WO2012127943A1 - 超音波照射装置 - Google Patents

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WO2012127943A1
WO2012127943A1 PCT/JP2012/053548 JP2012053548W WO2012127943A1 WO 2012127943 A1 WO2012127943 A1 WO 2012127943A1 JP 2012053548 W JP2012053548 W JP 2012053548W WO 2012127943 A1 WO2012127943 A1 WO 2012127943A1
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WO
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vibration
frequency
vibrating membrane
ultrasonic irradiation
irradiation apparatus
Prior art date
Application number
PCT/JP2012/053548
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English (en)
French (fr)
Inventor
峰雪 村上
Original Assignee
オリンパス株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B8/00—Diagnosis using ultrasonic, sonic or infrasonic waves
    • A61B8/44—Constructional features of the ultrasonic, sonic or infrasonic diagnostic device
    • A61B8/4483—Constructional features of the ultrasonic, sonic or infrasonic diagnostic device characterised by features of the ultrasound transducer

Definitions

  • the present invention relates to an ultrasonic irradiation apparatus, and more particularly to an ultrasonic irradiation apparatus having a capacitive ultrasonic transducer.
  • the cMUT has a lower electrode disposed on a substrate, an upper electrode disposed in a vibration film facing the lower electrode, and a gap portion located between the lower electrode and the upper electrode.
  • an electrostatic attractive force acts between the electrodes. Therefore, when the voltage applied between the lower electrode and the upper electrode is an AC voltage, the electrostatic attractive force acting between the electrodes changes, and the vibrating membrane vibrates. Due to this vibration, the cMUT emits ultrasonic waves.
  • a technique related to such a cMUT is disclosed in, for example, International Publication No. 2001/006868.
  • the vibration amplitude is larger as it is closer to the center of the vibration film and smaller as it is closer to the periphery. That is, the vibrating membrane has a curved surface shape and vibrates. Since the ultrasonic wave generated by the vibration of the vibration film travels in the normal direction of the vibration film, the ultrasonic wave emitted by the vibration film vibrating in a curved surface diverges. Therefore, when an ultrasonic irradiation device using a cMUT is used to irradiate the target position with ultrasonic waves, the energy of the ultrasonic waves emitted from the cMUT is dispersed as described above. It is difficult to obtain sound pressure.
  • an object of the present invention is to provide an ultrasonic irradiation apparatus using a cMUT as a sound source, which can obtain a high sound pressure at a target position.
  • an ultrasonic irradiation apparatus includes a vibration film including an upper electrode and a lower electrode facing the vibration film with a gap between the vibration film and the vibration film.
  • a capacitive member including a base member, and applying a voltage based on a drive signal between the upper electrode and the lower electrode to vibrate the vibrating membrane, thereby
  • a drive control unit that emits sound waves to the ultrasonic transducer, wherein the drive signal has a period, and the number of periods is 2 or more, and the vibration
  • the vibration film is continuously vibrated so that the speed direction of a part of the film is opposite to the speed direction of the other part of the vibration film, and the voltage is applied between the upper electrode and the lower electrode. It is a signal to be applied to.
  • an ultrasonic irradiation apparatus using cMUT as a sound source which can obtain a high sound pressure at a target position, can be provided.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration example of an ultrasonic irradiation apparatus according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a top view schematically illustrating an example of the cMUT according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating an example of frequency characteristics of the output sound pressure of the cMUT according to the first embodiment.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating an example of a change in displacement of the vibration film of the cMUT according to the first embodiment.
  • FIG. 5 is a diagram showing a comparison of examples of frequency characteristics of the output sound pressure of the cMUT when the drive frequency is changed.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating an example of a change in displacement of the vibration film of the cMUT when the drive frequency is changed.
  • FIG. 7 is a diagram showing a comparison of an example of the output sound pressure of the cMUT when the drive frequency is changed.
  • FIG. 8A is a diagram for explaining the vibration of the diaphragm of the cMUT, and is a schematic diagram showing the vibration of the cMUT when driven at the fundamental frequency.
  • FIG. 8B is a diagram for explaining the vibration of the vibration film of the cMUT, and is a schematic diagram illustrating the vibration of the cMUT when driven at a frequency higher than the fundamental frequency.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating an example of frequency characteristics of the output sound pressure of the cMUT according to the modification of the first embodiment.
  • FIG. 8A is a diagram for explaining the vibration of the diaphragm of the cMUT, and is a schematic diagram showing the vibration of the cMUT when driven at the fundamental frequency.
  • FIG. 8B is a diagram for explaining the vibration of the vibration film of the cMUT, and is a schematic diagram illustrating
  • FIG. 10A is a diagram illustrating an example of changes in the displacement of the diaphragm of the cMUT according to the modification of the first embodiment when the drive frequency is changed, and shows the center of the diaphragm when driven at 3 MHz. It is a figure which shows a displacement typically.
  • FIG. 10B is a diagram illustrating an example of a change in displacement of the diaphragm of the cMUT according to the modification of the first embodiment when the drive frequency is changed, and the center of the diaphragm when driven at 3 MHz It is a figure which shows typically the displacement of.
  • FIG. 10A is a diagram illustrating an example of changes in the displacement of the diaphragm of the cMUT according to the modification of the first embodiment when the drive frequency is changed, and the center of the diaphragm when driven at 3 MHz. It is a figure which shows typically the displacement of.
  • FIG. 10B is a diagram illustrating an example of changes in the displacement of the diaphragm of
  • FIG. 10C is a diagram illustrating an example of a change in displacement of the diaphragm of the cMUT according to the modification of the first embodiment when the drive frequency is changed, and the center of the diaphragm when driven at 3 MHz It is a figure which shows typically the displacement of.
  • FIG. 11 is a diagram showing a comparison of an example of the output sound pressure of the cMUT according to the modification of the first embodiment when the drive frequency is changed.
  • FIG. 12A is a diagram for explaining the vibration of the vibrating membrane of the cMUT according to the modification of the first embodiment, and schematically showing a case where the cell diameter is 35 ⁇ m.
  • FIG. 12B is a diagram for explaining the vibration of the vibration film of the cMUT according to the modification of the first embodiment, and schematically showing a case where the cell diameter is 55 ⁇ m.
  • FIG. 13 is a cross-sectional view illustrating an outline of an example of a cMUT according to the second embodiment.
  • FIG. 14 is a diagram illustrating an example of frequency characteristics of the output sound pressure of the cMUT according to the second embodiment.
  • FIG. 15A is a diagram for explaining the vibration of the vibration film of the cMUT according to the second embodiment, and is a diagram schematically illustrating a state when the FIXDcMUT is driven at a fundamental frequency.
