特表 2023-500043 帯域幅が改善されたメンブレントランスデューサ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2023-01-04

(54)【発明の名称】帯域幅が改善されたメンブレントランスデューサ

(51)【国際特許分類】

   H04R 17/10 20060101AFI20221222BHJP

   H04R 19/00 20060101ALI20221222BHJP

   H04R 17/00 20060101ALI20221222BHJP

【ＦＩ】

H04R17/10 330

H04R19/00 330

H04R17/00 330K

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2022521975

(86)(22)【出願日】2020-10-29

(85)【翻訳文提出日】2022-06-09

(86)【国際出願番号】 NL2020050670

(87)【国際公開番号】W WO2021086184

(87)【国際公開日】2021-05-06

(31)【優先権主張番号】19206202.4

(32)【優先日】2019-10-30

(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】508351406

【氏名又は名称】ネダーランゼ・オルガニサティ・フォーア・トゥーゲパスト－ナトゥールヴェテンシャッペリーク・オンデルゾエク・ティーエヌオー

(74)【代理人】

【識別番号】100079108

【弁理士】

【氏名又は名称】稲葉 良幸

(74)【代理人】

【識別番号】100109346

【弁理士】

【氏名又は名称】大貫 敏史

(74)【代理人】

【識別番号】100117189

【弁理士】

【氏名又は名称】江口 昭彦

(74)【代理人】

【識別番号】100134120

【弁理士】

【氏名又は名称】内藤 和彦

(72)【発明者】

【氏名】ヴァン ニール，ポール ルイス マリア ジョゼフ

(72)【発明者】

【氏名】フォルカー，アルノ ウィレム フレデリック

(72)【発明者】

【氏名】アッカーマン，ヒルケ ブロアー

(72)【発明者】

【氏名】ゲリンク，ゲルウィン ヘルマナス

(72)【発明者】

【氏名】ヴァン モル，アントニウス マリア ベルナルデュス

【テーマコード（参考）】

5D019

【Ｆターム（参考）】

5D019AA09

5D019DD01

(57)【要約】

メンブレンベースの超音波トランスデューサの有効帯域幅が制御要素（Ｃ）によって改善される。制御要素（Ｃ）は、第１のメンブレン（１０）の、第１の側（１０ａ）及び／又は反対側の、第２の側（１０ｂ）に向かう変位振幅を増加又は減少させるために、トランスデューサの第１のメンブレン（１０）の第１の側（１０ａ）に配置されている。これにより、第１のメンブレン（１０）の第１の振動（Ｖ１）の間に、第２の側（１０ｂ）と比較して、第１の側（１０ａ）への第１のメンブレン（１０）の動きに変位非対称性（Ｚａ＜＞Ｚｂ）が誘発される。この変位非対称性の結果として帯域幅を改善し得る。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

超音波トランスデューサ（１００）であって、
－超音波（Ｗ）を送受信するために第１の振動（Ｖ１）を呈するように構成された少なくとも第１のメンブレン（１０）と、
－前記第１のメンブレン（１０）に結合されているとともに、前記第１の振動（Ｖ１）を引き起こしたり、前記第１の振動（Ｖ１）によって引き起こされたりする電気信号（Ｅ１）を送受信するように構成された電子回路（３０）と、
－前記第１のメンブレン（１０）の第１の側（１０ａ）に配置されているとともに、前記第１の側（１０ａ）への前記第１の振動（Ｖ１）の間に、反対側の、第２の側（１０ｂ）と比較して、前記第１のメンブレン（１０）の動きに変位非対称性（Ｚａ＜＞Ｚｂ）を誘発するように構成された制御要素（Ｃ）と、
を含む超音波トランスデューサ（１００）。

【請求項2】

前記制御要素（Ｃ）が、第１のメンブレンに平行に配置され、その間にポケット（１５）を有する第２のメンブレン（２０）を含むとともに、前記変位非対称性を誘発するために、前記ポケット（１５）が流体を含んでおり、前記ポケット（１５）が収縮すると、圧縮に抵抗し、前記第２のメンブレン（２０）の方に向かうその変位の関数として前記第１のメンブレン（１０）に非線形の力を引き起こす、請求項１に記載の超音波トランスデューサ。

【請求項3】

前記電子回路（３０）が、前記第１の振動（Ｖ１）と逆位相にある第２の振動（Ｖ２）を呈するように前記第２のメンブレン（２０）を作動させるように構成され、前記メンブレンが同時に、互いに離れていくように移動するか、又は、互いに直接接触せずに互いの方に向かって移動するように構成されている、請求項１又は２に記載の超音波トランスデューサ。

【請求項4】

少なくとも前記第１のメンブレン（１０）が、前記メンブレンの中心部で、前記メンブレンの総区域の５０パーセントから９０パーセントの間の前記メンブレンの小区分を網羅する相対的に厚く、且つ／又は堅い区分（１０ｅ）を有するとともに、前記メンブレンの前記中心部が、前記メンブレンの縁部と比較して、厚さ及び／又は剛性が少なくとも１．１倍になっている、請求項１～３のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。

【請求項5】

前記電子回路（３０）が、前記第１の振動（Ｖ１）を引き起こすために第１の電気信号（Ｅ１）を前記第１のメンブレン（１０）に送信するように構成されているとともに、前記電子回路（３０）が、前記第１の電気信号（Ｅ１）によって引き起こされた前記第１の振動（Ｖ１）のそれぞれの振動サイクルの間に前記メンブレン変位に動的に影響を与えるために、異なった、第２の電気信号（Ｅ２）を前記制御要素（Ｃ）に送信するように構成されている、請求項１～４のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。

