JP2017188822A - Supersonic wave irradiation device - Google Patents

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戸田 耕司
Koji Toda
耕司 戸田
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a supersonic wave irradiation device capable of radiating a longitudinal wave to an object at high efficiency without interposing a liquid like water.SOLUTION: If an input electric signal is applied to an interdigital electrode 2, a lamb wave mode is efficiently excited to a piezoelectric substrate. The lamb wave mode is leaked to a solid medium 3 as a longitudinal wave in a case where a longitudinal speed in the solid medium 3 is equal to a phase speed of the lamb wave mode or is lower than that. The longitudinal wave in the solid medium 3 is bent in a boundary surface of the solid medium 3 and an object 4, and is transmitted into the object 4. Thus, the longitudinal wave can be radiated to the object 4 without using a liquid as a medium.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、媒体として液体を利用することなく対象物中に超音波を照射する超音波照射装置に関するものである。 The present invention relates to an ultrasonic irradiation apparatus that irradiates an object with ultrasonic waves without using a liquid as a medium.

対象物中に超音波を照射するためには、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、照射角度が限定されるばかりでなく、高周波駆動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。 In order to irradiate an object with ultrasonic waves, a piezoelectric transducer in a thickness vibration mode in which the driving frequency depends on the thickness of the piezoelectric substrate, or a leaky surface acoustic wave transducer in which interdigital electrodes are provided on the piezoelectric substrate is used. It is widely used. These conventional transducers have a problem that not only the irradiation angle is limited, but also high frequency driving is difficult. In addition, in the case of a leaky surface acoustic wave transducer, it is necessary to provide a liquid layer between the surface of the piezoelectric substrate on which the interdigital electrode is provided and the object, which causes difficulties in device fabrication.

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、入力用すだれ状電極2、弾性膜5および貯蔵室6を含む。駆動中、圧電基板1に励振された弾性波の漏洩成分は、貯蔵室6における液体を媒体として、弾性膜5に対し縦波として照射される。このような従来のデバイスは、弾性膜5に縦波を照射するためには液体の介在を必要とする。 In order to solve the above problem, an ultrasonic sound pressure sensor (Patent Document 1) is disclosed. This includes a piezoelectric substrate 1, an interdigital transducer 2, an elastic membrane 5 and a storage chamber 6. During driving, the leakage component of the elastic wave excited by the piezoelectric substrate 1 is irradiated as a longitudinal wave to the elastic film 5 using the liquid in the storage chamber 6 as a medium. Such a conventional device requires liquid intervention in order to irradiate the elastic film 5 with longitudinal waves.

また、超音波照射装置(特許文献2)が公開されている。これは、圧電基板1、第2入力用すだれ状電極3に加えて、シリコンゴム製の高分子膜8を含む。駆動中、圧電基板1に励振された弾性波の漏洩成分は、例えば細胞質などの物質中に、高分子膜8を介して縦波として照射される。このような従来のデバイスでは、高分子膜8の材質や厚さにより、高分子膜8中において縦波が減衰または消失する可能性がある。さらに、特許文献2の発明においては、金属やその他の硬い物質中への縦波照射に高分子膜8が寄与しているということは開示されていない。 Moreover, an ultrasonic irradiation device (Patent Document 2) is disclosed. This includes a polymer film 8 made of silicon rubber in addition to the piezoelectric substrate 1 and the second input interdigital electrode 3. During driving, the leakage component of the elastic wave excited by the piezoelectric substrate 1 is irradiated as a longitudinal wave through a polymer film 8 into a substance such as cytoplasm. In such a conventional device, the longitudinal wave may attenuate or disappear in the polymer film 8 depending on the material and thickness of the polymer film 8. Furthermore, the invention of Patent Document 2 does not disclose that the polymer film 8 contributes to longitudinal wave irradiation into a metal or other hard substance.

このようにして、液体を介して対象物に超音波を照射する従来技術では、デバイスの製造が困難であり、また、高分子膜を介して対象物に超音波を照射する従来技術では、高分子膜の材質や厚さによっては照射が不可能になるという問題を有していた。 In this way, it is difficult to manufacture a device with the conventional technique of irradiating the object with ultrasonic waves through the liquid, and with the conventional technique of irradiating the object with ultrasonic waves through the polymer film, Irradiation is impossible depending on the material and thickness of the molecular film.

特開2001−304952号公報JP 2001-304952 A 特開2001−309496号公報JP 2001-309596 A

解決しようとする問題点は、液体や高分子膜を介して対象物に超音波を照射する従来技術では、デバイスの製造が困難であることや、高分子膜についての条件が不明確であることから照射機能を発揮することが可能か否かが不明であり、実用性に欠けるという問題を有していたことである。 The problem to be solved is that it is difficult to manufacture a device and the conditions for the polymer film are unclear in the conventional technology in which an object is irradiated with ultrasonic waves via a liquid or a polymer film. Therefore, it is unclear whether or not the irradiation function can be exhibited, and has a problem of lack of practicality.

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、対象物中に超音波を照射することが可能な超音波照射装置を提供することを目的とする。 An object of this invention is to provide the ultrasonic irradiation apparatus which can irradiate an ultrasonic wave in a target object irrespective of whether a target object is a liquid, sol, gel, or solid.

また本発明は、対象物中に超音波を照射するために、媒体として液体を介することを必要としない超音波照射装置を提供することを目的とする。 Another object of the present invention is to provide an ultrasonic irradiation apparatus that does not require a liquid as a medium to irradiate an object with ultrasonic waves.

また本発明は、対象物中に広角にわたり超音波を照射することが可能な超音波照射装置を提供することを目的とする。 Moreover, an object of this invention is to provide the ultrasonic irradiation apparatus which can irradiate a target object with an ultrasonic wave over a wide angle.

また本発明は、対象物中に効率良く超音波を照射することが可能な超音波照射装置を提供することを目的とする。 Moreover, an object of this invention is to provide the ultrasonic irradiation apparatus which can irradiate an ultrasonic wave efficiently in a target object.

また本発明は、低電圧および低消費電力駆動に優れた超音波照射装置を提供することを目的とする。 Another object of the present invention is to provide an ultrasonic irradiation apparatus excellent in low voltage and low power consumption driving.

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、耐久性にも優れた超音波照射装置を提供することを目的とする。 Another object of the present invention is to provide an ultrasonic irradiation apparatus that has a simple structure, is light in weight, is easy to manufacture, has a good yield, and has excellent durability.

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超音波照射装置を提供することを目的とする。 It is another object of the present invention to provide an ultrasonic irradiation apparatus that can be easily attached to a small object.

