JP2012165308A

JP2012165308A - 超音波トランスデューサー

Info

Publication number: JP2012165308A
Application number: JP2011025803A
Authority: JP
Inventors: Hironori Sato; 優典佐藤; Masahiro Sugiura; 正浩杉浦
Original assignee: Yamaha Corp
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 2011-02-09
Filing date: 2011-02-09
Publication date: 2012-08-30

Abstract

【課題】超音波暴露を抑制する超音波トランスデューサーを提供する。
【解決手段】
平面に配置され互いに異なる固有振動数を有する複数の振動板（１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ）を備える振動板アレイ（１０）を備え、前記複数の振動板は、前記振動板の位相が一致しない周波数の駆動信号が同時に印加されると前記平面に対して垂直でない方向に超音波を放射する、超音波トランスデューサー（１）。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）として構成される超音波トランスデューサーに関する。

従来、超音波トランスデューサーとして機能するＭＥＭＳが知られている。（例えば特許文献１）。周波数の接近した２つの大きな振幅の超音波を同方向に同時に放射すると、音を伝える媒質の非線形性によって多くの高調波や結合音が超音波の伝搬とともに発生する。このうち２つの超音波の差音の仮想音源をパラメトリックアレイという。鋭い指向性を持って平行に伝搬する２つの超音波は、細長く伸びる線状領域においてパラメトリックアレイを形成する。このようなパラメトリックアレイから発生する可聴音は仮想音源の分布範囲に対応する鋭い指向性を示す。超音波トランスデューサーを用いてパラメトリックアレイを発生させるスピーカーはパラメトリックスピーカーと呼ばれている。特許文献１に記載されたパラメトリックスピーカーは固有振動数が一致しない複数の振動板を備え、２つの周波数の超音波を２種類の振動板から放射することにより、超音波の振幅を大きくしている。

特開２００８−２０４２９号公報

従来のパラメトリックスピーカーは、線状のパラメトリックアレイを形成することによって鋭い指向性を持つ可聴音を放射できるという特性を持つが、可聴音が聴取される領域を自由に設計することができないという問題があった。すなわち、従来のパラメトリックスピーカーによって実質的にパラメトリックアレイが形成される領域は、平行に伝搬する２つの超音波が重なる領域であるから、超音波の距離減衰に依存する。したがって、従来のパラメトリックスピーカーでは、超音波の距離減衰特性から独立して可聴音の聴取可能領域を設計することができない。また、従来のパラメトリックスピーカーでは、可聴音の聴取可能領域をパラメトリックスピーカーから離れた領域に設定することはできない。
本発明は上記問題に鑑みてなされたもので、パラメトリックアレイが形成される領域を柔軟に設計できる超音波トランスデューサーを提供することを目的の１つとする。

振動板の位相は固有振動数と駆動信号の周波数との差分に応じてずれる。したがって固有振動数が異なる２つの振動板を、一系列の駆動信号によって同位相で駆動すると、２つの振動板は異なる位相で振動する。異なる位相で振動する２つの振動板から超音波が放射されると超音波の進行方向は振動板に対して垂直な方向から２つの振動板の位相差に応じてずれる。

（１）そこで前記目的を達成するための超音波トランスデューサーは、平面に配置され互いに異なる固有振動数を有する複数の振動板を備える振動板アレイを備え、前記複数の振動板は、前記振動板の位相が一致しない周波数の駆動信号が同時に印加されると前記平面に対して垂直でない方向に超音波を放射する。
本発明によると、振動板アレイを構成する複数の振動板の固有振動数が一致しないため、振動板アレイを構成する複数の振動板が異なる位相で振動するように駆動することができる。このため、複数の振動板のそれぞれから放射される超音波が振動板が配置される平面に対して垂直でない方向を主軸が指向する超音波となって振動板アレイから放射されるように駆動できる。したがって、振動板が配置される平面に対して垂直でない方向を主軸が指向する超音波と振動板が配置される平面に対して垂直な方向を主軸が指向する超音波とを重ねることが可能になる。これら２つの超音波が重なる領域は、２つの超音波の主軸が指向する方向の角度差によって制御可能である。すなわち本発明によると、可聴音が発生するパラメトリックアレイが形成される範囲を柔軟に設計することができる。

