JP2006217059A - 圧力波発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来に比べて発熱体層への入力に対する応答性が向上した圧力波発生装置を提供する。
【解決手段】支持基板１と、支持基板１の一表面側に形成された発熱体層３と、支持基板１の上記一表面側で支持基板１と発熱体層３との間に介在する熱絶縁層２とを備える。熱絶縁層２の厚さｄ〔ｍ〕は、熱絶縁層２の熱伝導率をαｉ〔Ｗ／（ｍ・Ｋ）〕、熱絶縁層２の熱容量をＣｉ〔Ｊ／（ｍ^３・Ｋ）〕、発熱体層３へ与える駆動入力波形を正弦波、当該正弦波の周波数ｆ_１〔Ｈｚ〕の２倍の周波数を発熱体層３で生じる温度振動の理想的な周波数ｆ_２〔Ｈｚ〕とし、当該温度振動の角振動数をω＝２πｆ〔ｒａｄ／ｓ〕とするとき、Ｄ＝（２αｉ／ωＣｉ）^１／２で規定される熱拡散長Ｄ〔ｍ〕に対して、０．０５Ｄ＜ｄ＜Ｄの条件を満足するように設定してある。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば、スピーカを対象とした音波や、超音波や単パルス的な粗密波などの圧力波を発生する圧力波発生装置に関するものである。

従来から、圧電効果による機械的振動を利用した超音波発生装置が広く知られている。この種の超音波発生装置としては、例えば、チタン酸バリウムのような圧電材料からなる結晶の両面に電極を設けた構成のものが知られており、この超音波発生装置では、両電極間に電気エネルギを与えて機械的振動を発生させることにより、空気を振動させて超音波を発生させることができる。

上述のような機械的振動を利用した超音波発生装置は、固有の共振周波数をもつので周波数帯域が狭い、外部の振動や外気圧の変動の影響を受けやすい、などの問題があった。

これに対して、近年、機械的振動を伴わずに超音波などの圧力波を発生させることができる圧力波発生装置として、単結晶のシリコン基板からなる支持基板と、支持基板の一表面側に形成された多孔質シリコン層からなる熱絶縁層と、熱絶縁層上に形成されたアルミニウム薄膜からなる発熱体層と、支持基板の上記一表面側において発熱体層と電気的に接続された一対のパッドとを備えたものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

この圧力波発生装置は、一対のパッドを介して発熱体層へ与えられる駆動電圧波形もしくは駆動電流波形からなる駆動入力波形に応じた発熱体層の温度変化に伴う発熱体層と媒体である空気との熱交換により超音波などの圧力波を発生する。なお、上記特許文献１には、熱絶縁層の厚さを発熱体層の温度振動の周波数と熱絶縁層の熱伝導率と熱絶縁層の熱容量とで決まる熱拡散長以上の厚さに設定するとともに、熱絶縁層の熱伝導率および熱容量を支持基板の熱伝導率および熱容量に比べて十分に小さくすることが記載されている。また、上記特許文献１には、熱絶縁層の材料として高分子材料を用いてもよいことが記載されている。

上述の圧力波発生装置では、例えば、駆動入力波形を正弦波とした場合、理想的には、発熱体層で生じる温度振動の周波数が駆動入力波形の周波数の２倍の周波数となり、駆動入力波形の周波数の２倍の周波数の圧力波が発生する。要するに、上述の圧力波発生装置では、理想的には、駆動入力波形を正弦波として当該駆動入力波形の周波数を変化させることによって、発生する圧力波の周波数を変化させることができ、また、駆動入力波形を孤立波とすれば、圧力波として単パルス的な粗密波（インパルス音波）を発生させることができ、超音波センサの送波素子として用いた場合、測距用の超音波センサでは距離精度の向上に有効であり、物体検出用の超音波センサでは複数物体の分離検出に有効である。

