JP6579323B2

JP6579323B2 - 超音波発生素子

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Publication number: JP6579323B2
Application number: JP2015559085A
Authority: JP
Inventors: 勲下山; 下山　　勲; 潔松本; 松本　　潔; 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: University of Tokyo NUC
Current assignee: University of Tokyo NUC
Priority date: 2014-01-24
Filing date: 2015-01-21
Publication date: 2019-09-25
Anticipated expiration: 2035-01-21
Also published as: JPWO2015111603A1; WO2015111603A1

Description

本発明は、超音波発生素子に関するものである。

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。

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）。

W. Manthey, N. Kroemer, and V. M/a/gori, "Ultrasonic transducers and transducer arrays for applications in air" Measurement Science and Tehnology, No.3, pp. 249-261, 1992. H. Shinoda, et al., Nature, vol400, 1999, p.853-p.855

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。

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。

本発明に係る超音波発生素子は、熱によって体積が変化することにより、外部媒質に超音波を付与する内部媒質と、前記内部媒質を加熱するヒータとを備えることを特徴とする。
本発明に係る超音波発生素子は、熱によって体積が変化することにより、外部媒質に超音波を付与する液体である内部媒質と、前記内部媒質の表面を密閉する薄膜とを備え、前記内部媒質は、絶縁性を有することを特徴とする。

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。

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。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。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。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。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。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。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。実験に用いた装置の概略構成を示す斜視図である。入力電圧と音圧との関係を示すグラフである。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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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ＨＩＶＡＣＦ−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。

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。

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。

（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。

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。

（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_０、角速度をω、時間をｔとすると、図５に示すように表せる。

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_０とすると、図５に示すように表せる。

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_０、音圧Ｐ_１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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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、ＨＩＶＡＣＦ−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。

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。

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１．５×１０^３{Ｊ／（ｍ^２ｓ^１／２Ｋ）}、ガラスコンポジット基板が７．８２×１０^２{Ｊ／（ｍ^２ｓ^１／２Ｋ）}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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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

Claims

熱によって体積が変化することにより、外部媒質に超音波を付与する内部媒質と、
前記内部媒質を加熱するヒータとを備えることを特徴とする超音波発生素子。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
熱によって体積が変化することにより、外部媒質に超音波を付与する液体である内部媒質と、
前記内部媒質の表面を密閉する薄膜とを備え、
前記内部媒質は、絶縁性を有することを特徴とする超音波発生素子。
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９記載の超音波発生素子。
前記薄膜がパリレン膜であることを特徴とする請求項３〜１０のいずれか１項記載の超音波発生素子。
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１〜１１のいずれか１項記載の超音波発生素子。