(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、基板の厚み方向の一表面側に形成された熱絶縁層と、熱絶縁層上に形成された薄膜からなる発熱体とを備え、発熱体への通電に伴う発熱体と媒体との熱交換により圧力波を発生する圧力波発生素子であって、基板の前記一表面側において発熱体の周部に接するように熱絶縁層上に形成され熱絶縁層よりも熱伝導率の高い材料からなる温度勾配緩和部を設けてなることを特徴とする圧力波発生素子。
【請求項２】
前記温度勾配緩和部は、前記発熱体の周部における外周面に接し周部の表面に接しないように形成されてなることを特徴とする請求項１記載の圧力波発生素子。
【請求項３】
前記温度勾配緩和部は、前記発熱体の周部における表面および外周面に接するように形成されてなることを特徴とする請求項１記載の圧力波発生素子。
【請求項４】
前記温度勾配緩和部は、前記発熱体の周部に接する部位の厚みが前記発熱体の内側ほど薄くなっていることを特徴とする請求項３記載の圧力波発生素子。
【請求項５】
前記温度勾配緩和部は、前記発熱体の周部に重なる部位よりも外側で熱伝導率が高くなるような熱伝導率の分布を有することを特徴とする請求項３記載の圧力波発生素子。
【請求項６】
前記温度勾配緩和部は、前記基板の前記一表面に接するように形成されてなることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の圧力波発生素子。
【請求項７】
前記発熱体へ電流が流れる方向において前記温度勾配緩和部の抵抗が前記発熱体の抵抗よりも大きいことを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の圧力波発生素子。
【請求項８】
前記温度勾配緩和部の材料が、前記発熱体に比べて電気絶縁性が高く且つ前記熱絶縁層よりも熱伝導性が高い無機材料であることを特徴とする請求項７記載の圧力波発生素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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素子が広く知られている。この種の超音波発生素子としては、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ものが知られており、この超音波発生素子では、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、空気などの媒体を振動させて超音波を発生させることができる。
【０００３】
上述のような機械的振動を利用した超音波発生素子は、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。
【０００４】
一方、近年、機械的振動を伴わずに超音波を発生させることができる素子として、媒体に熱を与える熱励起により空気の粗密を形成する方法を利用した圧力波発生素子が提案されている（例えば、特許文献１）。
【０００５】
この種の圧力波発生素子は、図６および図７に示すように、単結晶のシリコン基板からなる半導体基板１と、半導体基板１の厚み方向の一表面から所定深さまで形成された多孔質シリコン層からなり半導体基板１に比べて熱伝導率および熱容量が十分に小さな熱絶縁層２と、熱絶縁層２上に形成された金属薄膜（例えば、Ａｌ薄膜など）からなる発熱体３とを備え、発熱体３への交流電流の通電に伴う発熱体３と媒体（例えば、空気）との熱交換により圧力波を発生するものである。すなわち、図６および図７に示した構成の圧力波発生素子では、発熱体３へ交流電源Ｖｓから交流電流を通電することにより発熱体３が発熱する一方で、発熱体３の直下には熱絶縁層２が形成されて発熱体３が半導体基板１から熱的に絶縁されているので、発熱体３近傍の空気との間で効率的な熱交換が起こり、空気の膨張・圧縮の結果、超音波などの圧力波が発生する（図６中の上向きの矢印は圧力波の進行方向を示している）。ここにおいて、上記特許文献１には、熱絶縁層２の熱伝導度および熱容量を半導体基板１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２の熱伝導度と熱容量との積を半導体基板１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、一例として、半導体基板１が単結晶のシリコン基板により形成され、熱絶縁層２が多孔質シリコン層により形成されている場合、熱絶縁層２の熱伝導度と熱容量との積が、半導体基板１の熱伝導度と熱容量との積の約１／４００の値となることが記載されている。