ところで、従来から、送波した超音波の物体による反射波を受波することによって、物体の検出や、対象物までの距離を測定する超音波センサが提案され実用化されている。特に、ＦＡ用途などの特定のポイントの物体を検出する超音波センサでは、高い距離精度が要求され、インパルス超音波の送波が可能で高い指向性を有する超音波源が求められている。ここにおいて、超音波の指向性は当該超音波の周波数に依存し周波数が高くなるほど指向性が高くなるので、例えば、４００ｋＨｚ程度の超音波を発生可能な超音波発生装置の実現が期待されている。
特開平１１−３００２７４号公報

上記特許文献１に開示された圧力波発生装置では、熱絶縁層の熱容量が大きい上に熱絶縁層の厚さが熱拡散長よりも大きいので、駆動入力波形の最初の立ち上がり期間や駆動入力波形の周波数が途中でより高い周波数へ変更された場合などに、発熱体層の温度変化が発熱体層で発生する熱量の時間変化に追従できずに熱量がピーク値に到達する時点に対して発熱体層の温度がピーク値に到達する時点に遅れが生じてしまい、駆動入力波形の周波数に応じた所望周波数（駆動入力波形の周波数の２倍の周波数）の圧力波を発生することができなかった。特に、駆動入力波形の周波数が高くなるほど、駆動入力波形に対する応答性が低下してしまう。

一例を挙げれば、発熱体層へ駆動電圧波形として図５（ａ）に示すような周波数が４０ｋＨｚの正弦波を入力した場合、発熱体層で発生する熱量は電圧変化に追従して同図（ｂ）のように変化するが、発熱体層の温度は熱量の変化に追従できずに同図（ｃ）のように変化し、発生する圧力波は同図（ｄ）のような波形となり、同図（ａ）と同図（ｄ）との比較から分かるように、同図（ｄ）の圧力波における左側の１周波に要する時間（１周期）が駆動電圧波形の半周期よりも長くなってしまう。なお、同図（ｄ）の圧力波における右側の１周波からは１周波に要する時間（１周期）が駆動電圧波形の半周期に近づいていき、最終的には略同じとなる。

また、他の例を挙げれば、発熱体層へ駆動電圧波形として図６（ａ）に示すような孤立波（ここでは、周波数が４０ｋＨｚの正弦波の半周期の波形）を入力した場合、発熱体層で発生する熱量は電圧変化に追従して同図（ｂ）のように変化するが、発熱体層の温度は熱量の変化に追従できずに同図（ｃ）のように変化し、発生する圧力波は同図（ｄ）のような波形となり、同図（ａ）と同図（ｄ）との比較から分かるように、圧力波の発生期間が、駆動電圧波形の立ち上がり開始時から立ち下がり終了時までの期間（入力期間）よりも長くなってしまう。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、従来に比べて発熱体層への入力に対する応答性が向上した圧力波発生装置を提供することにある。

請求項１の発明は、支持基板と、支持基板の一表面側に形成された発熱体層と、支持基板の前記一表面側で支持基板と発熱体層との間に介在する熱絶縁層とを備え、発熱体層への通電に伴う発熱体層の温度変化に伴って圧力波を発生する圧力波発生装置であって、熱絶縁層の熱伝導率をαｉ〔Ｗ／（ｍ・Ｋ）〕、熱絶縁層の熱容量をＣｉ〔Ｊ／（ｍ^３・Ｋ）〕、発熱体層へ与える駆動入力波形を正弦波、当該正弦波の周波数ｆ_１〔Ｈｚ〕の２倍の周波数を発熱体層で生じる温度振動の周波数ｆ_２〔Ｈｚ〕とし、当該温度振動の角振動数をω＝２πｆ〔ｒａｄ／ｓ〕とするとき、
Ｄ＝（２αｉ／ωＣｉ）^１／２
で規定される熱拡散長Ｄ〔ｍ〕よりも、熱絶縁層の厚さｄ〔ｍ〕を小さくしてなることを特徴とする。