  • FIG. 15B is a diagram for explaining the vibration of the vibration film of the cMUT according to the second embodiment, and is a diagram schematically illustrating a state when the FFLDcMUT is driven at a fundamental frequency.
  • FIG. 16 is a diagram illustrating a comparison of an example of the output sound pressure of the cMUT according to the second embodiment when the drive frequency is changed.
  • FIG. 17A is a diagram for explaining the vibration of the vibrating membrane of the cMUT according to the second embodiment, and is a diagram schematically showing a state when driven at 3 MHz.
  • FIG. 17B is a diagram for explaining the vibration of the vibration film of the cMUT according to the second embodiment, and is a diagram schematically illustrating a state when driven at 6 MHz.
  • FIG. 17C is a diagram for explaining the vibration of the vibration film of the cMUT according to the second embodiment, and is a diagram schematically illustrating a state when driven at 9 MHz.
  • FIG. 18 is a diagram illustrating an example of frequency characteristics of the output sound pressure of the cMUT according to the modification of the second embodiment.
  • FIG. 19 is a diagram showing a comparison of an example of the output sound pressure of the cMUT according to the second embodiment.
  • FIG. 20A is a diagram for explaining the vibration of the vibrating membrane of the cMUT according to the second embodiment, and is a diagram schematically illustrating a state when the phase is 10 °.
  • FIG. 20B is a diagram for explaining the vibration of the vibration film of the cMUT according to the second embodiment and is a diagram schematically illustrating a state when the phase is 180 °.
  • FIG. 21 is a cross-sectional view illustrating an outline of an example of a cMUT according to the third embodiment.
  • FIG. 22 is a diagram showing a comparison of examples of output sound pressure of the cMUT according to the third embodiment.
  • FIG. 23A is a diagram for explaining the vibration of the vibration film of the cMUT according to the third embodiment, and is a schematic diagram showing the case of Boss-FFLDcMUT.
  • FIG. 23B is a diagram for explaining the vibration of the vibration film of the cMUT according to the third embodiment, and is a schematic diagram showing the case of a Ladder-Boss-FFLDcMUT.
  • FIG. 23C is a diagram for explaining the vibration of the vibration film of the cMUT according to the third embodiment, and is a schematic diagram showing a case of Hinge-Boss-FFLDcMUT.
  • FIG. 24 is a diagram illustrating a comparison of an example of the output sound pressure of the cMUT according to the third embodiment.
  • the ultrasonic irradiation apparatus includes a capacitive micromachined ultrasonic transducer (cMUT) 110 that is an ultrasonic generation unit, and a drive control unit 120 that drives the cMUT 110 while controlling the cMUT 110.
  • cMUT capacitive micromachined ultrasonic transducer
  • FIG. 1 shows a cross-sectional view of the cMUT 110.
  • the cMUT 110 has the following structure.
  • a first insulating layer 112 made of, eg, a thermal oxide film is formed on a silicon base substrate 111.
  • an antioxidant film 113 made of, for example, LP-SiN is formed.
  • a lower electrode 114 made of, for example, molybdenum is formed.
  • a second insulating layer 115 made of, for example, LP-SiN is formed.
  • the base substrate 111, the first insulating layer 112, the antioxidant film 113, the lower electrode 114, and the second insulating layer 115 function as a base member as a whole.
  • a third insulating layer 116 made of, for example, LP-SiN is constructed so as to form a cavity 118.
  • an upper electrode 117 made of, for example, TiN / Al is formed on the third insulating layer 116.
  • the third insulating layer 116 and the upper electrode 117 constitute a vibration film 119.
  • FIG. 2 shows a top view of the cMUT110.
  • the cavity 118 has a circular shape.
  • the base substrate 111, the third insulating layer 116, and the like have a rectangular shape.
  • the shapes of the base substrate 111, the third insulating layer 116, the cavity 118, and the like may be other shapes such as a hexagon.
  • cMUT110 may be used independently, it is common to arrange and use it in an array form. In the following description, one cMUT 110 will be described. However, even if they are arranged in an array, the same operation is performed and the same effect can be obtained.
  • the drive control unit 120 is connected to the upper electrode 117 and the lower electrode 114, and applies a voltage between these electrodes based on the drive signal.
  • the base substrate 111 has a sufficient thickness with respect to the vibration film 119, and the lower electrode 114 and the surrounding structure are substantially fixed. Therefore, the vibration film 119 including the upper electrode 117 and the third insulating layer 116 is displaced by the change in electrostatic attraction force.
  • the vibration film 119 vibrates.
  • the vibrating membrane 119 is vibrated at a frequency corresponding to ultrasonic waves, the cMUT 110 generates ultrasonic waves.
  • the diameter of the cavity 118 in the planar direction of the base substrate 111 of the cMUT 110 according to the present embodiment (hereinafter referred to as cell diameter) is ⁇ 40 ⁇ m.
  • the thickness of the cavity 118 in the normal direction relative to the base substrate 111 is 200 nm.
  • This cMUT 110 is designed so that the fundamental frequency of vibration of the vibrating membrane 119 is 15 MHz.
  • the cell diameter is 40 ⁇ m
  • the thickness of the cavity 118 is 200 nm
  • the fundamental frequency is 15 MHz, which is of course an example. This can be changed as appropriate as described in other embodiments.
  • the drive control unit 120 outputs the following drive signal to the cMUT 110 to operate the cMUT 110. That is, the drive control unit 120 applies an AC voltage of 30 MHz, which is twice the fundamental frequency (15 MHz) of the vibrating membrane 119 of the cMUT 110, between the lower electrode 114 and the upper electrode 117. More specifically, the drive control unit 120 first applies a bias voltage of 5 V between the lower electrode 114 and the upper electrode 117. The drive controller 120 further superimposes an AC voltage having a voltage of 50 V and a frequency of 30 MHz on the drive controller 120.
  • the frequency characteristics of the cMUT 110 are shown by taking as an example a case where the surroundings of the cMUT 110 are filled with water.
  • the periphery of the cMUT 110 may be filled with a fluid other than water, such as another liquid or gas.
  • a broken line (b) indicates the vibration characteristics when a single pulse is input to the cMUT 110 for reference.
  • a weak peak indicating natural vibration is observed at a fundamental frequency of 15 MHz.
  • a peak indicating a primary vibration mode in forced vibration is observed.
  • the sound pressure in the secondary vibration mode is about 60 MHz, that is, higher than the sound pressure in the driving frequency of 30 MHz, that is, the primary vibration mode.
  • FIG. 4 shows the displacement at the center portion of the vibrating membrane 119 when the cMUT 110 is driven as described above.
