(57)【要約】【課題】熱誘起型音波放射素子から放射される音波が、熱誘起型音波放射素子に流される電流の交流成分の基本周波数と同じ周波数をもつ音波成分を含むような、熱誘起型音波放射素子の駆動方法を提供すること。【解決手段】シリコン単結晶基板１の１つの面に形成された多孔質シリコン層２の上に、タングステン層３と１対の金属電極４とが形成されてなる熱誘起型音波放射素子の駆動方法において、金属電極４を経由して、タングステン層３に、交流電流と直流電流を重ねて流すことによって、前記交流電流の基本周波数と同じ周波数の音波成分を有する音波を放射させることを特徴とする熱誘起型音波放射素子の駆動方法を構成する。【選択図】    図１
2005150797.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱誘起型音波放射素子の駆動方法において、交流電流に直流のバイアス電流を重ねて前記熱誘起型音波放射素子に流すことによって、前記交流電流の基本周波数と同じ周波数の音波成分を有する音波を前記熱誘起型音波放射素子から放射させることを特徴とする熱誘起型音波放射素子の駆動方法。
【請求項２】
熱誘起型音波放射素子の駆動方法において、交流電気信号に直流のバイアスを重ねてバイアス付加電気信号とし、該バイアス付加電気信号に比例する電流を前記熱誘起型音波放射素子に流すことによって、前記交流電気信号の基本周波数と同じ周波数の音波成分を有する音波を前記熱誘起型音波放射素子から放射させることを特徴とする熱誘起型音波放射素子の駆動方法。
【請求項３】
熱誘起型音波放射素子の駆動方法において、交流電気信号に正の値のバイアスを重ねて、負の値をとらないバイアス付加電気信号とし、ｎは１/２以上１以下の数であるとし、前記バイアス付加電気信号のｎ乗に比例する電流を前記熱誘起型音波放射素子に流すことによって、前記交流電気信号の基本周波数と同じ周波数の音波成分を有する音波を前記熱誘起型音波放射素子から放射させることを特徴とする熱誘起型音波放射素子の駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は熱誘起型音波放射素子の駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、下記非特許文献１に記載されているように、熱誘起型音波放射素子を用いた音波の放射が知られている。
【０００３】
熱誘起型音波放射素子は、気体（多くの場合に空気）に接触している状態の電気抵抗体に交流電流を流し、通電によるジュール熱の発生によって、電気抵抗体に周期的な温度変化を起こさせ、それによって、電気抵抗体に接触している気体に周期的な密度変化を起こさせ、気体の粗密波すなわち気体中を伝わる音波を放射する素子である。
【０００４】
このような熱誘起型音波放射素子は、下記非特許文献１に記載されているように、超音波放射素子として利用される。
【０００５】
【非特許文献１】Ｈ．Ｓｈｉｎｏｄａ，ｅｔ  ａｌ．，“Ｔｈｅｒｍａｌｌｙ  ｉｎｄｕｃｅｄ  ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ  ｅｍｉｓｓｉｏｎ  ｆｒｏｍ  ｐｏｒｏｕｓ  ｓｉｌｉｃｏｎ”，  Ｎａｔｕｒｅ，Ｖｏｌ．４００，Ｎｏ．６７４７，ｐｐ．８５３−８５５，２６  Ａｕｇｕｓｔ  １９９９．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、熱誘起型音波放射素子を、電流信号を音波信号に変換する信号変換手段として見た場合に、その忠実度は低い。すなわち、熱誘起型音波放射素子に流す交流電流を交流信号として見たとき、その基本周波数と同じ周波数の音波成分は、素子から放射される音波には含まれていない。これをさらに詳しく説明するとつぎのようになる。
【０００７】
素子に流す交流電流を、Ｉ０ｓｉｎ（ωｔ）とする。ここに、Ｉ０（Ｉ０＞０とする）は電流の振幅であり、ωは角周波数すなわち２πｆ（ｆは周波数）であり、ｔは時間である。この場合に、ｆがこの交流電流の基本周波数である。素子の電気抵抗体の抵抗値をＲとすれば、この抵抗体で単位時間当たりに発生する熱量は
Ｒ(Ｉ０ｓｉｎ(ωｔ))２ ＝ ＲＩ０２(１−ｃｏｓ(２ωｔ))/２
