JP4066076B2 - 超音波照射および検出装置 - Google Patents

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効率よく超音波を照射し、その物質に含まれる反射物または物質のもう一方の界面によって超音波を反射させた後、その超音波を遅延電気信号として検出する超音波照射および検出デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
液体中に超音波を照射するには、厚み振動モードの矩形状圧電トランスデューサが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り、また、スキャニングを伴う駆動が困難であった。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いる。
【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超音波照射および検出デバイスを提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１のタイプの超音波照射および検出デバイスは、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、対向電極から成る超音波照射および検出デバイスであって、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、前記櫛型電極Aと前記対向電極の間に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、前記物質に含まれる反射物また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によって反射されて、前記櫛型電極Bと前記対向電極の間で遅延電気信号として検出される。
【０００５】
本発明の第１のタイプの超音波照射および検出デバイスは、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】
本発明の第１のタイプの超音波照射および検出デバイスは、前記櫛型電極Aの電極指の総面積が不変であるならば、前記組み合わせ電極の電極対の数が多いほど、前記物質中に照射される前記縦波の指向性が鋭くなる。
【０００７】
本発明の第１のタイプの超音波照射および検出デバイスは、前記櫛型電極Aにスキャニングシステムが接続された超音波照射および検出デバイスであって、前記スキャニングシステムは、前記櫛型電極Aの電極指にそれぞれ対応するスイッチを成分とするグループX_i (i=1, 2,…, n)から成り、前記グループX_iの中の１つとその次の１つは、前記グループX_iの中の前記１つに含まれる最初のスイッチと前記次の１つに含まれる最後のスイッチを除き互いに共通のスイッチを含み、前記櫛型電極Aと前記対向電極の間に前記グループX_iを介して順次電気信号が入力されることにより、スキャンされた超音波ビームとして前記縦波が前記物質中に照射され、前記超音波ビームは、前記反射物または前記物質の前記もう一方の界面によって反射されて、前記櫛型電極Bと前記対向電極の間で、スキャンされた遅延電気信号として検出される。
【０００８】
本発明の第１のタイプの超音波照射および検出デバイスは、前記櫛型電極Aに第１スキャニングシステムが接続され、前記櫛型電極Bに第２スキャニングシステムが接続された超音波照射および検出デバイスであって、前記第１スキャニングシステムは、前記櫛型電極Aの電極指にそれぞれ対応するスイッチを成分とするグループX_i (i=1, 2,…, n)から成り、前記グループX_iの中の１つとその次の１つは、前記グループX_iの中の前記１つに含まれる最初のスイッチと前記グループX_iの中の前記次の１つに含まれる最後のスイッチを除き互いに共通のスイッチを含み、前記第２スキャニングシステムは、前記櫛型電極Bの電極指にそれぞれ対応するスイッチを成分とするグループY_i (i=1, 2,…, n)から成り、前記グループY_iの中の１つとその次の１つは、前記グループY_iの中の前記１つに含まれる最初のスイッチと前記グループY_iの中の前記次の１つに含まれる最後のスイッチを除き互いに共通のスイッチを含み、前記櫛型電極Aと前記対向電極の間に前記グループX_iを介して順次電気信号が入力されることにより、スキャンされた超音波ビームとして前記縦波が前記物質中に照射され、前記超音波ビームは、前記反射物または前記物質の前記もう一方の界面によって反射されて、前記グループY_iによって前記櫛型電極Bと前記対向電極の間で、スキャンされた遅延電気信号として検出される。
【０００９】
本発明の第１のタイプの超音波照射および検出デバイスは、前記対向電極の下端面に高分子膜が塗布されている。
【００１０】
本発明の第１のタイプの記載の超音波照射および検出デバイスは、前記櫛型電極Aと前記櫛型電極Bの間に増幅器が接続されている。
【００１１】
本発明の第２のタイプの超音波照射および検出デバイスは、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、対向電極から成る超音波照射および検出デバイスであって、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、前記第１組み合わせ電極の前記櫛型電極Aと前記対向電極の間に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、前記物質に含まれる反射物また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によって反射されて、前記第２組み合わせ電極の前記櫛型電極Bと前記対向電極の間で遅延電気信号として検出される。
【００１２】
本発明の第２のタイプの超音波照射および検出デバイスは、前記第１組み合わせ電極の電極指の方向が、前記第２組み合わせ電極の電極指の方向と直交している。
【００１３】
本発明の第２のタイプの超音波照射および検出デバイスは、前記第１組み合わせ電極の前記櫛型電極Aの電極指幅が、前記第１組み合わせ電極の前記櫛型電極Bの電極指幅よりも大きく、前記第２組み合わせ電極の前記櫛型電極Bの電極指幅が、前記第２組み合わせ電極の前記櫛型電極Aの電極指幅よりも大きい。
【００１４】
本発明の第２のタイプの超音波照射および検出デバイスは、前記第１組み合わせ電極の前記櫛型電極Aに第１スキャニングシステムが接続され、前記第２組み合わせ電極の前記櫛型電極Bに第２スキャニングシステムが接続された超音波照射および検出デバイスであって、前記第１スキャニングシステムは、前記第１組み合わせ電極の前記櫛型電極Aの電極指にそれぞれ対応するスイッチを成分とするグループX_i (i=1, 2,…, n)から成り、前記グループX_iの中の１つとその次の１つは、前記グループX_iの中の前記１つに含まれる最初のスイッチと前記グループX_iの中の前記次の１つに含まれる最後のスイッチを除き互いに共通のスイッチを含み、前記第２スキャニングシステムは、前記第２組み合わせ電極の前記櫛型電極Bの電極指にそれぞれ対応するスイッチを成分とするグループY_i (i=1, 2,…, n)から成り、前記グループY_iの中の１つとその次の１つは、前記グループY_iの中の前記１つに含まれる最初のスイッチと前記グループY_iの中の前記次の１つに含まれる最後のスイッチを除き互いに共通のスイッチを含み、前記第１組み合わせ電極の前記櫛型電極Aと前記対向電極の間に前記グループX_iを介して順次電気信号が入力されることにより、スキャンされた超音波ビームとして前記縦波が前記物質中に照射され、前記超音波ビームは、前記反射物または前記物質の前記もう一方の界面によって反射されて、前記グループY_iによって前記第２組み合わせ電極の前記櫛型電極Bと前記対向電極の間で、スキャンされた遅延電気信号として検出される。
【００１５】
