JPH11300274A - 圧力波発生装置 - Google Patents
圧力波発生装置Info
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- JPH11300274A JPH11300274A JP11336998A JP11336998A JPH11300274A JP H11300274 A JPH11300274 A JP H11300274A JP 11336998 A JP11336998 A JP 11336998A JP 11336998 A JP11336998 A JP 11336998A JP H11300274 A JPH11300274 A JP H11300274A
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- Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
- Apparatuses For Generation Of Mechanical Vibrations (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 外からの振動や外気圧の影響を受けにくく、
広い周波数範囲で安定に超音波などの圧力波を発生する
ことができ、かつ集積回路技術を適用しての製造が容易
な圧力波発生装置を提供することにある。 【解決手段】 本発明は、電気的に駆動される発熱体薄
膜を熱絶縁上に被者された圧力波発生手段を用いる。発
熱体薄膜を電気的にして表面の空気層に超音波周期の温
度変化を与え、圧力波を生じさせる。特に本発明では発
熱体を薄膜状に形成して表面積を大きくするとともに、
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
層を大きくするとともに、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。
広い周波数範囲で安定に超音波などの圧力波を発生する
ことができ、かつ集積回路技術を適用しての製造が容易
な圧力波発生装置を提供することにある。 【解決手段】 本発明は、電気的に駆動される発熱体薄
膜を熱絶縁上に被者された圧力波発生手段を用いる。発
熱体薄膜を電気的にして表面の空気層に超音波周期の温
度変化を与え、圧力波を生じさせる。特に本発明では発
熱体を薄膜状に形成して表面積を大きくするとともに、
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
層を大きくするとともに、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。
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圧力波発生装置に関するも
のであり、特に超音波発生装置として有用なものであ
る。
加熱して圧力波を発生させる圧力波発生装置に関するも
のであり、特に超音波発生装置として有用なものであ
る。
【０００２】
【従来の技術】従来の超音波発生装置のほとんどは、圧
電効果や磁歪効果により機械的振動を発生させるもので
ある。たとえば圧電効果を利用した超音波発生装置の場
合は、たとえば円板状にチタン酸バリウムを焼結して両
面に電極を焼付けた構造の振動発生素子を用い、素子の
電極間に超音波電気信号を印加することにより、機械的
振動を発生させる。発生した機械的振動は、空気などの
媒質に伝達される。
電効果や磁歪効果により機械的振動を発生させるもので
ある。たとえば圧電効果を利用した超音波発生装置の場
合は、たとえば円板状にチタン酸バリウムを焼結して両
面に電極を焼付けた構造の振動発生素子を用い、素子の
電極間に超音波電気信号を印加することにより、機械的
振動を発生させる。発生した機械的振動は、空気などの
媒質に伝達される。
【０００３】このような機械的振動を利用する従来の超
音波発生装置は、外部からの振動や外気圧の変動の影響
を受けやすく、また固有の共振周波数をもつために、発
