特許 7527680 超音波デバイス、インピーダンス整合層及び静電駆動デバイス

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-07-26

(45)【発行日】2024-08-05

(54)【発明の名称】超音波デバイス、インピーダンス整合層及び静電駆動デバイス

(51)【国際特許分類】

   H04R 19/00 20060101AFI20240729BHJP

【ＦＩ】

H04R19/00 330

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2022574003

(86)(22)【出願日】2021-12-23

(86)【国際出願番号】 JP2021048057

(87)【国際公開番号】W WO2022149486

(87)【国際公開日】2022-07-14

【審査請求日】2023-05-10

(31)【優先権主張番号】P 2021000922

(32)【優先日】2021-01-06

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成３０年度国立研究開発法人科学技術振興機構 戦略的創造研究推進事業 チーム型研究（ＣＲＥＳＴ）「実体化映像による多次元インタラクション」、産業技術力強化法第１７条の適用を受けるもの

(73)【特許権者】

【識別番号】504137912

【氏名又は名称】国立大学法人 東京大学

(74)【代理人】

【識別番号】110002789

【氏名又は名称】弁理士法人ＩＰＸ

(72)【発明者】

【氏名】篠田 裕之

(72)【発明者】

【氏名】神垣 貴晶

(72)【発明者】

【氏名】二宮 悠基

【審査官】金子 秀彦

(56)【参考文献】

【文献】特開昭５４－０７３６１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】KAMIGAKI, Takaaki et al.，Electrostatically Driven Airborne Ultrasound Transducer with Perforated Backplate for Nonlinear Acou，PROCEEDINGS of the 23rd International Congress on Acoustics，2019年09月13日，p.6363-6369

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０４Ｒ １９／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

超音波を送出する超音波デバイスであって、
静電駆動デバイスと、インピーダンス整合層とを備え、
前記静電駆動デバイスは、第１の電極と、第２の電極とを備え、
前記第１の電極は、駆動膜であり、前記第２の電極と対向する位置に、張力が印加されて配設され、
前記第２の電極は、貫通孔を備え、
前記第１の電極と前記第２の電極との少なくとも一方は、導電率の異なる複数の材料が積層された積層膜であり、
前記インピーダンス整合層は、整合膜と、気体とを備え、
前記整合膜は、
共振時ロスが送出される音響パワー以下であり、
前記第１の電極と対向する位置に、張力が印加されて配設され、
前記気体は、前記整合膜と前記第１の電極との間に封入され、
前記第１の電極に対向する前記整合膜の面と、対向する前記第１の電極の面との距離が、前記駆動膜の振幅と前記整合膜の振幅の比である振幅増幅率に応じた値である
超音波デバイス。

【請求項2】

インピーダンス整合層であって、
整合膜と、気体とを備え、
前記整合膜は、
共振時ロスが送出される音響パワー以下であり、
振動デバイスの振動面に対向する位置に、張力が印加されて配設され、
前記気体は、前記整合膜と前記振動面との間に封入され、
前記振動面に対向する前記整合膜の面と、該振動面との距離が、前記振動面の振幅と前記整合膜の振幅の比である振幅増幅率に応じた値である
インピーダンス整合層。

【請求項3】

請求項２に記載のインピーダンス整合層において、
前記距離は、第１の値以上であり、
前記第１の値は、第２の値に、前記整合膜の長さを乗じた値を５で除した値であり、
前記第２の値は、第３の値の平方根であり、
前記第３の値は、前記気体の気体粘性を前記気体の気体体積弾性率で除した値に１２を乗じ、さらに、前記整合膜を振動させる際の角周波数を乗じた値である
インピーダンス整合層。

【請求項4】

請求項２又は請求項３に記載のインピーダンス整合層において、
前記整合膜は、該整合膜の単体の最低次共振周波数が、該整合膜を振動させる際の周波数より小さくなる大きさである
インピーダンス整合層。

