JP2017187420A

JP2017187420A - 音振感知装置

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Publication number: JP2017187420A
Application number: JP2016077342A
Authority: JP
Inventors: 戸田　耕司; Koji Toda; 耕司戸田
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-04-07
Filing date: 2016-04-07
Publication date: 2017-10-12

Abstract

【課題】水などの液体を介することなく、音振を電気信号として感知することを可能にする。【解決手段】もしも音波や振動が弾性波として対象物４中を伝搬していると、弾性波は、縦波として固体媒体３中に漏洩する。縦波は、固体媒体３における縦波速度が圧電基板１におけるラム波の位相速度と等しいかそれよりも低い場合には、ラム波として圧電基板１中に効率良く漏洩する。ラム波は、すだれ状電極２で電気信号として有効に検出される。このようにして、固体媒体３として液体を使用することなく、音振を検出することが可能となる。【選択図】図１

Description

本発明は、媒体として液体を利用することなく音振を感知する音振感知装置に関するものである。

対象物中を伝搬する音波や振動を検出するためには、駆動周波数が圧電基板の厚さに依存するような厚み振動モードの圧電トランスデューサや、圧電基板にすだれ状電極を設けて成る漏洩弾性表面波トランスデューサが汎用されている。これらの従来型のトランスデューサは、特定の方向からの音振の検出に限られるだけでなく、高周波の音振の検出が難しいという問題点を有している。その上、漏洩弾性表面波トランスデューサの場合には、すだれ状電極が備えられた圧電基板面と、対象物との間に液体層を設ける必要があることから、デバイス作成上の困難を伴う。

上記の問題を解決する目的で、超音波音圧センサ（特許文献１）が公開されている。これは、圧電基板１、第１出力用すだれ状電極３、弾性膜５および貯蔵室６を含む。駆動中、弾性膜５によって反射された縦波は、貯蔵室６における液体を媒体として、第１出力用すだれ状電極３によって第１遅延電気信号として検出される。このような従来のデバイスは、弾性膜５で反射された縦波を検出するためには液体の介在を必要とする。

このようにして、対象物中の音振を検出して電気信号に変換するための従来技術では、デバイスの製造が困難であり、実用性および汎用性に欠けるという問題を有していた。

特開２００１−３０４９５２号公報

解決しようとする問題点は、音波や振動を検出するための技術は、液体の介在を必要とすることから、デバイスの製造が困難であることや実用性および汎用性に欠けるという問題を有していたことである。

本発明は、対象物が液体、ゾル、ゲルまたは固体であるかどうかにかかわらず、対象物中を伝搬する音波や振動を感知することが可能な音振感知装置を提供することを目的とする。

また本発明は、対象物を伝搬する音波や振動を感知するために、媒体として液体を介することを必要としない音振感知装置を提供することを目的とする。

また本発明は、多方向からの音波や振動を感知することが可能な音振感知装置を提供することを目的とする。

また本発明は、効率良く音波や振動を感知することが可能な音振感知装置を提供することを目的とする。

また本発明は、高感度で音波や振動を感知することが可能な音振感知装置を提供することを目的とする。

また本発明は、構造が簡単で軽量で、製造が容易で、良好な歩留まりを有し、耐久性にも優れた音振感知装置を提供することを目的とする。

また本発明は、小さな対象物にも容易に取り付けることができる音振感知装置を提供することを目的とする。

また本発明は、機械的スキャニングシステムなどに容易に支持されうる音振感知装置を提供することを目的とする。

また本発明は、ディスポーザブルな使用形態にも適した音振感知装置を提供することを目的とする。

また本発明は、対象物中を伝搬する特定の周波数の音振を感知するセンサー技術に応用可能な音振感知装置を提供することを目的とする。

また本発明は、対象物の内部欠陥を検出する非破壊検査技術に応用可能な音振感知装置を提供することを目的とする。

また本発明は、例えば、がん細胞などを検出する超音波診断技術に応用可能な音振感知装置を提供することを目的とする。

また本発明は、ドラッグデリバリーシステムや、例えば、がん細胞などを攻撃する超音波治療技術に応用可能な超音波照射装置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なされた本発明の音振感知装置は、圧電基板と、その圧電基板上に設けられた少なくとも１つのすだれ状電極と、圧電基板の下に設けられた固体媒体とを有するものである。

