JP2012095112A

JP2012095112A - 超音波発生ユニット

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Publication number: JP2012095112A
Application number: JP2010240787A
Authority: JP
Inventors: Mineyuki Murakami; 峰雪村上
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2010-10-27
Filing date: 2010-10-27
Publication date: 2012-05-17

Abstract

【課題】平板状の波面を有する超音波を射出できる超音波発生ユニットを提供する。
【解決手段】ｃＭＵＴ１００において、基板１１０上に、円板形状の下部電極１２２を有する底面部１２０が形成され、その上には中空の円筒形状をした支持部１３０が形成されている。支持部１３０上には、輪帯形状をした上部電極１４２と、上部電極１４２の中心軸Ｃ側に形成された非導電性の振動質量部１４４とを含む上面部１４０が形成されている。下部電極１２２と上部電極１４２との間に交流電圧を印加すると、それら電極が対向する部分に静電吸引力が作用する。一方、振動質量部１４４は、他の部分よりも剛性が高く変形しにくい。その結果、上面部１４０は、上部電極１４２を含む周辺部分が湾曲し、振動質量部１４４を含む中心部分は平板形状を維持したまま振動する。したがって、ｃＭＵＴ１００は、その波面が平板状であり、指向性が良い超音波を射出できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、超音波発生ユニット、特に静電容量型超音波発生ユニットに関する。

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（ｃａｐａｓｉｔｉｖｅＭｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄＵｌｔｒａｓｏｎｉｃＴｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ；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薄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洞部を有する。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。したがって、下部電極と上部電極との間に交流電圧を印加すると、当該電極間に働く静電吸引力が変化し、前記薄膜が振動する。この振動により、ｃＭＵＴは超音波を射出する。

例えば、特許文献１には、上部電極及び下部電極のうち少なくとも一方が、複数の電極要素を含み、超音波エネルギを効率的に送信及び受信することができるｃＭＵＴに係る技術が開示されている。特許文献１に係るｃＭＵＴでは、上部電極及び下部電極のうち少なくとも一方の電極が複数の要素に分割されていることで、上部電極と下部電極との接触による当該ｃＭＵＴの破損を防止している。

特開２００７−５２７２８５号公報

一般にｃＭＵＴでは、前記薄膜を１次振動モードで振動させる。１次振動モードでは、一般に振動する薄膜の中央部分の変位が最も大きい。したがって、薄膜は、静止状態の平板形状から、凸形状や凹形状の曲面形状に変形して振動する。このため、薄膜が平板形状から凸形状に変形するときには、当該ｃＭＵＴを中心に拡散する超音波の音場が形成され、薄膜が平板形状から凹形状に変形するときには、当該ｃＭＵＴから集束する超音波の音場が形成される。その結果、超音波の進行方向に対して拡散も集束もしない平行な音場が形成される場合に比較して、薄膜が凸形状や凹形状に湾曲して振動するｃＭＵＴでは、射出する超音波の指向性が低下し、音圧も低下する。

そこで本発明は、指向性が高い超音波を射出できる超音波発生ユニットを提供することを目的とする。

前記目的を果たすため、本発明の超音波発生ユニットの一態様は、基板上に位置する底面部と、前記底面部と間隙を有して対向する上面部と、支持部とを具備し、前記底面部は第１の電極を有し、前記上面部は第２の電極を有すると共に、中心領域と該中心領域の周囲に位置する周辺領域とを含み、前記支持部は前記底面部及び前記上面部と接し、これにより前記間隙の一部に空隙部が形成され、前記上面部側から前記下面部を見たときに、前記第２の電極の少なくとも一部は前記空隙部の一部と重なるように位置し、前記周辺領域は中心領域よりも剛性が低いことを特徴とする。

また、前記目的を果たすため、本発明の超音波発生ユニットの別の一態様は、基板上に位置する底面部と、前記底面部と間隙を有して対向する上面部と、支持部とを具備し、前記底面部は第１の電極を有し、前記上面部は第２の電極を有すると共に、前記底面部と間隙を有して対向し、前記支持部は前記底面部及び前記上面部と接し、これにより前記間隙の一部に空隙部が形成され、前記第１の電極と前記第２の電極のうち少なくとも一方は内側端と外側端を有し、前記上面部側から前記下面部を見たときに、前記内側端は前記空隙部と重なるように位置し、前記第２の電極の外周端の全ては前記支持部と重なるように位置する、ことを特徴とする。

本発明によれば、振動面の中心部が湾曲しにくいので、指向性が高い超音波を射出できる超音波発生ユニットを提供できる。

本発明の第１の実施形態に係るｃＭＵＴの一例の概略を示す図。本発明の第１の実施形態に係るｃＭＵＴの動作の過渡現象を説明する為の図。本発明の第１の実施形態に係るｃＭＵＴの上面部の変形を説明する為の図。第１の比較例に係るｃＭＵＴの上面部の変形を説明する為の図。第２の比較例に係るｃＭＵＴの上面部の変形を説明する為の図。本発明の第１の実施形態の第１の変形例に係るｃＭＵＴの一例の概略を示す図。本発明の第１の実施形態の第２の変形例に係るｃＭＵＴの一例の概略を示す図。本発明の第１の実施形態の第２の変形例に係るｃＭＵＴの他の一例の概略を示す図。本発明の第２の実施形態に係るｃＭＵＴの一例の概略を示す図。本発明の第３の実施形態に係るｃＭＵＴの一例の概略を示す図。本発明の第３の実施形態に係るｃＭＵＴの上面部の変形する様子を説明する為の図。本発明の第４の実施形態に係るｃＭＵＴの一例の概略を示す図。本発明の第５の実施形態に係るｃＭＵＴの一例の概略を示す図。

