超声波设备、阻抗匹配层及静电驱动设备

1.本发明涉及超声波设备、阻抗匹配层以及静电驱动设备。


背景技术：

2.能够产生强大的机载超声波的机载超声相控阵(airborne ultrasound phased array；au pa)除了被用于各种测量或参数化扬声器等以外，近年来还被考虑应用于广泛领域，如机载触觉、小型或轻型物体的悬浮及气流控制等。为此，已知公开有高效的超声波设备(参考专利文献1、专利文献2、非专利文献1至5)。现有技术文献专利文献
3.[专利文献1]日本专利公开2019-029862号公报[专利文献2]日本专利公开2018-037863号公报非专利文献
[0004]
[非专利文献1]神垣贵晶，二宫悠基，篠田裕之：
″
高效率
·
高输出的静电驱动型空中超声波振子的开发
″
，测量自动控制学会论文集，第54卷，第3期，第340-345页，2018年(takaaki kamigaki，yuki ninomiya，hiroyuki shinoda，
″
developing electrostatically driven ultrasound transducer with high sound intensity and high energy conversion efficienc y，
″
transactions of the society of instrument and control engineers，vol.54，issue.3，pp.340-345，2018)。[非专利文献2]神垣贵晶，二宫悠基，篠田裕之：
″
具有精细网状电极的静电驱动机载超声波发射器
″
，2018年国际柔性电子技术大会(ifetc)，第1-3页，2018年8月7-9日，加拿大渥太华(takaaki kamigaki，yuki ninomiya，and hiroyuki shinoda，
″
electrostatically driven airborne ultrasound transmitter with fine mesh electrode，
″
in proc.2018international flexible electronics technology conference(ifetc)，pp.1-3，aug.7-9，2018，ottawa，canada)。[非专利文献3]神垣贵晶，二宫悠基，篠田裕之：
″
静电超声波发射器的驱动电路设计
″
，2019 ieee国际超声波研讨会(ius)，mopos-31.3，2019年10月6-9日，苏格兰格拉斯哥(takaaki kamiga ki， and hiroyuki shinoda，
″
driving circuit design for electrostatic ultrasonic transmitter，
″
in proc.2019 ieeeinternational ultrasonics symposium(ius)，mopos-31.3，oct.，6-9，2019，glasgow，scotland)。[非专利文献4]神垣贵晶，二宫悠基，篠田裕之：
″
具有非线性声学应用穿孔背板的静电驱动机载超声换能器
″
，第23届国际声学大会(ica 2019)，第6363-6369页，9月9-13日，德国亚琛(takaaki kamigaki，yuki ninomiya，and hiroyuki shinoda，
″
electrostatically driven airborne ultrasound transducer with perforated backplate for nonlinear acoustic applications，
″
23rdinternational congress on acoustics(ica2019)，pp.6363-6369，sep.9-13，aachen，germany)。
[非专利文献5]二宫悠基，神垣贵晶，篠田裕之：
″
基于不对称振动的机载超声波发射
″
