(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022188431
(43)【公開日】2022-12-21
(54)【発明の名称】超音波トランスデューサ及び非接触触覚提示デバイス
(51)【国際特許分類】
H04R 17/00 20060101AFI20221214BHJP
【ＦＩ】
H04R17/00 330G
【審査請求】未請求
【請求項の数】5
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021096453
(22)【出願日】2021-06-09
(71)【出願人】
【識別番号】000204284
【氏名又は名称】太陽誘電株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100087480
【弁理士】
【氏名又は名称】片山 修平
(72)【発明者】
【氏名】後藤 隆幸
(72)【発明者】
【氏名】石井 茂雄
(72)【発明者】
【氏名】清水 寛之
(72)【発明者】
【氏名】岸本 純明
(72)【発明者】
【氏名】濤川 雄一
【テーマコード（参考）】
5D019
【Ｆターム（参考）】
5D019AA25
5D019BB03
5D019BB13
5D019EE01
5D019FF01
(57)【要約】
【課題】良好な音圧特性と安定した周波数特性を有し、小型化及び低背化に適した構造を有する超音波トランスデューサ及び非接触触覚提示デバイスを提供すること。
【解決手段】本発明に係る超音波トランスデューサ及は、筐体と、長超音波振動子とを具備する。上記筐体は、第１の主面と、上記第１の主面とは反対型の第２の主面を有する振動板であって、内周領域と、上記内周領域を囲む外周領域と、上記内周領域と上記外周領域の間に位置する中間領域とを有し、上記中間領域は、上記振動板を貫通する複数の開口部と、上記複数の開口部の間に位置し、上記内周領域と上記外周領域を接続する梁部を有する振動板を備え、上記振動板の上記第1の主面側に上記複数の貫通孔により外部空間と連通する内部空間を形成する。上記超音波振動子は上記第１の主面の上記内周領域に接合され、上記内部空間に収容されている。
【選択図】図１
【解決手段】本発明に係る超音波トランスデューサ及は、筐体と、長超音波振動子とを具備する。上記筐体は、第１の主面と、上記第１の主面とは反対型の第２の主面を有する振動板であって、内周領域と、上記内周領域を囲む外周領域と、上記内周領域と上記外周領域の間に位置する中間領域とを有し、上記中間領域は、上記振動板を貫通する複数の開口部と、上記複数の開口部の間に位置し、上記内周領域と上記外周領域を接続する梁部を有する振動板を備え、上記振動板の上記第1の主面側に上記複数の貫通孔により外部空間と連通する内部空間を形成する。上記超音波振動子は上記第１の主面の上記内周領域に接合され、上記内部空間に収容されている。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１の主面と、前記第１の主面とは反対型の第２の主面を有する振動板であって、内周領域と、前記内周領域を囲む外周領域と、前記内周領域と前記外周領域の間に位置する中間領域とを有し、前記中間領域は、前記振動板を貫通する複数の開口部と、前記複数の開口部の間に位置し、前記内周領域と前記外周領域を接続する梁部を有する振動板を備え、前記振動板の前記第1の主面側に前記複数の貫通孔により外部空間と連通する内部空間を形成する筐体と、
前記第１の主面の前記内周領域に接合され、前記内部空間に収容された超音波振動子と
を具備する超音波トランスデューサ。
前記第１の主面の前記内周領域に接合され、前記内部空間に収容された超音波振動子と
を具備する超音波トランスデューサ。
【請求項2】
請求項１に記載の超音波トランスデューサであって、
前記第１の主面に対向し、前記筐体に接合され、前記筐体と共に前記内部空間を形成する基板と、
前記基板の、前記第１の主面とは反対側の面に設けられ、前記超音波振動子に電気的に接続された外部端子と
をさらに具備する超音波トランスデューサ。
前記第１の主面に対向し、前記筐体に接合され、前記筐体と共に前記内部空間を形成する基板と、
前記基板の、前記第１の主面とは反対側の面に設けられ、前記超音波振動子に電気的に接続された外部端子と
をさらに具備する超音波トランスデューサ。
【請求項3】
請求項１又は２に記載の超音波トランスデューサであって、
前記超音波振動子は、前記第１の主面に接合される接合面に設けられた正極外部電極子と負極外部電極を有し、
前記振動板は、前記内周領域に設けられ、前記振動板を貫通し、前記正極外部電極及び前記負極外部電極を前記振動板から離間させる絶縁孔をさらに有する
超音波トランスデューサ。
前記超音波振動子は、前記第１の主面に接合される接合面に設けられた正極外部電極子と負極外部電極を有し、
前記振動板は、前記内周領域に設けられ、前記振動板を貫通し、前記正極外部電極及び前記負極外部電極を前記振動板から離間させる絶縁孔をさらに有する
超音波トランスデューサ。
【請求項4】
請求項１から３のうちいずれか１項に記載の超音波トランスデューサであって、
