JP6123825B2 - 音響フレネルレンズおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、音波の漏れを防止する層を有する音響フレネルレンズおよびその製造方法に関する。

従来、半導体素子と、半導体素子の主面に設けられた受光部と、半導体素子の主面に積層された透光板（光学レンズ）とを備えた光学デバイスが知られている。特許文献１は、半導体素子の主面とのなす角が垂直な第１の側面と、主面とのなす角が鋭角な第２の側面とで構成される凹凸部を一方の面に備え、第１の側面に反射防止膜を形成したフレネルレンズを開示する。

特開２０１０−２４５２９２号公報

特許文献１に開示されたフレネルレンズは、光を収束することで集光するものである。一方、音波を収束する音響レンズについても、凹凸部を一方の面に備える音響フレネルレンズとすることが知られている。第１の側面にのみ反射防止膜を形成する成膜工程には、精密な加工が必要となることがあり、特に小型の音響レンズにおいては有効な反射防止膜の形成が難しい場合がある。また、音波を集束させるための音響フレネルレンズには、合成樹脂からなるものがある。このような音響フレネルレンズの凹凸部において、反射防止膜を第１の側面に設けた場合、音響フレネルレンズの媒質の音響インピーダンスが、反射防止膜のものと比較的近い値を示しやすい。この場合、第１の側面から音波が漏れやすくなる。漏れ出た音波は発散し、第２の側面から出射する音波の集束を阻害する可能性があるという問題がある。

本発明は、音波の漏れを有効に防止できる層を形成でき、且つ、音波を効率よく集束できる音響フレネルレンズおよびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明の第一態様に係る音響フレネルレンズは、入射された音波を集束して出射させる音響フレネルレンズであって、レンズ面と非レンズ面とを有するプリズムが複数配列された第一フレネルレンズと、前記第一フレネルレンズに積層される第二フレネルレンズとを備え、前記第一フレネルレンズは、音波が入射する入射面と、前記入射面とは反対面であって、前記第二フレネルレンズが積層される第一積層面とを備え、前記第二フレネルレンズは、前記第一フレネルレンズの前記第一積層面に積層される第二積層面と、前記第二積層面とは反対面であって、音波を出射する出射面とを備え、前記第一積層面は、第一レンズ面と、前記第一レンズ面の向く方向と異なる方向を向く第一非レンズ面とを有する複数の第一プリズムを備え、前記第二積層面は、第二レンズ面と、前記第二レンズ面の向く方向と異なる方向を向く第二非レンズ面とを有する複数の第二プリズムを備え、前記複数の第一プリズムのそれぞれの間に、前記複数の第二プリズムのそれぞれが交互に配置され、前記第一レンズ面と前記第二レンズ面との間に、前記第一レンズ面と前記第二レンズ面とを接着する接着剤で構成された接着剤層が設けられ、前記第一非レンズ面と前記第二非レンズ面との間に、所定の隙間を空けて離間する空気層が設けられていることを特徴とする。

本発明の第一態様に係る音響フレネルレンズによれば、第一フレネルレンズの入射面から入射された音波は、第二フレネルレンズの出射面から出射される。第一フレネルレンズと第二フレネルレンズとは、接着剤層を介して、第一積層面および第二積層面において積層される。接着剤層は、第一プリズムの第一レンズ面から出射される音波を第二プリズムの第二レンズ面へ伝達できる。一方、空気層における音響インピーダンスは、レンズ体である第一フレネルレンズおよび第二フレネルレンズにおけるものに比べて非常に小さいので、第一非レンズ面から出射された音波は、空気層において減衰し、第二非レンズ面からは入射されにくい。このようにして、本発明の第一態様に係る音響フレネルレンズは、音波の漏れを有効に防止できる層を形成でき、且つ、音波を効率よく集束できる。

前記第一フレネルレンズと前記第二フレネルレンズとは、音響インピーダンスが互いに異なる材料で構成されていてもよい。異なる音響インピーダンスを有する媒質の境界面において、音波は屈折する。第一フレネルレンズと第二フレネルレンズのそれぞれは、音響インピーダンスが互いに異なる材料で構成されるので、音響フレネルレンズは音波を集束するレンズ効果を発揮できる。

前記第一フレネルレンズは、前記接着剤層よりも大きな音響インピーダンスを有し、且つ、前記接着剤層は、前記第二フレネルレンズと同じであるかまたは前記第二フレネルレンズよりも大きな音響インピーダンスを有してもよい。この場合、音響フレネルレンズは、異なる音響インピーダンスを有する媒質の境界面を有するので、境界面ごとに音波の屈折率を制御できる。また、第一フレネルレンズから第二フレネルレンズに向けて、段階的に音響インピーダンスが小さくなるので、音響フレネルレンズは、入射面から入射した音波を効率よく集束させて出射面から出射できる。

前記第一積層面および前記第二積層面のうち少なくともいずれかに、前記接着剤層と前記空気層とを隔離するための隔離部材が設けられていてもよい。この場合、接着剤層と空気層とが隔離部材によって隔離されるので、例えば接着剤層に空気層の空気が流れ込み、第一レンズ面から第二レンズ面へ向けての音波の伝達が空気によって阻害される可能性を低減できる。したがって、音響フレネルレンズは、第一フレネルレンズから第二フレネルレンズに向けて効率よく音波を伝達できる。

前記隔離部材は、前記第一積層面に設けられ、前記第一積層面から前記第二プリズムに向けて突出する突状部であってもよい。この場合、音響フレネルレンズは、突状部において接着剤層と空気層とを確実に隔離できる。

前記第一フレネルレンズの前記第一積層面に対して、前記第二フレネルレンズの前記第二積層面の位置決めを行う位置決め手段を備えてもよい。この場合、音響フレネルレンズは、第一フレネルレンズおよび第二フレネルレンズが、積層された状態からずれることを防止できる。