生する超音波の周波数範囲を広くとることが困難であっ
た。また集積回路技術がなじまないため、振動発生素子
は単品でしか製造できず、回路のコンパクト化が困難で
あった。
音波発生装置は、外部からの振動や外気圧の変動の影響
を受けやすく、また固有の共振周波数をもつために、発
生する超音波の周波数範囲を広くとることが困難であっ
た。また集積回路技術がなじまないため、振動発生素子
は単品でしか製造できず、回路のコンパクト化が困難で
あった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、外からの振
動や外気圧の変動の影響を受けにくく、広い周波数範囲
で安定に超音波などの圧力波を発生することができ、か
つ集積回路技術を適用しての製造が容易な圧力波発生装
置を提供するものである。
動や外気圧の変動の影響を受けにくく、広い周波数範囲
で安定に超音波などの圧力波を発生することができ、か
つ集積回路技術を適用しての製造が容易な圧力波発生装
置を提供するものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明は、電気的に駆動
される発熱体薄膜を熱絶縁層上に被着された圧力波発生
手段を用いることで課題の解決を図るものである。熱的
に超音波を発生するには、電気的に駆動される発熱体を
用いて表面の空気層に超音波周期の温度変化を与え、圧
力波を生じさせればよい。しかし通常は、発熱体自体と
発熱体を取り付ける基板の熱容量、および基板の熱伝導
率のために発熱体表面の温度変化を大きくすることがで
きず、超音波発生効率はかなり低いものとなる。そのた
め本発明は、発熱体を薄膜状に形成して表面積を大きく
するとともに、発熱体と基板との間に熱伝導率のきわめ
て小さい多孔質層や高分子層などの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。
される発熱体薄膜を熱絶縁層上に被着された圧力波発生
手段を用いることで課題の解決を図るものである。熱的
に超音波を発生するには、電気的に駆動される発熱体を
用いて表面の空気層に超音波周期の温度変化を与え、圧
力波を生じさせればよい。しかし通常は、発熱体自体と
発熱体を取り付ける基板の熱容量、および基板の熱伝導
率のために発熱体表面の温度変化を大きくすることがで
きず、超音波発生効率はかなり低いものとなる。そのた
め本発明は、発熱体を薄膜状に形成して表面積を大きく
するとともに、発熱体と基板との間に熱伝導率のきわめ
て小さい多孔質層や高分子層などの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。
【０００６】本発明の圧力波発生装置は、従来の機械振
動を用いる超音波発生装置に対して、次のような特長を
もっている。 ａ．広帶域で強力であること。
動を用いる超音波発生装置に対して、次のような特長を
もっている。 ａ．広帶域で強力であること。
【０００７】ｂ．外気圧変動等に対して弱い構造を一切
もたないこと。 ｃ．シリコン微細加工の技術によって比較的容易に精細
な超音波アレイが得られ、その他周辺回路との一体化な
ど、半導体集積回路の技術を適用して製造することがで
きること。
もたないこと。 ｃ．シリコン微細加工の技術によって比較的容易に精細
な超音波アレイが得られ、その他周辺回路との一体化な
ど、半導体集積回路の技術を適用して製造することがで
きること。
【０００８】本発明の圧力波発生装置は、以下のような
構成を有する。 （１）基板と、基板上に設けられた多孔質層と、多孔質
層上に設けられて電気的に駆動される発熱体薄膜とから
なること。 （２）前項（１）において、発熱体薄膜は電気抵抗体薄
膜であること。 （３）前項（１）において、発熱体薄膜はペルチエ素子
であること。 （４）半導体基板と、半導体基板上に形成された多孔質
層と、多孔質層上に被着されたリボン状金属薄膜と、リ
ボン状金属薄膜の各端部に設けられた駆動信号端子とを
備え、リボン状金属薄膜を発熱体として超音波を発生す
ること。 （５）前項（４）において、リボン状金属薄膜は複数個