この発明によれば、熱絶縁層の厚さｄが熱拡散長Ｄよりも小さいので、駆動入力波形の最初の立ち上がり期間や駆動入力波形の周波数が途中でより高い周波数へ変更された場合などでも、発熱体層の温度変化を発熱体層で発生する熱量の時間変化にほぼ追従させることができる。すなわち、熱拡散長Ｄは周期的に加熱される発熱体層から熱絶縁層へ伝熱された熱が熱絶縁層内で拡散される場合に発熱体層の温度振動（温度変化）の１周期あたりの拡散距離として与えられるので、熱拡散長Ｄよりも熱絶縁層の厚さｄを小さくすれば、熱絶縁層に伝熱された熱を発熱体層の温度変化の次周期までに熱絶縁層外（ここでは、支持基板）へ放熱することができ、熱絶縁層での熱蓄積による熱絶縁層の温度上昇を抑えることができる。よって、熱絶縁層の温度変化が発熱体層の温度変化に与える影響を低減でき、発熱体層の温度変化を発熱体層で発生する熱量の時間変化にほぼ追従させることが可能となるから、発熱体層で発生する熱量がピーク値に到達する時点に対して発熱体層の温度がピーク値に到達する時点に遅れが生じるのを抑制することが可能となり、従来に比べて発熱体層への入力に対する応答性を向上させることができる。なお、熱絶縁層の厚さｄが小さくなるにつれて、発熱体層で発生した熱が支持基板へ逃げやすくなって発熱体層の温度のピーク値が低くなり、発生する圧力波の圧力（音圧）も低下してしまうので、熱絶縁層の厚さｄは、０．０５Ｄよりも大きいことが望ましい。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記正弦波の周波数ｆ_１を１００００〔Ｈｚ〕よりも高周波とするとき、
ｄ＜０．５Ｄ
の条件を満足することを特徴とする。

この発明によれば、前記発熱体層で発生する熱量の時間変化における立ち上がり開始時からピーク値到達時までの前半期間において遅くともピーク値到達時には前記発熱体層から前記支持基板への放熱が開始されているので、前記正弦波の周波数ｆ_１を１００００〔Ｈｚ〕よりも高周波としても、発熱体層で発生する熱量がピーク値に到達する時点に対して発熱体層の温度がピーク値に到達する時点に遅れが生じるのを抑制することができ、従来に比べて発熱体層への入力に対する応答性を向上させることができる。なお、熱絶縁層の厚さｄが小さくなるにつれて、発熱体層で発生した熱が支持基板へ逃げやすくなって発熱体層の温度のピーク値が低くなり、発生する圧力波の圧力（音圧）も低下してしまうので、熱絶縁層の厚さｄは、０．０５Ｄよりも大きいことが望ましい。

請求項３の発明は、請求項１または請求項２の発明において、前記駆動入力波形が孤立波であることを特徴とする。

この発明によれば、前記駆動入力波形の立ち上がり開始時から立ち下がり終了時までの期間と、圧力波の発生期間とを略一致させることが可能となる。

請求項４の発明は、請求項１ないし請求項３の発明において、前記支持基板の熱伝導率をαｓ〔Ｗ／（ｍ・Ｋ）〕、前記支持基板の熱容量をＣｓ〔Ｊ／（ｍ^３・Ｋ）〕とするとき、
（αｉＣｉ）＜（０．１αｓＣｓ）
の条件を満足することを特徴とする。ここにおいて、前記熱絶縁層の熱伝導率αｉと前記熱絶縁層の熱容量Ｃｉとの積であるαｉＣｉは、前記熱絶縁層が熱源（前記発熱体層）から熱を奪い取る能力の指数である熱浸透率＝（αｉＣｉ）^１／２の２乗に相当し、前記支持基板の熱伝導率αｓと前記支持基板の熱容量Ｃｓとの積であるαｓＣｓは、前記支持基板が熱源（前記熱絶縁層）から熱を奪い取る能力の指数である熱浸透率＝（αｓＣｓ）^１／２の２乗に相当する。