（２）前記目的を達成するための超音波トランスデューサーにおいて、前記複数の振動板は、並んでいる順番に固有振動数が増加または減少していてもよい。

（３）前記目的を達成するための超音波トランスデューサーにおいて、前記複数の振動板を互いに一致する位相で振動させる周波数成分と前記複数の振動板を互いに一致しない位相で振動させる周波数成分とを重畳した駆動信号を前記振動板アレイに印加する駆動部を備えてもよい。
このような駆動部によって振動板アレイを駆動すると、振動板が配置される平面に対して垂直でない方向を主軸が指向する超音波と振動板が配置される平面に対して垂直な方向を主軸が指向する超音波とを振動板アレイから同時に放射することができる。

（４）前記目的を達成するための超音波トランスデューサーにおいて、前記平面に配置された複数の第二振動板を備え前記第二振動板の位相が一致しない周波数の駆動信号が同時に印加されると前記平面に対して垂直な方向に超音波を放射する第二振動板アレイを備え、前記振動板アレイが放射する超音波と前記第二振動板アレイが放射する超音波とによって前記平面の前方にパラメトリックアレイが形成されてもよい。
２つの振動板アレイのそれぞれからパラメトリックアレイを形成するための超音波を放射することがによって、振動板が配置される平面から離れた領域にパラメトリックアレイを形成することが可能になる。

（５）前記目的を達成するための超音波トランスデューサーにおいて、前記平面に配置された複数の第二振動板を備え前記第二振動板の位相が一致する周波数の駆動信号が同時に印加されると前記平面に対して垂直でない方向に超音波を放射する第二振動板アレイを備え、前記振動板アレイが放射する超音波と前記第二振動板アレイが放射する超音波とが交差することによって前記平面の前方にパラメトリックアレイが形成されてもよい。
２つの振動板アレイのそれぞれからパラメトリックアレイを形成するための超音波を放射することがによって、振動板が配置される平面から離れた領域にパラメトリックアレイを形成することが可能になる。

（６）前記目的を達成するための超音波トランスデューサーにおいて、支持層と振動層と素子層とを含む積層構造体からなる振動ユニットを備え、前記支持層には開口が複数形成され、前記振動板は前記開口を閉塞している前記振動層によって構成され、前記素子層には前記振動板を振動させる駆動素子が形成されていてもよい。
積層構造体に振動板を形成すると、振動板の固有振動数を正確に調整することとが容易になる。

図１Ａは図１Ｂに示す１Ａ−１Ａ線断面図である。図１Ｂは本発明の第一実施形態にかかる平面図である。本発明の第一実施形態にかかる模式図である。本発明の第一実施形態にかかるグラフである。本発明の第一実施形態にかかるグラフである。本発明の第一実施形態にかかる断面図である。本発明の第一実施形態にかかる断面図である。本発明の第一実施形態にかかる断面図である。本発明の第一実施形態にかかる断面図である。本発明の第一実施形態にかかる模式図である。本発明の第二実施形態にかかる模式図である。本発明の第三実施形態にかかる模式図である。

以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照しながら説明する。なお、各図において対応する構成要素には同一の符号が付され、重複する説明は省略される。

１．第一実施形態
（構成）
図１に本発明による超音波トランスデューサーの第一実施形態としてのパラメトリックスピーカー１を示す。パラメトリックスピーカー１は、図示しないケースに収容された振動ユニット１０を備え、博物館等の施設での音声ガイド装置、ＡＶ機器、ＩＴ機器などに組み込まれ、超指向性スピーカーとして用いられる。振動ユニット１０は、半導体製造プロセスを用いて製造され、支持層１０１と振動層１０２と素子層１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃとを含む積層構造体であってＭＥＭＳを構成している。

支持層１０１の厚さは実質的に剛体として振る舞う程度に例えば２００μｍ〜６３０μｍとする。支持層１０１は例えばシリコンからなる。支持層１０１には支持層１０１を貫通する孔によって開口１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃが形成されている。開口１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃは例えば直径２００〜５０００μｍの円形とする。

支持層１０１に結合している振動層１０２のうち支持層１０１の開口１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃを閉塞している円形の部分が振動板１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃを構成している。支持層１０１の開口１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃの縁が振動板１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃの振動端となって振動板１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃを支持している。振動層１０２の厚さは振動板１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃが弾性膜として振る舞う程度に例えば０．５μｍ〜１０μｍとする。振動層１０２は例えば酸化シリコンからなる。

