JP2007088680A - 静電型超音波トランスデューサ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 表面に導電部が露出することの無い電気的安全性を確保した静電型超音波トランスデューサを提供する。
【解決手段】 複数の貫通穴１４が形成された第１の固定電極１０Ａと、前記第１の固定電極と対をなす複数の貫通穴１４が形成された第２の固定電極１０Ｂと、前記一対の固定電極に挟持され導電層１２１を有し、該導電層に直流バイアス電源１６により直流バイアス電圧が印加される振動膜１２と、前記一対の固定電極と前記振動膜を保持する保持部材とを有し、前記一対の固定電極間には信号源１６により交流信号が印加される静電型超音波トランスデューサであって、前記第１、第２の固定電極の母材を非導電体１０とし、前記振動膜と対向する対向電極部２１となる前記非導電体表面には導電膜２０が形成され、かつ前記対向電極部の段部１７が絶縁体で形成されている。
【選択図】 図１

Description

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。

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６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６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６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。

圧電セラミック６１および６２は、互いに貼り合わされていて、その貼り合わせ面と反対側の面にそれぞれリード６５とリード６６が接続されている。
共振型の超音波トランスデューサは、圧電セラミックの共振現象を利用しているので、超音波の送信および受信の特性がその共振周波数周辺の比較的狭い周波数帯域で良好となる。

上述した図６に示す共振型の超音波トランスデューサと異なり、従来より静電方式の超音波トランスデューサは高周波数帯域にわたって高い音圧を発生可能な広帯域発振型超音波トランスデューサとして知られている。この静電型の超音波トランスデューサは、振動膜が固定電極側に引き付けられる方向のみ働くことからＰｕｌｌ型と呼ばれている。
図７に広帯域発振型超音波トランスデューサ（Ｐｕｌｌ型）の具体的構成を示す。

図７に示す静電型の超音波トランスデューサは、振動体として３〜１０μm程度の厚さのＰＥＴ（ポリ・エチレン・テレフタレート樹脂）等の誘電体１３１（絶縁体）を用いている。誘電体１３１に対しては、アルミ等の金属箔として形成される上電極１３２がその上面部に蒸着等の処理によって一体形成されるとともに、真鍮で形成された下電極１３３が誘電体１３１の下面部に接触するように設けられている。この下電極１３３は、リード１５２が接続されるとともに、ベークライト等からなるベース板１３５に固定されている。

また、上電極１３２は、リード１５３が接続されており、このリード１５３は直流バイアス電源１５０に接続されている。この直流バイアス電源１５０により上電極１３２には５０〜１５０Ｖ程度の上電極吸着用の直流バイアス電圧が常時、印加され上電極１３２が下電極１３３側に吸着されるようになっている。１５１は信号源である。

誘電体１３１および上電極１３２ならびにベース板１３５は、メタルリング１３６、１３７、および１３８、ならびにメッシュ１３９とともに、ケース１３０によってかしめられている。
下電極１３３の誘電体１３１側の面には不均一な形状を有する数十〜数百μｍ程度の微小な溝が複数形成されている。この微小な溝は、下電極１３３と誘電体１３１との間の空隙となるので、上電極１３２および下電極１３３間の静電容量の分布が微小に変化する。

このランダムな微小な溝は、下電極１３３の表面を手作業でヤスリにより荒らすことで形成されている。静電方式の超音波トランスデューサでは、このようにして空隙の大きさや深さの異なる無数のコンデンサを形成することによって、図７に示す超音波トランスデューサの周波数特性が図８において曲線Ｑ１に示すように広帯域となっている。

上記構成の超音波トランスデューサでは、上電極１３２に直流バイアス電圧が印加された状態で上電極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８に曲線Ｑ２で示すように共振型の超音波トランスデューサの周波数特性は、中心周波数（圧電セラミックの共振周波数）が例えば、４０kHzであり、最大音圧となる中心周波数に対して±５kHzの周波数において最大音圧に対して−３０dＢである。
これに対して、上記構成の広帯域発振型の超音波トランスデューサの周波数特性は、４０kHzから１００kHz付近まで平坦で、１００kHzで最大音圧に比して±６dＢ程度である（特許文献１、２参照）。
特開２０００−５０３８７号公報 特開２０００−５０３９２号公報

上述したように、図６に示す共振型の超音波トランスデューサと違い、図７に示す静電方式の超音波トランスデューサは従来から広周波数帯に渡って比較的高い音圧を発生させることが可能な広帯域超音波トランスデューサ（Ｐｕｌｌ型）として知られている。
しかしながら、音圧の最大値は図８に示すように、共振型の超音波トランスデューサが１３０ｄＢ以上であるのに比べ、静電型の超音波トランスデューサでは１２０ｄＢ以下と音圧が低く、超音波スピーカとして利用するには若干音圧が不足していた。

ここで、超音波スピーカについて説明しておく。キャリア波と呼ばれる超音波周波数帯域の信号にオーディオ信号（可聴周波数帯の信号）でAM変調をかけ、この変調信号で超音波トランスデューサを駆動することにより、超音波を信号源のオーディオ信号で変調した状態の音波が空中に放射され、空気の非線形により、空中で元のオーディオ信号が自己再生される、というものである。

つまり、音波は空気を媒体として伝播する粗密波であるので、変調された超音波が伝播する過程で、空気の密な部分と疎な部分が顕著に表れ、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２０kHz以下の可聴音（元オーディオ信号）のみを聴くことができるという原理であり、一般にはパラメトリックアレイ効果と呼ばれている。

上記のパラメトリック効果が十分現れるためには１２０ｄＢ以上の超音波音圧が必要であるが、静電型の超音波トランスデューサではこの数値を達成することが難しく、もっぱらＰＺＴなどのセラミック圧電素子やＰＶＤＦなどの高分子圧電素子が超音波発信体として用いられてきた。
しかし、圧電素子はその材質を問わず鋭い共振点を有しており、その共振周波数で駆動して超音波スピーカとして実用化しているため、高い音圧を確保出来る周波数領域が極めて狭い。すなわち狭帯域であるといえる。

