(57)【要約】  検体のイオン化を行う非放射性大気圧装置は、大気圧チャンバを備え、この大気圧チャンバは、キャリアガスの吸気口と、前記チャンバの一端に設けられた第１電極と、他端に設けられキャリアガス中で放電を発生させることにより中性の準安定励起化学種を生成させる対電極とを有する。前記励起化学種と接触させて電子を発生させるために、グリッドが任意で設けられる。前記励起化学種またはこれから発生した電子を含むキャリアガスは、大気圧、略接地電位で検体に誘導され、検体イオンを生成する。
2008530953.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの陽極を有する一方の側と少なくとも１つの陰極を有する他方の側とを有する第１ガスマトリックス圧電コンポジットと、
少なくとも１つの陽極を有する一方の側と少なくとも１つの陰極を有する他方の側とを有する第２ガスマトリックス圧電コンポジットと、
第１側と第２側とを有する基板と、を備え、
前記基板は前記第１ガスマトリックス圧電コンポジットと前記第２ガスマトリックス圧電コンポジットとの間に配されることを特徴とする圧電トランスデューサ。
【請求項２】
請求項１に記載の圧電トランスデューサにおいて、前記第１ガスマトリックス圧電コンポジットの前記陰極側が前記基板の前記第１側に隣接し、前記第２ガスマトリックス圧電コンポジットの前記陽極側が前記基板の前記第２側に隣接することを特徴とする圧電トランスデューサ。
【請求項３】
請求項２に記載の圧電トランスデューサにおいて、前記基板は前記第１ガスマトリックス圧電コンポジットと前記第２ガスマトリックス圧電コンポジットとに機械的に接合されることを特徴とする圧電トランスデューサ。
【請求項４】
請求項３に記載の圧電トランスデューサにおいて、前記基板が導電性素材からなり、前記素材が金属、セラミック、及びポリマーのうちの１つであることを特徴とする圧電トランスデューサ。
【請求項５】
請求項４に記載の圧電トランスデューサにおいて、前記基板の厚さが前記第１ガスマトリックス圧電コンポジット及び前記第２ガスマトリックス圧電コンポジットのうちの１つの共振周波数の波長の約１／１０５から１／１０３未満の間であることを特徴とする圧電トランスデューサ。
【請求項６】
請求項２に記載の圧電トランスデューサにおいて、前記第１ガスマトリックス圧電コンポジット及び前記第２ガスマトリックス圧電コンポジットのうちの１つが複数の圧電ロッドからなり、前記各圧電ロッドが少なくとも１つの陽極端と少なくとも１つの陰極端とを有することを特徴とする圧電トランスデューサ。
【請求項７】
請求項６に記載の圧電トランスデューサにおいて、前記第１ガスマトリックス圧電コンポジットの前記圧電ロッドが前記第２ガスマトリックス圧電コンポジットの前記圧電ロッドとオフセット関係にあることを特徴とする圧電トランスデューサ。
【請求項８】
請求項１に記載の圧電トランスデューサにおいて、前記第１ガスマトリックス圧電コンポジットの前記陽極側が前記基板の前記第１側に隣接し、前記第２ガスマトリックス圧電コンポジットの前記陽極側が前記基板の前記第２側に隣接することを特徴とする圧電トランスデューサ。
【請求項９】
請求項８に記載の圧電トランスデューサにおいて、前記基板は前記第１ガスマトリックス圧電コンポジットと前記第２ガスマトリックス圧電コンポジットとに機械的に接合されることを特徴とする圧電トランスデューサ。
【請求項１０】
請求項９に記載の圧電トランスデューサにおいて、前記基板が導電性素材からなり、前記素材が金属、セラミック、及びポリマーのうちの１つであることを特徴とする圧電トランスデューサ。
【請求項１１】
請求項１０に記載の圧電トランスデューサにおいて、前記基板の厚さが前記第１ガスマトリックス圧電コンポジット及び前記第２ガスマトリックス圧電コンポジットのうちの１つの共振周波数の波長の約１／１０５から１／１０３未満の間であることを特徴とする圧電トランスデューサ。
【請求項１２】
請求項８に記載の圧電トランスデューサにおいて、前記第１ガスマトリックス圧電コンポジット及び前記第２ガスマトリックス圧電コンポジットのうちの１つが複数の圧電ロッドからなり、前記各圧電ロッドが少なくとも１つの陽極端と少なくとも１つの陰極端とを有することを特徴とする圧電トランスデューサ。
【請求項１３】
