超音波照射装置
【課題】高い音圧が得られるｃＭＵＴを音源とする超音波照射装置を提供する。
【解決手段】超音波照射装置は、ｃＭＵＴ１１０と駆動制御手段１２０とを有する。駆動制御手段１２０は、下部電極１１４と上部電極１１７との間に、電圧を印加して、振動膜１１９を振動させて、ｃＭＵＴ１１０に超音波を射出させる。このとき、駆動制御手段１２０は、振動膜１１９を高次のモードで振動させる。このとき振動膜１１９は、その中央付近の広い面積を平坦な形状を維持しながら振動する。その結果、発生する超音波の指向性が高まり、高い音圧が得られる。
【解決手段】超音波照射装置は、ｃＭＵＴ１１０と駆動制御手段１２０とを有する。駆動制御手段１２０は、下部電極１１４と上部電極１１７との間に、電圧を印加して、振動膜１１９を振動させて、ｃＭＵＴ１１０に超音波を射出させる。このとき、駆動制御手段１２０は、振動膜１１９を高次のモードで振動させる。このとき振動膜１１９は、その中央付近の広い面積を平坦な形状を維持しながら振動する。その結果、発生する超音波の指向性が高まり、高い音圧が得られる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波照射装置、特に静電容量型超音波振動子を有する超音波照射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、超音波素子として、静電容量型の超音波発生ユニット（ｃａｐａｓｉｔｉｖｅ Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ；ｃＭＵＴ）が注目を集めている。一般にｃＭＵＴは、基板上に配置された下部電極、下部電極と対向する振動膜内に配置された上部電極、及び下部電極と上部電極との間に位置する空隙部を有する。この下部電極と上部電極との間に電圧を印加すると、当該電極間に静電吸引力が働く。そこで下部電極と上部電極との間に印加する電圧を交流電圧とすると、当該電極間に働く静電吸引力が変化し、振動膜は振動する。この振動により、ｃＭＵＴは超音波を射出する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２００４−５０３３１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一般に、ｃＭＵＴの下部電極と上部電極との間に電圧を印加して振動膜を振動させるとき、その振動振幅は、振動膜の中央に近いほど大きく、周縁に近いほど小さくなる。すなわち、振動膜は曲面形状を有して振動する。振動膜の振動によって発生する超音波は振動膜の法線方向に進行するので、曲面状に振動する振動膜によって射出される超音波は発散する。そのため、ｃＭＵＴを用いた超音波照射装置を用いて目標位置に超音波を照射しよとするとき、ｃＭＵＴから射出される超音波のエネルギが前記のように分散するため、目標位置において効率よく高い音圧を得ることは困難である。
【０００５】
そこで本発明は、目標位置において高い音圧を得ることができる、ｃＭＵＴを音源とする超音波照射装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記目的を果たすため、本発明の超音波照射装置の一態様は、上部電極を含む振動膜と、前記振動膜との間に空隙を介して該振動膜と対向する下部電極を含むベース部材と、を有する静電容量型超音波振動子と、前記上部電極と前記下部電極との間に駆動信号に基づく電圧を印加して前記振動膜を振動させることで、前記静電容量型超音波振動子に音波を射出させる駆動制御手段と、を具備する超音波照射装置であって、前記駆動信号は、周期を有しており、前記周期の数は２以上であり、前記振動膜の一部分の速度の向きが、該振動膜の他の部分の速度の向きと逆向きとなるように該振動膜を連続的に振動させる、前記電圧を前記上部電極と前記下部電極との間に印加するための信号であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、発生する超音波の指向性が高まるので、目標位置において高い音圧を得ることができる、ｃＭＵＴを音源とする超音波照射装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る超音波照射装置の構成例を示す図。
【図２】第１の実施形態に係るｃＭＵＴの一例の概略を示す上面図。
【図３】第１の実施形態に係るｃＭＵＴの出力音圧の周波数特性の一例を示す図。
【図４】第１の実施形態に係るｃＭＵＴの振動膜の変位の変化の一例を示す図。
【図５】駆動周波数を変化させたときのｃＭＵＴの出力音圧の周波数特性の一例の比較を示す図。
【図６】駆動周波数を変化させたときのｃＭＵＴの振動膜の変位の変化の一例を示す図。
【図７】駆動周波数を変化させたときのｃＭＵＴの出力音圧の一例の比較を示す図。
【図８】ｃＭＵＴの振動膜の振動を説明するための図。
【図９】第１の実施形態の変形例に係るｃＭＵＴの出力音圧の周波数特性の一例を示す図。
【図１０】駆動周波数を変化させたときの第１の実施形態の変形例に係るｃＭＵＴの振動膜の変位の変化の一例を示す図。
【図１１】駆動周波数を変化させたときの第１の実施形態の変形例に係るｃＭＵＴの出力音圧の一例の比較を示す図。
【図１２】第１の実施形態の変形例に係るｃＭＵＴの振動膜の振動を説明するための図。
【図１３】第２の実施形態に係るｃＭＵＴの一例の概略を示す断面図。
【図１４】第２の実施形態に係るｃＭＵＴの出力音圧の周波数特性の一例を示す図。
【図１５】第２の実施形態に係るｃＭＵＴの振動膜の振動を説明するための図。
【図１６】駆動周波数を変化させたときの第２の実施形態に係るｃＭＵＴの出力音圧の一例の比較を示す図。
【図１７】第２の実施形態に係るｃＭＵＴの振動膜の振動を説明するための図。
【図１８】第２の実施形態の変形例に係るｃＭＵＴの出力音圧の周波数特性の一例を示す図。
【図１９】第２の実施形態に係るｃＭＵＴの出力音圧の一例の比較を示す図。
【図２０】第２の実施形態に係るｃＭＵＴの振動膜の振動を説明するための図。
【図２１】第３の実施形態に係るｃＭＵＴの一例の概略を示す断面図。
【図２２】第３の実施形態に係るｃＭＵＴの出力音圧の一例の比較を示す図。
【図２３】第３の実施形態に係るｃＭＵＴの振動膜の振動を説明するための図。
【図２４】第３の実施形態に係るｃＭＵＴの出力音圧の一例の比較を示す図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態について図面を参照して説明する。本実施形態に係る超音波照射装置は、図１に示すように、超音波発生ユニットであるｃａｐａｓｉｔｉｖｅ Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ（ｃＭＵＴ）１１０と、ｃＭＵＴ１１０を制御しながら駆動する駆動制御手段１２０とを有する。
【００１０】
ｃＭＵＴ１１０の構成の概略を図１を参照して説明する。ここで図１には、ｃＭＵＴ１１０の断面図が示されている。ｃＭＵＴ１１０は、次のような構造を有する。
例えばシリコンのベース基板１１１上には、例えば熱酸化膜によって構成された第１の絶縁層１１２が形成されている。第１の絶縁層１１２上には、例えばＬＰ−ＳｉＮよりなる酸化防止膜１１３が形成されている。酸化防止膜１１３上には、例えばモリブデンからなる下部電極１１４が形成されている。下部電極１１４上には、例えばＬＰ−ＳｉＮからなる第２の絶縁層１１５が形成されている。
このように、例えばベース基板１１１、第１の絶縁層１１２、酸化防止膜１１３、下部電極１１４及び第２の絶縁層１１５は、全体としてベース部材として機能する。
【００１１】
第２の絶縁層１１５上には、キャビティ１１８を形成するように、例えばＬＰ−ＳｉＮからなる第３の絶縁層１１６が構築されている。第３の絶縁層１１６上には、例えばＴｉＮ／Ａｌからなる上部電極１１７が形成されている。第３の絶縁層１１６と上部電極１１７とによって、振動膜１１９が構成されている。
【００１２】
ｃＭＵＴ１１０の上面図を図２に示す。この図に示すように、キャビティ１１８は、円形をしている。ベース基板１１１や第３の絶縁層１１６等は、本実施形態では四角形をしている。ベース基板１１１や第３の絶縁層１１６、キャビティ１１８等の形状は、六角形など他の形状でもよい。
なお、ｃＭＵＴ１１０は、単独で用いてもよいが、アレイ状に配列して用いることが一般的である。以下の説明では、一つのｃＭＵＴ１１０について説明するが、それらをアレイ状に配列しても同様に動作し、同様の効果が得られる。
【００１３】
駆動制御手段１２０は、上部電極１１７と下部電極１１４と接続しており、駆動信号に基づいて、これら電極間に電圧を印加する。ｃＭＵＴ１１０において、上部電極１１７と下部電極１１４との間に電圧が印加されると、電極間の電気容量が変化し、これら電極間に働く静電吸引力が変化する。本実施形態では、ベース基板１１１は、振動膜１１９に対して十分な厚みを有しており、下部電極１１４及びその周辺の構造物は、ほぼ固定されている。したがって、静電吸引力の変化によって、上部電極１１７及び第３の絶縁層１１６からなる振動膜１１９が変位する。ここで、駆動制御手段１２０が上部電極１１７と下部電極１１４とに印加する電圧を交流にすると、振動膜１１９は振動する。超音波に相当する周波数で振動膜１１９を振動させると、ｃＭＵＴ１１０は、超音波を生じさせる。
【００１４】
本実施形態に係るｃＭＵＴ１１０のベース基板１１１の平面方向のキャビティ１１８の直径（以降セル径と称する）は、φ４０μｍである。また、このキャビティ１１８のベース基板１１１に対する法線方向の厚みは、２００ｎｍである。このｃＭＵＴ１１０は、振動膜１１９の振動の基本周波数が１５ＭＨｚとなるように設計されている。セル径が４０μｍでありキャビティ１１８の厚みが２００ｎｍであり基本周波数が１５ＭＨｚであるというのは、もちろん一例であり、これは他の実施形態でも説明するとおり、適宜変更することが可能である。
【００１５】
本実施形態に係る超音波照射装置の動作を説明する。駆動制御手段１２０は、次のような駆動信号をｃＭＵＴ１１０に出力して、ｃＭＵＴ１１０を動作させる。すなわち、駆動制御手段１２０は、下部電極１１４と上部電極１１７との間に、ｃＭＵＴ１１０の振動膜１１９の基本周波数（１５ＭＨｚ）の２倍の周波数である３０ＭＨｚの交流電圧を印加する。より詳しくは、まず、下部電極１１４と上部電極１１７との間に５Ｖのバイアス電圧を印加する。さらにここに、電圧５０Ｖ、周波数３０ＭＨｚの交流電圧を重畳する。なお、以降にはｃＭＵＴ１１０の周囲が水で満たされている場合を例に挙げてｃＭＵＴ１１０の周波数特性を示す。ｃＭＵＴ１１０の周囲は、他の液体や気体等、水以外の流体で満たされていてもよい。
【００１６】
上記のとおりｃＭＵＴ１１０を駆動したときの、振動膜１１９の中心であり振動膜１１９のキャビティ１１８とは反対側の面に接している流体部分（以下、直上中心と称する）で計測した音圧のＦＦＴ解析の結果を図３に（ａ）を付した実線で示す。図３において（ｂ）を付した破線は、ｃＭＵＴ１１０に単パルスを入力したときの振動特性を、参考のために示している。図３（ａ）に示すように、基本周波数１５ＭＨｚにおいて、固有振動を示す弱いピークが認められる。駆動周波数である３０ＭＨｚにおいて、強制振動における１次の振動モードを示すピークが認められる。さらに、１次の振動モードの２倍の周波数である６０ＭＨｚ付近において、２次の振動モードに対応するピークが認められる。ここで、駆動周波数である３０ＭＨｚ、すなわち１次の振動モードにおける音圧よりも、約６０ＭＨｚ、すなわち２次の振動モードにおける音圧の方が高いという特徴が確認できる。
【００１７】
上記のとおりｃＭＵＴ１１０を駆動したときの、振動膜１１９の中心部分における変位を図４に示す。図４における変位の値は、マイナスが振動膜１１９がベース基板１１１側に変位していることを表し、プラスがその逆を表している。後述の図６及び図１０においても変位の値の定義は同様とする。振動膜１１９の変位は、レーザ変位計等を用いて容易に計測することができる。図４から明らかなように、振動膜１１９の中心がマイナス側からプラス側に変位している途中で逆向きに変位する期間がある（図中に矢印で示す部分）。この振動挙動は、強制振動における（０，２）振動モード等、高次の振動モードに対応していると考えられる。
【００１８】