振動板１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃは、振動層１０２によって構成されているため、同一平面に配列される。振動板１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃの材質、厚さ、面積、平面形状等によって振動板１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃの固有振動数が決まる。本実施形態では材質と厚さが共通であるため、振動板１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃの固有振動数はこれらの直径によって決まる。１組の振動板アレイを構成している振動板１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃのそれぞれの固有振動数は、特定の周波数において圧電素子１０３が駆動された場合に、振動板１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃから放射される超音波の主軸が正面方向と角度θをなす方向を指向するように設定される。すなわち、振動板１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃの直径は、並んでいる順番（１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃの順番）に大きくなっている。

圧電素子１０３は下電極層としての素子層１０３ａ、圧電層としての素子層１０３ｂ、上電極層としての素子層１０３ｃからなる。素子層１０３ａは振動板１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃのそれぞれの中央領域を除いた振動層１０２の上面に積層されている。素子層１０３ｂは、振動板１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃのそれぞれの中央領域と端子領域とを除いた素子層１０３ａの上面に積層されている。素子層１０３ｂは例えば厚さ０．１〜１００μｍとしチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の圧電材料からなる。素子層１０３ｃは素子層１０３ｂの上面の全域に積層されている。素子層１０３ａ、１０３ｃはそれぞれ例えば厚さが０．０５〜１０μｍであり、白金や金等からなる。

（作動）
圧電素子１０３の振動板１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃの上に位置する環状領域が、印加される駆動信号に応じて面方向（振動板と平行な方向）に伸縮することによって振動板１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃが撓む。超音波帯域の駆動信号を圧電素子１０３に印加すると振動板１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃのそれぞれから超音波が放射される。
ここで、振動板１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃからなる振動板アレイから放射される超音波の主軸方向と正面方向とがなす角θと、振動板１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃの位相差について説明する。今、図２に示すように長さＬの振動板が周波数ωで振動して波長λの超音波を放射し、両端において位相差Δφを生じていると仮定する。このとき、θは次式（１）によって求まる。なお、ｖは音速を表している。

したがって例えば同一周波数で振動させる第一の振動板と第二の振動板の中心間距離をＬとすれば、目標とする方向θを式（１）に代入すると第一の振動板と第二の振動板の位相差Δφが求まる。

振動板の位相φは次式（２）によって求まる。ただしω_ｎは固有振動数、ＱはＱ値を表している。

したがって（２）に基づいて、位相差がΔφとなるように第一の振動板の固有振動数と第二の振動板の固有振動数を相対的に定めれば目標とする方向θに主軸が指向する超音波を放射する振動板アレイを設計することができる。また３つ以上の振動板から振動板アレイを構成する場合、隣り合う２つの振動板毎に式（１）（２）を適用してそれぞれの固有振動数を設定すればよい。

また、それぞれの振動板の固有振動数を先に定めておき、隣り合う振動板の中心間距離を目標方向θに応じて設定しても良い。またそれぞれの振動板の固有振動数と隣り合う振動板の中心間距離を先に定めておき、駆動周波数ωを目標方向θに応じて設定しても良い。

例えば第一の振動板の固有振動数ω_１が５０ｋＨｚ、第二の振動板の固有振動数ω_２が５５ｋＨｚ、第一の振動板と第二の振動板のＱ値が２０とする。この場合、第一の振動板の位相φ１と第二の振動板の位相φ２と位相差Δφと駆動周波数ωの関係は図３に示すようになる。そして第一の振動板と第二の振動板の中心間距離が３ｃｍとすると、第一の振動板と第二の振動板からなる振動板アレイから放射される超音波の主軸方向θと駆動周波数ωの関係は図４に示すとおりになる。したがって、第一の振動板および第二の振動板の位相差が最大となる一系列の駆動信号（５２．５ｋＨｚ付近）で振動板アレイを駆動すると、正面方向とのなす角θが４．３°となる方向に主軸を持つ超音波を放射することができる。なお、駆動周波数と固有振動数の差が大きくなるほど駆動効率が悪くなるため、振動板アレイを構成する各振動板の固有振動数を近接させることが好ましい。

目標方向θに超音波を放射するためには、振動板１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃのそれぞれを一定の位相差で振動させる。θ＝０の正面方向に超音波を放射するためには、振動板１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃを同一位相で振動させる。

位相が異なる複数系列の駆動信号を生成してそれぞれの振動板を独立に駆動すれば、正面方向からずれた方向に超音波を放射することもできるが、位相制御回路が必要になる。しかし本実施形態によると、既に述べたとおり、位相制御回路が不要な１系列の駆動信号を用いて複数の振動板を異なる位相で振動させることができる。