【請求項5】

静電駆動デバイスであって、
第１の電極と、第２の電極とを備え、
前記第１の電極は、駆動膜であり、前記第２の電極と対向する位置に、張力が印加されて配設され、
前記第２の電極は、貫通孔を備え、
前記第１の電極と前記第２の電極との少なくとも一方は、導電率の異なる複数の材料が積層された積層膜であり、
前記積層膜は、第１の層と、第２の層と、第３の層とが順に積層され、前記第３の層が他の電極と対向する位置に配設され、
前記第２の層の導電率は、前記第１の層の導電率よりも低く、
前記第３の層の導電率は、前記第１の層の導電率以下であり、前記第２の層の導電率よりも高く、
前記第１の層と前記第３の層とが電気的に接続されている
静電駆動デバイス。

【請求項6】

請求項５に記載の静電駆動デバイスにおいて、
前記第１の層は、第１の導体であり、
前記第２の層は、絶縁体であり、
前記第３の層は、第２の導体であり、
前記第２の導体の抵抗値は、前記第１の導体の抵抗値よりも高い
静電駆動デバイス。

【請求項7】

請求項５に記載の静電駆動デバイスにおいて、
前記第１の層は、第１の導体であり、
前記第２の層は、絶縁体であり、
前記第３の層は、第２の導体であり、
前記第１の導体と前記第２の導体とが、電気抵抗を介して接続されている
静電駆動デバイス。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、超音波デバイス、インピーダンス整合層及び静電駆動デバイスに関する。

【背景技術】

【0002】

強力な空中超音波を生成できる空中超音波フェーズドアレイ（Ａｉｒｂｏｒｎｅ Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ Ｐｈａｓｅｄ Ａｒｒａｙ：ＡＵＰＡ）は、各種計測やパラメトリックスピーカなどで利用されている他、 近年では、空中ハプティクスや微小あるいは軽量物体の浮遊、気流の制御など多岐に渡る応用での利用が検討されている。このため、高効率な超音波デバイスが提案されている（例えば、特許文献１、２、非特許文献１～５を参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１９－０２９８６２号公報

【文献】特開２０１８－０３７８６３号公報

【非特許文献】

【0004】

【文献】神垣 貴晶， 二宮 悠基， 篠田 裕之： 高効率・高出力な静電駆動型空中超音波振動子の開発， 計測自動制御学会論文集， Ｖｏｌ． ５４， Ｎｏ．３， ｐｐ． ３４０－ ３４５， ２０１８．

【文献】Ｔａｋａａｋｉ Ｋａｍｉｇａｋｉ， Ｙｕｋｉ Ｎｉｎｏｍｉｙａ， ａｎｄ Ｈｉｒｏｙｕｋｉ Ｓｈｉｎｏｄａ， "Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃａｌｌｙ Ｄｒｉｖｅｎ Ａｉｒｂｏｒｎｅ Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ Ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ ｗｉｔｈ Ｆｉｎｅ Ｍｅｓｈ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ，" ｉｎ Ｐｒｏｃ． ２０１８ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｆｌｅｘｉｂｌｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ （ＩＦＥＴＣ）， ｐｐ． １－３， Ａｕｇ． ７－９， ２０１８， Ｏｔｔａｗａ， Ｃａｎａｄａ．

【文献】Ｔａｋａａｋｉ Ｋａｍｉｇａｋｉ， ａｎｄ Ｈｉｒｏｙｕｋｉ Ｓｈｉｎｏｄａ， "Ｄｒｉｖｉｎｇ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ，" ｉｎ Ｐｒｏｃ． ２０１９ ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ （ＩＵＳ）， ＭｏＰｏＳ－３１．３， Ｏｃｔ．， ６－９， ２０１９， Ｇｌａｓｇｏｗ， Ｓｃｏｔｌａｎｄ．

【文献】Ｔａｋａａｋｉ Ｋａｍｉｇａｋｉ， Ｙｕｋｉ Ｎｉｎｏｍｉｙａ， ａｎｄ Ｈｉｒｏｙｕｋｉ Ｓｈｉｎｏｄａ， "Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃａｌｌｙ Ｄｒｉｖｅｎ Ａｉｒｂｏｒｎｅ Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ ｗｉｔｈ Ｐｅｒｆｏｒａｔｅｄ Ｂａｃｋｐｌａｔｅ ｆｏｒ Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，" ２３ｒｄ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｇｒｅｓｓ ｏｎ Ａｃｏｕｓｔｉｃｓ （ＩＣＡ２０１９）， ｐｐ． ６３６３－６３６９， Ｓｅｐ． ９－１３， Ａａｃｈｅｎ， Ｇｅｒｍａｎｙ．

