WO2015111603A1 - Ultrasound generation element - Google Patents

Ultrasound generation element Download PDF

Info

Publication number
WO2015111603A1
WO2015111603A1 PCT/JP2015/051486 JP2015051486W WO2015111603A1 WO 2015111603 A1 WO2015111603 A1 WO 2015111603A1 JP 2015051486 W JP2015051486 W JP 2015051486W WO 2015111603 A1 WO2015111603 A1 WO 2015111603A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
internal medium
medium
ultrasonic
generating
internal
Prior art date
Application number
PCT/JP2015/051486
Other languages
French (fr)
Japanese (ja)
Inventor
勲 下山
潔 松本
堅太郎 野田
ビン キェム グェン
タン ヴィン グエン
ホアン ジャン ディン
ホアン フォング ファン
Original Assignee
国立大学法人東京大学
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.)
Filing date
Publication date
Priority to JP2014-011704 priority Critical
Priority to JP2014011704 priority
Application filed by 国立大学法人東京大学 filed Critical 国立大学法人東京大学
Publication of WO2015111603A1 publication Critical patent/WO2015111603A1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04RLOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R23/00Transducers other than those covered by groups H04R9/00 - H04R21/00
    • H04R23/002Transducers other than those covered by groups H04R9/00 - H04R21/00 using electrothermic-effect transducer
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B8/00Diagnosis using ultrasonic, sonic or infrasonic waves
    • A61B8/44Constructional features of the ultrasonic, sonic or infrasonic diagnostic device
    • A61B8/4483Constructional features of the ultrasonic, sonic or infrasonic diagnostic device characterised by features of the ultrasound transducer

Abstract

Provided is an ultrasound generation element which is capable of being employed for an even broader range of uses. This ultrasound generation element (10) is characterized by being provided with an internal medium (18) which, as a result of having the volume thereof changed by heat, imparts ultrasound to an external medium.

