(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
薄膜構造体を構成する主材料をエッチングすることで空隙を形成する薄膜構造体と、前記空隙が形成された薄膜構造体を積層して得られる複数の経路を備え、
前記複数の経路の距離が略均一となり、かつ前記複数の経路が直線とならないように前記薄膜構造体を積層することを特徴とする音響整合部材。
【請求項２】
薄膜構造体を構成する主材料を放電加工することで空隙を形成する薄膜構造体と、前記空隙が形成された薄膜構造体を積層して得られる複数の経路を備え、
前記複数の経路の距離が略均一となり、かつ前記複数の経路が直線とならないように前記薄膜構造体を積層することを特徴とする音響整合部材。
【請求項３】
薄膜構造体を構成する主材料をレーザ加工することで空隙を形成する薄膜構造体と、前記空隙が形成された薄膜構造体を積層して得られる複数の経路を備え、
前記複数の経路の距離が略均一となり、かつ前記複数の経路が直線とならないように前記薄膜構造体を積層することを特徴とする音響整合部材。
【請求項４】
薄膜構造体の積層方向は、音波の方向と同じ方向とする請求項１、２又は３記載の音響整合部材。
【請求項５】
薄膜構造体の積層方向は、音波の方向と直交する請求項１又は２記載の音響整合部材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は超音波を利用して気体の流量を測定する流量計測装置や、物体との距離を測定する距離計測装置などに用いる超音波送受信器に関するもので、特に超音波を送信または受信する手段と、気体との音響インピーダンスの整合をとる音響整合部材に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
物体の音響インピーダンスは（密度×音速）で求められる。空気中の音響インピーダンスＺAIRは約４２８kg/m2s、超音波を発生または受信する手段である圧電振動子の音響インピーダンスＺPZTは約３０×１０6kg/m2sである。圧電振動子から空気中へ超音波を放射する場合、両者の音響インピーダンスの差異による反射が発生し、放射効率が低下する。これを改善するために用いるものが音響整合部材である。音響整合部材の音響インピーダンスＺMは理論計算から、
【０００３】
【数１】
0004439769.tif 000002
【０００４】
を満たす値が、反射がない状態になる理想値で、上記したＺPZT及びＺAIRの値を用いると、この値は約０．１１×１０6kg/m2sとなる。
【０００５】
図８は、音響整合部材の音響インピーダンスと圧電振動子から空気中に放射される振動のエネルギーの割合の関係を示した特性図である。音響インピーダンス約０．１１×１０6kg/m2sで、透過の割合が１となり反射のないことを示している。
【０００６】
また、音響整合部材の長さを考慮すると、その最適な長さは音響整合部材を伝播する振動の波長の１／４である。圧電振動子３の振動周波数をν、音響整合部材での音速をＣ、とすると、波長λは、
（数式２）
λ＝Ｃ／ν
で表される。
【０００７】
図９に示すように圧電振動子の振動の波が音響整合部材を▲１▼のように伝播し、異なる音響インピーダンスの境界面Ａで、▲１▼は透過波▲２▼と反射波▲３▼とに分かれる。反射波▲３▼はさらに音響インピーダンスの境界面Ｂで反射し、反射波▲４▼を生じる。▲４▼は音響インピーダンスの境界面Ａに到達し透過波▲５▼と反射に分かれる。このとき▲２▼と▲５▼の波の位相が合うと、空気中での振動の波を強め合う。音響整合部材の長さが伝播する振動の波長の１／４のとき▲２▼と▲５▼の波の位相が合うようになる。
【０００８】
音響整合部材がこのような理想に近い音響インピーダンスを持つためには密度が軽く、かつ、音速が遅いことが必要である。
【０００９】
このため、従来の音響整合部材には図１０に示すように、樹脂材料１にガラスバルーン２（ガラスの中空球体）を混ぜて固めた構成のものがある。ガラスバルーンは中空であるので、非常に軽いという特徴がある。これを樹脂にまぜて固めて得られた構造体は、樹脂だけで固めて得られた構造体に比べ密度が軽くなる。また、用いるガラスバルーンの大きさは、音響整合部材を伝播する振動の波長よりも、十分小さいもの（およそ振動の波長の１／１０以下）が、振動伝播に影響を与えにくいことから選択されている。この音響整合部材は音速が約２３００m/sで、密度は約１．２g/cm3の樹脂材料に、真比重０．１３g/cm3のガラスバルーン（商標名「３Ｍガラス発泡体」で入手できる）を混ぜて固めて形成することにより、密度０．５６g/cm3、音速２１００m/sとしている。これの音響インピーダンスＺCOMは１．１８×１０6kg/m2sとなる。