  • minus indicates that the vibration film 119 is displaced toward the base substrate 111, and plus indicates the opposite.
  • the definition of the displacement value is the same in FIG. 6 and FIGS. 10A, 10B, and 10C described later.
  • the displacement of the vibration film 119 can be easily measured using a laser displacement meter or the like.
  • FIG. 4 there is a period in which the center of the vibration film 119 is displaced in the reverse direction while being displaced from the minus side to the plus side (the part indicated by the arrow in the figure). This vibration behavior is considered to correspond to a higher-order vibration mode such as the (0, 2) vibration mode in forced vibration.
  • the vibration film 119 In the period in which the center of the vibration film 119 recognized in FIG. 4 is displaced in the opposite direction, the vibration film 119 has a speed of displacement from the minus side to the plus side as a whole, but at the central portion, the opposite direction is obtained. It has a displacement speed. Therefore, the central portion of the vibration film 119 has a shape close to a flat plate. Such a flat shape is in contrast to the vibration film 119 having a curved surface as a whole when the entire vibration film 119 has a speed of displacement from the minus side to the plus side. .
  • the drive signal according to the present embodiment has a period, the number of periods is two or more, and the direction of the speed of a part of the vibration film 119 is the speed of the other part of the vibration film 119.
  • This corresponds to a signal for applying a voltage for continuously vibrating the vibrating membrane 119 between the upper electrode 117 and the lower electrode 114 so as to be opposite to the direction of.
  • the drive frequency is 15 MHz
  • the result of the FFT analysis of the sound pressure measured at the center directly above the vibration film 119 of the cMUT 110 according to the present embodiment when the drive frequency is 15 MHz, 20 MHz, and 25 MHz.
  • the results are shown in FIG.
  • the drive voltage is 5 V bias voltage and 50 V AC voltage.
  • the drive voltage is the same unless otherwise specified.
  • the solid line (a) is the result when the cMUT 110 is driven at 30 MHz
  • the alternate long and short dash line (c) is the result when the cMUT 110 is driven at 15 MHz
  • the dotted line (d) is the result when the cMUT 110 is driven at 20 MHz.
  • This is a result when the cMUT 110 is driven at a double-dot chain line (e) of 25 MHz.
  • a peak representing a secondary vibration mode can be confirmed at a frequency twice the driving frequency.
  • the sound pressure at the frequency of the secondary vibration mode is higher than the sound pressure of the primary vibration mode at the forced vibration confirmed at the drive frequency. Further, it can be confirmed that the sound pressure in the secondary vibration mode is higher as the driving frequency is higher.
  • FIG. 6 shows the displacement at the center portion of the vibrating membrane 119 when the drive frequency is 15 MHz. Also in the case illustrated in FIG. 6, the displacement speed decreases while the center of the vibration film 119 is displaced from the minus side to the plus side, as in the case where the drive frequency illustrated in FIG. 4 is 30 MHz. There is a period (the part indicated by the arrow in the figure). This decrease in the displacement speed corresponds to a higher-order vibration mode such as the (0, 2) vibration mode, as in the case where the vibration film 119 with the drive frequency of 30 MHz shown in FIG. 4 is displaced in the opposite direction. Conceivable.
  • the period in which the vibration film 119 is displaced in the reverse direction when the drive frequency is 30 MHz is longer than the period in which the displacement speed of the vibration film 119 is decreased when the drive frequency is 15 MHz. Therefore, it is considered that the period during which the vibration film 119 has a relatively flat shape is longer when driven at 30 MHz than when driven at 15 MHz.
  • FIG. 7 shows time average values of sound pressures at positions 60 mm away from the center of the vibration film 119 in the normal direction of the base substrate 111 when the drive frequencies are 15 MHz, 20 MHz, 25 MHz, and 30 MHz. As shown in this figure, it can be seen that the time average value of the sound pressure is higher when the cMUT 110 is vibrated at a higher frequency than when it is driven at 15 MHz, which is the fundamental frequency of the cMUT 110.
  • FIGS. 8A and 8B show how the vibration film 119 vibrates when the cMUT 110 is driven at the fundamental frequency.
  • the base substrate 111 is drawn for easy understanding, and the structure between the base substrate 111 and the cavity 118 such as the lower electrode 114 is omitted.
  • FIGS. 8A and 8B the displacement in the thickness direction of the vibrating membrane 119 is highlighted and enlarged. The same applies to FIGS. 12A, 12B, 15A, 15B, 17A, 17B, 17C, 20A, 20B, 23A, 23B, and 23C described later.
  • the vibrating membrane 119 When driven at the fundamental frequency, the vibrating membrane 119 exhibits (0, 1) vibration mode behavior. That is, as shown in FIG. 8A, the diaphragm 119 is fixed at the peripheral portion and the amplitude at the center is increased, and as a whole bends in a curved shape. At this time, when looking at the sound pressure at a position away from the normal direction of the base substrate 111, the vibration direction of the vibration film 119 faces the normal direction with respect to the base substrate 111 at the center of the vibration film 119. Pressure increases. However, in the peripheral portion of the vibration film 119, the vibration direction of the vibration film 119 is oblique with respect to the base substrate 111.
  • the energy of the ultrasonic waves diverges, and the average sound pressure in the normal direction of the base substrate 111 becomes relatively small.
  • the sound pressure generated by the cMUT 110 at a position away from the normal direction of the base substrate 111 is relatively small.
  • the center of the diaphragm 119 is displaced from the minus side to the plus side as shown in FIG. There is a period of displacement in the opposite direction. During this period, the center of the vibration film 119 is displaced in the opposite direction, and the vibration film 119 has a relatively flat shape as shown in FIG. 8B. For this reason, the emitted ultrasonic wave does not diverge and the directivity is improved. That is, the ultrasonic energy emitted from the cMUT 110 is concentrated in the normal direction of the base substrate 111.
  • the sound pressure derived from the cMUT 110 at a position away from the normal direction of the base substrate 111 is relatively large.
  • the sound pressure obtained by time averaging is important.
  • the effect of improving the directivity by making the vibration film 119 flat is particularly remarkable.
  • driving at a frequency higher than the fundamental frequency is not as high as driving at a frequency twice the fundamental frequency, such as 30 MHz, but driving at a fundamental frequency of 15 MHz.
  • High sound pressure can be obtained.
  • the reason why a high sound pressure can be obtained even when driven at 20 MHz or 25 MHz is considered to be because the vibrating membrane 119 vibrates in a flat shape as described above. That is, even if it is not driven at a frequency corresponding to the (0, 2) vibration mode, a relatively high sound pressure can be obtained even if it is driven at a frequency higher than the fundamental frequency and lower than the frequency of the (0, 2) vibration mode. I understand.
