JP2008161820A - 圧力波発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】圧力波発生装置が出力する音波の音圧が低下するのを防止し、圧力波発生装置の耐久性を向上する。
【解決手段】本発明の圧力波発生装置１は、熱伝導性の基板２と、基板２の一方の主面に形成された断熱層３と、断熱層３の上に形成され、交流成分を含む電流が印加されて発熱する発熱体４と、基板２の他方の主面に接して設けられ、基板２の熱を基板２の外に拡散するヒートシンク５と、を備える。さらに、ヒートシンク５は、強制冷却する冷却手段を備えてもよい。好ましくは、断熱層３は、ナノ結晶シリコンであることを特徴とする。また、発熱体４は、金又はタングステンを含んで形成されてもよい。
【選択図】図１

Description

本発明は、気体に熱を加えて粗密波を発生する圧力波発生装置に関する。

空気に周期的に熱を加えることにより空気の粗密を作り、音波を発生する装置が提案されている（例えば、特許文献１乃至４参照）。特許文献１に記載の技術では、発熱体を薄膜状に形成し、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を形成するとともに、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。

また、特許文献２には、発熱体電極に印加する電流を、短い時間にパワーが集中している周期的あるいは非周期的パルス状あるいはバースト波状にすることによって、時間平均投入電力に対する発生音の時間平均パワーを高める技術が記載されている。

特許文献３には、断熱層のナノ結晶シリコンに多数の孔を形成し、その多孔度を７５％以上として音圧レベルを高めることが記載されている。また、特許文献４には、断熱層のナノ結晶シリコン層の厚みを、発振する超音波の周波数で規定される熱拡散長以上でかつ熱拡散長に５μｍ加えた厚み以下とすることによって、耐電力特性を向上し、最大発生音圧を大きくすることが記載されている。
特開平１１−３００２７４号公報 特開２００３−１５４３１２号公報 特開２００５−７３１９７号公報 特開２００５−２６９７４５号公報

導電体を電力で発熱させるヒーターで空気に熱を加えることによって音波を発生する圧力波発生装置では、ヒーターへの印加電力を大きくすると、ヒーター発熱の直流成分によって基板、すなわち系全体の温度が過度に上昇する。その結果ヒーター抵抗が上昇して、印加電圧が一定の場合にはヒーター発熱量が減少する（音圧が小さくなる）。また、ヒーターの温度が下がらず、ヒーターの周辺空気の温度が上昇して温度コントラストが小さくなる。その結果、発生する粗密波の振幅すなわち音圧が小さくなる。さらに、圧力波発生装置が高温になるため熱応力による構造的損傷が発生したり、ヒーター金属が断熱層であるナノ結晶シリコンに拡散することにより、圧力波発生装置の寿命が短くなるという問題があった。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、圧力波発生装置が出力する音波の音圧が低下するのを防止し、圧力波発生装置の耐久性を向上することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の第１の観点に係る圧力波発生装置は、熱伝導性の基板と、該基板の一方の主面に形成された断熱層と、該断熱層の上に形成され、交流成分を含む電流が印加されて発熱する導体層と、前記基板の他方の主面に接して設けられ、前記基板の熱を前記基板の外に拡散する放熱手段と、を備えることを特徴とする。

好ましくは、前記放熱手段は、ヒートシンクであることを特徴とする。

さらに、前記放熱手段は、強制冷却する冷却手段を備えてもよい。

好ましくは、前記断熱層は、ナノ結晶シリコンであることを特徴とする。

また、前記導体層は、金又はタングステンを含んで形成されてもよい。

本発明の圧力波発生装置によれば、発生する音波の音圧の低下が小さくなり、音圧を安定に保つことができる。そして、圧力波発生装置の耐久性が向上する。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付し、その説明は繰り返さない。図１は、本発明の一実施の形態に係る圧力波発生装置の構成を示す。図１（ａ）は、駆動回路の接続を含む平面図、図１（ｂ）は、（ａ）のＸ−Ｘ線断面図である。

図１に示すように、圧力波発生装置１は、基板２、断熱層３、発熱体４及びヒートシンク５から構成される。発熱体４の両端部に駆動回路６が電気的に接続される。基板２はバルクシリコンなどから形成される。基板２の一方の主面に、多孔質であるナノ結晶シリコン（以下、ｎｃ−Ｓｉという）の断熱層３が形成されている。断熱層３の上に接して発熱体４が、導電性の金属、例えば、金（Ａｕ）又はタングステン（Ｗ）などの薄膜で形成されている。

