(57)【要約】【課題】水などの液体を介することなく、対象物中に効率良く縦波を照射することを可能にする。【解決手段】もしも入力電気信号がすだれ状電極２に印加されると、ラム波モードが圧電基板１に効率良く励振される。ラム波モードは、固体媒体３における縦波速度がラム波モードの位相速度と等しいかそれよりも低い場合には、縦波として固体媒体３に漏洩する。固体媒体３中の縦波は、固体媒体３と対象物４との界面において屈折し、対象物４中へ伝搬する。このようにして、媒体として液体を使用することなく、縦波を対象物４に照射することが可能となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電基板と、少なくとも１つのすだれ状電極と、固体媒体とを有し、前記少なくとも１つのすだれ状電極は、入力電気信号を印加されることにより前記圧電基板にラム波を励振して前記ラム波を縦波として前記固体媒体を介して対象物に照射する機能を有する超音波照射装置。
【請求項２】
圧電基板と、それぞれ異なる電極周期長を有する少なくとも２つのすだれ状電極と、固体媒体とを有し、前記すだれ状電極のそれぞれは、入力電気信号を印加されることにより前記圧電基板にラム波を励振して前記ラム波を縦波として前記固体媒体を介して対象物に照射する機能を有する超音波照射装置。
【請求項３】
前記少なくとも２つのすだれ状電極は、前記圧電基板において電極周期長の小さいものから大きいものへと順に配置される請求項２に記載の超音波照射装置。
【請求項４】
圧電基板と、４つのトランスデューサグループと、固体媒体とを有し、前記４つのトランスデューサグループのそれぞれは少なくとも１つのすだれ状電極を含み、前記少なくとも１つのすだれ状電極は、入力電気信号を印加されることにより前記圧電基板にラム波を励振して前記ラム波を縦波として前記固体媒体を介して対象物に照射する機能を有する超音波照射装置。
【請求項５】
前記４つのトランスデューサグループの２つの電極指の方向は、互いに平行で、別の２つの電極指の方向とは直交する請求項４に記載の超音波照射装置。
【請求項６】
前記固体媒体中の縦波速度は、前記ラム波の位相速度と等しいかそれよりも低い請求項１〜５のいずれかにに記載の超音波照射装置。
【請求項７】
前記固体媒体が層状構造を有し、前記層状構造の上層部を伝搬する縦波速度は、前記ラム波の位相速度と等しいかそれよりも低い請求項１〜５のいずれかに記載の超音波照射装置。
【請求項８】
前記固体媒体の厚さは、前記圧電基板を補強するのに十分にしてかつ必要な厚さを超えない請求項１〜７のいずれかに記載の超音波照射装置。
【請求項９】
前記固体媒体の減衰定数は、前記縦波の前記対象物への伝搬がもはや起こらない値を超えない請求項１〜８のいずれかに記載の超音波照射装置。
【請求項１０】
前記圧電基板が圧電セラミックで成り、前記圧電セラミックの分極軸の方向は厚さ方向と平行である請求項１〜９のいずれかに記載の超音波照射装置。
【請求項１１】
前記圧電基板が、圧電性を有する単結晶で成る請求項１〜９のいずれかに記載の超音波照射装置。
【請求項１２】
前記圧電基板が圧電性高分子フィルムで成る請求項１〜９のいずれかに記載の超音波照射装置。
【請求項１３】
前記すだれ状電極は、前記圧電基板の厚さ以上の値の電極周期長を有する請求項１〜１２のいずれかに記載の超音波照射装置。
【請求項１４】
前記すだれ状電極は、少なくとも２つの電極周期長を有する分散型の電極構造で成る請求項１〜１３のいずれかに記載の超音波照射装置。
【請求項１５】
前記すだれ状電極は、円弧状の電極パターンを有する請求項１〜１４のいずれかに記載の超音波照射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、媒体として液体を利用することなく対象物中に超音波を照射する超音波照射装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
対象物中に超音波を照射するためには、駆動周波数が圧電基板の厚さに依存するような厚み振動モードの圧電トランスデューサや、圧電基板にすだれ状電極を設けて成る漏洩弾性表面波トランスデューサが汎用されている。これらの従来型のトランスデューサは、照射角度が限定されるばかりでなく、高周波駆動が難しいという問題点を有している。その上、漏洩弾性表面波トランスデューサの場合には、すだれ状電極が備えられた圧電基板面と、対象物との間に液体層を設ける必要があることから、デバイス作成上の困難を伴う。