前記第一プリズムの前記第一レンズ面の向く方向の高さは、前記第二プリズムの前記第二レンズ面の向く方向の高さよりも大きくてもよい。この場合、音響フレネルレンズは、第一プリズムの第一レンズ面の向く方向の高さが第二プリズムの第二レンズ面の向く方向の高さよりも小さい場合に比べて、第一レンズ面を広く確保でき、効率よく音波を集束できる。

前記第一フレネルレンズおよび前記第二フレネルレンズのそれぞれの厚みは、前記入射面から入射する音波の波長の四分の一であってもよい。この場合、音響フレネルレンズは、第一フレネルレンズおよび第二フレネルレンズのそれぞれの表面における音波の反射を効果的に防止できる。

本発明の第二態様に係る音響フレネルレンズの製造方法は、入射された音波を集束して出射させる音響フレネルレンズであって、前記音響フレネルレンズは、レンズ面と非レンズ面とを有するプリズムが複数配列された第一フレネルレンズと、前記第一フレネルレンズに積層される第二フレネルレンズとを備え、前記第一フレネルレンズは、音波が入射する入射面と、前記入射面とは反対面であって、前記第二フレネルレンズが積層される第一積層面とを備え、前記第二フレネルレンズは、前記第一フレネルレンズの前記第一積層面に積層される第二積層面と、前記第二積層面とは反対面であって、音波を出射する出射面とを備え、前記第一積層面は、第一レンズ面と、前記第一レンズ面の向く方向と異なる方向を向く第一非レンズ面とを有する複数の第一プリズムを備え、前記第二積層面は、第二レンズ面と、前記第二レンズ面の向く方向と異なる方向を向く第二非レンズ面とを有する複数の第二プリズムを備えるものであって、前記第一レンズ面に接着剤を塗布する塗布工程と、前記第一フレネルレンズの前記第一積層面に対し、前記第二フレネルレンズの前記第二積層面を対向して配置し、前記複数の第一プリズムのそれぞれの間に、前記複数の第二プリズムのそれぞれが交互に配置されるように、前記第一フレネルレンズと前記第二フレネルレンズとを相互に位置決めする位置決め工程と、前記位置決め工程において位置決めされた前記第一フレネルレンズと前記第二フレネルレンズにおいて、前記塗布工程において前記接着剤が塗布された前記第一レンズ面に対し、前記接着剤が塗布されていない前記第二積層面を接着することによって、前記第一レンズ面と前記第二レンズ面とを接着する接着剤層を形成するとともに、前記第一非レンズ面と、前記第二非レンズ面との間に、前記第一非レンズ面と前記第二非レンズ面とを所定の隙間を空けて離間する空気層を形成する接着工程とを備えたことを特徴とする。

本発明の第二態様に係る製造方法にしたがって音響フレネルレンズを作製すれば、音波の漏れを有効に防止できる層を形成でき、且つ、音波を効率よく集束できる音響フレネルレンズを得ることができる。

超音波振動子１００の概要を示す断面図である。 音響フレネルレンズ１の斜視図である。 第一レンズ１０の平面図である。 図３におけるＩ−Ｉ矢視方向断面図である。 第二レンズ２０の底面図である。 図５におけるＩＩ−ＩＩ矢視方向断面図である。 音響フレネルレンズ１の製造過程を示すフローチャートである。 塗布工程を示す説明図である。 位置決め工程を示す説明図である。 接着工程を示す説明図である。 変形例における音響フレネルレンズ２００の概要を示す断面図である。

本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。まず、図１を参照して、超音波振動子１００の構造について説明する。超音波振動子１００は、電気信号の入力によって発振する圧電素子２が発生した超音波を音響フレネルレンズ１で屈折させて集束し、外部に出力する素子である。超音波振動子１００は、例えば、超音波診断装置の深触子（プローブ）等に用いられる。本実施形態において、圧電素子２は、約１ＭＨｚの周波数を有する超音波を発生する。

圧電素子２は、電圧の印加によって所定の方向に大きさが変化する素子である。圧電素子２の形状は、大きさの変化する方向を厚み方向とする円盤形状である。圧電素子２には、例えばＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）が使用される。圧電素子２は、入力される電気信号の強さに応じて変位することで振動し、超音波を発生する。圧電素子２は、例えば、エポキシ系接着剤を用いて、音響フレネルレンズ１と一体に固定される。音響フレネルレンズ１は、圧電素子２が発生した超音波が入射される入射面１１を備える。音響フレネルレンズ１は、入射した超音波を内部において屈折させて集束し、出射面２１から外部へ出射する。

図２から図６を参照して、音響フレネルレンズ１の構造について説明する。図２に示すように、音響フレネルレンズ１は、上下方向に延びる円盤形状である。音響フレネルレンズ１は、第一レンズ１０に対して第二レンズ２０が上側から重なることによって、第一レンズ１０と第二レンズ２０とが上下方向に積層されてなる。第一レンズ１０および第二レンズ２０は、それぞれ平面視で同径の円形となる円盤形状である。後述するが、第一レンズ１０および第二レンズ２０は、ともに、フレネル形状を有する面を備えたフレネルレンズである。音響フレネルレンズ１において、第一レンズ１０および第二レンズ２０のそれぞれのフレネル形状を有する側の面が互いに内側にされて、第一レンズ１０と第二レンズ２０とが積層されている。第一レンズ１０の下側の面は、フレネル形状を有する面とは反対面であり、音響フレネルレンズ１の入射面１１を構成する。第二レンズ２０の上側の面は、フレネル形状を有する面とは反対面であり、音響フレネルレンズ１の出射面２１を構成する。入射面１１および出射面２１は、それぞれ平坦な面である。入射面１１が平坦な面であるので、音響フレネルレンズ１は、圧電素子２を入射面１１に密着させて固定でき、圧電素子２が発生した超音波を効率よく内部に入射させることができる。