備えられ、各リボン状金属薄膜は一次元状あるいは二次
元状に一定間隔で配列されていること。 （６）前項（４）および（５）において、半導体基板の
表面に襞状に複数個の凹凸が形成されており、その上に
多孔質層とリボン状金属薄膜とが設けられていること。 （７）前項（４）ないし（６）において、半導体基板お
よび多孔質層はシリコンでつくられていること。
構成を有する。 （１）基板と、基板上に設けられた多孔質層と、多孔質
層上に設けられて電気的に駆動される発熱体薄膜とから
なること。 （２）前項（１）において、発熱体薄膜は電気抵抗体薄
膜であること。 （３）前項（１）において、発熱体薄膜はペルチエ素子
であること。 （４）半導体基板と、半導体基板上に形成された多孔質
層と、多孔質層上に被着されたリボン状金属薄膜と、リ
ボン状金属薄膜の各端部に設けられた駆動信号端子とを
備え、リボン状金属薄膜を発熱体として超音波を発生す
ること。 （５）前項（４）において、リボン状金属薄膜は複数個
備えられ、各リボン状金属薄膜は一次元状あるいは二次
元状に一定間隔で配列されていること。 （６）前項（４）および（５）において、半導体基板の
表面に襞状に複数個の凹凸が形成されており、その上に
多孔質層とリボン状金属薄膜とが設けられていること。 （７）前項（４）ないし（６）において、半導体基板お
よび多孔質層はシリコンでつくられていること。
【０００９】図１は、本発明による圧力波発生装置の基
本的な構造を例示的方法で示す図であり、図１の（ａ）
は装置の断面図、（ｂ）は装置の上面図である。図１の
（ａ），（ｂ）において、１はシリコン（Ｓｉ）などの
基板、２は基板１上に形成されたポーラスシリコン（Ｐ
ｏ−Ｓｉ）や高分子材料膜などの熱絶縁層、３は熱絶縁
層２上に被着されたアルミニウム（Ａｌ）などの発熱体
薄膜、４，５は発熱体薄膜３の各端部に接続された信号
端子、６は駆動用の超音波周波数の信号を発生する信号
源である。
本的な構造を例示的方法で示す図であり、図１の（ａ）
は装置の断面図、（ｂ）は装置の上面図である。図１の
（ａ），（ｂ）において、１はシリコン（Ｓｉ）などの
基板、２は基板１上に形成されたポーラスシリコン（Ｐ
ｏ−Ｓｉ）や高分子材料膜などの熱絶縁層、３は熱絶縁
層２上に被着されたアルミニウム（Ａｌ）などの発熱体
薄膜、４，５は発熱体薄膜３の各端部に接続された信号
端子、６は駆動用の超音波周波数の信号を発生する信号
源である。
【００１０】発熱体薄膜３は、ジュール熱を発生する電
気抵抗体あるいはペルチエ効果による発熱／吸熱を行う
ペルチエ素子で構成され、信号端子４，５を介して信号
源６により駆動される。なお、信号源６から発生される
信号は、正負いずれか一方の極性となるように、交流成
分と直流成分を合成したものである。
気抵抗体あるいはペルチエ効果による発熱／吸熱を行う
ペルチエ素子で構成され、信号端子４，５を介して信号
源６により駆動される。なお、信号源６から発生される
信号は、正負いずれか一方の極性となるように、交流成
分と直流成分を合成したものである。
【００１１】図１の（ａ）に示されるように、発熱体薄
膜３と基板１の間には熱伝導度の小さい熱絶縁層２が設
けられているので、熱絶縁層２が存在しない場合にくら
べて発熱体薄膜３から基板１への熱の流失は小さく抑え
られる。このため、発熱体薄膜３を駆動する信号のパワ
ーに対して発熱体薄膜３に生じる温度変化が大きくな
り、発熱体薄膜３の表面に接する空気層に伝達される圧
力波エネルギーも大きくなる。
膜３と基板１の間には熱伝導度の小さい熱絶縁層２が設
けられているので、熱絶縁層２が存在しない場合にくら
べて発熱体薄膜３から基板１への熱の流失は小さく抑え
られる。このため、発熱体薄膜３を駆動する信号のパワ
ーに対して発熱体薄膜３に生じる温度変化が大きくな
り、発熱体薄膜３の表面に接する空気層に伝達される圧
力波エネルギーも大きくなる。
【００１２】次に、本発明による圧力波発生装置の動作
原理を説明する。固体表面の温度変化 図２の（ａ）に示すように、ある材料でできた固体の表
面に被着された発熱体薄膜が十分に薄くされているとき