［第１の実施形態］
まず、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。本実施形態に係る静電容量型の超音波発生ユニットである、ｃａｐａｓｉｔｉｖｅＭｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄＵｌｔｒａｓｏｎｉｃＴｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ（ｃＭＵＴ）１００の構成の概略を図１に示す。図１（ａ）は、当該ｃＭＵＴ１００から射出される超音波の進行方向から見たｃＭＵＴ１００の上面図を、図１（ｂ）は、その側面から見た断面図を、それぞれ模式的に示す。

この図に示すように、本実施形態に係るｃＭＵＴ１００において、基板１１０上には、例えば円板形状の底面部１２０が位置している。基板１１０と底面部１２０は一体で形成されていても、別体で形成されていてもよい。この底面部１２０の円板の中心を通り、基板１１０の上面と垂直な方向の軸を、中心軸Ｃと定義する。更に、中心軸Ｃ側を内側、中心軸Ｃから離れる側を外側と定義する。底面部１２０は、例えば円板形状の下部電極１２２を有する。下部電極１２２の円形の中心は、中心軸Ｃと一致している。底面部１２０上には、中空の円筒形状を有する支持部１３０が形成されている。支持部１３０の内側の側面で形成される円筒の中心軸と、外側の側面で形成される円筒の中心軸とは、ともに中心軸Ｃと一致している。

支持部１３０上には、円板形状の上面部１４０が形成されている。上面部１４０の円形の中心も、中心軸Ｃと一致している。上面部１４０は、上部電極１４２と、振動質量部１４４とを含む。上部電極１４２は、輪帯形状をしている。輪帯形状をした上部電極１４２の、中心側の縁を内側端、外周側の縁を外側端と称する。本実施形態に係る上部電極１４２の内側端と外側端とは、ともに円形をしている。内側端の円の中心と、外側端の円の中心とは、中心軸Ｃと一致している。振動質量部１４４は、上部電極１４２の内側端よりも内側に形成されている。振動質量部１４４も円板形状をしており、その中心を中心軸Ｃと一致させている。ここで振動質量部１４４は、非導電性である。上記の構成により、ｃＭＵＴ１００は、底面部１２０と、支持部１３０と、上面部１４０とに囲まれた、円柱形状をした空間であるキャビティ１５０を有する。キャビティ１５０は真空である。

本実施形態に係るｃＭＵＴ１００において、下部電極１２２の直径（図１（ａ）のＤ１）は、キャビティ１５０の直径（図１（ａ）のＤ２）よりも大きい。また、上部電極１４２の外側端の直径は、キャビティ１５０の直径よりも大きい。また、上部電極１４２の内側端の直径は、キャビティ１５０の直径よりも小さい。更に、上部電極１４２の内側端と外側端との中点を結んだ線を幅中心Ｃｗ１と称すると、当該幅中心Ｃｗ１が描く円の直径は、キャビティ１５０の直径よりも小さい。

即ち、基板１１０の法線方向から見て（上面部１４０側から下面部１２０を見たときに、）上部電極１４２は、キャビティ１５０の一部と重なるように位置する。また、基板１１０の法線方向から見て、上部電極１４２の外側端は、支持部１３０と重なるように位置し、内側端は、キャビティ１５０と重なるように位置する。したがって、上部電極１４２は、基板１１０の法線方向から見て支持部１３０と重なるように位置する外側端と、基板１１０の法線方向から見て支持部１３０と重なるように位置する内側端とを、端部として有する。また、上部電極１４２の内側端と外側端との中点を結んだ線である幅中心Ｃｗ１は、基板１１０の法線方向から見てキャビティ１５０と重なるように位置する。

また、本実施形態に係るｃＭＵＴ１００において、振動質量部１４４のヤング率は、上面部１４０のその他の部分のヤング率よりも大きい。更に、振動質量部１４４の比重は、上面部１４０のその他の部分の比重よりも大きい。ここで、上部電極１４２は、例えばアルミニウムで形成されており、振動質量部１４４は、例えばＳｉＯ_２で形成されており、上面部１４０のその他の部分は、例えばＳｉＮで形成されている。

なお、本実施形態において、振動質量部１４４は、上部電極１４２の内側端よりも内側に形成されているとしたが、振動質量部の外周縁は、上部電極１４２の内側端よりも外側に形成されていても良い。即ち、超音波の射出方向から見て、上部電極１４２と振動質量部１４４とは重なり合う位置に配置されていても良い。

このように、例えば下部電極１２２は、第１の電極として機能し、例えば底面部１２０は、底面部として機能し、例えば上部電極１４２は、第２の電極として機能し、例えば上面部１４０は、上面部として機能し、例えば振動質量部１４４の領域は、中心領域として機能し、例えば振動質量部１４４以外の上部電極１４２を含む上面部１４０の領域は、周辺領域として機能し、例えば支持部１３０は、支持部として機能し、例えばキャビティ１５０は、空隙部として機能する。