【０００６】
なお、図６および図７に示した構成の圧力波発生素子は、発熱体３に印加する交流電圧（駆動電圧）の周波数を調整することにより、発生する圧力波の周波数を広範囲にわたって変化させることができ、例えば、超音波音源やスピーカの音源として用いることができる。
【特許文献１】特開平１１−３００２７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、図６および図７に示した圧力波発生素子では、発熱体３の長手方向の両端部間へ印加する電圧のオンオフに伴って発熱体３が膨張収縮を繰り返すが、発熱体３が半導体基板１から熱的に絶縁されているので、発熱体３の急激な温度変化により発熱体３に生じる熱応力に起因して発熱体３が破断してしまう恐れがあった。そこで、本願発明者らは、図６および図７に示した圧力波発生素子を設計するに当たり、圧力波発生素子のサイズを広く活用されている機械的振動を利用した超音波発生素子の一般的なサイズである１５ｍｍ□程度とし、上記超音波発生素子と同等の音圧（例えば、周波数が４０ｋＨｚで３０ｃｍ離れた位置において２０Ｐａ程度）を発生させるようにした場合の発熱体３の温度について検討した結果、発熱体３の温度が瞬間的に２００度を超える非常に高い温度となるという知見を得た。
【０００８】
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、従来に比べて熱応力に起因した発熱体の破断が起こりにくい圧力波発生素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１の発明は、基板と、基板の厚み方向の一表面側に形成された熱絶縁層と、熱絶縁層上に形成された薄膜からなる発熱体とを備え、発熱体への通電に伴う発熱体と媒体との熱交換により圧力波を発生する圧力波発生素子であって、基板の前記一表面側において発熱体の周部に接するように熱絶縁層上に形成され熱絶縁層よりも熱伝導率の高い材料からなる温度勾配緩和部を設けてなることを特徴とする。
【００１０】
この発明によれば、発熱体の周部で発生した熱の一部が温度勾配緩和部へ伝達することとなるので、発熱体の周部における温度勾配を従来に比べて緩和することができ、従来に比べて発熱体にかかる熱応力を低減できるから、従来に比べて熱応力に起因した発熱体の破断が起こりにくくなり、長寿命化を図ることができるとともに、通電時に発熱体へ与える電力を増加させることによる圧力波の振幅の増大を図れる。
【００１１】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記温度勾配緩和部は、前記発熱体の周部における外周面に接し周部の表面に接しないように形成されてなることを特徴とする。
【００１２】
この発明によれば、前記発熱体の周部の温度低下を少なくしつつ温度勾配を緩和することができる。
【００１３】
請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記温度勾配緩和部は、前記発熱体の周部における表面および外周面に接するように形成されてなることを特徴とする。
【００１４】
この発明によれば、請求項２の発明に比べて前記発熱体の周部の温度勾配をより緩和することができる。
【００１５】
請求項４の発明は、請求項３の発明において、前記温度勾配緩和部は、前記発熱体の周部に接する部位の厚みが前記発熱体の内側ほど薄くなっていることを特徴とする。
【００１６】
この発明によれば、前記発熱体の周部の温度勾配をさらに緩和することができる。
【００１７】
請求項５の発明は、請求項３の発明において、前記温度勾配緩和部は、前記発熱体の周部に重なる部位よりも外側で熱伝導率が高くなるような熱伝導率の分布を有することを特徴とする。
【００１８】
この発明によれば、前記発熱体の周部の温度勾配をさらに緩和することができる。
【００１９】
請求項６の発明は、請求項１ないし請求項５の発明において、前記温度勾配緩和部は、前記基板の前記一表面に接するように形成されてなることを特徴とする。
【００２０】
