JP2005341143A5 - - Google Patents

Description

超音波トランスデューサ及びこれを用いた超音波スピーカUltrasonic transducer and ultrasonic speaker using the same

本発明は、広周波数帯域に渡って一定の高音圧を発生する静電型の超音波トランスデューサ及びこれを用いた超音波スピーカに関する。   The present invention relates to an electrostatic ultrasonic transducer that generates a constant high sound pressure over a wide frequency band, and an ultrasonic speaker using the same.

従来の超音波トランスデューサは圧電セラミックを用いた共振型がほとんどである。
ここで、従来の超音波トランスデューサの構成を図７に示す。従来の超音波トランスデューサは、振動素子として圧電セラミックを用いた共振型がほとんどである。図７に示す超音波トランスデューサは、振動素子として圧電セラミックを用いて電気信号から超音波への変換と、超音波から電気信号への変換（超音波の送信と受信）の両方を行う。図７に示すバイモフル型の超音波トランスデューサは、２枚の圧電セラミック６１および６２と、コーン６３と、ケース６４と、リード６５および６６と、スクリーン６７とから構成されている。 Most of conventional ultrasonic transducers are resonant types using piezoelectric ceramics.
Here, the configuration of a conventional ultrasonic transducer is shown in FIG. Most of conventional ultrasonic transducers are resonant types using piezoelectric ceramics as vibration elements. The ultrasonic transducer shown in FIG. 7 performs both conversion from an electric signal to ultrasonic waves and conversion from ultrasonic waves to electric signals (transmission and reception of ultrasonic waves) using a piezoelectric ceramic as a vibration element. The bimofull type ultrasonic transducer shown in FIG. 7 includes two piezoelectric ceramics 61 and 62, a cone 63, a case 64, leads 65 and 66, and a screen 67.

圧電セラミック６１および６２は、互いに貼り合わされていて、その貼り合わせ面と反対側の面にそれぞれリード６５とリード６６が接続されている。
共振型の超音波トランスデューサは、圧電セラミックの共振現象を利用しているので、超音波の送信および受信の特性がその共振周波数周辺の比較的狭い周波数帯域で良好となる。 The piezoelectric ceramics 61 and 62 are bonded to each other, and a lead 65 and a lead 66 are connected to a surface opposite to the bonded surface, respectively.
Since the resonance type ultrasonic transducer uses the resonance phenomenon of the piezoelectric ceramic, the transmission and reception characteristics of the ultrasonic wave are good in a relatively narrow frequency band around the resonance frequency.

上述した図７に示す共振型の超音波トランスデューサと異なり、従来より静電方式の超音波トランスデューサは高周波数帯域にわたって高い音圧を発生可能な広帯域発振型超音波トランスデューサとしで知られている。図８に広帯域発振型超音波トランスデューサの具体的構成を示す。   Unlike the resonant ultrasonic transducer shown in FIG. 7 described above, an electrostatic ultrasonic transducer is conventionally known as a broadband oscillation ultrasonic transducer capable of generating a high sound pressure over a high frequency band. FIG. 8 shows a specific configuration of the broadband oscillation type ultrasonic transducer.

図８に示す静電型の超音波トランスデューサは、振動体として３〜１０μｍ程度の厚さのＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート樹脂）等の誘電体１３１ (絶縁体）を用いている。誘電体１３１に対しては、アルミ等の金属箔として形成される上電極１３２がその上面部に蒸着等の処理によって一体形成されるとともに、真鍮で形成された下電極１３３が誘電体１３１の下面部に接触するように設けられている。この下電極１３３は、リード１５２が接続されるとともに、ベークライト等からなるベース板１３５に固定されている。   The electrostatic ultrasonic transducer shown in FIG. 8 uses a dielectric 131 (insulator) such as PET (polyethylene terephthalate resin) having a thickness of about 3 to 10 μm as a vibrating body. An upper electrode 132 formed as a metal foil such as aluminum is integrally formed on the upper surface of the dielectric 131 by a process such as vapor deposition, and a lower electrode 133 formed of brass is formed on the lower surface of the dielectric 131. It is provided so that it may contact a part. The lower electrode 133 is connected to a lead 152 and is fixed to a base plate 135 made of bakelite or the like.

また、上電極１３２は、リード１５３が接続されており、このリード１５３は直流バイアス電源１５０に接続されている。この直流バイアス電源１５０により上電極３２には５０〜１５０Ｖ程度の上電極吸着用の直流バイアス電圧が常時、印加され上電極１３２が下電極１３３側に吸着されるようになっている。１５１は信号源である。   The upper electrode 132 is connected to a lead 153, and the lead 153 is connected to the DC bias power supply 150. The DC bias power supply 150 constantly applies a DC bias voltage for attracting the upper electrode of about 50 to 150 V to the upper electrode 32 so that the upper electrode 132 is attracted to the lower electrode 133 side. Reference numeral 151 denotes a signal source.

誘電体１３１および上電極１３２ならびにベース板１３５は、メタルリング１３６、１３７、および１３８、ならびにメッシュ１３９とともに、ケース１３０によってかしめらてる。
下電極１３３の誘電体１３１側の面には不均一な形状を有する数十〜数百μｍ程度の微小な溝が複数形成されている。この微小な溝は、下電極１３３と誘電体１３１との間の空隙となるので、上電極１３２および下電極１３３間の静電容量の分布が微小に変化する。 The dielectric 131, the upper electrode 132, and the base plate 135 are caulked by the case 130 together with the metal rings 136, 137, and 138 and the mesh 139.
On the surface of the lower electrode 133 on the dielectric 131 side, a plurality of minute grooves of about several tens to several hundreds μm having a non-uniform shape are formed. Since this minute groove becomes a gap between the lower electrode 133 and the dielectric 131, the electrostatic capacity distribution between the upper electrode 132 and the lower electrode 133 changes minutely.

このランダムな微小な溝は、下電極１３３の表面を手作業でヤスリにより荒らすことで形成されている。静電方式の超音波トランスデューサでは、このようにして空隙の大きさや深さの異なる無数のコンデンサを形成することによって、図８に示す超音波トランスデューサの周波数特性が図９において曲線Ｑ１に示すように広帯域となっている。   These random minute grooves are formed by manually roughing the surface of the lower electrode 133 with a file. In the electrostatic ultrasonic transducer, the frequency characteristics of the ultrasonic transducer shown in FIG. 8 are shown by a curve Q1 in FIG. 9 by forming an infinite number of capacitors having different gap sizes and depths. It is broadband.

