專利名稱：超聲波換能器、超聲波揚聲器、聲學系統(tǒng)以及超聲波換能器的控制方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及可使用推挽(push-pull)方式的靜電型超聲波換能器，使從其背面所發(fā)射的超聲波被聲波反射板朝前方發(fā)射的超聲波換能器、超聲波揚聲器、聲學系統(tǒng)以及超聲波換能器的控制方法，特別是涉及可相對于設置面積大幅度提高聲壓的超聲波換能器、超聲波揚聲器、聲學系統(tǒng)以及超聲波換能器的控制方法。
背景技術(shù)：
近年來，關(guān)于利用了空氣對超聲波的非線性的具有參量效應的揚聲器，已有使可聽聲波被反射板反射的反射板組合的申請(例如，參照專利文獻1)。
在專利文獻1所公開的發(fā)明中，在中心部具有開孔的拋物面狀基板的凹面構(gòu)成超聲波換能器陣列，在其基板的曲率半徑的中心點附近設置可聽聲波的反射板。由此，通過構(gòu)成為使方向性強的次波(可聽聲波)被反射板反射，通過在拋物面狀基板的中心所開設的孔發(fā)射，解決了使揚聲器小型化的課題。然而，這是涉及聲波輸出面單一的超聲波換能器。對于形成在超聲波換能器的兩面方向輸出聲波的結(jié)構(gòu)的推挽方式的靜電型超聲波換能器，主要采用使發(fā)射到背面的聲波照原樣發(fā)射(泄漏)，或者使用吸收材料使該聲波衰減等來廢棄的方法，不能有效利用發(fā)射到背面的聲波。
圖10是推挽方式的靜電型超聲波換能器的驅(qū)動概念的說明圖，在推挽方式的靜電型超聲波換能器中，與振動膜31對置地設置有一對對置電極部32a和對置電極部32b。而且，通過DC偏壓電源把+側(cè)的DC偏壓提供給振動膜31，在對置電極部32a與對置電極部32b之間施加交流信號。
圖10(a)是示出在交流信號為零(0)的情況下的振動膜31的振幅狀態(tài)的圖，振動膜31處于中間(對置電極部32a與對置電極部32b的正中)位置。圖10(b)是示出在交流信號的+電壓被施加給對置電極部32a、交流信號的-電壓被施加給對置電極部32b的情況下的振動膜31的振幅狀態(tài)的圖，振動膜31的中央部受到與對置電極部32b之間的靜電力(吸引力)和與對置電極部32a之間的靜電力(排斥力)的作用而被吸引到對置電極部32b的方向。
圖10(c)是示出在交流信號的-電壓被施加給對置電極部32a、交流信號的+電壓被施加給對置電極部32b的情況下的振動膜31的振幅狀態(tài)的圖，振動膜31的中央部受到與對置電極部32a之間的靜電力(吸引力)和與對置電極部32b之間的靜電力(排斥力)的作用而被吸引到對置電極部32a的方向。這樣，振動膜31根據(jù)交流信號來振動，發(fā)生聲波，從振動膜31所發(fā)生的聲波朝對置電極部32a和對置電極部32b的兩面方向發(fā)射。
圖11是示出現(xiàn)有現(xiàn)有的推挽方式的靜電型超聲波換能器的使用例的圖，在使用在兩面方向輸出聲波的結(jié)構(gòu)的推挽型的靜電型超聲波換能器(以下簡稱為“超聲波換能器”)的情況下，如圖11(a)所示，使從固定電極32的兩面所輸出的聲波照原樣發(fā)射(泄漏)，或者如圖11(b)所示，使從一個對置電極部32b側(cè)所輸出的聲波用吸收體70衰減等，沒有形成為最大限度使用從超聲波換能器所輸出的全部聲波的結(jié)構(gòu)。
專利第2786531號公報針對上述沒有形成為最大限度使用從推挽方式的靜電型超聲波換能器所輸出的全部聲波的結(jié)構(gòu)的問題，提出了在推挽方式的靜電型超聲波換能器的背面設置聲波反射板、使發(fā)射到背面的聲波反射以發(fā)射到前方的方法。
圖12是示出具有現(xiàn)有的聲波反射板的推挽方式的靜電型超聲波換能器的構(gòu)成例的圖，是在超聲波換能器30的背面設置聲波反射板42的例子。然而，在該構(gòu)成中，在設超聲波換能器的外徑為R2的情況下，這里所要求的聲波反射板的外徑(R1)要求是超聲波換能器的外徑R2的2倍或大于2倍，面積方面則要求大于等于4倍。這里，在設R1＝2·R2的情況下，超聲波換能器的聲波發(fā)射面的面積是“(1/4)·π·(R1)^2”，聲波反射板的面積是“π·(R2)^2”。
這樣，超聲波揚聲器的外由聲波反射板的外徑?jīng)Q定，相對于其大小發(fā)生超聲波的區(qū)域由于面積是1/4，非常窄，因而面積效率差。并且，這樣大小的設置空間也成為難以組裝到影像或電視設備等內(nèi)的主要原因。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為了解決該問題而提出的，本發(fā)明的第1目的是提供在推挽方式的靜電型超聲波換能器中，可使從其背面所發(fā)射的聲波被反射板發(fā)射到前方，同時與使用現(xiàn)有的聲波反射板的情況相比較，可相對于超聲波揚聲器的設置面積大幅度提高聲壓的超聲波換能器、超聲波揚聲器、聲學系統(tǒng)以及超聲波換能器的控制方法。