【文献】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．

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

超音波デバイスは、高効率なシート状の振動子が実現できれば、既存デバイスへの組み込みや、車内や室内などの限られたスペースへの敷設が容易になるため、日常生活での活用や様々なインフラへの組み込みが可能になると考えられる。

【0006】

本発明では上記事情を鑑み、高出力かつ高効率で透明化が可能なシート状空中超音波デバイスを実現するための超音波デバイス、インピーダンス整合層及び静電駆動デバイスを提供することとした。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の一態様によれば、超音波を送出する超音波デバイスが提供される。この超音波デバイスは、静電駆動デバイスと、インピーダンス整合層とを備える。静電駆動デバイスは、第１の電極と、第２の電極とを備える。第１の電極は、駆動膜であり、第２の電極と対向する位置に、張力が印加されて配設される。第２の電極は、貫通孔を備える。第１の電極と第２の電極との少なくとも一方は、導電率の異なる複数の材料が積層された積層膜である。インピーダンス整合層は、整合膜と、気体とを備える。整合膜は、共振時ロスが送出される音響パワー以下である。第１の電極と対向する位置に、張力が印加されて配設される。気体は、整合膜と第１の電極との間に封入される。第１の電極に対向する整合膜の面と、対向する第１の電極の面との距離が、駆動膜の振幅と整合膜の振幅の比である振幅増幅率に応じた値である。

【0008】

本発明の一態様によれば、超音波デバイスを高出力かつ高効率とすることが提供可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本発明の実施形態に係る超音波デバイスの構成例を示した図である。

【図2】静電駆動デバイス２の構成例を示した図である。

【図3】静電駆動デバイス２の構成例を示した図である。

【図4】静電駆動デバイス２の構成例を示した図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、図面を用いて本発明の実施形態について説明する。以下に示す実施形態中で示した各種特徴事項は、互いに組み合わせ可能である。

【0011】

１．超音波デバイスの構成
図１は、本発明の実施形態に係る超音波デバイスの構成例を示した図である。同図に示すように、超音波デバイス１は、静電駆動デバイス２と、インピーダンス整合層３と、電源４とを備える。この超音波デバイス１は、超音波を空気中等に送出するデバイスである。

【0012】

静電駆動デバイス２は、第１の電極２１と、第２の電極２２とを備える。第１の電極２１は、駆動膜であり、第２の電極２２と対向する位置に、張力が印加されて配設される。また、第２の電極２２は、貫通孔を備える。第１の電極２１と第２の電極２２との少なくとも一方は、導電率の異なる複数の材料が積層された積層膜である。具体的には、第１の電極２１を導体で構成し、第２の電極２２を積層膜で構成する場合、第１の電極２１を積層膜で構成し、第２の電極２２を導体で構成する場合、第１の電極２１と第２の電極２２の両者を積層膜で構成する場合がある。第１の電極２１と第２の電極２２で異なる積層膜、例えば、一方が導体と絶縁体で構成される２層の積層膜、他方が導体と絶縁体と導体とで構成される３層の積層膜とすることも可能である。

【0013】

静電駆動デバイス２は、基板６の上に設けられたスペーサ５の上に設けられ、基板６側に第２の電極２２が設けられ、スペーサ２３を介して第１の電極２１が設けられる。基板６は、例えば、アクリル板や回路基板等で構成され、スペーサ５とスペーサ２３は、例えば、ポリイミドで構成される。なお、静電駆動デバイス２の詳細については後述する。

【0014】

インピーダンス整合層３は、整合膜３１と、気体３２とを備える。整合膜３１は、共振時ロスが送出される音響パワー以下であり、第１の電極２１と対向する位置に、張力が印加されて配設される。気体３２は、整合膜３１と前記第１の電極２１との間に封入される。第１の電極２１に対向する整合膜３１の面と、対向する第１の電極の面との距離が、駆動膜の振幅と整合膜の振幅の比である振幅増幅率に応じた値である。