Description

超音波発生素子Ultrasonic generator
 本発明は、超音波発生素子に関するものである。 The present invention relates to an ultrasonic wave generating element.
 超音波を被検体に向けて発生し、被検体から反射した反射波を画像化する超音波検査に関する研究が進められている。この超音波検査によれば、視認することができない体内の様子や物体の破損などを検査することができる。例えば、臓器の構造を観測するには、被検体である臓器内を水で満たし、当該臓器内に超音波発生素子と、超音波受信部とを入れ、臓器の水の中において超音波を発生させる。そして臓器の内面から反射した反射波を超音波受信部で受信し、画像化することにより、臓器の構造を観測することができる。この場合、超音波発生素子及び超音波受信部から臓器内面までの距離や、臓器の表面の材質に応じて、周波数を適宜選択する必要がある。 Research on ultrasonic examinations that generate ultrasonic waves toward a subject and image reflected waves reflected from the subject is underway. According to this ultrasonic inspection, it is possible to inspect a state of the body that cannot be visually recognized, damage to an object, and the like. For example, to observe the structure of an organ, fill the internal organ of the subject with water, insert an ultrasonic generator and an ultrasonic receiver in the organ, and generate ultrasonic waves in the water of the organ. Let Then, the reflected wave reflected from the inner surface of the organ is received by the ultrasonic receiving unit and imaged, whereby the structure of the organ can be observed. In this case, it is necessary to appropriately select the frequency according to the distance from the ultrasonic wave generating element and the ultrasonic wave receiving unit to the inner surface of the organ and the material of the surface of the organ.
 一般的な超音波発生素子として、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛、Lead Zirconate Titanate)などの圧電素子が知られている(例えば、非特許文献1)。また、ポーラスシリコン表面から空気への熱的作用によって空中超音波を発生する熱誘起超音波発生素子が知られている(例えば、非特許文献2)。 Piezoelectric elements such as PZT (lead zirconate titanate, Lead Zirconate Titanate) are known as general ultrasonic generating elements (for example, Non-Patent Document 1). Further, a heat-induced ultrasonic wave generating element that generates an airborne ultrasonic wave by a thermal action from the porous silicon surface to air is known (for example, Non-Patent Document 2).
 しかしながら上記非特許文献1の場合、超音波を発生するには、構造物を超音波発生素子で振動させる必要があるため、使用できる周波数が共振周波数近傍に限られてしまう、という問題があった。また、上記非特許文献2の場合、比熱が大きく、熱膨張しにくい水などの媒質中では超音波を発生することが困難であるという問題があった。 However, in the case of Non-Patent Document 1, in order to generate ultrasonic waves, it is necessary to vibrate the structure with the ultrasonic wave generating element, so that there is a problem that the usable frequency is limited to the vicinity of the resonance frequency. . Moreover, in the case of the said nonpatent literature 2, there existed a problem that it was difficult to generate | occur | produce an ultrasonic wave in media, such as water with a large specific heat and being hard to thermally expand.
 そこで、本発明は、より広い用途に使用することができる超音波発生素子を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide an ultrasonic wave generating element that can be used for a wider range of applications.
 本発明に係る超音波発生素子は、熱によって体積が変化することにより、外部媒質に超音波を付与する内部媒質を備えることを特徴とする。 The ultrasonic generating element according to the present invention includes an internal medium that applies an ultrasonic wave to an external medium when the volume changes due to heat.
 本発明によれば、内部媒質の体積を膨張させる周期を適宜変えることにより超音波の周波数を適宜変えることができ、より広い周波数帯域の超音波を外部媒質に効率的に付与することができるので、より広い用途に使用することができる。 According to the present invention, the frequency of the ultrasonic wave can be appropriately changed by appropriately changing the period for expanding the volume of the internal medium, and the ultrasonic wave in a wider frequency band can be efficiently applied to the external medium. Can be used for a wider range of applications.
本実施形態に係る超音波発生素子の全体構成を示す斜視図である。It is a perspective view showing the whole ultrasonic generating element composition concerning this embodiment. 本実施形態に係る超音波発生素子の全体構成を示す分解斜視図である。It is an exploded perspective view showing the whole ultrasonic generating element composition concerning this embodiment. 本実施形態に係る超音波発生素子の製造工程を段階的に示す縦断面図であり、図3Aは基板上に金属層を形成した段階、図3Bはヒータを形成した段階、図3Cは疎水性膜を形成した段階、図3Dは内部媒質を滴下した段階を示す図である。FIG. 3A is a longitudinal cross-sectional view showing a manufacturing process of an ultrasonic wave generating element according to this embodiment step by step, FIG. 3A is a stage in which a metal layer is formed on a substrate, FIG. 3B is a stage in which a heater is formed, and FIG. FIG. 3D is a diagram showing a stage where a film is formed, and FIG. 3D is a stage where an internal medium is dropped. 本実施形態に係る超音波発生素子の使用状態を示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows the use condition of the ultrasonic wave generation element which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る超音波発生素子の動作を説明する際に用いる図である。It is a figure used when demonstrating operation | movement of the ultrasonic wave generation element which concerns on this embodiment. 内部媒質の比熱が音圧に与える影響を調べた結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of having investigated the influence which the specific heat of an internal medium has on sound pressure. 基板の熱浸透率が音圧に与える影響を調べた結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of having investigated the influence which the heat permeability of a board | substrate has on sound pressure. 実験に用いた装置の概略構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows schematic structure of the apparatus used for experiment. 入力電圧と音圧との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between an input voltage and a sound pressure. 発生部の有無による音圧の差を調べた結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of having investigated the difference of the sound pressure by the presence or absence of a generation | occurrence | production part.