駆動回路６は、発熱体４の両端に所定の周波数ωで間欠するパルス電圧、又は交流電圧を印加する。断熱層３の厚さが、発熱体４に印加される電圧の交流成分に対して、断熱層３の熱伝導率と単位体積当たりの熱容量で決まる熱拡散長と同程度とすると、発熱の交流成分は基板２側へは断熱し、発熱体４の熱容量のため発生する直流成分の熱は、大きな熱伝導性の基板２へ効率良く逃がすことができる。断熱層３の厚さは、ｎｃ−Ｓｉの場合、発生させる音波の周波数にもよるが、例えば、５μｍ〜２００μｍ程度とする。

基板２の、断熱層３及び発熱体４が形成されているのと反対側の面に密着して、ヒートシンク５が設けられている。ヒートシンク５は熱伝導率の高い材質、例えば、アルミニウム、銅等の金属で形成される。また、ヒートシンク５には多数の放熱フィン５ｆが形成されており、空気に接する面積を大きくしている。ヒートシンク５は、基板２の熱を下側の空気に拡散させる。

断熱層３によって、発熱の交流成分は基板２側へは断熱するが、発熱体４の熱容量のため発生する熱の直流分は基板２へ伝導する。基板２の熱容量は、発熱体４及び断熱層３の熱容量より充分大きいが、有限であり、発熱体４が発生する熱の直流分で温度が上昇する。

ヒートシンク５がない従来の場合は、定常的には、基板２と下側の空気の温度差で決まる係数で基板２の熱が空気中に拡散する。しかし、基板２の表面積が小さいので、空気と基板２の温度差が大きくないと、下側の空気へ拡散する熱と発熱体４の発熱の直流分とが平衡しない。

図１のようにヒートシンク５を設けた場合は、ヒートシンク５と下側の空気とが接触する表面積が大きく、熱が空気に拡散する効率が高い。すなわち、空気とヒートシンク５の温度差が低い状態で、下側の空気へ拡散する熱と発熱体４の発熱の直流分とが平衡する。その結果、基板２の温度は低く抑えられる。また、基板２の熱容量がヒートシンク５の熱容量だけ大きくなることに相当するので、基板２の温度上昇がその分小さくなる。

基板２からヒートシンク５への熱伝導率を高めるために、基板２とヒートシンク５の間に放熱グリースを充填してもよい。基板２とヒートシンク５の固体どうしの接触でできる隙間に放熱グリースが入り込み、熱を伝導させるので、基板２の温度をさらに下げることができる。

また、ヒートシンク５を強制冷却してもよい。例えば、放熱フィン５ｆに冷却ファンなどで空気を吹き付けると、自然対流よりも放熱フィン５ｆに接する空気の温度が下がり、ヒートシンク５から拡散する熱量を大きくすることができる。強制冷却として、熱交換器に冷却水を通して冷却する水冷や、ペルチェ素子などを使って冷却する方法を用いてもよい。

図２は、ヒートシンク５等の放熱手段の効果を説明する図である。図２（ａ）は、ヒートシンク５がない従来の場合を表す。図２（ｂ）はヒートシンク５を備える本発明の圧力波発生装置１の場合を表す。

駆動回路６の間欠するパルス状の電流、又は交流によって、発熱体４の表面の空気は、電流が流れるときに熱せられて膨張し（粗になる）、電流が０又は小さいときに温度が下がって収縮する（密になる）。その様子を図２の周期的に振動する波形で表す。

ヒートシンク５がない場合は基板２の温度が上昇して、電流が０のときに発熱体４の表面の空気は充分収縮せず、図２（ａ）の周期振動曲線の下側の包絡線で示すように、振動の下限Ｂが高くなる。その結果、振動の実効的な振幅Ａが小さくなり、音圧が下がってしまう。

それに対して、ヒートシンク５を備える場合は、基板２の温度上昇が小さいので、電流が０のときに発熱体４の表面の空気は充分収縮し、図２（ｂ）の周期振動曲線の下側の包絡線で示すように、振動の下限Ｂはほとんど上がらない。その結果、振動の実効的な振幅Ａはほとんど初期の値を保持し、音圧は保たれる。