（製造方法）
振動ユニット１０は、例えば次のように製造することができる。
はじめに支持層となるシリコンウエハ１０１を準備する。

次に図５に示すようにシリコンウエハ１０１の一方の主面に振動層となる酸化膜１０２を熱酸化法等によって形成する。

次に図６に示すように酸化膜１０２の主面上に、素子層１０３ａとなる導電膜、素子層１０３ｂとなる圧電膜、素子層１０３ｃとなる導電膜を順次スパッタ法等によって積層する。

次に図７に示すように素子層１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃをエッチングすることによって圧電素子１０３を形成する。

次に図８に示すように支持層１０１を他方の主面から異方的にエッチングすることによって支持層１０１に開口１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃを形成する。

その後、ダイシング、パッケージング等の後工程を実施すると振動ユニット１０が完成する。圧電素子１０３に駆動信号を印加する駆動部は、振動ユニット１０と同一のパッケージに収容しても良いし、振動ユニット１０のパッケージとは別のパッケージに収容しても良い。

（使用方法）
パラメトリックスピーカー１は例えば次のように使用することができる。博物館等の施設内の展示物の上方壁面に、振動板の正面方向が展示物の正面方向と一致するようにパラメトリックスピーカー１を設置する。このように設置したパラメトリックスピーカー１の振動板アレイを、周波数が近接した２系列の超音波帯域信号を重畳した１系列の駆動信号Ｓを用いて駆動する。一方の超音波帯域信号は、振動板１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃのそれぞれが異なる位相で振動する周波数Ｈ_１に設定する。他方の超音波帯域信号は、振動板１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃが同一位相で振動する周波数Ｈ_２に設定する。これら２系列の超音波帯域信号を変調した１系列の駆動信号Ｓを用いて駆動すると、振動板に対して垂直でない方向に周波数Ｈ_１の超音波が放射されるとともに、振動板に対して垂直な方向に周波数Ｈ_２の超音波が放射される。すると、周波数Ｈ_１の超音波と周波数Ｈ_２の超音波とが重なる図９に示す領域Ａにパラメトリックアレイが形成される。

このため、可聴音が差音として発生するように駆動信号Ｓを生成すると、領域Ａおよびその周辺領域において可聴音を聴取可能になる。なお、領域Ａにおいて発生した可聴音は領域Ａの外でも聞き取ることができるが、領域Ａの外における可聴音の音圧は領域Ａにおける可聴音の音圧よりも低くなる。領域Ａの面積は、振動板１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃの固有振動数と配列、そして駆動信号によって制御することができる。すなわち、パラメトリックスピーカー１を用いることによって、可聴音を聞き取ることのできる範囲を柔軟に設計することができる。

２．第二実施形態
第二実施形態としてのパラメトリックスピーカー２では、図１０に示すように、第一実施形態で説明した振動ユニット１０ａ、１０ｂを、それぞれから放射される超音波の主軸が交差するように配置する。振動ユニット１０ａ、１０ｂには別系列の駆動信号Ｓ_１、Ｓ_２が印加される。駆動信号Ｓ_１、Ｓ_２は互いに近接した超音波領域の周波数を有する。振動ユニット１０ａ、１０ｂから放射される超音波が交差する領域Ｅでは、駆動信号Ｓ_１に応じて振動ユニット１０ａから放射される超音波と、駆動信号Ｓ_２に応じて振動ユニット１０ｂから放射される超音波との差音が発生する。したがって、可聴音が差音として発生するように駆動信号Ｓ_１、Ｓ_２を生成することによって、パラメトリックスピーカー２から離れた領域Ｅにパラメトリックアレイの形成領域を設定することができる。

３．第三実施形態
図１０に示すように、正面方向からずれた方向に超音波を放射する振動ユニット１０と、正面方向に超音波を放射する振動ユニット１１とを組み合わせてパラメトリックスピーカー３を構成しても良い。振動ユニット１１には、振動板の固有振動数が一致している一般的な構成を採用できる。振動ユニット１０、１１は、それぞれから放射される超音波が交差するように配置される。振動ユニット１０、１１には別系列の駆動信号Ｓ_３、Ｓ_４が印加される。駆動信号Ｓ_３、Ｓ_４は互いに近接した超音波領域の周波数を有する。振動ユニット１０、１１から放射される超音波が交差する領域Ｇでは、駆動信号Ｓ_３に応じて振動ユニット１１から放射される超音波と、駆動信号Ｓ_４に応じて振動ユニット１０から放射される超音波との差音によって可聴音を発生させることができる。