本発明の第３のタイプの超音波照射および検出デバイスは、第１圧電基板、第１櫛型電極、第２圧電基板、第２櫛型電極および対向電極から成る超音波照射および検出デバイスであって、前記第１櫛型電極は、前記第１圧電基板の下端面に設けられており、前記第１櫛型電極の下端面には、物質の一方の界面が接触しており、前記第２櫛型電極は、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、前記第１櫛型電極と前記対向電極の間に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、前記物質に含まれる反射物また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によって反射されて、前記第２櫛型電極と前記対向電極の間で遅延電気信号として検出される。
【００１６】
本発明の第３のタイプの超音波照射および検出デバイスは、前記第１櫛型電極に第１スキャニングシステムが接続され、前記第２櫛型電極に第２スキャニングシステムが接続された超音波照射および検出デバイスであって、前記第１スキャニングシステムは、前記第１櫛型電極の電極指にそれぞれ対応するスイッチを成分とするグループX_i (i=1, 2,…, n)から成り、前記グループX_iの中の１つとその次の１つは、前記グループX_iの中の前記１つに含まれる最初のスイッチと前記グループX_iの中の前記次の１つに含まれる最後のスイッチを除き互いに共通のスイッチを含み、前記第２スキャニングシステムは、前記第２櫛型電極の電極指にそれぞれ対応するスイッチを成分とするグループY_i (i=1, 2,…, n)から成り、前記グループY_iの中の１つとその次の１つは、前記グループY_iの中の前記１つに含まれる最初のスイッチと前記グループY_iの中の前記次の１つに含まれる最後のスイッチを除き互いに共通のスイッチを含み、前記第１櫛型電極と前記対向電極の間に前記グループX_iを介して順次電気信号が入力されることにより、スキャンされた超音波ビームとして前記縦波が前記物質中に照射され、前記超音波ビームは、前記反射物または前記物質の前記もう一方の界面によって反射されて、前記グループY_iによって前記第２櫛型電極と前記対向電極の間で、スキャンされた遅延電気信号として検出される。
【００１７】
本発明の超音波照射および検出デバイスは、前記物質が液体または細胞質で成る。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の超音波照射および検出デバイスは、３つのタイプに大別される。第１のタイプの超音波照射および検出デバイスは、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いる。もしも、櫛型電極Aと対向電極との間に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、物質中に含まれる反射物または物質の一方の界面と対面するもう一方の界面によって反射されて、櫛型電極Bと対向電極との間で遅延電気信号として検出される。
【００１９】
本発明の第１のタイプの超音波照射および検出デバイスでは、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。
【００２０】
本発明の第１のタイプの超音波照射および検出デバイスでは、櫛型電極Aの電極指の総面積が不変であることを前提とすると、組み合わせ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指向性が鋭くなる。
【００２１】
本発明の第１のタイプの超音波照射および検出デバイスでは、櫛型電極Aにスキャニングシステムが接続された構造が可能である。スキャニングシステムは、櫛型電極Aの電極指にそれぞれ対応するスイッチから成り、これらのスイッチはグループX_i (i=1, 2,…, n)を形成する。このとき、グループX_iの中の１つとその次の１つは、前者に含まれる最初のスイッチと後者に含まれる最後のスイッチを除き互いに共通のスイッチを有する。もしも、櫛型電極Aと対向電極の間にグループX_iを介して順次電気信号が入力されると、物質中にi個の縦波が照射される。これらの縦波は、全体としては、スキャンされた超音波ビームとして照射される。この超音波ビームは、反射物または物質のもう一方の界面によって反射されて、櫛型電極Bと対向電極の間で、スキャンされた遅延電気信号として検出される。
【００２２】
本発明の第１のタイプの超音波照射および検出デバイスでは、櫛型電極Aに第１スキャニングシステムが接続され、櫛型電極Bに第２スキャニングシステムが接続された構造が可能である。第１スキャニングシステムは、櫛型電極Aの電極指にそれぞれ対応するスイッチから成る。これらのスイッチはグループX_i (i=1, 2,…, n)を形成する。このとき、グループX_iの中の１つとその次の１つは、前者に含まれる最初のスイッチと後者に含まれる最後のスイッチを除き互いに共通のスイッチを有する。第２スキャニングシステムは、櫛型電極Bの電極指にそれぞれ対応するスイッチから成る。これらのスイッチはグループY_i (i=1, 2,…, n) を形成する。このとき、グループY_iの中の１つとその次の１つは、前者に含まれる最初のスイッチと後者に含まれる最後のスイッチを除き互いに共通のスイッチを有する。もしも、櫛型電極Aと対向電極の間にグループX_iを介して順次電気信号が入力されると、物質中にi個の縦波が照射される。これらの縦波は、全体としては、スキャンされた超音波ビームとして照射される。この超音波ビームは、反射物または物質のもう一方の界面によって反射されて、グループY_iによって櫛型電極Bと対向電極の間で、スキャンされた遅延電気信号として検出される。
【００２３】
本発明の第１のタイプの超音波照射および検出デバイスでは、対向電極の下端面にシリコンゴム等の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。
【００２４】
本発明の第１のタイプの超音波照射および検出デバイスでは、櫛型電極Aと櫛型電極Bの間に増幅器が接続された構造が可能である。このような構造では、自励発振型の超音波照射および検出デバイスを形成することが可能になる。従って、回路構成が簡単になり、デバイスの小型軽量化が促進され、低電圧で低消費電力駆動が可能となる。
【００２５】
本発明の第２のタイプの超音波照射および検出デバイスは、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、対向電極から成る簡単な構造を有する。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おり、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。もしも、第１組み合わせ電極の櫛型電極Aと対向電極の間に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、物質中に含まれる反射物または物質の一方の界面と対面するもう一方の界面によって反射されて、第２組み合わせ電極の櫛型電極Bと対向電極の間で遅延電気信号として検出される。また、第１組み合わせ電極の櫛型電極Aと、第２組み合わせ電極の櫛型電極Bの間に増幅器を接続することにより、自励発振型の超音波照射および検出デバイスを形成することが可能になる。
【００２６】
本発明の第２のタイプの超音波照射および検出デバイスでは、第１組み合わせ電極の電極指の方向が、第２組み合わせ電極の電極指の方向と直交するような構造を採用することが可能である。このような構造を採用することにより、反射された縦波の指向性を、初めに照射された縦波の指向性よりもさらに鋭くすることが可能となる。
【００２７】
本発明の第２のタイプの超音波照射および検出デバイスでは、第１組み合わせ電極の櫛型電極Aの電極指幅が、第１組み合わせ電極の櫛型電極Bの電極指幅よりも大きい構造が可能である。このような構造では、両者の電極指幅を均一にする場合に比べ、照射される縦波の指向性をさらに鋭くすることが可能となる。また、第２組み合わせ電極の櫛型電極Bの電極指幅が、第２組み合わせ電極の櫛型電極Aの電極指幅よりも大きい構造を併用することにより、両者の電極指幅を均一にする場合に比べ、反射される縦波の指向性をさらに鋭くすることが可能となる。
【００２８】