一般に、人間の最大可聴周波数帯域は２０Hz〜２０kHzと云われており約２０kHzの帯域を持つ。すなわち超音波スピーカにおいては、超音波領域で２０kHzの周波数帯域に渡って高い音圧を確保しないと、元のオーディオ信号を忠実に復調することは不可能となる。従来の圧電素子を用いた共振型の超音波スピーカでは到底この２０kHzという広帯域を忠実に再生（復調）することは困難であることは容易に理解できるであろう。

実際、従来の共振型の超音波トランスデューサを用いた超音波スピーカでは、（１）帯域が狭く再生音質が悪い、（２）ＡＭ変調度をあまり大きくすると復調音が歪むため最大でも０．５程度までしか変調度を上げられない、（３）入力電圧を上げると（ボリュームを上げると）圧電素子の振動が不安定となり、音が割れる。 さらに電圧を上げると圧電素子自身が破壊され易い、（４）アレイ化や大型化、小型化が困難であり、それが故にコストが高い、といった問題が有った。

これに対し図８に示した静電型の超音波トランスデューサ（Ｐｕｌｌ型）を用いた超音波スピーカは、上記従来技術の抱える課題をほぼ解決できるが、帯域を広くカバーできる反面、復調音が十分な音量であるためには絶対的な音圧が不足しているという問題を抱えていた。
また、Ｐｕｌｌ型の超音波トランスデューサは、静電力は固定電極側へのみ引き付ける方向にしか働かず振動膜（図７における上電極１３２に相当する。）の振動の対称性が保たれないため、超音波スピーカに用いる場合、振動膜の振動が直接、可聴音を発生させるという問題が有った。

これに対して、我々は、広周波数帯域にわたってパラメトリックアレイ効果を得るのに十分に高い音圧レベルの音響信号を発生することができる超音波トランスデューサを既に提案している。この超音波トランスデューサの構成を図９に示す。図９において、超音波トランスデューサは、導電層１２１を有する振動膜１２を対向する位置に貫通穴１４が形成された母材を導電材料とする一対の固定電極１０Ａ，１０Ｂにより挟持し、振動膜１２に直流電源１６により直流バイアス電圧が印加された状態で一対の固定電極に信号源１８により交流信号１８Ａ，１８Ｂを印加するように構成したものである。なお、１２０は振動膜１２を形成する絶縁フィルムであり、また１７は一対の固定電極１０Ａ，１０Ｂの一部を成し、振動膜１２を挟持する機能と、振動膜１３との間で静電力が作用する部分である対向電極部１９を形成する機能とを有する対向電極形成体である。

この超音波トランスデューサは、Ｐｕｓｈ−Ｐｕｌｌ型の超音波トランスデューサと呼ばれており、一対の固定電極により挟持された振動膜が交流信号の極性に応じた方向において静電吸引力と静電斥力を同方向にかつ同時に受けるために、振動膜の振動をパラメトリックアレイ効果を得るのに十分に大きくすることができるだけでなく、振動の対称性が確保されるため、従来のＰｕｌｌ型超音波トランスデューサに比して高い音圧を広周波数帯域にわたって発生させることができる。

ところで、このようなＰｕｓｈ−Ｐｕｌｌ型の静電型超音波トランスデューサでは固定電極の母材が導電材料であり、また構成上導電部が表面に大きく露出するため、電気的に非常に危険な状態となっており、安全ネットを張ったケースなどに収める必要があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、表面に導電部が露出することの無い電気的安全性を確保した静電型超音波トランスデューサ及びその製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明の静電型超音波トランスデューサは、複数の貫通穴が形成された第１の固定電極と、前記第１の固定電極と対をなす複数の貫通穴が形成された第２の固定電極と、前記一対の固定電極に挟持され導電層を有し、該導電層に直流バイアス電圧が印加される振動膜と、前記一対の固定電極と前記振動膜を保持する保持部材とを有し、前記一対の固定電極間には交流信号が印加される静電型超音波トランスデューサであって、前記第１、第２の固定電極の母材を非導電体とし、前記振動膜と対向する対向電極部となる前記非導電体表面には導電膜を形成し、かつ前記対向電極部の段部を絶縁体で形成したことを特徴とする。

上記構成からなる本発明の静電型超音波トランスデューサでは、第１の固定電極と、第２の固定電極の対向する位置に複数の貫通穴が形成され、振動膜の導電層に直流バイアス電圧が印加された状態で、第１、第２の固定電極からなる一対の固定電極に駆動信号である交流信号が印加されるために、一対の固定電極に挟持された振動膜は、交流信号の極性に応じた方向において、静電吸引力と静電斥力が同方向に同時に受ける。したがって、振動膜の振動をパラメトリック効果を得るのに十分大きくすることができるだけでなく、振動の対称性が確保されるため、高い音圧を広周波数帯域にわたって発生させることができる。
さらに、前記第１、第２の固定電極の母材を非導電体とし、前記振動膜と対向する対向電極部となる前記非導電体表面には導電膜を形成し、かつ前記対向電極部の段部を絶縁体で形成したので、トランスデューサの表面に導電部が露出することのない電気的安全性を確保した静電型超音波トランスデューサを実現することができる。