 以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
 (全体構成)
 図1に示す超音波発生素子10は、基板12に形成されており、ヒータ14と、ヒータ14上に設けられた発生部16とを備え、外部媒質17に超音波を付与する。基板12は、特に限定されず、例えばガラス基板やガラスコンポジット基板を用いることができる。因みにガラスコンポジット基板は、切り揃えたガラス繊維を重ねて、エポキシ樹脂を含浸して形成される。また、基板12は、熱浸透率が低い方が好ましい。ヒータ14は、電極22において交流電源19に接続されており、交流電源19によって印加される交流電圧によって発生部16を加熱する。外部媒質17は、特に限定されず、大気や水でもよい。
(overall structure)
An ultrasonic generation element 10 shown in FIG. 1 is formed on a substrate 12, and includes a heater 14 and a generation unit 16 provided on the heater 14, and applies ultrasonic waves to an external medium 17. The substrate 12 is not particularly limited, and for example, a glass substrate or a glass composite substrate can be used. Incidentally, the glass composite substrate is formed by stacking cut glass fibers and impregnating with an epoxy resin. The substrate 12 preferably has a low thermal permeability. The heater 14 is connected to the AC power source 19 at the electrode 22, and heats the generating unit 16 with an AC voltage applied by the AC power source 19. The external medium 17 is not particularly limited, and may be air or water.
 発生部16は、図2に示すように、ヒータ14の発熱部24上に設けられた内部媒質18と、内部媒質18の表面を密閉する薄膜20とを有する。発熱部24は、発生するジュール熱を内部媒質18に効率的に伝達し得るようにヒータ線が配置されるのが好ましく、特に形状は限定されない。本実施形態の場合、発熱部24は、環状の第1ヒータ線部25と、当該第1ヒータ線部25と同心円上に形成され第1ヒータ線部25より外径が小さい環状の第2ヒータ線部27とを有する。 As shown in FIG. 2, the generator 16 has an internal medium 18 provided on the heat generating part 24 of the heater 14 and a thin film 20 that seals the surface of the internal medium 18. The heating part 24 is preferably provided with a heater wire so that the generated Joule heat can be efficiently transmitted to the internal medium 18, and the shape is not particularly limited. In the case of the present embodiment, the heat generating portion 24 includes an annular first heater wire portion 25 and an annular second heater formed concentrically with the first heater wire portion 25 and having an outer diameter smaller than that of the first heater wire portion 25. And a line portion 27.
 内部媒質18は、熱によって体積が変化し、外部媒質17と音響インピーダンスが整合する気体または液体で構成することが好ましい。また内部媒質18は、比熱が外部媒質17より小さく、熱膨張率が外部媒質17より大きい方がより好ましい。より具体的には、例えば外部媒質が水の場合、内部媒質18は、比熱が、水の比熱(4.2(kJ/kgK))より小さい方が好ましい。また、熱膨張率は、2.1×10-4(K-1)より大きいことが好ましい。内部媒質18は体積弾性係数が、外部媒質17の体積弾性係数、例えば水の体積弾性係数(2.2GPa)よりも大きい方が好ましい。 The internal medium 18 is preferably composed of a gas or a liquid whose volume is changed by heat and whose acoustic impedance matches that of the external medium 17. Further, the internal medium 18 preferably has a specific heat smaller than that of the external medium 17 and a coefficient of thermal expansion larger than that of the external medium 17. More specifically, for example, when the external medium is water, the internal medium 18 preferably has a specific heat smaller than that of water (4.2 (kJ / kgK)). The coefficient of thermal expansion is preferably greater than 2.1 × 10 −4 (K −1 ). The internal medium 18 preferably has a bulk elastic modulus larger than that of the external medium 17, for example, the volume elastic modulus of water (2.2 GPa).
 さらに、内部媒質18は、熱容量が小さく、伝熱特性が高い方がさらに好ましい。また内部媒質18は、使用温度範囲において、沸騰(揮発)せず、かつ固化(凝固)しない液体を用いることができる。 Furthermore, it is more preferable that the internal medium 18 has a smaller heat capacity and higher heat transfer characteristics. The internal medium 18 may be a liquid that does not boil (volatilize) and does not solidify (solidify) in the operating temperature range.
 内部媒質18としては、例えば水(沸点:100℃、融点:0℃)、シリコンオイル(信越化学工業(株)製HIVAC F-4の場合、沸点:250℃以上、融点:-35℃)、グリセリン(沸点:290℃、融点:18℃)、アセトン(沸点:56℃、融点:-95℃)、アルコール(エタノールの場合、沸点:78℃、融点:-114℃)などを含めることができる。すなわち使用温度範囲は、内部媒質18によって制限され、具体的には内部媒質18の沸点より低く、融点より高い温度範囲となる。なお、内部媒質18は、ヒータ14と電気的に絶縁していることが好ましい。ヒータ14と絶縁するには、絶縁性を有する内部媒質18を用いてもよい。またヒータ14と内部媒質18の間に、絶縁膜を形成することとしてもよい。 Examples of the internal medium 18 include water (boiling point: 100 ° C., melting point: 0 ° C.), silicon oil (in the case of HIVAC F-4 manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd., boiling point: 250 ° C. or higher, melting point: −35 ° C.), Can include glycerin (boiling point: 290 ° C, melting point: 18 ° C), acetone (boiling point: 56 ° C, melting point: -95 ° C), alcohol (in the case of ethanol, boiling point: 78 ° C, melting point: -114 ° C), etc. . That is, the operating temperature range is limited by the internal medium 18, and specifically, is a temperature range that is lower than the boiling point of the internal medium 18 and higher than the melting point. The internal medium 18 is preferably electrically insulated from the heater 14. To insulate from the heater 14, an insulating internal medium 18 may be used. An insulating film may be formed between the heater 14 and the internal medium 18.