請求項１２に記載の圧電トランスデューサにおいて、前記第１ガスマトリックス圧電コンポジットの前記圧電ロッドが前記第２ガスマトリックス圧電コンポジットの前記圧電ロッドとオフセット関係にあることを特徴とする圧電トランスデューサ。
【請求項１４】
請求項１に記載の圧電トランスデューサにおいて、前記第１ガスマトリックス圧電コンポジットの前記陰極側が前記基板の前記第１側に隣接し、前記第２ガスマトリックス圧電コンポジットの前記陰極側が前記基板の前記第２側に隣接することを特徴とする圧電トランスデューサ。
【請求項１５】
請求項１４に記載の圧電トランスデューサにおいて、前記基板は前記第１ガスマトリックス圧電コンポジットと前記第２ガスマトリックス圧電コンポジットとに機械的に接合されることを特徴とする圧電トランスデューサ。
【請求項１６】
請求項１５に記載の圧電トランスデューサにおいて、前記基板が導電性素材からなり、前記素材が金属、セラミック、及びポリマーのうちの１つであることを特徴とする圧電トランスデューサ。
【請求項１７】
請求項１６に記載の圧電トランスデューサにおいて、前記基板の厚さが前記第１ガスマトリックス圧電コンポジット及び前記第２ガスマトリックス圧電コンポジットのうちの１つの共振周波数の波長の約１／１０５から１／１０３未満の間であることを特徴とする圧電トランスデューサ。
【請求項１８】
請求項１４に記載の圧電トランスデューサにおいて、前記第１ガスマトリックス圧電コンポジット及び前記第２ガスマトリックス圧電コンポジットのうちの１つが複数の圧電ロッドからなり、前記各圧電ロッドが少なくとも１つの陽極端と少なくとも１つの陰極端とを有することを特徴とする圧電トランスデューサ。
【請求項１９】
請求項１８に記載の圧電トランスデューサにおいて、前記第１ガスマトリックス圧電コンポジットの前記圧電ロッドが前記第２ガスマトリックス圧電コンポジットの前記圧電ロッドとオフセット関係にあることを特徴とする圧電トランスデューサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスを介して支持マトリックスから離された圧電シリンダを有する圧電トランスデューサの分野に関し、より具体的には、そのような圧電トランスデューサの積層構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
トランスデューサは、入力信号を異なる形態の出力信号に変換する素子である。超音波装置において、トランスデューサは、電気エネルギーの信号を音響エネルギーに変換するか、または吸収された音波から電気信号を生成する。物質の非破壊検査、生物医学的および非侵襲的診断、および超音波発電の分野では、超音波のソース（送信手段）、つまりトランスデューサ素子は、伝達媒体への変換効率がよいことにより特徴付けられることが強く望まれる。更に、超音波の受信手段は、媒体、または発生構造に関わらず、超音波振動を検出するうえで非常に感度のよいことが望まれる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従って、現行の技術によって得られるものより高い変換効率を有することで特徴付けられる圧電素子を開発することが必要である。このような開発により、トランスデューサの共振周波数などのその他の音響特性をも向上可能であろう。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
簡潔に言うと、本発明によれば積層された圧電トランスデューサが提示される。本積層圧電トランスデューサの基礎をなす圧電トランスデューサは、２００３年１月７日に出願された「ガスマトリックスを有する圧電トランスデューサ」の名称の米国特許出願番号１０／３３７，５３１に開示されるタイプのものであり、その内容が参照のためここに組み込まれる。層状または平たい円盤状に構成された２つのガスマトリックス圧電（ＧＭＰ）コンポジットは、互いに重ねられ、好ましくは互いに接合され、一方のＧＭＰコンポジットの陰極側が、他方のＧＭＰの陽極側と接触するようにされる。この構造により、結果として、伝達媒体への変換効率が、単一ＧＭＰコンポジットを用いるのに比べて倍増する。このタイプの陽/陰極構造は、直列接続構造として名づけられてもよい。
【０００５】
