(57)【特許請求の範囲】
【請求項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、対向電極と、周波数掃引手段と、周波数分析手段から成る超音波速度測定装置であって、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、前記周波数掃引手段は入力電気信号Ei (i=1, 2,…, n)を順次に発生させ、前記入力電気信号Eiは、周波数fi (i=1, 2,…, n)をそれぞれ有し、前記櫛型電極Aと前記対向電極との間に前記入力電気信号Eiが順次に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、前記物質中に照射される縦波の非垂直成分は、前記組み合わせ電極の電極指の総面積を変えずに電極対の数を多くすることによって抑圧され、前記縦波は、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、前記櫛型電極Bと前記対向電極との間では、反射された縦波が遅延電気信号Di (i=1, 2,…, n)として検出されるとともに、前記入力電気信号Eiからの結合信号Ci (i=1, 2,…, n)も検出され、前記周波数分析手段では、前記遅延電気信号Diと前記結合信号Ciとの干渉信号Ri (i=1, 2,…, n)が検出され、前記干渉信号Riにおける各振幅と、前記周波数fiとの関係から周波数周期Δfが検出され、前記周波数周期Δfは、前記各振幅のうちの２つの最大振幅間または２つの最小振幅間の周波数差に相当し、前記物質中の音速Vは、前記物質の前記もう一方の界面と前記圧電基板との距離Zの２倍と、前記周波数周期Δfとの積から算出される超音波速度測定装置。
【請求項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に記載の超音波速度測定装置。
【請求項３】
前記入力電気信号Eiは、交流バイアス信号Si (i=1, 2,…, n)を伴い、前記交流バイアス信号Siは、前記周波数fiをそれぞれ有し、  前記信号分析器では、前記遅延電気信号Diと前記交流バイアス信号Siとの干渉信号Ri (i=1, 2,…, n)が検出される請求項１または２に記載の超音波速度測定装置。
【請求項４】
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、対向電極と、周波数掃引手段と、周波数分析手段から成る超音波速度測定装置であって、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、前記周波数掃引手段は入力電気信号Ei (i=1, 2,…, n)を順次に発生させ、前記入力電気信号Eiは、周波数fi (i=1, 2,…, n)をそれぞれ有し、前記第１組み合わせ電極の前記櫛型電極Aと前記対向電極との間に前記入力電気信号Eiが順次に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、前記物質中に照射される縦波の非垂直成分は、前記第１組み合わせ電極の電極指の総面積を変えずに電極対の数を多くすることによって抑圧され、前記縦波は、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、前記第２組み合わせ電極の前記櫛型電極Bと前記対向電極との間では、反射された縦波が遅延電気信号Di (i=1, 2,…, n)として検出されるとともに、前記入力電気信号Eiからの結合信号Ci (i=1, 2,…, n)も検出され、前記周波数分析手段では、前記遅延電気信号Diと前記結合信号Ciとの干渉信号Ri (i=1, 2,…, n)が検出され、前記干渉信号Riにおける各振幅と、前記周波数fiとの関係から周波数周期Δfが検出され、前記周波数周期Δfは、前記各振幅のうちの２つの最大振幅間または２つの最小振幅間の周波数差に相当し、前記物質中の音速Vは、前記周波数周期Δfから算出される超音波速度測定装置。
【請求項５】
前記第１組み合わせ電極の代わりに第１櫛型電極が設けられ、前記第２組み合わせ電極の代わりに第２櫛型電極が設けられた超音波速度測定装置であって、前記第１櫛型電極の電極指の方向は、前記第２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との間に前記入力電気信号Eiが順次に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、前記物質中に照射される縦波の非垂直成分は、前記第１櫛型電極の電極指の総面積を変えずに電極対の数を多くすることによって抑圧され、前記縦波は、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、前記第２櫛型電極と前記対向電極との間では、反射された縦波が遅延電気信号Di (i=1, 2,…, n)として検出されるとともに、前記入力電気信号Eiからの結合信号Ci (i=1, 2,…, n)も検出される請求項４に記載の超音波速度測定装置。
【請求項６】
前記物質が液体または細胞質で成る請求項１，２，３，４または５に記載の超音波速度測定装置。
【請求項７】