 薄膜20は、有機膜、金属膜などを用いることができ、例えば、ポリパラキシレン(商品名パリレン)膜やシリコン膜を用いることができる。 As the thin film 20, an organic film, a metal film, or the like can be used. For example, a polyparaxylene (trade name Parylene) film or a silicon film can be used.
 本実施形態の場合、基板12上にヒータ14が形成されており、当該ヒータ14の発熱部24上に薄膜20によって密閉空間が形成されており、当該密閉空間内に内部媒質18が充填されている。内部媒質18を発熱部24上に留めるため、当該ヒータ14の発熱部24の周囲を囲むように基板12上に疎水性膜26を設けてもよい。疎水性膜26は、例えば疎水性のアモルファスフッ素樹脂(例えば、CYTOP(登録商標))を用いて、第1ヒータ線部25の外側で、第1ヒータ線部25と同心円となるように環状に形成することができる。 In the case of the present embodiment, the heater 14 is formed on the substrate 12, the sealed space is formed by the thin film 20 on the heat generating portion 24 of the heater 14, and the sealed medium is filled with the internal medium 18. Yes. In order to keep the internal medium 18 on the heat generating part 24, a hydrophobic film 26 may be provided on the substrate 12 so as to surround the heat generating part 24 of the heater 14. The hydrophobic film 26 is formed in a ring shape so as to be concentric with the first heater wire portion 25 on the outside of the first heater wire portion 25 using, for example, a hydrophobic amorphous fluororesin (for example, CYTOP (registered trademark)). Can be formed.
 (製造方法)
 上記のように構成された超音波発生素子10の製造方法について、図3を参照して説明する。まず基板12上に金属層28を形成する(図3A)。次いで、パターンを用いて金属層28を所定形状に形成することにより、発熱部24を有するヒータ14を形成する(図3B)。次に、発熱部24の周囲を囲むように疎水性膜26を形成する(図3C)。次いで、発熱部24上に内部媒質18として例えばシリコンオイルを滴下する。そうすると内部媒質18は、発熱部24の周囲に設けられた疎水性膜26によって発熱部24上に留まる(図3D)。このように設けられた内部媒質18上に薄膜20を形成し、内部媒質18の表面を密閉することにより超音波発生素子10を得ることができる(図4)。本実施形態の場合、薄膜20は、真空下で形成される。したがって内部媒質18が密閉された空間においては、気泡が排除されている。すなわち内部媒質18は溶解している気体が排除されている。
(Production method)
A method for manufacturing the ultrasonic generator 10 configured as described above will be described with reference to FIG. First, the metal layer 28 is formed on the substrate 12 (FIG. 3A). Next, the heater 14 having the heat generating portion 24 is formed by forming the metal layer 28 in a predetermined shape using a pattern (FIG. 3B). Next, a hydrophobic film 26 is formed so as to surround the periphery of the heat generating portion 24 (FIG. 3C). Next, for example, silicon oil is dropped on the heat generating portion 24 as the internal medium 18. Then, the internal medium 18 stays on the heat generating part 24 by the hydrophobic film 26 provided around the heat generating part 24 (FIG. 3D). The ultrasonic wave generating element 10 can be obtained by forming the thin film 20 on the internal medium 18 thus provided and sealing the surface of the internal medium 18 (FIG. 4). In the case of this embodiment, the thin film 20 is formed under vacuum. Therefore, bubbles are excluded in the space where the internal medium 18 is sealed. That is, the dissolved gas is excluded from the internal medium 18.
 以上により、本実施形態に係る超音波発生素子10を作製することができる。本実施形態の場合、薄膜20は、疎水性膜26及び内部媒質18の表面にのみ形成した場合について図示したが、本発明はこれに限らず、疎水性膜26で囲まれている範囲以外の基板12表面の全体に薄膜20を形成することとしてもよい。 As described above, the ultrasonic wave generating element 10 according to this embodiment can be manufactured. In the case of the present embodiment, the thin film 20 is illustrated as being formed only on the surfaces of the hydrophobic film 26 and the internal medium 18, but the present invention is not limited to this, and other than the range surrounded by the hydrophobic film 26. The thin film 20 may be formed on the entire surface of the substrate 12.
 (作用及び効果)
 次に本実施形態に係る超音波発生素子10の作用及び効果について説明する。最初にヒータ14に交流電圧Vを印加する。交流電圧Vは、最大値をV、角速度をω、時間をtとすると、図5に示すように表せる。
(Function and effect)
Next, the operation and effect of the ultrasonic wave generating element 10 according to this embodiment will be described. First, an AC voltage V is applied to the heater 14. The AC voltage V can be expressed as shown in FIG. 5, where V 0 is the maximum value, ω is the angular velocity, and t is the time.
 交流電圧Vが印加されることにより、ヒータは抵抗加熱される。すなわちヒータからジュール熱Qが発生する。このジュール熱Qは、交流電圧の周期に応じ、周期的に生じる。ジュール熱Qは、最大値をQとすると、図5に示すように表せる。 When the AC voltage V is applied, the heater is heated by resistance. That is, Joule heat Q is generated from the heater. This Joule heat Q is periodically generated according to the cycle of the AC voltage. Joule heat Q, when the maximum value and Q 0, can be expressed as shown in FIG.
 このように周期的に生じるジュール熱Qによって内部媒質18が加熱される。これにより内部媒質18は、膨張、収縮を周期的に繰り返す。この内部媒質18の膨張、収縮により、振動が薄膜20を介して外部媒質17へ伝達される。これにより外部媒質17に超音波を付与し得る。このとき、熱によって外部媒質17に与えられる圧力Pは図5に示すようになり、初期圧力P、音圧Pとなる。このとき、音の周波数は2ωtと入力電圧の倍の周波数の超音波が発生する。 The internal medium 18 is heated by the Joule heat Q generated periodically in this way. As a result, the internal medium 18 periodically expands and contracts. Due to the expansion and contraction of the internal medium 18, vibration is transmitted to the external medium 17 through the thin film 20. Thereby, ultrasonic waves can be applied to the external medium 17. At this time, the pressure P applied to the external medium 17 by heat is as shown in FIG. 5, and becomes the initial pressure P 0 and the sound pressure P 1 . At this time, an ultrasonic wave having a frequency of 2ωt and double the input voltage is generated.