この発明によれば、前記支持基板の熱浸透率が前記熱絶縁層の熱浸透率の略３．２倍よりも大きな値となり、（αｉＣｉ）＜（０．１αｓＣｓ）の関係を満たさない場合に比べて、前記熱絶縁層から前記支持基板へ熱が伝わりやすくなり、前記発熱体層の温度変化を前記発熱体層で発生する熱量の変化に追従させることができ、前記発熱体層への入力に対する応答性を向上させることができる。

請求項５の発明は、請求項１ないし請求項４の発明において、前記熱絶縁層が無機材料の多孔質層からなることを特徴とする。

この発明によれば、前記熱絶縁層を有機材料の多孔質層により構成する場合に比べて、前記熱絶縁層の耐熱性を向上させることができ、発熱体層をより高い温度まで発熱させることが可能となって圧力波の高出力化を図れる。

請求項１の発明では、従来に比べて発熱体層への入力に対する応答性が向上するという効果がある。

（実施形態１）
本実施形態の圧力波発生装置は、図１（ａ），（ｂ）に示すように、単結晶のｐ形のシリコン基板からなる支持基板１と、支持基板１の一表面（図１（ｂ）における上面）側に形成された金属薄膜（例えば、タングステン薄膜）からなる発熱体層３と、支持基板１の上記一表面側で支持基板１と発熱体層３との間に介在する多孔質シリコン層からなる熱絶縁層２と、支持基板１の上記一表面側で発熱体層３の両端部それぞれと電気的に接続された一対のパッド４，４とを備えており、一対のパッド４，４を介した発熱体層３への通電に伴う発熱体層３の温度変化に伴って圧力波を発生する。すなわち、本実施形態の圧力波発生装置は、発熱体層３へ与える駆動電圧波形もしくは駆動電流波形からなる駆動入力波形に応じた発熱体層３の温度変化に伴って発熱体層３と媒体である空気との熱交換により圧力波を発生する。なお、支持基板１の平面形状は長方形状であって、熱絶縁層２、発熱体層３それぞれの平面形状も長方形状に形成してある。

ところで、本実施形態では、上述のように支持基板１としてｐ形のシリコン基板を用いており、熱絶縁層２を多孔度が略６０％の多孔質シリコン層により構成しているので、支持基板１として用いるシリコン基板の一部を、例えば５５ｗｔ％のフッ化水素水溶液とエタノールとを略１：１で混合した電解液中で陽極酸化処理することにより熱絶縁層２となる多孔質シリコン層を形成することができる。ここに、陽極酸化処理の条件（例えば、電流密度、通電時間など）を適宜設定することにより、熱絶縁層２となる多孔質シリコン層の多孔度や厚みそれぞれを所望の値とすることができる。多孔質シリコン層は、多孔度が高くなるにつれて熱伝導率および熱容量が小さくなり、上記特許文献１には、熱伝導率が１６８Ｗ／（ｍ・Ｋ）、熱容量が１．６７×１０^６Ｊ／（ｍ^３・Ｋ）の単結晶のシリコン基板を陽極酸化処理して形成される多孔度が６０％の多孔質シリコン層は、熱伝導率が１Ｗ／（ｍ・Ｋ）、熱容量が０．７×１０^６Ｊ／（ｍ^３・Ｋ）であることが記載されている。

また、発熱体層３は、高融点金属の一種であるタングステンにより形成してあり、熱伝導率が１７４Ｗ／（ｍ・Ｋ）、熱容量が２．５×１０^６Ｊ／（ｍ^３・Ｋ）となっている。発熱体層３の材料はタングステンに限らず、例えば、タンタル、モリブデン、イリジウムなどを採用してもよい。また、各パッド４の材料としてはアルミニウムを採用しているが、アルミニウムに限定するものではなく、アルミニウム以外の材料を採用してもよい。