【0015】

インピーダンス整合層３は、静電駆動デバイス２の上に設けられたスペーサ３３を介して整合膜３１が設けられる構成となる。スペーサ３３は、例えば、ポリイミドで構成される。なお、インピーダンス整合層３の詳細については後述する。

【0016】

電源４は、直流電源４１と交流電源４２の組み合わせにより、交流電源４２の電圧が直流電源４１の電圧でバイアスされた電圧、つまり、同じ極性で振動する電圧が、第１の電極２１と第２の電極２２の間に印加される。

【0017】

２．静電駆動デバイスの構成
図２乃至図４は、静電駆動デバイス２の構成例を示した図である。図２に示すように、静電駆動デバイス２は、第１の電極２１と、第２の電極２２とを備える。第１の電極２１は、駆動膜として動作（振動）するもので、導電率の異なる複数の材料が積層されたものであり、第２の電極２２と対向する位置に、張力が印加されて配設されたものである。具体的には、第１の電極２１は、第１の層２１１と、第２の層２１２とが積層され、第２の層２１２が第２の電極２２と対向する位置に配設される。第２の層２１２の導電率は、第１の層２１１の導電率よりも低い。例えば、第１の層２１１を導体とし、第２の層２１２を絶縁体とすることで、第２の層２１２の導電率が第１の層２１１の導電率よりも低いといった条件を満たすことができる。また、第２の層２１２は、絶縁体である必要はなく、十分に抵抗値の高い導体であってもよい。

【0018】

張力の印加は、所望の共振周波数で共振させるとともに、プルイン現象を抑制するためである。プルイン現象は、静電アクチュエータにおける一般的な問題であり、駆動膜が下部電極に張り付いて動作できなくなる現象である。これは、駆動膜が変位した際の振動膜に掛かる力の均衡、すなわち、静電気力と膜剛性による復元力の均衡が崩れることに起因する。平行平板型構造を定電圧駆動した場合、初期ギャップの１／３を超えて変位するとこの現象が起こる。典型的な平行平板型構造では、この変位を超えないよう駆動膜を動作させている。

【0019】

第２の電極２２は、貫通孔２２１を備える。この貫通孔２２１は、第１の電極２１と第２の電極２２との間に存在する気体によるリアクタンス成分を抑制するためのものである。つまり、貫通孔２２１は、駆動膜である第１の電極２１が振動した際に、第１の電極２１と第２の電極２２との間に存在する気体が貫通孔２２１を通じて、自由に出入りできるようにするためのものである。なお、第１の電極と第２の電極との少なくとも一方は、導電率の異なる複数の材料が積層された積層膜であるが、ここでは、第１の電極が積層膜である場合を説明する。なお、第１の電極２１と第２の電極２２との組み合わせとしては、第１の電極２１を導体で構成し、第２の電極２２を積層膜で構成する場合、第１の電極２１を積層膜で構成し、第２の電極２２を導体で構成する場合、第１の電極２１と第２の電極２２の両者を積層膜で構成する場合がある。第１の電極２１と第２の電極２２で異なる積層膜、例えば、一方が導体と絶縁体で構成される２層の積層膜、他方が導体と絶縁体と導体とで構成される３層の積層膜とすることも可能である。

【0020】

また、図３に示すように、第１の電極２１を、第１の層２１３と、第２の層２１４と、第３の層２１５とが順に積層されるように較正することもできる。この場合、第３の層２１５が第２の電極２２と対向する位置に配設される。この場合も、第１の電極２１には、張力が印加されている。また、第１の層２１３と第３の層２１５とは、電気的に接続されている。これにより、静電駆動デバイス２を動作させた際に、第２の層２１４の表面への電荷の永続的付着を防止することができる。第２の層２１４は、例えば、絶縁体であり、この絶縁体に、電荷が付着した場合、直流電源４１によるバイアス電圧が実効的に減少する。

【0021】

第２の層２１４の導電率は、第１の層２１３の導電率よりも低く、第３の層２１５の導電率は、第１の層２１３の導電率以下であり、第２の層２１４の導電率よりも高い。具体的には、第１の層２１３は、第１の導体であり、第２の層２１４は、絶縁体であり、第３の層２１５は、第２の導体である。