図４で認められる振動膜１１９の中心が逆向きに変位する期間では、振動膜１１９は、全体的にはマイナス側からプラス側に変位する速度を有しているが、中心部分ではその逆方向に変位する速度を有している。したがって、振動膜１１９の中心部分は、平板に近い形状となる。このような平坦な形状になることは、振動膜１１９全体がマイナス側からプラス側に変位する速度を有している場合に、振動膜１１９が全体的に曲面形状となることと対照的である。
【００１９】
このように、本実施形態に係る駆動信号は、周期を有しており、この周期の数は２以上であり、振動膜１１９の一部分の速度の向きが、振動膜１１９の他の部分の速度の向きと逆向きとなるように振動膜１１９を連続的に振動させる電圧を上部電極１１７と下部電極１１４との間に印加するための信号に対応している。
【００２０】
比較のため、駆動周波数を１５ＭＨｚ、２０ＭＨｚ、２５ＭＨｚとしたときの、本実施形態に係るｃＭＵＴ１１０の振動膜１１９の直上中心で計測した音圧のＦＦＴ解析の結果を、駆動周波数を３０ＭＨｚとしたときの結果と合わせて図５に示す。なお、駆動電圧は、何れの場合もバイアス電圧を５Ｖ、交流電圧を５０Ｖとする。以降の説明でも、特に断りがない限り、駆動電圧は同様とする。図５において、（ａ）を付した実線が３０ＭＨｚで駆動した場合の結果であり、（ｃ）を付した一点鎖線が１５ＭＨｚで駆動した場合の結果であり、（ｄ）を付した点線が２０ＭＨｚで駆動した場合の結果であり、（ｅ）を付した二点鎖線が２５ＭＨｚで駆動した場合の結果である。
【００２１】
この図に示すように、何れの駆動周波数でｃＭＵＴ１１０を駆動した場合も、駆動周波数の２倍の周波数において、２次の振動モードを表すピークが確認できる。何れの駆動周波数で駆動した場合も、駆動周波数において確認される強制振動における１次の振動モードの音圧よりも、２次の振動モードの周波数における音圧の方が高くなっている。また、この２次の振動モードにおける音圧は、駆動周波数が高い程、高いという特徴が確認できる。
【００２２】
図６に、駆動周波数が１５ＭＨｚであるときの振動膜１１９の中心部分における変位を示す。図６に示す場合においても、図４に示した駆動周波数が３０ＭＨｚの場合と同様に、振動膜１１９の中心がマイナス側からプラス側に変位している途中で、その変位速度が低下している期間がある（図中に矢印で示す部分）。この変位速度の低下は、図４に示した駆動周波数が３０ＭＨｚの振動膜１１９が逆向きに変位するときと同様に、（０，２）振動モード等、高次の振動モードに対応するものと考えられる。しかしながら、駆動周波数が３０ＭＨｚのときの振動膜１１９が逆向きに変位する期間の方が、駆動周波数が１５ＭＨｚのときの振動膜１１９の変位速度が低下する期間より長い。したがって、振動膜１１９が比較的平坦な形状をしている期間は、３０ＭＨｚで駆動したときの方が１５ＭＨｚで駆動したときよりも長いと考えられる。
【００２３】
駆動周波数を１５ＭＨｚ、２０ＭＨｚ、２５ＭＨｚ、３０ＭＨｚとしたときの、振動膜１１９の中心からベース基板１１１の法線方向に６０ｍｍ離れた位置における音圧の時間平均値を図７に示す。この図に示すように、ｃＭＵＴ１１０の基本周波数である１５ＭＨｚで駆動するよりも、より高い周波数で振動させたときの方が、音圧の時間平均値は高くなることが分かる。
【００２４】
上記のように、駆動周波数が高いときの方が、音圧が高くなる理由を説明する。基本周波数でｃＭＵＴ１１０を駆動した場合の、振動膜１１９の振動の様子を図８に示す。この図においては、分かり易さのため、ベース基板１１１のみが描かれており、下部電極１１４などベース基板１１１とキャビティ１１８との間の構造物は省略されている。また、図８において、振動膜１１９の厚み方向の変位が、強調されて拡大されて示されている。後述の図１２、図１５、図１７、図２０及び図２３においても同様である。
【００２５】
基本周波数で駆動した場合、振動膜１１９は、（０，１）振動モードの挙動を示す。すなわち、図８（ａ）に示すように振動膜１１９は、周縁部が固定され中心部の振幅が大きくなり、全体としては曲面状にたわむ。このとき、ベース基板１１１の法線方向に離れた位置の音圧をみると、振動膜１１９の中心部では、振動膜１１９の振動方向がベース基板１１１に対して法線方向に向くので、音圧が高くなる。しかしながら、振動膜１１９の周辺部では、振動膜１１９の振動方向がベース基板１１１に対して斜め方向となる。このため、超音波のエネルギは発散し、ベース基板１１１の法線方向の平均的な音圧が比較的小さくなる。このため、ｃＭＵＴ１１０によって発生する、ベース基板１１１の法線方向に離れた位置における音圧は、比較的小さくなる。
【００２６】
これに対して、本実施形態のように、基本周波数よりも高い、例えば３０ＭＨｚの周波数でｃＭＵＴ１１０を駆動すると、図４に示したとおり、振動膜１１９の中心がマイナス側からプラス側に変位している途中で、逆向きに変位する期間がある。この期間では、振動膜１１９の中心が逆向きに変位し、図８（ｂ）に示すように、振動膜１１９は、比較的平坦な形状をしている。このため、射出される超音波は、発散せず、その指向性が向上する。すなわち、ｃＭＵＴ１１０から射出される超音波のエネルギは、ベース基板１１１の法線方向に集中する。したがって、ベース基板１１１の法線方向に離れた位置におけるｃＭＵＴ１１０に由来する音圧は、比較的大きくなると考えられる。一般に、本実施形態のようにｃＭＵＴ１１０を連続波で駆動させるとき、時間平均で得られる音圧が重要である。このような時間平均で得られる音圧を向上させようとする場合、振動膜１１９が平坦な形状をすることにより指向性が向上する効果は、特に顕著に現れる。
【００２７】
図７から明らかなように、基本周波数より高い例えば２０ＭＨｚや２５ＭＨｚといった周波数で駆動すれば、３０ＭＨｚといった基本周波数の２倍の周波数で駆動する場合程ではないものの、基本周波数である１５ＭＨｚで駆動するよりも高い音圧が得られる。２０ＭＨｚや２５ＭＨｚで駆動しても高い音圧が得られる理由も、上記と同様に、振動膜１１９が平坦な形状で振動するためであると考えられる。すなわち、（０，２）振動モードに該当する周波数で駆動しなくとも、基本周波数より大きく（０，２）振動モードの周波数より低い周波数で駆動しても、比較的高い音圧が得られることがわかる。
【００２８】
以上のように、本実施形態によれば、ｃＭＵＴ１１０を基本周波数よりも高い周波数で駆動することにより、ベース基板１１１の法線方向に離れた位置、すなわち超音波照射の目標とする位置において、より高い音圧を得ることができる。したがって、本実施形態によれば、より高いエネルギを照射することができる、超音波照射装置を提供することができる。
【００２９】
［第１の実施形態の変形例］
第１の実施形態の変形例について説明する。本変形例の説明では、第１の実施形態との相違点について説明し、同一の部分については、同一の符号を付して説明を省略する。ｃＭＵＴ１１０においては、振動膜１１９の厚みや、セル径を変更することで、その基本周波数を変更することができる。本変形例では、第１の実施形態の場合よりも、振動膜１１９を薄くし、さらに、セル径をφ５５μｍと大きくして、当該ｃＭＵＴ１１０の基本周波数を第１の実施形態に係るｃＭＵＴ１１０よりも低い３ＭＨｚとしている。ｃＭＵＴ１１０について、その他の構造は、第１の実施形態の場合と同様である。
【００３０】
駆動周波数を３ＭＨｚ、４．５ＭＨｚ、６ＭＨｚとしたときの、振動膜１１９の直上中心で計測した音圧のＦＦＴ解析の結果を図９に示す。その他の条件は、第１の実施形態と同様である。図９において（ａ）を付した破線は３ＭＨｚで駆動した場合の結果を示し、（ｂ）を付した一点鎖線は４．５ＭＨｚで駆動した場合の結果を示し、（ｃ）を付した実線は６ＭＨｚで駆動した場合の結果を示す。
【００３１】
図９に示すように、何れの駆動周波数でｃＭＵＴ１１０を駆動した場合も、各駆動周波数において１次の振動モードを表すピークが確認できる。また、駆動周波数の２倍付近の周波数において２次の振動モードを表すピークが確認できる。さらに、本変形例の場合、ｃＭＵＴ１１０のＱ値が高いため、何れの周波数で駆動した場合も、基本周波数である３ＭＨｚの振動成分が認められる。強制振動による２次の振動モードにおける音圧は、駆動周波数が高い程、高くなっている。また、４．５ＭＨｚや６ＭＨｚの周波数で駆動した場合、駆動周波数に相当する周波数における音圧よりも、２次の振動モードに相当する周波数における音圧の方が高いという特徴が確認できる。一方、基本周波数である３ＭＨｚで駆動した場合、２次の振動モードである約６ＭＨｚにおける音圧は、基本周波数である３ＭＨｚにおける音圧よりも低いという特徴がある。
【００３２】
また、駆動周波数を３ＭＨｚ、４．５ＭＨｚ、６ＭＨｚとしたときの、振動膜１１９の中心部分における変位を図１０に示す。図１０（ａ）は、３ＭＨｚで駆動した場合の結果を示し、図１０（ｂ）は、４．５ＭＨｚで駆動した場合の結果を示し、図１０（ｃ）は、６ＭＨｚで駆動した場合の結果を示す。何れの場合においても、矢印で示すように、振動膜１１９の中心がそれまでとは逆向きに変位する期間がある。この期間において、振動膜１１９の中心は、比較的平坦な形状をしていると考えられる。
【００３３】
これらを比較すると、６ＭＨｚで駆動したとき（図１０（ｃ））は、３ＭＨｚで駆動したとき（図１０（ａ））よりも、振動膜１１９が逆向きに変位するときの変位量が大きい。また、４．５ＭＨｚで駆動したとき（図１０（ｂ））は、３ＭＨｚで駆動したとき（図１０（ａ））及び６ＭＨｚで駆動したとき（図１０（ｃ））よりも、振動膜１１９が逆向きに変位する頻度が高く、また、振動膜１１９が逆向きに変位するときの変位量が大きい。したがって、振動膜１１９が平坦な形状をしている時間は、４．５ＭＨｚで駆動するときの方が、３ＭＨｚや６ＭＨｚで駆動するときよりも長いと考えらえる。
【００３４】
駆動周波数を３ＭＨｚ、４．５ＭＨｚ、６ＭＨｚとしたときの、振動膜１１９の中心からベース基板１１１の法線方向に６０ｍｍ離れた位置における音圧の時間平均値を図１１に示す。４．５ＭＨｚで駆動したときに、最も高い音圧が得られる。４．５ＭＨｚで駆動したときに最も高い音圧が得られた理由としては、次のことが考えられる。４．５ＭＨｚで駆動すると以下の３つの周波数の振動が重畳すると考えられる。すなわち、１つ目は、駆動周波数の振動である。２つ目は、２次の振動モードの周波数における振動である。３つ目は、高いＱ値に由来する基本周波数の振動である。３つの周波数の振動が重畳することで、より効果的に音圧を得ることができると考えられる。さらに、振動膜１１９の中心の逆向き変位の頻度が多く、その変位量が大きいほど高い音圧が得られると考えられる。図１０（ｂ）に示すように、４．５ＭＨｚで駆動したとき、他の駆動周波数で駆動したときに比べて、振動膜１１９の中心の逆向きに変位する頻度が高く、その変位量が大きくなっている。これらのことから、当該ｃＭＵＴ１１０は、４．５ＭＨｚで駆動したときに、他に比べてより効率的に高い音圧が得られと考えられる。
【００３５】
超音波を照射する治療等に本超音波照射装置を用いるとき、出力周波数によって、得られる作用効果が異なる。例えば、超音波の照射対象物の共振周波数に合わせた超音波を照射する必要があり得る。このように、所望の周波数において高い音圧を得る必要がある場合、本実施形態で示したように、２次の振動モードの周波数がその所望の周波数となるように、セル径の大きさ等を変えて出力周波数を調整すると、効率的に高い音圧を得ることができる。出力周波数を調整するには、例えば基本周波数を下げたければセル径を大きくすればよいし、基本周波数を上げたければセル径を小さくすればよい。
【００３６】
また、セル径が大きいほど、振動膜１１９のうち平坦に近い形状となる部分の面積は大きくなる。例えば、セル径が３５μｍのとき、各位相におけるｃＭＵＴ１１０の変形の様子を模式的に表すと、図１２（ａ）のようになる。一方、セル径が５５μｍのとき、各位相におけるｃＭＵＴ１１０の変形の様子を模式的に表すと、図１２（ｂ）のようになる。これら模式図に示すように、セル径が大きい程、振動中の振動膜１１９の中央部分における平坦度は高くなる。このため、射出される超音波の指向性は向上し、高い音圧が得られる。
【００３７】
［第２の実施形態］
本発明の第２の実施形態について説明する。本実施形態の説明では、第１の実施形態との相違点について説明し、同一の部分については同一の符号を付して、説明を省略する。本実施形態に係るｃＭＵＴ２１０の構成の概略を図１３に示す。本実施形態に係るｃＭＵＴ２１０は、そのベース基板２１１の形状が第１の実施形態に係るｃＭＵＴ１１０と異なっている。