超音波共振子を具備しない
超音波トランスデューサ。
超音波共振子を具備しない
超音波トランスデューサ。
【請求項5】
複数の超音波トランスデューサを備え、
前記超音波トランスデューサは、第１の主面と、前記第１の主面とは反対型の第２の主面を有する振動板であって、内周領域と、前記内周領域を囲む外周領域と、前記内周領域と前記外周領域の間に位置する中間領域とを有し、前記中間領域は、前記振動板を貫通する複数の開口部と、前記複数の開口部の間に位置し、前記内周領域と前記外周領域を接続する梁部を有する振動板を備え、前記振動板の前記第1の主面側に前記複数の貫通孔により外部空間と連通する内部空間を形成する筐体と、前記第１の主面の前記内周領域に接合され、前記内部空間に収容された超音波振動子とを具備する
非接触触覚提示デバイス。
前記超音波トランスデューサは、第１の主面と、前記第１の主面とは反対型の第２の主面を有する振動板であって、内周領域と、前記内周領域を囲む外周領域と、前記内周領域と前記外周領域の間に位置する中間領域とを有し、前記中間領域は、前記振動板を貫通する複数の開口部と、前記複数の開口部の間に位置し、前記内周領域と前記外周領域を接続する梁部を有する振動板を備え、前記振動板の前記第1の主面側に前記複数の貫通孔により外部空間と連通する内部空間を形成する筐体と、前記第１の主面の前記内周領域に接合され、前記内部空間に収容された超音波振動子とを具備する
非接触触覚提示デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、超音波を放出する超音波トランスデューサ及び非接触触覚提示デバイスに関する。
【背景技術】
【0002】
超音波トランスデューサは、車両接近感知センサや物体距離のトラッキング用センサとして用いられている。また、超音波トランスデューサは超音波を用いる非接触触感提示デバイスにおいても超音波発生源として用いられている。例えば、特許文献１乃至３には、各種構成を有する超音波トランスデューサが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開２０１６－０６３３５１号公報
【特許文献2】国際公開第２０１５／０１１９５６号
【特許文献3】国際公開第２０１６／１０４４１４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
特許文献１乃至３に記載のような超音波トランスデューサは、基板、振動子、振動板及びホーン等を組み合わせることで、優れた音圧特性を得られるように構成されている。しかしながら、そのような構成では部材が多く必要であり、製造にも多くのプロセスが必要である。さらに組み立てによる音圧のロスや、共振周波数のずれが生じるおそれもある。また、超音波トランスデューサの筐体に直接振動子を貼り付ける構成の場合、筐体の剛性が高いため、共振周波数が所望の周波数より高くなりやすく、筐体のサイズが大きくなりやすい。さらに、振動子の貼り付け位置によっては、振動子を構成する圧電材料は実装時の熱処理の影響等によって脱分極を生じ、性能が低下するおそれがある。
【0005】
以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、良好な音圧特性と安定した周波数特性を有し、小型化及び低背化に適した構造を有する超音波トランスデューサ及び非接触触覚提示デバイスを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0006】
上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る超音波トランスデューサは、筐体と、長超音波振動子とを具備する。
上記筐体は、第１の主面と、上記第１の主面とは反対型の第２の主面を有する振動板であって、内周領域と、上記内周領域を囲む外周領域と、上記内周領域と上記外周領域の間に位置する中間領域とを有し、上記中間領域は、上記振動板を貫通する複数の開口部と、上記複数の開口部の間に位置し、上記内周領域と上記外周領域を接続する梁部を有する振動板を備え、上記振動板の上記第1の主面側に上記複数の貫通孔により外部空間と連通する内部空間を形成する。
上記超音波振動子は上記第１の主面の上記内周領域に接合され、上記内部空間に収容されている。
上記筐体は、第１の主面と、上記第１の主面とは反対型の第２の主面を有する振動板であって、内周領域と、上記内周領域を囲む外周領域と、上記内周領域と上記外周領域の間に位置する中間領域とを有し、上記中間領域は、上記振動板を貫通する複数の開口部と、上記複数の開口部の間に位置し、上記内周領域と上記外周領域を接続する梁部を有する振動板を備え、上記振動板の上記第1の主面側に上記複数の貫通孔により外部空間と連通する内部空間を形成する。
上記超音波振動子は上記第１の主面の上記内周領域に接合され、上記内部空間に収容されている。
【0007】
上記超音波トランスデューサは、上記第１の主面に対向し、上記筐体に接合され、上記筐体と共に上記内部空間を形成する基板と、
上記基板の、上記第１の主面とは反対側の面に設けられ、上記超音波振動子に電気的に接続された外部端子と
をさらに具備してもよい。
