JP4706586B2 - 静電型超音波トランスデューサ、静電型超音波トランスデューサの製造方法及び超音波スピーカ - Google Patents

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、これを用いた超音波スピーカ、静電型超超音波トランスデューサの製造方法に関する。

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８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８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８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８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９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９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９に示す超音波トランスデューサの周波数特性が図１０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１３２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１０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８に示す共振型の超音波トランスデューサと違い、図９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１０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）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９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型の静電型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９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静電型超音波トランスデューサを既に提案している。この静電型超音波トランスデューサは、導電層を有する振動膜を対向する位置に貫通穴が形成された一対の固定電極により挟持し、振動膜に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交流信号を印加するように構成したものである。

この静電型超音波トランスデューサは、Ｐｕｓｈ−Ｐｕｌｌ型の静電型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型の静電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。

このようなＰｕｓｈ−Ｐｕｌｌ型の静電型超音波トランスデューサの電極構造を図６に示す。図６（Ａ）は、Ｐｕｓｈ−Ｐｕｌｌ型の静電型超音波トランスデューサの電極構造の平面図を、図６（Ｂ）は、図６（Ａ）におけるＡ−Ａ切断線による断面図である。図６において、固定電極１１０Ａ，１１０Ｂは対向電極部１２０および貫通穴１１４で構成されており、対向電極部１２０および貫通穴１１４は同形状かつ同位置に設けられている。振動膜１１２は２枚の固定電極１１０Ａ，１１０Ｂに挟まれる構造で保持され、振動膜１１２の振動によって発生する音波が、貫通穴１１４を通して空気中に放出される。

ここで、振動膜１１２は振動膜枠１１３に接着された状態で、２枚の固定電極１１０Ａ，１１０Ｂで挟み込むため、固定電極側に振動膜枠１１３の厚み以上のクリアランスを設ける必要があり、結果的に図６（Ｂ）に示すような凸部を有する構造としている。

また、良好な振動膜の挟持性を確保する事が、静電型超音波トランスデューサの振動及び音圧特性にとって非常に重要な要素であるため、固定電極の電極面の平面度を数μm以内に仕上げている。

以上のような構造及び電極面の平面性を確保した状態で、位置決め手段を用いて、２枚の固定電極１１０Ａ，１１０Ｂの対向電極部の位置を合わせた上で、電極中央部1箇所と外周角部4箇所をネジ締めして、振動膜を挟持して、超音波トランスデューサを製造している。

しかしながら、外周角部のネジ締めトルクが強すぎる、あるいは固定電極の剛性が不十分な場合には、電極部材が局部的に変形し、固定電極と振動膜の間に隙間が生じてしまい、結果的に振動電極膜の挟持性が劣化し、超音波トランスデューサの特性が低下するという問題が有った。

このように、組立前段階で電極面の平面性が十分に確保できていても、現在の製造（組立）方法では平面性が維持できない。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、固定電極の平面度を維持し、振動膜の挟持性の向上を図った静電型超音波トランスデューサ、静電型超音波トランスデューサの製造方法及び超音波スピーカ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の製造方法は、貫通穴が形成された第１の電極と、前記第１の電極の貫通穴と対をなす貫通穴が形成された第２の電極と、前記一対の電極に挟まれるとともに導電層を有し、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、前記静電型超音波トランスデューサの組み立て時に、一対の電極に対して、少なくとも２箇所以上に位置決め機能を有する位置ずれ防止手段を設けるとともに、固定強度が調整可能な固定手段を前記一対の電極の中央部に設け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の製造方法では、前記静電型超音波トランスデューサの組み立て時に、一対の電極に対して、少なくとも２箇所以上に位置決め機能を有する位置ずれ防止手段が設けられとともに、固定強度が調整可能な固定手段が前記一対の電極の中央部に設けられる。

