(57)【要約】  従来の技術では予想できない基層と断熱層との組み合わせに基づいて、従来よりも出力特性に優れる音波発生器を提供する。基層と、前記基層上に配置された断熱層と、前記断熱層に熱パルスを印加する熱パルス源とを備え、前記基層がグラファイトまたはサファイヤにより構成され、前記断熱層が、シリコンまたはゲルマニウムを含む結晶性の微粒子により構成される音波発生器とする。熱パルス源は、例えば、断熱層における基層側の面とは反対側の面上に配置された、断熱層に熱パルスを印加する熱パルス発生層である。
2010143380.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基層と、前記基層上に配置された断熱層と、前記断熱層に熱パルスを印加する熱パルス源と、を備え、
前記基層が、グラファイトまたはサファイヤにより構成され、
前記断熱層が、シリコンまたはゲルマニウムを含む結晶性の微粒子により構成される、音波発生器。
【請求項２】
前記熱パルス源が、
前記断熱層における前記基層側の面とは反対側の面上に配置された、前記断熱層に熱パルスを印加する熱パルス発生層を備える請求項１に記載の音波発生器。
【請求項３】
前記熱パルス発生層が、当該層に供給されるパルス電流またはパルス電圧によって熱パルスを発生する電熱層であり、
前記熱パルス源が、前記電熱層に前記パルス電流またはパルス電圧を供給する電力供給ラインをさらに備える請求項２に記載の音波発生器。
【請求項４】
前記熱パルス発生層が、炭素材料により構成される請求項２に記載の音波発生器。
【請求項５】
前記断熱層における前記微粒子の粒度分布の中央値が、１０ｎｍ〜０．５μｍである請求項１に記載の音波発生器。
【請求項６】
請求項１に記載の音波発生器の製造方法であって、
グラファイトまたはサファイヤにより構成される基層上にシリコンまたはゲルマニウムを含む結晶性の微粒子が分散した溶液の塗布膜を形成し、前記形成された塗布膜を熱処理して、前記微粒子により構成される断熱層を前記基層上に形成する第１工程と、
前記断熱層に熱パルスを印加する熱パルス源を設ける第２工程と、を含む音波発生器の製造方法。
【請求項７】
前記熱パルス源が、前記断熱層における前記基層側の面とは反対側の面上に配置された、前記断熱層に熱パルスを印加する熱パルス発生層を備え、
前記熱パルス発生層は、炭素材料により構成され、
前記第２工程が、
前記第１工程において形成した前記断熱層における前記基層側とは反対側の面上に、熱処理によって炭素材料となる前駆体溶液の塗布膜を形成し、前記形成した塗布膜を熱処理して、前記熱パルス発生層を形成する工程である請求項６に記載の音波発生器の製造方法。
【請求項８】
音波発生器を用いた音波発生方法であって、
前記音波発生器は、基層と、前記基層上に配置された断熱層と、前記断熱層に熱パルスを印加する熱パルス源と、を備え、
前記基層が、グラファイトまたはサファイヤにより構成され、
前記断熱層が、シリコンまたはゲルマニウムを含む結晶性の微粒子により構成され、
前記熱パルス源によって前記断熱層に熱パルスを印加して音波を発生させる工程を含む、音波発生方法。
【請求項９】
前記熱パルス源が、前記断熱層における前記基層側の面とは反対側の面上に配置された、前記断熱層に熱パルスを印加する熱パルス発生層を備え、
前記工程が、前記熱パルス発生層によって前記断熱層に熱パルスを印加して音波を発生させる工程である請求項８に記載の音波発生方法。
【請求項１０】
前記熱パルス発生層が、当該層に供給されるパルス電流またはパルス電圧によって熱パルスを発生する電熱層であり、
前記熱パルス源が、前記電熱層に前記パルス電流またはパルス電圧を供給する電力供給ラインをさらに備え、
前記工程が、前記電力供給ラインを介して前記電熱層に前記パルス電流またはパルス電圧を供給することで当該層において熱パルスを発生させ、発生した熱パルスを前記断熱層に印加して音波を発生させる工程である請求項９に記載の音波発生方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱励起型の音波発生器とその製造方法、ならびに当該音波発生器を用いた音波発生方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、各種の音波発生器が知られている。一部の特殊な音波発生器を除き、そのほとんどの種類は、振動部の機械的な振動を媒質（例えば、空気）の振動に変換して音波を発生する。しかし、機械的な振動を利用した音波発生器では、振動部が固有の共振周波数を有するため、発生する音波の周波数帯域が狭い。これに加えて、振動部のサイズによって共振周波数が変化するため、周波数特性を保ったまま微細化およびアレイ化することが困難である。【０００３】
一方、機械的な振動を利用しない、新しい原理に基づく音波発生器が提案されている。この音波発生器は、熱誘起型音波発生器と呼ばれ、以下の各文献に開示されている。非特許文献１は、相対的に高い熱伝導性を有する基層（ｐ形結晶性Ｓｉ層）と、相対的に低い熱伝導性を有する断熱層（微多孔Ｓｉ層）とが組み合わされ、基層とともに断熱層を挟持するＡｌ（アルミニウム）薄膜がさらに配置された音波発生器を開示する。非特許文献２は、相対的に高い熱伝導性を有する基層（単結晶Ｓｉ層）と、相対的に低い熱伝導性を有する断熱層（多孔のナノ結晶Ｓｉ層）とが組み合わされ、基層とともに断熱層を挟持するＷ（タングステン）薄膜がさらに配置された音波発生器を開示する。非特許文献１、２には：Ａｌ薄膜またはＷ薄膜に交流成分を含む電力を供給すると、ジュール熱により、当該薄膜の温度が周期的に変化すること；この周期的な温度の変化は、断熱層の熱伝導性が小さいことにより、基層側に逃げることなく当該薄膜に接している空気に伝わること；空気に伝わった周期的な温度変化が、空気密度の周期的な変化を誘起して音波が発生すること；が記載されている。【０００４】
熱誘起型音波発生器は、機械的な振動なしに音波を発生し得る。このため、発生する音波の周波数帯域が広い。これに加えて、微細化およびアレイ化が比較的容易である。【０００５】
特許文献１は、熱励起型音波発生器において、パルス電流による熱の印加が、発生する音波のパワー増大に好ましいことを開示する。特許文献１は、さらに、表面に突起を有する断熱層を開示する。【０００６】
特許文献２は、交流電流に直流電流を重畳させた電流を熱励起型音波発生器に印加する技術を開示する。特許文献２には、基層が単結晶Ｓｉ基板であり、断熱層が多孔質Ｓｉ層である音波発生器が記載されている。【０００７】
特許文献３は、陽極酸化処理および超臨界乾燥により得た断熱層（ナノ結晶Ｓｉ層）を備える音波発生器を開示する。特許文献３は、さらに、基層の熱物性値αＣ（α：熱伝導率、Ｃ：熱容量）に対する断熱層のαＣの比が小さいほど出力される音圧が大きくなること、断熱層の多孔度が高いほど当該層のαＣが小さくなること、ならびに断熱層として７５％以上の多孔度を有するナノ結晶Ｓｉ層が好ましいこと、を開示している。【０００８】
特許文献４は、基層のαＣに対する断熱層のαＣの比αIＣI／αSＣS（Ｉ：断熱層、Ｓ：基層）が式１／１００≧αIＣI／αSＣSを満たすとともに、基層のαＣが式αSＣS≧１００×１０6を満たす音波発生器を開示する。特許文献４の技術は、式αIＣI／αSＣSにより示される基層と断熱層との熱的コントラストが１：１００を超えるように基層および断熱層を組み合わせる技術的思想、ならびに高いαＣを有する基層を選択する技術的思想に基づく。特許文献４には、基層を構成する材料としてシリコン、銅およびＳｉＯ2が、断熱層を構成する材料として多孔シリコン、ポリイミド、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3およびポリスチレン発泡体が、それぞれ記載されている。特許文献４における基層と断熱層との最も好ましい組み合わせは、シリコンからなる基層および多孔シリコンからなる断熱層の組み合わせである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特許第3798302号公報
【特許文献２】特開2005-150797号公報
【特許文献３】特許第3845077号公報
【特許文献４】特許第3808493号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】Nature, vol.400, 26 August 1999, pp.853-855
【非特許文献２】化学工学会、第37回秋季大会シンポジウム ＜ナノプロセシング＞予稿 D-307  (2005)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
特許文献３、４によれば、音波発生器において出力される音圧は、基層と断熱層との熱的コントラストαIＣI／αSＣSおよび基層のαＣによって決定される。しかし、現実には必ずしもそうではない。本発明者は、これら基層および断熱層の熱的特性のみによって、音波発生器の出力特性が単純に決定されないことを見出した。音波発生器のような微小な構造体では、熱の伝達および散逸が非常に複雑な過程を経て進行することが、その一因と推定される。【００１２】
本発明は、従来の技術では予想できない基層と断熱層との組み合わせに基づいて、従来よりも出力特性に優れる音波発生器を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の音波発生器は、基層と、前記基層上に配置された断熱層と、前記断熱層に熱パルスを印加する熱パルス源と、を備える。前記基層は、グラファイトまたはサファイヤにより構成される。前記断熱層は、シリコンまたはゲルマニウムを含む結晶性の微粒子により構成される。【００１４】
本発明の音波発生器の製造方法は、上記本発明の音波発生器の製造方法であって、以下の第１工程および第２工程を含む。第１工程は、グラファイトまたはサファイヤにより構成される基層上に；シリコンまたはゲルマニウムを含む結晶性の微粒子が分散した溶液の塗布膜を形成し、前記形成された塗布膜を熱処理して；前記微粒子により構成される断熱層を前記基層上に形成する；工程である。第２工程は、前記断熱層に熱パルスを印加する熱パルス源を設ける工程である。【００１５】
本発明の音波発生方法は、音波発生器を用いた音波発生方法である。前記音波発生器は、基層と、前記基層上に配置された断熱層と、前記断熱層に熱パルスを印加する熱パルス源と、を備える。前記基層は、グラファイトまたはサファイヤにより構成される。前記断熱層は、シリコンまたはゲルマニウムを含む結晶性の微粒子により構成される。当該方法は、前記熱パルス源によって前記断熱層に熱パルスを印加して音波を発生させる工程を含む。
【発明の効果】
【００１６】
本発明は、従来よりも出力特性に優れる音波発生器を実現する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の音波発生器の一例を模式的に示す断面図である。
【図２】本発明の音波発生器の断熱層に含まれる、シリコンまたはゲルマニウムを含む結晶性の微粒子（二次粒子）の構造の一例を模式的に示す斜視図である。
【図３】本発明の音波発生器の断熱層に含まれる、シリコンまたはゲルマニウムを含む結晶性の微粒子（二次粒子）の構造の別の一例を模式的に示す平面図である。
【図４】本発明の音波発生器の別の一例を模式的に示す断面図である。
【図５】本発明の音波発生器のまた別の一例を模式的に示す断面図である。
【図６】本発明の音波発生器のさらに別の一例を模式的に示す断面図である。
【図７】本発明の音波発生器を用いた物体検知センサの構成の一例を示す模式図である。
【図８Ａ】本発明の音波発生器を応用した、壁面の非破壊検査方法の一例を示す模式図である。
【図８Ｂ】本発明の音波発生器を応用した、壁面の非破壊検査方法の別の一例を示す模式図である。
【図９】本発明の音波発生器の製造方法の一例を示すフロー図である。
【図１０】本発明の音波発生器の製造方法の別の一例を示すフロー図である。
【図１１】実施例１で用いたシリコン微粒子に対する粒度分布の評価結果を示す図である。
【図１２Ａ】実施例１で作製した断熱層の断面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）像を示す図である。
【図１２Ｂ】図１２Ａに示される断面を模式的に示す図である。
【図１３Ａ】実施例１で作製した断熱層における、微粒子同士の接合部分のＳＥＭ像を示す図である。
【図１３Ｂ】図１３Ａにおける枠内を拡大した図である。
【図１３Ｃ】実施例１で作製した断熱層における、微粒子同士の接合の状態を模式的に示す図である。
【図１４】実施例で作製した音波発生器を評価する計測システムを説明するための模式図である。
【図１５】実施例１で作製した本発明の音波発生器（実施例１−１）の出力特性を示す図である。
【図１６】実施例１で作製した本発明の音波発生器（実施例１−１）において、印加するパルス電圧の最大値を変化させたときの、当該音波発生器から発信される音波の最大音圧の変化を示す図である。
【図１７】実施例３で用いたシリコン微粒子に対する粒度分布の評価結果を示す図である。
【図１８Ａ】実施例３で作製した断熱層の断面のＳＥＭ像を示す図である。
【図１８Ｂ】実施例３で作製した断熱層の断面のＳＥＭ像を示す図である。
【図１８Ｃ】実施例３で作製した断熱層の断面のＳＥＭ像を示す図である。
【図１８Ｄ】図１８Ａ〜図１８Ｃに示される断面を模式的に示す図である。
【図１９】実施例４で作製した本発明の音波発生器を模式的に示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
［音波発生器］
図１は、本発明の音波発生器の一例を示す。図１に示される音波発生器１（１Ａ）は、基層１１、断熱層１２および熱パルス源１３を備える。基層１１は、断熱層１２と接するように、断熱層１２上に配置されている。基層１１は、グラファイトまたはサファイヤにより構成される。断熱層１２は、シリコンを含む結晶性の微粒子、またはゲルマニウムを含む結晶性の微粒子により構成される。熱パルス源１３は、断熱層１２における基層１１側の面とは反対側の面に熱パルス１４を印加し得るように配置されている。
【００１９】
音波発生器１Ａにおいて、熱パルス源１３から断熱層１２に熱パルス１４が印加されると、熱パルス１４の交流成分によって断熱層１２に与えられた熱エネルギーの多くが、断熱層１２に接する媒質（例えば空気）に伝えられる。このとき、媒質に伝わる熱エネルギーが交流成分の波形に応じて経時的に変化する。このため、断熱層１２近傍における媒質の密度が経時的に変化して、音波１５が発生する。正弦波の波形を有する熱パルス１４を除き、熱パルス１４は、一般に、交流成分と直流成分とを含む。熱パルス１４の直流成分によって断熱層１２に与えられた熱エネルギーは、経時的に変化しないため、音波１５の発生に寄与しない。当該熱エネルギーは、断熱層１２から基層１１に移動し、断熱層１２から除去される。熱パルス１４の印加によって引き起こされる断熱層１２近傍における媒質の密度の変化は、周期的であっても、そうでなくてもよい。
【００２０】
出力特性に優れる音波発生器を達成するためには、熱パルスの交流成分による熱エネルギーを効率よく音波に変化するとともに、直流成分による熱エネルギーを効率よく基層に逃がす熱流の状態が実現されることが必要である。従来の技術では、基層および断熱層を構成する材料の熱伝導率αおよび熱容量Ｃの積αＣにより示される、両層の熱物性値のコントラスト（熱的コントラスト）のみが着目されていた。これに対して、本発明の音波発生器では、特定の材料により構成される基層１１および断熱層１２の組み合わせであって、従来にない組み合わせによって、このような熱誘起型の音波発生に適した熱流の状態が達成される。これに加えて、本発明の音波発生器の出力特性は、従来の音波発生器よりも高い。
【００２１】
基層１１は、グラファイトまたはサファイヤにより構成される層である。本発明の効果が得られる限り、基層１１は、グラファイトまたはサファイヤ以外の材料を含んでいてもよい。基層１１は、典型的には、その断熱層１２に接する面がグラファイトまたはサファイヤにより形成されている層である。
【００２２】
基層１１の形状は限定されない。本発明の音波発生器１の用途に応じて、基層１１の形状は任意に選択される。基層１１は、典型的にはシート状であるが、立体形状を有していてもよい。立体形状の具体例は、実施例４に示されるように、断熱層１２に接する面が放物面である形状である。
【００２３】
断熱層１２は、シリコンを含む結晶性の微粒子、またはゲルマニウムを含む結晶性の微粒子により構成される。当該微粒子は、典型的には、シリコン結晶の微粒子またはゲルマニウム結晶の微粒子である。本発明の効果が得られる限り、断熱層１２は、当該微粒子以外の材料を含んでいてもよい。当該材料は、例えば、他の材料からなる粒子；シリコンまたはゲルマニウムの結晶からなるが、より粒径が大きな粒子；シリコンまたはゲルマニウムのアモルファスを含む粒子；シリコンまたはゲルマニウムの酸化物を含む粒子；およびこれら各粒子間に存在する任意の材料である。
【００２４】
本明細書における「微粒子」は、典型的には、１０ｎｍ〜０．５μｍの平均粒径を有する。ここで、微粒子の平均粒径とは、断熱層１２における微粒子の粒度分布の中央値（メディアン）である。微粒子の粒度分布は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）または透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）による断熱層１２の画像解析により評価できる。粒度分布の評価の際に測定する「微粒子の粒径」は、微粒子における最大の断面形を選択して、当該断面形に外接する、面積が最小となる四角形の長辺によって定義される。微粒子が球状の場合、当該微粒子の粒径は球の直径と等しくなる。
【００２５】
断熱層１２における微粒子は、粒度分布におけるＤ１０（分布の累積度が１０％の粒径値）からＤ９０（分布の累積度が９０％の粒径値）が、１０ｎｍ〜０．５μｍの範囲内にあることが好ましい。
【００２６】
「結晶性の微粒子」とは、広角Ｘ線回折（ＷＡＸＤ）測定またはラマン分光測定によって、シリコン結晶またはゲルマニウム結晶に特有の回折ピークまたはスペクトルピークが測定される微粒子のことである。
【００２７】
断熱層１２を構成するシリコンまたはゲルマニウムを含む結晶性の微粒子（以下、単に「微粒子」ともいう）の形状は限定されない。微粒子は、例えば、鱗片状または球状である。微粒子の形状は、ＳＥＭまたはＴＥＭによる断熱層１２の画像解析により、確認し得る。
【００２８】
断熱層１２では、通常、微粒子の一次粒子と、当該一次粒子が凝集した二次粒子とが混在している。二次粒子は、粒径こそ異なるものの、一次粒子と同様の形状を有する場合が多い。微粒子の二次粒子の例を、図２、３に示す。図２に示される例では、一次粒子５１は鱗片状であり、一次粒子５１が凝集した二次粒子５２も、一次粒子５１の形状を反映して鱗片状である。図３に示される例では、一次粒子５３は球状であり、一次粒子５３が凝集した二次粒子５４も、一次粒子５３の形状を反映して球状である。断熱層１２における一次粒子と二次粒子とが混在した状態、断熱層１２における一次粒子および二次粒子の各粒子の割合、ならびに二次粒子の形状は、ＳＥＭまたはＴＥＭによる断熱層１２の画像解析により、確認し得る。
【００２９】
断熱層１２において微粒子の一次粒子および二次粒子が混在している場合、一次粒子および二次粒子の双方の粒子の平均粒径が、典型的には、１０ｎｍ〜０．５μｍである。また、この場合、一次粒子および二次粒子の双方の粒子の粒度分布におけるＤ１０からＤ９０が、１０ｎｍ〜０．５μｍの範囲内にあることが好ましい。
【００３０】