并且，作為第2目的，涉及使用方形固定電極的推挽方式的靜電型超聲波換能器，提供一種可使從超聲波換能器的背面所發(fā)射的聲波發(fā)射到超聲波換能器的正面、并且可形成使2個超聲波換能器和聲波反射板一體化的小型結(jié)構(gòu)、并且實現(xiàn)在寬范圍內(nèi)平坦的聲壓分布的超聲波換能器、超聲波揚聲器以及聲學系統(tǒng)。
本發(fā)明是為了解決上述課題而提出的，本發(fā)明的超聲波換能器是推挽方式的靜電型超聲波換能器，其特征在于，在圓形固定電極的中央部設置貫通孔，并且在上述超聲波換能器的背面設置聲波反射板；構(gòu)成為使從上述超聲波換能器的背面所發(fā)射的超聲波被上述聲波反射板反射，通過上述貫通孔發(fā)射到超聲波換能器的正面。
根據(jù)這種構(gòu)成，使從超聲波換能器的背面所發(fā)射的聲波由聲波反射板集中于超聲波換能器的中央部，從設置在超聲波換能器的中央部的貫通孔朝正面發(fā)射。
由此，可使從靜電型超聲波換能器的背面所發(fā)射的聲波被聲波反射板朝前方發(fā)射，同時與使用現(xiàn)有的聲波反射板的情況相比較，可提高發(fā)生超聲波的區(qū)域的面積效率(可提高對超聲波揚聲器的設置面積的聲壓比)。
并且，本發(fā)明的超聲波換能器的特征在于，上述貫通孔的外徑是固定電極的外徑的1/2或大于1/2的長度。
根據(jù)這種構(gòu)成，在固定電極做成圓形的情況下，在固定電極的中央部設置大于等于外徑的1/2的貫通孔，使從超聲波換能器的背面所發(fā)射的聲波被聲波反射板反射，通過該貫通孔發(fā)射到正面。
由此，可使從超聲波換能器的背面所發(fā)射的全部(或大半)聲波發(fā)射到超聲波換能器的正面。因此，可提高超聲波換能器的輸出聲壓。
并且，本發(fā)明的超聲波換能器的特征在于，具有移動機構(gòu)，使上述聲波反射板的位置沿著上述超聲波換能器的聲波發(fā)射方向前后移動；以及移動機構(gòu)控制單元，根據(jù)驅(qū)動上述超聲波換能器的超聲波載波信號的頻率，對上述移動機構(gòu)進行驅(qū)動控制，以便調(diào)整從上述超聲波換能器背面起的上述聲波反射板的移動量。
根據(jù)這種構(gòu)成，使用移動機構(gòu)控制單元調(diào)整超聲波換能器和聲波反射板的位置，消除從超聲波換能器朝正面直接發(fā)射的超聲波(超聲波載波信號)和從超聲波換能器的背面所發(fā)射且被聲波反射板所反射而發(fā)射到正面的超聲波(超聲波載波信號)的相位差。
由此，可抑制從超聲波換能器朝前方所發(fā)射的超聲波和由于聲波反射板的作用而朝前方所發(fā)射的超聲波的由反相位的波重疊引起的相互抵消的發(fā)生，從而可抑制超聲波換能器的輸出聲壓下降。
并且，本發(fā)明的超聲波換能器的特征在于，上述移動機構(gòu)控制單元通過上述移動機構(gòu)調(diào)整上述聲波反射板的移動量，使得從上述超聲波換能器的正面直接發(fā)射的超聲波與從上述超聲波換能器背面所發(fā)射且被上述聲波反射板所反射的超聲波的載波路徑長度之差，在把上述超聲波載波信號的波長設定為λ時，為n·λ+λ/2(n是整數(shù))。
根據(jù)這種構(gòu)成，使用移動機構(gòu)控制單元調(diào)整成，使從超聲波換能器朝正面直接發(fā)射的超聲波和從超聲波換能器的背面所發(fā)射且被聲波反射板所反射而發(fā)射到正面的超聲波的相位差為“n·λ+λ/2(n是整數(shù))”。
由此，可抑制從超聲波換能器發(fā)射到前方的超聲波和由于聲波反射板的作用而發(fā)射到前方的超聲波的由反相位的波重疊引起的相互抵消的發(fā)生，從而可抑制超聲波換能器的輸出聲壓下降。
并且，本發(fā)明的超聲波換能器的特征在于，上述聲波反射板配置在上述超聲波換能器的背面，并具有第1反射面，使從超聲波換能器的背面所發(fā)射的聲波朝與超聲波換能器的聲波發(fā)射面平行的方向且超聲波換能器的中心方向反射；以及第2反射面，使從上述第1反射面所發(fā)射的聲波朝超聲波換能器的聲波發(fā)射面的方向反射。
根據(jù)這種構(gòu)成，使從超聲波換能器的背面所發(fā)射的超聲波被第1反射面垂直反射，朝向與聲波發(fā)射面平行的方向。然后，被另一第2反射面垂直反射，朝向超聲波換能器的聲波發(fā)射面的方向。
由此，根據(jù)使用2個反射面的簡單結(jié)構(gòu)，可使從超聲波換能器的背面所發(fā)射的超聲波朝向超聲波換能器的正面方向。
