JP3705926B2

JP3705926B2 - 圧力波発生装置

Info

Publication number: JP3705926B2
Application number: JP11336998A
Authority: JP
Inventors: 裕之篠田
Original assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date: 1998-04-23
Filing date: 1998-04-23
Publication date: 2005-10-12
Anticipated expiration: 2018-04-23
Also published as: JPH11300274A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空気などの媒体を加熱して圧力波を発生させる圧力波発生装置に関するものであり、特に超音波発生装置として有用なものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の超音波発生装置のほとんどは、圧電効果や磁歪効果により機械的振動を発生させるものである。たとえば圧電効果を利用した超音波発生装置の場合は、たとえば円板状にチタン酸バリウムを焼結して両面に電極を焼付けた構造の振動発生素子を用い、素子の電極間に超音波電気信号を印加することにより、機械的振動を発生させる。発生した機械的振動は、空気などの媒質に伝達される。
【０００３】
このような機械的振動を利用する従来の超音波発生装置は、外部からの振動や外気圧の変動の影響を受けやすく、また固有の共振周波数をもつために、発生する超音波の周波数範囲を広くとることが困難であった。また集積回路技術がなじまないため、振動発生素子は単品でしか製造できず、回路のコンパクト化が困難であった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、外からの振動や外気圧の変動の影響を受けにくく、広い周波数範囲で安定に超音波などの圧力波を発生することができ、かつ集積回路技術を適用しての製造が容易な圧力波発生装置を提供するものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、電気的に駆動される発熱体薄膜を熱絶縁層上に被着された圧力波発生手段を用いることで課題の解決を図るものである。熱的に超音波を発生するには、電気的に駆動される発熱体を用いて表面の空気層に超音波周期の温度変化を与え、圧力波を生じさせればよい。しかし通常は、発熱体自体と発熱体を取り付ける基板の熱容量、および基板の熱伝導率のために発熱体表面の温度変化を大きくすることができず、超音波発生効率はかなり低いものとなる。そのため本発明は、発熱体を薄膜状に形成して表面積を大きくするとともに、発熱体と基板との間に熱伝導率のきわめて小さい多孔質層や高分子層などの熱絶縁層を設けて発熱体を基板から熱的に絶縁することにより、発熱体表面の温度変化が大きくなるようにして、超音波発生効率を向上させている。
【０００６】
本発明の圧力波発生装置は、従来の機械振動を用いる超音波発生装置に対して、次のような特長をもっている。
ａ．広帶域で強力であること。
ｂ．外気圧変動等に対して弱い構造を一切もたないこと。
ｃ．シリコン微細加工の技術によって比較的容易に精細な超音波アレイが得られ、その他周辺回路との一体化など、半導体集積回路の技術を適用して製造することができること。
【０００７】
本発明の圧力波発生装置は、以下のような構成を有することができる。
（１）シリコン基板と、シリコン基板上に設けられたポーラスシリコンからなる熱絶縁層と、該ポーラスシリコン熱絶縁層上に設けられて電気的に駆動される発熱体薄膜とを備えているデバイスを有することを特徴とする圧力波発生装置。
（２）表面に複数個のひだが形成されている基板と、基板表面の各ひだを覆うように設けられた熱絶縁層と、該熱絶縁層上に設けられて信号源により電気的に駆動される発熱体とを備え、上記ひだの間のギャップが、信号源の駆動周波数に応じて、ギャップ内の媒体の温度が発熱体の温度にほぼ追随できる程度の大きさに定められているデバイスを有し、該デバイスの面に垂直な方向に圧力波を発生するように構成されていることを特徴とする圧力波発生装置。
（３）前項（１）または（２）において、発熱体は電気抵抗体薄膜であることを特徴とする圧力波発生装置。
（４）前項（１）または（２）において、発熱体はペルチエ素子であることを特徴とする圧力波発生装置。
（５）前項（１）ないし（４）のいずれか１つにおいて、複数個のデバイスが、一次元状あるいは二次元状に一定間隔で配列されていることを特徴とする圧力波発生装置。
【０００８】
図１は、本発明による圧力波発生装置の基本的な構造を例示的方法で示す図であり、図１の（ａ）は装置の断面図、（ｂ）は装置の上面図である。図１の（ａ），（ｂ）において、１はシリコン（Ｓｉ）などの基板、２は基板１上に形成されたポーラスシリコン（Ｐｏ−Ｓｉ）や高分子材料膜などの熱絶縁層、３は熱絶縁層２上に被着されたアルミニウム（Ａｌ）などの発熱体薄膜、４，５は発熱体薄膜３の各端部に接続された信号端子、６は駆動用の超音波周波数の信号を発生する信号源である。
【０００９】
発熱体薄膜３は、ジュール熱を発生する電気抵抗体あるいはペルチエ効果による発熱／吸熱を行うペルチエ素子で構成され、信号端子４，５を介して信号源６により駆動される。なお、信号源６から発生される信号は、正負いずれか一方の極性となるように、交流成分と直流成分を合成したものである。
【００１０】
図１の（ａ）に示されるように、発熱体薄膜３と基板１の間には熱伝導率の小さい熱絶縁層２が設けられているので、熱絶縁層２が存在しない場合にくらべて発熱体薄膜３から基板１への熱の流失は小さく抑えられる。このため、発熱体薄膜３を駆動する信号のパワーに対して発熱体薄膜３に生じる温度変化が大きくなり、発熱体薄膜３の表面に接する空気層に伝達される圧力波エネルギーも大きくなる。
【００１１】
次に、本発明による圧力波発生装置の動作原理を説明する。
固体表面の温度変化
図２の（ａ）に示すように、ある材料でできた固体の表面に被着された発熱体薄膜が十分に薄くされているときの固体の表面温度の変化は、固体の熱伝導率をα、体積あたりの熱容量をＣ、角周波数をωとして、単位面積あたりのエネルギーの出入りｑ（ω）［ｗ／cm² ］があったとき、次式のＴ（ω）で与えられる。
【００１２】
【数１】