断熱層１２の構造は、シリコンまたはゲルマニウムを含む結晶性の微粒子により構成され、グラファイトまたはサファイヤにより構成される基層の上に配置されている限り、限定されない。実施例１において作製した、鱗片状の微粒子により構成される断熱層１２の断面のＳＥＭ像が図１２Ａに、当該断面を模式的に示す図が図１２Ｂに示される。実施例３において作製した、球状の微粒子により構成される断熱層１２の断面のＳＥＭ像が図１８Ａ〜１８Ｃに、当該断面を模式的に示す図が図１８Ｄに示される。これらの図に示されるように、断熱層１２は、微粒子が、当該微粒子間に無数の空孔を含むように、堆積し、積み重なった構造を有することが好ましい。換言すれば、断熱層１２は、最密充填ではなく、ランダムに微粒子が積み重なった多孔構造を有することが好ましい。この場合、断熱層１２における熱流の状態ならびに断熱層１２と基層１１との間の熱流の状態が音波１５の発生に好適となって、音波発生器１の出力特性がさらに高くなる。
【００３１】
図１２Ａ、１２Ｂ、１８Ａ〜Ｄに示される断熱層１２では、含まれる空孔の割合が断熱層１２の部分によって異なる。具体的には、断熱層１２の下層部分（断熱層１２における基層１１側の部分）の方が、上層部分（断熱層１２における基層１１とは反対側の部分）に比べて、含まれる空孔の割合が高い。すなわち、当該断熱層１２は、基層１１側から次第に小さくなる、微粒子の密度の勾配をその厚さ方向に有している。断熱層１２は、このような構造を有することが好ましい。この場合、断熱層１２における熱流の状態ならびに断熱層１２と基層１１との間の熱流の状態が音波１５の発生に好適となって、音波発生器１の出力特性がさらに高くなる。
【００３２】
これに加えて、図１２Ａ、１２Ｂ、１８Ａ〜Ｄに示される断熱層１２は、比較的大きな粒径の微粒子をその下層部分に有し、比較的小さな粒径の微粒子をその上層部分に有する構造を有する。すなわち、当該断熱層１２は、基層１１側から次第に小さくなる、微粒子の粒径の勾配をその厚さ方向に有している。断熱層１２は、このような構造を有することが好ましい。この場合、断熱層１２における熱流の状態ならびに断熱層１２と基層１１との間の熱流の状態が音波１５の発生に好適となって、音波発生器１の出力特性がさらに高くなる。
【００３３】
断熱層１２が、基層１１側から次第に小さくなる、微粒子の密度および粒径の勾配をその厚さ方向に有することがさらに好ましい。このような断熱層１２を有する本発明の音波発生器１は、例えば、本発明の製造方法により製造できる。
【００３４】
図１２Ａ、１２Ｂ、１８Ａ〜Ｄに示される断熱層１２では、微粒子同士が、その微小な部分において互いに接合している。このとき、微粒子同士が接合している部分に酸化膜が形成されており、当該酸化膜を介して微粒子同士が接合していることが好ましい。この場合、断熱層１２における熱流の状態ならびに断熱層１２と基層１１との間の熱流の状態が音波１５の発生にさらに好適となって、音波発生器１の出力特性がさらに高くなる。当該酸化膜は、シリコンを含む結晶性の微粒子の場合、例えばＳｉＯ2により構成される。ゲルマニウムを含む結晶性の微粒子の場合、例えばＧｅＯ2により構成される。微粒子において酸化膜が形成されている部分は、例えば、２〜１０ｎｍ程度の長さにわたる。酸化膜は、自然酸化によって形成されても、プラズマ酸化あるいはラジカル酸化などの積極的な酸化手法によって形成されてもよい。
【００３５】
断熱層１２の厚さは、基層１１と熱パルス源１３との熱的な短絡によって音波１５の発生が停止しない程度が少なくとも必要である。一方、熱の滞留、とりわけ音波１５発生に寄与しない熱パルス１４の直流成分によって断熱層１２に印加された熱の滞留によって、音波１５の発生効率が低下することを防ぐために、過度に厚い断熱層１２としてはならない。これらの観点から、断熱層１２の厚さは１０ｎｍ〜５０μｍが好ましく、５０ｎｍ〜１０μｍがより好ましい。
【００３６】
熱パルス源１３の構造ならびに本発明の音波発生器における熱パルス源１３の配置は、断熱層１２に熱パルスを印加し得る限り、限定されない。
【００３７】
図１に示される音波発生器１Ａでは、基層１１および断熱層１２の積層体と熱パルス源１３とが別個に配置されている。このような音波発生器において熱パルス源１３は、通常、断熱層１２における基層１１側の面とは反対側の面から断熱層１２に熱パルス１４を印加し得るように配置される。基層１１がサファイヤにより構成される場合、サファイヤが波長０．２〜５μｍ程度の光に対して透明であるために、熱パルス源１３の種類によっては（例えば、エキシマレーザー、ＹＡＧレーザー）、断熱層１２における基層１１側の面から断熱層１２に熱パルス１４を印加し得るように熱パルス源１３を配置し得る。
【００３８】
熱パルス源１３は、例えば、レーザー照射装置または赤外線照射装置を備える。レーザーは、例えば、パルスレーザーである。このとき、後述の熱パルス発生層１６を備えない音波発生器（図１に示される音波発生器１Ａ）では、断熱層１２が、当該レーザーまたは赤外線によって発熱する材料により構成される。
【００３９】
熱パルス源１３は、例えば、断熱層１２における基層１１側の面とは反対側の面上に配置された、断熱層１２に熱パルスを印加する熱パルス発生層（発熱層）を備える。図４に、このような構成を有する本発明の音波発生器１（１Ｂ）を示す。図４に示される音波発生器１Ｂは、このような熱パルス発生層１６を備える。熱パルス発生層１６は基層１１および断熱層１２と一体化されている。熱パルス発生層１６を備える音波発生器１Ｂは、図１に示される音波発生器１Ａに比べて、熱パルス源１３によって断熱層１２に印加される熱の効率が高い。
【００４０】
熱パルス発生層１６は、例えば、熱パルス源１３が備えるレーザー照射装置または赤外線照射装置から照射されたレーザーまたは赤外線のエネルギーによって、熱パルスを発生する層である。このような熱パルス発生層１６は、レーザーまたは赤外線によって発熱する材料により構成される。
【００４１】
熱パルス発生層１６は、例えば、当該層に供給されるパルス電流またはパルス電圧（以下、双方をまとめて「電力パルス」と呼ぶことがある）によって熱パルスを発生する電熱層である。このとき、図５に示される音波発生器１（１Ｃ）のように、熱パルス源１３は、熱パルス発生層（電熱層）１６に電力パルスを供給する電力供給ライン１７Ａ、１７Ｂをさらに備えていてもよい。このような熱パルス源１３を備える音波発生器１Ｃは、熱パルス発生層１６に供給する電力パルスの制御により音波１５の発生を制御できるため、制御特性に優れる。これに加えて、断熱層１２に印加される熱の効率が高く、音波の出力特性がさらに高くなる。
【００４２】
電力パルスにより熱パルスを発生する熱パルス発生層１６は、電力の印加によって所望の発熱が得られる抵抗材料により構成されることが好ましい。当該材料は、例えば、炭素材料である。より具体的には、例えば、有機材料を熱処理して得た炭素材料である。当該材料の電気抵抗率は、１０Ω／square〜１０ｋΩ／squareが好ましい。
【００４３】
熱パルス発生層１６の厚さは、特に限定されない。
【００４４】
電力供給ライン１７Ａ、１７Ｂは、通常、導電性を有する材料により構成される。
【００４５】
熱パルス源１３における具体的な熱パルス発生層１６の形状、電力供給ライン１７Ａ、１７Ｂの形状、熱パルス発生層１６と電力供給ライン１７Ａ、１７Ｂとの電気的な接続の状態は、特に限定されない。
【００４６】
断熱層１２が、電力パルスの供給により電熱層として機能し得る電気抵抗率を有する場合、断熱層および熱パルス発生層の双方の機能を有する断熱層１２としてもよい。このような断熱層１２を備える本発明の音波発生器を図６に示す。図６に示される音波発生器１（１Ｄ）は、断熱層１２に電極供給ライン１７Ａ、１７Ｂが電気的に接続されており、断熱層１２が熱パルス発生層１６としても機能する。このような断熱層１２は、例えば、特定の温度域における熱処理を経た、ゲルマニウムを含む結晶性の微粒子により構成される。
【００４７】
熱パルス源が、断熱層における基層側の面とは反対側の面上に配置された熱パルス発生層（発熱層）を備えるとともに、当該熱パルス発生層が、当該層に供給される電力パルスによって熱パルスを発生する電熱層である本発明の音波発生器は、その構成によっては、０．１Ｐａ／Ｗ以上、さらには０．２Ｐａ／Ｗ以上、０．５Ｐａ／Ｗ以上の出力因子（単位印加電力あたりの出力音圧）を示す。このような高い出力因子は、本発明の音波発生器の、物体検知用の超音波音源、特に小型および省電力（例えば１Ｗ以下の駆動電力）の超音波音源としての使用を実現する。当該超音波音源によれば、例えば、数十ｃｍから数ｍ程度離れた対象物に対して超音波を照射し、その反射音波を高感度マイクで検知して、当該対象物の距離および位置を検知する物体検知センサが実現する。
【００４８】
このような物体検知センサの構成の一例を図７に示す。図７に示される物体検知センサ１０１は、本発明の音波発生器１、音波発生器１に電力パルスを供給する駆動回路１０２、集音マイク１０３ならびに集音マイク１０３に接続された出力信号アンプ１０４、Ａ／Ｄコンバータ１０５および演算装置１０６を備える。物体検知センサ１０１では、駆動回路１０２により音波発生器１に電力パルスを印加して、音波発生器１から音波１５を発生させる。対象物１０７の距離および位置を検知するためには、音波１５は超音波が好ましい。音波発生器１から発信された音波１５は、対象物１０７で反射して、反射波１０８が物体検知センサ１０１に返ってくる。反射波１０８は集音マイク１０３により電気信号に変換される。当該電気信号が、出力信号アンプ１０４およびＡ／Ｄコンバータ１０５を経た後、演算装置１０６により処理されて、物体検知センサ１０１に対する対象物１０７の距離および位置が測定される。本発明の音波発生器１の出力特性は高く、このため、物体検知センサ１０１は高感度となる。
【００４９】
本発明の音波発生器の用途は物体検知センサに限定されず、音波発生器を備える従来の任意のデバイスに応用できる。
【００５０】
本発明の音波発生器では基層の形状は問わない。このため、本発明の音波発生器は、例えば、壁面の非破壊検査に応用できる。本発明の音波発生器を応用した、壁面の非破壊検査の方法の一例を図８Ａに示す。図８Ａに示される例では、壁面１１１における検査の対象面に接するように、基層（図示せず）および断熱層１２が配置されている。断熱層１２は露出しており、基層は壁面１１１と断熱層１２とにより挟持されている。このような基層は、例えば、壁面１１１における検査の対象面に、グラファイトシートを積層して形成できる。当該基層上の断熱層１２は、例えば、別途形成した断熱層１２を基層に貼り付けて形成できる。そして、熱パルス源と音波検出部とを備えるユニット１１２から、断熱層１２に熱パルスを印加する。熱パルスは、例えば、レーザー、赤外線、マイクロ波によって断熱層１２に印加される。熱パルスの印加に伴い、断熱層１２が音波１５を発信し、発信された音波１５は、ユニット１１２の音波検出部により測定される。音波１５には、壁面１１１の表面および内部の情報が含まれる。当該情報は、例えば、壁面１１１の履歴、壁面１１１を構成する材料の構造、壁面１１１に存在する傷である。
【００５１】
壁面１１１の形状は限定されず、例えば、図８Ｂに示す形状であってもよい。図８Ｂに示される構成は、壁面１１１の形状が異なること以外、図８Ａに示される構成と同じである。
【００５２】
以下の表１に、各種の材料の熱物性値を示す。
【００５３】
【表１】
2010143380.tif 000003
【００５４】
特許文献３（特許第3845077号公報）および文献４（特許第3808493号公報）に開示されている技術によれば、表１に記載されている材料のうち、最もαＣが高い材料が基層として最適となる。すなわち、当該技術によれば、ダイヤモンドが基層として最適であり、αＣがダイヤモンドより低いグラファイトはダイヤモンドに劣り、αＣが遥かに低いサファイヤは基層として不適である。しかし、本発明者の検討によれば、シリコンまたはゲルマニウムを含む結晶性の微粒子により構成される断熱層との組み合わせにおいて、サファイヤまたはグラファイトにより構成される基層は、ダイヤモンドの基層に比べて遥かに高い出力特性を有する音波発生器を実現する。そして場合によっては、αＣが相対的に低いサファイヤの基層を用いた方が、αＣが相対的に高いグラファイトの基層を用いた場合よりも、出力特性が高くなる。このような本発明の音波発生器は、特許文献３、４に開示されている技術をはじめとする従来の技術からは導かれない。
【００５５】
本発明者らは、本発明の音波発生器において、基層を構成するグラファイトまたはサファイヤと、断熱層を構成するシリコンまたはゲルマニウムを含む結晶性の微粒子との接合界面が、熱励起型の音波発生に適した状態にあると推定する。本発明の音波発生器のように、ナノメートルサイズの微粒子により構成される断熱層において、当該層における熱流の状態は大変複雑である。このような複雑な熱流の状態が、現実に熱励起型の音波発生に適しているか否かは、単に当該層の熱物性値αＣならびに当該層と基層との熱的コントラストのみによって決定されない。熱流の状態が熱励起型の音波発生に適するか否かは、断熱層を構成する微粒子間の接合の状態ならびに当該微粒子と基層との接合の状態に依存すると考えられる。これに加えて、本発明の音波発生器では、酸化膜（ＳｉＯ2またはＧｅＯ2の膜）を介して、断熱層を構成する微粒子同士ならびに当該微粒子と基層とが接合することが、熱励起型の音波発生にさらに適した熱流の状態を実現している可能性がある。
【００５６】
例えば、サファイヤにより構成される基層の場合、断熱層を構成する微粒子と基層との接合について、以下のとおりである。材料の表面エネルギーΔＥは、当該材料を構成する各元素の電気陰性度差（Δχ）に比例する。シリコン酸化膜のＳｉ−Ｏ間のΔχは１．５４である。ゲルマニウム酸化膜のＧｅ−Ｏ間のΔχは１．４３である。一方、サファイヤのＡｌ−Ｏ間のΔχは１．８３であり、Ｓｉ−Ｏ間およびＧｅ−Ｏ間のΔχよりも大きい。これにより、基層と断熱層との間において、熱励起型の音波発生に適した熱流の状態が実現すると考えられる。
【００５７】
一方、グラファイトにより構成される基層の場合、断熱層を構成する微粒子と基層との接合について、以下のとおりである。グラファイトの表面には、単なるＣ−Ｃ結合以外に、Ｃ−Ｈ結合およびＣ−ＯＨ結合が存在する（Ｃ−Ｈ結合およびＣ−ＯＨ結合は、主に、グラファイトの結晶粒界に多く見られる）。このため、シリコン酸化膜およびゲルマニウム酸化膜との間で、Ｃ−Ｏ−ＳｉまたはＣ−Ｏ−Ｇｅのような、炭素、酸素ならびにシリコンまたはゲルマニウム間の結合が形成され、断熱層を構成する微粒子と基層との間に強固な接合が形成される。また、この強固な接合により、当該微粒子と基層との距離が近くなることで、微粒子と基層との間に働くファンデルワールス力が強くなる。この向上したファンデルワールス力自体も、当該微粒子と基層との間に強固な接合が形成されることを促進する。これにより、基層と断熱層との間において、熱励起型の音波発生に適した熱粒の状態が実現すると考えられる。
【００５８】
表１によれば、サファイヤの熱物性値αＣはシリコンおよびゲルマニウムの熱物性値αＣよりも小さいが、本発明の音波発生器における基層および断熱層の熱伝導性の関係は、従来の音波発生器と同様に、基層の熱伝導性が相対的に高く、断熱層の熱伝導性が相対的に低い関係であることが好ましい。この関係は、断熱層が微粒子により構成されることに基づく。
【００５９】
［本発明の音波発生器の製造方法］
図９に、本発明の製造方法の一例を示す。図９に示される製造方法では、最初に、基層および第１のインクが準備される。基層は、グラファイトまたはサファイヤにより構成される。第１のインクは、シリコンまたはゲルマニウムを含む結晶性の微粒子が分散した溶液であり、基層上に断熱層を形成するために用いられる。
【００６０】
結晶性の微粒子の平均粒径は、上述したように、典型的には１０ｎｍ〜０．５μｍである。これに加えて、当該微粒子の粒度分布におけるＤ１０からＤ９０が１０ｎｍ〜０．５μｍの範囲内にあることが好ましい。当該微粒子は、例えば、シリコン結晶またはゲルマニウム結晶、好ましくは単結晶、を粉砕して得られる。第１のインクの溶媒は限定されないが、典型的には有機溶媒である。当該溶媒は、アセトン、エタノール、メタノール、ベンゼン、ヘキサン、ペンタンおよびイソプロピルアルコール（ＩＰＡ）から選ばれる少なくとも１種が好ましく、ＩＰＡが特に好ましい。これらの溶媒は、表面張力が小さく、グラファイトまたはサファイヤにより構成される基層の表面への濡れ性が高い。濡れ性が高い溶媒を用いることによって、基層と、第１のインクから形成した断熱層との間の熱流の状態が、熱誘起型の音波発生に好適となる。なお、グラファイトにより構成される基層の表面に存在するＣ−Ｈ結合およびＣ−ＯＨ結合は、当該基層と第１のインクとの濡れ性の向上に寄与する。
【００６１】
次に、第１のインクを基層の表面に塗布し、基層の表面に第１のインクの塗布膜を形成する。塗布膜の形成方法は特に限定されず、例えば、スピンコート法、ダイコート法を適用できる。
【００６２】
次に、全体を１００〜１０００℃で熱処理して、第１のインクの塗布膜から断熱層を形成する。これにより、基層と、当該基層上に配置された断熱層との積層体を得る（ここまで第１工程）。熱処理温度は、第１のインクに含まれる微粒子の種類により調整する。微粒子がシリコンを含む結晶性の微粒子である場合、熱処理温度は５５０〜９００℃が好ましい。微粒子がゲルマニウムを含む結晶性の微粒子である場合、熱処理温度は２５０〜６００℃が好ましい。熱処理の方法は特に限定されず、例えば、基層および塗布膜の全体を、熱処理温度に保持した炉に収容すればよい。熱処理は、互いに熱処理温度および／または熱処理雰囲気が異なる、２以上の熱処理ステップを含んでいてもよい。
【００６３】
次に、熱パルス源を、断熱層に熱パルスを印加し得るように設ける（第２工程）。これにより、本発明の音波発生器が製造される。熱パルス源は、例えば、断熱層における基層側とは反対側の面から当該断熱層に熱パルスを印加し得るように設ければよい。
【００６４】
本発明の音波発生器における熱パルス源が、断熱層における基層側の面とは反対側の面上に配置された、断熱層に熱パルスを印加する熱パルス発生層（発熱層）を備え、当該熱パルス発生層が、炭素材料により構成される場合、第２工程は以下の工程Ａであってもよい。工程Ａでは、第１工程において形成した断熱層における基層側とは反対側の面上に、熱処理によって炭素材料となる前駆体溶液（第２のインク）の塗布膜を形成し、形成した塗布膜を熱処理して、熱パルス発生層を形成する。
【００６５】
このような第２工程を含む本発明の製造方法の一例を図１０に示す。図１０に示される方法において、基層と断熱層との積層体を得るまでは、図９に示される方法と同じである。図１０に示される方法では、これに続いて、形成した断熱層の表面に第２のインクを塗布し、断熱層の表面に第２のインクの塗布膜を形成する。塗布膜の形成方法は特に限定されず、例えば、スピンコート法、ダイコート法を適用できる。
【００６６】
第２のインクは、熱処理によって、炭素材料により構成される熱パルス発生層が形成される限り限定されず、典型的には、テレピン油、酢酸ブチルなどの有機成分を含む。
【００６７】
次に、全体を１００〜１０００℃で熱処理して、第２のインクの塗布膜から熱パルス発生層を形成する。これにより、基層と、断熱層と、熱パルス発生層とを備える本発明の音波発生器が製造される。
【００６８】
熱処理温度は、第２のインクに含まれる成分の種類により調整する。熱処理は、互いに熱処理温度および／または熱処理雰囲気が異なる、２以上の熱処理ステップを含んでいてもよい。熱処理の方法は特に限定されず、例えば、基層、断熱層および第２のインクの塗布膜の全体を、熱処理温度に保持した炉に収容すればよい。
【００６９】
