JP4439769B2

JP4439769B2 - Acoustic matching member

Info

Publication number: JP4439769B2
Application number: JP2001268456A
Authority: JP
Inventors: 英樹両角; 大介別荘; 裕治中林
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2001-09-05
Filing date: 2001-09-05
Publication date: 2010-03-24
Anticipated expiration: 2021-09-05
Also published as: JP2003078996A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は超音波を利用して気体の流量を測定する流量計測装置や、物体との距離を測定する距離計測装置などに用いる超音波送受信器に関するもので、特に超音波を送信または受信する手段と、気体との音響インピーダンスの整合をとる音響整合部材に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
物体の音響インピーダンスは（密度×音速）で求められる。空気中の音響インピーダンスＺ_AIRは約４２８kg/m²s、超音波を発生または受信する手段である圧電振動子の音響インピーダンスＺ_PZTは約３０×１０⁶kg/m²sである。圧電振動子から空気中へ超音波を放射する場合、両者の音響インピーダンスの差異による反射が発生し、放射効率が低下する。これを改善するために用いるものが音響整合部材である。音響整合部材の音響インピーダンスＺ_Mは理論計算から、
【０００３】
【数１】

【０００４】
を満たす値が、反射がない状態になる理想値で、上記したＺ_PZT及びＺ_AIRの値を用いると、この値は約０．１１×１０⁶kg/m²sとなる。
【０００５】
図８は、音響整合部材の音響インピーダンスと圧電振動子から空気中に放射される振動のエネルギーの割合の関係を示した特性図である。音響インピーダンス約０．１１×１０⁶kg/m²sで、透過の割合が１となり反射のないことを示している。
【０００６】
また、音響整合部材の長さを考慮すると、その最適な長さは音響整合部材を伝播する振動の波長の１／４である。圧電振動子３の振動周波数をν、音響整合部材での音速をＣ、とすると、波長λは、
（数式２）
λ＝Ｃ／ν
で表される。
【０００７】
図９に示すように圧電振動子の振動の波が音響整合部材を▲１▼のように伝播し、異なる音響インピーダンスの境界面Ａで、▲１▼は透過波▲２▼と反射波▲３▼とに分かれる。反射波▲３▼はさらに音響インピーダンスの境界面Ｂで反射し、反射波▲４▼を生じる。▲４▼は音響インピーダンスの境界面Ａに到達し透過波▲５▼と反射に分かれる。このとき▲２▼と▲５▼の波の位相が合うと、空気中での振動の波を強め合う。音響整合部材の長さが伝播する振動の波長の１／４のとき▲２▼と▲５▼の波の位相が合うようになる。
【０００８】
音響整合部材がこのような理想に近い音響インピーダンスを持つためには密度が軽く、かつ、音速が遅いことが必要である。
【０００９】
このため、従来の音響整合部材には図１０に示すように、樹脂材料１にガラスバルーン２（ガラスの中空球体）を混ぜて固めた構成のものがある。ガラスバルーンは中空であるので、非常に軽いという特徴がある。これを樹脂にまぜて固めて得られた構造体は、樹脂だけで固めて得られた構造体に比べ密度が軽くなる。また、用いるガラスバルーンの大きさは、音響整合部材を伝播する振動の波長よりも、十分小さいもの（およそ振動の波長の１／１０以下）が、振動伝播に影響を与えにくいことから選択されている。この音響整合部材は音速が約２３００m/sで、密度は約１．２g/cm³の樹脂材料に、真比重０．１３g/cm³のガラスバルーン（商標名「３Ｍガラス発泡体」で入手できる）を混ぜて固めて形成することにより、密度０．５６g/cm³、音速２１００m/sとしている。これの音響インピーダンスＺ_COMは１．１８×１０⁶kg/m²sとなる。
【００１０】
また、特開昭６３−１０３９９３号公報にはガラス層にガラス製マイクロバルーンを内有した構成の音響整合部材が示されている。この発明の特徴は、音響整合層をガラスだけで構成するので、高温時にも物性の変化がないこということである。ただし、ガラスの音速は５０００〜６０００m/sec、密度は２．２g/cm³なので、このような構成で得られた構造体は、音速が早く、密度が大きくなり、音響インピーダンスは大きな値になるものと推定される。