この発明によれば、前記発熱体の周部で発生した熱の一部が前記温度勾配緩和部を通して前記基板へ伝達されるので、前記温度勾配緩和部が前記基板へ接していない場合に比べて、前記発熱体の周部で発生した熱を効率良く逃がすことができる。
【００２１】
請求項７の発明は、請求項１ないし請求項６の発明において、前記発熱体へ電流が流れる方向において前記温度勾配緩和部の抵抗が前記発熱体の抵抗よりも大きいことを特徴とする。
【００２２】
この発明によれば、前記温度勾配緩和部へ電流が流れることによる電力損失を低減できる。
【００２３】
請求項８の発明は、請求項７の発明において、前記温度勾配緩和部の材料が、前記発熱体に比べて電気絶縁性が高く且つ前記熱絶縁層よりも熱伝導性が高い無機材料であることを特徴とする。
【００２４】
この発明によれば、前記温度勾配緩和部として有機材料を採用するような場合に比べて前記温度勾配緩和部の耐熱性を高めることができる。
【発明の効果】
【００２５】
請求項１の発明では、発熱体の周部における温度勾配を従来に比べて緩和することができ、従来に比べて発熱体にかかる熱応力を低減できるから、従来に比べて熱応力に起因した発熱体の破断が起こりにくくなり、長寿命化を図ることができるとともに、通電時に発熱体へ与える電力を増加させることによる圧力波の振幅の増大を図れるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
（実施形態１）
本実施形態の圧力波発生素子は、図１（ａ），（ｂ）に示すように、単結晶のｐ形シリコン基板からなる半導体基板１と、半導体基板１の厚み方向の一表面側に形成された多孔質シリコン層からなる熱絶縁層２と、熱絶縁層２上に形成された薄膜（例えば、アルミニウム薄膜のような金属薄膜など）からなる発熱体３とを備えている。ここに、半導体基板１の平面形状は長方形状であって、熱絶縁層２および発熱体３の平面形状も長方形状に形成してある。なお、発熱体３は、熱絶縁層２よりも平面サイズが小さく（熱絶縁層２は発熱体３の外周よりも内側に形成されている）、長辺の長さ寸法を１２ｍｍ、短辺の長さ寸法を１０ｍｍに設定してあるが、これらの寸法は特に限定するものではない。また、本実施形態では、半導体基板１が基板を構成している。
【００２７】
ここにおいて、本実施形態の圧力波発生素子は、発熱体３への通電（電気エネルギの供給）に伴う発熱体３と媒体（例えば、空気）との熱交換により圧力波（例えば、超音波など）を発生する。例えば、発熱体３の長手方向の両端部間へ交流電源Ｖｓから図２（ａ）に示すような正弦波状の交流電圧を印加した場合には、発熱体３の温度がジュール熱の発生によって図２（ｂ）に示すように変化し、発熱体３の温度変化に伴って図２（ｃ）に示すような波形の圧力波（音波）が発生する。
【００２８】
熱絶縁層２を構成する多孔質シリコン層は、半導体基板１としてのｐ形シリコン基板の一部を電解液中で陽極酸化処理することにより形成されており、陽極酸化処理の条件を適宜変化させることにより、多孔度を変化させることができる。ここに、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、多孔度を適宜設定することにより熱伝導率を単結晶シリコンに比べて十分に小さくすることができる。なお、上記特許文献１には、熱伝導率が１６８Ｗ／（ｍ・Ｋ）、熱容量が１．６７×１０６Ｊ／（ｍ３・Ｋ）の単結晶のシリコン基板を陽極酸化処理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０．７×１０６Ｊ／（ｍ３・Ｋ）となることが報告されている。また、本実施形態の圧力波発生素子では、半導体基板１の厚さを５２５μｍ、熱絶縁層２の厚さを１０μｍ、発熱体３の厚さを５０ｎｍ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。また、熱絶縁層２は、多孔質シリコン層に限らず、例えば、ＳｉＯ２膜やＳｉ３Ｎ４膜などにより構成してもよい。ただし、発熱体３直下の熱絶縁層２の熱伝導率をα、熱容量をＣとするとともに、発熱体３へ印加する正弦波状の交流電圧の角周波数をωとし、発熱体３の温度をＴ（ω）とした（つまり、温度Ｔがωの関数とした）ときに、熱絶縁層２の表面から深さ方向への距離に関して熱絶縁層２の表面の温度の１／ｅ倍（ｅは自然対数の底）になる距離を熱拡散長Ｌと定義すると、
