d, d, depending on whether the opening 36a is aligned with the opening 36b. 'have. FIG. 3 does not show a structure for pressing the film 38 into the spacer 34. A DC bias source 40 added to an AC source 42 (which generates a modulated signal for transmission) is connected to both ends of the module 29, ie, to the metallized surface 38 m of the electrode 32 and membrane 38. The The same signal is applied to all cavities 36, but their different resonance peaks broaden the bandwidth of module 29 as a whole.
[0018]
Alternatively, as shown in FIG. 4, different electrode sets 32b, 32c can be connected to different AC drive signal sources 42b, 42a, respectively. Each signal source 42a, 42b has a mechanical resonance frequency f of the cavity it drives. ₁ , F ₂ Resonates electrically. This “separated multiple resonance” arrangement optimizes response and maximizes power transfer by pairing each set of resonant cavities with an amplifier tuned to it.

Resistors

43a, 43b

separate electrodes

32b and 32c, but direct current can pass through them (inductors can be used instead).
[0019]
As described above, not only can the acoustic-mechanical resonance characteristics of the transducer be changed, but the electrical resonance characteristics can also be changed. For example, the capacitance of different regions of the transducer 29 can be varied (eg, by using materials having different dielectric constants for different regions of the

spacers

34a, 34b) to create multiple electrical resonant circuits. . This electrical resonance affects the efficiency of power transfer from the amplifier (ie, as the transducer impedance more closely matches the amplifier impedance, more output power is combined in the transducer and associated current draw). Therefore, to increase the transducer's tolerance to different amplifier configurations, changing electrical resonances within a single transducer can be used regardless of whether mechanical resonances are also changed.
[0020]
The signal sources 42a and 42b can be realized as shown in FIG. The modulated output signal (modulated output signal) is sent to a pair of

filters

44a and 44b. These filters divide the signal into different frequency bands and send them to a pair of

tuned amplifiers

46a, 46b. The amplifier 46a is f ₁ Tuned to. That is, the inductance of the amplifier 46a in series with the measured capacitance across the cavities to which the amplifier 46a is connected causes the electrical resonance frequency to be equal to the mechanical resonance frequency of those cavities. The amplifier 46b is f ₂ Tuned to. The

filters

44a and 44b are f ₁ And f ₂ A band-pass filter that divides the modulated signal between the low-pass filter and the high-pass filter.
[0021]
The resonant cavity of the module 29 need not have a circular cross section as shown. Alternatively, it may have a different cross-section (eg, square, rectangular, or other polygonal shape), and annular grooves (square, V-shaped, circular, etc.) concentrically arranged in the spacer 34. It can also take the form of Alternatively, it can have other volume shapes suitable for the selected application (or desired manufacturing method). The electrodes of the backplate for driving the concentric grooved transducer array are shown in FIGS. Here, the conductive pattern of the electrode unit 52 is composed of

rings

53, 55 and 57 so that grooves of different depths can be driven individually. The spacing of the rings and the relative phase of the applied signal can be selected to shape the ultrasound beam emitted from the transducer module.
[0022]
An appropriate groove depth for a desired operating frequency can be easily obtained without undue experimentation. Cotton density σ (kg / m ² ) And a square groove having a depth h (m), the resonance frequency f ₀ Is expected to be
[0023]
[Expression 1]

