(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、すだれ状トランスデューサおよび増幅器から成る超音波照射デバイスであって、前記組み合わせ電極および前記すだれ状トランスデューサは、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が接触しており、前記櫛型電極Aと前記対向電極の間に電気信号が入力されることにより、前記物質中に縦波が照射されるとともに、前記圧電基板にラム波が励振され、前記縦波は垂直成分と非垂直成分から成り、前記ラム波は、前記すだれ状トランスデューサによって遅延電気信号として検出され、前記遅延電気信号は、前記増幅器によって増幅されて、再び前記櫛型電極Aと前記対向電極の間に入力され、前記組み合わせ電極、前記すだれ状トランスデューサおよび前記増幅器は遅延線発振器を構成する超音波照射デバイス。
【請求項２】
前記櫛型電極Aの電極指幅は、前記櫛型電極Bの電極指幅よりも長い請求項１に記載の超音波照射デバイス。
【請求項３】
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倍以下に設定されることにより、前記物質中に照射される前記縦波の前記非垂直成分が抑圧される請求項１または２に記載の超音波照射デバイス。
【請求項４】
前記櫛型電極Aにスキャニングシステムが接続された超音波照射デバイスであって、前記スキャニングシステムは、前記櫛型電極Aの電極指にそれぞれ対応するスイッチを成分とする少なくとも２つのグループから成り、前記グループの中の１つとその次の１つは、前記グループの中の前記１つに含まれる最初のスイッチと前記次の１つに含まれる最後のスイッチを除き互いに共通のスイッチを含み、前記櫛型電極Aと前記対向電極の間に前記グループの各々を介して順次電気信号が入力されることにより、スキャンされた超音波ビームとして前記縦波が前記物質中に照射される請求項１，２または３に記載の超音波照射デバイス。
【請求項５】
圧電基板、櫛型電極、対向電極、すだれ状トランスデューサおよび増幅器から成る超音波照射デバイスであって、前記櫛型電極および前記すだれ状トランスデューサは、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が接触しており、前記櫛型電極と前記対向電極の間に電気信号が入力されることにより、前記物質中に縦波が照射されるとともに、前記圧電基板にラム波が励振され、前記縦波は垂直成分と非垂直成分から成り、前記ラム波は、前記すだれ状トランスデューサによって遅延電気信号として検出され、前記遅延電気信号は、前記増幅器によって増幅されて、再び前記櫛型電極と前記対向電極の間に入力され、前記櫛型電極、前記すだれ状トランスデューサおよび前記増幅器は遅延線発振器を構成する超音波照射デバイス。
【請求項６】
前記櫛型電極にスキャニングシステムが接続された超音波照射デバイスであって、前記スキャニングシステムは、前記櫛型電極の電極指にそれぞれ対応するスイッチを成分とする少なくとも２つのグループから成り、前記グループの中の１つとその次の１つは、前記グループの中の前記１つに含まれる最初のスイッチと前記次の１つに含まれる最後のスイッチを除き互いに共通のスイッチを含み、前記櫛型電極と前記対向電極の間に前記グループの各々を介して順次電気信号が入力されることにより、スキャンされた超音波ビームとして前記縦波が前記物質中に照射される請求項５に記載の超音波照射デバイス。
【請求項７】
前記圧電基板が圧電セラミック薄板で成り、前記圧電セラミック薄板の分極軸の方向がその厚さ方向と平行である請求項１，２，３，４，５または６に記載の超音波照射デバイス。
【請求項８】
前記物質が液体または細胞質で成る請求項１，２，３，４，５，６または７に記載の超音波照射デバイス。
【請求項９】
前記対向電極の下端面に高分子膜が塗布された請求項１，２，３，４，５，６，７または８に記載の超音波照射デバイス。
【請求項１０】
前記圧電基板の下端面に非圧電板が設けられている請求項１，２，３，４，５，６，７，８または９に記載の超音波照射デバイス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、物質中に多様な角度で効率よく超音波を照射する超音波照射デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
液体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広く用いられている。このような従来型のトランスデューサでは、液体中への超音波の照射角度を制御することが難しく、特に斜め方向への照射が困難である。また、動作周波数が単一で高周波駆動が難しいという問題を有する。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、従来の厚み振動モードの圧電トランスデューサや漏洩波トランスデューサは、単一周波数帯での動作に限定され、しかも、超音波の照射方向が圧電基板に対しある一定の角度に限定されるという問題を有している。
