CN1946248A - 静电型超声波换能器及超声波扬声器 - Google Patents

Abstract

本发明提供静电型超声波换能器及超声波扬声器。该静电型超声波换能器只利用静电力来固定振动膜的振动部分以外的区域，降低膜振动的失真的影响等。在推挽型的静电型超声波换能器(1)中，在具有多个通孔(14)的一对固定电极(10、11)上分别形成：用于使振动膜(12)中的与通孔(14)面对的部分作为振动区域振动的振动用电极(101、111)，和用于固定振动膜(12)的非振动区域的固定用电极(102、112)。向振动膜(12)的电极层(121)和振动用电极(101、111)之间施加交流信号，使振动膜(12)的振动区域振动。向振动膜(12)的电极层(121)和固定用电极(102、112)之间施加直流电压，利用静电力来固定振动膜(12)的非振动区域。

Description

静电型超声波换能器及超声波扬声器

技术领域

本发明涉及一种静电型超声波换能器，特别涉及能降低失真的影响等、并且能够按区域对振动膜进行振动控制的静电型超声波换能器、使用该静电型超声波换能器的超声波扬声器、使用静电型超声波换能器的声音信号再现方法、超指向性音响系统及显示装置。

背景技术

以往，作为静电方式的超声波换能器，公知的有可在整个高频域产生高声压的宽频带振荡型超声波换能器。图7表示宽频带振荡型的静电型超声波换能器的结构例。该静电型超声波换能器3由于仅在把振动膜拉向固定电极侧的方向上发挥作用，所以被称为挽型(Pull型)。

图7所示的静电型超声波换能器3采用3～10μm左右的厚度的PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯树脂)等电介质131(绝缘体)作为振动体(振动膜)。在电介质131的上表面部上通过蒸镀等处理一体形成有上电极132，该上电极132是由铝等的金属箔形成，并且在电介质131的下表面部与电介质131接触地设置有由黄铜形成的下电极133。该下电极133与导线152连接，并且固定于由贝克莱特酚醛树脂(Bakelite)等构成的基板135上。

并且，上电极132与导线153连接，该导线153与直流偏压电源150连接。通过该直流偏压电源150向上电极132始终施加50～150V左右的上电极吸附用的直流偏压，上电极132被吸附在下电极133侧。151是信号源。

电介质131和上电极132以及基板135与金属圈136、137和138以及网状物139一起，通过壳体130被铆接。

在下电极133的电介质131侧的面上形成有多个具有不均一形状的数十～数百μm左右的微小槽。由于该微小槽成为下电极133和电介质131之间的空隙，所以上电极132和下电极133之间的静电电容分布发生微小变化。

该随机的微小槽是以手工作业用锉刀对下电极133的表面进行粗加工而形成的。在静电方式的超声波换能器中，由于如此形成空隙大小和深度不同的无数个电容器，从而频率特性成为宽频域(例如，参照专利文献1、2)。

如上所述，作为图7所示的静电方式的超声波换能器3一直以来作为可在整个宽频带产生较高声压的宽频域超声波换能器(挽型)而被公知。

但是，声压的最大值稍低、例如是声压低至120dB以下，作为超声波扬声器来利用时，声压存在些许不足。为了使超声波扬声器中的参量效应充分表现，则需要120dB以上的超声波声压，然而在静电型超声波换能器(挽型)中很难达到这个数值，要采用专门的PZT(锆钛酸铅)等的陶瓷压电元件或PVDF(聚偏二氟乙烯)等的高分子压电元件作为超声波产生体。但是，由于压电元件无论其材料如何都具有敏锐的谐振点，在该谐振频率下进行驱动，作为超声波扬声器得到实用，所以能够确保高声压的频率范围极其窄。即可以说是窄频带。

为了解决这种问题，目前提出了图8所示的静电型超声波换能器4(特願2004-173946号)。这种结构一般被称为推挽(Push-Pull)型，与挽(Pull)型静电型超声波换能器相比，具有同时满足宽频带性和高声压的能力。

在图8中，推挽型的静电型超声波换能器4具有：发挥电极作用的包括利用导电性材料形成的导电部件的一对固定电极10、11；被一对固定电极夹持的具有电极层(导电层)121的振动膜12；保持一对固定电极10、11和振动膜的部件(未图示)。

振动膜12由绝缘体120构成，具有由导电性材料形成的电极层121，通过直流偏压电源16对该电极层121施加单一极性(正极性或负极性都可)的直流偏压。

并且，一对固定电极10、11在隔着振动膜12对置的位置上具有相同数量的多个通孔(带阶梯的通孔)14，利用信号源18A、18B对一对固定电极10、11的导电部件之间施加交流信号。固定电极10和电极层121、固定电极11和电极层121分别形成电容器。

在上述结构中，超声波换能器4利用直流偏压电源16对振动膜12的电极层121施加单一极性(在本示例中为正极性)的直流偏压。另一方面，通过信号源18A、18B向一对固定电极10、11施加交流信号。其结果为，在从信号源18A、18B输出的交流信号的正的半个周期中，对固定电极10施加正电压，而对振动膜12的没有被固定电极夹持的表面部分12A作用静电推斥力，表面部分12A在图8中被向下方拉。并且，此时，对置的固定电极11被施加负电压，所以静电吸引力作用于振动膜12的所述表面部分12A的背面侧即背面部分12B，背面部分12B在图8中被向更下方拉。

因此，振动膜12的未被一对固定电极10、11夹持的膜部分在相同方向上受到静电推斥力和静电斥力。这对于从信号源18A、18B输出的交流信号的负的半周期也相同，对振动膜12的表面部分12A作用在图8中朝向上方的静电吸引力，对背面部分12B作用在图8中向上方的静电推斥力，振动膜12的未被一对固定电极10、11夹持的膜部分在相同方向上受到静电推斥力和静电斥力。这样，根据交流信号的极性变化，振动膜12在相同方向上受到静电推斥力和静电斥力，同时静电力起作用的方向交替地变化，所以能够产生获得较大的膜振动即参量阵效应所需要的充足的声压电平的音响信号。

