DE112018007111T5

DE112018007111T5 - Vorrichtung zur Erzeugung von Schallwellen durch thermische Anregung und System zur Erzeugung von Schallwellen

Info

Publication number: DE112018007111T5
Application number: DE112018007111.1T
Authority: DE
Inventors: Shinichi Sasaki; Takaaki Asada
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2018-02-19
Filing date: 2018-08-30
Publication date: 2020-10-29
Also published as: US11561297B2; US20200292683A1; WO2019159401A1; CN111527757A; CN111527757B; JP7014286B2; JPWO2019159401A1

Abstract

Es werden eine Vorrichtung zur Erzeugung von Schallwellen durch thermische Anregung und ein System zur Erzeugung von Schallwellen bereitgestellt, die die Effizienz, mit der eine Schallwelle erzeugt wird, verbessern. Eine Vorrichtung (100) zur Erzeugung von Schallwellen durch thermische Anregung umfasst ein erstes Heizelement (13), ein Substrat (11), das eine Hauptoberfläche aufweist, entlang der das erste Heizelement angeordnet ist, und einen Gegenkörper (21), der dem Substrat zugewandt ist, wobei das erste Heizelement dazwischen angeordnet ist. Das Substrat und der Gegenkörper definieren einen Weg (40) für eine Schallwelle. Eine Länge (Ly) des Weges liegt nahe einem ganzzahligen Vielfachen von 1/4 einer Wellenlänge der Schallwelle.

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von Schallwellen durch thermische Anregung und ein System zur Erzeugung von Schallwellen, die durch Erwärmen von Luft eine Schallwelle erzeugen.
STAND DER TECHNIK
Das Patentdokument 1 offenbart eine Vorrichtung zur Erzeugung von Schallwellen durch thermische Anregung, die ein wärmeleitendes Substrat, eine thermische Isolierschicht, die auf einer Oberfläche des Substrats ausgebildet ist, und einen Heizelement-Dünnfilm, der ein Widerstand ist, der auf der thermischen Isolierschicht ausgebildet ist und der unter Verwendung eines Signalwechselstroms elektrisch betrieben wird, umfasst. Die Vorrichtung zur Erzeugung von Schallwellen enthält einen Helmholtz-Resonator auf dem Heizelement-Dünnfilm. Der Helmholtz-Resonator umfasst einen Resonanzkasten, der einen Raum über dem Heizelement-Dünnfilm abdeckt, und einen Kanal mit einem Durchgangsloch, das in der Decke des Resonanzkastens ausgebildet ist. In diesem Fall tritt die Helmholtzresonanz im Inneren des Resonanzkastens auf. Die Eigenfrequenz wird durch das Volumen (entsprechend einer Federkonstante) des Resonanzkastens und die Masse einer Luftsäule im Kanal definiert. Dementsprechend werden das Volumen des Resonanzkastens und die Form des Kanals so bestimmt, dass sich eine gewünschte Frequenz in einem hörbaren Frequenzband ergibt. Auf diese Weise wird auf effiziente Weise eine Schallwelle erzeugt, die eine niedrige Frequenz im hörbaren Frequenzband hat.
Literaturliste
Patent-Dokument
Patentdokument 1: Veröffentlichung der japanischen ungeprüften Patentanmeldung Nr. 2008-167252
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Technisches Problem
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Vorrichtung zur Erzeugung von Schallwellen durch thermische Anregung und eines Systems zur Erzeugung von Schallwellen, die den Wirkungsgrad, mit dem eine Schallwelle erzeugt wird, verbessern.
Lösung des Problems
Eine Vorrichtung zur Erzeugung von Schallwellen durch thermische Anregung gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst ein erstes Heizelement, ein Substrat, das eine Hauptoberfläche aufweist, entlang der das erste Heizelement angeordnet ist, und einen Gegenkörper, der dem Substrat zugewandt ist, wobei das erste Heizelement dazwischen angeordnet ist. Das Substrat und der Gegenkörper definieren einen Weg für eine Schallwelle. Eine Länge des Weges ist nahe an einem ganzzahligen Vielfachen von 1/4 einer Wellenlänge der Schallwelle.
Ein System zur Erzeugung von Schallwellen gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst eine Vorrichtung zur Erzeugung von Schallwellen durch thermische Anregung, die eine Schallwelle erzeugt, und eine Treibervorrichtung, die ein Treibersignal an die Vorrichtung zur Erzeugung von Schallwellen liefert. Die Wellenlänge der Schallwelle wird durch das Treibersignal definiert.
Vorteilhafte Effekte der Erfindung
Eine Vorrichtung zur Erzeugung von Schallwellen durch thermische Anregung und ein System zur Erzeugung von Schallwellen gemäß der vorliegenden Erfindung können die Effizienz, mit der eine Schallwelle erzeugt wird, verbessern.
Figurenliste

1 ist eine perspektivische Ansicht des Aufbaus einer Vorrichtung Vorrichtung zur Erzeugung von Schallwellen durch thermische Anregung gemäß einer ersten Ausführungsform.
2 ist ein Schnitt durch die Vorrichtung zur Erzeugung von Schallwellen durch thermische Anregung gemäß der ersten Ausführungsform.
3 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung der Vorrichtung zur Erzeugung von Schallwellen durch thermische Anregung gemäß der ersten Ausführungsform.
4 zeigt Diagramme zur Beschreibung der Länge eines Innenraums in einer Richtung, in der sich eine Schallwelle in der Vorrichtung zur Erzeugung von Schallwellen durch thermische Anregung gemäß der ersten Ausführungsform ausbreitet.
5 ist ein Schaltbild eines schallwellenerzeugenden Systems gemäß der ersten Ausführungsform.
6 zeigt die Periode der Schallwelle in der Vorrichtung zur Erzeugung von Schallwellen durch thermische Anregung gemäß der ersten Ausführungsform.
7 ist ein Graph, der das Ergebnis einer Simulation der Vorrichtung zur Erzeugung von Schallwellen durch thermische Anregung gemäß der ersten Ausführungsform darstellt.
8 ist ein Graph, der einen Messwert der Vorrichtung zur Erzeugung von Schallwellen durch thermische Anregung gemäß der ersten Ausführungsform darstellt.
9 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung des Aufbaus Vorrichtung zur Erzeugung von Schallwellen durch thermische Anregung gemäß einer zweiten Ausführungsform.
10 sind Diagramme zur Beschreibung der Länge eines Innenraums in einer Richtung, in der sich eine Schallwelle in der Vorrichtung zur Erzeugung von Schallwellen durch thermische Anregung gemäß der zweiten Ausführungsform ausbreitet.
11 ist eine perspektivische Ansicht einer Modifikation der Vorrichtung zur Erzeugung von Schallwellen durch thermische Anregung.
12 ist eine perspektivische Ansicht einer Modifikation der Vorrichtung zur Erzeugung von Schallwellen durch thermische Anregung.
13 ist eine perspektivische Ansicht einer Modifikation der Vorrichtung zur Erzeugung von Schallwellen durch thermische Anregung.
14 ist eine perspektivische Ansicht einer Modifikation der Vorrichtung zur Erzeugung von Schallwellen durch thermische Anregung.
15 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung der Schallwellen erzeugenden Vorrichtung gemäß in 14.
