JP6315616B2 - 超音波トランスデューサ - Google Patents

Description

本出願は、「超音波トランスデューサ」という表題で２０１２年６月１２日に出願された米国仮出願第６１／６５８，４５２の優先権の利益を主張する。

本出願は、一般に、音響トランスデューサに関し、より詳細には、レベルが上昇した超音波（ultrasound）を生成することができ、感度が上昇した超音波（ultrasonic wave）を受信することができる、高性能の超音波トランスデューサに関する。

ラミネート状の構造を有し、超音波トランスデューサアレイ内に複数の一般に円形の超音波トランスデューサ（例えば、約８０個までまたはそれ以上）を形成することのできる超音波トランスデューサが良く知られている。このような超音波トランスデューサは、第１の絶縁保持層および第２の絶縁保持層、ならびに第１の絶縁保持層と第２の絶縁保持層の間に挟持された振動子フィルム層（vibrator film layer）を含むことができる。第１の保持層は、第１の保持層を介して形成される第１の複数の円形の開口を含むことができ、第２の保持層は、第２の保持層を介して形成される第２の複数の円形の開口を含むことができ、第２の複数の開口は、第１の複数の開口と実質的に位置合わせされている。このような超音波トランスデューサは、第１のカバー部および第２のカバー部をさらに含むことができ、第１の保持層、振動子フィルム層および第２の保持層の組み合わせは、第１のカバー部と第２のカバー部の間に挟持され得る。

上述の超音波トランスデューサにおいて、第１の保持層に面する振動子フィルム層の側部は、通常は金属で被覆されておらず、第２の保持層に面する振動子フィルム層の反対側の側部は通常は金属で被覆される。超音波トランスデューサは、さらに、複数の円形の導電性のバックプレートおよび複数の導電性のコイルスプリングを含み、コイルスプリングは、第１の保持層と実質的に同一の面に、第１のカバーと振動子フィルム層の間に配置され得る。各円形のバックプレートは、第１の保持層および第２の保持層を介して形成されるそれぞれの円形の開口と実質的に位置合わせされている。さらに、各円形のパックプレートは、通常は、当該バックプレートの表面上に形成された、Ｖ字形状の溝または台形の溝などの複数の溝を含む。複数の溝は、通常は、バックプレート表面で機械加工され、エッチングされ、または打ち抜き加工され、かつ、通常は、鋭い隅部および／または縁部ならびに直線の側部を有するように製造される。各コイルスプリングは、各バックプレートと第１のカバーの間に配置される。コイルスプリングは、それぞれのバックプレートおよび導電性の表面を有する第１のカバーに、機械的にも電気的にも接続される。第１のカバー部、コイルスプリング、それぞれの円形のバックプレート、ならびに第１の保持層、振動子フィルム層および第２の保持層の組み合わせは、コイルスプリングに、それぞれの円形の開口を介して振動子フィルム層の金属で被覆されていない側部に円形のバックプレートを付勢するように構成される。

さらに上述の超音波トランスデューサに関して、導電性の第１のカバー、コイルスプリングおよび円形のバックプレートの組み合わせは、第１の電極を形成し、振動子フィルム層の金属被覆された側部は、第２の電極を形成する。超音波トランスデューサは、第１の電極と第２の電極の間に電圧を印加できるように構成され、この結果、振動子フィルム層とバックプレートの間に電界（電場）が発生し、この電界により、フィルムがそれぞれのバックプレートに引き寄せられる。第１の電極と第２の電極の間に印加される電圧がＡＣである場合、フィルムは振動して、送信モードにおいては、可聴周波数または超音波周波数で圧縮波を生成することができる。受信モードにおいては、超音波トランスデューサに影響を及ぼす受信音波は、電圧波形に変換される。

本出願によれば、レベルが上昇した超音波を生成し、感度が上昇した超音波を受信することができる超音波トランスデューサが開示される。

一態様において、開示する超音波トランスデューサのそれぞれは、バックカバー、保護フロントカバー、バックプレート、１つまたは複数のスプリング（例えば、板ばね）、およびバックプレートと保護フロントカバーの間に配置された振動子フィルム層を含む。例えば、複数のこのような超音波トランスデューサ（例えば、約８個までまたはそれ以上）は、超音波トランスデューサアレイ内で実行することができる。バックプレートは、長方形、正方形、六角形またはその他の適切な幾何形状とすることができ、金属、金属被覆された絶縁材料、またはその他の適切な材料から製造することができる。保護フロントカバーに面する振動子フィルム層の側部は、金属化されており、バックプレートに面する振動子フィルム層の反対側の側部は、金属化されていない。スプリングは、振動子フィルム層の金属化されていない側部にバックプレートを付勢するように構成される。バックプレートは、少なくとも部分的に第１の電極を形成し、振動子フィルム層の金属化された側部は、第２の電極を形成する。超音波トランスデューサは、第１の電極と第２の電極の間に電圧を印加できるように構成され、これにより、振動子フィルム層とバックプレートの間に電界が発生し、この電界によりフィルムがバックプレートに引き寄せられる。第１の電極と第２の電極の間に印加される電圧がＡＣの場合、フィルムは振動して、送信モードにおいては、特定の信号波形に対応する可聴周波数または超音波周波数で圧縮波を生成することができる。受信モードにおいて、超音波トランスデューサに影響を及ぼす受信音波は電圧波形に変換される。