第２のインクの塗布および熱処理により形成された熱パルス発生層は、カーボンブラックなどの炭素材料を含むタール状の材料からなる。当該材料は耐熱性に優れているため、本発明の音波発生器の作動時に、安定した熱パルス発生層の機能を発揮する。これに加えて、発熱層としての使用時間が経過するに従い、形成直後に含まれていた窒素および酸素の量が次第に減少し、熱パルス発生層としてますます安定する。この窒素および酸素の量の減少は、エネルギー分散型Ｘ線分光分析（ＥＤＸ）により確認される。当該熱パルス発生層は、当該層に対する電力パルスの印加により熱パルス発生層として機能する、すなわち電熱層である、ことが好ましい。
【００７０】
［本発明の音波発生方法］
本発明の音波発生方法は、上述した本発明の音波発生器を用いて音波を発生する方法である。具体的には、本発明の音波発生器において、熱パルス源によって断熱層に熱パルスを印加して音波を発生させる。
【００７１】
音波発生器の構成は、上述したとおりである。
【００７２】
音波発生器において、熱パルス源が、断熱層における基層側の面とは反対側の面上に配置された、断熱層に熱パルスを印加する熱パルス発生層を備えることが好ましい。この場合、熱パルス発生層によって断熱層に熱パルスを印加して、音波を発生させる。
【００７３】
さらに、この場合、熱パルス発生層が、当該層に供給されるパルス電流またはパルス電圧によって熱パルスを発生する電熱層であり、熱パルス源が、電熱層にパルス電流またはパルス電圧を供給する電力供給ラインをさらに備えることが好ましい。このとき、電力供給ラインを介して電熱層にパルス電流またはパルス電圧を供給することで当該層において熱パルスを発生させる。そして、発生した熱パルスを断熱層に印加して音波を発生させる。
【００７４】
本発明の音波発生方法は、音波を利用する従来の装置および方法に、幅広く応用しうる。
【実施例】
【００７５】
以下、実施例により、本発明をさらに詳細に説明する。本発明は、以下の実施例に限定されない。【００７６】
（実施例１）
実施例１では、結晶性のシリコン微粒子により構成される断熱層を有する音波発生器を作製した。そして、基層を構成する材料を変えて、断熱層と基層との組み合わせについて検証した。これに加えて、結晶性のＴｉＯ2（酸化チタン）微粒子により構成される断熱層を有する音波発生器を作製し、同様の検証を実施した。【００７７】
検証に用いた音波発生器は、図１０に示される製造方法に従い、以下のように作製した。最初に、グラファイト、サファイヤ、ダイヤモンドまたはシリコンにより形成された４種類の基層を準備した。グラファイトは、パナソニック社製ＥＹＧＳ０９１２０３を用いた。グラファイト基層の厚さは２００μｍ、残る３種類の基層の厚さは５００μｍとした。次に、当該基層の表面に、結晶性のシリコン微粒子の分散液または結晶性のＴｉＯ2微粒子の分散液をスピンコートによって塗布して、分散液の塗布膜を形成した。スピンコートは、大気雰囲気および室温（２５℃）に保持した密閉容器中で実施し、その条件は、回転速度５００ｒｐｍで５秒、続いて８０００ｒｐｍで６０秒とした。次に、表面に塗布膜が形成された基層を、窒素フロー下１００℃で加熱し、塗布膜を乾燥させた後、水素フロー下８００℃（シリコン微粒子の場合）またはアルゴンフロー下５００℃（ＴｉＯ2微粒子の場合）でさらに熱処理して、基層と、上記シリコン微粒子またはＴｉＯ2微粒子により構成された断熱層とが一体化された積層体を得た。窒素フロー下１００℃での加熱によって、分散液に含まれる溶媒の大部分が除去される。水素フロー下８００℃（あるいはアルゴンフロー下５００℃）での熱処理によって、残留有機物が除去されるとともに、熱による微粒子間および基層間の接合が強くなる。【００７８】
シリコン微粒子の分散液として、鱗片状である結晶性シリコン微粒子のＩＰＡ分散液（シリコン微粒子の含有率が８．５重量％、プライメットプレシジョンマテリアル社（Primet Precision Materials, Inc.）製）を用いた。本実施例において、このシリコン微粒子を「Ｓｉ（Lot#1）」と称することがある。【００７９】
ＴｉＯ2微粒子の分散液として、球状である結晶性ＴｉＯ2微粒子のＩＰＡ分散液（ＴｉＯ2微粒子の含有率が１５．４重量％、シーアイ化成社製）を用いた。本実施例において、このＴｉＯ2微粒子を「ＴｉＯ2（Lot#1）」と称することがある。【００８０】
微粒子の粒径を評価する適切な方法を決定するために、最初に、分散液中のシリコン微粒子の粒度分布を粒度分布計により評価した。超音波方式の粒度分布計を用いた場合、シリコン微粒子の粒度分布は８ｎｍ（Ｄ１０）〜１５６ｎｍ（Ｄ９０）の範囲に最大値を有し、一例としての粒度分布の中央値は５７ｎｍであった。一方、レーザー回折散乱方式の粒度分布計を用いた場合、シリコン微粒子の粒度分布は１００ｎｍ（Ｄ１０）〜３００ｎｍ（Ｄ９０）の範囲に最大値を有し、一例としての粒度分布の中央値は１６７ｎｍであった。一般的な粒度分布計による粒度解析は、球状の粒子モデルにより実施され、超音波方式であるかレーザー回折散乱方式であるかに依存しない。しかし、レーザー回折散乱方式では、レーザー光の散乱断面積により粒度分布が見積もられる。このため、鱗片状粒子のような扁平形状を有する粒子に対して、レーザー回折散乱方式による測定値が超音波方式による測定値よりも大きくなったと考えられる。そこで、本実施例では、形成した断熱層の断面（層の主面に垂直な方向の断面）の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）像を画像解析することによって、シリコン微粒子をはじめとする、断熱層を構成する微粒子の粒度分布を評価するとともに、断熱層の構造を併せて評価した。【００８１】
ＳＥＭ像の画像解析により、上記作製した断熱層におけるシリコン微粒子（Ｓｉ（Lot#1））およびＴｉＯ2微粒子（ＴｉＯ2（Lot#1））の形状および粒度分布を評価したところ、シリコン微粒子は鱗片状であり、粒度分布におけるＤ１０が５０ｎｍ、Ｄ９０が２５４ｎｍ、中央値が約１１５ｎｍであった。シリコン微粒子（Ｓｉ（Lot#1））に対する粒度分布の評価結果を図１１に示す。一方、ＴｉＯ2微粒子は球状であり、粒度分布におけるＤ１０が２０ｎｍ、Ｄ９０が１００ｎｍ、中央値が４０ｎｍであった。なお、分散液中におけるＴｉＯ2微粒子の粒度分布を、超音波方式の粒度分布計を用いて評価したところ、中央値は３６ｎｍであった。【００８２】
作製した断熱層における各微粒子は、一次粒子と、一次粒子が凝集した二次粒子とが混在した状態にあることが、高分解能ＳＥＭあるいは透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いた観察によって、別途、確認された。ＳＥＭ像の画像解析によって得た上記粒度分布は、断熱層を構成する全ての微粒子を一次粒子と二次粒子とに分類できないことから、一次粒子および二次粒子の双方の粒子を含む粒度分布である。【００８３】
これに加えて、当該画像解析により、シリコン微粒子により構成される断熱層が図１２Ａおよび図１２Ｂに示される特異な構造を有していることが確認された。当該構造は、以下の具体的な特徴を有していた：断熱層１２の下層部分（基層１１側の部分）に比較的大きな微粒子が多く分布し、上層部分（基層１１とは反対側の部分）に比較的小さな微粒子が多く分布していた；下層部分の微粒子は、主に、一次粒子５１が凝集した二次粒子５２であり、上層部分の粒子は、主に、一次粒子５１および比較的小さい二次粒子５２であった；隣接する各微粒子は、ごく微小な面積を有する接合部分によって、互いに接合していた。微粒子同士の当該接合部分をＴＥＭを用いて別途確認したところ、図１３Ａ〜図１３Ｃに示されるように、接合部分となる微粒子（二次粒子５２）間の界面５５に、厚さ２〜１０ｎｍ程度の酸化膜（ＳｉＯ2膜）が存在し、当該酸化膜によって微粒子同士が接合していることがわかった。なお、図１３Ｂは、図１３Ａにおいて枠で示される一部分の拡大図である。【００８４】
これとは別に、作製した断熱層に対して、その上層部分から当該層をエッチングしながらＲＢＳ（ラザフォード後方散乱）分析を行うことで、当該層の空孔率を評価した。ＲＢＳ分析では、断熱層の散乱断面積が見積もられ、これにより当該層の空孔率を算出できる。断熱層の空孔率は、その最上層部分において約５０％、最下層部分において約９０％であり、最上層部分から最下層部分に向かうにしたがって次第に増加する傾向を有していた。【００８５】
これとは別に、作製した断熱層に対して、その広角Ｘ線回折（ＷＡＸＤ）プロファイルおよびラマン分光プロファイルを評価した。結果、シリコン微粒子により構成される断熱層のＷＡＸＤプロファイルにおいて、回折角２θが２８．５°、４７．３°、５６．１°、６９．１°および７６．４°の位置に回折ピークが確認され、ラマン分光プロファイルにおいて、ラマンシフトが５２２ｃｍ-1の位置にピークが確認された。これらの回折ピークおよびラマンシフトは、シリコン結晶に特有のピークおよびシフトである。一方、ＴｉＯ2微粒子により構成される断熱層のＷＡＸＤプロファイルにおいて、回折角２θが２５．３°、３７．８°、４８．１°、５５．１°および７５．０°の位置に回折ピークが確認された。これらの回折ピークは、ＴｉＯ2結晶に特有のピークである。すなわち、作製した断熱層が結晶性のシリコン微粒子または結晶性のＴｉＯ2微粒子により構成されることが確認された。【００８６】
次に、作製した積層体における断熱層の露出面に、テレピン油、酢酸ブチルおよび酢酸エチルを重量比にして６：３：１で混合した前駆体溶液をスピンコートにより塗布して、前駆体溶液の塗布膜を形成した。スピンコートの条件は、基層の表面にシリコン微粒子またはＴｉＯ2微粒子の分散液をスピンコートする条件と同一とした。次に、塗布膜が形成された積層体を、窒素フロー下１２０℃で加熱し、塗布膜を乾燥させた後、アルゴンフロー下８００℃（シリコン微粒子により構成される断熱層の場合）または５００℃（ＴｉＯ2微粒子により構成される断熱層の場合）でさらに熱処理して、前駆体溶液の有機成分を炭素材料に変化させた。これにより、基層と、シリコン微粒子により構成される断熱層と、炭素材料により構成される発熱層（熱パルス発生層）とが一体化され、断熱層が基層および発熱層によって挟持された構造を有する積層体を得た。当該熱処理の温度では、断熱層における微粒子の構造が維持されることは、別途確認した。発熱層の厚さは５０ｎｍとした。発熱層の厚さが２０ｎｍ〜１μｍの範囲で、１０Ω／square〜１００ｋΩ／square程度のシート抵抗が実現されることは、別途確認した。【００８７】
次に、作製した当該積層体における発熱層上に、当該発熱層（電熱層）に電力パルスを印加するための一対のＰｔ（白金）電極を、スパッタリング法により設けて、音波発生器を得た。１つの当該電極は、厚さ０．３μｍ、幅１ｍｍ、長さ１０ｍｍの短冊状とした。一対の電極間の距離は、１〜２０ｍｍの間で調整し、典型的には５ｍｍとした。発熱層に電力パルスを印加する電極は、Ｐｔに限らず、任意の導電性材料により構成できる。しかし、電力パルスの周波数が高い場合に、電極の酸化が原因と推定される接触抵抗の増加が確認される材料（例えば、アルミニウム）が存在することから、当該増加が生じ難い、Ｐｔ、Ｉｒ（イリジウム）またはＩＴＯ（スズ添加インジウム酸化物）からなる電極を設けることが好ましい。【００８８】
以下の表２に、作製した音波発生器の構成を示す。表２の各欄における括弧内の数値は、各層の厚さである。【００８９】
【表２】
2010143380.tif 000004
【００９０】
次に、作製した音波発生器の出力特性を、図１４に示される計測システムを用いて評価した。図１４に示されるシステムは、音波発生器２００を備える発音部２２１と、音波発生器２００から発せされた音波２１３を集音および解析する集音部２２２とを備える。発音部２２１は、さらに、信号発生器２１０、入力信号アンプ２１１および波形計測器２１２を備える。信号発生器２１０および入力信号アンプ２１１は、音波発生器２００に接続されており、音波発生器２００の発熱層に対して音波出力のための電力パルスを印加する。印加した電力パルスの波形は、波形計測器２１２によって計測される。集音部２２２は、集音マイク２１４、出力信号アンプ２１５、フィルタ（ノイズフィルタ）２１６および波形計測器２１７を備える。音波発生器２００により発信された音波２１３は、集音マイク２１４によって電気信号に変換される。当該信号は、出力信号アンプ２１５およびフィルタ２１６を通った後、波形計測器２１７によって計測される。音波発生器の出力特性の評価は、非特許文献２の記載に従い、音波発生器２００と集音マイク２１４との距離を５ｍｍとして実施した。集音マイク２１４には、Ｂ＆Ｋ社製４９３９を用いた。【００９１】
実施例１−１に対する評価結果を、図１５に示す。図１５の上段は、実施例１−１の発熱層に印加した電力パルスの波形を示す。下段は、音波発生器により発せられた音波の波形を、音圧の波形として示す。横軸は、いずれも、電力パルスの印加を開始してからの経過時間である。図１５に示されるように、矩形波の波形を有する電力パルスの印加によって、その変調に応じた周波数を有する、インパルス状の音波の発信が確認された。当該周波数は、約１００ｋＨｚ（パルスの半値幅が約１０μ秒）であった。音波は、矩形パルスの立ち上がりおよび立ち下がりのような大きな変調バイアスの印加時に発せられていた。一方、定常的なバイアスの印加時には、音波は発せられなかった。これは、実施例１−１における音波発生のメカニズムが、印加された熱パルスの交流成分によって音波を発生する、熱誘起型の音波発生に基づくことを示している。【００９２】
次に、実施例１−１の発熱層に印加する電力パルスの最大値を変化させたときの、実施例１−１から発信される音波の最大音圧の変化を測定した。測定結果を図１６に示す。図１６の横軸は、実施例１−１への印加電力である。図１６に示されるように、実施例１−１から発信される音波の最大音圧は、印加電力に比例していた。機械的振動に基づく音波発生のメカニズムにおいて、発信される音波の最大音圧が印加“電圧”に比例することが知られている。一方、熱誘起に基づく音波発生のメカニズムにおいて、発信される音波の最大音圧が印加“電力”、すなわち印加電圧の二乗に比例することが知られている。図１６に示されるように、実施例１−１では、発信される音波の最大音圧が印加電力に比例しており、これは、実施例１−１における音波発生のメカニズムが、熱誘起型の音波発生に基づくことを示している。【００９３】
印加する電力パルスの周波数を１ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの範囲で変更して同様の評価を行った。電力パルスの周波数によらず、当該周波数に対応する周波数を有するインパルス状の音波の発信が確認できた。本実施例において、計測システムの集音マイクの帯域上限が１００ｋＨｚであるため、周波数１００ｋＨｚまでの音波の発信を計測したが、さらに高い周波数を有する音波の発生も十分に期待できる。【００９４】
印加する電力パルスの波形を変更して同様の評価を行った。電力パルスの波形によらず、印加する電力が交流成分を含む限り、音波の発信が確認できた。【００９５】
実施例１−２についても、出力音圧の最大値は異なるものの、同様の波形が得られた。【００９６】
以下の表３に、表２に示される各実施例および比較例が発信した音波の音圧（単位印加電力あたりの出力音圧）を示す。【００９７】
【表３】
2010143380.tif 000005
【００９８】
表３に示されるように、シリコン微粒子により構成される断熱層の場合、ダイヤモンド（比較例１−Ａ）およびシリコン（比較例１−Ｂ）よりも熱物性値αＣが大幅に小さいサファイヤを基層に用いた場合（実施例１−２）に、高い出力特性が実現した。グラファイトを基層に用いた場合（実施例１−１）にも、高い出力特性が実現した。この高い出力特性は、本実施例において、サファイヤまたはグラファイトにより構成される基層と、結晶性のシリコン微粒子により構成される断熱層との組み合わせが最適であることが見出されたことにより、初めて達成された。基層と断熱層との熱的コントラストをできるだけ大きくする技術が開示されている従来の音波発生器およびその技術的思想に基づいては、当業者は、本実施例の結果を決して予想かつ実現できなかった。これは、非特許文献１の式（３）および表１に基づいて、実施例１−２において測定された音圧から実施例１−２における基層と断熱層との間の熱的コントラストを概算した場合に、特許文献４のαIＣI／αSＣSにして、１／１００に全く達してない（１／１００よりも遥かに大きい）ことからも明らかである。【００９９】
一方、ＴｉＯ2微粒子により構成される断熱層の場合、従来の音波発生器およびその技術的思想によれば、ＴｉＯ2の熱物性値αＣが非常に小さく、基層と断熱層との熱的コントラストが非常に大きくなるため、シリコン微粒子により構成される断熱層に比べて高い出力特性が得られることが期待される。しかし、表３に示されるように、ＴｉＯ2微粒子により構成される断熱層の場合（比較例１−Ｃ〜１−Ｆ）、いずれの基層と組み合わせても、ほとんど音波が発信されなかった。このことも、本実施例の結果が、従来の音波発生器およびその技術的思想に基づいて達成できないことを示している。【０１００】
実施例１−１および１−２において、断熱層の厚さを変化させて、発信される音波の出力特性を評価した。断熱層の厚さは１０ｎｍ以上５０μｍ未満が好ましく、５０ｎｍ以上１０μｍ以下がより好ましいことが確認された。【０１０１】
一方、比較例１−Ｂ〜１−Ｆにおいて、断熱層の厚さを変化させて、発信される音波の出力特性を評価した。断熱層の厚さが変化しても、ほとんど音波が発信されない状況は変わらなかった。【０１０２】
各実施例および比較例において、図１４に示される計測システムにおける、音波発生器２００と集音マイク２１４との距離を１０ｍｍとして同様の評価を行ったところ、当該距離が５ｍｍの場合と同様の傾向を有する結果が得られた。【０１０３】
（実施例２）
実施例２では、結晶性のゲルマニウム微粒子により構成される断熱層を有する音波発生器を作製した。そして、基層を構成する材料を変えて、断熱層と基層との組み合わせについて検証した。【０１０４】
検証に用いた音波発生器は、結晶性のシリコン微粒子の分散液の代わりに結晶性のゲルマニウム微粒子の分散液を用いたこと、ならびに熱処理の温度をシリコン微粒子のときの８００℃から４００℃に変更したこと以外は、実施例１における各実施例および比較例と同様に作製した。【０１０５】
ゲルマニウム微粒子の分散液として、鱗片状の結晶性ゲルマニウム微粒子のＩＰＡ分散液（ゲルマニウム微粒子の含有率が８．６重量％、プライメットプレシジョンマテリアル社製）を用いた。本実施例において、このゲルマニウム微粒子を「Ｇｅ（Lot#1）」と称することがある。【０１０６】
実施例１と同様に、ＳＥＭ像の画像解析により、作製した断熱層におけるゲルマニウム微粒子（Ｇｅ（Lot#1））の形状および粒度分布を評価した。ゲルマニウム微粒子は鱗片状であり、粒度分布におけるＤ１０が４２ｎｍ、Ｄ９０が２００ｎｍ、中央値が９５ｎｍであった。なお、分散液中における当該ゲルマニウム微粒子の粒度分布を、超音波方式の粒度分布計を用いて評価したところ、Ｄ１０が４ｎｍ、Ｄ９０が１２５ｎｍ、中央値が４０ｎｍであった。【０１０７】
これに加えて、当該画像解析により、ゲルマニウム微粒子により構成される断熱層が、実施例１におけるシリコン微粒子により構成される断熱層と同様の特異な構造（図１２Ｂ参照）を有していることが確認された。当該構造は、以下の具体的な特徴を有していた：断熱層の下層部分（基層側の部分）に比較的大きな微粒子が多く分布し、上層部分（基層とは反対側の部分）に比較的小さな微粒子が多く分布していた；下層部分の微粒子は、主に、一次粒子が凝集した二次粒子であり、上層部分の粒子は、主に、一次粒子および比較的小さい二次粒子であった；隣接する各微粒子は、ごく微小な面積を有する接合部分によって、互いに接合していた。微粒子同士の当該接合部分をＴＥＭを用いて別途確認したところ、実施例１におけるシリコン微粒子により構成される断熱層と同様に、接合部分となる微粒子間の界面に、厚さ２〜１０ｎｍ程度の酸化膜（ＧｅＯx（１≦ｘ≦２）膜）が存在し、当該酸化膜によって微粒子同士が接合していることがわかった。【０１０８】