このように構成することで、固体媒体は、音振が弾性波として伝搬する対象物に接触することにより弾性波を縦波として検出し、縦波をラム波として圧電基板に伝搬する機能を有する。また、すだれ状電極は、ラム波を電気信号として感知する機能を有する。

また、本発明の音振感知装置は、それぞれ異なった電極周期長を有する２つ以上のすだれ状電極を含む構成を有する。

このように構成することで、同じ電極周期長を有する２つ以上のすだれ状電極を使用する場合に比べ、広い領域で発生した音波や振動を検出することが可能になる。

また、本発明の音振感知装置は、それぞれ異なった電極周期長を有する２つ以上のすだれ状電極を含み、圧電基板において電極周期長の小さいものから大きいものへと順に配置される構成を有する。

このように構成することで、更に広い領域で発生した音波や振動を検出することが可能になる。

また、本発明の音振感知装置は、４つのトランスデューサグループを含む構成が可能である。各トランスデューサグループは少なくとも１つのすだれ状電極を含む。

このように構成することで、音振の強度の分布を計測することが可能となる。

また、本発明の音振感知装置は、４つのトランスデューサグループを含む構成において、２つの電極指の方向は、互いに平行であるとともに、別の２つの電極指の方向とは直交するという構成を有する。

このように構成することで、音振の強度の分布を更に精密に計測することが可能となる。

また、本発明の音振感知装置は、固体媒体中の縦波速度が、圧電基板中のラム波の位相速度と等しいかそれよりも低いという構成を有する。

このように構成することで、固体媒体中の縦波が、ラム波として効率良く圧電基板に伝搬する。

また、本発明の音振感知装置は、固体媒体が少なくとも２層で成る層状構造を有し、その層状構造の最上層部を伝搬する縦波速度は、圧電基板中のラム波の位相速度と等しいかそれよりも低いという構成を有する。

