WO2022149486A1 - 超音波デバイス、インピーダンス整合層及び静電駆動デバイス - Google Patents

超音波デバイス、インピーダンス整合層及び静電駆動デバイス Download PDF

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裕之 篠田
貴晶 神垣
悠基 二宮
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Definitions

  • the present invention relates to an ultrasonic device, an impedance matching layer and an electrostatic drive device.
  • Airborne Ultrasound Phased Array which can generate powerful aerial ultrasonic waves, is used in various measurements and parametric speakers, and in recent years, aerial haptics, floating of minute or lightweight objects, and airflow. It is being considered for use in a wide range of applications such as control of speakers. Therefore, a highly efficient ultrasonic device has been proposed (see, for example, Patent Documents 1 and 2 and Non-Patent Documents 1 to 5).
  • Takaaki Kamigaki, Yuki Ninomiya, Hiroyuki Shinoda Development of electrostatically driven aerial ultrasonic oscillators with high efficiency and high output, Proceedings of the Society of Instrument and Control Engineers, Vol. 54, No. 3, pp. 340-345, 2018. Takaaki Kamigaki, Yuki Ninomiya, and Hiroyuki Shinoda, "Electrotically Driven Airborne Airborne Ultrasound Transmitter Shield Invest. 2018 International Flexible Electricals Technology Conference (IFERC), pp. 1-3, August. 7-9, 2018, Ottawa, Canada. Takaaki Kamigaki, and Hiroyuki Shinoda, "Driving Circuit Design for Electrostatic Ultrasound Transmitter," in Proc.
  • ultrasonic devices can be easily incorporated into existing devices and installed in limited spaces such as inside cars and indoors, so they can be used in daily life and in various ways. It will be possible to incorporate it into the infrastructure.
  • the present invention has decided to provide an ultrasonic device, an impedance matching layer, and an electrostatic drive device for realizing a sheet-shaped aerial ultrasonic device capable of high output, high efficiency, and transparency.
  • an ultrasonic device for transmitting ultrasonic waves.
  • This ultrasonic device includes an electrostatically driven device and an impedance matching layer.
  • the electrostatic drive device includes a first electrode and a second electrode.
  • the first electrode is a driving film, and is arranged by applying tension to a position facing the second electrode.
  • the second electrode comprises a through hole.
  • At least one of the first electrode and the second electrode is a laminated film in which a plurality of materials having different conductivitys are laminated.
  • the impedance matching layer includes a matching film and a gas.
  • the matching membrane is less than or equal to the sound power at which the loss at resonance is transmitted. Tension is applied and arranged at a position facing the first electrode.
  • the gas is sealed between the matching membrane and the first electrode.
  • the distance between the surface of the matching film facing the first electrode and the surface of the first electrode facing the first electrode is a value corresponding to the amplitude amplification factor, which is the ratio of the amplitude of the driving film to the amplitude of the matching film.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of an ultrasonic device according to an embodiment of the present invention. As shown in the figure, the ultrasonic device 1 includes an electrostatic drive device 2, an impedance matching layer 3, and a power supply 4. The ultrasonic device 1 is a device that sends ultrasonic waves into the air or the like.
  • the electrostatic drive device 2 includes a first electrode 21 and a second electrode 22.
  • the first electrode 21 is a driving film, and is arranged at a position facing the second electrode 22 by applying tension. Further, the second electrode 22 is provided with a through hole. At least one of the first electrode 21 and the second electrode 22 is a laminated film in which a plurality of materials having different conductivitys are laminated. Specifically, when the first electrode 21 is made of a conductor and the second electrode 22 is made of a laminated film, the first electrode 21 is made of a laminated film and the second electrode 22 is made of a conductor. In this case, both the first electrode 21 and the second electrode 22 may be formed of a laminated film.
  • Different laminated films for the first electrode 21 and the second electrode 22 for example, two laminated films composed of a conductor and an insulator on one side, and three layers composed of a conductor, an insulator and a conductor on the other side. It is also possible to use a laminated film.
  • the electrostatic drive device 2 is provided on the spacer 5 provided on the substrate 6, the second electrode 22 is provided on the substrate 6 side, and the first electrode 21 is provided via the spacer 23.
  • the substrate 6 is made of, for example, an acrylic plate, a circuit board, or the like, and the spacer 5 and the spacer 23 are made of, for example, polyimide. The details of the electrostatic drive device 2 will be described later.
  • the impedance matching layer 3 includes a matching film 31 and a gas 32.
  • the matching film 31 is arranged so that the resonance loss is equal to or less than the sound power to be transmitted, and tension is applied to the position facing the first electrode 21.
  • the gas 32 is sealed between the matching film 31 and the first electrode 21.
  • the distance between the surface of the matching film 31 facing the first electrode 21 and the surface of the first electrode facing the first electrode 21 is a value corresponding to the amplitude amplification factor which is the ratio of the amplitude of the driving film and the amplitude of the matching film. ..
  • the impedance matching layer 3 has a configuration in which a matching film 31 is provided via a spacer 33 provided on the electrostatic drive device 2.
  • the spacer 33 is made of, for example, polyimide. The details of the impedance matching layer 3 will be described later.
  • the voltage of the AC power supply 42 is biased by the voltage of the DC power supply 41 due to the combination of the DC power supply 41 and the AC power supply 42, that is, the voltage vibrating with the same polarity is the first electrode 21 and the second electrode 21. It is applied between the electrodes 22 of.
  • FIGS. 2 to 4 are views showing a configuration example of the electrostatic drive device 2.
  • the electrostatic drive device 2 includes a first electrode 21 and a second electrode 22.
  • the first electrode 21 operates (vibrates) as a driving film, is a stack of a plurality of materials having different conductivitys, and is arranged by applying tension to a position facing the second electrode 22. It was set up. Specifically, in the first electrode 21, the first layer 211 and the second layer 212 are laminated, and the second layer 212 is arranged at a position facing the second electrode 22. The conductivity of the second layer 212 is lower than that of the first layer 211.