[0024]
Where c is the speed of sound in the air and ρ ₀ Is the density of the air. (The equation for a non-square groove is similar to the above equation). The resonant frequency is also affected by membrane tension, groove width, and DC bias. Therefore, the surface density is σ = 0.0113kg / m ² For a transducer having a resonance frequency of 65 kHz using the thin film as a base material, the hole / structure depth h is 74 μm (3 mils). For example, if a capacitance of 500 pF is generated by the depth of the cavity, an inductance of 12 mH (usually the secondary side of the transformer) is selected to achieve a 65 kHz resonance.
[0025]
For this transducer, a reasonable bandwidth for efficient driving is 10 kHz (ie 60-70 kHz). Thus, it may be desirable to utilize a second set of transducers having a resonant frequency of 75 kHz in order to increase the effective output bandwidth. Using the same design approach, a structure depth of 56 μm (2 mils) is required to achieve 75 kHz resonance.
[0026]
8 and 9 show an array of alternative configurations of transducer modules. In FIG. 8, each module has a hexagonal outer shape, so that the modules are closely packed. In FIG. 9, the module has a square structure, and in this case, the module is packed tightly. This arrangement is well suited for the generation of multiple beams and the orientation of a phased-array beam. It should be noted that in all previous transducer implementations, the electrical crosstalk between the electrodes can be reduced by placing a so-called “guard track” between the electrodes. It should also be understood that transducers having multiple electrical resonances (not necessarily acousto-mechanical resonances) can be used to increase amplification efficiency over a wide band.
[0027]
The above transducer implementations are electrostatic in nature. As shown in FIG. 10, a dielectric spacer approach can be used with a piezoelectric film. In this case, the transducer module 60 includes a piezoelectric (eg, PVDF) film 62, a conductive back plate 64, and a dielectric spacer 66 having an opening 68, and resonates through the opening 68. A cavity is formed. Again, the cavities 68 do not have a single depth, but can vary in depth, and the backplate 64 is a series of electrodes that align with the respective cavities of the cavities 68. It can consist of
[0028]
The film 62 is preferably dielectric in nature, and its top and bottom surfaces are preferably metallized. A DC bias supplied by the circuit 70 is connected between the backplate 64 and the conductive upper surface of the membrane 62, thereby pushing the membrane into the cavity 68. This provides a reliable mechanical (mechanical) bias to the membrane 62 so that the membrane is connected to drive circuits 72 connected across the membrane 62 using conventional piezoelectric transducer drive techniques. To generate an acoustic signal in response to the electrical output of. Thus, the membrane is held in place by electrostatic (static) forces but is driven piezoelectrically. As described above, the DC bias circuit 70 can include components that isolate it from the AC drive circuit 72.
[0029]
Alternatively, the mechanical shape of the membrane displacement can be utilized as a substitute or to increase the DC bias. For example, the membrane can be formed or mechanically tensioned so that the membrane is drawn into the cavity 68. Due to the piezoelectrically induced contraction and expansion, the biased thin film is displaced and a sound wave signal is generated.
[0030]
As shown in FIG. 11, individual piezoelectric drivers and electrostatic drivers can be used. Therefore, as described above, the piezoelectric driver 72 a is connected to both ends of the film 62, but the electrostatic driver 72 b is connected between the metal-coated upper surface of the film 62 and the back plate 64, similarly to the DC bias circuit 70. Is done. As a result, piezoelectric force and electrostatic force (electrostatic force) are used together to drive the membrane 62. Depending on the orientation of the membrane 62, the drivers 72a, 72b can be driven in-phase or out-of-phase (thus strengthening these forces rather than weakening each other). Therefore, when the drive voltage generated by the AC source 72a swings in the positive direction, the electrostatic force attracts the membrane 62 toward the back plate 64 (this is maintained at a high DC bias voltage as shown in the figure. At the same time, the piezoelectric driver 72b causes the membrane 62 to expand or contract (thin). When the voltage generated by the driver 72a swings in the negative direction, this attracting electrostatic force is weakened, and the piezoelectric driver 72b assists this process by contracting or expanding (thickening) the film 62.
[0031]
In contrast, these forces do not intensify each other, but, for example, do not operate selected portions of the transducer to change the direction of the signal, so that the piezoelectric driver and the static The electric driver can be operated.
[0032]
As shown in FIG. 12, in another embodiment, an electric field is used to replace the vacuum utilized in prior art devices to draw the membrane through the holes and toward the backplate. The transducer module 80 of FIG. 12 includes a piezoelectric film 62 that is metallized on the top and bottom surfaces, which further includes a perforated top plate 82 (whether conductive or non-conductive). Good). Similar to conventional transducer modules, the upper plate 82 is spaced above the back plate 64 by side walls 84. A DC bias supplied by circuit 70 is connected between the back plate 64 and the conductive surface of membrane 62, thereby drawing membrane 62 into opening 86 of plate 82. This provides a reliable mechanical bias for the membrane 62, whereby the membrane acts linearly to generate an acoustic signal in response to the electrical output of the piezoelectric drive circuit 72. be able to.
[0033]
The structure shown in FIG. 10 is further simplified by using an electrically conductive, grooved (eg, V-shaped groove) metal backplate instead of the illustrated spacer and backplate. be able to. In this case, the groove serves the same function as the spacer gap, and a DC-biased backplate (or mechanical configuration as described above) pulls the membrane 62 into the groove.
[0034]
All of the above transducer embodiments can be used not only for transmission but also for reception, and it is often possible to mount the drive circuitry and associated circuitry directly on the transducer substrate. To emphasize.
[0035]
Thus, it will be appreciated that the inventor has developed an improved ultrasonic transducer that removes the limitations recognized in the prior art. The terms and expressions used herein are used as terms for description and are not intended to be limiting. In using such terms and expressions, the equivalent features illustrated and described, It is not intended to exclude any part thereof. However, it will be apparent that various modifications may be made within the scope of the claims of the present invention.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an exploded view of an electrostatic transducer module incorporating the present invention.
FIG. 2 shows a variation of the transducer module of FIG. 1 configured for multiple resonant frequency operation.
FIG. 3 is a partial schematic side view showing the configuration and operation mode of the transducer module shown in FIG. 1 or FIG. 2;
4 is a partial schematic side view showing a configuration and an operation mode different from those in FIG. 3 of the transducer module shown in FIG. 2;
FIG. 5 is a schematic diagram of a drive circuit used in the embodiment shown in FIG. 4;
FIG. 6 shows a typical electrode configuration.
FIG. 7 shows another representative electrode configuration.
FIG. 8 shows an exemplary transducer module arrangement.
FIG. 9 shows another exemplary transducer module arrangement.
FIG. 10 is a partial schematic side view of a piezoelectric transducer with a DC bias and a hybrid transducer utilizing resonance.
FIG. 11 is a partial schematic side view of a hybrid transducer driven both electrostatically and piezoelectrically.
FIG. 12 shows an improved piezoelectric transducer configuration.
[Explanation of symbols]
29 Transducer module
32 electrodes
34 Dielectric spacer
36, 68 Opening (cavity)
38 membranes
40, 70 DC bias source (DC bias circuit)
42, 72 AC source (AC drive circuit)
64 Back plate