上記基板の、上記第１の主面とは反対側の面に設けられ、上記超音波振動子に電気的に接続された外部端子と
をさらに具備してもよい。
【0008】
上記超音波振動子は、上記第１の主面に接合される接合面に設けられた正極外部電極子と負極外部電極を有し、
上記振動板は、上記内周領域に設けられ、上記振動板を貫通し、上記正極外部電極及び上記負極外部電極を上記振動板から離間させる絶縁孔をさらに有してもよい。
上記振動板は、上記内周領域に設けられ、上記振動板を貫通し、上記正極外部電極及び上記負極外部電極を上記振動板から離間させる絶縁孔をさらに有してもよい。
【0009】
上記超音波トランスデューサは、超音波共振子を具備しないものであってもよい。
【0010】
上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る非接触触覚提示デバイスは、複数の超音波トランスデューサを備える。
上記超音波トランスデューサは、第１の主面と、上記第１の主面とは反対型の第２の主面を有する振動板であって、内周領域と、上記内周領域を囲む外周領域と、上記内周領域と上記外周領域の間に位置する中間領域とを有し、上記中間領域は、上記振動板を貫通する複数の開口部と、上記複数の開口部の間に位置し、上記内周領域と上記外周領域を接続する梁部を有する振動板を備え、上記振動板の上記第1の主面側に上記複数の貫通孔により外部空間と連通する内部空間を形成する筐体と、上記第１の主面の上記内周領域に接合され、上記内部空間に収容された超音波振動子とを具備する。
上記超音波トランスデューサは、第１の主面と、上記第１の主面とは反対型の第２の主面を有する振動板であって、内周領域と、上記内周領域を囲む外周領域と、上記内周領域と上記外周領域の間に位置する中間領域とを有し、上記中間領域は、上記振動板を貫通する複数の開口部と、上記複数の開口部の間に位置し、上記内周領域と上記外周領域を接続する梁部を有する振動板を備え、上記振動板の上記第1の主面側に上記複数の貫通孔により外部空間と連通する内部空間を形成する筐体と、上記第１の主面の上記内周領域に接合され、上記内部空間に収容された超音波振動子とを具備する。
【発明の効果】
【0011】
以上のように本発明によれば、良好な音圧特性と安定した周波数特性を有し、小型化及び低背化に適した構造を有する超音波トランスデューサ及び非接触触覚提示デバイスを提供することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【図1】本発明の第１の実施形態に係る超音波トランスデューサの断面図である。
【図2】上記超音波トランスデューサが備える筐体の断面図である。
【図3】上記超音波トランスデューサが備える筐体の斜視図である。
【図4】上記超音波トランスデューサが備える筐体の斜視図である。
【図5】上記超音波トランスデューサが備える振動板の平面図である。
【図6】上記超音波トランスデューサが備える振動板の領域を示す平面図である。
【図7】上記超音波トランスデューサが備える超音波振動子の断面図である。
【図8】上記超音波トランスデューサが備える、超音波振動子が接合された筐体の斜視図である。
【図9】上記超音波トランスデューサの動作を示す模式図である。
【図10】上記超音波トランスデューサが備える、他の形状を有する開口部を備える振動板の平面図である。
【図11】上記超音波トランスデューサが備える振動板の領域を示す平面図である。
【図12】上記超音波トランスデューサが備える、他の形状を有する開口部を備える振動板の平面図である。
【図13】上記超音波トランスデューサが備える振動板の領域を示す平面図である。
【図14】本発明の第１の実施形態に係る超音波トランスデューサの断面図である。
【図15】上記超音波トランスデューサが備える筐体の断面図である。
【図16】上記超音波トランスデューサが備える筐体の斜視図である。
【図17】上記超音波トランスデューサが備える筐体の斜視図である。
【図18】上記超音波トランスデューサが備える振動板の平面図である。
【図19】上記超音波トランスデューサが備える振動板の領域を示す平面図である。
【図20】上記超音波トランスデューサが備える超音波振動子の断面図である。
【図21】上記超音波トランスデューサが備える、超音波振動子が接合された筐体の斜視図である。
【図22】上記超音波トランスデューサの動作を示す模式図である。
【図23】上記超音波トランスデューサが備える、他の形状を有する絶縁孔を備える振動板の平面図である。
【図24】上記超音波トランスデューサが備える、他の形状を有する絶縁孔を備える振動板の平面図である。
【図25】上記超音波トランスデューサが備える、他の形状を有する絶縁孔を備える振動板の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【0013】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る超音波トランスデューサについて説明する。
本発明の第１の実施形態に係る超音波トランスデューサについて説明する。
【0014】
［超音波トランスデューサの構成］
