JP6707000B2 - 超音波発生デバイス - Google Patents

Description

本発明は、超音波を発生するためのデバイスに関するものである。

空中超音波フェイズドアレイは、多数の超音波振動子を格子状に並べ、各振動子を駆動制御することにより、空間中に任意の超音波波面を生成するデバイスである。この空中超音波フェイズドアレイは、これまでに、各種計測用やパラメトリックスピーカとして利用されてきているが、近年は、非接触で触覚を惹起する触覚提示デバイスとしての利用も検討されている（下記非特許文献１〜３）。

しかし、現在、触覚提示用として開発されているものは、個別素子をアレイ状に配列したものであり、その厚みや重量の問題から、持ち運びや様々な環境への実装が困難となっている。そのため、空中超音波フェイズドアレイを用いたアプリケーションの発展には、デバイスの薄型化が必要となる。

空中用途の一体型フェイズドアレイとして、MEMS技術を用いた静電駆動型デバイスの研究が行われている（下記非特許文献４）。しかし、空中で利用可能な大面積一体型のデバイスの実用例は存在しない。これまで空中超音波フェイズドアレイの強いニーズが存在しなかったこともあり、実用性の見込まれる一体型フェイズドアレイは実現されていない。

そこで、本発明者らは、MEMS技術を用いずに制作可能な、静電駆動の一体型超音波発生デバイスについて研究したところ、次の知見を得た。すなわち、フェイズドアレイとして駆動するには、各サイト（つまり個別の超音波発生デバイス）の共振周波数が正確に一致している必要がある。しかしながら、フレキシブルな材料を用いた場合において、各サイトの構造定数を完全に一致させることは困難であり、構造的に決定される共振点が、材料の変形や温度の変化によって微妙にずれることがある。

T. Hoshi, M. Takahashi, T. Iwamoto, and H. Shinoda, "Noncontact Tactile Display Based on Radiation Pressure of Airborne Ultrasound," IEEE Trans. Haptics, vol. 3, no. 3, pp. 155-165, Jul. 2010. B. Long, S. A. Seah, T. Carter, and S. Subramanian, "Rendering volumetric haptic shapes in mid-air using ultrasound," ACM Trans. Graph., vol. 33, no. 6, pp. 1-10, 2014. S. Inoue, Y. Makino, and H. Shinoda, "Active touch perception produced by airborne ultrasonic haptic hologram," in IEEE World Haptics Conference, WHC 2015, 2015, pp. 362-367. M. I. Haller and B. T. Khuri-Yakub, "A surface micromachined electrostatic ultrasonic air transducer," IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control, vol. 43, no. 1, pp. 1-6, 1996.

本発明は、前記した状況に基づいてなされたものである。本発明の主な目的は、超音波発生デバイスの振動膜における共振点を必要に応じて調整可能とすることである。

前記した課題を解決する手段は、以下の項目のように記載できる。

（項目１）
振動膜と、基板と、空気層と、信号源と、共振点調整部とを備える超音波発生デバイスであって、
前記振動膜は、前記基板から離間した位置に配置されており、
前記空気層は、前記振動膜と前記基板との間に形成されており、
前記信号源は、前記振動膜と前記基板との間に、前記振動膜の共振周波数に対応する周波数を有する交流電圧を印加する構成となっており、
前記共振点調整部は、前記振動膜の共振周波数を調整する構成となっている
超音波発生デバイス。

（項目２）
前記共振点調整部は、調整膜と、電荷供給部とを備えており、
前記調整膜は、前記振動膜と前記基板との間において、前記空気層を横断するように配置されており、
前記電荷供給部は、前記調整膜に電荷を供給することにより、前記空気層の厚み又は形状を変化させる構成となっている
項目１に記載の超音波発生デバイス。

