JP2007075686A - 圧力波発生装置及び圧力波発生装置の駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
耐久性の高い高品質の圧力波発生装置及び圧力波発生装置の駆動方法を提供することを目的とする。
【解決手段】
本発明に係る圧力波発生装置は、圧力波を発生させる圧力波発生装置１であって、シリコン基板１１と、当該シリコン基板１１上に配設された熱絶縁層１３と、当該熱絶縁層１３上に形成された発熱体薄膜１４と、当該発熱体薄膜１４に接続され、発熱体薄膜１４に駆動電流を供給する駆動部１７とを備え、駆動電流は、振幅やパルスの間隔、あるいはパルス幅が変調されたパルス列から構成されたものである。そして、本発明に係る圧力波発生装置は、当該変調されたパルス列に応じた圧力波を発生させて出力する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、圧力波発生装置及び圧力波発生装置の駆動方法に関し、特に超音波等を圧力波として発生させる圧力波発生装置及び圧力波発生装置の駆動方法に関する。

従来、超音波等の圧力波を発生させる圧力波発生装置には圧電素子等が用いられていた。圧電素子等の機械的な振動によって圧力波を発生する装置は、固有の共振周波数をもつため、発生する超音波の周波数範囲を広げることが困難であった。さらに、この圧力波発生装置は、回路との集積化が難しく、単品でしか製造できないため、装置の小型化やアレイ構造にするなどの機能を付加することが困難であった。

このような機械振動式の圧力波発生装置の問題点を解決するために、熱絶縁層上に発熱体薄膜を形成し、この発熱体薄膜を電気的に駆動する熱誘起式の圧力波発生装置が提案されている。特許文献１に、熱誘起式の圧力波発生装置の一例が開示されている。図９は、この熱誘起式の従来の圧力波発生装置の一構成例であり、その部分断面を示す模式図である。従来の圧力波発生装置では、基板９０１上に、ナノ結晶シリコン等の多孔質材料からなる熱絶縁層９０２が形成されている。熱絶縁層９０２上には、発熱電極としての発熱体薄膜９０３が形成され、この発熱体薄膜９０３に駆動電流が供給される。

この圧力波発生装置では、電極として機能する発熱体薄膜９０３に交流電流が供給されることによって圧力波を出力する。図１０に、この圧力波の出力タイミングを示すタイミングチャートが示されている。図１０（ａ）は入力される交流電流、図１０（ｂ）は発熱タイミング、図１０（ｃ）は発熱体薄膜表面温度の変化タイミング、図１０（ｄ）は圧力波の出力タイミングを示す。

図１０（ａ）に示された交流電流（I）が圧力波発生装置に供給されると、図１０（ｂ）に示すように、ジュール熱による発熱（ｑ）が発熱体薄膜９０３で生じる。すると、図１０（ｃ）に示すように、圧力波発生装置の表面に形成された発熱体薄膜９０３には、入力の交流電流の２倍の周波数で温度変化（Ｔ）が起きる。この発熱体薄膜９０３下に熱絶縁層９０２が配設されているため、温度変化する発熱体薄膜９０３は、直上の空気と効率よく熱交換を行う。この結果として空気の粗密が生じ、図１０（ｄ）に示すように、この空気の粗密が圧力波（Ｐ）として伝わる。このように、圧力波発生装置は非線形システムであるため、入力される交流電流の２倍の周波数で圧力波が出力される。そのため、圧力波として音波を出力するスピーカ等には、圧力波発生装置を応用することが困難となる。

このような圧力波発生装置をスピーカに応用する場合を、数式を用いて説明する。入力される交流電流をａsinωtとすると、出力される音響信号は、

に比例し、右辺の第２項に、入力の交流電流の２倍の周波数成分cos２ωtが生じている。

このような２倍の周波数成分が発生する課題を解決する方法として、入力される交流電流とともに、直流バイアスを印加する方法がある。図１１に、この場合の電流波形が示されている。図１１に示すように、入力の交流電流に大きさｂの直流電流を加えた場合には、その入力信号の波形は、その直流バイアスｂの分だけ入力の交流電流ａsinωtが正の方向にスライドしたものとなる。

この場合の出力を数式で示すと、出力される音響信号は、

に比例し、入力の交流電流と同じ周波数ωの成分が見られる。このとき、直流バイアスｂを入力の交流電流の振幅ａよりも大きくすれば、事実上、２ωの周波数成分は無視できるほど小さくすることができる。具体的には、ｂ≫ａとすると、出力される音響信号は、