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超音波照射装置を提供することを目的とする。 Another object of the present invention is to provide an ultrasonic irradiation apparatus that can be easily supported by a mechanical scanning system or the like.

また本発明は、ディスポーザブルな使用形態にも適した超音波照射装置を提供することを目的とする。 Moreover, an object of this invention is to provide the ultrasonic irradiation apparatus suitable also for a disposable usage form.

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超音波照射装置を提供することを目的とする。 Another object of the present invention is to provide an ultrasonic irradiation apparatus applicable to a nondestructive inspection technique for detecting an internal defect of an object.

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超音波照射装置を提供することを目的とする。 Moreover, an object of this invention is to provide the ultrasonic irradiation apparatus applicable to the ultrasonic diagnostic technique which detects a cancer cell etc., for example.

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。 It is another object of the present invention to provide an ultrasonic irradiation apparatus applicable to a drug delivery system and, for example, an ultrasonic therapy technique for attacking cancer cells.

上記目的を達成するためになされた本発明の超音波照射装置は、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。 In order to achieve the above object, an ultrasonic irradiation apparatus of the present invention includes a piezoelectric substrate, at least one interdigital electrode provided on the piezoelectric substrate, and a solid medium provided under the piezoelectric substrate. It is what you have.

このように構成することで、すだれ状電極は、入力電気信号を印加されることにより圧電基板にラム波を励振し、そのラム波を縦波として固体媒体を介して対象物に照射する機能を有する。 With this configuration, the interdigital electrode has a function of exciting a Lamb wave to the piezoelectric substrate by applying an input electric signal and irradiating the object through the solid medium as a longitudinal wave. Have.

また、本発明の超音波照射装置は、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。 Moreover, the ultrasonic irradiation apparatus of the present invention has a configuration including two or more interdigital electrodes each having a different electrode period length.

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、固体媒体に対し多方向への縦波照射が可能になる。 By comprising in this way, compared with the case where two or more interdigital electrodes which have the same electrode period length are used, longitudinal wave irradiation to a solid medium in multiple directions is attained.

また、本発明の超音波照射装置は、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。 In addition, the ultrasonic irradiation apparatus of the present invention includes two or more interdigital electrodes each having a different electrode cycle length, and has a configuration in which the piezoelectric substrate is arranged in order from a smaller electrode cycle length to a larger one. .

このように構成することで、固体媒体に対し多方向への的確な縦波照射が可能になる。 By comprising in this way, the exact longitudinal wave irradiation to multiple directions with respect to a solid medium is attained.

また、本発明の超音波照射装置は、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。 Moreover, the ultrasonic irradiation apparatus of the present invention can be configured to include four transducer groups. Each transducer group includes at least one interdigital electrode.

このように構成することで、固体媒体に対し更に多方向への縦波照射が可能になる。 By comprising in this way, longitudinal wave irradiation to a multi-directional with respect to a solid medium is attained.

また、本発明の超音波照射装置は、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。 Further, the ultrasonic irradiation apparatus of the present invention has a configuration in which the directions of the two electrode fingers are parallel to each other and orthogonal to the directions of the other two electrode fingers in a configuration including four transducer groups. .

このように構成することで、固体媒体に対し更に多方向への的確な縦波照射が可能になる。 By comprising in this way, the exact longitudinal wave irradiation to a multi-directional with respect to a solid medium is attained.

また、本発明の超音波照射装置は、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。 The ultrasonic irradiation apparatus of the present invention has a configuration in which the longitudinal wave velocity in the solid medium is equal to or lower than the phase velocity of the Lamb wave in the piezoelectric substrate.

このように構成することで、圧電基板に励振されたラム波が、縦波として固体媒体中に効率良く漏洩する。 With this configuration, the Lamb wave excited on the piezoelectric substrate efficiently leaks into the solid medium as a longitudinal wave.

また、本発明の超音波照射装置は、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。 The ultrasonic irradiation apparatus of the present invention has a layered structure in which the solid medium is composed of at least two layers, and the longitudinal wave velocity propagating through the uppermost layer portion of the layered structure is equal to the phase velocity of the Lamb wave in the piezoelectric substrate. It has the structure of being equal or lower than that.

このように構成することで、圧電基板に励振されたラム波が、縦波として固体媒体中に効率良く漏洩する。 With this configuration, the Lamb wave excited on the piezoelectric substrate efficiently leaks into the solid medium as a longitudinal wave.

また、本発明の超音波照射装置は、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。 The ultrasonic irradiation apparatus of the present invention has a configuration in which the thickness of the solid medium is sufficient to reinforce the piezoelectric substrate and does not exceed the necessary thickness.

このように構成することで、圧電基板に励振されたラム波が、縦波として固体媒体を介して対象物中に効率良く漏洩する。 With this configuration, the Lamb wave excited on the piezoelectric substrate efficiently leaks into the object as a longitudinal wave through the solid medium.

また、本発明の超音波照射装置は、固体媒体の減衰定数が、縦波の対象物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。 Further, in the ultrasonic irradiation apparatus of the present invention, the attenuation constant of the solid medium does not exceed a value such that the propagation of the longitudinal wave to the object no longer occurs.

このように構成することで、圧電基板に励振されたラム波が、縦波として固体媒体を介して対象物中に効率良く漏洩する。 With this configuration, the Lamb wave excited on the piezoelectric substrate efficiently leaks into the object as a longitudinal wave through the solid medium.

また、本発明の超音波照射装置は、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。 In the ultrasonic irradiation apparatus of the present invention, the piezoelectric substrate is made of piezoelectric ceramic, and the direction of the polarization axis of the piezoelectric ceramic is parallel to the thickness direction.

このように構成することで、ラム波が圧電基板に効率良く励振される。 With this configuration, Lamb waves are efficiently excited on the piezoelectric substrate.

また、本発明の超音波照射装置は、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。 In the ultrasonic irradiation apparatus of the present invention, the piezoelectric substrate is made of a single crystal having piezoelectricity or a piezoelectric polymer film.

このように構成することで、ラム波が圧電基板に効率良く励振される。 With this configuration, Lamb waves are efficiently excited on the piezoelectric substrate.

また、本発明の超音波照射装置は、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。 Further, in the ultrasonic irradiation apparatus of the present invention, the interdigital electrode has an electrode cycle length that is equal to or greater than the thickness of the piezoelectric substrate.

このように構成することで、ラム波が圧電基板に効率良く励振される。 With this configuration, Lamb waves are efficiently excited on the piezoelectric substrate.

また、本発明の超音波照射装置は、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。 In addition, the ultrasonic irradiation apparatus of the present invention has a distributed electrode structure in which the interdigital electrode has at least two electrode period lengths.