  • the position of the base substrate 111 away from the normal direction, that is, the target position of ultrasonic irradiation is more High sound pressure can be obtained. Therefore, according to the present embodiment, it is possible to provide an ultrasonic irradiation apparatus that can irradiate higher energy.
  • the fundamental frequency can be changed by changing the thickness of the vibrating membrane 119 or the cell diameter.
  • the diaphragm 119 is made thinner and the cell diameter is increased to 55 ⁇ m than in the first embodiment, and the fundamental frequency of the cMUT 110 is lower than that of the cMUT 110 according to the first embodiment. It is 3 MHz.
  • the other structures of the cMUT 110 are the same as those in the first embodiment.
  • FIG. 9 shows the result of FFT analysis of the sound pressure measured at the center directly above the diaphragm 119 when the driving frequency is 3 MHz, 4.5 MHz, and 6 MHz. Other conditions are the same as in the first embodiment.
  • the broken line (a) shows the result when driven at 3 MHz
  • the alternate long and short dash line (b) shows the result when driven at 4.5 MHz
  • the solid line (c) shows the result when driven at 6 MHz. .
  • a peak representing the first vibration mode can be confirmed at each driving frequency. Further, a peak representing a secondary vibration mode can be confirmed at a frequency near twice the drive frequency. Furthermore, in the case of this modification, since the Q value of the cMUT 110 is high, a vibration component of 3 MHz, which is the fundamental frequency, is recognized when driven at any frequency. The sound pressure in the secondary vibration mode due to forced vibration is higher as the drive frequency is higher. Further, when driving at a frequency of 4.5 MHz or 6 MHz, it can be confirmed that the sound pressure at the frequency corresponding to the secondary vibration mode is higher than the sound pressure at the frequency corresponding to the driving frequency. On the other hand, when driven at 3 MHz, which is the fundamental frequency, the sound pressure at approximately 6 MHz, which is the secondary vibration mode, is lower than the sound pressure at 3 MHz, which is the fundamental frequency.
  • FIG. 10A, 10B, and 10C show displacements at the central portion of the vibration film 119 when the driving frequency is 3 MHz, 4.5 MHz, and 6 MHz.
  • FIG. 10A shows the result when driving at 3 MHz
  • FIG. 10B shows the result when driving at 4.5 MHz
  • FIG. 10C shows the result when driving at 6 MHz.
  • the displacement amount when the vibrating membrane 119 is displaced in the reverse direction is larger when driven at 6 MHz (FIG. 10C) than when driven at 3 MHz (FIG. 10A).
  • the frequency of the vibrating membrane 119 being displaced in the opposite direction is higher than when driven at 3 MHz (FIG. 10A) and when driven at 6 MHz (FIG. 10C).
  • the amount of displacement when the vibrating membrane 119 is displaced in the reverse direction is large. Therefore, it can be considered that the time during which the vibration film 119 is flat is longer when driven at 4.5 MHz than when driven at 3 MHz or 6 MHz.
  • the vibration pressure is obtained at a position 60 mm away from the center of the vibration film 119 in the normal direction of the base substrate 111 when the driving frequency is 3 MHz, 4.5 MHz, and 6 MHz.
  • the highest sound pressure is obtained.
  • the reason why the highest sound pressure was obtained when driven at 4.5 MHz is considered as follows.
  • the first is vibration at the drive frequency.
  • the second is vibration at the frequency of the secondary vibration mode.
  • the third is a fundamental frequency vibration derived from a high Q value. It is considered that sound pressure can be obtained more effectively by superimposing vibrations of three frequencies.
  • the frequency of reverse displacement at the center of the vibrating membrane 119 is high, and it is considered that the higher the displacement, the higher the sound pressure.
  • the frequency of displacement in the direction opposite to the center of the vibrating membrane 119 is higher and the amount of displacement is greater than when driven at other drive frequencies. . From these facts, it is considered that when the cMUT 110 is driven at 4.5 MHz, a higher sound pressure can be obtained more efficiently than others.
  • the obtained effects differ depending on the output frequency. For example, it may be necessary to irradiate ultrasonic waves that match the resonance frequency of the ultrasonic irradiation object.
  • the size of the cell diameter, etc. so that the frequency of the secondary vibration mode becomes the desired frequency. If the output frequency is adjusted by changing, high sound pressure can be obtained efficiently.
  • the cell diameter may be increased if the fundamental frequency is lowered, or the cell diameter may be reduced if the fundamental frequency is increased.
  • the area of the vibration film 119 having a nearly flat shape increases.
  • the deformation of the cMUT 110 in each phase is schematically shown in FIG. 12A.
  • the deformation of the cMUT 110 in each phase is schematically shown in FIG. 12B.
  • the flatness at the central portion of the vibrating membrane 119 during vibration increases as the cell diameter increases. For this reason, the directivity of the emitted ultrasonic wave is improved, and a high sound pressure is obtained.
  • FIG. 1 An outline of the configuration of the cMUT 210 according to this embodiment is shown in FIG.
  • the cMUT 210 according to the present embodiment is different from the cMUT 110 according to the first embodiment in the shape of the base substrate 211.
  • the thickness corresponding to the portion below the cavity 118 is thinner than the thickness of the other portions. Therefore, the thinner part of the base substrate 211 is less rigid than the other part.
  • This region with low rigidity is referred to as a deformation region 222.
  • a region having a thick base substrate 211 other than the deformation region 222 is referred to as a support region 224.
  • Other configurations of the cMUT 210 are the same as those of the cMUT 110 of the first embodiment.
  • the dimension and material of each part of cMUT210 are the same as that of the modification of 1st Embodiment, and a cell diameter is (phi) 55 micrometers.
  • the base substrate 211 is a normal region of the surface of the base substrate 211 facing the vibration film 119, and a deformation region 222 that functions as a vibration region including a region through which a line passing through the center of gravity of the cavity 118 passes, And a support region 224 located at the periphery of the deformation region 222.
  • the base substrate 211 is a thinned portion, and air is in contact with the surface of the base substrate 211 opposite to the cavity 118, that is, the surface of the deformation region 222 opposite to the cavity 118. It shall be. Even if other gases or liquids such as water are in contact with each other, the same results are obtained for the following.
  • the cMUT 210 according to the present embodiment is referred to as FFLDcMUT 210
  • the cMUT 110 according to the modification of the first embodiment is referred to as FIXDcMUT 110.