また、本発明の音振感知装置は、固体媒体の厚さが、圧電基板を補強するのに十分にしてかつ必要な厚さを超えないという構成を有する。

また、本発明の音振感知装置は、固体媒体の減衰定数が、縦波の圧電基板への伝搬がもはや起こらないほどの値を超えることはない。

また、本発明の音振感知装置は、圧電基板が圧電セラミックで成り、その圧電セラミックの分極軸の方向は厚さ方向と平行である。

このように構成することで、固体媒体中の縦波が、ラム波として効率良く圧電基板に伝搬し、すだれ状電極で電気信号として効率良くに検出される。

また、本発明の音振感知装置は、圧電基板が、圧電性を有する単結晶や圧電性高分子フィルムで成る。

また、本発明の音波感知装置は、すだれ状電極が、圧電基板の厚さ以上の値の電極周期長を有する。

このように構成することで、ラム波がすだれ状電極で電気信号として効率良く検出される。

また、本発明の音振感知装置は、すだれ状電極が、少なくとも２つの電極周期長を有する分散型の電極構造で成る。

このように構成することで、更に多方向からの音波や振動を検出することが可能になる。

また、本発明の音振感知装置は、すだれ状電極が円弧状の電極パターンを有する。

このように構成することで、すだれ状電極での電気信号の検出感度を増大させることが可能になる。

また、本発明の音振感知装置は、すだれ状電極が円弧状の電極パターンを有するとともに、少なくとも２つの電極周期長を有する分散型の電極構造で成る。

このように構成することで、更に多方向からの音波や振動を高感度で検出することが可能になる。

本発明によれば、媒体として液体を利用することなく音振を効率良く感知することができる。

本発明の音振感知装置の第１の実施例を示す概略図である。（実施例１）図１のすだれ状電極２を上方から見たときの平面図である。図１の音振感知装置を上方から見たときの平面図である。圧電基板１およびに固体媒体３から成る２層体に励振される各ラム波モードの位相速度(V_Lami)のft依存性を示す特性図である。電気機械結合係数k²のft依存性を示す特性図である。前述の２層体におけるラム波モードの挿入損失と、入力電気信号の周波数(f_i)との関係を示す特性図である。図４と同様な特性図を示すが、図４で述べられている圧電セラミックが、圧電性を有するニオブ酸リチウム単結晶に置き換えられた２層体についてのものである。すだれ状電極５の平面図である。本発明の音振感知装置の第２の実施例を上方から見たときの平面図である。（実施例２）すだれ状電極７の平面図である。本発明の音振感知装置の第３の実施例を示す概略図である。（実施例３）本発明の音振感知装置の第４の実施例を上方から見たときの平面図である。（実施例４）本発明の音振感知装置の第５の実施例を上方から見たときの平面図である。（実施例５）図１３の音振感知装置の側面図である。本発明の音振感知装置の第６の実施例を示す概略図である。（実施例６）

製造が容易で、しかも、効率良く音振を感知するという目的を、液体に代わる固体媒体を利用することにより達成した。

図１は、本発明の音振感知装置の第１の実施例を示す概略図である。本実施例は圧電基板１、すだれ状電極２および固体媒体３から成る。圧電基板１は、たとえば230 μmの厚さ(t)を有する圧電セラミックで成り、その分極軸の方向は、両端面に垂直な方向、つまり厚さ(t)方向と平行である。このとき、圧電基板１として、圧電性を有する単結晶や圧電性高分子フィルムなどの圧電性部材を用いることも可能である。すだれ状電極２は、たとえばアルミニウム薄膜で成り、圧電基板１の上端面に設けられている。圧電基板１は固体媒体３上に設けられている。固体媒体３はアクリル樹脂などで成り、低減衰定数を有し、たとえば1 mmの厚さを有する。この厚さは、固体媒体３が圧電基板１を補強し得るのに十分な厚さである。図１の音振感知装置を用いて対象物４中を伝搬する音波や振動を検出する場合には、固体媒体３の下端面に対象物４を接触させる必要がある。このようにして、図１の音振感知装置は小型軽量で構造も簡単であり、小さな対象物にも容易に取り付けることができ、ディスポーザブルな使用形態にも適している。また、製造が容易である上、良好な歩留まりを有し、耐久性にも優れている。図１の圧電基板１、固体媒体３および対象物４の中に描かれた矢印は、駆動中にそれらの中を伝搬する波の方向を示すものである。

図２は、図１のすだれ状電極２を上方から見たときの平面図である。すだれ状電極２は、圧電基板１の厚さ(t)と同じかそれよりも大きい値の電極周期長(p)を有する。

図１の音振感知装置において、もしも音波や振動が、周波数f_i (i=1,2,……, またはn)を有する弾性波として対象物４中を伝搬していると、弾性波は、同じ周波数を有する縦波として固体媒体３中に漏洩する。このとき、対象物４における弾性波速度V_Ob、固体媒体３における縦波速度V_Me、弾性波の入射角θ_Obi (i=1,2,……, またはn)、縦波の屈折角θ_Mei (i=1,2,……, またはn)については、sinθ_Mei/sinθ_Obi = V_Me/V_Obという関係が成立する。図１は、V_MeがV_Obより高い場合には、θ_Meiがθ_Obiより大きいことを示す。

固体媒体３中の縦波は、V_Meが圧電基板１におけるラム波モードの位相速度V_Lami (i=1,2,……, またはn)と等しいかそれよりも低い場合には、ラム波として圧電基板１中に効率良く漏洩する。ラム波モードは、固体媒体３における縦波と同じ周波数f_iを有し、すだれ状電極２の電極周期長(p)にほぼ対応する波長を有する。換言すると、V_Me≦V_Lamiという条件の下では、固体媒体３と圧電基板１との界面において縦波からラム波へのモード変換が起こる。ラム波モードは、圧電基板１中をその両端面に平行な方向に沿って伝搬する。従って、ラム波モードが圧電基板１中を伝搬する角度θ_Lamについては、θ_Lam = π/2という関係が成立する。このようにして、sinθ_Lam/sinθ_Mei = V_Lami/V_Me、すなわちθ_Mei = sin^-1(V_Me/V_Lami)という関係が成立する。