次に、本実施形態に係るｃＭＵＴ１００の動作を説明する。下部電極１２２と上部電極１４２との間に電圧を印加すると、互いに対向する下部電極１２２と上部電極１４２との間に静電吸引力が働く。ここで、基板１１０は十分に硬く、下部電極１２２及びそれを含む底面部１２０は殆んど変形しない。一方、上部電極１４２を含む上面部１４０は変形しやすい。したがって、前記静電吸引力が働くと、上部電極１４２を含む上面部１４０が変形する。下部電極１２２と上部電極１４２との間に印加する電圧を交流にすると、電圧の変化に伴って下部電極１２２と上部電極１４２との間に働く静電吸引力が変化し、上面部１４０は振動する。この上面部１４０の振動によって、当該ｃＭＵＴ１００は、超音波を発生する。一般に、振動する上面部１４０は、「メンブレン」又は「振動膜」等とも呼ばれる。また、底面部１２０、支持部１３０、上面部１４０、キャビティ１５０等を含む部分は、まとめて「セル」と呼ばれることもある。

なお、下部電極１２２及び上部電極１４２に印加する電圧の極性は問わない。何れの電極に正の電位を印加しても負の電位を印加しても、対向する下部電極１２２と上部電極１４２との間に電位差があれば、当該下部電極１２２と上部電極１４２との間には、引力である静電吸引力が働く。異極性同士の電荷の静電吸引力Ｆ（Ｎ）は、次式（１）で定義される。

ここで、Ａは電極の面積（ｍ^２）、Ｖは印加電圧（Ｖ）、ｌは電極間の距離（ｍ）、ε_０は真空誘電率、ε_ｓは、媒質の誘電比率である。

ｃＭＵＴ１００の上面部１４０を効率的に振動させるため、下部電極１２２と上部電極１４２との間には、ＤＣバイアス電圧が印加されている。ＤＣバイアス電圧が印加されると、上面部１４０は、底面部１２０側に変位する。この上面部１４０の変位によって、ｃＭＵＴ１００には、エネルギが蓄えられる。ここで、下部電極１２２と上部電極１４２との間のＤＣバイアス電圧にパルス電圧を重畳させると、上面部１４０は、ＤＣバイアス電圧によって蓄えられたエネルギも開放するように、大きく振動する。

ここで例として、本実施形態に係るｃＭＵＴ１００の上面部１４０に、１次振動モードを励起させた場合の様子を、図２を参照して説明する。本実施形態では、図２の最上段に示すように、下部電極１２２と上部電極１４２との間に、＋５０ＶのＤＣバイアス電圧を印加し、そこに振幅が５０Ｖであるサイン波状のＡＣパルス波（駆動電圧）を１波重畳させている。このときの上面部１４０の変位を図２の中段に、発生する音圧を図２の下段に、それぞれ記載する。

駆動電圧を印加する直前である時刻ｔ１において、上面部１４０は、ＤＣバイアス電圧が印加された状態、即ち前記のとおり上面部１４０が底面部１２０側に変位した状態で静止している。このとき、音圧は０である。この状態からＡＣパルス波を印加すると、その後、上面部１４０は、更に底面部１２０側に変位する。駆動電圧が極大値を取る時刻ｔ２において、上面部１４０の変位速度が最大になる。上面部１４０の変位速度が最大になる時刻ｔ２において、音圧は一度正の極大値を示す。メンブレンが最もマイナス側に変位する時刻である時刻ｔ３からやや遅れた時刻ｔ４において、最大負圧が得られる。駆動電圧が極小値となる０Ｖをとる時刻ｔ５において、上面部１４０は、初期位置よりも上方に持ち上がった位置まで変位する。ｔ５からやや遅れた時刻ｔ６において、最大正圧が得られる。

次に、上面部１４０の変形について図３を参照して更に説明する。下部電極１２２と上部電極１４２との間に電圧が印加されたとき、輪帯形状をした上部電極１４２の幅中心Ｃｗ１に、最も強い静電吸引力が作用する。一方、上部電極１４２の内側端よりも内側の、電極が形成されていない部分は、導電性を有さないため、その部分には、静電吸引力が作用しない。また、振動質量部１４４は、上面部１４０の他の部分よりもヤング率が大きい。このため、振動質量部１４４の部分は、上面部１４０の他の部分よりも、剛性が高く変形しにくい。

以上によって、下部電極１２２と上部電極１４２との間にＤＣバイアス電圧を印加すると、また、このＤＣバイアス電圧に更に電圧を重畳させると、ｃＭＵＴ１００の上面部１４０は、図３（ａ）に示すように変形する。即ち、上部電極１４２を含む部分が、底面部１２０の方向へ湾曲し、湾曲等の変形をしにくい振動質量部１４４を含む中心部分は、平板形状を維持したまま、底面部１２０の方向へ変位する。

その後、下部電極１２２と上部電極１４２との間に印加する電圧を小さくすると、上面部１４０は、元の形状に戻ろうとし、慣性力で図３（ｂ）のように底面部１２０と反対の方向へ変位する。このときも、振動質量部１４４を含む中心部分は、平板形状を維持している。したがって、図３（ａ）及び（ｂ）に示すように変形することで生じる超音波は、振動質量部１４４が形成する平板と平行な、平板状の波面を有し、当該平板の法線方向に進行する。

