(57)【要約】【課題】弾性媒質の小型化を実現し、弾性媒質の種類や形状の選択自由度を高める。【解決手段】弾性振動圧縮・増幅装置は、所望の群速度分散の特性を有する弾性媒質となる薄膜導波路（１０８）と、周波数変調した弾性振動を薄膜導波路（１０８）に印加する振動印加部（１０５ａ，１１０）とを備えている。弾性振動圧縮・増幅装置は、周波数変調により異なる周波数の振動を含む弾性振動を、薄膜導波路（１０８）の群速度分散の効果によって圧縮・増幅する。【選択図】  図８
2018134578.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所望の群速度分散の特性を有する弾性媒質と、
周波数変調した弾性振動を前記弾性媒質に印加する振動印加部とを備え、
前記周波数変調により異なる周波数の振動を含む前記弾性振動を、前記弾性媒質の群速度分散の効果によって圧縮することを特徴とする弾性振動圧縮装置。
【請求項２】
請求項１記載の弾性振動圧縮装置において、
前記振動印加部は、前記弾性媒質が異常分散の特性を有する場合に、周波数が時間の経過と共に増加するアップチャープ弾性振動を前記弾性媒質に印加し、前記弾性媒質が正常分散の特性を有する場合に、周波数が時間の経過と共に減少するダウンチャープ弾性振動を前記弾性媒質に印加することを特徴とする弾性振動圧縮装置。
【請求項３】
請求項１または２記載の弾性振動圧縮装置において、
前記弾性媒質は、
前記振動印加部によって前記弾性振動が印加される第１の弾性媒質と、
前記弾性振動の伝搬距離が前記圧縮の効果が得られる距離となる位置において前記第１の弾性媒質と直列に結合された、群速度分散が略０の特性を有する第２の弾性媒質とからなることを特徴とする弾性振動圧縮装置。
【請求項４】
所望の群速度分散の特性を有する弾性媒質と、
周波数変調した弾性振動を前記弾性媒質に印加する振動印加部とを備え、
前記周波数変調により異なる周波数の振動を含む前記弾性振動を、前記弾性媒質の群速度分散の効果によって増幅することを特徴とする弾性振動増幅装置。
【請求項５】
請求項４記載の弾性振動増幅装置において、
前記振動印加部は、前記弾性媒質が異常分散の特性を有する場合に、周波数が時間の経過と共に増加するアップチャープ弾性振動を前記弾性媒質に印加し、前記弾性媒質が正常分散の特性を有する場合に、周波数が時間の経過と共に減少するダウンチャープ弾性振動を前記弾性媒質に印加することを特徴とする弾性振動増幅装置。
【請求項６】
請求項４または５記載の弾性振動増幅装置において、
前記弾性媒質は、
前記振動印加部によって前記弾性振動が印加される第１の弾性媒質と、
前記弾性振動の伝搬距離が前記増幅の効果が得られる距離となる位置において前記第１の弾性媒質と直列に結合された、群速度分散が略０の特性を有する第２の弾性媒質とからなることを特徴とする弾性振動増幅装置。
【請求項７】
所望の群速度分散の特性を有する弾性媒質に、周波数変調した弾性振動を印加するステップを含み、
前記周波数変調により異なる周波数の振動を含む前記弾性振動を、前記弾性媒質の群速度分散の効果によって圧縮することを特徴とする弾性振動圧縮方法。
【請求項８】
所望の群速度分散の特性を有する弾性媒質に、周波数変調した弾性振動を印加するステップを含み、
前記周波数変調により異なる周波数の振動を含む前記弾性振動を、前記弾性媒質の群速度分散の効果によって増幅することを特徴とする弾性振動増幅方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、弾性振動の圧縮を可能にする弾性振動圧縮装置、弾性振動の増幅を可能にする弾性振動増幅装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
弾性振動の中でも特に周波数が数十ｋＨｚから数十ＭＨｚのものを超音波と呼ぶ。超音波は、超音波エコーに代表される生体画像の取得、水中や地中、固体物質内の非破壊による探知・検査、そして、非侵襲型メスのような物質内の異物の非侵襲的破壊に利用されている。より高感度かつ高解像度な物質の可視化、また、より効果的な異物除去を実現するためには、超音波の時間的もしくは空間的な振動の圧縮、増幅が必要である。超音波パルスを圧縮することで波束幅の収縮と振動強度の増強が可能となるため、例えば超音波を圧縮する場合には空間分解能の向上を期待でき、超音波を増幅する場合には超音波の破壊エネルギーの増強が期待できる。
【０００３】
超音波の圧縮・増幅では、これまで複数の手法や構造が提案・実証されてきた。例えば、非特許文献１には、圧電トランスデューサを凹レンズ形状に加工して音波の集音（圧縮、増幅）を実現する幾何学的な手法が開示されている。非特許文献２には、複数の音波に適当な位相遅延を付与することにより集音を実現する時間反転手法が開示されている。非特許文献３には、フェーズドアレイ手法が開示されている。非特許文献４，５には、負の屈折率をもつ人工物質内における音波の特異な屈折現象を利用したメタマテリアル的手法が開示されている。非特許文献６には、非線形弾性効果に起因する位相遅延効果を用いた非線形音響レンズ手法が開示されている。