，2020年ieee国际超声波研讨会(ius)，美国内华达州拉斯维加斯，2020年，第1-3页，doi：10.1109/ius46767.2020.9251688(y.ninomiya，t.kamigaki and h.shinoda，
″
airborne ultrasonic emission based on asymmetric vibration，
″
2020 ieee international ultrasonics symposium(ius)，las vegas，nv， usa，2020，pp.1-3，doi：10.1109/ius46767.2020.9251688)。


技术实现要素：

发明所要解决的问题
[0005]
超声波设备如果能够实现高效率的片状振子，则容易组装到现有设备中，或者在车内或室内等有限的空间中铺设，从而可以在日常生活中灵活运用，也可以整合到各种基础设施中。
[0006]
鉴于上述情况，本发明提供一种超声波设备、阻抗匹配层以及静电驱动设备，用于实现高输出且高效率的可透明化的片状空中超声波设备。用于解决问题的方案
[0007]
根据本发明的一种方式，提供一种发送超声波的超声波设备。所述超声波设备包括静电驱动设备以及阻抗匹配层。静电驱动设备包括第一电极和第二电极。第一电极是驱动膜，在与第二电极相对的位置上被施加张力而配设。第二电极具有贯通孔。第一电极和第二电极中的至少一方是层叠了电导率不同的多种材料的层叠膜。阻抗匹配层包括匹配膜和气体。匹配膜的特点在于，谐振时损耗在被发送的声功率以下，在与第一电极相对的位置上被施加张力而配设。气体被封入匹配膜与第一电极之间。与第一电极相对的匹配膜的面和与之相对的第一电极的面之间的距离是与驱动膜的振幅和匹配膜的振幅之比即振幅放大率对应的值。
[0008]
根据本发明的一种方式，能够提供高功率且高效率的超声波设备。
附图说明
[0009]
图1是表示根据本发明实施例的超声波设备的结构示例的图。图2是表示静电驱动设备2的结构示例的图。图3是表示静电驱动设备2的结构示例的图。图4是表示静电驱动设备2的结构示例的图。
具体实施方式
[0010]
以下将结合附图对本发明的实施例进行说明。以下实施例中所示的各种特征事项均可互相组合。
[0011]
1.超声波设备的结构图1是表示根据本发明实施例的超声波设备的结构示例的图。如该图所示，超声波设备1包括静电驱动设备2、阻抗匹配层3以及电源4。所述超声波设备1是向空气中等发送超声波的设备。
[0012]
静电驱动设备2包括第一电极21和第二电极22。第一电极21是驱动膜，在与第二电
极22相对的位置上被施加张力而配设。另外，第二电极22包括贯通孔。第一电极21和第二电极22中的至少一方是由具有不同电导率的多种材料层叠而成的层叠膜。具体而言，有用导体构成第一电极21、用层叠膜构成第二电极22的情况，有用层叠膜构成第一电极21、用导体构成第二电极22的情况，也有用层叠膜构成第一电极21和第二电极22两者的情况。第一电极21和第二电极22可以是不同的层叠膜，例如，可以构成为一方是由导体和绝缘体构成的两层层叠膜，另一方是由导体、绝缘体和导体构成的三层层叠膜。
[0013]
静电驱动设备2设置在设置于基板6上的垫片5上，在基板6侧设置有第二电极22，经由垫片23设置有第一电极21。基板6例如由丙烯酸板或电路基板等构成，垫片5和垫片23例如由聚酰亚胺构成。另外，之后将说明关于静电驱动设备2的详细情况。
[0014]
阻抗匹配层3包括匹配膜31和气体32。匹配膜31的特点在于，谐振时的损耗在被发送的声功率以下，且在与第一电极21相对的位置上被施加张力而配设。气体32被封入匹配膜31和第一电极21之间。与第一电极21相对的匹配膜31的面与相对的第一电极的面之间的距离是与作为驱动膜的振幅与匹配膜的振幅之比的振幅放大率对应的值。
[0015]
阻抗匹配层3通过设置在静电驱动设备2上的垫片33设置匹配膜31。垫片33例如由聚酰亚胺构成。之后将说明关于阻抗匹配层3的详细情况。
[0016]