16 ist eine perspektivische Ansicht einer Modifikation der Vorrichtung zur Erzeugung von Schallwellen durch thermische Anregung.
17 ist eine perspektivische Ansicht einer Modifikation der Vorrichtung zur Erzeugung von Schallwellen durch thermische Anregung.
18 ist eine Schnittdarstellung der Vorrichtung zur Erzeugung von Schallwellen durch thermische Anregung gemäß 17.

BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Eine Vorrichtung zur Erzeugung von Schallwellen durch thermische Anregung und ein System zur Erzeugung von Schallwellen gemäß der vorliegenden Erfindung verwenden Luftsäulenresonanz, um den Wirkungsgrad, mit dem eine Schallwelle erzeugt wird, zu verbessern. Vorrichtungen zur Erzeugung von Schallwellen durch thermische Anregung und ein System zur Erzeugung von Schallwellen gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden unter Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
Es versteht sich von selbst, dass die Ausführungsformen nur beispielhaft beschrieben werden und dass die bei den verschiedenen Ausführungsformen beschriebenen Strukturen teilweise ersetzt oder kombiniert werden können. Bei Beschreibungen einer zweiten und weiterer Ausführungsformen wird auf eine Beschreibung von Gemeinsamkeiten mit denen gemäß einer ersten Ausführungsform verzichtet, und es werden nur Unterschiede beschrieben. Insbesondere werden nicht für jede Ausführungsform die gleichen Wirkungen beschrieben, die durch die gleichen Strukturen erzielt werden.
(Erste Ausführungsform)
Aufbau
Der Aufbau einer Schallwellen erzeugenden Einrichtung gemäß der ersten Ausführungsform wird unter Bezug auf die 1 bis 3 beschrieben. 1 ist eine perspektivische Darstellung des Aufbaus einer Vorrichtung 100 zur Erzeugung von Schallwellen durch thermische Anregung gemäß der vorliegenden Ausführungsform. 2 ist ein Schnitt durch die Schallwellen erzeugende Vorrichtung 100 entlang der Linie A-A' in 1. 3 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung der Schallwellen erzeugenden Vorrichtung 100 von 1. Die Vorrichtung 100 zur Erzeugung von Schallwellen durch thermische Anregung ist ein Thermophon, das durch abwechselndes wiederholtes Erwärmen und Abkühlen von Luft die Luft dünn oder dick macht und eine Druckwelle der Luft, d.h. eine Schallwelle, erzeugt. Die Schallwellen erzeugende Vorrichtung 100 kann z.B. für einen Abstandssensor verwendet werden, z.B. einen Ultraschallsensor, der eine Ultraschallwelle auf ein Objekt ausstrahlt und eine reflektierte Welle empfängt, um einen Abstand zum Objekt zu erfassen, oder einen Näherungssensor.
Die Schallwellen erzeugende Vorrichtung 100 enthält eine erste Schallwellenquelle 10, eine zweite Schallwellenquelle 20 und ein Elektrodenpaar 30a und 30b, das zwischen der ersten Schallwellenquelle 10 und der zweiten Schallwellenquelle 20 angeordnet ist.
Die erste Schallwellenquelle 10 umfasst ein Substrat 11, eine Wärmedämmschicht 12, die auf einer Hauptoberfläche des Substrats 11 angeordnet ist, und ein Heizelement 13, das auf einer vom Substrat 11 entfernt liegenden Hauptoberfläche der Wärmedämmschicht 12 angeordnet ist. Die zweite Schallwellenquelle 20 umfasst einen Gegenkörper 21, eine Wärmedämmschicht 22, die auf einer Hauptoberfläche des Gegenkörpers 21 angeordnet ist, und ein Heizelement 23, das auf einer Hauptoberfläche der Wärmedämmschicht 22 entfernt von dem Gegenkörper 21 angeordnet ist. Das Elektrodenpaar 30a und 30b hält die zweite Schallwellenquelle 20 über der ersten Schallwellenquelle 10. Die erste Schallwellenquelle 10 und die zweite Schallwellenquelle 20 sind so angeordnet, dass die Heizelemente 13 und 23 einander zugewandt sind. Die Heizelemente 13 und 23 sind elektrisch mit den gemeinsamen Elektroden 30a und 30b verbunden.
Das Substrat 11 und der Gegenkörper 21 sind isolierende Substrate, die eine flache Plattenform haben. Das Substrat 11 und der Gegenkörper 21 bestehen z.B. aus Si oder Al₂O₃. Beispiele für das Substrat 11 und den Gegenkörper 21 können ein Keramiksubstrat wie ein Aluminiumoxidsubstrat, ein Glassubstrat mit ausgezeichneten Wärmeableitungseigenschaften und eine Leiterplatte sein. Die Wärmedämmschichten 12 und 22 bestehen aus Glasur, porösem Si oder SiO₂. Zum Beispiel haben die Wärmedämmschichten 12 und 22 eine Wärmeleitfähigkeit, die geringer ist als die Wärmeleitfähigkeit des Substrats 11 und des Gegenkörpers 21. Beispiele für die Heizelemente 13 und 23 können einen Leiter wie einen Ag-, Ag/Pd- oder RuO₂-Leiter, einen Metallfilm wie einen Au- oder Pt-Film oder ein Kohlenstoffnanoröhrchen oder -blatt umfassen. Zum Beispiel haben die Heizelemente 13 und 23 eine spezifische Wärme von 500 oder weniger [J/kg°C] und eine Wärmeleitfähigkeit von 50 oder mehr [W/mK]. Beispielsweise kann der Musterdruck so ausgeführt werden, dass die Heizelemente 13 und 23 verschiedene Formen auf den Hauptoberflächen des Substrats 11 und des Gegenkörpers 21 aufweisen. Die Elektroden 30a und 30b bestehen aus einem leitfähigen Material wie Ag, Ag/Pd, Sn, AI, Au oder Cu. Die Elektroden 30a und 30b werden z.B. mit leitfähigem Klebstoff auf die Heizelemente 13 und 23 geklebt.
Zwischen der ersten Schallwellenquelle 10 und der zweiten Schallwellenquelle 20 sowie zwischen den Elektroden 30a und 30b wird ein Innenraum 40 (im Folgenden auch als „Weg“ bezeichnet) gebildet. Das Elektrodenpaar 30a und 30b ist in Y-Richtung zwischen der ersten Schallwellenquelle 10 und der zweiten Schallwellenquelle 20 angeordnet. Das Elektrodenpaar 30a und 30b schließt also den Innenraum 40 in einer X-Richtung ab. Die Öffnungen 41a und 41b werden zwischen der ersten Schallwellenquelle 10 und der zweiten Schallwellenquelle 20 entlang einer Vorderseite und einer Rückseite der Schallwellen erzeugenden Vorrichtung 100 in 1 und 3 gebildet. Die Öffnungen 41a und 41b haben eine rechteckige Form. Der Innenraum 40 hat eine viereckige Prismenform, so dass sich die rechteckige Form der Öffnungen 41a und 41b in Y-Richtung erstreckt. Die Öffnungen 41a und 41b entsprechen den offenen Enden (sog. freien Enden) des Innenraumes 40.