  • the first layer 211 as a conductor and the second layer 212 as an insulator, it is possible to satisfy the condition that the conductivity of the second layer 212 is lower than that of the first layer 211. can. Further, the second layer 212 does not have to be an insulator and may be a conductor having a sufficiently high resistance value.
  • the application of tension is to resonate at a desired resonance frequency and suppress the pull-in phenomenon.
  • the pull-in phenomenon is a general problem in electrostatic actuators, and is a phenomenon in which the drive film sticks to the lower electrode and cannot operate. This is because the balance of the force applied to the vibrating membrane when the driving membrane is displaced, that is, the balance between the electrostatic force and the restoring force due to the membrane rigidity is lost.
  • the parallel plate type structure is driven by a constant voltage, this phenomenon occurs when the displacement exceeds 1/3 of the initial gap. In a typical parallel plate type structure, the drive film is operated so as not to exceed this displacement.
  • the second electrode 22 includes a through hole 221.
  • the through hole 221 is for suppressing the reactance component due to the gas existing between the first electrode 21 and the second electrode 22. That is, in the through hole 221, when the first electrode 21 which is a driving film vibrates, the gas existing between the first electrode 21 and the second electrode 22 can freely enter and exit through the through hole 221. It is for doing so.
  • At least one of the first electrode and the second electrode is a laminated film in which a plurality of materials having different conductivitys are laminated, but here, a case where the first electrode is a laminated film will be described. ..
  • both the first electrode 21 and the second electrode 22 may be made of a laminated film.
  • the first electrode 21 can be calibrated so that the first layer 213, the second layer 214, and the third layer 215 are laminated in this order.
  • the third layer 215 is arranged at a position facing the second electrode 22.
  • tension is applied to the first electrode 21.
  • the first layer 213 and the third layer 215 are electrically connected to each other. This makes it possible to prevent the permanent charge from adhering to the surface of the second layer 214 when the electrostatic drive device 2 is operated.
  • the second layer 214 is, for example, an insulator, and when an electric charge adheres to the insulator, the bias voltage due to the DC power supply 41 is effectively reduced.
  • the conductivity of the second layer 214 is lower than that of the first layer 213, the conductivity of the third layer 215 is equal to or less than the conductivity of the first layer 213, and that of the second layer 214. Higher than conductivity.
  • the first layer 213 is a first conductor
  • the second layer 214 is an insulator
  • the third layer 215 is a second conductor.
  • first conductor first layer 213 and the second conductor (third layer 215) are connected via an electric resistance 216.
  • electric resistance 216 Even when the first electrode 21 and the second electrode 22 come into contact with each other due to reasons such as the electrostatic drive device 2 being compressed when the electrostatic drive device 2 is operated, theoretically The short-circuit current that becomes infinite does not flow, only the current limited by the electric resistance 216 flows, and it is possible to prevent a large current from flowing through the electrostatic drive device 2.
  • the electrical resistance 216 is connected, it is possible to prevent the permanent attachment of the charge to the surface of the second layer 214.
  • the first layer 213 is used as the first conductor
  • the second layer 214 is used as the insulator
  • the third layer 215 is used as the second conductor
  • the resistance value of the second conductor is the resistance of the first conductor.
  • the second electrode 22 is configured such that the first conductor 222, the insulator 223, and the second conductor 224 are laminated in order, and the first conductor 222 and the second conductor 222 are laminated. It is also possible to electrically connect the conductor 224 to obtain the same effect.
  • the second electrode 22 includes a through hole 221.
  • the through hole 221 is for suppressing the reactance component due to the gas existing between the first electrode 21 and the second electrode 22. That is, in the through hole 221, when the first electrode 21 which is a driving film vibrates, the gas existing between the first electrode 21 and the second electrode 22 can freely enter and exit through the through hole 221. It is for doing so.
  • the maximum distance between the first electrode 21 and the second electrode 22 is the value obtained by dividing the squared value of the discharge voltage at which a discharge occurs between the first electrode 21 and the second electrode 22 by the distance. Is a value that becomes.
  • ⁇ is the dielectric constant of the gas between the first electrode 21 and the second electrode 22
  • ⁇ is the conductor occupancy of the second electrode 22 having the through hole 221.
  • the first electrode 21 and the second electrode 22 are filled with a gas having a property of being less likely to generate an electric discharge than air, for example, sulfur hexafluoride (SF 6 ). It is also possible to further suppress the discharge between the electrode 21 and the second electrode 22. As a result, the discharge voltage V can be increased, and as a result, the power upper limit value W can be increased.
  • a gas having a property of being less likely to generate an electric discharge than air for example, sulfur hexafluoride (SF 6 ).
  • the first electrode 21 is divided into units, and the size of each unit is set so that the resonance frequency of the first electrode 21 becomes a value corresponding to the drive frequency. Specifically, it is desirable that the size of each unit is determined so that the resonance frequency of the first electrode 21 is close to the drive frequency.
  • the impedance matching layer 3 includes a matching film 31 and a gas 32.
  • the impedance matching layer 3 is provided with a matching film 31 via a spacer 33 provided on the electrostatic drive device 2.
  • the impedance matching layer 3 can also be used in combination with a drive device other than the electrostatic drive device 2.
  • the matching film 31 is arranged by applying tension to a position facing the vibration surface of the vibration device, for example, the surface of the first electrode 21 which is the vibration film of the electrostatic drive device 2 on the side of the first layer 211. Will be done.
  • the matching film 31 does not have an opening, and the vibrating surface also has no opening.
  • the matching film 31 has a resonance loss of the same level as or less than the sound power transmitted.
  • the real part of the mechanical impedance of the matching film 31 alone which represents the loss at resonance of the matching film 31 alone, is a value obtained by dividing the mass impedance of the matching film 31 by the Q value of the matching film 31 alone.
  • the mechanical impedance of the matching film 31 alone is the ratio of the applied pressure to the vibration rate of the film when the matching film 31 is present alone, and the vibration rate and the applied pressure are the average values in the film. ..
  • ⁇ / Q is an ultrasonic wave. Is equal to or less than the intrinsic acoustic impedance ⁇ c of the air to which the air is sent. Considering the electroacoustic conversion efficiency, it is desirable that ⁇ / Q is a value sufficiently smaller than ⁇ c.