＝ ＲＩ０２/２ −（ＲＩ０２/２)ｃｏｓ(２ωｔ)
となり、上式の最右辺中には、交流成分として、基本周波数ｆの２倍で振動する項（(ＲＩ０２/２)ｃｏｓ(２ωｔ)）のみが含まれ、基本周波数ｆで振動する項は含まれていない。したがって、このような発熱によって誘起される音波の中にも基本周波数ｆを持つ成分は含まれないことになる。
【０００８】
図４は、熱誘起型音波放射素子を従来の駆動方法、すなわち、素子の電気抵抗体に交流電流（この場合は正弦波電流）を流す方法によって動作させた場合の、電流波形（「入力」で表示）、電気抵抗体の温度変化波形（「熱変化」で表示）および放射される音波の音圧波形（「出力」で表示）を示している。この場合には、すでに説明したように、交流電流の基本周波数と同じ周波数をもつ音波は放射されない。
【０００９】
本発明の主たる目的は、上記の、熱誘起型音波放射素子を信号変換手段として見た場合の忠実度が低い問題を解決し、熱誘起型音波放射素子から放射される音波が、熱誘起型音波放射素子に流される電流の交流成分の基本周波数と同じ周波数をもつ音波成分を含むような、熱誘起型音波放射素子の駆動方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明においては、請求項１に記載のように、
熱誘起型音波放射素子の駆動方法において、交流電流に直流のバイアス電流を重ねて前記熱誘起型音波放射素子に流すことによって、前記交流電流の基本周波数と同じ周波数の音波成分を有する音波を前記熱誘起型音波放射素子から放射させることを特徴とする熱誘起型音波放射素子の駆動方法を構成する。
【００１１】
また、本発明においては、請求項２に記載のように、
熱誘起型音波放射素子の駆動方法において、交流電気信号に直流のバイアスを重ねてバイアス付加電気信号とし、該バイアス付加電気信号に比例する電流を前記熱誘起型音波放射素子に流すことによって、前記交流電気信号の基本周波数と同じ周波数の音波成分を有する音波を前記熱誘起型音波放射素子から放射させることを特徴とする熱誘起型音波放射素子の駆動方法を構成する。
【００１２】
また、本発明においては、請求項３に記載のように、
熱誘起型音波放射素子の駆動方法において、交流電気信号に正の値のバイアスを重ねて、負の値をとらないバイアス付加電気信号とし、ｎは１/２以上１以下の数であるとし、前記バイアス付加電気信号のｎ乗に比例する電流を前記熱誘起型音波放射素子に流すことによって、前記交流電気信号の基本周波数と同じ周波数の音波成分を有する音波を前記熱誘起型音波放射素子から放射させることを特徴とする熱誘起型音波放射素子の駆動方法を構成する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の実施により、熱誘起型音波放射素子から放射される音波が、熱誘起型音波放射素子に流される電流の交流成分の基本周波数と同じ周波数をもつ音波成分を含むような、熱誘起型音波放射素子の駆動方法を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明においては、交流電流に直流のバイアス電流を重ねて熱誘起型音波放射素子に流すことによって、交流電流の基本周波数と同じ周波数をもつ音波成分が熱誘起型音波放射素子から放射される音波に含まれるようにする。
【００１５】
交流電流を、上記と同じく、Ｉ０ｓｉｎ（ωｔ）とし、直流のバイアス電流をＩＢとする。ここで、電流の向きを適当にとってＩＢ＞０とする。この場合に、ωがこの交流電流の基本角周波数であり、ｆ＝ω/(２π）がこの交流電流の基本周波数である。素子の電気抵抗体の抵抗値をＲとすれば、この抵抗体で単位時間当たりに発生する熱量は
Ｒ(Ｉ０ｓｉｎ(ωｔ) ＋ ＩＢ)２
＝Ｒ(Ｉ０２ｓｉｎ(ωｔ)２ ＋ ２Ｉ０ＩＢｓｉｎ(ωｔ)＋ＩＢ２）
＝ＲＩ０２/２＋ＲＩＢ２−(ＲＩ０２/２)ｃｏｓ(２ωｔ)＋２ＲＩ０ＩＢｓｉｎ(ωｔ)
となり、上式の最右辺に基本周波数ｆで振動する項（２ＲＩ０ＩＢｓｉｎ(ωｔ)）が現われ、したがって、熱誘起型音波放射素子から放射される音波にも基本周波数ｆと同じ周波数をもつ音波成分が含まれるようになる。
【００１６】