这种超声波换能器4是由于振动膜12从一对固定电极10、11受到力而进行振动，所以被称为推挽(Push-Pull)型。推挽型的静电型超声波换能器4与只有静电吸引力作用于振动膜的挽型(Pull)的静电型超声波换能器相比，具有同时满足宽频带性和高声压的能力。

在图8所示的静电型超声波换能器4中，固定电极10、11的材质只要是导电性的即可，例如可以是SUS或黄铜、铁、镍的单体结构。并且，由于需要实现轻量化，所以在对电路基板等中一般使用的环氧玻璃树脂基板或纸酚基板实施了所期望的孔加工后，可以利用镍或金、银、铜等进行电镀处理等。并且，该情况时，为了防止成型后的翘曲，对基板的两面实施电镀加工等比较有效。但是，考虑到绝缘性，期望在各个固定电极的振动膜侧实施某种绝缘处理。例如，利用液状焊料抗蚀剂、感光性膜、感光性涂覆材料、非导电性涂料、电沉积材料等形成绝缘的凸部。

可是，如上所述，在推挽型的静电型超声波换能器中，对振动膜施加高电压的直流偏压，对固定电极施加交流电压，由此膜部分借助作用于固定电极-振动膜的静电力(引力和斥力)而振动。该情况时，为了实现超声波频带的振动，需要使振动部分的孔径在数mm以下，需要通过设计多个振动孔构成跟踪性较高且输出较大的换能器。

但是，在上述结构的驱动方法中，振动膜在各个振动孔之间(被固定电极从上下按压的区域)振动力也起作用，并且在该区域中振动膜不是被固定的状态，在各个振动孔之间的距离较短时，产生振动膜发生横向滑动的问题。这样，振动膜产生横向滑动时，由振动膜产生的音响信号产生振动失真，音质恶化。

专利文献1日本特开2000-50387号公报

专利文献2日本特开2000-50392号公报

如上所述，在图8所示的推挽型的静电型超声波换能器中，振动膜在各个振动孔之间(被固定电极从上下按压的区域)振动力也起作用，并且在该区域中振动膜不是被固定的状态，在各个振动孔之间的距离较短时，产生膜发生横向滑动的问题。由于该膜的横向滑动，产生振动膜产生振动失真的问题。

发明内容

本发明就是为了解决上述问题而提出的，其目的在于，提供静电型超声波换能器、使用该静电型超声波换能器的超声波扬声器、使用静电型超声波换能器的声音信号再现方法、超指向性音响系统及显示装置，该静电型超声波换能器通过只利用静电力来固定振动膜的振动部分以外的区域(非振动区域)，提高阵列配置的振动孔的相互独立性，可以降低膜振动的振动失真的影响等，并且可以对振动膜按区域进行振动控制，另外通过部分地对阵列配置的振动孔的驱动进行相位控制，可以实现指向性控制。

本发明是为了解决上述问题而提出的，本发明的超声波换能器的特征在于，该静电型超声波换能器具有：第1电极，其具有通孔和多个电极图案；第2电极，其具有与所述第1电极的所述通孔成对的通孔、以及与所述电极图案成对的多个电极图案；振动膜，其具有电极层，并且该振动膜被由所述第1电极和第2电极组成的一对电极夹持；以及控制单元，其对所述一对电极的所述电极图案与所述振动膜的电极层之间施加电压，在多个驱动条件下驱动所述振动膜。

根据这种结构，在推挽型的静电型超声波换能器(例如，图1所示推挽型的静电型超声波换能器)中，在具有多个通孔的一对电极(例如，图1所示的固定电极10、11)上分别层叠形成对应多种驱动功能的电极图案(例如，层叠形成图1所示的振动用电极101、111和固定用电极102、112等的电极图案)。并且，在各个电极图案与振动膜的电极层(例如，图1所示的电极层121)之间施加与驱动功能对应的电压。

由此，在推挽型的静电型超声波换能器中，可以使所述一对电极的电极图案的结构形成为多层，可以对振动膜按区域进行振动控制。例如，通过只利用静电力来固定振动膜的振动部分以外的区域(非振动区域)，可以降低膜振动的失真的影响等。

并且，本发明的静电型超声波换能器的特征在于，所述电极具有：使所述振动膜振动的振动用电极图案；以及使所述振动膜相对于所述一对电极固定的固定用电极图案，所述控制单元在使所述振动膜振动时，向所述振动膜的电极层与固定用电极图案之间施加电压，以使所述振动膜的一部分相对于所述一对电极固定。

根据这种结构，在推挽型的静电型超声波换能器(例如，图1所示推挽型的静电型超声波换能器)中，在具有多个通孔的一对电极(例如，图1所示的固定电极10、11)上分别形成：用于使振动膜的振动部分(振动膜中与固定电极的通孔面对的振动区域)振动的振动用电极图案；和用于使振动膜的非振动部分(非振动区域)相对于所述一对电极固定的固定用电极图案(例如，形成图1所示的振动用电极101、111和固定用电极102、112等的电极图案)。并且，向振动膜的电极层与振动用电极图案之间施加交流信号，使振动膜振动，并且向振动膜的电极层与固定用电极图案之间施加直流电压，使振动膜的非振动区域相对于所述一对电极固定。

由此，能够只利用静电力来固定振动膜的振动部分以外的区域(非振动区域)，可以降低膜振动的失真的影响等。

并且，本发明的静电型超声波换能器的特征在于，所述振动用电极图案被分割以便将所述振动膜划分为多个块来驱动，所述控制单元在驱动所述振动膜时，控制向所述振动膜的电极层与所述振动用电极图案的各个块之间施加的交流信号的相位，以使在相邻的所述块之间分别具有规定的相位差。