  • the gas 32 is enclosed between the matching film 31 and the vibration surface, for example, the surface of the first electrode 21, which is the vibration film of the electrostatic drive device 2, on the side of the first layer 211.
  • the gas 32 is, for example, air.
  • the distance between the surface of the matching film 31 facing the vibrating surface and the vibrating surface, that is, the distance Dm between the matching film 31 and the vibrating surface depends on the amplitude amplification factor which is the ratio of the amplitude of the vibrating surface to the amplitude of the matching film. Will be decided. Specifically, when k is represented by the number 1, it is a condition of D m that the kL shown in the number 2 is 5 or less, and preferably, the kL is sufficiently smaller than 5 D.
  • the distance D m is equal to or greater than the first value shown in Equation 3.
  • the condition of the distance D m described here is based on the viscous loss of the gas 32, and also indicates the condition in which the viscous loss does not matter. Therefore, although the distance D m is actually determined according to the amplitude amplification factor, it is necessary to determine the amplitude amplification factor so that the loss due to the viscosity and heat conduction determined by the distance D m is not excessive.
  • the first value is a value obtained by multiplying the second value by the length L of the matching film 31 and divided by 5
  • the second value is the square root of the third value.
  • the third value is a value obtained by multiplying the value obtained by dividing the gas viscosity ⁇ of the gas by the gas bulk modulus ⁇ of the gas by 12, and further multiplying by the angular frequency ⁇ when the matching film 31 is vibrated.
  • D m is a value sufficiently larger than 10 ⁇ m.
  • the size L of the unit matching film 31 needs to be such that the lowest-order resonance frequency of a single unit of the matching film 31 is smaller than the frequency at which the matching film 31 is vibrated. This is because the reactance during driving of the matching film 31 alone is mass (inductive, reactance is a positive value). Therefore, the matching film 31, the first electrode 21, and the second electrode 22 have a predetermined size, and the unit fixed at the edge portion thereof is used as a unit, and these units are integrated in the plane direction to form an array. be able to.
  • the unit has, for example, a matching film 31 or the like having a circular shape having a diameter of 2 mm.
  • the Q value of the first electrode 21 and the Q value of the matching film 31 in Table 1 are both measured in air.
  • the amplitude amplification factor in Table 1 is the ratio of the amplitude of the matching film 31 to the amplitude of the driving film (first electrode 21).
  • the present invention may be provided in each of the following embodiments. It is an impedance matching layer and includes a matching film and a gas.
  • the matching film has an acoustic power or less at which a loss during resonance is transmitted, and tension is applied to a position facing the vibration surface of the vibrating device.
  • the gas is disposed and is sealed between the matching film and the vibrating surface, and the distance between the matching film surface facing the vibrating surface and the vibrating surface is the amplitude of the vibrating surface and the vibration surface.
  • An impedance matching layer that is a value corresponding to the amplitude amplification factor, which is the ratio of the amplitudes of the matching film.
  • the distance is equal to or greater than the first value
  • the first value is a value obtained by multiplying the second value by the length of the matching film and dividing by 5.
  • the second value is the square root of the third value
  • the third value is a value obtained by dividing the gas viscosity of the gas by the gas bulk modulus of the gas multiplied by 12, and further, the matching film.
  • Impedance matching layer which is the value obtained by multiplying the angular frequency when vibrating.
  • the matching film is an impedance matching layer having a magnitude such that the lowest-order resonance frequency of a single element of the matching film is smaller than the frequency at which the matching film is vibrated.
  • the first electrode is a drive film, and tension is applied to a position facing the second electrode.
  • the second electrode is provided with a through hole, and at least one of the first electrode and the second electrode is an electrostatic laminated film in which a plurality of materials having different conductivitys are laminated.
  • Drive device In the electrostatic drive device, the laminated film is such that a first layer and a second layer are laminated, and the second layer is arranged at a position facing another electrode, and the second layer is formed.
  • the conductivity of the electrostatic drive device is lower than the conductivity of the first layer.
  • the laminated film is such that the first layer, the second layer, and the third layer are laminated in order, and the third layer is arranged at a position facing the other electrodes.
  • the conductivity of the second layer is lower than that of the first layer, and the conductivity of the third layer is equal to or less than the conductivity of the first layer.
  • An electrostatic drive device having a higher conductivity than the layer and in which the first layer and the third layer are electrically connected.
  • the first layer is a first conductor
  • the second layer is an insulator
  • the third layer is a second conductor
  • the second layer is a second conductor
  • the resistance value of the conductor is higher than the resistance value of the first conductor.
  • the first layer is a first conductor
  • the second layer is an insulator
  • the third layer is a second conductor
  • the first layer is a first conductor
  • the second layer is an insulator
  • the third layer is a second conductor
  • the first layer is an electrostatic drive device in which the conductor of the above and the second conductor are connected via an electric resistance.
  • the first electrode is divided into units, and the size of the unit is such that the resonance frequency of the first electrode becomes a value corresponding to the drive frequency.
  • Drive device In the electrostatic drive device, the distance between the first electrode and the second electrode is the square of the discharge voltage at which a discharge occurs between the first electrode and the second electrode.
  • An electrostatic drive device whose maximum value is the value divided by the distance.
  • an electrostatic drive device in which a gas having a property of being less likely to generate an electric discharge than air is filled between the first electrode and the second electrode. Of course, this is not the case.
