(57)【要約】【課題】エレメント毎でセルの振動膜等の絶縁膜内に残留する電荷の量をほぼ均一にして、エレメント毎の弾性波の送受信特性を良好に揃えることができる静電容量型電気機械変換装置を提供する。【解決手段】静電容量型電気機械変換装置は、間隙１０４を介して対向して配置された２つの電極１０２、１０５と、間隙１０４の２つの電極１０２、１０５の一方の電極側に設けられた絶縁膜１０１とを含むセルを複数有する。装置は、更に、２つの電極間に印加する電圧を調整するための電圧印加手段１０７と、絶縁膜１０１と２つの電極の他方の電極とのうちの一方に印加する外力を調整して絶縁膜と他方の電極との接触及び接触解除を選択的に行うための外力印加手段１０８を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
間隙を介して対向して配置された２つの電極と、前記間隙の前記２つの電極の一方の電極側に設けられた絶縁膜とを含むセルを複数有する静電容量型電気機械変換装置であって、
前記２つの電極間に印加する電圧を調整するための電圧印加手段と、
前記絶縁膜と前記２つの電極の他方の電極とのうちの一方に印加する外力を調整して前記絶縁膜と前記他方の電極との接触及び前記接触の解除を選択的に行うための外力印加手段と、
を有することを特徴とする静電容量型電気機械変換装置。
【請求項２】
前記電圧印加手段と前記外力印加手段を制御して、前記電圧と前記外力を独立して調整するための制御手段を有することを特徴とする請求項１に記載の静電容量型電気機械変換装置。
【請求項３】
前記制御手段は、
前記電圧印加手段を制御して弾性波の送受信を行う第１の動作と、前記外力印加手段と前記電圧印加手段を制御して前記セルの絶縁膜内に残留する電荷量を均一にする第２の動作とを選択的に行うことを特徴とする請求項１または２に記載の静電容量型電気機械変換装置。
【請求項４】
前記制御手段は、
前記電圧印加手段を制御して前記２つの電極間に電圧を印加する第１の工程と、前記外力印加手段を制御して前記絶縁膜と前記他方の電極とを接触させる第２の工程と、前記外力印加手段を制御して前記絶縁膜と前記他方の電極との接触を解除する第３の工程と、前記電圧印加手段を制御して前記２つの電極間への電圧印加を停止する第４の工程とを、第１、第２、第３、第４の工程の順、または第２、第１、第４、第３の工程の順、または第１、第２、第４、第３の工程の順、または第２、第１、第３、第４の工程の順に実行して、前記第２の動作を行うことを特徴とする請求項３に記載の静電容量型電気機械変換装置。
【請求項５】
前記制御手段は、
前記第２の動作において、前記絶縁膜内に残留する電荷量を、前記振動膜が保持できるほぼ最大の電荷量とすることを特徴とする請求項３または４に記載の静電容量型電気機械変換装置。
【請求項６】
前記制御手段は、
前記第２の動作において、前記電圧印加手段が印加する電圧を、前記第１の動作において前記電圧印加手段が印加する電圧とは逆の極性にさせることを特徴とする請求項３から６の何れか１項に記載の静電容量型電気機械変換装置。
【請求項７】
前記外力印加手段は、
物理的な機構を用いて前記外力を印加する手段、または前記絶縁膜と前記２つの電極の他方の電極とのうちの一方の外側に隣接している媒質の圧力を調整する手段、または前記絶縁膜と前記２つの電極の他方の電極とのうちの一方の上に配置され前記一方を変形する手段、または前記外力として電磁気力を用いる手段であることを特徴とする請求項１から６の何れか１項に記載の静電容量型電気機械変換装置。
【請求項８】
請求項１から７の何れか１項に記載の静電容量型電気機械変換装置を有し、
測定対象物に向かって出射され前記測定対象物から到来する弾性波を前記静電容量型電気機械変換装置で受信することで得る弾性波受信信号を用いて前記測定対象物の画像を再現することを特徴とする画像形成装置。
【請求項９】
間隙を介して対向して配置された２つの電極と、前記間隙の前記２つの電極の一方の電極側に設けられた絶縁膜とを含むセルを複数有し、前記２つの電極間に変調する静電引力を発生させることにより前記電極の１つを振動させて弾性波を送信する送信動作と、弾性波を受けて前記電極の１つが振動することによる前記２つの電極間の容量の変化を検出して弾性波を受信する受信動作との少なくとも一方を行う静電容量型電気機械変換装置の制御方法であって、
前記２つの電極間に印加する電圧を調整して弾性波の送受信を行う工程と、
前記２つの電極間に印加する電圧を調整すると共に、前記絶縁膜と前記２つの電極の他方の電極とのうちの一方に印加する外力を調整して前記絶縁膜と前記他方の電極との接触及び前記接触の解除を選択的に行って前記セルの絶縁膜内に残留する電荷量を均一にする工程と、
を有することを特徴とする制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波などの弾性波の送受信（本明細書で送受信と言う場合、送信と受信のうちの少なくとも一方を意味する）を行う静電容量型電気機械変換装置及びその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波の送受信を行うトランスデューサとして、静電容量型超音波トランスデューサであるＣＭＵＴ（Capacitive-Micromachined-Ultrasonic-Transducer）が提案されている。ＣＭＵＴは、半導体プロセスを応用したＭＥＭＳ（Micro-Electro-Mechanical-Systems）プロセスを用いて作製されたものである（特許文献１参照）。図２は、ＣＭＵＴの断面の模式図である。図２において、１０１は振動膜、１０２は第１の電極（上部電極）、１０３は支持部、１０４は空隙などである間隙、１０５は第２の電極（下部電極）、１０６は基板、１０７は電圧印加手段である。