JP2003337123A

JP2003337123A - 音速測定装置

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Publication number: JP2003337123A
Application number: JP2002144133A
Authority: JP
Inventors: Koji Toda; 耕司戸田
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-05-20
Filing date: 2002-05-20
Publication date: 2003-11-28
Anticipated expiration: 2022-05-20
Also published as: JP4035708B2

Abstract

(57)【要約】【課題】物質中に超音波を照射し、反射板等によって
反射させた超音波を遅延電気信号として検出することに
より、物質中の音速Vを算出すること。【解決手段】信号発生器４からの入力電気信号が櫛型
電極２Aと対向電極３の間に順次に印加されると、物質
中に縦波が照射され、この縦波は反射板７によって反射
される。このとき、物質の一方の界面ともう一方の界面
との距離Z_i (i=1,2,…, n)が、距離制御手段６によって
徐々に制御されることから、反射された縦波は、櫛型電
極２Bと対向電極３との間で距離Z_iに応じた遅延電気信
号D_i (i=1, 2,…, n)として検出される。一方、櫛型電
極２Bと対向電極３との間では、入力電気信号からの結
合信号も検出され、遅延電気信号D_iと結合信号が干渉す
る。その結果、干渉信号R_i (i=1, 2,…, n)が生じる。
物質中の音速Vは、干渉信号R_iから算出される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、物質の一方の界面
を介してその物質中に超音波を照射し、物質のもう一方
の界面によって反射させた超音波を遅延電気信号として
検出することにより、物質中の音速Vを算出する音速測
定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】液中の音速を測定するための超音波技術
として、厚み振動モードの矩形状圧電トランスデューサ
が従来広く用いられている。液体中の超音波を検出する
には、このような従来型のトランスデューサは、入力用
だけでなく出力用電極としても用いられていたことか
ら、入力電気信号と出力電気信号を区別するためにサー
キュレータ等を必要とした。従って、このような従来型
のトランスデューサは、複雑な回路構成を必要とし、応
答性にも問題があった。一方、圧電基板に設けられたす
だれ状トランスデューサは、圧電基板の厚さが波長に比
べて十分に厚い場合には、圧電基板が液体と接触すると
きに液体と固体との界面において漏洩波トランスデュー
サとして機能する。このとき、圧電基板を伝搬する漏洩
弾性表面波は速度分散のない唯一のモードしか存在しな
い。このようにして、従来の漏洩波トランスデューサ
は、超音波の照射方向を圧電基板に対し直交させること
が難しいという問題を有しており、従って、測定精度に
問題があるばかりでなく、安定な駆動も困難である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、小型
軽量で、デバイス構成が簡単で、低消費電力駆動が可能
で、耐環境性にも優れる音速測定装置を提供することに
ある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の音速測
定装置は、圧電基板と、櫛型電極AおよびBで成る組み合
わせ電極と、対向電極と、距離制御手段と、反射板と、
信号分析器から成る音速測定装置であって、前記組み合
わせ電極は、前記圧電基板の上端面に設けられており、
前記対向電極は前記圧電基板の下端面に設けられてい
て、前記対向電極の下端面には、物質の一方の界面が接
触しており、前記反射板は、前記物質の前記一方の界面
と対面するもう一方の界面と接触しており、前記距離制
御手段は、前記物質の前記一方の界面と前記もう一方の
界面との距離Z_i (i=1, 2,…, n)を制御し、前記櫛型電
極Aと前記対向電極との間に、周波数fの入力電気信号が
入力されることにより、前記圧電基板の下端面に垂直な
方向の縦波が前記物質中に照射され、前記縦波は、前記
反射板によって反射され、前記櫛型電極Bと前記対向電
極との間では、反射された縦波が前記距離Z_iに応じた遅
延電気信号D_i (i=1, 2,…, n)として検出されるととも
に、前記入力電気信号からの結合信号も検出され、前記
信号分析器では、前記遅延電気信号D_iと前記結合信号と
の干渉信号R_i (i=1, 2,…, n)における各振幅と、前記
距離Z_iとの関係から距離周期ΔZが検出され、前記物質
中の音速Vは、前記周波数fの２倍と前記距離周期ΔZと
の積から算出される。

【０００５】請求項２に記載の音速測定装置は、前記圧
電基板の厚さに対する前記組み合わせ電極の電極周期長
の割合が、前記圧電基板中を伝搬する縦波速度に対する
前記物質中を伝搬する縦波速度の割合の４倍以下であ
る。