根据这种结构，在推挽型的静电型超声波换能器中，把振动膜的膜振动部分(振动膜中与固定电极的通孔面对的振动区域)划分为多个块，对应各个块来分割振动用电极图案。并且，按照块单位进行交流信号的相位控制，以输出相位不同的音响信号，把该进行了相位控制的交流信号施加给被分割的各个电极图案，进行从静电型超声波换能器放射的声音的指向性控制。

由此，在静电型超声波换能器中可以实现指向性控制。

并且，本发明的静电型超声波换能器的特征在于，该静电型超声波换能器具有：电极，其具有多个电极图案，并且表面具有凹凸部；振动膜，其具有电极层，并且该振动膜被保持在所述电极的表面；以及控制单元，其对所述电极的所述电极图案与所述振动膜的电极层之间施加电压，在多个驱动条件下驱动所述振动膜。

根据这种结构，在挽型的静电型超声波换能器(例如，图4所示挽型的静电型超声波换能器)中，在具有多个凹部(或通孔)的电极(例如，图4所示的固定电极11)上按照驱动功能种类层叠形成电极图案(例如，把图4所示的振动用电极111和固定用电极112等的电极图案形成为多层)。并且，在各个电极图案与振动膜的电极层(例如，图4所示的电极层121)之间施加与驱动功能对应的电压。

由此，在挽型的静电型超声波换能器中，可以使一对电极的电极图案的结构形成为多层，可以对振动膜按区域进行振动控制。例如，通过只利用静电力来固定振动膜的振动部分以外的区域(非振动区域)，可以降低膜振动的失真的影响等。

并且，本发明的静电型超声波换能器的特征在于，所述电极具有：使所述振动膜振动的振动用电极图案；以及使所述振动膜相对于所述电极固定的固定用电极图案，所述控制单元在驱动所述振动膜时，向所述振动膜的电极层与固定电极用图案之间施加电压，以使所述振动膜的一部分相对于所述电极固定。

根据这种结构，在挽型的静电型超声波换能器(例如，图4所示挽型的静电型超声波换能器)中，在具有多个通孔的电极(例如，图4所示的固定电极11)上形成：用于使振动膜的振动部分(振动膜中与电极的凹部面对的振动区域)振动的振动用电极图案；和用于使振动膜的非振动区域固定的固定用电极图案(例如，形成图4所示的振动用电极111和固定用电极112的电极图案)。并且，向振动膜的电极层与振动用电极图案之间施加交流信号，使振动膜振动，并且向振动膜的电极层与固定用电极图案之间施加直流电压，固定振动膜的非振动区域。

由此，可以只利用静电力来固定振动膜的振动部分以外的区域(非振动区域)，可以降低膜振动的失真的影响等。

并且，本发明的静电型超声波换能器的特征在于，所述振动用电极图案被分割以便将所述振动膜划分为多个块来驱动，所述控制单元在驱动所述振动膜时，控制向所述振动膜的电极层与所述振动用电极图案的各个块之间施加的交流信号的相位，以使在相邻的所述块之间分别具有规定的相位差。

根据这种结构，在挽型的静电型超声波换能器中，把振动膜的膜振动部分(振动膜中与电极的凹部面对的振动区域)划分为多个块，对应各个块来分割振动用电极图案。并且，按照块单位来进行交流信号的相位控制，以输出相位不同的音响信号，把该进行了相位控制的交流信号施加给被分割的各个电极图案，进行从静电型超声波换能器放射的声音的指向性控制。

由此，在静电型超声波换能器中可以实现指向性控制。

并且，本发明的超声波扬声器的特征在于，该超声波扬声器具有前述任一项所述的静电型超声波换能器。

由此，可以提供降低了失真的影响等的超声波扬声器。并且，可以提供能够进行指向性控制的超声波扬声器。

并且，本发明的基于静电型超声波换能器的声音信号再现方法，其特征在于，该声音信号再现方法使用前面任一项所述的静电型超声波换能器，并且包括如下步骤：通过信号源生成可听频带的信号波的步骤；通过载波供给源生成超声波频带的载波的步骤；生成利用所述可听频带的信号波将所述载波进行了调制的调制信号的步骤；以及通过向所述电极与所述振动膜的电极层之间施加所述调制信号，来驱动所述静电型超声波换能器的步骤。

在包括这些步骤的静电型超声波换能器的声音信号再现方法中，通过信号源生成可听频带的信号波，并且通过载波供给源生成超声波频带的载波并输出。另外，利用所述可听频带的信号波来调制载波，该调制信号被施加到电极与振动膜的电极层之间，从而驱动静电型超声波换能器。

由此，利用上述结构的静电型超声波换能器，可以降低膜振动的失真的影响，并且增大膜振动，能够以在宽频带下获得参量阵效应所需要的足够高的声压电平输出降低了失真的音响信号，并再现声音信号。

并且，本发明的超指向性音响系统，该系统通过使用上述任一项所述的静电型超声波换能器构成的超声波扬声器，再现从音响源提供的声音信号，在屏幕等声波反射面附近形成虚拟声源，其特征在于，该超指向性音响系统具有：超声波扬声器，其再现从所述音响源提供的声音信号中的中高音域的信号；以及低音再现用扬声器，其再现从所述音响源提供的声音信号中的低音域的声音。

在上述结构的超指向性音响系统中，使用利用前述任一项所述的静电型超声波换能器构成的超声波扬声器。并且，利用该超声波扬声器再现从音响源提供的声音信号中的中高音域的声音信号。利用低音再现用扬声器再现从音响源提供的声音信号中的低音域的声音信号。

因此，可以在静电型超声波换能器的膜振动的影响被降低的状态下，具有充足的声压和宽频带特性、以从形成于屏幕等声波反射面附近的虚拟声源发出中高音域的音响的方式再现中高音域的音响。并且，低音域的音响直接从音响系统具备的低音再现用扬声器输出，所以能够加强低音域，营造现场感更加良好的声场环境。