 上記のように本実施形態に係る超音波発生素子10は、内部媒質18を熱膨張させることにより、外部媒質17に超音波を付与することとした。したがって内部媒質18を熱膨張させる周期を適宜変えることにより超音波の周波数を適宜変えることができるので、従来に比べ広い周波数帯域の超音波を発生することができる。 As described above, the ultrasonic generator 10 according to the present embodiment applies ultrasonic waves to the external medium 17 by thermally expanding the internal medium 18. Therefore, since the frequency of the ultrasonic wave can be changed as appropriate by appropriately changing the cycle of thermally expanding the internal medium 18, it is possible to generate ultrasonic waves in a wider frequency band than in the past.
 また、従来の圧電材料を用いた超音波発生素子の場合には、材料の振動の残響が存在するため、短パルスを発生することができない。 In addition, in the case of an ultrasonic wave generation element using a conventional piezoelectric material, a short pulse cannot be generated because reverberation of the vibration of the material exists.
 これに対し本実施形態に係る超音波発生素子10は、圧力波を発生しており、材料や媒質が振動しないため、残響が起こらず短パルスの超音波を容易に発生することができる。 On the other hand, since the ultrasonic wave generating element 10 according to the present embodiment generates a pressure wave and the material and the medium do not vibrate, reverberation does not occur and a short pulse ultrasonic wave can be easily generated.
 さらに本実施形態の場合、超音波発生素子10は、内部媒質18を液体で構成したことにより、外部媒質17としての水に対して、音響インピーダンスが整合するので、効率的に超音波を外部媒質17に付与することができる。 Furthermore, in the case of the present embodiment, the ultrasonic generating element 10 is configured such that the internal medium 18 is made of liquid, so that the acoustic impedance matches the water as the external medium 17, so that the ultrasonic wave is efficiently transmitted to the external medium. 17.
 したがって超音波発生素子10は、液体の外部媒質17により広い周波数帯域の超音波を効率的に付与することができるので、より広い用途に使用することができる。 Therefore, since the ultrasonic wave generating element 10 can efficiently apply ultrasonic waves in a wide frequency band to the liquid external medium 17, it can be used in a wider range of applications.
 また内部媒質18が密閉された空間においては、熱および音の伝達を妨げる気泡が排除されている。したがって超音波発生素子10は、効率的に超音波を発生することができる。 Also, in the space where the internal medium 18 is sealed, bubbles that prevent the transmission of heat and sound are eliminated. Therefore, the ultrasonic wave generating element 10 can generate ultrasonic waves efficiently.
 本実施形態の場合、内部媒質18は液体を用いた。内部媒質18として適用し得る液体として、比熱が異なる純水、グリセリン、シリコンオイル(信越化学工業(株)製、HIVAC F-5)についてそれぞれ音圧を測定した。それぞれの比熱は、純水が4.2(kJ/kgK)、グリセリンが2.4(kJ/kgK)、シリコンオイルが1.3(kJ/kgK)である。超音波は、図3Bに示す基板12上にヒータ14を形成しただけの素子を用いて発生した。ヒータ14は、厚さ150nm、第1ヒータ線部25の直径を2.3mm、第2ヒータ線部27の直径を1.7mmとし、電気抵抗を15.2Ωとした。音圧は、水槽にそれぞれ内部媒質18と、前記素子とを入れ、素子から20mm離れた位置にハイドロホン(ブリュエル・ケアー社製、8103型)を設置した装置を用いた。 In the present embodiment, the internal medium 18 is a liquid. As liquids that can be used as the internal medium 18, sound pressure was measured for pure water, glycerin, and silicon oil (HIVAC F-5, manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.) having different specific heats. The specific heat is 4.2 (kJ / kgK) for pure water, 2.4 (kJ / kgK) for glycerin, and 1.3 (kJ / kgK) for silicon oil. The ultrasonic waves were generated using an element in which the heater 14 was simply formed on the substrate 12 shown in FIG. 3B. The heater 14 had a thickness of 150 nm, the diameter of the first heater wire portion 25 was 2.3 mm, the diameter of the second heater wire portion 27 was 1.7 mm, and the electric resistance was 15.2Ω. The sound pressure used was an apparatus in which the internal medium 18 and the element were placed in a water tank, and a hydrophone (Brüel Care Co., Model 8103) was installed at a position 20 mm away from the element.
 素子のヒータ14に50kHzの交流電圧を印加し、100kHzの超音波の音圧を測定した。その結果を図6に示す。本図は、縦軸が音圧、横軸が入力電力を示している。この結果から、シリコンオイルが最もエネルギー効率が高いことが確認できた。このことから、内部媒質18としては、比熱が低い方がより好ましいことが分かった。 An AC voltage of 50 kHz was applied to the heater 14 of the element, and the sound pressure of an ultrasonic wave of 100 kHz was measured. The result is shown in FIG. In the figure, the vertical axis represents sound pressure and the horizontal axis represents input power. From this result, it was confirmed that silicon oil has the highest energy efficiency. From this, it was found that the lower the specific heat as the internal medium 18 is more preferable.
 本実施形態の場合、基板12は、ガラス基板やガラスコンポジット基板を用いることができる。熱浸透率は、ガラス基板が1.5×10{J/(m1/2K)}、ガラスコンポジット基板が7.82×10{J/(m1/2K)}である。それぞれの基板12に対し、上記と同様に、ヒータ14を形成し音圧を測定した。その結果を図7に示す。本図は、縦軸が音圧、横軸が入力電力を示している。この結果から、ガラスコンポジット基板の方がエネルギー効率が高いことが確認できた。このことから、基板12としては、熱浸透率が低い方がより好ましいことが分かった。 In this embodiment, the substrate 12 can be a glass substrate or a glass composite substrate. The heat permeability is 1.5 × 10 3 {J / (m 2 s 1/2 K)} for the glass substrate and 7.82 × 10 2 {J / (m 2 s 1/2 K) for the glass composite substrate. }. A heater 14 was formed on each substrate 12 in the same manner as described above, and the sound pressure was measured. The result is shown in FIG. In the figure, the vertical axis represents sound pressure and the horizontal axis represents input power. From this result, it was confirmed that the glass composite substrate was higher in energy efficiency. From this, it was found that the substrate 12 preferably has a lower thermal permeability.