となり、２ωの周波数成分が実質的に除去される。

この場合には、直流バイアスの大きさｂが大きくなるにつれて、電流波形の直流成分が増加することになり、ナノ結晶シリコンから構成された熱絶縁層９０２上の発熱体薄膜９０３に流れる電流が増加する。この発熱体薄膜９０３の厚みは、熱容量値を可能な限り低減するために極めて薄く形成することが望ましい。そのため、この発熱体薄膜９０３への負荷は大きく、発熱体薄膜９０３が熱的な衝撃により切断される場合がある。さらには、発熱体薄膜９０３における抵抗値は、エレクトロマイグレーションによって変化することがあり、長期的に設計通りの駆動を実現することが困難となる場合もある。
特開平１１−３００２７４号公報

このように、従来の圧力波発生装置では、熱容量値を低減する目的で電極としての発熱体薄膜の厚みが薄いため、場合によっては、駆動電流によって発熱体薄膜が切断され、耐久性の高い圧力波発生装置を実現することが困難であるという問題があった。
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、耐久性の高い高品質な圧力波発生装置及び圧力波発生装置の駆動方法を提供することを目的とする。

本発明に係る圧力波発生装置は、圧力波を発生させる圧力波発生装置であって、基板と、当該基板上に配設された熱絶縁層と、当該熱絶縁層上に配設された発熱電極と、当該発熱電極に接続され、変調されたパルス列から構成された駆動電流を生成する駆動部とを備えたものである。このような構成により、発熱電極に連続的な電流印加を避けることができるので、発熱電極への負荷を低減することができる。それ故、耐久性の高い高品質な圧力波発生装置を実現することができる。

さらに、前記変調を、前記パルス列の振幅変調としたり、前記パルス列の間隔の変調としたりすることができる。さらにまた、前記変調を、前記パルス列のパルス幅変調とすることもできる。

好適には、前記熱絶縁層を、ナノ結晶シリコン層とすることができる。

本発明に係る圧力波発生装置の駆動方法は、圧力波を発生させる圧力波発生装置を駆動する方法であって、変調されたパルス列を生成するステップと、当該生成したパルス列を印加するステップとを備えたものである。このような構成により、発熱電極に連続的な電流印加を避けることができるので、発熱電極への負荷を低減することができる。それ故、耐久性の高い高品質な圧力波発生装置を実現することができる。

さらに、前記パルス列を生成するステップでは、前記パルス列の振幅変調を行ったり、前記パルス列を生成するステップでは、前記パルス列の間隔の変調を行ったりする。さらにまた、前記パルス列を生成するステップでは、前記パルス列のパルス幅変調を行ってもよい。

本発明によれば、耐久性の高い高品質な圧力波発生装置及び圧力波発生装置の駆動方法を提供することができる。つまり、本発明の原理は、本発明の構造に係る圧力波発生装置が、広い周波数領域で概ねフラットな周波数特性を持つがゆえに、変調されたパルス信号によって源波形が再現できる点に着眼し、それによって上記高耐久の圧力波発生装置を実現している。

本発明に係る圧力波発生装置は、好適には、ナノ結晶シリコンの熱絶縁性を利用した音源であり、発熱電極へのダメージが少なく、音響信号を高品質で高い音圧で再生できるスピーカへの応用である。
以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。

発明の実施の形態１．
発明の実施の形態１においては、パルス状の駆動電流の振幅が変調される場合について説明する。
まず、図１を用いて、本発明に係る圧力波発生装置の構成について説明する。図１は、本発明に係る圧力波発生装置の一構成例を示す模式図であり、図１（ａ）は断面図、図１（ｂ）は上面図である。また、図１においては、本発明に係る圧力波発生装置の主たる構成が示されている。

図１に示すように、本発明に係る圧力波発生装置１は、シリコン基板１１、マスク層１２、熱絶縁層１３、発熱体薄膜１４、パッド１５１，１５２、ワイヤ１６１，１６２、駆動部１７を有する。
シリコン基板１１は、ウェハをダイシングすることにより形成される。
マスク層１２は、高抵抗の材料が用いられた層であり、パッド間の電気的絶縁の役割を果たす。このマスク層１２の直下は多孔質の熱絶縁層ではなく、シリコン基板となるので、ワイヤボンド時の超音波の逃げによる接着不良を防止するチップ構造となる。これにより信頼性の高いワイヤの接続が可能となる。マスク層１２は、例えば、ＳｉＣやシリコンナイトライド（窒化シリコン）等から構成されている。マスク層１２は、シリコン基板１１上に配設され、詳細には、シリコン基板１２の４辺の周辺部に配設されている。このマスク層１２は、ウェハ上では、ダイシング領域も兼ね、ダイシングによる多孔質層の破壊を防ぐ役割も果たす。