４．他の実施形態
なお、本発明の技術的範囲は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
例えば、超音波の放射方向が異なる２つの振動ユニットは、図１０、図１１に示したように別体に形成しても良いし、一体に形成しても良い。
また、駆動素子は、図１に示したように振動板の周縁部に配置していても良いし、振動板の中央部に配置しても良い。また、圧電材料として有機圧電材料を用いても良いし、駆動素子として静電容量を用いても良い。

また、振動層はポリイミド、ＰＶＤＦ（PolyVinylidene DiFluoride）、ゴム等の有機材料から構成してもよいし、単結晶シリコン、ポリシリコン、セラミック（ジルコニア（ＺｒＯ₂）、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）など）、金属（Ｃｕなど）等の無機材料で構成してもよい。さらに振動板は円形に限らず、矩形であってもよいし、振動層に通孔が形成されていてもよいし、２辺が支持層に固定された帯形状であってもよい。振動板ユニットを構成する振動板の数は３つに限らず、２つでも良いし、４つ以上でも良い。また振動板アレイを構成する振動板は２次元に配列してもよい。また、シリコンウエハの代わりにＳＯＩ（Silicon On Insu1ator）ウエハを用いてもよい。

また本発明による超音波トランスデューサーは、パラメトリックスピーカー以外にも、距離等を検出するための超音波発信器などに適用することもできる。
また本発明による超音波トランスデューサーをＭＥＭＳとして構成することによって各振動板の固有振動数の調整が容易になるが、例えば振動板が支持部材に機械的に組み付けられる構造を採用しても良い。

尚、駆動素子を可聴域周波数の駆動信号で駆動することにより振動板アレイそのものから可聴音を放射することも勿論可能である。この場合であっても、本発明に係る振動板アレイの構成を採用すると、主軸が振動板の正面方向からずれた指向性を持つ可聴音を放射することができる。

１０・１０ａ・１０ｂ・１１…振動ユニット、１０１…支持層、１０１ａ・１０１ｂ・１０１ｃ…開口、１０２…振動層、１０２ａ・１０２ｂ・１０２ｃ…振動板、１０３…圧電素子、１０３ａ…素子層、１０３ｂ…素子層、１０３ｃ…素子層

Claims

平面に配置され互いに異なる固有振動数を有する複数の振動板を備える振動板アレイを備え、
前記複数の振動板は、前記振動板の位相が一致しない周波数の駆動信号が同時に印加されると前記平面に対して垂直でない方向に超音波を放射する、
超音波トランスデューサー。
前記複数の振動板は、並んでいる順番に固有振動数が増加または減少している、
請求項１に記載の超音波トランスデューサー。
前記複数の振動板を互いに一致する位相で振動させる周波数成分と前記複数の振動板を互いに一致しない位相で振動させる周波数成分とを重畳した駆動信号を前記振動板アレイに印加する駆動部を備える、
請求項１または２に記載の超音波トランスデューサー。
前記平面に配置された複数の第二振動板を備え前記第二振動板の位相が一致しない周波数の駆動信号が同時に印加されると前記平面に対して垂直でない方向に超音波を放射する第二振動板アレイを備え、
前記振動板アレイが放射する超音波と前記第二振動板アレイが放射する超音波とが交差することによって前記平面の前方にパラメトリックアレイが形成される、
請求項１または２に記載の超音波トランスデューサー。
前記平面に配置された複数の第二振動板を備え前記第二振動板の位相が一致する周波数の駆動信号が同時に印加されると前記平面に対して垂直な方向に超音波を放射する第二振動板アレイを備え、
前記振動板アレイが放射する超音波と前記第二振動板アレイが放射する超音波とが交差することによって前記平面の前方にパラメトリックアレイが形成される、
請求項１または２に記載の超音波トランスデューサー。
支持層と振動層と素子層とを含む積層構造体からなる振動ユニットを備え、
前記支持層には開口が複数形成され、
前記振動板は前記開口を閉塞している前記振動層によって構成され、
前記素子層には前記振動板を振動させる駆動素子が形成されている、
請求項１から４のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサー。