JP6579323B2 - Ultrasonic generator - Google Patents
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Description
本発明は、超音波発生素子に関するものである。 The present invention relates to an ultrasonic wave generating element.
超音波を被検体に向けて発生し、被検体から反射した反射波を画像化する超音波検査に関する研究が進められている。この超音波検査によれば、視認することができない体内の様子や物体の破損などを検査することができる。例えば、臓器の構造を観測するには、被検体である臓器内を水で満たし、当該臓器内に超音波発生素子と、超音波受信部とを入れ、臓器の水の中において超音波を発生させる。そして臓器の内面から反射した反射波を超音波受信部で受信し、画像化することにより、臓器の構造を観測することができる。この場合、超音波発生素子及び超音波受信部から臓器内面までの距離や、臓器の表面の材質に応じて、周波数を適宜選択する必要がある。 Research is being conducted on ultrasonic examinations that generate ultrasonic waves toward a subject and image reflected waves reflected from the subject. According to this ultrasonic inspection, it is possible to inspect a state of the body that cannot be visually recognized, damage to an object, and the like. For example, to observe the structure of an organ, fill the internal organ of the subject with water, insert an ultrasonic generator and an ultrasonic receiver in the organ, and generate ultrasonic waves in the water of the organ. Let Then, the reflected wave reflected from the inner surface of the organ is received by the ultrasonic receiving unit and imaged, whereby the structure of the organ can be observed. In this case, it is necessary to appropriately select the frequency according to the distance from the ultrasonic wave generating element and the ultrasonic wave receiving unit to the inner surface of the organ and the material of the surface of the organ.
一般的な超音波発生素子として、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛、Lead Zirconate Titanate)などの圧電素子が知られている(例えば、非特許文献1)。また、ポーラスシリコン表面から空気への熱的作用によって空中超音波を発生する熱誘起超音波発生素子が知られている(例えば、非特許文献2)。 A piezoelectric element such as PZT (Lead Zirconate Titanate) is known as a general ultrasonic wave generating element (for example, Non-Patent Document 1). Further, a heat-induced ultrasonic wave generating element that generates an airborne ultrasonic wave by a thermal action from the porous silicon surface to air is known (for example, Non-Patent Document 2).
しかしながら上記非特許文献1の場合、超音波を発生するには、構造物を超音波発生素子で振動させる必要があるため、使用できる周波数が共振周波数近傍に限られてしまう、という問題があった。また、上記非特許文献2の場合、比熱が大きく、熱膨張しにくい水などの媒質中では超音波を発生することが困難であるという問題があった。
However, in the case of
そこで、本発明は、より広い用途に使用することができる超音波発生素子を提供することを目的とする。 Then, an object of this invention is to provide the ultrasonic wave generation element which can be used for a wider use.
本発明に係る超音波発生素子は、熱によって体積が変化することにより、外部媒質に超音波を付与する内部媒質と、前記内部媒質を加熱するヒータとを備えることを特徴とする。
本発明に係る超音波発生素子は、熱によって体積が変化することにより、外部媒質に超音波を付与する液体である内部媒質と、前記内部媒質の表面を密閉する薄膜とを備え、前記内部媒質は、絶縁性を有することを特徴とする。
An ultrasonic wave generating element according to the present invention includes an internal medium that applies ultrasonic waves to an external medium when the volume is changed by heat, and a heater that heats the internal medium .
An ultrasonic generating element according to the present invention includes an internal medium that is a liquid that imparts ultrasonic waves to an external medium when the volume is changed by heat, and a thin film that seals a surface of the internal medium. Has an insulating property.
本発明によれば、内部媒質の体積を膨張させる周期を適宜変えることにより超音波の周波数を適宜変えることができ、より広い周波数帯域の超音波を外部媒質に効率的に付与することができるので、より広い用途に使用することができる。 According to the present invention, the frequency of the ultrasonic wave can be appropriately changed by appropriately changing the period for expanding the volume of the internal medium, and the ultrasonic wave in a wider frequency band can be efficiently applied to the external medium. Can be used for a wider range of applications.