図３および図４を参照して、第一レンズ１０の構造について説明する。図３および図４に示すように、第一レンズ１０は、光学中心Ｃ１を中心にして、レンズ面５Ａと非レンズ面５Ｂとを備える複数のプリズム５を同心円状に配置した、第一積層面１２を備えている。第一積層面１２は、第二レンズ２０が積層される面であり、音響フレネルレンズ１の内側に配置される面である。本実施形態では、第一レンズ１０はアクリル樹脂であるが、その他の合成樹脂製であってもよい。本実施形態においてはアクリル樹脂製である。第一レンズ１０は、アクリル樹脂の原料を、図示しないモールド内で重合させること等によって得ることができる。

アクリル樹脂製の第一レンズ１０の音響インピーダンスは、約３．３×１０^６Ｎ・ｓ／ｍ^３である。また、ＰＺＴである圧電素子２の音響インピーダンスは、約３０×１０^６Ｎ・ｓ／ｍ^３である。音響インピーダンスは、媒質固有の密度によって異なる値になる。異なる媒質間を音波が伝播する場合、媒質間の音響インピーダンスの差が小さいほど、媒質間において音波の反射が生じにくい。音響フレネルレンズ１は、超音波振動子１００の音源である圧電素子２の音響インピーダンスと第一レンズ１０の音響インピーダンスを近づけるため、合成樹脂において比較的音響インピーダンスの高いアクリル樹脂で第一レンズ１０を構成している。このため、音響フレネルレンズ１は、入射面１１から超音波を入射させる際に、超音波の反射を低減して、圧電素子２が発生した超音波を効率よく内部に入射させることができる。

図３に示すように、レンズ面５Ａは、平面視において所定のピッチで同心円状に複数配列される環状面として形成されている。複数のプリズム５は、頂点を上方に向けて配列されている。第一積層面１２の平面視中央部には、複数のプリズム５の頂点よりも下方向に窪んだ部位である中央凹部１３が設けられている。図４に示すように、レンズ面５Ａは、中央凹部１３の周囲において、中央凹部１３の底面に対して斜め上方向に向けて傾斜している。中央凹部１３の底面に対してレンズ面５Ａが傾斜する角度は、第一レンズ１０の焦点距離に対応する曲率半径を有する曲面に近似する角度である。レンズ面５Ａがこのような角度を有して所定のピッチで同心円状に複数配列されており、また、第一積層面１２の反対面である入射面１１が平坦に形成されているので、第一レンズ１０は、平凹レンズとして機能できる。言い換えると、レンズ面５Ａは、第一レンズ１０において、レンズとして作用する面である。本実施形態では、レンズ面５Ａは平面であるが、レンズ面５Ａは曲面を有していてもよい。

非レンズ面５Ｂは、レンズ面５Ａの上端と第一積層面１２とを連結する面である。本実施形態では、非レンズ面５Ｂは上下方向に垂直に延びる平面であるが、非レンズ面５Ｂは曲面を有していてもよい。また、非レンズ面５Ｂは、垂直方向に延びる平面に限られず、垂直方向に対して傾斜した斜面であってもよい。非レンズ面５Ｂは、レンズ面５Ａとは異なる角度を有する面であり、第一レンズ１０において、レンズとして直接作用しない面である。

第一積層面１２において、プリズム５が配置されていない周縁部に、複数のプリズム５の頂点よりも下方向に窪んだ部位である受部３０，３０が設けられている。受部３０，３０は、図３に示す光学中心Ｃ１を通過する左右方向に平行なＩ−Ｉ直線上に配置されている。

図４に示す第一レンズ１０の厚みＤ１は、例えば０．８２５ｍｍである。音響インピーダンスの異なる媒質では、媒質中の音速が異なる。媒質における音波の波長λは、音速を周波数で除することで得られる。厚みＤ１は、第一レンズ１０に入射する超音波の波長λの約４分の１である。入射面１１から入射する超音波の一部は、入射面１１の表面（圧電素子２に接する側の面）および入射面１１の裏面（第一レンズ１０の内部側の面）のそれぞれにおいて反射する。第一レンズ１０の厚みＤ１が入射波の波長λの４分の１であると、入射面１１の表面で反射した反射波と、入射面１１の裏面で反射した反射波とが互いに打ち消し合うので、入射面１１における入射波の反射率を低減できる。音響フレネルレンズ１は、第一レンズ１０の厚みＤ１を入射波の波長λの４分の１とすることで、入射面１１から入射する超音波の入射面１１における反射を低減して、超音波の集束効率を向上できる。

図４のＷ１領域内に示すように、第一積層面１２には、凸部７が設けられている。凸部７は、Ｉ−Ｉ矢視方向断面において、上方に向けて突出する三角形状を有する。凸部７は、プリズム５のレンズ面５Ａの最下部と、隣接する他のプリズム５の非レンズ面５Ｂの最下部との間に配置されている。本実施形態において、凸部７は、レンズ面５Ａに平行な面と非レンズ面５Ｂに平行な面を有している。凸部７が上方に突出する高さは、プリズム５の上下方向における長さであり、レンズ面５Ａの向く方向の高さＬ１よりも小さい。凸部７は、第一レンズ１０と第二レンズ２０とが積層されるときに、レンズ面５Ａに塗布される後述する接着剤８が、隣接するプリズム５の非レンズ面５Ｂに向けて流れ込まないようにする接着剤溜まりとして機能する。プリズム５は、左右方向における長さである幅Ｍ１を有する。

図５および図６を参照して、第二レンズ２０の構造について説明する。図５および図６に示すように、第二レンズ２０は、光学中心Ｃ２を中心にして、レンズ面６Ａと非レンズ面６Ｂとを備える複数のプリズム６を同心円状に配置した、第二積層面２２を備えている。第二積層面２２は、第一レンズ１０の第一積層面１２に対して積層される面であり、音響フレネルレンズ１の内側に配置される面である。本実施形態では、第二レンズ２０はシリコーン樹脂製であるが、その他の合成樹脂製であってもよい。第二レンズ２０は、シリコーン樹脂の原料を、図示しないモールドに射出成型すること等によって得ることができる。