このように構成することで、更に多方向への縦波照射が可能となる。 By configuring in this way, longitudinal wave irradiation in more directions is possible.

また、本発明の超音波照射装置は、すだれ状電極が円弧状の電極パターンを有する。 In the ultrasonic irradiation apparatus of the present invention, the interdigital electrode has an arc-shaped electrode pattern.

このように構成することで、縦波の局所的照射が可能となる。 With this configuration, local irradiation of a longitudinal wave is possible.

また、本発明の超音波照射装置は、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。 In addition, the ultrasonic irradiation apparatus of the present invention has a distributed electrode structure in which the interdigital electrode has an arc-shaped electrode pattern and has at least two electrode periodic lengths.

このように構成することで、更に多方向へわたり縦波の局所的照射が可能となる。 By configuring in this way, it is possible to perform local irradiation of longitudinal waves in more directions.

本発明によれば、媒体として液体を利用することなく対象物中に効率良く縦波を照射することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, a longitudinal wave can be efficiently irradiated in a target object, without utilizing a liquid as a medium.

本発明の超音波照射装置の第1の実施例を示す概略図である。(実施例1)It is the schematic which shows the 1st Example of the ultrasonic irradiation apparatus of this invention. Example 1 図1の超音波照射装置を上方から見たときの平面図である。It is a top view when the ultrasonic irradiation apparatus of FIG. 1 is viewed from above. 図1の超音波照射装置を上方から見たときのもう1つの平面図である。It is another top view when the ultrasonic irradiation apparatus of FIG. 1 is seen from upper direction. 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(VLami)のft依存性を示す特性図である。FIG. 6 is a characteristic diagram showing the ft dependence of the phase velocity (V Lami ) of each Lamb wave mode excited by a piezoelectric substrate 1 and a two-layer body made of a solid medium 3. 電気機械結合係数k2のft依存性を示す特性図である。It is a characteristic diagram showing the ft dependence of electromechanical coupling factor k 2. 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(fi)との関係を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the relationship between the insertion loss of the Lamb wave mode in the above-mentioned two-layer body, and the frequency (f i ) of the input electric signal. 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。FIG. 4 shows a characteristic diagram similar to FIG. 4 except that the piezoelectric ceramic described in FIG. 4 is replaced with a lithium niobate single crystal having piezoelectricity. すだれ状電極6の平面図である。FIG. 6 is a plan view of the interdigital electrode 6. 本発明の超音波照射装置の第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)It is a top view when the 2nd Example of the ultrasonic irradiation apparatus of this invention is seen from upper direction. (Example 2) すだれ状電極8の平面図である。4 is a plan view of the interdigital electrode 8. FIG. 本発明の超音波照射装置の第3の実施例を示す概略図である。(実施例3)It is the schematic which shows the 3rd Example of the ultrasonic irradiation apparatus of this invention. (Example 3) 本発明の超音波照射装置の第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)It is a top view when the 4th example of the ultrasonic irradiation apparatus of the present invention is seen from the upper part. Example 4 本発明の超音波照射装置の第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)It is a top view when the 5th example of the ultrasonic irradiation apparatus of the present invention is seen from the upper part. (Example 5) 図13の超音波照射装置の側面図である。It is a side view of the ultrasonic irradiation apparatus of FIG. 本発明の超音波照射装置の第6の実施例を示す概略図である。(実施例6)It is the schematic which shows the 6th Example of the ultrasonic irradiation apparatus of this invention. (Example 6)

製造が容易で、しかも、効率良く対象物中に縦波を照射するという目的を、液体に代わる固体媒体を利用することにより達成した。 The object of easy production and efficient irradiation of longitudinal waves into the object has been achieved by using a solid medium instead of a liquid.

図1は、本発明の超音波照射装置の第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。このようにして、図1の超音波照射装置は小型軽量で構造も簡単であることから、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の超音波照射装置を用いて対象物に超音波を照射する場合には、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。対象物4は、たとえば標的5を含む。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。 FIG. 1 is a schematic view showing a first embodiment of the ultrasonic irradiation apparatus of the present invention. In this embodiment, the piezoelectric substrate 1, the interdigital electrode 2, and the solid medium 3 are used. The piezoelectric substrate 1 is made of, for example, a piezoelectric ceramic having a thickness (t) of 230 μm, and the direction of the polarization axis is parallel to the direction perpendicular to both end faces, that is, the thickness (t) direction. At this time, it is also possible to use a piezoelectric member such as a single crystal having piezoelectricity or a piezoelectric polymer film as the piezoelectric substrate 1. The interdigital electrode 2 is made of, for example, an aluminum thin film, and is provided on the upper end surface of the piezoelectric substrate 1. The piezoelectric substrate 1 is provided on the solid medium 3. The solid medium 3 is made of acrylic resin or the like, has a low attenuation constant, and has a thickness of 1 mm, for example. This thickness is sufficient to allow the solid medium 3 to reinforce the piezoelectric substrate 1. Thus, since the ultrasonic irradiation apparatus of FIG. 1 is small and light and has a simple structure, it can be easily attached to a small object and is suitable for a disposable form of use. Further, it is easy to manufacture, has a good yield, and is excellent in durability. When the object is irradiated with ultrasonic waves using the ultrasonic irradiation apparatus of FIG. 1, it is necessary to bring the object 4 into contact with the lower end surface of the solid medium 3. The object 4 includes a target 5, for example. The arrows drawn in the piezoelectric substrate 1, the solid medium 3 and the object 4 in FIG. 1 indicate the directions of waves propagating through them during driving.

図2は、図1の超音波照射装置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2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。 FIG. 2 is a plan view of the ultrasonic irradiation apparatus of FIG. 1 as viewed from above. The interdigital electrode 2 has an electrode period length (p) that is equal to or greater than the thickness (t) of the piezoelectric substrate 1. The arrows in FIG. 2 indicate the direction of waves propagating through the piezoelectric substrate 1 during driving.

図1の超音波照射装置において、もしも周波数fi (i=1,2,……, またはn)を有する入力電気信号がすだれ状電極2に印加されると、電極周期長(p)にほぼ対応する波長と、位相速度VLami (i=1,2,……, またはn)を有するラム波モードが圧電基板1に効率良く励振される。これは、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に起因する。このようにして、図1のデバイスは低電圧および低消費電力駆動に優れている。 In the ultrasonic irradiation apparatus of FIG. 1, if an input electric signal having a frequency f i (i = 1, 2,..., Or n) is applied to the interdigital electrode 2, the electrode period length (p) is substantially reduced. A Lamb wave mode having a corresponding wavelength and a phase velocity V Lami (i = 1, 2,..., Or n) is efficiently excited in the piezoelectric substrate 1. This is because the piezoelectric substrate 1 is made of piezoelectric ceramic, and the direction of the polarization axis is parallel to the thickness (t) direction. Thus, the device of FIG. 1 is excellent in low voltage and low power consumption driving.

