JP2009101166A - 人工蝸牛の周波数分析器 - Google Patents
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Abstract
【課題】電源供給のバッテリーを必要としない簡易な構成で、かつ利便性に優れ、入力された音波を特定周波数別に精度良く分解することが可能な人工蝸牛の周波数分析器を提供する。
【解決手段】上部構造物１００と下部構造物２００とを有し、上部構造物１００は、ナノワイヤー接触部１２０が形成されている第１基板１１０を備え、下部構造物２００は、内部に流体が充填される空間部２２０が形成されている第２基板２１０と、基底膜２３０と、基底膜２３０に形成されている複数の電極２４０と、電極２４０の上面に形成された変形可能でかつ圧電特性を有する複数のナノワイヤー２９０と、を備え、下部構造物２００に音波が入力されることで流体が流動し、それに伴い基底膜２３０が運動してナノワイヤー２９０がナノワイヤー接触部１２０に接触することで、ナノワイヤー２９０の圧電特性に基づいて、入力された音波の周波数に基づいた電気信号が発生する。
【選択図】図５ａ
【解決手段】上部構造物１００と下部構造物２００とを有し、上部構造物１００は、ナノワイヤー接触部１２０が形成されている第１基板１１０を備え、下部構造物２００は、内部に流体が充填される空間部２２０が形成されている第２基板２１０と、基底膜２３０と、基底膜２３０に形成されている複数の電極２４０と、電極２４０の上面に形成された変形可能でかつ圧電特性を有する複数のナノワイヤー２９０と、を備え、下部構造物２００に音波が入力されることで流体が流動し、それに伴い基底膜２３０が運動してナノワイヤー２９０がナノワイヤー接触部１２０に接触することで、ナノワイヤー２９０の圧電特性に基づいて、入力された音波の周波数に基づいた電気信号が発生する。
【選択図】図５ａ
Description
本発明は、電源供給のバッテリーを用いることなく体内移植が可能な人工蝸牛の周波数分析器に関する。
図１に示すように、哺乳動物の蝸牛（Ｃｏｃｈｌｅａ）には、音を特定周波数別に分解する基底膜（Ｂａｓｉｌａｒ ｍｅｍｂｒａｎｃｅ）と、基底膜の上端に配置され、音情報を電気信号に変換して神経を介して脳に伝達する役割をする不動毛（Ｓｔｅｒｅｏｃｉｌｉａ）が存在する。
一般的に人間の蝸牛は、２０Ｈｚから２０ｋＨｚまでの可聴域で作動し、１２０ｄＢ程度までの音を識別可能であり、周波数差がある音であってもその音質（ｔｏｎｅ）を解析可能に構成されている。
一般的に蝸牛の体積は１ｃｍ3程であり、非常に小さな構造を有している。このような微小な構造にもかかわらず、可聴周波数信号を３、５００チャンネルの周波数情報として分解する機能を有しており、すなわち蝸牛は敏感な周波数分析能を有しているといえる。
図３を参照して、蝸牛内部に設けられている基底膜の構成について説明する。上記で説明したように、基底膜は入力された音波を特定周波数別に分解する機能を有している。入力された音波が到達するベース領域（基底側）は、高周波の音波が共振するように厚くて幅の狭い膜の構造を有しおり、ベース領域から頂点側に向かうに従い、厚さが薄く、幅が広い柔軟な膜に変化していく。
図４は蝸牛の構成を説明する概略図である。
図４に示すように、蝸牛殻には電極が挿入されている。この電極は、基底膜のベース（高周波数領域）から頂点（低周波数領域）まで分布している聴神経で生じた生体電気信号を、脳幹にある聴神経核に情報を伝達するものである。
このように蝸牛は音波を電気信号に変えて、聴神経核にその電気信号を伝達する役割を担うものであるが、その一方で、何らかの障害によって蝸牛の機能が低下した、または失われた人々が存在する。このような人々に対して、従来より、人工蝸牛（Ｃｏｃｈｌｅａｒ Ｉｍｐｌａｎｔ）を移植することが提案されている。図２に、従来の人工蝸牛の概略構成図を示す。
図２に示すように、従来の人工蝸牛は、マイクロホン（Ｍｉｃｒｏｐｈｏｎｅ）、スピーチプロセッサー、トランスメーター／レシーバー、電極（Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）から構成され、最大２２チャンネルの電極を有している。