【０００３】
上記の問題を解決する目的で、超音波音圧センサ（特許文献１）が公開されている。これは、圧電基板１、入力用すだれ状電極２、弾性膜５および貯蔵室６を含む。駆動中、圧電基板１に励振された弾性波の漏洩成分は、貯蔵室６における液体を媒体として、弾性膜５に対し縦波として照射される。このような従来のデバイスは、弾性膜５に縦波を照射するためには液体の介在を必要とする。
【０００４】
また、超音波照射装置（特許文献２）が公開されている。これは、圧電基板１、第２入力用すだれ状電極３に加えて、シリコンゴム製の高分子膜８を含む。駆動中、圧電基板１に励振された弾性波の漏洩成分は、例えば細胞質などの物質中に、高分子膜８を介して縦波として照射される。このような従来のデバイスでは、高分子膜８の材質や厚さにより、高分子膜８中において縦波が減衰または消失する可能性がある。さらに、特許文献２の発明においては、金属やその他の硬い物質中への縦波照射に高分子膜８が寄与しているということは開示されていない。
【０００５】
このようにして、液体を介して対象物に超音波を照射する従来技術では、デバイスの製造が困難であり、また、高分子膜を介して対象物に超音波を照射する従来技術では、高分子膜の材質や厚さによっては照射が不可能になるという問題を有していた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−３０４９５２号公報
【特許文献２】特開２００１−３０９４９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
解決しようとする問題点は、液体や高分子膜を介して対象物に超音波を照射する従来技術では、デバイスの製造が困難であることや、高分子膜についての条件が不明確であることから照射機能を発揮することが可能か否かが不明であり、実用性に欠けるという問題を有していたことである。
【０００８】
本発明は、対象物が液体、ゾル、ゲルまたは固体であるかどうかにかかわらず、対象物中に超音波を照射することが可能な超音波照射装置を提供することを目的とする。
【０００９】
また本発明は、対象物中に超音波を照射するために、媒体として液体を介することを必要としない超音波照射装置を提供することを目的とする。
【００１０】
また本発明は、対象物中に広角にわたり超音波を照射することが可能な超音波照射装置を提供することを目的とする。
【００１１】
また本発明は、対象物中に効率良く超音波を照射することが可能な超音波照射装置を提供することを目的とする。
【００１２】
また本発明は、低電圧および低消費電力駆動に優れた超音波照射装置を提供することを目的とする。
【００１３】
また本発明は、構造が簡単で軽量で、製造が容易で、良好な歩留まりを有し、耐久性にも優れた超音波照射装置を提供することを目的とする。
【００１４】
また本発明は、小さな対象物にも容易に取り付けることができる超音波照射装置を提供することを目的とする。
【００１５】
また本発明は、機械的スキャニングシステムなどに容易に支持されうる超音波照射装置を提供することを目的とする。
【００１６】
また本発明は、ディスポーザブルな使用形態にも適した超音波照射装置を提供することを目的とする。
【００１７】
また本発明は、対象物の内部欠陥を検出する非破壊検査技術に応用可能な超音波照射装置を提供することを目的とする。
【００１８】
また本発明は、例えば、がん細胞などを検出する超音波診断技術に応用可能な超音波照射装置を提供することを目的とする。
【００１９】
また本発明は、ドラッグデリバリーシステムや、例えば、がん細胞などを攻撃する超音波治療技術に応用可能な超音波照射装置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】
【００２０】
上記目的を達成するためになされた本発明の超音波照射装置は、圧電基板と、その圧電基板上に設けられた少なくとも１つのすだれ状電極と、圧電基板の下に設けられた固体媒体とを有するものである。
【００２１】
このように構成することで、すだれ状電極は、入力電気信号を印加されることにより圧電基板にラム波を励振し、そのラム波を縦波として固体媒体を介して対象物に照射する機能を有する。
【００２２】
また、本発明の超音波照射装置は、それぞれ異なった電極周期長を有する２つ以上のすだれ状電極を含む構成を有する。
【００２３】