本発明の別の実施形態では、２つのＧＭＰコンポジットを互いに重ね、好ましくはこの２つを接合し、一方のＧＭＰコンポジットの陰極側が、他方のＧＭＰの陰極側と接触するようにする。同様に、一方のＧＭＰコンポジットの陽極側が、他方のＧＭＰの陽極側と接触するようにしてもよい。これらの他の実施形態構造のいずれによっても、結果として、伝達媒体への変換効率は減少するが、共振周波数は増加する。このタイプの陰/陰および陽/陽極構造は、並列接続構造として名づけられてもよい。
【０００６】
本発明の別の実施形態では、ＧＭＰコンポジットを中実の圧電材料層に重ねる。
【０００７】
本発明の他の目的および特徴は、以下に続く説明のなかで明らかとなろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明は、２００３年１月７日に出願された「ガスマトリックスを有する圧電トランスデューサ」との名称の米国特許出願番号１０／３３７，５３１（以降「‘５３１出願」）に開示される主題を包含し、その内容が参照のためここに組み込まれる。
【０００９】
ガスマトリックス圧電直列接続トランスデューサ構造１０が図１に示される。ガスマトリックス圧電直列接続トランスデューサ構造１０は、第１ガスマトリックス圧電コンポジット１２及び第２ガスマトリックス圧電コンポジット１４などの少なくとも２つのガスマトリックス圧電コンポジットを含む。各ガスマトリックス圧電コンポジット１２、１４は、‘５３１出願に記載の方法で製造される。第１ガスマトリックス圧電コンポジット１２は、第２ガスマトリックス圧電コンポジット１４と同様または類似の構成であることが好ましい。第１ガスマトリックス圧電コンポジット１２と第２ガスマトリックス圧電コンポジット１４との双方は、中実の圧電ロッド１５を含む。各圧電ロッド１５は、陽極の端部１６および陰極の端部１８を含む。よって、第１ガスマトリックス圧電コンポジット１２は、プラス帯電側２０とマイナス帯電側２２とを有する。同様に、第２ガスマトリックス圧電コンポジット１４も、プラス帯電側２４とマイナス帯電側２６とを有する。
【００１０】
第１ガスマトリックス圧電コンポジット１２は、第２ガスマトリックス圧電コンポジット１４の上に置かれる（ただし当然ながら、第２ガスマトリックス圧電コンポジット１４が第１ガスマトリックス圧電コンポジット１２の上になるよう、第１及び第２ガスマトリックス圧電コンポジット１２、１４の位置を逆にしてもよい）。よって、第１ガスマトリックス圧電コンポジット１２のマイナス帯電側２２は、第２ガスマトリックス圧電コンポジット１４のプラス帯電側２４に隣接する。第１及び第２ガスマトリックス圧電コンポジット１２、１４の位置を逆にできることで、第２ガスマトリックス圧電コンポジット１４のマイナス帯電側２６を、第１ガスマトリックス圧電コンポジット１２のプラス帯電側２０に隣接して配置することが可能になる。プラス帯電側２４、２０をマイナス帯電側２２、２６にそれぞれ隣接して配置することが目的である。従って、ガスマトリックス圧電コンポジットの２つの層は、互いに電気的に接続した状態である。好ましくは、各圧電ロッド１５の陽極の端部１６及び陰極の端部１８は、オシレータ、及びスクエアまたはスパイクパルサのようなトランスデューサ励振機構（図示略）に電気的に接続される（仮想線で示される電気的接続）。第１ガスマトリックス圧電コンポジット１２の中実の圧電ロッド１５は、第２ガスマトリックス圧電コンポジット１４の中実の圧電ロッド１５と垂直関係に揃えられることが望ましいが、必ずしも必要ではない。よって、中実の圧電ロッド１５及び/または第１及び第２ガスマトリックス圧電コンポジット１２、１４の間には全体としてオフセットが存在してもよい。
【００１１】
ガスマトリックス圧電直列接続トランスデューサ構造１０は、図１に示されるように、更に基板２８を含む。基板２８は、電極箔または薄板でもよく、薄くて導電性を有することが好ましい。基板２８の厚さは、第１または第２ガスマトリックス圧電コンポジット１２、１４のいずれかの共振周波数の波長の約１／１０５から１／１０３未満の間でもよい。基板は金属、または他の任意の導電性素材から製造されてもよい。図１に示される実施形態では、基板２８の一方の側は、好ましくは機械的に第１ガスマトリックス圧電コンポジット１２のマイナス帯電側２２に接合され、基板２８の他方の側は、第２ガスマトリックス圧電コンポジット１４のプラス帯電側２４に接合される。基板２８は、ガスマトリックス圧電コンポジット１２、１４の互いに隣接して配置される任意の２つの側の間で用いられてもよい。よって、基板２８により、各トランスデューサの全ての圧電シリンダの電気的接続が確保される。基板２８は、また、オシレータ、及びスクエアまたはスパイクパルサのようなトランスデューサ励振機構（図示略）に電気的に接続される。
