WO1994006380A1 - Ultrasonic irradiation apparatus and processor using the same - Google Patents

Description

明 細 書 発明の名称

超音波照射装置及びそれによる処理装置 技術分野

本発明は、 悪性腫瘍の治療 · 血栓や結石の治療等に好 適な超音波治療装置、 血流な どの超音波エコー像を強調 するための超音波キヤ ビティ シ ョ ン生成機能を有する超 音波診断装置、 超音波化学反応促進装置、 固体表面の超 音波洗浄装置、 超音波気泡発生装置、 あるいは、 液体の 殺菌装置などに関する。 背景技術

収束強力音波照射による悪性腫瘍治療や結石の治療術 は、 手術によ らない低侵襲度の治療術、 患者の術後の生 活の質（Q ua l i t y o f L i f e) を大切にする治療方法と して、 今後もその社会的価値がますます高ま ってい く と予想さ れる。 このよ う な収束強力音波照射による治療効果発生 のメ カニズム と して、 音響キヤ ビテイ シ ヨ ンは、 重要な 役割を担う と考え られている。 また、 超音波照射による 化学反応促進や洗浄において も、 音響キヤ ビテイ シ ヨ ン が大きな役割を果た している こ とが知られている。

これ らの目的のために音響キヤ ビテイ シ ヨ ンの生成 - 圧壊を効率的に行な う方法と して、 従来、 特開平 2 — 1 2 6 8 4 8 で提案されている よ う な、 1 〜 1 0 0 m s e c間 隔で音場を切 り換えて超音波を照射する技術が報告され ている。 この技術は、 音響キヤ ビテイ シ ヨ ンの生成に要 する超音波照射時間が 1 〜 1 0 0 m s e cである こ とに着目 し、 波面の異なる音場をこ の時間間隔で切換えながら超 音波照射する もので、 一方の音場によ り生成した音響キ ャ ビテイ シ ヨ ンを、 も う一方の音場によ り圧壊する とい うサイ ク ルを繰り返し行な う ものである。 これによ り、 音場の切換えを行なわない場合と比較して、 超音波化学 作用の効率を同 じ超音波パワーにおいて 1 桁ほ ど改善す る こ とができた。

一方、 半導体素子作成工程においては、 素子の高集積 密度化に伴い基板への微細な異物の付着あるいは表面汚 染が製品の歩留ま り に多大な影響を与えている。 こ のた め半導体素子作成工程において洗浄工程が極めて重要と なっている。 微小気体を含む液体に超音波を照射する と、 疎密波である超音波による加圧、 減圧が局所領域で生 じ、 超音波の周波数に応じた大き さの気泡が振動 し、 音響キ ャ ビテーシ ョ ン と呼ばれる現象によ り気泡の圧壊が生ず る。 この音響キヤ ビテーシ ヨ ンの生成する条件では洗浄 . 効果が見られる こ とが分かってお り、 この性質によ り音 響キヤ ビテー シ ョ ン現象は広 く 洗浄に用い られており、 半導体基板の洗浄や眼鏡の洗浄あるいは食器洗浄な どに 用レ、られている。

超音波はその照射形態によ り洗浄効果が変化するため、 照射する際の超音波照射部の配置に関する工夫によ り洗 浄の効率を向上させる様々 な方法がこれまで考案されて いる。 しか し、 配置の工夫のみでは充分な洗浄効率向上 は達成できなかった。 よ り効率的な洗浄のためには、 洗 浄の源となる音響キヤ ビテーシ ヨ ンを効率良 く 生じさせ る方法が必要となる。 従来の超音波洗浄装置で超音波の 照射源を工夫した例と しては、 特平 2 — 1 5 7 0 7 8 号 にある よ う に複数の周波数の超音波発生源を有する こ と で単独の周波数の超音波よ り も高い洗浄能力を持たせた 洗浄装置の考案がある。 こ の例においては、 各々 の超音 波照射源から照射された超音波の効果の足し合わせの効 果はあるが、 周波数の組み合わせを音響キ ヤ ビテ一シ ョ ンを効率的に生 じる よ う設定していないため、 充分な洗 浄効果を得る事ができなかった。

また、 従来、 液体の殺菌では、 塩素や紫外線を用いる 方法が広 く 用いられている。 液体の組成を変えても構わ ない場合、 特に廃液処理な どには塩素処理が用い られ、 液体の組成をあま り変えずに殺菌するには紫外線が使わ れている。

塩素を用いる殺菌は比較的古 く から行われているが、 処理する液体の組成を変えて しま う ため、 殺菌 した後で 別な目的に用いるためには、 残留塩素の中和や除去な ど の操作が必要とな り、 安全性 · 環境コ ス ト の面で問題と なる。 紫外線を用いる殺菌は化学薬品を用いないため、 簡便でかつ殺菌後の液体の扱いの容易な殺菌方法と して 広 く 用レ、 られている。 しかし、 紫外線は、 ほ とんどの有 機化合物で吸収係数が大きいため、 有機化合物を多 く 含 む液体に対しては光源の近傍以外ではあま り効果が期待 できない。 超音波を液体に照射する と音響キ ヤ ビテー シ ヨ ンが生じ、 その作用によ り殺菌が行える こ とが知られ ている。 発明の開示

しかしながら、 特に、 治療に応用する場合を例に とる と、 臨床応用における実際の状況が多岐にわたるため、 上記の技術を用いても、 充分な治療効果を得るのに必要 な超音波パワーが、 超音波による副作用の潜在的可能性 の見地において必ずし も充分小さ く ないという場合も存 在する。 また、 一方、 上記のよ う な改良された従来技術 において も、 音響キヤ ビテイ シ ヨ ンの生成 ' 圧壊のエネ ルギ一に変換されるェネルギ一は、 照射された超音波ェ ネルギ一の極 く 一部に過ぎず、 こ の点において効率を原 理的に改善でき る可能性が残されていた。 従って、 上記 従来技術よ り さ らに小さな超音波パワーによ り 同 じ治療 効果を得る技術には潜在的な可能性があ り、 その実現が、 副作用をでき るかぎり抑えながら治療を行な う上で強 く 望まれていた。

本発明は、 上記のよ う な社会的需要および潜在的な技 術的可能性を鑑み、 音響キ ヤ ビテイ シ ヨ ンを従来技術に 比べ著し く 高い効率で生成する超音波照射技術を提供す る こ とを目的とする ものである。 これによ り、 実質的に 副作用のない超音波治療装置、 あるいは、 効率の高い超 音波化学反応促進装置、 超音波洗浄装置あるいは超音波 殺菌装置な どを提供する こ とを具体的目的 ^:する。 加え て、 効率的に生成された音響キ ヤ ビテイ シ ヨ ンを超音波 像と して可視化する こ と によ り、 超音波治療装置に誤射 を防 ぐ機能を与え、 あるいは、 血流な どのエコー特性を 強調し超音波診断装置によ る描画力を向上させる こ とを 目的とする。

超音波洗浄装置に関 しては複数の周波数の超音波発生 源を有する こ とで単独の周波数の超音波よ り も高い洗浄 能力を持たせるだけではな く 、 音響キヤ ビテーシ ヨ ンを 効率的に生じる よ う な周波数の組み合わせを設定する こ とで、 複数周波数の相乗効果と して、 よ り高い洗浄効果 を得る こ とができ る洗浄装置を提供する こ とを本発明の 目的とする。

音響キ ヤ ビテ一シ ョ ンに関与する気泡は、 ほぼ使用す る超音波の周波数に反比例するため、 低い周波数を用い た場合には大きな気泡が圧壊する。 半導体素子は、 その 高集積密度化に伴いパター ンのサイズが小さ く なつてお り、 2 0 k H z 等の低い周波数の超音波を洗浄に用いた 場合、 音響キ ヤ ビテー シ ヨ ンによ り生成した気泡の大き さが半導体素子に形成されたパタ ン と同程度の大き さに な り、 半導体素子のパタ ンの溝に入り込んで出てこない な どの悪影響をもた らす恐れがある。 このため高い周波 数を使用する必要があるが、 洗浄に有効な音響キヤ ビテ —シ ョ ンは周波数が高い場合生 じに く いという 問題があ る。 本発明の目的は、 洗浄の源である音響キ ヤ ビテ一 シ ヨ ンの生成効率の高い超音波照射方法によ り、 特に 5 0 0 k H z以上の高い周波数において も洗浄に有効な音響 キヤ ビテー シ ョ ンを生成する こ とによ り従来よ り も高い 洗浄能力を有する洗浄装置を提供する こ とにある。 と こ ろで、 上述の音響キヤ ビテ一シ ヨ ンによる気泡の圧壊 は特定の条件では局所的に高圧 · 高温の領域が生成され、 従来の超音波洗浄装置においては、 音響キヤ ビテーシ ョ ンの機械的作用のみが着目 されており、 音響キヤ ビテー シ ヨ ンの化学的作用を利用 した洗浄装置の例はない。 ま た、 超音波による洗浄には機械的作用に基づ く もの と化 学的作用に基づ く ものとがあ り、 通常の低い周波数の超 音波を用いた洗浄においては、 機械的作用が専ら作用 し ている。 半導体素子作成の工程における、 ア ンモニア と 過酸化水素あるいは過酸化水素と硫酸を用いる洗浄は、 半導体素子の表面あるいは半導体素子の表面に付着して いる物質を酸化させる という 化学的なプロセスを含んで いる。 本発明では、 このよ う な化学的な洗浄に関 して も 充分な洗浄効果を得る こ と も 目的と している。

また、 液体の殺菌に超音波を用いる場合には紫外線と 異な り発生源の近傍でしか効果が得られない とい う 問題 は回避可能である。 また、 塩素を使う場合に比べ、 処理 後の液体の組成の変化が少ないため、 殺菌後の液体を後 処理な しで使用可能である。 従来の超音波照射方法では 殺菌効果を得るのに充分な音響キヤ ビテーシ ョ ンを引き 起こすこ とができず、 こ のため、 超音波による殺菌はほ とんど行われていないが、 本発明では、 音響キヤ ビテー シ ヨ ンを引き起こすのに適した超音波照射方法を用い、 塩素や紫外線を用いる殺菌に比し、 充分な殺菌効果を持 つ殺菌装置を得る こ とを目的と している。 図面の簡単な説明

図 1 は倍周波重畳波の一例を示す図。

図 2 Aは s i n (2 7Γ f t ) の基本周波の波形 p i と 一 s i n (4 ^- f t ) の倍周波の波形 p 2 を合成した波形を示 す図である。

図 2 B は倍周波の波形 p 2 とその上下両側に、 生成さ れ増大してい く 気泡の様子を模式的に示す。

図 2 C は基本周波の波形 p 1 とその上下両側に、 倍周 波の波形 P 2 によ って生成され増大された気泡がさ らに 増大してい く 様子を模式的に示す図。

図 3 は本発明の超音波照射装置の一実施例の構成を示 すブロ ッ ク図。

図 4 Aは図 3 の実施例における超音波 ト ラ ンスデュ― サ部の一例の構成を示す上面図。

図 4 B は図 3 の実施例における超音波 ト ラ ンスデュー サ部の一例の構成を示す側面図。

図 5 は図 3 の実施例における超音波 ト ラ ンスデュ ーサ 部の他の一例の構成を示す図。

図 6 は倍周波重畳波によ る音響化学反応の実験結果を 示す図。

図 7 は本発明の超音波照射装置の他の実施例の構成を 示すブロ ッ ク図。

図 8 は図 7 の実施例における超音波 ト ラ ン スデュ ーサ 部の圧電厚み振動子の構成を示す断面図。

図 9 は図 8 の圧電厚み振動子の矩形状駆動波形の例を 示す図。

図 1 0 は図 8 の圧電厚み振動子の階段状駆動波形の例 を示す図。

図 1 1 は図 7 の実施例における超音波 ト ラ ン スデュー サ部の圧電振動子周辺回路の構成を示す図。

図 1 2 は図 7 の実施例における超音波 ト ラ ン スデュ ー サ部の圧電振動素子駆動回路構成の一例を示す図。

図 1 3 は図 7 の実施例における超音波 ト ラ ン スデュ ー サ部の圧電振動素子駆動回路を構成するプッ シュ プル型 スィ ツ チ ング回路の一例を示す図。