このように構成することで、同じ電極周期長を有する２つ以上のすだれ状電極を使用する場合に比べ、固体媒体に対し多方向への縦波照射が可能になる。
【００２４】
また、本発明の超音波照射装置は、それぞれ異なった電極周期長を有する２つ以上のすだれ状電極を含み、圧電基板において電極周期長の小さいものから大きいものへと順に配置される構成を有する。
【００２５】
このように構成することで、固体媒体に対し多方向への的確な縦波照射が可能になる。
【００２６】
また、本発明の超音波照射装置は、４つのトランスデューサグループを含む構成が可能である。各トランスデューサグループは少なくとも１つのすだれ状電極を含む。
【００２７】
このように構成することで、固体媒体に対し更に多方向への縦波照射が可能になる。
【００２８】
また、本発明の超音波照射装置は、４つのトランスデューサグループを含む構成において、２つの電極指の方向は、互いに平行であるとともに、別の２つの電極指の方向とは直交するという構成を有する。
【００２９】
このように構成することで、固体媒体に対し更に多方向への的確な縦波照射が可能になる。
【００３０】
また、本発明の超音波照射装置は、固体媒体中の縦波速度が、圧電基板中のラム波の位相速度と等しいかそれよりも低いという構成を有する。
【００３１】
このように構成することで、圧電基板に励振されたラム波が、縦波として固体媒体中に効率良く漏洩する。
【００３２】
また、本発明の超音波照射装置は、固体媒体が少なくとも２層で成る層状構造を有し、その層状構造の最上層部を伝搬する縦波速度は、圧電基板中のラム波の位相速度と等しいかそれよりも低いという構成を有する。
【００３３】
このように構成することで、圧電基板に励振されたラム波が、縦波として固体媒体中に効率良く漏洩する。
【００３４】
また、本発明の超音波照射装置は、固体媒体の厚さが、圧電基板を補強するのに十分にしてかつ必要な厚さを超えないという構成を有する。
【００３５】
このように構成することで、圧電基板に励振されたラム波が、縦波として固体媒体を介して対象物中に効率良く漏洩する。
【００３６】
また、本発明の超音波照射装置は、固体媒体の減衰定数が、縦波の対象物への伝搬がもはや起こらないほどの値を超えることはない。
【００３７】
このように構成することで、圧電基板に励振されたラム波が、縦波として固体媒体を介して対象物中に効率良く漏洩する。
【００３８】
また、本発明の超音波照射装置は、圧電基板が圧電セラミックで成り、その圧電セラミックの分極軸の方向は厚さ方向と平行である。
【００３９】
このように構成することで、ラム波が圧電基板に効率良く励振される。
【００４０】
また、本発明の超音波照射装置は、圧電基板が、圧電性を有する単結晶や圧電性高分子フィルムで成る。
【００４１】
このように構成することで、ラム波が圧電基板に効率良く励振される。
【００４２】
また、本発明の超音波照射装置は、すだれ状電極が圧電基板の厚さ以上の値の電極周期長を有する。
【００４３】
このように構成することで、ラム波が圧電基板に効率良く励振される。
【００４４】
また、本発明の超音波照射装置は、すだれ状電極が少なくとも２つの電極周期長を有する分散型の電極構造で成る。
【００４５】
このように構成することで、更に多方向への縦波照射が可能となる。
【００４６】
また、本発明の超音波照射装置は、すだれ状電極が円弧状の電極パターンを有する。
【００４７】
このように構成することで、縦波の局所的照射が可能となる。
【００４８】
また、本発明の超音波照射装置は、すだれ状電極が円弧状の電極パターンを有するとともに、少なくとも２つの電極周期長を有する分散型の電極構造で成る。
【００４９】
このように構成することで、更に多方向へわたり縦波の局所的照射が可能となる。
【発明の効果】
【００５０】
本発明によれば、媒体として液体を利用することなく対象物中に効率良く縦波を照射することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の超音波照射装置の第１の実施例を示す概略図である。（実施例１）
【図２】図１の超音波照射装置を上方から見たときの平面図である。
【図３】図１の超音波照射装置を上方から見たときのもう１つの平面図である。
【図４】圧電基板１およびに固体媒体３から成る２層体に励振される各ラム波モードの位相速度(VLami)のft依存性を示す特性図である。
【図５】電気機械結合係数k2のft依存性を示す特性図である。