の固体の表面温度の変化は、固体の熱伝導度をα、体積
あたりの熱容量をＣ、角周波数をωとして、単位面積あ
たりのエネルギーの出入りｑ（ω）［ｗ／cm2 ］があっ
たとき、次式のＴ（ω）で与えられる。
原理を説明する。固体表面の温度変化 図２の（ａ）に示すように、ある材料でできた固体の表
面に被着された発熱体薄膜が十分に薄くされているとき
の固体の表面温度の変化は、固体の熱伝導度をα、体積
あたりの熱容量をＣ、角周波数をωとして、単位面積あ
たりのエネルギーの出入りｑ（ω）［ｗ／cm2 ］があっ
たとき、次式のＴ（ω）で与えられる。
【００１３】
【数１】
【００１４】したがって固体の材質としてはαＣが小さ
い材料ほど同じエネルギーの授受に対する表面温度の変
化が大きくなる。ここで図２の（ｂ）に示すように、熱
伝導度α、体積あたりの熱容量Ｃをもつ固体の厚さをｘ
＝ｌとし、ｘ＞ｌの領域にα，Ｃよりも十分に大きな熱
伝導度と熱容量をもつ別の材料が存在する場合には、
い材料ほど同じエネルギーの授受に対する表面温度の変
化が大きくなる。ここで図２の（ｂ）に示すように、熱
伝導度α、体積あたりの熱容量Ｃをもつ固体の厚さをｘ
＝ｌとし、ｘ＞ｌの領域にα，Ｃよりも十分に大きな熱
伝導度と熱容量をもつ別の材料が存在する場合には、
【００１５】
【数２】
【００１６】程度にとると、発熱の交流成分はそのまま
にして、直流成分のみを効果的に逃がすことができる
（詳細は省略）。温度変化からの音の発生 固体表面に温度変化があったとき、それに追随して温度
変化する空気層の厚みは
にして、直流成分のみを効果的に逃がすことができる
（詳細は省略）。温度変化からの音の発生 固体表面に温度変化があったとき、それに追随して温度
変化する空気層の厚みは
【００１７】
【数３】
【００１８】程度である。空気に対してこの値を計算す
ると、１００ｋＨｚにおいてｄ＝7.６μｍになり、周波
数の平方根に反比例するから極端に小さな値にはならな
い。また図３に示すように、厚さｈの空気層の温度が強
制的にＴ（ω）のように変化させられたとすると、空気
中には
ると、１００ｋＨｚにおいてｄ＝7.６μｍになり、周波
数の平方根に反比例するから極端に小さな値にはならな
い。また図３に示すように、厚さｈの空気層の温度が強
制的にＴ（ω）のように変化させられたとすると、空気
中には
【００１９】
【数４】
【００２０】なる強度の進行音波が発生する。ｋは周波
数に対応する平面波の波数である。λを音波の波長とし
て、ｈ＝λ／（４√γ）に設定すればｐ（ω）＝Ｐo Ｔ
（ω）／Ｔo となり、例えば１Ｋの温度振幅は３００Ｐ
a の音波を発生する（ただしγ＝1.４とする）。
数に対応する平面波の波数である。λを音波の波長とし
て、ｈ＝λ／（４√γ）に設定すればｐ（ω）＝Ｐo Ｔ
（ω）／Ｔo となり、例えば１Ｋの温度振幅は３００Ｐ
a の音波を発生する（ただしγ＝1.４とする）。
【００２１】
【発明の実施の形態】熱伝導の基本方程式によると、一
般に構造のスケールが１／ｎになると現象はｎ2 倍高速
になり、所定の温度を得るためのエネルギーの総量は１
／ｎになることはよく知られている。したがって発生し
ようとする超音波の周波数が高くなるほど、超音波発生
装置のデバイスサイズは、小さいことが有利となる。し
かしそれにはμｍ−ｎｍオーダーの微細加工その他の技
術が必要となるが、その多くは従来の半導体集積回路製
造技術を利用することによって容易に解決可能である。
般に構造のスケールが１／ｎになると現象はｎ2 倍高速
になり、所定の温度を得るためのエネルギーの総量は１
／ｎになることはよく知られている。したがって発生し
ようとする超音波の周波数が高くなるほど、超音波発生
装置のデバイスサイズは、小さいことが有利となる。し
かしそれにはμｍ−ｎｍオーダーの微細加工その他の技
術が必要となるが、その多くは従来の半導体集積回路製
造技術を利用することによって容易に解決可能である。
【００２２】たとえば発熱体薄膜と基板との間に設けら
れる熱絶縁層は、（１）式で述べたように、その熱伝導
度αと体積当たりの熱容量Ｃをきわめて小さくする必要