このＣＭＵＴでは、振動膜１０１上に第１の電極１０２が形成され、その振動膜１０１は、第１の基板１０６上に形成された支持部１０３により支持されている。基板１０６上には、振動膜１０１上の第１の電極１０２と、これと間隙１０４（通常数十ｎｍ〜数百ｎｍ）を挟んで対向した第２の電極１０５が配置されている。図２では、振動膜１０１は絶縁膜で形成され、ＣＭＵＴは、第１及び第２の電極１０２、１０５間に電圧印加手段１０７により所定の電圧（電位差）を印加した状態で使用される。第１と第２の電極間の電位差により、電極間に静電引力が発生する。この静電引力が、自身のバネ特性により振動膜１０１が下部電極１０５側の方向と逆方向に戻ろうとする力を超えると、振動膜１０１が変形して下部電極１０５に接触する（この時の電圧をプルイン電圧と呼ぶ）。この接触する条件は、振動膜の持つバネ特性の値や、電極間に発生する静電引力の大きさによって決まる。逆に、この静電引力を小さくすることにより、振動膜１０１が下部電極１０５から離れた状態となる。図２は、静電引力と大気圧により振動膜１０１が基板１０６側に少し撓んだ状態を示している。これら振動膜１０１と間隙１０４を挟んで対向した２つの電極を１組としてセルと呼ぶ。第１の電極（上部電極）１０２と第２の電極（下部電極）１０５が夫々接続された複数（通常１００〜３０００個程度）のセルを、超音波の送受信を行う単位としてエレメントと呼ぶ。
【０００３】
他方、第１及び第２の電極１０２、１０５間に電圧を印加すると、振動膜（絶縁膜）に電界が印加され、振動膜１０１内に電荷が侵入する。第１と第２の電極間の電位差を０としても、振動膜内に残る電荷が存在する。この振動膜１０１内に残留する電荷により、第１と第２の電極間の電界が所定の値と異なることになるので、超音波の送受信特性が所定の特性からずれてしまう。特に、振動膜１０１が下部電極１０５に接触した際に、振動膜１０１内に残留する電荷の量が大きく変化し、超音波の送受信特性が大きな影響を受ける。使用時には、第１と第２の電極間には一定の電圧が印加され続けており、エレメントに予期しない外力が印加されると、振動膜が下部電極１０５に接触することがあり、振動膜１０１内に残留する電荷量が増減してしまう。そのため、予期しない外力が印加されたエレメントとそれ以外のエレメントで、残留電荷量が大きく異なってしまう。この様に振動膜１０１が帯電すると、振動膜１０１と下部電極１０５間に発生する静電引力が所定の大きさからずれ、上述した様に超音波の送受信特性が大きな影響を受ける。この対策として、極性を反転させたパルスを複数回印加して、帯電した電荷の放電を加速させる方法が提案されている（特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第６４３０１０９号
【特許文献２】国際公開第２００７／０５８０５６号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
実際の超音波トランスデューサアレイでは、エレメント毎のパラメータ（エレメント内のセルを構成する振動膜１０１の厚さ、大きさ、膜質や、支持部の形状、第１と第２の電極間の間隔など）が、ばらつきを有している。これらのばらつきにより、振動膜１０１の持つバネ特性の値や電極間に発生する静電引力の大きさがエレメント毎に異なり、プルイン電圧がエレメント毎に異なってしまう。一例を挙げると、約3cm×5cmの領域内で±5％程度プルイン電圧のばらつきが発生する。そのため、プルイン電圧より大きい電圧を複数のエレメントに印加した場合でも、エレメント毎で、振動膜１０１と第２の電極１０５が接触及び剥離するタイミングや接触及び剥離する時の電界の大きさが、異なる。こうしたタイミングや電界の大きさは、装置の構成とプルイン電圧により決まってしまい、夫々を独立して制御することはできない。ここで、振動膜１０１内の残留電荷量は、振動膜１０１が第２の電極１０５に接触している時間の長さと、その時の印加電界の強さでほぼ決定される。この様に、同じ構成のトランスデューサアレイでは、プルイン電圧で、上記タイミングや電界の大きさがほぼ決まるため、エレメント毎にプルイン電圧が異なる場合、帯電量を揃えることは難しい。一方、複数のエレメントに同じ大きさの予期しない外力が印加された場合でも、エレメント毎で、接触及び剥離する時のタイミングや電界の大きさが異なり、振動膜内の残留電荷量が異なってしまう。
【０００６】
特許文献２に記載の方法では、単一のエレメントに蓄積した電荷を放電させることはできる。しかし、エレメントでの接触・剥離時のタイミングや電界の大きさを、電極間への印加電圧を用いて同時に制御している。そのため、パラメータのばらつきによりプルイン電圧が異なる複数のエレメントの帯電特性を均一にすることは難しい。この様に、複数のエレメントを配置したトランスデューサでは、エレメント毎のパラメータのばらつきによりプルイン電圧がばらつきを持っており、エレメント毎の帯電量を揃えることが難しい。そのため、振動膜（絶縁膜）に残留する電荷量の差によって、エレメント毎に超音波の送受信特性が異なり、超音波トランスデューサ全体の送受信特性を劣化させる原因となる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題に鑑みて、本発明の静電容量型電気機械変換装置は、間隙を介して対向して配置された２つの電極と、前記間隙の前記２つの電極の一方の電極側に設けられた絶縁膜とを含むセルを複数有し、電圧印加手段と外力印加手段を備える。電圧印加手段は、前記２つの電極間に印加する電圧を調整するためのものである。外力印加手段は、前記絶縁膜と前記２つの電極の他方の電極とのうちの一方に印加する外力を調整して前記絶縁膜と前記他方の電極との接触及び前記接触の解除を選択的に行う、即ち、接触と接触解除を時に応じて択一的に行うためのものである。