电源4通过直流电源41和交流电源42组合，交流电源42的电压被直流电源41的电压偏置后的电压，即以相同的极性振动的电压，被施加在第一电极21和第二电极22之间。
[0017]
2.静电驱动设备的结构图2至图4是表示静电驱动设备2的结构示例的图。如图2所示，静电驱动设备2包括第一电极21和第二电极22。第一电极21作为驱动膜进行动作(振动)，层叠电导率不同的多个材料，并且在与第二电极22相对的位置上被施加张力而配设。具体而言，第一电极21层叠有第一层211和第二层212，并且第二层212被配设在与第二电极22相对的位置上。第二层212的电导率低于第一层211的电导率。例如，通过将第一层211用作导体并且将第二层212用作绝缘体，可以满足第二层212的电导率低于第一层211的电导率的条件。另外，第二层212不必是绝缘体，而可以是具有足够高的电阻的导体。
[0018]
施加张力是为了在期望的谐振频率下谐振并抑制拉入现象。拉入现象是静电致动器的一般问题，是驱动膜粘在下部电极上而无法动作的现象。这是因为驱动膜位移时施加到振动膜的力平衡即由于静电力和膜刚性引起的恢复力平衡被破坏所致。当对平行平板型结构进行恒压驱动时，如果位移超过初始间隙的1/3，就会发生这种现象。在典型的平行平板型结构中，使驱动膜动作以不超过该位移。
[0019]
第二电极22包括贯通孔221。贯通孔221用于抑制由存在于第一电极21和第二电极22之间的气体引起的电抗分量。即，贯通孔221用于在作为驱动膜的第一电极21振动时，使存在于第一电极21和第二电极22之间的气体能够通过贯通孔221自由出入。另外，第一电极和第二电极中的至少一方是层叠了电导率不同的多个材料的层叠膜，但在此说明第一电极为层叠膜的情况。另外，作为第一电极21和第二电极22的组合，有导体构成第一电极21、由层叠膜构成第二电极22的情况，有由层叠膜构成第一电极21、由导体构成第二电极22的情况，也有由层叠膜构成第一电极21和第二电极22两者的情况。第一电极21和第二电极22可以是不同的层叠膜，例如，一方是由导体和绝缘体构成的两层层叠膜，另一方是由导体、绝缘体和导体构成的三层层叠膜。
[0020]
此外，如图3所示，可以校正第一电极21，使得第一层213、第二层214和第三层215依次层叠。在这种情况下，第三层215被配设在与第二电极22相对的位置处。在这种情况下，张力被施加到第一电极21。第一层213和第三层215电连接。因此，当使静电驱动设备2动作时，可以防止电荷永久地附着到第二层214的表面。例如，第二层214是绝缘体，并且当电荷附着到该绝缘体时，由直流电源41产生的偏置电压有效地减小。
[0021]
第二层214的电导率低于第一层213的电导率，第三层215的电导率在第一层213的电导率以下，并且高于第二层214的电导率。具体地，第一层213是第一导体，第二层214是绝缘体，第三层215是第二导体。
[0022]
第一导体(第一层213)和第二导体(第三层215)经由电阻216连接。根据这样的结构，即使在使静电驱动设备2动作时，由于静电驱动设备2受到压迫等原因而使第一电极21与第二电极22接触的情况下，理论上也不会流过无限大的短路电流，仅流过受电阻216限制的电流，因此能够防止大电流流过静电驱动设备2。当然，即使电阻216被连接，也可以防止电荷永久地附着到第二层214的表面。
[0023]
此外，通过将第一层213设置为第一导体、将第二层214设置为绝缘体、将第三层215设置为第二导体、将第二导体的电阻值设置为高于第一导体的电阻值，可以省略电阻216，即，不连接电阻216。当然，也可以连接电阻216。注意，可以省略第三层215，并且可以稍微给第二层214的绝缘体提供导电性，从而获得相同的效果。
[0024]
此外，如图4所示，第二电极22能够构成为使得第一导体222、绝缘体223和第二导体224依次层叠，并且第一导体222和第二导体224电连接以获得同样的效果。
[0025]
此外，如图2至图4所示，第二电极22包括贯通孔221。贯通孔221用于抑制由存在于第一电极21和第二电极22之间的气体引起的电抗分量。即，贯通孔221用于在作为驱动膜的第一电极21振动时，使存在于第一电极21和第二电极22之间的气体能够通过贯通孔221自由出入。