比較のため、仮に上面部１４０が、振動質量部１４４を有さず上面部１４０が一様の剛性を有し、円板形状の上部電極１４２を含む第１の比較例の場合を考える。このような第１の比較例では、図４（ａ）に示すように、上部電極１４２は、中心軸Ｃの部分において最も強い静電吸引力を受け、上面部１４０は、中心軸Ｃの部分が最も底面部１２０の方向へ変位し、全体として湾曲する。また、下部電極１２２と上部電極１４２との間に印加する電圧を小さくすると、上面部１４０は、元の形状に戻ろうとし、慣性力で図４（ｂ）のように底面部１２０と反対の方向へ変位する。このとき、上面部１４０は、中心軸Ｃの部分が最も底面部１２０から遠い位置へ変位し、全体として湾曲する。図４（ａ）及び（ｂ）に示す形状に変化することで生じる超音波は、上面部１４０の法線方向に進行する。したがって、当該第１の比較例に係るｃＭＵＴが射出する超音波は、その波面を凸曲面や凹曲面にし、拡散したり集束したりする。なお、振動質量部１４４を有さず、上部電極１４２が上面部１４０の一面に形成されているｃＭＵＴについては、例えば、特許第４３７０１２０号公報を参照されたい。

このように、本実施形態に係るｃＭＵＴ１００では、振動質量部１４４の存在により、平板状（あるいは略平板状）の波面を有する超音波を射出することができる。この平板状の波面は拡散あるいは収束することなく、振動質量部１４４の上面の法線方向に沿って進行する（波面は法線方向と直交している）。そのため、本実施形態に係るｃＭＵＴ１００では、指向性が高い超音波を発生させることができる。即ち、本構成は、発生させる超音波の指向性を向上させ、発生する音圧の低下を抑制する。

なお、射出する超音波が十分広い平板状の波面を有するように、振動質量部１４４の直径は、十分に大きいことが好ましい。また、超音波を発生させるために振動する振動質量部１４４の比重が上面部１４０のその他の部分の比重よりも大きいことは、振動する部分の質量を増加させる働きを有する。その結果、振動する部分の運動エネルギは大きくなり、当該ｃＭＵＴ１００が発生する超音波の出力は大きくなる。

本実施形態では、上部電極１４２の外側端の直径は、キャビティ１５０の直径よりも大きい。比較のため、上部電極１４２の外側端が、キャビティ１５０の外周よりも中心軸Ｃ側にある第２の比較例の場合を考える。このような第２の比較例では、輪帯形状をした上部電極１４２の幅中心Ｃｗ１に最も強い静電吸引力が作用するため、上部電極１４２の幅中心Ｃｗ１の部分が最も変位する。その結果、図５に示すように、当該第２の比較例の上面部１４０は、うねった形状となる。しかしながら、この場合でも、振動質量部１４４は、前記の通り、平板形状を維持して平行に変位するので、発生する超音波は、その波面を平板状にし、当該平板の法線方向に平行に進行し、指向性は高い。即ち、第２の比較例のような構成でも、本発明の課題は解決される。

なお、第２の比較例では、図３を参照して説明した本実施形態の場合と比較して、振動質量部１４４の変位は、小さくなる。したがって、第２の比較例に係るｃＭＵＴが射出する超音波の出力は、本実施形態に係るｃＭＵＴ１００が射出する超音波の出力よりも小さくなる。第２の比較例に係るｃＭＵＴは、本実施形態に係るｃＭＵＴ１００よりも、超音波の出力が小さくても良いような場合に適している。

本実施形態では、上部電極１４２の外側端の直径は、キャビティ１５０の直径よりも大きい。前記した第２の比較例との比較から分かるように、本実施形態に係るｃＭＵＴ１００では、上部電極１４２が、支持部１３０とキャビティ１５０との境界を支点として変形するため、上面部１４０は、第２の比較例の場合よりも振幅が大きくなる。即ち、本実施形態に係るｃＭＵＴ１００の構成、特にキャビティ１５０と上部電極１４２との位置関係は、振動質量部１４４の変位を大きくし、強い超音波を射出することに寄与する。したがって、上部電極１４２の外側端の直径は、キャビティ１５０の直径よりも大きいことが好ましい。

［第１の実施形態の第１の変形例］
次に、本発明の第１の実施形態の第１の変形例について説明する。ここで本変形例の説明では、第１の実施形態との相違点に限定して説明し、同一の部分については同一の符号を付して、その説明は省略する。本変形例では、上面部１４０の中心部分の剛性を高めるため、当該中心部分を他の部分より厚くしている。

図６（ａ）は、本変形例に係るｃＭＵＴ１００の、照射される超音波の進行方向から見た上面図を、図６（ｂ）は、その側面から見た断面図を、それぞれ模式的に示す。本変形例に係るｃＭＵＴは、第１の実施形態における振動質量部１４４を、振動質量部１４６に置換したものである。ここで、振動質量部１４６は、上面部１４０の他の部分と同一のヤング率を有する物質でできており、上面部１４０の他の部分よりも厚みが大きい。振動質量部１４６の部分は、上面部１４０の他の部分よりも、厚みが大きいため剛性が高く変形しにくい。本変形例に係るｃＭＵＴ１００の振動質量部１４６以外の構成は、第１の実施形態の場合と同様である。