Wenn den Heizelementen 13 und 23 über die Elektroden 30a und 30b elektrische Ströme (im Folgenden auch als „Treiberströme“ bezeichnet) zugeführt werden, um die Heizelemente 13 und 23 zur Wärmeerzeugung zu veranlassen, erzeugen die Heizelemente 13 und 23 Wärme. Wenn die Heizelemente 13 und 23 Wärme erzeugen, wird Luft in der Nähe der Heizelemente 13 und 23 erwärmt und expandiert. Nachdem die Zufuhr der Treiberströme zu den Heizelementen 13 und 23 gestoppt wird, sinken die Temperaturen der Heizelemente 13 und 23, da das Substrat 11 und der Gegenkörper 21 die Wärme der Heizelemente 13 und 23 abführen. Folglich wird die Luft in der Nähe der Heizelemente 13 und 23 abgekühlt und kontrahiert. Durch die Ausdehnung und die Kontraktion der Luft wird im Innenraum 40 eine Luftdruckwelle (d.h. eine Schallwelle) erzeugt. Die Druckwelle tritt durch die Öffnungen 41a und 41b aus. Der Innenraum 40 fungiert somit als Weg für die Druckwelle (d.h. die Schallwelle), die im Innenraum 40 erzeugt wird.
Die Druckwelle neigt dazu, in alle Richtungen zu diffundieren. Das Substrat 11 und der Gegenkörper 21 sind jedoch in der Höhenrichtung (Z-Richtung) des Innenraumes 40 angeordnet, und die Diffusion in Höhenrichtung ist eingeschränkt. Die einander zugewandten Hauptoberflächen des Substrats 11 und des Gegenkörpers 21, d.h. die obere Fläche des Substrats 11 und die untere Fläche des Gegenkörpers 21, sind eben. Mit anderen Worten, eine obere Fläche 15 der ersten Schallwellenquelle 10 und eine untere Fläche 25 der zweiten Schallwellenquelle 20 sind flach. Dadurch wird das Auftreten von Diffusion in einer unerwünschten Richtung verhindert. Die Ebenheit der oberen Fläche des Substrats 11 und der unteren Fläche des Gegenkörpers 21 weist eine Variation von 1/3 oder weniger eines konstruierten Trennungsabstands auf (entsprechend der Höhe L_z des Innenraums 40).
Eine Länge L_y des Innenraums 40 in einer Richtung (Y-Richtung) zwischen der Öffnung 41a und der Öffnung 41b, d.h. die Länge des Weges, wird durch die Längen des Substrats 11 und des Gegenkörpers 21 in Y-Richtung definiert. Die Höhe L_z des Innenraumes 40 ist definiert durch die Dicken der Elektroden 30a und 30b und die Dicke des Leitklebers, mit dem die Elektroden 30a und 30b und die Heizelemente 13 und 23 aneinander haften. Die Höhe L_z des Innenraumes 40 ist kleiner als die Länge L_y. Zum Beispiel ist L_z kleiner als 1/10 der Länge L_y. Konkret beträgt L_z 1 mm oder weniger. L_z kann 1/100 von L_y betragen. Konkret kann L_z etwa 0,16 mm betragen. Dies schränkt die Diffusion der Druckwelle in der Höhenrichtung ein und erleichtert die Diffusion in der horizontalen Richtung.
Unter der Einschränkung der Diffusion in der Höhenrichtung neigt die Druckwelle dazu, in horizontaler Richtung zu diffundieren, d.h. in der Richtung (Y-Richtung) zwischen der Öffnung 41a und der Öffnung 41b und in der Richtung (X-Richtung) zwischen den Elektroden 30a und 30b. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform sind die Elektroden 30a und 30b jedoch so angeordnet, dass sie den Innenraum 40 in X-Richtung verschließen, und die Elektroden 30a und 30b wirken als Reflektoren, die die Druckwelle in X-Richtung im Innenraum 40 reflektieren. Dementsprechend wird die Druckwelle, die im Innenraum 40 in horizontaler Richtung diffundiert, an den Innenflächen der Elektroden 30a und 30b reflektiert und tritt durch die Öffnungen 41a und 41b aus. Dies bedeutet, dass die Energie der Druckwelle, die in Richtungen außer der Richtung (Y-Richtung) zwischen den Öffnungen 41a und 41b fließt, entlang der Elektroden 30a und 30b zu den Öffnungen geleitet werden kann. Dementsprechend nimmt die Energie der Druckwelle, die über die Öffnungen 41a und 41b abgegeben wird, zu. Die Schallwelle, d.h. die Druckwelle, fließt in der Richtung (Y-Richtung) zwischen den Öffnungen 41a und 41b.
4(a) ist eine Draufsicht auf die Schallwellen erzeugende Vorrichtung 100. 4(b) veranschaulicht die Wellenform der Schallwelle, die die Druckwelle ist und die im Innenraum 40 erzeugt wird.
Die Schallwellen erzeugende Vorrichtung 100 hat eine offene Röhrenstruktur, die von der ersten Schallwellenquelle 10, der zweiten Schallwellenquelle 20 und den Elektroden 30a und 30b gebildet wird. Die Schallwellen erzeugende Vorrichtung 100 bewirkt eine Luftsäulenresonanz im Innenraum 40 und erhöht eine Änderung des Luftdrucks, d.h. des Schalldrucks. Die Luftsäulenresonanz entsteht durch Überlagerung von Wellen bei einer Eigenfrequenz, die durch die Länge L_y zwischen den Öffnungen 41a und 41b bestimmt wird. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird die Länge L_y des Innenraumes 40 zwischen den Öffnungen 41a und 41b als eine Länge bestimmt, bei der die Luftsäulenresonanz auftritt. Konkret werden, wie in Formel (1) definiert, die Längen des Substrats 11 und des Gegenkörpers 21 in Y-Richtung so bestimmt, dass die Länge L_y des Innenraumes 40 zwischen den Öffnungen 41a und 41b nahe dem n-fachen (n ist eine ganze Zahl, und n ist z.B. 1, 2 oder 3) der halben Wellenlänge λ/2 der Druckwelle, die im Innenraum 40 erzeugt wird, liegt. Es wird z.B. bestimmt, dass n = 1 ist. Die Wellenlänge λ der Druckwelle wird in Abhängigkeit von der Größe einer Periode (Pulsperiode Tp in 6) bestimmt, bei der die Treiberströme den Heizelementen 13 und 23 wie später beschrieben zugeführt werden.
[Formel 1] $L_{y} = \frac{λ}{2} \times n$
Betrieb
Die gesamte Funktionsweise eines Schallwellen erzeugenden Systems 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird anhand von 5 bis 8 beschrieben.
5 ist ein Schaltbild der Schallwellen erzeugenden Vorrichtung 100 und einer Treibervorrichtung 200, die die Schallwellen erzeugende Vorrichtung 100 ansteuert. Das Schallwellen erzeugenden System 1 umfasst die Schallwellen erzeugende Vorrichtung 100 und die Treibervorrichtung 200. In 5 ist das Heizelement 13 der ersten Schallwellenquelle 10 ein Widerstand mit dem Widerstandswert R1. Das Heizelement 23 der zweiten Schallwellenquelle 20 ist ein Widerstand mit dem Widerstandswert R2.
Die Treibervorrichtung 200 umfasst eine Gleichstromversorgung 201, eine Impulstreiberschaltung 202, einen MOSFET 203, einen Kondensator 204 und einen Widerstand 205.