シリコーン樹脂製の第二レンズ２０の音響インピーダンスは、約１．２×１０^６Ｎ・ｓ／ｍ^３である。第一レンズ１０と第二レンズ２０とは、それぞれ異なる音響インピーダンスを有する。音波は、音響インピーダンスの異なる媒質間を伝播するときに屈折する。音響フレネルレンズ１は、第一レンズ１０と第二レンズ２０とが異なる音響インピーダンスを有するので、音波を屈折するレンズ効果を発揮できる。また、シリコーン樹脂の音響インピーダンスは、水の音響インピーダンスに近似する。水の音響インピーダンスは、約１．５×１０^６Ｎ・ｓ／ｍ^３である。水の音響インピーダンスは人体の音響インピーダンスに近似している。このため、超音波診断装置の深触子等に超音波振動子１００を用いる場合、シリコーン樹脂からなる音響フレネルレンズ１の出射面２１から出射される超音波は、人体との境界において反射されにくい。

図５に示すように、レンズ面６Ａは、平面視において、第一レンズ１０においてレンズ面５Ａが複数配列するピッチと同じ所定のピッチで同心円状に複数配列される環状面として形成されている。複数のプリズム６は、頂点を下方に向けて配列されている。第二積層面２２の平面視中央部には、複数のプリズム６の頂点と上下方向における同じ位置まで隆起した部位である中央凸部２３が設けられている。図６に示すように、レンズ面６Ａは、中央凸部２３の周囲において、中央凸部２３の底面に対して斜め上方向に向けて傾斜している。中央凸部２３の底面に対してレンズ面６Ａが傾斜する角度は、第二レンズ２０の焦点距離に対応する曲率半径を有する曲面に近似する角度である。レンズ面６Ａがこのような角度を有して所定のピッチで同心円状に複数配列されており、また、第二積層面２２の反対面である出射面２１が平坦に形成されているので、第二レンズ２０は、平凸レンズとして機能できる。言い換えると、レンズ面６Ａは、第二レンズ２０において、レンズとして作用する面である。本実施形態では、レンズ面６Ａは平面であるが、レンズ面６Ａは曲面を有していてもよい。

非レンズ面６Ｂは、レンズ面６Ａの下端と第二積層面２２とを連結する面である。本実施形態では、非レンズ面６Ｂは上下方向に垂直に延びる平面であるが、非レンズ面６Ｂは曲面を有していてもよい。また、非レンズ面６Ｂは、垂直方向に延びる平面に限られず、垂直方向に対して傾斜した斜面であってもよい。非レンズ面６Ｂは、レンズ面６Ａとは異なる角度を有する面であり、第二レンズ２０において、レンズとして直接作用しない面である。

第二積層面２２において、複数のプリズム６が配置されていない縁端部に、複数のプリズム６の頂点と上下方向におけるほぼ同じ位置まで下方向に突出した部位である位置決めピン４０，４０が設けられている。位置決めピン４０，４０は、図５に示す光学中心Ｃ２を通過する左右方向に平行なＩＩ−ＩＩ直線上に配置されている。位置決めピン４０，４０が受部３０，３０に嵌合するように第一レンズ１０の第一積層面１２と第二レンズ２０の第二積層面２２とを積層すると、音響フレネルレンズ１において、複数のプリズム５のそれぞれの間に、複数のプリズム６のそれぞれが交互に配置される（図１０参照）。

図６に示す第二レンズ２０の厚みＤ２は、例えば０．３ｍｍである。この厚みＤ２は、レンズ面６Ａから第二レンズ２０へ入射する超音波の波長λの約４分の１である。音響フレネルレンズ１は、第二レンズ２０の厚みＤ２を入射波の波長λの４分の１とすることで、レンズ面６Ａから入射する超音波のレンズ面６Ａにおける反射を低減して、超音波の集束効率を向上できる。

なお、図６のＷ２領域内に示すように、プリズム６は、上下方向における長さであり、レンズ面６Ａの向く方向の高さＬ２、および左右方向における長さである幅Ｍ２をそれぞれ有する。本実施形態では、プリズム５の高さＬ１（図４のＷ１領域参照）は、プリズム６の高さＬ２よりも長い。また、プリズム５の幅Ｍ１は、プリズム６の幅Ｍ２よりも長い。言い換えると、プリズム５は、プリズム６よりも大きく構成されている。第一レンズ１０は、圧電素子２の発生した超音波を最初に入射し、入射した超音波を第二レンズ２０へ出射する。このため、第一レンズ１０において超音波が出射されるレンズ面５Ａの大きさが大きいほど、音響フレネルレンズ１は、超音波を効率よく第二レンズ２０へ伝播できる。音響フレネルレンズ１は、プリズム５はプリズム６よりも大きく構成することで、プリズム５とプリズム６との大きさを同じくするよりもレンズ面５Ａを大きく確保している。

図７から図１０を参照して、音響フレネルレンズ１の製造工程を説明する。図７に示すように、音響フレネルレンズ１の製造工程は、塗布工程（Ｓ１）、位置決め工程（Ｓ２）、接着工程（Ｓ３）を備える。

まず、塗布工程（Ｓ１）について説明する。図８に示すように、塗布工程では、音響フ第一レンズ１０のレンズ面５Ａに、接着剤８が塗布される。レンズ面５Ａへの接着剤８の塗布工程には、例えばスピンコート法が採用される。具体的には、第一積層面１２を上側にして、第一レンズ１０を図示しないスピナーに取り付ける。次いで、第一積層面１２の中央凹部１３の上に、図示しない公知のディスペンサで、所定量の接着剤８を滴下する。その後、スピナーを高速回転させることで、第一レンズ１０を、光学中心Ｃ１を中心に高速回転させる。このとき、中央凹部１３に滴下された接着剤８は、第一レンズ１０の高速回転による遠心力で引き延ばされ、中央凹部１３の周囲のレンズ面５Ａに塗り広げられる。また、レンズ面５Ａに塗り広げられた接着剤８の一部は、レンズ面５Ａの上端部を経て、外側に隣接するレンズ面５Ａに運ばれる。このとき、接着剤８は、第一レンズ１０の高速回転による遠心力によって隣接するレンズ面５Ａへ運ばれるので、非レンズ面５Ｂに接着剤８は付着し難い。また、図８のＷ３領域内に示すように、凸部７は、レンズ面５Ａに塗布された接着剤８をレンズ面５Ａ上に溜めて、隣接する非レンズ面５Ｂへ向けて接着剤８が流れることを防止する。適切な量の接着剤８および適切なスピナーの回転速度を事前の実験等で求めることにより、第一積層面１２の複数のレンズ面５Ａに対して、均一に接着剤８を塗布できる。