図 1 4 Aは図 7 の実施例における超音波 ト ラ ン スデュ ーサ部の一例の構成を示す上面図。

図 1 4 B は図 7 の実施例における超音波 ト ラ ン スデュ ーサ部の一例の構成を示す側面図。

図 1 5 は図 7 の実施例における超音波 ト ラ ン スデュ ー サ部の他の構成例を示す図。

図 1 6 は図 7 の実施例における超音波 ト ラ ン スデュ ー サ部の圧電振動素子駆動回路の他の一例を示す図。

図 1 7 は図 8 の圧電厚み振動子の階段状波形駆動のた めのタ イ ムチ ヤ一 ト。

図 1 8 は本発明で採用 しう る単フ ォ ーカ ス手動走査型 ト ラ ンスデュ 一ザの例の断面図。

図 1 9 は本発明で採用 しう る非フ ォ ーカ ス型平面波 ト ラ ンスデュ ーザの例の断面図。

図 2 0 は本発明で採用 し う る刺入用針状 ト ラ ンスデュ 一ザの例の断面図。

図 2 1 は本発明の術中超音波治療 ト ラ ンスデュ ーザの 構成の一例を示す図。

図 2 2 は本発明の術中超音波治療 ト ラ ンスデューザの 構成の他の一例を示す図。

図 2 3 は本発明の超音波化学反応装置の反応器構成の 一例を示す図。

図 2 4 は本発明の超音波化学反応装置の反応器構成の 他の一例を示す図。

図 2 5 は本発明の超音波洗浄装置の構成の一例を示す 図。

図 2 6 は本発明の超音波洗浄装置の構成の他の一例を 示す図。

図 2 7 は本発明の超音波洗浄装置の構成のさ らに他の 一例を示す図。

図 2 8 は倍周波重畳波の基本周波と倍周波との相対位 相を変えて照射した場合の酸化反応の実験結果を示す図。 図 2 9 は本発明の殺菌装置の構成の一例を示す図。

図 3 0 は本発明の殺菌装置の構成の他の一例を示す図。 発明を実施するための最良の形態

比較的大きな強度をもつ正弦波状の超音波が生体や液 体中な どの媒質中を伝播する とき、 その圧力波形が、 伝 捲と と もに正弦波からいわゆる N波 （圧力の立ち上がり が立ち下がり に比べて急峻な波） 状に変形 してい く こ と が知られている。 これは、 媒質の もつ圧力が高 く なる と 音速が高 く なる という非線形性による ものであ り、 パル ス状の超音波の場合には、 伝播と と もに正圧ピー クが負 圧ピー ク よ り も大きな波形に変形してい く こ とが知られ ている。 一方、 音響キヤ ビテイ シ ヨ ンは、 強い反射物の ない透過型あるいは伝播型と呼ばれる音場では生成され に く いのに対し、 強い反射物の存在する超音波音場では 生成されやすいこ とが知られている。 以上のこ とは、 超 音波の伝播によ り生ずる圧力の立ち下がりが立ち上がり に比べて緩やかな波や負圧ピー クが正圧ピー ク よ り も小 さな波は音響キヤ ビテイ シ ョ ンの生成に と って不利であ るが、 反射物によ って位相の反転が起こ り波形が変わる と音響キヤ ビテイ シ ョ ンの生成に と って有利となるため である と考える と説明でき る。

このよ う な考えの も とに、 本発明では、 照射対象にお いて基本周波数の超音波にその 2 倍の周波数をもつ超音 波がた しあわせられる よ う構成する こ とによ り、 上記の 場合には位相反転の結果生ずる と考え られる音響キ ヤ ビ テイ シ ヨ ン生成に と って有利な波形をもつ超音波を、 反 射物な しに合成可能とする こ とを提案する。 すなわち、 例えば図 1 に示すよ う に、 基本周波数の超音波 P 1 にそ の 2 倍の周波数をもつ超音波 p 2 を適当な位相関係でた しあわせる こ とによ り、 負圧ピー クが正圧ピー ク よ り大 きな、 音響キヤ ビテイ シ ヨ ンの生成に と って有利な波形 をもつ超音波 P 1 + P 2 を合成する こ とができ る。

これら基本周波 P 1 と倍周波 p 2 は、 同 じ送波素子か ら同時に発生させる こ と も、 別々 の送波素子から発生さ せ、 それらが、 ほぼ同一の焦点において合成される よ う 送波器を構成する こ と もできる。 第 1 の実施例では、 よ り焦点付近に限定して音響キヤ ビティ シ ョ ンを生成する こ とができ る基本周波 p 1 と倍周波 p 2 をそれぞれ複数 の送波素子から発生させる よ う構成したア レ イ型送波器 を用い、 基本周波 p 1 の焦点と倍周波 P 2 の焦点とを互 いに重畳させながら同時に電子走査する よ う構成する こ とを提案する。

また、 この実施例では、 音響キヤ ビテイ シ ヨ ン生成の 位置を超音波エコ ー像中の位置と して監視でき る よ う に するため、 上記倍周波よ り も高い周波数のパルス波を送 受信する こ とによ り照射対象の超音波エコー像を同時に 形成する よ う構成する こ とを提案する。

第 2 の実施例では、 これら基本周波 p 1 と倍周波 p 2 を同一の送波素子から同時に発生させるよ う に工夫され た例を提案する。

第 3 の実施例では、 基本周波数の平面波とその 2 倍の 周波数の平面波とを、 両周波数の波面が実質的に平行と なる よ う にた しあわせて、 同一の対象に対して同時に照 射する構成を提案する。

第 4 の実施例では、 上述の音響キヤ ビテイ シ ヨ ン生成 を半導体素子作成の工程におけるア ンモニア と過酸化水 素あるいは過酸化水素と硫酸を用いる洗浄のよ う に、 半 導体素子の表面あるいは半導体素子の表面に付着してい る物質を酸化させる という化学的なプロセスで効果的に 活用を提案する。

第 5 の実施例では、 液体の殺菌への活用を提案する。 これらの実施例で、 照射対象において音響キヤ ビティ シ ョ ンを効率的に生成する こ とができ る基本周波 p 1 の 超音波と倍周波 p 2 と超音波との合成の具体例をまず説 明する。

図 2 A、 図 2 B は基本周波数 f の超音波の波形 p i が 時間 t について s i n (2 f t ) と表される と き倍周波の 波形 P 2 一 s i n (4 7Γ f t ) と近似される よ う な位相 関係を設定した場合の音圧波形を示すものであ り、 合成. 音圧の立上り に比べ立ち下がりが急俊とな り、 音響キヤ ビテイ シ ヨ ンの生成に と ってきわめて有利な例である。 こ の場合を例と して、 音響キヤ ビテイ シ ヨ ンの生成作用 を模式的に説明する。

図 2 Aは s i n (2 π f t ) の基本周波の波形 p 1 と一 s i n ( 4 ;r f t ) の倍周波の波形 p 2 を合成した波形を示 す図である。 図 2 B は倍周波の波形 P 2 とその上下両側 に、 生成され増大してい く 気泡の様子を模式的に示す。 図 2 C は基本周波の波形 P 1 とその上下両側に、 倍周波 の波形 p 2 によ って生成され増大された気泡がさ らに増 大してい く 様子を模式的に示す。

まず、 倍周波 P 2 ( - - s i n (4 π f t ) ) によ り音響 キヤ ビテイ シ ヨ ンの生成が開始される。 倍周波における 共振気泡の半径は基本周波 P 1 ( = s i n (2 π f t ) ) に おける共振気泡の半径の 1 Z 2 と小さいため、 基本周波 P 1 のみによる場合と比較して倍周波を用いる こ とによ り音響キヤ ビテイ シ ョ ンの開始がはるかに有利となる。 このとき、 キヤ ビテイ シ ヨ ン気泡の半径は、 倍周波の周 期で振動するが、 気泡の生成の初期は図 2 Bの上側に示 すよ う に、 その半径が共振気泡の半径よ り小さい く 、 倍 周波の負圧ピー ク時に最大 （例えば b 1 ) とな り、 正圧 ピー ク時に最小 （例えば b 2 ) となる。 すなわち b 1 、 b 2 の大き さの範囲で拡大、 収縮を繰り返しているので ある。

倍周波 P 2 のエネルギーを受けてキヤ ビテイ シ ヨ ン気 泡が成長し、 その半径が倍周波における共振気泡の半径 の程度に達する と、 気泡半径の振動の位相は 9 0 度遅れ、 その半径は、 負圧から正圧へのゼロ ク ロス時に最大 （例 えば b 3 ) となる。 正圧に対応する気泡は非共振時と実 質同 じ （例えば b 4 ) である。 この とき、 上記の位相関係で基本周波 p 1 が重畳され ている と、 振動半径の最大となる時相の う ち 2 周期に 1 度が基本周波の負圧ピー クの時相と一致する （例えば c 1 ) ため、 キヤ ビテイ シ ヨ ン気泡は基本周波のエネルギ 一を受けてさ らに成長し、 少な く と も基本周波における 共振気泡の大き さ （例えば c 2 ) に到達する。 基本波に おいて も正圧に対応する気泡は共振時、 非共振時と もに 倍周波における初期の正圧に対応する気泡と実質同 じ (例えば c 3、 c 4 ) である。

成長した気泡が圧壊されたとき内部の気体が断熱圧縮 される こ とによ り局所的にエネルギーを生ずる。 こ のェ ネルギ一が化学反応などを ト リ ガーするな どの目的に充 分であるためには、 圧壊される気泡は少な く と もある程 度以上の大き さをもたなければな らない。 基本周波数を ある程度低 く 選択すれば、 その共振気泡をその必要な大 き さ以上に設定する こ とができ る。 と こ ろが、 基本周波 を単独照射する場合には、 基本周波の共振気泡が大きす ぎる と今度はキヤ ビティ シ ョ ン生成をう ま く 開始できな いという 問題を生じて しま う。 これに対し、 本発明の方 法を用い、 適切な位相関係の倍周波を重畳させれば、 キ ャ ビティ シ ョ ン生成の開始とキヤ ビティ ショ ン気泡の充 分な大き さへの成長とを、 それぞれ、 倍周波と基本周波 によ り連携をとつて効率的に行な う こ とができ る。

また、 上記倍周波よ り も高い周波数のパルス波を送受 信する こ とによ り照射対象の超音波エコー像を形成する 超音波撮像部によれば、 照射対象に音響キヤ ビティ シ ョ ンによる作用を及ぼすための超音波と実質的に同等の速 度を持つ波動によ る 自己整合性をもつ監視が可能となる ため、 中間の媒質の音速分布な どの影響を比較的受けに く い監視が実現でき る。 さ らに、 この超音波撮像部を、 照射对象に音響キ ヤ ビティ シ ョ ンによ る作用を及ぼすた めの超音波のう ち倍周波の、 さ らに偶数倍の周波数成分 を受信すべ く 構成する こ とによ り、 音響キヤ ビティ シ ョ ン発生位置または発生の可能性の高い位置を超音波ェコ 一像の上に重畳させて表示する こ とができ る。