【請求項6】

前記制御要素（Ｃ）が、前記第１のメンブレン（１０）の表面上、及び前記第１のメンブレン（１０）に隣接する、別の反対側の表面上に静電荷を発生させるように構成された静電デバイスを含む、請求項１～５のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。

【請求項7】

前記静電荷が第２のメンブレン（２０）で発生する、請求項１～６のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。

【請求項8】

前記静電デバイスが、静電荷の交流信号を発生させるように構成されているとともに、前記静電荷の印加が、前記第１のメンブレン（１０）の前記第１の振動（Ｖ１）と同期されている、請求項６又は７に記載の超音波トランスデューサ。

【請求項9】

前記静電デバイスが、前記静電荷を印加するために、連続信号又は交流信号にオフセットを含むように構成されており、前記静電荷が、少なくとも前記第１のメンブレン（１０）の平衡位置を変化させるように構成されている、請求項６～８のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。

【請求項10】

前記メンブレンが、前記第１のメンブレン（１０）の前記第１の振動（Ｖ１）に関する前記電気信号（Ｅ１）を送受信するための第１の圧電層（１０ｐ）を含み、前記制御要素（Ｃ）が第２の圧電層（１０ｑ）を含み、前記電子回路（３０）が、前記第２の圧電層（１０ｑ）を作動させて、その振動サイクル（Ｖ１）の一部の間に、前記第１のメンブレン（１０）の特性を動的に変化させるように構成され、第１の電気信号が、前記第１の圧電層（１０ｐ）に送られ、異なる第２の電気信号（Ｅ２）が、前記第２の圧電層（１０ｑ）に送られる、請求項１～９のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。

【請求項11】

前記静電荷又は前記第２の圧電層（１０ｑ）が、前記第１のメンブレン（１０）の剛性に影響を与える、請求項６～１０のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。

【請求項12】

前記制御要素（Ｃ）が、反対方向と比較して、前記第１のメンブレン（１０）の、前記第１の側（１０ａ）又は前記第２の側（１０ｂ）に向かう方向のうちの一方での振幅（Ｚａ、Ｚｂ）を低減させるように構成されている、請求項１～１１のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。

【請求項13】

前記制御要素（Ｃ）が、前記第１の側（１０ａ）に、前記第１のメンブレン（１０）の中心部に排他的に接続された接続構造を含み、前記接続構造が、前記第１の側（１０ａ）に向かう前記第１のメンブレン（１０）の前記変位を可能にするが、前記第２の側（１０ｂ）への前記変位を拘束する、請求項１～１２のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。

【請求項14】

前記第１の振動（Ｖ１）が、
－前記第１のメンブレン（１０）の平衡位置（Ｚ１）と、前記第１の側（１０ａ）への前記第１のメンブレン（１０）の最大拡張位置との間の第１の振幅（Ｚａ）と、
－前記平衡位置と、前記第２の側（１０ｂ）への前記第１のメンブレン（１０）の最大拡張位置との間の第２の振幅（Ｚｂ）と、を有するとともに、
－前記制御要素（Ｃ）が、前記第１の振幅（Ｚａ）と、前記第２の振幅（Ｚｂ）との間に少なくとも５パーセントの差異を誘発するために、前記第１のメンブレン（１０）の前記動きに影響を与えるように構成されている、請求項１～１３のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。

【請求項15】

メンブレンベースの超音波トランスデューサの有効帯域幅を増強する方法であって、
前記トランスデューサの第１のメンブレン（１０）の第１の側（１０ａ）に配置された制御要素（Ｃ）を使用して、前記第１の側（１０ａ）及び／又は反対側の、第２の側（１０ｂ）に向かう前記第１のメンブレン（１０）の変位振幅を増加又は減少させて、前記第１のメンブレン（１０）の第１の振動（Ｖ１）の間に、前記第２の側（１０ｂ）と比較して、前記第１の側（１０ａ）への前記第１のメンブレン（１０）の動きに変位非対称性（Ｚａ＜＞Ｚｂ）を誘発すること、
を含む方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

技術分野及び背景
本開示は、メンブレンベースの超音波トランスデューサ、及びこのようなトランスデューサの有効帯域幅を増強するための方法に関する。

【背景技術】

【0002】

超音波トランスデューサ、例えば、発生源及び／又は受信器には、医療用画像、流量計等々といった、様々な用途がある。送信及び／又は受信効率を増強するために、メンブレンなどの共振ベースの超音波発生源／受信器を使用することができる。しかしながら、トランスデューサが共振の付近でしか効果がない場合には、システムの帯域幅及び性能が制限される場合がある。例えば、このようなトランスデューサの正確度又は画像解像度は、システム帯域幅に左右される場合がある。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0003】