【０００４】
このように、従来の方法では、特別に設計した構造を利用することで、超音波の空間的もしくは時間的な圧縮・増幅が可能であった。しかしながら、これら従来の方法は、二次元的もしくは三次元的な構造が必要なため、装置が大型になり、また装置の精密な設計が要求されるという課題があった。それ故、小規模な構造で、且つ、媒質の汎用性やその設計自由度がある弾性振動の圧縮技術はこれまで提案されていなかった。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Jun-ichi Kushibiki and Noriyoshi Chubachi，“Material Characterization by Line-Focus-Beam Acoustic Microscope”，IEEE Transactions on Sonics and Ultrasonics，Vol.SU-32，No.2，1985
【非特許文献２】Mathias Fink，“Time Reversal of Ultrasonic Fields-Part I:Basic Principles”，IEEE Transactions on Ultrasonics，Ferroelectrics and Frequency Control，Vol.39，No.5，1992
【非特許文献３】Emad S.Ebbini and Charles A.Cain，“Multiple-Focus Ultrasound Phased-Array Pattern Synthesis: Optimal Driving-Signal Distributions for Hyperthermia”，IEEE Transactions on Ultrasonics，Ferroelectrics and Frequency Control，Vol.36，No.5，1989
【非特許文献４】Xinhua Hu et al.，“Superlensing effect in liquid surface waves”，Physical Review E 69，030201，2004
【非特許文献５】Suxia Yang et al.，“Focusing of Sound in a 3D Phononic Crystal”，Physical Review Letters，Vol.93，024301，2004
【非特許文献６】Alessandro Spadoni and Chiara Daraio，“Generation and control of sound bullets with a nonlinear acoustic lens”，Proceedings of the National Academy of Sciences，Vol.107，No.16，p.7230-7234，2010
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、弾性媒質の小型化を実現し、弾性媒質の種類や形状の選択自由度を高めることができる弾性振動圧縮装置、弾性振動増幅装置および方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の弾性振動圧縮装置は、所望の群速度分散の特性を有する弾性媒質と、周波数変調した弾性振動を前記弾性媒質に印加する振動印加部とを備え、前記周波数変調により異なる周波数の振動を含む前記弾性振動を、前記弾性媒質の群速度分散の効果によって圧縮することを特徴とするものである。
また、本発明の弾性振動圧縮装置の１構成例において、前記振動印加部は、前記弾性媒質が異常分散の特性を有する場合に、周波数が時間の経過と共に増加するアップチャープ弾性振動を前記弾性媒質に印加し、前記弾性媒質が正常分散の特性を有する場合に、周波数が時間の経過と共に減少するダウンチャープ弾性振動を前記弾性媒質に印加することを特徴とするものである。
また、本発明の弾性振動圧縮装置の１構成例において、前記弾性媒質は、前記振動印加部によって前記弾性振動が印加される第１の弾性媒質と、前記弾性振動の伝搬距離が前記圧縮の効果が得られる距離となる位置において前記第１の弾性媒質と直列に結合された、群速度分散が略０の特性を有する第２の弾性媒質とからなることを特徴とするものである。
【０００８】
また、本発明の弾性振動増幅装置は、所望の群速度分散の特性を有する弾性媒質と、周波数変調した弾性振動を前記弾性媒質に印加する振動印加部とを備え、前記周波数変調により異なる周波数の振動を含む前記弾性振動を、前記弾性媒質の群速度分散の効果によって増幅することを特徴とするものである。
また、本発明の弾性振動増幅装置の１構成例において、前記振動印加部は、前記弾性媒質が異常分散の特性を有する場合に、周波数が時間の経過と共に増加するアップチャープ弾性振動を前記弾性媒質に印加し、前記弾性媒質が正常分散の特性を有する場合に、周波数が時間の経過と共に減少するダウンチャープ弾性振動を前記弾性媒質に印加することを特徴とするものである。