図１は、本実施形態に係る超音波トランスデューサ１００の断面図である。同図に示すように、超音波トランスデューサ１００は、筐体１０１、基板１０２、超音波振動子１０３、正極配線１０４、負極配線１０５、正極外部端子１０６及び負極外部端子１０７を備える。
図１は、本実施形態に係る超音波トランスデューサ１００の断面図である。同図に示すように、超音波トランスデューサ１００は、筐体１０１、基板１０２、超音波振動子１０３、正極配線１０４、負極配線１０５、正極外部端子１０６及び負極外部端子１０７を備える。
【0015】
筐体１０１は超音波トランスデューサ１００の振動板を構成し、かつ基板１０２と共に内部空間Ｒを形成する。図２は、筐体１０１の断面図である。同図に示すように筐体１０１は振動板１２１と側壁部１２２を有する。振動板１２１は平板状であり、図２に示すように第１主面１２１ａと第２主面１２１ｂを有する。第１主面１２１ａと第２主面１２１ｂは互いに振動板１２１の反対側の主面である。
【0016】
図３及び図４は筐体１０１の斜視図である。図３は筐体１０１を第１主面１２１ａ側から見た斜視図であり、図４は筐体１０１を第１主面１２１ａ側から見た斜視図である。図２は図３及び図４におけるＡ－Ａ線での断面図である。図５は振動板１２１の平面図であり、振動板１２１を第２主面１２１ｂ側からみた図である。図６は振動板１２１おける領域を示す模式図であり、振動板１２１を第２主面１２１ｂ側からみた図である。
【0017】
図６に示すように振動板１２１は、内周領域１３１、外周領域１３２及び中間領域１３３を有する。内周領域１３１は振動板１２１の中央部に位置する領域であり、矩形形状を有する。外周領域１３２は、振動板１２１の外周部に位置し、内周領域１３１を囲む領域である。中間領域１３３は、内周領域１３１と外周領域１３２の間に位置する領域である。なお、第1主面１２１ａも第２主面１２１ｂと同様に内周領域１３１、外周領域１３２及び中間領域１３３を有する。
【0018】
図５及び図６に示すように、中間領域１３３には開口部１３４及び梁部１３５が設けられている。開口部１３４は図２に示すように振動板１２１を貫通する孔であり、複数が設けられている。梁部１３５は中間領域１３３のうち開口部１３４が設けられていない部分であり、開口部１３４の間に位置する。図５に示すように、内周領域１３１と外周領域１３２は開口部１３４によって離間され、梁部１３５によって互いに接続されている。
【0019】
側壁部１２２は、振動板１２１の周縁から第1主面１２１ａに対して垂直方向に延伸する壁状部分である。側壁部１２２は、図３に示すように振動板１２１の全周にわたって設けられ、図1に示すように振動板１２１と基板１０２の間を閉塞する。筐体１０１の材料は特に限定されないが、アルミニウム、アロイ、銅等の一般に振動板として利用される材料からなる。
【0020】
基板１０２は筐体１０１に接合され、筐体１０１と共に内部区間を形成する。基板１０２は図１に示すように、側壁部１２２の端部に接合され、振動板１２１、側壁部１２２及び基板１０２に囲まれた内部空間Ｒが形成される。基板１０２は、第１主面１０２ａ及び第２主面１０２ｂを有する。第１主面１０２ａは振動板１２１の第１主面１２１ａ（図２参照）と対向する主面であり、第２主面１０２ｂは第１主面１０２ａとは反対側の主面である。
【0021】
基板１０２は、図１に示すように正極内部配線１４１及び負極内部配線１４２を備える。正極内部配線１４１は、第１主面１０２ａに接続された正極配線１０４と第２主面１０２ｂに設けられた正極外部端子１０６を電気的に接続する。負極内部配線１４２は第１主面１０２ａに接続された負極配線１０５と第２主面１０２ｂに設けられた負極外部端子１０７を電気的に接続する。正極内部配線１４１及び負極内部配線１４２は基板１０２に形成されたスルーホールを介して設けられている。
【0022】
超音波振動子１０３は超音波振動を発生し、振動板１２１を振動させる。図７は超音波振動子１０３の断面図である。同図に示すように超音波振動子１０３は単板型構造を有し、圧電体層１５１、正極１５２及び負極１５３を備える。圧電体層１５１はニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）又はチタン酸ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ３－ＰｂＴｉＯ３）等の圧電材料からなる。正極１５２及び負極１５３はＮｉ、Ｃｕ又はＮｉ合金等の金属材料からなり、圧電体層１５１を介して対向する。
【0023】
超音波振動子１０３では、正極１５２と負極１５３の間に電圧を印加すると、圧電体層１５１において逆圧電効果が生じ、超音波振動が発生する。超音波振動子１０３は図１に示すように振動板１２１に接合される。超音波振動子１０３の表面のうち負極１５３側の面が振動板１２１に接合される面であり、以下この面を接合面１０３ａとする。この接合により、負極１５３は振動板１２１に電気的に接続される。図８は振動板１２１に接合された超音波振動子１０３を示す斜視図である。同図に示すように超音波振動子１０３は第１主面１２１ａの内周領域１３１に接合される。なお、超音波振動子１０３は図８に示すように、接合面１０３ａから見て正方形とすることができるが、円形やその他の形状であってもよい。