前記物質の前記一方の界面と接触する部位に、新たに高分子膜が設けられた請求項１，２，３，４，５または６に記載の超音波速度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【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超音波を照射し、物質のもう一方の界面によって反射させた超音波を遅延電気信号として検出することにより、物質中の音速Vを算出する超音波速度測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液中の音速を測定するための超音波技術は、生物物理学、医科学、音響学、工業、物理化学等の様々な分野において、近年、広く応用されている。液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従来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おり、従って、測定精度に問題があるばかりでなく、安定な駆動も困難である。
【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速度測定装置を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の超音波速度測定装置は、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、対向電極と、周波数掃引手段と、周波数分析手段から成る超音波速度測定装置であって、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、前記周波数掃引手段は入力電気信号Ei (i=1, 2,…, n)を順次に発生させ、前記入力電気信号Eiは、周波数fi (i=1, 2,…, n)をそれぞれ有し、前記櫛型電極Aと前記対向電極との間に前記入力電気信号Eiが順次に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、前記櫛型電極Bと前記対向電極との間では、反射された縦波が遅延電気信号Di (i=1, 2,…, n)として検出されるとともに、前記入力電気信号Eiからの結合信号Ci (i=1, 2,…, n)も検出され、前記周波数分析手段では、前記遅延電気信号Diと前記結合信号Ciとの干渉信号Ri (i=1, 2,…, n)が検出され、前記干渉信号Riにおける各振幅と、前記周波数fiとの関係から周波数周期Δfが検出され、前記物質中の音速Vは、前記物質の前記もう一方の界面と前記圧電基板との距離Zの２倍と、前記周波数周期Δfとの積から算出される。
【０００５】
請求項２に記載の超音波速度測定装置は、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】
請求項３に記載の超音波速度測定装置は、前記入力電気信号Eiが交流バイアス信号Si (i=1, 2,…, n)を伴い、前記交流バイアス信号Siは前記周波数fiをそれぞれ有し、前記信号分析器では、前記遅延電気信号Diと前記交流バイアス信号Siとの干渉信号Ri (i=1, 2,…, n)が検出される。
【０００７】
請求項４に記載の超音波速度測定装置は、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、対向電極と、周波数掃引手段と、周波数分析手段から成る超音波速度測定装置であって、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、前記周波数掃引手段は入力電気信号Ei (i=1, 2,…, n)を順次に発生させ、前記入力電気信号Eiは、周波数fi (i=1, 2,…, n)をそれぞれ有し、前記第１組み合わせ電極の前記櫛型電極Aと前記対向電極との間に前記入力電気信号Eiが順次に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、前記第２組み合わせ電極の前記櫛型電極Bと前記対向電極との間では、反射された縦波が遅延電気信号Di (i=1, 2,…, n)として検出されるとともに、前記入力電気信号Eiからの結合信号Ci (i=1, 2,…, n)も検出され、前記周波数分析手段では、前記遅延電気信号Diと前記結合信号Ciとの干渉信号Ri (i=1, 2,…, n)が検出され、前記干渉信号Riにおける各振幅と、前記周波数fiとの関係から周波数周期Δfが検出され、前記物質中の音速Vは、前記周波数周期Δfから算出される。
【０００８】
請求項５に記載の超音波速度測定装置は、前記第１組み合わせ電極の代わりに第１櫛型電極が設けられ、前記第２組み合わせ電極の代わりに第２櫛型電極が設けられた超音波速度測定装置であって、前記第１櫛型電極と前記対向電極との間に前記入力電気信号Eiが順次に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、前記第２櫛型電極と前記対向電極との間では、反射された縦波が遅延電気信号Di (i=1, 2,…, n)として検出されるとともに、前記入力電気信号Eiからの結合信号Ci (i=1, 2,…, n)も検出される。
【０００９】
請求項６に記載の超音波速度測定装置は、前記物質が液体または細胞質で成る。
【００１０】
請求項７に記載の超音波速度測定装置は、前記物質の前記一方の界面と接触する部位に、新たに高分子膜が設けられている。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の超音波速度測定装置は、２つのタイプに大別される。第１のタイプの超音波速度測定装置は、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、対向電極と、周波数掃引手段と、周波数分析手段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。周波数掃引手段は入力電気信号Ei (i=1, 2,…, n)を順次に発生させる。入力電気信号Eiは、周波数fi (i=1, 2,…, n)をそれぞれ有する。
【００１２】