[0026]
第一电极21和第二电极22之间的距离是将第一电极21和第二电极22之间产生放电的放电电压的平方值除以距离而得到的值为最大的值。具体而言，设第一电极21与第二电极22之间的距离为dd，则放电电压v作为dd的函数能够表示为v＝(dd)。此时每单位面积的静电力p为p＝εαv2/(2d
d2
)。其中，ε是第一电极21与第二电极22之间的气体的介电常数，α是具有贯通孔221的第二电极22的导体占有率。并且，若将作为振动膜的第一电极21的最大位移s设为s＝rdd(r为小于1的常数)，则静电驱动设备2的功率上限值w为w＝psf＝εαrfv2/(2dd)。f是频率。εαrf/2是常数，因此在使静电驱动设备2的功率上限值w最大化的情况下，只要确定使v2/dd最大化的dd即可。
[0027]
另外，通过在第一电极21和第二电极22之间充满具有比空气更难产生放电的性质的气体，例如六氟化硫(sf6)，也能够进一步抑制在第一电极21和第二电极22之间放电。由此，能够提高放电电压v，这样一来，能够使功率上限值w增加。
[0028]
另外，优选的是，第一电极21被划分为单元，并且每个单元的大小被设置为使得第一电极21的谐振频率对应于驱动频率的值。具体而言，优选将每个单元的大小决定为使得第一电极21的谐振频率接近于驱动频率的值。
[0029]
3.阻抗匹配层的结构如图1所示，阻抗匹配层3包括匹配膜31和气体32。阻抗匹配层3通过设置在静电驱
动设备2上的垫片33设置匹配膜31。另外，阻抗匹配层3也可以与静电驱动设备2以外的驱动设备组合使用。
[0030]
匹配膜31在与振动设备的振动面例如与作为静电驱动设备2的振动膜的第一电极21的第一层211侧的面相对的位置上被施加张力而配设。在该匹配膜31中不存在开口，在振动面上也不存在开口。
[0031]
另外，作为匹配膜31，谐振时的损耗与被发送的声功率为同等程度，或者在其以下。表示匹配膜31单体的谐振时损耗的匹配膜31单体的机械阻抗的实部是将匹配膜31的质量阻抗除以匹配膜31单体的q值而得到的值。所谓匹配膜31单体的机械阻抗，是指匹配膜31单独存在时的施加压力相对于膜的振动速度的比，作为振动速度、施加压力使用膜内平均值。具体而言，在将匹配膜31的面密度设为σ[kg/m2]、将角频率设为ω[rad/s]、将匹配膜31单体的q值设为q的情况下，σω/q与作为超声波的发送目的地的空气的固有声阻抗pc为同等程度，或在其以下。考虑到电声转换效率，σω/q优选为足够小于ρc的值。
[0032]
气体32被封入匹配膜31与振动面如作为静电驱动设备2的振动膜的第一电极21的第一层211侧的面之间。所述气体32例如是空气。与振动面相对的匹配膜31的面与该振动面之间的距离即匹配膜31与振动面之间的距离dm根据作为振动面的振幅与匹配膜的振幅之比的振幅放大率来决定。具体而言，如果k由公式1表示，则dm的条件是公式2所示kl在5以下，并且优选地，dm的条件是kl充分小于5。另外，在式中，设气体粘性为η[pa s]，气体体积弹性率为κ[pa]，角频率为ω[rad/s]，匹配膜31的大小为l[m]。即，距离dm在公式3所示第一值以上。此处说明的距离dm的条件是基于气体32的粘性损耗，也示出了粘性损耗不会成为问题的条件。因此实际上，虽然根据振幅放大率决定距离dm，但有必要决定振幅放大率以免由距离dm决定的粘性和热传导造成的损失过大。[公式1][公式2][公式3]
[0033]
第一值是通过将第二值乘以匹配膜31的长度l而获得的值除以5而得到的值，并且第二值是第三值的平方根。第三值是将气体的气体粘性η除以气体的气体体积弹性率η而得到的值乘以12，进而乘以使匹配膜31振动时的角频率ω而得到的值。
[0034]
例如，如果l＝2mm、ω＝2π
×
80khz，则dm的值充分大于10μm。
[0035]