【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、物質中に多様な角度で超音波を照射でき、低消費電力駆動が可能で、耐環境性にも優れる超音波照射デバイス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に記載の超音波照射デバイスは、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、すだれ状トランスデューサおよび増幅器から成る超音波照射デバイスであって、前記組み合わせ電極および前記すだれ状トランスデューサは、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が接触しており、前記櫛型電極Aと前記対向電極の間に電気信号が入力されることにより、前記物質中に縦波が照射されるとともに、前記圧電基板にラム波が励振され、前記縦波は垂直成分と非垂直成分から成り、前記ラム波は、前記すだれ状トランスデューサによって遅延電気信号として検出され、前記遅延電気信号は、前記増幅器によって増幅されて、再び前記櫛型電極Aと前記対向電極の間に入力される。
【０００５】
請求項２に記載の超音波照射デバイスは、前記櫛型電極Aの電極指幅が前記櫛型電極Bの電極指幅よりも長い。
【０００６】
請求項３に記載の超音波照射デバイスは、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倍以下に設定されることにより、前記物質中に照射される前記縦波の前記非垂直成分が抑圧される。
【０００７】
本発明の超音波照射デバイスは、前記櫛型電極Aの電極指の総面積が不変であるならば、前記組み合わせ電極の電極対の数が多いほど、前記物質中に照射される前記縦波の前記非垂直成分が抑圧される。
【０００８】
請求項４に記載の超音波照射デバイスは、前記櫛型電極Aにスキャニングシステムが接続された超音波照射デバイスであって、前記スキャニングシステムは、前記櫛型電極Aの電極指にそれぞれ対応するスイッチを成分とする少なくとも２つのグループから成り、前記グループの中の１つとその次の１つは、前記グループの中の前記１つに含まれる最初のスイッチと前記次の１つに含まれる最後のスイッチを除き互いに共通のスイッチを含み、前記櫛型電極Aと前記対向電極の間に前記グループの各々を介して順次電気信号が入力されることにより、スキャンされた超音波ビームとして前記縦波が前記物質中に照射される。
【０００９】
請求項５に記載の超音波照射デバイスは、圧電基板、櫛型電極、対向電極、すだれ状トランスデューサおよび増幅器から成る超音波照射デバイスであって、前記櫛型電極および前記すだれ状トランスデューサは、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が接触しており、前記櫛型電極と前記対向電極の間に電気信号が入力されることにより、前記物質中に縦波が照射されるとともに、前記圧電基板にラム波が励振され、前記縦波は垂直成分と非垂直成分から成り、前記ラム波は、前記すだれ状トランスデューサによって遅延電気信号として検出され、前記遅延電気信号は、前記増幅器によって増幅されて、再び前記櫛型電極と前記対向電極の間に入力される。
【００１０】
請求項６に記載の超音波照射デバイスは、前記櫛型電極にスキャニングシステムが接続された超音波照射デバイスであって、前記スキャニングシステムは、前記櫛型電極の電極指にそれぞれ対応するスイッチを成分とする少なくとも２つのグループから成り、前記グループの中の１つとその次の１つは、前記グループの中の前記１つに含まれる最初のスイッチと前記次の１つに含まれる最後のスイッチを除き互いに共通のスイッチを含み、前記櫛型電極と前記対向電極の間に前記グループの各々を介して順次電気信号が入力されることにより、スキャンされた超音波ビームとして前記縦波が前記物質中に照射される。
【００１１】
請求項７に記載の超音波照射デバイスは、前記圧電基板が圧電セラミック薄板で成り、前記圧電セラミック薄板の分極軸の方向がその厚さ方向と平行である。
【００１２】
請求項８に記載の超音波照射デバイスは、前記物質が液体または細胞質で成る。
【００１３】
請求項９に記載の超音波照射デバイスは、前記対向電極の下端面に高分子膜が塗布されている。
【００１４】
請求項１０に記載の超音波照射デバイスは、前記圧電基板の下端面に非圧電板が設けられている。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の超音波照射デバイスは、２つのタイプに大別される。第１のタイプの超音波照射デバイスは、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、すだれ状トランスデューサおよび増幅器から成る簡単な構造を有する。組み合わせ電極およびすだれ状トランスデューサは、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、物質が接触している。もしも、櫛型電極Aと対向電極との間に電気信号が入力されると、圧電基板にラム波が励振されるのと同時に、物質中に縦波が照射される。この縦波は圧電基板の下端面に対し垂直な成分と、垂直でない成分から成る。一方、ラム波はすだれ状トランスデューサによって遅延電気信号として検出され、この遅延電気信号は増幅器によって増幅されて、再び櫛型電極Aと対向電極の間に入力される。このようにして、自励発振型の超音波照射デバイスを形成することが可能になる。従って、回路構成が簡単になり、デバイスの小型軽量化が促進され、低電圧で低消費電力駆動が可能となる。なお、本発明の第１のタイプの超音波照射デバイスでは、増幅器の代わりに信号発生器を備えた構造も可能である。