があるが、これはたとえばシリコン表面を、
れる熱絶縁層は、（１）式で述べたように、その熱伝導
度αと体積当たりの熱容量Ｃをきわめて小さくする必要
があるが、これはたとえばシリコン表面を、
【００２３】
【数５】
【００２４】以上の深さまでｎｍオーダーの多数の孔で
多孔質化することで実現できる。このような多孔質層は
ポーラスシリコンと呼ばれ、単結晶シリコンをフッ酸溶
液中で電気化学エッチングすることによって得られる。
孔の密度、多孔質層の深さは、そのときの電圧と時間に
よって制御される。
多孔質化することで実現できる。このような多孔質層は
ポーラスシリコンと呼ばれ、単結晶シリコンをフッ酸溶
液中で電気化学エッチングすることによって得られる。
孔の密度、多孔質層の深さは、そのときの電圧と時間に
よって制御される。
【００２５】典型的なポーラスシリコンの熱伝導率α、
体積当たりの熱容量Ｃは以下のようであり、αＣは結晶
シリコンに比べ約１／４００である。またこのときのＬ
は１００ｋＨｚにおいて２μｍである。
体積当たりの熱容量Ｃは以下のようであり、αＣは結晶
シリコンに比べ約１／４００である。またこのときのＬ
は１００ｋＨｚにおいて２μｍである。
【００２６】
【表１】
【００２７】図４の（ａ）は、デバイスの１例と発生音
圧の測定構造を示す。図において１mm厚の平面状の単結
晶シリコン基板７の表面には、１０〜５０μｍ厚の多孔
質層（ポーラスシリコン）８が形成され、その上に超音
波周波数でジュール熱を発生する発熱体としてアルミニ
ウム薄膜９が３０ｎｍ厚に蒸着されている。
圧の測定構造を示す。図において１mm厚の平面状の単結
晶シリコン基板７の表面には、１０〜５０μｍ厚の多孔
質層（ポーラスシリコン）８が形成され、その上に超音
波周波数でジュール熱を発生する発熱体としてアルミニ
ウム薄膜９が３０ｎｍ厚に蒸着されている。
【００２８】このようにして作られたデバイスの表面
に、中央部にマイクロホン１０をもつアクリルカバー１
１を取り付け、0.１mm厚の薄い密閉空気層を形成して音
圧測定を行った。図４の（ｂ）は、多孔質層８の厚みが
１０μｍ，２５μｍ，５０μｍの各デバイスについて、
1.０×１０-3［Ｗ／cm2 ］の入力電力を与えたときに観
測された周波数［ｋＨｚ］に対する発生音圧の振幅［Ｐ
a ］を示している。発生音圧は、周波数の平方根に反比
例する傾向を示す。
に、中央部にマイクロホン１０をもつアクリルカバー１
１を取り付け、0.１mm厚の薄い密閉空気層を形成して音
圧測定を行った。図４の（ｂ）は、多孔質層８の厚みが
１０μｍ，２５μｍ，５０μｍの各デバイスについて、
1.０×１０-3［Ｗ／cm2 ］の入力電力を与えたときに観
測された周波数［ｋＨｚ］に対する発生音圧の振幅［Ｐ
a ］を示している。発生音圧は、周波数の平方根に反比
例する傾向を示す。
【００２９】図５は、発熱体面をひだ（襞）状に形成し
たデバイスの実施の形態を示す。図において、シリコン
基板１２には等間隔に複数のひだ１３が形成されてい
る。各ひだ１３は多孔質層１４で覆われ、それらの全表
面に発熱体となるアルミニウム薄膜１５が蒸着されてい
る。
たデバイスの実施の形態を示す。図において、シリコン
基板１２には等間隔に複数のひだ１３が形成されてい
る。各ひだ１３は多孔質層１４で覆われ、それらの全表
面に発熱体となるアルミニウム薄膜１５が蒸着されてい
る。
【００３０】前述したように、固体表面の温度変化に追
随できる空気層の厚みは
随できる空気層の厚みは
【００３１】
【数６】
【００３２】で与えられ、１００ｋＨｚではｄ＝7.６μ
ｍとなる。このｄの値は、周波数の平方根に反比例する
ので、図５のように発熱体をひだ（襞）構造にし、ひだ
間のギャップｇを１５μｍ程度の大きさにしておけば、
１００ｋＨｚ以下の周波数においてギャップ内の空気を
固体表面温度、つまりアルミニウム薄膜１５のジュール
発熱温度と同じように変化させることができる。アルミ
ニウム薄膜１５は各ひだ１３に亘って電気的に連続して
おり、両端部のひだ１３に接続される信号源１６からの
信号により駆動されてジュール熱を発生する。このとき