本発明の圧力波発生装置１では、発熱体４の熱の直流分による基板２の温度上昇を抑えるので、発生する音波の音圧が低下するのを防止する。また、発熱体４の平均温度が低く保たれるので、発熱体４の抵抗値が大きくならず、同一電力で得られる音圧が広域にわたって大きくなる。さらに、発熱体４、断熱層３及び基板２の熱応力歪みが小さくなるので、圧力波発生装置１の耐久性が向上する。

（実施例）
本発明の圧力波発生装置１と従来のヒートシンク５のない圧力波発生装置とを比較した例を示す。図３は、本発明の圧力波発生装置１の例で、ヒートシンク５を備える場合を示す。図４は、従来の圧力波発生装置の例で、ヒートシンク５のない場合を示す。図５は、さらに、ヒートシンク５を冷却ファン１０によって強制空冷する場合を示す。なお、図５において、冷却ファン１０による空気の流れを矢印で示す。通常は、放熱フィン５ｆに沿って空気が流れるように配置するが、わかりやすいように放熱フィン５ｆに直交する方向で記載している。

図３乃至図５のいずれの場合も、基板抵抗が５Ω・ｃｍのｐ型Ｓｉウエハを用い、ｎｃ−Ｓｉの断熱層３の厚さを１００μｍとして、断熱層３の上に金（Ａｕ）で発熱体４を形成した。断熱層３の厚さ１００μｍは、出力する音波の周波数が１ｋＨｚの場合の熱拡散長に相当し、圧力波発生装置１は１ｋＨｚ以上の周波数で音波を発生できる。そして、いずれも発熱体４に間欠するパルス電圧を印加して音波を発生させた。

圧力波発生装置１を製作するには、例えば次のようにする。シリコンウエハの基板２を用意し、裏面に例えばアルミニウムの薄膜から形成される電極層を真空蒸着などで形成する。そして、フッ酸（ＨＦ）とエタノールの混合溶液を用いて、白金（Ｐｔ）を対向電極として断熱層３を形成する部分に陽極酸化処理を施す。溶液の成分比、電流密度及び処理時間を所定の値に制御して、所望の厚さと粒度に多孔質化したｎｃ−Ｓｉの断熱層３を形成する。

本実施例では、基板２の断熱層３を形成した面に絶縁体層を形成する。基板２の上に、例えば、プラズマＣＶＤによってノンドープ・ケイ酸ガラス（ＮＳＧ）等を堆積させて、絶縁体層とする。本実施例では、絶縁体層の厚さを２００ｎｍとした。絶縁体層は、それ自体は発熱せず、発熱体４の温度を均一にするよう作用する。また、絶縁体層の厚さは断熱層３に比べて極めて薄いので、基板２の厚さ方向の熱拡散長には影響しない。その結果、発熱体４の温度の不均一による局部的な応力が緩和され、入力電力を大きく、従って音圧を大きくすることができる。さらに、圧力波発生装置１の耐久性が向上する。

次に、発熱体４の形状にパターニングしたステンシルマスクを絶縁体層の上に保持して、金（Ａｕ）のスパッタによって、断熱層３上の絶縁体層の上に発熱体４を所定のパターンで形成する。その後、発熱体４に駆動回路６を接続するための電極などを形成する。そして、基板２の裏面に放熱グリースを塗布してヒートシンク５を取り付ける。

圧力波発生装置１の特性を評価する系は、発生する音波をエクスポネンシャルホーン８で集中させ、全体を遮蔽カバー９で覆った。そして、遮蔽カバー９の壁９Ｗに形成した孔９Ｈから出力される音波をマイク７で検出して音圧を測定した。

図６は、音波発生の経過時間と音圧の変化を表すグラフである。横軸は経過時間を表し、対数目盛である。三角の印が図４のヒートシンク無しの場合、四角の印が図３のヒートシンク有りの場合、丸印が図５の強制空冷の場合を示す。印加するパルスの周波数は１ｋＨｚで、電力はいずれの場合も同じである。

ヒートシンク５がない従来の場合は、１分あまりで４ｄＢ以上音圧が低下した。ヒートシンク有りの場合は、１０００秒経過しても、音圧の低下は１ｄＢ以下に留まっている。さらに強制空冷の場合は、１時間以上経過して、音圧の低下は０．５ｄＢ以下である。ヒートシンク５によって、音圧の低下が極めて小さく抑えられている。