（項目３）
前記調整膜は、前記振動膜よりも厚い形状とされている
項目２に記載の超音波発生デバイス。

（項目４）
前記調整膜は、前記空気層内の空気を通過させる通気孔を備えている
項目２又は３に記載の超音波発生デバイス。

（項目５）
平面方向に集積された、項目１〜４のいずれか１項に記載の超音波発生デバイスを有する、超音波フェイズドアレイ。

（項目６）
項目１〜４のいずれか１項に記載の超音波発生デバイスを用いた共振点調整方法であって、
前記信号源により、前記振動膜の共振周波数に対応する周波数を有する交流電圧を前記振動膜に印加するステップと、
前記共振点調整部により、前記振動膜の共振周波数を調整するステップと
を備える共振点調整方法。

本発明によれば、超音波発生デバイスにおける振動膜の共振点を、必要に応じて調整することができる。

本発明の一実施形態における超音波発生デバイスの概略的な構成を示すための説明図である。 図１のデバイスにおける要部の拡大断面図である。 図１のデバイスに用いられる電荷供給回路の構成例を示す回路図である。 図１のデバイスを用いてフェイズドアレイを構成した例を示す説明図である。

以下、本発明の一実施形態に係る超音波発生デバイスを、添付の図面を参照しながら説明する。

（本実施形態の構成）
本実施形態の超音波発生デバイス（以下単に「デバイス」と略称することがある）１は、振動膜１０と、基板２０と、空気層３０と、信号源４０と、共振点調整部５０とを備えている（図１参照）。さらに、本実施形態のデバイス１は、支持体６０と、バイアス回路７０とを、追加的な要素として備えている。

（振動膜）
振動膜１０は、基板２０から離間した位置に配置されている（図２参照）。振動膜１０としては、薄ければ薄いほど、空気とのインピーダンス整合が取りやすくなり、共振時のＱ値を下げることができるので好ましいが、薄すぎると、機械的強度が低下して、破損しやすくなる。

本実施形態における振動膜１０は、導電体と誘電体とからなる複合膜とすることが好ましい。具体的には、アラミドフィルムを機械的強度のための主材とし、上から表面保護被膜、導電層（例えば100nm程度の金属膜）、アラミドフィルムの３層構造とすることが好ましい。層の積層順を逆にしてもよいが、金属層の下面側（つまり基板２０に対向する面）には、放電対策のため誘電層を設けることが望ましい。振動膜１０の上面に誘電体層を設けることにより、外からの接触に対する保護を図ることができる。導電層としては、特に制約されないが、例えば金を用いることができる。また、振動膜１０全体の厚さとしては、例えば５〜１０μｍとすることができる。振動膜１０の主材としては、アラミドフィルムに代えて、例えばポリイミドフィルムなど、丈夫で軽い他のフィルムを用いることもできる。振動膜１０の端部は、支持体６０によって支持されており、これにより、振動膜１０への張力が維持されている。

（基板）
基板２０は、本実施形態では、十分な機械的強度を持ちつつ、ある程度の変形が可能な材質が用いられている。本例の基板２０としては、典型的には３層構造とすることが好ましい。例えば、放電しにくい誘電体で金属層をサンドイッチした構造とすることができる。この誘電体の材質としては例えばポリイミドフィルムが典型的であるが、他の材質を利用することもできる。本実施形態の基板２０には、空気層３０内の空気を通過させるが、振動膜１０の振動エネルギを損失させない程度の形状とされた通気孔２１が形成されている。通気孔２１の直径は、振動膜１０の直径より十分小さければよく、例えば直径10μm とすればよい。また、通気孔２１を基板２０に設けることに代えて、支持体６０の第２支持体６２（後述）を貫通して空気層３０の第２空気層３２（後述）と基板２０の下面の空気とを接続する構造としてもよい。

（空気層）
空気層３０は、振動膜１０と基板２０との間に形成されている。後述するように、本実施形態の空気層３０は、共振点調整部５０の調整膜５１により、第1空気層３１と第２空気層３２とに分割されている。