もしも、櫛型電極Aと対向電極との間に入力電気信号Eiが順次に入力されると、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。反射された縦波は、櫛型電極Bと対向電極との間で、遅延電気信号Di (i=1, 2,…, n)として検出される。一方、櫛型電極Bと対向電極との間では、入力電気信号Eiからの結合信号Ci (i=1, 2,…, n)も検出される。このようにして信号分析器では、遅延電気信号Diと結合信号Ciとの干渉信号Ri (i=1, 2,…, n)が生じる。干渉信号Riにおける各振幅と、周波数fiとの関係を図で表せば、周波数周期Δfが得られる。物質中の音速Vは、物質のもう一方の界面と圧電基板との距離Zの２倍と、周波数周期Δfとの積から算出される。つまり、物質中の音速Vは、V=2ZΔfで表される。
【００１３】
第１のタイプの超音波速度測定装置では、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。
【００１４】
第１のタイプの超音波速度測定装置では、入力電気信号Eiが交流バイアス信号Si (i=1, 2,…, n)を伴う構造が可能である。このとき、交流バイアス信号Siは、周波数fiをそれぞれ有する。このようにして信号分析器では、遅延電気信号Diと交流バイアス信号Siとの干渉信号Ri (i=1, 2,…, n)が検出される。干渉信号Riにおける各振幅と、周波数fiとの関係を図で表せば、周波数周期Δfが得られる。物質中の音速Vは、物質のもう一方の界面と圧電基板との距離Zの２倍と、周波数周期Δfとの積から算出される。つまり、物質中の音速Vは、V=2ZΔfで表される。
【００１５】
第２のタイプの超音波速度測定装置は、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、対向電極と、周波数掃引手段と、周波数分析手段から成る。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いる。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。周波数掃引手段は入力電気信号Ei (i=1, 2,…, n)を順次に発生させる。このとき、入力電気信号Eiは、周波数fiをそれぞれ有する。
【００１６】
もしも、第１組み合わせ電極の櫛型電極Aと対向電極との間に入力電気信号Eiが順次に入力されると、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圧電基板の厚さに対する第１組み合わせ電極の電極周期長の割合が、第１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、第１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。縦波は、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る。このとき、第１組み合わせ電極の電極指の方向と、第２組み合わせ電極の電極指の方向とが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、先に照射された縦波の指向性よりも鋭くすることができる。反射された縦波は、第２組み合わせ電極の櫛型電極Bと対向電極との間で、遅延電気信号Diとして検出される。一方、第２組み合わせ電極の櫛型電極Bと対向電極との間では、入力電気信号Eiからの結合信号Ciも検出される。このようにして信号分析器では、遅延電気信号Diと結合信号Ciとの干渉信号Riが検出される。干渉信号Riおける各振幅と、周波数fiとの関係から周波数周期Δfが得られ、物質中の音速Vは周波数周期Δfから算出される。
【００１７】
第２のタイプの超音波速度測定装置では、第１および第２組み合わせ電極の代わりに第１および第２櫛型電極がそれぞれ設けられた構造が可能である。もしも、第１櫛型電極と対向電極との間に入力電気信号Eiが順次に入力されると、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、反射された縦波は、第２櫛型電極と対向電極との間で遅延電気信号Diとして検出される。また、第２櫛型電極と対向電極との間では、入力電気信号Eiからの結合信号Ciも検出される。このようにして信号分析器では、遅延電気信号Diと結合信号Ciとの干渉信号Riが検出される。また、入力電気信号Eiが交流バイアス信号Si (i=1, 2,…, n)を伴う構造が可能である。このとき、交流バイアス信号Siは、周波数fiをそれぞれ有する。このようにして信号分析器では、遅延電気信号Diと交流バイアス信号Siとの干渉信号Ri (i=1, 2,…, n)が検出される。
【００１８】
第１および第２のタイプの超音波速度測定装置では、物質が液体や細胞質で成る構造が可能である。つまり、本発明の超音波速度測定装置によれば、固体だけでなく、液体や細胞質中の音速を求めることが可能である。
【００１９】
第１および第２のタイプの超音波速度測定装置では、物質の一方の界面と接触する部位に、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。つまり、第１のタイプでは対向電極の下端面に、第２のタイプでは第１組み合わせ電極の下端面や、第１櫛型電極の下端面に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。
【００２０】
【実施例】
