JP2006180083A

JP2006180083A - 圧力波発生装置

Info

Publication number: JP2006180083A
Application number: JP2004369628A
Authority: JP
Inventors: Yoshifumi Watabe; 祥文渡部; Yoshiaki Honda; 由明本多
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2004-12-21
Filing date: 2004-12-21
Publication date: 2006-07-06
Anticipated expiration: 2024-12-21
Also published as: JP4534751B2

Abstract

【課題】寿命末期に至った圧力波発生素子の駆動を禁止可能な圧力波発生装置を提供する。
【解決手段】圧力波発生素子１と、圧力波発生素子１の一対のパッド１４，１４を介して発熱体層１３へ通電する駆動入力波形を生成する駆動入力波形生成部（駆動手段）２と、発熱体層１３の抵抗値を検出する抵抗検出部（抵抗値検出手段）３と、駆動入力波形生成部２と抵抗検出部３とを択一的に圧力波発生素子１に接続する一対のスイッチ（切替手段）ＳＷ１，ＳＷ２と、抵抗検出部３による検出抵抗値が規定範囲を外れているときに圧力波発生素子１が寿命末期にあると判断する寿命判断部（寿命末期検出手段）４と、寿命判断部４の出力に基づいて駆動入力波形生成部２から寿命末期の圧力波発生素子１への通電を禁止する図示しない制御部（通電禁止手段）とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、スピーカを対象とした音波や、超音波や単パルス的な粗密波などの圧力波を発生する圧力波発生装置に関するものである。

従来から、圧電効果による機械的振動を利用した超音波発生装置が広く知られている。この種の超音波発生装置としては、例えば、チタン酸バリウムのような圧電材料からなる結晶の両面に電極を設けた構成の超音波発生素子を駆動するように構成されたものが知られており、この超音波発生装置では、超音波発生素子の両電極間に電気エネルギを与えて機械的振動を発生させることにより、空気を振動させて超音波を発生させることができる。

上述のような機械的振動を利用した超音波発生装置は、固有の共振周波数をもつので周波数帯域が狭い、外部の振動や外気圧の変動の影響を受けやすい、などの問題があった。

これに対して、近年、機械的振動を伴わずに熱励起により超音波などの圧力波を発生させることができる圧力波発生装置として、図５に示すように、単結晶のシリコン基板からなる支持基板１１の一表面側に多孔質シリコン層からなる熱絶縁層１２が形成され、熱絶縁層１２上にアルミニウム薄膜からなる発熱体層１３が形成され、支持基板１１の上記一表面側に発熱体層１３と電気的に接続された一対のパッド１４，１４が形成された圧力波発生素子１と、一対のパッド１４，１４を介して発熱体層１３へ与える駆動電圧波形もしくは駆動電流波形からなる駆動入力波形を生成する駆動入力波形生成部２とを備え、駆動入力波形に応じた発熱体層１３の温度変化に伴う発熱体層１３と媒体である空気との熱交換により超音波などの圧力波を発生するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。なお、上記特許文献１には、熱絶縁層１２の熱伝導度および熱容量を支持基板１１の熱伝導度および熱容量に比べて小さくすることが望ましく、熱絶縁層１２の熱伝導度と熱容量との積を支持基板１１の熱伝導度と熱容量との積に比べて十分に小さくすることが好ましいことが記載されている。
特開平１１−３００２７４号公報

ところで、本願発明者らは、図５に示した圧力波発生素子１を試作して特性を評価するにあたって、駆動電圧を周波数が６０ｋＨｚの正弦波電圧とし、正弦波電圧のピーク値を変化させることで発熱体層１３への入力電力を変化させた場合に、発生する音圧の変化および発熱体層１３の温度を調べたところ図６に示す結果を得た。なお、図６の横軸は、周波数が６０ｋＨｚの正弦波電圧からなる駆動電圧のピーク値を種々変化させた場合の入力電力、左側の縦軸は、発熱体層１３の表面から３０ｃｍだけ離れた位置で測定した音圧、右側の縦軸は、発熱体層１３の表面の温度（最高温度）となっており、図６中の「イ」が音圧の測定値、「ロ」が温度の測定値を示している。