  • Ultrasonic device 2 Electrostatic drive device 3: Impedance matching layer 4: Power supply 5: Spacer 6: Substrate 21: First electrode 22: Second electrode 23: Spacer 31: Matching film 32: Gas 33: Spacer 41: DC power supply 42: AC power supply 211: First layer 212: Second layer 213: First layer 214: Second layer 215: Third layer 216: Electrical resistance 221: Through hole 222: First Conductor 223: Insulator 224: Second conductor

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Abstract

【課題】高出力かつ高効率で透明化が可能なシート状空中超音波デバイスを実現するための超音波デバイス、インピーダンス整合層及び静電駆動デバイスを提供すること。 【解決手段】本発明の一態様によれば、超音波を送出する超音波デバイスが提供される。この超音波デバイスは、静電駆動デバイスと、インピーダンス整合層とを備える。静電駆動デバイスは、第１の電極と、第２の電極とを備える。第１の電極は、駆動膜であり、第２の電極と対向する位置に、張力が印加されて配設される。第２の電極は、貫通孔を備える。第１の電極と第２の電極との少なくとも一方は、導電率の異なる複数の材料が積層された積層膜である。インピーダンス整合層は、整合膜と、気体とを備える。整合膜は、共振時ロスが送出される音響パワー以下である。第１の電極と対向する位置に、張力が印加されて配設される。気体は、整合膜と第１の電極との間に封入される。第１の電極に対向する整合膜の面と、対向する第１の電極の面との距離が、駆動膜の振幅と整合膜の振幅の比である振幅増幅率に応じた値である。

Description

超音波デバイス、インピーダンス整合層及び静電駆動デバイス
　本発明は、超音波デバイス、インピーダンス整合層及び静電駆動デバイスに関する。
　強力な空中超音波を生成できる空中超音波フェーズドアレイ（Ａｉｒｂｏｒｎｅ　Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ　Ｐｈａｓｅｄ　Ａｒｒａｙ：ＡＵＰＡ）は、各種計測やパラメトリックスピーカなどで利用されている他、　近年では、空中ハプティクスや微小あるいは軽量物体の浮遊、気流の制御など多岐に渡る応用での利用が検討されている。このため、高効率な超音波デバイスが提案されている（例えば、特許文献１、２、非特許文献１～５を参照）。
特開２０１９－０２９８６２号公報 特開２０１８－０３７８６３号公報
神垣　貴晶，　二宮　悠基，　篠田　裕之：　高効率・高出力な静電駆動型空中超音波振動子の開発，　計測自動制御学会論文集，　Ｖｏｌ．　５４，　Ｎｏ．３，　ｐｐ．　３４０－　３４５，　２０１８． Ｔａｋａａｋｉ　Ｋａｍｉｇａｋｉ，　Ｙｕｋｉ　Ｎｉｎｏｍｉｙａ，　ａｎｄ　Ｈｉｒｏｙｕｋｉ　Ｓｈｉｎｏｄａ，　"Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃａｌｌｙ　Ｄｒｉｖｅｎ　Ａｉｒｂｏｒｎｅ　Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ　Ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ　ｗｉｔｈ　Ｆｉｎｅ　Ｍｅｓｈ　Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ，"　ｉｎ　Ｐｒｏｃ．　２０１８　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｆｌｅｘｉｂｌｅ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　（ＩＦＥＴＣ），　ｐｐ．　１－３，　Ａｕｇ．　７－９，　２０１８，　Ｏｔｔａｗａ，　Ｃａｎａｄａ． Ｔａｋａａｋｉ　Ｋａｍｉｇａｋｉ，　ａｎｄ　Ｈｉｒｏｙｕｋｉ　Ｓｈｉｎｏｄａ，　"Ｄｒｉｖｉｎｇ　Ｃｉｒｃｕｉｔ　Ｄｅｓｉｇｎ　ｆｏｒ　Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ　Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　Ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ，"　ｉｎ　Ｐｒｏｃ．　２０１９　ＩＥＥＥ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ　Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ　（ＩＵＳ），　ＭｏＰｏＳ－３１．３，　Ｏｃｔ．，　６－９，　２０１９，　Ｇｌａｓｇｏｗ，　Ｓｃｏｔｌａｎｄ． Ｔａｋａａｋｉ　Ｋａｍｉｇａｋｉ，　Ｙｕｋｉ　Ｎｉｎｏｍｉｙａ，　ａｎｄ　Ｈｉｒｏｙｕｋｉ　Ｓｈｉｎｏｄａ，　"Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃａｌｌｙ　Ｄｒｉｖｅｎ　Ａｉｒｂｏｒｎｅ　Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ　Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ　ｗｉｔｈ　Ｐｅｒｆｏｒａｔｅｄ　Ｂａｃｋｐｌａｔｅ　ｆｏｒ　Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ　Ａｃｏｕｓｔｉｃ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，"　２３ｒｄ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｃｏｎｇｒｅｓｓ　ｏｎ　Ａｃｏｕｓｔｉｃｓ　（ＩＣＡ２０１９），　ｐｐ．　