【０００６】請求項３に記載の音速測定装置は、第１圧
電基板と、櫛型電極AおよびBで成る第１組み合わせ電極
と、第２圧電基板と、櫛型電極AおよびBで成る第２組み
合わせ電極と、対向電極と、距離制御手段と、反射板
と、信号分析器から成る音速測定装置であって、前記第
１組み合わせ電極は、前記第１圧電基板の下端面に設け
られており、前記第１組み合わせ電極の下端面には、物
質の一方の界面が接触しており、前記第２組み合わせ電
極は、前記第２圧電基板の上端面に設けられており、前
記対向電極は前記第１および第２圧電基板の間に設けら
れていて、前記反射板は、前記物質の前記一方の界面と
対面するもう一方の界面と接触しており、前記距離制御
手段は、前記物質の前記一方の界面と前記もう一方の界
面との距離Z_i(i=1, 2,…, n)を制御し、前記第１組み合
わせ電極の前記櫛型電極Aと前記対向電極との間に、周
波数fの入力電気信号が入力されることにより、前記第
１圧電基板の下端面に垂直な方向の縦波が前記物質中に
照射され、前記縦波は、前記反射板によって反射され、
前記第２組み合わせ電極の前記櫛型電極Bと前記対向電
極との間では、反射された縦波が前記距離Z_iに応じた遅
延電気信号D_i (i=1, 2,…, n)として検出されるととも
に、前記入力電気信号からの結合信号も検出され、前記
信号分析器では、前記遅延電気信号D_iと前記結合信号と
の干渉信号R_i (i=1, 2,…, n)における各振幅と、前記
距離Z_iとの関係から距離周期ΔZが検出され、前記物質
中の音速Vは、前記周波数fの２倍と前記距離周期ΔZと
の積から算出される。

【０００７】請求項４に記載の音速測定装置は、前記第
１組み合わせ電極の代わりに第１櫛型電極が設けられ、
前記第２組み合わせ電極の代わりに第２櫛型電極が設け
られた音速測定装置であって、前記第１櫛型電極と前記
対向電極との間に、周波数fの入力電気信号が入力され
ることにより、前記第１圧電基板の下端面に垂直な方向
の縦波が前記物質中に照射され、前記縦波は、前記反射
板によって反射され、前記第２櫛型電極と前記対向電極
との間では、反射された縦波が前記距離Z_iに応じた遅延
電気信号D_i (i=1, 2,…, n)として検出されるととも
に、前記入力電気信号からの結合信号も検出される。

【０００８】請求項５に記載の音速測定装置は、前記物
質が液体または細胞質で成る。

【０００９】請求項６に記載の音速測定装置は、前記物
質の前記一方の界面と接触する部位に、新たに高分子膜
が設けられている。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明の音速測定装置は、２つの
タイプに大別される。第１のタイプの音速測定装置は圧
電基板と、櫛型電極AおよびBで成る組み合わせ電極と、
対向電極と、距離制御手段と、反射板と、信号分析器か
ら成る簡単な構造を有する。組み合わせ電極は、圧電基
板の上端面に設けられており、対向電極は圧電基板の下
端面に設けられている。対向電極の下端面には、物質の
一方の界面が接触しており、その一方の界面と対面する
もう一方の界面と接触する位置に反射板が設けられてい
る。物質の一方の界面ともう一方の界面との距離Z_i (i=
1, 2,…, n) は、距離制御手段によって制御される。

【００１１】もしも、櫛型電極Aと対向電極との間に周
波数fの入力電気信号が入力されると、圧電基板の下端
面に垂直な方向の縦波が物質中に照射される。この縦波
は反射板によって反射され、反射された縦波は、櫛型電
極Bと対向電極との間で、距離Z_iに応じた遅延電気信号D
_i (i=1, 2,…, n)として検出される。一方、櫛型電極B
と対向電極との間では、入力電気信号からの結合信号も
検出される。このようにして、遅延電気信号D_iと結合信
号との干渉信号R_i (i=1, 2,…, n)が生じる。信号分析
器では、干渉信号R_iにおける各振幅と、距離Z_iとの関係
から距離周期ΔZが得られる。物質中の音速Vは、周波数
fの２倍と距離周期ΔZとの積から算出される。つまり、
物質中の音速Vは、V=2fΔZで表される。

【００１２】第１のタイプの音速測定装置では、圧電基
板の厚さに対する組み合わせ電極の電極周期長の割合
が、圧電基板中を伝搬する縦波速度に対する物質中を伝
搬する縦波速度の割合の４倍以下であるような構造を採
用することにより、圧電基板の下端面に対し垂直な方向
の縦波を効率よく物質中に照射することが可能となる。

【００１３】第２のタイプの音速測定装置は、第１圧電
基板と、櫛型電極AおよびBで成る第１組み合わせ電極
と、第２圧電基板と、櫛型電極AおよびBで成る第２組み
合わせ電極と、対向電極と、距離制御手段と、反射板
と、信号分析器から成る。第１組み合わせ電極は、第１
圧電基板の下端面に設けられている。第１組み合わせ電
極の下端面には物質の一方の界面が接触している。第２
組み合わせ電極は、第２圧電基板の上端面に設けられて
おり、対向電極は第１および第２圧電基板の間に設けら
れている。