【００３８】
本実施形態に係るｃＭＵＴ２１０のベース基板２１１において、キャビティ１１８の下に相当する部分の厚さは、他の部分の厚さよりも薄くなっている。したがって、ベース基板２１１のうち他より薄い部分は、他の部分より剛性が低くなっている。この剛性が低い領域を変形領域２２２と称する。一方、変形領域２２２以外のベース基板２１１が厚い領域を支持領域２２４と称する。本ｃＭＵＴ２１０のその他の構成は、第１の実施形態のｃＭＵＴ１１０と同様である。なお、ｃＭＵＴ２１０の各部の寸法及び材質は、第１の実施形態の変形例と同様であり、セル径はφ５５μｍである。このように、ベース基板２１１は、ベース基板２１１の振動膜１１９と対向する面の法線であって、キャビティ１１９の重心を通る線が通過する領域である変形領域２２２と、変形領域２２２の周縁に位置する支持領域２２４とを含む。
【００３９】
また、本実施形態において、ベース基板２１１が薄くなっている部分であり、ベース基板２１１のキャビティ１１８と反対側の面、すなわち、変形領域２２２のキャビティ１１８と反対側の面には、空気が接しているものとする。空気に限らず、他の気体や、水等の液体が接していても、以下については、同様の結果が得られる。以降、本実施形態に係るｃＭＵＴ２１０をＦＦＬＤｃＭＵＴ２１０と称し、第１の実施形態の変形例に係るｃＭＵＴ１１０をＦＩＸＤｃＭＵＴ１１０と称する。
【００４０】
ＦＦＬＤｃＭＵＴ２１０とＦＩＸＤｃＭＵＴ１１０とを、それぞれ基本周波数である３ＭＨｚ、バイアス電圧を５Ｖ、交流電圧を５０Ｖの駆動信号で駆動したときの、振動膜１１９の直上中心で計測した音圧のＦＦＴ解析の結果を図１４に示す。図中（ａ）を付した実線は、ＦＦＬＤｃＭＵＴ２１０の周波数特性を示し、図中（ｂ）を付した破線は、ＦＩＸＤｃＭＵＴ１１０の周波数特性を示す。ＦＦＬＤｃＭＵＴ２１０の場合、６ＭＨｚ付近に認められる２次の振動モードにおける音圧は、基本周波数である３ＭＨｚにおける音圧よりも低い。また、ＦＦＬＤｃＭＵＴ２１０の場合、約９ＭＨｚに特異的なピークが確認される。
【００４１】
まず、ＦＦＬＤｃＭＵＴ２１０における振動挙動を、図１５を参照して説明する。ここでは、ＦＩＸＤｃＭＵＴ１１０を基本周波数で駆動した基本的な振動挙動と、ＦＦＬＤｃＭＵＴ２１０を高次の振動モードに相当する周波数で駆動したときとを比較しながら説明する。
【００４２】
図１５（ａ）に、ＦＩＸＤｃＭＵＴ１１０を基本周波数の駆動信号で駆動したときの振動の様子を示す。ここで、図１５（ａ）は、振動膜１１９の平面方向の中心を通り、ベース基板１１１と垂直な面に係る断面を示す。ＦＩＸＤｃＭＵＴ１１０では、ベース基板１１１がキャビティ１１８と比較して十分に厚い。このため、ベース基板１１１はほとんど振動せず、振動膜１１９のみが屈曲振動する。これは、駆動周波数をより高い周波数としたときも同様である。一方、図１５（ｂ）に、ＦＦＬＤｃＭＵＴ２１０を、９ＭＨｚで駆動したときの振動の様子を示す。図１５（ｂ）は、振動膜１１９の平面方向の中心を通り、ベース基板１１１と垂直な面に係る断面を示す。９ＭＨｚという周波数は、図１４においてＦＦＬＤｃＭＵＴ２１０に特異的に認められたピークに近い周波数である。ＦＦＬＤｃＭＵＴ２１０では、変形領域２２２においてベース基板２１１が薄いため剛性が低くなっており、変形領域２２２に相当する部分のベース基板２１１は、図１５（ａ）に示した場合と比較すると、大きく振動する。
【００４３】
また、その効果については後に詳述するが、ＦＩＸＤｃＭＵＴ１１０を基本周波数で駆動すると、図１５（ａ）に示す断面において、腹１５２を１箇所有し、節１５４を２箇所有する振動をする。その結果、ベース基板１１１に対して法線方向に伝搬する音波（以降、直進音波と称する）の図１５（ａ）に示す断面における幅は、次のようになる。すなわち、直進音波は、振動膜１１９のうちベース基板１１１と平行に近い面を有して振動する領域に対応する。直進音波の幅を図示すると、図１５（ａ）に示す直進音波１５０のようになる。一方、図１５（ｂ）に示すＦＦＬＤｃＭＵＴ２１０では、振動膜１１９は、図１５（ｂ）に示す断面において腹２５２を３箇所有し、節２５４を４箇所有する振動をする。その結果、図１５（ｂ）に示すように、この断面における３つの腹２５２の位置に直進音波２５０が生じる。
【００４４】
次に、ＦＦＬＤｃＭＵＴ２１０を、駆動周波数を３ＭＨｚ、６ＭＨｚ又は９ＭＨｚとしたときの、ＦＦＬＤｃＭＵＴ２１０の振動挙動を説明する。この３ＭＨｚ、６ＭＨｚ又は９ＭＨｚという周波数は、ＦＦＬＤｃＭＵＴ２１０を３ＭＨｚで駆動したときに、図１４に示したとおりピークが認められた周波数である。
【００４５】
駆動周波数３ＭＨｚ、６ＭＨｚ又は９ＭＨｚの駆動信号でＦＦＬＤｃＭＵＴ２１０を駆動したときの、振動膜１１９の中心からベース基板１１１の法線方向に６０ｍｍ離れた位置における音圧の時間平均値を、図１６に示す。ＦＦＬＤｃＭＵＴ２１０を、９ＭＨｚで駆動したとき、計測される音圧が他の場合に比べて非常に高いことがわかる。これらの場合のＦＦＬＤｃＭＵＴ２１０の変形の様子を図１７に示す。
【００４６】
図１７は、それぞれ位相３００°におけるＦＦＬＤｃＭＵＴ２１０の変形の様子を表している。図１７（ａ）は、３ＭＨｚで駆動したときの様子を示し、図１７（ｂ）は、６ＭＨｚで駆動したときの様子を示し、図１７（ｃ）は、９ＭＨｚで駆動したときの様子を示す。計測される音圧が低い６ＭＨｚで駆動したときは、図１７（ｂ）に示すように、振動膜１１９の変位方向とベース基板２１１の変位方向とが一致していることがわかる。逆に、計測される音圧が高い９ＭＨｚで駆動したとき、図１７（ｃ）に示すように、振動膜１１９の変位方向とベース基板２１１の変位方向とが逆向きになっている。このように、振動膜１１９の変位方向とベース基板２１１の変位方向とが逆向きとなり、さらにベース基板２１１の変位が大きいほど、出力される音圧が高くなることがわかる。
【００４７】
ＦＦＬＤｃＭＵＴ２１０の寸法を変えて、基本周波数を変化させたときの例を挙げて、さらに説明する。ここでは、２次の振動モードに相当する周波数が、１５ＭＨｚとなるように設計したＦＦＬＤｃＭＵＴ２１０を例に挙げる。このＦＦＬＤｃＭＵＴ２１０の特性を、基本周波数が１５ＭＨｚである第１の実施形態のｃＭＵＴ１１０の特性と比較する。なお、この例のＦＦＬＤｃＭＵＴ２１０のセル径は、第１の実施形態のｃＭＵＴ１１０のセル径よりも大きい。
【００４８】
本ＦＦＬＤｃＭＵＴ２１０と第１の実施形態のｃＭＵＴ１１０とを、それぞれ１５ＭＨｚで駆動したときの、振動膜１１９の直上中心で計測した音圧のＦＦＴ解析の結果を図１８に示す。図中（ａ）を付した実線は、ＦＦＬＤｃＭＵＴ２１０の周波数特性を示し、図中（ｂ）を付した破線は、第１の実施形態のｃＭＵＴ１１０の周波数特性を示す。第１の実施形態のｃＭＵＴ１１０の場合の音圧に比較して、ＦＦＬＤｃＭＵＴ２１０の場合の音圧は低い。これに対して、それぞれ１５ＭＨｚで駆動したときの、振動膜１１９の中心からベース基板１１１の法線方向に６０ｍｍ離れた位置における音圧の時間平均値は、図１９に示すようになる。すなわち、振動膜１１９の中心からベース基板１１１の法線方向に６０ｍｍ離れた位置における音圧の時間平均値は、ＦＦＬＤｃＭＵＴ２１０の場合において、ｃＭＵＴ１１０の場合の約５．３倍となっている。
【００４９】
本ＦＦＬＤｃＭＵＴ２１０の振動の様子を図２０に示す。ここで、図２０（ａ）は、位相１０°のときのＦＦＬＤｃＭＵＴ２１０の様子を模式的に示し、図２０（ｂ）は、位相１８０°のときのＦＦＬＤｃＭＵＴ２１０の様子を模式的に示す。図２０（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ振動膜１１９の平面方向の中心を通り、ベース基板１１１と垂直な面に係る断面を示す。ＦＦＬＤｃＭＵＴ２１０では、図１５（ｂ）に示した場合と同様に、図２０（ａ）及び（ｂ）に示す断面において、腹２５２の数が３つであり、節２５４の数が４つである。また、図１７（ｃ）に示す場合と同様に、振動膜１１９の変位方向と、変形領域２２２のベース基板２１１の変位方向とは、逆向きになっている。これは先述した第一の実施形態で説明した「振動膜が平坦な形状」となることに相当する。
【００５０】
以上のことから、ＦＦＬＤｃＭＵＴ２１０を用いて、振動膜１１９の中心からベース基板１１１の法線方向に６０ｍｍ離れた位置における音圧の時間平均値が高くなる理由は次のように説明できる。
図１５（ａ）に示したＦＩＸＤｃＭＵＴ１１０を基本周波数で駆動した場合には、振動膜１１９においては、腹１５２の数が１つであるので、瞬間的な直進音波１５０の幅と、時間平均的な直進音波１５０の幅とは等しくなる。これに対して、図１５（ｂ）及び図２０に示したＦＦＬＤｃＭＵＴ２１０では、腹２５２の数が３つであるので、腹２５２部分の振動膜１１９の変位に応じて、瞬間的な直進音波２５０の位置は、図２０（ａ）と図２０（ｂ）とのように、時間とともに変化する。このため、瞬間的な直進音波２５０の幅と、時間平均的な直進音波２５０の幅とは異なる。すなわち、時間平均的な直進音波２５０の幅は、瞬間的な直進音波２５０の幅よりも広がる。その結果、振動膜１１９の中心からベース基板１１１の法線方向に６０ｍｍ離れた位置における音圧の時間平均値が、高くなる。
【００５１】
さらに、駆動周波数を適切に選択すると、図１７（ｃ）に示すように、振動膜１１９の変位方向とベース基板２１１の変位方向とが逆向きになる。このように、振動膜１１９の変位方向とベース基板２１１の変位方向とが逆向きとなると、変位の方向が逆向きになる場合に比べて、振動膜１１９の中心からベース基板１１１の法線方向に６０ｍｍ離れた位置における音圧の時間平均値が高くなる。
【００５２】
以上まとめると、本実施形態のＦＦＬＤｃＭＵＴ２１０のように、ベース基板１１１の一部を薄くして、ベース基板１１１が振動するようにし、振動の腹の数を複数とし、さらに、振動膜１１９の変位方向とベース基板２１１の変位方向とが逆向きになるようにすると、超音波の照射によって目標位置において高い音圧が得られる。すなわち、本実施形態においても、振動膜１１９が逆向きに変位する期間があり、そのため振動膜が平坦な形状となり超音波の指向性が向上する。なお、これらの条件は、必ずしも全てを同時に満たす必要はない。ただし、全て同時に条件を満たすとき、特に高い音圧が得られる。
【００５３】
このように、超音波照射装置において、ベース部材２１１も連続的に振動するＦＦＬＤｃＭＵＴ２１０を用い、振動膜１１９のうち特定の領域における振動中心に対する変位の向きと、前記領域と対向するベース部材２１１の領域における振動中心に対する変位の向きとが逆向きとなるように振動させる駆動信号を用いると、高い出力が得られる。このような超音波照射装置は、高音圧を実現できるので治療用のデバイスとして有効である。
【００５４】
なお、本実施形態及びその変形例では、変形領域２２２をキャビティ１１８のサイズに合わせると説明したが、これに限定されるものではない。変形領域２２２は、キャビティ１１８よりも広くてもよいし、狭くてもよい。好ましくは、本実施形態と同様に、変形領域２２２とキャビティ１１８とは、サイズが一致させるとよい。
【００５５】
また、本実施形態では、ベース基板１１１の変形領域２２２を支持領域２２４よりも薄くすることで、変形領域２２２の剛性を支持領域２２４の剛性より小さくしている。これに対して、変形領域２２２を構成する物質のヤング率を、支持領域２２４を構成する物質のヤング率より低くすることで、変形領域２２２の剛性を下げても、同様の効果が得られる。
【００５６】
［第３の実施形態］
本発明の第３の実施形態について説明する。ここで本実施形態の説明では、第２の実施形態との相違点について説明し、同一の部分には同一の符号を付して説明を省略する。本実施形態に係るＦＦＬＤｃＭＵＴ３１０は、図２１に示すように、第２の実施形態に係るＦＦＬＤｃＭＵＴ２１０の上部電極１１７上に、例えばテトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）からなる質量部３１１が形成されている。さらに、上部電極１１７及び質量部３１１の上部を覆うように、例えばＰ−ＳｉＮからなる保護膜３１２が形成されている。この質量部３１１及び保護膜３１２により、突起部３１５が形成されている。その他の構造は、第２の実施形態に係るＦＦＬＤｃＭＵＴ２１０と同様である。
【００５７】
