JPH07313521A

JPH07313521A - 超音波照射装置

Info

Publication number: JPH07313521A
Application number: JP6133765A
Authority: JP
Inventors: Koji Toda; 耕司戸田
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-05-23
Filing date: 1994-05-23
Publication date: 1995-12-05

Abstract

(57)【要約】【目的】すだれ状電極を備えた圧電薄板を非圧電基板
の一方の板面Ｆ１に設け、非圧電基板のもう一方の板面
Ｆ２を液体または粘液状の物質を介して物体に接触さ
せ、その物体中に高周波の超音波を照射する超音波照射
装置を提供する。【構成】すだれ状電極Ｔに電気信号を入力するとその
電気信号の周波数のうちすだれ状電極Ｔに対応する中心
周波数とその近傍の周波数の電気信号のみが弾性表面波
に変換されて圧電磁器薄板１を伝搬する。この弾性表面
波はアクリル板２中にバルク波として漏洩され、さらに
液体中に縦波として放射され、その液体と接触した物体
中に放射される。【効果】低消費電力で効率良く超音波を照射すること
ができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【産業上の利用分野】本発明はすだれ状電極を備えた圧
電薄板を非圧電基板の一方の板面Ｆ１に設け、前記非圧
電基板のもう一方の板面Ｆ２を液体または粘液状の物質
を介して物体に接触させることにより、その物体中に超
音波を照射する超音波照射装置に関する。

【従来の技術】肝内結石、胆のう内結石および総胆管結
石などの胆石症の治療法としては、たとえば胆のう内結
石では薬剤投与による胆石溶解療法、腹腔鏡を用いた胆
のう摘出術、衝撃波による結石の粉砕または開腹手術等
が行なわれる。しかし、手術により腹部が癒着しやすい
人もいる。また、結石の大きさや数によっては必ずしも
胆石溶解療法が有効ではなく、衝撃波では十分粉砕でき
ないこともある。がんを治療する方法の１つとして、抗
腫瘍性薬剤投与による化学療法が挙げられる。これは薬
剤を投与することにより細胞の増殖を抑制しようとする
ものである。しかし、発熱や白血球数の低下、さらに頭
髪が抜ける等の副作用があり投与量を減らさざるを得な
いこともある。静脈などの血管に蓄積した老廃物を除去
するには、手術による人体への負担を考えた場合、やは
り薬剤投与等による穏やかな化学療法が望まれる。しか
し、多量投与による副作用等の問題を有する。肩こり、
筋肉痛および神経痛などを治療する従来の方法は薬剤を
投与することや、直接患部に湿布薬を塗布したり叩いた
りマッサージすることなどであったが、薬剤が患部に浸
透し効果を生ずるまでにかなりの時間と労力を要するこ
とが多かった。

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、物体
に超音波を照射することができる超音波照射装置を提供
することにある。たとえば、動物または人体の体内に高
周波の超音波を照射することができ、薬剤投与による化
学療法に超音波照射を組み合わせることで体内の内部組
織に蓄積した老廃物その他の物質を破砕して胆石症、尿
結石または静脈瘤等を治療したり、がん細胞の増殖を抑
制したり、肩こり、筋肉痛および神経痛などを治療した
り、皮膚表層の局部を刺激することを目的とする。さら
に、本発明の目的は、低消費電力で効率良く超音波を照
射することができ、応答時間が短く、加工性や量産性に