共振ベースの効率を少なくともある程度維持しつつ、メンブレンベースのトランスデューサの帯域幅を改善させることがやはり必要である。

【課題を解決するための手段】

【0004】

概要
本開示のいくつかの態様は、超音波トランスデューサに関する。トランスデューサは、その共振周波数において、又はその共振周波数の付近で第１の振動を呈するように構成された少なくとも第１のメンブレンを含み、この第１のメンブレンと、例えば（共振して）相互作用する超音波を送受信（すなわち、送信及び／又は受信）するように構成されている。電子回路は、第１のメンブレンに結合されているとともに、第１の振動を引き起こしたり、第１の振動によって引き起こされたりする電気信号を送受信する。制御要素は、第１のメンブレンの第１の側に配置されているとともに、第１の側への第１の振動の間に、反対の、第２の側と比較して、第１のメンブレンの動きに変位非対称性を誘発するように構成されている。他の態様又はさらなる態様は、メンブレンベースの超音波トランスデューサの有効帯域幅を増強する方法に関する。例えば、制御要素が、トランスデューサの第１のメンブレンの第１の側に配置されて、第１の側及び／又は反対側の、第２の側に向かう第１のメンブレンの変位振幅を増加又は減少させて、第１のメンブレンの第１の振動の間に、第２の側と比較して、第１の側への第１のメンブレンの動きに変位非対称性を誘発する。

【0005】

本明細書で説明するように、本発明者らは、非線形の変位、特に、共振振動の間のメンブレンの一方側への移動が、もう一方側への移動と比較して非対称であることを強制することで、その帯域幅を改善し得ることを見出した。非対称性は、例えば、その振動サイクルの間にメンブレンに非対称の力を加えることによって誘発することができる。このような力は、例えば、圧力上昇、静電力、及び／又は物理的接続を伴う場合がある。様々な組み合わせを使用して、本明細書に記載されているような相乗作用的利点を提供することができる。

【0006】

図面の簡単な説明
本開示の装置、システム及び方法のこれら並びに他の特徴、態様、及び利点は、以下の説明、添付の特許請求の範囲、及び添付の図面から一層よく理解されることになるであろう。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1A】２つのメンブレンを相互に密接して垂直に積み重ねることによって変位非対称性を誘発することを図示したものである。

【図1B】効果をさらに高めるためのメンブレンのエンボスを図示したものである。

【図2A】静電荷を使用して変位非対称性を誘発することを図示したものである。

【図2B】第２のメンブレンと組み合わせて静電荷を使用することを図示したものである。

【図3A】折り畳み可能な構造を使用して閾値を上回る一方向の移動を拘束することによって、変位非対称性を誘発することを図示したものである。

【図3B】折り畳み可能な構造を使用して閾値を上回る一方向の移動を拘束することによって、変位非対称性を誘発することを図示したものである。

【図3C】折り畳み可能な構造を使用して閾値を上回る一方向の移動を拘束することによって、変位非対称性を誘発することを図示したものである。

【図4A】第１のメンブレンに第２の圧電層を使用してメンブレン変位に非対称的に影響を与えることによって、変位非対称性を誘発することを図示したものである。

【図4B】時間の関数としての異なる電気信号の印加、及び結果として生じる振動を図示したものである。

【図5A-5B】時間、及び関連する周波数スペクトル（Ｆ）の強度の関数としての、対称的な圧力パルスと非対称的な圧力パルスの間の比較を図示したものである。

【発明を実施するための形態】

【0008】

実施形態の説明
特定の実施形態を説明するために使用される専門用語は、本発明を限定するものであるようには意図されていない。本明細書で使用される場合、単数形の「１つの（a）」、「１つの（an）」、及び「その（the）」は、文脈により、そうでないことがはっきりと示されていない限り、複数形も同様に含むように意図されている。用語「及び／又は（and/or）」は、関連する列挙項目の１つ又は複数のありとあらゆる組み合わせを含む。用語「含む（comprises）」及び／又は「含んでいる（comprising）」は、述べられる特徴の存在を明示するが、１つ又は複数の他の特徴の存在又は追加を排除しないことが理解されよう。方法の特定のステップが、別のステップの後に続くものとして言及されるとき、特に指定されていない限り、それは、前記他のステップのすぐ後に続く場合もあれば、１つ又は複数の中間ステップが、この特定のステップを行う前に行われる場合もあることが、さらに理解されよう。同様に、構造又は構成部品間の接続が記述されるとき、特に指定されていない限り、この接続は、直接確立されていてもよいし、中間構造又は構成部品を介して確立されていてもよいことが理解されよう。

【0009】

本発明は、本発明の実施形態がそこに示されている添付の図面を参照して、以下でより完全に記述される。図面では、システム、構成部品、層、及び領域の絶対的サイズ及び相対的サイズは、分かり易くするために誇張されている場合がある。実施形態は、本発明の場合によっては理想化された実施形態及び中間構造の、概略図及び／又は断面図の実例を参照して記述される場合がある。説明及び図面では、全体を通して類似した数字は、類似した要素を指す。相対的な用語だけでなくその派生語も同様に、その時に記述されているような、又は検討中の図面に示されているような向きを指すように解釈されるものとする。これらの相対的な用語は、特に記述されていない限り、説明の便宜上のものであり、システムが、特定の向きで構築されていること、又は動作することを必要としない。

【0010】

図１～図４は、メンブレンベースの超音波トランスデューサ１００の有効帯域幅を増大させることを図示したものである。本明細書に記載の実施形態では、超音波トランスデューサ１００は、少なくとも第１のメンブレン１０を含む。例えば、第１のメンブレン１０は、（その共振周波数において、又はその共振周波数の付近で）第１の振動Ｖ１を呈して、例えば、第１のメンブレン１０と（共振して）相互作用する超音波Ｗを送受信する（すなわち、送信及び／又は受信する）ように構成されている。有利には、制御要素Ｃをメンブレンの片側又は両側に設けて、第１のメンブレン１０の動きに変位非対称性Ｚａ＜＞Ｚｂを誘発することができる。例えば、非対称性は、第１の振動Ｖ１の間に、反対側の、第２の側１０ｂと比較して、第１の側１０ａに誘発される。