これとは別に、作製した断熱層に対して、その上層部分から当該層をエッチングしながらＲＢＳ分析を行い、当該層の空孔率を評価した。断熱層の空孔率は、その最上層部分において約５０％、最下層部分において約９０％であり、最上層部分から最下層部分に向かうにしたがって次第に増加する傾向を有していた。【０１０９】
これとは別に、作製した断熱層に対して、そのＷＡＸＤプロファイルおよびラマン分光プロファイルを評価した。結果、ゲルマニウム微粒子により構成される断熱層のＷＡＸＤプロファイルにおいて、回折角２θが２７．３°、４５．３°、５３．７°、６６．０°、７２．８°および８３．７°の位置に回折ピークが確認され、ラマン分光プロファイルにおいて、ラマンシフトが２９７ｃｍ-1の位置にピークが確認された。これらの回折ピークおよびラマンシフトは、ゲルマニウム結晶に特有のピークおよびシフトである。すなわち、作製した断熱層が結晶性のゲルマニウム微粒子により構成されることが確認された。【０１１０】
以下の表４に、作製した音波発生器の構成を示す。表４の各欄における括弧内の数値は、各層の厚さである。【０１１１】
【表４】
2010143380.tif 000006
【０１１２】
表４に示されるように、実施例２−３では、炭素材料により構成される発熱層を形成せず、ゲルマニウム微粒子により構成される断熱層を発熱層としても機能させた。これは、４００〜６００℃の熱処理によってゲルマニウム微粒子が導電性を発現するため、断熱層が発熱層に適したシート抵抗を示すことに基づく。導電性の発現は、ゲルマニウム微粒子間のＧｅＯ2がその潮解性によってＧｅＯx（１≦ｘ≦２）となりやすく、微粒子間に伝導パスが形成されることに因るものと推察される。【０１１３】
次に、作製した音波発生器の出力特性を、実施例１と同様に、図１４に示される計測システムを用いて評価した。音波発生器と集音マイクとの距離は５ｍｍとした。【０１１４】
実施例２−１〜２−３のいずれにおいても、出力音圧の最大値は異なるものの、実施例１−１と同様の結果が得られた。例えば、実施例１−１と同様に、矩形波の波形を有する電力パルスの印加によって、その変調に応じた周波数を有する、インパルス状の音波の発信が確認された。また例えば、実施例２−１〜２−３では、発信される音波の最大音圧は、印加電力に比例していた。これらは、実施例２−１〜２−３における音波発生のメカニズムが、熱誘起型の音波発生に基づくことを示している。【０１１５】
以下の表５に、表４に示される各実施例および比較例が発信した音波の音圧（単位印加電力あたりの出力音圧）を示す。【０１１６】
【表５】
2010143380.tif 000007
【０１１７】
表５に示されるように、ダイヤモンド（比較例２−Ａ）よりも熱物性値αＣが大幅に小さいサファイヤを基層に用いた場合（実施例２−２、２−３）に、高い出力特性が実現した。実施例２−２と２−３とでは、実施例２−２の方が出力特性が高かった。グラファイトを基層に用いた場合（実施例２−１）にも、同様の高い出力特性が実現した。この高い出力特性は、本実施例において、サファイヤまたはグラファイトにより構成される基層と、結晶性のゲルマニウム微粒子により構成される断熱層との組み合わせが最適であることが見出されたことにより、初めて達成された。基層と断熱層との熱的コントラストをできるだけ大きくする技術が開示されている従来の音波発生器およびその技術的思想に基づいては、当業者は、本実施例の結果を決して予想かつ実現できなかった。【０１１８】
これに加えて、特定の温度域における熱処理を経たゲルマニウム微粒子により構成される断熱層は、電力パルスの印加によって、熱パルス源（熱パルス発生層）としても機能することが確認された。【０１１９】
実施例２−１〜２−３において、断熱層の厚さを変化させて、発信される音波の出力特性を評価した。断熱層の厚さは１０ｎｍ以上５０μｍ未満が好ましく、５０ｎｍ以上１０μｍ以下がより好ましいことが確認された。【０１２０】
（実施例３）
実施例３では、実施例１とは異なる形状を有する、結晶性のシリコン微粒子により構成される断熱層を有する音波発生器を作製した。そして、基層を構成する材料を変えて、断熱層と基層との組み合わせについて検証した。【０１２１】
検証に用いた音波発生器は、シリコン微粒子の分散液が異なる以外は、実施例１における各実施例および比較例と同様に作製した。【０１２２】
シリコン微粒子の分散液として、球状である結晶性シリコン微粒子のＩＰＡ分散液（シリコン微粒子の含有率が５重量％、イーエムピーエー（ＥＭＰＡ）社製）を用いた。本実施例において、このシリコン微粒子を「Ｓｉ（Lot#2）」と称することがある。【０１２３】
実施例１と同様に、ＳＥＭ像の画像解析により、作製した断熱層におけるシリコン微粒子（Ｓｉ（Lot#2））の形状および粒度分布を評価した。シリコン微粒子は球状であり、粒度分布におけるＤ１０が１９ｎｍ、Ｄ９０が６８ｎｍ、中央値が３２ｎｍであった。シリコン微粒子（Ｓｉ（Lot#2））に対する粒度分布の評価結果を図１７に示す。なお、分散液中におけるシリコン微粒子の粒度分布を、超音波方式の粒度分布計を用いて評価したところ、Ｄ１０が１０ｎｍ、Ｄ９０が１００ｎｍ、中央値が２０ｎｍであった。【０１２４】
これに加えて、当該画像解析により、シリコン微粒子により構成される断熱層が、図１８Ａ〜１８Ｄに示される特異な構造を有していることが確認された。当該構造は、以下の具体的な特徴を有していた：断熱層１２の下層部分（基層１１側の部分）に比較的大きな微粒子が多く分布し、上層部分（基層１１とは反対側の部分）に比較的小さな微粒子が多く分布していた；下層部分の微粒子は、主に、一次粒子５３が凝集した二次粒子５４であり、上層部分の粒子は、主に、一次粒子５３および比較的小さい二次粒子５４であった；隣接する各微粒子は、ごく微小な面積を有する接合部分によって、互いに接合していた。微粒子同士の当該接合部分をＴＥＭを用いて別途確認したところ、実施例１におけるシリコン微粒子により構成される断熱層と同様に、接合部分となる微粒子間の界面に、厚さ２〜１０ｎｍ程度の酸化膜（ＳｉＯ2膜）が存在し、当該酸化膜によって微粒子同士が接合していることがわかった。【０１２５】
これとは別に、作製した断熱層に対して、その上層部分から当該層をエッチングしながらＲＢＳ分析を行い、当該層の空孔率を評価した。断熱層の空孔率は、その最上層部分において約５０％、最下層部分において約９０％であり、最上層部分から最下層部分に向かうに従い、空孔率が次第に増加する傾向を有していた。【０１２６】
これとは別に、作製した断熱層に対して、そのＷＡＸＤプロファイルおよびラマン分光プロファイルを評価した。結果、シリコン微粒子により構成される断熱層のＷＡＸＤプロファイルにおいて、回折角２θが２８．５°、４７．３°および５６．１°などの位置に回折ピークが確認され、ラマン分光プロファイルにおいて、ラマンシフトが５２２ｃｍ-1の位置にピークが確認された。これらの回折ピークおよびラマンシフトは、シリコン結晶に特有のピークおよびシフトである。すなわち、作製した断熱層が結晶性のシリコン微粒子により構成されることが確認された。【０１２７】
以下の表６に、作製した音波発生器の構成を示す。表６の各欄における括弧内の数値は、各層の厚さである。【０１２８】
【表６】
2010143380.tif 000008
【０１２９】
次に、作製した音波発生器の出力特性を、実施例１と同様に、図１４に示される計測システムを用いて評価した。音波発生器と集音マイクとの距離は５ｍｍとした。【０１３０】
実施例３−１、３−２のいずれにおいても、出力音圧の最大値は異なるものの、実施例１−１と同様の結果が得られた。例えば、実施例１−１と同様に、矩形波の波形を有する電力パルスの印加によって、その変調に応じた周波数を有する、インパルス状の音波の発信が確認された。また例えば、実施例３−１、３−２では、発信される音波の最大音圧は、印加電力に比例していた。これらは、実施例３−１、３−２における音波発生のメカニズムが、熱誘起型の音波発生に基づくことを示している。【０１３１】
以下の表７に、表６に示される各実施例および比較例が発信した音波の音圧（単位印加電力あたりの出力音圧）を示す。【０１３２】
【表７】
2010143380.tif 000009
【０１３３】
表７に示されるように、ダイヤモンド（比較例３−Ａ）およびシリコン（比較例３−Ｂ）よりも熱物性値αＣが大幅に小さいサファイヤを基層に用いた場合（実施例３−２）に、高い出力特性が実現した。グラファイト（実施例３−１）を基層に用いた場合にも、高い出力特性が実現した。サファイヤを基層に用いた実施例３−２の方が、グラファイトを基層に用いた実施例３−１に比べて、出力特性が遥かに高くなった。この高い出力特性は、本実施例において、サファイヤまたはグラファイトにより構成される基層と、シリコン微粒子により構成される断熱層との組み合わせが最適であることが見出されたことにより、初めて達成された。基層と断熱層との熱的コントラストをできるだけ大きくする技術が開示されている従来の音波発生器およびその技術的思想に基づいては、当業者は、本実施例の結果を決して予想かつ実現できなかった。【０１３４】
（実施例４）
実施例４では、実施例１−１と同じ基層および断熱層の組み合わせを有するとともに、音波を発信する面の形状が放物面である音波発生器を作製し、その出力特性を検証した。【０１３５】
検証に用いた音波発生器は、グラファイトの基層における断熱層を配置する面の形状を平面から放物面に変更した以外は、実施例１−１と同様に作製した。当該グラファイトの基層は、柔軟性を有する２以上のグラファイトシート（厚さ５０μｍ〜１ｍｍ、典型的には１００μｍ）を、放物面が形成された型における当該放物面に貼り重ねた後、グラファイトシートの積層物と当該型とを分離して形成した。グラファイト基層の直径は、２０ｍｍとした。【０１３６】
なお、発熱層に電力パルスを印加するためのＰｔ電極は、その一方を、発熱層における周縁部に環状（幅１ｍｍ）に配置し、他方を、発熱層における中央部に直径３ｍｍの円形に配置した。作製した音波発生器３００を図１９に示す。図１９における符号１１が基層、符号１６が発熱層、符号３０１が電極である。断熱層は、基層１１と発熱層１６により挟まれている。【０１３７】
次に、作製した音波発生器の出力特性を、実施例１と同様に、図１４に示される計測システムを用いて評価した。集音マイクは、音波発生器における音波の発信面の中心軸上を、当該発信面から次第に離れるように移動させた。当該発信面と集音マイクとの距離が７ｍｍのときに、最も大きい出力音圧が得られた。これは、当該発信面を放物面とすることによって、集音型の音波発生器が実現できたことを示している。【０１３８】
これに加えて、実施例１−１と同様に、矩形波の波形を有する電力パルスの印加によって、その変調に応じた周波数を有する、インパルス状の音波の発信が確認された。実施例４によれば、様々な音波の発信面の形状を有する音波発生器が十分に実現されることが確認された。【０１３９】
本発明は、その意図および本質的な特徴から逸脱しない限り、他の実施形態に適用しうる。この明細書に開示されている実施形態は、あらゆる点で説明的なものであってこれに限定されない。本発明の範囲は、上記説明ではなく添付したクレームによって示されており、クレームと均等な意味および範囲にあるすべての変更はそれに含まれる。
【産業上の利用可能性】
【０１４０】
本発明の音波発生器は、形状の自由度が高く、塗布膜の乾燥および熱処理によって形成し得るため、様々な電子デバイスに応用し得る。本発明の音波発生器は、例えば、立体物に直接設けられた音源（超音波音源）、スピーカ、アクチュエータなど、様々な用途に応用し得る。
【図１】
2010143380.tif 000010
【図２】
2010143380.tif 000011
【図３】
2010143380.tif 000012
【図４】
2010143380.tif 000013
【図５】
2010143380.tif 000014
【図６】
2010143380.tif 000015
【図７】
2010143380.tif 000016
【図８Ａ】
2010143380.tif 000017
【図８Ｂ】
2010143380.tif 000018
【図９】
2010143380.tif 000019
【図１０】
2010143380.tif 000020
【図１１】
2010143380.tif 000021
【図１２Ａ】
2010143380.tif 000022
【図１２Ｂ】
2010143380.tif 000023
【図１３Ａ】
2010143380.tif 000024
【図１３Ｂ】
2010143380.tif 000025
【図１３Ｃ】
2010143380.tif 000026
【図１４】
2010143380.tif 000027
【図１５】
2010143380.tif 000028
【図１６】
2010143380.tif 000029
【図１７】
2010143380.tif 000030
【図１８Ａ】
2010143380.tif 000031
【図１８Ｂ】
2010143380.tif 000032
【図１８Ｃ】
2010143380.tif 000033
【図１８Ｄ】
2010143380.tif 000034
【図１９】
2010143380.tif 000035
【手続補正書】
【提出日】平成22年7月28日(2010.7.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱励起型の音波発生器とその製造方法、ならびに当該音波発生器を用いた音波発生方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、各種の音波発生器が知られている。一部の特殊な音波発生器を除き、そのほとんどの種類は、振動部の機械的な振動を媒質（例えば、空気）の振動に変換して音波を発生する。しかし、機械的な振動を利用した音波発生器では、振動部が固有の共振周波数を有するため、発生する音波の周波数帯域が狭い。これに加えて、振動部のサイズによって共振周波数が変化するため、周波数特性を保ったまま微細化およびアレイ化することが困難である。
【０００３】
一方、機械的な振動を利用しない、新しい原理に基づく音波発生器が提案されている。この音波発生器は、熱誘起型音波発生器と呼ばれ、以下の各文献に開示されている。非特許文献１は、相対的に高い熱伝導性を有する基層（ｐ形結晶性Ｓｉ層）と、相対的に低い熱伝導性を有する断熱層（微多孔Ｓｉ層）とが組み合わされ、基層とともに断熱層を挟持するＡｌ（アルミニウム）薄膜がさらに配置された音波発生器を開示する。非特許文献２は、相対的に高い熱伝導性を有する基層（単結晶Ｓｉ層）と、相対的に低い熱伝導性を有する断熱層（多孔のナノ結晶Ｓｉ層）とが組み合わされ、基層とともに断熱層を挟持するＷ（タングステン）薄膜がさらに配置された音波発生器を開示する。非特許文献１、２には：Ａｌ薄膜またはＷ薄膜に交流成分を含む電力を供給すると、ジュール熱により、当該薄膜の温度が周期的に変化すること；この周期的な温度の変化は、断熱層の熱伝導性が小さいことにより、基層側に逃げることなく当該薄膜に接している空気に伝わること；空気に伝わった周期的な温度変化が、空気密度の周期的な変化を誘起して音波が発生すること；が記載されている。
【０００４】
熱誘起型音波発生器は、機械的な振動なしに音波を発生し得る。このため、発生する音波の周波数帯域が広い。これに加えて、微細化およびアレイ化が比較的容易である。
【０００５】
特許文献１は、熱励起型音波発生器において、パルス電流による熱の印加が、発生する音波のパワー増大に好ましいことを開示する。特許文献１は、さらに、表面に突起を有する断熱層を開示する。
【０００６】
特許文献２は、交流電流に直流電流を重畳させた電流を熱励起型音波発生器に印加する技術を開示する。特許文献２には、基層が単結晶Ｓｉ基板であり、断熱層が多孔質Ｓｉ層である音波発生器が記載されている。
【０００７】
特許文献３は、陽極酸化処理および超臨界乾燥により得た断熱層（ナノ結晶Ｓｉ層）を備える音波発生器を開示する。特許文献３は、さらに、基層の熱物性値αＣ（α：熱伝導率、Ｃ：熱容量）に対する断熱層のαＣの比が小さいほど出力される音圧が大きくなること、断熱層の多孔度が高いほど当該層のαＣが小さくなること、ならびに断熱層として７５％以上の多孔度を有するナノ結晶Ｓｉ層が好ましいこと、を開示している。
【０００８】
特許文献４は、基層のαＣに対する断熱層のαＣの比αIＣI／αSＣS（Ｉ：断熱層、Ｓ：基層）が式１／１００≧αIＣI／αSＣSを満たすとともに、基層のαＣが式αSＣS≧１００×１０6を満たす音波発生器を開示する。特許文献４の技術は、式αIＣI／αSＣSにより示される基層と断熱層との熱的コントラストが１：１００を超えるように基層および断熱層を組み合わせる技術的思想、ならびに高いαＣを有する基層を選択する技術的思想に基づく。特許文献４には、基層を構成する材料としてシリコン、銅およびＳｉＯ2が、断熱層を構成する材料として多孔シリコン、ポリイミド、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3およびポリスチレン発泡体が、それぞれ記載されている。特許文献４における基層と断熱層との最も好ましい組み合わせは、シリコンからなる基層および多孔シリコンからなる断熱層の組み合わせである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特許第3798302号公報
【特許文献２】特開2005-150797号公報
【特許文献３】特許第3845077号公報
【特許文献４】特許第3808493号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】Nature, vol.400, 26 August 1999, pp.853-855
【非特許文献２】化学工学会、第37回秋季大会シンポジウム ＜ナノプロセシング＞予稿 D-307  (2005)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
特許文献３、４によれば、音波発生器において出力される音圧は、基層と断熱層との熱的コントラストαIＣI／αSＣSおよび基層のαＣによって決定される。しかし、現実には必ずしもそうではない。本発明者は、これら基層および断熱層の熱的特性のみによって、音波発生器の出力特性が単純に決定されないことを見出した。音波発生器のような微小な構造体では、熱の伝達および散逸が非常に複雑な過程を経て進行することが、その一因と推定される。
【００１２】
本発明は、従来の技術では予想できない基層と断熱層との組み合わせに基づいて、従来よりも出力特性に優れる音波発生器を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の音波発生器は、基層と、前記基層上に配置された断熱層と、前記断熱層に熱パルスを印加する熱パルス源と、を備える。前記基層は、グラファイトまたはサファイヤにより構成される。前記断熱層は、シリコンまたはゲルマニウムを含む結晶性の微粒子により構成される。
【００１４】
本発明の音波発生器の製造方法は、上記本発明の音波発生器の製造方法であって、以下の第１工程および第２工程を含む。第１工程は、グラファイトまたはサファイヤにより構成される基層上に；シリコンまたはゲルマニウムを含む結晶性の微粒子が分散した溶液の塗布膜を形成し、前記形成された塗布膜を熱処理して；前記微粒子により構成される断熱層を前記基層上に形成する；工程である。第２工程は、前記断熱層に熱パルスを印加する熱パルス源を設ける工程である。
【００１５】
本発明の音波発生方法は、音波発生器を用いた音波発生方法である。前記音波発生器は、基層と、前記基層上に配置された断熱層と、前記断熱層に熱パルスを印加する熱パルス源と、を備える。前記基層は、グラファイトまたはサファイヤにより構成される。前記断熱層は、シリコンまたはゲルマニウムを含む結晶性の微粒子により構成される。当該方法は、前記熱パルス源によって前記断熱層に熱パルスを印加して音波を発生させる工程を含む。