以下、 本発明の第 1 の実施例を図 3 〜図 6 を用いて詳 細に説明する。

音響キ ヤ ビテイ シ ョ ン発生位置監視機能を有する本発 明の超音波照射装置の一実施例の全体構成を図 3 に、 超 音波 ト ラ ン スデュ ーサ部の構成を図 4 A、 図 4 Bおよび 図 5 に示す。

キー入力手段 3 1 から超音波照射治療戦略に関する情 報が照射部主制御回路 2 0 に入力され、 それに基づいて、 基本周波および倍周波の照射音場それぞれの焦点位置 · 音圧分布形状を規定する照射フ ォ ー カ ス · コ 一 ド信号が、 照射部主制御回路 2 0 からそれぞれ駆動位相生成回路 I ( 1 1 ) および駆動位相生成回路 I I ( 1 2 ) へ与え られ る。 生成された基本周波および倍周波の照射用 ト ラ ン ス デュ ーサ各素子を駆動する位相は、 それぞれ駆動信号生 成回路 7 — 1 〜 7 — N ( Nは ト ラ ンスデュ ーサ独立素子 のう ち基本周波用の総数） および駆動信号生成回路 8 - 1 〜 8 _ M ( Mは ト ラ ンスデュ ーサ独立素子のう ち倍周 波用の総数） へ与え られる。 基本周波および倍周波の駆 動振幅は、 照射部主制御回路 2 0 からそれぞれの駆動信 号生成回路 7 - 1 〜 7 — Nおよび 8 — 1 〜 8 — Mへ与え られる。 生成された基本周波および倍周波それぞれの駆 動信号はそれぞれ素子駆動回路 3 — 1 〜 3 - Nおよび 4 — 1 〜 4 一 Mへ与え られ、 照射用 ト ラ ン スデューサ基本 周波素子群 1 ― 1 〜 1 一 Nおよび倍周波素子群 2 — 1 〜 2 - Mがそれぞれ駆動される。 駆動振幅は照射部主制御 回路 2 0 から素子駆動回路 3 — 1 〜 3 — Nおよび 4 一 1 〜 4 一 Mへ直接与えられる信号によ って も制御される よ う構成されてお り、 異常発生時に超音波照射を緊急停止 する動作を確実かつ容易な ものと している。

基本周波素子群 1 一 1 〜 1 一 Nおよび倍周波素子群 2 — 1 〜 2 — Mによ り構成される照射用 ト ラ ン スデュ ーサ は、 照射対象物中に発生するキヤ ビティ シ ョ ン検出のた めの受信 ト ラ ンスデュ ーザと して も動作する。 各素子に よ り受信された信号は、 帯域除去フ ィ ル タ 5 _ 1 〜 5 — Nおよび 6 - 1 〜 6 — Mによ り照射信号帯域の成分が除 かれた後、 それぞれ受信ア ンプ 9 — 1 〜 9 一 Nおよび 1 0 — 1 〜 1 0 — Mへ導かれて増幅され、 受信フ ォ ーカス 回路 I ( 1 3 ) および受信フ ォ ー カ ス回路 I I ( 1 4 ) へ それぞれ与え られる。 基本周波駆動回路 3 — 1 〜 3 - N および倍周波駆動回路 4 — 1 〜 4 — Mの出力部には、 駆 動能率を向上させる 目的で、 それぞれ基本周波数 f 。 と 倍周波数 2 f 。 において素子容量とケーブル容量の和と 共振する直列イ ンダク タ ンスが入っているので、 それぞ れ f 。 と 2 f 。 をはずれた周波数においては駆動回路の 出力イ ン ピーダ ンスがシ ャ ン ト となって受信感度を阻害 する こ とはない。

受信ア ンプ 9 — 1 〜 9 — Nおよび 1 0 — 1 〜 1 0 — M は可変ゲイ ン となってお り、 ゲイ ンは照射部主制御回路 2 0から直接与え られる信号によ り制御される。 照射フ オ ーカス切換え時な ど、 照射超音波中心周波数以外にお いて も不要信号成分が多 く 生ずる時間帯には、 こ のゲイ ンを落と してア ンプの飽和を避ける。 受信フ ォーカス回 路 I ( 1 3 ) および受信フ ォ ーカ ス回路 11 ( 1 4 ) は、 照射焦域内に受信系の空間分解能に相当する間隔をおい て配列された複数の焦点に収束する フ ォ ーカ ス回路を並 列に持ち、 キ ヤ ビテイ シ ヨ ンによ り放射される周波数 f 0 / 2. f 。 Z 3 な どの分調波成分や周波数 4 ί ₀ 、 6 f 。 、 8 f 。 な どの高調波成分や 3 f 。 Z 2、 5 f o ノ 2、 7 f 。 / 2な どの分調波の高調波成分の超音波の 発生および発生位置を検出する。 キヤ ビテイ シ ヨ ン発生 位置と発生強度を表す信号は、 表示回路 3 0 に与え られ る。 こ こ で、 並列処理フ ォ ーカ ス回路を上記焦点の数よ り少ない数もちい、 それぞれの焦点を走査する よ う構成 する こ とによ り受信フ ォ ーカス回路 I ( 1 3 ) および受 信フ ォ ーカス回路 II ( 1 4 ) のコス ト低減をはかる こ と もでき る。

図中 2 1 は超音波撮像専用ア レイ型送受信探触子であ り、 2 2 はそれを探触子面に垂直な軸のまわ り に回転さ せる回転機構であって、 照射対象の位置ぎめに必要な複 数の超音波パルスエコ ー断層像を得る こ とのでき る構成 となっている。 探触 2 2 のそれぞれの素子は、 送受信ァ ンプ 2 4 を介 して送信制御回路 2 3 と受信フ ォ ーカス回 路 2 5 に接続されている。 表示回路 3 0 は、 得られたェ コー断層像に、 受信フ ォ ーカス回路 I ( 1 3 ) および受 信フ ォ ーカ ス回路 Π ( 1 4 ) によ り検出されたキヤ ビテ イ シ ョ ン発生位置と発生強度を表す信号が重畳されて表 示される よ う構成されている。

良好な画像分解能を得るため、 探触子 2 1 の超音波周 波数帯域は 4 f 。 以上とする。 また、 キ ヤ ビテイ シ ヨ ン によ り放射される周波数 4 f 。 、 6 f 。 、 8 f 。 な どの 高調波成分や 9 f 。 Z 2 な どの分調波の高調波成分は、 素子群 1 ― 1 〜 1 一 Nおよび素子群 2 — 1 〜 2 - Mよ り も、 むしろ探触子 2 1 によ り検出される よ う構成して も よい。 さ らに、 照射部主制御回路 2 0 によ り、 駆動位相 生成回路 I ( 1 1 ) および駆動位相生成回路 I I ( 1 2 ) 、 駆動信号生成回路 7 - 1 〜 7 — Nおよび 8 - 1 〜 8 - M を制御する こ とによ り、 超音波撮像専用ア レイ型送受信 探触子 2 1 の撮像用超音波パルス送信と同期させてパル ス超音波を送波し、 素子群 1 一 1 〜 1 一 Nおよび 2 - 1 〜 2 — Mによ る送信と探触子 2 1 による受信で得られる キ ヤ ビテイ シ ヨ ン発生用強力超音波集束位置を、 探触子 2 1 による送受信で得られるエ コ ー断層像に重畳させて 表示する こ と もでき る。

また、 キヤ ビテイ シ ヨ ン発生の効率は、 基本周波と倍 周波との相対的位相関係によ り左右されるので、 キ ヤ ビ ティ シ ョ ンによ り放射される高調波成分や分調波の高調 波成分の強度が最大となる よ う駆動信号生成回路 7 - 1 〜 7 _ Nおよび 8 — 1 〜 8 — Nを制御し相対的位相関係 を最適化する よ う構成する こ とによ り、 さ らに効率の高 いキヤ ビテイ シ ヨ ン発生を実現する こ とができ る。 高調 波成分や分調波の高調波成分の強度による最適化が困難 な場合や、 その機能を省略したい場合には、 相対的位相 関係を倍周波について； Γ /8〜 π /4ずつずら しながら照射 する こ とによ り、 効率の高いキヤ ビテイ シ ヨ ン発生を時 間軸上少な く と も一定以上の割合で実現する方法もある。 最適な相対的位相関係を探す場合 も、 予定に従って相対 的位相関係をずら してい く 場合も、 1 つの相対的位相関 係においてキヤ ビティ シ ョ ン発生に必要な一定時間 （典 型的には 0. 1 m s e c程度） 以上照射を続ける必要がある。

エ コ ー断層像による超音波照射対象部位の観察から、 対象部位の呼吸による運動が無視できず、 問題となる場 合には、 受信フ ォ ー カ ス回路 2 5 から照射部主制御回路 2 0 へ与え らる信号を も とに、 照射フ ォ ー カ スを対象部 位の運動にあわせて移動する よ う制御する。 対象部位の 運動が大きすぎて、 照射フ ォ ー カ ス可能範囲を越えてい た り、 ト ラ ッ キングが困難な場合には、 呼吸検出部 3 2 から照射部主制御回路 2 0 へ与え られる信号をも とに、 超音波照射時期を呼吸に同期させ、 呼吸時相のある一定 範囲内においてのみ超音波照射を行なう よ う制御する。

また、 本発明の効率的音響キ ヤ ビテイ シ ヨ ン発生法を 応用 し、 本実施例の もつ超音波診断装置と しての描画力 を向上する こ と もでき る。 すなわち、 素子群 1 一 1 〜 1 一 Nおよび素子群 2 — 1 〜 2 — Mを用いて比較的小さな 強度において 2 周波重畳超音波照射を行い、 探触子 2 1 を用いた超音波パルスエ コ ー法による描画対象中に効率 的に音響キヤ ビティ シ ョ ンを発生させて血流な ど描画対 象のエコー特性を強調 し、 探触子 2 1 を用いた超音波パ ルスエコー法単独では ドプラ法によ って も描画の難しい 微細な血管中の血流や低速血流を、 描画可能とする こ と ができ る。

次に、 図 4 A、 図 4 B、 図 5 を参照して、 本実施例の 超音波 ト ラ ン スデューサ部をさ らに詳し く 説明する。 図 4 A、 図 4 B には、 例と して、 超音波素子群 1 — 1 〜 1 — Nおよび 2 — 1 〜 2 — Mによ り構成される 1 6 セ ク タ X 2 ト ラ ッ クのア レイ型強力超音波 ト ラ ン スデュ ーサを 示す。 図 4 Aが ト ラ ン スデュ ーサを下から見た状態と各 素子群とそ の周辺回路の一部を示す図であ り、 図， 4 B は ト ラ ン スデュ ーザの断面構造を示す図である。

こ の集束型強力超音波 ト ラ ン スデュ ーサは、 焦点の走 查を必要最小限の素子数 N + Mによ り可能とするため、 幾何学的フ ォ ーカ スを有している。 本実施例では、 幾何 学的フ ォ ーカ スは、 超音波素子群 1 一 1 〜 1 — Nおよび 2 - 1 〜 2 — Mを軽合金製球殻 3 3 上に配置する こ とに よ って与え られている。 マグネ シウムまたはアル ミ ニゥ ムを主成分とする軽合金製球殻 3 3 は、 超音波照射面側 が幾何学的焦点 Fを中心とする球面の一部を成す凹面と なってお り、 背面側が圧電セラ ミ ッ ク製の超音波素子を 接着するために研磨された多面体状となっている。 軽合 金製球殻 3 3 は、 熱伝導性が良好であるので強力超音波 照射時の圧電素子の冷却に有効であ り、 さ らに、 各圧電 素子の接地電極と して も働いている。 また、 ト ラ ンスデ ユーサ · ハウ ジ ン グの一部を形成してお り、 強力超音波 照射時に発生する熱を奪う ための冷却用流体通路 3 3 が 設けられ、 体表との音響力プリ ングを容易にするための 脱気水入り水袋 3 5 が取り付けられている。 マグネ シゥ ムゃアル ミ ニウムを主成分とする軽合金は、 圧電セラ ミ ク ス とカプリ ン グ用脱気水の中間の音響イ ン ピーダンス えを有するので、 球殻 3 3 は両者の間の音響整合材と し て も働いている。