【0024】
正極配線１０４（図１参照）は正極１５２と正極内部配線１４１に接続され、これらを電気的に接続する。負極配線１０５（図１参照）は、振動板１２１と負極内部配線１４２に接続され、振動板１２１を介して負極１５３と負極内部配線１４２を電気的に接続する。
【0025】
正極外部端子１０６は超音波振動子１０３の正極用端子であり、基板１０２の第２主面１０２ｂに設けられている。正極外部端子１０６は正極内部配線１４１及び正極配線１０４を介して正極１５２に電気的に接続されている。負極外部端子１０７は超音波振動子１０３の負極用端子であり、基板１０２の第２主面１０２ｂに設けられている。負極外部端子１０７は負極内部配線１４２、負極配線１０５及び振動板１２１及びを介して負極１５３に電気的に接続されている。
【0026】
超音波トランスデューサ１００は、図示しない実装対象基板の表面に設けられた端子に正極外部端子１０６及び負極外部端子１０７を接合することにより、実装対象基板に対する表面実装が可能である。
【0027】
超音波トランスデューサ１００は以上のような構成を有する。上記のように、筐体１０１及び基板１０２により内部空間Ｒ（図１参照）が形成され、超音波振動子１０３はこの内部空間Ｒに収容されている。内部空間Ｒは振動板１２１に設けられた開口部１３４を介して外部空間Ｓと連通する。
【0028】
なお、上記説明において超音波振動子１０３は負極１５３が振動板１２１と電気的に接続されるとしたが、正極１５２が振動板１２１と電気的に接続されてもよい。この場合、正極配線１０４は振動板１２１を介して正極内部配線１４１に接続され、負極配線１０５負極１５３と負極内部配線１４２を直接に接続する。
【0029】
［超音波トランスデューサの動作及び効果］
超音波トランスデューサ１００では、正極外部端子１０６及び負極外部端子１０７を介して超音波振動子１０３の正極１５２及び負極１５３に電圧を印加すると、超音波振動子１０３が超音波振動を生じる。これにより、振動板１２１が所定の共振周波数で振動し、超音波を生成する。図９は、内部空間Ｒ内における超音波の伝搬を示す模式図である。同図に矢印で示すように、生成された超音波は内部空間Ｒ内を伝搬し、内部空間Ｒから開口部１３４を通過して外部空間Ｓに放出される。
超音波トランスデューサ１００では、正極外部端子１０６及び負極外部端子１０７を介して超音波振動子１０３の正極１５２及び負極１５３に電圧を印加すると、超音波振動子１０３が超音波振動を生じる。これにより、振動板１２１が所定の共振周波数で振動し、超音波を生成する。図９は、内部空間Ｒ内における超音波の伝搬を示す模式図である。同図に矢印で示すように、生成された超音波は内部空間Ｒ内を伝搬し、内部空間Ｒから開口部１３４を通過して外部空間Ｓに放出される。
【0030】
この開口部１３４の作用により、超音波トランスデューサ１００では音圧を向上することができる。また、開口部１３４の位置及びサイズにより、振動板１２１の共振周波数を所望の周波数に制御することができる。さらに開口部１３４により筐体１０１の剛性が低下するため、高い剛性により共振周波数が高くなりすぎる問題を回避し、所望の共振周波数を小型の筐体１０１にて実現することができる。
【0031】
また、超音波トランスデューサ１００はホーン等の超音波共振子を有さず、低背化に適した構造を有する。したがって、超音波トランスデューサ１００は良好な音圧特性と安定した周波数特性を実現することができると共に、小型化及び低背化に適した構造を有する。また、超音波振動子１０３を直接筐体１０１に接合する構成により、部品点数及び組み立て工数を抑え、安価に超音波トランスデューサ１００を実現することができる。
【0032】
さらに、超音波トランスデューサ１００は基板１０２の第２主面１０２ｂに設けられた正極外部端子１０６及び負極外部端子１０７によって実装対象基板に表面実装される。第２主面１０２ｂは、正極外部端子１０６及び負極外部端子１０７に対するリフローや半田付け等で最も熱処理の影響を受けるが、超音波振動子１０３は第２主面１０２ｂから内部空間Ｒによって隔てられているため、熱処理による影響を低減することが可能である。
【0033】
［開口部の他の形状について］
開口部１３４の形状は上述のものに限られない。図１０は他の形状を有する開口部１３４を備える振動板１２１を第２主面１２１ｂ側から見た図である。図１１はこの振動板１２１おける領域を示す模式図である。図１１に示すように、振動板１２１は矩形形状の内周領域１３１を有し、図１０に示すように開口部１３４はより単純化された直線状形状を有するものであってもよい。この構成では、単純化により加工面でコストを下げることができる。また、振動板１２１の剛性がさらに低下するため、振動板１２１の共振周波数をより低域に調整ですることができる。
開口部１３４の形状は上述のものに限られない。図１０は他の形状を有する開口部１３４を備える振動板１２１を第２主面１２１ｂ側から見た図である。図１１はこの振動板１２１おける領域を示す模式図である。図１１に示すように、振動板１２１は矩形形状の内周領域１３１を有し、図１０に示すように開口部１３４はより単純化された直線状形状を有するものであってもよい。この構成では、単純化により加工面でコストを下げることができる。また、振動板１２１の剛性がさらに低下するため、振動板１２１の共振周波数をより低域に調整ですることができる。