次いで、位置決め工程（Ｓ２）について説明する。図９に示すように、位置決め工程では、接着剤８の塗布工程においてレンズ面５Ａに接着剤８の塗布された第一レンズ１０に対して、第二レンズ２０を積層するため、第一レンズ１０と第二レンズ２０とが相互に位置決めされる。この位置決め工程では、第一積層面１２の受部３０，３０に、第二積層面２２の位置決めピン４０，４０が嵌合する位置において、第一レンズ１０の第一積層面１２に対して、第二レンズ２０の第二積層面２２が対向配置される。この時、複数のプリズム５のそれぞれの間に、複数のプリズム６のそれぞれが交互に配置されるように、第一レンズ１０と第二レンズ２０とが位置決めされる。この位置決めがなされた後、第二レンズ２０は、第一レンズ１０に対して矢印Ｙの示す方向へ移動され、位置決めピン４０，４０が受部３０，３０に挿入される。受部３０，３０は、位置決めピン４０，４０を内部に受け入れて当接させる。また、受部３０，３０は、位置決めピン４０，４０と嵌合することで、積層された後の第一レンズ１０と第二レンズ２０とがずれないように固定できる。

次いで、接着工程（Ｓ３）について説明する。図１０に示すように、接着工程では、第一レンズ１０と第二レンズ２０とが、位置決め工程において位置決められた配置で接着される。このとき、複数のプリズム５のそれぞれの間に、複数のプリズム６のそれぞれが交互に配置されるので、プリズム５のレンズ面５Ａと、レンズ面５Ａに対向配置されるプリズム６のレンズ面６Ａとが、接着剤８によって接着される。本実施形態では、レンズ面５Ａの配列するピッチとレンズ面６Ａの配列するピッチが同じピッチである。また、プリズム５の大きさがプリズム６の大きさよりも大きいので、レンズ面５Ａとレンズ面６Ａとが接着されると、非レンズ面５Ｂと非レンズ面６Ｂとが、所定の隙間を形成して離間する。非レンズ面５Ｂと非レンズ面６Ｂとの間の隙間には空気が入り込み、空気層９０が形成される。このような配置で積層された第一レンズ１０と第二レンズ２０は、接着剤８が硬化されることによって一体となり、音響フレネルレンズ１の製造工程が完了する。接着剤８には、種々のものを採用でき、接着剤成分が反応することによって硬化するものが用いられてもよいし、熱処理によって硬化するものが用いられてもよいし、ＵＶ光等の光エネルギーによって硬化するものが用いられてもよい。

図１０のＷ４領域内に示すように、レンズ面５Ａとレンズ面６Ａとの間で硬化した接着剤８は、レンズ面５Ａとレンズ面６Ａとの間に接着剤層８０を形成する。音響フレネルレンズ１は、接着剤８が硬化して接着剤層８０を形成した場合に、接着剤層８０の音響インピーダンスが、第一レンズ１０の音響インピーダンスと第二レンズ２０の音響インピーダンスとの間の音響インピーダンスとなる接着剤８を用いる。本実施形態では、接着剤８は、シリコーン系の接着剤である。接着剤８の音響インピーダンスは、第二レンズ２０と同様の約１．２×１０^６Ｎ・ｓ／ｍ^３である。このようにして、音響フレネルレンズ１は、第一レンズ１０のレンズ面５Ａと第二レンズ２０のレンズ面６Ａとの間に、第一レンズ１０とは異なる音響インピーダンスを有する接着剤層８０を介在させる。このため、レンズ面５Ａから接着剤層８０へ出射する超音波は、レンズ面５Ａと接着剤層８０との境界面において屈折しやすい。また、接着剤層８０を伝播する超音波は、レンズ面６Ａとの界面における反射が低減された状態でレンズ面６Ａに超音波が入射する。音響フレネルレンズ１は、超音波が入射する側から出射する側に向けて音響インピーダンスが徐々に低くなるので、入射面１１から入射されて、レンズ面５Ａ，６Ａおよび接着剤層８０を介して伝播する超音波を内部で屈折させながら集束して、出射面２１から出射できる。

ここで、仮に音響フレネルレンズ１が単一の媒質でレンズ全体が構成されているとすると、上記のように、内部において徐々に超音波の屈折率を高めながら超音波を集束することができない。音響フレネルレンズ１は、異なる音響インピーダンスを有する媒質の境界面を、その内部に複数有することで、境界面ごとに超音波の屈折の度合いを制御して、音響フレネルレンズ１の超音波屈折率を所望のものに調整できる。また、このような超音波屈折率の調整を可能にすることで、音響フレネルレンズ１は、単一の媒質でレンズ全体を構成するよりも、音響フレネルレンズ１のレンズ効果を向上できる。

音響フレネルレンズ１において、超音波屈折率を所望のものに調整するためには、接着剤層８０の厚みが均一であることが望ましい。厚みの均一な接着剤層８０を形成するためには、対向配置されるレンズ面５Ａとレンズ面６Ａとが、平行になるように形成されていることが好ましい。