また、本発明の弾性振動増幅装置の１構成例において、前記弾性媒質は、前記振動印加部によって前記弾性振動が印加される第１の弾性媒質と、前記弾性振動の伝搬距離が前記増幅の効果が得られる距離となる位置において前記第１の弾性媒質と直列に結合された、群速度分散が略０の特性を有する第２の弾性媒質とからなることを特徴とするものである。
【０００９】
また、本発明の弾性振動圧縮方法は、所望の群速度分散の特性を有する弾性媒質に、周波数変調した弾性振動を印加するステップを含み、前記周波数変調により異なる周波数の振動を含む前記弾性振動を、前記弾性媒質の群速度分散の効果によって圧縮することを特徴とするものである。
また、本発明の弾性振動増幅方法は、所望の群速度分散の特性を有する弾性媒質に、周波数変調した弾性振動を印加するステップを含み、前記周波数変調により異なる周波数の振動を含む前記弾性振動を、前記弾性媒質の群速度分散の効果によって増幅することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、従来の方法のように弾性媒質の構造を二次元的または三次元的に拡張する必要が無いため、弾性媒質を小型にすることができ、弾性媒質の設計自由度の向上が期待できる。また、本発明では、弾性振動の周波数変調条件や弾性振動の波束幅を調整することによって、任意の群速度分散の弾性媒質において弾性振動の圧縮・増幅が可能であり、圧縮比や増幅ゲインを制御可能なので、従来の方法と比較して弾性媒質の種類や形状の選択自由度を飛躍的に高めることができる。また、本発明では、半導体基板上で弾性媒質を実現可能なため、本発明を用いて生成した弾性振動の超短・高強度パルス波を介して、半導体電気デバイスや光デバイスを制御することができる。その結果、本発明では、弾性振動の有用性の飛躍的向上が期待できる。
【００１１】
また、本発明では、弾性媒質を、振動印加部によって弾性振動が印加される第１の弾性媒質と、第１の弾性媒質と直列に結合された、群速度分散が略０の特性を有する第２の弾性媒質とから構成することにより、圧縮・増幅した振動波の形状を極力維持したまま弾性振動の伝送が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】非チャープ振動の波束拡大の伝搬距離依存性の１例、および非チャープ振動の波束形状の１例を示す図である。
【図２】｜ｋ2｜／Ｔ02の各値における波束幅の伝搬距離依存性の１例を示す図である。
【図３】本発明におけるアップチャープ振動とダウンチャープ振動の波形の１例を示す図である。
【図４】チャープパラメータと群速度分散との積が正の場合におけるチャープ振動の伝搬距離依存性の１例、およびチャープ振動の波束形状の１例を示す図である。
【図５】チャープパラメータと群速度分散との積が負の場合におけるチャープ振動の伝搬距離依存性の１例、およびチャープ振動の波束形状の１例を示す図である。
【図６】チャープ振動の波束幅の変化のチャープパラメータ依存性の１例を示す図である。
【図７】本発明の第１の実施例に係る弾性媒質である薄膜導波路の平面図および断面図である。
【図８】本発明の第１の実施例に係る弾性振動圧縮・増幅装置の構成を示す図である。
【図９】アップチャープ振動を本発明の第１の実施例に係る薄膜導波路に加えたときのアップチャープ振動の伝搬距離依存性の１例、およびアップチャープ振動の波束形状の１例を示す図である。
【図１０】アップチャープ振動を本発明の第１の実施例に係る薄膜導波路に加えたときのアップチャープ振動の波束形状の他の例を示す図である。
【図１１】本発明の第２の実施例に係る弾性振動圧縮・増幅装置の薄膜導波路の構成を示す平面図である。
【図１２】本発明の第３の実施例に係る弾性振動圧縮・増幅装置の薄膜導波路の構成を示す平面図、および薄膜導波路上の弾性振動の波形の１例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
［発明の原理］
上記の課題を解決する新しい方法として、本発明では、周波数変調（チャープ）した超音波を含む弾性振動とこの弾性振動が伝搬する弾性媒質が有する群速度分散とを用いた弾性振動の圧縮、増幅を可能にする手法を提案する。弾性振動を伝送する弾性媒質（導波路）は、有限の群速度分散をもち、弾性振動の伝搬速度はその振動の周波数に応じて異なる。
【００１４】
このような導波路に、非チャープの弾性振動パルスを印加した場合、例えば、その導波路が異常分散の特性を有していた場合、入力に含まれる高い周波数の波は低い周波数の波と比較して速く進むため、伝搬距離が増加するにつれ振動の波束は群速度分散効果によって徐々に拡大していく。反対に、導波路が正常分散の特性を有していた場合、入力に含まれる高い周波数の波は低い周波数の波と比較して遅く進む。
【００１５】