図６から、圧力波発生素子１において例えば周波数が６０ｋＨｚの超音波を発生させるような場合、圧力波発生素子１から３０ｃｍ離れた位置で、１５Ｐａ程度の音圧を得るには発熱体層１３の温度を４００℃程度まで上昇させる必要があり、３０Ｐａ程度の比較的大きな音圧を得るには発熱体層１３の温度を１０００℃を超えるような高温まで上昇させる必要があるという実験結果を得た。

しかしながら、上述の圧力波発生素子１では、入力電力が高いほど、駆動毎に発熱体層１３の温度が広い温度範囲にわたって上昇・下降するので、発熱体層１３の抵抗値が経時変化し、発生する圧力波の波形や音圧が変化してしまうという不具合があった。なお、上述の圧力波発生素子１を比較的大きな音圧が必要な用途に用いる場合の駆動回路に相当する駆動入力波形生成部２としては、カメラのストロボ回路などに用いられる充放電回路が考えられるが、このような充放電回路では、放電時の応答波形の時定数が負荷側のインピーダンス（圧力波発生素子１では、発熱体層１３の抵抗値）によって決まるので、発熱体層１３の抵抗値が経時変化すると、応答波形が変化し圧力波の周波数や音圧レベルが変化してしまう。このような特性変化は、例えば圧力波発生装置を超音波の送波から受波までの時間を用いて物体までの距離を求める超音波センサの送波装置として利用した場合など、圧力波発生装置を組み込んだシステムの誤動作の原因となってしまう。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、寿命末期に至った圧力波発生素子の駆動を禁止可能な圧力波発生装置を提供することにある。

請求項１の発明は、支持基板と、支持基板の一表面側に形成された発熱体層と、支持基板の前記一表面側で支持基板と発熱体層との間に介在する熱絶縁層と、発熱体層の両端部それぞれに電気的に接続された一対のパッドとを有する圧力波発生素子と、一対のパッドを介して発熱体層へ通電することで発熱体層を発熱させる駆動手段と、発熱体層の抵抗値を検出する抵抗値検出手段と、駆動手段と抵抗値検出手段とを択一的に圧力波発生素子に接続する切替手段と、抵抗値検出手段による検出抵抗値が規定範囲を外れているときに圧力波発生素子が寿命末期にあると判断する寿命末期検出手段と、寿命末期検出手段の出力に基づいて駆動手段から寿命末期の圧力波発生素子への通電を禁止する通電禁止手段とを備えることを特徴とする。

この発明によれば、圧力波発生素子が駆動手段により駆動されておらず発熱体層の抵抗値が安定している状態で抵抗値検出手段により発熱体層の抵抗値が検出され、寿命末期検出手段により発熱体層の抵抗値に基づいて圧力波発生素子の寿命末期を検出することができ、通電禁止手段により駆動手段から寿命末期の圧力波発生素子への通電が禁止されるので、寿命末期に至った圧力波発生素子の駆動を禁止することができる。したがって、圧力波発生装置を組み込んだシステムの誤動作の発生を抑制することが可能となる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、寿命末期検出手段の判断結果を外部へ報知する報知手段を備えることを特徴とする。

この発明によれば、圧力波発生素子が寿命末期に至ったことが外部へ報知されるので、圧力波発生素子が交換時期にあることを使用者に認識させることが可能となる。

請求項３の発明は、請求項１の発明において、圧力波発生素子が複数個配列された圧力波発生素子アレイと、圧力波発生素子アレイのいずれか１つの圧力波発生素子を駆動手段により駆動する駆動対象として選択する選択手段と、寿命末期検出手段により寿命末期が検出されたときに選択手段において駆動対象として別の圧力波発生素子を選択させる切替制御手段とを備えることを特徴とする。

この発明によれば、駆動していた圧力波発生素子が寿命末期に至ったときには別の圧力波発生素子が駆動されることとなるので、使用者が圧力波発生素子の交換作業を行う必要がなくなるとともに、圧力波発生装置を組み込んだシステムの誤動作の発生を抑制することが可能となる。