【０００８】
また、上記課題に鑑みて、本発明の静電容量型電気機械変換装置の制御方法は、次の工程を有する。２つの電極間に印加する電圧を調整して弾性波の送受信を行う工程。２つの電極間に印加する電圧を調整すると共に、絶縁膜と１つの電極とのうちの一方に印加する外力を調整して絶縁膜と他方の電極との接触及び接触の解除を選択的に行ってセルの絶縁膜内に残留する電荷量を均一にする工程。ここで、静電容量型電気機械変換装置は、間隙を介して対向して配置された２つの電極と、間隙の２つの電極の一方の電極側に設けられた絶縁膜とを含むセルを複数有する。そして、２つの電極間に変調する静電引力を発生させることにより電極の１つを振動させて弾性波を送信する送信動作と、弾性波を受けて電極の１つが振動することによる２つの電極間の容量の変化を検出して弾性波を受信する受信動作との少なくとも一方を行う。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、たとえエレメント毎にプルイン電圧特性が異なっている場合等でも、エレメント毎で振動膜等の絶縁膜内に残留する電荷の量をほぼ均一にして、エレメント毎の弾性波の送受信特性を良好に揃えられる静電容量型電気機械変換装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１の実施形態に係る静電容量型電気機械変換装置を説明する図。
【図２】従来の静電容量型電気機械変換装置を説明する図。
【図３】第１の実施形態に係る静電容量型電気機械変換装置を説明する図。
【図４】第２の実施形態に係る静電容量型電気機械変換装置を説明する図。
【図５】第３の実施形態に係る静電容量型電気機械変換装置を説明する図。
【図６】第４の実施形態に係る静電容量型電気機械変換装置を説明する図。
【図７】第５の実施形態に係る静電容量型電気機械変換装置を説明する図。
【図８】第６の実施形態に係る静電容量型電気機械変換装置を説明する図。
【図９】第７の実施形態に係る静電容量型電気機械変換装置を説明する図。
【図１０】第８の実施形態に係る静電容量型電気機械変換装置を説明する図。
【図１１】第９の実施形態の静電容量型電気機械変換装置を用いた画像形成装置の説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明で重要な点は、２つの電極間に印加する電圧を調整するための手段と、振動膜などである絶縁膜と１つの電極とのうちの一方に印加する外力を調整して絶縁膜と電極との接触及び接触解除を選択的に行うための手段とを別に備えることである。これにより、上記接触及び接触解除（剥離）と電界とを独立して変化ないし調整することができ、絶縁膜に印加する電界の大きさと接触時間を一定に正確且つ安定的に制御できる。
【００１２】
以下、図面を用いて、本発明による静電容量型電気機械変換装置及びその制御方法の実施形態を詳細に説明する。
（第１の実施形態）
第１の実施形態を示す図１（ａ）で、１０１は振動膜、１０２は第１の電極（上部電極）、１０３は支持部、１０４は空隙などである間隙、１０５は第２の電極（下部電極）、１０６は基板である。これらでセルが構成され、装置はセルを複数有する。また、１０７は電圧印加手段、１０８は外力１１０を印加する外力印加手段である。図１（ａ）の構成では、振動膜１０１上に第１の電極１０２が形成され、振動膜１０１は、第１の基板１０６上に形成された支持部１０３により支持されている。第１の基板１０６上には、振動膜１０１上に形成した第１の電極１０２と、これと間隙１０４（通常数十ｎｍ〜数百ｎｍ）を挟んで対向した他方の電極である第２の電極１０５が配置されている。電圧印加手段１０７と外力印加手段１０８は制御手段１１１により独立的に制御される。
【００１３】
本実施形態は、図３に示す様に、超音波などの弾性波の送受信２０１を行う期間と振動膜内に残留する電荷量を均一にする工程２０２を行う期間との２つの期間を有していることが特徴である。まず、送受信２０１を行う期間での第１の動作である送受信動作を説明する。送信動作では、第１及び第２の電極間に交流電圧を印加することで静電引力を発生させ、第１の電極１０２を振動させて弾性波を送信する（工程２１１）。この際、第１及び第２の電極１０２、１０５間には、交流の電圧に直流電圧を重畳して静電引力を発生させる。この静電引力により、第１及び第２の電極１０２、１０５間を最適な間隔にすることで、効率の良い弾性波の送信を行うことができる。一方、受信動作では、弾性波を受けて振動膜１０１上に配置した第１の電極１０２が振動することにより第１及び第２の電極間の容量が変化し、これを検出して弾性波を受信する。この際、第１及び第２の電極１０２、１０５間に直流電圧を印加することで第２の電極１０５に電流が流れ、電流量を測定して容量変化を検出する（工程２１２）。送信動作と同様に、電極間に印加する直流電圧で発生する静電気力により第１及び第２の電極１０２、１０５間を最適な間隔にすることで、効率の良い弾性波の受信を行うことができる。
【００１４】
ここで、送受信動作の送信や受信の効率は、第１及び第２の電極１０２、１０５の間隔に大きく依存している。振動膜内に電荷が残留していると、第１と第２の電極間には、外部から印加した電界に加えて、残留した電荷が発生する電界が存在する。そのため、第１と第２の電極間での電界が所望の電界とずれてしまい、第１と第２の電極間に発生する静電引力が所定の値から差を生じる。これにより、第１と第２の電極間の間隔が所定の値からずれて、ＣＭＵＴの送信や受信の効率が変化してしまう。こうした事態を起こさない様にするために振動膜１０１内に残留する電荷量を均一にする。
【００１５】