ＦＦＬＤｃＭＵＴ２１０では、変形領域２２２のベース基板２１１も振動するため、駆動電圧によっては、下部電極１１４側と上部電極１１７側が接触するいわゆるｃｏｌｌａｐｓｅが生じやすくなる。これに対して本実施形態では、質量部３１１を、図２０を参照して説明した中心から遠い側の腹２５２よりも外側まで設けることによって、振動膜１１９に適度な剛性を持たせ、ｃｏｌｌａｐｓｅを防ぐことができる。なお、ベース基板１１１の法線方向から見た質量部３１１の面積は、キャビティ１１８の面積よりも狭いことが好ましい。
【００５８】
第１の実施形態の変形例に係るＦＩＸＤｃＭＵＴ１１０と、第２の実施形態に係るＦＦＬＤｃＭＵＴ２１０と、前記ＦＩＸＤｃＭＵＴ１１０に突起部３１５を設けたＢｏｓｓ−ＦＩＸＤｃＭＵＴと、ＦＦＬＤｃＭＵＴ２１０に突起部３１５を設けた本実施形態に係るＢｏｓｓ−ＦＦＬＤｃＭＵＴ３１０とを、それぞれ駆動周波数６ＭＨｚ又は９ＭＨｚで駆動したときの、振動膜１１９の中心からベース基板１１１の法線方向に６０ｍｍ離れた位置における音圧の時間平均値を図２２に示す。
【００５９】
突起部３１５を設けると、突起部３１５を設けていない場合に比較して、得られる音圧が高くなる。特に、変形領域２２２を設けた場合、第２の実施形態で説明したベース基板２１１が容易に変形して屈曲振動をすることによる効果と、突起部３１５を設けた効果とが重畳して、高い音圧が得られる。例えば、変形領域２２２を設けた場合に特異的に認められる振動モードを利用した９ＭＨｚで駆動した場合を比較すると、Ｂｏｓｓ−ＦＦＬＤｃＭＵＴ３１０では、ＦＩＸＤｃＭＵＴ１１０の約３倍、ＦＦＬＤｃＭＵＴ２１０の約１．２倍の音圧が得られる。
【００６０】
以上のとおり、本実施形態のように突起部３１５を設けることで、ｃｏｌｌａｐｓｅを防ぎながら高次の振動モードを利用して高い出力が得られるｃＭＵＴを実現できる。本実施形態によれば、例えば治療向けデバイスとして用いることができる、高音圧を出力できる優れた超音波照射装置を提供できる。
【００６１】
なお、高次の振動モードを積極的に利用したい場合、所望するモードに現れる同心円の節、及び必要であれば直径方向の節の位置に合わせて、突起部３１５の寸法を設定するとよい。より高次の振動モードを利用したい場合は、突起部の幅寸法をそのモードの節に合わせるようにさらに小さくする、又は、節に沿って突起部３１５を形成するようにすればよい。
【００６２】
本実施形態では、質量部３１１の材料としてＴＥＯＳを用いているが、ＳｉＮなど他の材料を用いて形成してもよい。
なお、上部電極１１７の音響インピーダンスは、質量部３１１の音響インピーダンスよりも大きく、質量部３１１の音響インピーダンスは、保護膜３１２の音響インピーダンス以上であることが好ましい。
【００６３】
また、本実施形態では、第２の実施形態に係るＦＦＬＤｃＭＵＴ２１０に突起部３１５を設けた構成を主に説明したが、第１の実施形態に係るｃＭＵＴ１１０に突起部３１５を設けた構成としても、突起部３１５が配置されていることによる効果は得られる。
【００６４】
［第３の実施形態の変形例］
本発明の第３の実施形態の変形例について説明する。本変形例の一態様は、第３の実施形態に係るＢｏｓｓ−ＦＦＬＤｃＭＵＴ３１０において、突起部３１５の形状を周縁部が薄い階段状にしている。このような階段状の突起部３１５を有するｃＭＵＴを、以降においてＬａｄｄｅｒ−Ｂｏｓｓ−ＦＦＬＤｃＭＵＴ３３０と称する。また本変形例の別の一態様では、第３の実施形態に係るＢｏｓｓ−ＦＦＬＤｃＭＵＴ３１０において、突起部３１５の周縁部の一部を薄くして、突起部３１５がヒンジ状の部分を有する形状としている。以降においてヒンジ部をもつ突起部３１５を有するｃＭＵＴを、Ｈｉｎｇｅ−Ｂｏｓｓ−ＦＦＬＤｃＭＵＴ３４０と称する。なお、何れの場合も質量部３１１の材料は、ＳｉＮとしている。その他の構成は、第３の実施形態に係るＢｏｓｓ−ＦＦＬＤｃＭＵＴ３１０と同様である。
【００６５】
これらを正弦波で駆動したときの位相９０°における変形の様子を図２３に示す。図２３（ａ）は、第３の実施形態に係るＢｏｓｓ−ＦＦＬＤｃＭＵＴ３１０の場合を示す。図２３（ｂ）は、Ｌａｄｄｅｒ−Ｂｏｓｓ−ＦＦＬＤｃＭＵＴ３３０の場合を示す。図２３（ｃ）は、Ｈｉｎｇｅ−Ｂｏｓｓ−ＦＦＬＤｃＭＵＴ３４０の場合を示す。これらの図に示すように、振動膜１１９及び突起部３１５は、薄くなっている箇所で変形している。薄い場所がほとんどない図２３（ａ）に示すＢｏｓｓ−ＦＦＬＤｃＭＵＴ３１０では、突起部３１５の全体が大きく湾曲している。これに対して、図２３（ｂ）に示すＬａｄｄｅｒ−Ｂｏｓｓ−ＦＦＬＤｃＭＵＴ３３０、及び図２３（ｃ）に示すＨｉｎｇｅ−Ｂｏｓｓ−ＦＦＬＤｃＭＵＴ３４０では、振動膜１１９及び突起部３１５が薄くなっている領域が十分にあるため、突起部３１５が平坦な形状を保ったまま振動膜１１９が振動している。このように、突起部３１５が平坦な形状のまま振動するので、音波の指向性がよく、直進音波の幅が広くなる。
【００６６】
Ｂｏｓｓ−ＦＦＬＤｃＭＵＴ３１０、Ｈｉｎｇｅ−Ｂｏｓｓ−ＦＦＬＤｃＭＵＴ３４０、及びＬａｄｄｅｒ−Ｂｏｓｓ−ＦＦＬＤｃＭＵＴ３３０のそれぞれに、周波数５ＭＨｚ、バイアス電圧５０Ｖ、交流電圧５０Ｖの駆動信号を印加したときの、振動膜１１９の中心からベース基板１１１の法線方向に６０ｍｍ離れた位置における音圧の時間平均値を図２４に示す。Ｂｏｓｓ−ＦＦＬＤｃＭＵＴ３１０と比較して、Ｌａｄｄｅｒ−Ｂｏｓｓ−ＦＦＬＤｃＭＵＴ３３０及びＨｉｎｇｅ−Ｂｏｓｓ−ＦＦＬＤｃＭＵＴ３４０の何れの場合においても、高い音圧が得られている。
【００６７】
なお、Ｌａｄｄｅｒ−Ｂｏｓｓ−ＦＦＬＤｃＭＵＴ３３０及びＨｉｎｇｅ−Ｂｏｓｓ−ＦＦＬＤｃＭＵＴ３４０の何れにおいても、段差やヒンジの位置を、所望のモードにおける節の位置に合わせて設けることで、振動変位をさらに大きくすることができる。その結果、さらに得られる音圧を高くすることができる。
【００６８】
ｃＭＵＴは、単独で用いてもよいが、アレイ状に配列して用いることが一般的である。第１乃至第３の何れの実施形態及びそれらの変形例においても、ｃＭＵＴをアレイ状に配置してよいことはもちろんである。何れのｃＭＵＴをアレイ状に並べても、前記した効果が得られることはもちろんである。
第１乃至第３の実施形態及びそれらの変形例として説明した上記ｃＭＵＴに係る技術は、例えば超音波診断装置の音源に利用することができる。
【００６９】
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除しても、発明が解決しようとする課題の欄で述べられた課題が解決でき、かつ、発明の効果が得られる場合には、この構成要素が削除された構成も発明として抽出され得る。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【００７０】
１１０…ｃＭＵＴ、１１１…ベース基板、１１２…第１の絶縁層、１１３…酸化防止膜、１１４…下部電極、１１５…第２の絶縁層、１１６…第３の絶縁層、１１７…上部電極、１１８…キャビティ、１１９…振動膜、１２０…駆動制御手段、１５０…直進音波、１５２，２５２…腹、１５４，２５４…節、２１０…ＦＦＬＤｃＭＵＴ、２１１…ベース基板、２２２…変形領域、２２４…支持領域、２５０…直進音波、３１０…Ｂｏｓｓ−ＦＦＬＤｃＭＵＴ、３１１…質量部、３１２…保護膜、３１５…突起部、３３０…Ｌａｄｄｅｒ−Ｂｏｓｓ−ＦＦＬＤｃＭＵＴ、３４０…Ｈｉｎｇｅ−Ｂｏｓｓ−ＦＦＬＤｃＭＵＴ。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波照射装置、特に静電容量型超音波振動子を有する超音波照射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、超音波素子として、静電容量型の超音波発生ユニット（ｃａｐａｓｉｔｉｖｅ Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ；ｃＭＵＴ）が注目を集めている。一般にｃＭＵＴは、基板上に配置された下部電極、下部電極と対向する振動膜内に配置された上部電極、及び下部電極と上部電極との間に位置する空隙部を有する。この下部電極と上部電極との間に電圧を印加すると、当該電極間に静電吸引力が働く。そこで下部電極と上部電極との間に印加する電圧を交流電圧とすると、当該電極間に働く静電吸引力が変化し、振動膜は振動する。この振動により、ｃＭＵＴは超音波を射出する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２００４−５０３３１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一般に、ｃＭＵＴの下部電極と上部電極との間に電圧を印加して振動膜を振動させるとき、その振動振幅は、振動膜の中央に近いほど大きく、周縁に近いほど小さくなる。すなわち、振動膜は曲面形状を有して振動する。振動膜の振動によって発生する超音波は振動膜の法線方向に進行するので、曲面状に振動する振動膜によって射出される超音波は発散する。そのため、ｃＭＵＴを用いた超音波照射装置を用いて目標位置に超音波を照射しよとするとき、ｃＭＵＴから射出される超音波のエネルギが前記のように分散するため、目標位置において効率よく高い音圧を得ることは困難である。
【０００５】
そこで本発明は、目標位置において高い音圧を得ることができる、ｃＭＵＴを音源とする超音波照射装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記目的を果たすため、本発明の超音波照射装置の一態様は、上部電極を含む振動膜と、前記振動膜との間に空隙を介して該振動膜と対向する下部電極を含むベース部材と、を有する静電容量型超音波振動子と、前記上部電極と前記下部電極との間に駆動信号に基づく電圧を印加して前記振動膜を振動させることで、前記静電容量型超音波振動子に音波を射出させる駆動制御手段と、を具備する超音波照射装置であって、前記駆動信号は、周期を有しており、前記周期の数は２以上であり、前記振動膜の一部分の速度の向きが、該振動膜の他の部分の速度の向きと逆向きとなるように該振動膜を連続的に振動させる、前記電圧を前記上部電極と前記下部電極との間に印加するための信号であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、発生する超音波の指向性が高まるので、目標位置において高い音圧を得ることができる、ｃＭＵＴを音源とする超音波照射装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る超音波照射装置の構成例を示す図。
【図２】第１の実施形態に係るｃＭＵＴの一例の概略を示す上面図。
【図３】第１の実施形態に係るｃＭＵＴの出力音圧の周波数特性の一例を示す図。
【図４】第１の実施形態に係るｃＭＵＴの振動膜の変位の変化の一例を示す図。
【図５】駆動周波数を変化させたときのｃＭＵＴの出力音圧の周波数特性の一例の比較を示す図。
【図６】駆動周波数を変化させたときのｃＭＵＴの振動膜の変位の変化の一例を示す図。
【図７】駆動周波数を変化させたときのｃＭＵＴの出力音圧の一例の比較を示す図。
【図８】ｃＭＵＴの振動膜の振動を説明するための図。
【図９】第１の実施形態の変形例に係るｃＭＵＴの出力音圧の周波数特性の一例を示す図。
【図１０】駆動周波数を変化させたときの第１の実施形態の変形例に係るｃＭＵＴの振動膜の変位の変化の一例を示す図。
【図１１】駆動周波数を変化させたときの第１の実施形態の変形例に係るｃＭＵＴの出力音圧の一例の比較を示す図。
【図１２】第１の実施形態の変形例に係るｃＭＵＴの振動膜の振動を説明するための図。
【図１３】第２の実施形態に係るｃＭＵＴの一例の概略を示す断面図。
【図１４】第２の実施形態に係るｃＭＵＴの出力音圧の周波数特性の一例を示す図。
【図１５】第２の実施形態に係るｃＭＵＴの振動膜の振動を説明するための図。
【図１６】駆動周波数を変化させたときの第２の実施形態に係るｃＭＵＴの出力音圧の一例の比較を示す図。
【図１７】第２の実施形態に係るｃＭＵＴの振動膜の振動を説明するための図。
【図１８】第２の実施形態の変形例に係るｃＭＵＴの出力音圧の周波数特性の一例を示す図。
【図１９】第２の実施形態に係るｃＭＵＴの出力音圧の一例の比較を示す図。
【図２０】第２の実施形態に係るｃＭＵＴの振動膜の振動を説明するための図。
【図２１】第３の実施形態に係るｃＭＵＴの一例の概略を示す断面図。
【図２２】第３の実施形態に係るｃＭＵＴの出力音圧の一例の比較を示す図。
