JP3798302B2

JP3798302B2 - 熱誘起圧力波発生装置

Info

Publication number: JP3798302B2
Application number: JP2001354174A
Authority: JP
Inventors: 裕之篠田; 信義越田; 直也浅村
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: 2001-11-20
Filing date: 2001-11-20
Publication date: 2006-07-19
Anticipated expiration: 2021-11-20
Also published as: TW200300367A; TW552164B; JP2003154312A; WO2003043748A1

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熱誘起圧力波発生装置に係り、スピーカーや超音波発生装置に関するものである。距離計測や液面計測などの計測分野、監視システムにおける人間や物体の検出、自動車やロボットなどが障害物や周囲の物体を検出するためのセンサ、自動車の乗員の位置や姿勢のセンサ、音響機器（スピーカー）、非線形音響素子、パラメトリックアレイ装置、マイクロアセンブリや微小物体操作（放射圧によって非接触で物体を操作する）、触覚ディスプレイをはじめとしたバーチャルリアリティなどの技術分野に属する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、このような分野の技術として、圧電材料や固体膜を振動させ、空中に超音波を発生させるようにしたものがある。
【０００３】
一方、上記の技術とは異なった先行技術として、特開平１１−３００２７４号によって、熱誘起超音波発生装置が提案された。これにより、従来にない広い帯域の超音波を発生させることが可能になり、集積化超音波アレイの実現も容易となった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来の熱誘起超音波発生装置は、超音波の発生効率が悪く、発生可能な音波のパワーも小さいために、実用されるには至っていない。
【０００５】
本発明は、上記状況に鑑みて、熱誘起超音波の発生効率と発生パワーを飛躍的に増大させることができる熱誘起圧力波発生装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕基板と、この基板上に設けられる熱絶縁層と、この熱絶縁層上に設けられ、電気的に駆動される発熱体電極とを具備する熱誘起圧力波発生装置において、前記発熱体電極の面積を小さくするとともに、前記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、発生音のパワー増大手段を備えることを特徴とする。
【０００７】
〔２〕上記〔１〕記載の熱誘起圧力波発生装置において、前記発熱体電極に音響ホーンを接続することを特徴とする。
【０００８】
〔３〕上記〔２〕記載の熱誘起圧力波発生装置において、前記音響ホーンは、熱誘起超音波の実効放射インピーダンスと整合した音響ホーンであることを特徴とする。
【０００９】
〔４〕上記〔１〕又は〔２〕記載の熱誘起圧力波発生装置において、前記発熱体電極の形状をヒダ状となし、前記発熱体電極が空気に接する面積を大きくし、強力な圧力波を発生させることを特徴とする。
【００１０】
〔５〕上記〔１〕又は〔２〕記載の熱誘起圧力波発生装置において、前記発熱体電極を前記基板に形成される溝又は孔の内壁に形成し、前記発熱体電極が空気に接する面積を大きくし、強力な圧力波を発生させることを特徴とする。
【００１１】
〔６〕上記〔５〕記載の熱誘起圧力波発生装置において、前記発熱体電極を分割し、この分割された電極を所定の方向に進行する進行波と同期したタイミングで駆動することによって強力な圧力波を発生させることを特徴とする。