并且，本發(fā)明的超聲波換能器的特征在于，上述聲波反射板的底面部的直徑等于或大于上述超聲波換能器的直徑，采用將其高度是底面直徑的大致1/2的空心圓錐體的頂沿著中心軸壓下到中央底面附近的中折形狀、而且底面部開放的形狀構(gòu)成；上述聲波反射板的開放的底面部配置成與上述超聲波換能器的背面對置；把上述聲波反射板的未中折部分的內(nèi)表面作為第1反射面，把中折部分的內(nèi)表面作為第2反射面來構(gòu)成。
根據(jù)這種構(gòu)成，將聲波反射板做成底面開放的空心圓錐體的頂沿著中心軸壓下到中央底面附近的中折形狀。
由此，聲波反射板做成簡單形狀，而且可容易制作。
并且，本發(fā)明的超聲波揚聲器的特征在于，具有上述任何一項所述的推挽方式的靜電型超聲波換能器。
根據(jù)這種構(gòu)成，采用使用了具有貫通孔的圓形固定電極的超聲波換能器和聲波反射板構(gòu)成超聲波揚聲器。
由此，在超聲波揚聲器中，可使從推挽方式的靜電型超聲波換能器的背面所發(fā)射的聲波被反射板朝前方發(fā)射。并且，與使用現(xiàn)有的聲波反射板的情況相比較，可構(gòu)成提高發(fā)生超聲波的區(qū)域的面積效率(提高相對于超聲波揚聲器的設置面積的輸出聲壓比)的超聲波揚聲器。
并且，本發(fā)明的聲學系統(tǒng)的特征在于，具有由使用具有貫通孔的圓形固定電極的超聲波換能器和聲波反射板構(gòu)成的超聲波揚聲器。
根據(jù)這種構(gòu)成，把由使用具有貫通孔的圓形固定電極的超聲波換能器和聲波反射板構(gòu)成的超聲波揚聲器用于聲學系統(tǒng)。
由此，與現(xiàn)有情況相比較，可把提高相對于設置面積的輸出聲壓比的超聲波揚聲器組裝到聲學系統(tǒng)內(nèi)，作為組裝到投影儀等的影像設備和小型電子設備等內(nèi)的聲源裝置是有效的。
并且，本發(fā)明的超聲波換能器是推挽方式的靜電型超聲波換能器，其特征在于，具有方形固定電極的2個超聲波換能器隔開規(guī)定間隔平行配置成使其聲波發(fā)射面在同一面上；在上述2個超聲波換能器的背面設置有聲波反射板；構(gòu)成為使從上述各超聲波換能器的背面所發(fā)射的聲波被上述聲波反射板反射，通過上述2個超聲波換能器間的空置空間發(fā)射到正面。
根據(jù)這種構(gòu)成，將具有方形固定電極的2個超聲波換能器在它們之間設置聲波通過用的空置空間來配置，并且在2個超聲波換能器和它們的空置空間的背面配置聲波反射板。而且，使從各超聲波換能器的背面所發(fā)射的聲波被聲波反射板反射，通過2個超聲波換能器之間的空置空間朝超聲波換能器的正面方向發(fā)射。
由此，對于使用方形固定電極的超聲波換能器，也可使從超聲波換能器的背面所發(fā)射的聲波朝超聲波換能器的正面發(fā)射，從而可有效利用從超聲波換能器的背面所發(fā)射的聲波。并且，可使2個超聲波換能器與聲波反射板一體化，從而可形成小型結(jié)構(gòu)。并且，例如在把該超聲波換能器安裝在電視系統(tǒng)等中的情況下，可從正面的比較寬的區(qū)域發(fā)射聲波，從而可提供在寬范圍內(nèi)實現(xiàn)平坦的聲壓分布的超聲波揚聲器。
并且，本發(fā)明的超聲波換能器的特征在于，上述聲波反射板形成為，使平板與一邊平行以大致90度的角度呈三角波狀折彎而具有同等形狀的第1至第4的4個斜平面，并構(gòu)成為通過上述4個斜平面內(nèi)的第1斜平面，使從一個超聲波換能器的背面所發(fā)射的聲波朝與超聲波換能器的聲波發(fā)射面平行的方向且2個超聲波換能器的空置空間的方向反射；通過上述4個斜平面內(nèi)的第2斜平面，使從上述第1反射面所發(fā)射的聲波朝超聲波換能器的聲波發(fā)射面的方向反射；通過上述4個斜平面內(nèi)的第4斜平面，使從另一個超聲波換能器的背面所發(fā)射的聲波朝與超聲波換能器的聲波發(fā)射面平行的方向且2個超聲波換能器的空置空間的方向反射；通過上述4個斜平面內(nèi)的第3斜平面，使從上述第4反射面所發(fā)射的聲波朝超聲波換能器的聲波發(fā)射面的方向反射。
根據(jù)這種構(gòu)成，使聲波反射板以90度的角度呈三角波狀折彎來設置4個斜平面，利用第1和第2斜面使從一個超聲波換能器的背面所發(fā)射的聲波反射，朝超聲波換能器的正面方向發(fā)射。并且，利用第3和第4斜面使從另一個超聲波換能器的背面所發(fā)射的聲波反射，朝超聲波換能器的正面方向發(fā)射。
由此，聲波反射板可形成簡單的結(jié)構(gòu)，容易制作。
并且，本發(fā)明的超聲波換能器的特征在于，具有移動機構(gòu)，使上述聲波反射板的位置沿著上述超聲波換能器的聲波發(fā)射方向前后移動；以及移動機構(gòu)控制單元，根據(jù)驅(qū)動上述超聲波換能器的超聲波載波信號的頻率對上述移動機構(gòu)進行驅(qū)動控制，以便調(diào)整從上述超聲波換能器背面起的上述聲波反射板的移動量。