【図２３】第３の実施形態に係るｃＭＵＴの振動膜の振動を説明するための図。
【図２４】第３の実施形態に係るｃＭＵＴの出力音圧の一例の比較を示す図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態について図面を参照して説明する。本実施形態に係る超音波照射装置は、図１に示すように、超音波発生ユニットであるｃａｐａｓｉｔｉｖｅ Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ（ｃＭＵＴ）１１０と、ｃＭＵＴ１１０を制御しながら駆動する駆動制御手段１２０とを有する。
【００１０】
ｃＭＵＴ１１０の構成の概略を図１を参照して説明する。ここで図１には、ｃＭＵＴ１１０の断面図が示されている。ｃＭＵＴ１１０は、次のような構造を有する。
例えばシリコンのベース基板１１１上には、例えば熱酸化膜によって構成された第１の絶縁層１１２が形成されている。第１の絶縁層１１２上には、例えばＬＰ−ＳｉＮよりなる酸化防止膜１１３が形成されている。酸化防止膜１１３上には、例えばモリブデンからなる下部電極１１４が形成されている。下部電極１１４上には、例えばＬＰ−ＳｉＮからなる第２の絶縁層１１５が形成されている。
このように、例えばベース基板１１１、第１の絶縁層１１２、酸化防止膜１１３、下部電極１１４及び第２の絶縁層１１５は、全体としてベース部材として機能する。
【００１１】
第２の絶縁層１１５上には、キャビティ１１８を形成するように、例えばＬＰ−ＳｉＮからなる第３の絶縁層１１６が構築されている。第３の絶縁層１１６上には、例えばＴｉＮ／Ａｌからなる上部電極１１７が形成されている。第３の絶縁層１１６と上部電極１１７とによって、振動膜１１９が構成されている。
【００１２】
ｃＭＵＴ１１０の上面図を図２に示す。この図に示すように、キャビティ１１８は、円形をしている。ベース基板１１１や第３の絶縁層１１６等は、本実施形態では四角形をしている。ベース基板１１１や第３の絶縁層１１６、キャビティ１１８等の形状は、六角形など他の形状でもよい。
なお、ｃＭＵＴ１１０は、単独で用いてもよいが、アレイ状に配列して用いることが一般的である。以下の説明では、一つのｃＭＵＴ１１０について説明するが、それらをアレイ状に配列しても同様に動作し、同様の効果が得られる。
【００１３】
駆動制御手段１２０は、上部電極１１７と下部電極１１４と接続しており、駆動信号に基づいて、これら電極間に電圧を印加する。ｃＭＵＴ１１０において、上部電極１１７と下部電極１１４との間に電圧が印加されると、電極間の電気容量が変化し、これら電極間に働く静電吸引力が変化する。本実施形態では、ベース基板１１１は、振動膜１１９に対して十分な厚みを有しており、下部電極１１４及びその周辺の構造物は、ほぼ固定されている。したがって、静電吸引力の変化によって、上部電極１１７及び第３の絶縁層１１６からなる振動膜１１９が変位する。ここで、駆動制御手段１２０が上部電極１１７と下部電極１１４とに印加する電圧を交流にすると、振動膜１１９は振動する。超音波に相当する周波数で振動膜１１９を振動させると、ｃＭＵＴ１１０は、超音波を生じさせる。
【００１４】
本実施形態に係るｃＭＵＴ１１０のベース基板１１１の平面方向のキャビティ１１８の直径（以降セル径と称する）は、φ４０μｍである。また、このキャビティ１１８のベース基板１１１に対する法線方向の厚みは、２００ｎｍである。このｃＭＵＴ１１０は、振動膜１１９の振動の基本周波数が１５ＭＨｚとなるように設計されている。セル径が４０μｍでありキャビティ１１８の厚みが２００ｎｍであり基本周波数が１５ＭＨｚであるというのは、もちろん一例であり、これは他の実施形態でも説明するとおり、適宜変更することが可能である。
【００１５】
本実施形態に係る超音波照射装置の動作を説明する。駆動制御手段１２０は、次のような駆動信号をｃＭＵＴ１１０に出力して、ｃＭＵＴ１１０を動作させる。すなわち、駆動制御手段１２０は、下部電極１１４と上部電極１１７との間に、ｃＭＵＴ１１０の振動膜１１９の基本周波数（１５ＭＨｚ）の２倍の周波数である３０ＭＨｚの交流電圧を印加する。より詳しくは、まず、下部電極１１４と上部電極１１７との間に５Ｖのバイアス電圧を印加する。さらにここに、電圧５０Ｖ、周波数３０ＭＨｚの交流電圧を重畳する。なお、以降にはｃＭＵＴ１１０の周囲が水で満たされている場合を例に挙げてｃＭＵＴ１１０の周波数特性を示す。ｃＭＵＴ１１０の周囲は、他の液体や気体等、水以外の流体で満たされていてもよい。
【００１６】
上記のとおりｃＭＵＴ１１０を駆動したときの、振動膜１１９の中心であり振動膜１１９のキャビティ１１８とは反対側の面に接している流体部分（以下、直上中心と称する）で計測した音圧のＦＦＴ解析の結果を図３に（ａ）を付した実線で示す。図３において（ｂ）を付した破線は、ｃＭＵＴ１１０に単パルスを入力したときの振動特性を、参考のために示している。図３（ａ）に示すように、基本周波数１５ＭＨｚにおいて、固有振動を示す弱いピークが認められる。駆動周波数である３０ＭＨｚにおいて、強制振動における１次の振動モードを示すピークが認められる。さらに、１次の振動モードの２倍の周波数である６０ＭＨｚ付近において、２次の振動モードに対応するピークが認められる。ここで、駆動周波数である３０ＭＨｚ、すなわち１次の振動モードにおける音圧よりも、約６０ＭＨｚ、すなわち２次の振動モードにおける音圧の方が高いという特徴が確認できる。
【００１７】
上記のとおりｃＭＵＴ１１０を駆動したときの、振動膜１１９の中心部分における変位を図４に示す。図４における変位の値は、マイナスが振動膜１１９がベース基板１１１側に変位していることを表し、プラスがその逆を表している。後述の図６及び図１０においても変位の値の定義は同様とする。振動膜１１９の変位は、レーザ変位計等を用いて容易に計測することができる。図４から明らかなように、振動膜１１９の中心がマイナス側からプラス側に変位している途中で逆向きに変位する期間がある（図中に矢印で示す部分）。この振動挙動は、強制振動における（０，２）振動モード等、高次の振動モードに対応していると考えられる。
【００１８】
図４で認められる振動膜１１９の中心が逆向きに変位する期間では、振動膜１１９は、全体的にはマイナス側からプラス側に変位する速度を有しているが、中心部分ではその逆方向に変位する速度を有している。したがって、振動膜１１９の中心部分は、平板に近い形状となる。このような平坦な形状になることは、振動膜１１９全体がマイナス側からプラス側に変位する速度を有している場合に、振動膜１１９が全体的に曲面形状となることと対照的である。
【００１９】
このように、本実施形態に係る駆動信号は、周期を有しており、この周期の数は２以上であり、振動膜１１９の一部分の速度の向きが、振動膜１１９の他の部分の速度の向きと逆向きとなるように振動膜１１９を連続的に振動させる電圧を上部電極１１７と下部電極１１４との間に印加するための信号に対応している。
【００２０】
比較のため、駆動周波数を１５ＭＨｚ、２０ＭＨｚ、２５ＭＨｚとしたときの、本実施形態に係るｃＭＵＴ１１０の振動膜１１９の直上中心で計測した音圧のＦＦＴ解析の結果を、駆動周波数を３０ＭＨｚとしたときの結果と合わせて図５に示す。なお、駆動電圧は、何れの場合もバイアス電圧を５Ｖ、交流電圧を５０Ｖとする。以降の説明でも、特に断りがない限り、駆動電圧は同様とする。図５において、（ａ）を付した実線が３０ＭＨｚで駆動した場合の結果であり、（ｃ）を付した一点鎖線が１５ＭＨｚで駆動した場合の結果であり、（ｄ）を付した点線が２０ＭＨｚで駆動した場合の結果であり、（ｅ）を付した二点鎖線が２５ＭＨｚで駆動した場合の結果である。
【００２１】
この図に示すように、何れの駆動周波数でｃＭＵＴ１１０を駆動した場合も、駆動周波数の２倍の周波数において、２次の振動モードを表すピークが確認できる。何れの駆動周波数で駆動した場合も、駆動周波数において確認される強制振動における１次の振動モードの音圧よりも、２次の振動モードの周波数における音圧の方が高くなっている。また、この２次の振動モードにおける音圧は、駆動周波数が高い程、高いという特徴が確認できる。
【００２２】
図６に、駆動周波数が１５ＭＨｚであるときの振動膜１１９の中心部分における変位を示す。図６に示す場合においても、図４に示した駆動周波数が３０ＭＨｚの場合と同様に、振動膜１１９の中心がマイナス側からプラス側に変位している途中で、その変位速度が低下している期間がある（図中に矢印で示す部分）。この変位速度の低下は、図４に示した駆動周波数が３０ＭＨｚの振動膜１１９が逆向きに変位するときと同様に、（０，２）振動モード等、高次の振動モードに対応するものと考えられる。しかしながら、駆動周波数が３０ＭＨｚのときの振動膜１１９が逆向きに変位する期間の方が、駆動周波数が１５ＭＨｚのときの振動膜１１９の変位速度が低下する期間より長い。したがって、振動膜１１９が比較的平坦な形状をしている期間は、３０ＭＨｚで駆動したときの方が１５ＭＨｚで駆動したときよりも長いと考えられる。
【００２３】
駆動周波数を１５ＭＨｚ、２０ＭＨｚ、２５ＭＨｚ、３０ＭＨｚとしたときの、振動膜１１９の中心からベース基板１１１の法線方向に６０ｍｍ離れた位置における音圧の時間平均値を図７に示す。この図に示すように、ｃＭＵＴ１１０の基本周波数である１５ＭＨｚで駆動するよりも、より高い周波数で振動させたときの方が、音圧の時間平均値は高くなることが分かる。
【００２４】
上記のように、駆動周波数が高いときの方が、音圧が高くなる理由を説明する。基本周波数でｃＭＵＴ１１０を駆動した場合の、振動膜１１９の振動の様子を図８に示す。この図においては、分かり易さのため、ベース基板１１１のみが描かれており、下部電極１１４などベース基板１１１とキャビティ１１８との間の構造物は省略されている。また、図８において、振動膜１１９の厚み方向の変位が、強調されて拡大されて示されている。後述の図１２、図１５、図１７、図２０及び図２３においても同様である。
【００２５】
基本周波数で駆動した場合、振動膜１１９は、（０，１）振動モードの挙動を示す。すなわち、図８（ａ）に示すように振動膜１１９は、周縁部が固定され中心部の振幅が大きくなり、全体としては曲面状にたわむ。このとき、ベース基板１１１の法線方向に離れた位置の音圧をみると、振動膜１１９の中心部では、振動膜１１９の振動方向がベース基板１１１に対して法線方向に向くので、音圧が高くなる。しかしながら、振動膜１１９の周辺部では、振動膜１１９の振動方向がベース基板１１１に対して斜め方向となる。このため、超音波のエネルギは発散し、ベース基板１１１の法線方向の平均的な音圧が比較的小さくなる。このため、ｃＭＵＴ１１０によって発生する、ベース基板１１１の法線方向に離れた位置における音圧は、比較的小さくなる。
【００２６】
これに対して、本実施形態のように、基本周波数よりも高い、例えば３０ＭＨｚの周波数でｃＭＵＴ１１０を駆動すると、図４に示したとおり、振動膜１１９の中心がマイナス側からプラス側に変位している途中で、逆向きに変位する期間がある。この期間では、振動膜１１９の中心が逆向きに変位し、図８（ｂ）に示すように、振動膜１１９は、比較的平坦な形状をしている。このため、射出される超音波は、発散せず、その指向性が向上する。すなわち、ｃＭＵＴ１１０から射出される超音波のエネルギは、ベース基板１１１の法線方向に集中する。したがって、ベース基板１１１の法線方向に離れた位置におけるｃＭＵＴ１１０に由来する音圧は、比較的大きくなると考えられる。一般に、本実施形態のようにｃＭＵＴ１１０を連続波で駆動させるとき、時間平均で得られる音圧が重要である。このような時間平均で得られる音圧を向上させようとする場合、振動膜１１９が平坦な形状をすることにより指向性が向上する効果は、特に顕著に現れる。
【００２７】
図７から明らかなように、基本周波数より高い例えば２０ＭＨｚや２５ＭＨｚといった周波数で駆動すれば、３０ＭＨｚといった基本周波数の２倍の周波数で駆動する場合程ではないものの、基本周波数である１５ＭＨｚで駆動するよりも高い音圧が得られる。２０ＭＨｚや２５ＭＨｚで駆動しても高い音圧が得られる理由も、上記と同様に、振動膜１１９が平坦な形状で振動するためであると考えられる。すなわち、（０，２）振動モードに該当する周波数で駆動しなくとも、基本周波数より大きく（０，２）振動モードの周波数より低い周波数で駆動しても、比較的高い音圧が得られることがわかる。
【００２８】