【００１１】
また、特開平２−１７７７９９号公報はガラスの中空球体だけで音響整合部材を構成することを特徴としており、その製造方法はガラスの中空球体が軟化する温度に加熱して、圧縮することで中空球体のそれぞれの接触点で結合させる方法が述べられている。ガラスの中空球体は商標名「３Ｍガラス発泡体」（前述したものと同等なもの）を用い、得られた音響整合部材は音速９００m/sec、音響インピーダンスＺ_BGは約０．４５×１０⁶kg/m²sの特性を持つことが明記されている。音響インピーダンスは音速×密度で表されるので、この音響整合部材は密度が０．５g/cm³となる。ガラスの音速は５０００〜６０００m/secであるが、中空球体とすることにより音速が９００m/secまで下がる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の音響整合部材の製造方法では、中空球体どうしの接触点を多くするために強く加圧する必要があるが、それでは、中空球体が潰れる可能性があるので強く加圧することができない。そのために、中空球体どうしの接触状態にバラツキがあり、音の出力がばらつくという課題を有していた。
【００１３】
また、中空球体の混合状態が均一でないと、音響整合部材内に密度の粗密が発生し、整合層の密度がばらつくという課題を有していた。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
前記従来の課題を解決するために、本発明の超音波送受信器の音響整合部材は、空隙を有する薄膜構造体を積層し、薄膜構造体の空隙は、エッチング加工を用いて形成するようにしたものである。上記発明によれば、薄膜構造体を用いるので、強く加圧しても空隙が潰れることはなく、薄膜構造体どうしの接触点のバラツキを低減できる。また、エッチング加工は、レジストを用いて空隙の位置を設定してから行うものであり、空隙の位置を常に同じにすることができるので、音響整合部材の密度のバラツキを低減できる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
請求項１に係る音響整合部材は、薄膜構造体を構成する主材料をエッチングすることで空隙を形成する薄膜構造体と、前記空隙が形成された薄膜構造体を積層して得られる複数の経路を備え、前記複数の経路の距離が略均一となり、かつ前記複数の経路が直線とならないように前記薄膜構造体を積層することにより、強く加圧しても空隙が潰れることはなく、薄膜構造体どうしの接触点のバラツキを低減することなり、音の出力のバラツキを低減できる。また、エッチング加工は、レジストを用いて空隙の位置を設定してから行うものであり、空隙の位置を常に同じにすることができるので、音響整合部材の密度のバラツキを低減できる。
【００１６】
請求項２に係る音響整合部材は、薄膜構造体を構成する主材料を放電加工することで空隙を形成する薄膜構造体と、前記空隙が形成された薄膜構造体を積層して得られる複数の経路を備え、前記複数の経路の距離が略均一となり、かつ前記複数の経路が直線とならないように前記薄膜構造体を積層することで空隙を形成する薄膜構造体と、前記薄膜構造体を積層して得られる構成とすることにより、強く加圧しても空隙が潰れることはなく、薄膜構造体どうしの接触点のバラツキを低減することなり、音の出力のバラツキを低減できる。また、放電加工は、空隙の位置を設定してから行うものであり、空隙の位置を常に同じにすることができるので、音響整合部材の密度のバラツキを低減できる。また、放電加工は、殆ど全ての金属の加工が可能であり、音響整合部材の材料を自由に設定できる。
【００１７】
請求項３に係る音響整合部材は、薄膜構造体を構成する主材料をレーザ加工することで空隙を形成する薄膜構造体と、前記空隙が形成された薄膜構造体を積層して得られる複数の経路を備え、前記複数の経路の距離が略均一となり、かつ前記複数の経路が直線とならないように前記薄膜構造体を積層することにより、強く加圧しても空隙が潰れることはなく、薄膜構造体どうしの接触点のバラツキを低減することなり、音の出力のバラツキを低減できる。また、レーザ加工は、非常に微細な加工が可能であり、空隙の位置を常に同じにすることができるので、音響整合部材の密度のバラツキを低減できる。
【００１８】
請求項４に係る音響整合部材は、請求項１〜３いずれかに記載の薄膜構造体の積層方向を、音波の方向と同じ方向にして構成することにより、積層に必要な薄膜構造体を少なくすることになり、薄膜構造体どうしの接触状態のバラツキを低減することができる。