【図６】前述の２層体におけるラム波モードの挿入損失と、入力電気信号の周波数(fi)との関係を示す特性図である。
【図７】図４と同様な特性図を示すが、図４で述べられている圧電セラミックが、圧電性を有するニオブ酸リチウム単結晶に置き換えられた２層体についてのものである。
【図８】すだれ状電極６の平面図である。
【図９】本発明の超音波照射装置の第２の実施例を上方から見たときの平面図である。（実施例２）
【図１０】すだれ状電極８の平面図である。
【図１１】本発明の超音波照射装置の第３の実施例を示す概略図である。（実施例３）
【図１２】本発明の超音波照射装置の第４の実施例を上方から見たときの平面図である。（実施例４）
【図１３】本発明の超音波照射装置の第５の実施例を上方から見たときの平面図である。（実施例５）
【図１４】図１３の超音波照射装置の側面図である。
【図１５】本発明の超音波照射装置の第６の実施例を示す概略図である。（実施例６）
【発明を実施するための形態】
【００５２】
製造が容易で、しかも、効率良く対象物中に縦波を照射するという目的を、液体に代わる固体媒体を利用することにより達成した。
【実施例１】
【００５３】
図１は、本発明の超音波照射装置の第１の実施例を示す概略図である。本実施例は圧電基板１、すだれ状電極２および固体媒体３から成る。圧電基板１は、たとえば230 μmの厚さ(t)を有する圧電セラミックで成り、その分極軸の方向は、両端面に垂直な方向、つまり厚さ(t)方向と平行である。このとき、圧電基板１として、圧電性を有する単結晶や圧電性高分子フィルムなどの圧電性部材を用いることも可能である。すだれ状電極２は、たとえばアルミニウム薄膜で成り、圧電基板１の上端面に設けられている。圧電基板１は固体媒体３上に設けられている。固体媒体３はアクリル樹脂などで成り、低減衰定数を有し、たとえば1 mmの厚さを有する。この厚さは、固体媒体３が圧電基板１を補強し得るのに十分な厚さである。このようにして、図１の超音波照射装置は小型軽量で構造も簡単であることから、小さな対象物にも容易に取り付けることができ、ディスポーザブルな使用形態にも適している。また、製造が容易である上、良好な歩留まりを有し、耐久性にも優れている。図１の超音波照射装置を用いて対象物に超音波を照射する場合には、固体媒体３の下端面に対象物４を接触させる必要がある。対象物４は、たとえば標的５を含む。図１の圧電基板１、固体媒体３および対象物４の中に描かれた矢印は、駆動中にそれらの中を伝搬する波の方向を示すものである。
【００５４】
図２は、図１の超音波照射装置を上方から見たときの平面図である。すだれ状電極２は、圧電基板１の厚さ(t)と同じかそれよりも大きい値の電極周期長(p)を有する。図２における矢印は、駆動中に圧電基板１を伝搬する波の方向を示す。
【００５５】
図１の超音波照射装置において、もしも周波数fi (i=1,2,……, またはn)を有する入力電気信号がすだれ状電極２に印加されると、電極周期長(p)にほぼ対応する波長と、位相速度VLami (i=1,2,……, またはn)を有するラム波モードが圧電基板１に効率良く励振される。これは、圧電基板１が圧電セラミックで成り、その分極軸の方向が厚さ(t)方向と平行であることに起因する。このようにして、図１のデバイスは低電圧および低消費電力駆動に優れている。
【００５６】
圧電基板１に励振されたラム波モードは、固体媒体３における縦波速度VMeがラム波モードの位相速度VLamiと等しいかそれよりも低い場合には、縦波として固体媒体３に有効に漏洩する。換言すると、VMe≦VLamiという条件の下では、圧電基板１と固体媒体３との界面において漏洩ラム波から縦波へのモード変換が起こる。ラム波モードは、圧電基板１中をその両端面に平行な方向に沿って伝搬する波であることから、ラム波モードが圧電基板１中を伝搬する角度θLamについては、θLam = π/2という関係が成立する。従って、漏洩ラム波の固体媒体３への照射角θMei (i=1,2,……, またはn)については、sinθLam/sinθMei = VLami/VMe、すなわちθMei = sin-1(VMe/VLami)という関係が成立する。
【００５７】
固体媒体３の厚さは、固体媒体３中の縦波の減衰を最小限にとどめるものでなくてはならない。従って、圧電基板１の強さを補強する為に必要にして十分な厚さ以上には厚過ぎないことが要求される。また、縦波の対象物４への伝搬が効率良く起こるためには、固体媒体３の減衰定数はなるべく低いことが望まれる。少なくとも、縦波の対象物４への伝搬がもはや起こらないほど高いものであってはならない。