以上のように、本実施形態によれば、ｃＭＵＴ１１０を基本周波数よりも高い周波数で駆動することにより、ベース基板１１１の法線方向に離れた位置、すなわち超音波照射の目標とする位置において、より高い音圧を得ることができる。したがって、本実施形態によれば、より高いエネルギを照射することができる、超音波照射装置を提供することができる。
【００２９】
［第１の実施形態の変形例］
第１の実施形態の変形例について説明する。本変形例の説明では、第１の実施形態との相違点について説明し、同一の部分については、同一の符号を付して説明を省略する。ｃＭＵＴ１１０においては、振動膜１１９の厚みや、セル径を変更することで、その基本周波数を変更することができる。本変形例では、第１の実施形態の場合よりも、振動膜１１９を薄くし、さらに、セル径をφ５５μｍと大きくして、当該ｃＭＵＴ１１０の基本周波数を第１の実施形態に係るｃＭＵＴ１１０よりも低い３ＭＨｚとしている。ｃＭＵＴ１１０について、その他の構造は、第１の実施形態の場合と同様である。
【００３０】
駆動周波数を３ＭＨｚ、４．５ＭＨｚ、６ＭＨｚとしたときの、振動膜１１９の直上中心で計測した音圧のＦＦＴ解析の結果を図９に示す。その他の条件は、第１の実施形態と同様である。図９において（ａ）を付した破線は３ＭＨｚで駆動した場合の結果を示し、（ｂ）を付した一点鎖線は４．５ＭＨｚで駆動した場合の結果を示し、（ｃ）を付した実線は６ＭＨｚで駆動した場合の結果を示す。
【００３１】
図９に示すように、何れの駆動周波数でｃＭＵＴ１１０を駆動した場合も、各駆動周波数において１次の振動モードを表すピークが確認できる。また、駆動周波数の２倍付近の周波数において２次の振動モードを表すピークが確認できる。さらに、本変形例の場合、ｃＭＵＴ１１０のＱ値が高いため、何れの周波数で駆動した場合も、基本周波数である３ＭＨｚの振動成分が認められる。強制振動による２次の振動モードにおける音圧は、駆動周波数が高い程、高くなっている。また、４．５ＭＨｚや６ＭＨｚの周波数で駆動した場合、駆動周波数に相当する周波数における音圧よりも、２次の振動モードに相当する周波数における音圧の方が高いという特徴が確認できる。一方、基本周波数である３ＭＨｚで駆動した場合、２次の振動モードである約６ＭＨｚにおける音圧は、基本周波数である３ＭＨｚにおける音圧よりも低いという特徴がある。
【００３２】
また、駆動周波数を３ＭＨｚ、４．５ＭＨｚ、６ＭＨｚとしたときの、振動膜１１９の中心部分における変位を図１０に示す。図１０（ａ）は、３ＭＨｚで駆動した場合の結果を示し、図１０（ｂ）は、４．５ＭＨｚで駆動した場合の結果を示し、図１０（ｃ）は、６ＭＨｚで駆動した場合の結果を示す。何れの場合においても、矢印で示すように、振動膜１１９の中心がそれまでとは逆向きに変位する期間がある。この期間において、振動膜１１９の中心は、比較的平坦な形状をしていると考えられる。
【００３３】
これらを比較すると、６ＭＨｚで駆動したとき（図１０（ｃ））は、３ＭＨｚで駆動したとき（図１０（ａ））よりも、振動膜１１９が逆向きに変位するときの変位量が大きい。また、４．５ＭＨｚで駆動したとき（図１０（ｂ））は、３ＭＨｚで駆動したとき（図１０（ａ））及び６ＭＨｚで駆動したとき（図１０（ｃ））よりも、振動膜１１９が逆向きに変位する頻度が高く、また、振動膜１１９が逆向きに変位するときの変位量が大きい。したがって、振動膜１１９が平坦な形状をしている時間は、４．５ＭＨｚで駆動するときの方が、３ＭＨｚや６ＭＨｚで駆動するときよりも長いと考えらえる。
【００３４】
駆動周波数を３ＭＨｚ、４．５ＭＨｚ、６ＭＨｚとしたときの、振動膜１１９の中心からベース基板１１１の法線方向に６０ｍｍ離れた位置における音圧の時間平均値を図１１に示す。４．５ＭＨｚで駆動したときに、最も高い音圧が得られる。４．５ＭＨｚで駆動したときに最も高い音圧が得られた理由としては、次のことが考えられる。４．５ＭＨｚで駆動すると以下の３つの周波数の振動が重畳すると考えられる。すなわち、１つ目は、駆動周波数の振動である。２つ目は、２次の振動モードの周波数における振動である。３つ目は、高いＱ値に由来する基本周波数の振動である。３つの周波数の振動が重畳することで、より効果的に音圧を得ることができると考えられる。さらに、振動膜１１９の中心の逆向き変位の頻度が多く、その変位量が大きいほど高い音圧が得られると考えられる。図１０（ｂ）に示すように、４．５ＭＨｚで駆動したとき、他の駆動周波数で駆動したときに比べて、振動膜１１９の中心の逆向きに変位する頻度が高く、その変位量が大きくなっている。これらのことから、当該ｃＭＵＴ１１０は、４．５ＭＨｚで駆動したときに、他に比べてより効率的に高い音圧が得られと考えられる。
【００３５】
超音波を照射する治療等に本超音波照射装置を用いるとき、出力周波数によって、得られる作用効果が異なる。例えば、超音波の照射対象物の共振周波数に合わせた超音波を照射する必要があり得る。このように、所望の周波数において高い音圧を得る必要がある場合、本実施形態で示したように、２次の振動モードの周波数がその所望の周波数となるように、セル径の大きさ等を変えて出力周波数を調整すると、効率的に高い音圧を得ることができる。出力周波数を調整するには、例えば基本周波数を下げたければセル径を大きくすればよいし、基本周波数を上げたければセル径を小さくすればよい。
【００３６】
また、セル径が大きいほど、振動膜１１９のうち平坦に近い形状となる部分の面積は大きくなる。例えば、セル径が３５μｍのとき、各位相におけるｃＭＵＴ１１０の変形の様子を模式的に表すと、図１２（ａ）のようになる。一方、セル径が５５μｍのとき、各位相におけるｃＭＵＴ１１０の変形の様子を模式的に表すと、図１２（ｂ）のようになる。これら模式図に示すように、セル径が大きい程、振動中の振動膜１１９の中央部分における平坦度は高くなる。このため、射出される超音波の指向性は向上し、高い音圧が得られる。
【００３７】
［第２の実施形態］
本発明の第２の実施形態について説明する。本実施形態の説明では、第１の実施形態との相違点について説明し、同一の部分については同一の符号を付して、説明を省略する。本実施形態に係るｃＭＵＴ２１０の構成の概略を図１３に示す。本実施形態に係るｃＭＵＴ２１０は、そのベース基板２１１の形状が第１の実施形態に係るｃＭＵＴ１１０と異なっている。
【００３８】
本実施形態に係るｃＭＵＴ２１０のベース基板２１１において、キャビティ１１８の下に相当する部分の厚さは、他の部分の厚さよりも薄くなっている。したがって、ベース基板２１１のうち他より薄い部分は、他の部分より剛性が低くなっている。この剛性が低い領域を変形領域２２２と称する。一方、変形領域２２２以外のベース基板２１１が厚い領域を支持領域２２４と称する。本ｃＭＵＴ２１０のその他の構成は、第１の実施形態のｃＭＵＴ１１０と同様である。なお、ｃＭＵＴ２１０の各部の寸法及び材質は、第１の実施形態の変形例と同様であり、セル径はφ５５μｍである。このように、ベース基板２１１は、ベース基板２１１の振動膜１１９と対向する面の法線であって、キャビティ１１９の重心を通る線が通過する領域である変形領域２２２と、変形領域２２２の周縁に位置する支持領域２２４とを含む。
【００３９】
また、本実施形態において、ベース基板２１１が薄くなっている部分であり、ベース基板２１１のキャビティ１１８と反対側の面、すなわち、変形領域２２２のキャビティ１１８と反対側の面には、空気が接しているものとする。空気に限らず、他の気体や、水等の液体が接していても、以下については、同様の結果が得られる。以降、本実施形態に係るｃＭＵＴ２１０をＦＦＬＤｃＭＵＴ２１０と称し、第１の実施形態の変形例に係るｃＭＵＴ１１０をＦＩＸＤｃＭＵＴ１１０と称する。
【００４０】
ＦＦＬＤｃＭＵＴ２１０とＦＩＸＤｃＭＵＴ１１０とを、それぞれ基本周波数である３ＭＨｚ、バイアス電圧を５Ｖ、交流電圧を５０Ｖの駆動信号で駆動したときの、振動膜１１９の直上中心で計測した音圧のＦＦＴ解析の結果を図１４に示す。図中（ａ）を付した実線は、ＦＦＬＤｃＭＵＴ２１０の周波数特性を示し、図中（ｂ）を付した破線は、ＦＩＸＤｃＭＵＴ１１０の周波数特性を示す。ＦＦＬＤｃＭＵＴ２１０の場合、６ＭＨｚ付近に認められる２次の振動モードにおける音圧は、基本周波数である３ＭＨｚにおける音圧よりも低い。また、ＦＦＬＤｃＭＵＴ２１０の場合、約９ＭＨｚに特異的なピークが確認される。
【００４１】
まず、ＦＦＬＤｃＭＵＴ２１０における振動挙動を、図１５を参照して説明する。ここでは、ＦＩＸＤｃＭＵＴ１１０を基本周波数で駆動した基本的な振動挙動と、ＦＦＬＤｃＭＵＴ２１０を高次の振動モードに相当する周波数で駆動したときとを比較しながら説明する。
【００４２】
図１５（ａ）に、ＦＩＸＤｃＭＵＴ１１０を基本周波数の駆動信号で駆動したときの振動の様子を示す。ここで、図１５（ａ）は、振動膜１１９の平面方向の中心を通り、ベース基板１１１と垂直な面に係る断面を示す。ＦＩＸＤｃＭＵＴ１１０では、ベース基板１１１がキャビティ１１８と比較して十分に厚い。このため、ベース基板１１１はほとんど振動せず、振動膜１１９のみが屈曲振動する。これは、駆動周波数をより高い周波数としたときも同様である。一方、図１５（ｂ）に、ＦＦＬＤｃＭＵＴ２１０を、９ＭＨｚで駆動したときの振動の様子を示す。図１５（ｂ）は、振動膜１１９の平面方向の中心を通り、ベース基板１１１と垂直な面に係る断面を示す。９ＭＨｚという周波数は、図１４においてＦＦＬＤｃＭＵＴ２１０に特異的に認められたピークに近い周波数である。ＦＦＬＤｃＭＵＴ２１０では、変形領域２２２においてベース基板２１１が薄いため剛性が低くなっており、変形領域２２２に相当する部分のベース基板２１１は、図１５（ａ）に示した場合と比較すると、大きく振動する。
【００４３】
また、その効果については後に詳述するが、ＦＩＸＤｃＭＵＴ１１０を基本周波数で駆動すると、図１５（ａ）に示す断面において、腹１５２を１箇所有し、節１５４を２箇所有する振動をする。その結果、ベース基板１１１に対して法線方向に伝搬する音波（以降、直進音波と称する）の図１５（ａ）に示す断面における幅は、次のようになる。すなわち、直進音波は、振動膜１１９のうちベース基板１１１と平行に近い面を有して振動する領域に対応する。直進音波の幅を図示すると、図１５（ａ）に示す直進音波１５０のようになる。一方、図１５（ｂ）に示すＦＦＬＤｃＭＵＴ２１０では、振動膜１１９は、図１５（ｂ）に示す断面において腹２５２を３箇所有し、節２５４を４箇所有する振動をする。その結果、図１５（ｂ）に示すように、この断面における３つの腹２５２の位置に直進音波２５０が生じる。
【００４４】
次に、ＦＦＬＤｃＭＵＴ２１０を、駆動周波数を３ＭＨｚ、６ＭＨｚ又は９ＭＨｚとしたときの、ＦＦＬＤｃＭＵＴ２１０の振動挙動を説明する。この３ＭＨｚ、６ＭＨｚ又は９ＭＨｚという周波数は、ＦＦＬＤｃＭＵＴ２１０を３ＭＨｚで駆動したときに、図１４に示したとおりピークが認められた周波数である。
【００４５】
駆動周波数３ＭＨｚ、６ＭＨｚ又は９ＭＨｚの駆動信号でＦＦＬＤｃＭＵＴ２１０を駆動したときの、振動膜１１９の中心からベース基板１１１の法線方向に６０ｍｍ離れた位置における音圧の時間平均値を、図１６に示す。ＦＦＬＤｃＭＵＴ２１０を、９ＭＨｚで駆動したとき、計測される音圧が他の場合に比べて非常に高いことがわかる。これらの場合のＦＦＬＤｃＭＵＴ２１０の変形の様子を図１７に示す。
【００４６】
図１７は、それぞれ位相３００°におけるＦＦＬＤｃＭＵＴ２１０の変形の様子を表している。図１７（ａ）は、３ＭＨｚで駆動したときの様子を示し、図１７（ｂ）は、６ＭＨｚで駆動したときの様子を示し、図１７（ｃ）は、９ＭＨｚで駆動したときの様子を示す。計測される音圧が低い６ＭＨｚで駆動したときは、図１７（ｂ）に示すように、振動膜１１９の変位方向とベース基板２１１の変位方向とが一致していることがわかる。逆に、計測される音圧が高い９ＭＨｚで駆動したとき、図１７（ｃ）に示すように、振動膜１１９の変位方向とベース基板２１１の変位方向とが逆向きになっている。このように、振動膜１１９の変位方向とベース基板２１１の変位方向とが逆向きとなり、さらにベース基板２１１の変位が大きいほど、出力される音圧が高くなることがわかる。
【００４７】
ＦＦＬＤｃＭＵＴ２１０の寸法を変えて、基本周波数を変化させたときの例を挙げて、さらに説明する。ここでは、２次の振動モードに相当する周波数が、１５ＭＨｚとなるように設計したＦＦＬＤｃＭＵＴ２１０を例に挙げる。このＦＦＬＤｃＭＵＴ２１０の特性を、基本周波数が１５ＭＨｚである第１の実施形態のｃＭＵＴ１１０の特性と比較する。なお、この例のＦＦＬＤｃＭＵＴ２１０のセル径は、第１の実施形態のｃＭＵＴ１１０のセル径よりも大きい。