4.单元匹配膜31的大小l必须是匹配膜31的单体的最低次谐振频率小于使匹配膜31振动时的频率的大小。这是因为在单个匹配膜31中驱动时，电抗具有质量性(电感，电抗具有正值)。因此，匹配膜31、第一电极21和第二电极22可以具有预定大小，且固定在其边缘部者可
以用作单元，该单元可以在平面方向上集成以形成阵列。在单元中，例如，匹配膜31等是直径2mm的圆形。
[0036]
5.实验结果根据表1所示的参数进行了实验。其结果，能够确认通过46.2khz达到80khz的目标振幅，由阻抗匹配层3能够获得预定的振幅放大效果。[表1]各参数值第一层21130nm(铂)第二层21212.5μm(聚酰亚胺)第一电极21与第二电极22的距离(推定)12.89μm第二电极22的有效面积比0.59第一电极21单体的谐振频率48khz第一电极21的q值16匹配膜315μm(聚酰亚胺)匹配膜31与第一电极21的距离(推定)359.09μm匹配膜31的谐振频率31.6khz匹配膜31的q值15振幅放大率4.925
[0037]
表1中的第一电极21的q值和匹配膜31的q值都是在空气中测定的值。另外，表1中的振幅放大率是匹配膜31的振幅与驱动膜(第一电极21)的振幅的比率。
[0038]
7.其他本发明还可以通过以下各种方式来提供。一种阻抗匹配层，包括匹配膜以及气体，所述匹配膜构成为谐振时损耗在被发送的声功率以下，在与振动设备的振动面相对的位置上被施加张力而配设，所述气体被封入所述匹配膜与所述振动面之间，与所述振动面相对的所述匹配膜的面和所述振动面之间的距离是与所述振动面的振幅和所述匹配膜的振幅之比即振幅放大率对应的值。在所述静电驱动设备中，所述距离在第一值以上，所述第一值是将第二值乘以所述匹配膜的长度后的值除以5而得到的值，所述第二值是第三值的平方根，所述第三值是将所述气体的气体粘性除以所述气体的气体体积弹性率而得到的值乘以12，进而乘以使所述匹配膜振动时的角频率而得到的值。在所述静电驱动设备中，所述匹配膜的大小为，所述匹配膜的单体的最低次谐振频率小于使所述匹配膜振动时的频率。一种静电驱动设备，包括第一电极和第二电极，其中，所述第一电极是驱动膜，在与所述第二电极相对的位置上被施加张力而配设，所述第二电极具有贯通孔，所述第一电极和所述第二电极中的至少一方是层叠了电导率不同的多种材料的层叠膜。在所述静电驱动设备中，所述层叠膜层叠有第一层和第二层，所述第二层配设在与其他电极相对的位置上，所述第二层的电导率低于所述第一层的电导率。在所述静电驱动设备中，所述层叠膜依次层叠第一层、第二层和第三层，所述第三层配设在与其他电极相对的位置上，所述第二层的电导率低于所述第一层的电导率，所述
第三层的电导率在所述第一层的电导率以下，且高于所述第二层的电导率，所述第一层和所述第三层进行电连接。在所述静电驱动设备中，所述第一层是第一导体，所述第二层是绝缘体，所述第三层是第二导体，所述第二导体的电阻值高于所述第一导体的电阻值。在所述静电驱动设备中，所述第一层是第一导体，所述第二层是绝缘体，所述第三层是第二导体，所述第一导体和所述第二导体通过电阻连接。在所述静电驱动设备中，所述第一电极被划分为单元，所述单元的大小是所述第一电极的谐振频率成为与驱动频率对应的值的大小。在所述静电驱动设备中，所述第一电极与所述第二电极之间的距离是将所述第一电极与所述第二电极之间产生放电的放电电压的平方值除以所述距离而得到的值为最大的值。在所述静电驱动设备中，在所述第一电极和所述第二电极之间充满具有比空气更难产生放电的特性的气体。当然，并不仅限于此。符号说明
[0039]
1：超声波设备2：静电驱动设备3：阻抗匹配层4：电源5：垫片6：基板21：第一电极22：第二电极23：垫片31：匹配膜32：气体33：垫片41：直流电源42：交流电源211：第一层212：第二层213：第一层214：第二层215：第三层216：电阻221：贯通孔222：第一导体223：绝缘体224：第二导体

技术特征：