（信号源）
信号源４０は、振動膜１０と基板２０との間に、振動膜１０の共振周波数に対応する周波数を有する交流電圧を印加する構成となっている。具体的には、本実施形態の信号源４０は、交流信号生成回路４１と、ドライバ回路４２と、コンデンサ４３とを備えている。交流信号生成回路４１は、本実施形態では、４０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚ程度の周波数を持つ信号を生成するようになっている。ドライバ回路４２は、交流信号に応じた電圧を、振動膜１０と基板２０との間に印加することにより、振動膜１０を、交流信号に応じた周波数で振動させる構成となっている。コンデンサ４３は、バイアス回路７０からの直流電圧を遮断するものであり、そのため、十分な高耐圧とされている。コンデンサ４３の容量としては例えば１ｎＦ又はそれ以上とされている。なお、信号周波数は、空気中の超音波伝搬減衰が許容できる範囲内にあれば、前記した１００ｋＨｚを超えて高めることができる。コンデンサ４３の容量の下限は、信号成分を遮断しない程度にする必要がある。なお、振動膜１０の大きさを5mm 角程度とし、空気層３１の厚みを 100μm 程度と仮定すると、振動膜と基板との間の静電容量は 2pF 程度となるので、それより十分大きい容量として、コンデンサ４３の容量を例えば10nF とすることができる。

（共振点調整部）
共振点調整部５０は、振動膜１０の共振周波数を調整する構成となっている。具体的には、本実施形態の共振点調整部５０は、調整膜５１と、電荷供給部５２とを備えている。

調整膜５１は、前記したように、振動膜１０と基板２０との間において、空気層３０を横断するように配置されている（図２参照）。調整膜５１の端部は、支持体６０に固定されており、支持体６０によってその張力が維持されている。

調整膜５１は、基板２０（又は振動膜１０）との間の電位差によって変形可能な柔軟な材質とされている。本実施形態の調整膜５１としては、前記した振動膜１０や基板２０と同様に、放電を防ぐため、導電体を絶縁体でサンドイッチした３層構造とすることが好ましい。調整膜５１は、超音波を遮断できる程度に厚いことが好ましい。また、振動膜１０と基板２０との間の印可電圧が高くなりすぎないようにするため、調整膜５１の上面と下面の両方に導電層を追加的に備えた５層構造とすることもできる。なお、この場合、上下の導電層が同電位となるように電気的に接続しておくことが好ましい。具体的には、調整膜５１の材質としては、例えばシリコンゴムシートで金属膜をサンドイッチしたものを用いることができ、その厚さとしては、例えば0.1から1mm程度(すなわち、柔らかく変形でき、かつ超音波は遮断できる厚み)とすることが好ましい。

調整膜５１は、空気層３０内の空気を通過させるが、振動膜１０の振動エネルギを損失させない程度の形状とされた通気孔５１１を備えている（図２参照）。なおこの通気孔５１１の直径は、例えば通気孔２１と同程度に設定してよい。

電荷供給部５２は、調整膜５１に電荷を供給することにより、空気層３０の厚み又は形状を変化させる構成となっている。具体的には、電荷供給部５２は、電荷供給回路５２１と、抵抗５２２とを備えている。電荷供給回路５２１は、抵抗５２２を介して、調整膜５１と基板２０との間に電圧を供給するようになっている。調整膜５１の（より詳しくはその中の導電層の）電位（ここでは基板に対する電位とする）をＶＦとすると、電荷供給回路５２１は、この電位ＶＦを変化させる構成となっている。

電荷供給回路５２１のさらに具体的な構成例を図３に示す。この例では、高電圧電源ＶＢからの電圧供給を、スイッチ制御電圧生成回路５２１１により制御できるようになっており、接点５２１２が調整膜５１（より詳しくはその中の導電層）に接続されている。スイッチ制御電圧生成回路５２１１はスイッチＰ、Ｑをそれぞれ独立に制御できるようになっている。

（支持体）
支持体６０は、基板２０の上面に設置されており、前記したように、振動膜１０と調整膜５１とを支持している。具体的には、支持体６０は、この実施形態では、第１支持体６１と、第２支持体６２とを備えている。第１支持体６１は、振動膜１０と調整膜５１との間に配置されており、第２支持体６２は、調整膜５１と基板２０との間に配置されている。