  • FIG. 14 shows the result of FFT analysis of the sound pressure measured at the center directly above the diaphragm 119 when the FFLDcMUT 210 and the FIXDcMUT 110 are driven with a drive signal of 3 MHz, which is a fundamental frequency, a bias voltage of 5 V, and an AC voltage of 50 V, respectively. Shown in A solid line (a) in the figure indicates the frequency characteristic of the FFLDcMUT 210, and a broken line (b) in the figure indicates the frequency characteristic of the FIXDcMUT 110.
  • the sound pressure in the secondary vibration mode recognized around 6 MHz is lower than the sound pressure at 3 MHz, which is the fundamental frequency.
  • a specific peak is confirmed at about 9 MHz.
  • the vibration behavior in the FFLDcMUT 210 will be described with reference to FIGS. 15A and 15B.
  • the basic vibration behavior in which the FIXDcMUT 110 is driven at the fundamental frequency will be compared with the case in which the FFLDcMUT 210 is driven at a frequency corresponding to a higher-order vibration mode.
  • FIG. 15A shows the state of vibration when the FIXDcMUT 110 is driven with a drive signal having a fundamental frequency.
  • FIG. 15A shows a cross section of a plane that passes through the center of the vibration film 119 in the plane direction and is perpendicular to the base substrate 111.
  • the base substrate 111 is sufficiently thicker than the cavity 118. For this reason, the base substrate 111 hardly vibrates, and only the vibration film 119 flexurally vibrates. This is the same when the drive frequency is set to a higher frequency.
  • FIG. 15B shows a state of vibration when the FFLDcMUT 210 is driven at 9 MHz.
  • 15B shows a cross section of a plane that passes through the center of the vibration film 119 in the plane direction and is perpendicular to the base substrate 111.
  • the frequency of 9 MHz is a frequency close to the peak specifically recognized in the FFLDcMUT 210 in FIG.
  • the rigidity is low because the base substrate 211 is thin in the deformation region 222, and the base substrate 211 corresponding to the deformation region 222 vibrates greatly as compared with the case shown in FIG. 15A.
  • the width in the cross section shown in FIG. 15A of the sound wave propagating in the normal direction relative to the base substrate 111 (hereinafter referred to as a straight traveling sound wave) is as follows. That is, the straight acoustic wave corresponds to a region of the vibrating film 119 that vibrates with a surface that is nearly parallel to the base substrate 111. The width of the straight traveling sound wave is illustrated as a straight traveling sound wave 150 shown in FIG. 15A.
  • the vibrating membrane 119 vibrates having three antinodes 252 and four nodes 254 in the cross section shown in FIG. 15B.
  • the straight acoustic wave 250 is generated at the positions of the three antinodes 252 in this cross section.
  • the frequency of 3 MHz, 6 MHz, or 9 MHz is a frequency at which a peak is recognized as shown in FIG. 14 when the FFLDcMUT 210 is driven at 3 MHz.
  • FIG. 16 shows the time average value of the sound pressure at a position 60 mm away from the center of the vibration film 119 in the normal direction of the base substrate 111 when the FFLDcMUT 210 is driven with a drive signal with a drive frequency of 3 MHz, 6 MHz, or 9 MHz. It can be seen that when the FFLDcMUT 210 is driven at 9 MHz, the measured sound pressure is much higher than in other cases.
  • FIGS. 17A, 17B, and 17C show how the FFLDcMUT 210 is deformed in these cases.
  • FIG. 17A, FIG. 17B, and FIG. 17C each show a state of deformation of the FFLDcMUT 210 at a phase of 300 °.
  • FIG. 17A shows a state when driving at 3 MHz
  • FIG. 17B shows a state when driving at 6 MHz
  • FIG. 17C shows a state when driving at 9 MHz.
  • the displacement direction of the vibration film 119 and the displacement direction of the base substrate 211 coincide as shown in FIG. 17B.
  • the displacement direction of the vibration film 119 and the displacement direction of the base substrate 211 are opposite to each other.
  • the displacement direction of the vibration film 119 and the displacement direction of the base substrate 211 are opposite to each other, and the greater the displacement of the base substrate 211, the higher the output sound pressure.
  • FFLDcMUT210 designed so that the frequency corresponding to the secondary vibration mode is 15 MHz is taken as an example.
  • the characteristic of this FFLDcMUT210 is compared with the characteristic of cMUT110 of 1st Embodiment whose fundamental frequency is 15 MHz. Note that the cell diameter of the FFLDcMUT 210 in this example is larger than the cell diameter of the cMUT 110 of the first embodiment.
  • FIG. 18 shows the result of FFT analysis of the sound pressure measured at the center immediately above the diaphragm 119 when the FFLDcMUT 210 and the cMUT 110 of the first embodiment are each driven at 15 MHz.
  • the solid line (a) in the figure indicates the frequency characteristic of the FFLDcMUT 210
  • the broken line (b) in the figure indicates the frequency characteristic of the cMUT 110 of the first embodiment.
  • the sound pressure in the case of FFLDcMUT210 is lower than the sound pressure in the case of cMUT110 of the first embodiment.
  • the time average value of the sound pressure at a position 60 mm away from the center of the vibration film 119 in the normal direction of the base substrate 111 when driven at 15 MHz is as shown in FIG. That is, the time average value of the sound pressure at a position 60 mm away from the center of the vibration film 119 in the normal direction of the base substrate 111 is about 5.3 times that in the case of the cMUT110 in the case of the FFLDcMUT210.
  • FIG. 20A and 20B show how the FFLDcMUT 210 vibrates.
  • FIG. 20A schematically shows the state of the FFLDcMUT 210 when the phase is 10 °
  • FIG. 20B schematically shows the state of the FFLDcMUT 210 when the phase is 180 °.
  • 20A and 20B schematically show a cross section of a plane perpendicular to the base substrate 111 passing through the center of the vibration film 119 in the planar direction.
  • the number of antinodes 252 is three and the number of nodes 254 is four in the cross section shown in FIGS. 20A and 20B.
  • the displacement direction of the vibration film 119 and the displacement direction of the base substrate 211 in the deformation region 222 are opposite to each other. This corresponds to the “vibrating film having a flat shape” described in the first embodiment.
  • the reason why the time average value of the sound pressure at the position 60 mm away from the center of the vibration film 119 in the normal direction of the base substrate 111 is increased by using the FFLDcMUT 210 can be explained as follows.
  • the number of antinodes 152 is one in the vibration film 119, so the width of the instantaneous straight traveling sound wave 150 and the time average straight traveling sound wave 150 are the same. Is equal to the width of.
  • the number of the antinodes 252 is three. The position changes with time as shown in FIGS.