1.一种发送超声波的超声波设备，其特征在于，包括：静电驱动设备以及阻抗匹配层，其中，所述静电驱动设备包括第一电极和第二电极，所述第一电极是驱动膜，在与所述第二电极相对的位置上被施加张力而配设，所述第二电极具有贯通孔，所述第一电极和所述第二电极中的至少一方是层叠了电导率不同的多种材料的层叠膜，所述阻抗匹配层包括匹配膜和气体，其中，所述匹配膜构成为谐振时损耗在被发送的声功率以下，在与所述第一电极相对的位置上被施加张力而配设，所述气体被封入所述匹配膜与所述第一电极之间，与所述第一电极相对的所述匹配膜的面和相对的所述第一电极的面之间的距离是与所述驱动膜的振幅和所述匹配膜的振幅之比即振幅放大率对应的值。2.一种阻抗匹配层，其特征在于，包括：匹配膜以及气体，所述匹配膜构成为谐振时损耗在被发送的声功率以下，在与振动设备的振动面相对的位置上被施加张力而配设，所述气体被封入所述匹配膜与所述振动面之间，与所述振动面相对的所述匹配膜的面和所述振动面之间的距离是与所述振动面的振幅和所述匹配膜的振幅之比即振幅放大率对应的值。3.根据权利要求2所述的阻抗匹配层，其特征在于：所述距离在第一值以上，所述第一值是将第二值乘以所述匹配膜的长度后的值除以5而得到的值，所述第二值是第三值的平方根，所述第三值是将所述气体的气体粘性除以所述气体的气体体积弹性率而得到的值乘以12，进而乘以使所述匹配膜振动时的角频率而得到的值。4.根据权利要求2或3所述的阻抗匹配层，其特征在于：所述匹配膜的大小为，所述匹配膜的单体的最低次谐振频率小于使所述匹配膜振动时的频率。5.一种静电驱动设备，其特征在于，包括：第一电极和第二电极，其中，所述第一电极是驱动膜，在与所述第二电极相对的位置上被施加张力而配设，所述第二电极具有贯通孔，所述第一电极和所述第二电极中的至少一方是层叠了电导率不同的多种材料的层叠膜。6.根据权利要求5所述的静电驱动设备，其特征在于：所述层叠膜层叠有第一层和第二层，所述第二层配设在与其他电极相对的位置上，所述第二层的电导率低于所述第一层的电导率。
7.根据权利要求5所述的静电驱动设备，其特征在于：所述层叠膜依次层叠第一层、第二层和第三层，所述第三层配设在与其他电极相对的位置上，所述第二层的电导率低于所述第一层的电导率，所述第三层的电导率在所述第一层的电导率以下，且高于所述第二层的电导率，所述第一层和所述第三层进行电连接。8.根据权利要求7所述的静电驱动设备，其特征在于：所述第一层是第一导体，所述第二层是绝缘体，所述第三层是第二导体，所述第二导体的电阻值高于所述第一导体的电阻值。9.根据权利要求7所述的静电驱动设备，其特征在于：所述第一层是第一导体，所述第二层是绝缘体，所述第三层是第二导体，所述第一导体和所述第二导体通过电阻连接。10.根据权利要求5至9中任一项所述的静电驱动设备，其特征在于：所述第一电极被划分为单元，所述单元的大小是所述第一电极的谐振频率成为与驱动频率对应的值的大小。11.根据权利要求5至10中任一项所述的静电驱动设备，其特征在于：所述第一电极与所述第二电极之间的距离是将所述第一电极与所述第二电极之间产生放电的放电电压的平方值除以所述距离而得到的值为最大的值。12.根据权利要求5至11中任一项所述的静电驱动设备，其特征在于：在所述第一电极和所述第二电极之间充满具有比空气更难产生放电的特性的气体。

技术总结
[课题]本发明提供一种超声波设备、阻抗匹配层以及静电驱动设备，用于实现高输出且高效率的可透明化的片状空中超声波设备。[解决方案]根据本发明的一种方式，提供一种发送超声波的超声波设备。所述超声波设备包括静电驱动设备以及阻抗匹配层。静电驱动设备包括第一电极和第二电极。第一电极是驱动膜，在与第二电极相对的位置上被施加张力而配设。第二电极具有贯通孔。第一电极和第二电极中的至少一方是层叠了电导率不同的多种材料的层叠膜。阻抗匹配层包括匹配膜和气体。匹配膜的特点在于，谐振时损耗在被发送的声功率以下，在与第一电极相对的位置上被施加张力而配设。气体被封入匹配膜与第一电极之间。与第一电极相对的匹配膜的面和与之相对的第一电极的面之间的距离是与驱动膜的振幅和匹配膜的振幅之比即振幅放大率对应的值。大率对应的值。大率对应的值。


技术研发人员：篠田裕之 神垣贵晶 二宫悠基
受保护的技术使用者：国立大学法人东京大学
技术研发日：2021.12.23
技术公布日：2023/9/7