熱絶縁層１３は、多孔質層を構成するナノ結晶シリコンを含むポーラスシリコン（ＰＳ）からなり、シリコン基板１の表面を陽極酸化させて形成される。また、熱絶縁層１３は、高分子材料やガラス系材料から構成することも可能である。この熱絶縁層１３は、マスク層１２で囲われている外周部分の内側に配設されている。
発熱体薄膜１４は、Ａｌ等の金属材料から構成され、発熱電極として機能する。発熱体薄膜１４は、熱絶縁層１３上に配設され、一例として帯状に形成されている。詳細には、発熱体薄膜１４は、熱絶縁層１３に比べて比較的薄く、例えば、３０ｎｍの厚さを有する。発熱体薄膜１４は、熱絶縁層１３がマスク層１２の窪み部分に形成されているので、マスク層１２に熱絶縁層１３に密着した状態で架設されている。

パッド１５１，１５２は、発熱体薄膜１４の両端部分に電気的に接触するように配設されている。このパッド１５１，１５２は、マスク層１２の外周部分まで延在している。ワイヤ１６１，１６２はそれぞれ、パッド１５１，１５２にボンディングされている。駆動部１７は、駆動電流を発生させ、この駆動電流を発熱体薄膜１４に入力する。

次に、本発明に係る圧力波発生装置１の駆動動作について説明する。
圧力波発生装置１の駆動部１７は、図１には図示しない信号入力部から入力された入力信号にＡＤ変換等の信号処理を施して駆動電流を生成する。より具体的には、駆動部１７は、入力信号によって変調したパルス列を生成する。後述するように、駆動電流は、例えば振幅が変調されたパルス列から構成されている。

駆動部１７は、ワイヤ１６１，１６２を介して、パッド１５１，１５２に駆動電流を供給し、発熱体薄膜１４に駆動電流を供給する。発熱体薄膜１４に駆動電流が印加されると、発熱体薄膜１４に温度変化が発生するので、発熱体薄膜１４表面に接する空気層に温度変化が生じる。この温度変化によって空気層に粗密が生じ、この粗密によって圧力波が発生する。

図２の波形図に、本発明に係る圧力波発生装置に印加される駆動電流の一例を示す。ここで、従来の駆動電流の一例を示す図１１を適宜用いて説明する。
図２に示すように、この駆動電流は、パルス状の駆動電流であり、詳細には、振幅が変調されたパルス列から構成されている。従って、駆動部１７は、両パッド１５１，１５２にパルス状の駆動電流を供給することによって、ワイヤ１６１，１６２を介して発熱体薄膜１４に電流を流す。パルス幅を十分に短くすることによって、発熱電極である発熱体薄膜１４に大きな負荷を与えることなく、所望の信号を出力することができる。

図２に示すように、圧力波発生装置１に供給される駆動電流パルスの振幅は、具体的には、交流成分と直流成分とから構成された従来の駆動電流を部分的に再現したものである。従って、この振幅の頂点の包絡線は、図１１に示された従来の駆動電流とほぼ同じ正弦波状の信号波形となる。すなわち、振幅が変調されたパルス列によって、正弦波状の信号が再現されている。

続いて、図３及び図４を用いて、本発明に係る圧力波発生装置１が圧力波として超音波を発生させた場合の超音波信号について説明する。
図３のグラフに、本発明に係る圧力波発生装置１にある周波数領域に渡って同じレベルの入力を与えたときに発生する超音波の周波数と音圧レベルの一例が示されている。図３において、横軸が入力の周波数、縦軸が超音波の音圧レベルである。図３は３０ｋＨｚ〜８０ｋＨｚの領域に関してフラットな周波数特性を示しており、本発明に係る圧力波発生装置１は、各周波数に対してほぼ同じ大きさで超音波を発生させることができることを意味している。

図４に、本発明に係る圧力波発生装置１の駆動動作によって、正弦波を入力した時の、周波数と音圧レベルの結果を示す。図４（ａ）は入力周波数が５０ｋＨｚである場合の結果、図４（ｂ）は入力周波数が４０ｋＨｚである場合の結果である。ここでは、パルス幅０．２５μｓのパルス列を駆動電流として４００ｋＨｚで繰り返し印加されている。
図４（ａ），（ｂ）に示すように、本発明に係る圧力波発生装置１では、入力周波数が４０ｋＨｚの場合にも、５０ｋＨｚの場合にも、ほぼ同じ程度に７０ｄＢの音圧レベルで出力されている。