【００５８】
固体媒体３中の縦波は、固体媒体３と対象物４との界面において屈折し、対象物４中へ伝搬する。このときの屈折角θObi (i=1,2,……, またはn)および対象物４における縦波速度VObについては、sinθMei/sinθObi = VMe/VObという関係が成立する。図１は、VMeがVObより高い場合には、θMeiがθObiより大きいことを示す。図１のデバイスは、固体媒体３として液体を使用することなく、縦波を対象物４に照射することを可能にする。メッセージを対象物４に伝達するためには、入力電気信号として振幅変調信号、周波数変調信号および位相変調信号などを利用することも可能である。
【００５９】
入力電気信号の周波数fiを変えることにより、それに応じてVLamiもまた変化する。このことは、fiを変えることにより、ラム波のモードを変えることが可能であることを意味する。すなわち、入力電気信号の周波数の多様性が、縦波の対象物４中への屈折角の多様性につながる。このようにして、図１で示されるような、全てが固体で成るデバイスは、色々なタイプおよび種類の対象物４中に広角にわたり縦波を照射するのに有効である。対象物４が液体、ゾル、ゲルまたは固体、たとえば、水、溶液、細胞質、セメント、ガラス、金属、合金、コンクリート、石などであるかどうかは問題とならない。
【００６０】
対象物４の中に標的５が含まれている場合、標的５のサイズや位置にかかわらず、縦波の少なくとも１つが標的５に当たる。従って、図１のデバイスは、駆動中にfiを変化させることが可能なので、色々なタイプ、種類およびサイズの標的５の中に広角にわたり縦波を照射するのに有効である。標的５としては、皮膚の下の血管、癌細胞などや、金属内における密度の異なる部分などが挙げられる。
【００６１】
図３は、図１の超音波照射装置を上方から見たときのもう１つの平面図であり、機械的スキャニングシステムを用いて駆動した場合の図である。機械的スキャニングシステムは図３では描かれていないが、たとえば、互いに直交する２本のレールから成り、その２本のレールに沿って図１のデバイス自体を動かすものである。この際、図１のデバイスは容易に支持されることが必要である。このようにして、デバイスは、対象物４の表面すべてをスキャンすることが可能となる。図３における矢印は、デバイスの動作方向を示す。もちろん、手動でデバイスを全ての方向に動かすことも可能である。対象物４の表面をスキャンすることにより、縦波を標的５中へ照射することがさらに容易になる。
【００６２】
図４は、圧電基板１およびに固体媒体３から成る２層体に励振される各ラム波モードの位相速度(VLami)のft依存性を示す特性図であり、圧電基板１が圧電セラミックで成り、固体媒体３がアクリル樹脂で成る場合についてのものである。ft値は入力電気信号の周波数(fi)と圧電基板１の厚さ(t)との積を示す。速度分散曲線と黒丸は、それぞれ計算値と実測値を示す。全ての値は、圧電基板１の上端面と固体媒体３の下端面が、それぞれ電気的に短絡および開放状態にある時のものである。速度分散曲線は、圧電基板１単体の場合、または固体媒体３の代わりに水から成る２層体における場合とほとんど違いは見られなかった。速度分散曲線の側に記されている数字は、個々のラム波モードの通し番号である。３本の斜めの直線状の破線は、それぞれすだれ状電極２が400 μm、500μm、600 μmの３つの電極周期長(p)を有する場合の動作特性を表すもの（動作直線）である。それらの斜線と速度分散曲線との交点は、すだれ状電極２が各電極周期長(p)を有する場合における最適な動作条件に相当する。２本の水平な直線状の破線LaおよびLwは、それぞれ固体媒体３単体および水単体中を伝搬する縦波速度の軌跡である。水は、圧電基板と対象物を媒介する物として、一般的に広く用いられているものである。たとえば、14.2 MHz (fi)の入力電気信号が、400 μmの電極周期長(p)を有するすだれ状電極２に印加されると、約5.7 km/s (VLami)の位相速度を有する第５次モードのラム波のみが、230 μmの厚さ(t)を有する圧電基板１に励振される。VMe = 2.7 km/sであることから、前述の式θMei = sin-1(VMe/VLami)によれば、第５次モードのラム波は、約29度の照射角(θMei)で固体媒体３中に漏洩することが分かる。図４は、どのモードのラム波が固体媒体３中に漏洩するかは、圧電基板１の厚さ(t)およびすだれ状電極２の電極周期長(p)が不変であるという条件の下では、入力電気信号の周波数fiに依存するということを示す。