６３６３－６３６９，　Ｓｅｐ．　９－１３，　Ａａｃｈｅｎ，　Ｇｅｒｍａｎｙ． Ｙ．　Ｎｉｎｏｍｉｙａ，　Ｔ．　Ｋａｍｉｇａｋｉ　ａｎｄ　Ｈ．　Ｓｈｉｎｏｄａ，　"Ａｉｒｂｏｒｎｅ　Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　Ｅｍｉｓｓｉｏｎ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ　Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ，"　２０２０　ＩＥＥＥ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ　Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ　（ＩＵＳ），　Ｌａｓ　Ｖｅｇａｓ，　ＮＶ，　ＵＳＡ，　２０２０，　ｐｐ．　１－３，　ｄｏｉ：　１０．１１０９／ＩＵＳ４６７６７．２０２０．９２５１６８８．
　超音波デバイスは、高効率なシート状の振動子が実現できれば、既存デバイスへの組み込みや、車内や室内などの限られたスペースへの敷設が容易になるため、日常生活での活用や様々なインフラへの組み込みが可能になると考えられる。
　本発明では上記事情を鑑み、高出力かつ高効率で透明化が可能なシート状空中超音波デバイスを実現するための超音波デバイス、インピーダンス整合層及び静電駆動デバイスを提供することとした。
　本発明の一態様によれば、超音波を送出する超音波デバイスが提供される。この超音波デバイスは、静電駆動デバイスと、インピーダンス整合層とを備える。静電駆動デバイスは、第１の電極と、第２の電極とを備える。第１の電極は、駆動膜であり、第２の電極と対向する位置に、張力が印加されて配設される。第２の電極は、貫通孔を備える。第１の電極と第２の電極との少なくとも一方は、導電率の異なる複数の材料が積層された積層膜である。インピーダンス整合層は、整合膜と、気体とを備える。整合膜は、共振時ロスが送出される音響パワー以下である。第１の電極と対向する位置に、張力が印加されて配設される。気体は、整合膜と第１の電極との間に封入される。第１の電極に対向する整合膜の面と、対向する第１の電極の面との距離が、駆動膜の振幅と整合膜の振幅の比である振幅増幅率に応じた値である。
　本発明の一態様によれば、超音波デバイスを高出力かつ高効率とすることが提供可能となる。
本発明の実施形態に係る超音波デバイスの構成例を示した図である。 静電駆動デバイス２の構成例を示した図である。 静電駆動デバイス２の構成例を示した図である。 静電駆動デバイス２の構成例を示した図である。
　以下、図面を用いて本発明の実施形態について説明する。以下に示す実施形態中で示した各種特徴事項は、互いに組み合わせ可能である。
１．超音波デバイスの構成
　図１は、本発明の実施形態に係る超音波デバイスの構成例を示した図である。同図に示すように、超音波デバイス１は、静電駆動デバイス２と、インピーダンス整合層３と、電源４とを備える。この超音波デバイス１は、超音波を空気中等に送出するデバイスである。
　静電駆動デバイス２は、第１の電極２１と、第２の電極２２とを備える。第１の電極２１は、駆動膜であり、第２の電極２２と対向する位置に、張力が印加されて配設される。また、第２の電極２２は、貫通孔を備える。第１の電極２１と第２の電極２２との少なくとも一方は、導電率の異なる複数の材料が積層された積層膜である。具体的には、第１の電極２１を導体で構成し、第２の電極２２を積層膜で構成する場合、第１の電極２１を積層膜で構成し、第２の電極２２を導体で構成する場合、第１の電極２１と第２の電極２２の両者を積層膜で構成する場合がある。第１の電極２１と第２の電極２２で異なる積層膜、例えば、一方が導体と絶縁体で構成される２層の積層膜、他方が導体と絶縁体と導体とで構成される３層の積層膜とすることも可能である。
　静電駆動デバイス２は、基板６の上に設けられたスペーサ５の上に設けられ、基板６側に第２の電極２２が設けられ、スペーサ２３を介して第１の電極２１が設けられる。基板６は、例えば、アクリル板や回路基板等で構成され、スペーサ５とスペーサ２３は、例えば、ポリイミドで構成される。なお、静電駆動デバイス２の詳細については後述する。
　インピーダンス整合層３は、整合膜３１と、気体３２とを備える。整合膜３１は、共振時ロスが送出される音響パワー以下であり、第１の電極２１と対向する位置に、張力が印加されて配設される。気体３２は、整合膜３１と前記第１の電極２１との間に封入される。第１の電極２１に対向する整合膜３１の面と、対向する第１の電極の面との距離が、駆動膜の振幅と整合膜の振幅の比である振幅増幅率に応じた値である。
　インピーダンス整合層３は、静電駆動デバイス２の上に設けられたスペーサ３３を介して整合膜３１が設けられる構成となる。スペーサ３３は、例えば、ポリイミドで構成される。なお、インピーダンス整合層３の詳細については後述する。
　電源４は、直流電源４１と交流電源４２の組み合わせにより、交流電源４２の電圧が直流電源４１の電圧でバイアスされた電圧、つまり、同じ極性で振動する電圧が、第１の電極２１と第２の電極２２の間に印加される。
２．静電駆動デバイスの構成
　図２乃至図４は、静電駆動デバイス２の構成例を示した図である。図２に示すように、静電駆動デバイス２は、第１の電極２１と、第２の電極２２とを備える。第１の電極２１は、駆動膜として動作（振動）するもので、導電率の異なる複数の材料が積層されたものであり、第２の電極２２と対向する位置に、張力が印加されて配設されたものである。具体的には、第１の電極２１は、第１の層２１１と、第２の層２１２とが積層され、第２の層２１２が第２の電極２２と対向する位置に配設される。第２の層２１２の導電率は、第１の層２１１の導電率よりも低い。例えば、第１の層２１１を導体とし、第２の層２１２を絶縁体とすることで、第２の層２１２の導電率が第１の層２１１の導電率よりも低いといった条件を満たすことができる。また、第２の層２１２は、絶縁体である必要はなく、十分に抵抗値の高い導体であってもよい。