【発明の効果】
【００１６】
本発明は、従来よりも出力特性に優れる音波発生器を実現する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の音波発生器の一例を模式的に示す断面図である。
【図２】本発明の音波発生器の断熱層に含まれる、シリコンまたはゲルマニウムを含む結晶性の微粒子（二次粒子）の構造の一例を模式的に示す斜視図である。
【図３】本発明の音波発生器の断熱層に含まれる、シリコンまたはゲルマニウムを含む結晶性の微粒子（二次粒子）の構造の別の一例を模式的に示す平面図である。
【図４】本発明の音波発生器の別の一例を模式的に示す断面図である。
【図５】本発明の音波発生器のまた別の一例を模式的に示す断面図である。
【図６】本発明の音波発生器のさらに別の一例を模式的に示す断面図である。
【図７】本発明の音波発生器を用いた物体検知センサの構成の一例を示す模式図である。
【図８Ａ】本発明の音波発生器を応用した、壁面の非破壊検査方法の一例を示す模式図である。
【図８Ｂ】本発明の音波発生器を応用した、壁面の非破壊検査方法の別の一例を示す模式図である。
【図９】本発明の音波発生器の製造方法の一例を示すフロー図である。
【図１０】本発明の音波発生器の製造方法の別の一例を示すフロー図である。
【図１１】実施例１で用いたシリコン微粒子に対する粒度分布の評価結果を示す図である。
【図１２Ａ】実施例１で作製した断熱層の断面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）像を示す図である。
【図１２Ｂ】図１２Ａに示される断面を模式的に示す図である。
【図１３Ａ】実施例１で作製した断熱層における、微粒子同士の接合部分のＳＥＭ像を示す図である。
【図１３Ｂ】図１３Ａにおける枠内を拡大した図である。
【図１３Ｃ】実施例１で作製した断熱層における、微粒子同士の接合の状態を模式的に示す図である。
【図１４】実施例で作製した音波発生器を評価する計測システムを説明するための模式図である。
【図１５】実施例１で作製した本発明の音波発生器（実施例１−１）の出力特性を示す図である。
【図１６】実施例１で作製した本発明の音波発生器（実施例１−１）において、印加するパルス電圧の最大値を変化させたときの、当該音波発生器から発信される音波の最大音圧の変化を示す図である。
【図１７】実施例３で用いたシリコン微粒子に対する粒度分布の評価結果を示す図である。
【図１８Ａ】実施例３で作製した断熱層の断面のＳＥＭ像を示す図である。
【図１８Ｂ】実施例３で作製した断熱層の断面のＳＥＭ像を示す図である。
【図１８Ｃ】実施例３で作製した断熱層の断面のＳＥＭ像を示す図である。
【図１８Ｄ】図１８Ａ〜図１８Ｃに示される断面を模式的に示す図である。
【図１９】実施例４で作製した本発明の音波発生器を模式的に示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
［音波発生器］
図１は、本発明の音波発生器の一例を示す。図１に示される音波発生器１（１Ａ）は、基層１１、断熱層１２および熱パルス源１３を備える。基層１１は、断熱層１２と接するように、断熱層１２上に配置されている。基層１１は、グラファイトまたはサファイヤにより構成される。断熱層１２は、シリコンを含む結晶性の微粒子、またはゲルマニウムを含む結晶性の微粒子により構成される。熱パルス源１３は、断熱層１２における基層１１側の面とは反対側の面に熱パルス１４を印加し得るように配置されている。
【００１９】
音波発生器１Ａにおいて、熱パルス源１３から断熱層１２に熱パルス１４が印加されると、熱パルス１４の交流成分によって断熱層１２に与えられた熱エネルギーの多くが、断熱層１２に接する媒質（例えば空気）に伝えられる。このとき、媒質に伝わる熱エネルギーが交流成分の波形に応じて経時的に変化する。このため、断熱層１２近傍における媒質の密度が経時的に変化して、音波１５が発生する。正弦波の波形を有する熱パルス１４を除き、熱パルス１４は、一般に、交流成分と直流成分とを含む。熱パルス１４の直流成分によって断熱層１２に与えられた熱エネルギーは、経時的に変化しないため、音波１５の発生に寄与しない。当該熱エネルギーは、断熱層１２から基層１１に移動し、断熱層１２から除去される。熱パルス１４の印加によって引き起こされる断熱層１２近傍における媒質の密度の変化は、周期的であっても、そうでなくてもよい。
【００２０】
出力特性に優れる音波発生器を達成するためには、熱パルスの交流成分による熱エネルギーを効率よく音波に変化するとともに、直流成分による熱エネルギーを効率よく基層に逃がす熱流の状態が実現されることが必要である。従来の技術では、基層および断熱層を構成する材料の熱伝導率αおよび熱容量Ｃの積αＣにより示される、両層の熱物性値のコントラスト（熱的コントラスト）のみが着目されていた。これに対して、本発明の音波発生器では、特定の材料により構成される基層１１および断熱層１２の組み合わせであって、従来にない組み合わせによって、このような熱誘起型の音波発生に適した熱流の状態が達成される。これに加えて、本発明の音波発生器の出力特性は、従来の音波発生器よりも高い。
【００２１】
基層１１は、グラファイトまたはサファイヤにより構成される層である。本発明の効果が得られる限り、基層１１は、グラファイトまたはサファイヤ以外の材料を含んでいてもよい。基層１１は、典型的には、その断熱層１２に接する面がグラファイトまたはサファイヤにより形成されている層である。
【００２２】
基層１１の形状は限定されない。本発明の音波発生器１の用途に応じて、基層１１の形状は任意に選択される。基層１１は、典型的にはシート状であるが、立体形状を有していてもよい。立体形状の具体例は、実施例４に示されるように、断熱層１２に接する面が放物面である形状である。
【００２３】
断熱層１２は、シリコンを含む結晶性の微粒子、またはゲルマニウムを含む結晶性の微粒子により構成される。当該微粒子は、典型的には、シリコン結晶の微粒子またはゲルマニウム結晶の微粒子である。本発明の効果が得られる限り、断熱層１２は、当該微粒子以外の材料を含んでいてもよい。当該材料は、例えば、他の材料からなる粒子；シリコンまたはゲルマニウムの結晶からなるが、より粒径が大きな粒子；シリコンまたはゲルマニウムのアモルファスを含む粒子；シリコンまたはゲルマニウムの酸化物を含む粒子；およびこれら各粒子間に存在する任意の材料である。
【００２４】
本明細書における「微粒子」は、典型的には、１０ｎｍ〜０．５μｍの平均粒径を有する。ここで、微粒子の平均粒径とは、断熱層１２における微粒子の粒度分布の中央値（メディアン）である。微粒子の粒度分布は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）または透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）による断熱層１２の画像解析により評価できる。粒度分布の評価の際に測定する「微粒子の粒径」は、微粒子における最大の断面形を選択して、当該断面形に外接する、面積が最小となる四角形の長辺によって定義される。微粒子が球状の場合、当該微粒子の粒径は球の直径と等しくなる。
【００２５】
断熱層１２における微粒子は、粒度分布におけるＤ１０（分布の累積度が１０％の粒径値）からＤ９０（分布の累積度が９０％の粒径値）が、１０ｎｍ〜０．５μｍの範囲内にあることが好ましい。
【００２６】
「結晶性の微粒子」とは、広角Ｘ線回折（ＷＡＸＤ）測定またはラマン分光測定によって、シリコン結晶またはゲルマニウム結晶に特有の回折ピークまたはスペクトルピークが測定される微粒子のことである。
【００２７】
断熱層１２を構成するシリコンまたはゲルマニウムを含む結晶性の微粒子（以下、単に「微粒子」ともいう）の形状は限定されない。微粒子は、例えば、鱗片状または球状である。微粒子の形状は、ＳＥＭまたはＴＥＭによる断熱層１２の画像解析により、確認し得る。
【００２８】
断熱層１２では、通常、微粒子の一次粒子と、当該一次粒子が凝集した二次粒子とが混在している。二次粒子は、粒径こそ異なるものの、一次粒子と同様の形状を有する場合が多い。微粒子の二次粒子の例を、図２、３に示す。図２に示される例では、一次粒子５１は鱗片状であり、一次粒子５１が凝集した二次粒子５２も、一次粒子５１の形状を反映して鱗片状である。図３に示される例では、一次粒子５３は球状であり、一次粒子５３が凝集した二次粒子５４も、一次粒子５３の形状を反映して球状である。断熱層１２における一次粒子と二次粒子とが混在した状態、断熱層１２における一次粒子および二次粒子の各粒子の割合、ならびに二次粒子の形状は、ＳＥＭまたはＴＥＭによる断熱層１２の画像解析により、確認し得る。
【００２９】
断熱層１２において微粒子の一次粒子および二次粒子が混在している場合、一次粒子および二次粒子の双方の粒子の平均粒径が、典型的には、１０ｎｍ〜０．５μｍである。また、この場合、一次粒子および二次粒子の双方の粒子の粒度分布におけるＤ１０からＤ９０が、１０ｎｍ〜０．５μｍの範囲内にあることが好ましい。
【００３０】
断熱層１２の構造は、シリコンまたはゲルマニウムを含む結晶性の微粒子により構成され、グラファイトまたはサファイヤにより構成される基層の上に配置されている限り、限定されない。実施例１において作製した、鱗片状の微粒子により構成される断熱層１２の断面のＳＥＭ像が図１２Ａに、当該断面を模式的に示す図が図１２Ｂに示される。実施例３において作製した、球状の微粒子により構成される断熱層１２の断面のＳＥＭ像が図１８Ａ〜１８Ｃに、当該断面を模式的に示す図が図１８Ｄに示される。これらの図に示されるように、断熱層１２は、微粒子が、当該微粒子間に無数の空孔を含むように、堆積し、積み重なった構造を有することが好ましい。換言すれば、断熱層１２は、最密充填ではなく、ランダムに微粒子が積み重なった多孔構造を有することが好ましい。この場合、断熱層１２における熱流の状態ならびに断熱層１２と基層１１との間の熱流の状態が音波１５の発生に好適となって、音波発生器１の出力特性がさらに高くなる。
【００３１】
図１２Ａ、１２Ｂ、１８Ａ〜Ｄに示される断熱層１２では、含まれる空孔の割合が断熱層１２の部分によって異なる。具体的には、断熱層１２の下層部分（断熱層１２における基層１１側の部分）の方が、上層部分（断熱層１２における基層１１とは反対側の部分）に比べて、含まれる空孔の割合が高い。すなわち、当該断熱層１２は、基層１１側から次第に小さくなる、微粒子の密度の勾配をその厚さ方向に有している。断熱層１２は、このような構造を有することが好ましい。この場合、断熱層１２における熱流の状態ならびに断熱層１２と基層１１との間の熱流の状態が音波１５の発生に好適となって、音波発生器１の出力特性がさらに高くなる。
【００３２】
これに加えて、図１２Ａ、１２Ｂ、１８Ａ〜Ｄに示される断熱層１２は、比較的大きな粒径の微粒子をその下層部分に有し、比較的小さな粒径の微粒子をその上層部分に有する構造を有する。すなわち、当該断熱層１２は、基層１１側から次第に小さくなる、微粒子の粒径の勾配をその厚さ方向に有している。断熱層１２は、このような構造を有することが好ましい。この場合、断熱層１２における熱流の状態ならびに断熱層１２と基層１１との間の熱流の状態が音波１５の発生に好適となって、音波発生器１の出力特性がさらに高くなる。
【００３３】
断熱層１２が、基層１１側から次第に小さくなる、微粒子の密度および粒径の勾配をその厚さ方向に有することがさらに好ましい。このような断熱層１２を有する本発明の音波発生器１は、例えば、本発明の製造方法により製造できる。
【００３４】
図１２Ａ、１２Ｂ、１８Ａ〜Ｄに示される断熱層１２では、微粒子同士が、その微小な部分において互いに接合している。このとき、微粒子同士が接合している部分に酸化膜が形成されており、当該酸化膜を介して微粒子同士が接合していることが好ましい。この場合、断熱層１２における熱流の状態ならびに断熱層１２と基層１１との間の熱流の状態が音波１５の発生にさらに好適となって、音波発生器１の出力特性がさらに高くなる。当該酸化膜は、シリコンを含む結晶性の微粒子の場合、例えばＳｉＯ2により構成される。ゲルマニウムを含む結晶性の微粒子の場合、例えばＧｅＯ2により構成される。微粒子において酸化膜が形成されている部分は、例えば、２〜１０ｎｍ程度の長さにわたる。酸化膜は、自然酸化によって形成されても、プラズマ酸化あるいはラジカル酸化などの積極的な酸化手法によって形成されてもよい。
【００３５】
断熱層１２の厚さは、基層１１と熱パルス源１３との熱的な短絡によって音波１５の発生が停止しない程度が少なくとも必要である。一方、熱の滞留、とりわけ音波１５発生に寄与しない熱パルス１４の直流成分によって断熱層１２に印加された熱の滞留によって、音波１５の発生効率が低下することを防ぐために、過度に厚い断熱層１２としてはならない。これらの観点から、断熱層１２の厚さは１０ｎｍ〜５０μｍが好ましく、５０ｎｍ〜１０μｍがより好ましい。
【００３６】
熱パルス源１３の構造ならびに本発明の音波発生器における熱パルス源１３の配置は、断熱層１２に熱パルスを印加し得る限り、限定されない。
【００３７】
図１に示される音波発生器１Ａでは、基層１１および断熱層１２の積層体と熱パルス源１３とが別個に配置されている。このような音波発生器において熱パルス源１３は、通常、断熱層１２における基層１１側の面とは反対側の面から断熱層１２に熱パルス１４を印加し得るように配置される。基層１１がサファイヤにより構成される場合、サファイヤが波長０．２〜５μｍ程度の光に対して透明であるために、熱パルス源１３の種類によっては（例えば、エキシマレーザー、ＹＡＧレーザー）、断熱層１２における基層１１側の面から断熱層１２に熱パルス１４を印加し得るように熱パルス源１３を配置し得る。
【００３８】
熱パルス源１３は、例えば、レーザー照射装置または赤外線照射装置を備える。レーザーは、例えば、パルスレーザーである。このとき、後述の熱パルス発生層１６を備えない音波発生器（図１に示される音波発生器１Ａ）では、断熱層１２が、当該レーザーまたは赤外線によって発熱する材料により構成される。
【００３９】
熱パルス源１３は、例えば、断熱層１２における基層１１側の面とは反対側の面上に配置された、断熱層１２に熱パルスを印加する熱パルス発生層（発熱層）を備える。図４に、このような構成を有する本発明の音波発生器１（１Ｂ）を示す。図４に示される音波発生器１Ｂは、このような熱パルス発生層１６を備える。熱パルス発生層１６は基層１１および断熱層１２と一体化されている。熱パルス発生層１６を備える音波発生器１Ｂは、図１に示される音波発生器１Ａに比べて、熱パルス源１３によって断熱層１２に印加される熱の効率が高い。
【００４０】
熱パルス発生層１６は、例えば、熱パルス源１３が備えるレーザー照射装置または赤外線照射装置から照射されたレーザーまたは赤外線のエネルギーによって、熱パルスを発生する層である。このような熱パルス発生層１６は、レーザーまたは赤外線によって発熱する材料により構成される。
【００４１】
熱パルス発生層１６は、例えば、当該層に供給されるパルス電流またはパルス電圧（以下、双方をまとめて「電力パルス」と呼ぶことがある）によって熱パルスを発生する電熱層である。このとき、図５に示される音波発生器１（１Ｃ）のように、熱パルス源１３は、熱パルス発生層（電熱層）１６に電力パルスを供給する電力供給ライン１７Ａ、１７Ｂをさらに備えていてもよい。このような熱パルス源１３を備える音波発生器１Ｃは、熱パルス発生層１６に供給する電力パルスの制御により音波１５の発生を制御できるため、制御特性に優れる。これに加えて、断熱層１２に印加される熱の効率が高く、音波の出力特性がさらに高くなる。
【００４２】
電力パルスにより熱パルスを発生する熱パルス発生層１６は、電力の印加によって所望の発熱が得られる抵抗材料により構成されることが好ましい。当該材料は、例えば、炭素材料である。より具体的には、例えば、有機材料を熱処理して得た炭素材料である。当該材料の電気抵抗率は、１０Ω／square〜１０ｋΩ／squareが好ましい。
【００４３】
熱パルス発生層１６の厚さは、特に限定されない。
【００４４】
電力供給ライン１７Ａ、１７Ｂは、通常、導電性を有する材料により構成される。
【００４５】
熱パルス源１３における具体的な熱パルス発生層１６の形状、電力供給ライン１７Ａ、１７Ｂの形状、熱パルス発生層１６と電力供給ライン１７Ａ、１７Ｂとの電気的な接続の状態は、特に限定されない。
【００４６】
断熱層１２が、電力パルスの供給により電熱層として機能し得る電気抵抗率を有する場合、断熱層および熱パルス発生層の双方の機能を有する断熱層１２としてもよい。このような断熱層１２を備える本発明の音波発生器を図６に示す。図６に示される音波発生器１（１Ｄ）は、断熱層１２に電極供給ライン１７Ａ、１７Ｂが電気的に接続されており、断熱層１２が熱パルス発生層１６としても機能する。このような断熱層１２は、例えば、特定の温度域における熱処理を経た、ゲルマニウムを含む結晶性の微粒子により構成される。
【００４７】
熱パルス源が、断熱層における基層側の面とは反対側の面上に配置された熱パルス発生層（発熱層）を備えるとともに、当該熱パルス発生層が、当該層に供給される電力パルスによって熱パルスを発生する電熱層である本発明の音波発生器は、その構成によっては、０．１Ｐａ／Ｗ以上、さらには０．２Ｐａ／Ｗ以上、０．５Ｐａ／Ｗ以上の出力因子（単位印加電力あたりの出力音圧）を示す。このような高い出力因子は、本発明の音波発生器の、物体検知用の超音波音源、特に小型および省電力（例えば１Ｗ以下の駆動電力）の超音波音源としての使用を実現する。当該超音波音源によれば、例えば、数十ｃｍから数ｍ程度離れた対象物に対して超音波を照射し、その反射音波を高感度マイクで検知して、当該対象物の距離および位置を検知する物体検知センサが実現する。
【００４８】
このような物体検知センサの構成の一例を図７に示す。図７に示される物体検知センサ１０１は、本発明の音波発生器１、音波発生器１に電力パルスを供給する駆動回路１０２、集音マイク１０３ならびに集音マイク１０３に接続された出力信号アンプ１０４、Ａ／Ｄコンバータ１０５および演算装置１０６を備える。物体検知センサ１０１では、駆動回路１０２により音波発生器１に電力パルスを印加して、音波発生器１から音波１５を発生させる。対象物１０７の距離および位置を検知するためには、音波１５は超音波が好ましい。音波発生器１から発信された音波１５は、対象物１０７で反射して、反射波１０８が物体検知センサ１０１に返ってくる。反射波１０８は集音マイク１０３により電気信号に変換される。当該電気信号が、出力信号アンプ１０４およびＡ／Ｄコンバータ１０５を経た後、演算装置１０６により処理されて、物体検知センサ１０１に対する対象物１０７の距離および位置が測定される。本発明の音波発生器１の出力特性は高く、このため、物体検知センサ１０１は高感度となる。
【００４９】
本発明の音波発生器の用途は物体検知センサに限定されず、音波発生器を備える従来の任意のデバイスに応用できる。
【００５０】
本発明の音波発生器では基層の形状は問わない。このため、本発明の音波発生器は、例えば、壁面の非破壊検査に応用できる。本発明の音波発生器を応用した、壁面の非破壊検査の方法の一例を図８Ａに示す。図８Ａに示される例では、壁面１１１における検査の対象面に接するように、基層（図示せず）および断熱層１２が配置されている。断熱層１２は露出しており、基層は壁面１１１と断熱層１２とにより挟持されている。このような基層は、例えば、壁面１１１における検査の対象面に、グラファイトシートを積層して形成できる。当該基層上の断熱層１２は、例えば、別途形成した断熱層１２を基層に貼り付けて形成できる。そして、熱パルス源と音波検出部とを備えるユニット１１２から、断熱層１２に熱パルスを印加する。熱パルスは、例えば、レーザー、赤外線、マイクロ波によって断熱層１２に印加される。熱パルスの印加に伴い、断熱層１２が音波１５を発信し、発信された音波１５は、ユニット１１２の音波検出部により測定される。音波１５には、壁面１１１の表面および内部の情報が含まれる。当該情報は、例えば、壁面１１１の履歴、壁面１１１を構成する材料の構造、壁面１１１に存在する傷である。