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(全体構成)
図1に示す超音波発生素子10は、基板12に形成されており、ヒータ14と、ヒータ14上に設けられた発生部16とを備え、外部媒質17に超音波を付与する。基板12は、特に限定されず、例えばガラス基板やガラスコンポジット基板を用いることができる。因みにガラスコンポジット基板は、切り揃えたガラス繊維を重ねて、エポキシ樹脂を含浸して形成される。また、基板12は、熱浸透率が低い方が好ましい。ヒータ14は、電極22において交流電源19に接続されており、交流電源19によって印加される交流電圧によって発生部16を加熱する。外部媒質17は、特に限定されず、大気や水でもよい。(overall structure)
An
発生部16は、図2に示すように、ヒータ14の発熱部24上に設けられた内部媒質18と、内部媒質18の表面を密閉する薄膜20とを有する。発熱部24は、発生するジュール熱を内部媒質18に効率的に伝達し得るようにヒータ線が配置されるのが好ましく、特に形状は限定されない。本実施形態の場合、発熱部24は、環状の第1ヒータ線部25と、当該第1ヒータ線部25と同心円上に形成され第1ヒータ線部25より外径が小さい環状の第2ヒータ線部27とを有する。
As shown in FIG. 2, the
内部媒質18は、熱によって体積が変化し、外部媒質17と音響インピーダンスが整合する気体または液体で構成することが好ましい。また内部媒質18は、比熱が外部媒質17より小さく、熱膨張率が外部媒質17より大きい方がより好ましい。より具体的には、例えば外部媒質が水の場合、内部媒質18は、比熱が、水の比熱(4.2(kJ/kgK))より小さい方が好ましい。また、熱膨張率は、2.1×10−4(K−1)より大きいことが好ましい。内部媒質18は体積弾性係数が、外部媒質17の体積弾性係数、例えば水の体積弾性係数(2.2GPa)よりも大きい方が好ましい。The
さらに、内部媒質18は、熱容量が小さく、伝熱特性が高い方がさらに好ましい。また内部媒質18は、使用温度範囲において、沸騰(揮発)せず、かつ固化(凝固)しない液体を用いることができる。
Furthermore, it is more preferable that the
内部媒質18としては、例えば水(沸点:100℃、融点:0℃)、シリコンオイル(信越化学工業(株)製HIVAC F−4の場合、沸点:250℃以上、融点:-35℃)、グリセリン(沸点:290℃、融点:18℃)、アセトン(沸点:56℃、融点:-95℃)、アルコール(エタノールの場合、沸点:78℃、融点:-114℃)などを含めることができる。すなわち使用温度範囲は、内部媒質18によって制限され、具体的には内部媒質18の沸点より低く、融点より高い温度範囲となる。なお、内部媒質18は、ヒータ14と電気的に絶縁していることが好ましい。ヒータ14と絶縁するには、絶縁性を有する内部媒質18を用いてもよい。またヒータ14と内部媒質18の間に、絶縁膜を形成することとしてもよい。
Examples of the
薄膜20は、有機膜、金属膜などを用いることができ、例えば、ポリパラキシレン(商品名パリレン)膜やシリコン膜を用いることができる。
As the
本実施形態の場合、基板12上にヒータ14が形成されており、当該ヒータ14の発熱部24上に薄膜20によって密閉空間が形成されており、当該密閉空間内に内部媒質18が充填されている。内部媒質18を発熱部24上に留めるため、当該ヒータ14の発熱部24の周囲を囲むように基板12上に疎水性膜26を設けてもよい。疎水性膜26は、例えば疎水性のアモルファスフッ素樹脂(例えば、CYTOP(登録商標))を用いて、第1ヒータ線部25の外側で、第1ヒータ線部25と同心円となるように環状に形成することができる。
In the case of the present embodiment, the
(製造方法)
上記のように構成された超音波発生素子10の製造方法について、図3を参照して説明する。まず基板12上に金属層28を形成する(図3A)。次いで、パターンを用いて金属層28を所定形状に形成することにより、発熱部24を有するヒータ14を形成する(図3B)。次に、発熱部24の周囲を囲むように疎水性膜26を形成する(図3C)。次いで、発熱部24上に内部媒質18として例えばシリコンオイルを滴下する。そうすると内部媒質18は、発熱部24の周囲に設けられた疎水性膜26によって発熱部24上に留まる(図3D)。このように設けられた内部媒質18上に薄膜20を形成し、内部媒質18の表面を密閉することにより超音波発生素子10を得ることができる(図4)。本実施形態の場合、薄膜20は、真空下で形成される。したがって内部媒質18が密閉された空間においては、気泡が排除されている。すなわち内部媒質18は溶解している気体が排除されている。(Production method)
A method for manufacturing the
以上により、本実施形態に係る超音波発生素子10を作製することができる。本実施形態の場合、薄膜20は、疎水性膜26及び内部媒質18の表面にのみ形成した場合について図示したが、本発明はこれに限らず、疎水性膜26で囲まれている範囲以外の基板12表面の全体に薄膜20を形成することとしてもよい。
As described above, the ultrasonic
(作用及び効果)
次に本実施形態に係る超音波発生素子10の作用及び効果について説明する。最初にヒータ14に交流電圧Vを印加する。交流電圧Vは、最大値をV0、角速度をω、時間をtとすると、図5に示すように表せる。(Action and effect)
Next, the operation and effect of the ultrasonic
交流電圧Vが印加されることにより、ヒータは抵抗加熱される。すなわちヒータからジュール熱Qが発生する。このジュール熱Qは、交流電圧の周期に応じ、周期的に生じる。ジュール熱Qは、最大値をQ0とすると、図5に示すように表せる。When the AC voltage V is applied, the heater is heated by resistance. That is, Joule heat Q is generated from the heater. This Joule heat Q is periodically generated according to the cycle of the AC voltage. Joule heat Q, when the maximum value and Q 0, can be expressed as shown in FIG.