Das Gleichstromnetzteil 201 gibt Gleichspannung aus. Das Gleichstromnetzteil 201 enthält z.B. verschiedene Arten von Stromversorgungsschaltungen und/oder eine Batterie. Beispiele für die verschiedenen Arten von Stromversorgungsschaltungen sind ein AC/DC-Wandler, ein DC/DC-Wandler, ein Regler und eine Batterie.
Die Impulstreiberschaltung 202 ist mit dem Gate des MOSFET 203 verbunden und treibt den MOSFET 203 an. Die Impulstreiberschaltung 202 enthält z.B. einen Oszillator. Die Impulstreiberschaltung 202 erzeugt ein Impulssignal Sp, das z.B. eine Einschaltspannung Vein oder eine Ausschaltspannung Vaus darstellt, basierend auf der Periode und einem Tastverhältnis, die im Voraus bestimmt werden (siehe 6). Gemäß der vorliegenden Ausführungsform erzeugt die Impulstreiberschaltung 202 das Impulssignal Sp, das z.B. eine Burstwelle Wb von Wellen (z.B. 2 bis 5 Wellen) mit einem Tastverhältnis von 50% zur Nutzung der Resonanz enthält. Folglich wird im Innenraum 40 eine stehende Welle (Schallwelle) der Luft erzeugt. Die Schallwellen erzeugende Vorrichtung 100 wird in Abhängigkeit vom Impulssignal Sp angesteuert. Dementsprechend wird das Impulssignal Sp gemäß der vorliegenden Ausführungsform auch als „Treibersignal“ zur Ansteuerung der Schallwellen erzeugenden Vorrichtung 100 bezeichnet. Die Impulstreiberschaltung 202 steuert das Ein- und Ausschalten des MOSFET 203 mit Hilfe des Impulssignals Sp.
Der MOSFET 203 wird zwischen die Elektrode 30a und ein niederdruckseitiges Ende der Gleichstromversorgung 201 geschaltet. Beispielsweise ist die Quelle des MOSFET 203 geerdet. Der Drain des MOSFET 203 ist mit der Elektrode 30a verbunden. Der MOSFET 203 ist ein Beispiel für ein Schaltelement, das das Ein- und Ausschalten von Treiberströmen I steuert, die zu den Heizelementen 13 und 23 fließen. In 5 wird ein n-Typ-MOSFET 203 als Schaltelement verwendet.
Der Kondensator 204 ist parallel zu einer Reihenschaltung der Heizelemente 13 und 23 und des MOSFET 203 zwischen dem Widerstand 205 und dem niederdruckseitigen Ende der Gleichstromversorgung 201 geschaltet. Beispiele für den Kondensator 204 sind ein Elektrolytkondensator und ein Keramikkondensator.
Der Widerstand 205 wird zwischen ein hochdruckseitiges Ende der Gleichstromversorgung 201 und den Kondensator 204 geschaltet. Der Widerstand 205 hat den Widerstandswert R3. Der Widerstand 205 ist ein Beispiel für ein Widerstandselement, das elektrische Ströme drosselt, die von der Gleichstromversorgung 201 zu den Heizelementen 13 und 23 fließen.
Bei der Treibervorrichtung 200, die den obigen Aufbau aufweist, gibt die Impulstreiberschaltung 202 das Impulssignal Sp an das Gate des MOSFET 203 für die Impulsansteuerung des MOSFET 203 aus. Der MOSFET 203 wird eingeschaltet (leitend), wenn das Impulssignal Sp die Einschaltspannung Vein darstellt, und wird ausgeschaltet (nicht leitend), wenn das Impulssignal Sp die Ausschaltspannung Vaus darstellt.
Solange der MOSFET 203 ausgeschaltet ist, fließen keine elektrischen Ströme zu den Heizelementen 13 und 23, und die Heizelemente 13 und 23 erzeugen keine Wärme. Zu diesem Zeitpunkt wird die Gleichspannung aus dem Gleichstromnetzteil 201 über den Widerstand 205 an den Kondensator 204 angelegt, und der Kondensator 204 wird geladen.
Während der MOSFET 203 eingeschaltet ist, wird der Kondensator 204 entladen, elektrische Ströme fließen vom Kondensator 204 zu den Heizelementen 13 und 23, und die Heizelemente 13 und 23 erzeugen Wärme. Die Heizelemente 13 und 23 erzeugen die Wärme in Abhängigkeit von den Größen der fließenden elektrischen Ströme I₁ und I₂. Beispielsweise wird der Widerstandswert R3 des Widerstandes 205 so weit erhöht, dass die elektrischen Ströme, die von der Gleichstromversorgung 201 zu den Heizelementen 13 und 23 fließen, gegenüber den elektrischen Strömen, die vom Kondensator 204 zu den Heizelementen 13 und 23 fließen, vernachlässigt werden können. Folglich fließen selbst dann, wenn der MOSFET 203 eingeschaltet ist und ein geschlossener Stromkreis der Gleichstromversorgung 201, des Widerstandes 205, der Heizelemente 13 und 23 und des MOSFET 203 gebildet wird, nur selten elektrische Ströme von der Gleichstromversorgung 201 zu den Heizelementen 13 und 23. Dementsprechend werden die Heizelemente 13 und 23 nicht überhitzt, und die Sicherheit der Schallwellen erzeugenden Vorrichtung 100 kann z.B. verbessert werden, auch wenn der MOSFET 203 aufgrund einer Fehlfunktion immer eingeschaltet ist.
Die Luft wird in einer Weise expandiert und kontrahiert, in der der MOSFET 203 weiterhin abwechselnd ein- und ausgeschaltet wird, um weiterhin abwechselnd einen Zustand zu erzeugen, in dem die Luft um die Heizelemente 13 und 23 erwärmt wird, und einen Zustand, in dem die Luft nicht erwärmt wird. Folglich wird die Schallwelle erzeugt.
Die Periode der Schallwelle, die von der Schallwellen erzeugenden Vorrichtung 100 durch den Betrieb der Treibereinrichtung 200 erzeugt wird, wird anhand von 6 beschrieben. In 6 sind Zeitdiagramme dargestellt, die die Periode der Schallwelle veranschaulichen. 6(a) zeigt einen Zeitablauf, mit dem das Impulssignal Sp in den MOSFET 203 der Treibervorrichtung 200 eingegeben wird. In 6(a) stellt die horizontale Achse die Zeit (s) und die vertikale Achse die Spannung (V) dar. 6(b) zeigt einen Zeitablauf, mit dem die Schallwelle von der Schallwellen erzeugenden Vorrichtung 100 ausgegeben wird. In 6(b) stellt die horizontale Achse die Zeit (s) und die vertikale Achse den Schalldruck (Pa) dar.
Wie in 6(a) dargestellt, zeigt das Impulssignal Sp, das in das Gate des MOSFET 203 eingespeist wird, die Ausschaltspannung Vaus vor der Zeit t1. Zu diesem Zeitpunkt ist der Kondensator 204 fast vollständig geladen.
Zum Zeitpunkt t1 steigt das Impulssignal Sp auf die Einschaltspannung Vein ( 6(a)), und der MOSFET 203 wird eingeschaltet. Der Kondensator 204 beginnt dann mit der Entladung und bewirkt, dass elektrische Ströme I zu den Heizelementen 13 und 23 fließen. Zu diesem Zeitpunkt steigen die Temperaturen der Heizelemente 13 und 23 an, und die Heizelemente 13 und 23 erwärmen die Luft um sie herum. Infolgedessen wird die Luft im Innenraum 40 thermisch expandiert, und der Druck (d.h. der Schalldruck) der Luft steigt von einem konstanten Wert P0 an, wie in 6(b) dargestellt.