【００６３】
図５は、電気機械結合係数k2のft依存性を示す特性図である。k2値は、固体媒体３の下端面が電気的に開放状態にある場合において、圧電基板１の上端面が電気的に開放状態にある時のラム波モードのVLamiと、短絡状態にある時のVLamiとの差から計算される。速度分散曲線の側に記されている数字は、個々のラム波モードの通し番号である。図５は、たとえばft値が1.2 MHz・mmの場合には、第１次モードのラム波のk2の最大値は12.5 %であることを示す。言い換えれば、第１次モードのラム波は、ft値が1.2 MHz・mmの時に最も効率良く圧電基板１に励振される。図５のk2値は、圧電基板１単体における値とほとんど変わらない。このことは、入力電気信号からラム波モードへの変換効率は、圧電基板１およびに固体媒体３から成る２層体においても、圧電基板１単体における場合とほとんど変わらないことを意味する。
【００６４】
図６は、前述の２層体におけるラム波モードの挿入損失と、入力電気信号の周波数(fi)との関係を示す特性図である。但し、固体媒体３が1 mmの厚さを有し、すだれ状電極２が600 μmの電極周期長(p)を有する場合の特性図である。挿入損失の最小値は、第１次モードにおける-33.1 dBであり、このときのfi値は5.56 MHzである。この挿入損失の値は、圧電基板１単体の場合に比べると、かなり大きい。このことは、固体媒体３、続いて対象物４に縦波を照射するには、5.56 MHzでの駆動が適していることを示す。
【００６５】
図７は、図４と同様な特性図を示すが、図４で述べられている圧電セラミックが、圧電性を有するニオブ酸リチウム単結晶に置き換えられた２層体についてのものである。この２層体においては、圧電基板１の上端面と固体媒体３の下端面はともに電気的に開放状態にある。斜めの直線状の破線は、すだれ状電極２が300 μmの電極周期長(p)を有する場合の動作特性を表すもの（動作直線）である。たとえば、20.3 MHz (fi)の入力電気信号が、300 μmの電極周期長(p)を有するすだれ状電極２に印加されると、約6.1 km/s (VLami)の位相速度を有する第２次モードのラム波のみが、230 μmの厚さ(t)を有する圧電基板１に励振される。VMe = 2.7 km/sであることから、第２次モードのラム波は、約26度の照射角(θMei)で固体媒体３中に漏洩することが分かる。図７は、アクリル樹脂やその他の高分子材料だけでなく、金属や合金やその他の材質も、VMe≦VLamiという関係が成立する限り固体媒体３として有効であることを示す。換言すれば、本発明の超音波照射装置では、低次モードはもちろんのこと、高次モードのラム波でも、固体媒体３の材質如何により固体媒体３中に漏洩されることが可能であることを示す。
【００６６】
図８は、すだれ状電極６の平面図である。すだれ状電極６は図２のすだれ状電極２の代わりに用いられるものであり、電極指の構成が、２以上の電極周期長を有する分散型であることを除き、すだれ状電極２と同様な構造を有する。具体的には、すだれ状電極６は、徐々に増加する電極周期長pi (i=1,2,……, および n)を有する。このようにして、すだれ状電極６はp1(400 μm) から pn(600 μm)の一連の電極周期長を有する。
【００６７】
電極周期長pi (i=1,2,……, および n)に対応する周波数を有する一連の入力電気信号が、図１のデバイスにおいてすだれ状電極２の代わりに設けられたすだれ状電極６に印加されると、400 μmから600 μmの電極周期長piにほぼ対応する波長を有する一連の多モードのラム波が圧電基板１に励振される。一連の多モードのラム波は、固体媒体３における縦波速度がラム波モードの位相速度とほぼ等しいか低い場合には、一連の縦波として固体媒体３中に効率良く漏洩する。すだれ状電極６を使用することにより、すだれ状電極２を使用する場合に比べ、更に多方向への縦波照射が可能となる。すなわち、すだれ状電極６は、標的５のサイズや位置にかかわりなく、標的５に対し確実な縦波照射を可能にする。図４は、すだれ状電極２の電極周期長(p)が400 μmおよび600 μmに対応する２本の斜めの破線に挟まれた領域内にある速度分散曲線が、まさにすだれ状電極６の最適駆動条件に相当するということを示す。
【実施例２】