図７は、音波発生の経過時間と発熱体４の抵抗の変化を表すグラフである。横軸は経過時間を表し、対数目盛である。三角の印が図４のヒートシンク無しの場合、四角の印が図３のヒートシンク有りの場合、丸印が図５の強制空冷の場合を示す。印加するパルスの周波数は１ｋＨｚで、電力はいずれの場合も同じである。音波発生の開始時点では、発熱体４の抵抗は同じ値を示している。

ヒートシンク５がない従来の場合は、１分あまりで抵抗値が約２割大きくなった。ヒートシンク有りの場合は、１０００秒経過しても、抵抗値の増大は５％以下に留まっている。さらに強制空冷の場合は、１時間以上経過して、抵抗値の増加はほとんど見られない。

図８は、音波発生の経過時間と基板２の温度の変化を表すグラフである。横軸は経過時間を表し、対数目盛である。三角の印が図４のヒートシンク無しの場合、四角の印が図３のヒートシンク有りの場合、丸印が図５の強制空冷の場合を示す。印加するパルスの周波数は１ｋＨｚで、電力はいずれの場合も同じである。

ヒートシンク５がない従来の場合は、１分あまりで基板２の温度が５０℃以上上昇した。ヒートシンク有りの場合は、１０００秒経過しても、基板２の温度上昇は１５℃程度に留まっている。さらに強制空冷の場合は、１時間以上経過して、基板２の温度上昇は５℃以下である。ヒートシンク有りの場合、及び強制冷却の場合は、基板２の温度の上昇が抑えられ、発熱体４の抵抗値の変動も小さくなる。

図９は、ヒートシンク有りとヒートシンク無しで、周波数を変化させてそれぞれの音圧を比較したグラフである。測定した周波数は１ｋＨｚ〜１０ｋＨｚで、入力電力はどちらも同じで一定である。三角印に細い実線が図４のヒートシンク無しの場合、丸印に太い実線が図３のヒートシンク有りの場合を示す。

ヒートシンク無しに比べてヒートシンク有りは、測定した周波数１ｋＨｚ〜１０ｋＨｚの全帯域で音圧が大きい。音圧の差は最大約１０ｄＢ（３ｋＨｚ）である。逆に、同じ音圧を得るためには入力電力が小さくて済むということである。それだけ、圧力波発生装置１の耐久性が向上することになる。

本発明の圧力波発生装置１によれば、発生する音波の音圧の低下が小さくなり、音圧を安定に保つことができる。また、同一電力で得られる音圧が広域にわたって大きくなる。そして、圧力波発生装置１の耐久性が向上する。

なお、実施の形態で説明した圧力波発生装置１の構成は一例であり、任意に変更及び修正が可能である。例えば発熱体４は図１に限定されず、様々な形状、パターン、大きさにすることができる。さらに、同一の基板に複数の発熱体４を設けるものであってもよい。

本発明の実施の形態に係る圧力波発生装置の構成を示す図である。 ヒートシンク等の放熱手段の効果を説明する図である。 本発明の圧力波発生装置の例で、ヒートシンクを備える場合を示す図である。 従来の圧力波発生装置の例で、ヒートシンクのない場合を示す図である。 ヒートシンクを強制空冷する場合を示す図である。 音波発生の経過時間と音圧の変化を表すグラフである。 音波発生の経過時間と発熱体の抵抗の変化を表すグラフである。 音波発生の経過時間と基板の温度の変化を表すグラフである。 ヒートシンク有りとヒートシンク無しで、周波数を変化させてそれぞれの音圧を比較したグラフである。

符号の説明

１ 圧力波発生装置
２ 基板
３ 断熱層
４ 発熱体（導体層）
５ ヒートシンク（放熱手段）
６ 駆動回路
１０ 冷却ファン（強制冷却手段）

Claims (5)

1. 熱伝導性の基板と、
   該基板の一方の主面に形成された断熱層と、
   該断熱層の上に形成され、交流成分を含む電流が印加されて発熱する導体層と、
   前記基板の他方の主面に接して設けられ、前記基板の熱を前記基板の外に拡散する放熱手段と、
   を備えることを特徴とする圧力波発生装置。
2. 前記放熱手段は、ヒートシンクであることを特徴とする請求項１に記載の圧力波発生装置。
3. 前記放熱手段は、強制冷却する冷却手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の圧力波発生装置。
4. 前記断熱層は、ナノ結晶シリコンであることを特徴とする請求項１に記載の圧力波発生装置。
5. 前記導体層は、金又はタングステンを含んで形成されることを特徴とする請求項１に記載の圧力波発生装置。

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