なお、本実施形態の圧力波発生装置では、支持基板１の厚さを５２５μｍ、熱絶縁層２の厚さを０．５μｍ、発熱体層３の厚さを５０ｎｍ、各パッド４の厚さを０．５μｍとしてある。

以下、本実施形態の圧力波発生装置の製造方法について簡単に説明する。

まず、支持基板１として用いるシリコン基板の他表面（図１（ｂ）の下面）側に陽極酸化処理時に用いる通電用電極（図示せず）を形成した後、シリコン基板の一表面（図１（ｂ）の上面）側における熱絶縁層２の形成予定部位を陽極酸化処理にて多孔質化することで多孔質シリコンからなる熱絶縁層２を形成する熱絶縁層形成工程を行う。ここにおいて、熱絶縁層形成工程では、例えば、図２に示すように、シリコン基板を主構成とする被処理物Ｓを処理槽３０に入れられた電解液（例えば、５５ｗｔ％のフッ化水素水溶液とエタノールとを１：１で混合した混合液）３１に浸漬し、その後、電流源２０のマイナス側に配線を介して接続された白金電極２１を電解液３１中においてシリコン基板の上記一表面側に対向するように配置する。続いて、通電用電極を陽極、白金電極２１を陰極として、電流源２０から陽極と陰極２１との間に所定の電流密度（ここでは、５０ｍＡ／ｃｍ^２）の電流を所定時間（ここでは、７秒）だけ流す陽極酸化処理を行うことにより支持基板１となるシリコン基板の上記一表面側に所定厚さ（ここでは、０．５μｍ）の熱絶縁層２を形成する。なお、陽極酸化処理時の条件は特に限定するものではなく、電流密度は例えば１〜５００ｍＡ／ｃｍ^２程度の範囲内で適宜設定すればよいし、上記所定時間も熱絶縁層２の上記所定厚さに応じて適宜設定すればよい。

上述の熱絶縁層形成工程の後、発熱体層３を形成する発熱体層形成工程を行い、その後、パッド４，４を形成するパッド形成工程を行う。なお、発熱体層形成工程では、メタルマスクなどを利用してスパッタ法や蒸着法などによって発熱体層３を形成すればよく、パッド形成工程でも、メタルマスクなどを利用してスパッタ法や蒸着法などによってパッド４，４を形成すればよい。

ところで、本実施形態の圧力波発生装置では、上述のように熱絶縁層２の厚さを０．５μｍに設定してあるが、熱絶縁層２の厚さは０．５μｍに限定するものではない。

ただし、本実施形態の圧力波発生装置における熱絶縁層２の厚さｄ〔ｍ〕は、熱絶縁層２の熱伝導率をαｉ〔Ｗ／（ｍ・Ｋ）〕、熱絶縁層２の熱容量をＣｉ〔Ｊ／（ｍ^３・Ｋ）〕、発熱体層３へ与える駆動入力波形を正弦波、当該正弦波の周波数ｆ_１〔Ｈｚ〕の２倍の周波数を発熱体層３で生じる理想的な温度振動の周波数ｆ_２〔Ｈｚ〕とし、当該温度振動の角振動数をω＝２πｆ〔ｒａｄ／ｓ〕とするとき、
Ｄ＝（２αｉ／ωＣｉ）^１／２ （式１）
で規定される熱拡散長Ｄ〔ｍ〕に対して、
０．０５Ｄ＜ｄ＜Ｄ （式２）
の条件を満足するように設定する。