本発明の第２のタイプの超音波照射および検出デバイスでは、第１組み合わせ電極の櫛型電極Aに第１スキャニングシステムが接続され、第２組み合わせ電極の櫛型電極Bに第２スキャニングシステムが接続された構造が可能である。第１スキャニングシステムは、第１組み合わせ電極の櫛型電極Aの電極指にそれぞれ対応するスイッチから成る。これらのスイッチはグループX_i (i=1, 2,…, n)を形成する。このとき、グループX_iの中の１つとその次の１つは、前者に含まれる最初のスイッチと後者に含まれる最後のスイッチを除き互いに共通のスイッチを有する。第２スキャニングシステムは、第２組み合わせ電極の櫛型電極Bの電極指にそれぞれ対応するスイッチから成る。これらのスイッチはグループY_i (i=1, 2,…, n)を形成する。このとき、グループY_iの中の１つとその次の１つは、前者に含まれる最初のスイッチと後者に含まれる最後のスイッチを除き互いに共通のスイッチを有する。もしも、第１組み合わせ電極の櫛型電極Aと対向電極の間にグループX_iを介して順次電気信号が入力されると、物質中にi個の縦波が照射される。これらの縦波は、全体としては、スキャンされた超音波ビームとして照射される。この超音波ビームが、反射物によって反射されると、グループY_iによって第２組み合わせ電極の櫛型電極Bと対向電極の間で、スキャンされた遅延電気信号として検出される。このとき、第１組み合わせ電極の電極指と第２組み合わせ電極の電極指とを交叉させておくことにより、反射物の形をイメージすることが可能となる。
【００２９】
本発明の第３のタイプの超音波照射および検出デバイスは、第１圧電基板、第１櫛型電極、第２圧電基板、第２櫛型電極および対向電極から成る簡単な構造を有する。第１櫛型電極は、第１圧電基板の下端面に設けられており、第１櫛型電極の下端面には、物質の一方の界面が接触している。第２櫛型電極は、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。もしも、第１櫛型電極と対向電極の間に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、物質に含まれる反射物または物質の一方の界面と対面するもう一方の界面によって反射されて、第２櫛型電極と対向電極の間で遅延電気信号として検出される。また、第１櫛型電極と第２櫛型電極の間に増幅器を接続することにより、自励発振型の超音波照射および検出デバイスを形成することが可能になる。
【００３０】
本発明の第３のタイプの超音波照射および検出デバイスでは、第１櫛型電極に第１スキャニングシステムが接続され、第２櫛型電極に第２スキャニングシステムが接続された構造が可能である。第１スキャニングシステムは、第１櫛型電極の電極指にそれぞれ対応するスイッチから成る。これらのスイッチはグループX_i (i=1, 2,…, n)を形成する。このとき、グループX_iの中の１つとその次の１つは、前者に含まれる最初のスイッチと後者に含まれる最後のスイッチを除き互いに共通のスイッチを有する。第２スキャニングシステムは、第２櫛型電極の電極指にそれぞれ対応するスイッチから成る。これらのスイッチはグループY_i (i=1, 2,…, n)を形成する。このとき、グループY_iの中の１つとその次の１つは、前者に含まれる最初のスイッチと後者に含まれる最後のスイッチを除き互いに共通のスイッチを有する。もしも、第１櫛型電極と対向電極の間にグループX_iを介して順次電気信号が入力されると、物質中にi個の縦波が照射される。これらの縦波は、全体としては、スキャンされた超音波ビームとして照射される。この超音波ビームが、反射物によって反射されると、グループY_iによって第２櫛型電極と対向電極の間で、スキャンされた遅延電気信号として検出される。このとき、第１櫛型電極の電極指と第２櫛型電極の電極指とを交叉させておくことにより、反射物の形をイメージすることが可能となる。
【００３１】
本発明の超音波照射および検出デバイスでは、物質が液体または細胞質で成る構造が可能である。つまり、液体や細胞質中に効率よく縦波を照射した後、反射された縦波を遅延電気信号として検出することができる。
【００３２】
【実施例】
図１は本発明の超音波照射および検出デバイスの第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、増幅器４および信号分析器５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。このようにして、図１の超音波照射および検出デバイスは、小型軽量でしかも構造が簡単である。
【００３３】
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。櫛型電極２Aは増幅器４に接続され、櫛型電極２Bは信号分析器５に接続されている。
【００３４】
図１の超音波照射および検出デバイスにおいて、電気信号が櫛型電極２Aと対向電極３の間に印加されると、物質の一方の界面を介して、その物質中に縦波が照射される。この縦波は圧電基板１の下端面に対し垂直な成分から成る。もしもその物質が水の場合には、水中の縦波速度（V_W）はほぼ1,500 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V_W値の割合、つまりV_W/Vはほぼ0.333となる。一方、圧電基板１の厚さ（T）に対する組み合わせ電極２の電極周期長（P）の割合、つまりP/Tは300/500、つまり0.6となり、この値は0.333の４倍よりも小さい。このような関係、すなわちP/T < 4V_w/Vという条件のもとでは、圧電基板１の下端面に対し垂直な方向の縦波が効率よく水中に照射される。このような縦波は、たとえば細胞質中にも効率よく照射される。
【００３５】
物質の一方の界面を介して照射された縦波が、図１に示されるように、物質の一方の界面と対面するもう一方の界面によって反射されるか、または物質中に含まれる反射物によって反射されると、反射された縦波は、櫛型電極２Bと対向電極３の間で遅延電気信号として検出される。遅延電気信号は、信号分析器５に到達するだけでなく、増幅器４によって増幅されて櫛型電極２Aと対向電極３の間に入力電気信号として再び印加される。つまり、組み合わせ電極２および増幅器４は遅延線発振器を構成する。このようにして、自励発振型の超音波照射および検出デバイスを形成することが可能になる。従って、回路構成が簡単になり、デバイスの小型軽量化が促進され、低電圧で低消費電力駆動が可能となる。
【００３６】
図３は本発明の超音波照射および検出デバイスの第２の実施例を示す断面図である。本実施例は、増幅器４の代わりに信号発生器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。
【００３７】
図３の超音波照射および検出デバイスにおいて、信号発生器６からの電気信号が櫛型電極２Aと対向電極３の間に印加されると、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。縦波が、図３に示されるように、物質の一方の界面と対面するもう一方の界面によって反射されると、反射された縦波は、櫛型電極２Bと対向電極３の間で遅延電気信号として検出された後、信号分析器５に到達する。
【００３８】
図４は本発明の超音波照射および検出デバイスの第３の実施例を示す断面図である。本実施例は圧電基板１、対向電極３、増幅器４、信号分析器５、スキャニングシステム７、組み合わせ電極８およびシリコンゴム９から成る。シリコンゴム９は対向電極３の下端面に設けられている。シリコンゴム９は物質の一方の界面と接触している。
【００３９】
図５は組み合わせ電極８の部分平面図である。図５にはスキャニングシステム７も描かれている。組み合わせ電極８は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。組み合わせ電極８は櫛型電極８Aおよび８Bから成る。櫛型電極８Aはスキャニングシステム７を介して増幅器４に接続され、櫛型電極８Bは信号分析器５に接続されている。スキャニングシステム７は20個のスイッチを有し、それらのスイッチは櫛型電極８Aの電極指とそれぞれ対応している。20個のスイッチは17個のグループX_i (i=1, 2,…, 17)を作り、各グループには4個のスイッチが所属している。つまり、グループX_iの中の１つとその次の１つとは、前者の最初のスイッチと後者の最後のスイッチを除き、３つのスイッチを共有している。たとえば、X₂グループとX₃グループは、X₂グループの最初のスイッチとX₃グループの最後のスイッチを除き、３つのスイッチを共有している。
【００４０】