【００５１】
壁面１１１の形状は限定されず、例えば、図８Ｂに示す形状であってもよい。図８Ｂに示される構成は、壁面１１１の形状が異なること以外、図８Ａに示される構成と同じである。
【００５２】
以下の表１に、各種の材料の熱物性値を示す。
【００５３】
【表１】
2010143380.tif 000036
【００５４】
特許文献３（特許第3845077号公報）および文献４（特許第3808493号公報）に開示されている技術によれば、表１に記載されている材料のうち、最もαＣが高い材料が基層として最適となる。すなわち、当該技術によれば、ダイヤモンドが基層として最適であり、αＣがダイヤモンドより低いグラファイトはダイヤモンドに劣り、αＣが遥かに低いサファイヤは基層として不適である。しかし、本発明者の検討によれば、シリコンまたはゲルマニウムを含む結晶性の微粒子により構成される断熱層との組み合わせにおいて、サファイヤまたはグラファイトにより構成される基層は、ダイヤモンドの基層に比べて遥かに高い出力特性を有する音波発生器を実現する。そして場合によっては、αＣが相対的に低いサファイヤの基層を用いた方が、αＣが相対的に高いグラファイトの基層を用いた場合よりも、出力特性が高くなる。このような本発明の音波発生器は、特許文献３、４に開示されている技術をはじめとする従来の技術からは導かれない。
【００５５】
本発明者らは、本発明の音波発生器において、基層を構成するグラファイトまたはサファイヤと、断熱層を構成するシリコンまたはゲルマニウムを含む結晶性の微粒子との接合界面が、熱励起型の音波発生に適した状態にあると推定する。本発明の音波発生器のように、ナノメートルサイズの微粒子により構成される断熱層において、当該層における熱流の状態は大変複雑である。このような複雑な熱流の状態が、現実に熱励起型の音波発生に適しているか否かは、単に当該層の熱物性値αＣならびに当該層と基層との熱的コントラストのみによって決定されない。熱流の状態が熱励起型の音波発生に適するか否かは、断熱層を構成する微粒子間の接合の状態ならびに当該微粒子と基層との接合の状態に依存すると考えられる。これに加えて、本発明の音波発生器では、酸化膜（ＳｉＯ2またはＧｅＯ2の膜）を介して、断熱層を構成する微粒子同士ならびに当該微粒子と基層とが接合することが、熱励起型の音波発生にさらに適した熱流の状態を実現している可能性がある。
【００５６】
例えば、サファイヤにより構成される基層の場合、断熱層を構成する微粒子と基層との接合について、以下のとおりである。材料の表面エネルギーΔＥは、当該材料を構成する各元素の電気陰性度差（Δχ）に比例する。シリコン酸化膜のＳｉ−Ｏ間のΔχは１．５４である。ゲルマニウム酸化膜のＧｅ−Ｏ間のΔχは１．４３である。一方、サファイヤのＡｌ−Ｏ間のΔχは１．８３であり、Ｓｉ−Ｏ間およびＧｅ−Ｏ間のΔχよりも大きい。これにより、基層と断熱層との間において、熱励起型の音波発生に適した熱流の状態が実現すると考えられる。
【００５７】
一方、グラファイトにより構成される基層の場合、断熱層を構成する微粒子と基層との接合について、以下のとおりである。グラファイトの表面には、単なるＣ−Ｃ結合以外に、Ｃ−Ｈ結合およびＣ−ＯＨ結合が存在する（Ｃ−Ｈ結合およびＣ−ＯＨ結合は、主に、グラファイトの結晶粒界に多く見られる）。このため、シリコン酸化膜およびゲルマニウム酸化膜との間で、Ｃ−Ｏ−ＳｉまたはＣ−Ｏ−Ｇｅのような、炭素、酸素ならびにシリコンまたはゲルマニウム間の結合が形成され、断熱層を構成する微粒子と基層との間に強固な接合が形成される。また、この強固な接合により、当該微粒子と基層との距離が近くなることで、微粒子と基層との間に働くファンデルワールス力が強くなる。この向上したファンデルワールス力自体も、当該微粒子と基層との間に強固な接合が形成されることを促進する。これにより、基層と断熱層との間において、熱励起型の音波発生に適した熱粒の状態が実現すると考えられる。
【００５８】
表１によれば、サファイヤの熱物性値αＣはシリコンおよびゲルマニウムの熱物性値αＣよりも小さいが、本発明の音波発生器における基層および断熱層の熱伝導性の関係は、従来の音波発生器と同様に、基層の熱伝導性が相対的に高く、断熱層の熱伝導性が相対的に低い関係であることが好ましい。この関係は、断熱層が微粒子により構成されることに基づく。
【００５９】
［本発明の音波発生器の製造方法］
図９に、本発明の製造方法の一例を示す。図９に示される製造方法では、最初に、基層および第１のインクが準備される。基層は、グラファイトまたはサファイヤにより構成される。第１のインクは、シリコンまたはゲルマニウムを含む結晶性の微粒子が分散した溶液であり、基層上に断熱層を形成するために用いられる。
【００６０】
結晶性の微粒子の平均粒径は、上述したように、典型的には１０ｎｍ〜０．５μｍである。これに加えて、当該微粒子の粒度分布におけるＤ１０からＤ９０が１０ｎｍ〜０．５μｍの範囲内にあることが好ましい。当該微粒子は、例えば、シリコン結晶またはゲルマニウム結晶、好ましくは単結晶、を粉砕して得られる。第１のインクの溶媒は限定されないが、典型的には有機溶媒である。当該溶媒は、アセトン、エタノール、メタノール、ベンゼン、ヘキサン、ペンタンおよびイソプロピルアルコール（ＩＰＡ）から選ばれる少なくとも１種が好ましく、ＩＰＡが特に好ましい。これらの溶媒は、表面張力が小さく、グラファイトまたはサファイヤにより構成される基層の表面への濡れ性が高い。濡れ性が高い溶媒を用いることによって、基層と、第１のインクから形成した断熱層との間の熱流の状態が、熱誘起型の音波発生に好適となる。なお、グラファイトにより構成される基層の表面に存在するＣ−Ｈ結合およびＣ−ＯＨ結合は、当該基層と第１のインクとの濡れ性の向上に寄与する。
【００６１】
次に、第１のインクを基層の表面に塗布し、基層の表面に第１のインクの塗布膜を形成する。塗布膜の形成方法は特に限定されず、例えば、スピンコート法、ダイコート法を適用できる。
【００６２】
次に、全体を１００〜１０００℃で熱処理して、第１のインクの塗布膜から断熱層を形成する。これにより、基層と、当該基層上に配置された断熱層との積層体を得る（ここまで第１工程）。熱処理温度は、第１のインクに含まれる微粒子の種類により調整する。微粒子がシリコンを含む結晶性の微粒子である場合、熱処理温度は５５０〜９００℃が好ましい。微粒子がゲルマニウムを含む結晶性の微粒子である場合、熱処理温度は２５０〜６００℃が好ましい。熱処理の方法は特に限定されず、例えば、基層および塗布膜の全体を、熱処理温度に保持した炉に収容すればよい。熱処理は、互いに熱処理温度および／または熱処理雰囲気が異なる、２以上の熱処理ステップを含んでいてもよい。
【００６３】
次に、熱パルス源を、断熱層に熱パルスを印加し得るように設ける（第２工程）。これにより、本発明の音波発生器が製造される。熱パルス源は、例えば、断熱層における基層側とは反対側の面から当該断熱層に熱パルスを印加し得るように設ければよい。
【００６４】
本発明の音波発生器における熱パルス源が、断熱層における基層側の面とは反対側の面上に配置された、断熱層に熱パルスを印加する熱パルス発生層（発熱層）を備え、当該熱パルス発生層が、炭素材料により構成される場合、第２工程は以下の工程Ａであってもよい。工程Ａでは、第１工程において形成した断熱層における基層側とは反対側の面上に、熱処理によって炭素材料となる前駆体溶液（第２のインク）の塗布膜を形成し、形成した塗布膜を熱処理して、熱パルス発生層を形成する。
【００６５】
このような第２工程を含む本発明の製造方法の一例を図１０に示す。図１０に示される方法において、基層と断熱層との積層体を得るまでは、図９に示される方法と同じである。図１０に示される方法では、これに続いて、形成した断熱層の表面に第２のインクを塗布し、断熱層の表面に第２のインクの塗布膜を形成する。塗布膜の形成方法は特に限定されず、例えば、スピンコート法、ダイコート法を適用できる。
【００６６】
第２のインクは、熱処理によって、炭素材料により構成される熱パルス発生層が形成される限り限定されず、典型的には、テレピン油、酢酸ブチルなどの有機成分を含む。
【００６７】
次に、全体を１００〜１０００℃で熱処理して、第２のインクの塗布膜から熱パルス発生層を形成する。これにより、基層と、断熱層と、熱パルス発生層とを備える本発明の音波発生器が製造される。
【００６８】
熱処理温度は、第２のインクに含まれる成分の種類により調整する。熱処理は、互いに熱処理温度および／または熱処理雰囲気が異なる、２以上の熱処理ステップを含んでいてもよい。熱処理の方法は特に限定されず、例えば、基層、断熱層および第２のインクの塗布膜の全体を、熱処理温度に保持した炉に収容すればよい。
【００６９】
第２のインクの塗布および熱処理により形成された熱パルス発生層は、カーボンブラックなどの炭素材料を含むタール状の材料からなる。当該材料は耐熱性に優れているため、本発明の音波発生器の作動時に、安定した熱パルス発生層の機能を発揮する。これに加えて、発熱層としての使用時間が経過するに従い、形成直後に含まれていた窒素および酸素の量が次第に減少し、熱パルス発生層としてますます安定する。この窒素および酸素の量の減少は、エネルギー分散型Ｘ線分光分析（ＥＤＸ）により確認される。当該熱パルス発生層は、当該層に対する電力パルスの印加により熱パルス発生層として機能する、すなわち電熱層である、ことが好ましい。
【００７０】
［本発明の音波発生方法］
本発明の音波発生方法は、上述した本発明の音波発生器を用いて音波を発生する方法である。具体的には、本発明の音波発生器において、熱パルス源によって断熱層に熱パルスを印加して音波を発生させる。
【００７１】
音波発生器の構成は、上述したとおりである。
【００７２】
音波発生器において、熱パルス源が、断熱層における基層側の面とは反対側の面上に配置された、断熱層に熱パルスを印加する熱パルス発生層を備えることが好ましい。この場合、熱パルス発生層によって断熱層に熱パルスを印加して、音波を発生させる。
【００７３】
さらに、この場合、熱パルス発生層が、当該層に供給されるパルス電流またはパルス電圧によって熱パルスを発生する電熱層であり、熱パルス源が、電熱層にパルス電流またはパルス電圧を供給する電力供給ラインをさらに備えることが好ましい。このとき、電力供給ラインを介して電熱層にパルス電流またはパルス電圧を供給することで当該層において熱パルスを発生させる。そして、発生した熱パルスを断熱層に印加して音波を発生させる。
【００７４】
本発明の音波発生方法は、音波を利用する従来の装置および方法に、幅広く応用しうる。
【実施例】
【００７５】
以下、実施例により、本発明をさらに詳細に説明する。本発明は、以下の実施例に限定されない。
【００７６】
（実施例１）
実施例１では、結晶性のシリコン微粒子により構成される断熱層を有する音波発生器を作製した。そして、基層を構成する材料を変えて、断熱層と基層との組み合わせについて検証した。これに加えて、結晶性のＴｉＯ2（酸化チタン）微粒子により構成される断熱層を有する音波発生器を作製し、同様の検証を実施した。
【００７７】
検証に用いた音波発生器は、図１０に示される製造方法に従い、以下のように作製した。最初に、グラファイト、サファイヤ、ダイヤモンドまたはシリコンにより形成された４種類の基層を準備した。グラファイトは、パナソニック社製ＥＹＧＳ０９１２０３を用いた。グラファイト基層の厚さは２００μｍ、残る３種類の基層の厚さは５００μｍとした。次に、当該基層の表面に、結晶性のシリコン微粒子の分散液または結晶性のＴｉＯ2微粒子の分散液をスピンコートによって塗布して、分散液の塗布膜を形成した。スピンコートは、大気雰囲気および室温（２５℃）に保持した密閉容器中で実施し、その条件は、回転速度５００ｒｐｍで５秒、続いて８０００ｒｐｍで６０秒とした。次に、表面に塗布膜が形成された基層を、窒素フロー下１００℃で加熱し、塗布膜を乾燥させた後、水素フロー下８００℃（シリコン微粒子の場合）またはアルゴンフロー下５００℃（ＴｉＯ2微粒子の場合）でさらに熱処理して、基層と、上記シリコン微粒子またはＴｉＯ2微粒子により構成された断熱層とが一体化された積層体を得た。窒素フロー下１００℃での加熱によって、分散液に含まれる溶媒の大部分が除去される。水素フロー下８００℃（あるいはアルゴンフロー下５００℃）での熱処理によって、残留有機物が除去されるとともに、熱による微粒子間および基層間の接合が強くなる。
【００７８】
シリコン微粒子の分散液として、鱗片状である結晶性シリコン微粒子のＩＰＡ分散液（シリコン微粒子の含有率が８．５重量％、プライメットプレシジョンマテリアル社（Primet Precision Materials, Inc.）製）を用いた。本実施例において、このシリコン微粒子を「Ｓｉ（Lot#1）」と称することがある。
【００７９】
ＴｉＯ2微粒子の分散液として、球状である結晶性ＴｉＯ2微粒子のＩＰＡ分散液（ＴｉＯ2微粒子の含有率が１５．４重量％、シーアイ化成社製）を用いた。本実施例において、このＴｉＯ2微粒子を「ＴｉＯ2（Lot#1）」と称することがある。
【００８０】
微粒子の粒径を評価する適切な方法を決定するために、最初に、分散液中のシリコン微粒子の粒度分布を粒度分布計により評価した。超音波方式の粒度分布計を用いた場合、シリコン微粒子の粒度分布は８ｎｍ（Ｄ１０）〜１５６ｎｍ（Ｄ９０）の範囲に最大値を有し、一例としての粒度分布の中央値は５７ｎｍであった。一方、レーザー回折散乱方式の粒度分布計を用いた場合、シリコン微粒子の粒度分布は１００ｎｍ（Ｄ１０）〜３００ｎｍ（Ｄ９０）の範囲に最大値を有し、一例としての粒度分布の中央値は１６７ｎｍであった。一般的な粒度分布計による粒度解析は、球状の粒子モデルにより実施され、超音波方式であるかレーザー回折散乱方式であるかに依存しない。しかし、レーザー回折散乱方式では、レーザー光の散乱断面積により粒度分布が見積もられる。このため、鱗片状粒子のような扁平形状を有する粒子に対して、レーザー回折散乱方式による測定値が超音波方式による測定値よりも大きくなったと考えられる。そこで、本実施例では、形成した断熱層の断面（層の主面に垂直な方向の断面）の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）像を画像解析することによって、シリコン微粒子をはじめとする、断熱層を構成する微粒子の粒度分布を評価するとともに、断熱層の構造を併せて評価した。
【００８１】
ＳＥＭ像の画像解析により、上記作製した断熱層におけるシリコン微粒子（Ｓｉ（Lot#1））およびＴｉＯ2微粒子（ＴｉＯ2（Lot#1））の形状および粒度分布を評価したところ、シリコン微粒子は鱗片状であり、粒度分布におけるＤ１０が５０ｎｍ、Ｄ９０が２５４ｎｍ、中央値が約１１５ｎｍであった。シリコン微粒子（Ｓｉ（Lot#1））に対する粒度分布の評価結果を図１１に示す。一方、ＴｉＯ2微粒子は球状であり、粒度分布におけるＤ１０が２０ｎｍ、Ｄ９０が１００ｎｍ、中央値が４０ｎｍであった。なお、分散液中におけるＴｉＯ2微粒子の粒度分布を、超音波方式の粒度分布計を用いて評価したところ、中央値は３６ｎｍであった。
【００８２】
作製した断熱層における各微粒子は、一次粒子と、一次粒子が凝集した二次粒子とが混在した状態にあることが、高分解能ＳＥＭあるいは透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いた観察によって、別途、確認された。ＳＥＭ像の画像解析によって得た上記粒度分布は、断熱層を構成する全ての微粒子を一次粒子と二次粒子とに分類できないことから、一次粒子および二次粒子の双方の粒子を含む粒度分布である。
【００８３】
これに加えて、当該画像解析により、シリコン微粒子により構成される断熱層が図１２Ａおよび図１２Ｂに示される特異な構造を有していることが確認された。当該構造は、以下の具体的な特徴を有していた：断熱層１２の下層部分（基層１１側の部分）に比較的大きな微粒子が多く分布し、上層部分（基層１１とは反対側の部分）に比較的小さな微粒子が多く分布していた；下層部分の微粒子は、主に、一次粒子５１が凝集した二次粒子５２であり、上層部分の粒子は、主に、一次粒子５１および比較的小さい二次粒子５２であった；隣接する各微粒子は、ごく微小な面積を有する接合部分によって、互いに接合していた。微粒子同士の当該接合部分をＴＥＭを用いて別途確認したところ、図１３Ａ〜図１３Ｃに示されるように、接合部分となる微粒子（二次粒子５２）間の界面５５に、厚さ２〜１０ｎｍ程度の酸化膜（ＳｉＯ2膜）が存在し、当該酸化膜によって微粒子同士が接合していることがわかった。なお、図１３Ｂは、図１３Ａにおいて枠で示される一部分の拡大図である。
【００８４】
これとは別に、作製した断熱層に対して、その上層部分から当該層をエッチングしながらＲＢＳ（ラザフォード後方散乱）分析を行うことで、当該層の空孔率を評価した。ＲＢＳ分析では、断熱層の散乱断面積が見積もられ、これにより当該層の空孔率を算出できる。断熱層の空孔率は、その最上層部分において約５０％、最下層部分において約９０％であり、最上層部分から最下層部分に向かうにしたがって次第に増加する傾向を有していた。
【００８５】
これとは別に、作製した断熱層に対して、その広角Ｘ線回折（ＷＡＸＤ）プロファイルおよびラマン分光プロファイルを評価した。結果、シリコン微粒子により構成される断熱層のＷＡＸＤプロファイルにおいて、回折角２θが２８．５°、４７．３°、５６．１°、６９．１°および７６．４°の位置に回折ピークが確認され、ラマン分光プロファイルにおいて、ラマンシフトが５２２ｃｍ-1の位置にピークが確認された。これらの回折ピークおよびラマンシフトは、シリコン結晶に特有のピークおよびシフトである。一方、ＴｉＯ2微粒子により構成される断熱層のＷＡＸＤプロファイルにおいて、回折角２θが２５．３°、３７．８°、４８．１°、５５．１°および７５．０°の位置に回折ピークが確認された。これらの回折ピークは、ＴｉＯ2結晶に特有のピークである。すなわち、作製した断熱層が結晶性のシリコン微粒子または結晶性のＴｉＯ2微粒子により構成されることが確認された。
【００８６】
次に、作製した積層体における断熱層の露出面に、テレピン油、酢酸ブチルおよび酢酸エチルを重量比にして６：３：１で混合した前駆体溶液をスピンコートにより塗布して、前駆体溶液の塗布膜を形成した。スピンコートの条件は、基層の表面にシリコン微粒子またはＴｉＯ2微粒子の分散液をスピンコートする条件と同一とした。次に、塗布膜が形成された積層体を、窒素フロー下１２０℃で加熱し、塗布膜を乾燥させた後、アルゴンフロー下８００℃（シリコン微粒子により構成される断熱層の場合）または５００℃（ＴｉＯ2微粒子により構成される断熱層の場合）でさらに熱処理して、前駆体溶液の有機成分を炭素材料に変化させた。これにより、基層と、シリコン微粒子により構成される断熱層と、炭素材料により構成される発熱層（熱パルス発生層）とが一体化され、断熱層が基層および発熱層によって挟持された構造を有する積層体を得た。当該熱処理の温度では、断熱層における微粒子の構造が維持されることは、別途確認した。発熱層の厚さは５０ｎｍとした。発熱層の厚さが２０ｎｍ〜１μｍの範囲で、１０Ω／square〜１００ｋΩ／square程度のシート抵抗が実現されることは、別途確認した。
【００８７】