In einer Periode Tein (im Folgenden auch als „Pulsbreite“ bezeichnet), während der der MOSFET 203 eingeschaltet ist, werden die elektrischen Ströme I aufgrund der Entladung des Kondensators 204 kontinuierlich den Heizelementen 13 und 23 zugeführt. In der Periode Tein ist die Schwankung der Temperatur der Luft im Innenraum 40 stabil, und der Schalldruck kehrt auf den konstanten Wert P0 zurück (6(b)).
Zum Zeitpunkt t2, nachdem die Einschaltperiode Tein seit dem Zeitpunkt t1 verstrichen ist, fällt das Impulssignal Sp auf die Ausschaltspannung Vaus ab ( 6(a)), und der MOSFET 203 wird ausgeschaltet. Folglich hört der Kondensator 204 mit der Entladung auf, und die Zufuhr der elektrischen Ströme I zu den Heizelementen 13 und 23 wird gestoppt. Zu diesem Zeitpunkt erzeugen die Heizelemente 13 und 23 keine Wärme, und die Luft wird mit abnehmender Temperatur abgekühlt. Infolgedessen zieht sich die Luft im Innenraum 40 zusammen, und der Schalldruck sinkt vom konstanten Wert P0 ab, wie in 6(b) dargestellt. Anschließend kehrt der Schalldruck auf den stationären Wert P0 zurück.
Das Impulssignal Sp enthält die Burstwelle Wb mit Pulsen (z.B. 2 bis 5 Wellen), die für jede Pulsperiode Tp (= Tein + Taus) erzeugt werden und zum Zeitpunkt t3 wieder ansteigen. Der Schalldruck steigt oder fällt in Abhängigkeit von der Ein-Periode Tein und der Aus-Periode Taus der Pulse des Impulssignals Sp, und es wird die Schallwelle mit einer von der Pulsperiode Tp abhängigen Periode Ts erzeugt (6(b)).
Das Impulssignal Sp wird nach der Burstwelle Wb auf der Aus-Spannung Vaus gehalten. Während der MOSFET 203 ausgeschaltet ist, wird der Kondensator 204 geladen. Zum Zeitpunkt t4, nachdem eine vorbestimmte Burstperiode Tb seit dem Zeitpunkt t1 verstrichen ist, steigt das Impulssignal Sp wieder an (6(a)). Folglich wird die Schallwelle in Abhängigkeit von der Burstwelle Wb auf die gleiche Weise wie oben beschrieben kontinuierlich erzeugt.
Das Schallwellenerzeugungssystem 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann also die Schallwelle mit den Impulsen in Abhängigkeit von der Burstwelle Wb des Impulssignals Sp für jede Burstperiode Tb erzeugen, wie in 6(b) dargestellt.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform erfüllt die Frequenz f_s der Schallwelle, die von der Schallwellen erzeugenden Vorrichtung 100 erzeugt wird, die Bedingung f_s = 1/Ts. Die Pulsfrequenz f_p der Pulse der Burstwelle Wb des Impulssignals Sp erfüllt f_p = 1/Tp. Die Periode Ts der Schallwelle, die von der Schallwellen erzeugenden Vorrichtung 100 erzeugt wird, wird in Abhängigkeit von der Größe der Impulsperiode Tp des Impulssignals Sp bestimmt, und die Frequenz f_s der Schallwelle wird in Abhängigkeit von der Impulsfrequenz f_p bestimmt. Das heißt, die Wellenlänge λ der Schallwelle in Formel (1) wird durch die Pulsfrequenz f_p des Impulssignals Sp bestimmt.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform werden die Pulsfrequenz f_p der Burstwelle Wb des Impulssignals Sp und die Länge L_y des Innenraumes 40 zwischen den Öffnungen 41a und 41b in Abhängigkeit von der Frequenz f_s der auszugebenden Schallwelle bestimmt.
Da die Schallwellen erzeugende Vorrichtung 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform die offene Röhrenstruktur hat, hat die Luftsäule im Innenraum 40 eine Eigenfrequenz f_r in Abhängigkeit von der Länge L_y des Innenraumes 40 zwischen den Öffnungen 41a und 41b, die in Formel (2) definiert ist. In Formel (2) ist c die Schallgeschwindigkeit (346,5 m/sec bei 25 °C).
[Formel 2] $f_{r} = \frac{c}{2 L_{y}} \times n$
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird die Luftsäulenresonanz verwendet. Dementsprechend wird die Impulsfrequenz f_p der Burstwelle Wb des Impulssignals Sp so bestimmt, dass die Frequenz f_s der Schallwelle, die von der Schallwellen erzeugenden Vorrichtung 100 ausgegeben wird, gleich oder nahe der Eigenfrequenz f_r der Luftsäule im Innenraum 40 ist. In obiger Formel (2) beträgt die Eigenfrequenz f_r der Luftsäule, wenn zum Beispiel L_y = 4 mm und c = 346,5 m/sec ist, 43 kHz. In diesem Fall wird die Impulsfrequenz f_p der Burstwelle Wb des Impulssignals Sp so bestimmt, dass die Frequenz f_s der Schallwelle z.B. 43 kHz (f_s = f_r) beträgt.
7 zeigt das Ergebnis einer Simulation einer Schalldruckamplitude, wenn L_y = 4 mm, c = 346,5 m/sec, und die Frequenz einer kontinuierlichen Sinuswelle geändert wird und die Simulation durchgeführt wird, um die Wirkung der Resonanz zu prüfen. In 7 stellt die horizontale Achse die Frequenz (Hz) der Sinuswelle und die vertikale Achse die Schalldruckamplitude (beliebige Einheit) dar. In 7 stellt die durchgezogene Linie 71 die Schalldruckamplitude einer Schallwelle dar, die in der Schallwellen erzeugenden Vorrichtung 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform, d.h. mit der ersten Schallwellenquelle 10 und der zweiten Schallwellenquelle 20 einander zugewandt, erzeugt wird. Die gestrichelte Linie 72 stellt die Schalldruckamplitude einer Schallwelle dar, die von einer einzelnen Schallwellenquelle erzeugt wird, d.h. von einer vorhandenen Schallwellen-Erzeugungsvorrichtung, die keine einander zugewandte Struktur aufweist. In der Simulation liegt, wie durch die durchgezogene Linie 71 veranschaulicht, die Frequenz f_r1, bei der ein Spitzenwert der Schalldruckamplitude erreicht wird, nahe 34 kHz. Eine Halbwertsbreite in der Simulation in 7 beträgt 8 kHz. Wie die durchgezogene Linie 71 und die gestrichelte Linie 72 zeigen, ist das Maximum des Schalldrucks, das mit der Schallwellen erzeugenden Vorrichtung 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform erreicht werden kann, etwa 14-mal so groß wie bei der einzelnen Schallwellenquelle.