【００１４】もしも、第１組み合わせ電極の櫛型電極A
と対向電極との間に周波数fの入力電気信号が入力され
ると、第１圧電基板の下端面に垂直な方向の縦波が物質
中に照射される。このとき、第１圧電基板の厚さに対す
る第１組み合わせ電極の電極周期長の割合が、第１圧電
基板中を伝搬する縦波速度に対する物質中を伝搬する縦
波速度の割合の４倍以下であるような構造を採用するこ
とにより、第１圧電基板の下端面に対し垂直な方向の縦
波を効率よく物質中に照射することが可能となる。縦波
は反射板によって反射され、反射された縦波は、第２組
み合わせ電極の櫛型電極Bと対向電極との間で、距離Z_i
に応じた遅延電気信号D_iとして検出される。一方、第２
組み合わせ電極の櫛型電極Bと対向電極との間では、入
力電気信号からの結合信号も検出される。このようにし
て、遅延電気信号D_iと結合信号との干渉信号R_iが生じ
る。信号分析器では、干渉信号R_iにおける各振幅と、距
離Z_iとの関係から距離周期ΔZが得られる。物質中の音
速Vは、V=2fΔZで表される。

【００１５】第２のタイプの音速測定装置では、第１組
み合わせ電極の代わりに第１櫛型電極が設けられ、第２
組み合わせ電極の代わりに第２櫛型電極が設けられた構
造が可能である。もしも、第１櫛型電極と対向電極との
間に周波数fの入力電気信号が入力されると、第１圧電
基板の下端面に垂直な方向の縦波が物質中に照射され
る。この縦波は反射板によって反射され、反射された縦
波は、第２櫛型電極と対向電極との間で、距離Z_iに応じ
た遅延電気信号D_iとして検出される。一方、第２櫛型電
極と対向電極との間では、入力電気信号からの結合信号
も検出される。このようにして、遅延電気信号D_iと結合
信号との干渉信号R_iが生じる。干渉信号R_iにおける各振
幅と、距離Z_iとの関係から距離周期ΔZが得られる。物
質中の音速Vは、V=2fΔZで表される。

【００１６】第１および第２のタイプの音速測定装置で
は、物質が液体や細胞質で成る構造が可能である。つま
り、本発明の音速測定装置によれば、固体だけでなく、
液体や細胞質中の音速を求めることが可能である。

【００１７】第１および第２のタイプの音速測定装置で
は、物質の一方の界面と接触する部位に、シリコンゴム
等の高分子膜が設けられた構造が可能である。つまり、
第１のタイプでは対向電極の下端面に、第２のタイプで
は第１組み合わせ電極の下端面や、第１櫛型電極の下端
面に高分子膜が塗布された構造が可能である。このよう
な構造では、高分子膜を塗布しない構造に比べて、縦波
をさらに効率よく物質中に照射することが可能となる。

【００１８】

【実施例】図１は本発明の音速測定装置の第１の実施例
を示す断面図である。本実施例は圧電基板１、組み合わ
せ電極２、対向電極３、信号発生器４、信号分析器５、
距離制御手段６および反射板７から成る。圧電基板１は
厚さ500μmの圧電セラミック薄板で成り、その分極軸の
方向が厚さ方向と平行である構造が採用されている。組
み合わせ電極２および対向電極３は、ともにアルミニウ
ム薄膜で成り、圧電基板１の上端面および下端面にそれ
ぞれ設けられている。対向電極３の下端面は物質の一方
の界面と接触している。反射板７は、物質のもう一方の
界面と接触しており、圧電基板１の下端面と平行になる
ように設置されている。距離制御手段６は物質の一方の
界面ともう一方の界面との距離Z_i (i=1, 2,…, n)を制
御している。このようにして、図１の音速測定装置は、
小型軽量でしかも構造が簡単である。

【００１９】図２は組み合わせ電極２の平面図である。
組み合わせ電極２は15個の電極対を有し、５mmの電極重
複幅（L）と、75μmの電極指幅（W）と、300μmの電極
周期長（P）を有する。組み合わせ電極２は櫛型電極２A
および２Bから成る。

【００２０】図１の音速測定装置において、周波数fの
入力電気信号が信号発生器４から櫛型電極２Aと対向電
極３の間に順次に印加されると、物質の一方の界面を介
して、その物質中に縦波が照射される。この縦波は圧電
基板１の下端面に対し垂直な成分から成る。もしもその
物質が水の場合には、水中の縦波速度（V_W）はほぼ1,50
0 m/sである。従って、圧電基板１中の縦波速度（V）は
4,500 m/sであることから、V値に対するV_W値の割合、つ
まりV_W/Vはほぼ0.333となる。一方、圧電基板１の厚さ
（T）に対する組み合わせ電極２の電極周期長（P）の割
合、つまりP/Tは300/500、つまり0.6となり、この値は
0.333の４倍よりも小さい。このような関係、すなわちP
/T < 4V_w/Vという条件のもとでは、圧電基板１の下端面
に対し垂直な方向の縦波が効率よく水中に照射される。
このような縦波は、たとえば細胞質中にも効率よく照射
される。