【0022】

また、第１の導体（第１の層２１３）と第２の導体（第３の層２１５）は、電気抵抗２１６を介して接続されている。この構成により、静電駆動デバイス２を動作させた際に、静電駆動デバイス２が圧迫されるなどの理由により、第１の電極２１と第２の電極２２とが接触した場合でも、理論上で無限大となる短絡電流が流れることがなく、電気抵抗２１６で制限された電流が流れるのみとなり、静電駆動デバイス２に大電流が流れることを防止することができる。もちろん、電気抵抗２１６が接続されている場合でも、第２の層２１４の表面への電荷の永続的付着を防止することができる。

【0023】

また、第１の層２１３を第１の導体とし、第２の層２１４を絶縁体とし、第３の層２１５を第２の導体として、第２の導体の抵抗値を第１の導体の抵抗値よりも高くすることで、電気抵抗２１６を省略する、つまり、電気抵抗２１６を接続しないようにすることも可能である。もちろん、電気抵抗２１６を接続することは可能である。なお、第３の層２１５を省略し、第２の層２１４の絶縁体にわずかに導電性を与え、同じ効果を得ることもできる。

【0024】

また、図４に示すように、第２の電極２２を、第１の導体２２２と、絶縁体２２３と、第２の導体２２４とが順に積層される構成とし、第１の導体２２２と第２の導体２２４とを電気的に接続し、同様の効果をえるようにすることも可能である。

【0025】

また、図２乃至図４に示すように、第２の電極２２は、貫通孔２２１を備える。この貫通孔２２１は、第１の電極２１と第２の電極２２との間に存在する気体によるリアクタンス成分を抑制するためのものである。つまり、貫通孔２２１は、駆動膜である第１の電極２１が振動した際に、第１の電極２１と第２の電極２２との間に存在する気体が貫通孔２２１を通じて、自由に出入りできるようにするためのものである。

【0026】

第１の電極２１と第２の電極２２との距離は、第１の電極２１と第２の電極２２との間で放電が生じる放電電圧を２乗した値を距離で除した値が、最大となる値である。具体的には、第１の電極２１と第２の電極２２との距離をＤ_ｄとすると、放電電圧Ｖは、Ｄ_ｄの関数として、Ｖ＝（Ｄ_ｄ）と表すことができる。このときの単位面積あたりの静電気力ｐは、ｐ＝εαＶ^２／（２Ｄ_ｄ ^２）となる。ただし、εは、第１の電極２１と第２の電極２２との間の気体の誘電率、αは、貫通孔２２１を有する第２の電極２２の導体占有率である。そして、振動膜である第１の電極２１の最大変位ｓをｓ＝ｒＤ_ｄ（ｒは１より小さい定数）とすれば、静電駆動デバイス２の電力上限値Ｗは、Ｗ＝ｐｓｆ＝εαｒｆＶ^２／（２Ｄ_ｄ）となる。ｆは、周波数である。εαｒｆ／２は定数であるから、静電駆動デバイス２の電力上限値Ｗを最大化する場合、Ｖ^２／Ｄ_ｄを最大化するＤ_ｄを決定すればよい。

【0027】

なお、第１の電極２１と第２の電極２２との間に、空気よりも放電が生じにくい性質を有する気体、例えば、六フッ化硫黄（ＳＦ_６）を充満させておくことで、第１の電極２１と第２の電極２２との間に放電を、より抑制することも可能である。これにより、放電電圧Ｖを高めることができ、その結果、電力上限値Ｗを増加させることができる。

【0028】

また、第１の電極２１をユニットに区切り、各ユニットの大きさを第１の電極２１の共振周波数が、駆動周波数に応じた値となる大きさとすることが望ましい。具体的には、各ユニットの大きさは、第１の電極２１の共振周波数が、駆動周波数に近い値になるように決定されることが望ましい。

【0029】

３．インピーダンス整合層の構成
図１に示すように、インピーダンス整合層３は、整合膜３１と、気体３２とを備える。インピーダンス整合層３は、静電駆動デバイス２の上に設けられたスペーサ３３を介して整合膜３１が設けられる。なお、インピーダンス整合層３は、静電駆動デバイス２以外の駆動デバイスと組み合わせて用いることも可能である。