8 veranschaulicht den Messwert des Ausgangs eines MEMS-Mikrofons, wenn die Impulsfrequenz f_p der Burstwelle Wb von 5 Impulsen mit einem Tastverhältnis von 50 % in einer Umgebung mit etwa 25 °C (c = 346,5 m/sec) geändert wird, wobei das MEMS-Mikrofon in der Nähe eines offenen Endes der Schallwellen erzeugenden Vorrichtung 100 mit einer Länge L_y von 4 mm angeordnet ist. In 8 stellt die horizontale Achse die Pulsfrequenz f_p (kHz) dar, die 1/Tp entspricht. Die vertikale Achse stellt den Ausgang (beliebige Einheit) des Mikrofons dar. In 8 stellt die durchgezogene Linie 81 einen Ausgangswert im Falle der Schallwellen erzeugenden Vorrichtung 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform dar, d.h. mit der ersten Schallwellenquelle 10 und der zweiten Schallwellenquelle 20 einander zugewandt. Die gestrichelte Linie 82 stellt einen Ausgangswert im Fall der einzelnen Schallwellenquelle dar, d.h. der vorhandenen Schallwellenerzeugungseinrichtung ohne einander zugewandte Struktur. Wie durch die durchgezogene Linie 81 veranschaulicht, liegt der gemessene Wert der Frequenz f_r2, bei der ein Spitzenwert des Mikrofonausgangssignals erreicht wird, nahe bei 30 kHz. Bei der Messung in 8 beträgt die Halbwertsbreite 21 kHz.
In der Praxis kann man davon ausgehen, dass die Position (n × λ/2) eines Antiknotens der Druckwelle im Innenraum 40 etwas außerhalb der Öffnungen 41a und 41b liegt. Es kann auch angenommen werden, dass die Periode Ts der Schallwelle in einigen Fällen etwas länger als die Pulsperiode Tp des Impulssignals Sp ist. Dementsprechend stimmen, wie das Ergebnis der Simulation in 7 und der Messwert in 8 zeigen, die Frequenzen f_r1 (34 kHz) und f_r2 (30 kHz), bei denen die Wirkung der Luftsäulenresonanz maximiert ist, nicht unbedingt mit der Eigenfrequenz f_r (43 kHz) überein, die theoretisch mit Hilfe der Formel (2) berechnet wird, sondern liegen nahe der Eigenfrequenz f_r. Dementsprechend kann die Impulsfrequenz f_p unter Berücksichtigung einer Differenz zwischen der Impulsfrequenz f_p des Impulssignals Sp und der Eigenfrequenz f_r, die mit Hilfe von Formel (2) berechnet wird, bestimmt werden.
Die durchgezogene Linie 71 in 7 und die durchgezogene Linie 81 in 8 werden mit der gestrichelten Linie 72 in 7 und der gestrichelten Linie 82 in 8 verglichen. Aus dem Vergleich wird ersichtlich, dass die Hälfte des Spitzenwertes der berechneten Schalldruckamplitude und die Hälfte des Spitzenwertes der Mikrofonleistung höher sind als bei der Einzelschallwellenquelle. Das heißt, es kann verstanden werden, dass die Wirkung der Luftsäulenresonanz ausreichend erhalten wird, vorausgesetzt, dass die Frequenz f_s der Schallwelle im Bereich (z.B. ± 20 % von f_r) eines Wertes nahe der Eigenfrequenz f_r der Luftsäule liegt. Dementsprechend kann im System zur Erzeugung der Schallwelle 1 die Impulsfrequenz f_p des Impulssignals Sp so bestimmt werden, dass die in 7 dargestellte Schalldruckamplitude gleich oder größer als die Hälfte des Spitzenwertes ist, oder die Ausgangsleistung des in 8 dargestellten Mikrofons gleich oder größer als die Hälfte des Spitzenwertes ist. Mit anderen Worten, die Frequenz f_s der auszugebenden Schallwelle wird so bestimmt, dass die Frequenz f_s der Schallwelle f_s = (1 ± α) f_r (z.B. 0 ≤ α ≤ 0,2) in Bezug auf die Eigenfrequenz f_r der Luftsäule erfüllt. In dem Fall, dass die Frequenz f_s der Schallwelle mit α ≅ 0,2 bestimmt wird, hat die Länge L_y des Weges einen Fehlerspielraum, der zwischen etwa ± 20 % des n/2-fachen der Wellenlänge liegt, die der Eigenfrequenz f_r der Luftsäule entspricht.
Das Schallwellen erzeugende System 1 bestimmt also die Pulsfrequenz f_p des Impulssignals Sp und die Länge L_y zwischen den beiden Enden des Innenraumes 40 (d.h. des Weges) in Ausbreitungsrichtung der Schallwelle so, dass die Luftsäulenresonanz auftritt, basierend auf der Frequenz f_s der auszugebenden Schallwelle. Unter der Voraussetzung, dass das Schallwellen erzeugende System 1 die Wirkung der Luftsäulenresonanz nutzen kann, kann die Länge L_y des Innenraumes 40 zwischen den Öffnungen 41a und 41b in Abhängigkeit von der Pulsfrequenz f_p des Impulssignals Sp bestimmt werden. Zum Beispiel kann die Länge L_y innerhalb von ±20% eines Standardwertes bestimmt werden, der gleich dem n/2-fachen der Wellenlänge λ der Schallwelle ist, die durch das Impulssignal Sp definiert ist. Die Impulsfrequenz f_p des Impulssignals Sp kann in Abhängigkeit von der Länge L_y des Innenraumes 40 zwischen den Öffnungen 41a und 41b bestimmt werden.
Zusammenfassung
Die Vorrichtung 100 zur Erzeugung von Schallwellen durch thermische Anregung gemäß der vorliegenden Ausführungsform umfasst das Heizelement 13, das Substrat 11, das eine Hauptoberfläche aufweist, entlang der das Heizelement 13 angeordnet ist, und den Gegenkörper 21, der dem Substrat 11 mit dem dazwischen angeordneten Heizelement 13 zugewandt ist. Das Substrat 11 und der Gegenkörper 21 bilden den Innenraum 40, in dem die Schallwelle erzeugt wird, d.h. sie definieren den Weg für die Schallwelle. Die Länge L_y des Weges liegt nahe einem ganzzahligen Vielfachen von 1/4 der Wellenlänge der Schallwelle.
Ein Wert „nahe einem ganzzahligen Vielfachen von 1/4 der Wellenlänge der Schallwelle“ bedeutet einen Wert, der es ermöglicht, die Luftsäulenresonanz auf dem Weg zu nutzen, und der innerhalb eines vorgegebenen Bereichs liegt, wenn ein Standardwert das n/4-fache der Wellenlänge λ beträgt. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform sind die beiden Enden des Weges die offenen Enden. Dementsprechend ist die Länge L_y des Weges spezifisch nahe an einem ganzzahligen Vielfachen von 1/2 der Wellenlänge der Schallwelle. Der Bereich der Nähe umfasst ein ganzzahliges Vielfaches von 1/2 der Wellenlänge der Schallwelle bei der Frequenz f_s, die f_s = (1 ± α) f_r erfüllt (z.B. 0 ≤ α ≤ 0,2), wenn man von der Eigenfrequenz f_r der Luftsäule ausgeht. In diesem Fall tritt die Luftsäulenresonanz auf dem Weg auf, und die Effizienz, mit der die Schallwelle erzeugt wird, kann verbessert werden.