（バイアス回路）
バイアス回路７０は、電源７１と、抵抗７２とを備えている。電源７１は、振動膜１０と基板２０との間に、抵抗７２を介して直流バイアスを印加するようになっている。本例の電源７１は、おおよそ１ｋＶ以上の直流電圧を振動膜１０に印加できるようになっている。

（本実施形態の動作）
次に、前記した本実施形態の超音波発生デバイスの動作について説明する。

まず、バイアス回路７０により、所定のバイアス電圧を振動膜１０に印加する。これと同時に又は前後して、信号源４０から、所定の周波数を持つ交流信号を振動膜１０に印加する。ここで、信号源４０から加えられる交流信号の周波数は、振動膜１０の張力や厚さにより想定される（あるいは事前の実験により決定された）共振周波数とする。この共振周波数は、主に、振動膜１０の張力及び厚さにより決定されるが、その下側の空気層３１の温度や厚み（つまり空気ばね定数）にも若干影響される。なお、空気ばね定数が、振動膜の張力や厚さよりも、共振周波数の決定に対してより強く関与する場合もある。

ついで、本実施形態では、共振点調整部５０の電荷供給部５２により、調整膜５１の電位を調整し、空気層３０の厚み、より具体的には第１空気層３１の厚みを調整する。すなわち、調整膜５１の電位を調整することにより、基板２０と調整膜５１との間の静電力により、調整膜５１の位置を、図２において上下方向に変位させることができる。これにより、本実施形態では、第１空気層３１の厚みを調整することができる。

より具体的には、本実施形態では、スイッチ制御電圧生成回路５２１１により、図３に示すスイッチＰをオンにし、スイッチＱをオフにすることで、調整膜５１の電位を上昇させることができ、これによって、調整膜５１を下降させ、（つまり空気層３１の空気ばね定数を減少させることで）その共振周波数を減少させることができる。逆に、スイッチＰをオフにし、スイッチＱをオンにすることで、調整膜５１の電位を下降させて、調整膜５１を上昇させ、その共振周波数を増加させることができる。

本実施形態においては、振動膜１０に加わる外力や、基板２０の変形や、空気層３０の状態により、振動膜１０の共振点が微小に変動することがある。すると、所望の周波数を持つ超音波を発生できないことになる。

本実施形態のデバイス１によれば、共振点調整部５０により、振動膜１０の共振点を調整できるので、所望周波数を持つ超音波を発生させることができるという利点がある。これは、フェイズドアレイのような、規定周波数の超音波を発生させる必要のある装置においては特に有用である。

ここで、調整膜５１の位置調整については、振動膜１０の共振状態を確認しつつ行うことが好ましい。例えば、これを自動的に行う手法としては、
・信号源４０から振動膜１０への流入電流と印加電圧との間の位相差が所定の範囲内になったか（十分大きなバイアス電圧が加えられた理想的な共振状態において、位相差＝０となる）
を適宜な制御手段により判別することが考えられる。ただし、振動膜１０の共振状態が確認できれば、他の手法を用いることも可能である。

また、本実施形態では、調整膜５１の変位に伴う空気層３０内の圧力変動を、調整膜５１の通気孔５１１（図２参照）と、基板２０の通気孔２１を介して緩和することができるという利点もある。

また、前記した実施形態に係るデバイス１を平面方向に集積することにより、図４に記載されたような超音波フェイズドアレイ２を構成することができる。本実施形態では、基板２０の上に所定間隔で調整膜５１と振動膜１０とを積層して配置することにより、超音波発生デバイス１を構成できるので、超音波フェイズドアレイ２の製造工程を簡易化することができるという利点もある。例えば、支持体６０を構成する第１支持体６１及び第２支持体６２に所定間隔で多数の貫通孔を形成しておき、基板２０の上に、第２支持体６２、調整膜５１、第１支持体６１、振動膜１０の順で積層することで、超音波フェイズドアレイを製造することができる。