これにより、固定電極の変形を最小限に抑えて、振動膜の挟持性を改善し、かつ安定化することができる。

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、前記位置ずれ防止手段は非導電性材料で形成されてい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、固定電極は、通常、導電材料で形成されているために位置ずれ防止手段を電気的絶縁材料で形成する。その材質としては、樹脂又はセラミックが適切であり、樹脂の場合では、例えば、ＰＥＥＫやアラミド系樹脂などの高強度樹脂が使用される。
これにより、対向する固定電極間の電気的絶縁性を確保することができる。

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、前記位置ずれ防止手段は、前記一対の電極の周縁部に穿設された挿通孔にロッドを挿通し、前記一対の電極の電極表面と前記ロッドの端部とを接着剤で固定されてな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、前記一対の電極の周縁部に穿設された挿通孔に位置決め用のロッドを挿通し、前記一対の電極の電極表面と前記ロッドの端部とを接着剤で固定することにより構成される記位置ずれ防止手段により前記一対の電極の位置決めが行われる。

これにより、電極の平面度を維持し、振動膜の挟持性の向上が図れる。

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、前記位置ずれ防止手段は、前記一対の電極の周縁部に穿設された挿通孔に挿通された、一端に鍔部を有し筒状に形成された雌型ピンと、一端に鍔部を有し前記雌型ピンに嵌入される雄型ピンと、を有し、前記雌型ピンと雄型ピンとを嵌合した状態で、前記雌型ピンおよび雄型ピンの少なくともいずれか一方の鍔と電極表面との間に僅かな間隙を設けるように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の製造方法では、前記一対の電極の周縁部に穿設された挿通孔に挿通された、一端に鍔部を有し筒状に形成された雌型ピンと、一端に鍔部を有し前記雌型ピンに嵌入される雄型ピンとにより前記位置ずれ防止手段が構成され、前記雌型ピンと雄型ピンとを嵌合した状態で、前記雌型ピンおよび雄型ピンの少なくともいずれか一方の鍔と電極表面との間に僅かな間隙を設けるように設定される。

これにより、一対の電極を固定した際に、電極への固定ストレスが働かないようにすることができる。

また、本発明の静電型超音波トランスデューサは、貫通穴が形成された第１の電極と、前記第１の電極の貫通穴と対をなす貫通穴が形成された第２の電極と、前記一対の電極に挟まれるとともに導電層を有し、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、前記一対の電極に対して、少なくとも２箇所以上に設けられた位置決め機能を有する位置ずれ防止手段と、前記一対の電極の中央部に設けられ、固定強度が調整可能な固定手段とを有す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では、前記静電型超音波トランスデューサの組み立て時に、一対の電極に対して、少なくとも２箇所以上に位置決め機能を有する位置ずれ防止手段が設けられとともに、固定強度が調整可能な固定手段が前記一対の電極の中央部に設けられる。

これにより、電極の変形を最小限に抑えて、振動膜の挟持性を改善し、かつ安定化することができる。

また、本発明の静電型超音波トランスデューサは、前記位置ずれ防止手段は非導電性材料で形成されてい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では、固定電極は、通常、導電材料で形成されているために位置ずれ防止手段を電気的絶縁材料で形成する。その材質としては、樹脂又はセラミックが適切であり、樹脂の場合では、例えば、ＰＥＥＫやアラミド系樹脂などの高強度樹脂が使用される。
これにより、対向する固定電極間の電気的絶縁性を確保することができる。

また、本発明の静電型超音波トランスデューサは、前記位置ずれ防止手段は、前記一対の電極の周縁部に穿設された挿通にロッドを挿通し、前記一対の電極の電極表面と前記ロッドの端部とを接着剤で固定されてな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では、前記一対の電極の周縁部に穿設された挿通孔に位置決め用のロッドを挿通し、前記一対の電極の電極表面と前記ロッドの端部とを接着剤で固定することにより構成される記位置ずれ防止手段により前記一対の電極の位置決めが行われる。