【００１６】
本発明の第１のタイプの超音波照射デバイスでは、櫛型電極Aの電極指幅が櫛型電極Bの電極指幅よりも長い構造を採用することにより、縦波を効率よく物質中に照射することが可能となる。
【００１７】
本発明の第１のタイプの超音波照射デバイスでは、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を、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倍以下に設定することにより、縦波の非垂直成分を抑圧することができる。
【００１８】
本発明の第１のタイプの超音波照射デバイスでは、櫛型電極Aの電極指の総面積が不変であるならば、組み合わせ電極の電極対の数が多いほど、縦波の非垂直成分が抑圧される。
【００１９】
本発明の第１のタイプの超音波照射デバイスでは、櫛型電極Aにスキャニングシステムが接続された構造が可能である。スキャニングシステムは、櫛型電極Aの電極指にそれぞれ対応するスイッチから成る。これらのスイッチは少なくとも２つのグループを形成する。グループの中の１つとその次の１つは、前者に含まれる最初のスイッチと後者に含まれる最後のスイッチを除き互いに共通のスイッチを有する。もしも、櫛型電極Aと対向電極の間にグループの各々を介して順次電気信号が入力されると、物質中にグループの数の縦波が照射される。これらの縦波は、全体としては、スキャンされた超音波ビームとして照射される。
【００２０】
本発明の第２のタイプの超音波照射デバイスは、圧電基板、櫛型電極、対向電極、すだれ状トランスデューサおよび増幅器から成る簡単な構造を有する。櫛型電極およびすだれ状トランスデューサ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、物質が接触している。もしも、櫛型電極と対向電極の間に電気信号が入力されると、圧電基板にラム波が励振されるのと同時に、物質中に縦波が照射される。この縦波は圧電基板の下端面に対し垂直な成分と、垂直でない成分から成る。一方、ラム波はすだれ状トランスデューサによって遅延電気信号として検出され、この遅延電気信号は増幅器を介して再び櫛型電極と対向電極の間に入力される。このようにして、自励発振型の超音波照射デバイスを形成することが可能になる。従って、回路構成が簡単になり、デバイスの小型軽量化が促進され、低電圧で低消費電力駆動が可能となる。なお、本発明の第２のタイプの超音波照射デバイスでは、増幅器の代わりに信号発生器を備えた構造も可能である。
【００２１】
本発明の第２のタイプの超音波照射デバイスでは、圧電基板の厚さに対する櫛型電極の電極周期長の割合を、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倍以下に設定することにより、縦波の非垂直成分を抑圧することができる。
【００２２】
本発明の第２のタイプの超音波照射デバイスでは、櫛型電極の電極指の総面積が不変であるならば、櫛型電極の電極対の数が多いほど、縦波の非垂直成分が抑圧される。
【００２３】
本発明の第２のタイプの超音波照射デバイスでは、櫛型電極にスキャニングシステムが接続された構造が可能である。スキャニングシステムは、櫛型電極の電極指にそれぞれ対応するスイッチから成る。これらのスイッチは少なくとも２つのグループを形成する。グループの中の１つとその次の１つは、前者に含まれる最初のスイッチと後者に含まれる最後のスイッチを除き互いに共通のスイッチを有する。もしも、櫛型電極と対向電極の間にグループの各々を介して順次電気信号が入力されると、物質中にグループの数の縦波が照射される。これらの縦波は、全体としては、スキャンされた超音波ビームとして照射される。
【００２４】
本発明の超音波照射デバイスでは、圧電基板が圧電セラミック薄板で成り、圧電セラミック薄板の分極軸の方向がその厚さ方向と平行であるような構造を採用することにより、縦波を効率よく物質中に照射することが可能となる。
【００２５】
本発明の超音波照射デバイスでは、物質が液体や細胞質で成る構造が可能である。つまり、本発明の超音波照射デバイスを用いれば、液体や細胞質中に効率よく縦波を照射することができる。また、細胞質を覆う皮膚上に軟膏を塗布することにより、その軟膏中の有効成分を効率よく細胞質の中に浸透させることができる。このようにして、本発明の超音波照射デバイスは注射器としての機能を果たすことが可能である。
【００２６】