図１は本発明の超音波速度測定装置の第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、周波数掃引手段４、周波数分析手段５および反射板６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。対向電極３の下端面は物質の一方の界面と接触している。反射板６は、物質のもう一方の界面と接触しており、圧電基板１の下端面と平行になるように設置されている。このようにして、図１の超音波速度測定装置は、小型軽量でしかも構造が簡単である。
【００２１】
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。
【００２２】
図１の超音波速度測定装置において、周波数掃引手段４からの入力電気信号Ei (i=1, 2,…, n)が櫛型電極２Aと対向電極３の間に順次に印加されると、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。また、入力電気信号Eiは周波数fi (i=1, 2,…, n)をそれぞれ有する。もしもその物質が水の場合には、水中の縦波速度（VW）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VW値の割合、つまりVW/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 < 4Vw/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。
【００２３】
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、反射板６によって反射されるか、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ると、反射された縦波が櫛型電極２Bと対向電極３との間で遅延電気信号Di (i=1, 2,…, n)として検出される。一方、櫛型電極２Bと対向電極３との間では、入力電気信号Eiからの結合信号Ci (i=1, 2,…, n)も検出される。このとき、遅延電気信号Diと結合信号Ciがそれぞれ干渉し、その結果、各々の干渉信号Ri (i=1, 2,…, n)が生じる。もしも干渉信号Ri のそれぞれの振幅と、周波数fiとの関係を図で表せば、周波数周期Δfが得られる。このようにして、物質中の音速Vは、反射板６と圧電基板１との距離をZとすると、２ZとΔfとの積から算出される。つまり、物質中の音速Vは、V=2ZΔfで表される。
【００２４】
図１の超音波速度測定装置においては、入力電気信号Eiが交流バイアス信号Si (i=1, 2,…, n)を伴う構造が可能である。このとき、交流バイアス信号Siは、周波数fi (i=1, 2,…, n)をそれぞれ有する。もしも、このような交流バイアス信号Si を伴った入力電気信号Eiが櫛型電極２Aと対向電極３の間に順次に印加されると、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。また、縦波が反射板６によって反射されると、反射された縦波が、櫛型電極２Bと対向電極３との間で遅延電気信号Diとして検出される。このとき、遅延電気信号Diと交流バイアス信号Siがそれぞれ干渉し、その結果、各々の干渉信号Riが生じる。もしも干渉信号Ri のそれぞれの振幅と、周波数fiとの関係を図で表せば、周波数周期Δfが得られる。このようにして、物質中の音速Vは、V=2ZΔfで表される。
【００２５】
図３は本発明の超音波速度測定装置の第２の実施例を示す断面図である。本実施例は第１圧電基板７、第１組み合わせ電極８、第２圧電基板９、第２組み合わせ電極１０、対向電極３、周波数掃引手段４、周波数分析手段５、反射板６およびシリコンゴム１１から成る。反射板６は第１圧電基板７の下端面と平行な位置に備えられている。第２組み合わせ電極１０は第２圧電基板９の上端面に、第１組み合わせ電極８は第１圧電基板７の下端面にそれぞれ設けられ、対向電極３は第１圧電基板７と第２圧電基板９の間に設けられている。
【００２６】
図４は第１組み合わせ電極８および第２組み合わせ電極１０の構成図である。第１組み合わせ電極８の電極指の方向は、第２組み合わせ電極１０の電極指の方向と直交している。第１組み合わせ電極８は、アルミニウム薄膜で成り、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。第２組み合わせ電極１０は第１組み合わせ電極８と同様な構造を有する。第１組み合わせ電極８は櫛型電極８Aおよび８Bから成り、第２組み合わせ電極１０は櫛型電極１０Aおよび１０Bから成る。図３では、櫛型電極８Aは周波数掃引手段４に接続され、櫛型電極１０Bは周波数分析手段５に接続されている。
【００２７】
図３の超音波速度測定装置において、周波数掃引手段４からの入力電気信号Ei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１１を介して、その物質中に縦波が照射される。この縦波は第１圧電基板７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、第１圧電基板７の縦波速度（V）に対する水中の縦波速度（VW）の割合、つまりVW/Vは、上述の通りほぼ0.333となる。一方、第１圧電基板７の厚さ（T）に対する第１組み合わせ電極８の電極周期長（P）の割合、つまり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 < 4Vw/Vという条件のもとでは、第１圧電基板７の下端面に対し垂直な方向の縦波が、シリコンゴム１１を介して効率よく水中に照射される。さらに、この縦波の指向性は、図１における縦波の指向性よりも鋭い。つまり、P/Tが4Vw/Vよりも小さければ小さいほど、指向性が鋭くなる。
【００２８】