固体媒体３の厚さは、固体媒体３中の縦波の減衰を最小限にとどめるものでなくてはならない。従って、圧電基板１の強さを補強する為に必要にして十分な厚さ以上には厚過ぎないことが要求される。また、縦波の圧電基板１への伝搬が効率良く起こるためには、固体媒体３の減衰定数はなるべく低いことが望まれる。少なくとも、縦波の圧電基板１への伝搬がもはや起こらないほど高いものであってはならない。

圧電基板１が圧電セラミックで成り、その分極軸の方向が厚さ(t)方向と平行であることから、圧電基板１中のラム波モードは、すだれ状電極２で電気信号として効率良く検出される。電気信号は、弾性波と同じ周波数f_iを有するとともに、すだれ状電極２の電極周期長(p)にほぼ対応する波長を有する。すだれ状電極２は、固体媒体３として液体の存在を介することなく、屈折角θ_Meiの縦波、すなわち入射角θ_Obiの弾性波を検出する能力を有する。このようにして、図１で示されるような、全てが固体で成るデバイスは、対象物４を通じて音波や振動を感知するのに有効である。対象物４が液体、ゾル、ゲルまたは固体、たとえば、水、溶液、細胞質、セメント、ガラス、金属、合金、コンクリート、石などであるかどうかは問題とならない。このようにして図１のデバイスは、たとえば、手首の脈拍を測定する技術として有望である。なお、すだれ状電極２で受波可能な音振の周波数は、すだれ状電極２の電極周期長(p)に依存することから、すだれ状電極２の電極周期長(p)を、音振の周波数に応じて予め設定しておくことが必要である。逆に、すだれ状電極２の電極周期長(p)に対応する周波数の音振を検出することが可能であることから、対象物４中に特定の周波数の音振が伝搬しているかどうかのセンサーとしての機能を果たすことも可能である。たとえば図１のデバイスは、社会インフラにおける非破壊検査技術のためのセンサーとしても有望である。

図３は、図１の音振感知装置を上方から見たときの平面図であり、機械的スキャニングシステムを用いて駆動した場合の図である。機械的スキャニングシステムは図３では描かれていないが、たとえば、互いに直交する２本のレールから成り、その２本のレールに沿って図１のデバイス自体を動かすものである。この際、図１のデバイスは容易に支持されることが必要である。このようにして、デバイスは、対象物４の表面すべてをスキャンすることが可能となる。図３における矢印は、デバイスの動作方向を示す。もちろん、手動でデバイスを全ての方向に動かすことも可能である。対象物４の表面をスキャンすることにより、多方向からの音波や振動を感知することが更に容易になる。このようにして図１のデバイスにより、たとえば、海中の魚群の声を聞く技術として有望である。

図４は、圧電基板１およびに固体媒体３から成る２層体に励振される各ラム波モードの位相速度(V_Lami)のft依存性を示す特性図であり、圧電基板１が圧電セラミックで成り、固体媒体３がアクリル樹脂で成る場合についてのものである。ft値はラム波モードの周波数(f_i)と圧電基板１の厚さ(t)との積を示す。速度分散曲線と黒丸は、それぞれ計算値と実測値を示す。全ての値は、圧電基板１の上端面と固体媒体３の下端面が、それぞれ電気的に短絡および開放状態にある時のものである。速度分散曲線は、圧電基板１単体の場合、または固体媒体３の代わりに水から成る２層体における場合とほとんど違いは見られなかった。速度分散曲線の側に記されている数字は、個々のラム波モードの通し番号である。３本の斜めの直線状の破線は、それぞれすだれ状電極２が400 μm、500μm、600 μmの３つの電極周期長(p)を有する場合の動作特性を表すもの（動作直線）である。それらの斜線と速度分散曲線との交点は、すだれ状電極２が各電極周期長(p)を有する場合における最適な動作条件に相当する。２本の水平な直線状の破線L_aおよびL_wは、それぞれ固体媒体３単体および水単体中を伝搬する縦波速度の軌跡である。水は、圧電基板と対象物を媒介する固体媒体３として、一般的に広く用いられているものである。たとえば、14.2 MHz (f_i)の周波数を有する弾性波が対象物４から固体媒体３へ縦波として伝搬し、その縦波が圧電基板１に遭遇すると、230 μmの厚さ(t)を有する圧電基板１と固体媒体３との界面において、縦波から約5.7 km/s (V_Lami)の位相速度および約400 μmの波長を有する第５次モードのラム波へのモード変換が起こる。V_Me = 2.7 km/sであることから、前述の式θ_Mei = sin^-1(V_Me/V_Lami)によれば、約29度の入射角（θ_Meiと同等）を有する縦波のみが第５次モードのラム波にモード変換される。第５次モードのラム波は、400 μmの電極周期長(p)を有するすだれ状電極２において、14.2 MHz (f_i)の周波数を有する電気信号として検出される。図４は、どのモードのラム波がすだれ状電極２で検出されるかは、圧電基板１の厚さ(t)およびすだれ状電極２の電極周期長(p)が不変であるという条件の下では、弾性波の周波数f_iに依存するということを示す。