【００４８】
本ＦＦＬＤｃＭＵＴ２１０と第１の実施形態のｃＭＵＴ１１０とを、それぞれ１５ＭＨｚで駆動したときの、振動膜１１９の直上中心で計測した音圧のＦＦＴ解析の結果を図１８に示す。図中（ａ）を付した実線は、ＦＦＬＤｃＭＵＴ２１０の周波数特性を示し、図中（ｂ）を付した破線は、第１の実施形態のｃＭＵＴ１１０の周波数特性を示す。第１の実施形態のｃＭＵＴ１１０の場合の音圧に比較して、ＦＦＬＤｃＭＵＴ２１０の場合の音圧は低い。これに対して、それぞれ１５ＭＨｚで駆動したときの、振動膜１１９の中心からベース基板１１１の法線方向に６０ｍｍ離れた位置における音圧の時間平均値は、図１９に示すようになる。すなわち、振動膜１１９の中心からベース基板１１１の法線方向に６０ｍｍ離れた位置における音圧の時間平均値は、ＦＦＬＤｃＭＵＴ２１０の場合において、ｃＭＵＴ１１０の場合の約５．３倍となっている。
【００４９】
本ＦＦＬＤｃＭＵＴ２１０の振動の様子を図２０に示す。ここで、図２０（ａ）は、位相１０°のときのＦＦＬＤｃＭＵＴ２１０の様子を模式的に示し、図２０（ｂ）は、位相１８０°のときのＦＦＬＤｃＭＵＴ２１０の様子を模式的に示す。図２０（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ振動膜１１９の平面方向の中心を通り、ベース基板１１１と垂直な面に係る断面を示す。ＦＦＬＤｃＭＵＴ２１０では、図１５（ｂ）に示した場合と同様に、図２０（ａ）及び（ｂ）に示す断面において、腹２５２の数が３つであり、節２５４の数が４つである。また、図１７（ｃ）に示す場合と同様に、振動膜１１９の変位方向と、変形領域２２２のベース基板２１１の変位方向とは、逆向きになっている。これは先述した第一の実施形態で説明した「振動膜が平坦な形状」となることに相当する。
【００５０】
以上のことから、ＦＦＬＤｃＭＵＴ２１０を用いて、振動膜１１９の中心からベース基板１１１の法線方向に６０ｍｍ離れた位置における音圧の時間平均値が高くなる理由は次のように説明できる。
図１５（ａ）に示したＦＩＸＤｃＭＵＴ１１０を基本周波数で駆動した場合には、振動膜１１９においては、腹１５２の数が１つであるので、瞬間的な直進音波１５０の幅と、時間平均的な直進音波１５０の幅とは等しくなる。これに対して、図１５（ｂ）及び図２０に示したＦＦＬＤｃＭＵＴ２１０では、腹２５２の数が３つであるので、腹２５２部分の振動膜１１９の変位に応じて、瞬間的な直進音波２５０の位置は、図２０（ａ）と図２０（ｂ）とのように、時間とともに変化する。このため、瞬間的な直進音波２５０の幅と、時間平均的な直進音波２５０の幅とは異なる。すなわち、時間平均的な直進音波２５０の幅は、瞬間的な直進音波２５０の幅よりも広がる。その結果、振動膜１１９の中心からベース基板１１１の法線方向に６０ｍｍ離れた位置における音圧の時間平均値が、高くなる。
【００５１】
さらに、駆動周波数を適切に選択すると、図１７（ｃ）に示すように、振動膜１１９の変位方向とベース基板２１１の変位方向とが逆向きになる。このように、振動膜１１９の変位方向とベース基板２１１の変位方向とが逆向きとなると、変位の方向が逆向きになる場合に比べて、振動膜１１９の中心からベース基板１１１の法線方向に６０ｍｍ離れた位置における音圧の時間平均値が高くなる。
【００５２】
以上まとめると、本実施形態のＦＦＬＤｃＭＵＴ２１０のように、ベース基板１１１の一部を薄くして、ベース基板１１１が振動するようにし、振動の腹の数を複数とし、さらに、振動膜１１９の変位方向とベース基板２１１の変位方向とが逆向きになるようにすると、超音波の照射によって目標位置において高い音圧が得られる。すなわち、本実施形態においても、振動膜１１９が逆向きに変位する期間があり、そのため振動膜が平坦な形状となり超音波の指向性が向上する。なお、これらの条件は、必ずしも全てを同時に満たす必要はない。ただし、全て同時に条件を満たすとき、特に高い音圧が得られる。
【００５３】
このように、超音波照射装置において、ベース部材２１１も連続的に振動するＦＦＬＤｃＭＵＴ２１０を用い、振動膜１１９のうち特定の領域における振動中心に対する変位の向きと、前記領域と対向するベース部材２１１の領域における振動中心に対する変位の向きとが逆向きとなるように振動させる駆動信号を用いると、高い出力が得られる。このような超音波照射装置は、高音圧を実現できるので治療用のデバイスとして有効である。
【００５４】
なお、本実施形態及びその変形例では、変形領域２２２をキャビティ１１８のサイズに合わせると説明したが、これに限定されるものではない。変形領域２２２は、キャビティ１１８よりも広くてもよいし、狭くてもよい。好ましくは、本実施形態と同様に、変形領域２２２とキャビティ１１８とは、サイズが一致させるとよい。
【００５５】
また、本実施形態では、ベース基板１１１の変形領域２２２を支持領域２２４よりも薄くすることで、変形領域２２２の剛性を支持領域２２４の剛性より小さくしている。これに対して、変形領域２２２を構成する物質のヤング率を、支持領域２２４を構成する物質のヤング率より低くすることで、変形領域２２２の剛性を下げても、同様の効果が得られる。
【００５６】
［第３の実施形態］
本発明の第３の実施形態について説明する。ここで本実施形態の説明では、第２の実施形態との相違点について説明し、同一の部分には同一の符号を付して説明を省略する。本実施形態に係るＦＦＬＤｃＭＵＴ３１０は、図２１に示すように、第２の実施形態に係るＦＦＬＤｃＭＵＴ２１０の上部電極１１７上に、例えばテトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）からなる質量部３１１が形成されている。さらに、上部電極１１７及び質量部３１１の上部を覆うように、例えばＰ−ＳｉＮからなる保護膜３１２が形成されている。この質量部３１１及び保護膜３１２により、突起部３１５が形成されている。その他の構造は、第２の実施形態に係るＦＦＬＤｃＭＵＴ２１０と同様である。
【００５７】
ＦＦＬＤｃＭＵＴ２１０では、変形領域２２２のベース基板２１１も振動するため、駆動電圧によっては、下部電極１１４側と上部電極１１７側が接触するいわゆるｃｏｌｌａｐｓｅが生じやすくなる。これに対して本実施形態では、質量部３１１を、図２０を参照して説明した中心から遠い側の腹２５２よりも外側まで設けることによって、振動膜１１９に適度な剛性を持たせ、ｃｏｌｌａｐｓｅを防ぐことができる。なお、ベース基板１１１の法線方向から見た質量部３１１の面積は、キャビティ１１８の面積よりも狭いことが好ましい。
【００５８】
第１の実施形態の変形例に係るＦＩＸＤｃＭＵＴ１１０と、第２の実施形態に係るＦＦＬＤｃＭＵＴ２１０と、前記ＦＩＸＤｃＭＵＴ１１０に突起部３１５を設けたＢｏｓｓ−ＦＩＸＤｃＭＵＴと、ＦＦＬＤｃＭＵＴ２１０に突起部３１５を設けた本実施形態に係るＢｏｓｓ−ＦＦＬＤｃＭＵＴ３１０とを、それぞれ駆動周波数６ＭＨｚ又は９ＭＨｚで駆動したときの、振動膜１１９の中心からベース基板１１１の法線方向に６０ｍｍ離れた位置における音圧の時間平均値を図２２に示す。
【００５９】
突起部３１５を設けると、突起部３１５を設けていない場合に比較して、得られる音圧が高くなる。特に、変形領域２２２を設けた場合、第２の実施形態で説明したベース基板２１１が容易に変形して屈曲振動をすることによる効果と、突起部３１５を設けた効果とが重畳して、高い音圧が得られる。例えば、変形領域２２２を設けた場合に特異的に認められる振動モードを利用した９ＭＨｚで駆動した場合を比較すると、Ｂｏｓｓ−ＦＦＬＤｃＭＵＴ３１０では、ＦＩＸＤｃＭＵＴ１１０の約３倍、ＦＦＬＤｃＭＵＴ２１０の約１．２倍の音圧が得られる。
【００６０】
以上のとおり、本実施形態のように突起部３１５を設けることで、ｃｏｌｌａｐｓｅを防ぎながら高次の振動モードを利用して高い出力が得られるｃＭＵＴを実現できる。本実施形態によれば、例えば治療向けデバイスとして用いることができる、高音圧を出力できる優れた超音波照射装置を提供できる。
【００６１】
なお、高次の振動モードを積極的に利用したい場合、所望するモードに現れる同心円の節、及び必要であれば直径方向の節の位置に合わせて、突起部３１５の寸法を設定するとよい。より高次の振動モードを利用したい場合は、突起部の幅寸法をそのモードの節に合わせるようにさらに小さくする、又は、節に沿って突起部３１５を形成するようにすればよい。
【００６２】
本実施形態では、質量部３１１の材料としてＴＥＯＳを用いているが、ＳｉＮなど他の材料を用いて形成してもよい。
なお、上部電極１１７の音響インピーダンスは、質量部３１１の音響インピーダンスよりも大きく、質量部３１１の音響インピーダンスは、保護膜３１２の音響インピーダンス以上であることが好ましい。
【００６３】
また、本実施形態では、第２の実施形態に係るＦＦＬＤｃＭＵＴ２１０に突起部３１５を設けた構成を主に説明したが、第１の実施形態に係るｃＭＵＴ１１０に突起部３１５を設けた構成としても、突起部３１５が配置されていることによる効果は得られる。
【００６４】
［第３の実施形態の変形例］
本発明の第３の実施形態の変形例について説明する。本変形例の一態様は、第３の実施形態に係るＢｏｓｓ−ＦＦＬＤｃＭＵＴ３１０において、突起部３１５の形状を周縁部が薄い階段状にしている。このような階段状の突起部３１５を有するｃＭＵＴを、以降においてＬａｄｄｅｒ−Ｂｏｓｓ−ＦＦＬＤｃＭＵＴ３３０と称する。また本変形例の別の一態様では、第３の実施形態に係るＢｏｓｓ−ＦＦＬＤｃＭＵＴ３１０において、突起部３１５の周縁部の一部を薄くして、突起部３１５がヒンジ状の部分を有する形状としている。以降においてヒンジ部をもつ突起部３１５を有するｃＭＵＴを、Ｈｉｎｇｅ−Ｂｏｓｓ−ＦＦＬＤｃＭＵＴ３４０と称する。なお、何れの場合も質量部３１１の材料は、ＳｉＮとしている。その他の構成は、第３の実施形態に係るＢｏｓｓ−ＦＦＬＤｃＭＵＴ３１０と同様である。
【００６５】
これらを正弦波で駆動したときの位相９０°における変形の様子を図２３に示す。図２３（ａ）は、第３の実施形態に係るＢｏｓｓ−ＦＦＬＤｃＭＵＴ３１０の場合を示す。図２３（ｂ）は、Ｌａｄｄｅｒ−Ｂｏｓｓ−ＦＦＬＤｃＭＵＴ３３０の場合を示す。図２３（ｃ）は、Ｈｉｎｇｅ−Ｂｏｓｓ−ＦＦＬＤｃＭＵＴ３４０の場合を示す。これらの図に示すように、振動膜１１９及び突起部３１５は、薄くなっている箇所で変形している。薄い場所がほとんどない図２３（ａ）に示すＢｏｓｓ−ＦＦＬＤｃＭＵＴ３１０では、突起部３１５の全体が大きく湾曲している。これに対して、図２３（ｂ）に示すＬａｄｄｅｒ−Ｂｏｓｓ−ＦＦＬＤｃＭＵＴ３３０、及び図２３（ｃ）に示すＨｉｎｇｅ−Ｂｏｓｓ−ＦＦＬＤｃＭＵＴ３４０では、振動膜１１９及び突起部３１５が薄くなっている領域が十分にあるため、突起部３１５が平坦な形状を保ったまま振動膜１１９が振動している。このように、突起部３１５が平坦な形状のまま振動するので、音波の指向性がよく、直進音波の幅が広くなる。
【００６６】
Ｂｏｓｓ−ＦＦＬＤｃＭＵＴ３１０、Ｈｉｎｇｅ−Ｂｏｓｓ−ＦＦＬＤｃＭＵＴ３４０、及びＬａｄｄｅｒ−Ｂｏｓｓ−ＦＦＬＤｃＭＵＴ３３０のそれぞれに、周波数５ＭＨｚ、バイアス電圧５０Ｖ、交流電圧５０Ｖの駆動信号を印加したときの、振動膜１１９の中心からベース基板１１１の法線方向に６０ｍｍ離れた位置における音圧の時間平均値を図２４に示す。Ｂｏｓｓ−ＦＦＬＤｃＭＵＴ３１０と比較して、Ｌａｄｄｅｒ−Ｂｏｓｓ−ＦＦＬＤｃＭＵＴ３３０及びＨｉｎｇｅ−Ｂｏｓｓ−ＦＦＬＤｃＭＵＴ３４０の何れの場合においても、高い音圧が得られている。
【００６７】
なお、Ｌａｄｄｅｒ−Ｂｏｓｓ−ＦＦＬＤｃＭＵＴ３３０及びＨｉｎｇｅ−Ｂｏｓｓ−ＦＦＬＤｃＭＵＴ３４０の何れにおいても、段差やヒンジの位置を、所望のモードにおける節の位置に合わせて設けることで、振動変位をさらに大きくすることができる。その結果、さらに得られる音圧を高くすることができる。
【００６８】
ｃＭＵＴは、単独で用いてもよいが、アレイ状に配列して用いることが一般的である。第１乃至第３の何れの実施形態及びそれらの変形例においても、ｃＭＵＴをアレイ状に配置してよいことはもちろんである。何れのｃＭＵＴをアレイ状に並べても、前記した効果が得られることはもちろんである。