また、本発明の静電型超音波トランスデューサの製造方法は、複数の貫通穴が形成された第１の固定電極と、前記第１の固定電極と対をなす複数の貫通穴が形成された第２の固定電極と、前記一対の固定電極に挟持され導電層を有し、該導電層に直流バイアス電圧が印加される振動膜と、前記一対の固定電極と前記振動膜を保持する保持部材とを有し、前記一対の固定電極間には交流信号が印加される静電型超音波トランスデューサの製造方法であって、前記第１、第２の固定電極は、非導電体に前記複数の穴のパターンが形成されたマスク部材を被覆し、サンドブラスト法又はエッチング処理により貫通穴を形成する第１の工程と、前記貫通穴が形成された後に前記マスク部材を剥離する第２の工程と、前記貫通穴が形成された非導電体の片面に所定の膜厚の金属薄膜を形成する第３の工程と、前記金属薄膜が形成された非導電体上に非導電性の感光性レジスト材をラミネートした後、該感光性レジスト上面における前記貫通穴及び該貫通穴近傍の領域に対向する領域をマスクするマスク部材を、前記感光性レジスト上面に載置し、露光させる第４の工程と、露光後、前記マスク部材を除去し、現像し、前記金属薄膜が表面に形成された非導電体上に対向電極形成体を形成する第５の工程とにより作製されることを特徴とする。

上記構成からなる本発明の静電型超音波トランスデューサの製造方法では、対をなす前記第１、第２の固定電極は、非導電体に前記複数の穴のパターンが形成されたマスク部材を被覆し、サンドブラスト法又はエッチング処理により貫通穴を形成する第１の工程と、前記貫通穴が形成された後に前記マスク部材を剥離する第２の工程と、前記貫通穴が形成された非導電体の片面に所定の膜厚の金属薄膜を形成する第３の工程と、前記金属薄膜が形成された非導電体上に非導電性の感光性レジスト材をラミネートした後、該感光性レジスト上面における前記貫通穴及び該貫通穴近傍の領域に対向する領域をマスクするマスク部材を、前記感光性レジスト上面に載置し、露光させる第４の工程と、露光後、前記マスク部材を除去し、現像し、前記金属薄膜が表面に形成された非導電体上に対向電極形成体を形成する第５の工程とにより作製される。

上記構成からなる本発明の静電型超音波トランスデューサの製造方法によれば、振動膜の振動を、パラメトリック効果を得るのに十分大きくすることができるだけでなく、振動の対称性が確保されるため、高い音圧を広周波数帯域にわたって発生させることができる静電型超音波トランスデューサが得られる。
また、上記構成からなる本発明の静電型超音波トランスデューサの製造方法によれば、固定電極の母材を非導電体とし、対向電極部を金属蒸着膜で形成し、対向電極部の段部（対向電極形成体）を絶縁体で形成するようにしたので、固定電極における導電部（電圧印部）が表面に露出することが無く、電気的に非常に安全である。

また、本発明の静電型超音波トランスデューサの製造方法は、複数の貫通穴が形成された第１の固定電極と、前記第１の固定電極と対をなす複数の貫通穴が形成された第２の固定電極と、前記一対の固定電極に挟持され導電層を有し、該導電層に直流バイアス電圧が印加される振動膜と、前記一対の固定電極と前記振動膜を保持する保持部材とを有し、前記一対の固定電極間には交流信号が印加される静電型超音波トランスデューサの製造方法であって、前記第１、第２の固定電極は、非導電体に前記複数の貫通穴のパターンが形成されたマスク部材を被覆し、サンドブラスト法又はエッチング処理により貫通穴を形成する第１の工程と、前記貫通穴が形成された後に前記マスク部材を剥離する第２の工程と、前記貫通穴が形成された非導電体の片面に所定の膜厚の金属薄膜を形成する第３の工程と、前記金属薄膜が形成された非導電体上の貫通穴及び該貫通穴近傍の領域をマスクするマスク部材を前記非導電体表面上に載置し、かつ該非導電体表面上に前記振動膜と対向する対向電極部の段部である絶縁性の対向電極形成体を形成するための対向電極形成材をセットし、スキージを移動させて前記対向電極形成材を前記非導電体表面におけるマスク部材によりマスクされていない部分に塗布する第４の工程と、前記第４の工程において、前記対向電極形成材の塗布完了後に前記マスク部材を外し、かつ前記非導電体上に形成された対向電極形成体を乾燥させる第５の工程とにより作製されることを特徴とする。

上記構成からなる本発明の静電型超音波トランスデューサの製造方法では、対をなす前記第１、第２の固定電極は、非導電体に前記複数の貫通穴のパターンが形成されたマスク部材を被覆し、サンドブラスト法又はエッチング処理により貫通穴を形成する第１の工程と、前記貫通穴が形成された後に前記マスク部材を剥離する第２の工程と、前記貫通穴が形成された非導電体の片面に所定の膜厚の金属薄膜を形成する第３の工程と、前記金属薄膜が形成された非導電体上の貫通穴及び該貫通穴近傍の領域をマスクするマスク部材を前記非導電体表面上に載置し、かつ該非導電体表面上に前記振動膜と対向する対向電極部の段部である絶縁性の対向電極形成体を形成するための対向電極形成材をセットし、スキージを移動させて前記対向電極形成材を前記非導電体表面におけるマスク部材によりマスクされていない部分に塗布する第４の工程と、前記第４の工程において、前記対向電極形成材の塗布完了後に前記マスク部材を外し、かつ前記非導電体上に形成された対向電極形成体を乾燥させる第５の工程とにより作製される。

上記構成からなる本発明の静電型超音波トランスデューサの製造方法によれば、振動膜の振動を、パラメトリック効果を得るのに十分大きくすることができるだけでなく、振動の対称性が確保されるため、高い音圧を広周波数帯域にわたって発生させることができる静電型超音波トランスデューサが得られる。
また、上記構成からなる本発明の静電型超音波トランスデューサの製造方法によれば、固定電極の母材を非導電体とし、対向電極部を金属蒸着膜で形成し、対向電極部の段部（対向電極形成体）を絶縁体で形成するようにしたので、固定電極における導電部（電圧印部）が表面に露出することが無く、電気的に非常に安全である。
さらに、上記構成からなる本発明の静電型超音波トランスデューサの製造方法によれば、固定電極の母材としてガラスを用いる場合にスクリーン印刷法は、ガラスに対して大きなストレスをかけなくて済むため、固定電極を破損する危険性が極めて少なくで斬るという効果がある。