上記構成の超音波トランスデューサでは、上電極１３２に直流バイアス電圧が印加された状態で上電極１２と下電極１３３との間に矩形波信号（５０〜１５０Ｖｐ-ｐ）が印加されるようになっている。因みに、図９に曲線Ｑ２で示すように共振型の超音波トランスデューサの周波数特性は、中心周波数（圧電セラミックの共振周波数）が例えば、４０kHzであり、最大音圧となる中心周波数に対して±５ kHzの周波数において最大音圧に対して−３０ｄＢである。これに対して、上記構成の広帯域発振型の超音波トランスデューサの周波数特性は、４０kHzから１００kHz付近まで平坦で、１００kHzで最大音圧に比して±６ｄＢ程度である（特許文献１、２参照）。
特開２０００−５０３８７号公報 特開２０００−５０３９２号公報 In the ultrasonic transducer having the above configuration, a rectangular wave signal (50 to 150 Vp-p) is applied between the upper electrode 12 and the lower electrode 133 in a state where a DC bias voltage is applied to the upper electrode 132. Yes. Incidentally, as shown by the curve Q2 in FIG. 9, the frequency characteristic of the resonance type ultrasonic transducer has a center frequency (resonance frequency of the piezoelectric ceramic) of, for example, 40 kHz, and ± 5 with respect to the center frequency that is the maximum sound pressure. -30 dB for the maximum sound pressure at a frequency of kHz. On the other hand, the frequency characteristics of the broadband oscillation type ultrasonic transducer having the above configuration are flat from 40 kHz to around 100 kHz, and are about ± 6 dB compared to the maximum sound pressure at 100 kHz (see Patent Documents 1 and 2). .
JP 2000-50387 A JP 2000-50392 A

上述したように、図７に示す共振型の超音波トランスデューサと違い、図８に示す静電方式の超音波トランスデューサは従来から広周波数帯に渡って比較的高い音圧を発生させることが可能な広帯域超音波トランスデューサとして知られている。
しかしながら、音圧の最大値は図９に示すように、共振型の超音波トランスデューサが１３０ｄＢ以上であるのに比べ、静電型の超音波トランスデューサでは１２０ｄＢ以下と音圧が低く、超音波スピーカとして利用するには若干音圧が不足していた。 As described above, unlike the resonant ultrasonic transducer shown in FIG. 7, the electrostatic ultrasonic transducer shown in FIG. 8 can generate a relatively high sound pressure over a wide frequency band. It is known as a broadband ultrasonic transducer.
However, as shown in FIG. 9, the maximum value of the sound pressure is 120 dB or less in the electrostatic ultrasonic transducer as compared with the resonance ultrasonic transducer being 130 dB or more, and the sound pressure is low as an ultrasonic speaker. Sound pressure was slightly insufficient for use.

ここで、超音波スピーカについて説明しておく。キャリア波と呼ばれる超音波周波数帯域の信号にオーディオ信号（可聴周波数帯の信号）でAM変調をかけ、この変調信号で超音波トランスデューサを駆動することにより、超音波を信号源のオーディオ信号で変調した状態の音波が空中に放射され、空気の非線形により、空中で元のオーディオ信号が自己再生される、というものである。   Here, the ultrasonic speaker will be described. By applying AM modulation to an ultrasonic frequency band signal called a carrier wave with an audio signal (audible frequency band signal) and driving the ultrasonic transducer with this modulation signal, the ultrasonic wave was modulated with the audio signal of the signal source. The sound wave of the state is radiated into the air, and the original audio signal is self-regenerated in the air due to the nonlinearity of air.

つまり、音波は空気を媒体として伝播する粗密波であるので、変調された超音波が伝播する過程で、空気の密な部分と疎な部分が顕著に表れ、密な部分は音速が速く、疎な部分は音速が遅くなるので変調波自身に歪が生じ、その結果キャリア波（超音波）と可聴波（元オーディオ信号）に波形分離され、我々人間は２０ kHz以下の可聴音（元オーディオ信号）のみを聴くことができるという原理であり、一般にはパラメトリックアレイ効果と呼ばれている。 That is, since sound waves are compression waves that propagate the air as a medium, in the process of modulated ultrasonic wave is propagated, appears remarkably dense parts and sparse parts of the air, dense portion acoustic velocity faster, sparse Since the sound speed is slow, the modulation wave itself is distorted. As a result, the waveform is separated into the carrier wave (ultrasonic wave) and the audible wave (original audio signal). ), And is generally called the parametric array effect.

上記のパラメトリック効果が十分現れるためには１２０ｄＢ以上の超音波音圧が必要であるが、静電型の超音波トランスデューサではこの数値を達成することが難しく、もっぱらＰＺＴなどのセラミック圧電素子やＰＶＤＦなどの高分子圧電素子が超音波発信体として用いられてきた。
しかし、圧電素子はその材質を問わず鋭い共振点を有しており、その共振周波数で駆動して超音波スピーカとして実用化しているため、高い音圧を確保出来る周波数領域が極めて狭い。すなわち狭帯域であるといえる。 In order for the above parametric effect to appear sufficiently, an ultrasonic sound pressure of 120 dB or more is required. However, it is difficult to achieve this value with an electrostatic ultrasonic transducer, and ceramic piezoelectric elements such as PZT, PVDF, etc. The polymer piezoelectric element has been used as an ultrasonic transmitter.
However, since the piezoelectric element has a sharp resonance point regardless of the material, and is practically used as an ultrasonic speaker by being driven at the resonance frequency, the frequency region where a high sound pressure can be secured is extremely narrow. That is, it can be said that it is a narrow band.

一般に、人間の最大可聴周波数帯域は２０Hz〜２０kHz と云われており約２０ kHzの帯域を持つ。すなわち超音波スピーカにおいては、超音波領域で2 0 kHzの周波数帯域に渡って高い音圧を確保しないと、元のオーディオ信号を忠実に復調することは不可能となる。
従来の圧電素子を用いた超音波スピーカでは到底この2 0kHzと:いう広帯域を忠実に再生（復調）することは困難であることは容易に理解できるであろう。 Generally, the maximum human audible frequency band is said to be 20 Hz to 20 kHz, and has a band of about 20 kHz. That is, in an ultrasonic speaker, it is impossible to faithfully demodulate the original audio signal unless a high sound pressure is ensured over a frequency band of 20 kHz in the ultrasonic region.
It can be easily understood that it is difficult to faithfully reproduce (demodulate) this wide band of 20 kHz with an ultrasonic speaker using a conventional piezoelectric element.

実際、従来の共振型の超音波ト・ランスデューサを用いた超音波スピーカでは、（１）帯域が狭く再生音質が悪い、（２）ＡＭ変調度をあまり大きくすると復調音が歪むため最大でも0.5程度までしか変調度を上げられない、（３）入力電圧を上げると（ボリュームを上げると）圧電素子の振動が不安定となり、音が割れる。さらに電圧を上げると圧電素子自身が破壊され易い、（４）アレイ化や大型化、小型化が困難であり、それが故にコストが高い、といった問題が有った。
これに対し静電型の超音波トランスデューサを用いた超音波スピーカは、上記従来技術の抱える課題をほぼ解決できるが、帯域を広くカバーできる反面、絶対的な音圧が不足しているという問題を抱えていた。 Actually, in an ultrasonic speaker using a conventional resonance type ultrasonic transducer, (1) the reproduction frequency is narrow with a narrow band, and (2) the demodulated sound is distorted if the AM modulation degree is increased too much, so that the maximum is 0.5. The degree of modulation can only be increased to a certain extent. (3) When the input voltage is increased (when the volume is increased), the vibration of the piezoelectric element becomes unstable and the sound is broken. When the voltage is further increased, the piezoelectric element itself is liable to be destroyed, and (4) it is difficult to make an array, enlargement, and miniaturization.
On the other hand, an ultrasonic speaker using an electrostatic ultrasonic transducer can substantially solve the above-mentioned problems of the prior art, but can cover a wide band, but has a problem that absolute sound pressure is insufficient. I had it.

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、広周波数帯域にわたってパラメトリックアレイ効果を得るのに十分に高い音圧レベルの音響信号を発生することができる超音波トランスデューサ及びこれを用いた超音波スピーカを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such circumstances, and an ultrasonic transducer capable of generating an acoustic signal having a sufficiently high sound pressure level to obtain a parametric array effect over a wide frequency band, and the use thereof. It is an object to provide an ultrasonic speaker.