優れた超音波照射装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の超音波
照射装置は、すだれ状電極を備えた圧電薄板を非圧電基
板の一方の板面Ｆ１に設け、液体または粘液状の物質を
介して前記非圧電基板のもう一方の板面Ｆ２と接触した
物体中に超音波を照射する手段を備えた超音波照射装置
であって、前記すだれ状電極は前記圧電薄板における２
つの板面Ｐ１，Ｐ２のうちの板面Ｐ１に設けられてい
て、前記圧電薄板は前記板面Ｐ２を介して前記非圧電基
板に固着されており、前記圧電薄板の厚さは前記すだれ
状電極の電極周期長以下であり、前記超音波照射手段
は、前記物体中の所定の箇所に高周波の超音波のエネル
ギーを集中させる手段を含むことを特徴とする。請求項
２に記載の超音波照射装置は、前記すだれ状電極が円弧
状を成すことを特徴とする。請求項３に記載の超音波照
射装置は、前記すだれ状電極が少なくとも１組の入力用
すだれ状電極Ｔ₁で成り、前記超音波照射手段は、前記
すだれ状電極Ｔ₁に電気信号を入力することにより前記
非圧電基板と前記圧電薄板との界面に弾性表面波を励振
し、該弾性表面波を前記非圧電基板中にバルク波として
モード変換させ、該非圧電基板中の該バルク波を縦波と
して前記液体または前記粘液状の物質に照射し、前記非
圧電基板単体を伝搬するバルク波の速度は前記圧電薄板
単体を伝搬する弾性表面波の速度よりも小さいことを特
徴とする。請求項４に記載の超音波照射装置は、前記す
だれ状電極が少なくとも２組の入力用すだれ状電極Ｔ₁
およびＴ₂で成り、前記超音波照射手段は、前記すだれ
状電極Ｔ₁およびＴ₂に電気信号を入力することにより前
記非圧電基板と前記圧電薄板との界面に高次モードの弾
性表面波を励振し、該弾性表面波を前記非圧電基板中に
バルク波としてモード変換させ、該非圧電基板中の該バ
ルク波を縦波として前記液体または前記粘液状の物質に
照射し、前記非圧電基板単体を伝搬するバルク波の速度
は前記圧電薄板単体を伝搬する弾性表面波の速度よりも
小さく、前記エネルギー集中手段は、前記すだれ状電極
Ｔ₁に電気信号を入力することにより生じた前記縦波と
前記すだれ状電極Ｔ₂に電気信号を入力することにより
生じた前記縦波とを互いに交叉させる手段を含むことを
特徴とする。請求項５に記載の超音波照射装置は、前記
すだれ状電極が少なくとも１組の入力用すだれ状電極Ｔ
₀および該すだれ状電極Ｔ₀に対応する出力用すだれ状電
極Ｒ₀、並びに少なくとも２組の前記すだれ状電極Ｔ₁お
よびＴ₂で成り、前記すだれ状電極Ｔ₀に電気信号を入力
することにより前記非圧電基板と前記圧電薄板との界面
に弾性表面波を励振し、該弾性表面波を前記すだれ状電
極Ｒ₀から電気信号として出力させる手段を備え、前記
すだれ状電極Ｒ₀の出力端は増幅器を介して前記すだれ
状電極Ｔ₀，Ｔ₁およびＴ₂の入力端に接続されており、
前記すだれ状電極Ｔ₀から前記すだれ状電極Ｒ₀に至る間
の前記非圧電基板における弾性表面波の伝搬路を遅延素
子とする発振器が構成されていて、前記発振器の信号ル
ープは前記すだれ状電極Ｔ₀と、前記弾性表面波の伝搬
路と、前記すだれ状電極Ｒ₀と、前記増幅器とから成る
ことを特徴とする。請求項６に記載の超音波照射装置
は、前記非圧電基板がアクリル板で成り、前記圧電薄板
が圧電セラミックで成り、該圧電セラミックの分極軸の
方向は該圧電セラミックにおけるすだれ状電極を有する
板面と垂直であることを特徴とする。請求項７に記載の
超音波照射装置は、前記非圧電基板がアクリル板で成
り、前記圧電薄板がＬｉＮｂＯ₃その他の単結晶で成る
ことを特徴とする。