【００１３】
したがって固体の材質としてはαＣが小さい材料ほど同じエネルギーの授受に対する表面温度の変化が大きくなる。
【００１４】
ここで図２の（ｂ）に示すように、熱伝導率α、体積あたりの熱容量Ｃをもつ固体の厚さをｘ＝ｌとし、ｘ＞ｌの領域にα，Ｃよりも十分に大きな熱伝導率と熱容量をもつ別の材料が存在する場合には、
【００１５】
【数２】

【００１６】
程度にとると、発熱の交流成分はそのままにして、直流成分のみを効果的に逃がすことができる（詳細は省略）。
温度変化からの音の発生
固体表面に温度変化があったとき、それに追随して温度変化する空気層の厚みは
【００１７】
【数３】

【００１８】
程度である。空気に対してこの値を計算すると、１００ｋＨｚにおいてｄ＝7.６μｍになり、周波数の平方根に反比例するから極端に小さな値にはならない。
【００１９】
また図３に示すように、厚さｈの空気層の温度が強制的にＴ（ω）のように変化させられたとすると、空気中には
【００２０】
【数４】

【００２１】
なる強度の進行音波が発生する。ｋは周波数に対応する平面波の波数である。
【００２２】
λを音波の波長として、ｈ＝λ／（４√γ）に設定すればｐ（ω）＝Ｐo Ｔ（ω）／Ｔo となり、例えば１Ｋの温度振幅は３００Ｐa の音波を発生する（ただしγ＝1.４とする）。
【００２３】
【発明の実施の形態】
熱伝導の基本方程式によると、一般に構造のスケールが１／ｎになると現象はｎ² 倍高速になり、所定の温度を得るためのエネルギーの総量は１／ｎになることはよく知られている。したがって発生しようとする超音波の周波数が高くなるほど、超音波発生装置のデバイスサイズは、小さいことが有利となる。しかしそれにはμｍ−ｎｍオーダーの微細加工その他の技術が必要となるが、その多くは従来の半導体集積回路製造技術を利用することによって容易に解決可能である。
【００２４】
たとえば発熱体薄膜と基板との間に設けられる熱絶縁層は、（１）式で述べたように、その熱伝導率αと体積当たりの熱容量Ｃをきわめて小さくする必要があるが、これはたとえばシリコン表面を、
【００２５】
【数５】

【００２６】
以上の深さまでｎｍオーダーの多数の孔で多孔質化することで実現できる。このような多孔質層はポーラスシリコンと呼ばれ、単結晶シリコンをフッ酸溶液中で電気化学エッチングすることによって得られる。孔の密度、多孔質層の深さは、そのときの電圧と時間によって制御される。
【００２７】
典型的なポーラスシリコンの熱伝導率α、体積当たりの熱容量Ｃは以下のようであり、αＣは結晶シリコンに比べ約１／４００である。またこのときのＬは１００ｋＨｚにおいて２μｍである。
【００２８】
【表１】