上記目的を達成するために請求項１に記載の発明は、分割された積層部材から構成され表面に凹凸部を有する固定電極と、電極層を有し前記固定電極の表面に保持されて設置される振動膜とを有し、前記振動膜の前記電極層と前記固定電極との間に交流信号を印加することにより駆動することを特徴とする。 In order to achieve the above-mentioned object, the invention described in claim 1 is provided by installing a fixed electrode having a concavo-convex portion on the surface, which is composed of divided laminated members, and having an electrode layer held on the surface of the fixed electrode. and a vibrating membrane that, and drives by applying an AC signal between the electrode layer and the fixed electrode of the vibrating membrane.

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の超音波トランスデューサにおいて、前記固定電極は、同幅の第１の固定電極と第２の固定電極とを有し、前記第１の固定電極と第２の固定電極とは絶縁体で挟持されるとともに相互に逆位相の変調信号電圧が印加されることを特徴とする。 Further, an invention according to claim 2, according to claim 1 in the ultrasonic transducer, the fixed electrode includes a first fixed electrode and the second fixed electrode of the same width, the first The fixed electrode and the second fixed electrode are sandwiched between insulators, and modulation signal voltages having opposite phases are applied to each other.

また、請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の超音波トランスデューサにおいて、前記固定電極は、幅の異なる第１の固定電極と第２の固定電極とを有し、前記第１の固定電極と第２の固定電極とは絶縁体で挟持されるとともに相互に逆位相の電圧が印加されることを特徴とする。 The invention of claim 3 provides the ultrasonic transducer of claim 1, wherein the fixed electrode includes a first fixed electrode and the second fixed electrode that different width, said first The fixed electrode and the second fixed electrode are sandwiched between insulators, and voltages having opposite phases are applied to each other.

また、請求項４に記載の発明は、請求項２または３のいずれかに記載の超音波トランスデューサにおいて、前記固定電極の凹凸部は、同心円状に形成された複数の真円溝で構成されていることを特徴とする。   According to a fourth aspect of the present invention, in the ultrasonic transducer according to the second or third aspect, the concavo-convex portion of the fixed electrode includes a plurality of concentric circular grooves. It is characterized by being.

また、請求項５に記載の発明は、請求項２または３のいずれかに記載の超音波トランスデューサにおいて、前記固定電極の凹凸部は、同心円状に形成された複数の楕円溝で構成されていることを特徴とする。   According to a fifth aspect of the present invention, in the ultrasonic transducer according to the second or third aspect, the concavo-convex portion of the fixed electrode is composed of a plurality of elliptical grooves formed concentrically. It is characterized by that.

また、請求項６に記載の発明は、請求項２または３のいずれかに記載の超音波トランスデューサにおいて、前記固定電極の凹凸部は、複数の直線溝で構成されていることを特徴とする。   According to a sixth aspect of the present invention, in the ultrasonic transducer according to the second or third aspect, the concavo-convex portion of the fixed electrode is composed of a plurality of linear grooves.

また、請求項７に記載の発明は、請求項４乃至６のいずれかに記載の超音波トランスデューサにおいて、前記溝断面形状は矩形状、テーパー形状、下部略半円形状などのいずれかで構成されていることを特徴とする。   The invention according to claim 7 is the ultrasonic transducer according to any one of claims 4 to 6, wherein the groove cross-sectional shape is any one of a rectangular shape, a tapered shape, a lower semicircular shape, and the like. It is characterized by.

また、請求項８に記載の発明は、請求項２乃至７のいずれかに記載の超音波トランスデューサにおいて、前記振動膜は、絶縁性高分子フィルムの片面に電極層が形成された薄膜であることを特徴とする。   The invention according to claim 8 is the ultrasonic transducer according to any one of claims 2 to 7, wherein the vibration film is a thin film in which an electrode layer is formed on one side of an insulating polymer film. It is characterized by.

また、請求項９に記載の発明は、請求項２乃至７のいずれかに記載の超音波トランスデューサにおいて、前記振動膜は、電極層を絶縁性高分子フィルムで挟むように形成された薄膜であることを特徴とする。   The invention according to claim 9 is the ultrasonic transducer according to any one of claims 2 to 7, wherein the vibration film is a thin film formed such that an electrode layer is sandwiched between insulating polymer films. It is characterized by that.

また、請求項１０に記載の発明は、請求項２乃至７のいずれかに記載の超音波トランスデューサにおいて、前記振動膜は、絶縁性高分子フィルムの両面に電極層が形成された薄膜であることを特徴とする。   The invention according to claim 10 is the ultrasonic transducer according to any one of claims 2 to 7, wherein the vibration film is a thin film in which electrode layers are formed on both surfaces of an insulating polymer film. It is characterized by.

また、請求項１１に記載の発明は、請求項２乃至１０のいずれかに記載の超音波トランスデューサにおいて、前記振動膜電極に単一極性の直流バイアス電圧が印加されることを特徴とする。   According to an eleventh aspect of the present invention, in the ultrasonic transducer according to any one of the second to tenth aspects, a single-polarity DC bias voltage is applied to the vibrating membrane electrode.

また、請求項１２に記載の発明は、請求項２乃至１１のいずれかに記載の超音波トランスデューサにおいて、前記固定電極と前記振動膜とが絶縁材料から成る保持部材によって保持されていることを特徴とする。 The invention described in Claim 12, characterized in that in the ultrasonic transducer according to any one of claims 2 to 11, and the fixed electrode and the vibrating film is held by a holding member made of an insulating material And

また、請求項１３に記載の発明は、請求項２乃至１２のいずれかに記載の超音波トランスデューサにおいて、前記振動膜は膜平面上における直角四方向に張力をかけて固定されていることを特徴とする。   The invention according to claim 13 is the ultrasonic transducer according to any one of claims 2 to 12, wherein the vibration film is fixed by applying tension in four directions at right angles on the film plane. And

また、請求項１４に記載の発明は、請求項２乃至１３のいずれかに記載の超音波トランスデューサにおいて、前記超音波トランスデューサは固有振動の共振点ではなく、駆動電圧で発生する静電力による強制振動を利用することを特徴とする。   The invention according to claim 14 is the ultrasonic transducer according to any one of claims 2 to 13, wherein the ultrasonic transducer is not a resonance point of natural vibration but forced vibration due to electrostatic force generated by a driving voltage. It is characterized by using.

また、請求項１５に記載の発明は、請求項１乃至１４のいずれかに記載の超音波トランスデューサと、可聴波周波数帯の信号波を生成する信号源と、超音波周波数帯のキャリア波を生成し、出力するキャリア波供給手段と、前記キャリア波を前記信号源から出力される可聴周波数帯の信号波により変調する変調手段とを有し、前記超音波トランスデューサは、前記固定電極と前記振動膜の電極層との間に印加される前記変調手段から出力される変調信号により駆動されることを特徴とする。   The invention according to claim 15 is the ultrasonic transducer according to any one of claims 1 to 14, a signal source that generates a signal wave in an audible frequency band, and a carrier wave in an ultrasonic frequency band. A carrier wave supplying means for outputting, and a modulating means for modulating the carrier wave with a signal wave in an audible frequency band outputted from the signal source, wherein the ultrasonic transducer includes the fixed electrode and the vibrating membrane It is driven by a modulation signal output from the modulation means applied between the electrode layers.

以上説明したように、本発明に係る超音波トランスデューサによれば、分割された積層部材から構成され表面に凹凸部を有する固定電極と、電極層を有し前記固定電極の表面に保持されて設置される振動膜とを有し、前記固定電極と前記振動膜の電極層との間に交流信号を印加する際に前記分割された各固定電極に、相互に逆位相の交流信号を印加するようにしたので、振動膜の振動を大きくすることができ、その結果、空中へより大きな音圧レベルの超音波を発生することが可能となる。 As described above , according to the ultrasonic transducer of the present invention, the fixed electrode that is composed of the divided laminated members and has the uneven portion on the surface, and the electrode layer that is held on the surface of the fixed electrode is installed. and a vibrating membrane that is, the each fixed electrode is the divided when applying an AC signal between the fixed electrode and the electrode layer of the vibrating film so as to apply an AC signal of opposite phase to each other Therefore, the vibration of the vibrating membrane can be increased, and as a result, it is possible to generate an ultrasonic wave having a higher sound pressure level in the air.