シリコンゴム１１を介して照射された縦波が、図３に示されるように、反射板６によって反射されると、反射された縦波が櫛型電極１０Bと対向電極３との間で遅延電気信号Diとして検出される。このとき、反射された縦波の指向性は、先に照射された縦波の指向性よりも鋭い。これは、第１組み合わせ電極８の電極指の方向が、第２組み合わせ電極１０の電極指の方向と直交していることに因る。一方、櫛型電極１０Bと対向電極３との間では、入力電気信号Eiからの結合信号Ciも検出される。このとき、遅延電気信号Diと結合信号Ciがそれぞれ干渉し、その結果、各々の干渉信号Riが生じる。もしも干渉信号Ri のそれぞれの振幅と、周波数fiとの関係を図で表せば、周波数周期Δfが得られる。このようにして、物質中の音速Vは周波数周期Δfから算出される。さらに、図３の超音波速度測定装置を用いれば、図１の場合よりもさらに精密に物質中の音速Vを求めることが可能となる。
【００２９】
図５は、図３の超音波速度測定装置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５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、第１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縦波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。
【００３０】
図６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。
【００３１】
図７は第１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。第１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。
【００３２】
図６と図７を比較すると、第１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。第１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、第１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、第１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、第１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。
【００３３】
図８は、図３の超音波速度測定装置における周波数fiのうちの１つについての観測波形である。但し図８は、入力電気信号Eiが櫛型電極８Aと対向電極３の間に印加される時間が短い場合を示す。従って、図８では干渉信号Riのうちの１つ（周波数fiのうちの１つに対応するもの）が見られない。このようにして、まず結合信号Ciのうちの１つ（周波数fiのうちの１つに対応するもの）が図中の左側に現れ、次に遅延電気信号Diのうちの１つ（周波数fiのうちの１つに対応するもの）が図中の右側に現れる。
【００３４】
図９は、図３の超音波速度測定装置における周波数fiのうちの１つについての観測波形である。但し図９は、干渉信号Riのうちの１つ（周波数fiのうちの１つに対応するもの）が生じる場合を示す。つまり、結合信号Ciのうちの１つ（周波数fiのうちの１つに対応するもの）と遅延電気信号Diのうちの１つ（周波数fiのうちの１つに対応するもの）が互いに干渉し、その結果、重複信号、すなわち干渉信号Riのうちの１つ（周波数fiのうちの１つに対応するもの）が生じる。このとき、この干渉信号Riのうちの１つは最大振幅を有する。たとえば、結合信号C3と遅延電気信号D3が互いに干渉して、周波数f3を有する干渉信号R3が生じる。このようにして、図９の左側、右側および中央に現れる信号は、たとえば、結合信号C3、遅延電気信号D3および干渉信号R3を示す。
【００３５】
図１０は、図３の超音波速度測定装置における周波数fiのうちの１つについての観測波形である。但し図１０は、干渉信号Riのうちの１つ（周波数fiのうちの１つに対応するもの）が生じる場合を示す。図９と同様に、結合信号Ciのうちの１つ（周波数fiのうちの１つに対応するもの）と遅延電気信号Diのうちの１つ（周波数fiのうちの１つに対応するもの）が互いに干渉し、その結果、干渉信号Riのうちの１つ（周波数fiのうちの１つに対応するもの）が生じる。このとき、この干渉信号Riのうちの１つは、図９の場合とは異なり、最小振幅を有する。このようにして、図１０の左側、右側および中央に現れる信号は、たとえば、結合信号C7、遅延電気信号D7および周波数f7を有する干渉信号R7を示す。
【００３６】
図１１は干渉信号Riの電圧の振幅と、周波数fiとの関係を示す特性図である。つまり図１１は、図９および１０そしてその他の関連するデータから得られる各振幅の、周波数fiに対する相関性を表したものである。図１１における２つの最大振幅間、または２つの最小振幅間の周波数差が周波数周期Δfに相当する。
【００３７】
図１２は豚肉の４種類の部分と、それらを伝搬する音速Vとの関係を示す特性図である。フィレ肉とバラ肉における音速Vは、V=2ZΔfの式から算出されたものである。筋肉とラードにおける音速Vは、参照データから引用したものである。
このようにして、フィレ肉、バラ肉、筋肉およびラードにおける音速Vは、それぞれ1592.6、1551.4、1580.0および 1443.0 m/sとなる。フィレ肉の音速Vがバラ肉よりも速いことは、筋肉の音速Vがラードよりも速いことと相関している。
【００３８】