  • the width of the instantaneous straight traveling sound wave 250 is different from the width of the time average straight traveling sound wave 250. That is, the width of the time average straight traveling sound wave 250 is wider than the instantaneous width of the straight traveling sound wave 250.
  • the sound pressure time average value at a position 60 mm away from the center of the vibration film 119 in the normal direction of the base substrate 111 becomes high.
  • the displacement direction of the vibration film 119 and the displacement direction of the base substrate 211 are reversed as shown in FIG. 17C.
  • the displacement direction of the vibration film 119 and the displacement direction of the base substrate 211 are reversed, the normal direction of the base substrate 111 from the center of the vibration film 119 is compared to the case where the displacement direction is reversed.
  • the time average value of the sound pressure at a position 60 mm away becomes high.
  • a part of the base substrate 111 is made thin so that the base substrate 111 vibrates, the number of vibration antinodes is plural, and the displacement direction of the vibration film 119 is further changed.
  • the direction of displacement of the base substrate 211 is opposite, a high sound pressure can be obtained at the target position by irradiation with ultrasonic waves. That is, also in the present embodiment, there is a period in which the vibration film 119 is displaced in the opposite direction, so that the vibration film has a flat shape and the directivity of the ultrasonic wave is improved. Note that it is not always necessary to satisfy all of these conditions simultaneously. However, when all the conditions are satisfied at the same time, a particularly high sound pressure can be obtained.
  • the base member 211 also uses the FFLDcMUT 210 that continuously vibrates, and the direction of the displacement with respect to the vibration center in a specific region of the vibration film 119 and the region of the base member 211 facing the region.
  • a high output can be obtained by using a drive signal that vibrates so that the direction of displacement with respect to the vibration center in the direction is opposite.
  • Such an ultrasonic irradiation apparatus is effective as a therapeutic device because it can realize a high sound pressure.
  • the deformation region 222 is adjusted to the size of the cavity 118, but the present invention is not limited to this.
  • the deformation region 222 may be wider or narrower than the cavity 118.
  • the deformation region 222 and the cavity 118 may have the same size.
  • the deformation region 222 of the base substrate 111 is made thinner than the support region 224, so that the rigidity of the deformation region 222 is smaller than the rigidity of the support region 224.
  • the rigidity of the deformation region 222 is lowered by making the Young's modulus of the material forming the deformation region 222 lower than the Young's modulus of the material forming the support region 224, the same effect can be obtained.
  • a third embodiment of the present invention will be described.
  • differences from the second embodiment will be described, and the same portions will be denoted by the same reference numerals and description thereof will be omitted.
  • a mass part 311 made of, for example, tetraethoxysilane (TEOS) is formed on the upper electrode 117 of the FFLDcMUT 210 according to the second embodiment.
  • a protective film 312 made of, for example, P—SiN is formed so as to cover the upper electrode 117 and the upper part of the mass part 311.
  • a projection 315 is formed by the mass portion 311 and the protective film 312.
  • Other structures are the same as those of the FFLDcMUT 210 according to the second embodiment.
  • the base substrate 211 in the deformation region 222 also vibrates, so that depending on the drive voltage, so-called collapse in which the lower electrode 114 side and the upper electrode 117 side are in contact easily occurs.
  • the diaphragm 119 has appropriate rigidity. , Collapse can be prevented. Note that the area of the mass portion 311 viewed from the normal direction of the base substrate 111 is preferably smaller than the area of the cavity 118.
  • FIXDcMUT110 which concerns on the modification of 1st Embodiment
  • FFLDcMUT210 which concerns on 2nd Embodiment
  • Boss-FIXDcMUT which provided the projection part 315 in the said FIXDcMUT110
  • This embodiment which provided the projection part 315 in FFLDcMUT210
  • the Boss-FFLDcMUT 310 is driven at a driving frequency of 6 MHz or 9 MHz, the time average value of the sound pressure at a position 60 mm away from the center of the vibration film 119 in the normal direction of the base substrate 111 is shown in FIG.
  • the sound pressure obtained is higher than when the protrusion 315 is not provided.
  • the deformation region 222 when the deformation region 222 is provided, the effect of easily deforming the base substrate 211 described in the second embodiment and causing bending vibration overlaps with the effect of providing the protrusions 315, which is high. Sound pressure is obtained.
  • the Boss-FFLDcMUT310 when driving at 9 MHz using a vibration mode that is specifically recognized when the deformation region 222 is provided, the Boss-FFLDcMUT310 has a sound pressure that is about three times that of the FIXDcMUT110 and about 1.2 times that of the FFLDcMUT210. Is obtained.
  • a cMUT capable of obtaining a high output using a higher-order vibration mode while preventing collapse can be realized. According to the present embodiment, it is possible to provide an excellent ultrasonic irradiation apparatus capable of outputting a high sound pressure that can be used as, for example, a therapeutic device.
  • the size of the protrusion 315 may be set in accordance with the positions of concentric nodes appearing in a desired mode and, if necessary, the diameter-direction nodes.
  • the width dimension of the protrusion may be further reduced to match the node of the mode, or the protrusion 315 may be formed along the node.
  • TEOS is used as the material of the mass portion 311, but it may be formed using other materials such as SiN.
  • the acoustic impedance of the upper electrode 117 is larger than the acoustic impedance of the mass portion 311, and the acoustic impedance of the mass portion 311 is preferably equal to or higher than the acoustic impedance of the protective film 312.
  • the configuration in which the protrusions 315 are provided in the FFLDcMUT 210 according to the second embodiment has been mainly described.
  • the protrusions 315 may be provided in the cMUT 110 according to the first embodiment. The effect obtained by arranging the portion 315 is obtained.
  • the cMUT having the protrusion 315 having the hinge portion is referred to as Hinge-Boss-FFLDcMUT340.
  • the material of the mass part 311 is SiN.
  • Other configurations are the same as those of the Boss-FFLDcMUT310 according to the third embodiment.
  • FIG. 23A, FIG. 23B, and FIG. 23C show the state of deformation at a phase of 90 ° when these are driven by a sine wave.
  • FIG. 23A shows the case of the Boss-FFLDcMUT310 according to the third embodiment.
  • FIG. 23B shows the case of Ladder-Boss-FFLDcMUT330.
  • FIG. 23C shows the case of Hinge-Boss-FFLDcMUT340.
  • the vibrating membrane 119 and the protrusion 315 are deformed at the thinned portion.
  • the entire protrusion 315 is greatly curved.
  • the vibration film 119 and the protruding portion 315 are sufficiently thin, the protruding portion 315 is formed.
  • the vibration film 119 vibrates while maintaining a flat shape.