【００１２】
〔７〕上記〔５〕記載の熱誘起圧力波発生装置において、前記溝又は孔は円柱形状又は角柱形状の溝又は孔であり、この溝又は孔の内壁に複数の発熱体電極を配置し、前記円柱形状又は角柱形状の溝又は孔の長手方向に進行する波動に同期したタイミングで前記複数の発熱体電極を駆動することによって、前記円柱形状又は角柱形状の溝又は孔の長手方向に進行する強力な圧力波を発生させることを特徴とする。
【００１３】
〔８〕上記〔１〕又は〔２〕記載の熱誘起圧力波発生装置において、前記発熱体電極を微小な多数の突起物により支えることによって、前記基板と発熱体電極の間の熱絶縁を行うことを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１５】
図１は本発明の実施例を示す熱誘起圧力波発生装置の構成図であり、図１（ａ）はその断面図、図１（ｂ）はその平面図である。
【００１６】
これらの図において、１は基板、２は熱絶縁層、３は発熱体電極、４は発熱体電極３への配線、５は音響ホーン、６は発熱体電極３に電流を印加する信号発生器である。
【００１７】
以後の説明の前提として、熱誘起圧力波発生において成り立つ性質、すなわち、「発生する音波の音圧Ｐ（ω）は、投入する電力ｑ（ω）に比例し、放射面での音響インピーダンスが等しければ、単位面積に投入される電力と発生する音波の音圧Ｐ（ω）の比は周波数に依らず等しい」ことを既知とする。
【００１８】
そのとき、発熱体電極３の直径をｄとし、その発熱体電極３にｑ〔Ｗ／ｍ²〕なる電力を投入したときに、音響ホーン５の根元で発生した音圧がＰ＝αｑ〔Ｐａ〕であったとすると、これをそのまま１／ｎにスケールダウンし、周波数をｎ倍にしたとき発生する音圧Ｐ′は、
Ｐ′＝αｑ′
であるから、もし投入する電力を一定に保ち、ｑ′＝ｎ²ｑとすると、放射される音響パワーの総量は、
πｄ²Ｐ′²／ｎ²ρｃ＝ｎ²（πｄ²Ｐ²／ρｃ）
となり、スケールダウンする前のｎ²倍になる。
【００１９】
したがって、発熱体電極３の面積を微小化することにより、同じ投入パワーに対する音響パワーは増大する。
【００２０】
次に、図２（ａ）に示すように、一定振幅Ａの電力を投入する代わりに、図２（ｂ）に示すように、電力投入を行う時間を全体の１／ｋ倍にし、振幅をｋ倍にすると、平均投入パワーは変化しない。ところが、電力を投入している瞬間における発生音のパワーはｋ²倍になるから、発生音のパワーの時間平均は、
（１／ｋ）ｋ²＝ｋ
のようにｋ倍になる。
【００２１】
したがって、図２（ａ）に対して、図２（ｂ）のような駆動法を行うと、同じ平均投入電力に対する発生音の平均パワーはｋ倍となる。
【００２２】
また、熱誘起超音波への投入電力ｑによる発熱体電極３表面の温度変化分Ｔ₀から発生音圧を算出するための等価回路は図３のように与えられる。
【００２３】
インピーダンスＺに、発熱体電極前面における音響インピーダンスを代入すると、そのとき回路に流れる電流が発熱体電極表面付近での空気の粒子速度、Ｚの両端電圧が発生音圧に相当する。
【００２４】
等価出力インピーダンスをＺ₀＝βρｃと書くと（ρｃは空気の特性インピーダンス）、
｜β｜＝｜ｃ√（Ｃ／ωＫγ）｜≒８５（ａｔ１００ｋＨｚ）
程度である。ここでｃは空中の音速、Ｃは空気の単位体積あたりの定積熱容量、Ｋは空気の熱伝導度、γは比熱比（空気の場合、約１．４）である。例えば、周波数を１００ｋＨｚとすれば、｜β｜≒８５である。
【００２５】
したがって、音響ホーンの入力部の直径を、発熱体電極の直径の１／ｍ（ｍ＝√β＝√８５）にすると（面積比がβとなり、発熱体電極から見たインピーダンスはβ倍になる。ただし、これらの径が音波長より小さい場合）、送出される音波のエネルギーは最大になる。
【００２６】
なお、上記した実施例によって、空間的、時間的にエネルギーを集中させると、やがて発熱体電極の許容できる電流値や温度を超えてしまう。この制限のもとでさらに発生音圧を増大させるには、以下のような発熱体電極の構造を用いればよい。