【００１０】
また、特開昭６３−１０３９９３号公報にはガラス層にガラス製マイクロバルーンを内有した構成の音響整合部材が示されている。この発明の特徴は、音響整合層をガラスだけで構成するので、高温時にも物性の変化がないこということである。ただし、ガラスの音速は５０００〜６０００m/sec、密度は２．２g/cm3なので、このような構成で得られた構造体は、音速が早く、密度が大きくなり、音響インピーダンスは大きな値になるものと推定される。
【００１１】
また、特開平２−１７７７９９号公報はガラスの中空球体だけで音響整合部材を構成することを特徴としており、その製造方法はガラスの中空球体が軟化する温度に加熱して、圧縮することで中空球体のそれぞれの接触点で結合させる方法が述べられている。ガラスの中空球体は商標名「３Ｍガラス発泡体」（前述したものと同等なもの）を用い、得られた音響整合部材は音速９００m/sec、音響インピーダンスＺBGは約０．４５×１０6kg/m2sの特性を持つことが明記されている。音響インピーダンスは音速×密度で表されるので、この音響整合部材は密度が０．５g/cm3となる。ガラスの音速は５０００〜６０００m/secであるが、中空球体とすることにより音速が９００m/secまで下がる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の音響整合部材の製造方法では、中空球体どうしの接触点を多くするために強く加圧する必要があるが、それでは、中空球体が潰れる可能性があるので強く加圧することができない。そのために、中空球体どうしの接触状態にバラツキがあり、音の出力がばらつくという課題を有していた。
【００１３】
また、中空球体の混合状態が均一でないと、音響整合部材内に密度の粗密が発生し、整合層の密度がばらつくという課題を有していた。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
前記従来の課題を解決するために、本発明の超音波送受信器の音響整合部材は、空隙を有する薄膜構造体を積層し、薄膜構造体の空隙は、エッチング加工を用いて形成するようにしたものである。上記発明によれば、薄膜構造体を用いるので、強く加圧しても空隙が潰れることはなく、薄膜構造体どうしの接触点のバラツキを低減できる。また、エッチング加工は、レジストを用いて空隙の位置を設定してから行うものであり、空隙の位置を常に同じにすることができるので、音響整合部材の密度のバラツキを低減できる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
請求項１に係る音響整合部材は、薄膜構造体を構成する主材料をエッチングすることで空隙を形成する薄膜構造体と、前記空隙が形成された薄膜構造体を積層して得られる複数の経路を備え、前記複数の経路の距離が略均一となり、かつ前記複数の経路が直線とならないように前記薄膜構造体を積層することにより、強く加圧しても空隙が潰れることはなく、薄膜構造体どうしの接触点のバラツキを低減することなり、音の出力のバラツキを低減できる。また、エッチング加工は、レジストを用いて空隙の位置を設定してから行うものであり、空隙の位置を常に同じにすることができるので、音響整合部材の密度のバラツキを低減できる。
【００１６】
請求項２に係る音響整合部材は、薄膜構造体を構成する主材料を放電加工することで空隙を形成する薄膜構造体と、前記空隙が形成された薄膜構造体を積層して得られる複数の経路を備え、前記複数の経路の距離が略均一となり、かつ前記複数の経路が直線とならないように前記薄膜構造体を積層することで空隙を形成する薄膜構造体と、前記薄膜構造体を積層して得られる構成とすることにより、強く加圧しても空隙が潰れることはなく、薄膜構造体どうしの接触点のバラツキを低減することなり、音の出力のバラツキを低減できる。また、放電加工は、空隙の位置を設定してから行うものであり、空隙の位置を常に同じにすることができるので、音響整合部材の密度のバラツキを低減できる。また、放電加工は、殆ど全ての金属の加工が可能であり、音響整合部材の材料を自由に設定できる。
【００１７】
請求項３に係る音響整合部材は、薄膜構造体を構成する主材料をレーザ加工することで空隙を形成する薄膜構造体と、前記空隙が形成された薄膜構造体を積層して得られる複数の経路を備え、前記複数の経路の距離が略均一となり、かつ前記複数の経路が直線とならないように前記薄膜構造体を積層することにより、強く加圧しても空隙が潰れることはなく、薄膜構造体どうしの接触点のバラツキを低減することなり、音の出力のバラツキを低減できる。また、レーザ加工は、非常に微細な加工が可能であり、空隙の位置を常に同じにすることができるので、音響整合部材の密度のバラツキを低減できる。