次に、振動膜１０１内に残留する電荷量を均一にする第２の動作を実行する工程２０２について説明する。本実施形態では、振動膜１０１内に残留する電荷量を均一にする工程を行うために、電圧印加手段１０７とは別に外力印加手段１０８を備える。外力印加手段１０８は、振動膜１０１に外力を印加して、振動膜１０１と第２の電極１０５を接触させたり、振動膜１０１と第２の電極１０５の接触を解除（剥離）したりすることができる。制御手段１１１の制御の下、この外力印加手段１０８により、第１と第２の電極間の印加電圧値と独立して、振動膜１０１と第２の電極１０５間の接触や接触の解除を行うことができる。
【００１６】
本実施形態では、電圧印加手段１０７により第１と第２の電極間に電圧を印加した状態で、外力印加手段１０８を用いて振動膜１０１と第２の電極１０５間の接触や接触の解除を行う。図３を用いて、本実施形態の具体的な工程を説明する。本実施形態では、振動膜１０１内に残留する電荷量を均一にする工程は、第１から第４の工程（３０１〜３０４）を有する。第１に、電圧印加手段１０７を用いて第１と第２の電極間に電圧を印加する工程３０１（第１の工程）を行う。第２に、外力印加手段１０８を用いて振動膜１０１を第２の電極１０５に接触させる工程３０２（第２の工程）を行う。第３に、外力印加手段１０８を用いて振動膜１０１と第２の電極１０５の接触を解除する工程３０３（第３の工程）を行う。第４に、電圧印加手段１０７を用いて第１と第２の電極間への電圧印加を停止する工程３０４（第４の工程）を行う。
【００１７】
第１の工程３０１では、電圧印加手段１０７が第１及び第２の電極１０２、１０５間に或る電圧を印加することで、電極間に電界を生じさせる。この電圧により電極間に発生する静電引力では振動膜１０１と第２の電極１０５は接触しない様に、電圧値は設定されている。電極間には電界が生じているが、振動膜１０１と第２の電圧１０５は接触していないので、振動膜１０１内に残留している電荷量は殆ど変化しない。
【００１８】
第２の工程３０２では、外力印加手段１０８が、基板１０６方向に、振動膜１０１が持つバネ特性を越える外力を振動膜１０１に印加することで、振動膜１０１と第２の電極１０５を接触させる。この時、エレメント毎の特性ばらつきにより、電極間の初期の間隔や上記電圧で電極間に生じた静電引力の違いに起因して、振動膜１０１の撓みが異なっている。しかし、外力印加手段１０８により印加される外力は十分大きいため、これにより外力が印加されるタイミングに一致して、全てのエレメントの振動膜１０１は第２の電極１０５に同時に接触する。ここで印加する外力は十分大きな値であるため、振動膜１０１と第２の電極１０５の接触領域は均一になっている。そのため、全てのエレメントに電圧印加手段１０７により一定電圧を印加しているので、振動膜１０１内では均一の電界が生成されている。この状態では、振動膜１０１が第２の電極１０５に接触しており且つ振動膜１０１内に電界があるため、振動膜１０１の電荷は電極側に移動し、振動膜１０１に残留している電荷の量が変化する。
【００１９】
第３の工程３０３では、外力印加手段１０８が、振動膜１０１に印加していた基板１０６方向の外力を減少（または、無くす、或いは逆向きの外力を印加）させることで、振動膜１０１と第２の電極１０５の接触が全エレメント同時に解除される。この状態では、振動膜１０１が第２の電極１０５に接触していないため、振動膜１０１内に残留している電荷の移動が停止し、その後、電荷量は殆ど変化しない。第４の工程３０４では、電圧印加手段１０７による第１及び第２の電極１０２、１０５間への電圧印加を停止する。
【００２０】
本実施形態では、電圧印加手段１０７とは別に外力印加手段１０８を有する構成を用いることで、第１及び第２の電極１０２、１０５間に印加する電圧に依らず、振動膜１０１と第２の電極１０５が同等な接触領域を保持できる（第２の工程３０２）。そのため、第１及び第２の電極１０２、１０５間に発生する静電気力を考慮する必要なく、印加する電圧を最適な値に設定でき、振動膜１０１内に生じる電界の強さを最適な値にできる（第２の工程３０２）。加えて、振動膜１０１と第２の電極１０５の接触している時間の長さを調整することで、振動膜１０１内の残留電荷を変化させる時間を正確に制御できる（第２の工程３０２から第３の工程３０３開始までの期間）。
【００２１】
以上の様に、振動膜１０１が第２の電極１０５に接触した際に振動膜１０１に残留する電荷量を決定する主要なパラメータである、振動膜１０１に印加する電界の大きさと接触時間の長さを正確に制御できる。そのため、異なるエレメント間において、最終的に振動膜１０１に残留する電荷量を或る一定値（同じ値）に調整できる。特に、本実施形態では、電圧を印加する工程３０１で振動膜１０１と第２の電極１０５が接触していないため、工程３０１で電圧波形にサージが発生した場合でも、振動膜１０１に残留する電荷量が影響を受け難い工程順となっている。
【００２２】
（第２の実施形態）
次に、図４を用いて第２の実施形態を説明する。第２の実施形態は、振動膜１０１内に残留する電荷量を均一にする工程２０２内の工程順が異なる。それ以外は、第１の実施形態と同じである。本実施形態は、外力印加手段１０８による振動膜１０１と第２の電極１０５間の接触や接触の解除を行う工程と、電圧印加手段１０７により振動膜１０１内に残留する電荷量を変化させる工程とを、分離して行うことが特徴である。
【００２３】
本実施形態では、振動膜１０１内に残留する電荷量を均一にする工程２０２は、図４（ａ）で示す様に、第１から第４の工程からなる。第１に、外力印加手段１０８を用いて、振動膜１０１を第２の電極１０５に接触させる工程４０１（第１の工程）を行う。第２に、電圧印加手段１０７を用いて、第１と第２の電極により振動膜１０１に電界を印加する工程４０２（第２の工程）を行う。第３に、電圧印加手段１０７を用いて、第１と第２の電極による振動膜１０１への電圧印加を停止する工程４０３（第３の工程）を行う。第４に、外力印加手段１０８を用いて、振動膜１０１と第２の電極１０５の接触を解除する工程４０４（第４の工程）を行う