また、本発明の静電型超音波トランスデューサの製造方法は、複数の貫通穴が形成された第１の固定電極と、前記第１の固定電極と対をなす複数の貫通穴が形成された第２の固定電極と、前記一対の固定電極に挟持され導電層を有し、該導電層に直流バイアス電圧が印加される振動膜と、前記一対の固定電極と前記振動膜を保持する保持部材とを有し、前記一対の固定電極間には交流信号が印加される静電型超音波トランスデューサの製造方法であって、前記第１、第２の固定電極は、非導電材料を基材とし、予め所定の径およびピッチで貫通穴が形成され、その両面全体に導電層が形成されると共に、前記導電層表面全体にレジストで被覆されているプリント基板の一方の面に前記貫通穴の外周部における前記レジストを剥離するための剥離用レジストを塗布する第１の工程と、前記剥離用レジストが塗布されたプリント基板の前記剥離用レジスト上における前記貫通穴の外周部に対向する領域以外の領域をマスクするパターンが形成されたマスク部材を、前記剥離用レジスト上に被覆し、露光及び現像処理を行う第２の工程と、レジスト剥離処理により前記剥離用レジストでマスクされていない部分の前記レジストを剥離する第３の工程と、第３の工程終了後に、残存する剥離用レジストを除去する第４の工程とにより作製されることを特徴とする。

上記構成からなる本発明の静電型超音波トランスデューサの製造方法では、対をなす前記第１、第２の固定電極は、非導電材料を基材とし、予め所定の径およびピッチで貫通穴が形成され、その両面全体に導電層が形成されると共に、前記導電層表面全体にレジストで被覆されているプリント基板の一方の面に前記貫通穴の外周部における前記レジストを剥離するための剥離用レジストを塗布する第１の工程と、前記剥離用レジストが塗布されたプリント基板の前記剥離用レジスト上における前記貫通穴の外周部に対向する領域以外の領域をマスクするパターンが形成されたマスク部材を、前記剥離用レジスト上に被覆し、露光及び現像処理を行う第２の工程と、レジスト剥離処理により前記剥離用レジストでマスクされていない部分の前記レジストを剥離する第３の工程と、第３の工程終了後に、残存する剥離用レジストを除去する第４の工程とにより作製される。

上記構成からなる本発明の静電型超音波トランスデューサの製造方法によれば、振動膜の振動を、パラメトリック効果を得るのに十分大きくすることができるだけでなく、振動の対称性が確保されるため、高い音圧を広周波数帯域にわたって発生させることができる静電型超音波トランスデューサが得られる。
また、上記構成からなる本発明の静電型超音波トランスデューサの製造方法によれば、固定電極の母材を非導電体とし、対向電極部を金属蒸着膜で形成し、対向電極部の段部（対向電極形成体）を絶縁体で形成するようにしたので、固定電極における導電部（電圧印部）が表面に露出することが無く、電気的に非常に安全である。
さらに、上記構成からなる本発明の静電型超音波トランスデューサの製造方法によれば、予め導電層（銅箔）及びレジスト処理が施されたプリント基板を使用しているので、製造工程が少なくて済み、製造コストの低減が図れる。

また、本発明の超音波スピーカは、請求項１に記載の静電型超音波トランスデューサと、可聴周波数帯の信号波を生成する信号源と、超音波周波数帯のキャリア波を生成し、出力するキャリア波供給手段と、前記キャリア波を前記信号源から出力される可聴周波数帯の信号波により変調する変調手段とを有し、前記静電型超音波トランスデューサは、前記第１、第２の固定電極と前記振動膜の導電層との間に印加される前記変調手段から出力される変調信号により駆動されることを特徴とする。

上記構成からなる本発明の超音波スピーカでは、信号源により可聴周波数帯の信号波が生成され、キャリア波供給手段により超音波周波数帯のキャリア波が生成され、出力される。さらに、変調手段によりキャリア波が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され、この変調手段から出力される変調信号が前記第１、第２固定電極と前記振動膜の電極層との間に印加され、駆動される。

本発明の超音波スピーカでは、上記構成の静電型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。
さらに、上記構成の静電型超音波トランスデューサを用いて構成したので、すなわち、静電型超音波トランスデューサにおいて、対をなす第１、第２の固定電極の母材を非導電体とし、振動膜と対向する対向電極部となる前記非導電体表面には導電膜を形成し、かつ前記対向電極部の段部を絶縁体で形成したので、トランスデューサの表面に導電部が露出することのない電気的安全性を確保した超音波スピーカを実現することができる。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。本発明の実施形態に係る静電型超音波トランスデューサの構成を図１に示す。図１（Ａ）は静電型超音波トランスデューサの構成を示し、同図（Ｂ）は静電型超音波トランスデューサの片側の固定電極のみを振動膜側から見た図、同図（Ｃ）は静電型超音波トランスデューサの一部を破断した平面図を示している。
図１において、本発明の実施形態に係る静電型超音波トランスデューサ１は、一対の固定電極１０Ａ、１０Ｂと、一対の固定電極に挟持され、導電層１２１を有する振動膜１２と、一対の固定電極１０Ａ、１０Ｂと振動膜１２を保持する部材（図示せず）とを有している。

また、一対の固定電極１０Ａ，１０Ｂは振動膜１２を介して対向する位置に同数かつ複数の貫通穴１４を有している。一対の固定電極１０Ａ、１０Ｂは、母材を非導電体１０とし、振動膜１２と対向する対向電極部をなす非導電体１０の表面には導電膜２０が形成されており、かつ対向電極部の段部となる対向電極形成体１７が絶縁体（例えば、液状ソルダーレジスト、感光性コーティング材、非導電性塗料、電着材料等のいずれか）で形成されている。