これにより、電極の平面度を維持し、振動膜の挟持性の向上が図れる。

また、本発明の静電型超音波トランスデューサは、前記位置ずれ防止手段は、前記一対の電極の周縁部に穿設された挿通孔に挿通された、一端に鍔部を有し筒状に形成された雌型ピンと、一端に鍔部を有し前記雌型ピンに嵌入される雄型ピンとを有し、前記雌型ピンと雄型ピンとを嵌合した状態で、前記雌型ピンおよび雄型ピンの少なくともいずれか一方の鍔と電極表面との間に僅かな間隙を設けるように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の製造方法では、前記一対の電極の周縁部に穿設された挿通孔に挿通された、一端に鍔部を有し筒状に形成された雌型ピンと、一端に鍔部を有し前記雌型ピンに嵌入される雄型ピンとにより前記位置ずれ防止手段が構成され、前記雌型ピンと雄型ピンとを嵌合した状態で、前記雌型ピンおよび雄型ピンの少なくともいずれか一方の鍔と電極表面との間に僅かな間隙を設けるように設定される。

これにより、一対の電極を固定した際に、電極への固定ストレスが働かないようにすることができる。

また、本発明の超音波スピーカは、上記いずれか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超音波トランスデューサの電極と振動膜の電極層との間に印加され、駆動される。

このように、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の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。

また、電極に対して、少なくとも２箇所以上に位置決め機能を有する位置ずれ防止手段を設けるとともに、電極の中心部一箇所を固定手段により締め付けることにより、電極の変形を最小限に抑えて、振動膜の挟持性の向上が図れる。その結果、良好な振動膜の振動特性が得られ、静電型超音波トランスデューサの振動歪みが低減され、音圧及び音質の向上を図った超音波スピーカを実現できる。

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造を図１に示す。図１（Ａ）は、Ｐｕｓｈ−Ｐｕｌｌ型の静電型超音波トランスデューサの電極構造の平面図を、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）におけるＡ−Ａ切断線による断面図である。図１に示すＰｕｓｈ−Ｐｕｌｌ型の静電型超音波トランスデューサの電極構造は、位置ずれ防止手段の構成を除けば、図６に示したＰｕｓｈ−Ｐｕｌｌ型の静電型超音波トランスデューサの電極構造と基本的に同一である。図１において、固定電極１０Ａ，１０Ｂは対向電極部２０および貫通穴１４で構成されており、対向電極部２０および貫通穴１４は同形状かつ同位置に設けられている。振動膜１２は２枚の固定電極１０Ａ，１０Ｂに挟まれる構造で保持され、振動膜１２の振動によって発生する音波が、貫通穴１４を通して空気中に放出されるようになっている。

ここで、振動膜１２は振動膜枠１３に接着された状態で、２枚の固定電極１０Ａ，１０Ｂで挟み込むため、固定電極側に振動膜枠１１３の厚み以上のクリアランスを設ける必要があり、従来例と同様に図１（Ｂ）に示すような凸部を有する構造としている。

固定電極１０Ａ，１０Ｂには、固定部位が固定電極の中央に一箇所設けられており、固定手段１７としてはネジ又はナットとの組み合わせとし、締付けトルクを管理することにより、固定強度を調整するようになっている。