【００２４】
第１の工程４０１では、外力印加手段１０８が、基板１０６方向に、振動膜１０１が持つバネ特性を越える外力を振動膜１０１に印加することで、振動膜１０１と第２の電極１０５を接触させる。エレメント毎に振動膜１０１のバネ特性のばらつきがあっても、振動膜１０１と第２の電極１０５の接触領域が均一になる様に、印加する外力はこのばらつきを考慮した大きな値となっている。この状態では、振動膜１０１には外部から電界が印加されていないため、振動膜１０１と第２の電極１０５が接触していても、振動膜１０１内に残留している電荷量は殆ど変化しない。
【００２５】
第２の工程４０２では、電圧印加手段１０７が第１及び第２の電極１０２、１０５間に電圧を印加することで、振動膜１０１内に電界を生じさせる。この時、外力印加手段１０８の作用により、接触領域が均一になる様に振動膜１０１と第２の電極１０５は接触している（第１の工程）ので、同じ電圧を印加すれば、振動膜１０１内では所望の電界を生成できる。この状態では、振動膜１０１内に電界があるため、振動膜１０１の電荷は電極側に移動し、振動膜１０１に残留している電荷量が変化する。
【００２６】
第３の工程では、電圧印加手段１０７による第１及び第２の電極１０２、１０５間への電圧印加を停止する。これにより、振動膜１０１内に外部から生成された電界が無くなるため、電荷が移動しなくなり、振動膜１０１内に残留している電荷量は殆ど変化しなくなる。第４の工程では、外力印加手段１０８が、振動膜１０１に印加していた基板１０６方向の外力を減少（または、無くす、或いは逆向きの外力を印加）させることで、振動膜１０１と第２の電極１０５の接触を解除させる。この時、振動膜１０１内には外部から生成された電界が無く電荷の移動は起こらないため、接触を解除しても、振動膜１０１内に残留している電荷量は殆ど変化しない。
【００２７】
本実施形態でも、電圧印加手段１０７とは別に外力印加手段１０８を有する構成を用いることで、第１及び第２の電極１０２、１０５間に印加する電圧に依らず、振動膜１０１と第２の電極１０５が均一な接触領域を保持できる（第１の工程４０１）。そのため、第１及び第２の電極１０２、１０５間に発生する静電気力を考慮する必要なく、印加する電圧を最適な値に設定でき、振動膜１０１内に生じさせる電界の強さを最適な値にできる（第２の工程４０２）。加えて、電圧を印加する時間を電気的に調整することにより、振動膜１０１に電界を印加する時間を、より正確な長さに制御できる（第２の工程４０３と第３の工程４０４）。
【００２８】
以上の様に、振動膜１０１が第２の電極１０５に接触した際に振動膜１０１に残留する電荷量を決定する主要なパラメータである、振動膜１０１に印加する電界の大きさと電界印加時間の長さをより正確に制御できる。そのため、異なるエレメント間において、最終的に振動膜１０１に残留する電荷量を、より正確な値に調整できる。特に、本実施形態では、電圧の印加を解除する工程４０３以後も、振動膜１０１と第２の電極１０５が接触しているため、振動膜１０１内に残留する電荷が第２の電極１０５側に流れ込む時間に余裕がある。そのため、振動膜１０１に残留した電荷が持つ放電の時定数の影響を受けにくい工程順となっている。
【００２９】
（第３の実施形態）
次に、図５を用いて第３の実施形態を説明する。第３の実施形態は、振動膜１０１内に残留する電荷量を均一にする工程２０２でのパラメータに関して特徴を有する。それ以外は、第１と第２の何れかの実施形態と同じである。本実施形態では、振動膜（絶縁膜）１０１内に残留する電荷量を均一にする工程２０２において、振動膜１０１が保持できるほぼ最大の電荷量になる様にする。
【００３０】
図５に示す様に、振動膜１０１に残留する電荷量は、或る一定値を越えると、電界の大きさや時間を変化させても増加し難くなる。本明細書中では、この一定値を振動膜１０１内の飽和電荷量と呼ぶ。この値は、振動膜１０１の厚さと膜質、第１と第２の電極の形状と接触状態により決まるため、理想的にはエレメント毎でほぼ均一な値となる。しかし、電圧印加手段１０７により発生する静電引力を用いて振動膜１０１と第２の電極１０５を接触させた状態では、残留する電荷量がばらついてしまう。これは、振動膜１０１内に残留する電荷量が多くなるにつれて、残留する電荷による静電引力も発生し、振動膜１０１と第２の電極１０５の接触領域が変化してしまうことに起因する。
【００３１】
本実施形態では、外力印加手段１０８を有しており、振動膜１０１内に残留する電荷量の影響を受けることなく、振動膜１０１と第２の電極１０５との接触領域を均一にする外力を印加できる。そのため、エレメント毎の振動膜１０１内に残留する電荷を、全てのエレメントで振動膜１０１内の飽和電荷量にほぼ一致させることができる。よって、異なるエレメント間において、最終的に振動膜１０１に残留する電荷量を、より均一な値に調整できる。こうして、本実施形態を用いることで、エレメント毎で振動膜１０１内に残留する電荷の量がより均一である静電容量型電気機械変換装置を提供できる。
【００３２】
（第４の実施形態）
次に、図６を用いて第４の実施形態を説明する。第４の実施形態は、振動膜１０１内に残留する電荷量を均一にする工程２０２において、電圧印加手段１０７が印加する電圧に関して特徴を有する。それ以外は、第１から第３の何れかの実施形態と同じである。本実施形態では、振動膜１０１内に残留する電荷量を均一にする工程２０２において、電圧印加手段１０７が印加する電圧が、超音波などの弾性波の送受信２０１を行う期間に印加する電圧Ｖｂとは逆の極性である。