例えば、周波数が８０ｋＨｚの圧力波を発生させたい場合には、駆動入力波形の周波数ｆ_１を４０ｋＨｚとすればよく、上述のように熱絶縁層２である多孔質シリコン層の多孔度を６０％とした場合、αｉ＝１〔Ｗ／（ｍ・Ｋ）〕、Ｃｉ＝０．７×１０^６〔Ｊ／（ｍ^３・Ｋ）〕とすれば、熱拡散長Ｄは、式１からＤ≒２．４×１０^−６〔ｍ〕＝２．４μｍとなるから、０．０５Ｄ≒０．１２×１０^−６〔ｍ〕＝０．１２μｍとなり、上述のように熱絶縁層２の厚さｄを０．５×１０^−６〔ｍ〕＝０．５μｍと設定していることで、０．０５Ｄ＜ｄ＜Ｄの関係式を満足している。

しかして、本実施形態の圧力波発生装置では、熱絶縁層２の厚さｄが熱拡散長Ｄよりも小さいので、駆動入力波形の最初の立ち上がり期間や駆動入力波形の周波数が途中でより高い周波数へ変更された場合などでも、発熱体層３の温度変化を発熱体層３で発生する熱量の時間変化にほぼ追従させることが可能となるので、発熱体層３で発生する熱量がピーク値に到達する時点に対して発熱体層３の温度がピーク値に到達する時点に遅れが生じるのを抑制することが可能となり、従来に比べて発熱体層３への入力に対する応答性を向上させることができる。なお、熱絶縁層３の厚さｄが小さくなるにつれて、発熱体層３で発生した熱が支持基板１へ逃げやすくなって発熱体層３の温度のピーク値が低くなり、発生する圧力波の圧力（音圧）も低下してしまうので、熱絶縁層２の厚さｄは、上述の式２のように０．０５Ｄよりも大きいことが望ましい。

ただし、上述のように駆動入力波形の正弦波の周波数ｆ_１を１００００〔Ｈｚ〕＝１０ｋＨｚよりも高周波とするときには、
０．０５Ｄ＜ｄ＜０．５Ｄ （式３）
の条件を満足することが望ましく、例えば、上述のように正弦波の周波数ｆ_１を４０ｋＨｚとした場合には、０．５Ｄ＝１．２×１０^−６〔ｍ〕＝１．２μｍとなり、上述のように熱絶縁層２の厚さｄを０．５×１０^−６〔ｍ〕＝０．５μｍと設定していることで、０．０５Ｄ＜ｄ＜０．５Ｄの関係式を満足している。

上述の式３の関係式を満足するように熱絶縁層２の厚さｄを設定しておくことにより、発熱体層３で発生する熱量の時間変化における立ち上がり開始時からピーク値到達時までの前半期間において遅くともピーク値到達時には発熱体層３から支持基板１への放熱が開始されているので、正弦波の周波数ｆ_１を１００００〔Ｈｚ〕よりも高周波としても、発熱体層３で発生する熱量がピーク値に到達する時点に対して発熱体層３の温度がピーク値に到達する時点に遅れが生じるのを抑制することができ、従来に比べて発熱体層３への入力に対する応答性を向上させることができる。

以上説明した本実施形態の圧力波発生装置の入力応答特性の一例を挙げれば、発熱体層３へ駆動電圧波形として図３（ａ）に示すような周波数が４０ｋＨｚの正弦波を入力した場合、発熱体層３で発生する熱量は電圧変化に追従して同図（ｂ）のように変化し、発熱体層３の温度は熱量の変化に追従して同図（ｃ）のように変化し、発生する圧力波は同図（ｄ）のような波形となる。ここで、図５に示した従来例の入力応答特性では、圧力波における左側の１周波に要する時間（１周期）が駆動電圧波形の半周期よりも長くなっていたのに対して、本実施形態の圧力波発生装置の入力応答特性では、図３（ａ），（ｄ）から分かるように、圧力波における左側の１周波（１周期）に要する時間が駆動電圧波形の半周期と略等しくなるとともに、右側の１周波に要する時間（１周期）も駆動電圧波形の半周期と略等しくなっており、駆動電圧波形の周波数の２倍の周波数の圧力波が発生している。要するに、本実施形態の圧力波発生装置では、従来の圧力波発生装置に比べて発熱体層３への入力に対する応答性が向上している。