【００２１】物質の一方の界面を介して照射された縦波
は、図１に示されるように、反射板７によって反射され
る。このとき、物質の一方の界面ともう一方の界面との
距離Z_iが、距離制御手段６によって徐々に制御されるこ
とから、反射された縦波は、櫛型電極２Bと対向電極３
との間で距離Z_iに応じた遅延電気信号D_i (i=1, 2,…,
n)として検出される。一方、櫛型電極２Bと対向電極３
との間では、入力電気信号からの結合信号も検出され
る。このとき、遅延電気信号D_iと結合信号が干渉し、そ
の結果、干渉信号R_i (i=1, 2,…, n)が生じる。もしも
干渉信号R_iのそれぞれの振幅と、距離Z_iとの関係を図で
表せば、距離周期ΔZが得られる。このようにして、物
質中の音速Vは、周波数fの２倍と距離周期ΔZとの積か
ら算出される。つまり、物質中の音速Vは、V=2fΔZで表
される。

【００２２】図３は、図１の音速測定装置に印加された
入力電気信号の周波数fと挿入損失との関係を示す特性
図である。但し、物質の一方の界面ともう一方の界面と
の距離が５cmの場合を示す。図３によれば、周波数fが
ほぼ4.2 MHzのときに挿入損失が最小となることは明ら
かである。

【００２３】図４は、図１の音速測定装置における距離
Z_iと、干渉信号R_iの振幅との関係を示す特性図である。
但し、入力電気信号の周波数fが4.2 MHzの場合を示す。
図４によれば、距離Z_iと振幅との間には周期的な関係が
存在する。図４における２つの最大振幅間、または２つ
の最小振幅間の差が距離周期ΔZに相当する。

【００２４】図５は図１の音速測定装置から水中へ照射
された縦波の照射角度と、相対振幅との関係を示す特性
図である。図５では、縦波の非垂直成分がかなり抑圧さ
れていることがわかる。このことは、組み合わせ電極２
を用いれば、ほぼ垂直成分から成る縦波を効率よく水中
へ照射することができることを示す。このようにして、
ほぼ垂直成分から成る縦波をたとえば皮膚を通して細胞
質中に効率よく照射することが可能になる。

【００２５】図６は本発明の音速測定装置の第２の実施
例を示す断面図である。本実施例は第１圧電基板８、第
１組み合わせ電極９、第２圧電基板１０、第２組み合わ
せ電極１１、シリコンゴム１２、対向電極３、信号発生
器４、信号分析器５、距離制御手段６および反射板７か
ら成る。第２組み合わせ電極１１は第２圧電基板１０の
上端面に、第１組み合わせ電極９は第１圧電基板８の下
端面にそれぞれ設けられ、対向電極３は第１圧電基板８
と第２圧電基板１０の間に設けられている。第１組み合
わせ電極９の下端面はシリコンゴム１２で覆われてお
り、シリコンゴム１２の下端面は物質の一方の界面と接
触している。

【００２６】図７は第１組み合わせ電極９および第２組
み合わせ電極１１の構成図である。第１組み合わせ電極
９の電極指の方向は、第２組み合わせ電極１１の電極指
の方向と直交している。第１組み合わせ電極９は、アル
ミニウム薄膜で成り、20個の電極対を有し、５mmの電極
重複幅（L）と、57μmの電極指幅（W）と、225μｍの電
極周期長（P）を有する。第２組み合わせ電極１１は第
１組み合わせ電極９と同様な構造を有する。第１組み合
わせ電極９は櫛型電極９Aおよび９Bから成り、第２組み
合わせ電極１１は櫛型電極１１Aおよび１１Bから成る。
図７では、櫛型電極９Aは信号発生器４に接続され、櫛
型電極１１Bは信号分析器５に接続されている。

【００２７】図６の音速測定装置において、周波数fの
入力電気信号が信号発生器４から櫛型電極９Aと対向電
極３の間に順次に印加されると、シリコンゴム１２を介
して、その物質中に縦波が照射される。この縦波は第１
圧電基板８の下端面に対し垂直な成分から成る。もしも
その物質が水の場合には、第１圧電基板８の縦波速度
（V）に対する水中の縦波速度（V_W）の割合、つまりV_W/
Vは、上述の通りほぼ0.333となる。一方、第１圧電基板
８の厚さ（T）に対する第１組み合わせ電極９の電極周
期長（P）の割合、つまりP/Tは225/500、つまり0.45と
なり、この値は0.333の４倍よりも小さい。このような
関係、すなわちP/T < 4V_w/Vという条件のもとでは、第
１圧電基板８の下端面に対し垂直な方向の縦波が、シリ
コンゴム１２を介して効率よく水中に照射される。さら
に、この縦波の指向性は、図１における縦波の指向性よ
りも鋭い。つまり、P/Tが4V_w/Vよりも小さければ小さい
ほど、指向性が鋭くなる。