【００１８】
請求項４に係る音響整合部材は、請求項１〜３いずれかに記載の薄膜構造体の積層方向を、音波の方向と同じ方向にして構成することにより、積層に必要な薄膜構造体を少なくすることになり、薄膜構造体どうしの接触状態のバラツキを低減することができる。
【００１９】
請求項５に係る音響整合部材は、請求項１、２いずれかに記載の薄膜構造体の積層方向を、音波の方向と直交するように構成することにより、主材料の部分は全てつながることとなり、音の伝播経路のバラツキを抑え、音の出力のバラツキを低減できる。
【００２０】
【実施例】
以下本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。
【００２１】
（実施例１）
図１は本発明の実施例１における音響整合部材の構成を示す断面図である。図１に示すように、１１は薄膜構造体で、その厚さは１０〜５０μm程度で、本実施例ではシリコン単結晶を主材料に用いている。１２は空隙で、エッチング加工により形成されたものである。なお、薄膜構造体の材料は、これに限定するものではない。例えば、アルミ、ステンレスでもよい。アルミは金属材料の中では密度が小さく、空隙をたくさん設けなくてもよいという利点がある。また、ステンレスは、耐腐食性、強度があり、信頼性の高い音響整合部材を構成できる利点がある。本実施例の音響整合部材は、薄膜構造体１１を音の伝播方向に積層することにより構成されている。図中の矢印は音の伝播経路を示している。図１に示すように、薄膜構造体１１は、音の伝播経路が直線にならないようにするとともに、殆どの伝播経路の距離が均一化されるように配置されている。これは、エッチング加工により、空隙の位置を設定できるためである。
【００２２】
図２は薄膜構造体１１の上面図である。図２に示すように空隙１２は、およそ数十μmの直径で、エッチング加工により規則的に配置されている。なお、本実施例では空隙１２の形状を円形にしているが、方形にしても構わないものである。
【００２３】
本実施例の薄膜構造体は、半導体プロセスで用いられるリソグラフィ技術を応用したマイクロマシニング（微細加工技術）を用いて製造されている。エッチング加工は、マイクロマシニングの製造プロセスの一部で用いられている。
【００２４】
マイクロマシニングは大きく次の三つの基本プロセスから成っている。第一のプロセスは、「リソグラフィによるパターンニング」である。第二のプロセスは「金属メッキ、薄膜加工などの付加加工」である。第三のプロセスは「エッチングによる除去加工」である。マイクロマシニングは、これら三つのプロセスを組み合わせにより、バルクマイクロマシニング、表面マイクロマシニング、ＬＩＧＡプロセスの三種類に大別できる。
【００２５】
図３〜５は、バルクマイクロマシニングのプロセスの一例で、本実施例の薄膜構造体は、この方法で形成されている。
【００２６】
図３はバルクマイクロマシニングの最初のプロセスで、薄膜基板２１上にエッチング液に耐性を有するエッチングマスク２２を形成する。マスク材料としてシリコン酸化膜もしくはシリコン窒化膜が用いられる。
【００２７】
図４は次のプロセスで、リソグラフィ技術によるレジストのパターニングを用いて、エッチングを行う領域のマスク材料を除去する。
【００２８】
図５はその次のプロセスで、エッチング溶液によりエッチングを行い空隙２３を形成する。空隙２３の形成後、エッチングマスクを剥離して薄膜構造体１１を得る。
【００２９】
なお、本実施例では特に図示しないが、表面マイクロマシニング、ＬＩＧＡプロセスを用いても、微細な空隙をもつ構造体を形成することは可能であり、精度の高い薄膜構造体を形成できる。特に、ＬＩＧＡプロセスの特徴は、Ｘ線を使用している点である。これにより、高アスペクト比の微細構造体の実現や、表面粗さを極めて小さくすることができる。
【００３０】
以上のように、エッチング技術を利用することで、極めて微細な加工が可能なので、寸法精度の高い薄膜構造体を形成でき、密度バラツキ、音の出力のバラツキが小さい音響整合部材を形成できる。
【００３１】