のアルミニウム薄膜１５の消費電力の大きさは、アルミ
ニウム薄膜１５の抵抗値と信号源１６の信号電圧に依存
している。アルミニウム薄膜１５の抵抗値は、蒸着厚さ
を変えることにより、所望の値に設定することができ
る。
ｍとなる。このｄの値は、周波数の平方根に反比例する
ので、図５のように発熱体をひだ（襞）構造にし、ひだ
間のギャップｇを１５μｍ程度の大きさにしておけば、
１００ｋＨｚ以下の周波数においてギャップ内の空気を
固体表面温度、つまりアルミニウム薄膜１５のジュール
発熱温度と同じように変化させることができる。アルミ
ニウム薄膜１５は各ひだ１３に亘って電気的に連続して
おり、両端部のひだ１３に接続される信号源１６からの
信号により駆動されてジュール熱を発生する。このとき
のアルミニウム薄膜１５の消費電力の大きさは、アルミ
ニウム薄膜１５の抵抗値と信号源１６の信号電圧に依存
している。アルミニウム薄膜１５の抵抗値は、蒸着厚さ
を変えることにより、所望の値に設定することができ
る。
【００３３】図５に示すひだ状構造をもつデバイスにお
ける消費電力と出力音圧の関係は（１）および（２）式
からそのまま計算される。シリコン表面を以下の実験を
用いたポーラスシリコンにした場合、１Ｗ／cm2 のジュ
ール発熱に対する温度振幅は１００ｋＨｚにおいて1.５
×１０-2［Ｋ］となり、音圧振幅に換算すると５Ｐa
（１０５ｄＢ）になる。なお、ひだの高さｈ＝７００μ
ｍ、ひだの芯となるシリコン領域の厚みｓ＝１０μｍと
すれば、そのときギャップ先端部分の温度は２Ｋ程度上
昇する。
ける消費電力と出力音圧の関係は（１）および（２）式
からそのまま計算される。シリコン表面を以下の実験を
用いたポーラスシリコンにした場合、１Ｗ／cm2 のジュ
ール発熱に対する温度振幅は１００ｋＨｚにおいて1.５
×１０-2［Ｋ］となり、音圧振幅に換算すると５Ｐa
（１０５ｄＢ）になる。なお、ひだの高さｈ＝７００μ
ｍ、ひだの芯となるシリコン領域の厚みｓ＝１０μｍと
すれば、そのときギャップ先端部分の温度は２Ｋ程度上
昇する。
【００３４】また狭いギャップを音波が進行する際のギ
ャップ幅と減衰距離（振幅が１／ｅになる距離）との関
係は図６に示され、空気層の厚さを１０μｍとすると１
０００ｋＨZ 超音波の４分の１波長程度に設定する場
合、そのギャップを進行する際の粘性損失は大きくな
い。
ャップ幅と減衰距離（振幅が１／ｅになる距離）との関
係は図６に示され、空気層の厚さを１０μｍとすると１
０００ｋＨZ 超音波の４分の１波長程度に設定する場
合、そのギャップを進行する際の粘性損失は大きくな
い。
【００３５】発熱体として、図５のようにジュール熱を
利用する代わりに、ペルチエ素子による発熱／吸熱を利
用することも可能である。図７は、各ひだにペルチエ素
子を形成したひだ状構造をもつ実施の形態を示す。
利用する代わりに、ペルチエ素子による発熱／吸熱を利
用することも可能である。図７は、各ひだにペルチエ素
子を形成したひだ状構造をもつ実施の形態を示す。
【００３６】図７において、各ひだ１３の両側にそれぞ
れｐ型ポーラスシリコン層（Ｐo Ｓi （ｐ））１７とｎ
型ポーラスシリコン層（Ｐo Ｓi （ｎ））１８とを上下
並行に形成し、その上にアルミニウム薄膜１９を蒸着す
る。
れｐ型ポーラスシリコン層（Ｐo Ｓi （ｐ））１７とｎ
型ポーラスシリコン層（Ｐo Ｓi （ｎ））１８とを上下
並行に形成し、その上にアルミニウム薄膜１９を蒸着す
る。
【００３７】ペルチエ素子では、ｎ型半導体と金属電極
との接点部分において、金属電極からｎ型半導体へ電子
が移動するとき金属電極から熱エネルギーがうばわれて
金属電極は冷却し、また逆に電子がｎ型半導体から金属
電極へ移動するときはｎ型半導体から金属電極へ熱エネ
ルギーが運ばれて金属電極で発熱が生じる。同様な現象
は、ｐ型半導体と金属電極との間の正孔の移動でも生
じ、熱エネルギーは正孔の移動する方向に運ばれる。し
たがって、図７においてｐ型ポーラスシリコン層１７と
ｎ型ポーラスシリコン層１８との間に、ｐ型ポーラスシ
リコン層１７側が高電位となる向きに電圧を印加する