図３の超音波速度測定装置においては、入力電気信号Eiが交流バイアス信号Si (i=1, 2,…, n)を伴う構造が可能である。このとき、交流バイアス信号Siは、周波数fi (i=1, 2,…, n)をそれぞれ有する。もしも、このような交流バイアス信号Si を伴った入力電気信号Ei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１１を介して、その物質中に縦波が照射される。縦波が反射板６によって反射されると、反射された縦波が、櫛型電極１０Bと対向電極３との間で遅延電気信号Diとして検出される。このとき、遅延電気信号Diと交流バイアス信号Siがそれぞれ干渉し、その結果、各々の干渉信号Riが生じる。もしも干渉信号Ri のそれぞれの振幅と、周波数fiとの関係を図で表せば、周波数周期Δfが得られる。このようにして、物質中の音速Vは周波数周期Δfから算出される。なお、交流バイアス信号Siを伴った入力電気信号Eiを用いることにより、より安定な駆動を実現できることが確認されている。
【００３９】
図１３は、図３の超音波速度測定装置における周波数fiのうちの１つについての観測波形である。但し図１３は、交流バイアス信号Siを伴った入力電気信号Eiが櫛型電極８Aと対向電極３の間に印加された場合の観測波形を示す。図１３では常に交流バイアス信号Siのうちの１つ（周波数fiのうちの１つに対応するもの）が観測されているが、その交流バイアス信号Siのうちの１つ（周波数fiのうちの１つに対応するもの）に重複する形で図中の左側と右側に現れる信号は、それぞれ図８の左側と右側に現れる信号に対応する。つまり図１３では、交流バイアス信号Siのうちの１つ（周波数fiのうちの１つに対応するもの）と遅延電気信号Diのうちの１つ（周波数fiのうちの１つに対応するもの）が互いに干渉し、その結果、干渉信号Riのうちの１つ（周波数fiのうちの１つに対応するもの）が生じる。このとき、この干渉信号Riのうちの１つは最大振幅を有する。たとえば、交流バイアス信号S4と遅延電気信号D4が互いに干渉し、その結果、周波数f4を有する干渉信号R4が生じる。
【００４０】
図１４は、図３の超音波速度測定装置における周波数fiのうちの１つについての観測波形である。但し図１４は、交流バイアス信号Siを伴った入力電気信号Eiが櫛型電極８Aと対向電極３の間に印加された場合の観測波形を示す。図１３と同様に図１４においても、たとえば、交流バイアス信号S8と遅延電気信号D8が互いに干渉し、その結果、周波数f8を有する干渉信号R8が生じる。このとき、この干渉信号R8は、図１３の場合とは異なり、最小振幅を有する。このようにして、図１４では、最小振幅帯（図１３の右側に現れる信号に対応）が存在する。
【００４１】
もしも、図１３および１４そしてその他の関連するデータから得られる各振幅の、周波数fiに対する相関性を表せば、図１１と同様にして、２つの最大振幅間、または２つの最小振幅間の周波数差から周波数周期Δfが得られる。
【００４２】
図１５は本発明の超音波速度測定装置の第３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８および第２組み合わせ電極１０の代わりに第１組み合わせ電極１２および第２組み合わせ電極１３がそれぞれ用いられていることを除いて、図３と同様な構造を有する。
【００４３】
図１６は第１組み合わせ電極１２および第２組み合わせ電極１３の構成図である。第１組み合わせ電極１２の電極指の方向は、第２組み合わせ電極１３の電極指の方向と直交している。第１組み合わせ電極１２は、アルミニウム薄膜で成り、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１２は櫛型電極１２Aおよび１２Bから成り、この櫛型電極１２A は45μmの電極指幅（WA）を有し、櫛型電極１２Bは12μmの電極指幅（WB）を有する。第２組み合わせ電極１３は第１組み合わせ電極１２と同様な構造を有する。但し、組み合わせ電極１３の櫛型電極１３Aは12μmの電極指幅（WA）を有し、櫛型電極１３Bは45μmの電極指幅（WB）を有する。図１５では、櫛型電極１２Aは周波数掃引手段４に接続され、櫛型電極１３Bは周波数分析手段５に接続されている。
【００４４】
図１５の超音波速度測定装置において、周波数掃引手段４からの入力電気信号Eiが櫛型電極１２Aと対向電極３の間に順次に印加されると、シリコンゴム１１を介して、その物質中に縦波が照射される。この縦波は第１圧電基板７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、P/T < 4Vw/Vという条件が満たされることから、第１圧電基板７の下端面に対し垂直な方向の縦波が、シリコンゴム１１を介して効率よく水中に照射される。さらに、この縦波の指向性は、図３における縦波の指向性よりも鋭い。つまり、第１組み合わせ電極１２におけるWA / WBという条件により、縦波の指向性がさらに鋭くなる。
【００４５】
シリコンゴム１１を介して照射された縦波が、図１５に示されるように、反射板６によって反射されると、反射された縦波が櫛型電極１３Bと対向電極３との間で遅延電気信号Diとして検出される。このとき、反射された縦波の指向性は、先に照射された縦波の指向性よりも鋭い。これは、第１組み合わせ電極１２の電極指の方向が、第２組み合わせ電極１３の電極指の方向と直交していることに因る。一方、櫛型電極１３Bと対向電極３との間では、入力電気信号Eiからの結合信号Ciも検出される。このとき、遅延電気信号Diと結合信号Ciがそれぞれ干渉し、その結果、各々の干渉信号Riが生じる。もしも干渉信号Ri のそれぞれの振幅と、周波数fiとの関係を図で表せば、周波数周期Δfが得られる。このようにして、物質中の音速Vは周波数周期Δfから算出される。さらに、図１５の超音波速度測定装置を用いれば、図３の場合よりもさらに精密に物質中の音速Vを求めることが可能となる。