【００１９】
請求項５に係る音響整合部材は、請求項１、２いずれかに記載の薄膜構造体の積層方向を、音波の方向と直交するように構成することにより、主材料の部分は全てつながることとなり、音の伝播経路のバラツキを抑え、音の出力のバラツキを低減できる。
【００２０】
【実施例】
以下本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。
【００２１】
（実施例１）
図１は本発明の実施例１における音響整合部材の構成を示す断面図である。図１に示すように、１１は薄膜構造体で、その厚さは１０〜５０μm程度で、本実施例ではシリコン単結晶を主材料に用いている。１２は空隙で、エッチング加工により形成されたものである。なお、薄膜構造体の材料は、これに限定するものではない。例えば、アルミ、ステンレスでもよい。アルミは金属材料の中では密度が小さく、空隙をたくさん設けなくてもよいという利点がある。また、ステンレスは、耐腐食性、強度があり、信頼性の高い音響整合部材を構成できる利点がある。本実施例の音響整合部材は、薄膜構造体１１を音の伝播方向に積層することにより構成されている。図中の矢印は音の伝播経路を示している。図１に示すように、薄膜構造体１１は、音の伝播経路が直線にならないようにするとともに、殆どの伝播経路の距離が均一化されるように配置されている。これは、エッチング加工により、空隙の位置を設定できるためである。
【００２２】
図２は薄膜構造体１１の上面図である。図２に示すように空隙１２は、およそ数十μmの直径で、エッチング加工により規則的に配置されている。なお、本実施例では空隙１２の形状を円形にしているが、方形にしても構わないものである。
【００２３】
本実施例の薄膜構造体は、半導体プロセスで用いられるリソグラフィ技術を応用したマイクロマシニング（微細加工技術）を用いて製造されている。エッチング加工は、マイクロマシニングの製造プロセスの一部で用いられている。
【００２４】
マイクロマシニングは大きく次の三つの基本プロセスから成っている。第一のプロセスは、「リソグラフィによるパターンニング」である。第二のプロセスは「金属メッキ、薄膜加工などの付加加工」である。第三のプロセスは「エッチングによる除去加工」である。マイクロマシニングは、これら三つのプロセスを組み合わせにより、バルクマイクロマシニング、表面マイクロマシニング、ＬＩＧＡプロセスの三種類に大別できる。
【００２５】
図３〜５は、バルクマイクロマシニングのプロセスの一例で、本実施例の薄膜構造体は、この方法で形成されている。
【００２６】
図３はバルクマイクロマシニングの最初のプロセスで、薄膜基板２１上にエッチング液に耐性を有するエッチングマスク２２を形成する。マスク材料としてシリコン酸化膜もしくはシリコン窒化膜が用いられる。
【００２７】
図４は次のプロセスで、リソグラフィ技術によるレジストのパターニングを用いて、エッチングを行う領域のマスク材料を除去する。
【００２８】
図５はその次のプロセスで、エッチング溶液によりエッチングを行い空隙２３を形成する。空隙２３の形成後、エッチングマスクを剥離して薄膜構造体１１を得る。
【００２９】
なお、本実施例では特に図示しないが、表面マイクロマシニング、ＬＩＧＡプロセスを用いても、微細な空隙をもつ構造体を形成することは可能であり、精度の高い薄膜構造体を形成できる。特に、ＬＩＧＡプロセスの特徴は、Ｘ線を使用している点である。これにより、高アスペクト比の微細構造体の実現や、表面粗さを極めて小さくすることができる。
【００３０】
以上のように、エッチング技術を利用することで、極めて微細な加工が可能なので、寸法精度の高い薄膜構造体を形成でき、密度バラツキ、音の出力のバラツキが小さい音響整合部材を形成できる。
【００３１】
また、図２に示した空隙を有する薄膜構造体は、放電加工を利用しても形成することができる。放電加工には大きく、金属の放電加工、非金属の放電加工に分けられる。金属の放電加工では、電極と加工対象の金属を絶縁液中に対抗させて、電圧を印加する。電極と金属の距離が短くなると絶縁距離が足りなくなりアーク放電が発生する。この放電による熱で放電の発生した部分が溶け、小さなくぼみができる。これを繰り返すことで所望の空隙を形成できる。また、ガラスなどの非金属の放電加工では、電解液法が用いられる。電解液中で加工対象物に先端の尖った第一の電極を接触させ、同じ液中に浸した大面積の第二の電極との間に電圧を印加する。すると、電解液と第二の電極間に放電が発生し、この熱で加工対象物と第一の電極の接触点が溶ける。これを続けると所望の形状に加工することができる。放電加工の特徴は、半導体プロセスを利用したエッチング加工に比べ、設備が簡単なことと、いろいろな材料を選択できるという利点がある。従って、安価な音響整合部材を提供することができる。