【００２９】
図４の（ａ）は、デバイスの１例と発生音圧の測定構造を示す。図において１mm厚の平面状の単結晶シリコン基板７の表面には、１０〜５０μｍ厚の多孔質層（ポーラスシリコン）８が形成され、その上に超音波周波数でジュール熱を発生する発熱体としてアルミニウム薄膜９が３０ｎｍ厚に蒸着されている。
【００３０】
このようにして作られたデバイスの表面に、中央部にマイクロホン１０をもつアクリルカバー１１を取り付け、0.１mm厚の薄い密閉空気層を形成して音圧測定を行った。図４の（ｂ）は、多孔質層８の厚みが１０μｍ，２５μｍ，５０μｍの各デバイスについて、1.０×１０^-3［Ｗ／cm² ］の入力電力を与えたときに観測された周波数［ｋＨｚ］に対する発生音圧の振幅［Ｐa ］を示している。発生音圧は、周波数の平方根に反比例する傾向を示す。
【００３１】
図５は、発熱体面をひだ（襞）状に形成したデバイスの実施の形態を示す。図において、シリコン基板１２には等間隔に複数のひだ１３が形成されている。各ひだ１３は多孔質層１４で覆われ、それらの全表面に発熱体となるアルミニウム薄膜１５が蒸着されている。
【００３２】
前述したように、固体表面の温度変化に追随できる空気層の厚みは
【００３３】
【数６】