【００３３】
図６に、電圧印加手段１０７が印加する電圧を示す。図６（ａ）では、横軸が時間、縦軸が超音波などの弾性波の送受信２０１を行う期間に印加する電圧である。図６（ｂ）、（ｃ）では、横軸が時間、縦軸が振動膜１０１内に残留する電荷量を均一にする工程２０２で印加する電圧である。本実施形態で送受信を行う時には、第１と第２の電極間には一定の電圧Ｖｂが印加され続けている。その状態でエレメントに予期しない外力が印加されて振動膜１０１と第２の電極１０５間で接触が起きると、振動膜１０１内にはその電圧Ｖｂの極性に対応した電荷が残留することになる。この状態に対して、振動膜１０１内に残留する電荷量を均一にする工程２０２を行う。
【００３４】
第１の実施形態で記載した工程順を用いる場合には、工程２０２において、図６（ｂ）で表す様な電圧を印加する。図６（ｂ）では、電圧印加手段１０７を用いて、第１と第２の電極間に電界を印加する工程３０１から、第１と第２の電極間への電圧印加を停止する工程３０４までの間は、一定の電圧Ｖｃを印加し続ける。この一定の電圧Ｖｃは、送受信時に印加した電圧Ｖｂと逆の極性を持っている。そのため、第２の工程３０２で、外力印加手段１０８を用いて振動膜１０１を第２の電極１０５に接触させることで、振動膜１０１内には送受信時の印加電圧Ｖｂと逆の極性の電界が生成される。これにより、送受信時の印加電圧Ｖｂの極性に対応した電荷を打ち消す様に、振動膜１０１付近での電荷の移動が起こり、振動膜１０１内に残留する電荷が急速に減少する。印加する電圧Ｖｃの大きさと、振動膜１０１と第２の電極１０５を接触させている接触時間とを所定の値にすることで、振動膜１０１内に残留する電荷量を均一にすることができる。
【００３５】
第２の実施形態で記載した工程順を用いる場合には、工程２０２において、図６（ｃ）で表す様な電圧を印加する。図６（ｃ）では、電圧印加手段１０７を用いて、第１と第２の電極間に電界を印加する工程４０２から、第１と第２の電極間への電圧印加を停止する工程４０３までの間は、一定の電圧Ｖｃを印加し続ける。この一定の電圧Ｖｃは、送受信時に印加した電圧Ｖｂと逆の極性を持っている。第２の実施形態では、電圧印加手段１０７を用いて第１と第２の電極により振動膜１０１に電界を印加する工程４０２と、電圧印加を停止する工程４０３の前後では、振動膜１０１と第２の電極１０５は接触したままである。そのため、第２の工程４０２で、電圧印加手段１０７を用いて第１と第２の電極間に電圧Ｖｃを印加することで、振動膜１０１内には送受信時の印加電圧Ｖｂと逆の極性の電界が生成される。それにより、送受信時の印加電圧Ｖｂの極性に対応した電荷を打ち消す様に、振動膜１０１付近での電荷の移動が起こり、振動膜１０１内に残留する電荷が急速に減少する。電圧Ｖｃの大きさと接触時間を所定の値にすることで、振動膜１０１内に残留する電荷量を均一にできる。
【００３６】
以上の様に、送受信時の印加電圧Ｖｂと逆の極性の印加電圧Ｖｃを用いることで、振動膜１０１に残留する電荷量を短い時間で変化させられる。そのため、エレメント毎の振動膜１０１に残留する電荷量を、短時間で均一にできる。本実施形態を用いることで、エレメント毎で振動膜１０１内に残留する電荷の量を短時間で均一にできる静電容量型電気機械変換装置を提供できる。そのため、振動膜１０１内に残留する電荷の影響による送受信特性の変化をより短い時間で補正でき、エレメント毎の弾性波の送受信を行う間隔をより短くできる。言い換えれば、送受信の頻度を上げることができる。
【００３７】
（第５の実施形態）
次に、図７を用いて第５の実施形態を説明する。第５の実施形態は、外力印加手段１０８に関して特徴を有する。それ以外は、第１から第４の何れかの実施形態と同じである。本実施形態では、外力印加手段１０８は、物理的な機構を用いて振動膜１０１に外力を印加する。
【００３８】
図７で、外力印加手段１０８を構成する要素として、５０１はピン、５０２はピン支持部、５０３は移動機構である。ピン５０１は、各振動膜１０１に１対１で対応して配置され、ピン支持部５０２により支持されている。ピン５０１を振動膜１０１に押付けることにより振動膜１０１へ均一な外力を印加できる構成となっている。本実施形態において、超音波などの弾性波の送受信を行う工程２０１では、図７（ａ）に示す様に、ピン５０１は振動膜１０１に外力を与えなく且つ弾性波の送受信に影響を与えない位置に保持されている。振動膜１０１内に残留する電荷量を均一にする工程２０２では、図７（ｂ）、（ｃ）で示す様に、移動機構５０３により、ピン５０１は、振動膜１０１に正対して、振動膜１０１に必要な外力を印加する位置に移動される。移動機構５０３によりピン５０１を移動させ、振動膜１０１に印加する外力を変化させることで、振動膜１０１と第２の電極１０５の接触と接触解除（剥離）を行う。
【００３９】
また、ピン５０１及びピン支持部５０２を弾性波が透過する材料で形成することもできる。これにより、弾性波の送受信を行う工程２０１では、図７（ｂ）に示す様に、ピン５０１は振動膜１０１に外力を与えない位置に移動するだけでよくなる。そのため、移動機構５０３を簡略化できる。また、送受信を行う工程２０１と振動膜１０１内に残留する電荷量を均一にする工程２０２との間での移動時間を短くすることができる。以上の様に、本実施形態では、物理的な機構を用いて振動膜１０１に外力を印加することで、簡易な構成で外力印加手段１０８を実現できる。
【００４０】
（第６の実施形態）
次に、図８を用いて第６の実施形態を説明する。第６の実施形態も、外力印加手段１０８に関して特徴を有する。それ以外は、第１から第４の何れかの実施形態と同じである。本実施形態では、外力印加手段１０８が、振動膜１０１外側に隣接している媒質の圧力を調整する。