また、本発明に係る超音波スピーカによれば、上記構成の超音波トランスデューサを用いて構成したので、広周波数帯域にわたってパラメトリックアレイ効果を得るのに十分に高い音圧レベルの音響信号を発生することができる超音波スピーカを実現できる。   In addition, according to the ultrasonic speaker according to the present invention, since the ultrasonic transducer having the above-described configuration is used, it is possible to generate an acoustic signal having a sufficiently high sound pressure level to obtain a parametric array effect over a wide frequency band. An ultrasonic speaker capable of performing the above can be realized.

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。本発明の第１実施形態に係る超音波トランスデューサの構成を図１に示す。同図において、第１実施形態に係る超音波トランスデューサ１は、分割された積層部材から構成され表面に凹凸部を有する固定電極１０と、電極層を有し固定電極１０の表面に設置される振動膜１２と、固定電極１０と振動膜１２とを保持する固定部材（図示せず）を有している。この固定部材は、絶縁材料で構成されている。
固定電極１０は、同幅の第１の固定電極２と第２の固定電極３と、且つ各々絶縁体４で狭特されている。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 shows the configuration of the ultrasonic transducer according to the first embodiment of the present invention. In the figure, the ultrasonic transducer 1 according to the first embodiment includes a fixed electrode 10 that is composed of divided laminated members and has a concavo-convex portion on the surface, and a vibration that has an electrode layer and is installed on the surface of the fixed electrode 10. A fixing member (not shown) that holds the membrane 12, the fixed electrode 10, and the vibrating membrane 12 is provided. This fixing member is made of an insulating material.
The fixed electrode 10 is narrowed by the first fixed electrode 2 and the second fixed electrode 3 having the same width, and the insulator 4.

振動膜１２の電極層には、直流バイアス電源１４により単一極性の直流バイアス電圧が印加されるようになっている。
また、振動膜１２の電極層と、第１の固定電極２または第２の固定電極３との間には、上記直流バイアス電圧に重畳して信号源１６から出力される振動膜１２を振動させるための交流信号が印加されるようになっている。
なお、隣接する第１の固定電極２と第２の固定電極３には、相互に逆位相の、すなわち極性の異なる交流信号が信号源１６により印加されるように構成されている。 A DC bias power supply 14 applies a single polarity DC bias voltage to the electrode layer of the vibrating membrane 12.
Further, between the electrode layer of the vibration film 12 and the first fixed electrode 2 or the second fixed electrode 3, the vibration film 12 output from the signal source 16 is vibrated while being superimposed on the DC bias voltage. For this purpose, an AC signal is applied.
The adjacent first fixed electrode 2 and second fixed electrode 3 are configured such that alternating current signals having opposite phases, that is, different polarities are applied by the signal source 16.

図８に示した従来の静電型超音波トランスデューサでは、振動膜の固定方法は静電力による吸引力を利用しているため、振動膜の両端は固定端とみなすことができる。
一方、図１に示す本発明の第１実施形態に係る超音波トランスデューサの構成では振動膜１２の両端の固定方法は両端支持である。材料力学および振動力学においては、梁の最大撓みは両端支持の場合、両端固定端の場合に比べ５倍の撓みを持つことが一般的に知られている（材料力学I, P87〜105, 1985,渥美 光 他、森北出版）。 In the conventional electrostatic ultrasonic transducer shown in FIG. 8, the vibration film is fixed by using an electrostatic force, so that both ends of the vibration film can be regarded as fixed ends.
On the other hand, in the configuration of the ultrasonic transducer according to the first embodiment of the present invention shown in FIG. 1, the both ends of the vibrating membrane 12 are fixed at both ends. In material mechanics and vibration mechanics, it is generally known that the maximum deflection of a beam is 5 times greater when supported at both ends than when fixed at both ends (Material Mechanics I, P87-105, 1985). Hikari Amami et al., Morikita Publishing).

従って、本発明の第１実施形態に係る超音波トランスデューサにおける構成の方が従来の静電型超音波トランスデューサに比して振動膜の振幅を大きく取ることが可能となり、
その結果より高い音圧の超音波を空中に発信できる。
なお、第１実施形態に係る超音波トランスデューサの構成の場合、図２に示すように、固定電極形状（固定電極の凹凸部の形状）は同心円状に形成された複数の真円溝で構成された円形溝構造（図２（ａ））、同心円状に形成された複数の楕円溝で構成された楕円溝構造（図２（ｂ））、複数の直線溝で構成された直線溝構造（図２（ｃ））などが可能である。生産技術上はスリット構造のほうが簡便で望ましい。図２（ａ）〜図２（ｃ）において、白色部分は固定電極の溝部であり、黒色部分は、凸部を形成する絶縁体である。 Therefore, the configuration of the ultrasonic transducer according to the first embodiment of the present invention can increase the amplitude of the vibration film as compared with the conventional electrostatic ultrasonic transducer.
As a result, ultrasonic waves with higher sound pressure can be transmitted in the air.
In the case of the configuration of the ultrasonic transducer according to the first embodiment, as shown in FIG. 2, the fixed electrode shape (the shape of the concavo-convex portion of the fixed electrode) is configured by a plurality of concentric circular grooves. A circular groove structure (FIG. 2 (a)), an elliptical groove structure (FIG. 2 (b)) composed of a plurality of elliptical grooves formed concentrically, and a linear groove structure (FIG. 2 (b)). 2 (c)) is possible. In terms of production technology, the slit structure is simpler and desirable. 2A to 2C, the white portion is a groove portion of the fixed electrode, and the black portion is an insulator that forms a convex portion.

また、固定電極の溝底面の断面構造も図３に示すように矩形状（図３（ａ））、テーパー状（図３（ｂ））、曲線状（下部略半円形状）（図３（ｃ）などの形態が考えられる固定電極の材質は導電性であればよく、例えばアルミニウムやＳＵＳ、真鍮、鉄、ニッケル、チタン、導電性プラスチックなどが使用可能である。   In addition, as shown in FIG. 3, the cross-sectional structure of the bottom surface of the fixed electrode is rectangular (FIG. 3A), tapered (FIG. 3B), curved (lower semicircular shape) (FIG. 3 ( The material of the fixed electrode that can be considered as a form such as c) is only required to be conductive, and for example, aluminum, SUS, brass, iron, nickel, titanium, conductive plastic, or the like can be used.