【００３２】
また、図２に示した空隙を有する薄膜構造体は、レーザ加工を利用しても形成することができる。レーザ加工の特徴は、レーザ光の指向性、高出力性を利用して材料加工を行う点である。レーザ光をレンズなどで収束すると、その焦点位置のパワー密度は非常に高くなる。ここに加工対象物をおくと非常に高温に加熱され、瞬間的に蒸発されることができる。レーザ加工はこのように、非接触で加工を行うもので、対象物を傷つけることなく加工を行うことができる。本実施例の薄膜構造体のように微細加工が必要な場合にはＹＡＧレーザが用いられることが多い。実際にＹＡＧレーザは集積回路の抵抗トリミングなどに用いられている。
【００３３】
また、本実施例では、薄膜構造体１１を音の伝播方向に積層している。本実施例のように超音波を気体中に出力するための音響整合部材は、従来例においても説明しているように、密度が小さく、音速も遅いので、結果的に音の伝播方向の厚さが極めて薄くなる。従って、少ない数の薄膜構造体で音響整合部材を形成することができる。
【００３４】
（実施例２）
図６は本発明の実施例２である音響整合部材の断面図を示している。図６に示すように、薄膜構造体３１が音の伝播方向と直交して積層された構成になっている。空隙３２は薄膜構造体を貫通するように形成されている。薄膜構造体３１は実施例１と同様にシリコン単結晶を主材料としている。
【００３５】
図７は、薄膜構造体３１の断面図を示している。図７に示すように、薄膜構造体３１には空隙３２が多数設けられている。空隙３２は実施例１と同様に、半導体プロセスを応用したエッチング加工で構成されているが、貫通するまで加工されている。実施例１と異なる点は、音の伝播経路に薄膜構造体の接触部分がなく、初めからつながっていることである。
【００３６】
以上のように、空隙を有する薄膜構造体を音の伝播方向と直交して積層することにより、音の伝播経路に音の伝播経路のバラツキを抑え、音の出力のバラツキを低減できる。
【００３７】
【発明の効果】
以上のように、請求項１から３に記載の発明によれば、音響整合部材を構成する薄膜構造体の空隙を、微細加工技術で形成することにより、空隙の形状、配置を設計できるので、音響整合部材の密度バラツキと、音の出力のバラツキを低減できる。
【００３８】
また、請求項４に記載の発明によれば、薄膜構造体を音の伝播方向に積層するので、少ない数の薄膜構造体で音響整合部材を構成できることになり、安価な音響整合部材を提供できる。
【００３９】
また、請求項５に記載の発明によれば、薄膜構造体を音の伝播方向と直交して積層するので、音の伝播経路が全てつながることになり、音の出力のバラツキを低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１における音響整合部材の断面図
【図２】同薄膜構造体の上面図
【図３】同薄膜構造体の第一の製造プロセスを示す図
【図４】同薄膜構造体の第二の製造プロセスを示す図
【図５】同薄膜構造体の第三の製造プロセスを示す図
【図６】本発明の実施例２の一例である音響整合部材の断面図
【図７】同薄膜構造体のの断面図
【図８】音響インピーダンスと振動のエネルギーの透過の割合を示す特性図
【図９】音響整合部材の最適な長さが波長の１／４になることを説明するための概念図
【図１０】従来の音響整合部材の断面図
【符号の説明】
１１、３１薄膜構造体
１２、３２空隙
２２エッチングマスク[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an ultrasonic transmitter / receiver used for a flow rate measuring device for measuring a gas flow rate using ultrasonic waves, a distance measuring device for measuring a distance from an object, and the like, and in particular, means for transmitting or receiving ultrasonic waves. And an acoustic matching member for matching acoustic impedance with gas.