ここで、図５及び図６を用いて、一般の圧力波発生装置に本発明に係る駆動電流を供給して超音波を発生させた場合の出力特性について見てみる。ここでは、一般の圧力波発生装置として圧電素子を用いて超音波信号を測定した。
図５のグラフに、ある周波数領域に渡って同じレベルの入力を与えたときの一般的な圧電素子が発生させる超音波の周波数に対する音圧レベルが示されている。図３とは異なり、周波数特性には共振点が見られ、音圧レベルは周波数により大きく変化している。
図６に、この圧電素子に、本発明に係る駆動方法を適用した結果が示されている。ここで、圧電素子においては、線形システムであるので、直流成分と正弦波状の交流成分とから構成された駆動電流ではなく、交流成分に対応する振幅が変調されたパルスが印加されている。図６（ａ）は交流成分の周波数が５０ｋＨｚである場合の結果、図６（ｂ）は交流成分の周波数が４０ｋＨｚである場合の結果である。

図５に示すように、ここで使用された圧電素子は、周波数５０ｋＨｚに共振点を有する。それ故、図６（ａ）に示すように、この圧力波発生装置は、交流成分の周波数が５０ｋＨｚのときに、音圧レベルが最大である超音波を出力している。これに対して、図６（ｂ）に示すように、圧電素子は、交流成分の周波数が共振周波数５０ｋＨｚからずれた４０ｋＨｚである場合には、図６（ａ）に示された音圧レベルに比べて、出力する音圧レベルが激減している。

以上の図３乃至図６から分かるように、本発明に係る圧力波発生装置１では、駆動電流の波形がパルス列から構成され、このパルス列によって正弦波状の信号波形を再現できることを示している。これは圧力波発生装置１の周波数特性がフラットでインパルス応答が可能であるゆえに実現できる。更に、非線形システムであるために、スピーカとして応用する場合、大きな直流バイアス成分を印加する必要があるが、本発明に係る駆動方法であれば、発熱電極となる発熱体薄膜１４に連続的に駆動電流が印加されないので、発熱体薄膜１４への負荷を大幅に低減することが可能である。また、本発明に係る圧力波発生装置１では、発熱体薄膜１４は、熱容量を低減するために可能限り薄く形成されている。そのため、このような発熱体薄膜１４への負荷の低減は顕著な効果となる。

なお、本発明に係る圧力波発生装置１では、所望の周波数の圧力波とともに、パルスの繰り返しに対応した高い周波数の圧力波が同時に出力される。この同時に出力される高周波数の圧力波は、現に出力したい圧力波よりも十分高い周波数なので無視することもできる。また、超音波域であれば、高い周波数は吸収により減衰するので、距離を離せば、この高い周波数を無視することができる。

発明の実施の形態２．
発明の実施の形態２においては、駆動電流のパルスの間隔が変調される場合について説明する。なお、本実施形態においても、圧力波発生装置１が用いられるが、発明の実施の形態１と同様であるため、ここではその説明を省略する。
図７に、本実施形態におけるパルス状の駆動電流の一例が示されている。図７に示すように、本実施形態におけるパルス状の駆動電流は、各パルス間の間隔が変調されたパルス列から構成されている。換言すれば、パルス列のパルスの密度が変調され、このパルス列の密度によって、大気圧に対する空気の振動から生じる縦波である圧力波自体の粗密が再現されている。従って、パルス列のパルス間隔が狭い箇所は、大きな振幅の縦波に対応し、逆にパルス間隔が広いところは、小さな振幅に対応している。このとき、駆動電流の振幅は変調されず、一定の振幅でパルス状の駆動電流が印加される。また、本実施形態においても、パルス幅を十分に短くすれば、発熱電極である発熱体薄膜１４へ大きな負荷を与えることなく、所望の信号を出力することができる。

より具体的には、この駆動電流の各パルスの間隔は、従来と同様の正弦波状に変調され、縦波のように変調されている。この駆動電流は、交流成分と直流成分とから構成された従来の駆動電流を再現している。従って、このパルス間の間隔の変調を縦波としてみた場合には、その振幅の頂点の包絡線は、図１１に示された従来の駆動電流とほぼ同じ正弦波状の信号波形となる。すなわち、パルス間の間隔が変調されたパルス列によって、正弦波状の信号波形が再現されている。

以上のように、本実施形態におけるパルス状の駆動電流においては、パルス間の間隔が変調されたパルス列によって、正弦波状の駆動電流が再現されている。このような場合においても、実施の形態１における駆動電流と同様の効果を得ることができる。