ここで、空気層９０の音響インピーダンスは、約０．０００４×１０^６Ｎ・ｓ／ｍ^３である。気体の層である空気層９０の音響インピーダンスは、第一レンズ１０、接着剤層８０および第二レンズ２０の音響インピーダンスと比較して非常に低い。非レンズ面５Ｂは、第一レンズ１０において直接レンズとして作用しない面であるが、第一レンズ１０の内部を伝播して非レンズ面５Ｂに到達した超音波の一部が非レンズ面５Ｂから出射する可能性がある。非レンズ面５Ｂから出射する超音波は、レンズ面５Ａから出射する超音波とは出射角度が異なるので、第一レンズ１０の焦点に到達せず、音響フレネルレンズ１による超音波の集束に寄与しない。また、非レンズ面５Ｂから出射する超音波が、非レンズ面５Ｂに対向配置する非レンズ面６Ｂから入射する可能性がある。非レンズ面６Ｂは、第二レンズ２０において直接レンズとして作用しない面であり、非レンズ面６Ｂから入射する超音波は、レンズ面６Ａから入射する超音波とは入射角度が異なる。このため、非レンズ面６Ｂから入射した超音波は、第二レンズ２０の焦点に到達せず、第二レンズ２０の内部で反射を繰り返し、音響フレネルレンズ１による超音波の集束に寄与しない。

音響フレネルレンズ１は、このようなレンズとして作用しない非レンズ面５Ｂと非レンズ面６Ｂとの間に、非レンズ面５Ｂ，６Ｂの音響インピーダンスに比較して非常に低い音響インピーダンスを有する空気層９０を設けている。これによって、音響フレネルレンズ１は、非レンズ面５Ｂから超音波が出射され難くできる。また、仮に非レンズ面５Ｂから空気層９０へ超音波が出射されたとしても、空気層９０と非レンズ面６Ｂとでは音響インピーダンスが非常に異なるので、超音波は、空気層９０から非レンズ面６Ｂへ入射し難い。したがって、音響フレネルレンズ１は、非レンズ面５Ｂと非レンズ面６Ｂとの間に空気層９０を設けることで、集束に寄与しない超音波が音響フレネルレンズ１の内部を伝播する可能性を低減し、超音波の集束性能を向上できる。

音響フレネルレンズ１において、集束に寄与しない超音波が非レンズ面５Ｂおよび非レンズ面６Ｂを介して伝播することを防止するためには、空気層９０が所定の厚みを保つことが望ましい。所定の厚みを保った空気層９０を形成するためには、対向配置される非レンズ面５Ｂと非レンズ面６Ｂとが、平行になるように形成されていることが好ましい。

図１０のＷ４領域内に示すように、音響フレネルレンズ１は、凸部７の上部を、プリズム６の最下部である頂点に当接するように配置している。このため、凸部７は、接着剤８が完全に硬化するまでの間に、接着剤８が空気層９０へ流れ込むことを防止して、接着剤層８０と空気層９０とを隔離している。接着工程において、仮に接着剤８が空気層９０へ流れ込んだ場合、非レンズ面５Ｂと非レンズ面６Ｂとの間にも接着剤層８０が形成され、集束に寄与しない超音波が非レンズ面５Ｂおよび非レンズ面６Ｂを介して伝播しやすくなることがある。また、逆に、接着剤層８０の方へ空気層９０の空気が流れ込んだ場合、接着剤層８０を介したレンズ面５Ａからレンズ面６Ａへの超音波の伝播が阻害されることがある。このような事象を防止するために、音響フレネルレンズ１は、接着工程において接着剤層８０と空気層９０とを確実に隔離して、音響フレネルレンズ１における超音波の集束性能を向上できる。

以上説明したように、音響フレネルレンズ１において、第一レンズ１０の入射面１１から入射された超音波は、第二レンズ２０の出射面２１から出射される。第一レンズ１０と第二レンズ２０とは、接着剤層８０を介して、第一積層面１２および第二積層面２２において積層される。接着剤層８０は、プリズム５のレンズ面５Ａから出射される超音波を、対向配置されるプリズム６のレンズ面６Ａへ伝達できる。一方、空気層９０における音響インピーダンスは、第一レンズ１０および第二レンズ２０におけるものに比べて非常に小さい。故に、プリズム５の非レンズ面５Ｂから出射された超音波は、空気層９０において減衰し、プリズム６の非レンズ面６Ｂからは入射されにくい。このようにして、音響フレネルレンズ１は、超音波の漏れを有効に防止できる空気層９０を形成でき、且つ、超音波を効率よく集束できる。

異なる音響インピーダンスを有する媒質の境界面において、超音波は屈折する。第一レンズ１０はアクリル樹脂からなる。第二レンズ２０は、シリコーン樹脂からなる。第一レンズ１０および第二レンズ２０は、音響インピーダンスが互いに異なる材料で構成されるので、音響フレネルレンズ１は音波を集束するレンズ効果を発揮できる。

第一レンズ１０の音響インピーダンスは、第二レンズ２０の音響インピーダンスよりも高い。また、接着剤層８０の音響インピーダンスは、第一レンズ１０の音響インピーダンスよりも低く、第二レンズ２０の音響インピーダンスと同様の値である。音響フレネルレンズ１は、その内部に、異なる音響インピーダンスを有する媒質の境界面を有するので、境界面ごとに音波の屈折率を制御できる。また、第一レンズ１０から第二レンズ２０に向けて、段階的に音響インピーダンスが小さくなるので、音響フレネルレンズ１は、入射面１１から入射した超音波を効率よく集束させて出射面２１から出射できる。

接着剤層８０と空気層９０とは、凸部７によって隔離されるので、例えば接着剤層８０に空気層９０の空気が流れ込み、レンズ面５Ａからレンズ面６Ａへ向けての超音波の伝達が空気層９０の空気によって阻害される可能性を低減できる。したがって、音響フレネルレンズ１は、第一レンズ１０から第二レンズ２０に向けて効率よく超音波を伝達できる。

凸部７は、第一積層面１２に設けられ、第一積層面１２からプリズム６の頂点に向けて突出している。このため、音響フレネルレンズ１は、凸部７において接着剤層８０と空気層９０とを確実に隔離できる。

音響フレネルレンズ１は、受部３０，３０に位置決めピン４０，４０を嵌合させることで、第一レンズ１０および第二レンズ２０が積層された状態からずれることを防止できる。

音響フレネルレンズ１は、プリズム５の高さＬ１をプリズム６の高さＬ２よりも大きく構成することで、プリズム５とプリズム６との大きさを同じくするよりもレンズ面５Ａを大きく確保して、効率よく超音波を集束できる。