【0030】

整合膜３１は、振動デバイスの振動面、例えば、静電駆動デバイス２の振動膜である第１の電極２１の第１の層２１１側の面に対向する位置に、張力が印加されて配設される。この整合膜３１には、開口が存在せず、振動面にも開口は存在しない。

【0031】

また、整合膜３１は、共振時ロスが送出される音響パワーと同程度、又は、それ以下である。整合膜３１単体での共振時ロスを表す、整合膜３１単体での機械インピーダンスの実部は、整合膜３１の質量インピーダンスを整合膜３１単体のＱ値で割った値である。整合膜３１単体での機械インピーダンスとは、整合膜３１が単独で存在するときの膜の振動速度に対する印加圧力の比であり、振動速度、印加圧力としては膜内平均値を用いたものである。具体的には、整合膜３１の面密度をσ［ｋｇ／ｍ^２］、角周波数をω［ｒａｄ／ｓ］、整合膜３１単体のＱ値をＱとした場合に、σω／Ｑが超音波の送出先となる空気の固有音響インピーダンスρｃと同程度、又は、それ以下である。なお、電気音響変換効率を考慮すると、σω／Ｑがρｃよりも十分に小さい値であることが望ましい。

【0032】

気体３２は、整合膜３１と振動面、例えば、静電駆動デバイス２の振動膜である第１の電極２１の第１の層２１１側の面との間に封入される。この気体３２は、例えば、空気である。振動面に対向する整合膜３１の面と、該振動面との距離つまり、整合膜３１と振動面の距離Ｄ_ｍは、振動面の振幅と整合膜の振幅の比である振幅増幅率に応じて決定される。具体的には、ｋが数１で表される場合、数２に示すｋＬが、５以下であることがＤ_ｍの条件であり、望ましくは、ｋＬが、５よりも十分に小さいことがＤ_ｍの条件である。なお、式中では、気体粘性をη［Ｐａ ｓ］、気体体積弾性率をκ［Ｐａ］、角周波数をω［ｒａｄ／ｓ］、整合膜３１の大きさをＬ［ｍ］としている。つまり、距離Ｄ_ｍは、数３に示す第１の値以上である。なお、ここで説明した距離Ｄ_ｍの条件は、気体３２の粘性ロスに基づくものであり、粘性ロスが問題とならない条件を示したものでもある。したがって、実際には、振幅増幅率に応じて距離Ｄ_ｍが決まるものの、距離Ｄ_ｍで決まる粘性および熱伝導によるロスが過大にならないように振幅増幅率を決める必要がある。

【数1】

【数2】

【数3】

【0033】

第１の値は、第２の値に、整合膜３１の長さＬを乗じた値を５で除した値であり、第２の値は、第３の値の平方根である。第３の値は、気体の気体粘性ηを気体の気体体積弾性率κで除した値に１２を乗じ、さらに、整合膜３１を振動させる際の角周波数ωを乗じた値である。

【0034】

例えば、Ｌ＝２ｍｍ、ω＝２π×８０ｋＨｚであれば、Ｄ_ｍは、１０μｍよりも十分に大きい値となる。

【0035】

４．ユニット
整合膜３１の大きさＬは、整合膜３１の単体の最低次共振周波数が、整合膜３１を振動させる際の周波数より小さくなる大きさである必要がある。これは、整合膜３１単体での駆動時リアクタンスが質量性（誘導性、リアクタンスが正の値）となるためである。このため、整合膜３１、第１の電極２１、第２の電極２２を所定の大きさとし、これらの辺縁部で固定されたものをユニットとし、このユニットを平面方向に集積してアレイとすることができる。ユニットは、例えば、整合膜３１等が、直径２ｍｍの円形のものである。

【0036】

５．実験結果
表１に示すパラメータにより実験を行った。その結果、８０ｋＨｚにおける目標振幅に、４６．２ｋＨｚで到達し、インピーダンス整合層３によって所定の振幅増幅効果が得られることが確認できた。

【表1】

【0037】

なお、表１中の第１の電極２１のＱ値と整合膜３１のＱ値は、いずれも、空気中において測定した値である。また、表１中の振幅増幅率は、駆動膜（第１の電極２１）の振幅に対する整合膜３１の振幅の比である。