以上のように、振動質量部１４６は、上面部１４０の他の部分よりも変形しにくい。このため、下部電極１２２と上部電極１４２との間に交流電圧を印加すると、振動質量部１４６は、平板形状を維持したまま振動する。したがって、本変形例によるｃＭＵＴ１００も、第１の実施形態に係るｃＭＵＴ１００と同様に、その波面が平板状であり、当該平板の法線方向に平行に進行し、指向性が高い、超音波を射出することができる。

［第１の実施形態の第２の変形例］
次に、本発明の第１の実施形態の第２の変形例について説明する。ここで本変形例の説明では、第１の実施形態との相違点に限定して説明し、同一の部分については同一の符号を付して、その説明は省略する。本変形例に係るｃＭＵＴ１００は、第１の実施形態に係るｃＭＵＴ１００と外形が異なり、また、上部電極１４２及び振動質量部１４４等の形状が異なる。

図７（ａ）は、本変形例に係るｃＭＵＴ１００の、照射される超音波の進行方向から見た上面図を、図７（ｂ）は、その側面から見た断面図を、それぞれ模式的に示す。本変形例に係るｃＭＵＴは、超音波の進行方向から見て四角形状をしている。本変形例において、振動質量部１４４は四角形の板状である。上部電極１４２は、図７（ａ）に示すように、台形形状をした電極が４つ寄せ集められた構成を有している。各台形形状をした電極の、平行な辺のうち短い方の辺は、上部電極１４２側に位置しており、長い方の辺は、支持部１３０側に位置している。台形形状をした電極の平行でない辺は、隣り合う辺と間隙を有して対向している。したがって、上部電極１４２全体では、図７（ａ）に示すように、概ね四角形状をした内側端と外側端とを有する形状をしており、内側端側で、振動質量部１４４の端部を支えるように構成されている。そして、概ね四角形状をした上部電極１４２の対角線に相当する部分には、スリットが入っている。なお、このスリットに相当する部分は、上面部１４０の変位を大きくすることに寄与する。また、当該ｃＭＵＴから照射される超音波の進行方向から見た下部電極１２２やキャビティ１５０の形状も、四角形である。

このような構成を有する本変形例によっても、第１の実施形態と同様に、振動質量部１４４は、上面部１４０の他の部分よりも変形しにくい。このため、当該ｃＭＵＴ１００は、その波面が平板状であり、当該平板の法線方向に平行に進行し、指向性が高い、超音波を射出することができる。

なお、図７を参照して説明した本変形例において、超音波の射出方向、即ち基板１１０の法線方向から見て、上部電極１４２と振動質量部１４４とは、重なり合う位置に配置されているが、重ならなくてもよい。例えば、第１の実施形態と同様に、上部電極１４２の内側端よりも内側に、振動質量部１４４が配置されていてもよい。この場合も第１の実施形態や本変形例と同様に機能する。

更に、別の変形例に係るｃＭＵＴ１００の一例の上面図を図８に示す。この例において、ｃＭＵＴ及び各部の形状は、図８に示すように、射出する超音波の進行方向から見て六角形状である。この場合も前述の変形例や、第１の実施形態に係るｃＭＵＴ１００と同様に動作し、同様に機能する。
また、四角形や六角形に限らず、三角形や八角形その他の形状でもよく、また、上部電極１４２は、その一部にスリットが入った形状でもよい。上記何れの場合も、第１の実施形態の場合と同様の効果が得られる。

［第２の実施形態］
次に、本発明の第２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１の実施形態との相違点に限定して説明し、同一の部分については同一の符号を付して、その説明は省略する。本実施形態に係るｃＭＵＴ１００の構成の概略を図９に示す。図９（ａ）は、当該ｃＭＵＴ１００から照射される超音波の進行方向から見たｃＭＵＴ１００の上面図を、図９（ｂ）は、その側面から見た断面図を、それぞれ模式的に示す。

本実施形態に係るｃＭＵＴ１００は、第１の実施形態における輪帯形状の上部電極１４２を、円板形状の上部電極２４２に置換したものである。ここで、上部電極２４２は、上面部１４０の中心部分に位置し、超音波の進行方向、即ち基板１１０の法線方向から見て、振動質量部１４４と重なる位置に配置されている。本実施形態においても、上部電極２４２は、基板１１０の法線方向から見てキャビティ１５０の一部と重なるように位置している。

下部電極１２２と上部電極２４２との間に、電圧を印加すると、下部電極１２２と上部電極２４２とが対向する部分で、静電吸引力が発生する。振動質量部１４４は、上面部１４０の他の部分よりもヤング率が大きいため、他の部分よりも変形しにくい。その結果、ｃＭＵＴ１００の上面部１４０は、図３を参照して説明した第１の実施形態に係るｃＭＵＴ１００と同様に変形する。即ち、ヤング率が高く湾曲などの変形をしにくい振動質量部１４４を含む中心部分は、平板形状を維持し、ヤング率が低く変形しやすい周辺部分が湾曲し、上面部１４０は振動する。

したがって、下部電極１２２と上部電極２４２との間に交流電圧を印加したとき、本実施形態に係るｃＭＵＴ１００は、その波面が平板状であり、当該平板の法線方向に平行に進行し、指向性が高い、超音波を射出することができる。