振動膜１２は、絶縁フィルム（絶縁体）１２０で形成され、導電性材料で形成された導電層１２１を有している。すなわち、振動膜１２は固定電極１０Ａ，１０Ｂに設けられた導電膜２０との絶縁性を確保するために、該中央部に電極部と成る金属蒸着層（導電層）１２１を有し、その両面を絶縁抵抗性に優れた高分子膜等の絶縁フィルム１２０で被覆したようなサンドイッチ構造を成している。

振動膜１２における導電層１２１には、直流バイアス電源１６により単一極性（正極性でも負極性のいずれでもよい。）の直流バイアス電圧が印加されるようになっており、さらに、この直流バイアス電圧に重畳して固定電極１０Ａと固定電極１０Ｂの導電膜２０には、信号源１８から出力される相互に位相反転した交流信号１８Ａ，１８Ｂが導電層１２１との間に印加されるようになっている。

振動膜１２の絶縁フィルム（絶縁体）１２０は、絶縁抵抗性に優れた高分子材料（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）、アラミド、ポリ・フェニレン・サルファイド（ＰＰＳ））等で形成されている。

また１７は、一対の固定電極１０Ａ，１０Ｂの一部を成し、振動膜１２を挟持する機能と、振動膜１３との間で静電力が作用する部分である対向電極部（導電膜２０が露出した部分）２１を形成する機能とを有する対向電極形成体であり、固定電極１０Ａまたは１０Ｂの貫通穴１４と対向電極形成体１９とで、段付き穴が形成されている。
固定電極１０Ａの対向電極部２１と導電層１２１、固定電極１０Ｂの対向電極部２１と電極層１２１は、それぞれコンデンサが形成されている。

ここで、固定電極１０Ａ，１０Ｂの母材である非導電体１０はガラス、ガラスエポキシまたはセラミックスなどであり、これに貫通孔１４を設け、絶縁材料を用いて貫通穴径より大きな径で対向電極形成部１７を構成することによりドーナツ状の対向電極部２１を形成することができる（図１（Ｂ））。また、予め貫通孔１４が設けられたプリント基板（片面基板でも両面基板でも良い）に対し、所定の領域のレジストを剥離することによりドーナツ状の対向電極部２１を形成することも可能である。

上記構成において、超音波トランスデューサ１は、振動膜１２の導電層１２１に、直流バイアス電源１６により単一極性の（本実施形態では正極性の）直流バイアス電圧に信号源１８から出力される相互に位相反転した交流信号１８Ａ，１８Ｂが重畳された状態で印加される。
一方、一対の固定電極１０Ａ、１０Ｂには、信号源１８より相互に位相反転した交流信号１８Ａ，１８Ｂが印加される。

この結果、信号源１８から出力される交流信号１８Ａの正の半サイクルでは、固定電極１０Ａに正の電圧が印加されるために、振動膜１２の固定電極で挟持されていない表面部分には、静電反発力が作用し、該表面部分は、図１上、下方に引っ張られる。
また、このとき、交流信号１８Ｂが負のサイクルとなり、対向する固定電極１０Ｂには負の電圧が印加されるために、振動膜１２の裏面部分には、静電吸引力が作用し、該裏面部分は、図１上、さらに下方に引っ張られる。

したがって、振動膜１２の一対の固定電極１０Ａ、１０Ｂにより挟持されていない膜部分は、同時にかつ同方向に静電反発力と静電斥力を受ける。これは、信号源１８から出力される交流信号の負の半サイクルについても同様に、振動膜１２の表面部分には図１上、上方に静電吸引力が、また裏面部分には、図１上、上方に静電反発力が作用し、一対の固定電極１０Ａ、１０Ｂにより挟持されていない振動膜１２における膜部分は、同時にかつ同方向に静電反発力と静電吸引力を受ける。このようにして、交流信号の極性の変化に応じて振動膜１２が同時にかつ同方向に静電反発力と静電吸引力を受けながら、交互に静電力が働く方向が変化するので、大きな膜振動、すなわち、パラメトリックアレイ効果を得るのに十分な音圧レベルの音響信号を発生することができる。

本発明の実施形態に係る静電型超音波トランスデューサによれば、第１、第２の固定電極の母材を非導電体とし、振動膜と対向する対向電極部となる前記非導電体表面には導電膜を形成し、かつ対向電極部の段部を絶縁体で形成したので、トランスデューサの表面に導電部が露出することのない電気的安全性を確保した静電型超音波トランスデューサを実現することができる。

このように本発明の実施形態に係る超音波トランスデューサ１は、振動膜１２が一対の固定電極１０Ａ，１０Ｂから力を受けて振動することからプッシュプル（Ｐｕｓｈ―Ｐｕｌｌ）型と呼ばれている。
本発明の実施形態に係る超音波トランスデューサ１は、従来の、振動膜に静電吸引力のみしか作用しない静電型の超音波トランスデューサ（Ｐｕｌｌ型）に比して、広帯域性と高音圧を同時に満たす能力を持っている。

本発明の実施形態に係る超音波トランスデューサの周波数特性を図８に示す。同図において、曲線Ｑ３が本実施形態に係るスデューサの周波数特性である。同図から明らかなように、従来の広帯域型の静電型超音波トランスデューサの周波数特性に比して、より広い周波数帯にわたって、高い音圧レベルが得られることが分かる。具体的には、２０kHz〜１２０kHzの周波数帯域においてパラメトリック効果が得られる１２０ｄＢ以上の音圧レベルが得られることが分かる。

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

次に、本発明の実施形態に係るＰｕｓｈ−Ｐｕｌｌ型の静電型超音波トランスデューサにおける固定電極の製造工程の一例について図２を参照して説明する。
これまでの静電型超音波トランスデューサにおける固定電極は、導電材料である金属板にマスク材を被せてエッチングにより貫通孔を形成し、これらを拡散接合あるいは熱圧着により積層接合して製作していた。
これに対し、本発明の実施形態に係る静電型超音波トランスデューサにおける非導電体から成る固定電極の製造工程では、金属板の代わりに非導電体としてガラス板２００を用いる（図２（ａ））。