 次に、本実施形態に係る超音波発生素子10を、上記「製造方法」に示す手順で作製し、音圧を測定した。基板12として厚さ1mmのガラスコンポジット基板を用い、当該基板12上に厚さ150nm、第1ヒータ線部25の直径を2.3mm、第2ヒータ線部27の直径を1.7mmとし、電気抵抗を15.2Ωとしたヒータ14を形成した。CYTOP(登録商標、旭硝子(株)製)で疎水性膜26を形成し、内部媒質18としてシリコンオイルを滴下した。最後に内部媒質18表面に薄膜20として厚さ1μmのパリレン膜を化学蒸着(CVD:Chemical Vapor Deposition)法で形成し、内部媒質18表面を密閉した。 Next, the ultrasonic wave generating element 10 according to the present embodiment was manufactured by the procedure shown in the “manufacturing method”, and the sound pressure was measured. A glass composite substrate having a thickness of 1 mm is used as the substrate 12. The thickness of the substrate 12 is 150 nm, the diameter of the first heater wire portion 25 is 2.3 mm, and the diameter of the second heater wire portion 27 is 1.7 mm. A heater 14 having a resistance of 15.2Ω was formed. A hydrophobic film 26 was formed with CYTOP (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.), and silicon oil was dropped as the internal medium 18. Finally, a parylene film having a thickness of 1 μm was formed as a thin film 20 on the surface of the internal medium 18 by a chemical vapor deposition (CVD: Chemical Vapor Deposition) method, and the surface of the internal medium 18 was sealed.
 図8に示すように、水を入れた水槽30に超音波発生素子10を配置し、基板12表面から20mm離れた位置にハイドロホン(ブリュエル・ケアー社製、8103型)32を設置した。ヒータ14は交流電源19に接続した。ファンクションジェネレータ(図示しない)の35kHzの交流電圧を、オペアンプ(Apex technology社製、PA 09A)(図示しない)で10倍に増幅し、ヒータ14に印加したときの水の音圧を測定した。その結果を図9に示す。本図は、左側の縦軸が印加した電圧、右側の縦軸が音圧、横軸が時間である。本図から35kHzの交流電圧を印加することにより、70kHzの超音波が得られることが確認できた。 As shown in FIG. 8, the ultrasonic generator 10 was placed in a water tank 30 containing water, and a hydrophone (Brüel Care Co., model 8103) 32 was installed at a position 20 mm away from the surface of the substrate 12. The heater 14 was connected to an AC power source 19. The 35 kHz AC voltage of a function generator (not shown) was amplified 10 times with an operational amplifier (Apex technology, PA 09A) (not shown), and the sound pressure of water when applied to the heater 14 was measured. The result is shown in FIG. In this figure, the vertical axis on the left is applied voltage, the vertical axis on the right is sound pressure, and the horizontal axis is time. From this figure, it was confirmed that an ultrasonic wave of 70 kHz can be obtained by applying an AC voltage of 35 kHz.
 さらに超音波発生素子10に対し入力する交流電圧の周波数を25kHz~75kHzとすることにより得られる50kHz~150kHzの周波数の超音波の音圧を測定した。比較として発生部16を設けていない以外は同様に形成した素子についても同様の方法で音圧を測定した。その結果を図10に示す。本図は縦軸が音圧を示し、横軸が周波数を示す。本図中、「□」が発生部16を設けた超音波発生素子10の結果であり、「○」が発生部16を設けていない素子の結果である。本図から超音波発生素子10は、発生部16を設けていない素子に比べ、約3倍の大きさの音圧が得られることが確認できた。このことから超音波発生素子10は、発生部16を設けることにより、より効率的に超音波を発生することができることが分かった。 Further, the sound pressure of ultrasonic waves having a frequency of 50 kHz to 150 kHz obtained by setting the frequency of the alternating voltage input to the ultrasonic generator 10 to 25 kHz to 75 kHz was measured. For comparison, the sound pressure was measured in the same manner for elements formed in the same manner except that the generator 16 was not provided. The result is shown in FIG. In the figure, the vertical axis represents sound pressure, and the horizontal axis represents frequency. In this figure, “□” is the result of the ultrasonic wave generation element 10 provided with the generation part 16, and “◯” is the result of the element not provided with the generation part 16. From this figure, it was confirmed that the ultrasonic wave generating element 10 can obtain a sound pressure about three times as large as that of the element not provided with the generating unit 16. From this, it was found that the ultrasonic wave generating element 10 can generate ultrasonic waves more efficiently by providing the generator 16.
 (変形例)
 本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨の範囲内で適宜変更することが可能である。
(Modification)
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be appropriately changed within the scope of the gist of the present invention.
 本実施形態では、内部媒質18が液体である場合について説明したが、本発明はこれに限らず、例えばジェルや気体でもよい。 In the present embodiment, the case where the internal medium 18 is a liquid has been described. However, the present invention is not limited to this, and may be, for example, a gel or a gas.
 また本実施形態では、ヒータ14の抵抗加熱により内部媒質18を加熱する場合について説明したが、本発明はこれに限らず、直接内部媒質18に電圧を印加して内部媒質18を抵抗加熱することとしてもよい。 In this embodiment, the case where the internal medium 18 is heated by resistance heating of the heater 14 has been described. However, the present invention is not limited to this, and the internal medium 18 is resistance-heated by directly applying a voltage to the internal medium 18. It is good.
 また超音波発生素子10は、膜をレンズ形状にしたり、基板12をパラボラ形状にしたり、複数の超音波発生素子10をアレイ状に配置するなどして、指向性を有するように構成してもよい。 The ultrasonic generator 10 may be configured to have directivity by making the film into a lens shape, making the substrate 12 into a parabolic shape, or arranging a plurality of ultrasonic generators 10 in an array. Good.
10    超音波発生素子
12    基板
14    ヒータ
17    外部媒質
18    内部媒質
20    薄膜
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Ultrasonic generator 12 Substrate 14 Heater 17 External medium 18 Internal medium 20 Thin film