請求項１の発明では、寿命末期に至った圧力波発生素子の駆動を禁止することができるという効果がある。

（実施形態１）
以下、本実施形態の圧力波発生装置について図１および図２を参照しながら説明する。

本実施形態の圧力波発生装置は、単結晶のｐ形のシリコン基板からなる支持基板１１の一表面（図２（ｂ）における上面）側に多孔質シリコン層からなる熱絶縁層（断熱層）１２が形成され、熱絶縁層１２上に金属薄膜（例えば、タングステン薄膜）からなる発熱体層１３が形成され、支持基板１１の上記一表面側に発熱体層１３と電気的に接続された一対のパッド１４，１４が形成された圧力波発生素子１と、一対のパッド１４，１４を介して発熱体層１３へ与える駆動電圧波形もしくは駆動電流波形からなる駆動入力波形を生成する駆動入力波形生成部２と、発熱体層１３の抵抗値を検出する抵抗検出部３と、駆動入力波形生成部２と抵抗検出部３とを択一的に圧力波発生素子１に接続する一対のスイッチＳＷ１，ＳＷ２と、抵抗検出部３による検出抵抗値が規定範囲を外れているときに圧力波発生素子１が寿命末期にあると判断する寿命判断部４と寿命判断部４の判断結果を外部へ報知する表示報知部５とを備えている。ここにおいて、各スイッチＳＷ１，ＳＷ２は、２接点のスイッチであって、図示しない制御部により駆動入力波形生成部２側に接続される状態と抵抗検出部３側に接続される状態とのいずれかの状態に制御されるようになっている。ここにおいて、本実施形態では、駆動入力波形生成部２が駆動手段を構成し、抵抗検出部３が抵抗値検出手段を構成し、一対のスイッチＳＷ１，ＳＷ２が切替手段を構成し、寿命判断部４が寿命末期検出手段を構成し、報知表示部５が報知手段を構成している。また、本実施形態では、上記制御部が、寿命判断部５の出力に基づいて駆動入力波形生成部２から寿命末期の圧力波発生素子１への通電を禁止するように一対のスイッチＳＷ１，ＳＷ２を制御する通電禁止手段を兼ねている。なお、駆動入力波形生成部２、抵抗検出部３、寿命判断部４、上記制御部などの各機能は例えばマイクロコンピュータで適宜のプログラムを実行することにより実現される。また、報知表示部５は、例えば、ＬＥＤなどの発光素子、ディスプレイ装置などにより構成すればよい。

本実施形態の圧力波発生装置は、発熱体層１３へ与える駆動電圧波形もしくは駆動電流波形に応じた発熱体層１３の温度変化に伴って発熱体層１３と媒体である空気との熱交換により圧力波を発生する。

圧力波発生素子１は、図２に示したように、支持基板１１の平面形状が長方形状であって、熱絶縁層１２、発熱体層１３それぞれの平面形状も長方形状に形成してある。

ところで、圧力波発生素子１では、上述のように支持基板１１としてｐ形のシリコン基板を用いており、熱絶縁層１２を多孔度が略７０％の多孔質シリコン層により構成しているので、支持基板１１として用いるシリコン基板の一部をフッ化水素水溶液中で陽極酸化処理することにより熱絶縁層１２となる多孔質シリコン層を形成することができる。ここに、陽極酸化処理の条件（例えば、電流密度、通電時間など）を適宜設定することにより、熱絶縁層１２となる多孔質シリコン層の多孔度や厚みそれぞれを所望の値とすることができる。多孔質シリコン層は、多孔度が高くなるにつれて熱伝導率および熱容量が小さくなり、例えば、熱伝導率が１４８Ｗ／（ｍ・Ｋ）、熱容量が１．６３×１０^６Ｊ／（ｍ^３・Ｋ）の単結晶のシリコン基板を陽極酸化して形成される多孔度が６０％の多孔質シリコン層は、熱伝導率が１Ｗ／（ｍ・Ｋ）、熱容量が０．７×１０^６Ｊ／（ｍ^３・Ｋ）であることが知られている。なお、本実施形態では、上述のように熱絶縁層１２を多孔度が略７０％の多孔質シリコン層により構成してあり、熱絶縁層１２の熱伝導率が０．１２Ｗ／（ｍ・Ｋ）、熱容量が０．５×１０^６Ｊ／（ｍ^３・Ｋ）となっている。