【0011】

いくつかの実施形態、例えば、示されているような実施形態では、第１のメンブレン１０は、第１のメンブレン１０の平面ＸＹを横断する方向Ｚにそれぞれの振幅Ｚａ、Ｚｂで、第１の側及び第２の側に向かって振動するように構成されている。いくつかの実施形態では、第１の振動Ｖ１は、第１のメンブレン１０の（中心）平衡位置Ｚ１と、第１の側１０ａへの第１のメンブレン１０の最大拡張位置との間に、第１の振幅Ｚａを有する。他の実施形態又はさらなる実施形態では、第１の振動Ｖ１は、平衡位置と、第２の側１０ｂへの第１のメンブレン１０の最大拡張位置との間に、異なった第２の振幅Ｚｂを有する。好ましくは、制御要素Ｃは、第１の振幅Ｚａと第２の振幅Ｚｂとの間に差異を誘発するために、第１のメンブレン１０の動きに影響を与えるように構成され、例えば、この差異は、少なくとも５パーセントであり、好ましくは、少なくとも１０パーセントであり、さらには２０パーセントを超え、例えば、最大５０パーセントにもなり、さらには１００パーセント（２倍）にもなる。例えば、振幅は、平衡位置（メンブレンを作動させない状態）から、それぞれの側（電気信号Ｅ又は超音波Ｗによってメンブレンを作動させた場合）への、メンブレンの中心点のそれぞれの移動の範囲を表す。

【0012】

一実施形態では、制御要素Ｃは、反対方向と比較して、第１の側１０ａ又は第２の側１０ｂに向かう方向のうちの一方での第１のメンブレン１０の動きを低減する（例えば、抵抗、拘束、及び／又は制限する）ように構成されている。例えば、動きの範囲は、少なくとも１／１．０５倍に、１／１．１倍に、１／１．２倍以上に、例えば、最大１／１．５倍に、さらには１／２倍にまで低減される（すなわち、第２の振幅Ｚｂは、第１の振幅Ｚａよりも少なくとも１０パーセント高い）。いくつかの実施形態では、制御要素Ｃは、例えば、抵抗を加えることによって、一方の方向でのメンブレン変位を排他的に低減させるが、もう一方の方向ではほとんど、又はまったく影響を及ぼさない。他の実施形態又はさらなる実施形態では、制御要素Ｃは、例えば、一方の方向に加える抵抗をもう一方よりも大きくして、両方向に、ただし異なる程度でメンブレン変位を低減させることができる。一方の方向での変位を低減させる代わりに、又は低減させることに加えて、制御要素Ｃは、例えば、後述するようにアクティブ制御によって、もう一方の方向にメンブレン変位を増強することもまた想定され得る。

【0013】

好ましくは、電子回路３０が第１のメンブレン１０に結合されている。一実施形態では、電子回路３０は、第１の振動Ｖ１を引き起こす電気信号Ｅ１を送信するように構成されている。別の実施形態又はさらなる実施形態では、電子回路３０は、第１の振動Ｖ１によって引き起こされた電気信号Ｅ１を受信するように構成されている。いくつかの実施形態では、電子回路３０は、第１のメンブレン１０の共振周波数において、又はその共振周波数の付近で１つ又は複数の周波数を含む電気信号Ｅ１を発生させるように構成された信号発生器（図示せず）を含む。他の実施形態又はさらなる実施形態では、電子回路３０は、第１のメンブレン１０の共振周波数において、又はその共振周波数の付近で１つ又は複数の周波数を含む電気信号Ｅ１を検出するように構成された信号検出器（図示せず）を含む。

【0014】

原則として、メンブレンは様々な共振振動に対応することができるが、好ましくは、最も低い共振周波数を有する基本モード（例えば、ｕ_０１又は１ｓとして指定される）は、音波を効率的に発生させたり、受信したりするために使用される。例えば、共振周波数Ｆｒは、例えば、メンブレンの材料特性の１つ又は複数、及び音響メンブレンの直径によって、求められる。他のパラメータ又はさらなるパラメータ、例えば、密度、ポアソン比（Poisson ratio）及びヤング率（Young’s modulus）を使用することもまた可能である。いくつかの実施形態では、基本周波数Ｆｒ（Ｈｚ）は、メンブレン張力Ｔ（Ｎ／ｍ）、密度σ（ｋｇ／ｍ^２）、直径Ｄ（ｍ）などのパラメータを使用して表現することができる。メンブレン厚さ、弾性率、等々といったような他のパラメータ又はさらなるパラメータを使用することもまた可能である。代替的に、又は追加的に、任意の他の分析モデル化又は数値モデル化によって、メンブレンの基本周波数を求めることができる。一実施形態では、特定の共振周波数Ｆｒは、メンブレンの張力及び密度に関して特定の直径Ｄを設定することによって求められる。例えば、直径Ｄは、メンブレン内を伝わって定在波を発生させる波の共振周波数における半波長に対応し得る。

【0015】

好適な一実施形態では、圧電トランスデューサを使用して、メンブレンを作動させる。最も好ましくは、圧電材料が層として可撓性メンブレン上に配置される。他の層、例えば、電極層を設けて、それぞれの電気信号を圧電層に印加するために使用することもまた可能である。本明細書に記載されているように、静電荷を印加するための容量層及び／又は導電性層もまた想定され得る。これらの層は、他の電気信号又はさらなる電気信号によって、例えば、静電荷を印加すること、又はそれぞれの振動の部分的なサイクルの間に電荷を動的に印加することによって、帯電させることができる。