また、本実施形態の圧力波発生装置の入力応答特性の他の例を挙げれば、発熱体層３へ駆動電圧波形として図４（ａ）に示すような孤立波（ここでは、周波数が４０ｋＨｚの正弦波の半周期の波形）を入力した場合、発熱体層３で発生する熱量は電圧変化に追従して同図（ｂ）のように変化し、発熱体層３の温度は熱量の変化に追従して同図（ｃ）のように変化し、発生する圧力波は同図（ｄ）のような波形となる。ここで、図６に示した従来例の入力応答特性では、圧力波の発生期間が駆動電圧波形の立ち上がり開始時から立ち下がり終了時までの入力期間よりも長くなっていたのに対して、本実施形態の圧力波発生装置の入力応答特性では、図４（ａ），（ｄ）から分かるように、駆動入力波形の立ち上がり開始時から立ち下がり終了時までの期間と、圧力波の発生期間とが略一致している。要するに、本実施形態では、孤立波からなる駆動入力波形の立ち上がり開始時から立ち下がり終了時までの期間と、圧力波の発生期間とを略一致させることが可能となる。

ところで、本実施形態の圧力波発生装置では、支持基板１の熱伝導率をαｓ〔Ｗ／（ｍ・Ｋ）〕、支持基板１の熱容量をＣｓ〔Ｊ／（ｍ^３・Ｋ）〕とすれば、
（αｉＣｉ）＜（０．１αｓＣｓ） （式４）
の条件を満足することが望ましい。ここにおいて、熱絶縁層２の熱伝導率αｉと熱絶縁層２の熱容量Ｃｉとの積であるαｉＣｉは、熱絶縁層２が熱源とみなす発熱体層３から熱を奪い取る能力の指数である熱浸透率＝（αｉＣｉ）^１／２の２乗に相当し、支持基板１の熱伝導率αｓと支持基板１の熱容量Ｃｓとの積であるαｓＣｓは、支持基板１が熱源とみなす熱絶縁層２から熱を奪い取る能力の指数である熱浸透率＝（αｓＣｓ）^１／２の２乗に相当する。

したがって、上述の式４の条件を満足させることにより、支持基板１の熱浸透率が熱絶縁層２の熱浸透率の略３．２倍よりも大きな値となり、（αｉＣｉ）＜（０．１αｓＣｓ）の関係を満たさない場合に比べて、熱絶縁層２から支持基板１へ熱が伝わりやすくなり、発熱体層３の温度変化を発熱体層３で発生する熱量の変化に追従させることができ、発熱体層３への入力に対する応答性を向上させることができる。上述のように、熱絶縁層２である多孔質シリコン層の多孔度を６０％とし、支持基板１をシリコン基板とした場合、αｉ＝１〔Ｗ／（ｍ・Ｋ）〕、Ｃｉ＝０．７×１０^６〔Ｊ／（ｍ^３・Ｋ）〕、αｓ＝１６８〔Ｗ／（ｍ・Ｋ）〕、Ｃｓ＝１．６７×１０^６〔Ｊ／（ｍ^３・Ｋ）〕とすれば、αｉＣｉはαｓＣｓの約４００分の１の値となる（つまり、αｉＣｉはαｓＣｓの０．１倍の値よりも小さな値となる）ので、上述の式４の条件を満たしている。