次に、作製した当該積層体における発熱層上に、当該発熱層（電熱層）に電力パルスを印加するための一対のＰｔ（白金）電極を、スパッタリング法により設けて、音波発生器を得た。１つの当該電極は、厚さ０．３μｍ、幅１ｍｍ、長さ１０ｍｍの短冊状とした。一対の電極間の距離は、１〜２０ｍｍの間で調整し、典型的には５ｍｍとした。発熱層に電力パルスを印加する電極は、Ｐｔに限らず、任意の導電性材料により構成できる。しかし、電力パルスの周波数が高い場合に、電極の酸化が原因と推定される接触抵抗の増加が確認される材料（例えば、アルミニウム）が存在することから、当該増加が生じ難い、Ｐｔ、Ｉｒ（イリジウム）またはＩＴＯ（スズ添加インジウム酸化物）からなる電極を設けることが好ましい。
【００８８】
以下の表２に、作製した音波発生器の構成を示す。表２の各欄における括弧内の数値は、各層の厚さである。
【００８９】
【表２】
2010143380.tif 000037
【００９０】
次に、作製した音波発生器の出力特性を、図１４に示される計測システムを用いて評価した。図１４に示されるシステムは、音波発生器２００を備える発音部２２１と、音波発生器２００から発せされた音波２１３を集音および解析する集音部２２２とを備える。発音部２２１は、さらに、信号発生器２１０、入力信号アンプ２１１および波形計測器２１２を備える。信号発生器２１０および入力信号アンプ２１１は、音波発生器２００に接続されており、音波発生器２００の発熱層に対して音波出力のための電力パルスを印加する。印加した電力パルスの波形は、波形計測器２１２によって計測される。集音部２２２は、集音マイク２１４、出力信号アンプ２１５、フィルタ（ノイズフィルタ）２１６および波形計測器２１７を備える。音波発生器２００により発信された音波２１３は、集音マイク２１４によって電気信号に変換される。当該信号は、出力信号アンプ２１５およびフィルタ２１６を通った後、波形計測器２１７によって計測される。音波発生器の出力特性の評価は、非特許文献２の記載に従い、音波発生器２００と集音マイク２１４との距離を５ｍｍとして実施した。集音マイク２１４には、Ｂ＆Ｋ社製４９３９を用いた。
【００９１】
実施例１−１に対する評価結果を、図１５に示す。図１５の上段は、実施例１−１の発熱層に印加した電力パルスの波形を示す。下段は、音波発生器により発せられた音波の波形を、音圧の波形として示す。横軸は、いずれも、電力パルスの印加を開始してからの経過時間である。図１５に示されるように、矩形波の波形を有する電力パルスの印加によって、その変調に応じた周波数を有する、インパルス状の音波の発信が確認された。当該周波数は、約１００ｋＨｚ（パルスの半値幅が約１０μ秒）であった。音波は、矩形パルスの立ち上がりおよび立ち下がりのような大きな変調バイアスの印加時に発せられていた。一方、定常的なバイアスの印加時には、音波は発せられなかった。これは、実施例１−１における音波発生のメカニズムが、印加された熱パルスの交流成分によって音波を発生する、熱誘起型の音波発生に基づくことを示している。
【００９２】
次に、実施例１−１の発熱層に印加する電力パルスの最大値を変化させたときの、実施例１−１から発信される音波の最大音圧の変化を測定した。測定結果を図１６に示す。図１６の横軸は、実施例１−１への印加電力である。図１６に示されるように、実施例１−１から発信される音波の最大音圧は、印加電力に比例していた。機械的振動に基づく音波発生のメカニズムにおいて、発信される音波の最大音圧が印加“電圧”に比例することが知られている。一方、熱誘起に基づく音波発生のメカニズムにおいて、発信される音波の最大音圧が印加“電力”、すなわち印加電圧の二乗に比例することが知られている。図１６に示されるように、実施例１−１では、発信される音波の最大音圧が印加電力に比例しており、これは、実施例１−１における音波発生のメカニズムが、熱誘起型の音波発生に基づくことを示している。
【００９３】
印加する電力パルスの周波数を１ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの範囲で変更して同様の評価を行った。電力パルスの周波数によらず、当該周波数に対応する周波数を有するインパルス状の音波の発信が確認できた。本実施例において、計測システムの集音マイクの帯域上限が１００ｋＨｚであるため、周波数１００ｋＨｚまでの音波の発信を計測したが、さらに高い周波数を有する音波の発生も十分に期待できる。
【００９４】
印加する電力パルスの波形を変更して同様の評価を行った。電力パルスの波形によらず、印加する電力が交流成分を含む限り、音波の発信が確認できた。
【００９５】
実施例１−２についても、出力音圧の最大値は異なるものの、同様の波形が得られた。
【００９６】
以下の表３に、表２に示される各実施例および比較例が発信した音波の音圧（単位印加電力あたりの出力音圧）を示す。
【００９７】
【表３】
2010143380.tif 000038
【００９８】
表３に示されるように、シリコン微粒子により構成される断熱層の場合、ダイヤモンド（比較例１−Ａ）およびシリコン（比較例１−Ｂ）よりも熱物性値αＣが大幅に小さいサファイヤを基層に用いた場合（実施例１−２）に、高い出力特性が実現した。グラファイトを基層に用いた場合（実施例１−１）にも、高い出力特性が実現した。この高い出力特性は、本実施例において、サファイヤまたはグラファイトにより構成される基層と、結晶性のシリコン微粒子により構成される断熱層との組み合わせが最適であることが見出されたことにより、初めて達成された。基層と断熱層との熱的コントラストをできるだけ大きくする技術が開示されている従来の音波発生器およびその技術的思想に基づいては、当業者は、本実施例の結果を決して予想かつ実現できなかった。これは、非特許文献１の式（３）および表１に基づいて、実施例１−２において測定された音圧から実施例１−２における基層と断熱層との間の熱的コントラストを概算した場合に、特許文献４のαIＣI／αSＣSにして、１／１００に全く達してない（１／１００よりも遥かに大きい）ことからも明らかである。
【００９９】
一方、ＴｉＯ2微粒子により構成される断熱層の場合、従来の音波発生器およびその技術的思想によれば、ＴｉＯ2の熱物性値αＣが非常に小さく、基層と断熱層との熱的コントラストが非常に大きくなるため、シリコン微粒子により構成される断熱層に比べて高い出力特性が得られることが期待される。しかし、表３に示されるように、ＴｉＯ2微粒子により構成される断熱層の場合（比較例１−Ｃ〜１−Ｆ）、いずれの基層と組み合わせても、ほとんど音波が発信されなかった。このことも、本実施例の結果が、従来の音波発生器およびその技術的思想に基づいて達成できないことを示している。
【０１００】
実施例１−１および１−２において、断熱層の厚さを変化させて、発信される音波の出力特性を評価した。断熱層の厚さは１０ｎｍ以上５０μｍ未満が好ましく、５０ｎｍ以上１０μｍ以下がより好ましいことが確認された。
【０１０１】
一方、比較例１−Ｂ〜１−Ｆにおいて、断熱層の厚さを変化させて、発信される音波の出力特性を評価した。断熱層の厚さが変化しても、ほとんど音波が発信されない状況は変わらなかった。
【０１０２】
各実施例および比較例において、図１４に示される計測システムにおける、音波発生器２００と集音マイク２１４との距離を１０ｍｍとして同様の評価を行ったところ、当該距離が５ｍｍの場合と同様の傾向を有する結果が得られた。
【０１０３】
（実施例２）
実施例２では、結晶性のゲルマニウム微粒子により構成される断熱層を有する音波発生器を作製した。そして、基層を構成する材料を変えて、断熱層と基層との組み合わせについて検証した。
【０１０４】
検証に用いた音波発生器は、結晶性のシリコン微粒子の分散液の代わりに結晶性のゲルマニウム微粒子の分散液を用いたこと、ならびに熱処理の温度をシリコン微粒子のときの８００℃から４００℃に変更したこと以外は、実施例１における各実施例および比較例と同様に作製した。
【０１０５】
ゲルマニウム微粒子の分散液として、鱗片状の結晶性ゲルマニウム微粒子のＩＰＡ分散液（ゲルマニウム微粒子の含有率が８．６重量％、プライメットプレシジョンマテリアル社製）を用いた。本実施例において、このゲルマニウム微粒子を「Ｇｅ（Lot#1）」と称することがある。
【０１０６】
実施例１と同様に、ＳＥＭ像の画像解析により、作製した断熱層におけるゲルマニウム微粒子（Ｇｅ（Lot#1））の形状および粒度分布を評価した。ゲルマニウム微粒子は鱗片状であり、粒度分布におけるＤ１０が４２ｎｍ、Ｄ９０が２００ｎｍ、中央値が９５ｎｍであった。なお、分散液中における当該ゲルマニウム微粒子の粒度分布を、超音波方式の粒度分布計を用いて評価したところ、Ｄ１０が４ｎｍ、Ｄ９０が１２５ｎｍ、中央値が４０ｎｍであった。
【０１０７】
これに加えて、当該画像解析により、ゲルマニウム微粒子により構成される断熱層が、実施例１におけるシリコン微粒子により構成される断熱層と同様の特異な構造（図１２Ｂ参照）を有していることが確認された。当該構造は、以下の具体的な特徴を有していた：断熱層の下層部分（基層側の部分）に比較的大きな微粒子が多く分布し、上層部分（基層とは反対側の部分）に比較的小さな微粒子が多く分布していた；下層部分の微粒子は、主に、一次粒子が凝集した二次粒子であり、上層部分の粒子は、主に、一次粒子および比較的小さい二次粒子であった；隣接する各微粒子は、ごく微小な面積を有する接合部分によって、互いに接合していた。微粒子同士の当該接合部分をＴＥＭを用いて別途確認したところ、実施例１におけるシリコン微粒子により構成される断熱層と同様に、接合部分となる微粒子間の界面に、厚さ２〜１０ｎｍ程度の酸化膜（ＧｅＯx（１≦ｘ≦２）膜）が存在し、当該酸化膜によって微粒子同士が接合していることがわかった。
【０１０８】
これとは別に、作製した断熱層に対して、その上層部分から当該層をエッチングしながらＲＢＳ分析を行い、当該層の空孔率を評価した。断熱層の空孔率は、その最上層部分において約５０％、最下層部分において約９０％であり、最上層部分から最下層部分に向かうにしたがって次第に増加する傾向を有していた。
【０１０９】
これとは別に、作製した断熱層に対して、そのＷＡＸＤプロファイルおよびラマン分光プロファイルを評価した。結果、ゲルマニウム微粒子により構成される断熱層のＷＡＸＤプロファイルにおいて、回折角２θが２７．３°、４５．３°、５３．７°、６６．０°、７２．８°および８３．７°の位置に回折ピークが確認され、ラマン分光プロファイルにおいて、ラマンシフトが２９７ｃｍ-1の位置にピークが確認された。これらの回折ピークおよびラマンシフトは、ゲルマニウム結晶に特有のピークおよびシフトである。すなわち、作製した断熱層が結晶性のゲルマニウム微粒子により構成されることが確認された。
【０１１０】
以下の表４に、作製した音波発生器の構成を示す。表４の各欄における括弧内の数値は、各層の厚さである。
【０１１１】
【表４】
2010143380.tif 000039
【０１１２】
表４に示されるように、実施例２−３では、炭素材料により構成される発熱層を形成せず、ゲルマニウム微粒子により構成される断熱層を発熱層としても機能させた。これは、４００〜６００℃の熱処理によってゲルマニウム微粒子が導電性を発現するため、断熱層が発熱層に適したシート抵抗を示すことに基づく。導電性の発現は、ゲルマニウム微粒子間のＧｅＯ2がその潮解性によってＧｅＯx（１≦ｘ≦２）となりやすく、微粒子間に伝導パスが形成されることに因るものと推察される。
【０１１３】
次に、作製した音波発生器の出力特性を、実施例１と同様に、図１４に示される計測システムを用いて評価した。音波発生器と集音マイクとの距離は５ｍｍとした。
【０１１４】
実施例２−１〜２−３のいずれにおいても、出力音圧の最大値は異なるものの、実施例１−１と同様の結果が得られた。例えば、実施例１−１と同様に、矩形波の波形を有する電力パルスの印加によって、その変調に応じた周波数を有する、インパルス状の音波の発信が確認された。また例えば、実施例２−１〜２−３では、発信される音波の最大音圧は、印加電力に比例していた。これらは、実施例２−１〜２−３における音波発生のメカニズムが、熱誘起型の音波発生に基づくことを示している。
【０１１５】
以下の表５に、表４に示される各実施例および比較例が発信した音波の音圧（単位印加電力あたりの出力音圧）を示す。
【０１１６】
【表５】
2010143380.tif 000040
【０１１７】
表５に示されるように、ダイヤモンド（比較例２−Ａ）よりも熱物性値αＣが大幅に小さいサファイヤを基層に用いた場合（実施例２−２、２−３）に、高い出力特性が実現した。実施例２−２と２−３とでは、実施例２−２の方が出力特性が高かった。グラファイトを基層に用いた場合（実施例２−１）にも、同様の高い出力特性が実現した。この高い出力特性は、本実施例において、サファイヤまたはグラファイトにより構成される基層と、結晶性のゲルマニウム微粒子により構成される断熱層との組み合わせが最適であることが見出されたことにより、初めて達成された。基層と断熱層との熱的コントラストをできるだけ大きくする技術が開示されている従来の音波発生器およびその技術的思想に基づいては、当業者は、本実施例の結果を決して予想かつ実現できなかった。
【０１１８】
これに加えて、特定の温度域における熱処理を経たゲルマニウム微粒子により構成される断熱層は、電力パルスの印加によって、熱パルス源（熱パルス発生層）としても機能することが確認された。
【０１１９】
実施例２−１〜２−３において、断熱層の厚さを変化させて、発信される音波の出力特性を評価した。断熱層の厚さは１０ｎｍ以上５０μｍ未満が好ましく、５０ｎｍ以上１０μｍ以下がより好ましいことが確認された。
【０１２０】
（実施例３）
実施例３では、実施例１とは異なる形状を有する、結晶性のシリコン微粒子により構成される断熱層を有する音波発生器を作製した。そして、基層を構成する材料を変えて、断熱層と基層との組み合わせについて検証した。
【０１２１】
検証に用いた音波発生器は、シリコン微粒子の分散液が異なる以外は、実施例１における各実施例および比較例と同様に作製した。
【０１２２】
シリコン微粒子の分散液として、球状である結晶性シリコン微粒子のＩＰＡ分散液（シリコン微粒子の含有率が５重量％、イーエムピーエー（ＥＭＰＡ）社製）を用いた。本実施例において、このシリコン微粒子を「Ｓｉ（Lot#2）」と称することがある。
【０１２３】
実施例１と同様に、ＳＥＭ像の画像解析により、作製した断熱層におけるシリコン微粒子（Ｓｉ（Lot#2））の形状および粒度分布を評価した。シリコン微粒子は球状であり、粒度分布におけるＤ１０が１９ｎｍ、Ｄ９０が６８ｎｍ、中央値が３２ｎｍであった。シリコン微粒子（Ｓｉ（Lot#2））に対する粒度分布の評価結果を図１７に示す。なお、分散液中におけるシリコン微粒子の粒度分布を、超音波方式の粒度分布計を用いて評価したところ、Ｄ１０が１０ｎｍ、Ｄ９０が１００ｎｍ、中央値が２０ｎｍであった。
【０１２４】
これに加えて、当該画像解析により、シリコン微粒子により構成される断熱層が、図１８Ａ〜１８Ｄに示される特異な構造を有していることが確認された。当該構造は、以下の具体的な特徴を有していた：断熱層１２の下層部分（基層１１側の部分）に比較的大きな微粒子が多く分布し、上層部分（基層１１とは反対側の部分）に比較的小さな微粒子が多く分布していた；下層部分の微粒子は、主に、一次粒子５３が凝集した二次粒子５４であり、上層部分の粒子は、主に、一次粒子５３および比較的小さい二次粒子５４であった；隣接する各微粒子は、ごく微小な面積を有する接合部分によって、互いに接合していた。微粒子同士の当該接合部分をＴＥＭを用いて別途確認したところ、実施例１におけるシリコン微粒子により構成される断熱層と同様に、接合部分となる微粒子間の界面に、厚さ２〜１０ｎｍ程度の酸化膜（ＳｉＯ2膜）が存在し、当該酸化膜によって微粒子同士が接合していることがわかった。
【０１２５】
これとは別に、作製した断熱層に対して、その上層部分から当該層をエッチングしながらＲＢＳ分析を行い、当該層の空孔率を評価した。断熱層の空孔率は、その最上層部分において約５０％、最下層部分において約９０％であり、最上層部分から最下層部分に向かうに従い、空孔率が次第に増加する傾向を有していた。
【０１２６】
これとは別に、作製した断熱層に対して、そのＷＡＸＤプロファイルおよびラマン分光プロファイルを評価した。結果、シリコン微粒子により構成される断熱層のＷＡＸＤプロファイルにおいて、回折角２θが２８．５°、４７．３°および５６．１°などの位置に回折ピークが確認され、ラマン分光プロファイルにおいて、ラマンシフトが５２２ｃｍ-1の位置にピークが確認された。これらの回折ピークおよびラマンシフトは、シリコン結晶に特有のピークおよびシフトである。すなわち、作製した断熱層が結晶性のシリコン微粒子により構成されることが確認された。
【０１２７】
以下の表６に、作製した音波発生器の構成を示す。表６の各欄における括弧内の数値は、各層の厚さである。
【０１２８】
【表６】
2010143380.tif 000041
【０１２９】
次に、作製した音波発生器の出力特性を、実施例１と同様に、図１４に示される計測システムを用いて評価した。音波発生器と集音マイクとの距離は５ｍｍとした。
【０１３０】
実施例３−１、３−２のいずれにおいても、出力音圧の最大値は異なるものの、実施例１−１と同様の結果が得られた。例えば、実施例１−１と同様に、矩形波の波形を有する電力パルスの印加によって、その変調に応じた周波数を有する、インパルス状の音波の発信が確認された。また例えば、実施例３−１、３−２では、発信される音波の最大音圧は、印加電力に比例していた。これらは、実施例３−１、３−２における音波発生のメカニズムが、熱誘起型の音波発生に基づくことを示している。
【０１３１】
以下の表７に、表６に示される各実施例および比較例が発信した音波の音圧（単位印加電力あたりの出力音圧）を示す。
【０１３２】
【表７】
2010143380.tif 000042
【０１３３】
表７に示されるように、ダイヤモンド（比較例３−Ａ）およびシリコン（比較例３−Ｂ）よりも熱物性値αＣが大幅に小さいサファイヤを基層に用いた場合（実施例３−２）に、高い出力特性が実現した。グラファイト（実施例３−１）を基層に用いた場合にも、高い出力特性が実現した。サファイヤを基層に用いた実施例３−２の方が、グラファイトを基層に用いた実施例３−１に比べて、出力特性が遥かに高くなった。この高い出力特性は、本実施例において、サファイヤまたはグラファイトにより構成される基層と、シリコン微粒子により構成される断熱層との組み合わせが最適であることが見出されたことにより、初めて達成された。基層と断熱層との熱的コントラストをできるだけ大きくする技術が開示されている従来の音波発生器およびその技術的思想に基づいては、当業者は、本実施例の結果を決して予想かつ実現できなかった。
【０１３４】
（実施例４）
実施例４では、実施例１−１と同じ基層および断熱層の組み合わせを有するとともに、音波を発信する面の形状が放物面である音波発生器を作製し、その出力特性を検証した。
【０１３５】
検証に用いた音波発生器は、グラファイトの基層における断熱層を配置する面の形状を平面から放物面に変更した以外は、実施例１−１と同様に作製した。当該グラファイトの基層は、柔軟性を有する２以上のグラファイトシート（厚さ５０μｍ〜１ｍｍ、典型的には１００μｍ）を、放物面が形成された型における当該放物面に貼り重ねた後、グラファイトシートの積層物と当該型とを分離して形成した。グラファイト基層の直径は、２０ｍｍとした。
【０１３６】
なお、発熱層に電力パルスを印加するためのＰｔ電極は、その一方を、発熱層における周縁部に環状（幅１ｍｍ）に配置し、他方を、発熱層における中央部に直径３ｍｍの円形に配置した。作製した音波発生器３００を図１９に示す。図１９における符号１１が基層、符号１６が発熱層、符号３０１が電極である。断熱層は、基層１１と発熱層１６により挟まれている。
【０１３７】
次に、作製した音波発生器の出力特性を、実施例１と同様に、図１４に示される計測システムを用いて評価した。集音マイクは、音波発生器における音波の発信面の中心軸上を、当該発信面から次第に離れるように移動させた。当該発信面と集音マイクとの距離が７ｍｍのときに、最も大きい出力音圧が得られた。これは、当該発信面を放物面とすることによって、集音型の音波発生器が実現できたことを示している。