[0002]
[Prior art]
The acoustic impedance of the object is obtained by (density × sound speed). The acoustic impedance Z _{AIR in} air is about 428 kg / m ² s, and the acoustic impedance Z _PZT of the piezoelectric vibrator, which is a means for generating or receiving ultrasonic waves, is about 30 × 10 ⁶ kg / m ² s. When ultrasonic waves are radiated from the piezoelectric vibrator into the air, reflection occurs due to the difference in acoustic impedance between the two, and the radiation efficiency decreases. What is used to improve this is an acoustic matching member. The acoustic impedance Z _M of the acoustic matching member is calculated from theoretical calculation.
[0003]
[Expression 1]

[0004]
A value satisfying the above is an ideal value at which there is no reflection, and when the above-described values of Z _PZT and Z _AIR are used, this value is approximately 0.11 × 10 ⁶ kg / m ² s.
[0005]
FIG. 8 is a characteristic diagram showing the relationship between the acoustic impedance of the acoustic matching member and the ratio of vibration energy radiated from the piezoelectric vibrator into the air. At an acoustic impedance of about 0.11 × 10 ⁶ kg / m ² s, the transmission ratio is 1, indicating no reflection.
[0006]
In consideration of the length of the acoustic matching member, the optimum length is ¼ of the wavelength of vibration propagating through the acoustic matching member. Assuming that the vibration frequency of the piezoelectric vibrator 3 is ν and the sound velocity at the acoustic matching member is C, the wavelength λ is
(Formula 2)
λ = C / ν
It is represented by
[0007]
As shown in FIG. 9, the vibration wave of the piezoelectric vibrator propagates through the acoustic matching member as shown in (1). At the boundary surface A of different acoustic impedance, (1) is the transmitted wave (2) and the reflected wave (3). Divided into ▼. The reflected wave {circle around (3)} is further reflected at the boundary surface B of the acoustic impedance to generate a reflected wave {circle around (4)}. (4) reaches the boundary surface A of the acoustic impedance and is divided into a transmitted wave (5) and reflection. At this time, when the phases of the waves (2) and (5) are matched, the vibration waves in the air are strengthened. When the length of the acoustic matching member is ¼ of the wavelength of the propagating vibration, the waves {circle around (2)} and {circle around (5)} are in phase.
[0008]
In order for the acoustic matching member to have such an ideal acoustic impedance, it is necessary that the density is low and the sound speed is low.
[0009]
For this reason, as shown in FIG. 10, a conventional acoustic matching member includes a resin material 1 mixed with a glass balloon 2 (glass hollow sphere) and hardened. Since the glass balloon is hollow, it is very light. The density of the structure obtained by mixing this with resin is lighter than that of the structure obtained by hardening with resin alone. The size of the glass balloon used is selected because it is sufficiently smaller than the wavelength of vibration propagating through the acoustic matching member (approximately 1/10 or less of the wavelength of vibration) because it does not affect vibration propagation. Yes. In this acoustic matching member acoustic velocity of about 2300 m / s, the density in the resin material in an amount of about 1.2 g / cm ^3, available in glass balloons (trade name of true specific gravity 0.13 g / cm ³ "3M Glass foam" ), The density is 0.56 g / cm ³ and the sound speed is 2100 m / s. The acoustic impedance Z _{COM of} this is 1.18 × 10 ⁶ kg / m ² s.
[0010]
Japanese Unexamined Patent Publication No. 63-103993 discloses an acoustic matching member having a glass microballoon inside a glass layer. A feature of the present invention is that since the acoustic matching layer is composed only of glass, there is no change in physical properties even at high temperatures. However, since the sound speed of glass is 5000 to 6000 m / sec and the density is 2.2 g / cm ³ , the structure obtained with such a configuration has a high sound speed, a high density, and a large acoustic impedance. Estimated.