Der Trennungsabstand (d.h. die Höhe L_z des Innenraumes 40) zwischen dem Substrat 11 und dem Gegenkörper 21 ist kleiner als die Länge L_y des Weges. Dies schränkt die Diffusion der Druckwelle in Höhenrichtung auf dem Weg ein und erleichtert deren Diffusion in horizontaler Richtung.
Die Oberfläche des Substrats 11, die dem Gegenkörper 21 zugewandt ist, ist eben. Die Oberfläche des Gegenkörpers 21, die dem Substrat 11 zugewandt ist, ist flach. Dadurch wird das Auftreten von Diffusion in eine unerwünschte Richtung verhindert.
Ein Reflektorenpaar, das die Schallwelle reflektiert, ist entlang des Weges zwischen dem Substrat 11 und dem Gegenkörper 21 angeordnet. Der Weg ist zwischen dem Substrat 11 und dem Gegenkörper 21 sowie zwischen dem Reflektorenpaar definiert. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform fungiert das Elektrodenpaar 30a und 30b, das mit dem Heizelement 13 verbunden ist und den elektrischen Strom zum Heizelement 13 liefert, als Reflektorenpaar. Die Reflektoren ermöglichen es, die Energie der Druckwelle, die in Richtungen mit Ausnahme der Richtung (Y-Richtung) zu den Öffnungen fließt, zu den Öffnungen entlang der Reflektoren zu leiten. Folglich nimmt die Energie der Druckwelle, die von den Öffnungen abgegeben wird, zu.
Das Substrat 11 und der Gegenkörper 21 werden mit den Elektroden 30a und 30b gehalten, die als dazwischenliegende Reflektoren fungieren. Dadurch können die Elektroden 30a und 30b als Abstandshalter fungieren und der Weg zwischen der ersten Schallwellenquelle 10 und der zweiten Schallwellenquelle 20 definiert werden.
Das Heizelement 23 ist auf der dem Substrat 11 zugewandten Oberfläche des Gegenkörpers 21 angeordnet. Die Heizelemente 13 und 23 ermöglichen es, den Schalldruck der erzeugten Schallwelle zu erhöhen. Da sich die Heizelemente 13 und 23 zwischen der ersten Schallwellenquelle 10 und der zweiten Schallwellenquelle 20 befinden, die einander zugewandt sind, kann die Größe der Schallwellen erzeugenden Vorrichtung 100 verringert werden.
Das Heizelement 23 ist mit den gemeinsamen Elektroden 30a und 30b verbunden. Dadurch wird die Wirkung der Luftsäulenresonanz auch hinsichtlich der Druckwelle erreicht, die durch die Erwärmung des Heizelements 23 erzeugt wird. Die Heizelemente 13 und 23 werden über die gemeinsamen Elektroden 30a und 30b mit Strom versorgt, und die Anzahl der Schaltungskomponenten kann verringert werden.
Der Weg hat die Form eines viereckigen Prismas. Dies verhindert Turbulenzen auf dem Weg.
Das Schallwellen erzeugende System 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform umfasst die Vorrichtung 100 zur Erzeugung von Schallwellen durch thermische Anregung und die Treibereinrichtung 200, die das Impulssignal (Treibersignal) Sp an die Schallwellen erzeugende Vorrichtung 100 liefert. Die Wellenlänge der Schallwelle wird durch das Treibersignal definiert. Dadurch kann die Effizienz, mit der die Schallwelle erzeugt wird, in Abhängigkeit vom Treibersignal verbessert werden.
(Zweite Ausführungsform)
Gemäß der ersten Ausführungsform hat die Schallwellen erzeugende Vorrichtung 100 eine offene Röhrenstruktur. Gemäß einer zweiten Ausführungsform hat die Schallwellen erzeugende Vorrichtung 100 eine geschlossene Röhrenstruktur. Die Schallwellen erzeugende Vorrichtung 100 gemäß der zweiten Ausführungsform wird nun beschrieben.
9 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung des Aufbaus der Schallwellen erzeugenden Vorrichtung 100 gemäß der zweiten Ausführungsform. Die Schallwellen erzeugende Vorrichtung 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform enthält zusätzlich zu den Bauteilen gemäß der ersten Ausführungsform einen Blockkörper 55. Der Blockkörper 55 bildet ein geschlossenes Ende (ein sogenanntes festes Ende) des Innenraumes 40. Konkret ist der Blockkörper 55 zwischen der ersten Schallwellenquelle 10 und der zweiten Schallwellenquelle 20 und zwischen den Elektroden 30a und 30b so angeordnet, dass ein erstes Ende des Weges, d.h. ein erstes Ende des Innenraumes 40 in Y-Richtung, blockiert wird. Dementsprechend hat die Schallwellen erzeugende Vorrichtung 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform eine einzige Öffnung 41b. Die Schallwellen erzeugende Vorrichtung 100 hat die geschlossene Röhrenstruktur, die durch die erste Schallwellenquelle 10, die zweite Schallwellenquelle 20, die Elektroden 30a und 30b und den Blockkörper 55 gebildet wird.
10(a) ist eine Draufsicht auf die Schallwellen erzeugende Vorrichtung 100 gemäß der zweiten Ausführungsform. 10(b) zeigt die Wellenform der Schallwelle, d.h. der Druckwelle im Innenraum 40 gemäß der zweiten Ausführungsform. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform sind die Längen L_y des Substrats 11 und des Gegenkörpers 21 in Y-Richtung wie in Formel (3) definiert so bestimmt, dass die Länge L_y zwischen dem geschlossenen Ende und dem offenen Ende des Innenraumes 40 nahe an einem ungeradzahligen Vielfachen (2n - 1) von 1/4 der Wellenlänge der Druckwelle liegt, die im Innenraum 40 erzeugt wird. In Formel (3) ist n eine ganze Zahl (z.B. n = 1, 2 oder 3). Es wird zum Beispiel bestimmt, dass n = 1 ist.
[Formel 3] $L_{y} = \frac{λ}{2} \times (2 n - 1)$
Die geschlossene Röhrenstruktur hat die Eigenfrequenz f_r in Abhängigkeit von der Länge L_y des Innenraumes 40 in Y-Richtung, wie in Formel (4) definiert. In Formel (4) ist c die Schallgeschwindigkeit.
[Formel 4] $f_{r} = \frac{c}{4 L_{y}} \times (2 n - 1)$
Die Treibervorrichtung 200 bestimmt die Impulsfrequenz f_p (= 1/Tp) der Burstwelle Wb des Impulssignals Sp so, dass die Frequenz f_s der Schallwelle f_s = (1 α) f_r (z.B. 0 ≤ α ≤ 0,2) wie bei der ersten Ausführungsform erfüllt. In diesem Fall tritt die Luftsäulenresonanz im Innenraum 40 auf, und der Schalldruck steigt.
Bei der Schallwellen erzeugenden Vorrichtung 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist eines der Enden des Innenraumes 40 (des Weges) in Ausbreitungsrichtung der Schallwelle das offene Ende und das andere das geschlossene Ende. Die Länge L_y des Weges liegt nahe an einem ungeradzahligen Vielfachen von 1/4 der Wellenlänge der Schallwelle. Der Bereich der Nähe umfasst ein ungeradzahliges Vielfaches von 1/4 der Wellenlänge der Schallwelle bei der Frequenz fs, die fs = (1 ± α) fr (z.B. mit 0 < α < 0,2) in Bezug auf die Eigenfrequenz f_r der Luftsäule erfüllt. In diesem Fall tritt die Luftsäulenresonanz im Innenraum 40 auf, und die Effizienz, mit der die Schallwelle erzeugt wird, wird wie bei der ersten Ausführungsform verbessert.