このように周期的に生じるジュール熱Qによって内部媒質18が加熱される。これにより内部媒質18は、膨張、収縮を周期的に繰り返す。この内部媒質18の膨張、収縮により、振動が薄膜20を介して外部媒質17へ伝達される。これにより外部媒質17に超音波を付与し得る。このとき、熱によって外部媒質17に与えられる圧力Pは図5に示すようになり、初期圧力P0、音圧P1となる。このとき、音の周波数は2ωtと入力電圧の倍の周波数の超音波が発生する。The
上記のように本実施形態に係る超音波発生素子10は、内部媒質18を熱膨張させることにより、外部媒質17に超音波を付与することとした。したがって内部媒質18を熱膨張させる周期を適宜変えることにより超音波の周波数を適宜変えることができるので、従来に比べ広い周波数帯域の超音波を発生することができる。
As described above, the
また、従来の圧電材料を用いた超音波発生素子の場合には、材料の振動の残響が存在するため、短パルスを発生することができない。 In addition, in the case of an ultrasonic wave generation element using a conventional piezoelectric material, there is a reverberation of the vibration of the material, so that a short pulse cannot be generated.
これに対し本実施形態に係る超音波発生素子10は、圧力波を発生しており、材料や媒質が振動しないため、残響が起こらず短パルスの超音波を容易に発生することができる。
On the other hand, since the ultrasonic
さらに本実施形態の場合、超音波発生素子10は、内部媒質18を液体で構成したことにより、外部媒質17としての水に対して、音響インピーダンスが整合するので、効率的に超音波を外部媒質17に付与することができる。
Furthermore, in the case of the present embodiment, the
したがって超音波発生素子10は、液体の外部媒質17により広い周波数帯域の超音波を効率的に付与することができるので、より広い用途に使用することができる。
Therefore, since the ultrasonic
また内部媒質18が密閉された空間においては、熱および音の伝達を妨げる気泡が排除されている。したがって超音波発生素子10は、効率的に超音波を発生することができる。
Further, in the space in which the
本実施形態の場合、内部媒質18は液体を用いた。内部媒質18として適用し得る液体として、比熱が異なる純水、グリセリン、シリコンオイル(信越化学工業(株)製、HIVAC F−5)についてそれぞれ音圧を測定した。それぞれの比熱は、純水が4.2(kJ/kgK)、グリセリンが2.4(kJ/kgK)、シリコンオイルが1.3(kJ/kgK)である。超音波は、図3Bに示す基板12上にヒータ14を形成しただけの素子を用いて発生した。ヒータ14は、厚さ150nm、第1ヒータ線部25の直径を2.3mm、第2ヒータ線部27の直径を1.7mmとし、電気抵抗を15.2Ωとした。音圧は、水槽にそれぞれ内部媒質18と、前記素子とを入れ、素子から20mm離れた位置にハイドロホン(ブリュエル・ケアー社製、8103型)を設置した装置を用いた。
In the present embodiment, a liquid is used as the
素子のヒータ14に50kHzの交流電圧を印加し、100kHzの超音波の音圧を測定した。その結果を図6に示す。本図は、縦軸が音圧、横軸が入力電力を示している。この結果から、シリコンオイルが最もエネルギー効率が高いことが確認できた。このことから、内部媒質18としては、比熱が低い方がより好ましいことが分かった。
An AC voltage of 50 kHz was applied to the
本実施形態の場合、基板12は、ガラス基板やガラスコンポジット基板を用いることができる。熱浸透率は、ガラス基板が1.5×103{J/(m2s1/2K)}、ガラスコンポジット基板が7.82×102{J/(m2s1/2K)}である。それぞれの基板12に対し、上記と同様に、ヒータ14を形成し音圧を測定した。その結果を図7に示す。本図は、縦軸が音圧、横軸が入力電力を示している。この結果から、ガラスコンポジット基板の方がエネルギー効率が高いことが確認できた。このことから、基板12としては、熱浸透率が低い方がより好ましいことが分かった。In this embodiment, the
次に、本実施形態に係る超音波発生素子10を、上記「製造方法」に示す手順で作製し、音圧を測定した。基板12として厚さ1mmのガラスコンポジット基板を用い、当該基板12上に厚さ150nm、第1ヒータ線部25の直径を2.3mm、第2ヒータ線部27の直径を1.7mmとし、電気抵抗を15.2Ωとしたヒータ14を形成した。CYTOP(登録商標、旭硝子(株)製)で疎水性膜26を形成し、内部媒質18としてシリコンオイルを滴下した。最後に内部媒質18表面に薄膜20として厚さ1μmのパリレン膜を化学蒸着(CVD:Chemical Vapor Deposition)法で形成し、内部媒質18表面を密閉した。