と、ｐ型ポーラスシリコン層１７からアルミニウム薄膜
１９を通り、ｎ型ポーラスシリコン層１８へ向かって電
流が流れる。その結果、アルミニウム薄膜１９がｐ型ポ
ーラスシリコン層１７およびｎ型ポーラスシリコン層１
８と夫々接触している領域で発熱が生じる。しかし、ｐ
型ポーラスシリコン層１７とｎ型ポーラスシリコン層１
８に電圧を印加するポイントでは、吸熱が発生するの
で、この電圧印加ポイントはひだ構造から離れた位置に
設ける必要がある。
との接点部分において、金属電極からｎ型半導体へ電子
が移動するとき金属電極から熱エネルギーがうばわれて
金属電極は冷却し、また逆に電子がｎ型半導体から金属
電極へ移動するときはｎ型半導体から金属電極へ熱エネ
ルギーが運ばれて金属電極で発熱が生じる。同様な現象
は、ｐ型半導体と金属電極との間の正孔の移動でも生
じ、熱エネルギーは正孔の移動する方向に運ばれる。し
たがって、図７においてｐ型ポーラスシリコン層１７と
ｎ型ポーラスシリコン層１８との間に、ｐ型ポーラスシ
リコン層１７側が高電位となる向きに電圧を印加する
と、ｐ型ポーラスシリコン層１７からアルミニウム薄膜
１９を通り、ｎ型ポーラスシリコン層１８へ向かって電
流が流れる。その結果、アルミニウム薄膜１９がｐ型ポ
ーラスシリコン層１７およびｎ型ポーラスシリコン層１
８と夫々接触している領域で発熱が生じる。しかし、ｐ
型ポーラスシリコン層１７とｎ型ポーラスシリコン層１
８に電圧を印加するポイントでは、吸熱が発生するの
で、この電圧印加ポイントはひだ構造から離れた位置に
設ける必要がある。
【００３８】図５あるいは図７に示すようなひだ構造を
もつデバイスを一次元状あるいは二次元状に配置して，
超音波アレイを構成することができる。図８は，超音波
アレイの構成例を示す。
もつデバイスを一次元状あるいは二次元状に配置して，
超音波アレイを構成することができる。図８は，超音波
アレイの構成例を示す。
【００３９】図８において、基板２０上は、３×３のデ
バイス２１−１〜２１−９が等間隔で配置されている各
デバイス２１−１〜２１−９はそれぞれ、信号線２２に
接続されており、各デバイスへの駆動タンミングを適切
に設定することにより、任意の方向に対して鋭い指向性
をもつ超音波ビームを発生することができ、あるいは図
３（ａ）のように波長よりも狭い密閉空間に対して各デ
バイスを同一タンミングで駆動することにより、強力な
音場を生成することができる。
バイス２１−１〜２１−９が等間隔で配置されている各
デバイス２１−１〜２１−９はそれぞれ、信号線２２に
接続されており、各デバイスへの駆動タンミングを適切
に設定することにより、任意の方向に対して鋭い指向性
をもつ超音波ビームを発生することができ、あるいは図
３（ａ）のように波長よりも狭い密閉空間に対して各デ
バイスを同一タンミングで駆動することにより、強力な
音場を生成することができる。
【００４０】なお、以上述べた実施の形態では、発熱体
の下層に設ける熱絶縁層としてポーラスシリコンなどの
多孔質層が用いられているが、他の熱伝導度の低い材
料、たとえば高分子材料を用いることも可能である。
の下層に設ける熱絶縁層としてポーラスシリコンなどの
多孔質層が用いられているが、他の熱伝導度の低い材
料、たとえば高分子材料を用いることも可能である。
【００４１】
【発明の効果】本発明の圧力波発生装置は、従来の超音
波発生装置のような機械的な振動発生手段を用いずに音
波を発生させるため、外部からの振動や外気圧の変動の
影響を受けにくく、また超音波の発生周波数の範囲を広
くとることが可能である。
波発生装置のような機械的な振動発生手段を用いずに音
波を発生させるため、外部からの振動や外気圧の変動の
影響を受けにくく、また超音波の発生周波数の範囲を広
くとることが可能である。
【００４２】さらに本発明装置では集積回路技術の利用
が容易であり、たとえばシリコン基板上に音波発生デバ
イスの周辺回路も形成することができるので、同一基板
上にこの音波発生デバイスの周辺回路も形成することが
可能であり、システム全体をコンパクトで且つ安価につ