【００４１】
図８で、外力印加手段１０８を構成する要素として、５１１は弾性波透過板、５１２は透過板支持部、５１３は媒質、５１４は媒質圧力変化手段である。振動膜１０１が形成された装置上には、弾性波透過板５１１と透過板支持部５１２により囲まれた領域に、媒質５１３が満たされている。媒質５１３は、油や水などの液体や空気などの気体を用いることができる。この媒質５１３は、弾性波を送受信する際の弾性波の減衰を考慮して選択する必要がある。弾性波透過板５１１は、弾性波を送受信する際に問題にならない程度に、弾性波を透過させられる部材で構成されている。振動膜１０１が形成された装置と弾性波透過板５１１及び透過板支持部５１２との間は、媒質圧力変化手段５１４との接続部以外は、密閉されている。これらの弾性波透過板５１１と透過板支持部５１２と基板１０６は、媒質５１３に圧力が加わっても、変形しない様な剛性を有している。そのため、媒質圧力変化手段５１４により、媒質５１３に与える圧力を変化させることで、振動膜１０１に印加する圧力を変化させられる構成となっている。
【００４２】
振動膜１０１と第２の電極１０５との間の間隙１０４は、大気圧に対して減圧されている。この間隙１０４内の圧力と、振動膜１０１に媒質５１３から印加される圧力との差により、振動膜１０１に基板１０６方向の外力が印加される。媒質圧力変化手段５１４で媒質５１３に印加される圧力を変えることで、振動膜１０１に印加される基板１０６方向の外力を変化させることができる。これにより、媒質圧力変化手段５１４を用いて、振動膜１０１と第２の電極１０５の接触と接触解除（剥離）を行うことができる。以上の様に、振動膜１０１外側に隣接している媒質５１３の圧力を変化させる構成を用いることで、簡易な構成で外力印加手段１０８を実現できる。
【００４３】
（第７の実施形態）
次に、図９を用いて第７の実施形態を説明する。第７の実施形態も、外力印加手段１０８に関して特徴を有する。それ以外は、第１から第４の何れかの実施形態と同じである。本実施形態では、振動膜１０１上に振動膜を変形させるための変形手段が配置されている。
【００４４】
図９において、外力印加手段１０８を構成する要素として、５２１は変形手段である。変形手段５２１は、外部からの信号を受けて変形する部材で構成されている。具体的には、電圧印加により変形する圧電部材や、熱印加により変形する熱変形部材を用いることができる。ここで、外部からの信号を入力しない状態を、図９（ａ）に示している。超音波などの弾性波の送受信を行う工程２０１では、この状態で装置を使用する。一方、振動膜１０１と第２の電極１０５を接触させる時には、外部から変形させるための信号を変形手段５２１に印加する。振動膜１０１上に形成した変形手段５２１が変形することで、振動膜１０１も合わせて変形し、振動膜１０１自体が、基板１０６側に大きく撓む様になっている。これにより、図９（ｂ）で示す様に、変形するための信号を変形手段５２１に印加をすることで、振動膜１０１を第２の電極１０５と接触させられる。また、変形手段５２１を変形するための信号印加を停止、または変形手段５２１の変形を元に戻す信号を印加することで、振動膜１０１と第２の電極１０５との接触を解除（剥離）できる。この接触と接触解除は、変形手段５２１に印加する外部信号を変化させるだけであるので、比較的短い時間で夫々の工程２０１、２０２の切り替えを行うことができる。
【００４５】
以上の様に、振動膜を変形させる手段を振動膜１０１上に設けることで、簡易な構成で、且つ工程の切り替えに掛かる時間を短くできる外力印加手段１０８を実現できる。本実施形態を用いることで、エレメント毎で振動膜１０１内に残留する電荷の量が、より短時間で均一にできる静電容量型電気機械変換装置を提供できる。
【００４６】
（第８の実施形態）
次に、図１０を用いて第８の実施形態を説明する。第８の実施形態も、外力印加手段１０８に関して特徴を有する。それ以外は、第１から第４の何れかの実施形態と同じである。本実施形態では、外力印加手段１０８が発生する外力として電磁気力を用いる。
【００４７】
図１０において、外力印加手段１０８を構成する要素として、５３１が第１の電極（１０２に相当するもの）、５３２が配線、５３３が磁界発生手段、５３４が磁界駆動手段である。第１の電極５３１は、磁性体材料で構成されていることが特徴である。第１の電極５３１は、磁界を受けて振動膜１０１に対して外力を発生できる磁性体材料（強磁性体材料や軟磁性体材料）であれば用いることができる。この第１の電極５３１は、各振動膜１０１の中央部に配置されている。夫々の第１の電極５３１間は、磁性体でない材料の配線５３２で接続されており、同じ電位になっている。磁界発生手段５３３は、装置の弾性波送受信に影響を与えない位置に配置されている。磁界発生手段５３３は、磁界駆動手段５３４からの電気信号を受けて、エレメントの第１の電極５３１付近に一様な磁界を発生させることができる。この発生した一様な磁界により、第１の電極５３１には、基板１０６と垂直な軸方向に、振動膜１０１に対する外力が発生する。磁界駆動手段５３４により、この外力の大きさと向きを変化させることにより、振動膜１０１と第２の電極１０５の接触と接触解除（剥離）を行うことができる。ここで、第１の電極５３１間の配線５３２は非磁性体材料で構成されているので、外部から磁界を印加した際、振動膜１０１の中央部のみに外力を印加できる。そのため、振動膜１０１と第２の電極１０５とがより均一に接触した状態にすることができる。
【００４８】