固定電極１０Ａ，１０Ｂの外周部には、少なくとも2箇所以上に、位置決め機能を持たせた位置ズレ防止手段１５が設けられている。固定電極１０Ａ，１０Ｂ側に位置決め用に設けられた挿通孔は、可能な限り距離を離して位置決め精度を向上させるために、対角に配するのが望ましい。これらの挿通孔に対し、位置ズレ防止手段を構成するパイロットピン等のロッドを挿通し、固定電極の対向電極位置を合わせた状態として固定する。
ここで、通常、固定電極１０Ａ，１０Ｂは導電材料で形成されており、対向する固定電極１０Ａ，１０Ｂ間の電気絶縁性を確保するために、位置ズレ防止手段１５は絶縁材料で構成する。その材質としては樹脂又はセラミックが適切であり、樹脂の場合では、ＰＥＥＫやアラミド系樹脂等の高強度樹脂が望ましい。
なお、位置ズレ防止手段１５の固定方法としては、固定電極側に固定ストレスがかかりにくい方法を採用することが望ましい。図２及び図３に、位置すれ防止手段１５の構成例を示す。図２及び図３は、図１に示した静電型超音波トランスデューサにおける位置すれ防止手段を含む本発明の要部の構成を示しており、図２（Ａ），図３（Ａ）はその平面図、図２（Ｂ），図３（Ｂ）は、Ａ−Ａ線による断面図である。
図２は接着方式により位置ずれ防止手段を固定する構成例を示し、図３は、嵌合方式により位置ずれ防止手段を固定する構成例を示している。上記何れの方式も、位置ズレ防止手段１５を構成するロッドまたはピンの径と固定電極１０Ａ，１０Ｂの位置決め穴径は、嵌め合い公差にて寸法管理されているので、固定電極１０Ａ，１０Ｂに対する固定ストレスは極めて小さい。但し、単純なパイロットピンタイプのロッドの場合には、ロッドが抜け落ちる可能性があり、これを防止するために、図２に示すように、固定電極１０Ａ，１０Ｂとの接触部位、すなわち、一対の固定電極１０Ａ，１０Ｂの電極表面とロッド１５Ａの端部とを接着剤（例えば、ＵＶ硬化型接着剤）１５Ｂにて固定する。
一方で、接着剤が硬化する際に僅かな体積収縮が生じ、これが固定電極１０Ａ，１０Ｂに対し、固定ストレスとして作用することもあり得る。そこで、限り無く固定ストレスを抑える方法として、図３に示すように、位置ズレ防止手段１５を二体で形成し、一方は固定電極１０Ａ，１０Ｂの位置決め穴と嵌め合い公差で寸法管理した鍔付きの筒状の雌型ピン１９Ａとし、もう一方は鍔付きの雄型ピン１０Ｂとする。両ピンの嵌め込みには嵌合あるいは接着固定を併用し、完全に嵌め込んだ状態において、これらのピンの鍔部と固定電極１０Ａ，１０Ｂの間に、僅かな隙間を設ける事により、固定電極１０Ａ，１０Ｂへの固定ストレスの作用を完全に回避できる。

以上に説明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の構成及びその製造方法が、デバイス特性に及ぼす効果について、以下に説明する。
静電型超音波トランスデューサの特性に寄与するパラメータとして静電容量があり、組み上がり状態での実測値が、理論計算上の静電容量と一致することが理想状態である。ここで、静電容量は、固定電極により振動膜がどの程度挟持されているかを示すものであり、固定電極の電極面の平面状態が大きく寄与する。
つまり、非常に良好な平面が維持できている場合には、振動膜が電極面でしっかりと挟持でき、静電容量が理論値に一致する。
一方、固定電極に変形が生じて、電極面の平面性が崩れた場合には、振動膜との間に隙間が生じ、静電容量が低下する。
ここで、固定電極の平面性に対しては、固定方式の影響が非常に大きく、この影響を可能な限り低減する事が、本発明のポイントである。

そこで、上述した本発明による固定方法による効果を検証するためにシミュレーションを行った。従来の固定方法と本発明の固定方法のそれぞれについて、数値解析を行い、両者の差違を明らかにした。解析ソフトには、汎用構造ソフト「I-DEAS NX10」を使用した。

[解析モデル]
図６で示した固定電極の片側を3次元化したものであり、固定電極の厚み１．５ｍｍ、挿通孔径をφ０．７５ｍｍとして作成したモデルを四面体要素分割し、要素数は１６５１１７、節点数は４７１０９である。
[解析条件]
固定電極の材料特性は表１に示すようである。

拘束条件：
２枚の固定電極を対向させて締め付ける場合に、図７中、点線で示した、挿通孔が設けられている電極面の内側と外側のエッジにおいて、厚み方向の変位は生じないが、平面方向では変形による変位が起こる可能性があるため、厚み方向は並進固定、平面方向は並進自由とした。なお、回転の自由度については、全て固定した。