Claims

A sonic transducer,
(A) a conductive film;
(B) a back plate comprising at least one electrode;
(C) disposed between the film and the backplate, a dielectric spacer comprising a recess in a series arranged in a pattern, each recess, in order to form a cavity that have a resonant frequency A dielectric spacer having a depth through the dielectric spacer, the resonance frequency being determined by the depth
Ultrasonic transducer with a.

2. The transducer of claim 1, wherein the back plate comprises a plurality of electrodes and the depth of the recess through the spacer varies, wherein the recesses of different depths form cavities that resonate at different frequencies. and, each of the electrodes consists in alignment with an indentation having a predetermined depth, the transducer.

At least some of said depressions, ing since extending completely through said spacer, transducer 請 Motomeko 1.

The transducer of claim 1, wherein the indentation is an annular groove arranged concentrically.

The transducer of claim 1, wherein the indentation has a circular or polygonal cross section.

The spacer comprises at least first and second adjacent layers, the indentation extends completely through the first layer, and the second layer is the number of indentations in the first layer; Forming a first series of resonant cavities by including alignment of the second layer depressions and the first layer depressions, including a second series of lesser depressions; and the recess and position the recess of the first layer non match of the second series resonant cavity formed, said first and second series of cavities, ing because it has different resonance frequencies, the transducer of 請 Motomeko 2.

The back plate, the spacer, and transducer of claim 1, further comprising means for adhering the electrically conductive film.

The transducer according to claim 1, wherein the conductive film is a polymer thin film coated with metal on at least one surface thereof.