本発明の超音波照射デバイスでは、対向電極の下端面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。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。
【００２７】
本発明の超音波照射デバイスでは、圧電基板の下端面に非圧電板が設けられた構造が可能である。非圧電板の材質としては、それを伝搬する超音波の位相速度が圧電基板を伝搬する超音波の位相速度よりも大きいことを必要とする。このような非圧電板を採用することにより、ラム波の物質中への漏洩を防ぐことができる。
【００２８】
【実施例】
図１は本発明の超音波照射デバイスの第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、シリコンゴム４、すだれ状トランスデューサ５、ガラス板６、増幅器７およびスイッチ８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およびすだれ状トランスデューサ５は、ともに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。すだれ状トランスデューサ５は900μmの電極周期長を有する。対向電極３はアルミニウム薄膜で成り、圧電基板１の下端面の一部に設けられている。圧電基板１の下端面の残部にはガラス板６が設けられている。また、ガラス板６を伝搬する超音波の位相速度は圧電基板１を伝搬する超音波の位相速度よりも大きい。シリコンゴム４は対向電極３の下端面に設けられている。このようにして、図１の超音波照射デバイスは、小型軽量でしかも構造が簡単である。
【００２９】
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５つの電極対を有し、５mmの電極重複幅（L）と、900μｍの電極周期長（P）を有する。すだれ状トランスデューサ５の電極周期長は、組み合わせ電極２の電極周期長（P）と等しい。組み合わせ電極２は櫛型電極２Aおよび２Bから成る。櫛型電極２Aは180μmの電極指幅（WA）を有し、櫛型電極２Bは48μmの電極指幅（WB）を有する。図１では、増幅器７は櫛型電極２Aとすだれ状トランスデューサ５の間に接続されている。また、スイッチ８により、櫛型電極２Bが接地された状態またはされない状態になる。
【００３０】
図１の超音波照射デバイスにおいて、電気信号が櫛型電極２Aと対向電極３の間に印加されると、シリコンゴム４を介して物質中に縦波が照射されるのと同時に、圧電基板１にラム波が励振される。ラム波は圧電基板１の板面に沿った方向に伝搬される。このとき、ガラス板６を採用することにより、ラム波の物質中への漏洩を防ぐことができる。これは、ガラス板６を伝搬する超音波の位相速度が圧電基板１を伝搬する超音波の位相速度よりも大きいことに因る。ラム波はすだれ状トランスデューサ５で遅延電気信号として検出され、この遅延電気信号は増幅器７によって増幅されて、再び櫛型電極２Aと対向電極３の間に入力電気信号として入力される。つまり、組み合わせ電極２、すだれ状トランスデューサ５および増幅器７は遅延線発振器を構成する。このようにして、自励発振型の超音波照射デバイスを形成することが可能になる。従って、回路構成が簡単になり、デバイスの小型軽量化が促進され、低電圧で低消費電力駆動が可能となる。
【００３１】
一方、シリコンゴム４を介して物質中に照射された縦波は圧電基板１の下端面に対し垂直な成分と、垂直でない成分から成る。このとき、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。また、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1.8となり、この値は0.333の４倍よりも大きい。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、垂直成分および非垂直成分から成る縦波が効率よく水中に照射される。つまり、このような条件が多方向への照射を可能にすることを意味する。また、櫛型電極２Bが接地された状態にあるかどうかということも、縦波の非垂直成分の強度に影響を及ぼす。すなわち、櫛型電極２Bが接地された状態にある場合には、非垂直成分の強度が大きい。
【００３２】
垂直成分および非垂直成分から成る縦波は細胞質中にも効率よく照射される。この場合、もしも皮膚の上に軟膏などが塗布されていれば、その軟膏中の有効成分を効率よく細胞質の中に浸透させることが可能である。この場合、図１の超音波照射デバイスは注射器としての機能を果たす。
【００３３】
図３は本発明の超音波照射デバイスの第２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、スイッチ８および信号発生器９から成る。図３の超音波照射デバイスを用いて物質中に超音波を照射する場合には、対向電極３の下端面をその物質と接触させておく必要がある。
【００３４】
図３の超音波照射デバイスにおいて、信号発生器９からの電気信号が櫛型電極２Aと対向電極３の間に印加されると、対向電極３の下端面を介して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と、垂直でない成分から成る。櫛型電極２Bが接地された状態にあるかどうかということは、縦波の非垂直成分の強度に影響を及ぼす。もしも櫛型電極２Bが接地された状態にある場合には、非垂直成分の強度が大きい。