次に振動膜１２についで説明する。振動膜１２の機能は常に同極性の電荷を蓄積しておき（＋の極性または−の極性のいずれでもかまわない）、交流電圧で変化する固定電極２または３との間に働く静電力により振動することである。本発明の第１実施形態に係る超音波トランスデューサにおける振動膜１２の具体的構成例を、図４を参照して説明する。   Next, the vibrating membrane 12 will be described. The function of the vibrating membrane 12 always accumulates charges of the same polarity (which may be either a positive polarity or a negative polarity) and vibrates due to an electrostatic force acting between the fixed electrode 2 or 3 that changes with an AC voltage. It is to be. A specific configuration example of the vibrating membrane 12 in the ultrasonic transducer according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

図４（ａ）は振動膜１２が片面電極蒸着膜である場合の振動膜１２の断面図である。同図に示すように、絶縁フィルム１２０の表面に電極層１２１が蒸着により形成されている。絶縁フィルム１２０は高分子材料、例えばポリ・エチレン・テレフタレート（ＰＥＴ）、ポリ・エステル、ポリ・エチレン・ナフタレート（ＰＥＮ）、ポリ・フェニレン・サルファイド（ＰＰＳ）などが伸縮性、電気耐圧的に好ましい。   FIG. 4A is a cross-sectional view of the vibrating membrane 12 when the vibrating membrane 12 is a single-sided electrode deposition film. As shown in the figure, an electrode layer 121 is formed on the surface of the insulating film 120 by vapor deposition. The insulating film 120 is preferably made of a polymer material such as poly (ethylene terephthalate) (PET), poly (ester), poly (ethylene naphthalate) (PEN), poly (phenylene sulfide) (PPS), etc. in terms of stretchability and electrical withstand voltage.

電極層１２１を形成する電極蒸着材料はＡｌ最も一般的で、その他、Ｎｉ、Ｃｕ、ＳＵＳ、Ｔｉなどが上記高分子株料との相性、コストなどの面から望ましい。振動膜１２における絶縁フィルム１２０としての絶縁高分子膜の厚みは駆動周波数や固定電極穴サイズなどにより最適値が異なるため一意には決めかねるが、一般には1μm以上１００μｍ以下の範囲でおおよそ十分と思われる。望ましくは１μｍ〜５０μｍ、さらに望ましくは１μｍ〜２０μｍ程度が良い。   The electrode vapor deposition material for forming the electrode layer 121 is most commonly Al, and Ni, Cu, SUS, Ti, etc. are desirable from the standpoints of compatibility with the polymer stock and cost. The thickness of the insulating polymer film 120 as the insulating film 120 in the vibration film 12 cannot be determined uniquely because the optimum value varies depending on the driving frequency, the size of the fixed electrode hole, etc. It is. Preferably, the thickness is about 1 μm to 50 μm, and more preferably about 1 μm to 20 μm.

電極層１２１ としての電極蒸着層の厚みも４０ｎｍ〜２００ｎｍの範囲が望ましい。電極蒸着層の厚みは薄すぎると電荷がほとんど蓄積できず、また厚すぎると膜が硬くなって振幅が小さくなるという問題につながってしまう。
また、電極材料としては透明導電膜ＩＴＯ／Ｉｎ，Ｓｎ，Ｚｎ酸化物などでも良い。 The thickness of the electrode deposition layer as the electrode layer 121 is also preferably in the range of 40 nm to 200 nm. If the thickness of the electrode deposition layer is too thin, charges can hardly be accumulated, and if it is too thick, the film becomes hard and the amplitude is reduced.
The electrode material may be a transparent conductive film ITO / In, Sn, Zn oxide or the like.

図４（ｂ）は電極層１２１を高分子材料で形成された絶縁フィルム（絶縁性高分子フィルム）１２０で挟み込んだ構造の振動膜１２の断面構造を示している。このときの電極層１２１の厚みも図４（ａ）の場合と同様に４０ｎｍ〜２００ｎｍの範囲が望ましい。   FIG. 4B shows a cross-sectional structure of the vibrating membrane 12 having a structure in which the electrode layer 121 is sandwiched between insulating films (insulating polymer film) 120 formed of a polymer material. The thickness of the electrode layer 121 at this time is preferably in the range of 40 nm to 200 nm as in the case of FIG.

また、電極層１２１を挟む絶縁フィルム１２０の材質、厚さも図４（ａ）の片面電極蒸着膜と同様にポリ・エチレン・テレフタレート（ＰＥＴ）、ポリ・エステル、ポリ・エチレン・ナフタレート（ＰＥＮ）、ポリ・フェニレン・サルファイド（ＰＰＳ）、１μｍ以上１００μｍ以下で良い。望ましくは１μｍ〜５０μｍ、さらに望ましくは１μｍ〜２０μｍ程度が良い。この場合も電極材料としては、Ａｌが最も一般的で、その他、Ｎｉ、Ｃｕ、ＳＵＳ、Ｔｉなどが上記高分子材料との相性、コストなどの面から望ましい。さらに、電極材料としては透明導電膜ＩＴＯ／Ｉｎ，Ｓｎ，Ｚｎ酸化物などでも良い。   Further, the material and thickness of the insulating film 120 sandwiching the electrode layer 121 are also poly-ethylene terephthalate (PET), poly-ester, poly-ethylene naphthalate (PEN), as with the single-sided electrode deposition film of FIG. Polyphenylene sulfide (PPS) may be 1 μm or more and 100 μm or less. Preferably, the thickness is about 1 μm to 50 μm, and more preferably about 1 μm to 20 μm. In this case as well, Al is the most common electrode material, and Ni, Cu, SUS, Ti, etc. are desirable from the standpoints of compatibility with the polymer material and cost. Further, the electrode material may be a transparent conductive film ITO / In, Sn, Zn oxide or the like.

図４（ｃ）は絶縁フィルム１２０の両面に電極蒸着処理を施し、電極層１２１を形成した振動膜１２の断面構造を示している。図１に示したように振動膜１２と固定電極１０の接点が絶縁体４であるためこのような振動膜を使用することにより直流バイアス電圧で電極層１２１に蓄積される電荷量を２倍とすることが可能となり、より大きな振動、または低電圧化に有効に作用することになる。このときの電極層１２１の厚みも図４（ａ），図４（ｂ）の場合と同様に４０ｎｍ〜２００ｎｍの範囲が望ましい。 FIG. 4C shows a cross-sectional structure of the vibration film 12 in which the electrode deposition process is performed on both surfaces of the insulating film 120 to form the electrode layer 121. As shown in FIG. 1, since the contact point between the vibrating membrane 12 and the fixed electrode 10 is the insulator 4, the use of such a vibrating membrane doubles the amount of charge accumulated in the electrode layer 121 with a DC bias voltage. It becomes possible to effectively act on larger vibrations or lowering the voltage. The thickness of the electrode layer 121 at this time is preferably in the range of 40 nm to 200 nm as in the case of FIGS. 4 (a) and 4 (b).

また、電極層１２１、１２１で挟む絶縁フィルム（絶縁性高分子フィルム）１２の材質、厚さも図４（ａ）の片面電極蒸着膜と同様にポリ・エチレン・テレフタレート（ＰＥＴ）、ポリ・エステル、ポリ・エチレン・ナフタレート（ＰＥＮ）、ポリ・フェニレン・サルファイド（ＰＰＳ）１μｍ以上１００μｍ以下で良い。望ましくは１μｍ〜５０μｍ、さらに望ましくは１μｍ〜２０μｍ程度が良い。この場合も電極材料としては、Ａｌが最も一般的で、その他、Ｎｉ、Ｃｕ、ＳＵＳ、Ｔｉなどが上記高分子材料との相性、コストなどの面から望ましい。さらに、電極材料としては透明導電膜ＩＴＯ／Ｉｎ，Ｓｎ，Ｚｎ酸化物などでも良い。   Further, the material and thickness of the insulating film (insulating polymer film) 12 sandwiched between the electrode layers 121 and 121 are also polyethylene terephthalate (PET), polyester, Polyethylene naphthalate (PEN) and polyphenylene sulfide (PPS) may be 1 μm or more and 100 μm or less. Preferably, the thickness is about 1 μm to 50 μm, and more preferably about 1 μm to 20 μm. In this case as well, Al is the most common electrode material, and Ni, Cu, SUS, Ti, etc. are desirable from the standpoints of compatibility with the polymer material and cost. Further, the electrode material may be a transparent conductive film ITO / In, Sn, Zn oxide or the like.