第１乃至第３の実施形態及びそれらの変形例として説明した上記ｃＭＵＴに係る技術は、例えば超音波診断装置の音源に利用することができる。
【００６９】
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除しても、発明が解決しようとする課題の欄で述べられた課題が解決でき、かつ、発明の効果が得られる場合には、この構成要素が削除された構成も発明として抽出され得る。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【００７０】
１１０…ｃＭＵＴ、１１１…ベース基板、１１２…第１の絶縁層、１１３…酸化防止膜、１１４…下部電極、１１５…第２の絶縁層、１１６…第３の絶縁層、１１７…上部電極、１１８…キャビティ、１１９…振動膜、１２０…駆動制御手段、１５０…直進音波、１５２，２５２…腹、１５４，２５４…節、２１０…ＦＦＬＤｃＭＵＴ、２１１…ベース基板、２２２…変形領域、２２４…支持領域、２５０…直進音波、３１０…Ｂｏｓｓ−ＦＦＬＤｃＭＵＴ、３１１…質量部、３１２…保護膜、３１５…突起部、３３０…Ｌａｄｄｅｒ−Ｂｏｓｓ−ＦＦＬＤｃＭＵＴ、３４０…Ｈｉｎｇｅ−Ｂｏｓｓ−ＦＦＬＤｃＭＵＴ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上部電極を含む振動膜と、
前記振動膜との間に空隙を介して該振動膜と対向する下部電極を含むベース部材と、
を有する静電容量型超音波振動子と、
前記上部電極と前記下部電極との間に駆動信号に基づく電圧を印加して前記振動膜を振動させることで、前記静電容量型超音波振動子に音波を射出させる駆動制御手段と、
を具備する超音波照射装置であって、
前記駆動信号は、
周期を有しており、
前記周期の数は２以上であり、
前記振動膜の一部分の速度の向きが、該振動膜の他の部分の速度の向きと逆向きとなるように該振動膜を連続的に振動させる、
前記電圧を前記上部電極と前記下部電極との間に印加するための信号であることを特徴とする超音波照射装置。
【請求項２】
前記上部電極と前記下部電極との間に前記駆動信号に基づく前記電圧を印加することで、前記ベース部材も連続的に振動し、
前記駆動信号は、前記振動膜のうち第１の領域における振動中心に対する変位の向きと、前記第１の領域と対向する前記ベース部材の第２の領域における振動中心に対する変位の向きとが逆向きとなるように、該振動膜と該ベース部材とを振動させる信号である、
ことを特徴とする請求項１に記載の超音波照射装置。
【請求項３】
前記駆動信号は、さらに前記振動膜のうち前記第１の領域以外の一部である第３の領域における振動中心に対する変位の向きが、前記第３の領域と対向する前記ベース部材の第４の領域における振動中心に対する変位の向きと逆向きとなるように、該振動膜と該ベース部材とを振動させる信号である、ことを特徴とする請求項２に記載の超音波照射装置。
【請求項４】
前記駆動信号は、前記静電容量型超音波振動子の基本周波数である第１の周波数と、前記駆動信号の周波数である第２の周波数と、前記駆動信号の周波数の２倍の周波数である第３の周波数とを含む音圧であって、前記第３の周波数を有する音圧が、前記第２の周波数を有する音圧よりも高く、前記第２の周波数を有する音圧が、前記第１の周波数を有する音圧よりも高い音圧を、前記振動膜の振動によって発生させる信号であることを特徴とする請求項１に記載の超音波照射装置。
【請求項５】
前記第２の周波数は、前記第１の周波数よりも高いことを特徴とする請求項４に記載の超音波照射装置。
【請求項６】
前記ベース部材は、該ベース部材の前記振動膜と対向する面の法線であって前記空隙の重心を通る線が通過する領域を含む振動領域と、該振動領域の周縁に位置する支持領域とを含み、
前記振動領域の剛性は、前記支持領域の剛性よりも小さい、
ことを特徴とする請求項１乃至３のうち何れか１項に記載の超音波照射装置。
【請求項７】
前記振動領域の前記ベース部材の前記振動膜と対向する面の前記法線方向における厚みは、前記支持領域の該法線方向における厚みよりも薄い、ことを特徴とする請求項６に記載の超音波照射装置。
【請求項８】
前記振動領域のヤング率は、前記支持領域のヤング率よりも小さい、ことを特徴とする請求項６に記載の超音波照射装置。
【請求項９】
前記振動領域の前記空隙と反対側の面には、気体又は液体が接していることを特徴とする請求項６乃至８のうち何れか１項に記載の超音波照射装置。
【請求項１０】
前記静電容量型超音波振動子は、所定の周波数における前記振動膜の振動を増強する大きさを有する前記振動膜に設けられた突起部を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の超音波照射装置。
【請求項１１】
前記突起部は、
前記振動膜に接する質量部と、
前記質量部を覆う保護膜と、
を含み、
前記ベース部材の前記振動膜と対向する面の法線方向からみた前記質量部の面積は、該法線方向からみた前記振動膜の面積よりも狭いことを特徴とする請求項１０に記載の超音波照射装置。
【請求項１２】
前記ベース部材の前記振動膜と対向する面の法線方向における前記突起部の厚さは、該振動膜の面方向における場所によって異なることを特徴とする請求項１０に記載の超音波照射装置。
【請求項１３】
前記突起部は、前記厚さが該突起部の中心で厚く周縁部で薄い階段形状であることを特徴とする請求項１２に記載の超音波照射装置。
【請求項１４】
前記突起部は、該突起部の周縁部に位置する前記厚さが他の部分より薄くなっているヒンジ部を有することを特徴とする請求項１２に記載の超音波照射装置。
【請求項１５】
前記突起部は、非導電性材料で構成されていることを特徴とする請求項１０に記載の超音波照射装置。
【請求項１６】
前記突起部は、
前記振動膜に接する質量部と、
前記質量部を覆う保護膜と、
を含むことを特徴とする請求項１０に記載の超音波照射装置。
【請求項１７】
前記上部電極の音響インピーダンスは、前記質量部の音響インピーダンスよりも大きく、
前記質量部の音響インピーダンスは、前記保護膜の音響インピーダンス以上である、
ことを特徴とする請求項１６に記載の超音波照射装置。
【請求項１８】
前記静電容量型超音波振動子は、所定の周波数における前記振動膜の振動を増強する大きさを有する前記振動膜に設けられた突起部を更に備えることを特徴とする請求項６乃至９のうち何れか１項に記載の超音波照射装置。
【請求項１】
上部電極を含む振動膜と、
前記振動膜との間に空隙を介して該振動膜と対向する下部電極を含むベース部材と、
を有する静電容量型超音波振動子と、
前記上部電極と前記下部電極との間に駆動信号に基づく電圧を印加して前記振動膜を振動させることで、前記静電容量型超音波振動子に音波を射出させる駆動制御手段と、
を具備する超音波照射装置であって、
前記駆動信号は、
周期を有しており、
前記周期の数は２以上であり、
前記振動膜の一部分の速度の向きが、該振動膜の他の部分の速度の向きと逆向きとなるように該振動膜を連続的に振動させる、
前記電圧を前記上部電極と前記下部電極との間に印加するための信号であることを特徴とする超音波照射装置。
【請求項２】
前記上部電極と前記下部電極との間に前記駆動信号に基づく前記電圧を印加することで、前記ベース部材も連続的に振動し、
前記駆動信号は、前記振動膜のうち第１の領域における振動中心に対する変位の向きと、前記第１の領域と対向する前記ベース部材の第２の領域における振動中心に対する変位の向きとが逆向きとなるように、該振動膜と該ベース部材とを振動させる信号である、
ことを特徴とする請求項１に記載の超音波照射装置。
【請求項３】
前記駆動信号は、さらに前記振動膜のうち前記第１の領域以外の一部である第３の領域における振動中心に対する変位の向きが、前記第３の領域と対向する前記ベース部材の第４の領域における振動中心に対する変位の向きと逆向きとなるように、該振動膜と該ベース部材とを振動させる信号である、ことを特徴とする請求項２に記載の超音波照射装置。
【請求項４】
前記駆動信号は、前記静電容量型超音波振動子の基本周波数である第１の周波数と、前記駆動信号の周波数である第２の周波数と、前記駆動信号の周波数の２倍の周波数である第３の周波数とを含む音圧であって、前記第３の周波数を有する音圧が、前記第２の周波数を有する音圧よりも高く、前記第２の周波数を有する音圧が、前記第１の周波数を有する音圧よりも高い音圧を、前記振動膜の振動によって発生させる信号であることを特徴とする請求項１に記載の超音波照射装置。
【請求項５】
前記第２の周波数は、前記第１の周波数よりも高いことを特徴とする請求項４に記載の超音波照射装置。
【請求項６】
前記ベース部材は、該ベース部材の前記振動膜と対向する面の法線であって前記空隙の重心を通る線が通過する領域を含む振動領域と、該振動領域の周縁に位置する支持領域とを含み、
前記振動領域の剛性は、前記支持領域の剛性よりも小さい、
ことを特徴とする請求項１乃至３のうち何れか１項に記載の超音波照射装置。
【請求項７】
前記振動領域の前記ベース部材の前記振動膜と対向する面の前記法線方向における厚みは、前記支持領域の該法線方向における厚みよりも薄い、ことを特徴とする請求項６に記載の超音波照射装置。
【請求項８】
前記振動領域のヤング率は、前記支持領域のヤング率よりも小さい、ことを特徴とする請求項６に記載の超音波照射装置。
【請求項９】
前記振動領域の前記空隙と反対側の面には、気体又は液体が接していることを特徴とする請求項６乃至８のうち何れか１項に記載の超音波照射装置。
【請求項１０】
前記静電容量型超音波振動子は、所定の周波数における前記振動膜の振動を増強する大きさを有する前記振動膜に設けられた突起部を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の超音波照射装置。
【請求項１１】
前記突起部は、
前記振動膜に接する質量部と、
前記質量部を覆う保護膜と、
を含み、
前記ベース部材の前記振動膜と対向する面の法線方向からみた前記質量部の面積は、該法線方向からみた前記振動膜の面積よりも狭いことを特徴とする請求項１０に記載の超音波照射装置。
【請求項１２】
前記ベース部材の前記振動膜と対向する面の法線方向における前記突起部の厚さは、該振動膜の面方向における場所によって異なることを特徴とする請求項１０に記載の超音波照射装置。
【請求項１３】
前記突起部は、前記厚さが該突起部の中心で厚く周縁部で薄い階段形状であることを特徴とする請求項１２に記載の超音波照射装置。
【請求項１４】
前記突起部は、該突起部の周縁部に位置する前記厚さが他の部分より薄くなっているヒンジ部を有することを特徴とする請求項１２に記載の超音波照射装置。
【請求項１５】
前記突起部は、非導電性材料で構成されていることを特徴とする請求項１０に記載の超音波照射装置。
【請求項１６】
前記突起部は、
前記振動膜に接する質量部と、
前記質量部を覆う保護膜と、
を含むことを特徴とする請求項１０に記載の超音波照射装置。
【請求項１７】
前記上部電極の音響インピーダンスは、前記質量部の音響インピーダンスよりも大きく、
前記質量部の音響インピーダンスは、前記保護膜の音響インピーダンス以上である、
ことを特徴とする請求項１６に記載の超音波照射装置。
【請求項１８】
前記静電容量型超音波振動子は、所定の周波数における前記振動膜の振動を増強する大きさを有する前記振動膜に設けられた突起部を更に備えることを特徴とする請求項６乃至９のうち何れか１項に記載の超音波照射装置。
【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】
【公開番号】特開２０１２−２０４８７４（Ｐ２０１２−２０４８７４Ａ）
【公開日】平成２４年１０月２２日（２０１２．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−６４８７９（Ｐ２０１１−６４８７９）
【出願日】平成２３年３月２３日（２０１１．３．２３）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月２２日（２０１２．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月２３日（２０１１．３．２３）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
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