図５は、電気機械結合係数k²のft依存性を示す特性図である。k²値は、固体媒体３の下端面が電気的に開放状態にある場合において、圧電基板１の上端面が電気的に開放状態にある時のラム波モードのV_Lamiと、短絡状態にある時のV_Lamiとの差から計算される。速度分散曲線の側に記されている数字は、個々のラム波モードの通し番号である。図５は、たとえばft値が1.2 MHz・mmの場合には、第１次モードのラム波のk²の最大値は12.5 %であることを示す。言い換えれば、第１次モードのラム波は、ft値が1.2 MHz・mmの時に、最も効率良くすだれ状電極２において電気信号として検出される。図５のk²値は、圧電基板１単体における値とほとんど変わらない。このことは、ラム波モードから電気信号への変換効率は、圧電基板１およびに固体媒体３から成る２層体においても、圧電基板１単体における場合とほとんど変わらないことを意味する。

図６は、前述の２層体におけるラム波モードの挿入損失と、電気信号の周波数(f_i)との関係を示す特性図である。但し、固体媒体３が1 mmの厚さを有し、すだれ状電極２が600 μmの電極周期長(p)を有する場合の特性図である。挿入損失の最小値は、第１次モードにおける-33.1 dBであり、このときのf_i値は5.56 MHzである。この挿入損失の値は、圧電基板１単体の場合に比べると、かなり大きい。このことは、すだれ状電極２においては、5.56 MHzの周波数を有する電気信号が検出され易いことを示す。

図７は、図４と同様な特性図を示すが、図４で述べられている圧電セラミックが、圧電性を有するニオブ酸リチウム単結晶に置き換えられた２層体についてのものである。この２層体においては、圧電基板１の上端面と固体媒体３の下端面はともに電気的に開放状態にある。斜めの直線状の破線は、すだれ状電極２が300 μmの電極周期長(p)を有する場合の動作特性を表すもの（動作直線）である。たとえば、20.3 MHz (f_i)の周波数を有する弾性波が対象物４から固体媒体３へ縦波として伝搬し、その縦波が圧電基板１に遭遇すると、230 μmの厚さ(t)を有する圧電基板１と固体媒体３との界面において、縦波から約6.1 km/s (V_Lami)の位相速度および約300 μmの波長を有する第２次モードのラム波へのモード変換が起こる。V_Me = 2.7 km/sであることから、約26度の入射角（θ_Meiと同等）を有する縦波のみが第２次モードのラム波にモード変換される。第２次モードのラム波は、300 μmの電極周期長(p)を有するすだれ状電極２において、20.3 MHz (f_i)の周波数を有する電気信号として検出される。図７は、アクリル樹脂やその他の高分子材料だけでなく、金属や合金やその他の材質も、V_Me≦V_Lamiという関係が成立する限り固体媒体３として有効であることを示す。換言すれば、本発明の音振感知装置では、固体媒体３の材質如何により、低次モードはもちろんのこと、高次モードのラム波でもすだれ状電極２において検出されることが可能であることを示す。

図８は、すだれ状電極５の平面図である。すだれ状電極５は図２のすだれ状電極２の代わりに用いられるものであり、電極指の構成が、２以上の電極周期長を有する分散型であることを除き、すだれ状電極２と同様な構造を有する。具体的には、すだれ状電極５は、徐々に増加する電極周期長p_i (i=1,2,……, および n)を有する。このようにして、すだれ状電極５はp₁(400 μm) から p_n(600 μm)の一連の電極周期長を有する。