根據(jù)這種構(gòu)成，使用移動機構(gòu)控制單元調(diào)整超聲波換能器和聲波反射板的位置，消除從超聲波換能器朝正面直接發(fā)射的超聲波(超聲波載波信號)和從超聲波換能器的背面所發(fā)射且被聲波反射板所反射而發(fā)射到正面的超聲波(超聲波載波信號)的相位差。
由此，可抑制從超聲波換能器發(fā)射到前方的超聲波和由于聲波反射板的作用而發(fā)射到前方的超聲波的由反相位的波重疊引起的相互抵消的發(fā)生，從而可抑制超聲波換能器的輸出聲壓下降。
并且，本發(fā)明的超聲波揚聲器的特征在于，由上述任何一項所述的具有方形固定電極的推挽方式的靜電型超聲波換能器構(gòu)成。
根據(jù)這種構(gòu)成，使用具有方形固定電極的2個超聲波換能器(空出聲波通過用的空間來配置)和聲波反射板構(gòu)成超聲波揚聲器。
由此，可構(gòu)成使2個超聲波換能器與聲波反射板一體化的小型結(jié)構(gòu)的超聲波揚聲器。并且，例如當把該超聲波揚聲器安裝在電視系統(tǒng)等內(nèi)時，可從正面的比較寬的區(qū)域發(fā)射聲波，從而可提供在寬范圍內(nèi)實現(xiàn)平坦的聲壓分布的超聲波揚聲器。
并且，本發(fā)明的聲學系統(tǒng)的特征在于，具有使用具有上述方形固定電極的超聲波換能器的超聲波揚聲器。
根據(jù)這種構(gòu)成，把由具有方形固定電極的2個超聲波換能器(空出聲波通過用的空間來配置)和聲波反射板構(gòu)成的超聲波揚聲器組裝到聲學系統(tǒng)內(nèi)。
由此，可把使2個超聲波換能器與聲波反射板一體化的小型結(jié)構(gòu)的超聲波揚聲器作為聲學系統(tǒng)組裝進去。并且，例如在電視系統(tǒng)等中，可從正面比較寬的區(qū)域發(fā)射聲波，從而可提供安裝有實現(xiàn)在寬范圍內(nèi)平坦的聲壓分布的超聲波揚聲器的聲學系統(tǒng)。
并且，本發(fā)明的超聲波換能器的控制方法是推挽方式的靜電型超聲波換能器的控制方法，其特征在于，包含在圓形固定電極的中央部設置貫通孔的步驟；在上述超聲波換能器的背面設置聲波反射板的步驟；使從上述超聲波換能器的背面所發(fā)射的超聲波被上述聲波反射板反射，通過上述貫通孔發(fā)射到超聲波換能器的正面的步驟；設置移動機構(gòu)使上述聲波反射板的位置沿著上述超聲波換能器的聲波發(fā)射方向前后移動的步驟；以及根據(jù)驅(qū)動上述超聲波換能器的超聲波載波信號的頻率，對上述移動機構(gòu)進行驅(qū)動控制，以便調(diào)整從上述超聲波換能器背面起的上述聲波反射板的移動量的移動機構(gòu)控制步驟。
根據(jù)這種步驟，使從超聲波換能器的背面所發(fā)射的聲波被聲波反射板集中于超聲波換能器的中央部，從設置在超聲波換能器的中央部的貫通孔朝正面發(fā)射。并且，按照移動機構(gòu)控制步驟調(diào)整超聲波換能器和聲波反射板的位置，消除從超聲波換能器朝正面直接發(fā)射的超聲波(超聲波載波信號)和從超聲波換能器的背面所發(fā)射且被聲波反射板所反射而發(fā)射到正面的超聲波(超聲波載波信號)的相位差。
由此，可使從靜電型超聲波換能器的背面所發(fā)射的聲波被反射板朝前方發(fā)射，同時與使用現(xiàn)有的聲波反射板的情況相比較，可提高發(fā)生超聲波的區(qū)域的面積效率(可提高相對于超聲波揚聲器的設置面積的聲壓比)。并且，可抑制從超聲波換能器發(fā)射到前方的聲波和由于聲波反射板的作用而發(fā)射到前方的聲波的由反相位的波重疊引起的相互抵消的發(fā)生，從而可抑制超聲波換能器的輸出聲壓下降。
并且，本發(fā)明的超聲波換能器的控制方法的特征在于，上述移動機構(gòu)控制步驟通過上述移動機構(gòu)調(diào)整上述聲波反射板的移動量，使得從上述超聲波換能器的正面直接發(fā)射的超聲波與從上述超聲波換能器背面所發(fā)射且被上述聲波反射板所反射的超聲波的載波路徑長度之差，在把上述超聲波載波信號的波長設定為λ時，為n·λ+λ/2(n是整數(shù))。
根據(jù)這種步驟，按照移動機構(gòu)控制步驟調(diào)整成，使從超聲波換能器朝正面直接發(fā)射的超聲波(超聲波載波信號)與從超聲波換能器的背面所反射且被聲波反射板所反射而發(fā)射到正面的超聲波(超聲波載波信號)的相位差為“n·λ+λ/2(n是整數(shù))”。
由此，可抑制從超聲波換能器發(fā)射到前方的聲波和由于聲波反射板的作用而發(fā)射到前方的聲波的由反相位的波重疊引起的相互抵消的發(fā)生，從而可抑制超聲波換能器的輸出聲壓下降。


圖1是示出本發(fā)明的超聲波揚聲器的第1構(gòu)成例的圖。
圖2是示出超聲波換能器的固定電極的構(gòu)成例的圖。
圖3是示出超聲波換能器及其反射板的構(gòu)成例的詳情的圖。