ここで、本実施形態のデバイス１を用いてフェイズドアレイを構成する場合、共振点調整部５０の電荷供給部５２としては、各サイト（つまり各デバイス）に個別に電圧を供給する必要はない。例えば、３×３サイト、あるいは５×５サイトごとに、まとめて一つの電荷供給回路５２１を用いて電圧を供給する構成としてもよい。このようにすると装置構成を一層簡略化することができる。

また、本実施形態における共振点調整方法は、振動膜１０の共振周波数に対応する周波数を有する交流電圧を、信号源４０により振動膜１０に印加するステップと、共振点調整部５０により、振動膜１０の共振周波数を調整するステップとを備える共振点調整方法と記述できる。

また、本実施形態のデバイスによれば、振動膜の共振点を調整できるので、以下のような利点を発揮することもできる：
・振動膜の表面がペイントされたり、模様付フィルムが施されたりすることで振動膜の共振点が多少変動しても、所定周波数の超音波を発生できる。
・振動膜の表面が濡れたり、汚れたりすることによる共振点の変動にも、ある程度は対応できる。
・フェイズドアレイが全体として変形したり、周囲の温度が変化したりしても、正常動作できる。

また、前記したフェイズドアレイを用いて、機器にワイヤレス給電を行うことも可能である（参考：馬 少翔, 吉本 東天, 井上 碩, 長谷川 圭介, 牧野 泰才, 篠田 裕之: 「空中超音波による無線給電とその応用, 第16回計測自動制御学会システムインテグレーション部門講演会論文集, pp. 206-208, December 14-16 2015.）

なお、本発明の内容は、前記実施形態に限定されるものではない。本発明は、特許請求の範囲に記載された範囲内において、具体的な構成に対して種々の変更を加えうるものである。

１ 超音波発生デバイス
２ 超音波フェイズドアレイ
１０ 振動膜
２０ 基板
２１ 通気孔
３０ 空気層
３１ 第１空気層
３２ 第２空気層
４０ 信号源
４１ 交流信号生成回路
４２ ドライバ回路
４３ コンデンサ
５０ 共振点調整部
５１ 調整膜
５１１ 通気孔
５２ 電荷供給部
５２１ 電荷供給回路
５２１１ スイッチ制御電圧生成回路
５２１２ 接点
５２２ 抵抗
６０ 支持体
６１ 第１支持体
６２ 第２支持体
７０ バイアス回路
７１ 電源
７２ 抵抗

Claims (5)

1. 振動膜と、基板と、空気層と、信号源と、共振点調整部とを備える超音波発生デバイスであって、
   前記振動膜は、前記基板から離間した位置に配置されており、
   前記空気層は、前記振動膜と前記基板との間に形成されており、
   前記信号源は、前記振動膜と前記基板との間に、前記振動膜の共振周波数に対応する周波数を有する交流電圧を印加する構成となっており、
   前記共振点調整部は、調整膜と、電荷供給部とを備えており、
   前記調整膜は、前記振動膜と前記基板との間において、前記空気層を横断するように配置されており、
   前記電荷供給部は、前記調整膜に電荷を供給することにより、前記空気層の厚み又は形状を変化させる構成となっており、
   これにより、前記共振点調整部は、前記振動膜の共振周波数を調整する構成となっている
   超音波発生デバイス。
2. 前記調整膜は、前記振動膜よりも厚い形状とされている
   請求項１に記載の超音波発生デバイス。
3. 前記調整膜は、前記空気層内の空気を通過させる通気孔を備えている
   請求項１又は２に記載の超音波発生デバイス。
4. 平面方向に集積された、請求項１〜３のいずれか１項に記載の超音波発生デバイスを有する、超音波フェイズドアレイ。
5. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の超音波発生デバイスを用いた共振点調整方法であって、
   前記信号源により、前記振動膜の共振周波数に対応する周波数を有する交流電圧を前記振動膜と前記基板との間に印加するステップと、
   前記共振点調整部の前記電荷供給部により前記調整膜に電荷を供給することによって、前記空気層の厚み又は形状を変化させ、これにより、前記振動膜の共振周波数を調整するステップと
   を備える共振点調整方法。

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