【０１３８】
これに加えて、実施例１−１と同様に、矩形波の波形を有する電力パルスの印加によって、その変調に応じた周波数を有する、インパルス状の音波の発信が確認された。実施例４によれば、様々な音波の発信面の形状を有する音波発生器が十分に実現されることが確認された。
【０１３９】
本発明は、その意図および本質的な特徴から逸脱しない限り、他の実施形態に適用しうる。この明細書に開示されている実施形態は、あらゆる点で説明的なものであってこれに限定されない。本発明の範囲は、上記説明ではなく添付したクレームによって示されており、クレームと均等な意味および範囲にあるすべての変更はそれに含まれる。
【産業上の利用可能性】
【０１４０】
本発明の音波発生器は、形状の自由度が高く、塗布膜の乾燥および熱処理によって形成し得るため、様々な電子デバイスに応用し得る。本発明の音波発生器は、例えば、立体物に直接設けられた音源（超音波音源）、スピーカ、アクチュエータなど、様々な用途に応用し得る。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基層と、前記基層上に配置された断熱層と、前記断熱層に熱パルスを印加する熱パルス源と、を備え、
前記基層が、グラファイトまたはサファイヤにより構成され、
前記断熱層が、シリコンまたはゲルマニウムを含む結晶性の微粒子により構成される、音波発生器。
【請求項２】
前記熱パルス源が、
前記断熱層における前記基層側の面とは反対側の面上に配置された、前記断熱層に熱パルスを印加する熱パルス発生層を備える請求項１に記載の音波発生器。
【請求項３】
前記熱パルス発生層が、当該層に供給されるパルス電流またはパルス電圧によって熱パルスを発生する電熱層であり、
前記熱パルス源が、前記電熱層に前記パルス電流またはパルス電圧を供給する電力供給ラインをさらに備える請求項２に記載の音波発生器。
【請求項４】
前記熱パルス発生層が、炭素材料により構成される請求項２に記載の音波発生器。
【請求項５】
前記断熱層における前記微粒子の粒度分布の中央値が、１０ｎｍ〜０．５μｍである請求項１に記載の音波発生器。
【請求項６】
請求項１に記載の音波発生器の製造方法であって、
グラファイトまたはサファイヤにより構成される基層上にシリコンまたはゲルマニウムを含む結晶性の微粒子が分散した溶液の塗布膜を形成し、前記形成された塗布膜を熱処理して、前記微粒子により構成される断熱層を前記基層上に形成する第１工程と、
前記断熱層に熱パルスを印加する熱パルス源を設ける第２工程と、を含む音波発生器の製造方法。
【請求項７】
前記熱パルス源が、前記断熱層における前記基層側の面とは反対側の面上に配置された、前記断熱層に熱パルスを印加する熱パルス発生層を備え、
前記熱パルス発生層は、炭素材料により構成され、
前記第２工程が、
前記第１工程において形成した前記断熱層における前記基層側とは反対側の面上に、熱処理によって炭素材料となる前駆体溶液の塗布膜を形成し、前記形成した塗布膜を熱処理して、前記熱パルス発生層を形成する工程である請求項６に記載の音波発生器の製造方法。
【請求項８】
音波発生器を用いた音波発生方法であって、
前記音波発生器は、基層と、前記基層上に配置された断熱層と、前記断熱層に熱パルスを印加する熱パルス源と、を備え、
前記基層が、グラファイトまたはサファイヤにより構成され、
前記断熱層が、シリコンまたはゲルマニウムを含む結晶性の微粒子により構成され、
前記熱パルス源によって前記断熱層に熱パルスを印加して音波を発生させる工程を含む、音波発生方法。
【請求項９】
前記熱パルス源が、前記断熱層における前記基層側の面とは反対側の面上に配置された、前記断熱層に熱パルスを印加する熱パルス発生層を備え、
前記工程が、前記熱パルス発生層によって前記断熱層に熱パルスを印加して音波を発生させる工程である請求項８に記載の音波発生方法。
【請求項１０】
前記熱パルス発生層が、当該層に供給されるパルス電流またはパルス電圧によって熱パルスを発生する電熱層であり、
前記熱パルス源が、前記電熱層に前記パルス電流またはパルス電圧を供給する電力供給ラインをさらに備え、
前記工程が、前記電力供給ラインを介して前記電熱層に前記パルス電流またはパルス電圧を供給することで当該層において熱パルスを発生させ、発生した熱パルスを前記断熱層に印加して音波を発生させる工程である請求項９に記載の音波発生方法。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2010143380.tif 000043
【図２】
2010143380.tif 000044
【図３】
2010143380.tif 000045
【図４】
2010143380.tif 000046
【図５】
2010143380.tif 000047
【図６】
2010143380.tif 000048
【図７】
2010143380.tif 000049
【図８Ａ】
2010143380.tif 000050
【図８Ｂ】
2010143380.tif 000051
【図９】
2010143380.tif 000052
【図１０】
2010143380.tif 000053
【図１１】
2010143380.tif 000054
【図１２Ａ】
2010143380.tif 000055
【図１２Ｂ】
2010143380.tif 000056
【図１３Ａ】
2010143380.tif 000057
【図１３Ｂ】
2010143380.tif 000058
【図１３Ｃ】
2010143380.tif 000059
【図１４】
2010143380.tif 000060
【図１５】
2010143380.tif 000061
【図１６】
2010143380.tif 000062
【図１７】
2010143380.tif 000063
【図１８Ａ】
2010143380.tif 000064
【図１８Ｂ】
2010143380.tif 000065
【図１８Ｃ】
2010143380.tif 000066
【図１８Ｄ】
2010143380.tif 000067
【図１９】
2010143380.tif 000068
【手続補正書】
【提出日】平成22年11月17日(2010.11.17)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基層と、前記基層上に配置された断熱層と、前記断熱層に熱パルスを印加する熱パルス源と、を備え、
前記基層が、グラファイトまたはサファイヤにより構成され、
前記断熱層が、シリコンまたはゲルマニウムを含む結晶性の微粒子により構成され、
前記熱パルス源が、
前記断熱層における前記基層側の面とは反対側の面上に配置された、前記断熱層に熱パルスを印加する熱パルス発生層を備える、音波発生器。
【請求項２】
前記熱パルス発生層が、当該層に供給されるパルス電流またはパルス電圧によって熱パルスを発生する電熱層であり、
前記熱パルス源が、前記電熱層に前記パルス電流またはパルス電圧を供給する電力供給ラインをさらに備える請求項１に記載の音波発生器。
【請求項３】
前記熱パルス発生層が、炭素材料により構成される請求項１に記載の音波発生器。
【請求項４】
基層と、前記基層上に配置された断熱層と、前記断熱層に熱パルスを印加する熱パルス源と、を備え、
前記基層が、グラファイトまたはサファイヤにより構成され、
前記断熱層が、シリコンまたはゲルマニウムを含む結晶性の微粒子により構成され、
前記熱パルス源が、
レーザーまたは赤外線を照射することによって、前記断熱層における前記基層側の面とは反対側の面に、熱パルスを印加するレーザー照射装置または赤外線照射装置を備える、音波発生器。
【請求項５】
基層と、前記基層上に配置された断熱層と、前記断熱層に熱パルスを印加する熱パルス源と、を備え、
前記基層が、サファイヤにより構成され、
前記断熱層が、シリコンまたはゲルマニウムを含む結晶性の微粒子により構成され、
前記熱パルス源が、
レーザーまたは赤外線を照射することによって、前記断熱層における前記基層側の面から、前記基層を通して前記断熱層に熱パルスを印加するレーザー照射装置または赤外線照射装置を備える、音波発生器。
【請求項６】
前記断熱層における前記微粒子の粒度分布の中央値が、１０ｎｍ〜０．５μｍである請求項１、４または５に記載の音波発生器。
【請求項７】
請求項１、４または５に記載の音波発生器の製造方法であって、
グラファイトまたはサファイヤにより構成される基層上にシリコンまたはゲルマニウムを含む結晶性の微粒子が分散した溶液の塗布膜を形成し、前記形成された塗布膜を熱処理して、前記微粒子により構成される断熱層を前記基層上に形成する第１工程と、
前記断熱層に熱パルスを印加する熱パルス源を設ける第２工程と、を含む、音波発生器の製造方法。
【請求項８】
請求項１に記載の音波発生器の製造方法であって、
前記熱パルス発生層は、炭素材料により構成され、
グラファイトまたはサファイヤにより構成される基層上にシリコンまたはゲルマニウムを含む結晶性の微粒子が分散した溶液の塗布膜を形成し、前記形成された塗布膜を熱処理して、前記微粒子により構成される断熱層を前記基層上に形成する第１工程と、
前記第１工程において形成した前記断熱層における前記基層側とは反対側の面上に、熱処理によって炭素材料となる前駆体溶液の塗布膜を形成し、前記形成した塗布膜を熱処理して、前記熱パルス発生層を形成する第２工程と、を含む、音波発生器の製造方法。
【請求項９】
音波発生器を用いた音波発生方法であって、
前記音波発生器は、基層と、前記基層上に配置された断熱層と、前記断熱層に熱パルスを印加する熱パルス源と、を備え、
前記基層が、グラファイトまたはサファイヤにより構成され、
前記断熱層が、シリコンまたはゲルマニウムを含む結晶性の微粒子により構成され、
前記熱パルス源が、前記断熱層における前記基層側の面とは反対側の面上に配置された、前記断熱層に熱パルスを印加する熱パルス発生層を備え、
前記熱パルス源によって前記断熱層に熱パルスを印加して音波を発生させる工程を含む、音波発生方法。
【請求項１０】
前記熱パルス発生層が、当該層に供給されるパルス電流またはパルス電圧によって熱パルスを発生する電熱層であり、
前記熱パルス源が、前記電熱層に前記パルス電流またはパルス電圧を供給する電力供給ラインをさらに備え、
前記工程が、前記電力供給ラインを介して前記電熱層に前記パルス電流またはパルス電圧を供給することで当該層において熱パルスを発生させ、発生した熱パルスを前記断熱層に印加して音波を発生させる工程である請求項９に記載の音波発生方法。
【請求項１１】
音波発生器を用いた音波発生方法であって、
前記音波発生器は、基層と、前記基層上に配置された断熱層と、前記断熱層に熱パルスを印加する熱パルス源と、を備え、
前記基層が、グラファイトまたはサファイヤにより構成され、
前記断熱層が、シリコンまたはゲルマニウムを含む結晶性の微粒子により構成され、
前記熱パルス源が、レーザーまたは赤外線を照射することによって、前記断熱層における前記基層側の面とは反対側の面に、熱パルスを印加するレーザー照射装置または赤外線照射装置を備え、
前記熱パルス源によって前記断熱層に熱パルスを印加して音波を発生させる工程を含む、音波発生方法。
【請求項１２】
音波発生器を用いた音波発生方法であって、
前記音波発生器は、基層と、前記基層上に配置された断熱層と、前記断熱層に熱パルスを印加する熱パルス源と、を備え、
前記基層が、サファイヤにより構成され、
前記断熱層が、シリコンまたはゲルマニウムを含む結晶性の微粒子により構成され、
前記熱パルス源が、レーザーまたは赤外線を照射することによって、前記断熱層における前記基層側の面から、前記基層を通して前記断熱層に熱パルスを印加するレーザー照射装置または赤外線照射装置を備え、
前記熱パルス源によって、前記基層を通して前記断熱層に熱パルスを印加して音波を発生させる工程を含む、音波発生方法。
【請求項１３】
基層と、前記基層上に配置された断熱層と、前記断熱層における前記基層側の面とは反対側の面上に配置された、前記断熱層に熱パルスを印加する熱パルス発生層と、を備え、
前記基層が、グラファイトまたはサファイヤにより構成され、
前記断熱層が、シリコンまたはゲルマニウムを含む結晶性の微粒子により構成される、音波発生器。
【請求項１４】
基層と、前記基層上に配置された断熱層と、レーザーまたは赤外線を照射することによって、前記断熱層における前記基層側の面とは反対側の面に、熱パルスを印加するレーザー照射装置または赤外線照射装置と、を備え、
前記基層が、グラファイトまたはサファイヤにより構成され、
前記断熱層が、シリコンまたはゲルマニウムを含む結晶性の微粒子により構成される、音波発生器。
【請求項１５】
基層と、前記基層上に配置された断熱層と、レーザーまたは赤外線を照射することによって、前記断熱層における前記基層側の面から、前記基層を通して前記断熱層に熱パルスを印加するレーザー照射装置または赤外線照射装置と、を備え、
前記基層が、サファイヤにより構成され、
前記断熱層が、シリコンまたはゲルマニウムを含む結晶性の微粒子により構成される、音波発生器。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】
本発明の音波発生器は、基層と、前記基層上に配置された断熱層と、前記断熱層に熱パルスを印加する熱パルス源と、を備える。前記基層は、グラファイトまたはサファイヤにより構成される。前記断熱層は、シリコンまたはゲルマニウムを含む結晶性の微粒子により構成される。前記熱パルス源は、前記断熱層における前記基層側の面とは反対側の面上に配置された、前記断熱層に熱パルスを印加する熱パルス発生層を備える。
別の側面から見た本発明の音波発生器は、基層と、前記基層上に配置された断熱層と、前記断熱層に熱パルスを印加する熱パルス源と、を備える。前記基層は、グラファイトまたはサファイヤにより構成される。前記断熱層は、シリコンまたはゲルマニウムを含む結晶性の微粒子により構成される。前記熱パルス源は、レーザーまたは赤外線を照射することによって、前記断熱層における前記基層側の面とは反対側の面に、熱パルスを印加するレーザー照射装置または赤外線照射装置を備える。
また別の側面から見た本発明の音波発生器は、基層と、前記基層上に配置された断熱層と、前記断熱層に熱パルスを印加する熱パルス源と、を備える。前記基層は、サファイヤにより構成される。前記断熱層は、シリコンまたはゲルマニウムを含む結晶性の微粒子により構成される。前記熱パルス源は、レーザーまたは赤外線を照射することによって、前記断熱層における前記基層側の面から、前記基層を通して前記断熱層に熱パルスを印加するレーザー照射装置または赤外線照射装置を備える。
さらに別の側面から見た本発明の音波発生器は、基層と、前記基層上に配置された断熱層と、前記断熱層における前記基層側の面とは反対側の面上に配置された、前記断熱層に熱パルスを印加する熱パルス発生層と、を備える。前記基層は、グラファイトまたはサファイヤにより構成される。前記断熱層は、シリコンまたはゲルマニウムを含む結晶性の微粒子により構成される。
さらにまた別の側面から見た本発明の音波発生器は、基層と、前記基層上に配置された断熱層と、レーザーまたは赤外線を照射することによって、前記断熱層における前記基層側の面とは反対側の面に、熱パルスを印加するレーザー照射装置または赤外線照射装置と、を備える。前記基層は、グラファイトまたはサファイヤにより構成される。前記断熱層は、シリコンまたはゲルマニウムを含む結晶性の微粒子により構成される。
さらにまた別の側面から見た本発明の音波発生器は、基層と、前記基層上に配置された断熱層と、レーザーまたは赤外線を照射することによって、前記断熱層における前記基層側の面から、前記基層を通して前記断熱層に熱パルスを印加するレーザー照射装置または赤外線照射装置と、を備える。前記基層は、サファイヤにより構成される。前記断熱層は、シリコンまたはゲルマニウムを含む結晶性の微粒子により構成される。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１４】
本発明の音波発生器の製造方法は、上記本発明の音波発生器の製造方法であって、以下の第１工程および第２工程を含む。第１工程は、グラファイトまたはサファイヤにより構成される基層上に；シリコンまたはゲルマニウムを含む結晶性の微粒子が分散した溶液の塗布膜を形成し、前記形成された塗布膜を熱処理して；前記微粒子により構成される断熱層を前記基層上に形成する；工程である。第２工程は、前記断熱層に熱パルスを印加する熱パルス源を設ける工程である。
別の側面から見た本発明の音波発生器の製造方法は、基層と前記基層上に配置された断熱層と前記断熱層に熱パルスを印加する熱パルス源とを備え、前記基層がグラファイトまたはサファイヤにより構成され、前記断熱層がシリコンまたはゲルマニウムを含む結晶性の微粒子により構成され、前記熱パルス源が、前記断熱層における前記基層側の面とは反対側の面上に配置された、前記断熱層に熱パルスを印加する熱パルス発生層を備える音波発生器の製造方法であって、前記熱パルス発生層は炭素材料により構成され、グラファイトまたはサファイヤにより構成される基層上にシリコンまたはゲルマニウムを含む結晶性の微粒子が分散した溶液の塗布膜を形成し、前記形成された塗布膜を熱処理して、前記微粒子により構成される断熱層を前記基層上に形成する第１工程と、前記第１工程において形成した前記断熱層における前記基層側とは反対側の面上に、熱処理によって炭素材料となる前駆体溶液の塗布膜を形成し、前記形成した塗布膜を熱処理して、前記熱パルス発生層を形成する第２工程と、を含む。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
本発明の音波発生方法は、音波発生器を用いた音波発生方法である。前記音波発生器は、基層と、前記基層上に配置された断熱層と、前記断熱層に熱パルスを印加する熱パルス源と、を備える。前記基層は、グラファイトまたはサファイヤにより構成される。前記断熱層は、シリコンまたはゲルマニウムを含む結晶性の微粒子により構成される。前記熱パルス源は、前記断熱層における前記基層側の面とは反対側の面上に配置された、前記断熱層に熱パルスを印加する熱パルス発生層を備える。当該方法は、前記熱パルス源によって前記断熱層に熱パルスを印加して音波を発生させる工程を含む。
別の側面から見た本発明の音波発生方法は、音波発生器を用いた音波発生方法であって、前記音波発生器は、基層と、前記基層上に配置された断熱層と、前記断熱層に熱パルスを印加する熱パルス源と、を備える。前記基層は、グラファイトまたはサファイヤにより構成される。前記断熱層は、シリコンまたはゲルマニウムを含む結晶性の微粒子により構成される。前記熱パルス源は、レーザーまたは赤外線を照射することによって、前記断熱層における前記基層側の面とは反対側の面に、熱パルスを印加するレーザー照射装置または赤外線照射装置を備える。当該方法は、前記熱パルス源によって前記断熱層に熱パルスを印加して音波を発生させる工程を含む。
また別の側面から見た本発明の音波発生方法は、音波発生器を用いた音波発生方法であって、前記音波発生器は、基層と、前記基層上に配置された断熱層と、前記断熱層に熱パルスを印加する熱パルス源と、を備える。前記基層は、サファイヤにより構成される。前記断熱層は、シリコンまたはゲルマニウムを含む結晶性の微粒子により構成される。前記熱パルス源は、レーザーまたは赤外線を照射することによって、前記断熱層における前記基層側の面から、前記基層を通して前記断熱層に熱パルスを印加するレーザー照射装置または赤外線照射装置を備える。当該方法は、前記熱パルス源によって、前記基層を通して前記断熱層に熱パルスを印加して音波を発生させる工程を含む。
【国際調査報告】
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