【００４６】
図１７は本発明の超音波速度測定装置の第４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８および第２組み合わせ電極１０の代わりに第１櫛型電極１４および第２櫛型電極１５がそれぞれ用いられていることを除いて、図３と同様な構造を有する。
【００４７】
図１８は第１櫛型電極１４および第２櫛型電極１５の構成図である。第１櫛型電極１４の電極指の方向は、第２櫛型電極１５の電極指の方向と直交している。第１櫛型電極１４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１５は第１櫛型電極１４と同様な構造を有する。
【００４８】
図１７の超音波速度測定装置において、周波数掃引手段４からの入力電気信号Eiが第１櫛型電極１４と対向電極３の間に順次に印加されると、シリコンゴム１１を介して、その物質中に縦波が照射される。この縦波は第１圧電基板７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、P/T < 4Vw/Vという条件が満たされることから、第１圧電基板７の下端面に対し垂直な方向の縦波が、シリコンゴム１１を介して効率よく水中に照射される。
【００４９】
シリコンゴム１１を介して照射された縦波が、図１７に示されるように、反射板６によって反射されると、反射された縦波が第２櫛型電極１５と対向電極３との間で遅延電気信号Diとして検出される。一方、第２櫛型電極１５と対向電極３との間では、入力電気信号Eiからの結合信号Ciも検出される。このとき、遅延電気信号Diと結合信号Ciがそれぞれ干渉し、その結果、各々の干渉信号Riが生じる。もしも干渉信号Ri のそれぞれの振幅と、周波数fiとの関係を図で表せば、周波数周期Δfが得られる。このようにして、物質中の音速Vは周波数周期Δfから算出される。
【００５０】
図１５または１７の超音波速度測定装置においては、入力電気信号Eiが交流バイアス信号Si (i=1, 2,…, n)を伴う構造が可能である。このとき、交流バイアス信号Siは、周波数fi (i=1, 2,…, n)をそれぞれ有する。もしも、このような交流バイアス信号Si を伴った入力電気信号Eiが周波数掃引手段４から印加されると、遅延電気信号Diと交流バイアス信号Siがそれぞれ干渉し、その結果、各々の干渉信号Riが生じる。もしも干渉信号Ri のそれぞれの振幅と、周波数fiとの関係を図で表せば、周波数周期Δfが得られる。このようにして、物質中の音速Vは周波数周期Δfから算出される。交流バイアス信号Siを伴った入力電気信号Eiを用いることにより、より安定な駆動を実現できることが確認されている。
【００５１】
【発明の効果】
本発明の第１のタイプの超音波速度測定装置は、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、対向電極と、周波数掃引手段と、周波数分析手段から成る。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。周波数掃引手段は入力電気信号Ei (i=1, 2,…, n)を順次に発生させる。入力電気信号Eiは、周波数fi (i=1, 2,…, n)をそれぞれ有する。櫛型電極Aと対向電極との間に入力電気信号Eiが順次に入力されると、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、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。縦波は、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る。反射された縦波は、櫛型電極Bと対向電極との間で、遅延電気信号Di (i=1, 2,…, n)として検出される。一方、櫛型電極Bと対向電極との間では、入力電気信号Eiからの結合信号Ci (i=1, 2,…, n)も検出される。このようにして信号分析器では、遅延電気信号Diと結合信号Ciとの干渉信号Ri (i=1, 2,…, n)が生じる。干渉信号Riにおける各振幅と、周波数fiとの関係を図で表せば、周波数周期Δfが得られる。物質中の音速Vは、物質のもう一方の界面と圧電基板との距離Zの２倍と、周波数周期Δfとの積から算出される。つまり、物質中の音速Vは、V=2ZΔfで表される。
【００５２】
第１のタイプの超音波速度測定装置では、入力電気信号Eiが交流バイアス信号Si (i=1, 2,…, n)を伴う構造が可能である。このとき、交流バイアス信号Siは、周波数fiをそれぞれ有する。このようにして信号分析器では、遅延電気信号Diと交流バイアス信号Siとの干渉信号Ri (i=1, 2,…, n)が検出される。干渉信号Riにおける各振幅と、周波数fiとの関係を図で表せば、周波数周期Δfが得られる。物質中の音速Vは、物質のもう一方の界面と圧電基板との距離Zの２倍と、周波数周期Δfとの積から算出される。つまり、物質中の音速Vは、V=2ZΔfで表される。
【００５３】