また、発熱体層１３は、高融点金属の一種であるタングステンにより形成してあり、熱伝導率が１７４Ｗ／（ｍ・Ｋ）、熱容量が２．５×１０^６Ｊ／（ｍ^３・Ｋ）となっている。発熱体層１３の材料はタングステンに限らず、例えば、タンタル、モリブデン、イリジウムなどを採用してもよい。

なお、本実施形態における圧力波発生素子１では、支持基板１１の厚さを５２５μｍ、熱絶縁層１２の厚さを１０μｍ、発熱体層１３の厚さを５０ｎｍ、各パッド１４の厚さを０．５μｍとしてあるが、これらの厚さは一例であって特に限定するものではない。

以下、圧力波発生素子１の製造方法について簡単に説明する。

まず、支持基板１１として用いるシリコン基板の他表面（図２（ｂ）における下面）側に陽極酸化処理時に用いる通電用電極（図示せず）を形成した後、シリコン基板の一表面側における熱絶縁層１２の形成予定部位を陽極酸化処理にて多孔質化することで多孔質シリコンからなる熱絶縁層１２を形成する陽極酸化処理工程を行う。ここにおいて、陽極酸化処理工程では、図３に示すように、シリコン基板を主構成とする被処理物Ｃを処理槽Ａに入れられた電解液（例えば、５５ｗｔ％のフッ化水素水溶液とエタノールとを１：１で混合した混合液）Ｂに浸漬し、その後、電流源２０のマイナス側に配線を介して接続された白金電極２１を電解液Ｂ中において支持基板１１の上記一表面側に対向するように配置する。続いて、通電用電極を陽極、白金電極２１を陰極として、電流源２０から陽極と陰極２１との間に所定の電流密度（ここでは、２０ｍＡ／ｃｍ^２）の電流を所定時間（ここでは、８分）だけ流す陽極酸化処理を行うことにより支持基板１１の上記一表面側に所定厚さ（ここでは、１０μｍ）となる熱絶縁層１２を形成する。なお、陽極酸化処理時の条件は特に限定するものではなく、電流密度は例えば１〜５００ｍＡ／ｃｍ^２程度の範囲内で適宜設定すればよいし、上記所定時間も熱絶縁層１２の上記所定厚さに応じて適宜設定すればよい。

上述の陽極酸化処理工程の後、発熱体層１３を形成する発熱体層形成工程、パッド１４，１４を形成するパッド形成工程、ダイシング工程を順次行うことによって、圧力波発生素子１が完成する。なお、発熱体層形成工程およびパッド形成工程では、例えば、各種のスパッタ法、各種の蒸着法、各種のＣＶＤ法などによって膜形成を行えばよい。

ところで、上述の寿命判断部４では、上記規定範囲を決める上限値および下限値があらかじめ設定されており、抵抗検出部３にて検出された検出抵抗値が上限値よりも大きいか或いは下限値よりも小さい場合に、圧力波発生素子１が寿命末期にあると判断する。また、上記制御部は、上述の一対のスイッチＳＷ１，ＳＷ２を所定のタイミングで同時に切り替えるように構成されており、例えば、スイッチＳＷ１，ＳＷ２を駆動電圧波形生成部２側へ切り替えたときには、所定時間（例えば、１時間）の経過後にスイッチＳＷ１，ＳＷ２を抵抗検出部３側へ切り替えて抵抗検出部３にて発熱体層１３の抵抗値を検出させ、寿命判断部４にて寿命判断が行われるように、抵抗検出部３および寿命判断部４を制御する。なお、上記所定時間は１時間に限定するものではなく、駆動電圧波形生成部２から圧力波発生素子１へ与える入力の大きさや、圧力波発生素子１の駆動回数などに応じて適宜設定するようにしてもよい。

以上説明した本実施形態の圧力波発生装置では、圧力波発生素子１が駆動入力波形生成部２により駆動されておらず発熱体層１３の抵抗値が安定している状態で抵抗検出部３により発熱体層１３の抵抗値が検出され、寿命判断部４により発熱体層１３の抵抗値に基づいて圧力波発生素子１の寿命末期を検出する（寿命末期にあると判断する）ことができ、上記通電禁止手段により駆動入力波形生成部２から寿命末期の圧力波発生素子１への通電が禁止されるので、寿命末期に至った圧力波発生素子１の駆動を禁止することができる。したがって、圧力波発生装置を組み込んだシステムの誤動作の発生を抑制することが可能となる。しかも、寿命判断部４の判断結果を外部へ報知する表示報知部５を備えていることにより、圧力波発生素子１が寿命末期に至ったことが報知されるので、圧力波発生素子１が交換時期にあることを使用者に認識させることが可能となる。