并且，本发明的显示装置的特征在于，该显示装置构成为包括前面任一项所述的静电型超声波换能器，该显示装置具有：超声波扬声器，其从由音响源提供的声音信号中再现可听频带的信号声音；以及投影光学系统，其将视频投影于投影面。

在上述结构的显示装置中，使用由前述任一项所述的静电型超声波换能器构成的超声波扬声器。并且利用该超声波扬声器再现从音响源提供的声音信号。

由此，能够具有足够的声压和宽频带特性，以从形成于屏幕等声波反射面附近的虚拟声源发出音响信号的方式再现音响信号。因此，能够容易地进行音响信号的再现范围控制。并且，可以进行从超声波扬声器放射的声音的指向性控制。

附图说明

图1是表示本发明的超声波换能器的第1实施方式的图。

图2是表示图1所示静电型超声波换能器的信号连接示例的图。

图3是表示本发明的超声波换能器的第2实施方式的图。

图4是表示本发明的静电型超声波换能器的第3实施方式的图。

图5是表示控制静电型超声波换能器的指向性的结构示例的图。

图6是表示超声波扬声器的结构示例图。

图7是表示挽型静电型超声波换能器的结构示例的图。

图8是表示推挽型静电型超声波换能器的结构示例的图。

图9是表示本发明的实施方式涉及的投影仪的使用状态的图。

图10是表示图12所示投影仪的外观结构的图。

图11是表示图12所示投影仪的电结构的方框图。

图12是基于超声波换能器的再现信号的再现状态的说明图。

标号说明

1、2、3、4静电型超声波换能器；10、11固定电极；12振动膜；12A表面部分；12B背面部分；13A、13B电极基体部件；14通孔(带阶梯的通孔)；16直流偏压电源；18A、18B信号源；19、20直流电源；21A、21B、21C、21D分割电极图案；22声波放射面；30超声波扬声器；31可听频率波信号振荡源；32载波信号源；33调制器；34功率放大器；35静电型超声波换能器；101、111振动用电极；102、112固定用电极；120绝缘体；121电极层；301投影仪；302屏幕(投影面)；303视听者；310操作输入部；312再现范围设定部；313再现范围控制处理部；314声音/视频信号再现部；316载波振荡源；317A、317B高通滤波器；318A、318B调制器；319低通滤波器；320投影仪本体；321加法器；322A、322B、322C功率放大器；323低音再现用扬声器；324A、324B静电型超声波换能器；331投影仪镜头；332视频生成部；333投影光学系统。

具体实施方式

(第1实施方式)

图1是表示本发明的超声波换能器的第1实施方式的图。图1中的示例表示把本发明应用于推挽型的静电型超声波换能器的示例。图1(A)是表示推挽型的静电型超声波换能器的整体结构的图。图1(A)所示的静电型超声波换能器1的结构基本上与前面说明的图8所示静电型超声波换能器相同。但是，在图1所示的超声波换能器中，在固定电极10、11上形成有多个电极图案，并且为了形成多个电极图案，固定用电极10、11利用绝缘材料构成。

图1(B)是图1(A)的局部放大图，对多个电极图案示出了配置振动用电极和固定用电极的示例。并且，图1(C)是表示振动用电极和固定用电极的配置关系的图，是从图1中的上方观看静电型超声波换能器1时的图。

如图1(B)所示，推挽型的静电型超声波换能器1中，在上侧的固定电极10上，把振动用电极101配置成各振动孔形状(有通孔)，作为准备连接它们的一个电极图案。即，在固定电极10的通孔(带阶梯的通孔)14的内部的、因小孔径和大孔径的通孔的阶梯差而形成于通孔14内的带状环状面14A上，配置振动用电极101。该振动用电极101如图1(C)所示形成为环状的电极图案。另外，从振动用电极101延伸的带状部分101A成为连接相邻的通孔14的振动用电极101的布线图案的部分。

并且，在上侧的固定电极10的通孔14之外的部分，在不与振动用电极101接触的位置配置有固定用电极102。振动用电极101和固定用电极102未配置在同一平面上，而是以夹着绝缘材料的形式分开配置在上下平面上。同样，在下侧的固定电极11上，在通孔14的部分配置有振动用电极111，在通孔14之外的部分配置有固定用电极112。振动用电极111和固定用电极112未配置在同一平面上，而是以夹着绝缘材料的形式分开配置在上下平面上。通过形成这种结构，振动用电极101、111和固定用电极102、112分别独立，可以部分地分开构成振动用和固定用的驱动。

另外，在静电型超声波换能器1的上表面设置的电极基体部件13A和在下表面设置的电极基体部件13B，是覆盖并保护固定电极10、11的基体部件，与本发明的动作没有直接关系。

图2是表示图1所示静电型超声波换能器的信号连接示例的图。如图2中的信号连接示例所示，在上侧的固定用电极10内的固定用电极102，利用直流电源19对振动膜12的电极层121施加单一极性(在本示例中为正极性)的直流电压，在下侧的固定电极11内的固定用电极112，利用直流电源20对振动膜12的电极层121施加单一极性(在本示例中为正极性)的直流电压。由此，在振动膜12的电极层121与固定用电极102之间静电吸引力起作用，在振动膜12的电极层121与固定用电极112之间也是静电吸引力起作用。因此，可以利用静电力将振动膜12的非振动区域固定在固定电极10、11上。

并且，在振动膜12的电极层121与振动用电极101、102之间，利用直流偏压电源16施加单一极性(在本示例中为正极性)的直流偏压。并且，把从信号源18A输出的交流信号以叠加了直流偏压的状态施加给振动用电极101。同样，把从信号源18B输出的交流信号以叠加了直流偏压的状态施加给振动用电极111。

结果，在从信号源18A、18B输出的交流信号的正的半周期中，振动用电极101被施加正电压，所以静电推斥力作用于振动膜12的未被固定电极夹持的表面部分12A，表面部分12A在图2中被拉向下方。