圧電基板1に励振されたラム波モードは、固体媒体3における縦波速度VMeがラム波モードの位相速度VLamiと等しいかそれよりも低い場合には、縦波として固体媒体3に有効に漏洩する。換言すると、VMe≦VLamiという条件の下では、圧電基板1と固体媒体3との界面において漏洩ラム波から縦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波であることから、ラム波モードが圧電基板1中を伝搬する角度θLamについては、θLam = π/2という関係が成立する。従って、漏洩ラム波の固体媒体3への照射角θMei (i=1,2,……, またはn)については、sinθLam/sinθMei = VLami/VMe、すなわちθMei = sin-1(VMe/VLami)という関係が成立する。 The Lamb wave mode excited by the piezoelectric substrate 1 is effectively applied to the solid medium 3 as a longitudinal wave when the longitudinal wave velocity V Me in the solid medium 3 is equal to or lower than the phase velocity V Lami of the Lamb wave mode. Leak. In other words, under the condition of V Me ≦ V Lami , mode conversion from a leaky Lamb wave to a longitudinal wave occurs at the interface between the piezoelectric substrate 1 and the solid medium 3. Since the Lamb wave mode is a wave propagating in the piezoelectric substrate 1 along a direction parallel to both end faces thereof, the angle θ Lam at which the Lamb wave mode propagates in the piezoelectric substrate 1 is θ Lam = π / The relationship 2 is established. Therefore, regarding the irradiation angle θ Mei (i = 1, 2,..., Or n) of the leaky Lamb wave to the solid medium 3, sin θ Lam / sin θ Mei = V Lami / V Me , that is, θ Mei = sin −1. The relationship (V Me / V Lami ) is established.

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、縦波の対象物4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、縦波の対象物4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。 The thickness of the solid medium 3 should minimize the attenuation of longitudinal waves in the solid medium 3. Therefore, it is required that the thickness of the piezoelectric substrate 1 is not too thick as necessary to reinforce the strength of the piezoelectric substrate 1. In order for the propagation of the longitudinal wave to the object 4 to occur efficiently, it is desirable that the attenuation constant of the solid medium 3 is as low as possible. At least it should not be so high that the propagation of longitudinal waves to the object 4 no longer takes place.

固体媒体3中の縦波は、固体媒体3と対象物4との界面において屈折し、対象物4中へ伝搬する。このときの屈折角θObi (i=1,2,……, またはn)および対象物4における縦波速度VObについては、sinθMei/sinθObi = VMe/VObという関係が成立する。図1は、VMeがVObより高い場合には、θMeiがθObiより大きいことを示す。図1のデバイスは、固体媒体3として液体を使用することなく、縦波を対象物4に照射することを可能にする。メッセージを対象物4に伝達するためには、入力電気信号として振幅変調信号、周波数変調信号および位相変調信号などを利用することも可能である。 The longitudinal wave in the solid medium 3 is refracted at the interface between the solid medium 3 and the object 4 and propagates into the object 4. Regarding the refraction angle θ Obi (i = 1, 2,..., Or n) and the longitudinal wave velocity V Ob in the object 4 at this time, a relationship of sin θ Mei / sin θ Obi = V Me / V Ob is established. FIG. 1 shows that θ Mei is greater than θ Obi when V Me is higher than V Ob . The device of FIG. 1 makes it possible to irradiate the object 4 with longitudinal waves without using a liquid as the solid medium 3. In order to transmit the message to the object 4, an amplitude modulation signal, a frequency modulation signal, a phase modulation signal, or the like can be used as an input electric signal.

入力電気信号の周波数fiを変えることにより、それに応じてVLamiもまた変化する。このことは、fiを変えることにより、ラム波のモードを変えることが可能であることを意味する。すなわち、入力電気信号の周波数の多様性が、縦波の対象物4中への屈折角の多様性につながる。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、色々なタイプおよび種類の対象物4中に広角にわたり縦波を照射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。 By changing the frequency f i of the input electrical signal, V Lami also changes accordingly. This means that the Lamb wave mode can be changed by changing f i . That is, the diversity of the frequency of the input electric signal leads to the diversity of the refraction angle into the object 4 of the longitudinal wave. In this way, the all-solid device as shown in FIG. 1 is effective for irradiating longitudinal waves over a wide angle into various types and types of objects 4. It does not matter whether the object 4 is a liquid, sol, gel or solid, for example water, solution, cytoplasm, cement, glass, metal, alloy, concrete, stone or the like.

対象物4の中に標的5が含まれている場合、標的5のサイズや位置にかかわらず、縦波の少なくとも1つが標的5に当たる。従って、図1のデバイスは、駆動中にfiを変化させることが可能なので、色々なタイプ、種類およびサイズの標的5の中に広角にわたり縦波を照射するのに有効である。標的5としては、皮膚の下の血管、癌細胞などや、金属内における密度の異なる部分などが挙げられる。 When the target 5 is included in the object 4, at least one of longitudinal waves hits the target 5 regardless of the size and position of the target 5. Therefore, the device of FIG. 1 can change f i during driving, and thus is effective for irradiating a longitudinal wave over a wide angle in various types, types and sizes of targets 5. Examples of the target 5 include blood vessels under the skin, cancer cells, and parts having different densities in the metal.

図3は、図1の超音波照射装置を上方から見たときのもう1つの平面図であり、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、縦波を標的5中へ照射することがさらに容易になる。 FIG. 3 is another plan view when the ultrasonic irradiation apparatus of FIG. 1 is viewed from above, and is a diagram in the case of being driven using a mechanical scanning system. The mechanical scanning system is not depicted in FIG. 3, but consists of, for example, two rails that are orthogonal to each other and moves the device of FIG. 1 along the two rails. At this time, the device of FIG. 1 needs to be easily supported. In this way, the device can scan the entire surface of the object 4. The arrows in FIG. 3 indicate the operation direction of the device. Of course, it is also possible to manually move the device in all directions. By scanning the surface of the object 4, it becomes easier to irradiate longitudinal waves into the target 5.