圖4是示出具有聲波反射板的移動機構(gòu)的超聲波揚聲器的例子的圖。
圖5是示出移動機構(gòu)的控制電路的例子的圖。
圖6是示出方形固定電極的例子的圖。
圖7是示出具有圓形貫通孔部的固定電極的例子的圖。
圖8是使用方形固定電極的超聲波換能器的應用例圖。
圖9是示出圖8所示的超聲波換能器的控制電路的例子的圖。
圖10是推挽式的靜電型超聲波換能器的驅(qū)動概念的說明圖。
圖11是示出現(xiàn)有的推挽方式的超聲波換能器的使用例的圖。
圖12是示出聲波反射板和推挽型換能器的構(gòu)成例的圖。
具體實施例方式作為實施本發(fā)明的最佳實施方式，對第1實施方式和第2實施方式進行說明。
作為第1實施方式，示出在構(gòu)成推挽方式的靜電型超聲波換能器(簡稱為“超聲波換能器”)的圓形固定電極的中央設置貫通孔的例子(參照圖1)。
該貫通孔的外徑被設定為構(gòu)成超聲波換能器的固定電極的外徑的1/2或大于1/2。并且，在設置貫通孔的超聲波換能器的背面具有聲波反射板。該聲波反射板構(gòu)成為，使從超聲波換能器的背面所發(fā)射的聲波集中于超聲波換能器的中央部，通過上述貫通孔發(fā)射到超聲波換能器的正面。
而且，在聲波反射板上具有移動機構(gòu)(滑動機構(gòu))，可針對載波頻率使聲波反射板的位置相對于超聲波換能器在前后方向移動。
并且，作為本發(fā)明的第2實施方式，示出使具有方形固定電極的2個超聲波換能器空出間隔(設置空置空間)，平行排列成使各個聲波發(fā)射面在同一面上的構(gòu)成例(參照圖8)。
而且，在2個超聲波換能器的背面具有聲波反射板。該聲波反射板構(gòu)成為，使從各超聲波換能器的背面所發(fā)射的聲波集中于2個超聲波換能器間的中央部，通過2個超聲波換能器之間的空置空間發(fā)射到正面(參照圖8)。
圖1是示出本發(fā)明的超聲波揚聲器的第1構(gòu)成例的圖。
在圖1中，在調(diào)制部13，把在聲頻頻段信號振蕩源11所生成的聲頻頻段信號作為輸入信號，對在載波信號源所生成的載波信號(超聲波載波信號)用聲頻頻段信號進行調(diào)制等的信號處理。用前置放大器14進行調(diào)制信號的前級放大，用功率放大器15使調(diào)制信號進一步放大。用超聲波換能器30，把由功率放大器15所放大的調(diào)制信號轉(zhuǎn)換成聲波(超聲波)，發(fā)射到空氣中。所發(fā)射的超聲波在空氣傳播中發(fā)生參量效應，聲頻聲波可被自解調(diào)，作為可聽聲收聽。
這里，超聲波換能器30形成以下推挽結(jié)構(gòu)，即導電材料被絕緣體夾持的夾層結(jié)構(gòu)的振動膜31被2個固定電極32(對置電極部32a和對置電極部32b)夾持。
從恒壓電源16把偏置電壓施加給振動膜，通過對2個固定電極32(對置電極部32a和對置電極部32b)施加交流電，以便交替切換極性，使吸引作用和排斥作用同時作用于振動膜31，使振動膜31振動。
由振動膜31的振動所發(fā)生的聲波，如圖中2種箭頭虛線a、b所示，存在2種，即直接發(fā)射到前方的聲波a和發(fā)射到背面的聲波b，然而對于發(fā)射到背面的聲波b，在超聲波換能器30的背面設置聲波反射板40，發(fā)射方向由該聲波反射板40改變，結(jié)果可發(fā)射到前方。
使用這種構(gòu)成的超聲波換能器30和聲波反射板40構(gòu)成本發(fā)明的超聲波揚聲器20，可有效利用從超聲波換能器30的背面所發(fā)射的聲波。
圖2是示出超聲波換能器的固定電極的構(gòu)成例的圖。如圖2所示，在第1實施方式的超聲波換能器中，在外徑R1的固定電極32內(nèi)設置有外徑R2的貫通孔33，結(jié)果形成環(huán)形。這里，貫通孔33的外徑R2被設定為固定電極的外徑R1的1/2或大于1/2，在設R1＝2×R2的情況下，聲波發(fā)射面的面積是“(3/4)×π×(R1)^2”。
圖3是示出第1實施方式中的超聲波換能器及其反射板的構(gòu)成例的詳情的圖。
在圖3中，固定電極32由對置電極部32a、32b和貫通孔部34構(gòu)成，對置電極部32a、32b和貫通孔部34按照同一或大致同一的形狀和位置來設置。振動膜31使用被這些對置電極部32a、32b夾持的結(jié)構(gòu)來保持，由振動膜31的振動所發(fā)生的聲波通過貫通孔部34發(fā)射到空氣中。
在超聲波換能器30的背面設置有與固定電極32的聲波發(fā)射面成期望角度θ(期望值是45度)、使圓錐正好在中間位置處折疊的形狀(使圓錐的頂沿著中心軸壓下形成中折的形狀)的聲波反射板40(圖中由二維剖面表示)。