本発明の第２のタイプの超音波速度測定装置は第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、対向電極と、周波数掃引手段と、周波数分析手段から成る。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いる。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。周波数掃引手段は入力電気信号Ei (i=1, 2,…, n)を順次に発生させる。このとき、入力電気信号Eiは、周波数fiをそれぞれ有する。第１組み合わせ電極の櫛型電極Aと対向電極との間に入力電気信号Eiが順次に入力されると、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圧電基板の厚さに対する第１組み合わせ電極の電極周期長の割合が、第１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、第１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。縦波は、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る。このとき、第１組み合わせ電極の電極指の方向と、第２組み合わせ電極の電極指の方向とが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、先に照射された縦波の指向性よりも鋭くすることができる。反射された縦波は、第２組み合わせ電極の櫛型電極Bと対向電極との間で、遅延電気信号Diとして検出される。一方、第２組み合わせ電極の櫛型電極Bと対向電極との間では、入力電気信号Eiからの結合信号Ciも検出される。このようにして信号分析器では、遅延電気信号Diと結合信号Ciとの干渉信号Riが検出される。干渉信号Riおける各振幅と、周波数fiとの関係から周波数周期Δfが得られ、物質中の音速Vは周波数周期Δfから算出される。
【００５４】
第２のタイプの超音波速度測定装置では、第１および第２組み合わせ電極の代わりに第１および第２櫛型電極がそれぞれ設けられた構造が可能である。もしも、第１櫛型電極と対向電極との間に入力電気信号Eiが順次に入力されると、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、反射された縦波は、第２櫛型電極と対向電極との間で遅延電気信号Diとして検出される。また、第２櫛型電極と対向電極との間では、入力電気信号Eiからの結合信号Ciも検出される。このようにして信号分析器では、遅延電気信号Diと結合信号Ciとの干渉信号Riが検出される。また、入力電気信号Eiが交流バイアス信号Si (i=1, 2,…, n)を伴う構造が可能である。このとき、交流バイアス信号Siは、周波数fiをそれぞれ有する。このようにして信号分析器では、遅延電気信号Diと交流バイアス信号Siとの干渉信号Ri (i=1, 2,…, n)が検出される。
【００５５】
第１および第２のタイプの超音波速度測定装置では、物質が液体や細胞質で成る構造が可能であり、固体だけでなく、液体や細胞質中の音速を求めることが可能である。また、物質の一方の界面と接触する部位に、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。つまり、第１のタイプでは対向電極の下端面に、第２のタイプでは第１組み合わせ電極の下端面や、第１櫛型電極の下端面に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。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の超音波速度測定装置の第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】本発明の超音波速度測定装置の第２の実施例を示す断面図。
【図４】第１組み合わせ電極８および第２組み合わせ電極１０の構成図。
【図５】図３の超音波速度測定装置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６】組み合わせ電極２の電極指交叉領域を示す平面図。
【図７】第１組み合わせ電極８の電極指交叉領域を示す平面図。
【図８】図３の超音波速度測定装置における周波数fiのうちの１つについての観測波形。
【図９】図３の超音波速度測定装置における周波数fiのうちの１つについての観測波形。
【図１０】図３の超音波速度測定装置における周波数fiのうちの１つについての観測波形。
【図１１】干渉信号Riの電圧の振幅と、周波数fiとの関係を示す特性図。
【図１２】豚肉の４種類の部分と、それらを伝搬する音速Vとの関係を示す特性図。
【図１３】図３の超音波速度測定装置における周波数f'iのうちの１つについての観測波形。
【図１４】図３の超音波速度測定装置における周波数f'iのうちの１つについての観測波形。
【図１５】本発明の超音波速度測定装置の第３の実施例を示す断面図。
【図１６】第１組み合わせ電極１２および第２組み合わせ電極１３の構成図。
【図１７】本発明の超音波速度測定装置の第４の実施例を示す断面図。
【図１８】第１櫛型電極１４および第２櫛型電極１５の構成図。
【符号の説明】
１    圧電基板
２    組み合わせ電極
３    対向電極
４    周波数掃引手段
５    周波数分析手段
６    反射板
７    第１圧電基板
８    第１組み合わせ電極
９    第２圧電基板
１０  第２組み合わせ電極
１１  シリコンゴム
１２  第１組み合わせ電極
１３  第２組み合わせ電極
１４  第１櫛型電極
１５  第２櫛型電極
８A，８B    櫛型電極
１０A，１０B    櫛型電極
１２A，１２B    櫛型電極
１３A，１３B    櫛型電極
【図１】
0004035707.tif 000002
【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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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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