周波数f_i (i=1,2,……, および n)を有する弾性波が対象物４を介して固体媒体３に遭遇すると、弾性波は縦波として固体媒体３中へ漏洩した後、多モードのラム波として圧電基板１に漏洩する。多モードのラム波は、弾性波と同じ周波数f_iおよび400 μmから600 μmの電極周期長p_iにほぼ対応する波長を有する電気信号として、すだれ状電極５において検出される。すだれ状電極５を使用することにより、すだれ状電極２を使用する場合に比べ、多モードのラム波の検出が可能になる。すなわち、すだれ状電極５は、屈折角θ_Mei (i=1,2,……, および n)の縦波、すなわち入射角θ_Obi (i=1,2,……, および n)の弾性波を検出する能力を有する。図４は、すだれ状電極２の電極周期長(p)が400 μmおよび600 μmに対応する２本の斜めの破線に挟まれた領域内にある速度分散曲線が、まさにすだれ状電極５の最適駆動条件に相当するということを示す。このようにして、図１のデバイスがすだれ状電極２の代わりにすだれ状電極５を含む場合には、更に多方向からの音波や振動を感知することが可能になる。

図９は、本発明の音振感知装置の第２の実施例を上方から見たときの平面図である。本実施例は、すだれ状電極２の代わりにすだれ状電極６が用いられていることを除いて、図１と同様な構造を有する。固体媒体３および対象物４は図９では描かれていない。すだれ状電極６は、開口角が60度で、電極周期長(p)が300 μmの円弧状の電極パターンを有する。図９における矢印は、駆動中に圧電基板１を伝搬する波の方向を示す。

図９の音振感知装置においては、図１における場合と同様にして、対象物４を伝搬する弾性波が縦波として固体媒体３に伝搬し、ラム波モードとして圧電基板１に伝搬する。ラム波モードは、電気信号としてすだれ状電極６において検出される。すだれ状電極６を使用することにより、すだれ状電極２を使用する場合に比べ、検出感度を増大することが可能となる。すだれ状電極６の電極周期長(p)、圧電基板１の厚さ(t)および固体媒体３の厚さの最適値を総合的に調整することにより、すだれ状電極６は、更に優れた効果を発揮する。

図１０は、すだれ状電極７の平面図である。すだれ状電極７は図９のすだれ状電極６の代わりに用いられるものであり、電極指の構成が、２以上の電極周期長を有する分散型であることを除き、すだれ状電極６と同様な構造を有する。具体的には、すだれ状電極７は、徐々に増加する電極周期長p_i (i=1,2,……, および n)を有する。このようにして、すだれ状電極７はp₁(400 μm) から p_n(600 μm)の一連の電極周期長を有する。

すだれ状電極７を使用することにより、圧電基板１と固体媒体３との界面において縦波からモード変換された多モードのラム波を電気信号として高感度で検出することが可能となる。すだれ状電極７の電極周期長(p_i)、圧電基板１の厚さ(t)および固体媒体３の厚さの最適値を総合的に調整することにより、すだれ状電極７は、多方向からの音波や振動を高感度で感知することが可能になる。

図１１は、本発明の音振感知装置の第３の実施例を示す概略図である。本実施例は、圧電基板１、圧電基板１の上端面に設けられた３つのすだれ状電極２および固体媒体３から成る。駆動中は、固体媒体３の下端面に対象物８を接触させる必要がある。図１１における矢印は、駆動中に伝搬する波の方向を示す。

図１１の音振感知装置においては、各すだれ状電極２は、図１におけるすだれ状電極２と同様な機能を果たす。少なくとも２つのすだれ状電極２を使用することにより、１つを使用する場合よりも、更に広い領域で発生した音波や振動を検出することが可能になる。すなわち、Z軸方向およびX軸方向からの音波や振動を効果的に感知することが可能となる。図１１は、V_MeがV_Obより低い場合には、θ_Meiがθ_Obiより小さいことを示す。図１１のデバイスは、少なくとも２つのすだれ状電極２の代わりに、それぞれ、少なくとも２つのすだれ状電極５、少なくとも２つのすだれ状電極６または少なくとも２つのすだれ状電極７で成ることが可能である。