　張力の印加は、所望の共振周波数で共振させるとともに、プルイン現象を抑制するためである。プルイン現象は、静電アクチュエータにおける一般的な問題であり、駆動膜が下部電極に張り付いて動作できなくなる現象である。これは、駆動膜が変位した際の振動膜に掛かる力の均衡、すなわち、静電気力と膜剛性による復元力の均衡が崩れることに起因する。平行平板型構造を定電圧駆動した場合、初期ギャップの１／３を超えて変位するとこの現象が起こる。典型的な平行平板型構造では、この変位を超えないよう駆動膜を動作させている。
　第２の電極２２は、貫通孔２２１を備える。この貫通孔２２１は、第１の電極２１と第２の電極２２との間に存在する気体によるリアクタンス成分を抑制するためのものである。つまり、貫通孔２２１は、駆動膜である第１の電極２１が振動した際に、第１の電極２１と第２の電極２２との間に存在する気体が貫通孔２２１を通じて、自由に出入りできるようにするためのものである。なお、第１の電極と第２の電極との少なくとも一方は、導電率の異なる複数の材料が積層された積層膜であるが、ここでは、第１の電極が積層膜である場合を説明する。なお、第１の電極２１と第２の電極２２との組み合わせとしては、第１の電極２１を導体で構成し、第２の電極２２を積層膜で構成する場合、第１の電極２１を積層膜で構成し、第２の電極２２を導体で構成する場合、第１の電極２１と第２の電極２２の両者を積層膜で構成する場合がある。第１の電極２１と第２の電極２２で異なる積層膜、例えば、一方が導体と絶縁体で構成される２層の積層膜、他方が導体と絶縁体と導体とで構成される３層の積層膜とすることも可能である。
　また、図３に示すように、第１の電極２１を、第１の層２１３と、第２の層２１４と、第３の層２１５とが順に積層されるように較正することもできる。この場合、第３の層２１５が第２の電極２２と対向する位置に配設される。この場合も、第１の電極２１には、張力が印加されている。また、第１の層２１３と第３の層２１５とは、電気的に接続されている。これにより、静電駆動デバイス２を動作させた際に、第２の層２１４の表面への電荷の永続的付着を防止することができる。第２の層２１４は、例えば、絶縁体であり、この絶縁体に、電荷が付着した場合、直流電源４１によるバイアス電圧が実効的に減少する。
　第２の層２１４の導電率は、第１の層２１３の導電率よりも低く、第３の層２１５の導電率は、第１の層２１３の導電率以下であり、第２の層２１４の導電率よりも高い。具体的には、第１の層２１３は、第１の導体であり、第２の層２１４は、絶縁体であり、第３の層２１５は、第２の導体である。
　また、第１の導体（第１の層２１３）と第２の導体（第３の層２１５）は、電気抵抗２１６を介して接続されている。この構成により、静電駆動デバイス２を動作させた際に、静電駆動デバイス２が圧迫されるなどの理由により、第１の電極２１と第２の電極２２とが接触した場合でも、理論上で無限大となる短絡電流が流れることがなく、電気抵抗２１６で制限された電流が流れるのみとなり、静電駆動デバイス２に大電流が流れることを防止することができる。もちろん、電気抵抗２１６が接続されている場合でも、第２の層２１４の表面への電荷の永続的付着を防止することができる。
　また、第１の層２１３を第１の導体とし、第２の層２１４を絶縁体とし、第３の層２１５を第２の導体として、第２の導体の抵抗値を第１の導体の抵抗値よりも高くすることで、電気抵抗２１６を省略する、つまり、電気抵抗２１６を接続しないようにすることも可能である。もちろん、電気抵抗２１６を接続することは可能である。なお、第３の層２１５を省略し、第２の層２１４の絶縁体にわずかに導電性を与え、同じ効果を得ることもできる。
　また、図４に示すように、第２の電極２２を、第１の導体２２２と、絶縁体２２３と、第２の導体２２４とが順に積層される構成とし、第１の導体２２２と第２の導体２２４とを電気的に接続し、同様の効果をえるようにすることも可能である。
　また、図２乃至図４に示すように、第２の電極２２は、貫通孔２２１を備える。この貫通孔２２１は、第１の電極２１と第２の電極２２との間に存在する気体によるリアクタンス成分を抑制するためのものである。つまり、貫通孔２２１は、駆動膜である第１の電極２１が振動した際に、第１の電極２１と第２の電極２２との間に存在する気体が貫通孔２２１を通じて、自由に出入りできるようにするためのものである。
　第１の電極２１と第２の電極２２との距離は、第１の電極２１と第２の電極２２との間で放電が生じる放電電圧を２乗した値を距離で除した値が、最大となる値である。具体的には、第１の電極２１と第２の電極２２との距離をＤｄとすると、放電電圧Ｖは、Ｄｄの関数として、Ｖ＝（Ｄｄ）と表すことができる。このときの単位面積あたりの静電気力ｐは、ｐ＝εαＶ２／（２Ｄｄ ２）となる。ただし、εは、第１の電極２１と第２の電極２２との間の気体の誘電率、αは、貫通孔２２１を有する第２の電極２２の導体占有率である。そして、振動膜である第１の電極２１の最大変位ｓをｓ＝ｒＤｄ（ｒは１より小さい定数）とすれば、静電駆動デバイス２の電力上限値Ｗは、Ｗ＝ｐｓｆ＝εαｒｆＶ２／（２Ｄｄ）となる。ｆは、周波数である。εαｒｆ／２は定数であるから、静電駆動デバイス２の電力上限値Ｗを最大化する場合、Ｖ２／Ｄｄを最大化するＤｄを決定すればよい。
　なお、第１の電極２１と第２の電極２２との間に、空気よりも放電が生じにくい性質を有する気体、例えば、六フッ化硫黄（ＳＦ６）を充満させておくことで、第１の電極２１と第２の電極２２との間に放電を、より抑制することも可能である。これにより、放電電圧Ｖを高めることができ、その結果、電力上限値Ｗを増加させることができる。
　また、第１の電極２１をユニットに区切り、各ユニットの大きさを第１の電極２１の共振周波数が、駆動周波数に応じた値となる大きさとすることが望ましい。具体的には、各ユニットの大きさは、第１の電極２１の共振周波数が、駆動周波数に近い値になるように決定されることが望ましい。
３．インピーダンス整合層の構成
　図１に示すように、インピーダンス整合層３は、整合膜３１と、気体３２とを備える。インピーダンス整合層３は、静電駆動デバイス２の上に設けられたスペーサ３３を介して整合膜３１が設けられる。なお、インピーダンス整合層３は、静電駆動デバイス２以外の駆動デバイスと組み合わせて用いることも可能である。
　整合膜３１は、振動デバイスの振動面、例えば、静電駆動デバイス２の振動膜である第１の電極２１の第１の層２１１側の面に対向する位置に、張力が印加されて配設される。この整合膜３１には、開口が存在せず、振動面にも開口は存在しない。