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(VLami)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値は入力電気信号の周波数(fi)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LaおよびLw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物として、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 (fi)の入力電気信号が、400 μmの電極周期長(p)を有するすだれ状電極2に印加されると、約5.7 km/s (VLami)の位相速度を有する第5次モードのラム波のみが、230 μmの厚さ(t)を有する圧電基板1に励振される。VMe = 2.7 km/sであることから、前述の式θMei = sin-1(VMe/VLami)によれば、第5次モードのラム波は、約29度の照射角(θMei)で固体媒体3中に漏洩することが分かる。図4は、どのモードのラム波が固体媒体3中に漏洩するかは、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、入力電気信号の周波数fiに依存するということを示す。 FIG. 4 is a characteristic diagram showing the ft dependence of the phase velocity (V Lami ) of each Lamb wave mode excited by the piezoelectric substrate 1 and the two-layered body made of the solid medium 3. The piezoelectric substrate 1 is a piezoelectric ceramic. The solid medium 3 is made of an acrylic resin. The ft value represents the product of the frequency (f i ) of the input electrical signal and the thickness (t) of the piezoelectric substrate 1. A velocity dispersion curve and a black circle indicate a calculated value and an actually measured value, respectively. All values are obtained when the upper end surface of the piezoelectric substrate 1 and the lower end surface of the solid medium 3 are electrically short-circuited and opened, respectively. The velocity dispersion curve showed almost no difference from the case of the piezoelectric substrate 1 alone or the case of the two-layered body made of water instead of the solid medium 3. The numbers on the side of the velocity dispersion curve are the serial numbers of the individual Lamb wave modes. The three slanted straight dashed lines represent operating characteristics (operating straight lines) when the interdigital electrode 2 has three electrode period lengths (p) of 400 μm, 500 μm, and 600 μm, respectively. The intersection between the oblique line and the velocity dispersion curve corresponds to the optimum operating condition when the interdigital electrode 2 has each electrode period length (p). Two horizontal straight dashed L a and L w are the locus of the longitudinal wave velocity propagating through each solid medium 3 alone and water alone in. Water is generally used widely as a substance that mediates between a piezoelectric substrate and an object. For example, when an input electrical signal of 14.2 MHz (f i ) is applied to the interdigital electrode 2 having an electrode period length (p) of 400 μm, a second phase velocity of about 5.7 km / s (V Lami ) is obtained. Only the fifth-order Lamb wave is excited by the piezoelectric substrate 1 having a thickness (t) of 230 μm. Since V Me = 2.7 km / s, according to the equation θ Mei = sin −1 (V Me / V Lami ), the fifth-order Lamb wave has an irradiation angle (θ Mei of about 29 degrees). ) To leak into the solid medium 3. FIG. 4 shows which mode of Lamb wave leaks into the solid medium 3 under the condition that the thickness (t) of the piezoelectric substrate 1 and the electrode periodic length (p) of the interdigital electrode 2 are unchanged. , Depending on the frequency f i of the input electrical signal.

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VLamiと、短絡状態にある時のVLami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圧電基板1に励振される。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、入力電気信号からラム波モードへの変換効率は、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。 Figure 5 is a characteristic diagram showing the ft dependence of electromechanical coupling factor k 2. The k 2 value is in a short circuit state with V Lami in Lamb wave mode when the upper end surface of the piezoelectric substrate 1 is in an electrically open state when the lower end surface of the solid medium 3 is in an electrically open state. Calculated from the difference from the time V Lami . The numbers on the side of the velocity dispersion curve are the serial numbers of the individual Lamb wave modes. FIG. 5 shows that, for example, when the ft value is 1.2 MHz · mm, the maximum value of k 2 of the first-order Lamb wave is 12.5%. In other words, the first-order Lamb wave is excited to the piezoelectric substrate 1 most efficiently when the ft value is 1.2 MHz · mm. The k 2 value in FIG. 5 is almost the same as the value for the piezoelectric substrate 1 alone. This means that the conversion efficiency from the input electric signal to the Lamb wave mode is almost the same as that of the piezoelectric substrate 1 alone even in the two-layer body composed of the piezoelectric substrate 1 and the solid medium 3.

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、入力電気信号の周波数(fi)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fi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、固体媒体3、続いて対象物4に縦波を照射するには、5.56 MHzでの駆動が適していることを示す。 FIG. 6 is a characteristic diagram showing the relationship between the insertion loss in the Lamb wave mode and the frequency (f i ) of the input electrical signal in the two-layer body. However, it is a characteristic diagram when the solid medium 3 has a thickness of 1 mm and the interdigital electrode 2 has an electrode period length (p) of 600 μm. The minimum value of the insertion loss is -33.1 dB in the first order mode, f i value at this time is 5.56 MHz. The value of this insertion loss is considerably larger than that of the piezoelectric substrate 1 alone. This indicates that driving at 5.56 MHz is suitable for irradiating the solid medium 3 and then the object 4 with longitudinal waves.

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 (fi)の入力電気信号が、300 μmの電極周期長(p)を有するすだれ状電極2に印加されると、約6.1 km/s (VLami)の位相速度を有する第2次モードのラム波のみが、230 μmの厚さ(t)を有する圧電基板1に励振される。VMe = 2.7 km/sであることから、第2次モードのラム波は、約26度の照射角(θMei)で固体媒体3中に漏洩することが分かる。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、VMe≦VLami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、本発明の超音波照射装置では、低次モードはもちろんのこと、高次モードのラム波でも、固体媒体3の材質如何により固体媒体3中に漏洩されることが可能であることを示す。 FIG. 7 shows a characteristic diagram similar to FIG. 4, but for a two-layer body in which the piezoelectric ceramic described in FIG. 4 is replaced with a lithium niobate single crystal having piezoelectricity. In this two-layer body, the upper end surface of the piezoelectric substrate 1 and the lower end surface of the solid medium 3 are both electrically open. The diagonal straight broken line represents the operating characteristic when the interdigital electrode 2 has an electrode period length (p) of 300 μm (operating line). For example, when an input electrical signal of 20.3 MHz (f i ) is applied to the interdigital electrode 2 having an electrode period length (p) of 300 μm, a first phase having a phase velocity of about 6.1 km / s (V Lami ) is obtained. Only the secondary mode Lamb waves are excited by the piezoelectric substrate 1 having a thickness (t) of 230 μm. Since V Me = 2.7 km / s, it can be seen that the second-order Lamb wave leaks into the solid medium 3 at an irradiation angle (θ Mei ) of about 26 degrees. FIG. 7 shows that not only acrylic resin and other polymer materials, but also metals, alloys, and other materials are effective as the solid medium 3 as long as the relationship of V Me ≦ V Lami is established. In other words, in the ultrasonic irradiation apparatus of the present invention, not only the low-order mode but also the high-order mode Lamb wave can be leaked into the solid medium 3 depending on the material of the solid medium 3. Indicates.