【0034】
また、図１２はさらに他の形状を有する開口部１３４を備える振動板１２１を第２主面１２１ｂ側から見た図である。図１３はこの振動板１２１おける領域を示す模式図である。図１３に示すように、振動板１２１は円形形状の内周領域１３１を有し、図１２に示すように開口部１３４は円環形状を有するものであってもよい。この構成では、特異周波数における音圧を低下させ、共振周波数でのピークスプリットをさらに改善することが可能である。
【0035】
（第２の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る超音波トランスデューサについて説明する。
本発明の第１の実施形態に係る超音波トランスデューサについて説明する。
【0036】
［超音波トランスデューサの構成］
図１４は、本実施形態に係る超音波トランスデューサ２００の断面図である。同図に示すように、超音波トランスデューサ２００は、筐体２０１、基板２０２、超音波振動子２０３、正極配線２０４、負極配線２０５、正極外部端子２０６及び負極外部端子２０７を備える。
図１４は、本実施形態に係る超音波トランスデューサ２００の断面図である。同図に示すように、超音波トランスデューサ２００は、筐体２０１、基板２０２、超音波振動子２０３、正極配線２０４、負極配線２０５、正極外部端子２０６及び負極外部端子２０７を備える。
【0037】
筐体２０１は超音波トランスデューサ２００の振動板を構成し、かつ基板２０２と共に内部空間Ｒを形成する。図１５は、筐体２０１の断面図である。同図に示すように筐体２０１は振動板２２１と側壁部２２２を有する。振動板２２１は平板状であり、図１５に示すように第１主面２２１ａと第２主面２２１ｂを有する。第１主面２２１ａと第２主面２２１ｂは互いに振動板２２１の反対側の主面である。
【0038】
図１６及び図１７は筐体２０１の斜視図である。図１６は筐体２０１を第１主面２２１ａ側から見た斜視図であり、図１７は筐体２０１を第２主面２２１ａ側から見た斜視図である。図１５は図１６及び図１７におけるＢ－Ｂ線での断面図である。図１８は振動板２２１の平面図であり、振動板２２１を第２主面２２１ｂ側からみた図である。図１９は振動板２２１おける領域を示す模式図であり、振動板２２１を第２主面２２１ｂ側からみた図である。
【0039】
図１９に示すように振動板２２１は、内周領域２３１、外周領域２３２及び中間領域２３３を有する。内周領域２３１は振動板２２１の中央部に位置する領域であり、矩形形状を有する。外周領域２３２は、振動板２２１の外周部に位置し、内周領域２３１を囲む領域である。中間領域２３３は、内周領域２３１と外周領域２３２の間に位置する領域である。なお、第１主面２２１ａも第２主面２２１ｂと同様に内周領域２３１、外周領域２３２及び中間領域２３３を有する。
【0040】
図１８及び図１９に示すように、中間領域２３３には開口部２３４及び梁部２３５が設けられている。開口部２３４は図１５に示すように振動板２２１を貫通する孔であり、複数が設けられている。梁部２３５は中間領域２３３のうち開口部２３４が設けられていない部分であり、開口部２３４の間に位置する。図１８に示すように、内周領域２３１と外周領域２３２は開口部２３４によって離間され、梁部２３５によって互いに接続されている。
【0041】
また、図１８及び図１９に示すように、内周領域２３１には絶縁孔２３６が設けられている。絶縁孔２３６は図１５に示すように振動板２２１を貫通する孔であり、２つが設けられている。絶縁孔２３６は後述するように超音波振動子２０３を振動板２２１から絶縁するための孔である。
【0042】
側壁部２２２は、振動板２２１の周縁から第1主面２２１ａに対して垂直方向に延伸する壁状部分である。側壁部２２２は、図１６に示すように振動板２２１の全周にわたって設けられ、図１４に示すように振動板２２１と基板２０２の間を閉塞する。筐体２０１の材料は特に限定されないが、アルミニウム、アロイ、銅等の一般に振動板として利用される材料からなる。
【0043】
基板２０２は筐体２０１に接合され、筐体２０１と共に内部区間を形成する。基板２０２は図１４に示すように、側壁部２２２の端部に接合され、振動板２２１、側壁部２２２及び基板２０２に囲まれた内部空間Ｒが形成される。基板２０２は、第１主面２０２ａ及び第２主面２０２ｂを有する。第１主面２０２ａは振動板２２１の第１主面２２１ａ（図１５参照）と対向する主面であり、第２主面２０２ｂは第１主面２０２ａとは反対側の主面である。
【0044】
基板２０２は、図１４に示すように正極内部配線２４１及び負極内部配線２４２を備える。正極内部配線２４１は、第１主面２０２ａに接続された正極配線２０４と第２主面２０２ｂに設けられた正極外部端子２０６を電気的に接続する。負極内部配線２４２は第１主面２０２ａに接続された負極配線２０５と第２主面２０２ｂに設けられた負極外部端子２０７を電気的に接続する。正極内部配線２４１及び負極内部配線２４２は基板２０２に形成されたスルーホールを介して設けられている。