【作用】本発明の超音波照射装置は、すだれ状電極を備
えた圧電薄板を非圧電基板の一方の板面Ｆ１に設けて成
る簡単な構造を有し、非圧電基板のもう一方の板面Ｆ２
を液体または粘液状の物質を介して物体に接触させるこ
とにより、その物体中に超音波を照射する手段を備えて
いる。このようにして、板面Ｆ２をたとえば動物や人間
の皮膚に接触させることにより、動物や人体の体内に高
周波の超音波を照射することができる。すだれ状電極が
少なくとも１組の入力用すだれ状電極Ｔ₁で成る場合に
は、このすだれ状電極Ｔ₁に電気信号を入力することに
より、圧電薄板に速度Ｖ_Sの弾性表面波を励振させるこ
とができる。さらに、圧電薄板が非圧電基板に固着され
ていることにより、この弾性表面波を非圧電基板にバル
ク波として漏洩する形でモード変換させることができ
る。このとき漏洩される弾性表面波の位相速度は非圧電
基板単体中の横波の速度Ｖ_ATよりも大きい。つまり、圧
電薄板に励振される弾性表面波のうちＶ_SがＶ_ATよりも
大きいという関係を満たすものが非圧電基板に漏洩され
る。圧電薄板に励振される弾性表面波のうちＶ_SがＶ_AT
よりも小さいものは非圧電基板に漏洩されることはな
い。このようにして、圧電薄板に励振された弾性表面波
のうち、位相速度が非圧電基板単体中の横波の速度Ｖ_AT
よりも大きく縦波の速度Ｖ_ALよりも小さい波は速度Ｖ_AT
とほぼ等しい速度を有する波に効率よく変換されて非圧
電基板に漏洩される。また、圧電薄板に励振された弾性
表面波のうち、位相速度が非圧電基板単体中の縦波の速
度Ｖ_ALよりも大きな波は速度Ｖ_ATあるいは速度Ｖ_ALとほ
ぼ等しい速度を有する波に効率よく変換されて非圧電基
板に漏洩される。さらに、このようにして漏洩されたバ
ルク波の一部は非圧電基板のもう一方の板面Ｆ２に接触
した液体中に効率よく速度Ｖ_Wの縦波として放射され
る。この速度Ｖ_Wの縦波は、板面Ｆ２と皮膚とを直接あ
るいは間接的に接触させる構造を採用することにより、
その皮膚を通して動物や人体の体内の組織に放射され
る。この超音波エネルギーが皮膚表層の局部を刺激する
だけでなく、体内の組織に蓄積した老廃物その他の物質
を破砕し、その組織から剥離することを可能にする。さ
らに、このような超音波照射を薬剤投与と併用すること
によりこの効果はいっそう増大される。たとえば、静脈
瘤や尿結石の治療に効果を発揮し、また、筋肉痛や肩こ
りなどの症状を改善したり頭部の血行を良くしたりす
る。また、細胞を活性化させ、薬剤投与と併用すること
により、がん細胞の増殖を抑制する。すだれ状電極が圧
電薄板における２つの板面Ｐ１，Ｐ２のうちの板面Ｐ１
に設けられ、圧電薄板が板面Ｐ２を介して非圧電基板に
固着された構造を採用することにより、すだれ状電極に
加えられる電気的エネルギーを効率よく弾性表面波に変
換することができる。圧電薄板の厚さをすだれ状電極の
電極周期長以下にする構造を採用することにより、すだ
れ状電極に加えられる電気的エネルギーが弾性表面波に
変換される度合を大きくすることができるだけでなく、
圧電薄板と非圧電基板との界面での音響インピーダンス
の不整合等によって生じる反射等を抑圧することができ
る。従って、弾性表面波の非圧電基板への効果的な漏洩
を促進させることができる。本発明の超音波照射装置
は、圧電薄板の厚さｄを小さくすることに伴う脆弱性を
圧電薄板を非圧電基板に固着することによって克服して
いる。すなわち、非圧電基板は圧電薄板の脆弱性を克服
するために重要な役割を果たしている。すだれ状電極が
少なくとも２組の入力用すだれ状電極Ｔ₁およびＴ₂で成
る構造を採用する場合には、すだれ状電極Ｔ₁およびＴ₂
に電気信号を入力することにより非圧電基板と圧電薄板
との界面に弾性表面波を励振することができる。この弾
性表面波は非圧電基板中にバルク波としてモード変換さ
れ、このバルク波は縦波として板面Ｆ２に接触した液体
中に放射される。さらに、その液体に接触した皮膚を通
して体内の組織に放射される。このとき、すだれ状電極
Ｔ₁に電気信号を入力することにより生じた前記縦波
と、すだれ状電極Ｔ₂に電気信号を入力することにより
生じた前記縦波とを体内において互いに交叉させ焦点を
結ばせることが可能である。従って、体内の特定の箇所
に超音波エネルギーを集中させることが可能となる。す
だれ状電極が円弧状を成す場合には、この効果はさらに
増大される。また、前記焦点の皮膚からの距離は、非圧
電基板と圧電薄板との界面に励振される弾性表面波のモ
ードに対応している。つまり、本発明の超音波照射装置
を駆動する際、弾性表面波のモードを選ぶことにより、
皮膚からの所定の深さのところに超音波エネルギーを集
中させることができる。すだれ状電極が少なくとも１組
の入力用すだれ状電極Ｔ₀およびそのすだれ状電極Ｔ₀に
対応する出力用すだれ状電極Ｒ₀、並びに少なくとも２
組の前記すだれ状電極Ｔ₁およびＴ₂で成る構造を採用す
ることができる。このとき、すだれ状電極Ｔ₀に電気信
号を入力して非圧電基板と圧電薄板との界面に弾性表面
波を励振し、その弾性表面波をすだれ状電極Ｒ₀から電
気信号として出力させる構造を採用し、すだれ状電極Ｒ
₀の出力端を増幅器を介してすだれ状電極Ｔ₀，Ｔ₁およ
びＴ₂の入力端に接続することにより、すだれ状電極Ｔ₀
からすだれ状電極Ｒ₀に至る間の非圧電基板における弾
性表面波の伝搬路を遅延素子とする発振器を構成するこ
とができる。この発振器の信号ループはすだれ状電極Ｔ
₀と、前記伝搬路と、すだれ状電極Ｒ₀と、増幅器とから
成る。このようにして、回路構成が簡略化され、しかも
発振器内蔵型の装置が形成されることから、装置の小型
軽量化が促進され携帯が容易になるとともに低電圧で低
消費電力での駆動が可能となる。非圧電基板としてアク
リル板を採用し、圧電薄板として圧電セラミックを採用
し、その圧電セラミックの分極軸の方向が圧電セラミッ
クにおけるすだれ状電極を有する板面と垂直になるよう
な構造を採用することにより、圧電薄板に効率よく弾性
表面波を励振することができ、さらにその弾性表面波を
非圧電基板に効率よく漏洩することができる。非圧電基
板としてアクリル板を採用し、圧電薄板としてＬｉＮｂ
Ｏ₃その他の単結晶を採用することにより、圧電薄板に
効率よく弾性表面波を励振することができ、さらにその
弾性表面波を非圧電基板に効率よく漏洩することができ
る。圧電薄板としてＰＶＤＦその他の圧電高分子フィル
ムを採用することにより、より高周波対応が可能な形で
圧電薄板に効率よく弾性表面波を励振することができ、
さらにその弾性表面波を非圧電基板に効率よく漏洩する
ことができる。