本実施形態では、電磁気力を利用しているので、簡単な構成で振動膜１０１に大きな外力を印加できる。そのため、振動膜１０１と第２の電極１０５の接触領域をより均一にすることができる。また、第１の電極５３１を強磁性体材料で形成した場合、振動膜１０１に対して基板１０６逆向きの外力を印加することもできるので、振動膜１０１と第２の電極１０５との接触解除（剥離）の工程のタイミングを、より正確に制御できる。加えて、振動膜１０１と第２の電極１０５との接触と接触解除の工程の切り替え動作に必要な時間が非常に短いため、より短時間で振動膜１０１内に残留する電荷量を均一にする工程２０２を行うことができる。尚、本実施形態の図１０では、説明のために第１の電極５３１間の配線５３２を明記し、図１０以外の図内では、第１の電極間の配線を省略しているが、実際には第１の電極間は配線により相互接続されている。
【００４９】
（第９の実施形態）
次に、図１１を用いて第９の実施形態を説明する。第９の実施形態は、第１から第８の実施形態の何れかに記載の静電容量型電気機械変換装置を用いた画像形成装置に関する。図１１において、７０１は超音波などの弾性波（以下、超音波で代表する）を出射する音源、７０２は測定対象物、７０３は静電容量型電気機械変換装置、７０４は画像再現装置、７０５は画像表示器である。また、８０１及び８０２は超音波、８０３は超音波送信情報、８０４は弾性波受信信号、８０５は再現画像情報、９０１は超音波画像形成装置である。
【００５０】
超音波音源７０１から測定対象物７０２に向かって出力された超音波８０１は、測定対象物７０２の表面や界面での固有音響インピーダンスの差により反射して到来する。到来した超音波８０２を静電容量型電気機械変換装置７０３で受信し、受信信号の大きさや形状、時間の情報を弾性波受信信号８０４として画像再現装置７０４に送る。一方、超音波音源７０１から、送信超音波の大きさや形状、時間の情報が、超音波送信情報８０３として、画像再現装置７０４に送られている。画像再現装置７０４では、弾性波受信信号８０４と超音波送信情報８０３を基に測定対象物７０２の画像を再現して、再現画像情報８０５として画像表示器７０５に送る。そして画像表示器７０５で表示する。
【００５１】
本実施形態の静電容量型電気機械変換装置７０３は、第１の実施形態から第８の実施形態の何れかに記載したＣＭＵＴが用いられている。ＣＭＵＴは、図１１（ｂ）に示す様に、まず振動膜１０１内に残留する電荷量を均一にする工程２０２を行った後、超音波などの弾性波の送受信２０１を繰り返し行う。エレメント毎で超音波の送受信特性が均一なＣＭＵＴを用いるため、所定の超音波を正確に送信できると共に、反射した超音波を正確に受信できる。そのため、測定対象物７０２で反射した超音波のより正確な情報を得られ、測定対象物７０２をより正確且つ高精度に再現できる。
【００５２】
本実施形態の他の動作形態を、図１１（ｃ）を用いて説明する。他の動作形態では、超音波などの弾性波の送受信２０１を行う前に、振動膜１０１内に残留する電荷量を均一にする工程２０２を実施し、夫々の工程を順に繰り返し実施している。送受信中または送受信間に、振動膜１０１に残留している電荷量が変化しても、送受信を行う前に、電荷量を均一にする補正を行うため、エレメント毎で超音波の送受信特性が均一なＣＭＵＴを用いることができる。この動作形態によると、更に高精度に画像情報を再現できる超音波画像形成装置を提供できる。
【００５３】
上記説明では、第１の実施形態において、電圧印加工程と印加停止工程（３０１、３０４）の間に、接触工程と接触解除工程（３０２、３０３）がある工程順について記載した。また、第２の実施形態において、接触工程と接触解除工程（４０１、４０４）の間に、電圧を印加と印加停止する工程（４０２、４０３）がある工程順について記載した。しかし、本発明における制御態様は、これらに限ったものではない。「電圧を印加する工程」、「接触する工程」、「電圧印加を停止する工程」、「接触解除する工程」の工程順も同様に用いることができる。また、「接触する工程」、「電圧を印加する工程」、「接触解除する工程」、「電圧印加を停止する工程」の工程順も同様に用いられる。また、上記説明では、振動膜１０１内に残留する電荷量を均一にする工程２０２で印加する電圧を一定の値としたが、本発明の制御態様はこれに限ったものではない。時間的に変化する波形（正弦波、矩形波、三角波などや、それに周波数変調を行った波形など）の印加電圧であっても、同様に用いられる。
【００５４】
更に、上記説明では、振動膜１０１が絶縁膜であるとして、振動膜１０１内に電荷が残留するとして説明したが、本発明はこれに限ったものではない。導電性の振動膜１０１を用いる構成にも同様に適用できる。例えば、図１（ｂ）に示す様に、第２の電極１０５上に絶縁膜１０９を配置して、絶縁膜１０９内に電荷が残留することがある構成にも同様に適用できる。この場合は、上記説明中での振動膜１０１と第２の電極１０５との間での接触や解除（剥離）は、振動膜１０１と絶縁膜１０９との間で行われると読み替える。また、図１（ｃ）に示す様に、振動膜１０１下部に絶縁膜１０９を配置して、絶縁膜１０９内に電荷が残留することがある構成にも同様に適用できる。この場合は、上記説明中での振動膜１０１と第２の電極１０５との間での接触や解除（剥離）は、絶縁膜１０９と第２の電極１０５の間で行われると読み替える。これらの構成を用いた場合は、振動膜１０１に対して、電極間に印加される最大電界強度の制約がなくなるため、機械特性がより最適な振動膜１０１のパラメータを設定することができる。
【符号の説明】
【００５５】
１０１・・振動膜（絶縁膜）、１０２・・上部電極（電極）、１０４・・間隙、１０５・・下部電極（電極）、１０６・・基板、１０７・・電圧印加手段、１０８・・外力印加手段、１０９・・絶縁膜、１１１・・制御手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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