例示的な態様において、バックプレートは、振動子フィルム層に面する、バックプレートの表面上に形成された複数の溝を含む。例えば、複数の溝は、細長の直線状の溝、円形の溝、小さな窪み（ディンプル）形状の溝、またはその他の適切な形状の溝とすることができる。各溝は、溝の最深部に向かって徐々に傾斜する、斜めになる、角度を付ける、またはそこに向かって伸びる断面外形を有する上端部を含み、バックプレート表面のより広い領域を、それゆえ少なくとも部分的にバックプレートにより形成された第1の電極を、振動子フィルム層に近接させることができ、これにより、結果として生じる電界を増加させ、従って、超音波トランスデューサの出力パワー（output power）および感度を上昇させる。空気が、バックプレートの溝と振動子フィルム層の間に溜まることができるので（これは出力パワーの減少を引き起こす可能性がある）、バックプレートは、このような空気を逃がすことができるように構成されたエアブリードチャンネル（空気抜きチャンネル）を含むことができる。エアブリードチャンネルは、複数の溝と交差して、バックプレート表面に実装され、バックプレートの１つまたは複数の端部で、またはバックプレートの片側もしくは両側を介して、溝の中に溜まった空気を逃がすことができる。

別の例示的な態様において、バックプレート表面上の複数の溝はそれぞれ、溝の最深部から振動子フィルム層まで延在する、少なくとも１つの導電性の柱状構造（例えば、Ｔ字形上の柱状構造）を含み、少なくとも部分的にバックプレートによって形成された第１の電極のさらに広い領域を、振動子フィルム層にいっそう接近させることができ、これにより、超音波トランスデューサの出力パワーおよび感度をさらに上昇させる。

本発明のその他の特徴、機能および態様が、下記の詳細な説明から明らかとなろう。

添付の図面は、本明細書の一部に含まれ、またこれを構成するものであり、詳細な説明と共に本明細書において説明する１つまたは複数の実施形態を表し、これらの実施形態を説明する。

従来の超音波トランスデューサの図である。

本出願による、例示的な超音波トランスデューサの図である。

図２の超音波トランスデューサの例示的な実施態様の図である。 図２の超音波トランスデューサの例示的な実施態様の図である。 図２の超音波トランスデューサの例示的な実施態様の図である。 図２の超音波トランスデューサの例示的な実施態様の図である。

図２の超音波トランスデューサのバックプレートの表面上に形成することのきる例示的な溝の断面図である。 図２の超音波トランスデューサのバックプレートの表面上に形成することのきる例示的な溝の断面図である。 図２の超音波トランスデューサのバックプレートの表面上に形成することのきる例示的な溝の断面図である。 図２の超音波トランスデューサのバックプレートの表面上に形成することのきる例示的な溝の断面図である。

図４ａ〜図４ｄの溝内で実行することのできる例示的な柱状構造の図である。

図２の超音波トランスデューサを含む例示的なパラメトリックオーディオシステムのブロック図である。

「超音波トランスデューサ」という表題で２０１２年６月１２日に出願された米国仮特許出願第６１／６５８，４５２の開示は、ここに、その全体を参照することより本明細書に組み込まれる。

レベルが増加した超音波を生成し、感度が高められた超音波を受信することができる超音波トランスデューサを開示する。開示する超音波トランスデューサは、バックカバー、保護フロントカバー、バックプレート、１つまたは複数のスプリング、およびバックプレートと保護フロントカバーの間に配置される振動子フィルム層を含む。バックプレートは、振動子フィルム層に面する、バックプレートの表面上に形成される複数の溝を含む。各溝は、溝の最深部に向かって徐々に傾斜する、斜めになる、角度を付ける、またはそこに向かって伸びる断面外形を有する上端部を含み、バックプレートのより広い領域を振動子フィルム層に近接させることができ、これにより、結果として生じる電界が増加し、この結果、超音波トランスデューサの出力パワーおよび感度が上昇する。

図１は、ラミネート構造を有し、超音波トランスデューサアレイ内に複数の一般に円形の超音波トランスデューサ（例えば、８０個までまたはそれ以上）を形成することのできる、従来の超音波トランスデューサ１００を示す。超音波トランスデューサ１００は、第１の絶縁保持層１０４、第２の絶縁保持層１０８、および各絶縁保持層１０４、１０８の間に挟持された振動子フィルム層１０６を含む。第１の保持層１０４は、そこを介して形成された第１の複数の円形の開口１３５を含むことができ、第２の保持層１０８は、そこを介して形成された第２の複数の円形の開口１３９を含むことができ、第２の複数の開口１３９は第１の複数の開口１３５と実質的に位置合わせされている。超音波トランスデューサ１００は、第１のカバー部１０２、第２のカバー部１１０、ならびに、第１の保持層１０４、振動子フィルム層１０６および第２の保持層１０８の組み合わせをさらに含み、第２の保持層１０８は、第１のカバー部１０２と第２のカバー部１１０の間で挟持される。