なお、 本実施例では、 球殻 3 3 の厚さ は、 基本周波に おいて半波長、 倍周波において 1 波長となる よ う に選択 されているが、 基本周波素子 1 ― 1 〜 1 一 Nの部分と倍 周波素子 2 _ 1 〜 2 — Mの部分とで厚さを変え、 それぞ れの周波数において 1 Z 4 波長と し、 パルス状超音波の 送受信特性を改善する よ う選択する こ と もでき る。 図 4 A、 図 4 B に示すア レイ 中央部の円形の穴には、 超音波撮像専用パルスエコー送受信探触子 2 1 がおさめ られている。 この探触子 2 1 の基本構造は超音波診断装 置に用い られているセ ク タ走査型ア レイ探触子と同等で あ り、 その中心周波数は、 本実施例では、 倍周波素子 2 一 1 〜 2 — Mの共振周波数の 2倍に設定されている。 単 数の 1 次元ァ レイ探触子によ り複数断層面の撮像を可能 とするため、 探触子 2 1 は、 ト ラ ンスデュ ーサ ' ノヽウ ジ ング 3 3 に対し、 ト ラ ンスデューザの中心軸まわ り に回 転可能となっており、 その回転は、 回転機構 2 2 によ り 行なわれる。

本実施例では、 ト ラ ンスデューザの幾何学的焦点距離 は約 1 2 c mであ り、 ア レイ の外径約 1 2 c m、 内径約 4 c m、 2 つの ト ラ ッ ク を区切る円の直径約 8 c mであ る。 基本周波を発生する外側 ト ラ ッ クの直径が、 倍周波 を発生する内側 ト ラ ッ ク の直径のおよそ 2 倍となってい るため、 焦点面における基本周波スポッ トの直径と倍周 波スポッ 卜の直径はほぼ等し く な り、 2 周波の相乗効果 によるキヤ ビティ シ ョ ン発生が効率的に行なわれる。

さ らに、 ア レイの外形 1 2 c mに対し、 内径を 3 c m、 2 つの ト ラ ッ クを区切る円の直径を 6 c m とすれば、 外 側と ラ ッ ク と内側とラ ッ ク とが、 ほぼ厳密に波長の比に おいて相似となるため、 焦点面における倍周波の ピー ク 音圧分布が基本周波とほぼ同一となる。

本構成によれば、 基本周波と倍周波とが同時に照射さ れるのは焦点近傍のみであるので、 照射対象に焦点を設 定する こ とによ り、 その近傍においてのみ局所的にキヤ ビティ シ ョ ンを効率的に発生させる こ とができ る。

図 5 は、 本実施例の超音波 ト ラ ンスデュ ーサ部に、 矩 形ア レイ を用いた例である。 図中、 同機能 ， 同名称の部 分には、 図 4 A、 図 4 B と同 じ番号を与えた。 短辺 4 c . m長辺 1 6 c mの矩形の圧電セラ ミ ッ ク よ り なる超音波 ト ラ ンスデュ ーサは 2 N + M個の素子に分割されてお り、 短辺両端の 2 N個の素子は互いに電気的に接続され、 電 気的に独立な N個の基本周波発生素子 1 — 1 〜 1 — N と M個の倍周波発生素子 2 — 1 〜 2 — Mからなるア レイ · ト ラ ンスデューサを形成している。 マグネ シウムまたは アル ミ ニウムを主成分とする軽合金製音響整合層 3 3 の 照射面側は円筒面の一部を成してお り、 その凹部は、 音 速が水と同程度か、 よ り遅い高分子材料製音響的充塡材 3 6 によ り充填され、 表面は平面または凸面となる よ う 成形されていて、 全体と して線分 F ' F ' ' に収束する幾 何学的フ ォ ーカ スを形成している。

図 5 の実施例の超音波 ト ラ ンスデュ ーサは、 超音波診 断装置に用い られている リ ニア走査型あるいはセ ク タ走 査型のア レイ探触子と して も機能する基本構造を有して いる。 従って、 図 3 に示された基本構成のう ち、 超音波 撮像専用探触子 2 1 とその回転機構 2 2 、 送信制御回路 2 3 、 送受信ア ンプ 2 4 、 受信フ ォ ーカ ス回路 2 5 な し に、 照射対象の位置ぎめに必要な超音波パルスエコ ー断 層像を得る こ とができ る。 ただし、 通常の リ ニア走査型 あるいはセ ク タ走査型探触子と同様、 撮像可能な断層面 は、 長辺に平行な方向のみである。 また、 倍周波発生素 子の短辺方向 （ア レイ配列方向と直交する方向） の幅に 対し、 電気的に共通接続した基本周波発生素子の短辺方 向の幅をおよそ 2 倍と しているので、 焦点面における基 本周波スポッ ト、 倍周波スポッ 卜それぞれの短辺方向の 拡がり はほぼ等し く な り、 2 周波の相乗効果によるキ ヤ ビテイ シ ヨ ン発生が効率的に行なわれる。 本構成の場合 も、 基本周波と倍周波とが媒質中で合成され、 2 周波が 同時に照射されるのは焦点近傍のみであるので、 照射対 象に焦点を設定する こ とによ り、 その近傍においてのみ 局所的にキヤ ビティ シ ョ ンを効率的に発生させる こ とが でき る。 このこ とは、 キヤ ビテイ シ ヨ ンによ り導かれる 音響化学作用を治療目的に用いる場合、 照射対象の前方 または後方に離れた部位において副作用の生ずる可能性 を実質的にな ぐすこ とができ る という特長につながる。

図 4 A、 図 4 B の超音波 ト ラ ンスデュ ーサを具備し図 3 の全体構成を有する超音波照射装置によ って超音波を 照射する こ とによ り、 実際に水溶液中において音響化学 効果を効率的に発生させた例について、 図 6 を用いて説 明する。 実験は、 酸化作用によ り沃素イオ ンから沃素分 子が遊離する音響化学反応について行な った。 沃化カ リ ゥムに抱水ク ロ ラルを加えた水溶液を （ガラスに比べ超 音波の透過性の良い） ポ リ スチ レ ン製の試験管に入れて 集束型超音波 ト ラ ンスデュ ーザの焦点におき、 超音波を 照射した。 遊離 した沃素の濃度は吸光度によ り決定し、 その値から音響化学反応速度を求めた。

図 6 は、 基本周波 7 5 0 k H z と倍周波 1 . 5 M H z とを両者の超音波パヮの和を一定と して同時に照射した と きの音響化学反応速度を、 全超音波パヮに対する基本 周波パヮの比についてプロ ッ ト した ものである。 こ こで、 焦点近傍における基本周波 · 倍周波の超音波強度の和は、 およそ 3 0 WZ平方 c mであった。 基本周波 · 倍周波そ れぞれ単独では音響化学反応速度は実験誤差範囲で 0 で あつたのに対し、 両周波を同時に照射した と きの相乗効 果は著し く 、 特に全超音波パヮに対する基本周波パヮの 比が 0 . 2 〜 0 . 8 (基本周波.： 倍周波 = 1 ： 4 〜 4 ： 1 ) のとき高い音響化学反応速度が得られた。

次に、 棊本波と倍周波とを同 じ送波素子によ り送受信 する実施例を図 7 〜図 2 0 を用いて詳細に説明する。

まず、 送波素子については、 圧電材料またはそれと同 等の音響イ ン ピーダンスをもつ材料によ り構成し、 全体 の厚さを基本周波について半波長と し、 厚さ においてそ の全体ではな く 一部の領域が圧電的に駆動される よ う構 . 成する こ とによ り、 基本周波数とその 2倍の周波数の両 方について圧電的に活性とする。 これは、 通常の圧電素 子のよ う に厚み全体が圧電的に駆動される よ う構成する と、 基本共振周波数の偶数倍の周波数について圧電的に 不活性となって しま う こ とを避けるための工夫である。 また、 通常のよ う に正弦波または対称性のよい矩形波 を駆動波形と して動作する駆動回路では、 駆動波形が基 本周波数の偶数倍の周波数の成分を含まないため圧電振 動子から偶数倍周波の超音波を発生させるには適さない ので、 目的周波数成分を含む波形を駆動波形とする よ う な駆動回路の工夫が必要である。 第 1 の工夫は、 駆動波 形と して矩形波を用いる場合に、 通常のよ う に高低 2 つ の電位に と どま る時間の比を 1 ： 1 ではな く 、 非対称な 比とする ものである。 駆動回路に関する第 2 の工夫は、 矩形波の代わ り に鋸歯状波またはそれを模擬した階段波 を駆動波形とする ものである。 駆動回路に関する第 3 の 工夫は、 圧電振動子にキャパシタおよびイ ンダク タを付 加 して基本周波数とその 2 倍の周波数の両方において共 振する共振回路を形成し、 これを基本周波数において駆 動する回路とその 2 倍の周波数において駆動する回路に よ り駆動する ものである。

圧電材料またはそれと同等の音響ィ ン ピーダンスをも つ材料によ り構成され、 基本周波について半波長の厚さ をもつ圧電厚み振動子について、 図 8 のよ う に、 音響学 的厚さ （着目 している共振モー ドの音速について振動子 が一様でない場合それを補正した厚さ） において端から αの割合に相当する領域が圧電的に駆動される よ う な構 成を考える。 圧電体のう ち圧電的に駆動される部分 7 1 と圧電的に駆動されない部分 7 2 は、 焼結されるか強固 な接着剤な どによ って音響学的にみて一体化されている。 図 8 の例では、 電界は部分 7 2 を覆う 電極 7 4 と電極 7 3 の間に印加される。 電極 7 4 で覆われた部分 7 2 は圧 電的に駆動されない部分となる。

こ の圧電振動子の本周波数およびその 2 倍の周波数に おける電気 · 機械変換効率 ε 。 および £ , は、

ε 0 = E sin⁴ ( π a /2) ( 1 )

ε x = Ε in' π a ( 2 ) とあ らわされる。 こ こで E は材料等によ り き ま る定数で ある。 通常のよ う な厚み全体が圧電的に駆動される構成 は、 《 = 1 の場合に相当するが、 このとき （式 1 ) およ び （式 2 ) よ り £ 。 = E、 ε 1 = 0 とな り、 基本周波は 変換できて も、 2倍周波は変換する こ とができない。 こ れは、 2 倍周波における共振状態では、 厚みの半分が圧 縮方向に歪んでいる とき残り の半分は伸張方向に歪んで いる必要があるが、 こ の構成では厚み全体が一様に圧縮 方向または伸張方向歪むモー ド しか圧電的に駆動できな いからである。 これに対し、 ひ = 2/3 とする と、 （式 1 ) および （式 2 ) よ り ε 。 = ε i = 9/16 Ε とな り、 基本周波と 2 倍周波の両方を同程度の変換効率によ り変 換する こ とができ る よ う になる。

次に、 駆動波形について、 まず、 矩形波の場合を説明 する。 図 9 のよ う な高低 2 つの電位に と どま る時間の比 β ： ( 1 - β ) である矩形波に含まれる基本周波数成 分およびその 2 倍の周波数の成分のパワー 。 および ^ , は、 Γ o = F s in² π β ( 3 )