また、図２に示した空隙を有する薄膜構造体は、放電加工を利用しても形成することができる。放電加工には大きく、金属の放電加工、非金属の放電加工に分けられる。金属の放電加工では、電極と加工対象の金属を絶縁液中に対抗させて、電圧を印加する。電極と金属の距離が短くなると絶縁距離が足りなくなりアーク放電が発生する。この放電による熱で放電の発生した部分が溶け、小さなくぼみができる。これを繰り返すことで所望の空隙を形成できる。また、ガラスなどの非金属の放電加工では、電解液法が用いられる。電解液中で加工対象物に先端の尖った第一の電極を接触させ、同じ液中に浸した大面積の第二の電極との間に電圧を印加する。すると、電解液と第二の電極間に放電が発生し、この熱で加工対象物と第一の電極の接触点が溶ける。これを続けると所望の形状に加工することができる。放電加工の特徴は、半導体プロセスを利用したエッチング加工に比べ、設備が簡単なことと、いろいろな材料を選択できるという利点がある。従って、安価な音響整合部材を提供することができる。
【００３２】
また、図２に示した空隙を有する薄膜構造体は、レーザ加工を利用しても形成することができる。レーザ加工の特徴は、レーザ光の指向性、高出力性を利用して材料加工を行う点である。レーザ光をレンズなどで収束すると、その焦点位置のパワー密度は非常に高くなる。ここに加工対象物をおくと非常に高温に加熱され、瞬間的に蒸発されることができる。レーザ加工はこのように、非接触で加工を行うもので、対象物を傷つけることなく加工を行うことができる。本実施例の薄膜構造体のように微細加工が必要な場合にはＹＡＧレーザが用いられることが多い。実際にＹＡＧレーザは集積回路の抵抗トリミングなどに用いられている。
【００３３】
また、本実施例では、薄膜構造体１１を音の伝播方向に積層している。本実施例のように超音波を気体中に出力するための音響整合部材は、従来例においても説明しているように、密度が小さく、音速も遅いので、結果的に音の伝播方向の厚さが極めて薄くなる。従って、少ない数の薄膜構造体で音響整合部材を形成することができる。
【００３４】
（実施例２）
図６は本発明の実施例２である音響整合部材の断面図を示している。図６に示すように、薄膜構造体３１が音の伝播方向と直交して積層された構成になっている。空隙３２は薄膜構造体を貫通するように形成されている。薄膜構造体３１は実施例１と同様にシリコン単結晶を主材料としている。
【００３５】
図７は、薄膜構造体３１の断面図を示している。図７に示すように、薄膜構造体３１には空隙３２が多数設けられている。空隙３２は実施例１と同様に、半導体プロセスを応用したエッチング加工で構成されているが、貫通するまで加工されている。実施例１と異なる点は、音の伝播経路に薄膜構造体の接触部分がなく、初めからつながっていることである。
【００３６】
以上のように、空隙を有する薄膜構造体を音の伝播方向と直交して積層することにより、音の伝播経路に音の伝播経路のバラツキを抑え、音の出力のバラツキを低減できる。
【００３７】
【発明の効果】
以上のように、請求項１から３に記載の発明によれば、音響整合部材を構成する薄膜構造体の空隙を、微細加工技術で形成することにより、空隙の形状、配置を設計できるので、音響整合部材の密度バラツキと、音の出力のバラツキを低減できる。
【００３８】
また、請求項４に記載の発明によれば、薄膜構造体を音の伝播方向に積層するので、少ない数の薄膜構造体で音響整合部材を構成できることになり、安価な音響整合部材を提供できる。
【００３９】
また、請求項５に記載の発明によれば、薄膜構造体を音の伝播方向と直交して積層するので、音の伝播経路が全てつながることになり、音の出力のバラツキを低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１における音響整合部材の断面図
【図２】同薄膜構造体の上面図
【図３】同薄膜構造体の第一の製造プロセスを示す図
【図４】同薄膜構造体の第二の製造プロセスを示す図
【図５】同薄膜構造体の第三の製造プロセスを示す図
【図６】本発明の実施例２の一例である音響整合部材の断面図
【図７】同薄膜構造体のの断面図
【図８】音響インピーダンスと振動のエネルギーの透過の割合を示す特性図
【図９】音響整合部材の最適な長さが波長の１／４になることを説明するための概念図
【図１０】従来の音響整合部材の断面図
【符号の説明】
１１、３１  薄膜構造体
１２、３２  空隙
２２  エッチングマスク
【図１】
0004439769.tif 000003
【図２】
0004439769.tif 000004
【図３】
0004439769.tif 000005
【図４】
0004439769.tif 000006
【図５】
0004439769.tif 000007
【図６】
0004439769.tif 000008
【図７】
0004439769.tif 000009
【図８】
0004439769.tif 000010
【図９】
0004439769.tif 000011
【図１０】
0004439769.tif 000012