【0045】
超音波振動子２０３は超音波振動を発生し、振動板１２１を振動させる。図２０は超音波振動子２０３の断面図である。同図に示すように超音波振動子２０３は積層構造を有し、圧電体層２５１、正極内部電極２５２、負極内部電極２５３、正極外部電極２５４及び負極外部電極２５５を備える。圧電体層２５１はニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）又はチタン酸ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ３－ＰｂＴｉＯ３）等の圧電材料からなる。圧電体層２５１は第１主面２５１ａ及び第１主面２５１ａの反対側の第２主面２５１ｂを有する。また、圧電体層２５１の側面の一つを第１側面２５１ｃとし、第１側面２５１ｃの反対型の側面を第２側面２５１ｄとする。
【0046】
正極内部電極２５２及び負極内部電極２５３は、Ｎｉ、Ｃｕ又はＮｉ合金等の金属材料からなり、圧電体層１５１を介して交互に配置されている。正極内部電極２５２は圧電体層２５１の第１側面２５１ｃに端面が露出し、第２側面２５１ｄから離間するように形成されている。負極内部電極２５３は圧電体層２５１の第２側面２５１ｄに端面が露出し、第１側面２５１ｃから離間するように形成されている。正極外部電極２５４は第１側面２５１ｃ上と第１主面２５１ａ及び第２主面２５１ｂ上の第１側面２５１ｃ近傍に設けられ、正極内部電極２５２と電気的に接続されている。負極外部電極２５５は第２側面２５１ｄ上と第１主面２５１ａ及び第２主面２５１ｂ上の第２側面２５１ｄ近傍に設けられ、負極内部電極２５３と電気的に接続されている。
【0047】
超音波振動子２０３では、正極内部電極２５２と負極内部電極２５３の間に電圧を印加すると、圧電体層２５１において逆圧電効果が生じ、超音波振動が発生する。超音波振動子２０３は図１４に示すように振動板１２１に接合される。超音波振動子２０３の表面のうち第１主面２５１ａ側の面が振動板１２１に接合される面であり、以下この面を接合面２０３ａとする。図２１は振動板１２１に接合された超音波振動子１０３を示す斜視図である。同図に示すように超音波振動子１０３は第１主面１２１ａの内周領域１３１に接合される。
【0048】
接合面２０３ａには正極外部電極２５４及び負極外部電極２５５が露出するが、振動板２２１には絶縁孔２３６内が設けられており、正極外部電極２５４及び負極外部電極２５５は図1４に示すように絶縁孔２３６内に位置し、振動板２２１とは離間する。即ち、絶縁孔２３６によって正極外部電極２５４及び負極外部電極２５５は振動板２２１と絶縁されている。なお、超音波振動子２０３は図２１に示すように、接合面２０３ａから見て正方形とすることができるが、円形やその他の形状であってもよい。
【0049】
正極配線２０４（図１４参照）は正極外部電極２５４と正極内部配線２４１に接続され、これらを電気的に接続する。負極配線２０５（図１４参照）は、正極外部電極２５４と負極内部配線２４２に接続され、これらを電気的に接続する。
【0050】
正極外部端子２０６は超音波振動子２０３の正極用端子であり、基板２０２の第２主面２０２ｂに設けられている。正極外部端子２０６は正極内部配線２４１及び正極配線２０４を介して正極外部電極２５４に電気的に接続されている。負極外部端子２０７は超音波振動子２０３の負極用端子であり、基板２０２の第２主面２０２ｂに設けられている。負極外部端子２０７は負極内部配線２４２及び負極配線２０５を介して負極外部電極２５５に電気的に接続されている。
【0051】
超音波トランスデューサ２００は、図示しない実装対象基板の表面に設けられた端子に正極外部端子２０６及び負極外部端子２０７を接合することにより、実装対象基板に対する表面実装が可能である。
【0052】
超音波トランスデューサ２００は以上のような構成を有する。上記のように、筐体２０１及び基板２０２により内部空間Ｒ（図１４参照）が形成され、超音波振動子２０３はこの内部空間Ｒに収容されている。内部空間Ｒは振動板２２１に設けられた開口部２３４を介して外部空間Ｓと連通する。
【0053】
［超音波トランスデューサの動作及び効果］
超音波トランスデューサ２００では、正極外部端子２０６及び負極外部端子２０７を介して超音波振動子２０３の正極内部電極２５２及び負極内部電極２５３に電圧を印加すると、超音波振動子２０３が超音波振動を生じる。これにより、振動板２２１が所定の共振周波数で振動し、超音波を生成する。図２２は、内部空間Ｒ内における超音波の伝搬を示す模式図である。同図に矢印で示すように、生成された超音波は内部空間Ｒ内を伝搬し、内部空間Ｒから開口部２３４を通過して外部空間Ｓに放出される。
超音波トランスデューサ２００では、正極外部端子２０６及び負極外部端子２０７を介して超音波振動子２０３の正極内部電極２５２及び負極内部電極２５３に電圧を印加すると、超音波振動子２０３が超音波振動を生じる。これにより、振動板２２１が所定の共振周波数で振動し、超音波を生成する。図２２は、内部空間Ｒ内における超音波の伝搬を示す模式図である。同図に矢印で示すように、生成された超音波は内部空間Ｒ内を伝搬し、内部空間Ｒから開口部２３４を通過して外部空間Ｓに放出される。