【００３５】
図４は本発明の超音波照射デバイスの第３の実施例を示す断面図である。本実施例は圧電基板１、対向電極３、シリコンゴム４、ガラス板６、増幅器７、スイッチ８、スキャニングシステム１０、組み合わせ電極１１およびすだれ状トランスデューサ１２から成る。すだれ状トランスデューサ１２は225μmの電極周期長を有する。
【００３６】
図５は組み合わせ電極１１の部分平面図である。組み合わせ電極１１は櫛型電極１１Aおよび１１Bから成る。図５にはスキャニングシステム１０も描かれている。スキャニングシステム１０は、櫛型電極１１Aと、増幅器７の間に備えられている。組み合わせ電極１１は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。すだれ状トランスデューサ１２の電極周期長は、組み合わせ電極１１の電極周期長（P）と等しい。櫛型電極１１Aは45μmの電極指幅（WA）を有し、櫛型電極１１Bは12μmの電極指幅（WB）を有する。図４の超音波照射デバイスでは、スキャニングシステム１０は20個のスイッチを有し、それらのスイッチは櫛型電極１１Aの電極指とそれぞれ対応している。20個のスイッチは17個のグループを作り、各グループには4個のスイッチが所属している。つまり、１つのグループとその次のグループは、前者の最初のスイッチと後者の最後のスイッチを除き、３つのスイッチを共有している。たとえば、第２グループと第３グループは、第２グループの最初のスイッチと第３グループの最後のスイッチを除き、３つのスイッチを共有している。
【００３７】
図４の超音波照射デバイスにおいて、スキャニングシステム１０の17個のグループを介して電気信号が櫛型電極１１Aと、対向電極３の間に順次に印加されると、シリコンゴム４を介して物質中に17個の縦波が照射されるのと同時に、圧電基板１にラム波が励振される。ラム波は圧電基板１の板面に沿った方向に伝搬され、すだれ状トランスデューサ１２で遅延電気信号として検出される。この遅延電気信号は増幅器７によって増幅されて、再び櫛型電極１１Aと対向電極３の間に入力電気信号として入力される。つまり、組み合わせ電極１１、すだれ状トランスデューサ１２および増幅器７は遅延線発振器を構成する。このようにして、自励発振型の超音波照射デバイスを形成することが可能になる。従って、回路構成が簡単になり、デバイスの小型軽量化が促進され、低電圧で低消費電力駆動が可能となる。
【００３８】
一方、シリコンゴム４を介して物質中に照射された17個の縦波は、圧電基板１の下端面に対し垂直な成分と、垂直でない成分から成る。これらの縦波は、全体としては、スキャンされた超音波ビームとして物質中に照射される。もしもその物質が水の場合には、VW/Vは、前述した通りほぼ0.333となる。一方、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各縦波の非垂直成分が抑圧される。従って、圧電基板１の下端面に対し垂直な成分で成る超音波ビームが、シリコンゴム４を介して効率よく水中に照射される。
【００３９】
図６は本発明の超音波照射デバイスの第４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、シリコンゴム４、スイッチ８、信号発生器９、スキャニングシステム１０および組み合わせ電極１１から成る。
【００４０】
図６の超音波照射デバイスにおいて、スキャニングシステム１０の17個のグループを介して信号発生器９からの電気信号が櫛型電極１１Aと、対向電極３の間に順次に印加されると、シリコンゴム４を介して物質中に17個の縦波が照射される。17個の縦波は、圧電基板１の下端面に対し垂直な成分と、垂直でない成分から成る。これらの縦波は、全体としては、スキャンされた超音波ビームとして物質中に照射される。
【００４１】
図７は、図１の超音波照射デバイス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。但し、櫛型電極２Bが接地されていないときの特性図である。図７から、縦波の垂直成分の他に、45°と45°の非垂直成分が存在することがわかる。このことは、垂直成分および非垂直成分から成る縦波が、たとえば皮膚を通して細胞質中に効率よく照射されることを意味する。
【００４２】
図８は、図１の超音波照射デバイス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。但し、櫛型電極２Bが接地されているときの特性図である。図８から、縦波の垂直成分の他に、45°と45°の非垂直成分が存在し、しかもそれらの非垂直成分が図７の場合よりも大きいことがわかる。このことは、垂直成分および非垂直成分から成る縦波が物質中に効率よく照射されることを意味するとともに、櫛型電極２Bの電気的な状態が非垂直成分の存在を左右するということを示唆する。
【００４３】