【実施例】図１は本発明の超音波照射装置の第１の実施
例を示す断面図である。本実施例はすだれ状電極Ｔ₁，
Ｔ₂、圧電磁器薄板１およびアクリル板２から成る。す
だれ状電極Ｔ₁およびＴ₂はアルミニウム薄膜で成る。圧
電磁器薄板１は厚さがｄのＴＤＫ製１０１Ａ材（製品
名）で成る。アクリル板２の厚さ（Ｔ_A）は２ｍｍであ
る。すだれ状電極Ｔ₁およびＴ₂は圧電磁器薄板１上に設
けられ、圧電磁器薄板１はアクリル板２上に設けられて
いる。圧電磁器薄板１はエポキシ系樹脂によってアクリ
ル板２上に固着されている。すだれ状電極Ｔ₁およびＴ₂
は電極周期長が２Ｐの正規型のものであり、１０対の電
極指を有する。なお、本発明の超音波照射装置を使用す
るときは、アクリル板２における圧電磁器薄板１を有し
ない方の板面を水、薬液および油などの液体や、クリー
ムまたはゼラチンなどの粘性を有する物質を介して動物
または人体の皮膚に接触させると、超音波が皮膚の内部
の細胞に効率よく照射される。図２は圧電磁器薄板１を
伝搬する弾性表面波がアクリル板２を経由し縦波として
液体中に伝搬されるまでの伝搬形態を示す図である。図
１の超音波照射装置の駆動時、すだれ状電極Ｔ₁および
Ｔ₂に電気信号を入力するとその電気信号の周波数のう
ちすだれ状電極Ｔ₁およびＴ₂に対応する中心周波数とそ
の近傍の周波数の電気信号のみが弾性表面波に変換され
て圧電磁器薄板１を速度Ｖ_Sで伝搬する。もしも弾性表
面波の速度Ｖ_Sがアクリル板２単体中での横波の速度Ｖ
_ATよりも大きく縦波の速度Ｖ_ALよりも小さいときには、
この弾性表面波は速度Ｖ_ATの横波に変換されてアクリル
板２に漏洩される。圧電磁器薄板１からバルク波が漏洩
されるときの漏洩角θ_ATはＶ_ATとＶ_Sとの比（Ｖ_AT／
Ｖ_S）に相関する。アクリル板２を伝搬するバルク波は
アクリル板２と液体との界面において速度Ｖ_Wの縦波に
変換されて液体中に放射される。このときの放射角θ_W
は速度Ｖ_WとＶ_ATとの比（Ｖ_W／Ｖ_AT）に相関する。な
お、すだれ状電極Ｔ₁またはＴ₂に入力する電気信号の周
波数に応じて速度Ｖ_Sが変化することから、その電気信
号の周波数を変化させることにより漏洩角θ_ATおよび放
射角θ_Wを変動させることが可能となる。従って、液体
等を介して動物や人体の体内に超音波を照射する場合、
２組のすだれ状電極Ｔ₁およびＴ₂に入力する電気信号の
周波数を変化させることにより、すだれ状電極Ｔ₁によ
る縦波とすだれ状電極Ｔ₂による縦波とを互いに交叉さ
せて皮膚および皮膚から任意の深さのところに焦点を結
ばせることが可能となる。つまり、すだれ状電極Ｔ₁お
よびＴ₂が正規型であることから、超音波のエネルギー
を皮膚および体内の特定の箇所に線状に集中させること
が可能になる。図３は圧電磁器薄板１に伝搬する弾性表
面波の速度Ｖ_Sがアクリル板２単体中での縦波の速度Ｖ
_ALよりも大きい場合の超音波の伝搬形態を示す図であ
る。この場合、弾性表面波は速度Ｖ_ATの横波および速度
Ｖ_ALの縦波に変換されてアクリル板２に漏洩される。圧
電磁器薄板１からバルク波として横波が漏洩されるとき
の漏洩角θ_ATはＶ_ATとＶ_Sとの比（Ｖ_AT／Ｖ_S）に相関
し、縦波の場合の漏洩角θ_ALはＶ_ALとＶ_Sとの比（Ｖ_AL
／Ｖ_S）に相関する。アクリル板２を励振するバルク波
はアクリル板２と液体との界面において速度Ｖ_Wの縦波
に変換されて液体中に放射される。このときの放射角θ
_Wは速度Ｖ_WとＶ_ATとの比（Ｖ_W／Ｖ_AT）または速度Ｖ_Wと
Ｖ_ALとの比（Ｖ_W／Ｖ_AL）に相関する。すだれ状電極Ｔ₁
またはＴ₂に入力する電気信号の周波数に応じて速度Ｖ_S
が変化することから、その電気信号の周波数を変化させ
ることにより、速度Ｖ_Sを図２のような条件（Ｖ_AT＜Ｖ_S
＜Ｖ_AL）に設定することもでき、また図３のような条件
（Ｖ_AL＜Ｖ_S）に設定することもできる。また、それぞ
れの漏洩角θ_ATおよびθ_ALや放射角θ_Wを変動させるこ
とが可能となる。図４はアクリル板２とアクリル板２に
接触された液体との界面付近での超音波の伝搬形態を示
す図である。但し、速度Ｖ_Sが図２の条件（Ｖ_AT＜Ｖ_S＜
Ｖ_AL）を満たすときのものである。アクリル板２を伝搬
するバルク横波が該界面に達すると、反射角θ_ATを示す
横波反射率Ｒ_T、反射角θ_ALを示す縦波反射率Ｒ_Lおよび
縦波透過率Ｔ_Lの３成分を生じる。このようにして、ア
クリル板２を伝搬するバルク横波は前記界面において一
部が横波反射率Ｒ_Tおよび縦波反射率Ｒ_Lとして反射さ
れ、残部が縦波透過率Ｔ_Lとして放射角θ_Wで液体中に放
射される。図５は図１の超音波照射装置における圧電磁
器薄板１およびアクリル板２から成る層状媒体を伝搬す