[0011]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2-177799 is characterized in that an acoustic matching member is constituted only by glass hollow spheres, and the manufacturing method is heated to a temperature at which the glass hollow spheres are softened and compressed to be hollow. A method of joining at each contact point of the sphere is described. The glass hollow sphere uses the trade name “3M glass foam” (same as described above), the acoustic matching member obtained has a sound velocity of 900 m / sec, and the acoustic impedance Z _BG is about 0.45 × 10 ⁶ kg. It is specified that it has the characteristic of / m ² s. Since the acoustic impedance is expressed by sound velocity × density, this acoustic matching member has a density of 0.5 g / cm ³ . The speed of sound of glass is 5000 to 6000 m / sec. However, the speed of sound is reduced to 900 m / sec by using a hollow sphere.
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional method for manufacturing an acoustic matching member, it is necessary to apply a strong pressure to increase the number of contact points between the hollow spheres. However, since the hollow spheres may be crushed, the pressure cannot be strongly applied. Therefore, there is a problem that the contact state between the hollow spheres varies and the sound output varies.
[0013]
Further, if the mixed state of the hollow spheres is not uniform, density density is generated in the acoustic matching member, and the density of the matching layer varies.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described conventional problems, the acoustic matching member of the ultrasonic transmitter / receiver according to the present invention is formed by stacking thin film structures having voids, and the voids of the thin film structures are formed by etching. Is. According to the above invention, since the thin film structure is used, the gap is not crushed even if the pressure is strongly applied, and the variation in the contact point between the thin film structures can be reduced. Further, the etching process is performed after the position of the gap is set using a resist, and the position of the gap can always be the same, so that the variation in the density of the acoustic matching member can be reduced.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
An acoustic matching member according to claim 1 is a plurality of paths obtained by stacking a thin film structure in which a void is formed by etching a main material constituting the thin film structure, and the thin film structure in which the void is formed. The thin film structure is laminated so that the distances of the plurality of paths are substantially uniform and the plurality of paths are not straight, so that the voids are not crushed even when strongly pressed. Variations in contact points between each other can be reduced, and variations in sound output can be reduced. Further, the etching process is performed after the position of the gap is set using a resist, and the position of the gap can always be the same, so that the variation in the density of the acoustic matching member can be reduced.
[0016]
An acoustic matching member according to claim 2 is obtained by laminating a thin film structure in which a gap is formed by electric discharge machining of a main material constituting the thin film structure, and a thin film structure in which the gap is formed. A thin film structure having a path, wherein the distance between the plurality of paths is substantially uniform, and the thin film structure is stacked so that the plurality of paths are not straight, and the thin film structure is stacked By adopting the structure obtained as described above, even if the pressure is strongly applied, the gap is not crushed, and the variation in the contact points between the thin film structures is reduced, so that the variation in the sound output can be reduced. Further, the electric discharge machining is performed after setting the position of the gap, and the position of the gap can always be the same, so that the variation in the density of the acoustic matching member can be reduced. Moreover, almost all metals can be processed by electric discharge machining, and the material of the acoustic matching member can be set freely.
[0017]
The acoustic matching member according to claim 3 is obtained by laminating a thin film structure in which a void is formed by laser processing a main material constituting the thin film structure, and a thin film structure in which the void is formed. The thin film structure is provided with a path, the distance between the plurality of paths is substantially uniform, and the thin film structure is laminated so that the plurality of paths are not straight, so that the voids are not crushed even when strongly pressed. Variations in contact points between bodies can be reduced, and variations in sound output can be reduced. Further, laser processing can be performed very finely, and the position of the gap can always be the same, so that variation in density of the acoustic matching member can be reduced.
[0018]
The acoustic matching member according to claim 4 is configured such that the thin film structure according to any one of claims 1 to 3 has the same stacking direction as the sound wave, thereby reducing the number of thin film structures required for stacking. Therefore, the variation in the contact state between the thin film structures can be reduced.
[0019]
The acoustic matching member according to claim 5 is configured such that the main material portions are all connected by configuring the laminating direction of the thin film structure according to any one of claims 1 and 2 to be orthogonal to the direction of sound waves. Therefore, it is possible to suppress variations in sound propagation paths and reduce variations in sound output.