【００６８】
図９は、本発明の超音波照射装置の第２の実施例を上方から見たときの平面図である。本実施例は、すだれ状電極２の代わりにすだれ状電極７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。固体媒体３、対象物４および標的５は図９では描かれていない。すだれ状電極７は、開口角が60度で、電極周期長(p)が300 μmの円弧状の電極パターンを有する。図９における矢印は、駆動中に圧電基板１を伝搬する波の方向を示す。
【００６９】
図９の超音波照射装置においては、図１における場合と同様にして、圧電基板１にラム波モードが励振され、ラム波モードは固体媒体３に、続いて対象物４中に縦波として効率良く照射される。    すだれ状電極７の電極周期長(p)、圧電基板１の厚さ(t)および固体媒体３の厚さの最適値を総合的に調整することにより、すだれ状電極７は、標的５のただ一点に縦波のエネルギーを集中させることを可能にする。このようにして、すだれ状電極７は、標的５のサイズや位置にかかわらず、標的５に対し縦波の局所的照射を可能とする。
【００７０】
図１０は、すだれ状電極８の平面図である。すだれ状電極８は図９のすだれ状電極７の代わりに用いられるものであり、電極指の構成が、２以上の電極周期長を有する分散型であることを除き、すだれ状電極７と同様な構造を有する。具体的には、すだれ状電極８は、徐々に増加する電極周期長pi (i=1,2,……, および n)を有する。このようにして、すだれ状電極８はp1(400 μm) から pn(600 μm)の一連の電極周期長を有する。
【００７１】
すだれ状電極８を使用することにより、その電極周期長piにほぼ対応する波長を有する一連の多モードのラム波が圧電基板１に励振される。一連の多モードのラム波は、固体媒体３に、続いて対象物４中に一連の縦波として効率良く照射される。すだれ状電極８は、すだれ状電極７に比べ、さらなる多方向への縦波照射を可能とする。すだれ状電極８の電極周期長(pi)、圧電基板１の厚さ(t)および固体媒体３の厚さの最適値を総合的に調整することにより、すだれ状電極８は、対象物４または標的５のただ一点に縦波のエネルギーを集中させることを可能にする。このようにして、すだれ状電極８は、標的５のサイズや位置にかかわらず、標的５に対し縦波の確実で局所的な照射を可能にする。
【実施例３】
【００７２】
図１１は、本発明の超音波照射装置の第３の実施例を示す概略図である。本実施例は、圧電基板１、圧電基板１の上端面に設けられた３つのすだれ状電極２および固体媒体３から成る。対象物４は図１１では描かれていない。図１１における矢印は、駆動中に伝搬する波の方向を示す。
【００７３】
図１１の超音波照射装置においては、各すだれ状電極２は、図１におけるすだれ状電極２と同様な機能を果たす。少なくとも２つのすだれ状電極２を使用することにより、１つを使用する場合よりも、固体媒体３中に多方向へ縦波を照射することが可能になる。すなわち、Z軸方向およびX軸方向に向けて効果的な縦波照射が可能となる。図１１は、VMeがVObより低い場合には、θMeiがθObiより小さいことを示す。図１１のデバイスは、少なくとも２つのすだれ状電極２の代わりに、それぞれ、少なくとも２つのすだれ状電極６、少なくとも２つのすだれ状電極７または少なくとも２つのすだれ状電極８で成ることが可能である。
【実施例４】
【００７４】
図１２は、本発明の超音波照射装置の第４の実施例を上方から見たときの平面図である。本実施例は、３つのすだれ状電極２の代わりに、それぞれすだれ状電極２１、２２、２３が用いられていることを除いて、図１１と同様な構造を有する。固体媒体９、対象物４および標的５は図１２では描かれていない。すだれ状電極２１、２２、２３は互いに異なった電極周期長を有し、電極周期長の小さいものから大きいものへと順に配置されている。すだれ状電極２１、２２、２３を使用することにより、３つのすだれ状電極２を使用する場合に比べ、固体媒体９に対し更に多方向への縦波照射が可能になり、その上、対象物４や標的５に対し的確な縦波照射が可能となる。すだれ状電極２１、２２、２３は、すだれ状電極７と同様な円弧状の電極パターンや、すだれ状電極６や８のような分散型の電極構造を有することが可能である。すだれ状電極２１、２２、２３が分散型の電極構造を有する場合には、それらは、電極周期長の領域が小さいものから大きいものへと順に配置される。
【実施例５】
【００７５】