従来の超音波トランスデューサ１００において、第１の保持層１０４に面する振動子フィルム層１０６の側部１０６．１は、金属で被覆されておらず、第２の保持層１０８に面する振動子フィルム層１０６の反対側の側部１０６．２は、金属で被覆されている。超音波トランスデューサ１００は、複数の円形の導電性バックプレート１１６および複数の導電性コイルスプリング１１４をさらに含み、バックプレート１１６およびコイルスプリング１１４は、第１のカバー１０２と振動子フィルム層１０６の間で、第１の保持層１０４と実質的に同じ面に配置されている。各円形のバックプレート１１７は、第１の保持層１０４および第２の保持層１０８をそれぞれ介して形成された円形の開口１０５、１０９と実質的に位置合わせされる。さらに、各円形のバックプレート１１７は、通常は、その表面上に形成される、Ｖ字形状の溝または台形形状の溝などの複数の溝を含む。複数の溝は、通常は、バックプレートの表面上で機械加工され、エッチングされ、または打ち抜き加工され、かつ、通常は、鋭い隅部および／または端部ならびに直線の側部を有するように製造される。各コイルスプリング１１５は、それぞれのバックプレート１１７と第１のカバー１０２の間に配置される。コイルスプリング１１５は、それぞれのバックプレート１１７および導電性の表面を有する第１のカバー１０２に機械的にも電気的にも接続される。第１のカバー１０２、コイルスプリング１１５、それぞれの円形のバックプレート１１７、ならびに、第１の保持層１０４、振動子フィルム層１０６および第２の保持層１０８の組み合わせは、コイルスプリング１１５が、それぞれの円形の開口１０５を介して振動子フィルム層１０６の金属被覆されていない側部１０６．１に対して円形のバックプレート１１７を付勢するように構成される。

さらに、従来の超音波トランスデューサ１００に関して、導電性の第１のカバー１０２、複数のコイルスプリング１１４および複数の円形のバックプレート１１６の組み合わせは、第１の電極を形成し、振動子フィルム層１０６の金属被覆された側部１０６．２は、第２の電極を形成する。超音波トランスデューサ１００は、第１の電極と第２の電極の間に電圧を印加できるように構成され、これにより、振動子フィルム層１０６とバックプレート１１６の間に電界が発生し、この電界によりフィルム１０６がバックプレート１１６に引き寄せられる。第１の電極と第２の電極の間に印加される電圧がＡＣである場合、フィルム１０６は振動して、送信モードにおいては、可聴周波数または超音波周波数で圧縮波（疎密波）を生成することができる。受信モードにおいては、超音波トランスデューサ１００に影響を及ぼす受信音波は、電圧波形に変換される。トランスデューサ駆動信号は、接続ケーブル１１８を介して超音波トランスデューサ１００に印加できることに留意されたい。

図２は、本出願による、ラミネート状の構造を有し、レベルが上昇した超音波を発生させ、増加された感度で超音波を受信することができる、例示的な超音波トランスデューサの説明的な実施形態を示す。図２に示すように、超音波トランスデューサ２００は、バックカバー２０２、保護フロントカバー２０８、バックプレート２０４、１つまたは複数のスプリング２０３（例えば、板ばね）、およびバックプレート２０４と保護フロントカバー２０８の間に配置された振動子フィルム層２０６を含む。例えば、バックプレート２０４は、正方形、長方形、六角形またはその他の適切な幾何形状とすることができ、金属、金属で被覆された絶縁材料、またはその他の適切な材料から製造することができ、約１．２ｉｎ^２から２５ｉｎ^２の間またはその他の適切な大きさとすることができる。さらに、複数のこのような超音波トランスデューサ（例えば８個までまたはそれ以上）は、超音波トランスデューサアレイ内で実行することができる。保護フロントカバー２０８に面する、振動子フィルム層２０６の側２０６．１は、金属化（メタライズ）されており、バックプレート２０４に面する、振動子フィルム層２０６の反対側２０６．２は、金属化（メタライズ）されていない。スプリング２０３は、振動子フィルム層２０６の金属化されていない側２０６．２に対してバックプレート２０４を付勢するように構成される。バックプレート２０４は、少なくとも部分的に第１の電極を形成し、振動子フィルム層２０６の金属化された側２０６．１は、第２の電極を形成する。超音波トランスデューサ２００は、第１の電極と第２の電極の間に電圧を印加することができるように構成され、これにより、振動子フィルム層２０６とバックプレート２０４の間に電界が発生し、この電界によってフィルム２０６はバックプレート２０４に引き寄せられる。一実施形態では、振動子フィルム層２０６は、安全性の向上および電磁シールドのために接地することができる。第１の電極と第２の電極の間に印加される電圧がＡＣの場合、フィルム２０６は振動して、送信モードにおいては、特定の信号波形に対応する可聴周波数または超音波周波数で圧縮波を生成することができる。受信モードにおいては、超音波トランスデューサ２００に影響を及ぼす受信音波は電圧波形に変換される。