聲波的行進方向在該聲波反射板40的外周側(cè)a，首先變?yōu)榕c聲波發(fā)射面40平行的方向，之后再次在聲波反射板的內(nèi)周側(cè)b反射，變?yōu)榍胺椒较颉?br> 這里，由于聲波反射板40的大小是與超聲波換能器30同等的外徑，因而聲波反射板的面積是π(R1)^2。也就是說，即使聲波反射板40的面積與現(xiàn)有的相同，也能使超聲波換能器的聲波發(fā)射面的面積為現(xiàn)有的3倍，因而可大幅度改善面積效率。
另一方面，為了獲得與現(xiàn)有同等的聲壓，面積可以是1/3，即，可使外徑縮小為 因而對于小型化也可以說是非常有效的結(jié)構(gòu)。
在采用這種結(jié)構(gòu)發(fā)射聲波的情況下，由于從超聲波換能器30的正面和背面所發(fā)射的聲波相互為反相位，因而在從正面直接發(fā)射到前方的聲波與從背面所發(fā)射且由于聲波反射板的作用而發(fā)射到前方的聲波的邊界附近的一部分發(fā)生由反相位的波重疊引起的相互抵消，具有聲壓下降的可能性。
在此情況下，聲壓下降的區(qū)域和其周圍沒有受影響的區(qū)域的聲壓分布差變得顯著，然而為了在所有區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)平坦的聲壓分布，可以采取圖4所示的措施。
圖4是示出具有聲波反射板的移動機構(gòu)的超聲波揚聲器的例子的圖。在圖4所示的例子中，在聲波反射板40的背面具有可使聲波反射板40相對于超聲波換能器30在聲波發(fā)射面的前后方向移動的移動機構(gòu)(滑動機構(gòu))50。而且，針對載波信號頻率(超聲波載波信號頻率)，對距離(移動量)D3進行移動調(diào)整。由此，可以使從超聲波換能器直接發(fā)射到前方的聲波和從背面所發(fā)射且由于聲波反射板40的作用而發(fā)射到前方的聲波的載波長度偏移載波頻率的半波長量。作為這里使用的移動機構(gòu)50，期望的是進行線性驅(qū)動的電磁致動器或電動式縮放儀機構(gòu)等。
這里，在移動距離D3＝0的情況下，在從超聲波換能器的正面所發(fā)射的聲波與從背面所發(fā)射且被聲波反射板發(fā)射到前方的聲波的載波長度方面，發(fā)生已由圖中點劃線所示的AB間距離量之差。另外，A和B的位置與振動膜的位置一致。
在設固定電極的外徑為R1，貫通孔的外徑為R2，聲波反射板與超聲波換能器的聲波發(fā)射面(＝固定電極表面)形成的角度為45度，從固定電極的外周到聲波發(fā)射位置的距離為D1，以及超聲波換能器的聲波發(fā)射面與振動膜的間隙為D3的情況下，AB間距離為“R1-R2+2·D2”，與聲波發(fā)射位置(D1)無關(guān)(假定貫通孔的外周與聲波反射板的內(nèi)徑位置一致)。
因此，在使聲波反射板移動的情況下，該移動量D3被附加給該聲波反射板，結(jié)果AB間距離為“R1-R2+2·D2+2·D3”。把該AB間距離和載波頻率的波長λ進行比較，當把移動量D3調(diào)整成使AB間距離對波長λ為“n·λ+λ/2(n是整數(shù))”時，可使從超聲波換能器的正面和背面所發(fā)射的聲波吻合為同相位。
圖5示出移動機構(gòu)的控制電路的例子。由于載波頻率在調(diào)制處理階段被決定，因而其信息信號從調(diào)制部13被發(fā)送到移動機構(gòu)控制部17，在移動機構(gòu)控制部17根據(jù)信號算出與頻率對應的半波長量。在移動機構(gòu)控制部17預先設定在不使移動機構(gòu)50移動的狀態(tài)下(D3＝0)的背面反射聲波的載波長度(＝AB間距離)，根據(jù)按照載波頻率的信息信號所算出的移動量使移動機構(gòu)50驅(qū)動。另外，在預先決定了所使用的載波頻率的情況下，把針對各載波頻率的移動量預先作為數(shù)據(jù)保存，以便可以隨時參照該數(shù)據(jù)。
根據(jù)這種構(gòu)成，由于可使從正面和背面所發(fā)射的聲波吻合為同相位，因而沒有由邊界附近的反相位引起的聲波的相互抵消，可構(gòu)成更可靠地保持高聲壓的超聲波揚聲器。
使用以上說明的超聲波換能器的超聲波揚聲器作為組裝到投影儀等的影像設備和小型電子設備等內(nèi)的聲源裝置(聲學系統(tǒng))是有效的。
下面，對本發(fā)明的超聲波揚聲器的第2實施方式進行說明。
如圖1所示，構(gòu)成在第1構(gòu)成例中使用的超聲波換能器的固定電極是環(huán)形，即圓形，然而在推挽方式的靜電型超聲波換能器中使用反射板的結(jié)構(gòu)中，也能使用其他形狀的固定電極。
圖6是示出方形固定電極的例子的圖，形成方形的固定電極32也是有效的。在圖6中，在固定電極32內(nèi)所形成的對置電極部32a、32b采用具有直線狀的溝槽的結(jié)構(gòu)。
并且，圖7是示出具有圓形貫通孔部的固定電極的例子的圖，如圖7(a)和圖7(b)所示，貫通孔部34可以是圓形。圖7(a)是圓形貫通孔部34在縱橫方向按恒定間隔有規(guī)則排列的例子，圖7(b)是使貫通孔部34對各列錯開配置的例子。