図8は、すだれ状電極6の平面図である。すだれ状電極6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6は、徐々に増加する電極周期長pi (i=1,2,……, および n)を有する。このようにして、すだれ状電極6はp1(400 μm) から pn(600 μm)の一連の電極周期長を有する。 FIG. 8 is a plan view of the interdigital electrode 6. The interdigital electrode 6 is used in place of the interdigital electrode 2 in FIG. 2, and is the same as the interdigital electrode 2 except that the configuration of the electrode fingers is a dispersion type having an electrode period length of 2 or more. It has a structure. Specifically, the interdigital electrode 6 has a gradually increasing electrode period length p i (i = 1, 2,..., And n). In this way, the interdigital electrode 6 has a series of electrode period lengths from p 1 (400 μm) to pn (600 μm).

電極周期長pi (i=1,2,……, および n)に対応する周波数を有する一連の入力電気信号が、図1のデバイスにおいてすだれ状電極2の代わりに設けられたすだれ状電極6に印加されると、400 μmから600 μmの電極周期長piにほぼ対応する波長を有する一連の多モードのラム波が圧電基板1に励振される。一連の多モードのラム波は、固体媒体3における縦波速度がラム波モードの位相速度とほぼ等しいか低い場合には、一連の縦波として固体媒体3中に効率良く漏洩する。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、更に多方向への縦波照射が可能となる。すなわち、すだれ状電極6は、標的5のサイズや位置にかかわりなく、標的5に対し確実な縦波照射を可能にする。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6の最適駆動条件に相当するということを示す。 A series of input electrical signals having a frequency corresponding to the electrode period length p i (i = 1, 2,..., N) is an interdigital electrode 6 provided in place of the interdigital electrode 2 in the device of FIG. Is applied to the piezoelectric substrate 1, a series of multi-mode Lamb waves having a wavelength substantially corresponding to an electrode period length p i of 400 μm to 600 μm is excited. A series of multi-mode Lamb waves efficiently leak into the solid medium 3 as a series of longitudinal waves when the longitudinal wave velocity in the solid medium 3 is substantially equal to or lower than the phase velocity of the Lamb wave mode. By using the interdigital electrode 6, it becomes possible to irradiate longitudinal waves in more directions than in the case where the interdigital electrode 2 is used. That is, the interdigital electrode 6 enables reliable longitudinal wave irradiation to the target 5 regardless of the size and position of the target 5. FIG. 4 shows that the velocity dispersion curve in the region sandwiched between two oblique broken lines corresponding to the interdigital electrode 2 having an electrode period length (p) of 400 μm and 600 μm is the optimum of the interdigital electrode 6. It shows that it corresponds to a driving condition.

図9は、本発明の超音波照射装置の第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7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、対象物4および標的5は図9では描かれていない。すだれ状電極7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。 FIG. 9 is a plan view when the second embodiment of the ultrasonic irradiation apparatus of the present invention is viewed from above. This embodiment has the same structure as that of FIG. 1 except that the interdigital electrode 7 is used instead of the interdigital electrode 2. The solid medium 3, the object 4 and the target 5 are not drawn in FIG. The interdigital electrode 7 has an arc-shaped electrode pattern with an opening angle of 60 degrees and an electrode cycle length (p) of 300 μm. The arrows in FIG. 9 indicate the directions of waves that propagate through the piezoelectric substrate 1 during driving.

図9の超音波照射装置においては、図1における場合と同様にして、圧電基板1にラム波モードが励振され、ラム波モードは固体媒体3に、続いて対象物4中に縦波として効率良く照射される。 すだれ状電極7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7は、標的5のただ一点に縦波のエネルギーを集中させることを可能にする。このようにして、すだれ状電極7は、標的5のサイズや位置にかかわらず、標的5に対し縦波の局所的照射を可能とする。 In the ultrasonic irradiation apparatus of FIG. 9, the Lamb wave mode is excited in the piezoelectric substrate 1 in the same manner as in FIG. 1, and the Lamb wave mode is efficiently converted into a longitudinal wave in the solid medium 3 and subsequently in the object 4. Well irradiated. By comprehensively adjusting the electrode period length (p) of the interdigital electrode 7, the thickness (t) of the piezoelectric substrate 1, and the thickness of the solid medium 3, the interdigital electrode 7 can be used only for the target 5. Allows longitudinal energy to be concentrated at a single point. In this way, the interdigital electrode 7 enables local irradiation of longitudinal waves to the target 5 regardless of the size and position of the target 5.

図10は、すだれ状電極8の平面図である。すだれ状電極8は図9のすだれ状電極7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7と同様な構造を有する。具体的には、すだれ状電極8は、徐々に増加する電極周期長pi (i=1,2,……, および n)を有する。このようにして、すだれ状電極8はp1(400 μm) から pn(600 μm)の一連の電極周期長を有する。 FIG. 10 is a plan view of the interdigital electrode 8. The interdigital electrode 8 is used in place of the interdigital electrode 7 of FIG. 9 and is the same as the interdigital electrode 7 except that the configuration of the electrode fingers is a dispersed type having two or more electrode period lengths. It has a structure. Specifically, the interdigital electrode 8 has a gradually increasing electrode period length p i (i = 1, 2,..., And n). In this way, the interdigital electrode 8 has a series of electrode period lengths from p 1 (400 μm) to pn (600 μm).

すだれ状電極8を使用することにより、その電極周期長piにほぼ対応する波長を有する一連の多モードのラム波が圧電基板1に励振される。一連の多モードのラム波は、固体媒体3に、続いて対象物4中に一連の縦波として効率良く照射される。すだれ状電極8は、すだれ状電極7に比べ、さらなる多方向への縦波照射を可能とする。すだれ状電極8の電極周期長(pi)、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8は、対象物4または標的5のただ一点に縦波のエネルギーを集中させることを可能にする。このようにして、すだれ状電極8は、標的5のサイズや位置にかかわらず、標的5に対し縦波の確実で局所的な照射を可能にする。 By using the interdigital electrode 8, a series of multi-mode Lamb waves having a wavelength substantially corresponding to the electrode period length p i is excited on the piezoelectric substrate 1. A series of multi-mode Lamb waves are efficiently irradiated as a series of longitudinal waves onto the solid medium 3 and subsequently into the object 4. The interdigital electrode 8 enables further longitudinal wave irradiation in more directions than the interdigital electrode 7. By adjusting the electrode periodic length (p i ) of the interdigital transducer 8, the thickness (t) of the piezoelectric substrate 1, and the optimum thickness of the solid medium 3, the interdigital transducer 8 can be used as a target 4. Alternatively, it is possible to concentrate the energy of the longitudinal wave at a single point of the target 5. In this way, the interdigital electrode 8 enables reliable and local irradiation of longitudinal waves to the target 5 regardless of the size and position of the target 5.