【００２８】シリコンゴム１２を介して照射された縦波
は、図６に示されるように、反射板７によって反射され
る。このとき、物質の一方の界面ともう一方の界面との
距離Z_iが、距離制御手段６によって徐々に制御されるこ
とから、反射された縦波は、櫛型電極１１Bと対向電極
３との間で距離Z_iに応じた遅延電気信号D_iとして検出さ
れる。このとき、反射された縦波の指向性は、先に照射
された縦波の指向性よりも鋭い。これは、第１組み合わ
せ電極９の電極指の方向が、第２組み合わせ電極１１の
電極指の方向と直交していることに因る。一方、櫛型電
極１１Bと対向電極３との間では、入力電気信号からの
結合信号も検出される。このとき、遅延電気信号D_iと結
合信号が干渉し、その結果、干渉信号R_i (i=1, 2,…,
n)が生じる。もしも干渉信号R_iのそれぞれの振幅と、距
離Z_iとの関係を図で表せば、距離周期ΔZが得られる。
このようにして、物質中の音速Vは、周波数fの２倍と距
離周期ΔZとの積から算出される。つまり、物質中の音
速Vは、V=2fΔZで表される。さらに、図６の音速測定装
置を用いれば、図１の場合よりもさらに精密に物質中の
音速Vを求めることが可能となる。

【００２９】図８は組み合わせ電極２の電極指交叉領域
を示す平面図である。

【００３０】図９は第１組み合わせ電極９の電極指交叉
領域を示す平面図である。第１組み合わせ電極９の電極
指交叉領域の大きさは、組み合わせ電極２の電極指交叉
領域の大きさと同じである。また、櫛型電極９Aの電極
指の総面積は、櫛型電極２Aの電極指の総面積と等し
い。

【００３１】図８と図９を比較すると、第１組み合わせ
電極９と組み合わせ電極２が次のような点で異なること
がわかる。第１に電極対の数、第２に電極指幅（W）、
そして第３に電極周期長（P）である。第１組み合わせ
電極９の電極対の数は組み合わせ電極２の4/3であり、
第１組み合わせ電極９の電極周期長（P）は組み合わせ
電極２の3/4であり、第１組み合わせ電極９の電極指幅
（W）は組み合わせ電極２の3/4である。実際に、組み合
わせ電極２を採用した場合に比べて、第１組み合わせ電
極９を採用した場合の方が、垂直成分の指向性に優れた
縦波を照射できることが確認されている。このことは、
入力用電極の電極指の総面積が不変であるならば、その
入力用電極の電極対の数が多いほど、物質中に照射され
る縦波の非垂直成分が抑圧されることを意味する。すな
わち、入力用電極の電極指の総面積が不変であるなら
ば、その入力用電極の電極対の数が縦波の指向性に影響
を及ぼす。

【００３２】図１０は本発明の音速測定装置の第３の実
施例を示す断面図である。本実施例は、第１組み合わせ
電極９および第２組み合わせ電極１１の代わりに第１組
み合わせ電極１３および第２組み合わせ電極１４がそれ
ぞれ用いられていることを除いて、図６と同様な構造を
有する。

【００３３】図１１は第１組み合わせ電極１３および第
２組み合わせ電極１４の構成図である。第１組み合わせ
電極１３の電極指の方向は、第２組み合わせ電極１４の
電極指の方向と直交している。第１組み合わせ電極１３
は、アルミニウム薄膜で成り、20個の電極対を有し、５
mmの電極重複幅（L）と、225μｍの電極周期長（P）を
有する。第１組み合わせ電極１３は櫛型電極１３Aおよ
び１３Bから成り、この櫛型電極１３A は45μmの電極指
幅（W_A）を有し、櫛型電極１３Bは12μmの電極指幅
（W_B）を有する。第２組み合わせ電極１４は第１組み合
わせ電極１３と同様な構造を有する。但し、組み合わせ
電極１４の櫛型電極１４Aは12μmの電極指幅（W_A）を有
し、櫛型電極１４Bは45μmの電極指幅（W_B）を有する。
図１０では、櫛型電極１３Aは信号発生器４に接続さ
れ、櫛型電極１４Bは信号分析器５に接続されている。