図４の超音波照射および検出デバイスにおいて、スキャニングシステム７の17個のクループX_iを介して電気信号が櫛型電極８Aと、対向電極３の間に順次に印加されると、シリコンゴム９を介して物質中に17個の縦波が照射される。これらの縦波は、全体としては、スキャンされた超音波ビームとして物質中に照射される。もしもその物質が水の場合には、V_W/Vは、前述した通りほぼ0.333となる。一方、P/Tは225/500、つまり0.45となり、この値は0.333の４倍よりも小さい。このような関係、すなわちP/T < 4V_W /Vという条件のもとでは、圧電基板１の下端面に対し垂直な成分で成る超音波ビームが、シリコンゴム９を介して効率よく水中に照射される。さらに、その超音波ビームの指向性は図１における縦波の指向性よりも鋭い。つまり、P/Tが4V_w/Vよりも小さければ小さいほど、指向性が鋭くなる。
【００４１】
物質の一方の界面を介して照射された超音波ビームが、図４に示されるように、物質の一方の界面と対面するもう一方の界面によって反射されるか、または物質中に含まれる反射物によって反射されると、反射された超音波ビームが、櫛型電極８Bと対向電極３の間で、スキャンされた遅延電気信号として検出される。この遅延電気信号は、信号分析器５に到達するだけでなく、増幅器４によって増幅されて櫛型電極８Aと対向電極３の間に入力電気信号として再び印加される。このようにして、自励発振型の超音波照射および検出デバイスを形成することが可能になる。従って、回路構成が簡単になり、デバイスの小型軽量化が促進され、低電圧で低消費電力駆動が可能となる。
【００４２】
図６は本発明の超音波照射および検出デバイスの第４の実施例を示す断面図である。本実施例は、増幅器４の代わりに信号発生器６が用いられていることを除いて、図４と同様な構造を有する。
【００４３】
図６の超音波照射および検出デバイスにおいて、スキャニングシステム７の17個のクループX_iを介して信号発生器６からの電気信号が櫛型電極８Aと、対向電極３の間に順次に印加されると、シリコンゴム９を介して物質中に17個の縦波が照射される。これらの縦波は、全体としては、スキャンされた超音波ビームとして物質中に照射される。
【００４４】
物質の一方の界面を介して照射された超音波ビームが、図６に示されるように、物質の一方の界面と対面するもう一方の界面によって反射されると、反射された超音波ビームが、櫛型電極８Bと対向電極３の間で、スキャンされた遅延電気信号として検出された後、信号分析器５に到達する。
【００４５】
図７は、図４の超音波照射および検出デバイス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７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８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超音波ビーム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。
【００４６】
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。
【００４７】
図９は組み合わせ電極８の電極指交叉領域を示す平面図である。組み合わせ電極８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８A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。
【００４８】
図８と図９を比較すると、組み合わせ電極８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。組み合わせ電極８の電極対の数は組み合わせ電極２の4/3であり、組み合わせ電極８の電極周期長（P）は組み合わせ電極２の3/4であり、組み合わせ電極８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、組み合わせ電極８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。
【００４９】
図１０は本発明の超音波照射および検出デバイスの第５の実施例を示す断面図である。本実施例は、スキャニングシステム７が排除され第１スキャニングシステム１０および第２スキャニングシステム１１が新たに採用されている点を除けば、図４と同様な構造を有する。
【００５０】
図１１は、第１スキャニングシステム１０および第２スキャニングシステム１１に接続された組み合わせ電極８の部分平面図である。櫛型電極８Aは第１スキャニングシステム１０を介して増幅器４に接続され、櫛型電極８Bは第２スキャニングシステム１１を介して信号分析器５に接続されている。第１スキャニングシステム１０は20個のスイッチを有し、それらのスイッチは櫛型電極８Aの電極指とそれぞれ対応している。これら20個のスイッチは17個のグループX_i (i=1, 2,…, 17)を作り、各グループには4個のスイッチが所属している。つまり、グループX_iの中の１つとその次の１つとは、前者の最初のスイッチと後者の最後のスイッチを除き、３つのスイッチを共有している。同様にして、第２スキャニングシステム１１は20個のスイッチを有し、それらのスイッチは櫛型電極８Bの電極指とそれぞれ対応している。これら20個のスイッチは17個のグループY_i (i=1, 2,…, 17)を作り、各グループには4個のスイッチが所属している。つまり、グループY_iの中の１つとその次の１つとは、前者の最初のスイッチと後者の最後のスイッチを除き、３つのスイッチを共有している。
【００５１】
図１０の超音波照射および検出デバイスにおいて、第１スキャニングシステム１０の17個のクループX_iを介して電気信号が櫛型電極８Aと、対向電極３の間に順次に印加されると、シリコンゴム９を介して物質中に17個の縦波が照射される。これらの縦波は、全体としては、スキャンされた超音波ビームとして物質中に照射される。もしもその物質が水の場合には、P/T < 4V_W /Vという条件が満たされることから、圧電基板１の下端面に対し垂直な成分で成る超音波ビームが、シリコンゴム９を介して効率よく水中に照射される。
【００５２】
物質の一方の界面を介して照射された超音波ビームが、図１０に示されるように、物質の一方の界面と対面するもう一方の界面によって反射されると、反射された超音波ビームが、第２スキャニングシステム１１の17個のクループY_iによって、櫛型電極８Bと対向電極３の間で、スキャンされた遅延電気信号として検出される。この遅延電気信号は、信号分析器５に到達するだけでなく、増幅器４によって増幅されて櫛型電極８Aと対向電極３の間に入力電気信号として再び印加される。このようにして、自励発振型の超音波照射および検出デバイスを形成することが可能になる。従って、回路構成が簡単になり、デバイスの小型軽量化が促進され、低電圧で低消費電力駆動が可能となる。
【００５３】
図１２は本発明の超音波照射および検出デバイスの第６の実施例を示す断面図である。本実施例は、増幅器４の代わりに信号発生器６が用いられていることを除いて、図１０と同様な構造を有する。
【００５４】
図１２の超音波照射および検出デバイスにおいて、第１スキャニングシステム１０の17個のクループX_iを介して信号発生器６からの電気信号が櫛型電極８Aと、対向電極３の間に順次に印加されると、シリコンゴム９を介して物質中に17個の縦波が照射される。これらの縦波は、全体としては、スキャンされた超音波ビームとして物質中に照射される。
【００５５】
物質の一方の界面を介して照射された超音波ビームが、図１２に示されるように、物質の一方の界面と対面するもう一方の界面によって反射されると、反射された超音波ビームが、第２スキャニングシステム１１の17個のクループY_iによって櫛型電極８Bと対向電極３の間で、スキャンされた遅延電気信号として検出された後、信号分析器５に到達する。
【００５６】
図１３は本発明の超音波照射および検出デバイスの第７の実施例を示す断面図である。本実施例は、対向電極３、増幅器４、信号分析器５、シリコンゴム９、第１圧電基板１２、第１組み合わせ電極１３、第２圧電基板１４および第２組み合わせ電極１５から成る。第１圧電基板１２および第２圧電基板１４は、圧電基板１と同様な材質で成り同様な大きさを有する。第２組み合わせ電極１５は、アルミニウム薄膜で成り、第２圧電基板１４の上端面に設けられている。対向電極３は第１圧電基板１２と第２圧電基板１４の間に固着されている。第１組み合わせ電極１３は、アルミニウム薄膜で成り、第１圧電基板１２の下端面に設けられている。シリコンゴム９は第１組み合わせ電極１３の下端面に設けられている。シリコンゴム９は物質の一方の界面と接触している。