ここで、マイクロホンは音波（Ｓｏｕｎｄ Ｗａｖｅ）の信号をアナログ電気信号に変換し、スピーチプロセッサーは、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）技術に基づいて、時間に対するアナログ電気信号を周波数に対するデジタル電気信号に変換する信号処理を遂行する。また、トランスメーター／レシーバーは、体外のスピーチプロセッサー信号を体内に無線で伝達する。
しかし上記従来の人工蝸牛を用いる場合、以下に示す問題を生じる。
従来の人工蝸牛は、体外に装着されるマイクロホン、スピーチプロセッサー、トランスメーターと、体内に移植されるレシーバー、刺激器、電極といった部品が必要であり、人工蝸牛システムが大型化、かつ複雑化していた。
また、高価な電子回路チップセットが必要であったので、電力の消耗が大きく、システム全体の製造コスト、動作コストが増大する。
また、入力された音波を特定周波数に対する電気的信号に変換するために、電源供給のバッテリーを必要とし、それらのバッテリーの寿命は、ほとんどの場合、数時間から一週間までしかもたない。よって、頻繁にバッテリーを充電する必要があり、利便性の低下を招いている。
また、上記で説明したように、従来の人工蝸牛では、ＤＳＰ技術に基づいて周波数に対するデジタル電気信号を発生させている。しかしこの場合、可聴周波数信号に遅延が生じる可能性があり、音を聞き分ける際の精度が低下する虞がある。
すなわち、従来の人工蝸牛システムは、単語を区別するには問題がないが、例えば音楽を聴く場合に音律の高さを解析したり、音色を有する言葉を解析して理解することに関しては多くの課題を残している。
そこで本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、電源供給のバッテリーを必要としない簡易な構成で、かつ利便性に優れ、入力された音波を特定周波数別に精度良く分解することが可能な人工蝸牛の周波数分析器を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために本発明にあっては、上部構造物と下部構造物とを有し、前記上部構造物と前記下部構造物とを電気的に接触させることで前記下部構造物に入力された音波の周波数に対応した電気信号を発生させ、発生した前記電気信号を神経へ伝達可能に構成されている人工蝸牛の周波数分析器であって、前記上部構造物は、下面に電気伝導性の高い金属でコーティングされたナノワイヤー接触部が形成されている第１基板を備え、前記下部構造物は、内部に流体が充填される空間部が形成され、前記上部構造物と対向する面が開放されている第２基板と、前記空間部に充填されている流体の上面を覆うように設けられている基底膜と、前記基底膜の上面に形成されている複数の電極と、前記電極の上面に形成されており、前記ナノワイヤー接触部に接触する方向に変形可能に構成されている圧電特性を有する複数のナノワイヤーと、を備え、前記下部構造物に音波が入力されることで前記流体が流動し、それに伴い前記基底膜が運動して前記ナノワイヤーが変形し、変形した前記ナノワイヤーが前記ナノワイヤー接触部に接触することで、前記ナノワイヤーの圧電特性に基づいて、入力された音波の周波数に基づいた電気信号が発生し、当該電気信号を前記電極と電気的に接続されている神経に伝達可能に構成されていることを特徴とする。
上記構成によると、入力された音波の周波数に基づいて基底膜を運動させ、さらにナノワイヤーの圧電特性を利用して電極から神経へ電気信号を伝達するので、電気信号を発生させ、それを伝達するにあたって電源供給のバッテリーを必要としない。また、高価な電気回路チップセットを必要としないので、簡易な構成で、かつ利便性に優れた人工蝸牛の周波数分析器を提供することができる。
なお、本発明では、上部構造物に電気伝導性の高い金属でコーティングされたナノワイヤー接触部を設けたが、ここでいう電気伝導性の高い金属とは、例えば白金（Ｐｔ）などの金属材料を指す。
以上説明したように、本発明によれば、電源供給のバッテリーを必要としない簡易な構成で、かつ利便性に優れ、入力された音波を特定周波数別に精度良く分解することが可能な人工蝸牛の周波数分析器を提供することが可能になる。
以下に図面を参照して、この発明を実施するための最良の形態を、実施の形態に基づいて例示的に詳しく説明する。ただし、この実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
[本実施の形態]