并且，圖8是示出使用方形固定電極的超聲波換能器的應用事例的圖。作為由使用圖6和圖7所示的方形固定電極32的超聲波換能器和本發(fā)明中的實施方式的聲波反射板構(gòu)成的超聲波揚聲器的應用事例，列舉有圖8(a)所示的電視系統(tǒng)。
在圖8(a)所示的電視系統(tǒng)61內(nèi)裝載有2臺超聲波換能器30a、30b。而且，在超聲波換能器30a、30b的背面配置以使平板呈Z字狀(三角波狀)排列的形狀進行了一體化的聲波反射板41。所期望的是，超聲波換能器30a、30b的聲波發(fā)射面與聲波反射板41形成的角度如第1構(gòu)成例所示為45度。從超聲波換能器30a、30b的背面所發(fā)射的聲波，發(fā)射方向由聲波反射板41改變而集中于聲波反射板的中央部，結(jié)果從2個換能器30a、30b的中間區(qū)域朝前方發(fā)射。
通過采用這種構(gòu)成，可從電視系統(tǒng)61的正面的比較寬的區(qū)域發(fā)射聲波，從而可提供實現(xiàn)在寬范圍內(nèi)平坦的聲壓分布的超聲波揚聲器。
并且，圖9是示出圖8所示的超聲波換能器的控制電路的例子的圖。在圖9所示的例子中對聲波反射板41具有移動機構(gòu)50a。另外，構(gòu)成控制電路的各功能部分11～17與圖5所示相同，故省略其說明。
根據(jù)圖9所示的構(gòu)成，可防止從超聲波換能器30a、30b的正面所發(fā)射的聲波與從背面所發(fā)射且被聲波反射板41發(fā)射到前方的聲波的因相位不同所發(fā)生的邊界附近的聲壓下降。而且，由于對2個超聲波換能器30a、30b具有一個移動機構(gòu)50a即可，因而能以低成本構(gòu)成可進行相位調(diào)節(jié)的超聲波揚聲器。
另外，在圖中，超聲波換能器30a、30b水平配置，然而可以在電視系統(tǒng)的兩側(cè)垂直配置(左右各配置1臺)，供立體聲重播使用。
以上，對本發(fā)明的實施方式作了說明，然而本發(fā)明的超聲波換能器和超聲波揚聲器并不僅限于上述圖示例，當然可在不背離本發(fā)明要旨的范圍內(nèi)進行各種變更。
權(quán)利要求
1.一種超聲波換能器，是推挽方式的靜電型超聲波換能器，其特征在于，在圓形固定電極的中央部設置貫通孔，并且在上述超聲波換能器的背面設置聲波反射板；構(gòu)成為使從上述超聲波換能器的背面所發(fā)射的超聲波被上述聲波反射板反射，通過上述貫通孔發(fā)射到超聲波換能器的正面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波換能器，其特征在于，上述貫通孔的外徑是固定電極的外徑的1/2或大于1/2的長度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的超聲波換能器，其特征在于，具有移動機構(gòu)，使上述聲波反射板的位置沿著上述超聲波換能器的聲波發(fā)射方向前后移動；以及移動機構(gòu)控制單元，根據(jù)驅(qū)動上述超聲波換能器的超聲波載波信號的頻率，對上述移動機構(gòu)進行驅(qū)動控制，以便調(diào)整從上述超聲波換能器背面起的上述聲波反射板的移動量。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中的任何一項所述的超聲波換能器，其特征在于，上述移動機構(gòu)控制單元通過上述移動機構(gòu)調(diào)整上述聲波反射板的移動量，使得從上述超聲波換能器的正面直接發(fā)射的超聲波與從上述超聲波換能器背面所發(fā)射且被上述聲波反射板所反射的超聲波的載波路徑長度之差，在把上述超聲波載波信號的波長設定為λ時，為n·λ+λ/2(n是整數(shù))。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中的任何一項所述的超聲波換能器，其特征在于，上述聲波反射板配置在上述超聲波換能器的背面，并具有第1反射面，使從超聲波換能器的背面所發(fā)射的聲波朝與超聲波換能器的聲波發(fā)射面平行的方向且超聲波換能器的中心方向反射；以及第2反射面，使從上述第1反射面所發(fā)射的聲波朝超聲波換能器的聲波發(fā)射面的方向反射。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的超聲波換能器，其特征在于，上述聲波反射板的底面部的直徑等于或大于上述超聲波換能器的直徑，采用將其高度是底面直徑的大致1/2的空心圓錐體的頂沿著中心軸壓下到中央底面附近的中折形狀、而且底面部開放的形狀構(gòu)成；上述聲波反射板的開放的底面部配置成與上述超聲波換能器的背面對置；把上述聲波反射板的未中折部分的內(nèi)表面作為第1反射面，把中折部分的內(nèi)表面作為第2反射面來構(gòu)成。