音響フレネルレンズ１は、第一レンズ１０の厚みＤ１および第二レンズ２０の厚みＤ２を、それぞれ、第一レンズ１０および第二レンズ２０へ入射する超音波の波長の約４分の１とすることで、第一レンズ１０および第二レンズ２０へ入射する超音波の反射を効果的に防止できる。

本実施形態において、音響フレネルレンズ１が、本発明の「音響フレネルレンズ」に相当し、第一レンズ１０が、本発明の「第一フレネルレンズ」に相当し、第二レンズ２０が、本発明の「第二フレネルレンズ」に相当する。入射面１１が、本発明の「入射面」に相当し、第一積層面１２が、本発明の「第一積層面」に相当する。第二積層面２２が、本発明の「第二積層面」に相当し、出射面２１が、本発明の「出射面」に相当する。プリズム５が、本発明の「第一プリズム」に相当し、レンズ面５Ａが、本発明の「第一レンズ面」に相当し、非レンズ面５Ｂが、本発明の「第一非レンズ面」に相当する。プリズム６が、本発明の「第二プリズム」に相当し、レンズ面６Ａが、本発明の「第二レンズ面」に相当し、非レンズ面６Ｂが、本発明の「第二非レンズ面」に相当する。接着剤層８０が、本発明の「接着剤層」に相当し、空気層９０が、本発明の「空気層」に相当する。凸部７が、本発明の「隔離部材」に相当し、受部３０，３０および位置決めピン４０，４０が、本発明の「位置決め手段」に相当する。

なお、本発明は上記の実施形態に限定されない。図１１を参照して、本発明の変形例について説明する。変形例の音響フレネルレンズ２００は、第一レンズ１１０と第二レンズ１２０とが積層されてなる。音響フレネルレンズ２００は、上記実施形態の音響フレネルレンズ１が備える受部３０，３０および位置決めピン４０，４０に替えて、位置決め部１３０，１３０と、位置決め部１３０，１３０が当接する当接部１４０，１４０を備えている。図１１に示すように、位置決め部１３０，１３０は、第一レンズ１１０の左右の両端部に設けられ、上端部が第一積層面１２よりも上方に向けて突出する突出部である。位置決め部１３０，１３０の上端部は、第二レンズ１２０の外径よりも外側から第二レンズ１２０を挟持可能な位置に配置されている。当接部１４０，１４０は、第二レンズ１２０の左右の両端部であって、第一レンズ１１０と第二レンズ１２０とが積層された状態で、位置決め部１３０，１３０の内側と当接部１４０，１４０とが当接することで、第一レンズ１１０と第二レンズ１２０との積層位置を位置決めする。このように、第一レンズ１０と第二レンズ２０との積層位置を位置決めするための位置決め手段は、上記実施形態の受部３０，３０および位置決めピン４０，４０に限られず、種々の手法が採用されてよい。変形例において、位置決め部１３０，１３０および当接部１４０，１４０が、本発明の「位置決め手段」に相当する。

また、音響フレネルレンズ１において接着剤層８０と空気層９０とを隔離するための部材は、上記実施形態において第一積層面１２に備えられた凸部７に限られない。図１１のＷ５領域内に示すように、変形例における音響フレネルレンズ２００は、接着剤層８０と空気層９０とを隔離するための部材として、上記実施形態の凸部７に替えて、凸部７０を備える。凸部７０は、プリズム６の頂点から下方に延びる突出部である。凸部７０の下端部は、第一レンズ１０と第二レンズ２０とが積層された状態で、プリズム５のレンズ面５Ａの下端部に当接する。これにより、凸部７０は、接着剤層８０と空気層９０とを確実に隔離できる。このように、接着剤層８０と空気層９０とを隔離するための部材は、第二積層面２２に備えられていてもよい。また、この他に、接着剤層８０と空気層９０とを隔離するための部材が、第一積層面１２および第二積層面２２の双方に設けられていてもよい。即ち、接着剤層８０と空気層９０とを隔離するための部材は、第一積層面１２および第二積層面２２の少なくともいずれかに設けられていればよい。変形例において、凸部７０が、本発明の「隔離部材」に相当する。

本発明は、上記の実施形態および変形例に限定されるものではなく、種々の変更が可能である。例えば、音響フレネルレンズ１の平面視における外形は、円形に限られず、例えば矩形等としてもよい。また、音響フレネルレンズ１において、複数のプリズム５，６は、第一レンズ１０および第二レンズ２０の光学中心Ｃ１，Ｃ２に対して同心円状に配置されていなくてもよく、例えば直線状に並列されていてもよい。即ち、音響フレネルレンズ１はリニアフレネルレンズであってもよい。

上記実施形態において、音響フレネルレンズ１の出射面２１は平面であるが、出射面２１の形状はこれに限られない。例えば、出射面２１は曲面を有していてもよい。この場合、出射面２１が凸レンズとして作用するため、音響フレネルレンズ１による超音波の集束効果をさらに向上できる。

上記実施形態では、第一レンズ１０の厚みＤ１および第二レンズ２０の厚みＤ２を、それぞれ第一レンズ１０および第二レンズ２０へ入射する超音波の波長の約４分の１としている。例えば、第一レンズ１０の厚みＤ１および第二レンズ２０の厚みＤ２を、それぞれ、第一レンズ１０および第二レンズ２０へ入射する入射波の波長λの約４分の１の奇数倍としてもよい。この場合であっても、音響フレネルレンズ１は、第一レンズ１０および第二レンズ２０へ入射する超音波の反射を低減して、集束効率を向上できる。

上記実施形態では、第二レンズ２０と同様の音響インピーダンスを有する接着剤層８０を形成可能な接着剤８を用いている。接着剤層８０の音響インピーダンスは、第二レンズ２０と同様のものに限られず、接着剤層８０は、第一レンズ１０の音響インピーダンスと、第二レンズ２０の音響インピーダンスとの間の音響インピーダンスを有してもよい。この場合、音響フレネルレンズ１は、異なる音響インピーダンスを有する媒質の境界面を内部に複数有することができるので、境界面ごとに音波の屈折率を制御できる。