発明の実施の形態３．
発明の実施の形態３においては、駆動電流のパルス幅が変調される場合について説明する。なお、本実施形態においても、圧力波発生装置１が用いられるが、発明の実施の形態１と同様であるため、ここではその説明を省略する。
図８に、本実施形態におけるパルス状の駆動電流の一例が示されている。図８に示すように、本実施形態におけるパルス状の駆動電流は、各パルスのパルス幅が変調されたパルス列から構成されている。換言すれば、パルス列のパルス幅が変調され、大気圧に対する空気の振動から生じる縦波である圧力波自体の粗密がパルス幅の大小によって再現されている。従って、パルス列のパルス幅が大きい箇所は、大きな振幅の縦波に対応し、逆にパルス幅が小さいところは、小さな振幅に対応している。このとき、駆動電流の振幅は変調されず、一定の振幅でパルス状の駆動電流が供給される。

より具体的には、この駆動電流の各パルスのパルス幅は、従来と同様の正弦波状に変調され、縦波のように変調されている。この駆動電流は、交流成分と直流成分とから構成された従来の駆動電流を再現したものである。従って、このパルス幅の変調を縦波としてみた場合には、その振幅の頂点の包絡線は、図１１に示された従来の駆動電流とほぼ同じ正弦波状の信号波形となり、パルス幅が変調されたパルス列によって正弦波状の信号波形を再現している。

以上のように、本実施形態におけるパルス状の駆動電流においては、パルス幅が変調されたパルス列によって、正弦波状の駆動電流が再現されている。このような場合においても、実施の形態１における駆動電流と同様の効果を得ることができる。

本実施形態においては、各パルスの幅で変調されているので、入力によっては、パルス幅を十分に小さくすることができない場合がある。この場合には、電極である発熱体薄膜１４に負荷を与えることがあるので、各パルスの間隔、パルス幅の変調幅の変化率等で調整する必要が出てくる場合がある。

本発明に係る圧力波発生装置の一構成例を示す模式図である。 本発明に係る圧力波発生装置の駆動電流波形の一例を示すグラフである。 本発明に係る圧力波発生装置の出力特性の一例を示すグラフである。 本発明に係る圧力波発生装置の音圧レベルの一例を示すグラフである。 圧電素子を用いた圧力波発生装置の出力特性の一例を示すグラフである。 圧電素子を用いた圧力波発生装置の音圧レベルの一例を示すグラフである。 本発明に係る圧力波発生装置の駆動電流波形の他の一例を示すグラフである。 本発明に係る圧力波発生装置の駆動電流波形の他の一例を示すグラフである。 従来の圧力波発生装置の一例を示す部分模式図である。 従来の圧力波発生装置の駆動電流波形の一例を示すグラフである。 従来の圧力波発生装置の駆動電流の他の一例を示すグラフである。

符号の説明

１１…シリコン基板、１２…マスク層、１３…熱絶縁層、１４…発熱体薄膜、
１５１，１５２…パッド、１６１，１６２…ワイヤ、１７…駆動部

Claims (9)

1. 圧力波を発生させる圧力波発生装置であって、
   基板と、
   当該基板上に配設された熱絶縁層と、
   当該熱絶縁層上に配設された発熱電極と、
   当該発熱電極に接続され、変調されたパルス列から構成された駆動電流を生成する駆動部とを備えた圧力波発生装置。
2. 前記変調は、前記パルス列の振幅変調であることを特徴とする請求項１記載の圧力波発生装置。
3. 前記変調は、前記パルス列の間隔変調であることを特徴とする請求項１記載の圧力波発生装置。
4. 前記変調は、前記パルス列のパルス幅変調であることを特徴とする請求項１記載の圧力波発生装置。
5. 前記熱絶縁層は、ナノ結晶シリコン層であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の圧力波発生装置。
6. 圧力波を発生させる圧力波発生装置を駆動する方法であって、
   変調されたパルス列を生成するステップと、
   当該生成したパルス列を印加するステップとを備えた圧力波発生装置の駆動方法。
7. 前記パルス列を生成するステップでは、前記パルス列の振幅変調を行うことを特徴とする請求項６記載の圧力波発生装置の駆動方法。
8. 前記パルス列を生成するステップでは、前記パルス列の間隔の変調を行うことを特徴とする請求項６記載の圧力波発生装置の駆動方法。
9. 前記パルス列を生成するステップでは、前記パルス列のパルス幅変調を行うことを特徴とする請求項６記載の圧力波発生装置の駆動方法。

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