図２にさらに示すように、バックプレート２０４は、振動子フィルム層２０６に面する、バックプレート２０４の表面上に形成された複数の溝２０５を含む。例えば、複数の溝２０５は、バックプレートの表面上に実質的に平行の列で形成された細長の直線状の溝（図２に示す）、円形の溝、小さな窪み（ディンプル）形状の溝、またはその他の適切な形状の溝とすることができる。各直線状の溝２０５は、溝２０５の最深部に向かって徐々に傾斜する、斜めになる、角度を付ける、またはそこに向かって伸びる断面外形を有する対向する上端部を含み、少なくとも部分的にバックプレート２０４によって形成された第１の電極のより広い領域が振動子フィルム層２０６に近接するのを可能にし、これにより結果として生じる電界が増加し、従って、超音波トランスデューサ２００の出力パワーおよび感度が上昇する。一実施形態では、溝２０５は、１つまたは複数の丸みを付けられた、傾斜した、斜めにされた、または角度を付けられた部分を備える１つまたは複数の壁を有することができる。例えば、溝２０５の１つまたは複数の壁は、溝２０５の上端部に、その付近に、またはそこに向かう、緩やかな傾斜、緩やかな斜面、または浅い角度といった様々な傾斜を有するように構成することができ、また、溝２０５の最深部に、その付近に、またはそこに向かう、急な傾斜、急な斜面または急な角度を有するように構成することができる。さらに、溝の少なくとも１つの緩やかに傾斜した、斜めにされた、または角度を付けられた部分は、それぞれの溝の上端部で、その付近で、またはそこに向って振動子フィルム層に並列に近接することができる。

バックプレート２０４の直線状の溝２０５と振動子フィルム層２０６の間に空気が溜まることがあるので（これは出力パワーの減少を生じさせる可能性がある）、バックプレート２０４は、このような空気を逃がすことができるように構成されたエアブリードチャンネル３１０（図３ｂおよび図３ｃ参照）を含む。エアブリードチャンネル３１０は、細長の直線状の溝２０５の列に実質的に垂直に、かつそれと交差して、バックプレート２０４の表面に実装されて、バックプレート２０４の対向する端部３１２．１、３１２．２（図３ｂおよび図３ｃ参照）の溝２０５で、または、バックプレート２０４の片側または両側２０４．１、２０４．２を介して、溝２０５内に溜まった空気を逃がすことができる。一実施形態では、少なくともいくつかの直線状の溝２０５は、このような溜まった空気を逃がすように、バックプレート２０４の１つまたは複数の端部で開口され得る。

図３ａ〜図３ｄは、図２の超音波トランスデューサ２００の例示的な実例態様を示している。このような例示的な実施態様は、図３ａにおける部分的な構造に示した超音波トランスデューサアレイ３００を含むことができる。超音波トランスデューサアレイ３００は、フレーム３２０内にそれぞれ配置された、矩形のバックプレート３０４ａ、３０４ｂを有する２つの超音波トランスデューサを含むことができる。図３ａは、バックカバー２０２（図２参照）に通常は面するであろうそれぞれのバックプレート３０４ａ、３０４ｂの側部２０４．２（図２参照）を示す。図３ａは、それぞれのバックプレート３０４ａ、３０４ｂとバックカバー２０２の間に任意の適切な構成で配置することのできるスプリング３０３（例えば、板ばね）をさらに示す。一実施形態では、このような２つのスプリング３０３はフレーム３２０に結合され、バックプレート３０４ａとバックカバー２０２の間に配置され、同様に、このような２つのスプリング３０３は、バックプレート３０４ｂとバックカバー２０２の間に配置される。別の実施形態では、一般に平坦なＺ形状のスプリングが、振動子フィルム層の表面に、静かに、但し均一に、振動子フィルム層２０６に対して各バックプレート３０４ａ、３０４ｂを係合するように構成され得る。

一実施形態では、直線状の溝３０５を含むそれぞれのバックプレート３０４ａ、３０４ｂは、押し出し成形、ロール成形、打ち抜き加工、または機械加工などの低コストの技法を用いて製造することができる。別の実施形態では、バックプレート３０４ａ、３０４ｂは、プラスチック（またはその他の適切な材料）から製造することができ、アルミニウム（またはその他の適切な金属被覆）で被覆され、それゆえ、低コストの射出成形の製造技法に適している。

図３ｂは、振動子フィルム層２０６（図２参照）に通常は面するであろう矩形状のバックプレート３０４ａ、３０４ｂのうちの１つの側部２０４．１（図２参照）を示す。図３ｂに示すように、矩形状のバックプレート３０４は、その表面上に列を成して形成された複数の細長の直線状の溝３０５を含む。一実施形態では、バックプレートの表面上の直線状の溝３０５の列は、図３ｂに示すように、矩形状のバックプレート３０４の長い方の領域の寸法に沿って延びる。別の実施形態では、バックプレートの表面上の直線状の溝３０５の列は、矩形状のバックプレート３０４の短い方の領域の寸法に沿って延びる。さらに別の実施例では、バックプレートの表面上の直線状の溝３０５の列は、矩形状のバックプレート３０４の長い方または短い方の領域の寸法に沿って延び、バックプレート３０４の端部にまで実質的に延在する。