Γ i = ( F /4)sin²2^ β ( 4 ) とあ らわされる。 こ こ で Fは高低 2つの電位の差すなわ ち振幅等によ り き ま る定数である。 通常のよ う な対称性 のよい矩形波は、 ^ = 1/2 の場合に相当するが、 このと き （式 3 ) および （式 4 ) よ り ^ 。 = F、 ζ ！ = 0 とな り、 基本周波成分は含むが、 2倍周波成分は含まない。 これに対し、 5 = 1/4 とする と、 （式 3 ) および （式 4 ) よ り ^ 。 = F /2、 ζ , = F /4とな り、 基本周波と 2 倍周波の両方の成分を含む駆動波形が得られる。 また、

1 の大き さ はこのとき最大となる。

次に、 矩形波の代わ り に鋸歯状波またはそれを模擬し た階段波を駆動波形とする場合について説明する。 鋸歯 状波が基本周波数の偶数倍の周波数成分をもつこ とはよ く 知られているので、 こ こ では、 それを模擬 した階段波 の場合について詳し く 説明する。 図 1 0 のよ う な、 高低 2つの電位に と どま る時間とその中間の電位にと どま る 時間 との比が 7 ： ( 1 - r ) である階段波に含まれる基 本周波数成分およびその 2倍の周波数の成分のパワー 7? 0 および？？ 1 は、

η 0 = G sin⁴( π 7 /2) ( 5 )

7? 1 = ( G /4)sin⁴ π r ( 6 ) とあ らわされる。 こ こで Gは高低 2つの電位の差すなわ ち振幅等によ り き ま る定数である。 通常のよ う な対称性 のよい矩形波は、 ァ = 1 の場合に相当するが、 このと き (式 5 ) および （式 6 ) よ り 7? 。 = G、 η 1 = 0 とな り、 基本周波成分は含むが、 2 倍周波成分は含まない。 これ に対し、 7 = 1/2 とする と、 （式 3 ) および （式 4 ) よ り = F /4とな り、 基本周波と 2 倍周波の両方 の成分を同程度含む駆動波形が得られる。

図 1 1 に示すよ う に、 圧電振動子にキ ャパシ夕を並列 接続して総合キ ャパシタ ンスを C ( 4 3 ) と しさ らにィ ンダク タ L ( 4 4 ) 、 L ( 4 5 ) およびキャパシ夕 C ( 4 6 ) を付加 した回路について、 端子 4 1 および端 子 4 2 が充分に出力イ ン ピーダンスの低い駆動回路に接 続されている とみなすこ とができる とき、 端子 4 1 側お よび端子 4 2 側からみた電気的イ ン ピーダンスを Z , お よび Z ₂ は、 角速度を ω とお く とき

Ζ , = D / ( I + - ω ² C D ( 7 ) Z 2 = Ό / v / { I - ω ² C D ( 8 ) とあ らわすこ とができ る。 こ こで、 j を虚数単位とする とき

D = [ 1 — ( \ + V + μ. υ ) ω ² C L i- ν ω ⁴ C ² L 2]/ j ω C ( 9 ) である。 〃 = 16/9、 ン = 9/25のとき、 これらの式よ り、 Z 1 = D ' / (17/8 - ω ² C D ( 10) Z 2 = Ό ' / [9/16( 1 - ω ² C D] ( 11) D ' = (5/8— ω ² C L )(5/2 - ω ² C L ) ( 12) とあたえ られる。 この と き、 （式 12) よ り Z , 、 Z ₂ 力 と もに ω ² C L = 5/8 または 5/2 のと き極小となる。 す なわち、 1 ： 2 の比をもつ 2 つの周波数において共振す る特性を持つ回路が得られる。 なお、 （式 10) および (式 11) よ り Z , および Z ₂ はそれぞれ ω ² C L = 17/8 および 1 め とき極大となるので、 端子 4 1 および端子 4 2 を基本周波数およびその 2 倍の周波数においてそれぞ れ駆動するよ う構成するのが有利である。

上述のよ う に工夫された送波素子を使用 した音響キヤ ビティ シ ョ ン発生位置監視機能を有する本発明の超音波 照射装置の一実施例の全体構成を図 7 に、 素子駆動回路 部の構成を図 1 2 および図 1 3 に、 超音波 ト ラ ンスデュ —サ部の構成を図 1 4 Α、 図 1 4 Βに示す。

こ の実施例は、 送波素子が基本波と倍周波とで共用さ れる点を除けば、 図 3 の実施例と同 じである。 キー入力 手段 3 1 から超音波照射治療戦略に関する情報が照射部 主制御回路 2 0 に入力され、 それに基づいて、 焦点位置 • 音圧分布形状を規定する照射フ ォ 一カ ス · コ ー ド信号 が、 照射部主制御回路 2 0 から駆動位相生成回路 1 1 へ 与え られる。 生成された基本周波および倍周波の照射用 ト ラ ンスデュ ーサ各素子を駆動する位相は、 それぞれ駆 動信号生成回路 7 — 1 〜 7 — Ν ( Νは ト ラ ンスデュ ーサ . 独立素子の総数） へ与え られる。 基本周波および倍周波 の駆動振幅の制御信号は、 照射部主制御回路 2 0 から駆 動信号生成回路 7 — 1 〜 7 — Νへ与え られる。 生成され た駆動信号は素子駆動回路 3 - 1 〜 3 - Νへ与え られ、 照射用 ト ラ ンスデュ ーサ素子群 1 一 1 〜 1 — Νが駆動さ れる。 駆動振幅は照射部主制御回路 2 0 から素子駆動回 路 3 — 1 〜 3 — Nへ直接与え られる信号によ って も制御 される よ う構成されてお り、 異常発生時に超音波照射を 緊急停止する動作を確実かつ容易な もの と している。

図 1 2 には、 素子駆動回路 3 — 1 〜 3 — Nの 1 素子分 の回路構成を示し、 さ らに図 1 3 には、 その一部を構成 するプッ シュ プル型スイ ッ チ ング回路の構成を示す。 基 本周波駆動部 4 7 と倍周波駆動回路 , 4 8 の出力部は、 図 1 1 の基本構成を持ち基本周波数 ί 。 と倍周波数 2 ί ₀ において共振する回路を介して各素子に接続されている。 図中においてキャパシ夕 ンス Cおよびィ ンダク 夕 ンス L は、 基本周波数 f 。 において共振する組合せとなってい る。 すなわち、

( 2 π ί ₀ ) ² C L = 1 ( 1 3 ) 図 1 3 のスイ ッ チ ング回路は、 低電位側 （この場合は 接地電位） の定電位源 4 9 および高電位側の定電位源 5 0 と出力端子 5 2 との接続は、 それぞれ、 スイ ッ チ ン グ 素子 5 3 および 5 4 によ り断続される構成となっている。 交流成分のみを出力するために出力端子 5 2 はキ ャパシ 夕 5 8 を介 して接続されている。 電源電位安定化のため、 定電位源 4 9 および 5 0 の間にはキヤ ノ、。シ夕 5 8 が接続 されている。 入力端子 5 1 は、 接地電位電位側のスイ ツ チ ン グ素子 5 3 のゲー ト には直接接続されているが、 高 電位側のスイ ッ チ ング素子 5 4 のゲー ト にはキャパシ夕 5 5 を介 して接続されている。 スイ ッ チ ン グ素子 5 4 の ゲー ト の直流レベルは、 ゲー ト駆動信号振幅 （最高電位 と最低電位との差） のツ エナー電位を持つツ エナーダイ オー ド 5 6 のはた らきによ り、 ゲ一 ト駆動信号の最高電 位が高電位側定電位源 5 0 の電位と等し く なる よ う制御 される。 その直流レベルの暴走を防 ぐため、 抵抗 5 Ί が ツ エナ一ダイオー ド 5 6 に並列接続されている。

素子群 1 一 1 〜 1 一 Nによ り構成される照射用 ト ラ ン スデュ ーサは、 照射対象物中に発生するキ ヤ ビテイ シ ョ ン検出のための受信 ト ラ ンスデューザと して も動作する。 各素子によ り受信された信号は、 帯域除去フ ィ ルタ 5 — 1 〜 5 — Nによ り照射信号帯域の成分が除かれた後、 そ れぞれ受信ア ンプ 9 - 1 〜 9 一 Nへ導かれて増幅され、 受信フ ォ ーカ ス回路 1 3 へ与え られる。 前述のよ う に、 素子駆動回路 3 — 1 〜 3 — N出力部は、 周波数 f 。 と 2 f 。 において共振する共振回路を介して低イ ン ピーダン ス回路と接続されているので、 f 。 と 2 f 。 をはずれた 周波数においては駆動回路の出カイ ン ピ一ダンスがシャ ン ト となって受信感度を阻害する こ とはない。

超音波撮像専用ア レイ型送受信探触子 2 1 によるェコ 一断層像の表示および対象部位の呼吸によ る運動への対 応は図 3 の実施例と同 じであるので、 説明を省略する。

次に、 図 1 4 A、 図 1 4 Bを参照して、 本実施例の超 音波 ト ラ ンスデュ ーサ部を図 4 A、 図 4 B に示す超音波 ト ラ ンスデュ ーサ部との差異を説明する。 図 1 4 Aの ト ラ ンスデュ ーサを下から見た状態と各素子群とその周辺 回路の一部を示す図は同 じである。

図 1 4 B に示す圧電素子部は、 基本周波における 1 /3 波長 （ =倍周波における 2/ 3波長） の厚さを もつ扳状圧 電セラ ミ ッ ク に、 同 じ圧電セラ ミ ッ ク材からなるが、 電 極を短絡するか電極分極処理を しないこ と によ って実質 的に庄電不活性と した板であって、 基本周波における 1 / 6波長の厚さを もつ板を熱膨張率の比較的小さな接着剤 を用いて強固に接着する こ とによ り構成されている。 こ の圧電不活性名な板は、 圧電セラ ミ ッ ク とほぼ等しい 音響イ ン ピーダンスをもつ亜鉛や銅な どの圧電不活性な 材料によ り構成しても よい。 このよ う な構成によ り基本 周波 · 倍周波両方の周波数において圧電活性をもつ圧電 振動子が実現されている。 図面の上では、 送波素子 1 一 1 、 1 一 2 がおな じ厚さで表示される点においてのみ異 なる。

また、 ハウ ジ ン グの一部を形成する球殻 3 3 を、 軽合 金製ではな く 亜鉛または銅製と し、 基本周波において 1 / 6波長の厚さを与え、 基本周波において 1 / 3波長の厚さ の圧電セラ ミ ッ ク素子を貼り付ける構成と しても、 基本 周波 · 倍周波両方の周波数において圧電活性とする こ と ができ るが、 図 1 4 A、 図 1 4 Bの構成の方が、 隣接素 子間の音響的分離において、 やや優れる。

図 1 4 A、 図 1 4 B に示すア レイ中央部の円形の穴に は、 超音波撮像専用パルスエコー送受信探触子 2 1 がお さめ られている点も図 4 A、 図 4 Bの場合と同 じである。 図 1 5 は、 本実施例の超音波 ト ラ ンスデュ ーサ部に、 矩形ア レイを用いた例であるが、 この場合 も、 図 1 4 A、 図 1 4 B に対する図 4 A、 図 4 Bの場合と同 じよ う に、 図面の上では、 送波素子 1 一 1 、 1 一 2 がおな じ厚さで 表示される点においてのみ図 5 と異なる。 なお、 圧電素 子群 1 ー 1 〜 1 — N、 2 — 1 〜 2 — N、 3 — 1 〜 3 - N のう ち 1 ― 1 〜 1 — Nおよび 3 — 1 〜 3 — Nは対応する 素子同士が電気的に互いに接続されているが、 素子群 2 - 1 〜 2 — Nに対して異なった位相で駆動する こ とがで き るので、 短辺側フ ォ ーカ スに関して も深さ方向の焦点 移動が可能である。