[0020]
【Example】
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0021]
Example 1
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of an acoustic matching member according to Embodiment 1 of the present invention. As shown in FIG. 1, reference numeral 11 denotes a thin film structure having a thickness of about 10 to 50 μm. In this embodiment, a silicon single crystal is used as a main material. Reference numeral 12 denotes a gap, which is formed by etching. Note that the material of the thin film structure is not limited to this. For example, aluminum or stainless steel may be used. Aluminum has the advantage that it has a low density among metal materials and does not require many voids. In addition, stainless steel has the advantage that it has corrosion resistance and strength and can constitute a highly reliable acoustic matching member. The acoustic matching member of the present embodiment is configured by laminating the thin film structure 11 in the sound propagation direction. The arrows in the figure indicate the sound propagation path. As shown in FIG. 1, the thin film structure 11 is arranged so that the propagation path of sound does not become a straight line, and the distance of most propagation paths is made uniform. This is because the position of the gap can be set by etching.
[0022]
FIG. 2 is a top view of the thin film structure 11. As shown in FIG. 2, the gaps 12 have a diameter of about several tens of μm and are regularly arranged by etching. In this embodiment, the shape of the gap 12 is circular, but it may be rectangular.
[0023]
The thin film structure of the present embodiment is manufactured using micromachining (microfabrication technology) to which lithography technology used in a semiconductor process is applied. Etching is used as part of the micromachining manufacturing process.
[0024]
Micromachining consists of the following three basic processes. The first process is “lithographic patterning”. The second process is “additional processing such as metal plating and thin film processing”. The third process is “removal processing by etching”. Micromachining can be broadly classified into three types: bulk micromachining, surface micromachining, and LIGA process by combining these three processes.
[0025]
3 to 5 show an example of a bulk micromachining process, and the thin film structure of this example is formed by this method.
[0026]
FIG. 3 shows an initial process of bulk micromachining, in which an etching mask 22 having resistance to an etching solution is formed on a thin film substrate 21. A silicon oxide film or a silicon nitride film is used as a mask material.
[0027]
FIG. 4 shows a next process in which a mask material in an area to be etched is removed by using resist patterning by a lithography technique.
[0028]
FIG. 5 shows the next process, in which etching is performed with an etching solution to form the gap 23. After the formation of the gap 23, the etching mask is peeled off to obtain the thin film structure 11.
[0029]
Although not particularly illustrated in this embodiment, a structure having a fine void can be formed even by using surface micromachining or a LIGA process, and a thin film structure with high accuracy can be formed. In particular, a feature of the LIGA process is the use of X-rays. As a result, a fine structure with a high aspect ratio can be realized and the surface roughness can be extremely reduced.
[0030]
As described above, since an extremely fine processing can be performed by using the etching technique, a thin film structure with high dimensional accuracy can be formed, and an acoustic matching member with small variations in density and sound output can be formed.
[0031]
Further, the thin film structure having voids shown in FIG. 2 can also be formed by utilizing electric discharge machining. The electrical discharge machining is largely divided into metal electrical discharge machining and non-metallic electrical discharge machining. In the electric discharge machining of metal, a voltage is applied by opposing an electrode and a metal to be machined in an insulating liquid. When the distance between the electrode and the metal becomes short, the insulation distance becomes insufficient and arc discharge occurs. The heat generated by this discharge melts the portion where the discharge occurred, and a small dent is formed. By repeating this, a desired gap can be formed. Moreover, in non-metallic electric discharge machining such as glass, an electrolytic solution method is used. A first electrode having a sharp tip is brought into contact with the workpiece in the electrolytic solution, and a voltage is applied between the second electrode having a large area immersed in the same solution. Then, a discharge is generated between the electrolytic solution and the second electrode, and the contact point between the workpiece and the first electrode is melted by this heat. If this is continued, it can be processed into a desired shape. The features of electrical discharge machining are that the equipment is simple and various materials can be selected compared to etching using a semiconductor process. Therefore, an inexpensive acoustic matching member can be provided.
[0032]
In addition, the thin film structure having voids shown in FIG. 2 can also be formed by utilizing laser processing. A feature of laser processing is that material processing is performed using directivity and high output of laser light. When the laser beam is converged by a lens or the like, the power density at the focal position becomes very high. When a workpiece is placed here, it is heated to a very high temperature and can be evaporated instantaneously. Laser processing is thus performed in a non-contact manner and can be performed without damaging the object. A YAG laser is often used when fine processing is required as in the thin film structure of this embodiment. Actually, YAG lasers are used for resistance trimming of integrated circuits.