上式には基本周波数ｆの２倍で振動する項（(ＲＩ０２/２)ｃｏｓ(２ωｔ)）も含まれている。基本周波数ｆで振動する項（２ＲＩ０ＩＢｓｉｎ(ωｔ)）に起因して発生する基本周波数ｆと同じ周波数をもつ音波の振幅と、基本周波数ｆの２倍で振動する項（(ＲＩ０２/２)ｃｏｓ(２ωｔ)）に起因して発生する基本周波数ｆの２倍の周波数をもつ音波の振幅とは、それぞれ、２ＲＩ０ＩＢとＲＩ０２/２とに比例すると考えられる。音波の強さは振幅の２乗に比例するから、基本周波数ｆと同じ周波数をもつ音波の強さに対する基本周波数ｆの２倍の周波数をもつ音波の強さの比は
(ＲＩ０２/２)２/(２ＲＩ０ＩＢ)２ ＝ (Ｉ０/ＩＢ)/１６
となる。たとえば、Ｉ０ ＝ ＩＢとすれば、この比の値は１/１６となり、良好な忠実度が得られていることがわかる。これよりもＩＢの値を大きくすれば、この比の値は１/１６よりも小さくなり、さらに忠実度が向上する。ただし、ＩＢをＩ０よりも大きくすると、無効に消費される電力が増加するので、具体的には、ＩＢをＩ０の１倍以上３倍以下、または、１．５倍以上３倍以下にするのがよい。
【００１７】
以下に、図面を用いて、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００１８】
（実施の形態１）
図１に、熱誘起型音波放射素子の一例を示す。図の（ａ）は正断面図、（ｂ）は平面図である。図において、１はシリコン単結晶基板であり、シリコン単結晶基板１の１つの面には、多孔質シリコン層２が形成されている。多孔質シリコン層２の表面にはタングステン層３が形成され、タングステン層３に通電するための１対の金属電極４が形成されている。１対の金属電極４の間にあるタングステン層３の部分（５ｍｍ×５ｍｍ）が熱誘起型音波放射素子の電気抵抗体として機能する。
【００１９】
図２は、図１に示した熱誘起型音波放射素子を本発明の駆動方法、すなわち、素子の電気抵抗体となるタングステン層３に、交流電流に直流のバイアス電流を重ねて流す方法によって動作させた場合の、電流波形（「入力」で表示）、電気抵抗体の温度変化波形（「熱変化」で表示）および放射される音波の音圧波形（「出力」で表示）を示している。この場合に、交流電流は正弦波電流とし、その振幅の０．５倍、１．０倍、１．５倍のバイアス電流を重ねた場合を、それぞれ、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示す。すでに、式を用いて説明したように、バイアス電流値の増加に伴って、交流電流の基本周波数ｆと同じ周波数をもつ音波成分の割合が増加していることがわかる。なお、電気抵抗体の発熱の変化に追従する電気抵抗体の温度変化の追従速度は十分に速いので、電気抵抗体の温度変化は電気抵抗体の発熱の変化に比例するとして温度変化波形を描き、放射される音波の音圧波形は、実測結果に基づいて描いてある。
【００２０】
以上に説明したように、本実施の形態によって、熱誘起型音波放射素子から放射される音波が、熱誘起型音波放射素子に流される電流の交流成分の基本周波数と同じ周波数をもつ音波成分を含むような、熱誘起型音波放射素子の駆動方法を提供することが可能となる。
【００２１】
本実施の形態においては、交流電流に直流のバイアス電流を重ねて熱誘起型音波放射素子に流す電流としたが、別の方法によって、熱誘起型音波放射素子に流す電流を得てもよい。すなわち、交流電気信号（交流電流信号または交流電圧信号）に直流のバイアス（電流信号の場合にはバイアス電流、電圧信号の場合にはバイアス電圧）を重ねて、バイアス付加電気信号を得、このバイアス付加電気信号に比例する電流を作りだして、その電流を熱誘起型音波放射素子に流す電流としても、本実施の形態と全く同じ効果が得られ、熱誘起型音波放射素子から放射される音波が、熱誘起型音波放射素子に流される電流の交流成分の基本周波数と同じ周波数をもつ音波成分を含むような、熱誘起型音波放射素子の駆動方法を提供することが可能となる。
【００２２】
（実施の形態２）
熱誘起型音波放射素子による信号変換の忠実度を、上記の実施の形態１よりもさらに向上させる方法を以下に説明する。
【００２３】
この方法においては、交流電気信号に正の値のバイアスを重ねて、負の値をとらないバイアス付加電気信号とし、このバイアス付加電気信号の平方根に比例する電流を作りだして、その電流を熱誘起型音波放射素子に流す。交流電気信号が正弦波信号である場合を例として、以下に、この方法について説明する。