Claims (12)

  1. 熱によって体積が変化することにより、外部媒質に超音波を付与する内部媒質を備えることを特徴とする超音波発生素子。 An ultrasonic wave generating element comprising an internal medium that applies an ultrasonic wave to an external medium by changing a volume by heat.
  2. 前記外部媒質を液体とした場合、前記内部媒質が、前記外部媒質と音響インピーダンスが整合する物質であることを特徴とする請求項1記載の超音波発生素子。 2. The ultrasonic wave generating element according to claim 1, wherein when the external medium is a liquid, the internal medium is a substance whose acoustic impedance matches that of the external medium.
  3. 前記内部媒質が液体であり、
    前記内部媒質の表面を密閉する薄膜を備える
    ことを特徴とする請求項1又は2記載の超音波発生素子。
    The internal medium is a liquid;
    The ultrasonic generator according to claim 1, further comprising a thin film that seals a surface of the internal medium.
  4. 前記内部媒質は、比熱が前記外部媒質の比熱より小さく、熱膨張率が前記外部媒質の熱膨張率以上であることを特徴とする請求項3記載の超音波発生素子。 The ultrasonic generating element according to claim 3, wherein the internal medium has a specific heat smaller than that of the external medium and a thermal expansion coefficient equal to or higher than a thermal expansion coefficient of the external medium.
  5. 前記内部媒質は体積弾性係数が、前記外部媒質の体積弾性係数より大きいことを特徴とする請求項3記載の超音波発生素子。 The ultrasonic generating element according to claim 3, wherein the internal medium has a bulk elastic coefficient larger than that of the external medium.
  6. 前記内部媒質は、絶縁性を有することを特徴とする請求項3記載の超音波発生素子。 The ultrasonic generator according to claim 3, wherein the internal medium has an insulating property.
  7. 前記内部媒質は、使用温度範囲において、沸騰せず、かつ、固化しないことを特徴とする請求項3記載の超音波発生素子。 The ultrasonic generating element according to claim 3, wherein the internal medium does not boil and does not solidify in a use temperature range.
  8. 溶解している気体が排除された内部媒質を用いることを特徴とする請求項3記載の超音波発生素子。 4. The ultrasonic wave generating element according to claim 3, wherein an internal medium from which dissolved gas is excluded is used.
  9. 前記内部媒質が、供給される電気エネルギーによって直接加熱される液体であることを特徴とする請求項3記載の超音波発生素子。 The ultrasonic generating element according to claim 3, wherein the internal medium is a liquid that is directly heated by supplied electric energy.
  10. 前記内部媒質を加熱するヒータを備えることを特徴とする請求項1~8のいずれか1項記載の超音波発生素子。 The ultrasonic generator according to any one of claims 1 to 8, further comprising a heater for heating the internal medium.
  11. 前記内部媒質が、熱によって液体と気体の間で相変化することを特徴とする請求項1~10のいずれか1項記載の超音波発生素子。 The ultrasonic generating element according to any one of claims 1 to 10, wherein the internal medium undergoes a phase change between a liquid and a gas by heat.
  12. 前記薄膜がパリレン膜であることを特徴とする請求項3~11のいずれか1項記載の超音波発生素子。 The ultrasonic generator according to any one of claims 3 to 11, wherein the thin film is a parylene film.
PCT/JP2015/051486 2014-01-24 2015-01-21 Ultrasound generation element WO2015111603A1 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2014-011704 2014-01-24
JP2014011704 2014-01-24