【００２７】
図４は本発明の実施例を示す発熱体電極の変形例の模式図であり、図４（ａ）には鋸歯形状発熱体電極の例を、図４（ｂ）には溝付き形状発熱体電極の例を、図４（ｃ）には溝内に配置される分割発熱体電極の例をそれぞれ示している。
【００２８】
第１の発熱体電極としては、図４（ａ）に示すように、鋸歯形状基板７上に熱絶縁層８を形成して、その熱絶縁層８上に鋸歯形状発熱体電極９を形成する。その鋸歯形状発熱体電極９には信号源１０が接続される。１１は放射される音波を表している。
【００２９】
このようにして、鋸歯形状発熱体電極９を形成し、同じ放射面積に対して空気と鋸歯形状発熱体電極９が接する面積をＸ倍することによって、発生する音圧はＸ倍になる。ただし、この時の条件は鋸歯の高さが発生音波長よりも十分に小さい場合である。
【００３０】
なお、この例では鋸歯形状発熱体電極９として説明したが、ヒダが形成されるのであれば、種々の形状にすることができる。
【００３１】
第２の発熱体電極としては、図４（ｂ）に示すように、溝付き形状基板１２の溝の内壁に熱絶縁層１３を形成して、その熱絶縁層１３上に溝形状発熱体電極１４を形成する。その溝形状発熱体電極１４には信号源１５が接続される。１６は放射される音波を表している。
【００３２】
このような構造でも平面の発熱体電極に比べると発生する音圧を高くすることができる。
【００３３】
第３の発熱体電極としては、図４（ｃ）及び図５に示すように、穴付き形状基板１７の溝の内壁に熱絶縁層１８を形成して、その熱絶縁層１８上に分割された溝形状発熱体電極１９ａ，１９ｂ，１９ｃを形成する。これらの分割された溝形状発熱体電極１９ａ，１９ｂ，１９ｃにはそれぞれ信号源２０ａ，２０ｂ，２０ｃが接続される。２１は放射される音波を表している。
【００３４】
このような構造でも平面の発熱体電極に比べると発生する音圧を高くすることができる。
【００３５】
また、これらの鋸歯形状発熱体電極の鋸歯の高さや溝形状発熱体電極の溝の高さが発生音波の波長の半分を超えてしまうと、それ以上に高い鋸歯や溝を形成しても効果が低減するが、以下のように構成することで、改善することができる。
【００３６】
この実施例では、空間を電極で取り囲むように構成することができる。
【００３７】
このように、分割された溝形状発熱体電極１９ａ，１９ｂ，１９ｃのように発熱体電極を波長以下の大きさで分割し、それぞれを信号源２０ａ，２０ｂ，２０ｃで独立に駆動して、その位相を進行波の位相と一致させるようにすれば、この構造を延長することで発熱体電極の面積に比例した強い音圧を得るようにすることもできる。
【００３８】
図６はその他の例を示す分割された平板状発熱体電極の構成図である。
【００３９】
この例では、横向き角孔付き基板３１の角孔に熱絶縁層（図示なし）を形成して、その角孔の下面にのみ分割された平板状発熱体電極３２ａ，３２ｂ，３２ｃを形成する。これらの分割された平板状発熱体電極３２ａ，３２ｂ，３２ｃには信号源（図示なし）が接続される。３３は放射される音波を表している。
【００４０】
この実施例では、図６に示すように、一面だけに発熱体電極３２ａ，３２ｂ，３２ｃがあり、作製がより容易になる。なお、基板の間隔が波長と等しくなる場合には、各発熱体電極に同一の信号を与えて音波を発生させることができる。
【００４１】
図７は本発明の他の実施例を示す熱絶縁構造を示す断面図である。
【００４２】
この実施例では、固体の膜状の熱絶縁層を用いる代わりに、図７に示すように、基板４１上に間隔ｗが１０μｍ程度の突起物４２を形成し、その突起物４２で発熱体電極４３を支持する。この発熱体電極４３の厚みは１０ｎｍ以下程度にして発熱体電極４３と基板４１との間の絶縁を極めて良好なものにすることによって、単位消費電力あたりの発生音圧パワーを増大することができる。