7.一種超聲波揚聲器，其特征在于，具有權(quán)利要求1至6中的任何一項所述的推挽方式的靜電型超聲波換能器。
8.一種聲學系統(tǒng)，其特征在于，具有權(quán)利要求7所述的超聲波揚聲器。
9.一種靜電型超聲波換能器，是推挽方式的靜電型超聲波換能器，其特征在于，具有方形固定電極的2個超聲波換能器隔開規(guī)定間隔平行配置成使其聲波發(fā)射面在同一面上；在上述2個超聲波換能器的背面設置有聲波反射板；構(gòu)成為使從上述各超聲波換能器的背面所發(fā)射的聲波被上述聲波反射板反射，通過上述2個超聲波換能器間的空置空間發(fā)射到正面。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的超聲波換能器，其特征在于，上述聲波反射板形成為，使平板與一邊平行以大致90度的角度呈三角波狀折彎而具有同等形狀的第1至第4的4個斜平面，并構(gòu)成為通過上述4個斜平面內(nèi)的第1斜平面，使從一個超聲波換能器的背面所發(fā)射的聲波朝與超聲波換能器的聲波發(fā)射面平行的方向且2個超聲波換能器的空置空間的方向反射；通過上述4個斜平面內(nèi)的第2斜平面，使從上述第1反射面所發(fā)射的聲波朝超聲波換能器的聲波發(fā)射面的方向反射；通過上述4個斜平面內(nèi)的第4斜平面，使從另一個超聲波換能器的背面所發(fā)射的聲波朝與超聲波換能器的聲波發(fā)射面平行的方向且2個超聲波換能器的空置空間的方向反射；通過上述4個斜平面內(nèi)的第3斜平面，使從上述第4反射面所發(fā)射的聲波朝超聲波換能器的聲波發(fā)射面的方向反射。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或權(quán)利要求10所述的超聲波換能器，其特征在于，具有移動機構(gòu)，使上述聲波反射板的位置沿著上述超聲波換能器的聲波發(fā)射方向前后移動；以及移動機構(gòu)控制單元，根據(jù)驅(qū)動上述超聲波換能器的超聲波載波信號的頻率，對上述移動機構(gòu)進行驅(qū)動控制，以便調(diào)整從上述超聲波換能器背面起的上述聲波反射板的移動量。
12.一種超聲波揚聲器，其特征在于，具有權(quán)利要求9至11中的任何一項所述的推挽方式的靜電型超聲波換能器。
13.一種聲學系統(tǒng)，其特征在于，具有權(quán)利要求12所述的超聲波揚聲器。
14.一種超聲波換能器的控制方法，是推挽方式的靜電型超聲波換能器的控制方法，其特征在于，包含在圓形固定電極的中央部設置貫通孔的步驟；在上述超聲波換能器的背面設置聲波反射板的步驟；使從上述超聲波換能器的背面所發(fā)射的超聲波被上述聲波反射板反射，通過上述貫通孔發(fā)射到超聲波換能器的正面的步驟；設置移動機構(gòu)使上述聲波反射板的位置沿著上述超聲波換能器的聲波發(fā)射方向前后移動的步驟；以及根據(jù)驅(qū)動上述超聲波換能器的超聲波載波信號的頻率，對上述移動機構(gòu)進行驅(qū)動控制，以便調(diào)整從上述超聲波換能器背面起的上述聲波反射板的移動量的移動機構(gòu)控制步驟。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的超聲波換能器的控制方法，其特征在于，上述移動機構(gòu)控制步驟通過上述移動機構(gòu)調(diào)整上述聲波反射板的移動量，使得從上述超聲波換能器的正面直接發(fā)射的超聲波與從上述超聲波換能器背面所發(fā)射且被上述聲波反射板所反射的超聲波的載波路徑長度之差，在把上述超聲波載波信號的波長設定為λ時，為n·λ+λ/2(n是整數(shù))。
全文摘要
本發(fā)明提供一種在推挽方式的靜電型超聲波換能器中，可使從其背面所發(fā)射的聲波被反射板朝前方發(fā)射，同時與使用了現(xiàn)有的聲波反射板的情況相比較，可相對于超聲波揚聲器的設置面積大幅度提高聲壓的超聲波換能器。本發(fā)明的超聲波換能器是推挽方式的靜電型超聲波換能器，其特征在于，在圓形固定電極的中央部設置貫通孔，并且在上述超聲波換能器的背面設置聲波反射板，構(gòu)成為使從上述超聲波換能器的背面所發(fā)射的超聲波被上述聲波反射板反射，通過上述貫通孔發(fā)射到超聲波換能器的正面。
文檔編號B06B1/02GK1750716SQ200510103148
公開日2006年3月22日 申請日期2005年9月16日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月16日
發(fā)明者關(guān)野博一, 松澤欣也 申請人:精工愛普生株式會社