図３ｂにさらに示すように、バックプレート３０４は、直線状の溝３０５内に溜まった空気を逃がすことができるように構成されたエアブリードチャンネル３１０を含む。一実施形態では、エアブリードチャンネル３１０は、細長の直線状の溝３０５の列に実質的に垂直に、かつこれを交差して、バックプレート３０４の表面に実装されて、バックプレート３０４の対向する端部３１２．１、３１２．２で、またはバックプレート３０４の片側または両側２０４．１、２０４．２（図２参照）を介して、溝３０５内に溜まった空気を逃がす。一実施形態では、矩形状のバックプレート３０４の４つの端部全ては、鋭い隅部および／または端部が振動子フィルム層２０６（図２参照）を意図せずすり減らすことがないように、丸みを付けられる。図３ｃは、矩形状のバックプレート３０４の１つの隅部の詳細な図を示し、複数の直線状の溝３０５の一部を表し、また、直線状の溝３０５の列に実質的に垂直に、かつこれと交差し、バックプレート３０４の端部３１２．１にまで実質的に延在するエアブリードチャンネル３１０を表す。

図３ｄは、部分構造において示す超音波トランスデューサアレイ３００の別の図を示す。具体的には、図３ｄは、フレーム３２０、矩形のバックプレート３０４ａ、３０４ｂの一般的な位置、保護フロントカバー３０８、および矩形のバックプレート３０４ａ、３０４ｂと保護フロントカバー３０８の間に挟持された振動子フィルム層３０６を示す。一実施形態では、保護フロントカバー３０８は、保護メッシュの形で実装することができる。保護メッシュ３０８を振動子フィルム層３０６に意図せず接触させないように、超音波トランスデューサアレイ３００は、超音波トランスデューサアレイ３００の少なくとも１つの領域の寸法にわたり、保護メッシュ３０８と振動子フィルム層３０６の間に配置された少なくとも１つの支持バー３０９を含む。物体（例えば、人の指）が保護メッシュ３０８に接触する場合、保護メッシュ３０８は、振動子フィルム層３０６に接触することなく、支持バー３０９に衝突することができる。一実施形態においては、適量の接着剤付きフェルトが振動子フィルム層３０６に取り付けられて、保護メッシュ３０６が振動子フィルム層３０６に直接接触するのを防ぐことができる。

図４ａ〜図４ｂは、それぞれ、図２の超音波トランスデューサ２００内のバックプレートの表面上に形成することのできる、例示的な溝４０５ａ、４０５ｂ、４０５ｃ、４０５ｄの断面図である。図４ａ〜図４ｂに示すように、それぞれの溝４０５ａ、４０５ｂ、４０５ｃ、４０５ｄの断面形状は、帯域幅および周波数応答を最適なものにするために、溝ごとに、または特定のセットの溝ごとに、交互になるようにまたは様々に製造することができる。

一般に、超音波トランスデューサ２００のバックプレート２０４からの最大の力は、各溝２０５の上端部付近で発生され、そこでは、少なくとも部分的にバックプレート２０４によって形成された第１の電極が、振動子フィルム層２０６に最も近接している。これは、最大の変位を引き起こす領域である。感度を上昇させるために、可能な限り最大量の力が振動子フィルム層２０６に加えられるべきである。しかし、典型的な超音波トランスデューサは、振動子フィルム層２０６がその弾性限界に達することにより、または、空気の絶縁耐力により、飽和し得ることに留意されたい。振動子フィルム層２０６がその弾性限界に達するという事態は、振動子フィルム層２０６の厚さが異なることによる最大振幅の差から観察され得る。出力電圧にとって、厚い振動子フィルム層２０６とは対照的に、薄い振動子フィルム層２０６がより高い出力（飽和状態にある）を得ることが可能である。振動子フィルム層２０６がその弾性限界に達すると、係数の著しい変化が生じることがあり、より高い出力が妨げられる。

係数を最小にしながら変位を最大にするために、溝４０５ａ、４０５ｂ、４０５ｃ、４０５ｄ（図４ａ〜図４ｂ参照）は可能な限り幅広に作られ（同時に、印加される全体の力も考慮される）、他方で振動子フィルム層における高い共振モードを避けるように作られる。さらに、溝４０５ａ、４０５ｂ、４０５ｃ、４０５ｄの壁の角度は、徐々に傾斜し、または斜めになり、第１の電極を、最大領域にわたり振動子フィルム層に可能な限り近接するように保つ。一実施形態では、各溝４０５ａ、４０５ｂ、４０５ｃ、４０５ｄは、それぞれの溝の最深部４２２ａ、４２２ｂ、４２２ｃ、４２２ｄに向けて徐々に傾斜する断面外形を有する対向する上端部を含むことができ、第１の電極のより広い領域を振動子フィルム層に近接させることができる。これは、振動子フィルム層への力を最大にし（おおよそ距離と反比例する）、最大の変位および感度をもたらす。別の実施形態では、各溝４０５ａ、４０５ｂ、４０５ｃ、４０５ｄは、１つまたは複数の丸みを付けられた、傾斜した、斜めにされた、または角度を付けられた部分を備える１つまたは複数の壁を有することができる。例えば、溝４０５ａ、４０５ｂ、４０５ｃ、４０５ｄの１つまたは複数の壁は、溝の上端での、またはその付近の、またはそこに向かう緩やかな傾斜、緩やかな斜面、または浅い角度等の様々な傾斜を有するように構成することができ、また、溝の最深部で、またはその付近で、またはそこに向かう急な傾斜、急な傾きまたは急な角度を有するように構成することができる。