　また、整合膜３１は、共振時ロスが送出される音響パワーと同程度、又は、それ以下である。整合膜３１単体での共振時ロスを表す、整合膜３１単体での機械インピーダンスの実部は、整合膜３１の質量インピーダンスを整合膜３１単体のＱ値で割った値である。整合膜３１単体での機械インピーダンスとは、整合膜３１が単独で存在するときの膜の振動速度に対する印加圧力の比であり、振動速度、印加圧力としては膜内平均値を用いたものである。具体的には、整合膜３１の面密度をσ［ｋｇ／ｍ２］、角周波数をω［ｒａｄ／ｓ］、整合膜３１単体のＱ値をＱとした場合に、σω／Ｑが超音波の送出先となる空気の固有音響インピーダンスρｃと同程度、又は、それ以下である。なお、電気音響変換効率を考慮すると、σω／Ｑがρｃよりも十分に小さい値であることが望ましい。
　気体３２は、整合膜３１と振動面、例えば、静電駆動デバイス２の振動膜である第１の電極２１の第１の層２１１側の面との間に封入される。この気体３２は、例えば、空気である。振動面に対向する整合膜３１の面と、該振動面との距離つまり、整合膜３１と振動面の距離Ｄｍは、振動面の振幅と整合膜の振幅の比である振幅増幅率に応じて決定される。具体的には、ｋが数１で表される場合、数２に示すｋＬが、５以下であることがＤｍの条件であり、望ましくは、ｋＬが、５よりも十分に小さいことがＤｍの条件である。なお、式中では、気体粘性をη［Ｐａ　ｓ］、気体体積弾性率をκ［Ｐａ］、角周波数をω［ｒａｄ／ｓ］、整合膜３１の大きさをＬ［ｍ］としている。つまり、距離Ｄｍは、数３に示す第１の値以上である。なお、ここで説明した距離Ｄｍの条件は、気体３２の粘性ロスに基づくものであり、粘性ロスが問題とならない条件を示したものでもある。したがって、実際には、振幅増幅率に応じて距離Ｄｍが決まるものの、距離Ｄｍで決まる粘性および熱伝導によるロスが過大にならないように振幅増幅率を決める必要がある。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　第１の値は、第２の値に、整合膜３１の長さＬを乗じた値を５で除した値であり、第２の値は、第３の値の平方根である。第３の値は、気体の気体粘性ηを気体の気体体積弾性率κで除した値に１２を乗じ、さらに、整合膜３１を振動させる際の角周波数ωを乗じた値である。
　例えば、Ｌ＝２ｍｍ、ω＝２π×８０ｋＨｚであれば、Ｄｍは、１０μｍよりも十分に大きい値となる。
４．ユニット
　整合膜３１の大きさＬは、整合膜３１の単体の最低次共振周波数が、整合膜３１を振動させる際の周波数より小さくなる大きさである必要がある。これは、整合膜３１単体での駆動時リアクタンスが質量性（誘導性、リアクタンスが正の値）となるためである。このため、整合膜３１、第１の電極２１、第２の電極２２を所定の大きさとし、これらの辺縁部で固定されたものをユニットとし、このユニットを平面方向に集積してアレイとすることができる。ユニットは、例えば、整合膜３１等が、直径２ｍｍの円形のものである。
５．実験結果
　表１に示すパラメータにより実験を行った。その結果、８０ｋＨｚにおける目標振幅に、４６．２ｋＨｚで到達し、インピーダンス整合層３によって所定の振幅増幅効果が得られることが確認できた。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
　なお、表１中の第１の電極２１のＱ値と整合膜３１のＱ値は、いずれも、空気中において測定した値である。また、表１中の振幅増幅率は、駆動膜（第１の電極２１）の振幅に対する整合膜３１の振幅の比である。
７．その他
　本発明は、次に記載の各態様で提供されてもよい。
　インピーダンス整合層であって、整合膜と、気体とを備え、前記整合膜は、共振時ロスが送出される音響パワー以下であり、振動デバイスの振動面に対向する位置に、張力が印加されて配設され、前記気体は、前記整合膜と前記振動面との間に封入され、前記振動面に対向する前記整合膜の面と、該振動面との距離が、前記振動面の振幅と前記整合膜の振幅の比である振幅増幅率に応じた値であるインピーダンス整合層。
　前記インピーダンス整合層において、前記距離は、第１の値以上であり、前記第１の値は、第２の値に、前記整合膜の長さを乗じた値を５で除した値であり、前記第２の値は、第３の値の平方根であり、前記第３の値は、前記気体の気体粘性を前記気体の気体体積弾性率で除した値に１２を乗じ、さらに、前記整合膜を振動させる際の角周波数を乗じた値であるインピーダンス整合層。
　前記インピーダンス整合層において、前記整合膜は、該整合膜の単体の最低次共振周波数が、該整合膜を振動させる際の周波数より小さくなる大きさであるインピーダンス整合層。
　静電駆動デバイスであって、第１の電極と、第２の電極とを備え、前記第１の電極は、駆動膜であり、前記第２の電極と対向する位置に、張力が印加されて配設され、前記第２の電極は、貫通孔を備え、前記第１の電極と前記第２の電極との少なくとも一方は、導電率の異なる複数の材料が積層された積層膜である静電駆動デバイス。
　前記静電駆動デバイスにおいて、前記積層膜は、第１の層と、第２の層とが積層され、前記第２の層が他の電極と対向する位置に配設され、前記第２の層の導電率は、前記第１の層の導電率よりも低い静電駆動デバイス。
　前記静電駆動デバイスにおいて、前記積層膜は、第１の層と、第２の層と、第３の層とが順に積層され、前記第３の層が他の電極と対向する位置に配設され、前記第２の層の導電率は、前記第１の層の導電率よりも低く、前記第３の層の導電率は、前記第１の層の導電率以下であり、前記第２の層の導電率よりも高く、前記第１の層と前記第３の層とが電気的に接続されている静電駆動デバイス。
　前記静電駆動デバイスにおいて、前記第１の層は、第１の導体であり、前記第２の層は、絶縁体であり、前記第３の層は、第２の導体であり、前記第２の導体の抵抗値は、前記第１の導体の抵抗値よりも高い静電駆動デバイス。
　前記静電駆動デバイスにおいて、前記第１の層は、第１の導体であり、前記第２の層は、絶縁体であり、前記第３の層は、第２の導体であり、前記第１の導体と前記第２の導体とが、電気抵抗を介して接続されている静電駆動デバイス。
　前記静電駆動デバイスにおいて、前記第１の電極は、ユニットに区切られ、前記ユニットの大きさは、前記第１の電極の共振周波数が、駆動周波数に応じた値となる大きさである静電駆動デバイス。