荷重条件：
２枚の固定電極を固定するネジの締付けトルク（４．４ｃＮ／ｍ）に相当する締付け力（１１ｋｇ）を、ネジ固定部に面圧（３３２０ｍＮ／ｍｍ^２）として与えた。
従来の固定方法である、固定電極中央部１箇所及び固定電極外周部４箇所の計５箇所締めにおける、電極面の最大変位量を表２に示す。また、固定電極の厚みは１．５ｍｍ、材質はアルミニウムであり、比較としてステンレスの場合についても示す。

ここで、最大変位発生箇所は、何れの材質においても、固定電極外周部の固定部位に近い外周側であり、アルミニウムでは０．０１ｍｍもの変位が発生する。よって固定電極と振動膜との間に大きな隙間が生じ、結果的に振動特性が劣化し、音圧が低下あるいは不安定となる。

表３に、本発明の固定方法である、固定電極中央部１箇所締めでの、電極面の最大変位量を示す。締付け力は、従来の固定方法と同様の1１ｋｇとした。

最大変位発生箇所は、何れの材質においても、固定電極外周部の固定部に近い外周側ではあるが、アルミニウムでも０．００１ｍｍの変位しか発生せず、固定電極と振動電極膜の隙間は非常に小さく抑えられている。よって、振動電極膜はしっかりと固定電極で挟持されるため、振動特性が改善あるいは安定し、音圧が向上あるいは安定する。

以上の記載の通り、従来の構成では、固定電極四隅のネジ固定部で大きな変形が生じ、その影響が電極面の外側付近に及ぶ。
一方、本発明の構成では、電極中央のネジ固定部での変形が非常に小さく、電極面の変形も小さい。

［本発明による静電型超音波トランスデューサの構成例の説明］
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全体構成を図４に示す。図４（Ａ）は、静電型超音波トランスデューサの全体構成を示し、同図（Ｂ）は、図４（Ａ）に示した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。この静電型超音波トランスデューサの電極構造は、図１〜図３に示したものである。

図４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、電極として機能する導電性材料で形成された導電部材を含む一対の固定電極１０Ａ、１０Ｂと、一対の固定電極１０Ａ、１０Ｂに挟持され、電極層１２１を有する振動膜１２と、一対の固定電極１０Ａ、１０Ｂと振動膜を保持する部材（図示せず）とを有している。

振動膜１２は、絶縁体（絶縁層）１２０で形成され、導電性材料で形成された電極層１２１を有しており、該電極層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が電極層１２１との間に印加されるようになっている。

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を有しており、一対の固定電極１０Ａ、１０Ｂの導電部材間には信号源１８により相互に位相反転した交流信号１８Ａ，１８Ｂが印加されるようになっている。
固定電極１０Ａと電極層１２１、固定電極１０Ｂと電極層１２１は、それぞれコンデンサが形成されている。

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の電極層に、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１２Ａには、静電反発力が作用し、表面部分１２Ａは、図４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の前記表面部分１２Ａの裏面側である裏面部分１２Ｂには、静電吸引力が作用し、裏面部分１２Ｂは、図４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、同方向に静電吸引力と静電反発力（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１２Ａには図４上、上方に静電吸引力が、また裏面部分１２Ｂには、図４上、上方に静電反発力が作用し、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、同方向に静電吸引力と静電斥力を受ける。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が同方向に静電吸引力と静電斥力を受けながら、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。

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１０に示す。同図において、曲線Ｑ３が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斥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。

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、上述した本発の実施形態に係る静電型超音波トランスデューサ（図４）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。

以上に説明したように、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によれば、固定電極に対して、少なくとも２箇所以上に、位置決め機能を有する位置ずれ防止手段を設けると共に、固定電極の中心部１箇所を固定手段により締め付けることにより、固定電極の変形を最小限に抑えて、振動電極膜の挟持性の向上が図れ、安定化させることができる。
その結果、良好な振動電極膜の振動特性が得られ、超音波トランスデューサの振動歪みが低減され、音圧及び音質が向上した超音波スピーカを実現できる。

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。また、超指向性音響システムや、プロジェクタ等の表示装置にも有用である。