【0038】

７．その他
本発明は、次に記載の各態様で提供されてもよい。
インピーダンス整合層であって、整合膜と、気体とを備え、前記整合膜は、共振時ロスが送出される音響パワー以下であり、振動デバイスの振動面に対向する位置に、張力が印加されて配設され、前記気体は、前記整合膜と前記振動面との間に封入され、前記振動面に対向する前記整合膜の面と、該振動面との距離が、前記振動面の振幅と前記整合膜の振幅の比である振幅増幅率に応じた値であるインピーダンス整合層。
前記インピーダンス整合層において、前記距離は、第１の値以上であり、前記第１の値は、第２の値に、前記整合膜の長さを乗じた値を５で除した値であり、前記第２の値は、第３の値の平方根であり、前記第３の値は、前記気体の気体粘性を前記気体の気体体積弾性率で除した値に１２を乗じ、さらに、前記整合膜を振動させる際の角周波数を乗じた値であるインピーダンス整合層。
前記インピーダンス整合層において、前記整合膜は、該整合膜の単体の最低次共振周波数が、該整合膜を振動させる際の周波数より小さくなる大きさであるインピーダンス整合層。
静電駆動デバイスであって、第１の電極と、第２の電極とを備え、前記第１の電極は、駆動膜であり、前記第２の電極と対向する位置に、張力が印加されて配設され、前記第２の電極は、貫通孔を備え、前記第１の電極と前記第２の電極との少なくとも一方は、導電率の異なる複数の材料が積層された積層膜である静電駆動デバイス。
前記静電駆動デバイスにおいて、前記積層膜は、第１の層と、第２の層とが積層され、前記第２の層が他の電極と対向する位置に配設され、前記第２の層の導電率は、前記第１の層の導電率よりも低い静電駆動デバイス。
前記静電駆動デバイスにおいて、前記積層膜は、第１の層と、第２の層と、第３の層とが順に積層され、前記第３の層が他の電極と対向する位置に配設され、前記第２の層の導電率は、前記第１の層の導電率よりも低く、前記第３の層の導電率は、前記第１の層の導電率以下であり、前記第２の層の導電率よりも高く、前記第１の層と前記第３の層とが電気的に接続されている静電駆動デバイス。
前記静電駆動デバイスにおいて、前記第１の層は、第１の導体であり、前記第２の層は、絶縁体であり、前記第３の層は、第２の導体であり、前記第２の導体の抵抗値は、前記第１の導体の抵抗値よりも高い静電駆動デバイス。
前記静電駆動デバイスにおいて、前記第１の層は、第１の導体であり、前記第２の層は、絶縁体であり、前記第３の層は、第２の導体であり、前記第１の導体と前記第２の導体とが、電気抵抗を介して接続されている静電駆動デバイス。
前記静電駆動デバイスにおいて、前記第１の電極は、ユニットに区切られ、前記ユニットの大きさは、前記第１の電極の共振周波数が、駆動周波数に応じた値となる大きさである静電駆動デバイス。
前記静電駆動デバイスにおいて、前記第１の電極と前記第２の電極との距離は、前記第１の電極と前記第２の電極との間で放電が生じる放電電圧を２乗した値を前記距離で除した値が、最大となる値である静電駆動デバイス。
前記静電駆動デバイスにおいて、前記第１の電極と前記第２の電極との間に、空気よりも放電が生じにくい性質を有する気体が充満されている静電駆動デバイス。
もちろん、この限りではない。

【符号の説明】

【0039】

１ ：超音波デバイス
２ ：静電駆動デバイス
３ ：インピーダンス整合層
４ ：電源
５ ：スペーサ
６ ：基板
２１ ：第１の電極
２２ ：第２の電極
２３ ：スペーサ
３１ ：整合膜
３２ ：気体
３３ ：スペーサ
４１ ：直流電源
４２ ：交流電源
２１１ ：第１の層
２１２ ：第２の層
２１３ ：第１の層
２１４ ：第２の層
２１５ ：第３の層
２１６ ：電気抵抗
２２１ ：貫通孔
２２２ ：第１の導体
２２３ ：絶縁体
２２４ ：第２の導体

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】