また、振動膜１２あるいは固定電極１０には数百ボルトの直流バイアス電圧が必要となるが、膜ユニット作製時に振動膜１２の膜表面上における直角四方向に張力をかけて固定することにより、上記直流バイアス電圧は低減できる。これはあらかじめ膜に張力をかけておくことで、従来バイアス電圧が担っていた引っ張り張力がもたらす膜の復元力と同様の作用をもたらすためであり、低電圧化のためには非常に有効な手段である。   In addition, the vibrating membrane 12 or the fixed electrode 10 requires a DC bias voltage of several hundred volts, but when the membrane unit is manufactured, by fixing the membrane 12 with tension in four directions at right angles on the membrane surface, The DC bias voltage can be reduced. This is because tension is applied to the membrane in advance to bring about the same effect as the restoring force of the membrane brought about by the tensile tension that the bias voltage used to be, which is a very effective means for lowering the voltage. It is.

次に、上記固定電極あるいは振動膜の固定材料であるが、アクリル、ベークライト、ポリアセタール（ポリオキシメチレン）樹脂（ＰＯＭ）などのプラスチック系材料が、軽量、非導電性という観点から好ましい。   Next, as the fixing material for the fixed electrode or the diaphragm, plastic materials such as acrylic, bakelite, and polyacetal (polyoxymethylene) resin (POM) are preferable from the viewpoint of light weight and non-conductivity.

上記構成において、振動膜１２の電極層には、直流バイアス電源１４により単一極性の直流バイアス電圧が印加され、かつ振動膜１２の電極層と、第１の固定電極２または第２の固定電極３との間には、上記直流バイアス電圧に重畳して信号源１６から出力される交流信号が印加される。   In the above configuration, a DC bias voltage having a single polarity is applied to the electrode layer of the vibrating membrane 12 by the DC bias power source 14, and the electrode layer of the vibrating membrane 12 and the first fixed electrode 2 or the second fixed electrode. 3, an AC signal output from the signal source 16 is applied so as to be superimposed on the DC bias voltage.

ここで、隣接する第１の固定電極２と第２の固定電極３には、相互に逆位相の、すなわち極性の異なる交流信号が同一時間において信号源１６により印加されるので、第１の固定電極２と第２の固定電極３が逆位相で振動し、従来の静電型超音波トランスデューサのように分割されていない固定電極に交流信号を印加する場合に比して膜振動を大きくすることができる。   Here, since the AC signals having opposite phases to each other, that is, different polarities, are applied to the adjacent first fixed electrode 2 and second fixed electrode 3 by the signal source 16 at the same time, the first fixed electrode 2 and the second fixed electrode 3 are first fixed. Electrode 2 and second fixed electrode 3 vibrate in opposite phases, and membrane vibration is increased as compared with the case where an AC signal is applied to a fixed electrode that is not divided like a conventional electrostatic ultrasonic transducer. Can do.

さらに、本実施形態に係る超音波トランスデューサでは、振動膜１２と固定電極１０とを既述したように両端支持構造としたので、従来の静電型超音波トランスデューサに比してより高い音圧の超音波を空中に発信することができる。発信される超音波は鋭い指向性を有するため、逆位相の音波であっても互いに相殺することなく、空中へ伝播する。本実施形態に係る超音波トランスデューサの周波数特性を図９に示す。   Further, in the ultrasonic transducer according to this embodiment, since the vibrating membrane 12 and the fixed electrode 10 have the both-end support structure as described above, the sound pressure is higher than that of the conventional electrostatic ultrasonic transducer. Ultrasonic waves can be transmitted in the air. Since the transmitted ultrasonic waves have a sharp directivity, even if the sound waves have opposite phases, they propagate to the air without canceling each other. FIG. 9 shows the frequency characteristics of the ultrasonic transducer according to this embodiment.

同図において、曲線Ｑ３が本実施形態に係る超音波ドランスデューサの周波数特性である。同図から明らかなように、従来の広帯域型の静電型超音波トランスデューサの周波数特性に比して、より広い周波数帯にわたって、高い音圧レベルが得られることが分かる。
具体的には、2 0 kHz〜1 2 0 kHzの周波数帯域においてパラメトリック効果が得られる１２０ｄＢ以上の音圧レベルが得られることが分かる。 In the figure, a curve Q3 is a frequency characteristic of the ultrasonic transducer according to the present embodiment. As can be seen from the figure, a higher sound pressure level can be obtained over a wider frequency band than the frequency characteristics of the conventional broadband electrostatic ultrasonic transducer.
Specifically, it can be seen that a sound pressure level of 120 dB or higher that provides a parametric effect in the frequency band of 20 kHz to 120 kHz can be obtained.

次に、本発明の第２実施形態に係る超音波トランスデューサの構成を図５に示す。本発明の第２実施形態に係る超音波トランスデューサが図１に示した第１実施形態に係る超音波トランスデューサと構成上、異なるのは、分割された固定電極の幅を、第１の固定電極２Ａと第２の固定電極３Ａとで、異ならしめたことであり、その他の構成は同一である。   Next, FIG. 5 shows the configuration of an ultrasonic transducer according to the second embodiment of the present invention. The ultrasonic transducer according to the second embodiment of the present invention is different in configuration from the ultrasonic transducer according to the first embodiment shown in FIG. 1 in that the width of the divided fixed electrode is set to the first fixed electrode 2A. And the second fixed electrode 3A are different, and the other configurations are the same.

すなわち、本実施形態に係る超音波トランスデューサは、固定電極１０Ａは、各々異なる幅の第１の固定電極２Ａと第２の固定電極３Ａとを有し、各々相互に逆位相の電圧を印加され、且つ各々絶縁体４Ａで挟持されていることを特徴としている。また、振動膜１２と、第１の固定電極２Ａ及び第２の固定電極３Ａとが、両端支持構造である点も第１実施形態と同様である。   That is, in the ultrasonic transducer according to the present embodiment, the fixed electrode 10A has the first fixed electrode 2A and the second fixed electrode 3A each having a different width, and voltages having opposite phases are applied to each other, And each is characterized by being sandwiched between insulators 4A. Further, the vibration membrane 12, the first fixed electrode 2A, and the second fixed electrode 3A are both end support structures, which is the same as in the first embodiment.

第１の固定電極２Ａ、第２の固定電極３Ａ及び振動膜１２の構成例及び材料は第１実施形態の場合と同様である。また、絶縁体４Ａの材料についても第１実施形態の場合と同様であるので、重複する説明を省略する。
本実施形態においても、第１実施形態と同様の効果が得られる。なお、第２実施形態に係る超音波トランスデューサの場合に、超音波の放射に大きく寄与するのは、幅の広い第２の固定電極３Ａである。 Configuration examples and materials of the first fixed electrode 2A, the second fixed electrode 3A, and the vibrating membrane 12 are the same as those in the first embodiment. Moreover, since the material of the insulator 4A is the same as that of the first embodiment, a duplicate description is omitted.
Also in this embodiment, the same effect as the first embodiment can be obtained. In the case of the ultrasonic transducer according to the second embodiment, the wide second fixed electrode 3A greatly contributes to the ultrasonic radiation.

次に、本発明の実施形態に係る超音波スピーカの構成を図６に示す。本実施形態に係る超音波スピーカは、上述した第１実施形態に係る超音波トランスデューサ（図１）、または第２実施形態に係る超音波トランスデューサ（図５）のいずれかを超音波トランスデューサ５５として用いたものである。   Next, the configuration of the ultrasonic speaker according to the embodiment of the present invention is shown in FIG. The ultrasonic speaker according to the present embodiment uses either the ultrasonic transducer according to the first embodiment (FIG. 1) or the ultrasonic transducer according to the second embodiment (FIG. 5) as the ultrasonic transducer 55. It was.