る弾性表面波の速度分散曲線を示す特性図であり、弾性
表面波の周波数ｆと圧電磁器薄板１の厚さｄとの積に対
する各モードの位相速度を示す図である。但し、圧電磁
器薄板１は、圧電磁器薄板１のアクリル板２と接触する
方の板面（アクリル側板面）ともう一方の空気に接触す
る方の板面（空気側板面）とがともに電気的に開放状態
にあるものを用いた。本図において”ｏｐｅｎ”は開放
状態であることを示す。また、○印は実測値を示す。弾
性表面波には複数個のモードがある。ｆｄ値がほぼ０．
４ＭＨｚ・ｍｍ以下のときのＡ₀モードの波は速度がア
クリル板２の横波速度Ｖ_ATよりも小さい。このような波
は波のエネルギーが表面付近に局在して伝搬する表面波
であり、アクリル板２に漏洩されることは無い。速度が
Ｖ_ATよりも大きなＡ₀モードおよびその他のモードの波
には速度の虚数成分が存在し、波のエネルギーの一部は
アクリル板２中にバルク波として漏洩される。各モード
の弾性表面波のうち速度がＶ_ATよりも大きくＶ_ALよりも
小さい領域の波がアクリル板２中にバルク横波として効
果的に漏洩することができる。速度がＶ_ALよりも大きい
領域の波はバルク縦波およびバルク横波としてアクリル
板２中に漏洩される。図６は図１の超音波照射装置にお
けるモード変換効率Ｃとｆｄ値との関係を示す特性図で
ある。但し、圧電磁器薄板１は、圧電磁器薄板１のアク
リル側板面ともう一方の空気側板面とがともに電気的に
開放状態にあるものを用いた。Ａ₀モードを除くどのモ
ードにおいても圧電磁器薄板１に伝搬する弾性表面波が
効率よくアクリル板２にバルク波として漏洩されること
がわかる。図７は圧電磁器薄板１の異なる２つの電気的
境界条件下での位相速度差から算出した実効的電気機械
結合係数ｋ²とｆｄ値との関係を示す特性図である。但
し、圧電磁器薄板１は、圧電磁器薄板１の空気側板面に
各すだれ状電極（ＩＤＴ）を設けアクリル側板面を電気
的に開放状態にしたものを用いている。Ａ₀モードのｋ²
はｆｄ＝２．８ＭＨｚ・ｍｍ付近からほぼ一定の値（ｋ
²＝４％）を示している。Ｓ₀モードはｆｄ＝１．４ＭＨ
ｚ・ｍｍ付近で１つのピーク（ｋ²＝１７．５％）が存
在する。このピークは圧電磁器薄板１からアクリル板２
へ漏洩される表面波に対応するものと考えられる。Ａ₁
およびＡ₂モードもまた効率的には良好な値を示してい
る。このようにして、Ａ₀モードを除くどのモードにお
いても弾性表面波を圧電磁器薄板１からアクリル板２へ
効率よく漏洩させることができ、ｆｄ値を調整すること
によりアクリル板２への最も効率のよい漏洩を実現する
ことができる。また、圧電磁器薄板１の空気側板面に各
すだれ状電極を設けた構造は製作上の容易性にもつなが
るという利点を有している。図８は圧電磁器薄板１の異
なる２つの電気的境界条件下での位相速度差から算出し
た実効的電気機械結合係数ｋ²とｆｄ値との関係を示す
特性図である。但し、圧電磁器薄板１は、圧電磁器薄板
１の空気側板面に各すだれ状電極を設けアクリル側板面
を電気的に短絡状態にしたものを用いている。本実施例
においては圧電磁器薄板１の板面に金属薄膜を被覆する
ことによりその板面を電気的に短絡状態にしている。本
図において”ｓｈｏｒｔ”は短絡状態であることを示
す。図８においても図７と同様に、Ａ₀モードを除くど
のモードにおいても弾性表面波を圧電磁器薄板１からア
クリル板２へ効率よく漏洩させることができ、ｆｄ値を
調整することによりアクリル板２への最も効率のよい漏
洩を実現することができる。また、圧電磁器薄板１の空
気側板面に各すだれ状電極を設けた構造は製作上の容易
性にもつながるという利点を有している。図９は図４に
示す横波反射率Ｒ_T、縦波反射率Ｒ_Lおよび縦波透過率Ｔ
_Lの位相速度に対するエネルギー分配率と角度との関係
を示す特性図である。すなわち、バルク横波に関する特
性図である。但し、このときの角度は横波反射率Ｒ_Tに
対しては反射角θ_ATを、縦波反射率Ｒ_Lに対しては反射
角θ_ALを、縦波透過率Ｔ_Lに対しては放射角θ_Wを示す。
縦波透過率Ｔ_Lの値が最も大きいのは位相速度がほぼ１
８００ｍ／ｓから２４００ｍ／ｓ付近の領域であって、
このときの放射角θ_Wは約６０度から４０度程度である
ことがわかる。図１０はバルク縦波に関する横波反射率
Ｒ_T、縦波反射率Ｒ_Lおよび縦波透過率Ｔ_Lの位相速度に
対するエネルギー分配率と角度との関係を示す特性図で
ある。縦波透過率Ｔ_Lの透過率が最も大きいのは位相速
度がほぼ２８００ｍ／ｓ付近よりも大きな領域であっ
て、このときの放射角θ_Wは約４０度以下であることが
わかる。図１１は図１の超音波照射装置における挿入損
失と周波数との関係の一実施例を示す特性図であり、圧
電磁器薄板１の厚さｄが２００μｍ、すだれ状電極Ｔ₁