【００３４】
で与えられ、１００ｋＨｚではｄ＝7.６μｍとなる。このｄの値は、周波数の平方根に反比例するので、図５のように発熱体をひだ（襞）構造にし、ひだ間のギャップｇを１５μｍ程度の大きさにしておけば、１００ｋＨｚ以下の周波数においてギャップ内の空気を固体表面温度、つまりアルミニウム薄膜１５のジュール発熱温度と同じように変化させることができる。アルミニウム薄膜１５は各ひだ１３に亘って電気的に連続しており、両端部のひだ１３に接続される信号源１６からの信号により駆動されてジュール熱を発生する。このときのアルミニウム薄膜１５の消費電力の大きさは、アルミニウム薄膜１５の抵抗値と信号源１６の信号電圧に依存している。アルミニウム薄膜１５の抵抗値は、蒸着厚さを変えることにより、所望の値に設定することができる。
【００３５】
図５に示すひだ状構造をもつデバイスにおける消費電力と出力音圧の関係は（１）および（２）式からそのまま計算される。シリコン表面を以下の実験を用いたポーラスシリコンにした場合、１Ｗ／cm² のジュール発熱に対する温度振幅は１００ｋＨｚにおいて1.５×１０^-2［Ｋ］となり、音圧振幅に換算すると５Ｐa （１０５ｄＢ）になる。なお、ひだの高さｈ＝７００μｍ、ひだの芯となるシリコン領域の厚みｓ＝１０μｍとすれば、そのときギャップ先端部分の温度は２Ｋ程度上昇する。
【００３６】
また狭いギャップを音波が進行する際のギャップ幅と減衰距離（振幅が１／ｅになる距離）との関係は図６に示され、空気層の厚さを１０μｍとすると１０００ｋＨZ 超音波の４分の１波長程度に設定する場合、そのギャップを進行する際の粘性損失は大きくない。
【００３７】
発熱体として、図５のようにジュール熱を利用する代わりに、ペルチエ素子による発熱／吸熱を利用することも可能である。図７は、各ひだにペルチエ素子を形成したひだ状構造をもつ実施の形態を示す。
【００３８】
図７において、各ひだ１３の両側にそれぞれｐ型ポーラスシリコン層（Ｐo Ｓi （ｐ））１７とｎ型ポーラスシリコン層（Ｐo Ｓi （ｎ））１８とを上下並行に形成し、その上にアルミニウム薄膜１９を蒸着する。
【００３９】
ペルチエ素子では、ｎ型半導体と金属電極との接点部分において、金属電極からｎ型半導体へ電子が移動するとき金属電極から熱エネルギーがうばわれて金属電極は冷却し、また逆に電子がｎ型半導体から金属電極へ移動するときはｎ型半導体から金属電極へ熱エネルギーが運ばれて金属電極で発熱が生じる。同様な現象は、ｐ型半導体と金属電極との間の正孔の移動でも生じ、熱エネルギーは正孔の移動する方向に運ばれる。したがって、図７においてｐ型ポーラスシリコン層１７とｎ型ポーラスシリコン層１８との間に、ｐ型ポーラスシリコン層１７側が高電位となる向きに電圧を印加すると、ｐ型ポーラスシリコン層１７からアルミニウム薄膜１９を通り、ｎ型ポーラスシリコン層１８へ向かって電流が流れる。その結果、アルミニウム薄膜１９がｐ型ポーラスシリコン層１７およびｎ型ポーラスシリコン層１８と夫々接触している領域で発熱が生じる。しかし、ｐ型ポーラスシリコン層１７とｎ型ポーラスシリコン層１８に電圧を印加するポイントでは、吸熱が発生するので、この電圧印加ポイントはひだ構造から離れた位置に設ける必要がある。
【００４０】
図５あるいは図７に示すようなひだ構造をもつデバイスを一次元状あるいは二次元状に配置して，超音波アレイを構成することができる。図８は，超音波アレイの構成例を示す。
【００４１】
図８において、基板２０上は、３×３のデバイス２１−１〜２１−９が等間隔で配置されている各デバイス２１−１〜２１−９はそれぞれ、信号線２２に接続されており、各デバイスへの駆動タイミングを適切に設定することにより、任意の方向に対して鋭い指向性をもつ超音波ビームを発生することができ、あるいは図４（ａ）のように波長よりも狭い密閉空間に対して各デバイスを同一タイミングで駆動することにより、強力な音場を生成することができる。
【００４２】
なお、以上述べた実施の形態では、発熱体の下層に設ける熱絶縁層としてポーラスシリコンなどの多孔質層が用いられているが、他の熱伝導率の低い材料、たとえば高分子材料を用いることも可能である。
【００４３】
【発明の効果】
本発明の圧力波発生装置は、従来の超音波発生装置のような機械的な振動発生手段を用いずに音波を発生させるため、外部からの振動や外気圧の変動の影響を受けにくく、また超音波の発生周波数の範囲を広くとることが可能である。
【００４４】
さらに本発明装置では集積回路技術の利用が容易であり、たとえばシリコン基板上に音波発生デバイスの周辺回路も形成することができるので、同一基板上にこの音波発生デバイスの周辺回路も形成することが可能であり、システム全体をコンパクトで且つ安価につくることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による圧力波発生装置の基本的構造を示す説明図である。
【図２】固体の熱伝導率および熱容量と表面温度変化の説明図である。
【図３】熱による音波の発生の説明図である。
【図４】デバイスの１例と発生音圧の測定例を示す説明図である。
【図５】発熱体面をひだ状に形成した実施の形態を示す説明図である。
【図６】ギャップ幅とそこを進行する音波の関係を示すグラフである。
【図７】ペルチエ素子を用いたデバイスの実施の形態を示す説明図である。
【図８】超音波アレイの構成例を示す説明図である。
【符号の説明】
１：基板
２：熱絶縁層
３：発熱体薄膜
４、５：信号端子
６：信号源

Claims

シリコン基板と、シリコン基板上に設けられたポーラスシリコンからなる熱絶縁層と、該ポーラスシリコン熱絶縁層上に設けられて電気的に駆動される発熱体薄膜とを備えているデバイスを有することを特徴とする圧力波発生装置。
表面に複数個のひだが形成されているシリコン基板と、基板表面の各ひだを覆うように設けられた熱絶縁層と、該熱絶縁層上に設けられて信号源により電気的に駆動される発熱体とを備え、上記ひだの間のギャップが、信号源の駆動周波数に応じて、ギャップ内の媒体の温度が発熱体の温度にほぼ追随できる程度の大きさに定められているデバイスを有し、該デバイスの面に垂直な方向に圧力波を発生するように構成されていることを特徴とする圧力波発生装置。
請求項１または請求項２において、発熱体は電気抵抗体薄膜であることを特徴とする圧力波発生装置。
請求項１または請求項２において、発熱体はペルチエ素子であることを特徴とする圧力波発生装置。
請求項１ないし請求項４のいずれか１つにおいて、複数個のデバイスが、一次元状あるいは二次元状に一定間隔で配列されていることを特徴とする圧力波発生装置。