并且，此时对置的振动用电极111被施加负电压，所以静电吸引力作用于振动膜12的所述表面部分12A的背面侧即背面部分12B，背面部分12B在图2中被拉向更下方。因此，振动膜12的未被一对固定电极10、11夹持的膜部分在相同方向上受到静电推斥力和静电斥力。

这对于从信号源18A、18B输出的交流信号的负的半周期也相同，静电吸引力向着图2中的上方作用于振动膜12的表面部分12A，静电推斥力向着图2中的上方作用于背面部分12B，振动膜12的未被一对固定电极10、11夹持的膜部分在相同方向上受到静电推斥力和静电斥力。

这样，根据交流信号的极性变化，振动膜12在相同方向受到静电推斥力和静电斥力，同时静电力起作用的方向交替地变化，所以能够产生较大的膜振动，即产生获得参量阵效应所需要的足够的声压电平的音响信号。

如以上说明的那样，在图1所示的第1实施方式中，利用静电力固定振动膜12的振动部之外的区域，可以提高阵列配置的振动孔(振动膜中与固定电极的通孔14面对的振动区域)的相互独立性，可以降低失真的影响等。

另外，通过增减施加到振动膜12与固定用电极102、112之间的直流电压的值，可以增减施加到振动膜12的电极层121与固定用电极102、112之间的静电力，可以使振动膜12的膜振动部分的外周从固定端成为自由端，由此可以增大膜振动。

(第2实施方式)

另外，图3是表示本发明的静电型超声波换能器的第2实施方式的图。图3中的示例与图1所示的第1实施方式相比，是使固定用电极102、112的位置更接近振动膜12来配置的示例。这样，可以减小利用静电力来固定固定用电极102、112与振动膜12所需要的直流电压。

(第3实施方式)

在本发明的静电型超声波换能器中，可以不依赖于推挽型的静电型超声波换能器，也可以利用挽型的静电型超声波换能器来实现。

图4是表示本发明的静电型超声波换能器的第3实施方式的图，是构成挽型的静电型超声波换能器的示例。

图4(A)是表示静电型超声波换能器2的整体结构的图。图4(B)是图4(A)的局部放大图，表示振动用电极和固定用电极的配置示例。并且，图4(C)是表示信号连接示例的图，图4(D)是表示固定电极11的变形例的图。

图4中的示例为去除了图1所示静电型超声波换能器1的上侧的固定用电极10部分的结构示例。并且，与图7所示超声波换能器3相比，形成为把图7所示具有凹凸部的固定电极133的凹部置换为图4所示通孔14的结构。通过形成这种结构，提高了基于通孔14的空气流通性，可以提高来自振动膜12的音响信号的放射效率。另外，也可以使图4所示固定电极11形成为进行与图7所示具有凹凸部的固定电极133相同的置换得到的图4(D)所示结构。

另外，图4中的示例为去除图1所示静电型超声波换能器1的上侧的固定用电极10，形成为挽型的静电型超声波换能器，振动用电极111、固定用电极112的功能和动作与图1所示相同，所以省略其说明。

(第4实施方式)

在本发明的静电型超声波换能器中，在固定电极上按照驱动功能设置多层电极图案，可以向各个电极图案施加与驱动功能对应的电压，所以能够对振动膜按照区域进行振动控制。

因此，将固定电极的设置成阵列状的振动膜的振动部分(振动膜中与固定电极的通孔面对的振动区域)划分为多个块，按照块单位进行交流信号的相位控制，以输出相位不同的音响信号，可以进行放射的声音的指向性控制。

图5是表示控制静电型超声波换能器的指向性的结构示例的图。在图5的示例中，把与振动膜的振动部分15对应的振动用电极分割为四个电极图案21A、21B、21C、21D，使各个电极图案的交流信号的相位沿箭头A的方向滞后。由此，可以使从声波放射面22放射的音响信号的波阵面朝向箭头B(附图中的方向)倾斜，具有指向性。

(第5实施方式)

下面，说明使用了图1、图3、图4和图5所示的超声波换能器的超声波扬声器的结构示例。

图6是表示使用了本发明的静电型超声波换能器的超声波扬声器的一般结构示例图。超声波扬声器利用音频信号(可听区域信号)对被称为载波的超声波施加AM调制，当将其放射到空中时，利用空气的非线形使原来的音频信号在空中自行再现。即，声波是把空气作为介质传播的疏密波，所以在被调制的超声波传播的过程中，空气的较密部分和较疏部分明显表现出来，较密部分的声速快，较疏部分的声速变慢，所以调制波自身产生失真，结果，波形被分离为载波(超声波)和可听波(原音频信号)，人们只能听到20kHz以下的可听声音(原音频信号)，这种原理一般被称为参量阵效应。

图6所示的超声波扬声器30具有：生成可听频带的信号波的可听频率波信号振荡源(音频信号源)31；生成超声波频带的载波并输出的载波信号源32；调制器33；功率放大器34；和超声波换能器35。

调制器33利用从可听频率波信号振荡源31输出的可听波频带的信号波来调制从载波信号源32输出的载波，通过功率放大器34提供给超声波换能器35。

在上述结构中，调制器33利用从可听频率波信号振荡源31输出的音频信号波来调制从载波信号源32输出的超声波频带的载波，利用经由功率放大器34放大的调制信号来驱动超声波换能器35。结果，上述调制信号通过超声波换能器35被转换为有限振幅电平的声波，该声波放射到介质中(空气中)，借助于介质(空气)的非线形效应，自行再现原来的可听频带的信号声音。即，声波是把空气作为介质传播的疏密波，所以在被调制的超声波传播的过程中，空气的较密部分和较疏部分明显表现出来，较密部分的声速快，较疏部分的声速变慢，所以调制波自身产生失真，结果，与载波(超声波频带)波形分离，可听波频带的信号波(信号声音)被再现。