図５〜図１１を参照して、本発明の実施の形態に係る人工蝸牛の周波数分析器について説明を行う。
図５〜図１１を参照して、本発明の実施の形態に係る人工蝸牛の周波数分析器について説明を行う。
図５ａは、本実施の形態に係る人工蝸牛の周波数分析器を示した斜視図で、図５ｂは、図５ａのＡ−Ａ´における断面図である。
図５ａ、図５ｂを参照すると、本実施の形態に係る人工蝸牛の周波数分析器は、ＭＥＭＳ構造を有するものであり、上部構造物１００と下部構造物２００とから構成されている。
上部構造物１００には、第１基板１１０と、第１基板１１０の下面に形成される鋸歯状のナノワイヤー接触部１２０とが設けられている。ナノワイヤー接触部１２０には、下記で説明するナノワイヤー２９０と直接的に接触する鋸歯部が形成され、少なくとも鋸歯部の表面は電気伝導性の高い金属、例えば白金などでコーティングされている。
下部構造物２００には、下方から上方に向かって順に第２基板２１０、基底膜２３０、電極２４０及びナノワイヤー２９０とが設けられている。また、ナノワイヤー２９０は、ナノワイヤー接触部１２０に接触する方向に変形するように圧電及び半導体特性を有している。
本実施の形態では、下部構造物２００上に上部構造物１００を積層させる時、下部構造物２００のナノワイヤー２９０が上部構造物のナノワイヤー接触部１２０に接触可能となるように積層する。
次に、図６及び図７を参照して、上部構造物１００及び下部構造物２００のそれぞれについて説明を行う。図６ａは、本実施の形態における人工蝸牛の周波数分析器の上部構造物１００を示した概略斜視図で、図６ｂは、図６ａのＢ−Ｂ´における概略断面図である。
また、図７ａは、本実施の形態における人工蝸牛の周波数分析器の下部構造物２００を示した概略構成図であり、図７ｂは、図７ａのＣ−Ｃ´における概略断面図である。また、図７ｃは、本実施の形態における人工蝸牛の周波数分析器の下部構造物２００を上から見た時の概略構成図である。図７ｄは、本実施の形態における下部構造物２００の概略構成図である。
本実施の形態における上部構造物１００は、シリコンウェーハーによって形成されることが好ましい。
また、上部構造物１００に設けられるナノワイヤー接触部１２０は、第１基板１１０の下面に形成されるシリコン材質でありながら、鋸歯状の鋸歯部１２１と、鋸歯部１２１の表面においてナノワイヤー２９０と接触する領域を高伝導性金属でコーティングしたコーティング部１２２とを有している。
なお、第１基板１１０と鋸歯部１２１は、同じ材質であるので、一体に成形しても構わない。
このようにナノワイヤー接触部１２０を鋸歯状に成形することで、ナノワイヤー２９０とナノワイヤー接触部１２０との接触を容易にすることができる。
つまり、ナノワイヤー接触部１２０を鋸歯状に成形することで、ナノワイヤー２９０が変形した時、ナノワイヤー２９０の端部が鋸歯状のナノワイヤー接触部１２０と電気的に接触し、そこから電流が流れるように回路を構成することができる。
しかしナノワイヤー接触部１２０を平面に形成した場合、ナノワイヤー２９０が変形した時、ナノワイヤー２９０の端部が平面状のナノワイヤー接触部１２０に接触せず、両者の間で電流が流れることはない。この点については図９を参照して後にさらに詳しく説明する。
なお、本実施の形態ではナノワイヤー接触部１２０を鋸歯状に形成したが、ナノワイヤー接触部１２０の形状はこれに限られるものではなく、接触部に凹凸部が形成されていればよい。つまり、断面形状が四角などの多角形の突起を連続させた形態であってもよい。この場合であっても、ナノワイヤー２９０とナノワイヤー接触部１２０を電気的に接触させることが可能である。
一方、下部構造物２００は、図７に示したように、下方から上方に向かって順に第２基板２１０、基底膜２３０、電極２４０、及びナノワイヤー２９０が設けられている。
また、図７ｂに示すように、第２基板２１０はシリコン（Ｓｉ）材質からなり、その内側には空間部２２０が形成されている。また、第２基板２１０の上部構造物１００と対向する面は開放されている。
空間部２２０には流体が充填されており、本実施の形態では、空間部２２０に充填される流体としてシリコンオイル（ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｉｌ）が使用されている。しかし空間部２２０に充填される流体はこれに限られるものではない。