以上では、 基本周波に対し任意の位相関係にある倍周 波を任意の振幅比によ り重畳する こ とのでき る回路構成 およびそれを含む装置構成について説明 したが、 基本周 波に対し一定の位相関係にある倍周波のみを重畳できれ ばよいよ う に制限を緩めれば、 よ り単純な回路構成によ り倍周波の重畳が可能となる。 重畳した結果と して図 9 に示したよ う な波形を得よ う とする場合、 すなわち、 基 本波に対し 2 倍高調波を互いに余弦波の位相関係 と して 重畳する場合には、 図 1 3 に示したプッ シュ プル式回路 を 1 素子あた り 1 回路用いればよい。 すなわち、 プッ シ ュ プル式回路を構成する 2 つのスィ ッ チ ン グ.素子 5 3、 5 4 のう ち 5 3 がオ ン 5 4 がオフの状態と 5 3 がオフ 5 4 がオ ンの状態とを繰りかえすよ う に制御する とき、 そ れぞれの状態に と どま る時間の比を 1 ： 1 ではな く 、 1 ： 3 な ど不等比となる よ う制御する こ とによ り基本周 波数の超音波とその 2 倍の周波数の超音波とを同時に照 射する こ とができ る。

重畳した結果と して図 1 0 に示したよ う な波形を得よ う とする場合、 すなわち、 基本波に対し 2 倍高調波を互 いに正弦波の位相関係 と して重畳する場合に必要な回路 構成を図 1 6 に示す。 こ の回路を 1 素子あた り 1 回路用 レ、、 圧電振動子を駆動する。 3 つの直流的定電位源 5 0、 6 0、 4 9 と、 それぞれの定電位源と圧電振動子の電気 的接続をオ ン · オフするための圧電振動子 1 つあた り 3 つのスイ ッ チ ン グ素子群 5 4、 5 3、 6 3 および 6 4 よ り なる駆動回路のゲー ト入力端子 6 6、 6 5、 6 8、 6 7 を図 1 7 の示すタイ ムチ ヤ一小 によ り制御する こ とに よ り、 図 1 1 に示したよ う な立ち上がりが立ち下がり に 比べ急な駆動波形を端子 5 2 における出力波形と して得 る こ とが出来る。 また、 タイ ムチ ャ ー トを変更する こ と によ り立ち下がりが立ち上がり に比べ急な駆動波形を得 る こ と も出来る。 図 1 7 の駆動波形を得る場合にはゲー ト入力端子 6 7 はオフのま まであつたが、 こ のときには、 図 1 7 の場合のゲー ト入力端子 6 8 に類した制御を行な . う こ とになる。 また、 図 1 6 の回路構成によれば、 図 1 3 の回路構成によ り可能な駆動波形はもちろん得る こ と が出来るので、 少な く と も位相関係については任意の倍 周波重畳波によ る駆動が可能である。 入力端子 6 7 はス ツ チ ン グ素子 6 3 のゲー ト に直結されているが、 他の入 力端子 6 5、 6 6、 6 8 は、 それぞれ、 ス ッ チ ング素子 5 3、 5 4、 6 4 ののゲー ト に対し、 図 1 3 中のス ッ チ ング素子 5 4 のゲー ト周辺回路と同様の回路を介して接 続されている。 また、 ス ッ チ ン グ素子 6 3、 6 4 の逆流 防止のため、 それぞれ、 ダイオー ド 6 1 および 6 2 が直 列接続されている。

また、 以上の実施例では、 超音波 ト ラ ン スデューザと して、 構成は複雑であるが汎用性に優れる と考え られる 電子走査型ア レイ · ト ラ ン スデュ ーサを採用 した例につ いて述べたが、 本発明の適用範囲はこれに と どま らず、 図 1 8 に一例を断面図で示 した単フ ォ ーカ ス手動走査型 ト ラ ン スデュ ーサゃ単フ ォ ー カ ス機械走査型 ト ラ ン スデ ユ ーザ、 図 1 9 に一例を断面図で示した非フ ォ ーカ ス型 平面波 ト ラ ンスデューサな どに も適用可能である。 図中、 電極 7 3 は リ ー ド線 7 5 によ り 同軸コネ ク タ 7 6 に接続 されている。 銅またはアル ミ ニウムな ど高熱伝導性金属 よ りなるハウ ジ ン グ 7 7 には冷却用水路 7 8 が設けられ、 超音波発生動作中圧電体よ り発生する熱を奪い、 また、 場合によ っては超音波照射対象物を冷却する よ う構成さ れている。 図 1 8 中、 マグネ シウムまたはマグネ シウム 系合金よ り なる音響レ ンズ 7 9 の中央部の厚さは、 基本 周波数において 1 /4または 1 /2波長とする こ とによ り、 高い効率の確保をはかっている。 図 1 9 中、 マグネ シゥ 厶またはアル ミ ニウムな どの軽金属よ りなる平板 7 9 の 厚さ は、 基本周波数において 1 /4または 1 /2波長とする こ とによ り、 高い効率の確保をはかっている。 また、 図 1 8 中のマグネ シウムまたはマグネ シウム系合金よ り な る音響レ ンズ 8 0 の中央部の厚さ も同様である。

従来、 大きな超音波強度の得に く い平面波では、 非定 在波的音場において実用上充分なキヤ ビテイ シ ヨ ンを発 生させる こ とは事実上不可能であつ たが、 本発明の倍周 波重畳法によ ってそれが可能になった。 これによ つて、 図 1 9 のよ う な平面波 ト ラ ンスデューサを体表にあてた り、 術中に用いる こ とによ つても、 治療効果を得る こ と ができ る こ とになつた。 さ らに、 図 2 0 に一例を断面図 で示した針状 ト ラ ンスデュ ーサを患部に刺入する こ とに よ っても、 治療効果を得る こ とができ る こ とになつた。 この場合、 超音波はマグネ シウムまたはマグネ シウム系 合金よ りなる先端の円錐部 8 1 によ って、 むしろ拡散さ れる構成となっている。 超音波の拡散を防ぎたい場合に は、 先端の円錐部 8 1 を音速の比較的遅い材料によ り構 成すればよい。

なお、 以上では、 基本周波にその倍周波を重畳してキ ャ ビティ シ ョ ン発生を効率化する実施例について述べた が、 上記 2 周波に基本周波の 4 倍、 6 倍さ らには 8 倍の 周波数をもつ波を重畳する こ とによ り、 キヤ ビテイ シ ョ ン発生を一層効率化する こ と もでき る。

次に、 本発明の他の実施例を図 2 1 〜図 2 4 を用いて 詳細に説明する。

こ の実施例は、 図 1 9 の実施例も こ の点同様であるが、 平面波の近距離音場では回折効果による位相回転が無視 でき るため、 両周波の平面波が、. それぞれの近距離音場 において、 両周波の波面が互いに平行となる よ う にた し あわせる構成とすれば、 広い領域にわた り両周波の位相 関係を音響キ ヤ ビテイ シ ヨ ンの生成にと って有利な条件 とする こ とができ る こ とに着目 した ものである。

本発明の一実施例である超音波治療装置について、 そ の術中超音波治療 ト ラ ンスデュ ーサ部の構成の一例を図 2 1 に示す。 基本周波および倍周波をそれぞれ発生する 平面型圧電体 1 および 2 は、 互いに平行に対向する よ う 取り付けられている。 両圧電体は、 それぞれマグネ シゥ ム系合金よ り なる音響整合層 7 9 - 1 および 7 9 — 2 に 音響学的に充分な強度で接着されている。 超音波発生時 に生ずる熱は、 こ れ らの高熱伝導性音響整合層から、 や は り高熱伝導性の金属よ りなるハウ ジング 7 7 — 1 およ び 7 7 — 2 に導かれ、 冷却用水路 7 8 — 1 および 7 8 — 2 によ り ト ラ ンスデューサ部よ り奪われる。 また、 場合 によ っては、 こ の冷却機能を超音波照射対象である患部 の表面付近を冷却する 目的でも使用する こ と もでき る。

例えば肝臓の一葉 1 1 0 にある患部を治療しよ う とす る場合、 平面型圧電体 1 および 2 によ り患部を挟むよ う に して、 患部に両面から基本周波と倍周波の超音波を同 時に照射する。 平面型圧電体 1 および 2 の間の距離は、 平行移動機構 9 0 によ り、 平行を保持しながら調整可能 になっている。 両圧電体の音響整合層 7 9 一 1 および 7 9 一 2 の表面間の距離は、 原則と して基本周波半波長の 整数倍となるよ う設定する。 両音響整合層 と肝臓の一葉 1 1 0 との間には、 生体と同 じ浸透圧をもつゼリ ーを必 要に応じてみたすこ とによ り超音波の伝達を助ける。 ま た、 圧電体中央部に設けられた小穴には、 小型超音波検 出子 2 1 が取り付けられ、 音響キヤ ビテイ シ ヨ ン発生に 対応する高調波の発生や分調波の高調波の発生を検出す る。 検出された信号に基づき、 基本周波と倍周波の照射 強度を調整したり、 前記の音響整合層 7 9 一 1 および 7 9 一 2 の表面間の距離を微調整して最適化を図る。

図 2 1 に対し、 1 つの圧電体から基本周波と倍周波と を同時に発生させる構成と した術中超音波治療 ト ラ ンス デュ ーサ部の一例を図 2 2 に示す。

基本周波と倍周波とを同時に発生する平面型圧電体 ( 7 1 および 7 2 — これは図 8 で説明 した構成と同 じで ある） に対し、 ステ ン レスな どよ りな り基本周波につい て半波長の整数倍の厚さをもつ反射板 9 2 が、 平行に対 向する よ う取り付けられている。 平面型圧電体は、 マグ ネ シゥム系またはアル ミ ニウム系合金よ りな り基本周波 について半波長の整数倍の厚さをもつ厚み振動板 7 9 に、 音響学的に充分な強度で接着されている。 例えば肝臓の 一葉 1 1 0 にある患部を治療しょ う とする場合、 平面型 圧電体と反射板 9 2 によ り患部を挟むよ う に して、 平面 型圧電体から患部に基本周波と倍周波の超音波を同時に 照射する。 平面型圧電体と反射板 9 2 の間の距離は、 平 行.移動機構 9 0 によ り、 平行を保持しながら調整可能に なっている。 厚み振動板 7 9 と反射板 9 2 の表面間の距 離の設定は前記 7 9 一 1 および 7 9 一 2 の表面間距離と 同様に最適化を図る。

こ の構成によ り、 図 2 1 の実施例において両平面型圧 電体 1 および 2 の両音響整合層 7 9 — 1 および 7 9 - 2 の間に形成された定在波音場とほぼ同等の音場を、 厚み 振動板 7 9 と反射板 9 2 との間に形成する こ とができ る。 反射板 9 2 は平面型圧電体 2 のハウ ジング 7 9 — 2 よ り もはるかに薄く 設計する こ とができ るので、 術中の使い 勝手に優れ、 こ の点において、 図 2 2 の構成の方が図 2 1 の構成よ り有利である。

図 2 1 、 図 2 2 に示す術中超音波治療 ト ラ ンスデュ ー サは、 夫々 、 図 3 、 図 7 に示す実施例の超音波治療装置 の構成における送信素子 1 、 2 または送信素子 1 に置き 換える こ とで術中超音波治療装置を構成する こ とができ る。 また、 図 2 1 、 図 2 2 中の超音波検出子 2 1 は図 3、 図 7 中の探触子 2 1 に対応する。