図９は、図４の超音波照射デバイス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９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、組み合わせ電極１１が組み合わせ電極２に比べて、縦波の非垂直成分の抑圧効果に優れていることを示す。このようにして、組み合わせ電極１１を採用すれば、ほぼ垂直成分から成る超音波ビーム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できる。
【００４４】
図１０は組み合わせ電極１１の電極指交叉領域を示す平面図である。
【００４５】
図１１は組み合わせ電極１３の電極指交叉領域を示す平面図である。組み合わせ電極１３は櫛型電極１３Aおよび１３Bから成る。組み合わせ電極１３は１５個の電極対を有し、５mmの電極重複幅（L）と、300μｍの電極周期長（P）を有する。櫛型電極１３Aは60μmの電極指幅（WA）を有し、櫛型電極１３Bは15μmの電極指幅（WB）を有する。組み合わせ電極１３の電極指交叉領域の大きさは、組み合わせ電極１１の電極指交叉領域の大きさと同じである。また、櫛型電極１３Aの電極指の総面積は、櫛型電極１１Aの電極指の総面積と等しい。
【００４６】
図１０と図１１を比較すると、組み合わせ電極１１と組み合わせ電極１３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（WAおよびWB）、そして第３に電極周期長（P）である。組み合わせ電極１１の電極対の数は組み合わせ電極１３の4/3であり、組み合わせ電極１１の電極周期長（P）は組み合わせ電極１３の3/4であり、櫛型電極１１Aの電極指幅（WA）は櫛型電極１３Aの3/4である。実際に、組み合わせ電極１３を採用した場合に比べて、組み合わせ電極１１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。
【００４７】
図１２は、本発明の超音波照射デバイスの第５の実施例を示す断面図である。本実施例は圧電基板１、対向電極３、シリコンゴム４、すだれ状トランスデューサ５、ガラス板６、増幅器７および櫛型電極１４から成る。
【００４８】
図１３は櫛型電極１４の平面図である。櫛型電極１４は10本の電極指を有し、５mmの電極重複幅（L）と、700μmの電極指幅（W）と、900μｍの電極周期長（P）を有する。すだれ状トランスデューサ５の電極周期長は、櫛型電極１４の電極周期長（P）と等しい。
【００４９】
図１２の超音波照射デバイスにおいて、電気信号が櫛型電極１４と対向電極３の間に印加されると、シリコンゴム４を介して物質中に縦波が照射されるのと同時に、圧電基板１にラム波が励振される。ラム波は圧電基板１の板面に沿った方向に伝搬され、すだれ状トランスデューサ５で遅延電気信号として検出される。この遅延電気信号は増幅器７によって増幅されて、再び櫛型電極１４と対向電極３の間に入力電気信号として入力される。つまり、櫛型電極１４、すだれ状トランスデューサ５および増幅器７は遅延線発振器を構成する。
【００５０】
一方、シリコンゴム４を介して物質中に照射された縦波は、圧電基板１の下端面に対し垂直な成分と、垂直でない成分から成る。このとき、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、多方向への縦波照射が可能になる。
【００５１】
図１４は本発明の超音波照射デバイスの第６の実施例を示す断面図である。本実施例は圧電基板１、対向電極３、シリコンゴム４、信号発生器９および櫛型電極１４から成る。
【００５２】
図１４の超音波照射デバイスにおいて、信号発生器９からの電気信号が櫛型電極１４と対向電極３の間に印加されると、シリコンゴム４を介して物質中に縦波が照射される。このとき、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、多方向への縦波照射が可能になる。
【００５３】
図１５は、本発明の超音波照射デバイスの第７の実施例を示す断面図である。本実施例は圧電基板１、対向電極３、シリコンゴム４、ガラス板６、増幅器７、すだれ状トランスデューサ１２、スキャニングシステム１５および櫛型電極１６から成る。
【００５４】
図１６は櫛型電極１６の部分平面図である。図１６にはスキャニングシステム１５も描かれている。櫛型電極１６は40本の電極指を有し、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。すだれ状トランスデューサ１２の電極周期長は、櫛型電極１６の電極周期長（P）と等しい。図１６の超音波照射デバイスでは、スキャニングシステム１５は40個のスイッチを有し、それらのスイッチは櫛型電極１６の電極指とそれぞれ対応している。40個のスイッチは35個のグループを作り、各グループには6個のスイッチが所属している。つまり、１つのグループとその次のグループは、前者の最初のスイッチと後者の最後のスイッチを除き、５つのスイッチを共有している。たとえば、第３グループと第４グループは、第３グループの最初のスイッチと第４グループの最後のスイッチを除き、５つのスイッチを共有している
【００５５】