基底膜２３０は、空間部２２０に充填されている流体の上面を覆うように設けられており、基底膜２３０の材質としてはポリマー素材の一例としてポリイミド（ｐｏｌｙｉｍｉｄｅ）、ＳＵ−８など、またはポリマー層とナノワイヤー分散層とを積層させたポリマー複合素材などが用いられる。
かかる構成によると、基底膜２３０は空間部２２０に充填されている流体の流動に伴って運動することになる。
また、電極２４０が基底膜２３０の上面に形成されている。この構成によると、電極２
４０も空間部２２０に充填されている流体、及び基底膜２３０の運動によって上下に運動することができる。
４０も空間部２２０に充填されている流体、及び基底膜２３０の運動によって上下に運動することができる。
本実施の形態では、電極２４０として複数の電極２４１〜２４６を連続的に形成した。この際の各々の電極間間隔、幅ｗ、長さＬは、より音波が効率よく伝播するように変更可能である。
本実施の形態では、図７ａに示すように電極２４０の長さが短い方が高周波成分に該当し、電極２４０の長さが長い方が低周波成分に該当する。すなわち、電極の長さを変えることで、特定周波数別に音波を分解することができる。
ナノワイヤー２９０は、電極２４０の上面に形成されており、基底膜２３０表面の電気伝導性を有する部分に連結させることが可能であり、ナノワイヤー接触部１２０と接触するように、電極２４０の上方に成長するようにして変形可能な圧電特性または半導体特性を有している。
ナノワイヤー２９０の材質には、圧電素材としてＺｎＯ、ＺｎＭｇＯ、ＰＭＮ−ＰＴ、ＰＺＮ−ＰＴ、ＰＶＤＦ、ＰＶＣ、ＰＡＮ、ＰＺＴなどが用いられることが好ましい。
上記で説明したように、本実施の形態では、下部構造物２００の上に上部構造物１００を積層させる時、下部構造物のナノワイヤー２９０が上部構造物のナノワイヤー接触部１２０と接触できるように積層している。
つまり、ナノワイヤー２９０の一端はナノワイヤー接触部１２０に接触可能であり、ナノワイヤー２９０の他端は電極２４０に連結されている。もちろん、ナノワイヤー２９０とナノワイヤー接触部１２０間の接続または未接続は、入力される音波の周波数などによって左右される。
また、本実施の形態では、音波が入力された場合に、入力された音波が下部構造物２００の空間部２２０に充填されている流体に取り込まれるための通路として、音波入口２５０が形成されている。
具体的には、第２基板２１０の上部に壁部材２８０を形成し、この壁部材２８０と電極２４１によって、音波入口２５０が形成される。なお、第２基板（Ｓｉ基板：２１０）と当接する部分に形成され、壁の役割を遂行する壁部材２８０は、第２基板２１０と同じ材質であるシリコン（Ｓｉ）によって形成することが好ましい。
また、本実施の形態では、一つの電極２４０に一つ以上のナノワイヤー２９０を接触されることもでき、また一つの電極２４０にナノワイヤー２９０を接触させないことも可能である。
また、本実施の形態では、ナノワイヤー２９０と直接的に連結される電極２４０にのみ蝸牛殻の挿入型電極チャンネル３００に連結する信号ライン２６０を形成することが好ましい。
また、図７ｄを参照すると、本実施の形態では下部構造物２００の空間部２２０と電極２４０との間に音波が効率的に伝達されるように、Ｓｉ3Ｎ4材質の第３基板２３０ａと、第３基板を包むポリマー材質、例えばポリイミド、ＳＵ−８などの第４基板２３０ｂとが構成されている。つまり、本実施の形態における基底膜２３０は、第３基板２３０ａと第４基板２３０ｂとを有していてもよい。
また、第４基板２３０ｂの上側には、クローム（Ｃｒ）または金（Ａｕ）材質の電極２４１〜２４６が配置されている。
図７ｄに示すように、下部構造物２００には、Ｓｉ基板２１０に流体が充填される空間部２２０が形成され、その空間部２２０に流体が満たされ、流体の上側には、基底膜２３０の役割を遂行するＳｉ3Ｎ4材質の第３基板２３０ａと、第３基板２３０ａを包むポリマー材質（例：ポリイミド、ＳＵ−８）の第４基板２３０ｂが構成され、第４基板２３０ｂの上側には、電極２４１〜２４６が配置され、電極２４１〜２４６においてナノワイヤーが成長するように構成されている。
かかる構成により、音波が入力されると、この音波は鼓膜と連結されている耳小骨（ｏｓｓｉｃｌｅ）の３つの骨のうちの１つと連結される下部構造物２００の音波入口２５０及び音波入口２５０に形成されている基底膜２３１を通過して、下部構造物２００に充填されている流体２２０を流動させる。
