JP4035708B2 - 音速測定装置 - Google Patents
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Description
【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Zi (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Ziに応じた遅延電気信号Di (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Diと前記結合信号との干渉信号Ri (i=1, 2,…, n)における各振幅と、前記距離Zi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Zi (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Ziに応じた遅延電気信号Di (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Diと前記結合信号との干渉信号Ri (i=1, 2,…, n)における各振幅と、前記距離Zi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Ziに応じた遅延電気信号Di (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Zi (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Ziに応じた遅延電気信号Di (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Diと結合信号との干渉信号Ri (i=1, 2,…, n)が生じる。信号分析器では、干渉信号Riにおける各振幅と、距離Zi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Ziに応じた遅延電気信号Di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Diと結合信号との干渉信号Riが生じる。信号分析器では、干渉信号Riにおける各振幅と、距離Zi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Ziに応じた遅延電気信号Di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Diと結合信号との干渉信号Riが生じる。干渉信号Riにおける各振幅と、距離Zi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Zi (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（VW）はほぼ1,500 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VW値の割合、つまりVW/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 < 4Vw/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Zi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Ziに応じた遅延電気信号Di (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Diと結合信号が干渉し、その結果、干渉信号Ri (i=1, 2,…, n)が生じる。もしも干渉信号Riのそれぞれの振幅と、距離Zi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Ziと、干渉信号Ri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Zi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（VW）の割合、つまりVW/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 < 4Vw/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4Vw/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Zi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Ziに応じた遅延電気信号Di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Diと結合信号が干渉し、その結果、干渉信号Ri (i=1, 2,…, n)が生じる。もしも干渉信号Riのそれぞれの振幅と、距離Zi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、５mm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（WA）を有し、櫛型電極１３Bは12μmの電極指幅（WB）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（WA）を有し、櫛型電極１４Bは45μmの電極指幅（WB）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 < 4Vw/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WA / WB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Ziに応じた遅延電気信号Di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Diと結合信号が干渉し、その結果、干渉信号Riが生じる。もしも干渉信号Riのそれぞれの振幅と、距離Zi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 < 4Vw/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Ziに応じた遅延電気信号Di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Eiからの結合信号Ciも検出される。このとき、遅延電気信号Diと結合信号Ciがそれぞれ干渉し、その結果、各々の干渉信号Riが生じる。もしも干渉信号Riのそれぞれの振幅と、距離Zi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Zi (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Ziに応じた遅延電気信号Di (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Diと結合信号との干渉信号Ri (i=1, 2,…, n)が生じる。信号分析器では、干渉信号Riにおける各振幅と、距離Zi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Ziに応じた遅延電気信号Di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Diと結合信号との干渉信号Riが生じる。信号分析器では、干渉信号Riにおける各振幅と、距離Zi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Ziと、干渉信号Ri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
【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Zi (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Ziに応じた遅延電気信号Di (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Diと前記結合信号との干渉信号Ri (i=1, 2,…, n)における各振幅と、前記距離Zi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Zi (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Ziに応じた遅延電気信号Di (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Diと前記結合信号との干渉信号Ri (i=1, 2,…, n)における各振幅と、前記距離Zi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Ziに応じた遅延電気信号Di (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Zi (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Ziに応じた遅延電気信号Di (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Diと結合信号との干渉信号Ri (i=1, 2,…, n)が生じる。信号分析器では、干渉信号Riにおける各振幅と、距離Zi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Ziに応じた遅延電気信号Di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Diと結合信号との干渉信号Riが生じる。信号分析器では、干渉信号Riにおける各振幅と、距離Zi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Ziに応じた遅延電気信号Di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Diと結合信号との干渉信号Riが生じる。干渉信号Riにおける各振幅と、距離Zi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Zi (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（VW）はほぼ1,500 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VW値の割合、つまりVW/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 < 4Vw/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Zi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Ziに応じた遅延電気信号Di (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Diと結合信号が干渉し、その結果、干渉信号Ri (i=1, 2,…, n)が生じる。もしも干渉信号Riのそれぞれの振幅と、距離Zi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Ziと、干渉信号Ri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Zi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（VW）の割合、つまりVW/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 < 4Vw/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4Vw/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Zi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Ziに応じた遅延電気信号Di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Diと結合信号が干渉し、その結果、干渉信号Ri (i=1, 2,…, n)が生じる。もしも干渉信号Riのそれぞれの振幅と、距離Zi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、５mm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（WA）を有し、櫛型電極１３Bは12μmの電極指幅（WB）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（WA）を有し、櫛型電極１４Bは45μmの電極指幅（WB）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 < 4Vw/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WA / WB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Ziに応じた遅延電気信号Di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Diと結合信号が干渉し、その結果、干渉信号Riが生じる。もしも干渉信号Riのそれぞれの振幅と、距離Zi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 < 4Vw/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Ziに応じた遅延電気信号Di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Eiからの結合信号Ciも検出される。このとき、遅延電気信号Diと結合信号Ciがそれぞれ干渉し、その結果、各々の干渉信号Riが生じる。もしも干渉信号Riのそれぞれの振幅と、距離Zi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Zi (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Ziに応じた遅延電気信号Di (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Diと結合信号との干渉信号Ri (i=1, 2,…, n)が生じる。信号分析器では、干渉信号Riにおける各振幅と、距離Zi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Ziに応じた遅延電気信号Di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Diと結合信号との干渉信号Riが生じる。信号分析器では、干渉信号Riにおける各振幅と、距離Zi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Ziと、干渉信号Ri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 (6)
- 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Zi (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、前記物質中に照射される縦波の非垂直成分は、前記組み合わせ電極の電極指の総面積を変えずに電極対の数を多くすることによって抑圧され、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Ziに応じた遅延電気信号Di (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Diと前記結合信号との干渉信号Ri (i=1, 2,…, n)における各振幅と、前記距離Ziとの関係から距離周期ΔZが検出され、前記距離周期Δ Z は、前記各振幅のうち２つの最大振幅間または２つの最小振幅間の差に相当し、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。
- 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。
- 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、前記第１組み合わせ電極の電極指の方向は、前記第２組み合わせ電極の電極指の方向と直交しており、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Zi (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、前記物質中に照射される縦波の非垂直成分は、前記第１組み合わせ電極の電極指の総面積を変えずに電極対の数を多くすることによって抑圧され、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Ziに応じた遅延電気信号Di (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Diと前記結合信号との干渉信号Ri (i=1, 2,…, n)における各振幅と、前記距離Ziとの関係から距離周期ΔZが検出され、前記距離周期Δ Z は、前記各振幅のうち２つの最大振幅間または２つの最小振幅間の差に相当し、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。
- 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櫛型電極の電極指の方向は、前記第２櫛型電極の電極指の方向と直交しており、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、前記物質中に照射される縦波の非垂直成分は、前記第１櫛型電極の電極指の総面積を変えずに電極対の数を多くすることによって抑圧され、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Ziに応じた遅延電気信号Di (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。
- 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。
- 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。
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