しかしながら、本発明では、周波数変調した弾性振動に、群速度分散効果を適用することによって、弾性振動の急激な圧縮を実現する。例えば、導波路が異常分散の特性を有する場合、周波数が時間と共に増加するアップチャープ振動パルスを導波路に入力すると、入力の段階で時間的・空間的に分布していた異周波数の振動が、群速度分散による振動の速度差によりその周波数分布が徐々に解消され、ある特定の伝搬距離においてパルスの圧縮（波束の収縮）とパルス強度の増幅が得られる。導波路が正常分散の特性を有する場合に、周波数が時間と伴に低下するダウンチャープ振動パルスを導波路に入力した場合も同様の現象が生じる。
【００１６】
このように本発明では、従来の方法のような構造の二次元化・三次元化が不要であり、また、入力チャープパルスの波束幅や符号、周波数掃引範囲を外部信号発生器において調整することにより、任意の群速度分散媒質でパルスの圧縮と増幅とが可能となる。さらに、従来の方法で弾性振動の圧縮比や増幅ゲインを増加するためには、入力信号強度の増加に加えて、二次元構造もしくは三次元構造の拡張が必要であった。これに対して、本発明では、入力チャープ振動の波束幅や周波数掃引範囲（チャープパラメータ）を調整することで解決可能であり、弾性媒質となる導波路構造の変更は不要である。
【００１７】
本発明によれば、従来の方法のように構造を二次元的または三次元的に拡張する必要が無いため、弾性媒質構造の小型化等の設計自由度の向上が期待できる。加えて、本発明では、入力に用いる周波数変調波のチャープパラメータを調整することによって、任意の群速度分散の弾性媒質において振動の圧縮と増幅が実現でき、弾性振動の圧縮比や増幅ゲインも制御可能である。これらの点も従来の方法と比較して弾性媒質の種類や形状の選択自由度を飛躍的に高める要因となる。
【００１８】
さらに、本発明は、半導体基板上で導波路構造の実現が可能なため、本発明を用いて生成した弾性振動の超短・高強度パルス波を介して、半導体電気デバイスや光デバイスを制御するといった利用可能性が考えられる。その結果、超音波を含む弾性振動の有用性の飛躍的向上が期待できる。
【００１９】
以下、本発明の原理について更に詳細に説明する。ここでは曲げ振動を伝送する一次元薄膜導波路を弾性媒質として考える。この導波路を伝わる曲げ振動の波動方程式は、次式のように記述できる。
【００２０】
【数１】
2018134578.tif 000003
【００２１】
ここでは、Ａを振動振幅、ｘを伝搬距離、ηを伝搬損失とした。そして、ｋを波数、ωを角振動数とし、ｋn＝∂nｋ／∂ωnと定義したため、ｋ1は群速度の逆数、ｋ2は群速度分散となる。なお、式（１）では振動の非線形項は考慮しない。この式（１）は、文献「Daiki Hatanaka，Amaury Dodel，Imran Mahboob，Koji Onomitsu and Hiroshi Yamaguchi，“Phonon propagation dynamics in band-engineered onedimensional phononic crystal waveguides”，New Journal of Physics，17，113032，2015」
に開示されている。
【００２２】
基本となる式（１）の波動方程式から、群速度分散が非チャープ、チャープ振動形状に与える影響を以下に説明する。まず、群速度ｖg（＝１／ｋ1）の振動と同じ速度で進む新しい座標系を導入する。Ｔ＝ｔ−ｘ／ｖg＝ｔ−ｋ1ｘとおくと、式（１）を次式のように変形できる。
【００２３】
【数２】
2018134578.tif 000004
【００２４】
また、規格化した振動振幅強度Ｕ（ｘ，Ｔ）を用いて、Ａ（ｘ，Ｔ）＝Ａ0ｅ-ηxＵ（ｘ，Ｔ）とおき、式（２）に導入すると、次の式（３）のようになり、群速度分散ｋ2を有する一次元薄膜導波路を進む弾性振動を記述する波動方程式となる。
【００２５】
【数３】
2018134578.tif 000005
【００２６】
次に、フーリエ変換を用いることによって式（３）を解く。振動の波束関数Ｕ（ｘ，Ｔ）はフーリエ変換した関数チルダＵ（ｘ，ω）を用いると、次式のようになる。以下、同様に文字上に付した「〜」をチルダと呼ぶ。
【００２７】
【数４】
2018134578.tif 000006
【００２８】
式（４）を式（３）に代入すると、次式のように変形できる。
【００２９】
【数５】
2018134578.tif 000007
【００３０】
この式（５）を解くと、次の式（６）が得られる。
【００３１】
【数６】
2018134578.tif 000008
【００３２】
そして、式（４）は、次の式（７）のようになる。
【００３３】
【数７】
2018134578.tif 000009
【００３４】
ここで、入力振動の波束としてガウス関数を適用すると、式（７）の入力関数チルダＵ（０，ω）は、次式のように記述できる。
【００３５】
【数８】
2018134578.tif 000010
【００３６】
式（８）を式（７）に代入すると、次の式（９）が得られ、群速度分散ｋ2を有する振動の波束が求まる。
【００３７】
【数９】
2018134578.tif 000011
【００３８】
式（９）より、薄膜導波路を距離ｘだけ進んだ振動の波束幅Ｔ1（振幅が１／ｅになる点）は、次式のように求まる。