另外，在使用图5所示的、对阵列配置的振动部分(振动膜中与固定电极的通孔面对的振动区域)的驱动进行局部相位控制的超声波换能器时，在功率放大器34内包含如下电路，该电路按照被分割的每个电极图案使相位移相，并进行放大。

如以上说明的那样，在本发明的静电型超声波换能器中，通过使固定电极的电极图案的结构为多层，可以对振动膜按照区域进行振动控制。例如，通过只利用静电力来固定振动膜的振动部分之外的区域，可以提高阵列配置的振动部分的相互独立性，可以降低失真的影响等。并且，通过对阵列配置的振动部分的驱动进行局部相位控制，可以实现指向性控制。

(本发明的超指向性音响系统的结构示例的说明)

下面，说明使用了利用本发明的静电型超声波换能器构成的超声波扬声器的超指向性音响系统，其中，该静电型超声波换能器是推挽型的静电型超声波换能器，具有：形成有通孔的第1电极；形成有与所述第1电极的通孔成对的通孔的第2电极；振动膜，其被所述一对电极夹持着并且具有电极层，通过对该电极层施加直流偏压、而且向所述一对电极之间和所述一对电极与所述电极层之间施加交流信号，该振动膜被驱动；和保持所述一对电极和所述振动膜的保持部件，在所述第1、第2电极分别层叠形成与多种驱动功能对应的电极图案，所述推挽型的静电型超声波换能器具有控制单元，该控制单元进行控制，以向所述层叠形成的电极图案与所述振动膜的电极层之间施加与规定所述驱动功能的驱动条件对应的电压，或者所述静电型超声波换能器是挽型的静电型超声波换能器，具有：表面具有凹凸部的电极；振动膜，其设在所述电极的表面并且具有电极层，通过对该电极层施加直流偏压、而且向所述振动膜的电极层与所述电极之间施加交流信号而被驱动；和保持所述电极和振动膜的部件，在所述电极上按照驱动功能层叠形成电极图案，所述挽型的静电型超声波换能器具有控制单元，该控制单元进行控制，以向所述层叠形成的电极图案与所述振动膜的电极层之间施加与规定所述驱动功能的驱动条件对应的电压。

以下，作为本发明涉及的超指向性音响系统的一例，以投影仪为例进行说明。另外，本发明涉及的超指向性音响系统不限于投影仪，也可以广泛适用于进行声音和视频的再现的显示装置。

图9表示本发明涉及的投影仪的使用状态。如该图所示，投影仪301设置在视听者303的后方，在设置于视听者303前方的屏幕302上投影视频，并且利用安装在投影仪301上的超声波扬声器，在屏幕302的投影面上形成虚拟声源，并再现声音。

图10A和图10B表示投影仪301的外观结构。投影仪301构成为包括：包括将视频投影于屏幕等投影面上的投影光学系统的投影仪主体320；和可以使超声波频带的声波振荡的超声波换能器324A、324B，并且与从由音响源提供的声音信号再现可听频带的信号声音的超声波扬声器构成为一体。在本实施方式中，为了再现立体声声音信号，隔着构成投影光学系统的投影仪镜头331在投影仪主体上左右安装了构成超声波扬声器的超声波换能器324A、324B。

另外，在投影仪主体320的底面设有低音再现用扬声器323。并且325表示进行投影仪主体320的高度调整的高度调节螺丝，326表示空气冷却风扇用的排气口。

在投影仪301中，使用本发明的推挽型的静电型超声波换能器作为构成超声波扬声器的超声波换能器，能够在高声压下振荡产生宽频域的音响信号(超声波频带的声波)。因此，通过改变载波的频率来控制可听频带的再现信号在空间上的再现范围，从而不需要现有技术所必需的大型音响系统就能够实现可由立体声环绕系统或5.1ch环绕系统等获得的音响效果，并且能够易于搬运。

接下来，图11表示投影仪301的电结构。投影仪301具有：操作输入部310；超声波扬声器，其包括再现范围设定部312、再现范围控制处理部313、声音/视频信号再现部314、载波振荡源316、调制器318A、318B、功率放大器322A、322B、静电型超声波换能器324A、324B；高通滤波器317A、317B；低通滤波器319；加法器321；功率放大器322C；低音再现用扬声器323；以及投影仪主体320。而且，静电型超声波换能器324A、324B是本发明的推挽型的静电型超声波换能器。

投影仪主体320具有：生成视频的视频生成部332、将生成的视频投影到投影面上的投影光学系统333。投影仪301是将超声波扬声器、低音再现用扬声器323和投影仪主体320一体化而构成的。

操作输入部310具有各种功能键，其中包括0～9数字键、数字键、用于进行电源开关的电源键。再现范围设定部312可通过用户对操作输入部310进行按键操作来输入用于指定再现信号(信号音)的再现范围的数据，输入该数据后，就设定并保存了规定再现信号的再现范围的载波的频率。再现信号的再现范围的设定是通过指定再现信号从超声波换能器324A、324B的声波放射面沿放射轴方向所到达的距离来进行的。

再现范围设定部312可根据由声音/视频信号再现部314对应于视频内容而输出的控制信号来设定载波的频率。

再现范围控制处理部313具有如下功能：参照再现范围设定部312的设定内容，控制载波振荡源316，以便改变由载波振荡源316生成的载波的频率从而成为所设定的再现范围。

例如，在设定了与载波频率50kHz对应的上述距离作为再现范围设定部312的内部信息时，控制载波振荡源316使得其以50kHz进行振荡。

再现范围控制处理部313具有存储部，其预先存储了载波频率与规定了再现范围的、再现信号从超声波换能器324A、324B的声波放射面沿放射轴方向所到达的距离的关系的表格。该表格的数据是通过实际测量载波的频率和上述再现信号的到达距离的关系而得到的。