　前記静電駆動デバイスにおいて、前記第１の電極と前記第２の電極との距離は、前記第１の電極と前記第２の電極との間で放電が生じる放電電圧を２乗した値を前記距離で除した値が、最大となる値である静電駆動デバイス。
　前記静電駆動デバイスにおいて、前記第１の電極と前記第２の電極との間に、空気よりも放電が生じにくい性質を有する気体が充満されている静電駆動デバイス。
　もちろん、この限りではない。
１　　　：超音波デバイス
２　　　：静電駆動デバイス
３　　　：インピーダンス整合層
４　　　：電源
５　　　：スペーサ
６　　　：基板
２１　　：第１の電極
２２　　：第２の電極
２３　　：スペーサ
３１　　：整合膜
３２　　：気体
３３　　：スペーサ
４１　　：直流電源
４２　　：交流電源
２１１　：第１の層
２１２　：第２の層
２１３　：第１の層
２１４　：第２の層
２１５　：第３の層
２１６　：電気抵抗
２２１　：貫通孔
２２２　：第１の導体
２２３　：絶縁体
２２４　：第２の導体

Claims (12)

  1. 　超音波を送出する超音波デバイスであって、
    　静電駆動デバイスと、インピーダンス整合層とを備え、
    　前記静電駆動デバイスは、第１の電極と、第２の電極とを備え、
    　　前記第１の電極は、駆動膜であり、前記第２の電極と対向する位置に、張力が印加されて配設され、
    　　前記第２の電極は、貫通孔を備え、
    　　前記第１の電極と前記第２の電極との少なくとも一方は、導電率の異なる複数の材料が積層された積層膜であり、
    　前記インピーダンス整合層は、整合膜と、気体とを備え、
    　　前記整合膜は、
    　　　共振時ロスが送出される音響パワー以下であり、
    　　　前記第１の電極と対向する位置に、張力が印加されて配設され、
    　　前記気体は、前記整合膜と前記第１の電極との間に封入され、
    　　前記第１の電極に対向する前記整合膜の面と、対向する前記第１の電極の面との距離が、前記駆動膜の振幅と前記整合膜の振幅の比である振幅増幅率に応じた値である
    　超音波デバイス。
  2. 　インピーダンス整合層であって、
    　整合膜と、気体とを備え、
    　前記整合膜は、
    　　共振時ロスが送出される音響パワー以下であり、
    　　振動デバイスの振動面に対向する位置に、張力が印加されて配設され、
    　前記気体は、前記整合膜と前記振動面との間に封入され、
    　前記振動面に対向する前記整合膜の面と、該振動面との距離が、前記振動面の振幅と前記整合膜の振幅の比である振幅増幅率に応じた値である
    　インピーダンス整合層。
  3. 　請求項２に記載のインピーダンス整合層において、
    　前記距離は、第１の値以上であり、
    　　前記第１の値は、第２の値に、前記整合膜の長さを乗じた値を５で除した値であり、
    　　　前記第２の値は、第３の値の平方根であり、
    　　　　前記第３の値は、前記気体の気体粘性を前記気体の気体体積弾性率で除した値に１２を乗じ、さらに、前記整合膜を振動させる際の角周波数を乗じた値である
    　インピーダンス整合層。
  4. 　請求項２又は請求項３に記載のインピーダンス整合層において、
    　前記整合膜は、該整合膜の単体の最低次共振周波数が、該整合膜を振動させる際の周波数より小さくなる大きさである
    　インピーダンス整合層。
  5. 　静電駆動デバイスであって、
    　第１の電極と、第２の電極とを備え、
    　前記第１の電極は、駆動膜であり、前記第２の電極と対向する位置に、張力が印加されて配設され、
    　前記第２の電極は、貫通孔を備え、
    　前記第１の電極と前記第２の電極との少なくとも一方は、導電率の異なる複数の材料が積層された積層膜である
    　静電駆動デバイス。
  6. 　請求項５に記載の静電駆動デバイスにおいて、
    　前記積層膜は、第１の層と、第２の層とが積層され、前記第２の層が他の電極と対向する位置に配設され、
    　前記第２の層の導電率は、前記第１の層の導電率よりも低い
    　静電駆動デバイス。
  7. 　請求項５に記載の静電駆動デバイスにおいて、
    　前記積層膜は、第１の層と、第２の層と、第３の層とが順に積層され、前記第３の層が他の電極と対向する位置に配設され、
    　前記第２の層の導電率は、前記第１の層の導電率よりも低く、
    　前記第３の層の導電率は、前記第１の層の導電率以下であり、前記第２の層の導電率よりも高く、
    　前記第１の層と前記第３の層とが電気的に接続されている
    　静電駆動デバイス。
  8. 　請求項７に記載の静電駆動デバイスにおいて、
    　前記第１の層は、第１の導体であり、
    　前記第２の層は、絶縁体であり、
    　前記第３の層は、第２の導体であり、
    　　前記第２の導体の抵抗値は、前記第１の導体の抵抗値よりも高い
    　静電駆動デバイス。
  9. 　請求項７に記載の静電駆動デバイスにおいて、
    　前記第１の層は、第１の導体であり、
    　前記第２の層は、絶縁体であり、
    　前記第３の層は、第２の導体であり、
    　前記第１の導体と前記第２の導体とが、電気抵抗を介して接続されている
    　静電駆動デバイス。
  10. 　請求項５乃至請求項９のいずれか１項に記載の静電駆動デバイスにおいて、
    　前記第１の電極は、ユニットに区切られ、
    　前記ユニットの大きさは、前記第１の電極の共振周波数が、駆動周波数に応じた値となる大きさである
    　静電駆動デバイス。
  11. 　請求項５乃至請求項１０のいずれか１項に記載の静電駆動デバイスにおいて、
    　前記第１の電極と前記第２の電極との距離は、前記第１の電極と前記第２の電極との間で放電が生じる放電電圧を２乗した値を前記距離で除した値が、最大となる値である
    　静電駆動デバイス。
  12. 　請求項５乃至請求項１１のいずれか１項に記載の静電駆動デバイスにおいて、
    　前記第１の電極と前記第２の電極との間に、空気よりも放電が生じにくい性質を有する気体が充満されている
    　静電駆動デバイス。
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