このガラス板２００にサンドブラスト法又はエッチング法を適用して貫通孔を加工する。サンドブラスト法を例として説明する。サンドブラスト用のレジスト材料により貫通穴のパターンが形成されたマスク部材２０２を非導電体であるガラス板２００に被覆し、エアーブラスト法またはショットブラスト法により研磨剤をガラス板２００に当てることにより複数の貫通孔２０４を形成する（第１の工程：図２（ｂ））。
貫通孔２０４が形成された後、サンドブラスト用のレジスト材料で形成されたマスク部材２０２を剥離すると、貫通孔２０４の空いた非導電体２００から成る固定電極のベース部材が得られる（第２の工程：図２（ｃ））。

このベース部材の片面に金属（例えばアルミ、ニッケル、銅など）を真空蒸着させて、対向電極となる所定の膜厚の金属薄膜２０６を形成する（第３の工程：図２（ｄ））。
このようにして貫通孔２０４と金属薄膜２０６を形成したガラス板２００に対し、次の工程で対向電極部を構成する段差（対向電極形成体）を形成する。この工程では、永久的な構造体を形成可能で、かつ非導電性のレジスト材料またはコーティング材を使用する。有効と考えられるレジスト材料はプリント基板に使用するパッケージ用感光性フィルムや感光性ポリイミドフィルムである。

このようなレジストフィルム２０８と貫通孔２０４を空けた金属薄膜２０６が表面に形成されたガラス板２００上にラミネートした後、レジストフィルム２０８上に対向電極部形成用のマスク材２１０を被覆し、露光及び現像を行うことにより対向電極面のみが露出し、その他の部分に非導電性の層が形成される（第４、第５の工程：図２（ｅ），（ｆ））。
このようにして作製された固定電極は、電圧印加部が表面に露出する事が無く、電気的に非常に安全である。

また、上記（図２の内容）の説明はレジストフィルムにフォトリソグラフィー法を適用した場合であるが、液体レジストにスクリーン印刷法を適用する方法も有効である。例えば、プリント基板で一般的に使用されるパッケージ用ソルダーレジストやサンドブラスト用レジストとして使用されるマスキング材料を、対向電極部形成用の版を用いてスクリーン印刷にて簡単に均等な厚みで塗布することが可能である。

次に、本発明の実施形態に係るＰｕｓｈ−Ｐｕｌｌ型の静電型超音波トランスデューサにおける固定電極の製造工程の、他の例について図３を参照して説明する。スクリーン印別法を用いた場合の、非導電体から成る固定電極の製造工程を図３に基づいて説明する。
貫通孔２０４と金属薄膜２０６を形成した非導電体（ガラス板）２００から成る固定電極の中間体を作製する工程は、図２で示した例と全く同じであるので、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する（第１〜第３工程：図３（ａ）〜（ｄ））。

金属薄膜２０６が形成された非導電体としてのガラス板２００上の貫通穴及び該貫通穴近傍の領域をマスクするスクリーン版であるマスク部材２０８を金属薄膜２０６が形成されたガラス板２００の表面上に載置し、かつ該ガラス板２００の表面上に振動膜と対向する対向電極部の段部である絶縁性の対向電極形成体を形成するための対向電極形成材２１０をセットする。
次いで、スキージ２１２を移動させて対向電極形成材２１０を金属薄膜２０６が形成されたガラス板２００表面におけるマスク部材２０８によりマスクされていない部分に塗布する（第４の工程：図３（ｅ））。

有効と考えられる対向電極形成材は、永久的に対向電極形成体として構成でき、かつ非導電性のもので、例えば回路基板で一般的に使用されるパッケージ用の液状ソルダーレジストやサンドブラスト用レジストとして使用されるマスキングインクなどである。特にフレキシブルプリント基板用のソルダーレジストは比較的柔らかい（鉛筆の硬さでＨＢ程度）ため、ガラスをはじめ、様々な金属、樹脂材料との密着強度にも優れ、高分子膜から成る振動膜の挟持性に非常に有効である。

次いで、対向電極形成材２１０の塗布完了後にマスク部材（スクリーン版）２０８を外すと、対向電極部を除く他の部分に非導電性の層である対向電極形成体２１４が残る。次いで、ガラス板２００上に形成された対向電極形成体２１４を乾燥させることにより所望の固定電極が完成する（第５の工程：図３（ｆ））。
以上、上述したこれらの製造方法では、形成できる対向電極形成体２１４の段差量が５μｍ〜４０μｍの範囲で比較的自由に選択でき、平坦度は厚みの１０％以下と非常に良好である。

なお、レジストフィルムにフォトリソグラフィー法を適用した場合では、レジストフィルムをラミネートする際にガラス板が破損する危険性があるが、スクリーン印刷法はガラスに対して大きなストレスを掛けなくて済むため、破損する危険性が極めて少なくできる点で有利である。

また、金属板の代わりにガラスエポキシまたはセラミックスを用いる場合には、所定の穴径の貫通孔を有した板として成形するための成形型を用いてベース部材を作製し、このベース部材の片面に金属（例えばアルミ、ニッケル、銅など）を真空蒸着させて、対向電極となる金属薄膜を形成する。以降、図３に基づいて説明したようにスクリーン印刷法を用いて所望の固定電極に仕上げる。

さらに、予め銅箔およびレジスト処理が施こされたユニバーサルプリント基板に対し、所定の箇所のレジスト材を剥離して対向電極部を形成して、固定電極を製造することもできる。
本発明の実施形態に係るＰｕｓｈ−Ｐｕｌｌ型の静電型超音波トランスデューサにおける固定電極の製造工程の、さらに他の例について図４を参照して説明する。