Ｌ≒√（２α／ωＣ）
となり、熱絶縁層２の厚みは熱拡散長Ｌの０．５〜３倍程度の厚みに設定することが望ましい。
【００２９】
ところで、本実施形態の圧力波発生素子には、半導体基板１の上記一表面側において発熱体３の周部に接するように形成され熱絶縁層２よりも熱伝導率の高い材料により形成された高熱伝導性層からなる２つの温度勾配緩和部５が発熱体３の短手方向の両側面それぞれに接する形で設けられている。ここにおいて、温度勾配緩和部５の材料としては、発熱体３に比べて電気絶縁性が高く且つ熱絶縁層２に比べて熱伝導性が高い無機材料（例えば、ＡｌＮ系材料やＳｉＣ系材料など）を採用すればよく、ＡｌＮやＳｉＣはＳｉとの熱膨張係数差が小さいという点でも望ましい。これらの無機材料からなる温度勾配緩和部５は、スパッタ法によりマスクを用いて所定の場所に形成することができる。また、温度勾配緩和部５は、熱絶縁層２上に形成され発熱体３の外周面のうちの上記両側面に接し、発熱体３の周部の表面（図１（ｂ）の上面）には接しないように形成されている。
【００３０】
しかして、本実施形態の圧力波発生素子では、発熱体３の周部で発生した熱の一部が温度勾配緩和部５へ伝達することとなるので、発熱体３の周部における温度勾配（熱絶縁層２表面の温度勾配）を従来に比べて緩和することができ、従来に比べて発熱体にかかる熱応力を低減できるから、従来に比べて熱応力に起因した発熱体３の破断が起こりにくくなり、長寿命化を図ることができるとともに、通電時に発熱体３へ与える電力を増加させることによる圧力波の振幅の増大を図れる。また、本実施形態の圧力波発生素子では、上述のように各温度勾配緩和部５が発熱体３の周部における外周面に接し周部の表面に接しないように形成されているので、発熱体３の周部の温度低下を少なくしつつ温度勾配を緩和することができる。また、各温度勾配緩和部５の材料として上記のような無機材料を採用することにより、有機材料を採用するような場合に比べて各温度勾配緩和部５の耐熱性を高めることができ、しかも、発熱体３へ電流が流れる方向において各温度勾配緩和部５の抵抗が発熱体３の抵抗よりも十分に大きくなる（各温度勾配緩和部５へ流れる電流を無視できる程度に大きくなる）ので、温度勾配緩和部５へ電流が流れることによる電力損失を低減できる。
【００３１】
ところで、本実施形態では、半導体基板１として単結晶のｐ形シリコン基板を採用しているが、半導体基板１は単結晶のｐ形シリコン基板に限らず、多結晶あるいはアモルファスのｐ形シリコン基板でもよいし、また、ｐ形に限らず、ｎ形あるいはノンドープであってもよく、半導体基板１の種類に応じて陽極酸化処理の条件を適宜変更すればよい。したがって、熱絶縁層２を構成する多孔質半導体層も多孔質シリコン層に限らず、例えば、多結晶シリコンを陽極酸化処理することにより形成した多孔質多結晶シリコン層や、シリコン以外の半導体材料からなる多孔質半導体層でもよい。また、発熱体３の材料もＡｌに限定するものではなく、Ａｌに比べて耐熱性の高い金属材料（例えば、Ｗ，Ｍｏ，Ｐｔ，Ｉｒなど）を採用してもよい。
【００３２】
（実施形態２）
本実施形態の圧力波発生素子の基本構成は実施形態１と略同じであり、図３に示すように、熱絶縁層２が半導体基板１の上記一表面側で所定領域内に形成されている点や、各温度勾配緩和部５が発熱体３の周部における表面（図３における上面）および外周面（図３における左右両側面）に接するように形成されている点や、各温度勾配緩和部５の一部が半導体基板１の上記一表面に接している点が相違し、他の構成は実施形態１と同じである。ここに、各温度勾配緩和部５は実施形態１と同様に発熱体３の外側で熱絶縁層２の表面（図３における上面）にも接している。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。
【００３３】
しかして、本実施形態の圧力波発生素子では、各温度勾配緩和部５が発熱体３の周部における外周面だけでなく表面にも接しているので、実施形態１に比べて、発熱体３の周部の温度勾配をより緩和することができる。また、本実施形態の圧力波発生素子では、発熱体３周部で発生した熱の一部が温度勾配緩和部５を通して半導体基板１へ伝達されるので、温度勾配緩和部５が半導体基板１に接していない場合に比べて、発熱体３の周部で発生した熱を効率良く逃がすことができる。
【００３４】