【００３４】図１０の音速測定装置において、周波数f
の入力電気信号が信号発生器４から櫛型電極１３Aと対
向電極３の間に順次に印加されると、シリコンゴム１２
を介して、その物質中に縦波が照射される。この縦波は
第１圧電基板８の下端面に対し垂直な成分から成る。も
しもその物質が水の場合には、P/T < 4V_w/Vという条件
が満たされることから、第１圧電基板８の下端面に対し
垂直な方向の縦波が、シリコンゴム１２を介して効率よ
く水中に照射される。さらに、この縦波の指向性は、図
６における縦波の指向性よりも鋭い。つまり、第１組み
合わせ電極１３におけるW_A / W_Bという条件により、縦
波の指向性がさらに鋭くなる。

【００３５】シリコンゴム１２を介して照射された縦波
は、図１０に示されるように反射板７によって反射さ
れ、反射された縦波は、櫛型電極１４Bと対向電極３と
の間で距離Z_iに応じた遅延電気信号D_iとして検出され
る。このとき、反射された縦波の指向性は、先に照射さ
れた縦波の指向性よりも鋭い。これは、第１組み合わせ
電極１３の電極指の方向が、第２組み合わせ電極１４の
電極指の方向と直交していることに因る。一方、櫛型電
極１４Bと対向電極３との間では、入力電気信号からの
結合信号も検出される。このとき、遅延電気信号D_iと結
合信号が干渉し、その結果、干渉信号R_iが生じる。もし
も干渉信号R_iのそれぞれの振幅と、距離Z_iとの関係を図
で表せば、距離周期ΔZが得られる。このようにして、
物質中の音速Vは、周波数fの２倍と距離周期ΔZとの積
から算出される。つまり、物質中の音速Vは、V=2fΔZで
表される。さらに、図１０の音速測定装置を用いれば、
図６の場合よりもさらに精密に物質中の音速Vを求める
ことが可能となる。

【００３６】図１２は本発明の音速測定装置の第４の実
施例を示す断面図である。本実施例は、第１組み合わせ
電極９および第２組み合わせ電極１１の代わりに第１櫛
型電極１５および第２櫛型電極１６がそれぞれ用いられ
ていることを除いて、図６と同様な構造を有する。

【００３７】図１３は第１櫛型電極１５および第２櫛型
電極１６の構成図である。第１櫛型電極１５の電極指の
方向は、第２櫛型電極１６の電極指の方向と直交してい
る。第１櫛型電極１５は40個の電極対を有し、５mmの電
極重複幅（L）と、175μmの電極指幅（W）と、225μｍ
の電極周期長（P）を有する。第２櫛型電極１６は第１
櫛型電極１５と同様な構造を有する。

【００３８】図１２の音速測定装置において、周波数f
の入力電気信号が信号発生器４から第１櫛型電極１５と
対向電極３の間に順次に印加されると、シリコンゴム１
２を介して、その物質中に縦波が照射される。この縦波
は第１圧電基板８の下端面に対し垂直な成分から成る。
もしもその物質が水の場合には、P/T < 4V_w/Vという条
件が満たされることから、第１圧電基板８の下端面に対
し垂直な方向の縦波が、シリコンゴム１２を介して効率
よく水中に照射される。

【００３９】シリコンゴム１２を介して照射された縦波
は、図１２に示されるように反射板７によって反射さ
れ、反射された縦波は、第２櫛型電極１６と対向電極３
との間で距離Z_iに応じた遅延電気信号D_iとして検出され
る。一方、第２櫛型電極１６と対向電極３との間では、
入力電気信号E_iからの結合信号C_iも検出される。このと
き、遅延電気信号D_iと結合信号C_iがそれぞれ干渉し、そ
の結果、各々の干渉信号R_iが生じる。もしも干渉信号R_i
のそれぞれの振幅と、距離Z_iとの関係を図で表せば、距
離周期ΔZが得られる。このようにして、物質中の音速V
は、周波数fの２倍と距離周期ΔZとの積から算出され
る。つまり、物質中の音速Vは、V=2fΔZで表される。