図６において、本実施形態に係る超音波スピーカは、可聴波周波数帯の信号波を生成する可聴周波数波発振源（信号源）５１と、超音波周波数帯のキャリア波を生成し、出力するキャリア波発振源（キャリア波供給手段）５２と、変調器（変調手段）５３と、パワーアンプ５４と、超音波トランスデューサ５５とを有している。
変調器５３は、キャリア波発振源５２から出力されるキャリア波を可聴周波数波発振源５１から出力される可聴波周波数帯の信号波により変調し、パワーアンプ５４を介して超音波トランスデューサ５５に供給する。 In FIG. 6, the ultrasonic speaker according to the present embodiment includes an audio frequency wave oscillation source (signal source) 51 that generates a signal wave in an audio frequency band, and a carrier that generates and outputs a carrier wave in the ultrasonic frequency band. A wave oscillation source (carrier wave supply means) 52, a modulator (modulation means) 53, a power amplifier 54, and an ultrasonic transducer 55 are included.
The modulator 53 modulates the carrier wave output from the carrier wave oscillation source 52 with the signal wave of the audio frequency band output from the audio frequency wave oscillation source 51, and supplies the modulated wave to the ultrasonic transducer 55 via the power amplifier 54. To do.

上記構成において、可聴周波数波発振源５１より出力される信号波によってキャリア波発振源５２から出力される超音波周波数帯のキャリア波を変調器５３により変調し、パワーアンプ５４で増幅した変調信号により超音波トランスデューサ５５を駆動する。この結果、上記変調信号が超音波トランスデューサ５５により有限振幅レベルの音波に変換され、この音波は媒質中（空気中）に放射されて媒質（空気）の非線形効果によって元の可聴周波数帯の信号音が自己再生される。   In the above configuration, the carrier wave in the ultrasonic frequency band output from the carrier wave oscillation source 52 by the signal wave output from the audible frequency wave oscillation source 51 is modulated by the modulator 53 and the modulated signal amplified by the power amplifier 54 is used. The ultrasonic transducer 55 is driven. As a result, the modulated signal is converted into a sound wave of a finite amplitude level by the ultrasonic transducer 55, and this sound wave is radiated into the medium (in the air), and the signal sound in the original audible frequency band due to the nonlinear effect of the medium (air). Is self-regenerating.

すなわち、音波は空気を媒体として伝播する粗密波であるので、変調された超音波が伝播する過程で、空気の密な部分と疎な部分が顕著に表れ、密な部分は音速が速く、疎な部分は音速が遅くなるので変調波自身に歪が生じ、その結果キャリア波（超音波周波数帯）とに波形分離され、可聴波周波数帯の信号波（信号音）が再生される。   That is, since sound waves are coarse and dense waves that propagate using air as a medium, dense and sparse portions of air appear prominently in the process of propagation of modulated ultrasonic waves, and dense portions have high sound speed and sparseness. Since the sound speed of such a portion is slow, the modulation wave itself is distorted. As a result, the waveform is separated into a carrier wave (ultrasonic frequency band), and a signal wave (signal sound) in the audible frequency band is reproduced.

以上のように高音圧の広帯域性が確保されると様々な用途にスピーカとして利用することが可能となる。超音波は空中では減衰が激しく、その周波数の二乗に比例して減衰する。したがって、キャリア周波数（超音波）が低いと減衰も少なく、ビーム状に遠くまで音の届くスピーカを提供できる。
逆にキャリア周波数が高いと減衰が激しいので、パラメトリックアレイ効果が十分に起きず、音が広がるスピーカを提供できる。これらは同じ超音波スピーカでも用途に応じて使い分けることが可能なため大変有効な機能である。 As described above, when a high sound pressure broadband property is ensured, it can be used as a speaker for various purposes. Ultrasound is strongly attenuated in the air and attenuates in proportion to the square of its frequency. Therefore, when the carrier frequency (ultrasonic wave) is low, there is little attenuation, and it is possible to provide a speaker in which sound reaches far away in the form of a beam.
On the other hand, since the attenuation is severe when the carrier frequency is high, it is possible to provide a speaker in which the parametric array effect does not occur sufficiently and the sound spreads. These are very effective functions because the same ultrasonic speaker can be used according to the application.

またペットとして人間と生活をともにすることの多い犬は４０ kHzまで、猫は１００ kHzまでの音を聴くことが可能であるため、それ以上のキャリア周波数を用いれば、ペットに及ぼす影響もなくなるという利点も有する。いずれにせよ色々な周波数で利用できるということは多くのメリットをもたらす。   Also, dogs who often live with humans as pets can listen to sounds up to 40 kHz and cats up to 100 kHz, so if you use a higher carrier frequency, there will be no effect on your pet. There are also advantages. In any case, being able to use at various frequencies brings many advantages.

本発明の実施形態に係る超音波スピーカによれば、広周波数帯域にわたってパラメトリックアレイ効果を得るのに十分に高い音圧レベルの音響信号を発生することができる、第１、第２実施形態に係る超音波トランスデューサを用いて構成したので、広周波数帯域にわたって忠実度の高い信号音（可聴周波数帯域）を再生することができる。   The ultrasonic speaker according to the embodiment of the present invention can generate an acoustic signal having a sound pressure level high enough to obtain a parametric array effect over a wide frequency band, according to the first and second embodiments. Since the ultrasonic transducer is used, a signal sound with high fidelity (audible frequency band) can be reproduced over a wide frequency band.

本発明の実施形態に係る超音波トランスデューサは、各種センサ、例えば、測距センサ等に利用可能であり、また、既述したように、指向性スピーカ用の音源や、理想的なインパルス信号発生源等に利用可能である。   The ultrasonic transducer according to the embodiment of the present invention can be used for various sensors, for example, a distance measuring sensor, and as described above, a sound source for a directional speaker and an ideal impulse signal generation source. Etc. are available.

本発明の第１実施形態に係る超音波トランスデューサの構成を示す図。1 is a diagram showing a configuration of an ultrasonic transducer according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第１実施形態に係る超音波トランスデューサにおける固定電極の形状の具体例を示す説明図。Explanatory drawing which shows the specific example of the shape of the fixed electrode in the ultrasonic transducer | vibrator which concerns on 1st Embodiment of this invention. 本発明の第１実施形態に係る超音波トランスデューサにおける固定電極の溝底面構造の具体例を示す説明図。Explanatory drawing which shows the specific example of the groove bottom face structure of the fixed electrode in the ultrasonic transducer | vibrator which concerns on 1st Embodiment of this invention. 本発明の第１実施形態に係る超音波トランスデューサにおける振動膜の構造の具体例を示す説明図，FIG. 5 is an explanatory diagram showing a specific example of the structure of the vibrating membrane in the ultrasonic transducer according to the first embodiment of the invention; 本発明の第２実施形態に係る超音波トランスデューサの構成を示す図。The figure which shows the structure of the ultrasonic transducer based on 2nd Embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る超音波スピーカの構成を示すブロック図。The block diagram which shows the structure of the ultrasonic speaker which concerns on embodiment of this invention. 従来の超音波トランスデューサの構成を示す図。The figure which shows the structure of the conventional ultrasonic transducer. 従来の静電型の広帯域発振型超音波トランスデューサの具体的構成を示す図The figure which shows the specific structure of the conventional electrostatic type broadband oscillation type ultrasonic transducer 本発明の実施形態に係る超音波トランスデューサの周波数特性を従来の超音波トランスデューサの周波数特性と共に示した図。The figure which showed the frequency characteristic of the ultrasonic transducer | vibrator which concerns on embodiment of this invention with the frequency characteristic of the conventional ultrasonic transducer.