再现范围控制处理部313根据再现范围设定部312的设定内容，参照上述表格求得与设定的距离信息相对应的载波的频率，控制载波振荡源316以成为该频率。

声音/视频信号再现部314是例如采用DVD作为视频介质的DVD播放器，再现的声音信号中的R频道的声音信号通过高通滤波器317A输出到调制器318A，L频道的声音信号通过高通滤波器317B输出到调制器318B，视频信号输出到投影仪主体320的视频生成部332。

从声音/视频信号再现部314输出的R频道的声音信号和L频道的声音信号由加法器321合成，通过低通滤波器319输入到功率放大器322C。声音/视频信号再现部314相当于音响源。

高通滤波器317A、317B具有分别仅使R频道、L频道的声音信号中的中高音域的频率分量通过的特性，低通滤波器具有分别仅使R频道、L频道的声音信号中的低音域的频率分量通过的特性。

因此，上述R频道、L频道的声音信号中的中高音域的声音信号分别通过超声波换能器324A、324B再现，上述R频道、L频道的声音信号中的低音域的声音信号通过低音再现用扬声器323再现。

声音/视频信号再现部314并不限于DVD播放器，只要是将从外部输入的视频信号再现的再现装置即可。并且，声音/视频信号再现部314具有如下功能：向再现范围设定部312输出指示再现范围的控制信号，以便为了输出与要再现的视频的场景相对应的音响效果而动态地改变再现声音的再现范围。

载波振荡源316具有生成由再现范围设定部312指示的超声波频带的频率的载波，并将该载波输出至调制器318A、318B的功能。

调制器318A、318B具有如下功能：以从声音/视频信号再现部314输出的可听频带的声音信号对从载波振荡源316供给的载波进行AM调制，并将该调制信号分别输出至功率放大器322A、322B。

超声波换能器324A、324B分别被从调制器318A、318B通过功率放大器322A、322B输出的调制信号驱动，具有如下功能：将该调制信号变换成有限振幅电平的声波并发射到介质中，再现可听频带的信号声音(再现信号)。

视频生成部332具有：液晶显示器、等离子显示器(PDP)等显示器；和根据从声音/视频信号再现部314输出的视频信号驱动该显示器的驱动电路等，该视频生成部332生成由从声音/视频信号再现部314输出的视频信号而得到的视频。

投影光学系统333具有将显示在显示器上的视频投影到设置于投影仪主体320前方的屏幕等投影面上的功能。

接下来，对由上述结构构成的投影仪301的动作进行说明。首先，通过用户的按键操作从操作输入部310在再现范围设定部312中设定指示再现信号的再现范围的数据(距离信息)，对声音/视频信号再现部314进行再现指示。

其结果为，在再现范围设定部312中设定了规定再现范围的距离信息，再现范围控制处理部313取入设定在再现范围设定部312中的距离信息，参照存储于内置的存储部中的表格，求得与上述设定的距离信息相对应的载波的频率，控制载波振荡源316生成该频率的载波。

其结果为，载波振荡源316生成与再现范围设定部312所设定的距离信息相对应的频率的载波，并输出至调制器318A、318B。

一方面，声音/视频信号再现部314将再现的声音信号中的R频道的声音信号通过高通滤波器317A输出到调制器318A，将L频道的声音信号通过高通滤波器317B输出到调制器318B，将R频道的声音信号和L频道的声音信号输出至加法器321，将视频信号输出至投影仪主体320的视频生成部332。

因此，通过高通滤波器317A将上述R频道的声音信号中的中高音域的声音信号输入到调制器318A，通过高通滤波器317B将上述L频道的声音信号中的中高音域的声音信号输入到调制器318B。

上述R频道的声音信号和L频道的声音信号由加法器321合成，通过低通滤波器319将上述R频道的声音信号和L频道的声音信号中的低音域的声音信号输入功率放大器322C。

在视频生成部332中，根据输入的视频信号驱动显示器，生成并显示视频。显示在该显示器上的视频通过投影光学系统333而投影在投影面、例如图11所示的屏幕302上。

另一方面，调制器318A以从高通滤波器317A输出的上述R频道的声音信号中的中高音域的声音信号对从载波振荡源316输出的载波进行AM调制，并输出至功率放大器322A。

并且，调制器318B以从高通滤波器317B输出的上述L频道的声音信号中的中高音域的声音信号对从载波振荡源316输出的载波进行AM调制，并输出至功率放大器322B。

由功率放大器322A、322B放大的调制信号分别施加到超声波换能器324A、324B的上电极10A和下电极10B(参照图1)之间，该调制信号被变换成有限振幅电平的声波(音响信号)，放射到介质(空气中)，从超声波换能器324A再现上述R频道的声音信号中的中高音域的声音信号，从超声波换能器324B再现上述L频道的声音信号中的中高音域的声音信号。

由功率放大器322C放大的上述R频道和L频道中的低音域的声音信号通过低音再现用扬声器323再现。

如上所述，在通过超声波换能器放射到介质中(空气中)的超声波的传播中，伴随该传播，在声压高的部分声速变快，在声压低的部分声速变慢。其结果产生波形的失真。

在利用可听频带的信号对放射的超声波频带的信号(载波)进行调制(AM调制)时，上述波形失真的结果为，调制时所用的可听频带的信号波与超声波频带的载波分离，以自我解调的形式形成。此时，再现信号的扩散由于超声波特性而呈波束状，只在与普通的扬声器完全不同的特定方向上再现声音。

从构成超声波扬声器的超声波换能器324输出的波束状的再现信号，向着通过投影光学系统333投影视频的投影面(屏幕)发射，被投影面反射而扩散。在该情况下，根据再现范围设定部312中设定的载波的频率，从超声波换能器324的声波发射面到在其发射轴方向(法线方向)上再现信号从载波分离为止的距离、和载波的波束宽度(波束的扩散角)不同，所以再现范围变化。

图12表示投影仪301中包括超声波换能器324A、324B而构成的超声波扬声器再现再现信号时的状态。在投影仪301中，在利用以声音信号将载波调制后的调制信号驱动超声波换能器时，在由再现范围设定部312设定的载波频率低时，从超声波换能器324的声波发射面到在其发射轴方向(声波发射面的法线方向)上再现信号从载波分离为止的距离、即到再现地点的距离变长。