なお、上述の実施形態では、支持基板１の材料としてＳｉを採用しているが、支持基板１の材料はＳｉに限らず、例えば、Ｇｅ，ＳｉＣ，ＧａＰ，ＧａＡｓ，ＩｎＰなどの陽極酸化処理による多孔質化が可能な他の半導体材料でもよい。いずれにしても、熱絶縁層２が無機材料の多孔質層により構成されることとなるので、熱絶縁層２を有機材料（高分子材料）の多孔質層により構成する場合に比べて、熱絶縁層２の耐熱性を向上させることができ、発熱体層３をより高い温度まで発熱させることが可能となって圧力波の高出力化を図れる。

（実施形態２）
本実施形態の圧力波発生装置の基本構成は実施形態１と略同じであって、熱絶縁層２を支持基板１の上記一表面上に形成された多孔質シリカ膜により構成している点が相違し、他の構成は同じである。なお、熱絶縁層２が無機材料の多孔質層により構成されている点は実施形態１と同じである。

ここにおいて、本実施形態の圧力波発生装置の製造にあたっては、例えば、モノマーを加水分解してシリカ（ＳｉＯ_２）を得るＳＯＧ（Spin on Glass）法において、熱分解する有機成分微粒子を分散させた溶液を支持基板１の上記一表面上に塗布し、熱処理を行うことによって、多孔質シリカ膜からなる熱絶縁層２を形成することができる。

しかして、本実施形態の圧力波発生装置においても、熱絶縁層２を有機材料（高分子材料）の多孔質層により構成する場合に比べて、熱絶縁層２の耐熱性を向上させることができ、発熱体層３をより高い温度まで発熱させることが可能となって圧力波の高出力化を図れる。

なお、無機材料の多孔質層の形成方法としては、実施形態１にて説明した陽極酸化処理や、実施形態２にて説明した方法の他に、支持基板１の上記一表面側へ無機材料の粒子をガス中で蒸着する方法もある。

実施形態１を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ’概略断面図である。 同上の製造方法の説明図である。 同上の入力応答特性の説明図である。 同上の入力応答特性の説明図である。 従来例の入力応答特性の説明図である。 同上の入力応答特性の説明図である。

符号の説明

１ 支持基板
１ 熱絶縁層
３ 発熱体層
４ パッド

Claims (5)

1. 支持基板と、支持基板の一表面側に形成された発熱体層と、支持基板の前記一表面側で支持基板と発熱体層との間に介在する熱絶縁層とを備え、発熱体層への通電に伴う発熱体層の温度変化に伴って圧力波を発生する圧力波発生装置であって、熱絶縁層の熱伝導率をαｉ〔Ｗ／（ｍ・Ｋ）〕、熱絶縁層の熱容量をＣｉ〔Ｊ／（ｍ^３・Ｋ）〕、発熱体層へ与える駆動入力波形を正弦波、当該正弦波の周波数ｆ_１〔Ｈｚ〕の２倍の周波数を発熱体層で生じる温度振動の周波数ｆ_２〔Ｈｚ〕とし、当該温度振動の角振動数をω＝２πｆ〔ｒａｄ／ｓ〕とするとき、
   Ｄ＝（２αｉ／ωＣｉ）^１／２
   で規定される熱拡散長Ｄ〔ｍ〕よりも、熱絶縁層の厚さｄ〔ｍ〕を小さくしてなることを特徴とする圧力波発生装置。
2. 前記正弦波の周波数ｆ_１を１００００〔Ｈｚ〕よりも高周波とするとき、
   ｄ＜０．５Ｄ
   の条件を満足することを特徴とする請求項１記載の圧力波発生装置。
3. 前記駆動入力波形が孤立波であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の圧力波発生装置。
4. 前記支持基板の熱伝導率をαｓ〔Ｗ／（ｍ・Ｋ）〕、前記支持基板の熱容量をＣｓ〔Ｊ／（ｍ^３・Ｋ）〕とするとき、
   （αｉＣｉ）＜（０．１αｓＣｓ）
   の条件を満足することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の圧力波発生装置。
5. 前記熱絶縁層が無機材料の多孔質層からなることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の圧力波発生装置。

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