図４ａは、溝４０５ａの断面図を示す。溝４０５は、バイアス下において、振動子フィルム層４０６ａの平均的な変位に良好に適合するように懸垂形状であり、それゆえ、振動子フィルム層４０６がその表面全域にわたりバックプレート４０４ａに可能な限り近接することが確実となる。

溝内に深さがないと、補償される必要があり得る共振周波数が著しく上昇できる点に留意されたい。図４ｂを参照すると、厚い振動子フィルム層４０６ｂ（これは曲げ剛性を上昇させ、かつ、おそらく最大出力を減少させるであろう）を使用する代わりに、大量の空気がコンプライアンス（追従）のために溝内に入ることができ、これにより、共振周波数が減少する。製造上の制約により、溝４０５ｂ内のこのような大量の空気は、傾斜した外形を備える溝４０５ｂの中心４２２ｂに、より深い窪みを形成することによって提供されて、均一な空気圧の分散を確実にすることができる。図４ｄに示すように、振動子フィルム層４０６ｂは、ほとんどの部分でバックプレート４０４ｂに非常に近接しており、他方で共振周波数を減少させるために溝４０５ｂ内に大量の空気を提供する。

このような大量の空気は、図４ｃに示すように、少なくとも２つの別々の徐々に傾斜する領域４２４ｃ、４２６ｃを備える仕切られた溝４０５ｃを使用して提供することもできる。電界強度は、２つの電極（例えば、振動子フィルム層４０６ｃの金属化された表面と、バックプレート４０４ｃの表面）の間の距離に反比例するので、電界と、それゆえフィルム４０６ｃへの力とは、緩やかな傾斜４２４ｃの付近で最も高い。急な傾斜４２６ｃは、音響コンプライアンスのためのキャビティを提供し、全体の出力への寄与が少ない。

別の手法は、丸みを付けられた、傾斜した、角度を付けられた、または斜めにされた対向する上端部４２８ｃを有する台形形状の溝４０５ｄを用いることである。振動子フィルム層４０６ｄ付近の追加の電極領域の存在は、超音波トランスデューサが送信しているときにより大きな力を提供し、また、超音波トランスデューサが受信しているときにより高い感度を提供する。例えば、対向する上端部４２８ｄは、１ミル（ｍｉｌ）よりも大きく、２ミルよりも大きく、おおよそ＋／−３ミルで、またはその他の適切な値となるように丸みを付けることができる。

図５は、溝５０５内で、および図４ａ〜図４ｂの溝４０５ａ、４０５ｂ、４０５ｃ、４０５ｄのいずれかの内で実行することのできる、例示的な導電性の柱状構造５３０を示す。柱状構造５３０をこのように使用すると、少なくとも部分的にバックプレート５０４によって形成される増加した電極領域が振動子フィルム層５０６に近接することができ、これにより、より強い力が発生する。

図６は、例示的なパラメトリックオーディオシステム６００を示しており、このシステム内では、図２の超音波トランスデューサ２００と一致する超音波トランスデューサ６１８を用いることができる。図６に示すように、超音波トランスデューサ６１８は、超音波キャリア信号発生器６１２と１つまたは複数のオーディオ信号源６０４．１〜６０４．ｎを含む信号発生器６０２よって駆動される。任意の信号調整回路６０６．１〜６０６．ｎは、オーディオ信号源６０４．１〜６０４．ｎから発生されるそれぞれのオーディオ信号を受信し、調整されたオーディオ信号を加算器６０８に提供する。オーディオ信号の調整は、オーディオ信号が加算器６０８によって加算された後に選択的に実行され得ることに留意されたい。いずれにしても、調整は、通常は再生されたオーディオ内の歪みを効果的に削減させるか、または減少させるのに必要な非線形反転を含む。

モジュレータ６１０は、加算機６０８からのコンポジットオーディオ信号およびキャリア発生器６１２からの超音波キャリア信号を受信し、合成されたオーディオ信号を有する))超音波キャリア信号を変調する。モジュレータ６１０は、変調指数を変更するために調整可能であることが好ましい。キャリアを用いた乗算による振幅変調が好ましいが、このような変調の最終目的は、オーディオ帯域（可聴帯域）信号を超音波に変換することであるので、この結果を実現するいかなる形式の変調も採用することができる。

モジュレータ６１０は、変調されたキャリア信号をマッチングフィルタ６１４に提供し、マッチングフィルタ６１４は、駆動増幅器６１６の凡そ平坦でない周波数応答を補償するように構成されている。マッチングフィルタ６１４は、駆動増幅器６１６に変調されたキャリア信号を提供し、駆動増幅器６１６は、変調されたキャリア信号の増幅されたものを超音波トランスデューサ６１８に提供する。合成されたオーディオ信号を有する振幅変調された高強度のキャリア信号を含む超音波ビーム出力は、可聴音を発生させるように、伝搬媒体の非線形の伝搬特性により、空気中を通過する際に復調される。