【0016】

トランスデューサのそれぞれの共振周波数における搬送周波数、又は共振周波数周辺の搬送周波数でトランスデューサを駆動することにより、性能を向上させることができる。例えば、メンブレンの第１の共振又は地上共振が使用される。トランスデューサの共振周波数は、比較的高周波であり、例えば、１キロヘルツを超える場合、１０キロヘルツを超える場合、１００キロヘルツを超える場合があり、さらには、１メガヘルツを超える場合さえある。このような高周波は、すべての用途に適しているとは限らない。例えば、８００ヘルツを超える周波数は、触覚に関する用途の場合、感じることが困難な場合がある。例えば、触覚フィードバックに最適な周波数は、５０ヘルツから５００ヘルツの間、好ましくは、１００ヘルツから３００ヘルツの間とすることができる。

【0017】

いくつかの実施形態では、電気信号は、トランスデューサの共振周波数に対応する搬送周波数（可能な限り最良）と、用途に応じてエンベロープ周波数又は変調周波数と、を含む複数の周波数を含む。例えば、触覚フィードバックデバイスは、２００Ｈｚの変調周波数によって変調された振幅である４０ｋＨｚの搬送周波数を使用することができる。３つ以上の周波数、特に、例えば、それぞれのトランスデューサの共振周波数を含む帯域幅の周波数を使用することもまた想定され得る。

【0018】

いくつかの実施形態では、音響デバイスは、本明細書に記載されているように、複数の音響トランスデューサのアレイを含んで形成される。例えば、トランスデューサは、可撓性基板上にパターン化されたスタックによって形成することができる。一実施形態では、スタックは、それぞれの下部電極層と、上部電極層との間に挟まれた圧電層を含む。いくつかの実施形態では、音響トランスデューサの作動面は、接触区域で可撓性基板の一部を含む。他の実施形態又はさらなる実施形態では、メンブレンは、周囲の基板に別々に取り付けることができる。

【0019】

ここで、様々なタイプの制御要素について説明する。いくつかの実施形態では、制御要素Ｃは、受動的な要素、例えば、第１のメンブレン１０に隣接する構成要素を含む。好ましくは、隣接する制御要素Ｃは、第１のメンブレン１０とは直接接触していない。例えば、第１のメンブレン１０と制御要素Ｃとの間にポケット又は他の層を有していることにより、より円滑な相互作用が可能になる場合がある。他の実施形態又はさらなる実施形態では、制御要素Ｃは、能動的に制御される場合があり、例えば、第１のメンブレン１０に及ぼすその効果が、第１の振動Ｖ１のそれぞれのサイクルの間に適合される。

【0020】

図１Ａは、２つのメンブレン１０、２０を相互に密接して垂直に積み重ねることによって、変位非対称性（本図では、Ｚａ＜Ｚｂ）を誘発することを図示したものである。いくつかの実施形態、例えば、示されているような実施形態では、制御要素Ｃは、第１のメンブレンに平行に配置された第２のメンブレン２０を含み、それらの間には、（閉じた）ポケット１５がある。例えば、変位非対称性は、ポケット１５の膨張又は収縮間の非対称性によって引き起こすことが可能である。好ましくは、ポケット１５は、流体、例えば、空気などの気体によって満たされ、ポケットが収縮すると、圧縮に抵抗し、第２のメンブレンの方に向かうポケットの変位の関数として第１のメンブレンに非線形の力を引き起こす。例えば、ポケット内の流体、例えば、空気は、外側に向かう圧力をメンブレンに加えているが、一方、周囲の媒体、例えば、空気は、内側に向かう圧力、例えば、気圧をメンブレンに加えている。通常、外側に向かう圧力は、ポケットが収縮すると大きくなり、ポケットが膨張すると小さくなる。例えば、外側に向かう圧力は、メンブレンが内側に向かって移動するときに、非線形に大きくすることができる。

【0021】

他の実施形態又はさらなる実施形態、例えば、示されているような実施形態では、平衡距離Ｚｅだけその間を離して、平行なメンブレンが配置されている。好適な一実施形態では、距離Ｚｅは、十分な効果を有するように比較的小さい。例えば、距離Ｚｅは、総たわみ振幅Ｚａ＋Ｚｂ、例えば、この総振幅の２倍未満と同等とすることができる。別の好適な実施形態又はさらなる好適な実施形態では、平行なメンブレンは、作動時であっても接触しない距離Ｚｅで配置される。したがって、それらの間に隙間距離Ｚｇを残したままにすることができる。例えば、（非作動時の）メンブレン間の平衡距離Ｚｅは、内側に向かう（第１の）振幅Ｚａの２倍よりも大きい（すなわち、Ｚｅ＞２＊Ｚａ）。したがって、第２のメンブレン２０の内側に向かう振幅Ｚｃが、第１のメンブレン１０の内側に向かう振幅Ｚａと同等である場合、それぞれの振動Ｖ１、Ｖ２が進行中に、それらが接触することはない。