【0054】
この開口部２３４の作用により、超音波トランスデューサ２００では音圧を向上することができる。また、開口部２３４の位置及びサイズにより、振動板２２１の共振周波数を所望の周波数に制御することができる。さらに開口部２３４により筐体２０１の剛性が低下するため、高い剛性により共振周波数が高くなりすぎる問題を回避し、所望の共振周波数を小型の筐体１０１にて実現することができる。
【0055】
また、超音波トランスデューサ２００はホーン等の超音波共振子を有さず、低背化に適した構造を有する。したがって、超音波トランスデューサ２００は良好な音圧特性と安定した周波数特性を実現することができると共に、小型化及び低背化に適した構造を有する。また、超音波振動子２０３を直接筐体２０１に接合する構成により、部品点数及び組み立て工数を抑え、安価に超音波トランスデューサ２００を実現することができる。
【0056】
さらに、超音波トランスデューサ２００は基板２０２の第２主面２０２ｂに設けられた正極外部端子２０６及び負極外部端子２０７によって実装対象基板に表面実装される。第２主面２０２ｂは、正極外部端子２０６及び負極外部端子２０７に対するリフローや半田付け等で最も熱処理の影響を受けるが、超音波振動子２０３は第２主面２０２ｂから内部空間Ｒによって隔てられているため、熱処理による影響を低減することが可能である。
【0057】
また、超音波振動子２０３は積層構造（図２０参照）を備えるが、積層構造を形成する際にスルーホールなど形成が困難な技術を用いずとも、コンデンサの様にシンプルな構造とすることができる。正極外部電極２５４及び負極外部電極２５５は絶縁孔２３６によって絶縁され、振動板２２１による短絡が防止されている。超音波振動子２０３を積層構造とすることにより、さらに音圧を向上させることが可能である。
【0058】
【0059】
［絶縁孔の他の形状について］
絶縁孔２３６の形状も上述のものに限られない。図２３乃至図２５は、他の形状を有する絶縁孔２３６を備える振動板２２１を第２主面２２１ｂ側から見た図である。上述のように超音波振動子２０３は正極外部電極２５４及び負極外部電極２５５備えるが、これらの外部電極は超音波振動子２０３の角部にのみ設けられてもよい。この場合、図２３乃至図２５に示すように、絶縁孔２３６は超音波振動子２０３の角部に対向する位置に設けられてもよい。
絶縁孔２３６の形状も上述のものに限られない。図２３乃至図２５は、他の形状を有する絶縁孔２３６を備える振動板２２１を第２主面２２１ｂ側から見た図である。上述のように超音波振動子２０３は正極外部電極２５４及び負極外部電極２５５備えるが、これらの外部電極は超音波振動子２０３の角部にのみ設けられてもよい。この場合、図２３乃至図２５に示すように、絶縁孔２３６は超音波振動子２０３の角部に対向する位置に設けられてもよい。
【0060】
正極外部電極２５４及び負極外部電極２５５を超音波振動子２０３の角部にのみ設けることにより、正極外部電極２５４及び負極外部電極２５５の材料を削減することができる。また、絶縁孔２３６を図２３乃至図２５に示す形状とすることにより、筐体２０１の中心対称性を向上させ、共振周波数近傍でのスプリットの影響を回避し、共振周波数における音圧ロスを抑制することができる。
【0061】
（非接触触覚提示デバイス）
本発明の第１の実施形態及び第２の実施形態に係る超音波トランスデューサにより非接触触覚提示デバイスを構成することが可能である。具体的には複数の超音波トランスデューサを平面状に配列し、触覚を提示したい空間上の位置で超音波が強め合うように各超音波トランスデューサの位相を制御することにより、当該位置において触覚を提示することができる。
本発明の第１の実施形態及び第２の実施形態に係る超音波トランスデューサにより非接触触覚提示デバイスを構成することが可能である。具体的には複数の超音波トランスデューサを平面状に配列し、触覚を提示したい空間上の位置で超音波が強め合うように各超音波トランスデューサの位相を制御することにより、当該位置において触覚を提示することができる。
【符号の説明】
【0062】
１００、２００…超音波トランスデューサ
１０１、２０１…筐体
１０２、２０２…基板
１０３、２０３…超音波振動子
１０４、２０４…正極配線
１０５、２０５…負極配線
１０６、２０６…正極外部端子
１０７、２０７…負極外部端子
１２１、２２１…振動板
１２２、２２１…側壁部
１３１、２３１…内周領域
１３２、２３２…外周領域
１３３、２３３…中間領域
１３４、２３４…開口部
１３５、２３５…梁部
２３６…絶縁孔
１０１、２０１…筐体
１０２、２０２…基板
１０３、２０３…超音波振動子
１０４、２０４…正極配線
１０５、２０５…負極配線
１０６、２０６…正極外部端子
１０７、２０７…負極外部端子
１２１、２２１…振動板
１２２、２２１…側壁部
１３１、２３１…内周領域
１３２、２３２…外周領域
１３３、２３３…中間領域
１３４、２３４…開口部
１３５、２３５…梁部
２３６…絶縁孔
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】