なお、本実施形態の圧力波発生素子では、熱絶縁層２が半導体基板１の上記一表面側で所定領域内のみに形成されているが、実施形態１と同様に半導体基板１の上記一表面側の全域に熱絶縁層２を形成して各温度勾配緩和部５が発熱体３の周部および熱絶縁層２に接し、半導体基板１に接しないような構造を採用してもよく、この場合には陽極酸化処理にて熱絶縁層２を形成する際に半導体基板１の上記一表面上に上記所定領域を規定するためのマスク層を設ける必要がなくなるので、製造プロセスが簡単になる。
【００３５】
（実施形態３）
本実施形態の圧力波発生素子の基本構成は実施形態２と略同じであり、図４に示すように、温度勾配緩和部５において発熱体３の周部に接する部位の厚みが発熱体３の内側ほど薄くなっている点が相違し、他の構成は実施形態２と同じである。本実施形態における温度勾配緩和部５は、例えば半導体基板１とマスクとの間にスペースを設けてスパッタ法による成膜を行うことで形成可能である。なお、実施形態２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。
【００３６】
しかして、本実施形態の圧力波発生素子では、実施形態２に比べて、発熱体３の周部の温度勾配をさらに緩和することができる。
【００３７】
なお、本実施形態の圧力波発生素子においても、熱絶縁層２が半導体基板１の上記一表面側で所定領域内のみに形成されているが、実施形態１と同様に半導体基板１の上記一表面側の全域に熱絶縁層２を形成して各温度勾配緩和部５が発熱体３の周部および熱絶縁層２に接し、半導体基板１に接しないような構造を採用してもよく、この場合には陽極酸化処理にて熱絶縁層２を形成する際に半導体基板１の上記一表面上に上記所定領域を規定するためのマスク層を設ける必要がなくなるので、製造プロセスが簡単になる。
【００３８】
（実施形態４）
本実施形態の圧力波発生素子の基本構成は実施形態２と略同じであり、図５に示すように、各温度勾配緩和部５が発熱体３の周部に重なる部位よりも外側で熱伝導率が高くなる（ここでは、半導体基板１の短手方向において発熱体３の中心から離れるほど熱伝導率が高くなる）ような熱伝導率の分布を有している点が相違し、他の構成は実施形態２と同じである。ここに、上述のような熱伝導率の分布を有する温度勾配緩和部５は、例えば、ＡｌＮやＳｉＣの組成比を傾斜させた高熱伝導性層により実現できる。なお、実施形態２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。
【００３９】
しかして、本実施形態の圧力波発生素子では、実施形態２に比べて、発熱体３の周部の温度勾配をさらに緩和することができる。
【００４０】
なお、本実施形態の圧力波発生素子においても、熱絶縁層２が半導体基板１の上記一表面側で所定領域内のみに形成されているが、実施形態１と同様に半導体基板１の上記一表面側の全域に熱絶縁層２を形成して各温度勾配緩和部５が発熱体３の周部および熱絶縁層２に接し、半導体基板１に接しないような構造を採用してもよく、この場合には陽極酸化処理にて熱絶縁層２を形成する際に半導体基板１の上記一表面上に上記所定領域を規定するためのマスク層を設ける必要がなくなるので、製造プロセスが簡単になる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】実施形態１を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ’断面図である。
【図２】同上の動作説明図である。
【図３】実施形態２を示す概略断面図である。
【図４】実施形態３を示す概略断面図である。
【図５】実施形態４を示す概略断面図である。
【図６】従来例を示す圧力波発生素子の動作説明図である。
【図７】同上を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’断面図である。
【符号の説明】
【００４２】
１  半導体基板
２  熱絶縁層
３  発熱体
５  温度勾配緩和部
【図１】
0004617710.tif 000002
【図２】
0004617710.tif 000003
【図３】
0004617710.tif 000004
【図４】
0004617710.tif 000005
【図６】
0004617710.tif 000006
【図７】
0004617710.tif 000007
【図５】
0004617710.tif 000008