およびＴ₂それぞれの電極周期長２Ｐが４６０μｍの場
合の結果である。本図において実線はアクリル板２に液
体が接触していない場合を示し、点線はアクリル板２に
液体が接触している場合を示す。各周波数における実線
と点線との差が大きいほど液体中に縦波として放射され
る度合が大きいことから、Ａ₀モードを除くどのモード
の表面波でも液体中に縦波として効率よく放射されてい
ることがわかる。特に、中心周波数がほぼ６ＭＨｚのＳ
₀モードや中心周波数がほぼ１３ＭＨｚのＳ₂モードの表
面波が液体中に縦波として放射される度合が大きいこと
がわかる。図１２は本発明の超音波照射装置の第２の実
施例を示す平面図である。本実施例は入力用すだれ状電
極Ｔ₀，Ｔ₃，Ｔ₄，出力用すだれ状電極Ｒ₀，圧電磁器薄
板３、アクリル板４および増幅器５から成る。但し、図
１２ではアクリル板４は描かれていない。前記各すだれ
状電極はアルミニウム薄膜で成る。圧電磁器薄板３は直
径１５ｍｍ、厚さ２００μｍの円板状のＴＤＫ製１０１
Ａ材（製品名）で成る。アクリル板４は直径１６ｍｍ、
厚さ１ｍｍの円板で成る。各すだれ状電極は圧電磁器薄
板３上に設けられ、圧電磁器薄板３はアクリル板４上に
設けられている。圧電磁器薄板３はエポキシ系樹脂によ
ってアクリル板４上に固着されている。各すだれ状電極
は電極周期長（２Ｐ）が４３０μｍの円弧状を成し、５
対の電極指を有する。すだれ状電極Ｔ₀とＲ₀との電極離
間距離およびすだれ状電極Ｔ₃とＴ₄との電極離間距離は
ともに６．８８ｍｍである。すだれ状電極Ｒ₀の出力端
は増幅器５を介してすだれ状電極Ｔ₀，Ｔ₃およびＴ₄の
入力端に接続されている。但し、図１２ではすだれ状電
極Ｔ₃およびＴ₄の入力端への接続回路は省いて描かれて
いる。なお、本発明の超音波照射装置を使用するとき
は、アクリル板４における圧電磁器薄板３を有しない方
の板面を水、薬液および油などの液体や、クリームまた
はゼラチンなどの粘性を有する物質を介して動物または
人体の皮膚に接触させると、超音波が皮膚および皮膚の
内部の細胞に効率よく照射される。図１２の超音波照射
装置の駆動時、すだれ状電極Ｔ₀には電気信号が入力さ
れ、アクリル板４と圧電磁器薄板３との界面に弾性表面
波が励振され、その弾性表面波の一部（Ｖ_SがＶ_ATより
も小さいもの）はすだれ状電極Ｒ₀から電気信号として
出力され、この電気信号は増幅器５によって増幅され、
再びすだれ状電極Ｔ₀，Ｔ₃およびＴ₄から入力される。
このようにして、すだれ状電極Ｔ₀からすだれ状電極Ｒ₀
に至る間のアクリル板４における弾性表面波の伝搬路を
遅延素子とする発振器を構成することができる。この発
振器の信号ループはすだれ状電極Ｔ₀、前記伝搬路、す
だれ状電極Ｒ₀および増幅器５から成る。このような発
振器を構成することにより、回路構成が簡略化され、装
置の小型軽量化が促進されるとともに低電圧で低消費電
力での駆動が可能となる。図１３は図１２の超音波照射
装置の斜視図である。但し、図１３では増幅器５は描か
れていない。すだれ状電極Ｔ₃およびＴ₄は図１の第１の
実施例で示されるすだれ状電極Ｔ₁およびＴ₂と同様な機
能を果たす。すなわち、すだれ状電極Ｔ₃およびＴ₄に電
気信号を入力するとその電気信号の周波数のうちすだれ
状電極Ｔ₃およびＴ₄に対応する中心周波数とその近傍の
周波数の電気信号のみが弾性表面波に変換されて圧電磁
器薄板３を速度Ｖ_Sで伝搬する。もしも弾性表面波の速
度Ｖ_Sがアクリル板３単体中での横波の速度Ｖ_ATよりも
大きく縦波の速度Ｖ_ALよりも小さいときには、この弾性
表面波は速度Ｖ_ATの横波に変換されてアクリル板４に漏
洩される。圧電磁器薄板３からバルク波が漏洩されると
きの漏洩角θ_ATはＶ_ATとＶ_Sとの比（Ｖ_AT／Ｖ_S）に相関
する。アクリル板４に液体を接触させた場合、アクリル
板４を伝搬するバルク波はアクリル板４と液体との界面
において速度Ｖ_Wの縦波に変換されて液体中に放射され
る。このときの放射角θ_Wは速度Ｖ_WとＶ_ATとの比（Ｖ_W
／Ｖ_AT）に相関する。すだれ状電極Ｔ₃またはＴ₄に入力
する電気信号の周波数に応じて速度Ｖ_Sが変化すること
から、その電気信号の周波数を変化させることにより漏
洩角θ_ATおよび放射角θ_Wを変動させることが可能とな
る。従って、液体等を介して動物や人体の体内に超音波
を照射する場合、２組のすだれ状電極Ｔ₃およびＴ₄に入
力する電気信号の周波数を変化させることにより、すだ
れ状電極Ｔ₃による縦波とすだれ状電極Ｔ₄による縦波と
を互いに交叉させて皮膚および皮膚から任意の深さのと
ころに焦点を結ばせることが可能となる。つまり、すだ
れ状電極Ｔ₃およびＴ₄が円弧状であることから、超音波
のエネルギーを皮膚および体内の特定の箇所に点状に集
中させることが可能になる。