なお、図９においては、上部電極２４２の大きさは、振動質量部１４４の大きさと一致しており、上部電極２４２の位置も振動質量部１４４の位置と一致している。しかしながら、上部電極２４２は、振動質量部１４４よりも大きくても小さくても良い。また、上部電極２４２と振動質量部１４４との位置も、基板の法線方向から見て一致していなくてもよい。

［第３の実施形態］
次に、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１の実施形態との相違点に限定して説明する。本実施形態に係るｃＭＵＴ３００の構成の概略を図１０に示す。図１０（ａ）は、当該ｃＭＵＴ３００から照射される超音波の進行方向から見たｃＭＵＴ３００の上面図を、図１０（ｂ）は、その側面から見た断面図を、それぞれ模式的に示す。

この図に示すように、本実施形態に係るｃＭＵＴ３００において、基板３１０上には、円板形状の底面部３２０が形成されている。この底面部３２０の円板の中心を通り、円板と垂直な方向の軸を、中心軸Ｃと定義する。この底面部３２０は、例えば輪帯形状の下部電極３２２を有する。輪帯形状をした下部電極３２２の、中心側の縁を内側端、外周側の縁を外側端と称する。本実施形態に係る下部電極３２２の内側端と外側端とは、円形をしている。内側端の円の中心と、外側端の円の中心とは、中心軸Ｃと一致している。

底面部３２０上には、中空の円筒形状を有する支持部３３０が形成されている。ここで、支持部３３０の内側の側面の中心軸と外側の側面の中心軸とは、中心軸Ｃと一致している。支持部３３０上には、円板形状の上面部３４０が形成されている。この上面部３４０は、円板形状の上部電極３４２を有する。上面部３４０及び上部電極３４２の円形の中心も、中心軸Ｃと一致している。このように、ｃＭＵＴ３００は、底面部３２０と、支持部３３０と、上面部３４０とに囲まれた円柱形状の空間であるキャビティ３５０を有する。キャビティ３５０は、真空である。

本実施形態に係るｃＭＵＴ３００において、下部電極３２２の外側端の直径は、キャビティ３５０の直径よりも大きい。また、下部電極３２２の内側端の直径は、キャビティ３５０の直径よりも小さい。更に、下部電極３２２の内側端と外側端との中点を結んだ線を幅中心Ｃｗ３と称すると、当該幅中心Ｃｗ３が描く円の直径は、キャビティ３５０の直径よりも小さい。また、上部電極３４２の直径は、キャビティ３５０の直径よりも大きい。

即ち、基板３１０の法線方向から見て、下部電極３２２の内側端は、キャビティ３５０と重なるように位置し、下部電極３２２の外側端は、支持部３３０と重なるように位置し、幅中心Ｃｗ３が描く円は、キャビティ３５０と重なるように位置している。また、基板３１０の法線方向から見て上部電極３４２の外周部は、支持部３３０と重なるように位置している。

このように、例えば下部電極３２２は、第１の電極として機能し、例えば底面部３２０は、底面部として機能し、例えば上部電極３４２は、第２の電極として機能し、例えば上面部３４０は、上面部として機能し、例えば支持部３３０は、支持部として機能し、例えばキャビティ３５０は、空隙部として機能する。そして、下部電極３２２は、基板３１０の法線方向から見てキャビティ３５０と重なるように位置する内側端と、支持部３３０と重なるように位置する外側端とを、端部として有し、上部電極３４２の外周の全ては、基板３１０の法線方向から見て支持部３３０と重なるように位置する。

次に、本実施形態に係るｃＭＵＴ３００の動作を説明する。下部電極３２２及び上部電極３４２間に、電圧を印加すると、下部電極３２２の幅中心Ｃｗ３に、最も強い静電吸引力が作用する。一方、下部電極３２２の内側端よりも内側の部分、即ち、輪帯形状の下部電極３２２に囲まれた中央部分は、導電性がないため、中央部分には静電吸引力は作用しない。したがって、図１１に示すように、上面部３４０のうち、下部電極３２２と対向する部分は、湾曲する。一方で、上面部３４０のうち、輪帯形状の下部電極３２２に囲まれた中央部分と対向する部分は、湾曲しない。以上によって、中央部分は、平板形状を維持したまま平行に変位する。

したがって、下部電極３２２と上部電極３４２との間に交流電圧を印加したとき、本実施形態に係るｃＭＵＴ３００は、その波面が平板状であり、当該平板の法線方向に平行に進行し、指向性が高い、超音波を射出することができる。

本実施形態では、上部電極３４２の外側端の直径は、キャビティ３５０の直径よりも大きい。第１の実施形態の説明において記載したのと同様に、本実施形態に係るｃＭＵＴ３００でも、上部電極３４２が、支持部３３０とキャビティ３５０との境界を支点として変形するため、上面部３４０の振幅が大きくなる。即ち、本実施形態に係るｃＭＵＴ３００の構成における支持部３３０及びキャビティ３５０と上部電極３４２との位置関係は、上面部３４０の振幅を大きくし、強い超音波を射出することに寄与する。
また、射出する超音波が十分広い平板状の波面を有するように、下部電極３２２に囲まれた導電性がない中央部分の直径は、十分に大きいことが好ましい。