音響フレネルレンズ１に入射される入射波は、超音波に限られず、超音波よりも周波数の低い音波であってもよい。音響フレネルレンズ１は、例えば、人間の可聴範囲の音波を入射面１１から入射し、内部で集束させて、出射面２１から出射することができる。

１，２００ 音響フレネルレンズ
５，６ プリズム
５Ａ，６Ａ レンズ面
５Ｂ，６Ｂ 非レンズ面
７，７０ 凸部
８ 接着剤
１０，１１０ 第一レンズ
１１ 入射面
１２ 第一積層面
２０，１２０ 第二レンズ
２１ 出射面
２２ 第二積層面
３０，３０ 受部
４０，４０ 位置決めピン
８０ 接着剤層
９０ 空気層
１３０，１３０ 位置決め部
１４０，１４０ 当接部

Claims (9)

1. 入射された音波を集束して出射させる音響フレネルレンズであって、
   レンズ面と非レンズ面とを有するプリズムが複数配列された第一フレネルレンズと、
   前記第一フレネルレンズに積層される第二フレネルレンズとを備え、
   前記第一フレネルレンズは、
   音波が入射する入射面と、
   前記入射面とは反対面であって、前記第二フレネルレンズが積層される第一積層面とを備え、
   前記第二フレネルレンズは、
   前記第一フレネルレンズの前記第一積層面に積層される第二積層面と、
   前記第二積層面とは反対面であって、音波を出射する出射面とを備え、
   前記第一積層面は、第一レンズ面と、前記第一レンズ面の向く方向と異なる方向を向く第一非レンズ面とを有する複数の第一プリズムを備え、
   前記第二積層面は、第二レンズ面と、前記第二レンズ面の向く方向と異なる方向を向く第二非レンズ面とを有する複数の第二プリズムを備え、
   前記複数の第一プリズムのそれぞれの間に、前記複数の第二プリズムのそれぞれが交互に配置され、
   前記第一レンズ面と前記第二レンズ面との間に、前記第一レンズ面と前記第二レンズ面とを接着する接着剤で構成された接着剤層が設けられ、
   前記第一非レンズ面と前記第二非レンズ面との間に、所定の隙間を空けて離間する空気層が設けられていること
   を特徴とする音響フレネルレンズ。
2. 前記第一フレネルレンズと前記第二フレネルレンズとは、音響インピーダンスが互いに異なる材料で構成されることを特徴とする請求項１に記載の音響フレネルレンズ。
3. 前記第一フレネルレンズは、前記接着剤層よりも大きな音響インピーダンスを有し、且つ、前記接着剤層は、前記第二フレネルレンズと同じであるかまたは前記第二フレネルレンズよりも大きな音響インピーダンスを有することを特徴とする請求項１または２に記載の音響フレネルレンズ。
4. 前記第一積層面および前記第二積層面のうち少なくともいずれかに、前記接着剤層と前記空気層とを隔離するための隔離部材が設けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の音響フレネルレンズ。
5. 前記隔離部材は、前記第一積層面に設けられ、前記第一積層面から前記第二プリズムに向けて突出する突状部であることを特徴とする請求項４に記載の音響フレネルレンズ。
6. 前記第一フレネルレンズの前記第一積層面に対して、前記第二フレネルレンズの前記第二積層面の位置決めを行う位置決め手段を備えたことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の音響フレネルレンズ。
7. 前記第一プリズムの前記第一レンズ面の向く方向の高さは、前記第二プリズムの前記第二レンズ面の向く方向の高さよりも大きいことを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の音響フレネルレンズ。
8. 前記第一フレネルレンズおよび前記第二フレネルレンズのそれぞれの厚みは、前記入射面から入射する音波の波長の四分の一であることを特徴とすることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の音響フレネルレンズ。
9. 入射された音波を集束して出射させる音響フレネルレンズであって、
   前記音響フレネルレンズは、
   レンズ面と非レンズ面とを有するプリズムが複数配列された第一フレネルレンズと、
   前記第一フレネルレンズに積層される第二フレネルレンズとを備え、
   前記第一フレネルレンズは、
   音波が入射する入射面と、
   前記入射面とは反対面であって、前記第二フレネルレンズが積層される第一積層面とを備え、
   前記第二フレネルレンズは、
   前記第一フレネルレンズの前記第一積層面に積層される第二積層面と、
   前記第二積層面とは反対面であって、音波を出射する出射面とを備え、
   前記第一積層面は、第一レンズ面と、前記第一レンズ面の向く方向と異なる方向を向く第一非レンズ面とを有する複数の第一プリズムを備え、
   前記第二積層面は、第二レンズ面と、前記第二レンズ面の向く方向と異なる方向を向く第二非レンズ面とを有する複数の第二プリズムを備えるものであって、
   前記第一レンズ面に接着剤を塗布する塗布工程と、
   前記第一フレネルレンズの前記第一積層面に対し、前記第二フレネルレンズの前記第二積層面を対向して配置し、前記複数の第一プリズムのそれぞれの間に、前記複数の第二プリズムのそれぞれが交互に配置されるように、前記第一フレネルレンズと前記第二フレネルレンズとを相互に位置決めする位置決め工程と、
   前記位置決め工程において位置決めされた前記第一フレネルレンズと前記第二フレネルレンズにおいて、前記塗布工程において前記接着剤が塗布された前記第一レンズ面に対し、前記接着剤が塗布されていない前記第二積層面を接着することによって、前記第一レンズ面と前記第二レンズ面とを接着する接着剤層を形成するとともに、
   前記第一非レンズ面と、前記第二非レンズ面との間に、前記第一非レンズ面と前記第二非レンズ面とを所定の隙間を空けて離間する空気層を形成する接着工程と
   を備えたことを特徴とする音響フレネルレンズの製造方法。

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