図１２は、本発明の音振感知装置の第４の実施例を上方から見たときの平面図である。本実施例は、３つのすだれ状電極２の代わりに、それぞれすだれ状電極２１、２２、２３が用いられていることを除いて、図１１と同様な構造を有する。固体媒体８、対象物９は図１２では描かれていない。すだれ状電極２１、２２、２３は互いに異なった電極周期長を有し、電極周期長の小さいものから大きいものへと順に配置されている。すだれ状電極２１、２２、２３を使用することにより、３つのすだれ状電極２を使用する場合に比べ、更に広い領域で発生した音波や振動を検出することが可能になる。すだれ状電極２１、２２、２３は、すだれ状電極６と同様な円弧状の電極パターンや、すだれ状電極５や７のような分散型の電極構造を有することが可能である。すだれ状電極２１、２２、２３が分散型の電極構造を有する場合には、それらは、電極周期長の領域が小さいものから大きいものへと順に配置される。

図１３は、本発明の音振感知装置の第５の実施例を上方から見たときの平面図である。本実施例は、圧電基板９、固体媒体１０、４つのトランスデューサグループから成る。固体媒体１０は固体媒体３と同様な材質から成る。各トランスデューサグループはすだれ状電極２４、２５、２６から成る。各すだれ状電極は、電極指の長さを除いてすだれ状電極２と同様な構造を有する。固体媒体１０は図１３では描かれていない。４つのトランスデューサグループは、圧電基板９上において、４つのうち２つのグループの電極指の方向が、互いに平行になるように、しかも、別の２つのグループの電極指の方向と直交するように配置されている。

図１４は、図１３の音振感知装置の側面図である。圧電基板９は230 μmの厚さ(t)を有する圧電セラミックで成り、その分極軸の方向は、厚さ(t)方向と平行である。

図１３の音振感知装置においては、固体媒体１０を介してラム波モードとして圧電基板９中に伝搬した音振は、各トランスデューサグループの各すだれ状電極において電気信号として検出される。４つのトランスデューサグループを使用することにより、１つを使用する場合に比べてZ軸、X軸およびY軸方向からの音波や振動を効果的に感知することが可能となる。すなわち、音振の強度の分布を精密に計測することが可能となる。

すだれ状電極２１、２２、２３をすだれ状電極２４、２５、２６の代わりに使用することが可能である。すだれ状電極２１、２２、２３を使用することにより、すだれ状電極２４、２５、２６を使用する場合に比べて音振の強度の分布を更に精密に計測することが可能となる。

図１５は、本発明の音振感知装置の第６の実施例を示す概略図である。本実施例は、固体媒体３の代わりに固体媒体１１および１２が用いられていることを除いて、図１と同様な構造を有する。固体媒体１１は固体媒体３と同様な材質で成り、固体媒体１２は固体媒体１１とは異なった材質で成る。固体媒体１１および１２は層状構造を形成する。駆動中、層状構造の上層部に該当する固体媒体１１は圧電基板１と接触し、固体媒体１２の下端面は対象物１３の上に設置される。

図１５において、対象物１３を伝搬する弾性波は、対象物１３と固体媒体１２との界面で縦波へモード変換される。縦波は、それらの界面で屈折した後、固体媒体１２と１１との界面で再び屈折する。固体媒体１１と圧電基板１との界面においては、固体媒体１１における縦波速度V₁₁および圧電基板１におけるラム波モードの位相速度V_LamiについてV₁₁≦V_Lamiという関係が成立する場合には、縦波からラム波へのモード変換が起こる。弾性波の入射角θ₁₃、縦波の屈折角θ₁₁およびθ₁₂、固体媒体１２における縦波速度V₁₂、対象物１３における縦波速度V₁₃については、θ₁₁ = sin^-1(V₁₁/V_Lam)、sinθ₁₁/sinθ₁₂ = V₁₁/V₁₂、sinθ₁₂/sinθ₁₃ = V₁₂/V₁₃という関係が成立する。図１５は、V₁₁がV₁₂より高い場合には、θ₁₁がθ₁₂より大きいことを示し、V₁₂がV₁₃より高い場合には、θ₁₂がθ₁₃より大きいことを示す。すなわち、固体媒体１１および１２の材質として、互いに異なる縦波伝搬速度を有するものを選択することが、より多方向からの音波や振動を感知することにつながる。図１５のデバイスは、入力用トランスデューサとして、すだれ状電極２の代わりに、すだれ状電極５、６または７で成ることが可能である。また、図１５における固体媒体１１および１２から成る層状媒体を、固体媒体３または１０のような単層媒体の代わりに用いることも可能である。