【0022】

いくつかの実施形態では、メンブレンは、直径が０．５ミリメートルから０．５センチメートルの間であり、好ましくは、１ミリメートルから３ミリメートルの間であり、例えば、２ミリメートルである。通常、共振時のメンブレンのたわみ又は総振幅は、直径よりもはるかに小さく、例えば、少なくとも１０分の１、又は１００分の１である。例えば、総振幅Ｚａ＋Ｚｂは、１０ナノメートルから１００マイクロメートルの間であり、好ましくは、１０マイクロメートル未満であり、さらには１マイクロメートル未満にもなる。一実施形態では、メンブレン間の距離Ｚｅは、５ナノメートルから５０マイクロメートルの間の範囲にあり、好ましくは、１０マイクロメートル未満であり、５マイクロメートル未満であり、さらには１マイクロメートル未満にもなる。距離が小さいほど、例えば、メンブレンが接触し始める距離（隙間距離Ｚｇ＝０）に到達するまで非線形効果が大きくなる。ただし、この到達点は含まないことが好ましい。

【0023】

好適な一実施形態では、第１の振動Ｖ１と逆位相にある第２の振動Ｖ２を呈するように第２のメンブレン２０を作動させる。言いかえれば、隣接するメンブレンは、同時に互いの方に向かって、又は互いから離れていくように、移動するように構成されている。理解されるように、このように第２のメンブレンを移動させることにより、膨張／収縮するポケットの効果を著しく高めることができる。他の実施形態又はさらなる実施形態（図示せず）では、第２のメンブレン２０を静止した、又は固定された層／壁に置き換えることもまた想定され得る。例えば、ポケットは、第１のメンブレンと静止した壁との間に形成することができる。

【0024】

図１Ｂは、効果をさらに高めるためのメンブレンのエンボスを図示したものである。いくつかの実施形態、例えば、示されているような実施形態では、少なくとも第１のメンブレン１０は、メンブレンの中心部に、メンブレンの（半径方向の）縁部と比較して相対的に厚く、且つ／又は堅い区分１０ｅを有する。例えば、図１Ａと図１Ｂとの間の比較により図示されているように、これにより、メンブレンのピーク面外変位と比較して、総変位体積を増加させる効果を有することが可能になっている。例えば、図１Ｂの相対的に厚い、又は堅い中心部の区分は、たわみ中の湾曲が小さくなる（例えば、ガウス形（Gaussian）よりもブロック状である）場合があるため、内側に向かう収縮の効果は、図１Ａと比較して、中心部のピークだけよりも大きな区域にわたって広がることが可能である。

【0025】

いくつかの実施形態では、メンブレンの中心部は、例えば、少なくとも１．１倍、１．２倍、１．５倍、２倍以上、縁部よりも厚くなっている。他の実施形態又はさらなる実施形態では、メンブレンの中心部の材料は、縁部よりも堅く、例えば、曲げ剛性［Ｐａ・ｍ^３］及び／又はヤング率［Ｐａ］が、少なくとも１．１倍、１．２倍、１．５倍、２倍以上、高くなっている。好ましくは、厚くした領域及び／又は堅くした領域は、総区域の小区分にわたって広がり、例えば、その区域の５０パーセントから９０パーセントを、好ましくは、６０パーセントから８０パーセントを網羅している。いくつかの実施形態では、メンブレンは、少なくとも一方の側、好ましくは、内側の方向に向かう第１の側１０ａに層又はエンボスが別途設けられている。理解されるように、一方の側に、メンブレンの中心面に対して中心から外れて材料を別途有していることもまた、変位非対称性に寄与する場合がある。

【0026】

図２Ａは、静電荷を使用して変位非対称性を誘発することを図示したものである。いくつかの実施形態、例えば、示されているような実施形態では、制御要素Ｃは、第１のメンブレン１０の表面上、及び第１のメンブレン１０に隣接する別の対向する表面上で、静電荷を発生させるように構成された静電デバイス（図示せず）を含む。理解されるように、静電荷間の引力及び／又は斥力（＋－、＋＋、－－）が、一方向又は両方向でその変位に影響を与える第１のメンブレン１０への非対称の力に寄与する場合がある。本図は、反発し合う（同様の）電荷を示しているが、例えば、反対方向に非対称性を誘発するのであれば、引き寄せ合う電荷を使用することもまた可能である。組み合わせることもまた可能である。

【0027】

いくつかの実施形態、例えば、本図に示されているような実施形態では、また同様に、本明細書に記載の他の実施形態に適用可能な実施形態でも、第１のメンブレン１０は、圧電層１０ｐを含む。例えば、圧電層１０ｐは、電気信号Ｅ１を受信し、且つ／又は発生させるための電子回路３０に結合されている。例えば、交流電気信号を圧電層１０ｐに印加すると、メンブレンを作動させる圧電材料を収縮／膨脹させることができ、その逆も同様である。

【0028】

他の実施形態又はさらなる実施形態、例えば、示されているような実施形態では、第１のメンブレン１０は、静電荷を印加するための、例えば、導電性材料からなる静電層１０ｓを含む。好ましくは、示されているように、静電層１０ｓは、第１のメンブレン１０の、例えば、隣接する第２の静電層１０ｔに面する第１の側１０ａにある。最も好ましくは、示されているように、静電層１０ｓは、第１のメンブレン１０の第１の側１０ａに配置され、一方、圧電層１０ｐは、例えば、反対側の、第２の側１０ｂに配置することができる。他の構成もまた可能である。

【0029】

いくつかの実施形態では、静電デバイスは、静電荷の交流信号（ＡＣ）を発生させるように構成されている。例えば、静電荷の印加は、メンブレンの振動と同期される。一実施形態では、交流電気信号Ｅ１は、第１のメンブレン１０の圧電層１０ｐを作動させるために使用することができ、一方、交流電荷は、変位非対称性を誘発するために（別個の）静電層１０ｓ、１０ｔに印加される。例えば、電気（静電気）信号Ｅ３及び／又はＥ４は、それぞれの静電層１０ｓ、１０ｔに印加することができる。好ましくは、静電荷又は信号Ｅ３、Ｅ４は、振動するメンブレンの各サイクルの間に、例えば、メンブレンが一緒にあるときのサイクルの半分の間だけ、又は離れているときの半分の間だけ、非対称的に印加される。