  • the protrusion 315 vibrates with a flat shape, the directivity of the sound wave is good and the width of the straight traveling sound wave is widened.
  • the time average value of the sound pressure at a position 60 mm away in the line direction is shown in FIG.
  • a high sound pressure is obtained.
  • the vibration displacement can be further increased by providing the step and the position of the hinge in accordance with the position of the node in the desired mode. As a result, the sound pressure obtained can be further increased.
  • CMUTs may be used alone, but are generally arranged in an array.
  • the cMUTs may be arranged in an array.
  • the above-described effects can be obtained regardless of which cMUT is arranged in an array.
  • the techniques related to the cMUT described as the first to third embodiments and their modifications can be used as a sound source of an ultrasonic diagnostic apparatus, for example.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiment as it is, and can be embodied by modifying constituent elements without departing from the scope of the invention in the implementation stage.
  • various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of components disclosed in the embodiment. For example, even if some constituent elements are deleted from all the constituent elements shown in the embodiment, the problem described in the column of problems to be solved by the invention can be solved and the effect of the invention can be obtained. The configuration in which this component is deleted can also be extracted as an invention.
  • constituent elements over different embodiments may be appropriately combined.

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Abstract

　超音波照射装置は、静電容量型超音波振動子（１１０，２１０，３１０）と、駆動制御部（１２０）とを含む。静電容量型超音波振動子は、上部電極（１１７）を含む振動膜（１１９）と、前記振動膜（１１９）との間に空隙（１１８）を介して該振動膜と対向する下部電極（１１４）を含むベース部材（１１１，２１１）とを含む。駆動制御部は、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。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信号である。

Description

超音波照射装置
　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。
　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。このようなｃＭＵＴに係る技術が例えば国際公開第２００１／００６８６８号パンフレットに開示されている。
　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。
　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。
　前記目的を果たすため、本発明の一態様によれば、超音波照射装置は、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、を具備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部と、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。
　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１は、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である。 図２は、第１の実施形態に係るｃＭＵＴの一例の概略を示す上面図である。 図３は、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である。 図４は、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である。 図５は、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である。 図６は、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である。 図７は、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である。 図８Ａは、ｃＭＵＴの振動膜の振動を説明するための図であって、基本周波数で駆動した場合のｃＭＵＴの振動を表す模式図である。 図８Ｂは、ｃＭＵＴの振動膜の振動を説明するための図であって、基本周波数よりも高い周波数で駆動した場合のｃＭＵＴの振動を表す模式図である。 図９は、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である。 図１０Ａは、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であって、３ＭＨｚで駆動した場合の振動膜の中心の変位を模式的に示す図である。 図１０Ｂは、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であって、３ＭＨｚで駆動された場合の振動膜の中心の変位を模式的に示す図である。 図１０Ｃは、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であって、３ＭＨｚで駆動された場合の振動膜の中心の変位を模式的に示す図である。 図１１は、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である。 図１２Ａは、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であって、セル径が３５μｍである場合を模式的に示す図である。 図１２Ｂは、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であって、セル径が５５μｍである場合を模式的に示す図である。 図１３は、第２の実施形態に係るｃＭＵＴの一例の概略を示す断面図である。 図１４は、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である。 図１５Ａは、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であって、ＦＩＸＤｃＭＵＴを基本周波数で駆動したときの様子を模式的に示す図である。 図１５Ｂは、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であって、ＦＦＬＤｃＭＵＴを基本周波数で駆動したときの様子を模式的に示す図である。 図１６は、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である。 図１７Ａは、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であって、３ＭＨｚで駆動された場合の様子を模式的に示す図である。 図１７Ｂは、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であって、６ＭＨｚで駆動された場合の様子を模式的に示す図である。 図１７Ｃは、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であって、９ＭＨｚで駆動された場合の様子を模式的に示す図である。 図１８は、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である。 図１９は、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である。 図２０Ａは、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であって、位相１０°のときの様子を模式的に示す図である。 図２０Ｂは、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であって、位相１８０°のときの様子を模式的に示す図である。 図２１は、第３の実施形態に係るｃＭＵＴの一例の概略を示す断面図である。 図２２は、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である。 図２３Ａは、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であって、Ｂｏｓｓ－ＦＦＬＤｃＭＵＴの場合を示す模式図である。 図２３Ｂは、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であって、Ｌａｄｄｅｒ－Ｂｏｓｓ－ＦＦＬＤｃＭＵＴの場合を示す模式図である。 図２３Ｃは、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であって、Ｈｉｎｇｅ－Ｂｏｓｓ－ＦＦＬＤｃＭＵＴの場合を示す模式図である。 図２４は、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である。
　［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部１２０とを有する。
　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。
　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。
　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。
　駆動制御部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、駆動制御部１２０が上部電極１１７と下部電極１１４とに印加する電圧を交流であると、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。
　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。
　本実施形態に係る超音波照射装置の動作を説明する。駆動制御部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、駆動制御部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、駆動制御部１２０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。駆動制御部１２０は、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。
　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に実線（ａ）で示す。図３において破線（ｂ）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の実線（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。
　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並びに図１０Ａ、図１０Ｂ及び図１０Ｃ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。
　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。
　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。
　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、実線（ａ）が３０ＭＨｚでｃＭＵＴ１１０を駆動した場合の結果であり、一点鎖線（ｃ）が１５ＭＨｚでｃＭＵＴ１１０を駆動した場合の結果であり、点線（ｄ）が２０ＭＨｚでｃＭＵＴ１１０を駆動した場合の結果であり、二点鎖線（ｅ）が２５ＭＨｚでｃＭＵＴ１１０を駆動した場合の結果である。
　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。
　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。
　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。
　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８Ａ及び図８Ｂ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８Ａ及び図８Ｂ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１２Ａ、図１２Ｂ、図１５Ａ、図１５Ｂ、図１７Ａ、図１７Ｂ、図１７Ｃ、図２０Ａ、図２０Ｂ、図２３Ａ、図２３Ｂ及び図２３Ｃにおいても同様である。
　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８Ａ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。
　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８Ｂ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。
　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。