【００３９】
【数１０】
2018134578.tif 000012
【００４０】
図１（Ａ）は群速度分散ｋ2による振動の波束拡大の伝搬距離（｜ｋ2｜ｘ／Ｔ02）依存性の計算結果を示す図、図１（Ｂ）は｜ｋ2｜ｘ／Ｔ02＝０，２，４における波束形状の計算結果を示す図である。図１（Ａ）、図１（Ｂ）に示すように、薄膜導波路に印加された非チャープ振動は、薄膜導波路の群速度分散ｋ2のため、伝搬距離ｘが増加するにつれてその波束が拡大する、つまり波束幅Ｔ1が増加していく様子が理解できる。
【００４１】
図２は｜ｋ2｜／Ｔ02＝１，１．２５，１．６７，２．５，５における波束幅Ｔ／Ｔ0の伝搬距離依存性の計算結果を示す図である。図２に示すように、振動パルスの波束幅Ｔ1は、群速度分散ｋ2の絶対値が増加するにつれて、伝搬距離ｘへの依存性が大きくなる。このように、入力として非チャープ振動を使用した場合、群速度分散の符号に関わらず波束の拡大が観られる一方で、波束の圧縮・増幅は実現できない。それ故、一般的な波束の伝送には極力分散が小さい弾性媒質もしくは構造が好まれる。
【００４２】
しかしながら、本発明では、この波束に対する群速度分散効果を積極的に利用することによって、弾性振動の圧縮を試みる。上述したように、周波数変調（チャープ）した振動を薄膜導波路に印加すると、群速度分散効果によって、時空間的に分布した様々な周波数の振動を含む振動パルスを圧縮することができる。入力に用いる周波数変調された振動パルスは、次式のように記述することができる。
【００４３】
【数１１】
2018134578.tif 000013
【００４４】
ここで、Ｃは周波数掃引範囲を表すチャープパラメータである。Ｃ＞０であれば、図３（Ａ）に示すように、振動パルスの先頭から後方に移るにつれて搬送周波数が線形に増加するアップチャープ振動となる。反対に、Ｃ＜０であれば、図３（Ｂ）に示すように、振動パルスの先頭から後方に移るにつれて搬送周波数が線形に減少するダウンチャープ振動となる。
【００４５】
式（１１）を式（８）に代入すると、次の式（１２）が得られる。
【００４６】
【数１２】
2018134578.tif 000014
【００４７】
そして、式（１２）を式（７）に代入すると、導波路を伝搬するチャープ振動は、次式のように記述できる。
【００４８】
【数１３】
2018134578.tif 000015
【００４９】
また、導波路を伝搬するチャープ振動の波束幅Ｔ1は、次の式（１４）のように記述できる。
【００５０】
【数１４】
2018134578.tif 000016
【００５１】
図４（Ａ）はＣ＝３、Ｔ02／ｋ2＝３の場合におけるチャープ振動パルスの伝搬距離依存性の計算結果を示す図、図４（Ｂ）はＣ＝３、Ｔ02／ｋ2＝３で、ｘ＝０，３，１０の各場合におけるチャープ振動パルスの波束形状の計算結果を示す図である。図５（Ａ）はＣ＝−３、Ｔ02／ｋ2＝３の場合におけるチャープ振動パルスの伝搬距離依存性の計算結果を示す図、図５（Ｂ）はＣ＝−３、Ｔ02／ｋ2＝３で、ｘ＝０，３，１０の各場合におけるチャープ振動パルスの波束形状の計算結果を示す図である。図６はＴ02／ｋ2＝３の場合におけるチャープ振動パルスの波束幅Ｔ1／Ｔ0の変化のチャープパラメータ依存性の計算結果を示す図である。
【００５２】
式（１３）と式（１４）からも明らかなように、チャープパラメータＣと群速度分散ｋ2との積が正の場合は（Ｃｋ2＞０）、伝搬振動の波束は伝搬距離ｘの増加に伴って単調増加していく（図４（Ａ）、図４（Ｂ））。一方で、チャープパラメータＣと群速度分散ｋ2との積が負の場合は（Ｃｋ2＜０）、チャープ振動の波束の圧縮が次式の伝搬距離ｘminで発生する。
【００５３】
【数１５】
2018134578.tif 000017
【００５４】
また、伝搬距離がｘminのときの最小波束幅Ｔ1minは、次式のように表すことができる（図５（Ａ）、図５（Ｂ））。
【００５５】
【数１６】
2018134578.tif 000018
【００５６】
式（１６）からも明らかなように、チャープパラメータＣの絶対値｜Ｃ｜の大きさによって、チャープ振動の圧縮比が調整可能で、それに伴って、チャープ振動の増幅も可能であることが分かる。しかしながら、式（１５）の伝搬距離ｘminを過ぎて、更にパルスが進むと図６に示すように、波束幅が一転拡大していく。
【００５７】
以上のように、有限の群速度分散ｋ2を有する薄膜導波路に、周波数掃引したチャープ振動を印加することによって、振動圧縮と増幅が得られることが分かる。そして、その効果はチャープパラメータＣの値を調整することによって、自在に制御可能である。仮に、導波路の群速度分散ｋ2が負（異常分散）であれば、アップチャープ振動を導波路に印加し、導波路の群速度分散ｋ2が正（正常分散）であれば、ダウンチャープ振動を導波路に印加すればよい。また、以上の原理では、薄膜導波路の曲げ振動伝搬波を用いて説明したが、それに限らず、あらゆる弾性振動、例えば、固体物質を伝わる縦波や横波、そして、固体物質の表面（異種物質間の界面）を伝わる表面弾性波においても、本発明を適用可能である。