［第４の実施形態］
次に、本発明の第４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３の実施形態との相違点に限定して説明し、同一の部分については同一の符号を付して、その説明は省略する。本実施形態に係るｃＭＵＴ３００の構成の概略を図１２に示す。図１２は、当該ｃＭＵＴ３００の側面から見た断面図を模式的に示す。本実施形態に係るｃＭＵＴ３００は、第３の実施形態における円形状の上部電極３４２を、輪帯形状の上部電極４４２に置換したものである。

輪帯形状をした上部電極４４２の、内側の縁を内側端、外側の縁を外側端と称する。本実施形態に係る上部電極４４２の内側端と外側端とは、円形をしている。内側端の円の中心と、外側端の円の中心とは、中心軸Ｃと一致している。また、上部電極４４２の外側端の直径は、キャビティ３５０の直径よりも大きい。また、上部電極４４２の内側端の直径は、キャビティ３５０の直径よりも小さい。更に、上部電極４４２の内側端と外側端との中点を結んだ線を幅中心Ｃｗ４と称すると、当該幅中心Ｃｗ４が描く円の直径は、キャビティ３５０の直径よりも小さい。更に、上部電極４４２の内側端の直径は、下部電極３２２の内側端の直径よりも大きい。

即ち、基板３１０の法線方向から見て、上部電極４４２は、キャビティ３５０と重なるように位置する内側端と、支持部３３０と重なるように位置する外側端とを、端部として有し、幅中心Ｃｗ４が描く円は、キャビティ３５０と重なるように位置している。また、基板３１０の法線方向から見て上部電極４４２の内側端は、下部電極３２２と重なるように位置している。

下部電極３２２と上部電極４４２との間に、電圧を印加すると、下部電極３２２と上部電極４４２とが対向している部分に、静電吸引力が作用する。一方、上部電極４４２の内側端よりも内側の部分、即ち、輪帯形状の上部電極４４２に囲まれた中央部分は、導電性がないため、中央部分には静電吸引力は作用しない。したがって、下部電極３２２と上部電極４４２との間に交流電圧を印加すると、上面部３４０のうち、下部電極３２２と上部電極４４２とが対向しており、下部電極３２２と上部電極４４２との間にキャビティ３５０が存在する場所では、上面部３４０は、湾曲して振動する。一方で、上面部３４０のうち、下部電極３２２と上部電極４４２とが対向していない中央部分は、湾曲しない。以上によって、下部電極３２２と上部電極４４２との間に交流電圧を印加すると、上面部３４０は、中央部分が平板形状を維持して平行に変位する振動を行う。

したがって、下部電極３２２と上部電極４４２との間に交流電圧を印加したとき、本実施形態に係るｃＭＵＴ３００は、その波面が平板状であり、当該平板の法線方向に平行に進行し、指向性が高い、超音波を射出することができる。

ここで、下部電極３２２の内側端は、上部電極４４２の内側端よりも内側にあることは、次の意味を有する。上面部３４０の機械的特性に寄与しない下部電極３２２を大きくすることは、静電吸引力が作用する面積、即ち、前記式（１）における電極面積Ａを大きくすることに相当する。電極面積Ａが増すことで、静電吸引力Ｆを大きくすることができる。したがって、下部電極３２２の内側端は上部電極４４２の内側端よりも内側にあり、電極面積Ａを大きくしていることは、静電吸引力Ｆを大きくすることに寄与する。

［第５の実施形態］
次に、本発明の第５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４の実施形態との相違点に限定して説明し、同一の部分については同一の符号を付して、その説明は省略する。本実施形態に係るｃＭＵＴ３００を側面から見た断面の概略を図１３に示す。本実施形態に係るｃＭＵＴ３００は、第３の実施形態における輪帯形状の下部電極３２２を、円板形状の下部電極５２２に置換したものである。

図１３に示すように、円板形状をした下部電極５２２の中心は、中心軸Ｃと一致している。また、円板形状をした下部電極５２２の直径は、キャビティ３５０の直径よりも大きい。即ち、基板３１０の法線方向から見て下部電極５２２の円周部は、支持部３３０と重なるように位置している。また、上部電極４４２は、基板３１０の法線方向から見てキャビティ３５０と重なるように位置する内側端と、支持部３３０と重なるように位置する外側端とを、端部として有する。更に、上部電極４４２の内側端と外側端との中点を結んだ線である幅中心Ｃｗ４が描く円の直径は、キャビティ３５０の直径よりも小さい。即ち、幅中心Ｃｗ４が描く円は、キャビティ３５０と重なるように位置している。

下部電極５２２と上部電極４４２との間に、電圧を印加すると、下部電極５２２と上部電極４４２とが対向している部分に、静電吸引力が作用する。一方、上部電極４４２の内側端よりも内側の部分、即ち、輪帯形状の上部電極４４２に囲まれた中央部分は導電性がないため、中央部分には静電吸引力は作用しない。

したがって、上面部３４０のうち、下部電極５２２と上部電極４４２とが対向しており、下部電極５２２と上部電極４４２との間にキャビティ３５０が存在する場所では、上面部３４０は、湾曲する。一方で、上面部３４０のうち、下部電極５２２と上部電極４４２とが対向していない中央部分は、湾曲しない。以上によって、中央部分は、平板形状を維持したまま平行に変位する。下部電極５２２と上部電極４４２との間に交流電圧を印加すると、上面部３４０は、中央部分が平板形状を維持して平行に変位する振動を行う。