図１５の超音波照射デバイスにおいて、スキャニングシステム１５の35個のクループを介して電気信号が櫛型電極１６と、対向電極３の間に順次に印加されると、シリコンゴム４を介して物質中に35個の縦波が照射されるのと同時に、圧電基板１にラム波が励振される。ラム波は圧電基板１の板面に沿った方向に伝搬され、すだれ状トランスデューサ１２で遅延電気信号として検出される。この遅延電気信号は増幅器７によって増幅されて、再び櫛型電極１６と対向電極３の間に入力電気信号として入力される。つまり、櫛型電極１６、すだれ状トランスデューサ１２および増幅器７は遅延線発振器を構成する。
【００５６】
一方、シリコンゴム４を介して物質中に照射された縦波は、圧電基板１の下端面に対し垂直な成分と、垂直でない成分から成る。このとき、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、圧電基板１の下端面に対し垂直な方向への超音波ビームの照射が可能になる。
【００５７】
図１７は、本発明の超音波照射デバイスの第８の実施例を示す断面図である。本実施例は圧電基板１、対向電極３、シリコンゴム４、信号発生器９、スキャニングシステム１５および櫛型電極１６から成る。
【００５８】
図１７の超音波照射デバイスにおいて、スキャニングシステム１５の35個のクループを介して信号発生器９からの電気信号が櫛型電極１６と、対向電極３の間に順次に印加されると、シリコンゴム４を介して物質中に35個の縦波が照射される。これらの縦波は、全体としては、スキャンされた超音波ビームとして物質中に照射される。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、圧電基板１の下端面に対し垂直な方向への超音波ビームの照射が可能になる。
【００５９】
【発明の効果】
本発明の第１のタイプの超音波照射デバイスは、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、すだれ状トランスデューサおよび増幅器から成る。組み合わせ電極およびすだれ状トランスデューサは、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。もしも、櫛型電極Aと対向電極との間に電気信号が入力されると、圧電基板にラム波が励振されるのと同時に、対向電極の下端面と接触する物質中に縦波が照射される。この縦波は圧電基板の下端面に対し垂直な成分と、垂直でない成分から成る。一方、ラム波はすだれ状トランスデューサによって遅延電気信号として検出され、この遅延電気信号は増幅器を介して再び櫛型電極Aと対向電極の間に入力される。このようにして、自励発振型の超音波照射デバイスを形成することが可能になる。従って、回路構成が簡単になり、デバイスの小型軽量化が促進され、低電圧で低消費電力駆動が可能となる。
【００６０】
本発明の第１のタイプの超音波照射デバイスでは、櫛型電極Aの電極指幅が櫛型電極Bの電極指幅よりも長い構造を採用することにより、縦波を効率よく物質中に照射することが可能となる。また、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を、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倍以下に設定することにより、縦波の非垂直成分を抑圧することができる。さらに、櫛型電極Aの電極指の総面積が不変であるならば、組み合わせ電極の電極対の数が多いほど、縦波の非垂直成分が抑圧される。
【００６１】
本発明の第１のタイプの超音波照射デバイスでは、櫛型電極Aにスキャニングシステムが接続された構造が可能である。スキャニングシステムは、櫛型電極Aの電極指にそれぞれ対応するスイッチから成る。これらのスイッチは少なくとも２つのグループを形成する。グループの中の１つとその次の１つは、前者に含まれる最初のスイッチと後者に含まれる最後のスイッチを除き互いに共通のスイッチを有する。もしも、櫛型電極Aと対向電極の間にグループの各々を介して順次電気信号が入力されると、物質中にグループの数の縦波が照射される。これらの縦波は、全体としては、スキャンされた超音波ビームとして照射される。
【００６２】
本発明の第２のタイプの超音波照射デバイスは、圧電基板、櫛型電極、対向電極、すだれ状トランスデューサおよび増幅器から成る。櫛型電極およびすだれ状トランスデューサ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。もしも、櫛型電極と対向電極の間に電気信号が入力されると、圧電基板にラム波が励振されるのと同時に、対向電極の下端面と接触する物質中に縦波が照射される。この縦波は圧電基板の下端面に対し垂直な成分と、垂直でない成分から成る。一方、ラム波はすだれ状トランスデューサによって遅延電気信号として検出され、この遅延電気信号は増幅器を介して再び櫛型電極と対向電極の間に入力される。このようにして、自励発振型の超音波照射デバイスを形成することが可能になる。従って、回路構成が簡単になり、デバイスの小型軽量化が促進され、低電圧で低消費電力駆動が可能となる。
【００６３】