すると、第３基板２３０ａと第４基板２３０ｂとを有する基底膜２３０が運動し、この基底膜２３０の上部に設けられている電極２４０に音波が伝達され、この電極２４０に接触するナノワイヤー２９０が変形し、ナノワイヤー接触部１２０にナノワイヤー２９０の端部が接触する。
図８ａは、本実施の形態におけるナノワイヤーの変形特性、図８ｂは、本実施の形態におけるナノワイヤーの圧電特性、図８ｃは本実施の形態におけるナノワイヤーの圧電及び半導体特性を示す図である。
ワン（Ｚ．Ｌ．Ｗａｎｇ）などが、２００６年にＺｎＯナノワイヤーの圧伝現象を利用して機械及び振動エネルギーを電気エネルギーに変換するナノ発電機（ｎａｎｏｇｅｎｅｒａｔｏｒ）の製作可能性について立証した（Ｚｈｏｎｇ Ｌｉｎ Ｗａｎｇ ａｎｄ Ｊｉｎｈｕｉ Ｓｏｎｇ， Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｎａｎｏｇｅｎｅｒａｔｏｒｓ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ Ｎａｎｏｗｉｒｅ Ａｒｒａｙｓ， ２００６， Ｓｃｉｅｎｃｅ， ｖｏｌ．３１２）。
つまり、図８ａに示すように、ＡＦＭチップを利用してナノワイヤーを変形させると、引張り及び圧縮領域が発生し、図８ｂのように、圧電現象によって引張り領域には陽のポテンシャルが作用し、圧縮領域には陰のポテンシャルが作用する。
また、図８ｃのように、ベースに接地を設置し、ナノワイヤー頂点の引張り領域である陽のポテンシャルにタングステンチップを接触させた時は、逆方向バイアスショットキーダイオードに作用して電流が流れず、圧縮領域である陰のポテンシャルにタングステンチップを接触させた時は、順方向バイアスショットキーダイオードに作用して電流が流れることになる。
従って、ＺｎＯナノワイヤーが変形することで、圧電現象と半導体特性を有することが証明された。
図９ａ及び図９ｂは、本実施の形態に係る人工蝸牛の周波数分析器でＺｎＯナノワイヤーアレイ構造物の電気信号発生を示す図で、図９ａは、入力された音波が空間部２２０内にある流体に入力される前で、図９ｂは、音波が空間部２２０に入力された後を示す。
図１０は、本実施の形態において人工蝸牛の周波数分析器のナノワイヤーが変形して発
生した電気信号が、信号ラインに沿って蝸牛殻の挿入型電極チャンネルに伝達される状態を示す図である。
生した電気信号が、信号ラインに沿って蝸牛殻の挿入型電極チャンネルに伝達される状態を示す図である。
図９ａを参照すると、まだ音波が入力される前の状態なので、ナノワイヤー２９０の一端はナノワイヤー接触部１２０と未接触の状態である。
その後、図９ａの状態から音波が入力されると、図９ｂの状態になる。つまり、音波が入力されるとナノワイヤー２９０が変形し、ナノワイヤー２９０の一端がナノワイヤー接触部１２０と接触する。これによって、所定の電流（ｌ）が流れる。
図５〜図７に示した本実施の形態に係る人工蝸牛の周波数分析器の動作を、図９及び図１０を参照して説明する。
まず音波が発生すると、発生した音波が下部構造物２００の音波入口２５０及び音波入口２５０に形成された基底膜２３１を通過して下部構造物２００に充填されている流体２２０を流動させる。
すると基底膜２３０が運動し、この基底膜２３０の上部に設けられている電極２４０に音波が伝達し、電極２４０と接触したナノワイヤー２９０が変形し、変形したナノワイヤー２９０が上部構造物１００のナノワイヤー接触部１２０と接触して電気信号（電流）（l）が発生する。
この電気信号は、信号ライン２６１，２６２に沿って蝸牛殻の挿入型電極チャンネル３００に伝達され、蝸牛殻の挿入型電極のチャンネル３００の聴神経刺激電極３１０を介して有毛細胞の聴神経を刺激する。
図１０において符号２６１は高周波信号ラインで、２６２は低周波信号ラインを示している。
[他の実施の形態]
図１１ａは、本発明の他の実施の形態における上部構造物１００の概略斜視図である。また、図１１ｂは、本発明の他の実施の形態における上部構造物１００のＤ−Ｄ´における概略断面図である。
図１１ａは、本発明の他の実施の形態における上部構造物１００の概略斜視図である。また、図１１ｂは、本発明の他の実施の形態における上部構造物１００のＤ−Ｄ´における概略断面図である。