したがって、下部電極５２２と上部電極４４２との間に交流電圧を印加したとき、本実施形態に係るｃＭＵＴ３００は、その波面が平板状であり、当該平板の法線方向に平行に進行し、指向性が高い、超音波を射出することができる。

［各実施形態の組み合わせ］
第３の実施形態、第４の実施形態、又は第５の実施形態においても、第１の実施形態と同様に、上面部の中央部分に、上面部のその他の部分よりもヤング率が大きい振動質量部を設け、当該中央部分の剛性を高めても良い。また、第２の実施形態、第３の実施形態、第４の実施形態、又は第５の実施形態においても、第１の実施形態の第１の変形例と同様に、上面部の中央部分の厚さを大きくし、当該中央部分の剛性を高めてもよい。また、中央部分のヤング率を大きくし、厚みも大きくしてもよい。これら何れによっても当該中央部分は、更に湾曲しにくくなり、発生する超音波の指向性は、更に向上する。

また、第２の実施形態、第３の実施形態、第４の実施形態、又は第５の実施形態においても、各部の構成を円形とするに限らず、第１の実施形態の第２の変形例と同様に、四角形又は六角形、若しくは、三角形、八角形等の多角形、あるいはその他の形状にしてもよい。また、第１の実施形態、第２の実施形態、第３の実施形態、第４の実施形態、又は第５の実施形態においても、第１の実施形態の第２の変形例と同様に、上部電極をスリットが設けられた形状にしてもよい。これら何れの場合も、各実施形態と同様の効果が得られる。

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。

１００…ｃＭＵＴ、１１０…基板、１２０…底面部、１２２…下部電極、１３０…支持部、１４０…上面部、１４２…上部電極、１４４…振動質量部、１４６…振動質量部、１５０…キャビティ、２４０…上面部、２４２…上部電極、３００…ｃＭＵＴ、３１０…基板、３２０…底面部、３２２…下部電極、３３０…支持部、３４０…上面部、３４２…上部電極、３５０…キャビティ、４４２…上部電極、５２２…下部電極。

Claims

基板上に位置する底面部と、前記底面部と間隙を有して対向する上面部と、支持部とを具備し、
前記底面部は第１の電極を有し、
前記上面部は第２の電極を有すると共に、中心領域と該中心領域の周囲に位置する周辺領域とを含み、
前記支持部は前記底面部及び前記上面部と接し、これにより前記間隙の一部に空隙部が形成され、
前記上面部側から前記下面部を見たときに、前記第２の電極の少なくとも一部は前記空隙部の一部と重なるように位置し、
前記周辺領域は中心領域よりも剛性が低い
ことを特徴とする超音波発生ユニット。
前記中心領域を構成する物質と前記周辺領域を構成する物質とのヤング率が異なることを特徴とする請求項１に記載の超音波発生ユニット。
前記中心領域の厚みと、前記周辺領域の厚みとが異なることを特徴とする請求項１に記載の超音波発生ユニット。
前記中心領域は、非導電性を有することを特徴とする請求項１に記載の超音波発生ユニット。
前記第２の電極は、前記上面部側から前記下面部を見たときに、前記支持部と重なるように位置する外側端と、前記空隙部と重なるように位置する内側端とを、端部として有することを特徴とする請求項１に記載の超音波発生ユニット。
前記第２の電極上の、前記内側端からの距離と前記外側端からの距離とが等しい幅中心の各点は、前記上面部側から前記下面部を見たときに前記空隙部と重なるように位置する、ことを特徴とする請求項５に記載の超音波発生ユニット。
基板上に位置する底面部と、前記底面部と間隙を有して対向する上面部と、支持部とを具備し、
前記底面部は第１の電極を有し、
前記上面部は第２の電極を有すると共に、前記底面部と間隙を有して対向し、
前記支持部は前記底面部及び前記上面部と接し、これにより前記間隙の一部に空隙部が形成され、
前記第１の電極と前記第２の電極とのうち少なくとも一方は、内側端と外側端を有し、
前記上面部側から前記下面部を見たときに、前記内側端は前記空隙部と重なるように位置し、
前記第２の電極の外周端の全ては前記支持部と重なるように位置する、
ことを特徴とする超音波発生ユニット。
前記第１の電極は、前記内側端と前記外側端とを端部として有する、ことを特徴とする請求項７に記載の超音波発生ユニット。
前記第２の電極は、前記内側端と前記外側端とを端部として有し、該外側端は前記外周端である、ことを特徴とする請求項７に記載の超音波発生ユニット。
前記第２の電極上の、前記内側端からの距離と前記外側端からの距離とが等しい各点は、前記上面部側から前記下面部を見たときに前記空隙部と重なるように位置する、ことを特徴とする請求項９に記載の超音波発生ユニット。
前記第１の電極及び前記第２の電極はともに、前記内側端と前記外側端とを端部として有し、
前記第２の電極の外側端は前記外周端であり、前記第２の電極の内側端は、前記上面部側から前記下面部を見たときに前記第１の電極と重なるように位置する、
ことを特徴とする請求項７に記載の超音波発生ユニット。