プリント基板を用いた固定電極の製造工程を図４に基づいて説明する。同図おいて、非導電体３００としてベークライトやガラスエポキシ材を基材としたプリント基板３０には、予め所定の径およびピッチ（ハニカム配列が望ましい）で貫通穴３１０が設けられている。プリント基板３０の両面全体には銅箔により導電層３０１が形成され、さらにその導電層３０１表面全体をレジスト（合成樹脂膜）３０２で被覆された構成となっている（図４（ａ））（以上が、一般的なプリント基板の構成）。

ここで、導電層（銅箔）３０１の厚みは特に指定は無く、電源系で一般的とされている３５μｍあるいは７０μｍで良い。
一方、レジスト（合成樹脂膜）３０２の厚みは、対向電極部の厚みとして有効であり、かつレジスト処理法として一般的に用いられているスクリーン印刷法で実現可能な５〜１０μｍ程度が望ましい。
上記プリント基板３０の一方の面に前記貫通穴の外周部における前記レジスト３０２を剥離するための剥離用レジスト３０３を塗布する（第１の工程：図４（ｂ））。

次いで、剥離用レジスト３０３が塗布されたプリント基板３０の剥離用レジスト３０３上における貫通穴３１０の外周部に対向する領域以外の領域をマスクするパターンが形成されたマスク部材３０４を、剥離用レジスト３０３上に被覆し、露光及び現像処理を行うと、剥離したい領域以外の領域に剥離用レジスト３０３が残る。（第２の工程：図４（ｂ），（ｃ））。
レジスト剥離処理により剥離用レジスト３０３でマスクされていない部分のレジスト３０２を剥離する（第３の工程：図４（ｄ））

第３の工程終了後に、残存する剥離用レジスト３０３を除去する。剥離用レジストを除去すると、剥離されなかったレジスト３０２が対向電極形成体３０５として残り、プリント基板を基材とする固定電極が完成する。（第４の工程：図４（ｅ））。
このようにして形成された固定電極は、外部に露出する裏面全面（レジスト剥離処理を施さない面）にはレジスト（合成樹脂膜）３０２が形成された状態のままであるため、電気的に非常に安全である。
以上のように、本発明の実施形態に係る静電型超音波トランスデューサの製造方法によれば、固定電極のベース材を非導電体で形成し、必要な箇所のみに導電処理を施すことにより、高電圧が印加される部位が表面にさらされることが無くなり、電気的に非常に安全性の高い静電型超音波トランスデューサが得られる。

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５に示す。本実施形態に係る超音波スピーカは、上述した本発明の実施形態に係る静電型超音波トランスデューサ（図１）を超音波トランスデューサ５５として用いたものである。

図５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。

上記構成において、可聴周波数波発振源５１より出力される信号波によってキャリア波発振源５２から出力される超音波周波数帯のキャリア波を変調器５３により変調し、パワーアンプ５４で増幅した変調信号により超音波トランスデューサ５５を駆動する。この結果、上記変調信号が超音波トランスデューサ５５により有限振幅レベルの音波に変換され、この音波は媒質中（空気中）に放射されて媒質（空気）の非線形効果によって元の可聴周波数帯の信号音が自己再生される。

すなわち、音波は空気を媒体として伝播する粗密波であるので、変調された超音波が伝播する過程で、空気の密な部分と疎な部分な顕著に表れ、密な部分は音速が速く、疎な部分は音速が遅くなるので変調波自身に歪が生じ、その結果キャリア波（超音波周波数帯）とに波形分離され、可聴波周波数帯の信号波（信号音）が再生される。

以上のように高音圧の広帯域性が確保されると様々な用途にスピーカとして利用することが可能となる。超音波は空中では減衰が激しく、その周波数の二乗に比例して減衰する。したがって、キャリア周波数（超音波）が低いと減衰も少なくビーム状に遠くまで音の届く超音波スピーカを提供することができる。
逆にキャリア周波数が高いと減衰が激しいのでパラメトリックアレイ効果が十分に起きず、音が広がる超音波スピーカを提供することができる。これらは同じ超音波スピーカでも用途に応じて使い分けることが可能なため大変有効な機能である。

また、ペットとして人間と生活をともにすることの多い犬は４０kHzまで、猫は１００kHzまでの音を聴くことが可能であるため、それ以上のキャリア周波数をもちいれば、ペットに及ぼす影響もなくなるという利点も有する。いずれにせよ色々な周波数で利用できるということは多くのメリットをもたらす。

本発明の実施形態に係る超音波スピーカによれば、広周波数帯域にわたってパラメトリックアレイ効果を得るのに十分に高い音圧レベルの音響信号を発生することができる。
また、上記構成の静電型超音波トランスデューサを用いて超音波スピーカを構成したので、すなわち、対をなす第１、第２の固定電極の母材を非導電体とし、振動膜と対向する対向電極部となる前記非導電体表面には導電膜を形成し、かつ前記対向電極部の段部を絶縁体で形成したので、トランスデューサの表面に導電部が露出することのない電気的安全性を確保した超音波スピーカを実現することができる。

本発明の実施形態に係る静電型超音波トランスデューサは、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。

本発明の実施形態に係る静電型超音波トランスデューサの構成を示す図。 本発明の実施形態に係るＰｕｓｈ−Ｐｕｌｌ型の静電型超音波トランスデューサにおける固定電極の製造工程の一例を示す工程図。 本発明の実施形態に係るＰｕｓｈ−Ｐｕｌｌ型の静電型超音波トランスデューサにおける固定電極の製造工程の他の例を示す工程図。 本発明の実施形態に係るＰｕｓｈ−Ｐｕｌｌ型の静電型超音波トランスデューサにおける固定電極の製造工程のさらに他の例を示す工程図。 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。 従来の共振型の超音波トランスデューサの構成を示す図。 従来の静電型の広帯域発振型超音波トランスデューサの具体的構成を示す図。 本発明の実施形態に係る静電型超音波トランスデューサの周波数特性を従来の超音波トランスデューサの周波数特性と共に示した図。 Ｐｕｓｈ−Ｐｕｌｌ型の静電型超音波トランスデューサの構成を示す図。