くることができる。
が容易であり、たとえばシリコン基板上に音波発生デバ
イスの周辺回路も形成することができるので、同一基板
上にこの音波発生デバイスの周辺回路も形成することが
可能であり、システム全体をコンパクトで且つ安価につ
くることができる。
【図１】本発明による圧力波発生装置の基本的構造を示
す説明図である。
す説明図である。
【図２】固体の熱伝導率および熱容量と表面温度変化の
説明図である。
説明図である。
【図３】熱による音波の発生の説明図である。
【図４】デバイスの１例と発生音圧の測定例を示す説明
図である。
図である。
【図５】発熱体面をひだ状に形成した実施の形態を示す
説明図である。
説明図である。
【図６】ギャップ幅とそこを進行する音波の関係を示す
グラフである。
グラフである。
【図７】ペルチエ素子を用いたデバイスの実施の形態を
示す説明図である。
示す説明図である。
【図８】超音波アレイの構成例を示す説明図である。
１：基板 ２：熱絶縁層 ３：発熱体薄膜 ４、５：信号端子 ６：信号源
Claims (9)
- 【請求項１】 基板と、基板上に設けられた熱絶縁層
と、熱絶縁層上に設けられて電気的に駆動される発熱体
薄膜とからなることを特徴とする圧力波発生装置。 - 【請求項２】 請求項１において、熱絶縁層は多孔質層
であることを特徴とする圧力波発生装置。 - 【請求項３】 請求項２において、熱絶縁層は高分子材
料層であることを特徴とする圧力波発生装置。 - 【請求項４】 請求項１ないし請求項３において、発熱
体薄膜は電気抵抗体薄膜であることを特徴とする圧力波
発生装置。 - 【請求項５】 請求項１ないし請求項３において、発熱
体薄膜はペルチエ素子であることを特徴とする圧力波発
生装置。 - 【請求項６】 半導体基板と、半導体基板上に形成され
た多孔質層と、多孔質層上に被着されたリボン状金属薄
膜と、リボン状金属薄膜の各端部に設けられた駆動信号
端子とを備え、リボン状金属薄膜を発熱体として圧力波
を発生することを特徴とする圧力波発生装置。 - 【請求項７】 請求項６において、リボン状金属薄膜は
複数個備えられ、各リボン状金属薄膜は一次元状あるい
は二次元状に一定間隔で配列されていることを特徴とす
る圧力波発生装置。 - 【請求項８】 請求項６および請求項７において、半導
体基板の表面に襞状に複数個の凹凸が形成されており、
その上に多孔質層とリボン状金属薄膜とが設けられてい
ることを特徴とする圧力波発生装置。 - 【請求項９】 請求項６ないし請求項８において、半導
体基板および多孔質層はシリコンでつくられていること
を特徴とする圧力波発生装置。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP11336998A JP3705926B2 (ja) | 1998-04-23 | 1998-04-23 | 圧力波発生装置 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11300274A true JPH11300274A (ja) | 1999-11-02 |
| JP3705926B2 JP3705926B2 (ja) | 2005-10-12 |
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| JP11336998A Expired - Fee Related JP3705926B2 (ja) | 1998-04-23 | 1998-04-23 | 圧力波発生装置 |
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-
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- 1998-04-23 JP JP11336998A patent/JP3705926B2/ja not_active Expired - Fee Related
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