図11は、本発明の超音波照射装置の第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。対象物4は図11では描かれていない。図11における矢印は、駆動中に伝搬する波の方向を示す。 FIG. 11 is a schematic view showing a third embodiment of the ultrasonic irradiation apparatus of the present invention. The present embodiment includes a piezoelectric substrate 1, three interdigital electrodes 2 provided on the upper end surface of the piezoelectric substrate 1, and a solid medium 3. The object 4 is not drawn in FIG. The arrows in FIG. 11 indicate the directions of waves that propagate during driving.

図11の超音波照射装置においては、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、固体媒体3中に多方向へ縦波を照射することが可能になる。すなわち、Z軸方向およびX軸方向に向けて効果的な縦波照射が可能となる。図11は、VMeがVObより低い場合には、θMeiがθObi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6、少なくとも2つのすだれ状電極7または少なくとも2つのすだれ状電極8で成ることが可能である。 In the ultrasonic irradiation apparatus of FIG. 11, each interdigital electrode 2 performs the same function as the interdigital electrode 2 in FIG. By using at least two interdigital electrodes 2, it is possible to irradiate longitudinal waves in multiple directions in the solid medium 3 than when using one. That is, effective longitudinal wave irradiation can be performed in the Z-axis direction and the X-axis direction. FIG. 11 shows that θ Mei is smaller than θ Obi when V Me is lower than V Ob . The device of FIG. 11 can consist of at least two interdigital electrodes 6, at least two interdigital electrodes 7, or at least two interdigital electrodes 8, respectively, instead of at least two interdigital electrodes 2.

図12は、本発明の超音波照射装置の第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9、対象物4および標的5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、固体媒体9に対し更に多方向への縦波照射が可能になり、その上、対象物4や標的5に対し的確な縦波照射が可能となる。すだれ状電極21、22、23は、すだれ状電極7と同様な円弧状の電極パターンや、すだれ状電極6や8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。 FIG. 12 is a plan view when the fourth embodiment of the ultrasonic irradiation apparatus of the present invention is viewed from above. This embodiment has the same structure as that of FIG. 11 except that interdigital electrodes 21, 22, and 23 are used in place of the three interdigital electrodes 2, respectively. Solid medium 9, object 4 and target 5 are not depicted in FIG. The interdigital electrodes 21, 22, and 23 have different electrode cycle lengths, and are arranged in order from the smallest electrode cycle length to the largest. By using the interdigital electrodes 21, 22, and 23, it becomes possible to irradiate the solid medium 9 with longitudinal waves in more directions than in the case of using the three interdigital electrodes 2, and in addition, the target object 4 and target 5 can be accurately irradiated with longitudinal waves. The interdigital electrodes 21, 22, and 23 can have an arc-shaped electrode pattern similar to the interdigital electrode 7 or a distributed electrode structure such as the interdigital electrodes 6 and 8. When the interdigital electrodes 21, 22, and 23 have a dispersive electrode structure, they are arranged in order from the smallest electrode periodic length region to the largest.

図13は、本発明の超音波照射装置の第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。 FIG. 13 is a plan view of the fifth embodiment of the ultrasonic irradiation apparatus of the present invention as viewed from above. In this embodiment, the piezoelectric substrate 9, the solid medium 10, and four transducer groups are included. The solid medium 10 is made of the same material as the solid medium 3. Each transducer group consists of interdigital electrodes 24, 25, 26. Each interdigital electrode has the same structure as the interdigital electrode 2 except for the length of the electrode fingers. The solid medium 10 is not depicted in FIG. The four transducer groups are arranged on the piezoelectric substrate 9 so that the directions of two of the four electrode fingers are parallel to each other and orthogonal to the directions of the other two groups of electrode fingers. Has been.

図14は、図13の超音波照射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。 FIG. 14 is a side view of the ultrasonic irradiation apparatus of FIG. The piezoelectric substrate 9 is made of a piezoelectric ceramic having a thickness (t) of 230 μm, and the direction of its polarization axis is parallel to the thickness (t) direction.

図13の超音波照射装置においては、入力電気信号が4つのトランスデューサグループの各すだれ状電極に印加される。4つのトランスデューサグループを用いることにより、1つを用いる場合に比べて更に多方向への縦波照射が可能となる。すなわち、Z軸、X軸およびY軸方向に向けての更に効果的な縦波照射が可能となる。 In the ultrasonic irradiation apparatus of FIG. 13, an input electric signal is applied to each interdigital electrode of the four transducer groups. By using four transducer groups, it is possible to irradiate longitudinal waves in more directions than in the case of using one transducer group. That is, more effective longitudinal wave irradiation in the Z-axis, X-axis, and Y-axis directions is possible.

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更に多方向へ縦波を照射することが可能になる。 The interdigital electrodes 21, 22, 23 can be used in place of the interdigital electrodes 24, 25, 26. By using the interdigital electrodes 21, 22, and 23, it becomes possible to irradiate longitudinal waves in more directions than in the case of using the interdigital electrodes 24, 25, and 26.

図15は、本発明の超音波照射装置の第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。標的5は図15では描かれていない。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。対象物13は、たとえば標的5を含む。 FIG. 15 is a schematic view showing a sixth embodiment of the ultrasonic irradiation apparatus of the present invention. This embodiment has the same structure as that of FIG. 1 except that solid media 11 and 12 are used instead of the solid media 3. Target 5 is not depicted in FIG. The solid medium 11 is made of the same material as the solid medium 3, and the solid medium 12 is made of a material different from the solid medium 11. Solid media 11 and 12 form a layered structure. During driving, the solid medium 11 corresponding to the upper layer portion of the layered structure is in contact with the piezoelectric substrate 1, and the lower end surface of the solid medium 12 is placed on the object 13. The object 13 includes the target 5, for example.

図15の超音波照射装置において、固体媒体11における縦波速度V11および漏洩ラム波の位相速度VLamiについてV11≦VLamiという関係が成立する場合には、圧電基板1と固体媒体11との界面において漏洩ラム波から縦波へのモード変換が起こる。縦波は、固体媒体11と12との界面において屈折した後、固体媒体12と対象物13との界面において再び屈折し、対象物13中へ伝搬する。 In the ultrasonic irradiation apparatus of FIG. 15, when the relationship of V 11 ≦ V Lami is established with respect to the longitudinal wave velocity V 11 and the phase velocity V Lami of the leaky Lamb wave in the solid medium 11, the piezoelectric substrate 1 and the solid medium 11 Mode conversion from a leaky Lamb wave to a longitudinal wave occurs at the interface. The longitudinal wave is refracted at the interface between the solid mediums 11 and 12 and then refracted again at the interface between the solid medium 12 and the object 13 and propagates into the object 13.