（実施形態２）
本実施形態の圧力波発生装置は、図４に示すように、実施形態１にて説明した圧力波発生素子１が同一平面上で複数個配列された圧力波発生素子アレイ（なお、図４では、説明の便宜上、圧力波発生素子１を上下方向に並べてあるが、実際には同一平面上に配列されている）と、圧力波発生素子アレイのいずれか１つの圧力波発生素子１を駆動手段たる駆動入力波形生成部２により駆動する駆動対象として選択する選択手段たる選択部６と、寿命末期検出手段たる寿命判断部４により寿命末期が検出されたときに選択部６において駆動対象として別の正常な圧力波発生素子１を選択させる切替制御手段（図示せず）とを備えている。ここに、選択部６は、各圧力波発生素子１と抵抗検出部３との間それぞれに挿入された複数個のスイッチと、各圧力波発生素子１と駆動入力波形生成部２との間それぞれに挿入された複数個のスイッチとを有しており、上述の切替制御手段により各スイッチそれぞれがオンオフ制御される。切替制御手段の機能は例えばマイクロコンピュータで適宜のプログラムを実行することにより実現される。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

しかして、本実施形態の圧力波発生装置では、駆動していた圧力波発生素子１が寿命末期に至ったときには、自動的に、別の正常な圧力波発生素子１が駆動されることとなるので、使用者が圧力波発生素子１の交換作業を行う必要がなくなるとともに、圧力波発生装置を組み込んだシステムの誤動作の発生を抑制することが可能となる。

ところで、上記各実施形態では、支持基板１１の材料としてＳｉを採用しているが、支持基板１１の材料はＳｉに限らず、例えば、Ｇｅ，ＳｉＣ，ＧａＰ，ＧａＡｓ，ＩｎＰなどの陽極酸化処理による多孔質化が可能な他の半導体材料でもよい。

実施形態１を示す圧力波発生装置の概略構成図である。同上における圧力波発生素子を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ’概略断面図である。同上における圧力波発生素子の製造方法の説明図である。実施形態２を示す圧力波発生装置の概略構成図である。従来例を示す圧力波発生装置の概略構成図である。同上における圧力波発生素子の入力特性図である。

符号の説明

１圧力波発生素子
２駆動入力波形生成部
３抵抗検出部
４寿命判断部
５報知表示部
１１支持基板
１２熱絶縁層
１３発熱体層
１４パッド
ＳＷ１，ＳＷ２スイッチ

Claims

支持基板と、支持基板の一表面側に形成された発熱体層と、支持基板の前記一表面側で支持基板と発熱体層との間に介在する熱絶縁層と、発熱体層の両端部それぞれに電気的に接続された一対のパッドとを有する圧力波発生素子と、一対のパッドを介して発熱体層へ通電することで発熱体層を発熱させる駆動手段と、発熱体層の抵抗値を検出する抵抗値検出手段と、駆動手段と抵抗値検出手段とを択一的に圧力波発生素子に接続する切替手段と、抵抗値検出手段による検出抵抗値が規定範囲を外れているときに圧力波発生素子が寿命末期にあると判断する寿命末期検出手段と、寿命末期検出手段の出力に基づいて駆動手段から寿命末期の圧力波発生素子への通電を禁止する通電禁止手段とを備えることを特徴とする圧力波発生装置。
寿命末期検出手段の判断結果を外部へ報知する報知手段を備えることを特徴とする請求項１記載の圧力波発生装置。
圧力波発生素子が複数個配列された圧力波発生素子アレイと、圧力波発生素子アレイのいずれか１つの圧力波発生素子を駆動手段により駆動する駆動対象として選択する選択手段と、寿命末期検出手段により寿命末期が検出されたときに選択手段において駆動対象として別の圧力波発生素子を選択させる切替制御手段とを備えることを特徴とする請求項１記載の圧力波発生装置。