本実施の形態では、上記で説明した実施の形態に対して、上部構造物のコーティング部の構造が異なる点が特徴である。
すなわち、本実施の形態における上部構造物１００は、第１基板１１０、及び第１基板１１０の下側に形成される鋸歯状のナノワイヤー接触部１２０を有している。鋸歯部の製作は、ナノインプラント工程で製作することが可能である。
つまりナノワイヤー接触部１２０は、第１基板１１０の下側に形成され、シリコン材質でありながら、鋸歯状の鋸歯部１２１と、鋸歯部１２１の外側に高伝導性金属（白金など）でコーティングされたコーティング部１２２とを有している。
図６と図１１は、コーティング部の形状のみが相違している。つまり、図６では鋸歯状の部分が連続的に形成されていたが、コーティング部は、ナノワイヤーと接触する領域だけコーティングされていた。
一方、図１１に示す本実施の形態では、コーティング部の鋸歯状の部分が非連続的にな
っている。このようにナノワイヤーと接触する領域だけコーティングしたり、コーティング部のぎざぎざを非連続的に形成する理由は、コーティング部に接触するナノワイヤー間の電気的接触を遮断するために採用されるものである。
っている。このようにナノワイヤーと接触する領域だけコーティングしたり、コーティング部のぎざぎざを非連続的に形成する理由は、コーティング部に接触するナノワイヤー間の電気的接触を遮断するために採用されるものである。
言い換えると、１つのナノワイヤーと、このナノワイヤーと隣り合う他のナノワイヤーとが電気的に接触すると、システム上の問題を生じる虞がある。よって、これを防止するために鋸歯状の部分を非連続的に形成するのである。
なお、これ以外にもナノワイヤーの電気的接触を遮断するための方法として、例えば図６ｂにおいてナノワイヤーと直接的に接触する部分にのみ白金のコーティングを施すといった方法も考えられる。
また、本発明では、主に空間部に充填する流体として、実際の蝸牛殻内に存在する流体と似た特性を有する流体であったり、人工基底膜の機能を有する流体を用いるのが好ましい。
また、本発明ではシリコンオイルなどの流体を空間部に充填させた後、空間部にある空気を外部に排出させるための空気出口２７１，２７２を更に有することも好適である。なお、この空気出口２７１を流体を注入するための通路として使用してもよい。
また、本発明では、空気出口２７１、２７２内に流体を注入した後にシーリング（Ｓｅａｌｉｎｇ）を行い、その内部が密封状態になるようにしてもよい。
また、本発明では、信号ラインのライン上には、電極２４０から伝達された電気信号を増幅させる信号増幅器、または電気信号を音声に変換する音声処理機、のうちの少なくとも一方が設けられていてもよい。
１００ 上部構造物
１１０ 第１基板
１２０ ナノワイヤー接触部
１２１ 鋸歯部
１２２ （鋸歯部の）コーティング部
２００ 下部構造物
２１０ 第２基板
２２０ 空間部
２３０ 基底膜
２３０ａ第３基板
２３０ｂ第４基板
２４０ 電極
２５０ 音波入口
２６０ 信号ライン
２７１ 空気出口
２７２ 空気出口
２８０ 壁部材
２９０ ナノワイヤー
１１０ 第１基板
１２０ ナノワイヤー接触部
１２１ 鋸歯部
１２２ （鋸歯部の）コーティング部
２００ 下部構造物
２１０ 第２基板
２２０ 空間部
２３０ 基底膜
２３０ａ第３基板
２３０ｂ第４基板
２４０ 電極
２５０ 音波入口
２６０ 信号ライン
２７１ 空気出口
２７２ 空気出口
２８０ 壁部材
２９０ ナノワイヤー
Claims (16)
- 上部構造物と下部構造物とを有し、前記上部構造物と前記下部構造物とを電気的に接触させることで前記下部構造物に入力された音波の周波数に対応した電気信号を発生させ、発生した前記電気信号を神経へ伝達可能に構成されている人工蝸牛の周波数分析器であって、
前記上部構造物は、
下面に電気伝導性の高い金属でコーティングされたナノワイヤー接触部が形成されている第１基板を備え、
前記下部構造物は、
内部に流体が充填される空間部が形成され、前記上部構造物と対向する面が開放されている第２基板と、
前記空間部に充填されている流体の上面を覆うように設けられている基底膜と、
前記基底膜の上面に形成されている複数の電極と、
前記電極の上面に形成されており、前記ナノワイヤー接触部に接触する方向に変形可能に構成されている圧電特性を有する複数のナノワイヤーと、
を備え、