Next, the ultrasonic
図8に示すように、水を入れた水槽30に超音波発生素子10を配置し、基板12表面から20mm離れた位置にハイドロホン(ブリュエル・ケアー社製、8103型)32を設置した。ヒータ14は交流電源19に接続した。ファンクションジェネレータ(図示しない)の35kHzの交流電圧を、オペアンプ(Apex technology社製、PA 09A)(図示しない)で10倍に増幅し、ヒータ14に印加したときの水の音圧を測定した。その結果を図9に示す。本図は、左側の縦軸が印加した電圧、右側の縦軸が音圧、横軸が時間である。本図から35kHzの交流電圧を印加することにより、70kHzの超音波が得られることが確認できた。
As shown in FIG. 8, the
さらに超音波発生素子10に対し入力する交流電圧の周波数を25kHz〜75kHzとすることにより得られる50kHz〜150kHzの周波数の超音波の音圧を測定した。比較として発生部16を設けていない以外は同様に形成した素子についても同様の方法で音圧を測定した。その結果を図10に示す。本図は縦軸が音圧を示し、横軸が周波数を示す。本図中、「□」が発生部16を設けた超音波発生素子10の結果であり、「○」が発生部16を設けていない素子の結果である。本図から超音波発生素子10は、発生部16を設けていない素子に比べ、約3倍の大きさの音圧が得られることが確認できた。このことから超音波発生素子10は、発生部16を設けることにより、より効率的に超音波を発生することができることが分かった。
Furthermore, the sound pressure of ultrasonic waves having a frequency of 50 kHz to 150 kHz obtained by setting the frequency of the alternating voltage input to the
(変形例)
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨の範囲内で適宜変更することが可能である。(Modification)
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be appropriately changed within the scope of the gist of the present invention.
本実施形態では、内部媒質18が液体である場合について説明したが、本発明はこれに限らず、例えばジェルや気体でもよい。
Although the case where the
また本実施形態では、ヒータ14の抵抗加熱により内部媒質18を加熱する場合について説明したが、本発明はこれに限らず、直接内部媒質18に電圧を印加して内部媒質18を抵抗加熱することとしてもよい。
In this embodiment, the case where the
また超音波発生素子10は、膜をレンズ形状にしたり、基板12をパラボラ形状にしたり、複数の超音波発生素子10をアレイ状に配置するなどして、指向性を有するように構成してもよい。
The
10 超音波発生素子
12 基板
14 ヒータ
17 外部媒質
18 内部媒質
20 薄膜DESCRIPTION OF
Claims (12)
前記内部媒質を加熱するヒータとを備えることを特徴とする超音波発生素子。 An internal medium that applies ultrasonic waves to the external medium by changing the volume due to heat ;
An ultrasonic generator, comprising: a heater for heating the internal medium .
前記内部媒質の表面を密閉する薄膜を備える
ことを特徴とする請求項1又は2記載の超音波発生素子。 The internal medium is a liquid;
The ultrasonic generator according to claim 1, further comprising a thin film that seals a surface of the internal medium.
前記内部媒質の表面を密閉する薄膜とを備え、A thin film that seals the surface of the internal medium,
前記内部媒質は、絶縁性を有することを特徴とする超音波発生素子。The ultrasonic generating element, wherein the internal medium has an insulating property.
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