【0030】

他の実施形態又はさらなる実施形態では、制御要素Ｃは、それぞれの振動サイクルの間にメンブレン変位に動的に影響を与えるように構成されている。例えば、静電荷を動的に変化させ、振動サイクルの一部の間にのみ力を加える。一実施形態では、静電荷は、少なくとも第１のメンブレン１０の剛性（stiffness）に影響を与える。

【0031】

図２Ｂは、第２のメンブレンと組み合わせて静電荷を使用することを図示したものである。いくつかの実施形態では、静電荷は、第２のメンブレン２０に発生する。このような組み合わせは、先の実施形態による非対称性を誘発するという相乗作用的利点を提供することができる。代替的に、又は追加的に、それぞれのメンブレンの中心部に相対的に厚く、且つ／又は堅い区分１０ｅを有する第１のメンブレン１０及び／又は第２のメンブレン２０と組み合わせることによって、さらなる効果を実現することさえ可能である。理解されるように、振動しているメンブレンの相対的に平らな部分により、ポケット内の変位を大きくするだけでなく、電荷が互いから有効な距離内に入ることができる区域を大きくすることもまた可能である。他の有利な組み合わせ、例えば、第１のメンブレン１０の区分のみ、厚くすることもまた可能である。例えば、これは、第２のメンブレン２０の代わりに固定された壁と組み合わせて、図２Ａの単一のメンブレン１０に適用することができる。

【0032】

静電荷を発生させるために交流信号（ＡＣ）を使用する代わりに、又は使用することに加えて、連続信号（ＤＣ）を印加することもまた想定され得る。いくつかの実施形態では、静電デバイスは、静電荷を印加するために、連続信号（ＤＣ）を含むか、又は交流信号（ＡＣ）にオフセット（ＤＣ成分）を含むように構成されており、静電荷は、少なくとも第１のメンブレン１０の平衡位置を変化させるように構成されている。例えば、１つ又は複数のメンブレン上の固定又はオフセットされた静電荷を使用して、中心から外れている可能性がある平衡距離を調整することができる。この場合も、中心部を厚くするか、又は堅くした区分と組み合わせると、効果がより大きくなる場合があり、例えば、よりブロック状のたわみがもたらされる。

【0033】

図３Ａ～図３Ｃは、折り畳み可能な構造を使用して閾値を上回る一方向の移動を拘束することによって、変位非対称性を誘発することを図示したものである。

【0034】

いくつかの実施形態、例えば、示されているような実施形態では、制御要素Ｃは、第１の側１０ａに、第１のメンブレン１０の中心部への（物理的）接続を含む。例えば、この接続により、第１のメンブレン１０の第１の側１０ａに向かう（内側に向かう）変位は可能になるが、第２の側１０ｂへの変位は拘束される。一実施形態では、変位は、物理的接続によって、第２の側１０ｂの方向に閾値変位を超えて、例えば、中心位置を超えて、又はそれ以上、拘束される。一実施形態では、接続は、閾値を超える変位に抵抗するか、又は閾値を超える変位を実質的に妨害する。このような接続の例には、例えば、可撓性の糸／ロープ、支柱のような、より堅い要素、ばねのような弾力性のある要素、等々が含まれる場合がある。いくつかの実施形態では、接続は、一方の方向に折り畳まれ（又は弛んで）、もう一方の方向に閾値変位を超えてきつく引っ張られるように構成された折り畳み可能な構造を含む。

【0035】

一実施形態、例えば、図３Ａ、図３Ｂに図示されているような実施形態では、接続は、第１のメンブレン１０を第２のメンブレン２０（の中心部）に接続している。別の実施形態又はさらなる実施形態、例えば、図３Ｃに示されているような実施形態では、接続は、第１のメンブレン１０を静電層に接続している。接続構造を有する他の実施形態又はさらなる実施形態を想定することもまた可能である。

【0036】

図４Ａは、第１のメンブレン１０に第２の圧電層１０ｑを使用してメンブレン変位に非対称的に影響を与えることによって、変位非対称性を誘発することを図示したものである。いくつかの実施形態では、メンブレンは、第１のメンブレン１０の第１の振動Ｖ１に関する電気信号Ｅ１を送受信するための第１の圧電層１０ｐを含む。他の実施形態又はさらなる実施形態では、制御要素Ｃは、第２の圧電層１０ｑを含み、電子回路は、第２の圧電層１０ｑを作動させて、その振動サイクルＶ１の一部の間に、第１のメンブレン１０の特性を動的に変化させるように構成されている。

【0037】

図４Ｂは、時間Ｔの関数として、異なる電気信号Ｅ１、Ｅ２の印加、及び結果として生じる振動Ｖ１を図示したものである。いくつかの実施形態では、第１の電気信号は、第１の圧電層１０ｐに送信（又はこの圧電層から受信）され、異なった、第２の電気信号Ｅ２が第２の圧電層１０ｑに送信される。他の実施形態又はさらなる実施形態では、第２の電気信号Ｅ２は、第１の振動Ｖ１の特定の部分の間に第２の圧電層１０ｑを作動させるように構成されている。一実施形態では、第２の電気信号Ｅ２は、振動サイクルの方向のうちの一方の方向でのそれぞれの半サイクルの間にメンブレンを排他的に作動させる。例えば、第２の圧電層を作動させて、一方の方向Ｚａでの変位を打ち消すか、又は鈍らせる。このようにして、第１の圧電層１０ｐを介して作動させたメンブレンによって生じた圧力パルスは、もう一方の方向と比較して、前記一方の方向に（非線形に）変形させることができる。好ましくは、第２の圧電層は、第１の圧電層に対してメンブレンの反対側に配置される。例えば、可撓性のメンブレン材料が圧電層１０ｐ、１０ｑ間に配置されている。