The conductive film has first and second opposing surfaces, the first surface is in contact with the spacer without being metallized, and the second surface is ing because it is metal coating, transducer 請 Motomeko 8.

The conductive film has a first and second oppositely disposed surfaces, said first surface is metal coating, in contact with the spacer, completely through the spacer It said recess ing since there is no, transducer 請 Motomeko 8 extending Te.

The conductive film, first the ing a non-conductive piezoelectric material sandwiched between the second metal coating surface, transducers 請 Motomeko 1.

The first metalized surface is in contact with the spacer; and
(A) a direct current source connected to the second metallized surface of the membrane and an electrode of the at least one backplate;
(B) in order to drive the membrane piezoelectrically transducer of claim 11 comprising an AC source connected to the membrane of the first and second metal coating surface.

Electrostatically driving the membrane connected to the second metallized surface of the membrane and the electrodes of the at least one backplate to strengthen each other in relation to the piezoelectric alternating current source the transducer of claim 12, further comprising an AC source for.

The recesses of different depths form cavities having different machine resonance frequencies, and for each of the different recess depths, a separate resonant drive circuit tuned to a frequency corresponding to the machine resonance frequency. the transducer of claim 2 including.

Said transducer has a capacitance, the driving circuit, in order to provide an electrical resonance corresponding to the mechanical resonance frequency, ing from further comprising an inductor coupled to the capacity of the transducer, transducer 請 Motomeko 14 .

A sonic transducer,
(A) a dielectric spacer having a pair of opposingly disposed surfaces and a series of apertures extending therethrough and arranged in a pattern;
(B) a backplate having at least one electrode matching the pattern of the openings and means for coupling an alternating signal to the at least one electrode and disposed on the first surface of the spacer;
(C) a conductive film disposed on the second surface of the spacer;
(D) is the back plate and the conductive film, a means for close contact with the first and second surfaces of the spacer, for each opening, to form a cavity having a resonant frequency the has a depth that is passing through the dielectric spacer, the resonance frequency is because it depends on the depth, means
Ultrasonic transducer with a.

A sonic transducer,
(A) a substantially non-conductive piezoelectric film having a pair of conductive surfaces disposed opposite each other;
(B) a back plate comprising at least one electrode;
(C) means for creating a plurality of resonant cavities between the membrane and the at least one electrode;
(D) means for pushing the membrane into the resonant cavity;
(E) AC source connected to both ends of the membrane
With
The means for creating a plurality of resonant cavities includes a dielectric spacer between the membrane and the at least one electrode, the spacer having a recess, each recess having a recess in the resonant cavity. A sonic transducer having a depth through the dielectric spacer to form one of them, each resonant cavity having a resonant frequency determined by the depth .

Said means for creating a plurality of resonant cavities, said spaced on top of the at least one electrode, ing because they contain a perforated plate, transducer 請 Motomeko 17.

A method of driving a transducer according to claim 2, wherein the recesses of different depth form cavities having different mechanical resonance frequencies ,
(A) providing a separate resonant drive circuit tuned to a frequency corresponding to the mechanical resonant frequency for each of the different indentation depths;
(B) driving the cavity with the respective drive circuit tuned to it;
Including methods .

Said transducer has a capacitance, the driving circuit, in order to provide an electrical resonance corresponding to the mechanical resonance frequency, ing from further comprising an inductor coupled to the capacity of the transducer, the method of 請 Motomeko 19 .

A substantially non-conductive piezoelectric film having a pair of conductive surfaces disposed opposite to each other, a back plate comprising at least one electrode, and a plurality between the film and the at least one electrode a method of operating an acoustic wave transducer and means for creating a resonant cavity,
(A) pushing the membrane into the resonant cavity;
(B) applying an AC signal to both ends of the membrane
Including
The means for creating a plurality of resonant cavities includes a dielectric spacer between the membrane and the at least one electrode, the spacer having a recess, each recess having a recess in the resonant cavity. A method comprising: having a depth through the dielectric spacer to form one of them, each resonant cavity having a resonant frequency determined by the depth .