【００５７】
図１４は第１組み合わせ電極１３および第２組み合わせ電極１５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１５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、櫛型電極１３A は45μmの電極指幅（W_A）を有し、櫛型電極１３Bは12μmの電極指幅（W_B）を有する。第２組み合わせ電極１５は第１組み合わせ電極１３と同様な構造を有する。但し、第２組み合わせ電極１５の櫛型電極１５Aは12μmの電極指幅（W_A）を有し、櫛型電極１５Bは45μmの電極指幅（W_B）を有する。
【００５８】
図１３の超音波照射および検出デバイスにおいて、電気信号が櫛型電極１３Aと対向電極３の間に印加されると、シリコンゴム９を介して物質中に縦波が照射される。もしもその物質が水の場合には、P/T < 4V_W /Vという条件が満たされることから、第１圧電基板１２の下端面に対し垂直な縦波が、シリコンゴム９を介して効率よく水中に照射される。その上、櫛型電極１３Aの電極指幅（W_A）を櫛型電極１３Bの電極指幅（W_B）よりも大きくすることにより、両者の電極指幅を均一にする場合に比べ、照射される縦波の指向性をさらに鋭くすることが可能となる。
【００５９】
物質中に照射された縦波が、図１３に示されるように、物質中に含まれる反射物によって反射されると、反射された縦波が、櫛型電極１５Bと対向電極３の間で遅延電気信号として検出される。このとき、第１組み合わせ電極１３の電極指の方向を、第２組み合わせ電極１５の電極指の方向と直交させることにより、反射された縦波の指向性を、初めに照射された縦波の指向性よりもさらに鋭くすることが可能となる。一方、櫛型電極１５Bと対向電極３の間で検出された遅延電気信号は、信号分析器５に到達するだけでなく、増幅器４によって増幅されて櫛型電極１３Aと対向電極３の間に入力電気信号として再び印加される。このようにして、自励発振型の超音波照射および検出デバイスを形成することが可能になる。従って、回路構成が簡単になり、デバイスの小型軽量化が促進され、低電圧で低消費電力駆動が可能となる。
【００６０】
図１５は本発明の超音波照射および検出デバイスの第８の実施例を示す断面図である。本実施例は、増幅器４の代わりに信号発生器６が用いられていることを除いて、図１３と同様な構造を有する。
【００６１】
図１５の超音波照射および検出デバイスにおいて、信号発生器６からの電気信号が櫛型電極１３Aと対向電極３の間に印加されると、シリコンゴム９を介して物質中に縦波が照射される。この縦波が、物質中に含まれる反射物によって反射されると、反射された縦波が、櫛型電極１５Bと対向電極３の間で遅延電気信号として検出された後、信号分析器５に到達する。
【００６２】
図１６は本発明の超音波照射および検出デバイスの第９の実施例を示す断面図である。本実施例は、第１スキャニングシステム１０および第２スキャニングシステム１１が新たに採用されている点を除けば、図１３と同様な構造を有する。
【００６３】
図１７は、第１スキャニングシステム１０に接続された第１組み合わせ電極１３と、第２スキャニングシステム１１に接続された第２組み合わせ電極１５の構成図である。第１組み合わせ電極１３は第１スキャニングシステム１０を介して増幅器４に接続され、第２組み合わせ電極１５は第２スキャニングシステム１１を介して信号分析器５に接続されている。第１組み合わせ電極１３の電極指は第１スキャニングシステム１０の20個のスイッチとそれぞれ対応し、第２組み合わせ電極１５の電極指は第２スキャニングシステム１１の20個のスイッチとそれぞれ対応している。第１スキャニングシステム１０の20個のスイッチは17個のグループX_i (i=1, 2,…, 17)を作り、各グループには4個のスイッチが所属している。つまり、グループX_iの中の１つとその次の１つとは、前者の最初のスイッチと後者の最後のスイッチを除き、３つのスイッチを共有している。これに対して、第２スキャニングシステム１１の20個のスイッチは18個のグループY_i (i=1, 2,…, 18)を作り、各グループには３個のスイッチが所属している。つまり、グループY_iの中の１つとその次の１つとは、前者の最初のスイッチと後者の最後のスイッチを除き、２つのスイッチを共有している。
【００６４】
図１６の超音波照射および検出デバイスにおいて、第１スキャニングシステム１０の17個のクループX_iを介して電気信号が櫛型電極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９を介して物質中に17個の縦波が照射される。これらの縦波は、全体としては、スキャンされた超音波ビームとして物質中に照射される。もしもその物質が水の場合には、P/T < 4V_W /Vという条件が満たされることから、第１圧電基板１２の下端面に対し垂直な成分で成る超音波ビームが、シリコンゴム９を介して効率よく水中に照射される。
【００６５】
物質中に照射された超音波ビームが、図１６に示されるように、物質中に含まれる反射物によって反射されると、反射された超音波ビームが、第２スキャニングシステム１１の18個のグループY_iによって、櫛型電極１５Bと対向電極３の間で18個のスキャンされた遅延電気信号として順次に検出される。その結果、反射物の形をイメージすることが可能となる。一方、これらの遅延電気信号は、信号分析器５に到達するだけでなく、増幅器４によって増幅されて櫛型電極１３Aと対向電極３の間に入力電気信号として再び印加される。このようにして、自励発振型の超音波照射および検出デバイスを形成することが可能になる。従って、回路構成が簡単になり、デバイスの小型軽量化が促進され、低電圧で低消費電力駆動が可能となる。
【００６６】
図１８は本発明の超音波照射および検出デバイスの第１０の実施例を示す断面図である。本実施例は、増幅器４の代わりに信号発生器６が用いられていることを除いて、図１６と同様な構造を有する。
【００６７】
図１８の超音波照射および検出デバイスにおいて、第１スキャニングシステム１０の17個のクループX_iを介して信号発生器６からの電気信号が櫛型電極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９を介して物質中に17個の縦波が照射される。これらの縦波は、全体としては、スキャンされた超音波ビームとして物質中に照射される。
【００６８】
物質中に照射された超音波ビームが、図１８に示されるように、物質中に含まれる反射物によって反射されると、反射された超音波ビームが、第２スキャニングシステム１１の18個のグループY_iのそれぞれによって、櫛型電極１５Bと対向電極３の間で18個のスキャンされた遅延電気信号として順次に検出された後、信号分析器５に到達する。その結果、反射物の形をイメージすることが可能となる。
【００６９】
図１９は本発明の超音波照射および検出デバイスの第１１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１３および第２組み合わせ電極１５の代わりに第１櫛型電極１６および第２櫛型電極１７がそれぞれ採用されている点を除けば、図１３と同様な構造を有する。
【００７０】
図２０は第１櫛型電極１６および第２櫛型電極１７の構成図である。第１櫛型電極１６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１７は第１櫛型電極１６と同様な構造を有する。第２櫛型電極１７の電極指の方向は、第１櫛型電極１６の電極指の方向と直交している。
【００７１】
図１９の超音波照射および検出デバイスにおいて、電気信号が第１櫛型電極１６と対向電極３の間に印加されると、シリコンゴム９を介して物質中に縦波が照射される。もしもその物質が水の場合には、P/T < 4V_W /Vという条件が満たされることから、第１圧電基板１２の下端面に対し垂直な縦波が、シリコンゴム９を介して効率よく水中に照射される。
【００７２】