[0033]
In this embodiment, the thin film structure 11 is laminated in the sound propagation direction. As described in the conventional example, the acoustic matching member for outputting ultrasonic waves into the gas as in this embodiment has a small density and a slow sound speed, resulting in a thickness in the sound propagation direction. Is extremely thin. Therefore, the acoustic matching member can be formed with a small number of thin film structures.
[0034]
(Example 2)
FIG. 6 shows a cross-sectional view of an acoustic matching member that is Embodiment 2 of the present invention. As shown in FIG. 6 , the thin film structure 31 is laminated perpendicularly to the sound propagation direction. The air gap 32 is formed so as to penetrate the thin film structure. The thin film structure 31 is mainly composed of a silicon single crystal as in the first embodiment.
[0035]
FIG. 7 shows a cross-sectional view of the thin film structure 31. As shown in FIG. 7 , a large number of voids 32 are provided in the thin film structure 31. Like the first embodiment, the air gap 32 is formed by etching using a semiconductor process, but is processed until it penetrates. The difference from the first embodiment is that there is no contact portion of the thin film structure in the sound propagation path, and it is connected from the beginning.
[0036]
As described above, by laminating thin film structures having voids perpendicular to the sound propagation direction, it is possible to suppress variations in the sound propagation path in the sound propagation path and reduce variations in the sound output.
[0037]
【The invention's effect】
As described above, according to the invention described in claims 1 to 3, the shape and arrangement of the gap can be designed by forming the gap of the thin film structure constituting the acoustic matching member by a fine processing technique. It is possible to reduce the density variation of the acoustic matching member and the variation in sound output.
[0038]
According to the invention described in claim 4, since the thin film structure is laminated in the sound propagation direction, the acoustic matching member can be configured with a small number of thin film structures, and an inexpensive acoustic matching member can be provided. .
[0039]
According to the fifth aspect of the present invention, since the thin film structure is laminated perpendicular to the sound propagation direction, all the sound propagation paths are connected, and variations in sound output can be reduced.
[Brief description of the drawings]
1 is a cross-sectional view of an acoustic matching member in Embodiment 1 of the present invention. FIG. 2 is a top view of the thin film structure. FIG. 3 is a diagram showing a first manufacturing process of the thin film structure. The figure which shows the 2nd manufacturing process of a thin film structure. FIG. 5 The figure which shows the 3rd manufacturing process of the thin film structure. FIG. 6 is sectional drawing of the acoustic matching member which is an example of Example 2 of this invention. FIG. 7 is a cross-sectional view of the thin film structure. FIG. 8 is a characteristic diagram showing the transmission ratio of acoustic impedance and vibration energy. FIG. 9 is that the optimum length of the acoustic matching member is 1/4 of the wavelength. FIG. 10 is a conceptual diagram for explaining a conventional acoustic matching member.
11, 31

Thin film structure

12, 32 Gap 22 Etching mask

Claims

A thin film structure that forms a void by etching a main material constituting the thin film structure, and a plurality of paths obtained by stacking the thin film structure in which the void is formed ,
The acoustic matching member , wherein the thin film structures are stacked so that the distances between the plurality of paths are substantially uniform and the plurality of paths are not straight .

A thin film structure that forms voids by subjecting the main material constituting the thin film structure to electric discharge machining, and a plurality of paths obtained by stacking the thin film structures in which the voids are formed ,
The acoustic matching member , wherein the thin film structures are stacked so that the distances between the plurality of paths are substantially uniform and the plurality of paths are not straight .

A thin film structure that forms a void by laser processing a main material constituting the thin film structure, and a plurality of paths obtained by stacking the thin film structure in which the void is formed ,
The acoustic matching member , wherein the thin film structures are stacked so that the distances between the plurality of paths are substantially uniform and the plurality of paths are not straight .

The acoustic matching member according to claim 1, 2 or 3, wherein the thin film structure is laminated in the same direction as the direction of sound waves.

The acoustic matching member according to claim 1, wherein the lamination direction of the thin film structure is orthogonal to the direction of sound waves.