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2015559085A JP6579323B2 (en) 2014-01-24 2015-01-21 Ultrasonic generator

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2015111603A1 true WO2015111603A1 (en) 2015-07-30

Family

ID=53681405

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2015/051486 WO2015111603A1 (en) 2014-01-24 2015-01-21 Ultrasound generation element

Country Status (2)

Country Link
JP (1) JP6579323B2 (en)
WO (1) WO2015111603A1 (en)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001509045A (en) * 1997-01-24 2001-07-10 シーメンス アクチエンゲゼルシヤフト Method and apparatus for generating shock waves for technical, especially medical technical applications
JP2001518386A (en) * 1997-09-30 2001-10-16 シーメンス アクチエンゲゼルシヤフト Equipment for the generation of ultrasonic sound fields
JP2005091288A (en) * 2003-09-19 2005-04-07 Toyota Motor Corp Discrimination method for casting defect
WO2009069670A1 (en) * 2007-11-26 2009-06-04 Tokyo Electron Limited Microstructure inspecting device, and microstructure inspecting method
JP2013128323A (en) * 2009-02-27 2013-06-27 Qinghua Univ Thermoacoustic device

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009186935A (en) * 2008-02-08 2009-08-20 Olympus Corp Variable-focus liquid lens and method of manufacturing the same
FR2930352B1 (en) * 2008-04-21 2010-09-17 Commissariat Energie Atomique IMPROVED MEMBRANE, IN PARTICULAR FOR A DEFORMABLE MEMBRANE OPTICAL DEVICE

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001509045A (en) * 1997-01-24 2001-07-10 シーメンス アクチエンゲゼルシヤフト Method and apparatus for generating shock waves for technical, especially medical technical applications
JP2001518386A (en) * 1997-09-30 2001-10-16 シーメンス アクチエンゲゼルシヤフト Equipment for the generation of ultrasonic sound fields
JP2005091288A (en) * 2003-09-19 2005-04-07 Toyota Motor Corp Discrimination method for casting defect
WO2009069670A1 (en) * 2007-11-26 2009-06-04 Tokyo Electron Limited Microstructure inspecting device, and microstructure inspecting method
JP2013128323A (en) * 2009-02-27 2013-06-27 Qinghua Univ Thermoacoustic device

Also Published As

Publication number Publication date
JPWO2015111603A1 (en) 2017-03-23
JP6579323B2 (en) 2019-09-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Ramadan et al. A review of piezoelectric polymers as functional materials for electromechanical transducers
KR101954102B1 (en) Capacitive transducer, capacitive transducer manufacturing method, and object information acquisition apparatus
Wegener et al. Microstorms in cellular polymers: A route to soft piezoelectric transducer materials with engineered macroscopic dipoles
Safari et al. Piezoelectric and acoustic materials for transducer applications
CN101969856B (en) Production of pre-collapsed capacitive micro-machined ultrasonic transducers and applications thereof
Santoni et al. Lamb wave-mode tuning of piezoelectric wafer active sensors for structural health monitoring
US20140082907A1 (en) Thick Film Transducer Arrays
JP5559818B2 (en) Pre-crush CMUT with mechanical crush holding function
JP2015520975A (en) Multi-frequency ultra wide bandwidth converter
Wu et al. Acoustic energy harvesting using resonant cavity of a sonic crystal
JP4730162B2 (en) Ultrasonic transmitting / receiving device, ultrasonic probe, and manufacturing method thereof
EP1992290B1 (en) Ultrasonic vibrator and body cavity ultrasonograph having the ultrasonic vibrator
JP2007531357A (en) Harmonic CMUT element and manufacturing method
Wang et al. Zero-bending piezoelectric micromachined ultrasonic transducer (pMUT) with enhanced transmitting performance
Meynier et al. A multiscale model for array of capacitive micromachined ultrasonic transducers
US20070164632A1 (en) Capacitive ultrasonic transducer, production method thereof, and capacitive ultrasonic probe
US20050075572A1 (en) Focusing micromachined ultrasonic transducer arrays and related methods of manufacture
Sammoura et al. Optimizing the electrode size of circular bimorph plates with different boundary conditions for maximum deflection of piezoelectric micromachined ultrasonic transducers
Kressmann New piezoelectric polymer for air-borne and water-borne sound transducers
JP2007074045A (en) Electroacoustic transducing element
US6232702B1 (en) Flextensional metal-ceramic composite transducer
JP4142040B2 (en) Polymer-based condenser ultrasonic energy converter manufacturing method
Lu et al. A high fill-factor annular array of high frequency piezoelectric micromachined ultrasonic transducers
US10770058B2 (en) Acoustic lens for micromachined ultrasound transducers
JP4503423B2 (en) Capacitive micromachine ultrasonic transducer, method for manufacturing the same, and ultrasonic transducer array

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 15740798

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

ENP Entry into the national phase in:

Ref document number: 2015559085

Country of ref document: JP

Kind code of ref document: A

NENP Non-entry into the national phase in:

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 15740798

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1