１圧電基板
２すだれ状電極
３固体媒体
４対象物
５すだれ状電極
６すだれ状電極
７すだれ状電極
８対象物
９圧電基板
１０固体媒体
１１固体媒体
１２固体媒体
１３対象物
２１すだれ状電極
２２すだれ状電極
２３すだれ状電極
２４すだれ状電極
２５すだれ状電極
２６すだれ状電極

Claims

圧電基板と、少なくとも１つのすだれ状電極と、固体媒体とを有し、前記固体媒体は、音振が弾性波として伝搬する対象物に接触することにより前記弾性波を縦波として検出し、前記縦波をラム波として前記圧電基板に伝搬する機能を有し、前記少なくとも１つのすだれ状電極は、前記ラム波を電気信号として感知する機能を有する音振感知装置。
圧電基板と、それぞれ異なる電極周期長を有する少なくとも２つのすだれ状電極と、固体媒体とを有し、前記固体媒体は、音振が弾性波として伝搬する対象物に接触することにより前記弾性波を縦波として検出し、前記縦波をラム波として前記圧電基板に伝搬する機能を有し、前記すだれ状電極のそれぞれは、前記ラム波を電気信号として感知する機能を有する音振感知装置。
前記少なくとも２つのすだれ状電極は、前記圧電基板において電極周期長の小さいものから大きいものへと順に配置される請求項２に記載の音振感知装置。
圧電基板と、４つのトランスデューサグループと、固体媒体とを有し、前記４つのトランスデューサグループのそれぞれは少なくとも１つのすだれ状電極を含み、前記固体媒体は、音振が弾性波として伝搬する対象物に接触することにより前記弾性波を縦波として検出し、前記縦波をラム波として前記圧電基板に伝搬する機能を有し、前記少なくとも１つのすだれ状電極は、前記ラム波を電気信号として感知する機能を有する音振感知装置。
前記４つのトランスデューサグループの２つの電極指の方向は、互いに平行で、別の２つの電極指の方向とは直交する請求項４に記載の音振感知装置。
前記固体媒体中の縦波速度は、前記ラム波の位相速度と等しいかそれよりも低い請求項１〜５のいずれかにに記載の音振感知装置。
前記固体媒体が層状構造を有し、前記層状構造の上層部を伝搬する縦波速度は、前記ラム波の位相速度と等しいかそれよりも低い請求項１〜５のいずれかに記載の音振感知装置。
前記固体媒体の厚さは、前記圧電基板を補強するのに十分にしてかつ必要な厚さを超えない請求項１〜７のいずれかに記載の音振感知装置。
前記固体媒体の減衰定数は、前記縦波の前記圧電基板への伝搬がもはや起こらない値を超えない請求項１〜８のいずれかに記載の音振感知装置。
前記圧電基板が圧電セラミックで成り、前記圧電セラミックの分極軸の方向は厚さ方向と平行である請求項１〜９のいずれかに記載の音振感知装置。
前記圧電基板が、圧電性を有する単結晶で成る請求項１〜９のいずれかに記載の音振感知装置。
前記圧電基板が圧電性高分子フィルムで成る請求項１〜９のいずれかに記載の音振感知装置。
前記すだれ状電極の電極周期長は、前記音振の周波数に対応する値に設定されている請求項１〜１２のいずれかに記載の音振感知装置。
前記すだれ状電極は、前記圧電基板の厚さ以上の値の電極周期長を有する請求項１〜１３のいずれかに記載の音振感知装置。
前記すだれ状電極は、少なくとも２つの電極周期長を有する分散型の電極構造で成る請求項１〜１４のいずれかに記載の音振感知装置。
前記すだれ状電極は、円弧状の電極パターンを有する請求項１〜１５のいずれかに記載の音振感知装置。