符号の説明Explanation of symbols

１…超音波トランスデューサ、２，２Ａ…第１の固定電極、３，３Ａ…第２の固定電極、４，４Ａ…絶縁体、１０，１０Ａ…固定電極、１２…振動膜、１４…直流バイアス電源、１６…信号源、５１…可聴周波数波発振源、５２…キャリア波発振源、５３…変調器、５４…パワーアンプ、５５…超音波トランスデューサ、１２０…絶縁フィルム、１２１…電極層   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Ultrasonic transducer, 2, 2A ... 1st fixed electrode, 3, 3A ... 2nd fixed electrode, 4, 4A ... Insulator 10, 10A ... Fixed electrode, 12 ... Vibration film, 14 ... DC bias power supply , 16 ... Signal source, 51 ... Audio frequency wave oscillation source, 52 ... Carrier wave oscillation source, 53 ... Modulator, 54 ... Power amplifier, 55 ... Ultrasonic transducer, 120 ... Insulating film, 121 ... Electrode layer

Claims (15)

分割された積層部材から構成され表面に凹凸部を有する固定電極と、
電極層を有し前記固定電極の表面に保持されて設置される振動膜とを有し、
前記振動膜の前記電極層と前記固定電極との間に交流信号を印加することにより駆動することを特徴とする超音波トランスデューサ。 A fixed electrode having a concavo-convex portion on the surface and composed of divided laminated members; and
A vibrating membrane having an electrode layer and being held and installed on the surface of the fixed electrode;
Ultrasonic transducer and drives by applying an AC signal between the fixed electrode and the electrode layer of the vibrating film. 前記固定電極は、同幅の第１の固定電極と第２の固定電極とを有し、前記第１の固定電極と第２の固定電極とは絶縁体で挟持されるとともに相互に逆位相の変調信号電圧が印加され、且つ各々絶縁体で狭持されていることを特徴とする請求項１記載の超音波トランスデューサ。 The fixed electrode includes a first fixed electrode and a second fixed electrode having the same width, and the first fixed electrode and the second fixed electrode are sandwiched by an insulator and have opposite phases to each other. 2. The ultrasonic transducer according to claim 1, wherein a modulation signal voltage is applied and each of the modulation signal voltages is sandwiched between insulators. 前記固定電極は、幅の異なる第１の固定電極と第２の固定電極とを有し、前記第１の固定電極と第２の固定電極とは絶縁体で挟持されるとともに相互に逆位相の電圧が印加されることを特徴とする請求項１記載の超音波トランスデューサ。 The fixed electrode includes a first fixed electrode and a second fixed electrode having different widths, and the first fixed electrode and the second fixed electrode are sandwiched by an insulator and have opposite phases to each other. the ultrasonic transducer according to claim 1, wherein the voltage is applied. 前記固定電極の凹凸部は、同心円状に形成された複数の真円溝で構成されていることを特徴とする請求項２または３のいずれかに記載の超音波トランスデューサ。   4. The ultrasonic transducer according to claim 2, wherein the concavo-convex portion of the fixed electrode includes a plurality of concentric circular grooves. 前記固定電極の凹凸部は、同心円状に形成された複数の楕円溝で構成されていることを特徴とする請求項２または３のいずれかに記載の超音波トランスデューサ。   4. The ultrasonic transducer according to claim 2, wherein the uneven portion of the fixed electrode includes a plurality of elliptical grooves formed concentrically. 5. 前記固定電極の凹凸部は、複数の直線溝で構成されていることを特徴とする請求項２または３のいずれかに記載の超音波トランスデューサ。   4. The ultrasonic transducer according to claim 2, wherein the concavo-convex portion of the fixed electrode is composed of a plurality of linear grooves. 前記溝断面形状は矩形状、テーパー形状、下部略半円形状などのいずれかで構成されていることを特徴とする請求項４乃至６のいずれかに記載の超音波トランスデューサ。   The ultrasonic transducer according to any one of claims 4 to 6, wherein the groove cross-sectional shape is any one of a rectangular shape, a tapered shape, a lower semicircular shape, and the like. 前記振動膜は、絶縁性高分子フィルムの片面に電極層が形成された薄膜であることを特徴とする請求項２乃至７のいずれかに記載の超音波トランスデューサ。   The ultrasonic transducer according to claim 2, wherein the vibration film is a thin film in which an electrode layer is formed on one surface of an insulating polymer film. 前記振動膜は、電極層を絶縁性高分子フィルムで挟むように形成された薄膜であることを特徴とする請求項２乃至７のいずれかに記載の超音波トランスデューサ。   The ultrasonic transducer according to claim 2, wherein the vibration film is a thin film formed such that an electrode layer is sandwiched between insulating polymer films. 前記振動膜は、絶縁性高分子フィルムの両面に電極層が形成された薄膜であることを特徴とする請求項２乃至７のいずれかに記載の超音波トランスデューサ。   The ultrasonic transducer according to claim 2, wherein the vibration film is a thin film in which electrode layers are formed on both surfaces of an insulating polymer film. 前記振動膜電極に単一極性の直流バイアス電圧が印加されることを特徴とする請求項２乃至１０のいずれかに記載の超音波トランスデューサ。   The ultrasonic transducer according to claim 2, wherein a single-polarity DC bias voltage is applied to the vibrating membrane electrode. 前記固定電極と前記振動膜とが絶縁材料からなる保持部材によって保持されていることを特徴とする請求項２乃至１１のいずれかに記載の超音波トランスデューサ。 Ultrasonic transducer according to any one of claims 2 to 11 wherein the fixed electrode and the vibrating film is characterized in that it is held by a holding member made of an insulating material. 前記振動膜は膜平面上における直角四方向に張力をかけて固定されていることを特徴とする請求項２乃至１２のいずれかに記載の超音波トランスデューサ。   The ultrasonic transducer according to claim 2, wherein the vibration film is fixed by applying tension in four directions at right angles on a film plane. 前記超音波トランスデューサは固有振動の共振点ではなく、駆動電圧で発生する静電力による強制振動を利用することを特徴とする請求項２乃至１３のいずれかに記載の超音波トランスデューサ。   The ultrasonic transducer according to any one of claims 2 to 13, wherein the ultrasonic transducer uses a forced vibration caused by an electrostatic force generated by a driving voltage, not a resonance point of natural vibration. 請求項１乃至１４のいずれかに記載の超音波トランスデューサと、
可聴波周波数帯の信号波を生成する信号源と、
超音波周波数帯のキャリア波を生成し、出力するキャリア波供給手段と、
前記キャリア波を前記信号源から出力される可聴周波数帯の信号波により変調する変調手段とを有し、
前記超音波トランスデューサは、前記固定電極と前記振動膜の電極層との間に印加される前記変調手段から出力される変調信号により駆動されることを特徴とする超音波スピーカ。 The ultrasonic transducer according to any one of claims 1 to 14,
A signal source for generating a signal wave in an audio frequency band;
A carrier wave supply means for generating and outputting a carrier wave in an ultrasonic frequency band;
Modulation means for modulating the carrier wave with an audible frequency band signal wave output from the signal source;
The ultrasonic speaker, wherein the ultrasonic transducer is driven by a modulation signal output from the modulation means applied between the fixed electrode and an electrode layer of the vibrating membrane.