【００５８】
［第１の実施例］
以下、本発明の実施例について説明する。図７（Ａ）は本発明の第１の実施例に係る弾性媒質である薄膜導波路の平面図、図７（Ｂ）は図７（Ａ）のＡ−Ａ線断面図、図７（Ｃ）は図７（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。本実施例では、薄膜導波路１０８として全長１ｍｍの一次元弾性導波路を用いる。薄膜導波路１０８は、基板との間に空間をあけて配置された多層膜からなる導波路部と、弾性振動の伝搬方向と垂直な方向から導波路部を支える支持部とを備えている。
【００５９】
本実施例では、ＧａＡｓ基板（不図示）上のＧａＡｓ／ＡｌXＧａ1-XＡｓ多層膜を、フォトリソグラフィ法もしくはＥＢリソグラフィ法によるレジストパターンニングと、リン酸によるウェットエッチング法もしくは反応性イオンエッチングによるドライエッチング法により加工して、薄膜導波路１０８の土台となるメサ構造を形成した。ここでは、ＧａＡｓ基板上に形成するＧａＡｓ／ＡｌXＧａ1-XＡｓ多層膜として、厚さ３μｍのＡｌ0.65Ｇａ0.35Ａｓ層１０１と、Ａｌ0.65Ｇａ0.35Ａｓ層１０１上に形成された厚さ１００ｎｍのｎ−ＧａＡｓ層１０２と、ｎ−ＧａＡｓ層１０２上に形成された厚さ１００ｎｍのＡｌ0.27Ｇａ0.73Ａｓ層１０３とからなる構造を用いた。
【００６０】
次に、チャープ振動の誘起・検出で用いる厚さ８０ｎｍのＡｕからなる電極１０５ａ，１０５ｂを、フォトリソグラフィ法もしくはＥＢリソグラフィ法と、真空蒸着法と、リフトオフ法によってメサ構造のＧａＡｓ／ＡｌXＧａ1-XＡｓ多層膜上（Ａｌ0.27Ｇａ0.73Ａｓ層１０３上）に形成する。
【００６１】
そして、フォトリソグラフィ法もしくはＥＢリソグラフィ法と、リン酸によるウェットエッチング法もしくは反応性イオンエッチングによるドライエッチング法によって、メサ構造のＧａＡｓ／ＡｌXＧａ1-XＡｓ多層膜の表面（Ａｌ0.27Ｇａ0.73Ａｓ層１０３）からＡｌ0.65Ｇａ0.35Ａｓ層１０１（犠牲層）まで届く孔１０６を複数個形成する。
【００６２】
その後、希フッ化水素酸によって犠牲層であるＡｌ0.65Ｇａ0.35Ａｓ層１０１のみを、孔１０６を中心にして等方的にエッチングすることで、ｎ−ＧａＡｓ層１０２とＡｌ0.27Ｇａ0.73Ａｓ層１０３とからなる多層膜は、残ったＡｌ0.65Ｇａ0.35Ａｓ層１０１によって支持される状態となる。すなわち、エッチング後に残ったＡｌ0.65Ｇａ0.35Ａｓ層１０１は、多層膜を支える支持部となる。Ａｌ0.65Ｇａ0.35Ａｓ層１０１をエッチングによって削る距離を、孔１０６の間隔ａよりも長くすると、孔１０６の位置のＡｌ0.65Ｇａ0.35Ａｓ層１０１に平面視略矩形の空間１０７が形成され、この空間１０７上の多層膜が平面視略矩形の薄膜導波路１０８となる。
【００６３】
図８は、本実施例の弾性振動圧縮・増幅装置の構成を示す図であり、チャープ振動の発生方法を説明する図である。図８の信号発生器１１０と薄膜導波路１０８上の電極１０５ａとは、周波数変調した弾性振動を薄膜導波路１０８に印加する振動印加部を構成している。
【００６４】
上記のとおり、本実施例の薄膜導波路１０８は、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）とアルミニウムガリウムヒ素（ＡｌＧａＡｓ）のヘテロ構造から構成されているため、圧電特性を有している。それ故、図８に示すように、薄膜導波路１０８に設置した電極１０５ａとｎ−ＧａＡｓ層１０２との間に信号発生器１１０から交流電圧を印加すると、電極１０５ａとｎ−ＧａＡｓ層１０２との間に強力な電界が発生し、圧電効果を介して歪が発生し、その結果、曲げ振動が薄膜導波路１０８上に誘起される。この振動の周波数は、電極１０５ａに印加する交流電圧の周波数で決まるため、任意の周波数を有する振動を自由に誘起することができる。すなわち、弾性振動の周波数変調条件（チャープパラメータＣや変調周波数）、および振動パルスの波束幅を、信号発生器１１０から印加する交流電圧で調整することが可能である。
【００６５】
発生した振動は、薄膜導波路１０８の長さ方向（図８左右方向）に沿ってその周波数に応じた速度（群速度）で伝搬する。薄膜導波路１０８は、振動の伝搬方向の両端が固定端となっている。このため、振動が薄膜導波路１０８の端に到達すると反射され、反射前とは反対方向に振動が進む。すなわち、薄膜導波路１０８内を振動が往復伝搬する。
【００６６】
また、本実施例の薄膜導波路１０８は、振動の伝搬方向に沿って周期的に形成された孔１０６を備えている。薄膜導波路１０８の幅ｗに加えて、この孔１０６の間隔ａや孔１０６の直径を変えることによって、薄膜導波路１０８の群速度分散を自在に設定することができる。例えば幅ｗ＝２９μｍ、孔１０６の間隔ａ＝１２μｍの薄膜導波路１０８において、周波数５．７ＭＨｚで群速度分散ｋ2≒−２×１０-9ｓ2／ｍが得られる。この薄膜導波路１０８は、当該周波数において群速度分散ｋ2が負となる異常分散領域にある。このため、振動の圧縮を引き起こすには、アップチャープ振動パルスを薄膜導波路１０８に印加すればよい。