図 2 3 には、 また、 本発明の実施例である超音波化学 反応装置の反応器構成の一例を示す。 反応容器 9 1 には . 液体が充たされてお り、 音響化学反応の前駆物質は液体 に溶解するか分散した状態で反応容器 9 1 の入口 9 3 か ら流入 し、 音響化学反応の生成物は、 やは り液体に溶解 するか分散した状態で反応容器 9 1 の出口 9 4 から流出 する よ う構成されている。 反応容器 9 1 の内壁の一部を 構成する互いに平行な音響整合層 7 9 一 1 および 7 9 一 2 を、 図 2 1 の実施例と同様にマグネ シウム系軽金属な どによ り構成する場合、 1 /4 波長またはそれに半波長の 整数倍を加えた厚さ とするが、 要求される化学的安定性 を確保するためにステン レスや石英ガラスな どによ り構 成する場合には、 半波長の整数倍の厚さ とする。 また、 反応容器内壁間の距離は、 共振条件をみたすよ う基本周 波の半波長の整数倍とする。 図の例では、 それを基本周 波において 1 波長の距離に選ぶこ とによ り、 内壁の近傍 だけでな く 容器中央部も基本周波および倍周波の両者に ついて定在波の音圧の腹となるよ う設計した。 音響キヤ ビティ シ ョ ンの発生に本質的に優れる図 2 3 の構成は、 また、 気泡発生器の構成と しても有利である。

1 つの圧電体から基本周波と倍周波とを同時に発生さ せる構成と した超音波化学反応装置の反応器あるいは気 泡発生器の構成の一例を図 2 4 に示す。 基本周波と倍周 波とを同時に発生する こ とのでき る平面型圧電体は、 ス テン レスや石英ガラスな どによ り構成され基本周波につ いて半波長の整数倍の厚さをもち反応容器 9 1 外壁の一 部を構成する厚み振動板 7 9 に、 音響学的に充分な強度 で接着されている。 厚み振動板 7 9 に平行な反対側の外 壁 9 2 は、 やは り基本周波について半波長の整数倍の厚 さをもち、 反射板と して機能する構成となっている。 こ の構成によ り、 図 2 3 の実施例において両音響整合層 7 9 一 1 および 7 9 — 2 の間に形成された定在波音場とほ ぼ同等の音場を、 厚み振動板 7 9 と反射板 9 2 との間に 形成する こ とができる。

次に、 洗浄槽中で同一の探触子から基本周波数および 倍周波を照射する こ とによ り洗浄を行う洗浄装置の実施 例について図 2 5 で説明する。

洗浄用の液体 1 0 1 、 例えば純水あるいは過酸化水素 およびア ンモニアを含む半導体基板用洗浄液、 を入れる 洗浄槽 1 0 2 と、 洗浄槽 1 0 2 の底面に振動面を貼着し た圧電体 1 0 3 と、 圧電体 1 0 3 に貼着した 1 0 3 と実 質的に同 じ音響イ ン ピーダンスを有する固体からなる振 動方向の音響学的厚みが 1 0 3 の 1 2 である平板 1 0 4 と、 1 0 3 および 1 0 4 によ り構成される複合共振型 厚み振動子の共振周波数 f 。 および 2 f 0 電気信号をそ れぞれ生成する波形生成器 1 0 5 および 1 0 6 と、 波形 生成器 1 0 5 および 1 0 6 よ り 出力された電気信号を互 いにか産して増幅する増幅回路 1 0 7 を介して圧電体 1 0 3 に交流電圧を印加するよ う に構成した ものであ り、 こ の構成によ り、 洗浄槽 1 0 2 中の洗浄用の液体 1 0 1 に周波数 f 。 および 2 f 。 の超音波を照射する。

かかる構成を した超音波洗浄装置において、 圧電体 1 0 3 と平板 1 0 4 とを貼り合わせた振動板は先に図 8 で 説明 した圧電厚み振動子と実質的に同 じ構成とされてお り、 波形生成器 1 0 5 、 1 0 6 な らびに増幅回路 1 0 Ί、 によ り励振する こ とによ って、 領域 1 0 8 において基本 周波 f 。 とその倍周波 2 f 。 を共存させる こ とができ る。 こ の領域 1 0 8 に洗浄される対象 1 0 9 例えば半導体基 板を置 く こ とによ り、 洗浄される対象の表面 1 . 0 9 で高 効率に音響キヤ ビテ一シ ヨ ンが生じ、 この音響キヤ ビテ ーシ ヨ ンによ り洗浄される対象 1 0 9 の表面の洗浄が行 われる。

次に、 洗浄槽中で異なる振動子よ り基本周波および倍 周波を照射する こ とによ り洗浄を行う洗浄装置の実施例 について、 図 2 6 で説明する。

洗浄用の液体 1 0 1 を入れる洗浄槽 1 0 2 と洗浄槽の 底面の一つに振動面を貼着した基本 波数 f 。 に共振す る圧電体 1 0 3 ' と洗浄槽の他の底面に f 。 の倍周波 2 f 0 に共振する圧電体 1 0 3 ' ' とを有する構成と し、 周 波数 f 。 の成分を有する電気信号を生成する波形生成器 1 0 5 と 2 f 。 の成分を有する電気信号を生成する波形 生成器 1 0 6 よ り 出力された電気信号をそれぞれ増幅器 1 0 7 ' および 1 0 7 ' 'で増幅して圧電体 1 0 3 ' 、 1 0 3 ' ' に印加 して圧電体を振動させ、 洗浄用の液体 1 0 1 に超音波を照射する。 その結果、 領域 1 0 8 におい て基本周波 f 。 とその倍周波 2 f 。 を共存させる こ とが でき る。 この領域に洗浄される対象 1 0 9 例えば半導体 基板を置 く こ とによ り、 洗浄される対象 1 0 9 の表面で 高効率に音響キ ヤ ビテーシ ヨ ンが生じ、 こ の音響キヤ ビ テーシ ヨ ンによ り洗浄される対象 1 0 9 の表面の洗浄が 行われる。

次に、 噴射装置よ り噴射される洗浄液に超音波を照射 する こ とによ り洗浄を行う洗浄装置の実施例について図 2 7 で説明する。

本実施例は、 洗浄用の液体 1 0 1 、 例えば純水、 を導 く 管 1 1 2 とその先端部に取付られたノ ズル 1 1 3 とノ ズル 1 1 3 の内部に保持した圧電体 1 0 3 と 1 0 3 に貼 着した、 1 0 3 と実質的に同 じ音響イ ン ピーダンスを有 する固体からなる、 振動方向の音響学的厚みが 1 0 3 の 1 / 2 である平板 1 0 4 と、 1 0 3 および 1 0 4 によ り 構成される複合厚み振動子の共振周波数 f 。 および

2 f 。 の信号をそれぞれ生成する波形生成器 6 と、 波形 生成器 1 0 5 および 1 0 6 よ り出力された信号を互いに 加算して増幅し、 圧電体 1 0 3 に印加する増幅回路 1 0 7 とを含んで構成した ものである。

かかる構成をした超音波洗浄装置において、 圧電体 1 0 3 平板 1 0 4 とを貼り合わせた振動板は先に図 8 で説 明 した圧電厚み振動子と実質的に同 じ構成と されてお り、 波形生成器 1 0 5、 1 0 6 な らびに増幅回路 1 0 7 によ り励振する こ とによ って、 ノ ズル 1 1 3 から噴出される 領域 1 2 0 において基本周波 f 。 とその倍周波 2 f 。 を 共存させる こ とができ る。 その洗浄用液体 1 0 1 をノ ズ ル 1 1 3 よ り、 回転しているかまたは静止しているステ ージ 1 1 9 にむけて発射する こ とによ り、 領域 1 2 0 に ある洗浄される対象 1 2 1 例えば半導体基板の表面で、 その結果、 高効率に音響キヤ ビテー シ ヨ ンが生じ、 こ の 音響キヤ ビテ一 シ ヨ ンによ り洗浄される対象 1 2 1 の表 面の洗浄が行われる。

図 2 5 から図 2 7 の超音波洗浄装置の実施例による化 学的洗浄効果を評価した結果を、 特に、 図 2 5 の場合を 例と して説明する。

化学的洗浄の例と してア ンモニア と過酸化水素を用い る半導体基板の酸化による洗浄を行ったが、 半導体基板 中の酸化の進行は一定の深さに達する とそ こで止ま つて しまい定量化する こ とが困難であったため、 洗浄器内の 半導体基板を保持する位置に酸化反応によ り呈色の生じ る物質を保持し、 超音波の照射による該物質の酸化反応 速度を測定し、 該酸化反応速度を洗浄の効率の指標と し た。 実験は、 酸化作用によ り沃素イオ ン 2 I —から三沃 化物イオン 1 ,₃ — が生成する反応について行なった。 沃化カ リ ゥムに抱水ク ロ ラルを加えた水溶液を厚さ 0 . 0 3 m mのポ リ エチ レ ン製のバッ グに入れて、 半導体基 板を保持する位置に保持し、 超音波を照射した。 生成し た三沃化物イオ ンの濃度は吸光度によ り決定し、 その値 から酸化反応速度を求めた。 基本周波 7 5 0 k H z と倍 周波 1 . 5 M H z とを両者の超音波パヮの和を一定と し て同時に照射した ときの酸化反応速度を、 全超音波パヮ に対する基本周波パヮの比についてプロ ッ トする と、 先 に図 6 によ って説明 した と同 じ特性の酸化反応速度が得 られた。 こ こで、 酸化反応の生じている場所における基 本周波 ， 倍周波の超音波強 の和は、 およそ 3 0 W Z c m ² であった。 基本周波 · 倍周波それぞれ単独では酸化 反応速度は実験誤差範囲で 0 であったのに対し、 両周波 を同時に照射した ときの相乗効果は著し く 、 特に全超音 波パヮに対する基本周波パヮの比が 0 . 2 〜 0 . 8 (基 本周波 ： 倍周波 = 1 ： 4 〜 4 ： 1 ) のとき高い酸化反応 速度が得られた。

基本周波と倍周波との音響パヮ比を 1 ： 1 に固定し、 基本周波と倍周波との位相関係を変化させた際の酸化反 応速度をプロ ッ ト した結果を図 2 8 に示す。 こ こでも、 酸化反応の生じている場所における基本周波 · 倍周波の 超音波強度の和は、 およそ 3 O WZ c m ² であった。 図 中横軸は基本波を s i n ( 2 π f 、 倍周波を s i n ( Α π f + a とおいたときの α;の値を示している。 α の値が（ 1 4 ) r〜（ 7 4 ) 7Γのときに高い酸化反 応速度が得られた。 特に、 π I 2 ≤ ひ ≤ で著し く 高レ、 酸化反応が得られたが、 こ こで、 α = ίΐ I 2 は負圧ピー ク音圧の絶対値が最大となる よ う な位相関係、 = ；: は 音圧の立ち下がりが最も急俊となるよ う な位相関係であ る ₀

また、 本実施例に示した超音波洗浄装置は過酸化水素 と硫酸を用いる洗浄および ト リ ク ロ 口酢酸を用いる洗浄 および抱水ク ロ ラルを用いる洗浄に対して も有効であ つ た。