【００４３】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００４４】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、熱誘起超音波発生装置の熱誘起超音波の発生効率と最大発生音圧を飛躍的に向上させることができ、従来の音響機器、超音波発生器の性能を上回るだけでなく、強力超音波の新しい応用が可能になる。例えば、計測応用だけではなくオーディオ機器や強力超音波の非線形効果をも利用可能な装置を実現することができる。
【００４５】
これによって、従来の超音波デバイスをより高性能なものに置き換えるだけでなく、パラメトリックアレイなどの非線形音響素子、放射圧アクチュエータ、触覚ディスプレイなどの新しい応用が可能な超音波発生装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示す熱誘起圧力波発生装置の構成図である。
【図２】本発明の実施例を示す発熱体電極の時間的な駆動方法の説明図である。
【図３】本発明の熱誘起超音波の発生音圧を計算するための等価回路図である。
【図４】本発明の実施例を示す発熱体電極の変形例の模式図である。
【図５】図４（ｃ）に示される第３の発熱体電極の斜視図である。
【図６】本発明の実施例を示す横向き角孔への分割された平板状発熱体電極の構成図である。
【図７】本発明の他の実施例を示す熱絶縁構造を示す断面図である。
【符号の説明】
１，４１基板
２，８，１３，１８熱絶縁層
３，４３発熱体電極
４発熱体電極への配線
５音響ホーン
６発熱体電極に電流を印加する信号発生器
７鋸歯形状基板
９鋸歯形状発熱体電極
１０，１５，２０ａ，２０ｂ，２０ｃ信号源
１１，１６，２１，３３放射される音波
１２溝付き形状基板
１４溝形状発熱体電極
１７穴付き形状基板
１９ａ，１９ｂ，１９ｃ分割された溝形状発熱体電極
３１横向き角孔付き基板
３２ａ，３２ｂ，３２ｃ分割された平板状発熱体電極
４２突起物

Claims

基板と、該基板上に設けられる熱絶縁層と、該熱絶縁層上に設けられ、電気的に駆動される発熱体電極とを具備する熱誘起圧力波発生装置において、
前記発熱体電極の面積を小さくするとともに、前記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、発生音のパワー増大手段を備えることを特徴とする熱誘起圧力波発生装置。
請求項１記載の熱誘起圧力波発生装置において、前記発熱体電極に音響ホーンを接続することを特徴とする熱誘起圧力波発生装置。
請求項２記載の熱誘起圧力波発生装置において、前記音響ホーンは、熱誘起超音波の実効放射インピーダンスと整合した音響ホーンであることを特徴とする熱誘起圧力波発生装置。
請求項１又は２記載の熱誘起圧力波発生装置において、前記発熱体電極の形状をヒダ状となし、前記発熱体電極が空気に接する面積を大きくし、強力な圧力波を発生させることを特徴とする熱誘起圧力波発生装置。
請求項１又は２記載の熱誘起圧力波発生装置において、前記発熱体電極を前記基板に形成される溝又は孔の内壁に形成し、前記発熱体電極が空気に接する面積を大きくし、強力な圧力波を発生させることを特徴とする熱誘起圧力波発生装置。
請求項５記載の熱誘起圧力波発生装置において、前記発熱体電極を分割し、該分割された電極を所定の方向に進行する進行波と同期したタイミングで駆動することによって強力な圧力波を発生させることを特徴とする熱誘起圧力波発生装置。
請求項５記載の熱誘起圧力波発生装置において、前記溝又は孔は円柱形状又は角柱形状の溝又は孔であり、該溝又は孔の内壁に複数の発熱体電極を配置し、前記円柱形状又は角柱形状の溝又は孔の長手方向に進行する波動に同期したタイミングで前記複数の発熱体電極を駆動することによって、前記円柱形状又は角柱形状の溝又は孔の長手方向に進行する強力な圧力波を発生させることを特徴とする熱誘起圧力波発生装置。
請求項１又は２記載の熱誘起圧力波発生装置において、前記発熱体電極を微小な多数の突起物により支えることによって、前記基板と発熱体電極の間の熱絶縁を行うことを特徴とする熱誘起圧力波発生装置。