【００６７】
なお、アップチャープ振動パルスを薄膜導波路１０８に印加するには、時間の経過に伴って周波数が線形に増加する交流電圧を電極１０５ａに印加すればよい。反対に、ダウンチャープ振動パルスを薄膜導波路１０８に印加するには、時間の経過に伴って周波数が線形に減少する交流電圧を電極１０５ａに印加すればよい。
【００６８】
図９（Ａ）はチャープパラメータＣ＝３、Ｔ0＝３μｍの波束幅でガウシアン包絡線形状を有するアップチャープ振動パルスを薄膜導波路１０８に加えたときのアップチャープ振動パルスのパルス幅Ｔ1の伝搬距離依存性の計算結果を示す図、図９（Ｂ）はＣ＝３、Ｔ0＝３μｍで、ｘ＝０ｍｍ，１．２ｍｍ，４ｍｍの各場合におけるアップチャープ振動パルスの波束形状の計算結果を示す図である。
【００６９】
図９（Ａ）、図９（Ｂ）の例では、アップチャープ振動パルスが薄膜導波路１０８を距離ｘ＝１．２ｍｍだけ伝搬すると、アップチャープ振動パルスの波束幅がＴ1＝０．９μｓまで圧縮され、その結果、アップチャープ振動パルスのピーク強度も１．７倍増幅されることが分かる。
【００７０】
本実施例の薄膜導波路１０８の長さが１ｍｍで、その伝搬損失が約０．４ｄＢ／ｍｍであることから、図９（Ａ）、図９（Ｂ）に示した条件でも振動の圧縮と増幅が十分実現可能であることが確認できる。振動の圧縮比や増幅ゲインは、式（１６）からも明らかなように、入力パルス幅Ｔ0を大きく、そして、チャープパラメータＣの絶対値を大きくすることによって増強可能である。
【００７１】
図１０はＣ＝９、Ｔ0＝１０μｓで、ｘ＝０ｍｍ，５．５ｍｍ，１５ｍｍの各場合におけるアップチャープ振動パルスの波束形状の計算結果を示す図である。図１０の例では、伝搬距離ｘ＝５．５ｍｍで最小波束幅Ｔ1＝１μｓに至る強い振動圧縮と、ピーク強度が３倍になる大きい振動増幅とが得られることが分かる。
【００７２】
当然、同様の圧縮・増幅効果は薄膜導波路１０８の群速度分散値が変わっても実現可能である。例えば薄膜導波路１０８の群速度分散がｋ2≒−３×１０-9ｓ2／ｍの場合では、伝搬距離ｘ＝３．６ｍｍにおいて図１０の例と同様の圧縮・増幅効果が得られる。
【００７３】
以上から、弾性媒質が有する群速度分散を利用した、超音波を始めとした弾性振動の圧縮・増幅方法の、現実の素子における実現妥当性が示された。従来の圧縮・増幅方法と比べて、本実施例は、振動の圧縮比を向上させる場合に導波路構造の拡張が不要で、入力信号の条件（入力波束幅、チャープパラメータ）を調整するだけで済む。また、本実施例は、様々な構成物質からなる弾性媒質、あるいは様々な群速度分散を有する弾性媒質に適用可能である。
【００７４】
［第２の実施例］
次に、本発明の第２の実施例について説明する。第１の実施例では、パルスの最大圧縮と増幅とが得られる距離ｘminの後では、伝搬が進むにつれて振動の波束の拡大が発生してしまうという問題がある。この問題に対しては、当該伝搬距離ｘminの直後に群速度分散ｋ2が限りなく小さい弾性媒質（ゼロ分散媒質）を組み込むことによって解決することができる。これにより、最大に圧縮・増幅した弾性振動をその波束形状を維持したままゼロ分散媒質を介して空間的に取り出し、そして、その振動を任意方向へ伝送することも可能である。
【００７５】
上述した第１の実施例の場合、薄膜導波路１０８の幅ｗや孔１０６の間隔ａを変えることで、群速度分散ｋ2の変調が可能である。例えば、図１１に示すように、ｗ＝２９μｍ、ａ＝８μｍの薄膜導波路１０８ａでは、６ＭＨｚにおいて群速度分散がｋ2＝−４×１０-10ｓ2／ｍとなる。このため、薄膜導波路１０８ａに搬送周波数が６ＭＨｚ近傍のアップチャープ振動パルス（Ｃ＞０）を印加することによって、伝搬距離ｘminで振動の波束の圧縮と増幅が起こる。
【００７６】
そして、本実施例では、図１１に示すように、振動の伝搬距離ｘがｘminと等しくなる位置において（ｘ＝ｘmin）、振動の伝搬方向に沿って薄膜導波路１０８ａと直列に結合された薄膜導波路１０８ｂを設けている。この薄膜導波路１０８ｂの幅ｗは２９μｍ、孔１０６の間隔ａは１２μｍである。これにより、薄膜導波路１０８ｂでは、６ＭＨｚにおいて群速度分散がｋ2≒０（略ゼロ）となる。第１の実施例で説明した薄膜導波路１０８の製造工程で、薄膜導波路１０８ａの領域と薄膜導波路１０８ｂの領域で孔１０６の間隔ａを変えるようにすれば、薄膜導波路１０８ａと１０８ｂとが連結した図１１のような構造を実現可能である。
【００７７】
弾性振動圧縮・増幅装置の振動印加部の構成は、第１の実施例と同様である。本実施例では、薄膜導波路１０８ｂの群速度分散ｋ2が６ＭＨｚでほぼゼロとなるゼロ分散の状態となるため、分散による弾性振動の波束の拡大を極力抑制して弾性振動の伝送が可能となる。
【００７８】
［第３の実施例］
第１、第２の実施例では、信号発生器１１０と電極１０５ａとによって振動印加部を実現したが、これに限るものではなく、薄膜導波路の構造によって振動印加部を実現してもよい。図１２（Ａ）は本実施例に係る弾性振動圧縮・増幅装置の薄膜導波路の構成を示す平面図である。