【発明の効果】本発明の超音波照射装置によれば、すだ
れ状電極が少なくとも１組の入力用すだれ状電極Ｔ₁で
成る場合には、このすだれ状電極Ｔ₁に電気信号を入力
することにより、圧電薄板に速度Ｖ_Sの弾性表面波を励
振させることができる。さらに、圧電薄板が非圧電基板
に固着されていることにより、この弾性表面波を非圧電
基板にバルク波として漏洩する形でモード変換させるこ
とができる。このとき、圧電薄板に励振された弾性表面
波のうち、位相速度が非圧電基板単体中の横波の速度Ｖ
_ATよりも大きく縦波の速度Ｖ_ALよりも小さい波は速度Ｖ
_ATとほぼ等しい速度を有する波に効率よく変換されて非
圧電基板に漏洩される。また、圧電薄板に励振された弾
性表面波のうち、位相速度が非圧電基板単体中の縦波の
速度Ｖ_ALよりも大きな波は速度Ｖ_ATあるいは速度Ｖ_ALと
ほぼ等しい速度を有する波に効率よく変換されて非圧電
基板に漏洩される。このようにして漏洩されたバルク波
の一部は非圧電基板の板面Ｆ２に接触した液体中に効率
よく速度Ｖ_Wの縦波として放射される。この速度Ｖ_Wの縦
波は、板面Ｆ２と物体とを直接あるいは間接的に接触さ
せる構造を採用することにより、その物体中に放射さ
れ、たとえば、板面Ｆ２と皮膚とを接触させると、その
皮膚を通して動物や人体の体内の組織に放射される。そ
の結果、皮膚表層の局部を刺激し血行を良くしたりする
ことができるだけでなく、たとえば静脈瘤や尿結石の治
療に効果を発揮し、また、筋肉痛や肩こりなどの症状を
改善し、腫瘍の増殖を抑制する。この効果は薬剤投与と
併用することにより増強される。すだれ状電極が圧電薄
板における２つの板面Ｐ１，Ｐ２のうちの板面Ｐ１に設
けられ、圧電薄板が板面Ｐ２を介して非圧電基板に固着
された構造を採用することにより、すだれ状電極に加え
られる電気的エネルギーを効率よく弾性表面波に変換す
ることができる。また、圧電薄板の厚さをすだれ状電極
の電極周期長以下にする構造を採用することにより、す
だれ状電極に加えられる電気的エネルギーが弾性表面波
に変換される度合を大きくすることができるだけでな
く、圧電薄板と非圧電基板との界面での音響インピーダ
ンスの不整合等によって生じる反射等を抑圧することが
できる。従って、弾性表面波の非圧電基板への効果的な
漏洩を促進させることができる。すだれ状電極が少なく
とも２組の入力用すだれ状電極Ｔ₁およびＴ₂で成る構造
を採用する場合には、すだれ状電極Ｔ₁に電気信号を入
力することにより動物や人体の体内の組織に放射された
縦波と、すだれ状電極Ｔ₂に電気信号を入力することに
より動物や人体の体内の組織に放射された縦波とを体内
において互いに交叉させ焦点を結ばせることが可能であ
る。従って、皮膚や体内の特定の箇所に超音波エネルギ
ーを集中させることが可能となる。すだれ状電極が正規
型の場合には線状に超音波エネルギーを集中させること
ができ、すだれ状電極が円弧状を成す場合には、点状に
超音波エネルギーを集中させることができる。すだれ状
電極が少なくとも１組の入力用すだれ状電極Ｔ₀および
そのすだれ状電極Ｔ₀に対応する出力用すだれ状電極
Ｒ₀、並びに少なくとも２組の前記すだれ状電極Ｔ₁およ
びＴ₂で成る構造を採用することができる。このとき、
すだれ状電極Ｔ₀に電気信号を入力して非圧電基板と圧
電薄板との界面に弾性表面波を励振し、その弾性表面波
をすだれ状電極Ｒ₀から電気信号として出力させる構造
を採用し、すだれ状電極Ｒ₀の出力端を増幅器を介して
すだれ状電極Ｔ₀，Ｔ₁およびＴ₂の入力端に接続するこ
とにより、すだれ状電極Ｔ₀からすだれ状電極Ｒ₀に至る
間の非圧電基板における弾性表面波の伝搬路を遅延素子
とする発振器を構成することができる。従って、回路構
成が簡略化され、しかも発振器内蔵型の装置が形成され
ることから、装置の小型軽量化が促進され携帯が容易に
なるとともに低電圧で低消費電力での駆動が可能とな
る。非圧電基板としてアクリル板を採用し、圧電薄板と
して圧電セラミックを採用し、その圧電セラミックの分
極軸の方向が圧電セラミックにおけるすだれ状電極を有
する板面と垂直になるような構造を採用することによ
り、圧電薄板に効率よく弾性表面波を励振することがで
き、さらにその弾性表面波を非圧電基板に効率よく漏洩
することができる。非圧電基板としてアクリル板を採用
し、圧電薄板としてＬｉＮｂＯ₃その他の単結晶を採用
することにより、圧電薄板に効率よく弾性表面波を励振
することができ、さらにその弾性表面波を非圧電基板に
効率よく漏洩することができる。圧電薄板としてＰＶＤ
Ｆその他の圧電高分子フィルムを採用することにより、
より高周波対応が可能な形で圧電薄板に効率よく弾性表
面波を励振することができ、さらにその弾性表面波を非
圧電基板に効率よく漏洩することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の超音波照射装置の第１の実施例を示す
断面図。