物質中に照射された縦波が、図１９に示されるように、物質中に含まれる反射物によって反射されると、反射された縦波が、第２櫛型電極１７と対向電極３の間で遅延電気信号として検出される。このとき、第２櫛型電極１７の電極指の方向を、第１櫛型電極１６の電極指の方向と直交させることにより、反射された縦波の指向性を、初めに照射された縦波の指向性よりもさらに鋭くすることが可能となる。第２櫛型電極１７と対向電極３の間で検出された遅延電気信号は、信号分析器５に到達するだけでなく、増幅器４によって増幅されて第１櫛型電極１６と対向電極３の間に入力電気信号として再び印加される。このようにして、自励発振型の超音波照射および検出デバイスを形成することが可能になる。従って、回路構成が簡単になり、デバイスの小型軽量化が促進され、低電圧で低消費電力駆動が可能となる。
【００７３】
図２１は本発明の超音波照射および検出デバイスの第１２の実施例を示す断面図である。本実施例は、増幅器４の代わりに信号発生器６が用いられていることを除いて、図１９と同様な構造を有する。
【００７４】
図２１の超音波照射および検出デバイスにおいて、信号発生器６からの電気信号が第１櫛型電極１６と対向電極３の間に印加されると、シリコンゴム９を介して物質中に縦波が照射される。
【００７５】
物質中に照射された縦波が、図２１に示されるように、物質中に含まれる反射物によって反射されると、反射された縦波が、第２櫛型電極１７と対向電極３の間で遅延電気信号として検出された後、信号分析器５に到達する。
【００７６】
図２２は本発明の超音波照射および検出デバイスの第１３の実施例を示す断面図である。本実施例は、第１スキャニングシステム１８および第２スキャニングシステム１９が新たに採用されている点を除けば、図１９と同様な構造を有する。
【００７７】
図２３は第１スキャニングシステム１８に接続された第１櫛型電極１６と、第２スキャニングシステム１９に接続された第２櫛型電極１７の構成図である。第１櫛型電極１６は第１スキャニングシステム１８を介して増幅器４に接続され、第２櫛型電極１７は第２スキャニングシステム１９を介して信号分析器５に接続されている。第１スキャニングシステム１８は40個のスイッチを有し、それらのスイッチは第１櫛型電極１６の電極指とそれぞれ対応している。同様にして、第２スキャニングシステム１９は40個のスイッチを有し、それらのスイッチは第２櫛型電極１７の電極指とそれぞれ対応している。第１スキャニングシステム１８の40個のスイッチは35個のグループX_i (i=1, 2,…, 35)を作り、各グループには６個のスイッチが所属している。つまり、グループX_iの中の１つとその次の１つとは、前者の最初のスイッチと後者の最後のスイッチを除き、５つのスイッチを共有している。一方、第２櫛型電極１７の40個のスイッチは37個のグループY_i (i=1, 2,…, 37)を作り、各グループには4個のスイッチが所属している。つまり、グループY_iの中の１つとその次の１つとは、前者の最初のスイッチと後者の最後のスイッチを除き、３つのスイッチを共有している。
【００７８】
図２２の超音波照射および検出デバイスにおいて、第１スキャニングシステム１８の35個のクループX_iを介して電気信号が第１櫛型電極１６と、対向電極３の間に順次に印加されると、シリコンゴム９を介して物質中に35個の縦波が照射される。これらの縦波は、全体としては、スキャンされた超音波ビームとして物質中に照射される。もしもその物質が水の場合には、P/T < 4V_W /Vという条件が満たされることから、第１圧電基板１２の下端面に対し垂直な成分で成る超音波ビームが、シリコンゴム９を介して効率よく水中に照射される。
【００７９】
物質中に照射された超音波ビームが、図２２に示されるように、物質中に含まれる反射物によって反射されると、反射された超音波ビームが、第２スキャニングシステム１９の37個のグループY_iのそれぞれによって、第２櫛型電極１７と対向電極３の間で37個のスキャンされた遅延電気信号として順次に検出される。その結果、反射物の形をイメージすることが可能となる。一方、これらの遅延電気信号は、信号分析器５に到達するだけでなく、増幅器４によって増幅されて第１櫛型電極１６と対向電極３の間に入力電気信号として再び印加される。このようにして、自励発振型の超音波照射および検出デバイスを形成することが可能になる。従って、回路構成が簡単になり、デバイスの小型軽量化が促進され、低電圧で低消費電力駆動が可能となる。
【００８０】
図２４は本発明の超音波照射および検出デバイスの第１４の実施例を示す断面図である。本実施例は、増幅器４の代わりに信号発生器６が用いられていることを除いて、図２２と同様な構造を有する。
【００８１】
図２４の超音波照射および検出デバイスにおいて、第１スキャニングシステム１８の35個のクループX_iを介して信号発生器６からの電気信号が第１櫛型電極１６と対向電極３の間に印加されると、シリコンゴム９を介して物質中に35個の縦波が照射される。これらの縦波は、全体としては、スキャンされた超音波ビームとして物質中に照射される。
【００８２】
物質中に照射された超音波ビームが、図２４に示されるように、物質中に含まれる反射物によって反射されると、反射された超音波ビームが、第２スキャニングシステム１９の37個のグループY_iのそれぞれによって、第２櫛型電極１７と対向電極３の間で37個のスキャンされた遅延電気信号として順次に検出された後、信号分析器５に到達する。その結果、反射物の形をイメージすることが可能となる。
【００８３】
【発明の効果】
本発明の第１のタイプの超音波照射および検出デバイスは、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いる。もしも、櫛型電極Aと対向電極との間に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、対向電極の下端面にシリコンゴム等の高分子膜が塗布されたような構造を採用すれば、高分子膜を塗布しない場合に比べて、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。この縦波は、物質中に含まれる反射物または物質の一方の界面と対面するもう一方の界面によって反射されて、櫛型電極Bと対向電極との間で遅延電気信号として検出される。このとき、櫛型電極Aと櫛型電極Bの間に増幅器を接続することにより、自励発振型の超音波照射および検出デバイスを形成することが可能になる。従って、回路構成が簡単になり、デバイスの小型軽量化が促進され、低電圧で低消費電力駆動が可能となる。
【００８４】
本発明の第１のタイプの超音波照射および検出デバイスでは、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。また、櫛型電極Aの電極指の総面積が不変であることを前提とすると、組み合わせ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指向性が鋭くなる。
【００８５】
本発明の第１のタイプの超音波照射および検出デバイスでは、櫛型電極Aにスキャニングシステムが接続された構造が可能である。スキャニングシステムは、櫛型電極Aの電極指にそれぞれ対応するスイッチから成り、これらのスイッチはグループX_i (i=1, 2,…, n)を形成する。このとき、グループX_iの中の１つとその次の１つは、前者に含まれる最初のスイッチと後者に含まれる最後のスイッチを除き互いに共通のスイッチを有する。もしも、櫛型電極Aと対向電極の間にグループX_iを介して順次電気信号が入力されると、物質中にi個の縦波が照射される。これらの縦波は、全体としては、スキャンされた超音波ビームとして照射される。この超音波ビームは、反射物または物質のもう一方の界面によって反射されて、櫛型電極Bと対向電極の間で、スキャンされた遅延電気信号として検出される。
【００８６】
本発明の第１のタイプの超音波照射および検出デバイスでは、櫛型電極Aに第１スキャニングシステムが接続され、櫛型電極Bに第２スキャニングシステムが接続された構造が可能である。第１スキャニングシステムは、櫛型電極Aの電極指にそれぞれ対応するスイッチから成る。これらのスイッチはグループX_i (i=1, 2,…, n)を形成する。第２スキャニングシステムは、櫛型電極Bの電極指にそれぞれ対応するスイッチから成る。これらのスイッチはグループY_i (i=1, 2,…, n) を形成する。このとき、グループY_iの中の１つとその次の１つは、前者に含まれる最初のスイッチと後者に含まれる最後のスイッチを除き互いに共通のスイッチを有する。もしも、櫛型電極Aと対向電極の間にグループX_iを介して順次電気信号が入力されると、物質中にi個の縦波が照射される。これらの縦波は、全体としては、スキャンされた超音波ビームとして照射される。この超音波ビームは、反射物または物質のもう一方の界面によって反射されて、グループY_iによって櫛型電極Bと対向電極の間で、スキャンされた遅延電気信号として検出される。