【００７９】
本実施例では、第１、第２の実施例で説明した薄膜導波路１０８（第２の実施例の薄膜導波路１０８ａ）の前に、群速度分散ｋ2が正（正常分散）の特性を有する導波路１０８ｃを結合している。図１２（Ａ）の右端から導波路１０８ｃに、図１２（Ｂ）に示すような周波数変調されていない弾性振動を入力すると、導波路１０８ｃが有する正常分散の特性のために、周波数変調されていない弾性振動が、図１２（Ｃ）に示すような周波数変調された弾性振動（アップチャープ振動）へと変換される。このように、一般的に薄膜導波路を進む弾性振動は、その過程で、弾性振動の波束幅の拡大と振動強度の低下が起きてしまう。
【００８０】
しかしながら、薄膜導波路１０８（第２の実施例の薄膜導波路１０８ａ）に入力される弾性振動は、第１、第２の実施例で説明した効果により圧縮・増幅される。このようにして、薄膜導波路１０８ｃでの波束の拡大と低下を導波路１０８，１０８ａで補償することができる（図１２（Ｄ））。こうして、薄膜導波路１０８ｃの構造によって振動印加部を実現することも可能である。
【００８１】
第１〜第３の実施例において、弾性媒質の群速度分散ｋ2を規定している周波数ｆと、ある周波数範囲で周波数変調された弾性振動の周波数の中央値ｆ０とは、等しいことが望ましい（ｆ＝ｆ０）。中央値ｆ０は、例えば１．４９ＭＨｚから１．５１ＭＨｚまでの周波数成分を含む弾性振動であれば、ｆ０＝１．５ＭＨｚである。
【００８２】
ここで、周波数掃引の幅を広く取り過ぎてしまうと、群速度分散ｋ2の値もそれぞれの周波数で異なってくるため、弾性振動の圧縮や増幅が得られる位置や時間を決め難くなる。そこで、弾性振動の周波数掃引範囲Δｆは、弾性振動の周波数の中央値ｆ０よりも十分に小さいことが望ましい（Δｆ＜＜ｆ０）。
【００８３】
第１〜第３の実施例では、弾性振動圧縮・増幅装置としての構成を説明しているが、本発明の弾性振動圧縮・増幅装置（弾性振動圧縮・増幅方法）は、その用途に応じて弾性振動圧縮装置（弾性振動圧縮方法）として利用することもできるし、弾性振動増幅装置（弾性振動増幅方法）として利用することも可能である。
【００８４】
また、第１〜第３の実施例では、弾性媒質への入力弾性振動として、周波数変調した振動パルスの包絡線形状がガウシアン形状であるガウシアンパルスを例に説明してきたが、これに限るものではなく、矩形波や連続波など弾性振動波に対しても本発明を適用可能である。
【００８５】
また、第１〜第３の実施例において、弾性振動は、ピエゾ電気効果によって電圧に変換されるので、電極１０５ｂを介して電気的に検出することができる。また、電極１０５ｂに例えばヘリウムネオンレーザからレーザ光を照射し、電極１０５ｂからの反射光をフォトダイオードで受光して、フォトダイオードの出力をベクトル・シグナル・アナライザ（ＶＳＡ：Vector Signal Analyzer）で受けることで、弾性振動を電気信号に変換して検出することも可能である。
【００８６】
また、第１〜第３の実施例では、ＧａＡｓ／ＡｌXＧａ1-XＡｓ多層膜が有する圧電効果を用いて振動を励起したが、信号発生器で生成したチャープ信号をそのまま弾性振動へと変換できるのであれば、励振手法や振動を伝送する弾性媒質の種類は問わない。
【００８７】
例えばＰＺＴやＺｎＯ等の圧電材料の積層構造からなるものは勿論のこと、ＳｉやＳｉＯ2を含む非圧電材料を用いても弾性媒質の作製が可能である。ＰＺＴやＺｎＯ等の圧電性酸化物を弾性媒質の材料として用いると、それら圧電性酸化物の大きなピエゾ定数のため、電圧による機械振動の効率的な励振・検出が可能となり、弾性媒質の駆動エネルギーの省電力化が期待される。
【００８８】
一方、ＳｉやＳｉＯ2等の非圧電材料を弾性媒質の材料として用いる場合、上記で説明したような電極のみによる弾性振動の誘起は不可能である。この場合、ＳｉやＳｉＯ2等の非圧電材料の上に形成される第１の金属膜と、第１の金属膜の上に形成される圧電材料と、圧電材料の上に形成される第２の金属膜とからなる積層構造を電極１０５ａ，１０５ｂの代わりに形成し、電極１０５ａの位置に形成した積層構造の下側の第１の金属膜と上側の第２の金属膜との間に交流電圧を印加すれば、弾性振動の局所励振が実現できる。また、電極１０５ｂの位置に形成した積層構造の下側の第１の金属膜と上側の第２の金属膜との間から弾性媒質の出力を電気的に取り出すことができる。
【産業上の利用可能性】
【００８９】
本発明は、弾性振動を圧縮・増幅する技術に適用することができる。
【符号の説明】
【００９０】
１０１…Ａｌ0.65Ｇａ0.35Ａｓ層、１０２…ｎ−ＧａＡｓ層、１０３…Ａｌ0.27Ｇａ0.73Ａｓ層、１０５ａ，１０５ｂ…電極、１０６…孔、１０７…空間、１０８，１０８ａ，１０８ｂ，１０８ｃ…薄膜導波路、１１０…信号発生器。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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