【図２】圧電磁器薄板１を伝搬する弾性表面波がアクリ
ル板２を経由し縦波として液体中に伝搬されるまでの伝
搬形態を示す図。

【図３】圧電磁器薄板１に伝搬する弾性表面波の速度Ｖ
_Sがアクリル板２単体中での縦波の速度Ｖ_ALよりも大き
い場合の超音波の伝搬形態を示す図。

【図４】アクリル板２とアクリル板２に接触された水と
の界面付近での超音波の伝搬形態を示す図。

【図５】図１の超音波照射装置における圧電磁器薄板１
およびアクリル板２から成る層状媒体を伝搬する弾性表
面波の速度分散曲線を示す特性図。

【図６】図１の超音波照射装置におけるモード変換効率
Ｃとｆｄ値との関係を示す特性図。

【図７】圧電磁器薄板１の異なる２つの電気的境界条件
下での位相速度差から算出した実効的電気機械結合係数
ｋ²とｆｄ値との関係を示す特性図。

【図８】圧電磁器薄板１の異なる２つの電気的境界条件
下での位相速度差から算出した実効的電気機械結合係数
ｋ²とｆｄ値との関係を示す特性図。

【図９】図４に示す横波反射率Ｒ_T、縦波反射率Ｒ_Lおよ
び縦波透過率Ｔ_Lの位相速度に対するエネルギー分配率
と角度との関係を示す特性図。

【図１０】バルク縦波に関する横波反射率Ｒ_T、縦波反
射率Ｒ_Lおよび縦波透過率Ｔ_Lの位相速度に対するエネル
ギー分配率と角度との関係を示す特性図。

【図１１】図１の超音波照射装置における挿入損失と周
波数との関係の一実施例を示す特性図。

【図１２】本発明の超音波照射装置の第２の実施例を示
す平面図。

【図１３】図１２の超音波照射装置の斜視図。

【符号の説明】

１圧電磁器薄板２アクリル板３圧電磁器薄板４アクリル板５増幅器Ｔ₀，Ｔ₁，Ｔ₂，Ｔ₃，Ｔ₄，Ｒ₀ すだれ状電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】すだれ状電極を備えた圧電薄板を非圧電
基板の一方の板面Ｆ１に設け、液体または粘液状の物質
を介して前記非圧電基板のもう一方の板面Ｆ２と接触し
た物体中に超音波を照射する手段を備えた超音波照射装
置であって、前記すだれ状電極は前記圧電薄板における２つの板面Ｐ
１，Ｐ２のうちの板面Ｐ１に設けられていて、前記圧電薄板は前記板面Ｐ２を介して前記非圧電基板に
固着されており、前記圧電薄板の厚さは前記すだれ状電極の電極周期長以
下であり、前記超音波照射手段は、前記物体中の所定の箇所に高周
波の超音波のエネルギーを集中させる手段を含むことを
特徴とする超音波照射装置。
【請求項２】前記すだれ状電極が円弧状を成すことを
特徴とする請求項１に記載の超音波照射装置。
【請求項３】前記すだれ状電極が少なくとも１組の入
力用すだれ状電極Ｔ₁で成り、前記超音波照射手段は、前記すだれ状電極Ｔ₁に電気信
号を入力することにより前記非圧電基板と前記圧電薄板
との界面に弾性表面波を励振し、該弾性表面波を前記非
圧電基板中にバルク波としてモード変換させ、該非圧電
基板中の該バルク波を縦波として前記液体または前記粘
液状の物質に照射し、前記すだれ状電極Ｔ₁の電極周期長は前記弾性表面波の
波長にほぼ等しく、前記非圧電基板単体を伝搬するバルク波の速度は前記圧
電薄板単体を伝搬する弾性表面波の速度よりも小さいこ
とを特徴とする請求項１または２に記載の超音波照射装
置。
【請求項４】前記すだれ状電極が少なくとも２組の入
力用すだれ状電極Ｔ₁およびＴ₂で成り、前記超音波照射手段は、前記すだれ状電極Ｔ₁およびＴ₂
に電気信号を入力することにより前記非圧電基板と前記
圧電薄板との界面に高次モードの弾性表面波を励振し、
該弾性表面波を前記非圧電基板中にバルク波としてモー
ド変換させ、該非圧電基板中の該バルク波を縦波として
前記液体または前記粘液状の物質に照射し、前記すだれ状電極Ｔ₁およびＴ₂の電極周期長は前記弾性
表面波の波長にほぼ等しく、前記非圧電基板単体を伝搬するバルク波の速度は前記圧
電薄板単体を伝搬する弾性表面波の速度よりも小さく、前記エネルギー集中手段は、前記すだれ状電極Ｔ₁に電
気信号を入力することにより生じた前記縦波と前記すだ
れ状電極Ｔ₂に電気信号を入力することにより生じた前
記縦波とを互いに交叉させる手段を含むことを特徴とす
る請求項１または２に記載の超音波照射装置。
【請求項５】前記すだれ状電極が少なくとも１組の入
力用すだれ状電極Ｔ₀および該すだれ状電極Ｔ₀に対応す
る出力用すだれ状電極Ｒ₀、並びに少なくとも２組の前
記すだれ状電極Ｔ₁およびＴ₂で成り、前記すだれ状電極Ｔ₀に電気信号を入力することにより
前記非圧電基板と前記圧電薄板との界面に弾性表面波を
励振し、該弾性表面波を前記すだれ状電極Ｒ₀から電気
信号として出力させる手段を備え、前記すだれ状電極Ｔ₀およびＲ₀の電極周期長は前記弾性
表面波の波長にほぼ等しく、前記すだれ状電極Ｒ₀の出力端は増幅器を介して前記す
だれ状電極Ｔ₀，Ｔ₁およびＴ₂の入力端に接続されてお
り、前記すだれ状電極Ｔ₀から前記すだれ状電極Ｒ₀に至る間
の前記非圧電基板における弾性表面波の伝搬路を遅延素
子とする発振器が構成されていて、前記発振器の信号ループは前記すだれ状電極Ｔ₀と、前
記弾性表面波の伝搬路と、前記すだれ状電極Ｒ₀と、前
記増幅器とから成ることを特徴とする請求項１，２，３
または４に記載の超音波照射装置。
【請求項６】前記非圧電基板がアクリル板で成り、前
記圧電薄板が圧電セラミックで成り、該圧電セラミック
の分極軸の方向は該圧電セラミックにおけるすだれ状電
極を有する板面と垂直であることを特徴とする請求項
１，２，３，４または５に記載の超音波照射装置。
【請求項７】前記非圧電基板がアクリル板で成り、前
記圧電薄板がＬｉＮｂＯ₃その他の単結晶で成ることを
特徴とする請求項１，２，３，４または５に記載の超音
波照射装置。