【００８７】
本発明の第２のタイプの超音波照射および検出デバイスは、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おり、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。もしも、第１組み合わせ電極の櫛型電極Aと対向電極の間に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組み合わせ電極における櫛型電極Aの電極指幅が櫛型電極Bの電極指幅よりも大きい構造を採用することにより、両者の電極指幅を均一にする場合に比べ、照射される縦波の指向性をさらに鋭くすることが可能となる。この縦波は、物質中に含まれる反射物または物質の一方の界面と対面するもう一方の界面によって反射されて、第２組み合わせ電極の櫛型電極Bと対向電極の間で遅延電気信号として検出される。このとき、第２組み合わせ電極における櫛型電極Bの電極指幅が櫛型電極Aの電極指幅よりも大きい構造を採用することにより、両者の電極指幅を均一にする場合に比べ、反射される縦波の指向性をさらに鋭くすることが可能となる。さらに、第１組み合わせ電極の電極指の方向が、第２組み合わせ電極の電極指の方向と直交するような構造を採用することにより、反射された縦波の指向性を、初めに照射された縦波の指向性よりもさらに鋭くすることが可能となる。また、第１組み合わせ電極の櫛型電極Aと、第２組み合わせ電極の櫛型電極Bの間に増幅器を接続することにより、自励発振型の超音波照射および検出デバイスを形成することが可能になる。
【００８８】
本発明の第２のタイプの超音波照射および検出デバイスでは、第１組み合わせ電極の櫛型電極Aに第１スキャニングシステムが接続され、第２組み合わせ電極の櫛型電極Bに第２スキャニングシステムが接続された構造が可能である。もしも、第１組み合わせ電極の櫛型電極Aと対向電極の間にグループX_iを介して順次電気信号が入力されると、物質中にi個の縦波が照射される。これらの縦波は、全体としては、スキャンされた超音波ビームとして照射される。この超音波ビームが、反射物によって反射されると、グループY_iによって第２組み合わせ電極の櫛型電極Bと対向電極の間で、スキャンされた遅延電気信号として検出される。このとき、第１組み合わせ電極の電極指と第２組み合わせ電極の電極指とを交叉させておくことにより、反射物の形をイメージすることが可能となる。
【００８９】
本発明の第３のタイプの超音波照射および検出デバイスは、第１圧電基板、第１櫛型電極、第２圧電基板、第２櫛型電極および対向電極から成る簡単な構造を有する。第１櫛型電極は、第１圧電基板の下端面に設けられており、第１櫛型電極の下端面には、物質の一方の界面が接触している。第２櫛型電極は、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。もしも、第１櫛型電極と対向電極の間に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、物質に含まれる反射物または物質の一方の界面と対面するもう一方の界面によって反射されて、第２櫛型電極と対向電極の間で遅延電気信号として検出される。また、第１櫛型電極と第２櫛型電極の間に増幅器を接続することにより、自励発振型の超音波照射および検出デバイスを形成することが可能になる。さらに、第１櫛型電極に第１スキャニングシステムが接続され、第２櫛型電極に第２スキャニングシステムが接続された構造と、第１櫛型電極の電極指と第２櫛型電極の電極指とを交叉させる構造を採用することにより、反射物の形をイメージすることが可能となる。
【００９０】
本発明の超音波照射および検出デバイスでは、物質が液体または細胞質で成る構造が可能である。つまり、液体や細胞質中に効率よく縦波を照射した後、反射された縦波を遅延電気信号として検出することができる。従って、液体中や細胞質中の反射物の形をイメージすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の超音波照射および検出デバイスの第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】 本発明の超音波照射および検出デバイスの第２の実施例を示す断面図。
【図４】 本発明の超音波照射および検出デバイスの第３の実施例を示す断面図。
【図５】組み合わせ電極８の部分平面図。
【図６】 本発明の超音波照射および検出デバイスの第４の実施例を示す断面図。
【図７】 図４の超音波照射および検出デバイス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】 組み合わせ電極８の電極指交叉領域を示す平面図。
【図１０】 本発明の超音波照射および検出デバイスの第５の実施例を示す断面図。
【図１１】 第１スキャニングシステム１０および第２スキャニングシステム１１に接続された組み合わせ電極８の部分平面図。
【図１２】 本発明の超音波照射および検出デバイスの第６の実施例を示す断面図。
【図１３】 本発明の超音波照射および検出デバイスの第７の実施例を示す断面図。
【図１４】 第１組み合わせ電極１３および第２組み合わせ電極１５の構成図。
【図１５】 本発明の超音波照射および検出デバイスの第８の実施例を示す断面図。
【図１６】 本発明の超音波照射および検出デバイスの第９の実施例を示す断面図。
【図１７】 第１スキャニングシステム１０に接続された第１組み合わせ電極１３と、第２スキャニングシステム１１に接続された第２組み合わせ電極１５の構成図。
【図１８】 本発明の超音波照射および検出デバイスの第１０の実施例を示す断面図。
【図１９】 本発明の超音波照射および検出デバイスの第１１の実施例を示す断面図。
【図２０】 第１櫛型電極１６および第２櫛型電極１７の構成図。
【図２１】 本発明の超音波照射および検出デバイスの第１２の実施例を示す断面図。
【図２２】 本発明の超音波照射および検出デバイスの第１３の実施例を示す断面図。
【図２３】 第１スキャニングシステム１８に接続された第１櫛型電極１６と、第２スキャニングシステム１９に接続された第２櫛型電極１７の構成図。
【図２４】 本発明の超音波照射および検出デバイスの第１４の実施例を示す断面図。
【符号の説明】
１ 圧電基板
２ 組み合わせ電極
３ 対向電極
４ 増幅器
５ 信号分析器
６ 信号発生器
７ スキャニングシステム
８ 組み合わせ電極
９ シリコンゴム
１０ 第１スキャニングシステム
１１ 第２スキャニングシステム
１２ 第１圧電基板
１３ 第１組み合わせ電極
１４ 第２圧電基板
１５ 第２組み合わせ電極
１６ 第１櫛型電極
１７ 第２櫛型電極
１８ 第１スキャニングシステム
１９ 第２スキャニングシステム
２A，２B 櫛型電極
８A，８B 櫛型電極
１３A，１３B 櫛型電極
１５A，１５B 櫛型電極

Claims (14)

1. 圧電基板と、櫛型電極AおよびBで成る組み合わせ電極と、対向電極から成る超音波照射および検出デバイスであって、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、前記櫛型電極Aと前記対向電極の間に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、前記櫛型電極 A の電極指の総面積が不変であるならば、前記組み合わせ電極の電極対の数が多いほど、前記物質中に照射される前記縦波の指向性が鋭くなり、前記縦波は、前記物質に含まれる反射物また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によって反射されて、前記櫛型電極Bと前記対向電極の間で遅延電気信号として検出される超音波照射および検出デバイス。
2. 前記圧電基板の厚さに対する前記組み合わせ電極の電極周期長の割合は、前記圧電基板中を伝搬する縦波速度に対する前記物質中を伝搬する縦波速度の割合の４倍以下である請求項１に記載の超音波照射および検出デバイス。