因此，再现的可听频带的再现信号的波束扩散不大地到达投影面(屏幕)302，在该状态下，在投影面302反射，所以再现范围为图12中虚线箭头所示的可听范围A，仅在离投影面302较远且较窄的范围内能够听到再现信号(再现声音)。

对此，由再现范围设定部312设定的载波频率比上述情形高时，从超声波换能器324的声波发射面发射出的声波与载波频率低时相比更集中，但从超声波换能器324的声波发射面到在其发射轴方向(声波发射面的法线方向)上再现信号从载波分离为止的距离、即到再现地点的距离变短。

因此，再现的可听频带的再现信号的波束在到达投影面302之前扩散，到达投影面302，在该状态下在投影面302反射，所以再现范围为图14实线箭头所示的可听范围B，仅在离投影面302较近且较宽的范围内能听见再现信号(再现声音)。

如以上说明的那样，在本发明的投影仪中，利用使用了本发明的推挽型或挽型的静电型超声波换能器的超声波扬声器，能够具有足够的声压和宽频带特性，以从形成于屏幕等声波反射面附近的虚拟音源发出音响信号的方式再现音响信号。因此，能够容易地进行其再现范围的控制。并且，将静电型超声波换能器按照前面所述，把振动膜的振动区域分割为多个块，对施加到上述振动膜的电极层与振动用电极图案的各个块之间的交流信号的相位进行驱动控制，以使相邻的块之间分别具有规定的相位差，由此可以进行从超声波扬声器放射的声音的指向性控制。

以上说明了本发明的实施方式，但是本发明的静电型超声波换能器和超声波扬声器不限于上述图示例子，当然可以在不脱离本发明宗旨的范围内进行各种变更。

本发明的实施方式涉及的超声波换能器可以用于各种传感器，例如测距传感器等，并且如前面所述，可以用于指向性扬声器用的声源和理想的脉冲信号发生源等。并且，对超指向性音响系统和投影仪等显示装置也非常有用。

Claims (10)

1.一种静电型超声波换能器，其特征在于，该静电型超声波换能器具有：

第1电极，其具有通孔和多个电极图案；

第2电极，其具有与所述第1电极的所述通孔成对的通孔、以及与所述电极图案成对的多个电极图案；

振动膜，其具有电极层，并且该振动膜被由所述第1电极和第2电极组成的一对电极夹持；以及

控制单元，其对所述一对电极的所述电极图案与所述振动膜的电极层之间施加电压，在多个驱动条件下驱动所述振动膜。

2.根据权利要求1所述的静电型超声波换能器，其特征在于，

所述电极具有：使所述振动膜振动的振动用电极图案；以及使所述振动膜相对于所述一对电极固定的固定用电极图案，

所述控制单元在使所述振动膜振动时，向所述振动膜的电极层与固定用电极图案之间施加电压，以使所述振动膜的一部分相对于所述一对电极固定。

3.根据权利要求2所述的静电型超声波换能器，其特征在于，所述振动用电极图案被分割以便将所述振动膜划分为多个块来驱动，

所述控制单元在驱动所述振动膜时，控制向所述振动膜的电极层与所述振动用电极图案的各个块之间施加的交流信号的相位，以使在相邻的所述块之间分别具有规定的相位差。

4.一种静电型超声波换能器，其特征在于，该静电型超声波换能器具有：

电极，其具有多个电极图案，并且表面具有凹凸部；

振动膜，其具有电极层，并且该振动膜被保持在所述电极的表面；以及

控制单元，其对所述电极的所述电极图案与所述振动膜的电极层之间施加电压，在多个驱动条件下驱动所述振动膜。

5.根据权利要求4所述的静电型超声波换能器，其特征在于，

所述电极具有：使所述振动膜振动的振动用电极图案；以及使所述振动膜相对于所述电极固定的固定用电极图案，

所述控制单元在驱动所述振动膜时，向所述振动膜的电极层与固定用电极图案之间施加电压，以使所述振动膜的一部分相对于所述电极固定。

6.根据权利要求5所述的静电型超声波换能器，其特征在于，所述振动用电极图案被分割以便将所述振动膜的振动区域划分为多个块来驱动，

所述控制单元在驱动所述振动膜时，控制向所述振动膜的电极层与所述振动用电极图案的各个块之间施加的交流信号的相位，以使在相邻的所述块之间分别具有规定的相位差。

7.一种超声波扬声器，其特征在于，该超声波扬声器具有权利要求1～6中任一项所述的静电型超声波换能器。

8.一种基于静电型超声波换能器的声音信号再现方法，其特征在于，该声音信号再现方法使用权利要求1～6中任一项所述的静电型超声波换能器，并且包括如下步骤：

通过信号源生成可听频带的信号波的步骤；

通过载波供给源生成超声波频带的载波的步骤；

生成利用所述可听频带的信号波将所述载波进行了调制的调制信号的步骤；以及

通过向所述电极与所述振动膜的电极层之间施加所述调制信号，驱动所述静电型超声波换能器的步骤。

9.一种超指向性音响系统，该系统通过使用权利要求1～6中任一项所述的静电型超声波换能器构成的超声波扬声器，再现从音响源提供的声音信号，在屏幕等声波反射面附近形成虚拟声源，其特征在于，该超指向性音响系统具有：

超声波扬声器，其再现从所述音响源提供的声音信号中的中高音域的信号；以及

低音再现用扬声器，其再现从所述音响源提供的声音信号中的低音域的声音。

10.一种显示装置，其特征在于，该显示装置构成为包括权利要求1～6中任一项所述的静电型超声波换能器，该显示装置具有：

超声波扬声器，其从由音响源提供的声音信号中再现可听频带的信号声音；以及

投影光学系统，其将视频投影于投影面。

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