次に、 本発明を液体の殺菌に応用 した例について図 2 9 で説明する。

本実施例は、 処理槽 2 0 1 と、 液体注入口 2 0 2 と、 液体排出口 2 0 3 と、 弁 2 0 4 と、 気泡注入口 2 0 5 と、 処理槽 2 0 1 の底面に振動面を貼着した圧電体 2 0 6 と、 2 0 6 に貼着した 2 0 6 と実質的に同 じ音響イ ン ピーダ ンスを有する固体からなる振動方向の音響学的厚みが圧 電体 2 0 6 の 1 2 である平板 2 0 7 と、 2 0 6 および 2 0 7 の形成する複合共振厚み振動子の共振周波数 f 。 および 2 f 。 の電気信号を生成する波形生成器 2 0 8 a および 2 0 8 b と、 波形生成器 2 0 8 a および 2 0 8 b よ り 出力された電気信号を加算し、 増幅する増幅回路 2 0 9 よ り構成した ものである。

こ こ で、 圧電体 2 0 6 と平板 2 0 7 との関係は図 2 5 の実施例と同様、 図 8 で説明 したよ う に構成される。 圧 電体 2 0 6 に共振周波数 f 。 および 2 f 。 の交流電圧を 印加 して励振し、 処理槽 2 0 1 中の液体に超音波を照射 する と処理槽中の液体に基本周波 f 。 その倍周波 2 f 。 を共存させる こ とができる。 こ のこ とによ り処理槽内に おいて効率的に音響キヤ ビテーシ ヨ ンが生じ、 液体の殺 菌が行われる。

こ の際、 気泡注入口 2 0 5 よ り空気な どの気体を注入 する と、 安定してキヤ ビテ一 シ ヨ ン核が存在でき るため、 長時間の超音波照射によ って も殺菌効果の低下が少ない。 弁の開閉度およびタイ ミ ングの調整によ り液体の処理量 および処理時間を変化させる こ とができ る。

なお、 液体の組成を変えて も構わない場合には、 音響 化学活性物質であるへマ ト ポルフ ィ リ ン、 ク ロ リ ン等の ボルフ イ リ ン系色素あるいは抱水ク ロ ラール、 テ ト ラ ク ロ ロ酢酸等の含ハロゲン化化合物を液体に加える こ とに よ り時間当た り の殺菌効果を向上させる こ とができ る。

図 2 6 の実施例と同様に、 処理槽中で異なる場所よ り 基本周波数および倍周波を照射する こ とによ り殺菌を行 う処理装置とする こ と もでき、 こ の実施例について図 3 0 によ り説明する。

液体処理装置の全体的な構成は図 2 9 と同様であ り、 基本周波数 f 。 に共振する超音波振動子 2 0 6 a と、 f 。 の倍周波 2 f 。 に共振する超音波振動子 2 0 6 b の 振動面を、 夫々 独立に、 処理槽 2 0 1 の側壁に貼着し、 夫々 を周波数 f 。 の成分を有する電気信号を生成する波 形生成器 2 0 8 a と、 f 。 の 2 倍の周波数の成分を有す る電気信号を生成する波形生成器 2 0 8 b と、 波形生成 器 2 0 8 a および 2 0 8 b よ り 出力された電気信号を増 幅機 2 0 9 a および 2 0 9 b によ り、 それぞれ独立に増 幅して超音波振動子 2 0 6 a および 2 0 6 b に交流電圧 を印加する点において異なるのみである。

超音波振動子 2 0 6 a、 2 0 6 b によ り処理槽 1 内に 超音波を照射する と処理槽中に基本周波 f 。 とその倍周 波 2 f 。 を共存させる こ とができ る。 こ のこ とによ り処 理槽内において効率的に音響キヤ ビテ一 シ ョ ンが生じ、 液体の殺菌が行われる。

Claims

請 求 の 範 囲

1 . 複数周波数の超音波を生成する装置において、 基本 周波数の連続超音波とその 2倍の周波数の連続超音波と をほぼ同一の対象に対してほぼ同時に照射する よ う構成 したごとを特徴とする装置。

2 . 特許請求の範囲第 1 項記載の装置において、 基本周 波を発生する送波素子と倍周波を発生する送波素子とが 独立に設けられ、 夫々 独立の周波数の信号電圧によ って 駆動される超音波送波器を具備する こ とを特徴とする装 置

3 . 特許請求の範囲第 2 項記裁の装置において、 基本周 波を発生する送波素子と倍周波を発生する送波素子が、 ほぼ同一の焦点を共有する よ う構成したこ とを特徴とす る装置。

4 . 特許請求の範囲第 2 項記載の装置において、 超音波 送波器が複数の基本周波を発生する送波素子と複数の倍 周波を発生する送波素子とからなるア レイ型と されたこ とを特徴とする装置。

5 . 特許請求の範囲第 1 項記載の装置において、 照射対 象における倍周波の強度が基本周波の強度の 1 Z 4 倍以 上 4 倍以下となる よ う構成したこ とを特徴とする装置。

6 . 特許請求の範囲第 5 項記載の装置において、 照射対 象における基本周波数 f の超音波の波形が時間 t につい て s i n (2 7r f t ) と表される とき倍周波の波形が 一 s i n ( 4 ^- f t ) と近似される よ う、 基本周波と倍周波との 位相関係を設定したこ とを特徴とする装置。

7 . 特許請求の範囲第 1 項記載の装置において、 倍周波 よ り も高い周波数のパルス波を送受信する こ とによ り照 射対象の超音波エ コ ー像を形成すべ く 構成した超音波撮 像部を具備する こ とを特徴とする装置。

8 . 特許請求の範囲第 7項記載の装置において、 基本周 波の連続波またはバース ト波と倍周波の連続波またはバ —ス ト波とをほぼ同一の対象に対して同時に照射したと き照射対象において生じる超音波の周波数成分のう ち、 倍周波のさ らに偶数倍の周波数成分を受信すべ く 構成し たこ とを特徴とする装置。

9 . 複数周波数の超音波を生成する装置において、 基本 周波数の連続超音波とその 2 倍の周波数の連続超音波と をほぼ同一の対象に対してほぼ同時に照射するよ う に基 本周波数の連続超音波とその 2倍の周波数の連続超音波 とを同一の対象に対して同一の圧電振動子から同時に照 射する よ う構成したこ とを特徴とする装置。

1 0 . 特許請求の範囲第 9 項記載の装置において、 圧電 材料またはそれと同等の音響イ ン ピーダンスをもつ材料 からな り、 基本周波について半波長の音響学的厚さをも ち、 厚さ において実質的にその 2 3 の領域が圧電的に 駆動される よ う構成された圧電素子を具備する こ とを特 徵とする装置。

1 1 . 特許請求の範囲第 1 0 項記載の装置において、 圧 電材料またはそれと同等の音響ィ ン ピーダンスをもつ材 料からな り、 基本周波について半波長の音響学的厚さを もち、 厚さにおいて実質的にその 1 Z 3 の領域と厚さ に おいて実質的にその 2 3 の領域が貼り合わされた もの と され、 前記 2 Z 3 の領域の部分のみが圧電的に駆動さ れる よ う構成された圧電素子を具備する こ とを特徴とす る装置。

1 2 . 特許請求の範囲第 9 項記載の装置において、 圧電 振動子を駆動するプッ シュ プル式回路を具備し、 プッ シ ュプル式回路を構成する 2 つのスイ ッ チ ング素子のう ち 一方がオ ン他方がオフの一つの状態と、 オ ン、 オフが逆 転した他の状態とを繰りかえすよ う に制御する と と もに、 夫々 の状態にある時間の比が実質的に 1 ： 3 または 3 ： 1 に等し く なる よ う制御する こ と こ とを特徴とする装置。

1 3 . 特許請求の範囲第 1 2項記載の装置において、 3 つの直流的定電位源と、 それぞれの定電位源と圧電振動 子の電気的接続をオン · オフするための圧電振動子 1 つ あた り 3 つのスイ ッ チ ン グ素子よ りなる駆動回路を具備 する こ とを特徴とする装置。

1 4 . 特許請求の範囲第 1 項記載の装置において、 圧電 振動子を基本周波数において駆動する第 1 の回路とその 2 倍の周波数において駆動する第 2 の回路をそれぞれ具 備し、 圧電振動子とそれに並列接続したキャパシ夕 とを 総合 したキャパシタ ンスを（ 、 基本周波数においてそれ と共振するイ ンダク タ ンスを L とする とき、 圧電振動子 が、 5 / 8 Lのイ ンダク タ ンスをもつイ ンダク タを介して 第 1 の回路と接続されてお り、 また、 1 0/ 9 L のイ ンダク タ ンスをもつイ ンダク タ とそれに直列接続した 9 /25 Cの キ ャパシタ ンスをもつキヤ ノ、。シ夕 とを介して第 2 の回路 と接続されている こ とを特徴とする装置。

1 5 . 基本周波数の平面波とその整数倍の周波数の平面 波とを同一の対象に対して同時に照射する よ う構成した 超音波装置において、 上記両周波数の波面が実質的に平 行となる よ う構成したこ とを特徴とする装置。

1 6 . 複数周波数の超音波を照射するよ う構成された、 液体を媒質と して超音波を対象に照射する超音波洗浄装 置において、 基本周波数の超音波とその 2 倍の周波数の 超音波とを対象に同時に照射する こ とを特徴とする超音 波洗浄装置。

1 7 . 特許請求の範囲第 1 6 項記載の装置において、 洗 浄槽内に保持した対象に超音波を照射する よ う構成した こ とを特徴とする装置。

1 8 . 特許請求の範囲第 1 6 項記載の装置において、 噴 射装置よ り噴射された液体を媒質と して超音波を対象に 照射する よ う構成したこ とを特徴とする装置。

1 9 . 特許請求の範囲第 1 6 項記載の装置において、 照 射対象における倍周波の強度が基本周波の強度の 1 Z 4 倍以上 4 倍以下.となる よ う構成したこ とを特徴とする装 紘 o

2 0 . 特許請求の範囲第 1 9 項記載の装置において、 照 射対象における基本周波数 f の超音波の波形が時間 t に ついて s i η (2π f t ) と表される とき倍周波の波形 が s i n (47Γ f t + ひ ） 、 ただし は （ 1 4 ) τ 以上 （ 7 Ζ 4 ) r以下の実数、 と近似される よ う、 基本 周波と倍周波との位相関係を設定したこ とを特徴とする

2 1 . 特許請求の範囲第 1 6 項記載の装置において、 超 音波厚み振動素子と して圧電体および該圧電体と実質上 同 じ音響イ ン ピー ダ ン スを有する固体とを層状に密着さ せたものを用いる こ とを特徴とする装置。

2 2 . 特許請求の範囲第 6 項記載の装置において、 圧電 体と該圧電体と実質上同 じ音響イ ン ピー ダ ン スを有する 固体との振動方向における厚み.をそれぞれの音速で除し た時間の比が 1 以上 3 以下となる よ う構成したこ とを特 徵とする装置。

2 3 . 複数周波数の超音波を同時に液体に照射する よ う されたこ とを特徴とする液体殺菌装置。

2 4 . 特許請求の範囲第 2 3項記載の装置において、 複 数周波数が基本周波数とその 2倍の周波数の超音波とで ある こ と こ とを特徴とする液体殺菌装置。

2 5 . 特許請求の範囲第 2 3 項記載の装置において、 超 音波厚み振動素子と して圧電体および該圧電体と実質上 同 じ音響イ ン ピー ダ ン スを有する固体とを層状に密着さ せた ものを用いる こ とを特徴とする装置。

2 6 . 特許請求の範囲第 2 5 項記載の装置において、 圧 電体と該圧電体と実質上同 じ音響イ ン ピー ダ ン スを有す る固体との振動方向における厚みをそれぞれの音速で除 した時間の比が 1 以上 3 以下となる よ う構成したこ とを 特徴とする装置。