開示したシステムおよび方法に関する上記の例示的実施形態を説明したが、その他の代替的な実施形態または変形形態を実行することができる。例えば、図４ａ〜図４ｂに示した直線状の溝４０５ａ、４０５ｂ、４０５ｃ、４０５ｄに関して、エアギャップは、空気のチューブ、パッシブラジエータ、または共振周波数を低下させるのに適したその他の質量素子と置き換えることができる。少なくとも部分的にバックプレートによって形成された電極は、溝の最深部から延在するように製造することもでき、電極をフィルムに近接させるように、柱状形状、環状、チューブ状、Ｔ字形状またはその他の適切な形状として少なくとも部分的に構成することができる。さらにフィルムの係合を補助するために、バックプレートはカーブ（湾曲）するように構成され、この結果、バックプレートは例えば、約６インチにわたり約０．００２インチから０．１００インチの範囲で、直線状の溝に対して凸状となる。

上述の超音波トランスデューサの別の修正形態および変形形態が、本明細書において開示した進歩性の概念から逸脱することなく実行できることを、当業者は理解するであろう。従って、本発明は、添付の特許請求の範囲についての範囲および精神によって限定されない限り、限定的に解釈されるべきでない。

Claims (36)

1. 振動子フィルム層と、
   前記振動子フィルム層に対して配置されたバックプレートとを有し、
   前記バックプレートが、前記振動子フィルム層に面する表面上に形成された複数の窪みを備え、
   各窪みは、変化する傾斜のある断面外形を有する上面を含む対向する端部を備え、前記バックプレートの表面の増加した領域を前記振動子フィルム層に近接させることを可能にする、超音波トランスデューサ。
2. 前記振動子フィルム層に対して力を印加するするように構成された１つまたは複数のコンプライアンス部材をさらに含む、請求項１に記載の超音波トランスデューサ。
3. 前記コンプライアンス部材がばねとして構成される、請求項２に記載の超音波トランスデューサ。
4. 前記振動子フィルム層が、金属化された第１の側、および前記バックプレートに面する金属化されない第２の側を有し、前記バックプレートが少なくとも部分的に第１の電極を形成し、前記振動子フィルム層の金属化された第１の側が第２の電極を形成する、請求項２に記載の超音波トランスデューサ。
5. 前記振動子フィルム層が接地される、請求項４に記載の超音波トランスデューサ。
6. 前記バックプレートの表面に、少なくともいくつかの前記窪みと交差するように実装されたチャンネルをさらに含み、これにより、それぞれの窪み内に溜まった空気を逃がすことを可能にする、請求項１に記載の超音波トランスデューサ。
7. 少なくともいくつかの前記窪みは、それぞれの窪み内に溜まった空気を逃がすことができるように、少なくとも１つの開口端を有する、請求項１に記載の超音波トランスデューサ。
8. 前記振動子フィルム層と隣接して配置された保護用のカバー部をさらに含む、請求項１に記載の超音波トランスデューサ。
9. 少なくともいくつかの前記窪みの上面が、前記振動子フィルム層に対して凸状に丸みを付けられている、請求項１に記載の超音波トランスデューサ。
10. 少なくともいくつかの前記窪みの上面が、少なくとも２つの徐々に傾斜する領域を備える断面外形を有する、請求項１に記載の超音波トランスデューサ。
11. 少なくともいくつかの前記窪みの上面が、それぞれの窪みを実質的に矩形状でない台形形状にさせる断面外形を有する、請求項１に記載の超音波トランスデューサ。
12. 前記窪みの上面の断面外形の変化する傾斜が、それぞれの窪みの最深部に向かって増加する、請求項１１に記載の超音波トランスデューサ。
13. 前記複数の窪みの少なくともいくつかが、前記それぞれの窪みの最深部から前記振動子フィルム層に向けて延在する導電性の柱状構造を含む、請求項１に記載の超音波トランスデューサ。
14. 前記柱状構造がＴ字型である、請求項１３に記載の超音波トランスデューサ。
15. 前記バックプレートが、矩形、六角形、円形または正方形の幾何形状のうちの１つを有する、請求項１に記載の超音波トランスデューサ。
16. 複数の窪みの１つまたは複数が、丸め付けられた、傾斜された、斜めにされた、あるいは角度付けされた部分を含む１つまたは複数の壁を有する、請求項１に記載の超音波トランスデューサ。
17. 少なくとも１つの空中のオーディオビームを発生するパラメトリックオーディオシステムであって、
    少なくとも１つのオーディオ信号を提供するように構成された少なくとも１つのオーディオ信号源と、
    少なくとも１つのオーディオ信号を受信し、前記オーディオ信号を非線形処理するように構成された少なくとも１つの信号調整器と、
    前記非線形処理された信号を受信し、当該非線形処理された信号を超音波周波数に変換するように構成された変調器と、
    前記変換された信号を受信し、空中を介して選択された経路に沿って前記変換された信号を投射するように構成された超音波トランスデューサアレイであって、これにより、前記選択された経路の少なくとも一部に沿って前記オーディオ信号を再生する、超音波トランスデューサアレイと、
    を含み、
    前記超音波トランスデューサが、
    振動子フィルム層と、
    前記振動子フィルム層に対して配置されたバックプレートとを備え、