本発明の第２のタイプの超音波照射デバイスでは、圧電基板の厚さに対する櫛型電極の電極周期長の割合を、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倍以下に設定することにより、縦波の非垂直成分を抑圧することができる。また、櫛型電極の電極指の総面積が不変であるならば、櫛型電極の電極対の数が多いほど、縦波の非垂直成分が抑圧される。
【００６４】
本発明の第２のタイプの超音波照射デバイスでは、櫛型電極にスキャニングシステムが接続された構造が可能である。スキャニングシステムは、櫛型電極の電極指にそれぞれ対応するスイッチから成る。これらのスイッチは少なくとも２つのグループを形成する。グループの中の１つとその次の１つは、前者に含まれる最初のスイッチと後者に含まれる最後のスイッチを除き互いに共通のスイッチを有する。もしも、櫛型電極と対向電極の間にグループの各々を介して順次電気信号が入力されると、物質中にグループの数の縦波が照射される。これらの縦波は、全体としては、スキャンされた超音波ビームとして照射される。
【００６５】
本発明の超音波照射デバイスでは、圧電基板が圧電セラミック薄板で成り、圧電セラミック薄板の分極軸の方向がその厚さ方向と平行であるような構造を採用することにより、縦波を効率よく物質中に照射することが可能となる。また、液体や細胞質中に縦波を照射することも可能である。すなわち、細胞質を覆う皮膚上に軟膏を塗布することにより、その軟膏中の有効成分を効率よく細胞質の中に浸透させることができる。このようにして、本発明の超音波照射デバイスは注射器としての機能を果たすことが可能である。さらに、対向電極の下端面にシリコンゴム等の高分子膜が塗布された構造を採用すれば、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。
【００６６】
本発明の超音波照射デバイスでは、圧電基板の下端面の一部に対向電極が設けられているが、残部に非圧電板を設けることができる。非圧電板の材質としては、それを伝搬する超音波の位相速度が圧電基板を伝搬する超音波の位相速度よりも大きいことを必要とする。このような非圧電板を採用することにより、ラム波の物質中への漏洩を防ぐことができる。なお、本発明の超音波照射デバイスでは、増幅器の代わりに信号発生器を備えた構造も可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の超音波照射デバイスの第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】本発明の超音波照射デバイスの第２の実施例を示す断面図。
【図４】本発明の超音波照射デバイスの第３の実施例を示す断面図。
【図５】組み合わせ電極１１の部分平面図。
【図６】本発明の超音波照射デバイスの第４の実施例を示す断面図。
【図７】図１の超音波照射デバイス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８】図１の超音波照射デバイス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９】図４の超音波照射デバイス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１０】組み合わせ電極１１の電極指交叉領域を示す平面図。
【図１１】組み合わせ電極１３の電極指交叉領域を示す平面図。
【図１２】本発明の超音波照射デバイスの第５の実施例を示す断面図。
【図１３】櫛型電極１４の平面図。
【図１４】本発明の超音波照射デバイスの第６の実施例を示す断面図。
【図１５】本発明の超音波照射デバイスの第７の実施例を示す断面図。
【図１６】櫛型電極１６の部分平面図。
【図１７】本発明の超音波照射デバイスの第８の実施例を示す断面図。
【符号の説明】
１    圧電基板
２    組み合わせ電極
３    対向電極
４    シリコンゴム４
５    すだれ状トランスデューサ
６    ガラス板
７    増幅器
８    スイッチ
９    信号発生器
１０    スキャニングシステム
１１    組み合わせ電極
１２    すだれ状トランスデューサ
１３    組み合わせ電極
１４    櫛型電極
１５    スキャニングシステム
１６    櫛型電極
２A，２B    櫛型電極
１１A，１１B    櫛型電極
１３A，１３B    櫛型電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
0004045586.tif 000005
【図５】
0004045586.tif 000006
【図６】
0004045586.tif 000007
【図７】
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【図８】
0004045586.tif 000009
【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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