【００４０】

【発明の効果】本発明の第１のタイプの音速測定装置は
圧電基板と、櫛型電極AおよびBで成る組み合わせ電極
と、対向電極と、距離制御手段と、反射板と、信号分析
器から成る。組み合わせ電極は、圧電基板の上端面に設
けられており、対向電極は圧電基板の下端面に設けられ
ている。対向電極の下端面には、物質の一方の界面が接
触しており、その一方の界面と対面するもう一方の界面
と接触する位置に反射板が設けられている。物質の一方
の界面ともう一方の界面との距離Z_i (i=1, 2,…, n)
は、距離制御手段によって制御される。櫛型電極Aと対
向電極との間に周波数fの入力電気信号が入力される
と、圧電基板の下端面に垂直な方向の縦波が物質中に照
射される。このとき、圧電基板の厚さに対する組み合わ
せ電極の電極周期長の割合が、圧電基板中を伝搬する縦
波速度に対する物質中を伝搬する縦波速度の割合の４倍
以下であるような構造を採用することにより、圧電基板
の下端面に対し垂直な方向の縦波を効率よく物質中に照
射することが可能となる。縦波は反射板によって反射さ
れ、反射された縦波は、櫛型電極Bと対向電極との間
で、距離Z_iに応じた遅延電気信号D_i (i=1, 2,…, n)と
して検出される。一方、櫛型電極Bと対向電極との間で
は、入力電気信号からの結合信号も検出される。このよ
うにして、遅延電気信号D_iと結合信号との干渉信号R_i
(i=1, 2,…, n)が生じる。信号分析器では、干渉信号R_i
における各振幅と、距離Z_iとの関係から距離周期ΔZが
得られる。物質中の音速Vは、周波数fの２倍と距離周期
ΔZとの積から算出される。つまり、物質中の音速Vは、
V=2fΔZで表される。

【００４１】本発明の第２のタイプの音速測定装置は第
１圧電基板と、櫛型電極AおよびBで成る第１組み合わせ
電極と、第２圧電基板と、櫛型電極AおよびBで成る第２
組み合わせ電極と、対向電極と、距離制御手段と、反射
板と、信号分析器から成る。第１組み合わせ電極は、第
１圧電基板の下端面に設けられている。第１組み合わせ
電極の下端面には物質の一方の界面が接触している。第
２組み合わせ電極は、第２圧電基板の上端面に設けられ
ており、対向電極は第１および第２圧電基板の間に設け
られている。第１組み合わせ電極の櫛型電極Aと対向電
極との間に周波数fの入力電気信号が入力されると、第
１圧電基板の下端面に垂直な方向の縦波が物質中に照射
される。このとき、第１圧電基板の厚さに対する第１組
み合わせ電極の電極周期長の割合が、第１圧電基板中を
伝搬する縦波速度に対する物質中を伝搬する縦波速度の
割合の４倍以下であるような構造を採用することによ
り、第１圧電基板の下端面に対し垂直な方向の縦波を効
率よく物質中に照射することが可能となる。縦波は反射
板によって反射され、反射された縦波は、第２組み合わ
せ電極の櫛型電極Bと対向電極との間で、距離Z_iに応じ
た遅延電気信号D_iとして検出される。一方、第２組み合
わせ電極の櫛型電極Bと対向電極との間では、入力電気
信号からの結合信号も検出される。このようにして、遅
延電気信号D_iと結合信号との干渉信号R_iが生じる。信号
分析器では、干渉信号R_iにおける各振幅と、距離Z_iとの
関係から距離周期ΔZが得られる。物質中の音速Vは、V=
2fΔZで表される。また、第２のタイプの音速測定装置
では、第１組み合わせ電極の代わりに第１櫛型電極が設
けられ、第２組み合わせ電極の代わりに第２櫛型電極が
設けられた構造が可能である。

【００４２】第１および第２のタイプの音速測定装置で
は、物質が液体や細胞質で成る構造が可能であり、固体
だけでなく、液体や細胞質中の音速を求めることが可能
である。また、物質の一方の界面と接触する部位に、シ
リコンゴム等の高分子膜が設けられた構造が可能であ
る。つまり、第１のタイプでは対向電極の下端面に、第
２のタイプでは第１組み合わせ電極の下端面や、第１櫛
型電極の下端面に高分子膜が塗布された構造が可能であ
る。このような構造では、高分子膜を塗布しない構造に
比べて、縦波をさらに効率よく物質中に照射することが
可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の音速測定装置の第１の実施例を示す断
面図。