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造を示す平面図及び断面図。 図１に示した静電型超音波トランスデューサにおける位置すれ防止手段を含む本発明の要部の構成の一例を示す部分平面図、及び断面図。 図１に示した静電型超音波トランスデューサにおける位置すれ防止手段を含む本発明の要部の構成の他の例を示す部分平面図、及び断面図。 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全体構成を示す図。 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。 Ｐｕｓｈ−Ｐｕｌｌ型の静電型超音波トランスデューサの電極構造の一例を示す平面図及び断面図。 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効果を検証するためのシミュレーションの条件を説明するための図。 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。

符号の説明

１…超音波トランスデューサ、１０…固定電極部、１０Ａ，１０Ｂ…固定電極、１２…振動膜、１３…振動膜枠、１４…貫通穴、１５…位置ずれ防止手段、１５Ａ…ロッド、１５Ｂ…接着剤、１６…直流バイアス電源、１７…固定手段、１８…信号源、位置ずれ防止手段，１９Ａ…雌型ピン、１９Ｂ…雄型ピン
２０…対向電極部、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（絶縁層）、１２１…電極層、

Claims (9)

1. 貫通穴が形成された第１の電極と、
   前記第１の電極の貫通穴と対をなす貫通穴が形成された第２の電極と、
   前記一対の電極に挟まれるとともに導電層を有し、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、
   前記静電型超音波トランスデューサの組み立て時に、一対の電極に対して、少なくとも２箇所以上に位置決め機能を有する位置ずれ防止手段を設けるとともに、
   固定強度が調整可能な固定手段を前記一対の電極の中央部に設けた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。
2. 前記位置ずれ防止手段は非導電性材料で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の静電型超音波トランスデューサの製造方法。
3. 前記位置ずれ防止手段は、前記一対の電極の周縁部に穿設された挿通孔にロッドを挿通し、前記一対の電極の電極表面と前記ロッドの端部とを接着剤で固定されてなることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の静電型超音波トランスデューサの製造方法。
4. 前記位置ずれ防止手段は、
   前記一対の電極の周縁部に穿設された挿通孔に挿通された、一端に鍔部を有し筒状に形成された雌型ピンと、
   一端に鍔部を有し前記雌型ピンに嵌入される雄型ピンと、
   を有し、
   前記雌型ピンと雄型ピンとを嵌合した状態で、前記雌型ピンおよび雄型ピンの少なくともいずれか一方の鍔と電極表面との間に僅かな間隙を設けるようにしたことを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の静電型超音波トランスデューサの製造方法。
5. 貫通穴が形成された第１の電極と、
   前記第１の電極の貫通穴と対をなす貫通穴が形成された第２の電極と、
   前記一対の電極に挟まれるとともに導電層を有し、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、
   前記一対の電極に対して、少なくとも２箇所以上に設けられた位置決め機能を有する位置ずれ防止手段と、
   前記一対の電極の中央部に設けられ、固定強度が調整可能な固定手段と、
   を有することを特徴とする静電型超音波トランスデューサ。
6. 前記位置ずれ防止手段は非導電性材料で形成されていることを特徴とする請求項５に記載の静電型超音波トランスデューサ。
7. 前記位置ずれ防止手段は、前記一対の電極の周縁部に穿設された挿通孔にロッドを挿通し、前記一対の電極の電極表面と前記ロッドの端部とを接着剤で固定されてなることを特徴とする請求項５または６のいずれかに記載の静電型超音波トランスデューサ。
8. 前記位置ずれ防止手段は、
   前記一対の電極の周縁部に穿設された挿通孔に挿通された、一端に鍔部を有し筒状に形成された雌型ピンと、
   一端に鍔部を有し前記雌型ピンに嵌入される雄型ピンと、
   を有し、
   前記雌型ピンと雄型ピンとを嵌合した状態で、前記雌型ピンおよび雄型ピンの少なくともいずれか一方の鍔と電極表面との間に僅かな間隙を設けるようにしたことを特徴とする請求項５または６のいずれかに記載の静電型超音波トランスデューサ。
9. 請求項５乃至８のいずれか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。
   
   

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