3. 前記物質が液体または細胞質で成る請求項１または２に記載の超音波照射および検出デバイス。
4. 前記櫛型電極Aにスキャニングシステムが接続された超音波照射および検出デバイスであって、前記スキャニングシステムは、前記櫛型電極Aの電極指にそれぞれ対応するスイッチを成分とするグループX_i (i=1, 2,…, n)から成り、前記グループX_iの中の１つとその次の１つは、前記グループX_iの中の前記１つに含まれる最初のスイッチと前記次の１つに含まれる最後のスイッチを除き互いに共通のスイッチを含み、 前記櫛型電極Aと前記対向電極の間に前記グループX_iを介して順次電気信号が入力されることにより、スキャンされた超音波ビームとして前記縦波が前記物質中に照射され、前記超音波ビームは、前記反射物または前記物質の前記もう一方の界面によって反射されて、前記櫛型電極Bと前記対向電極の間で、スキャンされた遅延電気信号として検出される請求項１，２または３に記載の超音波照射および検出デバイス。
5. 前記櫛型電極Aに第１スキャニングシステムが接続され、前記櫛型電極Bに第２スキャニングシステムが接続された超音波照射および検出デバイスであって、前記第１スキャニングシステムは、前記櫛型電極Aの電極指にそれぞれ対応するスイッチを成分とするグループX_i (i=1, 2,…, n)から成り、前記グループX_iの中の１つとその次の１つは、前記グループX_iの中の前記１つに含まれる最初のスイッチと前記グループX_iの中の前記次の１つに含まれる最後のスイッチを除き互いに共通のスイッチを含み、前記第２スキャニングシステムは、前記櫛型電極Bの電極指にそれぞれ対応するスイッチを成分とするグループY_i (i=1, 2,…, n)から成り、前記グループY_iの中の１つとその次の１つは、前記グループY_iの中の前記１つに含まれる最初のスイッチと前記グループY_iの中の前記次の１つに含まれる最後のスイッチを除き互いに共通のスイッチを含み、前記櫛型電極Aと前記対向電極の間に前記グループX_iを介して順次電気信号が入力されることにより、スキャンされた超音波ビームとして前記縦波が前記物質中に照射され、前記超音波ビームは、前記反射物または前記物質の前記もう一方の界面によって反射されて、前記グループY_iによって前記櫛型電極Bと前記対向電極の間で、スキャンされた遅延電気信号として検出される請求項１，２または３に記載の超音波照射および検出デバイス。
6. 前記対向電極の下端面に高分子膜が塗布された請求項１，２，３，４または５に記載の超音波照射および検出デバイス。
7. 前記櫛型電極Aと前記櫛型電極Bの間に増幅器が接続されている請求項１，２，３，４，５または６に記載の超音波照射および検出デバイス。
8. 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、対向電極から成る超音波照射および検出デバイスであって、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、前記第１組み合わせ電極の前記櫛型電極 A の電極指幅は、前記第１組み合わせ電極の前記櫛型電極 B の電極指幅よりも大きく、前記第２組み合わせ電極の前記櫛型電極 B の電極指幅は、前記第２組み合わせ電極の前記櫛型電極 A の電極指幅よりも大きく、前記第１組み合わせ電極の前記櫛型電極Aと前記対向電極の間に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、前記物質に含まれる反射物また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によって反射されて、前記第２組み合わせ電極の前記櫛型電極Bと前記対向電極の間で遅延電気信号として検出される超音波照射および検出デバイス。
9. 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いる請求項８に記載の超音波照射および検出デバイス。
10. 前記物質が液体または細胞質で成る請求項８または９に記載の超音波照射および検出デバイス。
11. 前記第１組み合わせ電極の前記櫛型電極Aに第１スキャニングシステムが接続され、前記第２組み合わせ電極の前記櫛型電極Bに第２スキャニングシステムが接続された超音波照射および検出デバイスであって、前記第１スキャニングシステムは、前記第１組み合わせ電極の前記櫛型電極Aの電極指にそれぞれ対応するスイッチを成分とするグループX_i (i=1, 2,…, n)から成り、前記グループX_iの中の１つとその次の１つは、前記グループX_iの中の前記１つに含まれる最初のスイッチと前記グループX_iの中の前記次の１つに含まれる最後のスイッチを除き互いに共通のスイッチを含み、前記第２スキャニングシステムは、前記第２組み合わせ電極の前記櫛型電極Bの電極指にそれぞれ対応するスイッチを成分とするグループY_i (i=1, 2,…, n)から成り、前記グループY_iの中の１つとその次の１つは、前記グループY_iの中の前記１つに含まれる最初のスイッチと前記グループY_iの中の前記次の１つに含まれる最後のスイッチを除き互いに共通のスイッチを含み、前記第１組み合わせ電極の前記櫛型電極Aと前記対向電極の間に前記グループX_iを介して順次電気信号が入力されることにより、スキャンされた超音波ビームとして前記縦波が前記物質中に照射され、前記超音波ビームは、前記反射物または前記物質の前記もう一方の界面によって反射されて、前記グループY_iによって前記第２組み合わせ電極の前記櫛型電極Bと前記対向電極の間で、スキャンされた遅延電気信号として検出される請求項８，９または１０に記載の超音波照射および検出デバイス。
12. 第１圧電基板、第１櫛型電極、第２圧電基板、第２櫛型電極および対向電極から成る超音波照射および検出デバイスであって、前記第１櫛型電極は、前記第１圧電基板の下端面に設けられており、前記第１櫛型電極の下端面には、物質の一方の界面が接触しており、前記第２櫛型電極は、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、前記第２櫛型電極の電極指の方向は、前記第１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の間に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、前記物質に含まれる反射物また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によって反射されて、前記第２櫛型電極と前記対向電極の間で遅延電気信号として検出される超音波照射および検出デバイス。
13. 前記第１櫛型電極に第１スキャニングシステムが接続され、前記第２櫛型電極に第２スキャニングシステムが接続された超音波照射および検出デバイスであって、前記第１スキャニングシステムは、前記第１櫛型電極の電極指にそれぞれ対応するスイッチを成分とするグループX_i (i=1, 2,…, n)から成り、前記グループX_iの中の１つとその次の１つは、前記グループX_iの中の前記１つに含まれる最初のスイッチと前記グループX_iの中の前記次の１つに含まれる最後のスイッチを除き互いに共通のスイッチを含み、前記第２スキャニングシステムは、前記第２櫛型電極の電極指にそれぞれ対応するスイッチを成分とするグループY_i (i=1, 2,…, n)から成り、前記グループY_iの中の１つとその次の１つは、前記グループY_iの中の前記１つに含まれる最初のスイッチと前記グループY_iの中の前記次の１つに含まれる最後のスイッチを除き互いに共通のスイッチを含み、前記第１櫛型電極と前記対向電極の間に前記グループX_iを介して順次電気信号が入力されることにより、スキャンされた超音波ビームとして前記縦波が前記物質中に照射され、前記超音波ビームは、前記反射物または前記物質の前記もう一方の界面によって反射されて、前記グループY_iによって前記第２櫛型電極と前記対向電極の間で、スキャンされた遅延電気信号として検出される請求項１２に記載の超音波照射および検出デバイス。
14. 前記物質が液体または細胞質で成る請求項１２または１３に記載の超音波照射および検出デバイス。

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