    前記バックプレートが、前記振動子フィルム層に面する表面上に形成された複数の窪みを備え、
    各窪みは、変化する傾斜のある断面外形を有する上面を含む対向する端部を備え、前記バックプレートの表面の増加した領域を前記振動子フィルム層に近接させることを可能にする、パラメトリックオーディオシステム。
18. 前記超音波トランスデューサが、前記バックプレートの表面上に、少なくともいくつかの窪みの少なくともいくつかと交差するチャンネルを含み、これにより、それぞれの窪み内に溜まった空気を逃がすことができる、請求項１７に記載のパラメトリックオーディオシステム。
19. 前記窪みの少なくともいくつかが、それぞれの窪み内に溜まった空気を逃がすことができるように、少なくとも１つの開口端を有する、請求項１７に記載のパラメトリックオーディオシステム。
20. 前記複数の窪みの少なくともいくつかが、前記それぞれの窪みの最深部から前記振動子フィルム層に向けて延在する導電性の柱状構造を含む、請求項１７に記載のパラメトリックオーディオシステム。
21. 前記バックプレートが、矩形、六角形、円形または正方形の幾何形状のうちの１つを有する、請求項１７に記載のパラメトリックオーディオシステム。
22. 複数の窪みの１つまたは複数が、丸め付けられた、傾斜された、斜めにされた、あるいは角度付けされた部分を含む１つまたは複数の壁を有する、請求項１７に記載のパラメトリックオーディオシステム。
23. 振動子フィルム層を備える超音波トランスデューサ内で使用するためのバックプレートであって、
    前記振動子フィルム層に面するように構成された第１の表面と、
    前記第１の表面上に形成された複数の窪みと
    を含み、
    前記窪みの少なくともいくつかは、変化する傾斜のある断面外形を有する上面を含む対向する端部を備え、前記バックプレートの表面の増加した領域を前記振動子フィルム層に近接させることを可能にする、バックプレート。
24. 前記複数の窪みの１つまたは複数が、１つまたは複数の丸みを付けられた、傾斜した、斜めにされた、もしくは角度を付けられた部分を備える１つまた複数の窪みの壁を有する、請求項２３に記載のバックプレート。
25. 前記窪みの壁の１つまたは複数が、それぞれの窪みの上面で、その付近で、またはそこに向かって緩やかに傾斜した、斜めにされた、または角度を付けられた部分を備え、かつ、それぞれの窪みの最深部で、その付近で、またはそこに向かって急に傾斜した、斜めにされた、または角度を付けられた部分を備える、請求項２４に記載のバックプレート。
26. 前記窪みの壁の少なくとも１つの前記緩やかに傾斜した、斜めにされた、または角度を付けられた部分の少なくとも一部が、それぞれの窪みの上面で、その付近で、またはそこに向かって振動子フィルム層とおおよそ平行である、請求項２５に記載のバックプレート。
27. 前記バックプレートの第１の表面に、それぞれの窪みの少なくともいくつかと交差して実装され、これにより、それぞれの窪み内に溜まった空気を逃がすことができるチャンネルをさらに含む、請求項２３に記載のバックプレート。
28. 前記それぞれの窪みの少なくともいくつかが、それぞれの窪み内に溜まった空気を逃がすことができるように、少なくとも１つの開口端を有する、請求項２３に記載のバックプレート。
29. 前記第１の表面が、矩形、円形、正方形、および六角形の形状のうちの１つを有する、請求項２３に記載のバックプレート。
30. 前記それぞれの窪みの少なくともいくつかが、線形、円形、およびディンプル形の構成のうちの１つを有する、請求項２３に記載のバックプレート。
31. 振動子フィルム層を備える超音波トランスデューサ内で使用するためのバックプレートであって、
    前記振動子フィルム層に面するように構成された第１の表面と、
    前記第１の表面上に形成された複数の窪みと、
    前記バックプレートの第１の表面に、それぞれの窪みの少なくともいくつかと交差して実装され、これにより、それぞれの窪み内に溜まった空気を逃がすことができる、少なくとも１つのチャンネルと
    を含む、バックプレート。
32. 前記第１の表面が、矩形、円形、正方形、および六角形の形状のうちの１つを有する、請求項３１に記載のバックプレート。
33. 前記それぞれの窪みの少なくともいくつかが、線形、円形、およびディンプル形の構成のうちの１つを有する、請求項３１に記載のバックプレート。
34. 振動子フィルム層を備える超音波トランスデューサ内で使用するためのバックプレートであって、
    前記振動子フィルム層に面するように構成された第１の表面と、
    前記第１の表面上に形成された複数の窪みと、
    １つまたは複数の端部とを含み、
    を含み、
    前記それぞれの窪みの少なくともいくつかが、それぞれの窪み内に溜まった空気を逃がすことができるように、前記バックプレートの前記１つまたは複数の端部に少なくとも１つの開口端を有する、バックプレート。
35. 前記第１の表面が、矩形、円形、正方形、および六角形の形状のうちの１つを有する、請求項３４に記載のバックプレート。
36. 前記それぞれの窪みの少なくともいくつかが、線形、円形、およびディンプル形の構成のうちの１つを有する、請求項３４に記載のバックプレート。