【図２】組み合わせ電極２の平面図。

【図３】図１の音速測定装置に印加された入力電気信号
の周波数fと挿入損失との関係を示す特性図。

【図４】図１の音速測定装置における距離Z_iと、干渉信
号R_iの振幅との関係を示す特性図。

【図５】図１の音速測定装置から水中へ照射された縦波
の照射角度と、相対振幅との関係を示す特性図。

【図６】本発明の音速測定装置の第２の実施例を示す断
面図。

【図７】第１組み合わせ電極９および第２組み合わせ電
極１１の構成図。

【図８】組み合わせ電極２の電極指交叉領域を示す平面
図。

【図９】第１組み合わせ電極９の電極指交叉領域を示す
平面図。

【図１０】本発明の音速測定装置の第３の実施例を示す
断面図。

【図１１】第１組み合わせ電極１３および第２組み合わ
せ電極１４の構成図。

【図１２】本発明の音速測定装置の第４の実施例を示す
断面図。

【図１３】第１櫛型電極１５および第２櫛型電極１６の
構成図。

【符号の説明】

１圧電基板２組み合わせ電極３対向電極４信号発生器５信号分析器６距離制御手段７反射板８第１圧電基板９第１組み合わせ電極１０第２圧電基板１１第２組み合わせ電極１２シリコンゴム１３第１組み合わせ電極１４第２組み合わせ電極１５第１櫛型電極１６第２櫛型電極２A，２B 櫛型電極９A，９B 櫛型電極１１A，１１B 櫛型電極１３A，１３B 櫛型電極１４A，１４B 櫛型電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電基板と、櫛型電極AおよびBで成る組
み合わせ電極と、対向電極と、距離制御手段と、反射板
と、信号分析器から成る音速測定装置であって、前記組
み合わせ電極は、前記圧電基板の上端面に設けられてお
り、前記対向電極は前記圧電基板の下端面に設けられて
いて、前記対向電極の下端面には、物質の一方の界面が
接触しており、前記反射板は、前記物質の前記一方の界
面と対面するもう一方の界面と接触しており、前記距離
制御手段は、前記物質の前記一方の界面と前記もう一方
の界面との距離Z_i (i=1, 2,…, n)を制御し、前記櫛型
電極Aと前記対向電極との間に、周波数fの入力電気信号
が入力されることにより、前記圧電基板の下端面に垂直
な方向の縦波が前記物質中に照射され、前記縦波は、前
記反射板によって反射され、前記櫛型電極Bと前記対向
電極との間では、反射された縦波が前記距離Z_iに応じた
遅延電気信号D_i (i=1, 2,…, n)として検出されるとと
もに、前記入力電気信号からの結合信号も検出され、前
記信号分析器では、前記遅延電気信号D_iと前記結合信号
との干渉信号R_i (i=1, 2,…, n)における各振幅と、前
記距離Z_iとの関係から距離周期ΔZが検出され、前記物
質中の音速Vは、前記周波数fの２倍と前記距離周期ΔZ
との積から算出される音速測定装置。
【請求項２】前記圧電基板の厚さに対する前記組み合
わせ電極の電極周期長の割合は、前記圧電基板中を伝搬
する縦波速度に対する前記物質中を伝搬する縦波速度の
割合の４倍以下である請求項１に記載の音速測定装置。
【請求項３】第１圧電基板と、櫛型電極AおよびBで成
る第１組み合わせ電極と、第２圧電基板と、櫛型電極A
およびBで成る第２組み合わせ電極と、対向電極と、距
離制御手段と、反射板と、信号分析器から成る音速測定
装置であって、前記第１組み合わせ電極は、前記第１圧
電基板の下端面に設けられており、前記第１組み合わせ
電極の下端面には、物質の一方の界面が接触しており、
前記第２組み合わせ電極は、前記第２圧電基板の上端面
に設けられており、前記対向電極は前記第１および第２
圧電基板の間に設けられていて、前記反射板は、前記物
質の前記一方の界面と対面するもう一方の界面と接触し
ており、前記距離制御手段は、前記物質の前記一方の界
面と前記もう一方の界面との距離Z_i (i=1, 2,…, n)を
制御し、前記第１組み合わせ電極の前記櫛型電極Aと前
記対向電極との間に、周波数fの入力電気信号が入力さ
れることにより、前記第１圧電基板の下端面に垂直な方
向の縦波が前記物質中に照射され、前記縦波は、前記反
射板によって反射され、前記第２組み合わせ電極の前記
櫛型電極Bと前記対向電極との間では、反射された縦波
が前記距離Z_iに応じた遅延電気信号D_i (i=1, 2,…, n)
として検出されるとともに、前記入力電気信号からの結
合信号も検出され、前記信号分析器では、前記遅延電気
信号D_iと前記結合信号との干渉信号R_i (i=1, 2,…, n)
における各振幅と、前記距離Z_iとの関係から距離周期Δ
Zが検出され、前記物質中の音速Vは、前記周波数fの２
倍と前記距離周期ΔZとの積から算出される音速測定装
置。
【請求項４】前記第１組み合わせ電極の代わりに第１
櫛型電極が設けられ、前記第２組み合わせ電極の代わり
に第２櫛型電極が設けられた音速測定装置であって、前
記第１櫛型電極と前記対向電極との間に、周波数fの入
力電気信号が入力されることにより、前記第１圧電基板
の下端面に垂直な方向の縦波が前記物質中に照射され、
前記縦波は、前記反射板によって反射され、前記第２櫛
型電極と前記対向電極との間では、反射された縦波が前
記距離Z_iに応じた遅延電気信号D_i (i=1, 2,…, n)とし
て検出されるとともに、前記入力電気信号からの結合信
号も検出される請求項３に記載の音速測定装置。
【請求項５】前記物質が液体または細胞質で成る請求
項１，２，３または４に記載の音速測定装置。
【請求項６】前記物質の前記一方の界面と接触する部
位に、新たに高分子膜が設けられた請求項１，２，３，
４または５に記載の音速測定装置。