符号の説明

１…静電型超音波トランスデューサ、１０Ａ，１０Ｂ…固定電極、１２…振動膜、１４…貫通穴、１６…直流バイアス電源、１７…対向電極形成体（段部）１８…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…導電層。

Claims (5)

1. 複数の貫通穴が形成された第１の固定電極と、
   前記第１の固定電極と対をなす複数の貫通穴が形成された第２の固定電極と、
   前記一対の固定電極に挟持され導電層を有し、該導電層に直流バイアス電圧が印加される振動膜と、
   前記一対の固定電極と前記振動膜を保持する保持部材とを有し、
   前記一対の固定電極間には交流信号が印加される静電型超音波トランスデューサであって、
   前記第１、第２の固定電極の母材を非導電体とし、前記振動膜と対向する対向電極部となる前記非導電体表面に導電膜を形成し、かつ前記対向電極部の段部を絶縁体で形成したことを特徴とする静電型超音波トランスデューサ。
2. 複数の貫通穴が形成された第１の固定電極と、前記第１の固定電極と対をなす複数の貫通穴が形成された第２の固定電極と、
   前記一対の固定電極に挟持され導電層を有し、該導電層に直流バイアス電圧が印加される振動膜と、
   前記一対の固定電極と前記振動膜を保持する保持部材とを有し、
   前記一対の固定電極間には交流信号が印加される静電型超音波トランスデューサの製造方法であって、
   前記第１、第２の固定電極は、
   非導電体に前記複数の穴のパターンが形成されたマスク部材を被覆し、サンドブラスト法又はエッチング処理により貫通穴を形成する第１の工程と、
   前記貫通穴が形成された後に前記マスク部材を剥離する第２の工程と、
   前記貫通穴が形成された非導電体の片面に所定の膜厚の金属薄膜を形成する第３の工程と、
   前記金属薄膜が形成された非導電体上に非導電性の感光性レジスト材をラミネートした後、
   該感光性レジスト上面における前記貫通穴及び該貫通穴近傍の領域に対向する領域をマスクするマスク部材を、前記感光性レジスト上面に載置し、露光させる第４の工程と、
   露光後、前記マスク部材を除去し、現像し、前記金属薄膜が表面に形成された非導電体上に対向電極形成体を形成する第５の工程と、
   により作製されることを特徴とする静電型超音波トランスデューサの製造方法。
3. 複数の貫通穴が形成された第１の固定電極と、
   前記第１の固定電極と対をなす複数の貫通穴が形成された第２の固定電極と、
   前記一対の固定電極に挟持され導電層を有し、該導電層に直流バイアス電圧が印加される振動膜と、
   前記一対の固定電極と前記振動膜を保持する保持部材とを有し、
   前記一対の固定電極間には交流信号が印加される静電型超音波トランスデューサの製造方法であって、
   前記第１、第２の固定電極は、
   非導電体に前記複数の貫通穴のパターンが形成されたマスク部材を被覆し、サンドブラスト法又はエッチング処理により貫通穴を形成する第１の工程と、
   前記貫通穴が形成された後に前記マスク部材を剥離する第２の工程と、
   前記貫通穴が形成された非導電体の片面に所定の膜厚の金属薄膜を形成する第３の工程と、
   前記金属薄膜が形成された非導電体上の貫通穴及び該貫通穴近傍の領域をマスクするマスク部材を前記非導電体表面上に載置し、かつ該非導電体表面上に前記振動膜と対向する対向電極部の段部である絶縁性の対向電極形成体を形成するための対向電極形成材をセットし、スキージを移動させて前記対向電極形成材を前記非導電体表面におけるマスク部材によりマスクされていない部分に塗布する第４の工程と、
   前記第４の工程において、前記対向電極形成材の塗布完了後に前記マスク部材を外し、かつ前記非導電体上に形成された対向電極形成体を乾燥させる第５の工程と、
   により作製されることを特徴とする静電型超音波トランスデューサの製造方法。
4. 複数の貫通穴が形成された第１の固定電極と、前記第１の固定電極と対をなす複数の貫通穴が形成された第２の固定電極と、
   前記一対の固定電極に挟持され導電層を有し、該導電層に直流バイアス電圧が印加される振動膜と、
   前記一対の固定電極と前記振動膜を保持する保持部材とを有し、
   前記一対の固定電極間には交流信号が印加される静電型超音波トランスデューサの製造方法であって、
   前記第１、第２の固定電極は、
   非導電材料を基材とし、予め所定の径およびピッチで貫通穴が形成され、その両面全体に導電層が形成されると共に、前記導電層表面全体にレジストで被覆されているプリント基板の一方の面に前記貫通穴の外周部における前記レジストを剥離するための剥離用レジストを塗布する第１の工程と、
   前記剥離用レジストが塗布されたプリント基板の前記剥離用レジスト上における前記貫通穴の外周部に対向する領域以外の領域をマスクするパターンが形成されたマスク部材を、前記剥離用レジスト上に被覆し、露光及び現像処理を行う第２の工程と、
   レジスト剥離処理により前記剥離用レジストでマスクされていない部分の前記レジストを剥離する第３の工程と、
   第３の工程終了後に、残存する剥離用レジストを除去する第４の工程と、
   により作製されることを特徴とする静電型超音波トランスデューサの製造方法。
5. 請求項１に記載の静電型超音波トランスデューサと、
   可聴周波数帯の信号波を生成する信号源と、
   超音波周波数帯のキャリア波を生成し、出力するキャリア波供給手段と、
   前記キャリア波を前記信号源から出力される可聴周波数帯の信号波により変調する変調手段とを有し、
   前記静電型超音波トランスデューサは、前記第１、第２の固定電極と前記振動膜の導電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。
   
   

Images