【００１２】
トランスデューサの超音波応答は、第１ガスマトリックス圧電コンポジット１２と第２ガスマトリックス圧電コンポジット１４との間で他の基板素材を用いることにより変えられてもよい。例えば、他の薄くて音響的に透明な素材、例えば、金属、セラミック、ポリマー、もしくはその組み合わせなどが、基板素材として用いられてもよい。これらの素材が用いられる場合、その厚さは、ガスマトリックス圧電コンポジットの共振周波数の波長の約１／１０５から１／１０３未満の間であることが好ましい。
【００１３】
図３は、単層ガスマトリックス圧電トランスデューサの時間および周波数ドメイン解析を示すオシロスコープの波形である。具体的には、図３は、単層の１２０ｋＨｚガスマトリックス圧電コンポジット使用のトランスデューサから１００ｍｍの距離の外気中の平面ターゲットからの超音波の反射信号を示す。トランスデューサのアクティブエリアは６３×６３ｍｍである。この場合、励振電圧はピーク間で１６ボルトであり、トランスデューサは２００ボルトネガティブスパイクパルサにより正弦波を介して励振された。上記条件の下では、ピーク周波数１１７ｋＨｚ及び帯域中心周波数１１６ｋＨｚが認められた。−６ｄＢの帯域幅は２８ｋＨｚで、反射感度は−５６ｄＢである。
【００１４】
図４は、二層直列接続トランスデューサ構造１０の時間および周波数ドメイン解析を示すオシロスコープの波形である。ピーク周波数１１８ｋＨｚ及び帯域中心周波数１１９ｋＨｚが認められた。−６ｄＢの帯域幅は４０ｋＨｚで、反射感度は−５０ｄＢである。二層直列接続トランスデューサ構造１０は、単層ガスマトリックス圧電トランスデューサと同様の励振変数に従ったものだった。
【００１５】
図５は、二層並列接続トランスデューサ構造３０の時間および周波数ドメイン解析を示すオシロスコープの波形である。ピーク周波数６２ｋＨｚ及び帯域中心周波数６２ｋＨｚが認められた。−６ｄＢの帯域幅は１５ｋＨｚで、反射感度は−６０ｄＢである。二層並列接続トランスデューサ構造３０は、単層ガスマトリックス圧電トランスデューサと同様の励振変数に従ったものだった。
【００１６】
図６の表に示されるように、ガスマトリックス圧電コンポジット１２、１４の各構造は、周波数および反射感度を含むもののこれらに限定されない異なる際立った音響特性を示す。具体的には、トランスデューサの効率が反射感度により測定されるという知識があれば、二層直列接続構造の効率（すなわち−５０ｄＢ）が単層ガスマトリックス圧電トランスデューサの効率（すなわち−５６ｄＢ）の２倍であることが理解できる。二層並列接続構造（すなわち６２ｋＨｚ）の結果として得られる周波数は単層ガスマトリックス圧電トランスデューサの結果として得られる周波数（すなわち１１６ｋＨｚ）の約半分であることも分かる。よって、ガスマトリックス圧電直列接続トランスデューサ構造１０またはガスマトリックス圧電並列接続トランスデューサ構造３０のいずれかが、その要件に応じて各トランスデューサ用途において用いられてもよいことは明らかである。
【００１７】
仮に中実の圧電材料またはポリマーマトリックス圧電コンポジットに基づく類似のトランスデューサが製造され試験されたとすると、直列接続構造においてトランスデューサ効率に上昇がないことを除き、ガスマトリックス圧電コンポジットトランスデューサで観察されるのとほぼ反対の観察結果が認められよう。本発明による水中及び固体物質における超音波の伝達に適したトランスデューサ素子が試験されたとき、上記セクションで非接触ガスマトリックス圧電トランスデューサに関して記載されたのと同様の観察結果が認められた。ポリマーマトリックスコンポジット及び中実の圧電セラミックディスクの組み合わせにより製造されるトランスデューサで、個別的および集合的に本発明に類似のものでは、同様の観察結果は得られなかった。具体的には、そのようなトランスデューサの単層の対応物と比べて、効率は低下したか、横ばいだった。よって、ガスマトリックス圧電トランスデューサを用いることの独自性が裏付けられる。
【００１８】
