[发明专利]超声波探头及超声波摄像装置

说明书

技术领域

本发明涉及超声波探头及超声波摄像装置，例如涉及使用了静电电容式微型设备的超声波探头及超声波摄像装置。

背景技术

超声波换能器(transducer)是进行可听域(约20Hz～20kHz)以上的声波的放射及接收的设备，被广泛应用于医疗及非破坏性检查等。现在，作为超声波换能器被最广泛利用的设备是以PZT(Lead Zirconate Titanate：锆钛酸铅)为代表的压电设备(piezoelectric devices)。但是，近年来，随着利用了不同于被称为静电电容式微型超声波换能器(CMUT：Capacitive Micro-machined Ultrasonic Transducers，以下称为CMUT)的压电型的工作原理的超声波设备的开发而逐渐实用化。CMUT是应用半导体技术而制作的。通常，在由硅等半导体工艺中用到的构件而制成的基板上埋入电极材料(有时基板本身为电极)，用振动膜周围的支撑壁等固定并形成微细(例如50μm)且薄(例如几μm)的振动膜。在振动膜与基板之间设有空隙，以使振动膜可振动。在该振动膜内也埋入电极材料。因为这样配置了独立于基板和振动膜的电极，因而基板和振动膜作为静电电容(电容器：capacitor)发挥功能。通过对两电极施加电压(通常预先施加偏置电压)，由此作为超声波换能器而动作。如果对两电极施加交流电压，则电极之间的静电力发生变化，振动膜振动。此时，如果有与振动膜相接之类的媒介，则振动膜的振动作为声波在媒介内进行传播。即、能够放射声音。相反地，如果声波传到振动膜，则振动膜与之相应地进行振动，因为两电极之间的距离发生变化，因而在两电极之间流过电流，或者两电极之间的电压发生变化。通过取出该电流或电压等电信号，从而能够接收声波。

作为确定超声波换能器性能的重要指标，有被发送的声压和接收灵敏度。为使声压和接收灵敏度增加，振动的面积越大越好。振动的面积依存于振动膜的形状。在振动膜的形状为圆形、正方形或正六边形的情况下，由于膜被固定在距离周围几乎均等的距离处，因而只有振动膜的中心附近能够振动。为此，在实际效果上，只能有效利用空隙面积的30～40％左右。另一方面，在采用如细长的长方形(矩形)膜的情况下，受周围限制的程度得到缓和，较之圆形等情况可位移于平坦处。此时，约60％的面积有效振动。因此，从提高声压和接收灵敏度的观点出发，优选细长的长方形。但是，若设为长方形膜这样的某一程度的细长形状的话，则产生特有的高次振动模式。膜产生的各种振动模式对声学特性例如放射声压、频率特性、脉冲特性有影响，因而振动模式的控制极其重要。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：美国专利第6,359,367号说明书

非专利文献

非专利文献1：Formulas for natural frequency and mode shape，Robert D.Blevins，ISBN 1-57524-184-6

发明概要

发明要解决的课题

对CMUT的振动膜可激发各种振动模式。通常，在超声波换能器的使用上，不计其数的振动模式之中的被称为基本模式的膜整体以相同相位进行振动的模式为优选。其原因在于，由于膜整体以相同相位进行动作，因而能够最有效地转换声和电。在被称为高次模式的膜中可形成多个成为腹部的部分这样的模式的情况下，在振动膜内振动的相位可有180度不同。在这种模式中，在放射声音的情况下，虽然要在振动膜的某一区域中在压缩与振动膜相接的媒介的方向上进行振动而放射正压(压缩波)，但是同时要在膜的其他区域中将媒介膨胀而放射负压(膨胀波)，因而正负的声音会抵消，实际要放射的声压下降。接收的情况也同样地，针对输入的声压，若能形成膜进行位移的方向相反的区域，则由于接收电流或电压的正负相互抵消，故灵敏度下降。

这种现象在各个振动模式下不是问题，但因单独的振动模式之间的干扰也会有影响。一般地，在放射能量的一些媒介与振动膜相接的情况下，各个振动模式具有某一程度的频带宽度。因此，存在基本模式的频带和高次模式的频带相重叠的区域。此时，产生基本模式的相位和高次模式的相位不一致的频率，基于与前述同样的机构产生了放射声压、灵敏度的劣化。因此，为了扩宽可使用的频带，必须考虑振动模式之间的干扰。