図１３は、本発明の超音波照射装置の第５の実施例を上方から見たときの平面図である。本実施例は、圧電基板９、固体媒体１０、４つのトランスデューサグループから成る。固体媒体１０は固体媒体３と同様な材質から成る。各トランスデューサグループはすだれ状電極２４、２５、２６から成る。各すだれ状電極は、電極指の長さを除いてすだれ状電極２と同様な構造を有する。固体媒体１０は図１３では描かれていない。４つのトランスデューサグループは、圧電基板９上において、４つのうち２つのグループの電極指の方向が、互いに平行になるように、しかも、別の２つのグループの電極指の方向と直交するように配置されている。
【００７６】
図１４は、図１３の超音波照射装置の側面図である。圧電基板９は230 μmの厚さ(t)を有する圧電セラミックで成り、その分極軸の方向は、厚さ(t)方向と平行である。
【００７７】
図１３の超音波照射装置においては、入力電気信号が４つのトランスデューサグループの各すだれ状電極に印加される。４つのトランスデューサグループを用いることにより、１つを用いる場合に比べて更に多方向への縦波照射が可能となる。すなわち、Z軸、X軸およびY軸方向に向けての更に効果的な縦波照射が可能となる。
【００７８】
すだれ状電極２１、２２、２３をすだれ状電極２４、２５、２６の代わりに使用することが可能である。すだれ状電極２１、２２、２３を使用することにより、すだれ状電極２４、２５、２６を使用する場合に比べて更に多方向へ縦波を照射することが可能になる。
【実施例６】
【００７９】
図１５は、本発明の超音波照射装置の第６の実施例を示す概略図である。本実施例は、固体媒体３の代わりに固体媒体１１および１２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。標的５は図１５では描かれていない。固体媒体１１は固体媒体３と同様な材質で成り、固体媒体１２は固体媒体１１とは異なった材質で成る。固体媒体１１および１２は層状構造を形成する。駆動中、層状構造の上層部に該当する固体媒体１１は圧電基板１と接触し、固体媒体１２の下端面は対象物１３の上に設置される。対象物１３は、たとえば標的５を含む。
【００８０】
図１５の超音波照射装置において、固体媒体１１における縦波速度V11および漏洩ラム波の位相速度VLamiについてV11≦VLamiという関係が成立する場合には、圧電基板１と固体媒体１１との界面において漏洩ラム波から縦波へのモード変換が起こる。縦波は、固体媒体１１と１２との界面において屈折した後、固体媒体１２と対象物１３との界面において再び屈折し、対象物１３中へ伝搬する。
【００８１】
縦波の固体媒体１１への照射角θ11、固体媒体１１と１２との界面での縦波の屈折角θ12、固体媒体１２と対象物１３との界面での縦波の屈折角θ13、固体媒体１１における縦波速度V11、固体媒体１２における縦波速度V12については、θ11 = sin-1(V11/VLam)、sinθ11/sinθ12 = V11/V12、sinθ12/sinθ13 = V12/V13という関係が成立する。図１５は、V11がV12より高い場合には、θ11がθ12より大きいことを示し、V12がV13より高い場合には、θ12がθ13より大きいことを示す。すなわち、固体媒体１１および１２の材質として、互いに異なる縦波伝搬速度を有するものを選択することが、対象物１３中への縦波の照射方向の多様化につながる。図１５のデバイスは、入力用トランスデューサとして、すだれ状電極２の代わりにすだれ状電極６、７または８を用いることが可能である。また、図１５における固体媒体１１および１２から成る層状媒体を、固体媒体３または１０のような単層媒体の代わりに用いることも可能である。
【符号の説明】
【００８２】
１    圧電基板
２    すだれ状電極
３    固体媒体
４    対象物
５    標的
６    すだれ状電極
７    すだれ状電極
８    すだれ状電極
９    圧電基板
１０    固体媒体
１１    固体媒体
１２    固体媒体
１３    対象物
２１    すだれ状電極
２２    すだれ状電極
２３    すだれ状電極
２４    すだれ状電極
２５    すだれ状電極
２６    すだれ状電極
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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