本発明の別の実施形態は、図２に示される、ガスマトリックス圧電並列接続トランスデューサ構造３０を有する。図１のガスマトリックス圧電直列接続トランスデューサ構造１０と同様に、第１ガスマトリックス圧電コンポジット１２が第２ガスマトリックス圧電コンポジット１４の上に置かれる。改めて当然ながら、第１及び第２ガスマトリックス圧電コンポジット１２、１４の位置は逆にされてもよい。ガスマトリックス圧電並列接続トランスデューサ構造３０において、第１ガスマトリックス圧電コンポジット１２のマイナス帯電側２２は第２ガスマトリックス圧電コンポジット１４のマイナス帯電側２６に隣接する。同様に、示されないものの、プラス帯電側２０、２４が互いに隣接してもよい。よって、この別の実施形態は、同極側が互いに隣接するガスマトリックス圧電コンポジット１２、１４を含む。ガスマトリックス圧電直列接続トランスデューサ構造１０のように、二層のガスマトリックス圧電コンポジットは互いに電気的に接続される。加えて、基板２８が第１ガスマトリックス圧電コンポジット１２と第２ガスマトリックス圧電コンポジット１４との間に用いられてもよい。ガスマトリックス圧電並列接続トランスデューサ構造３０の構成要素も、オシレータ、及びスクエアまたはスパイクパルサなどのトランスデューサ励振機構（図示略）に電気的に接続されてもよい。
【００１９】
引き続き図１及び２を参照すると、別の実施形態では、図７及び８に示されるように、積層トランスデューサは、互いに電気的に接続したガスマトリックス圧電コンポジットと中実の圧電材料層とを含んでもよい。また、基板２８がこの２つの層の間に用いられてもよく、オシレータ、及びスクエアまたはスパイクパルサなどのトランスデューサ励振機構（図示略）に電気的に接続される（仮想線で示される電気的接続）。この別の実施形態では、積層トランスデューサは直列または並列接続構造のいずれの形態をとってもよい。効率にも当てはまることになるが、結果として得られる感度は、この別の実施形態では二層のガスマトリックス圧電コンポジットを用いたトランスデューサの感度より低い。
【００２０】
既述の説明は、ガスマトリックス圧電直列接続トランスデューサ構造１０及びガスマトリックス圧電並列接続トランスデューサ構造３０を形成する第１及び第２ガスマトリックス圧電コンポジット１２、１４の使用を詳述するものの、当然ながら二層より多くの層を含むトランスデューサが製造されてもよい。よって、層間で行われる接続の種類に応じて、積層ガスマトリックス圧電トランスデューサを使用することにより音響応答が更に変えられてもよい。また、上記実験は空気媒体を介して実施されたが、当然ながら、積層ガスマトリックス圧電トランスデューサの適当な音響インピーダンスに整合させることにより、直接接触、遅延接触、または水/液接触での操作のためのトランスデューサが製造されてもよい。
【００２１】
上記のように私の発明を詳細かつ特許法により具体的に要求されるように記載したところで、特許証により保護されることが望まれるものを以下のクレームに記載する。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明によるガスマトリックス圧電コンポジットの直列接続構造の概略図である。
【図２】本発明によるガスマトリックス圧電コンポジットの並列接続構造の概略図である。
【図３】単層ガスマトリックス圧電トランスデューサの時間および周波数ドメイン解析を示すオシロスコープの波形である。
【図４】二層直列接続トランスデューサ構造の時間および周波数ドメイン解析を示すオシロスコープの波形である。
【図５】二層並列接続トランスデューサ構造の時間および周波数ドメイン解析を示すオシロスコープの波形である。
【図６】各ガスマトリックス圧電コンポジットの共振周波数が約１２０ｋＨｚの並列および直列構造の音響特性を概略的に述べる表である。
【図７】本発明によるガスマトリックス圧電コンポジット及び中実の圧電材料層の第２直列接続構造の概略図である。
【図８】本発明によるガスマトリックス圧電コンポジット及び中実の圧電材料層の第２並列接続構造の概略図である。
【図１】
2008530953.tif 000003
【図２】
2008530953.tif 000004
【図３】
2008530953.tif 000005
【図４】
2008530953.tif 000006
【図５】
2008530953.tif 000007
【図６】
2008530953.tif 000008
【図７】
2008530953.tif 000009
【図８】
2008530953.tif 000010
【国際調査報告】
2008530953.tif 000011