【0038】

図５Ａ及び図Ｂは、時間（Ｔ）、及び関連する周波数スペクトル（Ｆ）の強度（Ｉ）の関数として、対称的な圧力パルス（Ｐ）と、非対称的な圧力パルス（Ｐ）と、の間の比較を図示したものである。好適な一実施形態では、非対称的なパルス（図５Ｂ）では、例えば、メンブレン変位がより非線形であることを強制することによって、具体的には、変位非対称性を誘発することによって、有効帯域幅を広げることができる。

【0039】

本開示の態様は、メンブレンベースの超音波トランスデューサの有効帯域幅を増強する方法として具体化することができる。いくつかの実施形態は、メンブレンの片側又は両側に配置された制御要素Ｃを利用して、その側及び／又は反対側に向かうメンブレンの変位振幅を増加又は減少させる。これにより、その振動の間に、メンブレンの動きにいずれかの側に変位非対称性を誘発することができる。

【0040】

いくつかの実施形態、例えば、図１Ａ及び図１Ｂで説明したような実施形態では、制御要素Ｃは、第１の側１０ａに形成されたポケットの変位により圧縮されている流体の圧力によって、第２の側１０ｂと比較して、第１の側１０ａに向かう第１のメンブレン１０の変位振幅Ｚａを変化させ、例えば、減少させる。

【0041】

他の実施形態又はさらなる実施形態、例えば、図２Ａ及び図２Ｂで説明したような実施形態では、制御要素Ｃは、制御要素Ｃにより第１のメンブレン１０に加えられる連続的な静電力及び／又は交流（動的な）静電力によって、第２の側１０ｂと比較して、第１の側１０ａに向かう第１のメンブレン１０の平衡位置及び／又は変位振幅Ｚａを変化させ、例えば、減少又は増加させ、その逆を行ったりする。

【0042】

他の実施形態又はさらなる実施形態、例えば、図３Ａ及び図３Ｂで説明したような実施形態では、制御要素Ｃは、第１の側１０ａの第１のメンブレン１０の中心部への（排他的）物理的接続によって、第１の側１０ａと比較して、第１のメンブレン１０の、第２の側１０ｂに向かう平衡位置及び／又は変位振幅Ｚｂを変化させ、これにより、第１のメンブレン１０の、第１の側１０ａに向かう内側に向かう変位は可能になるが、第２の側１０ｂへの変位は拘束される。

【0043】

他の実施形態又はさらなる実施形態では、制御要素は、例えば、図４Ａ及び図４Ｂで説明したような、それぞれの振動サイクルの間に異なって作動される複数の圧電層１０ｐ、１０ｑを使用して、又は、図２Ａ及び図２Ｂを参照して説明したような可変静電力によって、第１のメンブレン１０の力及び／又は剛性に動的に影響を与える。

【0044】

明瞭且つ簡潔な説明を目的として、本明細書では、特徴が同じ実施形態又は別個の実施形態の一部として記載されているが、本発明の範囲は、記載されたすべての特徴又は一部の特徴の組み合わせを有する実施形態を含み得ることが理解されよう。当然ながら、上記の実施形態又はプロセスのいずれか１つは、設計及び利点を見出し、且つ合致させる際にさらなる改善を提供するために、１つ若しくは複数の他の実施形態又はプロセスと組み合わせてもよいことを理解されたい。本開示は、メンブレンベースのトランスデューサの帯域幅の増大に特定の利点を提示し、概して、共振型トランスデューサを使用する任意の用途に適用し得ることが理解される。

【0045】

添付の特許請求の範囲を解釈する際に、特に具体的に記述されていない限り、「含んでいる（comprising）」という語は、所与の請求項で列挙されているもの以外の他の要素又は行為の存在を除外するものではなく、ある要素に先行する「１つの（a）」又は「１つの（an）」という語は、このような要素が複数存在することを除外するものではなく、特許請求の範囲に記載されているどの参照符号も、その範囲を限定するものではなく、いくつかの「手段（means）」は、同じ若しくは異なる項目（複数も可）、又は実装される構造若しくは機能によって表される場合があり、開示されているデバイス又はその部分はいずれも、一緒に組み合わせられる場合もあれば、さらなる部分に分離される場合もある、と理解されるものとする。１つの請求項が別の請求項に言及している場合、これは、それぞれの特徴の組み合わせによって実現される相乗作用的利点を示している場合がある。しかし、ある特定の手段が相互に異なる請求項で引用されているからといって、これらの手段の組み合わせを使用して利点を得ることができないことを示すものではない。したがって、本実施形態は、請求項のすべての有効に働く組み合わせを含む場合があり、各請求項は、文脈によって明らかに除外されない限り、原則として任意の先行する請求項を参照することができる。

【図1A】

【図1B】

【図2A】

【図2B】

【図3A】

【図3B】

【図3C】

【図4A】

【図4B】

【図5A】

【図5B】

【国際調査報告】