前記下部構造物に音波が入力されることで前記流体が流動し、それに伴い前記基底膜が運動して前記ナノワイヤーが変形し、変形した前記ナノワイヤーが前記ナノワイヤー接触部に接触することで、前記ナノワイヤーの圧電特性に基づいて、入力された音波の周波数に基づいた電気信号が発生し、当該電気信号を前記電極と電気的に接続されている神経に伝達可能に構成されていることを特徴とする人工蝸牛の周波数分析器。 - 前記下部構造物には、
前記上部構造物に対向している部分に、前記空間部に充填されている流体を流動させるための音波を取り込む音波入口が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の人工蝸牛の周波数分析器。 - 前記第１基板は、
シリコンウェーハーによって形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の人工蝸牛の周波数分析器。 - 前記ナノワイヤー接触部には、
シリコン材質、またはポリマー材質のいずれかに対して凹凸部を形成したものが用いられており、少なくとも前記凹凸部の表面は、電気伝導性の高い金属によってコーティングされていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の人工蝸牛の周波数分析器。 - 前記凹凸部は、
その断面形状が鋸歯状に形成されていることを特徴とする請求項４に記載の人工蝸牛の周波数分析器。 - 前記凹凸部は、
断面形状が多角形の突起が連続している部分であることを特徴とする請求項４に記載の人工蝸牛の周波数分析器。 - 前記基底膜の上面に形成されている前記複数の電極は、
各々の電極間の間隔、各々の電極の幅、各々の電極の長さが変更可能に設けられていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の人工蝸牛の周波数分析器。 - 前記複数の電極と神経とを電気的に接続する信号ラインが形成されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の人工蝸牛の周波数分析器。
- 前記信号ラインのライン上には、
前記電極から伝達された電気信号を増幅させる信号増幅器、
または前記電気信号を音声に変換する音声処理機、
のうちの少なくとも一方が設けられていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の人工蝸牛の周波数分析器。 - 前記ナノワイヤーは、
前記電極の上方に向けて成長するように変形可能であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の人工蝸牛の周波数分析器。 - 前記ナノワイヤーの材質には、
ＺｎＯ、ＺｎＭｇＯ、ＰＭＮ−ＰＴ、ＰＺＮ−ＰＴ、ＰＶＤＦ、ＰＶＣ、ＰＡＮ、ＰＺＴのいずれかが用いられていることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の人工蝸牛の周波数分析器。 - 前記基底膜の材質には、
ポリマー素材またはポリマー複合素材が用いられていることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の人工蝸牛の周波数分析器。 - 前記ナノワイヤー接触部に形成されている前記凹凸部は、
半導体工程、またはナノインプラント工程によって形成されることを特徴とする請求項４乃至１２のいずれか１項に記載の人工蝸牛の周波数分析器。 - 前記空間部に充填される流体とは、
シリコンオイルであることを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の人工蝸牛の周波数分析器。 - 前記空間部と前記電極との間には、
Ｓｉ3Ｎ4材質によって形成される第３基板と、
前記第３基板を包むポリマー材質の第４基板と、
を有することを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の人工蝸牛の周波数分析器。 - 前記音波入口は、
鼓膜と連結されている耳小骨の一部と連結されており、前記耳小骨の一部から音波が入力されるように構成されていることを特徴とする請求項２乃至１５のいずれか１項に記載の人工蝸牛の周波数分析器。
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