【００２４】
音圧信号に変換しようとする電気信号をＳ０ｓｉｎ（ωｔ）とする。Ｓ０は電流値であっても電圧値であってもよく、いずれの場合においても正の値であるとする。この電気信号に、ＳＢ≧Ｓ０を満足するバイアスＳＢを重ねて、バイアス付加電気信号Ｓ０ｓｉｎ(ωｔ)＋ＳＢとする。このバイアス付加電気信号は、ＳＢ≧Ｓ０であるので、負の値をとらない。このバイアス付加電気信号の平方根すなわち（Ｓ０ｓｉｎ(ωｔ)＋ＳＢ)１／２に比例する電流を作りだして、その電流を熱誘起型音波放射素子に流す。
【００２５】
熱誘起型音波放射素子の電気抵抗体におけるジュール熱の発生速度は電気抵抗体に流れる電流の２乗に比例するから、上記の電流によるジュール熱の発生速度は
((Ｓ０ｓｉｎ(ωｔ)＋ＳＢ)１／２)２ ＝ Ｓ０ｓｉｎ(ωｔ)＋ＳＢ、
すなわちバイアス付加電気信号に比例することになり、このジュール熱の発生速度の変化に比例して、熱誘起型音波放射素子から放射される音波は、元の電気信号Ｓ０ｓｉｎ（ωｔ）に比例する成分のみからなる。すなわち、この場合の忠実度は１００％である。この場合に、ＳＢはＳ０に等しければよく、それよりも大きくすると無効に消費される電力が増加する。
【００２６】
図３は、Ｓ０＝ＳＢとした場合の、熱誘起型音波放射素子に流れる電流波形（「入力」で表示）、電気抵抗体の温度変化波形（「熱変化」で表示）および放射される音波の音圧波形（「出力」で表示）を示している。
【００２７】
元の電気信号が、複数の周波数成分を含んでいる場合にも、本実施の形態の方法によって、元の電気信号をきわめて高い忠実度で音波に変換できることは、上記の説明によって明らかである。この場合には、交流電気信号にバイアスを重ねてなるバイアス付加電気信号の値が負にならないようにＳＢの値を選べばよい。この方法によって熱誘起型音波放射素子を駆動した場合には、その熱誘起型音波放射素子は高忠実度の音波出力素子としての機能を発揮する。
【００２８】
以上に説明したように、本実施の形態によって、熱誘起型音波放射素子から放射される音波が、熱誘起型音波放射素子に流される電流の交流成分の基本周波数と同じ周波数をもつ音波成分を含むような、熱誘起型音波放射素子の駆動方法を提供することが可能となる。
【００２９】
本実施の形態においては、バイアス付加電気信号の平方根に比例する電流を作りだして、その電流を熱誘起型音波放射素子に流しているが、一般に、１/２≦ｎ≦１を満足する指数ｎを用いて、バイアス付加電気信号のｎ乗に比例する電流を作りだして、その電流を熱誘起型音波放射素子に流すことによっても、熱誘起型音波放射素子から放射される音波が、熱誘起型音波放射素子に流される電流の交流成分の基本周波数と同じ周波数をもつ音波成分を含むような、熱誘起型音波放射素子の駆動方法を提供することが可能となる。ｎ＝１の場合が実施の形態１の一部の場合（熱誘起型音波放射素子に流す電流の向きが反転しない場合）に相当し、ｎが１より小さくなって１/２に近づくにつれて忠実度は向上し、ｎが１/２に等しい場合に理想的状態が実現し、きわめて高い忠実度が得られる。すなわち、このような指数ｎを用いた場合においても、熱誘起型音波放射素子から放射される音波が、熱誘起型音波放射素子に流される電流の交流成分の基本周波数と同じ周波数をもつ音波成分を含むような、熱誘起型音波放射素子の駆動方法を提供することが可能となり、しかも、信号変換の忠実度は高い。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】熱誘起型音波放射素子の一例を説明する図であり、（ａ）は正断面図、（ｂ）は平面図である。
【図２】実施の形態１を説明する図である。
【図３】実施の形態２を説明する図である。
【図４】熱誘起型音波放射素子を駆動する従来の方法を説明する図である。
【符号の説明】
【００３１】
１…シリコン単結晶基板、２…多孔質シリコン層、３…タングステン層、４…金属電極。
【図１】
2005150797.tif 000003
【図２】
2005150797.tif 000004
【図３】
2005150797.tif 000005
【図４】
2005150797.tif 000006