　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。
　［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。
　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において破線（ａ）は３ＭＨｚで駆動した場合の結果を示し、一点鎖線（ｂ）は４．５ＭＨｚで駆動した場合の結果を示し、実線（ｃ）は６ＭＨｚで駆動した場合の結果を示す。
　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。
　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１０Ａ、図１０Ｂ及び図１０Ｃに示す。図１０Ａは、３ＭＨｚで駆動した場合の結果を示し、図１０Ｂは、４．５ＭＨｚで駆動した場合の結果を示し、図１０Ｃ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。
　これらを比較すると、６ＭＨｚで駆動したとき（図１０Ｃ）は、３ＭＨｚで駆動したとき（図１０Ａ）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１０Ｂ）は、３ＭＨｚで駆動したとき（図１０Ａ）及び６ＭＨｚで駆動したとき（図１０Ｃ）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。
　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１０Ｂ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。
　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。
　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１２Ａ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１２Ｂ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。
　［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。
　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１１８の重心を通る線が通過する領域を含む振動領域として機能する変形領域２２２と、変形領域２２２の周縁に位置する支持領域２２４とを含む。
　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。
　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。図中の実線（ａ）は、ＦＦＬＤｃＭＵＴ２１０の周波数特性を示し、図中の破線（ｂ）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。
　まず、ＦＦＬＤｃＭＵＴ２１０における振動挙動を、図１５Ａ及び図１５Ｂ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。
　図１５Ａ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１５Ａ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１５Ｂに、ＦＦＬＤｃＭＵＴ２１０を、９ＭＨｚで駆動したときの振動の様子を示す。図１５Ｂ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１５Ａに示した場合と比較すると、大きく振動する。
　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１５Ａ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１５Ａ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１５Ａに示す直進音波１５０のようになる。一方、図１５Ｂに示すＦＦＬＤｃＭＵＴ２１０では、振動膜１１９は、図１５Ｂ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１５Ｂ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。
　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。
　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１７Ａ、図１７Ｂ及び図１７Ｃに示す。
　図１７Ａ、図１７Ｂ及び図１７Ｃ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１７Ａは、３ＭＨｚで駆動したときの様子を示し、図１７Ｂは、６ＭＨｚで駆動したときの様子を示し、図１７Ｃ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１７Ｂ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１７Ｃ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。
　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。
　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。図中の実線（ａ）は、ＦＦＬＤｃＭＵＴ２１０の周波数特性を示し、図中の破線（ｂ）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。
　本ＦＦＬＤｃＭＵＴ２１０の振動の様子を図２０Ａ及び図２０Ｂに示す。ここで、図２０Ａは、位相１０°のときのＦＦＬＤｃＭＵＴ２１０の様子を模式的に示し、図２０Ｂは、位相１８０°のときのＦＦＬＤｃＭＵＴ２１０の様子を模式的に示す。図２０Ａ及び図２０Ｂ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模式的に示す。ＦＦＬＤｃＭＵＴ２１０では、図１５Ｂに示した場合と同様に、図２０Ａ及び図２０Ｂ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１７Ｃ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。
　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１５Ａ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１５Ｂ並びに図２０Ａ及び図２０Ｂ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２０Ａと図２０Ｂ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。
　さらに、駆動周波数を適切に選択すると、図１７Ｃ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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　［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。
　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２０Ａ及び図２０Ｂ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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　［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の形状が周縁部が薄い階段状になっている。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の周縁部の一部が薄くなっており、突起部３１５がヒンジ状の部分を有する形状となっている。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。
　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２３Ａ、図２３Ｂ及び図２３Ｃに示す。図２３Ａは、第３の実施形態に係るＢｏｓｓ－ＦＦＬＤｃＭＵＴ３１０の場合を示す。図２３Ｂは、Ｌａｄｄｅｒ－Ｂｏｓｓ－ＦＦＬＤｃＭＵＴ３３０の場合を示す。図２３Ｃ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２３Ａ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２３Ｂに示すＬａｄｄｅｒ－Ｂｏｓｓ－ＦＦＬＤｃＭＵＴ３３０、及び図２３Ｃ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。
　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。
　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。
　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。
　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。

Claims (18)

  1. 　　上部電極（１１７）を含む振動膜（１１９）と、
    　　前記振動膜（１１９）との間に空隙（１１８）を介して該振動膜と対向する下部電極（１１４）を含むベース部材（１１１，２１１）と、
    　を具備する静電容量型超音波振動子（１１０，２１０，３１０）と、
    　前記上部電極（１１７）と前記下部電極（１１４）との間に駆動信号に基づく電圧を印加して前記振動膜（１１９）を振動させることで、前記静電容量型超音波振動子（１１０，２１０，３１０）に音波を射出させる駆動制御部（１２０）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（１１９）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。
  2. 　前記上部電極（１１７）と前記下部電極（１１４）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（１１１，２１１）も連続的に振動し、
    　前記駆動信号は、前記振動膜（１１９）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（１１１，２１１）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。
  3. 　前記駆動信号は、さらに前記振動膜（１１９）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（１１１，２１１）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。
  4. 　前記駆動信号は、前記静電容量型超音波振動子（１１０，２１０，３１０）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（１１９）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。
  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。
  6. 　前記ベース部材（２１１）は、該ベース部材の前記振動膜（１１９）と対向する面の法線であって前記空隙（１１８）の重心を通る線が通過する領域を含む振動領域（２２２）と、該振動領域の周縁に位置する支持領域（２２４）とを含み、
    　前記振動領域（２２２）の剛性は、前記支持領域（２２４）の剛性よりも小さい、
    　ことを特徴とする請求項１に記載の超音波照射装置。
  7. 　前記振動領域（２２２）の前記ベース部材（２１１）の前記振動膜（１１９）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（２２４）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。
  8. 　前記振動領域（２２２）のヤング率は、前記支持領域（２２４）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。
  9. 　前記振動領域（２２２）の前記空隙（１１８）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に記載の超音波照射装置。
  10. 　前記静電容量型超音波振動子（３１０）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（３１５）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。
  11. 　前記突起部（３１５）は、
    　　前記振動膜（１１９）に接する質量部（３１１）と、
    　　前記質量部（３１１）を覆う保護膜（３１２）と、
    　を含み、
    　前記ベース部材（１１１，２１１）の前記振動膜（１１９）と対向する面の法線方向からみた前記質量部（３１１）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。
  12. 　前記ベース部材（１１１，２１１）の前記振動膜（１１９）と対向する面の法線方向における前記突起部（３１５）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。
  13. 　前記突起部（３１５）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。
  14. 　前記突起部（３１５）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。
  15. 　前記突起部（３１５）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。
  16. 　前記突起部（３１５）は、
    　　前記振動膜（１１９）に接する質量部（３１１）と、
    　　前記質量部（３１１）を覆う保護膜（３１２）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。
  17. 　前記上部電極（１１７）の音響インピーダンスは、前記質量部（３１１）の音響インピーダンスよりも大きく、
    　前記質量部（３１１）の音響インピーダンスは、前記保護膜（３１２）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。
  18. 　前記静電容量型超音波振動子（３１０）は、所定の周波数における前記振動膜（１１９）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（３１５）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。
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