縦波の固体媒体11への照射角θ11、固体媒体11と12との界面での縦波の屈折角θ12、固体媒体12と対象物13との界面での縦波の屈折角θ13、固体媒体11における縦波速度V11、固体媒体12における縦波速度V12については、θ11 = sin-1(V11/VLam)、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、対象物13中への縦波の照射方向の多様化につながる。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6、7または8を用い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。 Longitudinal wave irradiation angle θ 11 on solid medium 11, longitudinal wave refraction angle θ 12 at the interface between solid medium 11 and 12, longitudinal wave refraction angle θ 13 at the interface between solid medium 12 and object 13 , the longitudinal wave velocity V 11 of the solid-state medium 11, for longitudinal wave velocity V 12 of the solid-state medium 12, θ 11 = sin -1 ( V 11 / V Lam), sinθ 11 / sinθ 12 = V 11 / V 12, sinθ The relationship 12 / sinθ 13 = V 12 / V 13 is established. 15, when V 11 is higher than V 12, the theta 11 indicates that greater than theta 12, when V 12 is higher than V 13 indicates theta 12 is greater than theta 13. That is, selecting materials having different longitudinal wave propagation velocities as the materials of the solid media 11 and 12 leads to diversification of the irradiation direction of the longitudinal waves into the object 13. The device of FIG. 15 can use the interdigital electrode 6, 7 or 8 instead of the interdigital electrode 2 as an input transducer. Further, the layered medium composed of the solid mediums 11 and 12 in FIG. 15 can be used instead of the single-layer medium such as the solid medium 3 or 10.

1 圧電基板
2 すだれ状電極
3 固体媒体
4 対象物
5 標的
6 すだれ状電極
7 すだれ状電極
8 すだれ状電極
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
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Piezoelectric substrate 2 Interdigital electrode 3 Solid medium 4 Target 5 Target 6 Interdigital electrode 7 Interdigital electrode 8 Interdigital electrode 9 Piezoelectric substrate 10 Solid medium 11 Solid medium 12 Solid medium 13 Target 21 Interdigital electrode 22 Interdigital electrode 23 Interdigital electrode 24 Interdigital electrode 25 Interdigital electrode 26 Interdigital electrode

Claims (15)

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、前記少なくとも1つのすだれ状電極は、入力電気信号を印加されることにより前記圧電基板にラム波を励振して前記ラム波を縦波として前記固体媒体を介して対象物に照射する機能を有する超音波照射装置。 A piezoelectric substrate; at least one interdigital electrode; and a solid medium. The at least one interdigital electrode excites a Lamb wave to the piezoelectric substrate by applying an input electric signal to the Lamb wave. An ultrasonic irradiation apparatus having a function of irradiating an object as a longitudinal wave through the solid medium. 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、前記すだれ状電極のそれぞれは、入力電気信号を印加されることにより前記圧電基板にラム波を励振して前記ラム波を縦波として前記固体媒体を介して対象物に照射する機能を有する超音波照射装置。 A piezoelectric substrate; at least two interdigital electrodes each having a different electrode period length; and a solid medium. Each interdigital electrode transmits a Lamb wave to the piezoelectric substrate by applying an input electric signal. An ultrasonic irradiation apparatus having a function of exciting and irradiating an object as a longitudinal wave through the solid medium. 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に記載の超音波照射装置。 3. The ultrasonic irradiation apparatus according to claim 2, wherein the at least two interdigital electrodes are arranged in order from the smallest electrode period length to the largest electrode period in the piezoelectric substrate. 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、前記少なくとも1つのすだれ状電極は、入力電気信号を印加されることにより前記圧電基板にラム波を励振して前記ラム波を縦波として前記固体媒体を介して対象物に照射する機能を有する超音波照射装置。 A piezoelectric substrate, four transducer groups, and a solid medium, each of the four transducer groups including at least one interdigital electrode, the at least one interdigital electrode being applied with an input electrical signal Accordingly, an ultrasonic irradiation apparatus having a function of exciting a Lamb wave to the piezoelectric substrate and irradiating the object through the solid medium as the Lamb wave as a longitudinal wave. 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に記載の超音波照射装置。 The ultrasonic irradiation apparatus according to claim 4, wherein directions of two electrode fingers of the four transducer groups are parallel to each other and orthogonal to directions of other two electrode fingers. 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超音波照射装置。 The ultrasonic wave irradiation apparatus according to any one of claims 1 to 5, wherein a longitudinal wave velocity in the solid medium is equal to or lower than a phase velocity of the Lamb wave. 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超音波照射装置。 The ultrasonic wave according to any one of claims 1 to 5, wherein the solid medium has a layered structure, and a longitudinal wave velocity propagating in an upper layer portion of the layered structure is equal to or lower than a phase velocity of the Lamb wave. Irradiation device. 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超音波照射装置。 The ultrasonic irradiation apparatus according to claim 1, wherein a thickness of the solid medium is sufficient to reinforce the piezoelectric substrate and does not exceed a necessary thickness. 前記固体媒体の減衰定数は、前記縦波の前記対象物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超音波照射装置。 The ultrasonic irradiation apparatus according to claim 1, wherein an attenuation constant of the solid medium does not exceed a value at which propagation of the longitudinal wave to the object no longer occurs. 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超音波照射装置。 The ultrasonic irradiation apparatus according to claim 1, wherein the piezoelectric substrate is made of piezoelectric ceramic, and a direction of a polarization axis of the piezoelectric ceramic is parallel to a thickness direction. 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超音波照射装置。 The ultrasonic irradiation apparatus according to claim 1, wherein the piezoelectric substrate is made of a single crystal having piezoelectricity. 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超音波照射装置。 The ultrasonic irradiation apparatus according to claim 1, wherein the piezoelectric substrate is made of a piezoelectric polymer film. 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1〜12のいずれかに記載の超音波照射装置。 The ultrasonic irradiation apparatus according to claim 1, wherein the interdigital electrode has an electrode period length that is equal to or greater than a thickness of the piezoelectric substrate. 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1〜13のいずれかに記載の超音波照射装置。 The ultrasonic irradiation apparatus according to claim 1, wherein the interdigital electrode has a distributed electrode structure having at least two electrode periodic lengths. 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1〜14のいずれかに記載の超音波照射装置。 The ultrasonic irradiation apparatus according to claim 1, wherein the interdigital electrode has an arc-shaped electrode pattern.
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