(Weitere Ausführungsformen)
Bei einem Beispiel, das entsprechend der ersten und zweiten Ausführungsform beschrieben wird, haben die erste Schallwellenquelle 10 und die zweite Schallwellenquelle 20 eine flache Plattenform, und die Öffnungen 41a und 41b sind zwischen der ersten Schallwellenquelle 10 und der zweiten Schallwellenquelle 20 gebildet. Der Aufbau der Schallwellen erzeugenden Vorrichtung 100 ist jedoch nicht darauf beschränkt, vorausgesetzt, dass die Schallwellen erzeugende Vorrichtung 100 die Resonanz nutzt. Weitere Strukturen der Schallwellen erzeugenden Vorrichtung 100 werden nun anhand der 11 bis 18 beschrieben.
11 bis 13 zeigen Modifikationen an der Schallwellen erzeugenden Vorrichtung 100. Bei dem Beispiel von 11 hat die erste Schallwellenquelle 10 die Form einer Vertiefung und die zweite Schallwellenquelle 20 die Form einer flachen Platte. Bei dem Beispiel von 12 hat die erste Schallwellenquelle 10 eine L-Form und die zweite Schallwellenquelle 20 eine flache Plattenform. Bei dem Beispiel von 13 haben die erste Schallwellenquelle 10 und die zweite Schallwellenquelle 20 eine L-Form. In den 11 bis 13 sind die Heizelemente 13 und 23 auf einer Oberfläche der ersten Schallwellenquelle 10 und einer Oberfläche der zweiten Schallwellenquelle 20 angeordnet, die einander zugewandt sind. In den 11 bis 13 wird der Innenraum (der Weg) 40 durch die erste Schallwellenquelle 10, die zweite Schallwellenquelle 20 und die Elektroden 30a und 30b gebildet. In 11 bis 13 sind die erste Schallwellenquelle 10, die zweite Schallwellenquelle 20 und die Elektroden 30a und 30b schraffiert dargestellt, um den Innenraum (den Weg) 40 deutlich zu machen. Zum Beispiel ist in 11 der Innenraum 40 so geformt, dass sich in der YZ-Ebene eine Vertiefung in X-Richtung erstreckt. In 11 bis 13 entspricht die Länge L_y des Innenraumes (des Weges) 40 dem Mindestabstand zwischen den Öffnungen 41a und 41b im Innenraum (im Weg) 40. Im Beispiel in 11 entspricht die Länge L_y des Innenraumes (des Weges) 40 einer Länge entlang der Außenkanten der zweiten Schallwellenquelle 20 im Innenraum 40 in der vertieften Form.
14 ist eine perspektivische Ansicht einer weiteren Modifikation der Schallwellen erzeugenden Vorrichtung 100. 15 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung der Schallwellen erzeugenden Vorrichtung 100 von 14. Bei der Schallwellen erzeugenden Vorrichtung 100 wird die zweite Schallwellenquelle 20 über der ersten Schallwellenquelle 10 gehalten, indem die Elektroden 30a und 30b, die eine vertiefte Form haben, verwendet werden. Dementsprechend gibt es an beiden Enden Lücken 45 in der Richtung (X-Richtung) senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Schallwelle im Innenraum 40. Auch in diesem Fall wird die Wirkung der Resonanz erreicht.
16 zeigt eine weitere Modifikation der Schallwellen erzeugenden Vorrichtung 100. Nach den obigen Darstellungen werden die Öffnungen 41a und 41b zwischen der ersten Schallwellenquelle 10 und der zweiten Schallwellenquelle 20 gebildet. In dem Beispiel von 16 sind die Öffnungen 41a und 41b jedoch Durchgangslöcher, die in dem Gegenkörper 21 ausgebildet sind. Die Schallwellen erzeugende Vorrichtung 100 in 16 enthält weder die Wärmedämmschicht 22 noch das Heizelement 23. Die Schallwellen erzeugenden Vorrichtung 100 enthält einen Abstandshalter 51 zwischen dem Heizelement 13 und dem Gegenkörper 21. Der Innenraum 40 wird durch den Abstandhalter 51 gebildet. Auch in diesem Fall ist der Abstand L_y zwischen den Öffnungen 41a und 41b so bemessen, dass er Formel (1) genügt. Die Öffnungen 41a und 41b können Durchgangslöcher sein, die in der ersten Schallwellenquelle 10 gebildet werden. Eines der Durchgangslöcher, die den Öffnungen 41a und 41b entsprechen, kann in der ersten Schallwellenquelle 10 und das andere kann in der zweiten Schallwellenquelle 20 gebildet werden.
17 zeigt eine weitere Modifikation an der Schallwellen erzeugenden Vorrichtung 100. 18 zeigt einen Schnitt durch die Schallwellen erzeugende Vorrichtung 100 entlang der Linie B-B' in 17. Die in 17 und 18 dargestellte Schallwellen erzeugende Vorrichtung 100 enthält weder die Wärmedämmschicht 22 noch das Heizelement 23. Der Gegenkörper 21 in 17 ist ein Gehäuse. Das Gehäuse besteht z.B. aus einem Isoliermaterial. Die erste Schallwellenquelle 10 ist über der Bodenfläche des Gehäuses angeordnet, wobei die Elektroden 30a und 30b so dazwischen angeordnet sind, dass das Heizelement 13 dem Gehäuse zugewandt ist. Der Innenraum 40 wird zwischen dem Gegenkörper 21, der das Gehäuse ist, und der ersten Schallwellenquelle 10 gebildet.
Bei den obigen Ausführungen kann die Schallwellen erzeugende Vorrichtung 100 die beiden Öffnungen 41a und 41b oder nur eine der Öffnungen 41a und 41b haben. Das heißt, im Falle der offenen Röhrenstruktur ist nur die Länge L_y des Innenraumes (des Weges) 40 erforderlich, um Formel (1) zu genügen. Im Falle der geschlossenen Röhrenstruktur ist nur die Länge L_y des Innenraums (des Weges) 40 erforderlich, um Formel (3) zu erfüllen.
Bei den obigen Ausführungen sind die Heizelemente 13 und 23 mit den gemeinsamen Elektroden 30a und 30b verbunden. Die Heizelemente 13 und 23 können jedoch an verschiedene Elektrodenpaare angeschlossen werden. In dem Fall, dass die Ansteuerströme I den Heizelementen 13 und 23 an der ersten Schallwellenquelle 10 und der zweiten Schallwellenquelle 20 über die gemeinsamen Elektroden 30a und 30b zugeführt werden, kann die Anzahl der Schaltungskomponenten verringert werden.
Bei den obigen Ausführungen kann nur die erste Schallwellenquelle 10 oder die zweite Schallwellenquelle 20 ein Heizelement enthalten. Auch im Falle des einzelnen Heizelements kann die Luftsäulenresonanz auftreten. Für den Fall, dass die erste Schallwellenquelle 10 und die zweite Schallwellenquelle 20, die einander gegenüberliegen, die jeweiligen Heizelemente enthalten, kann der Schalldruck erhöht werden. Wenn die beiden einander zugewandten Heizelemente 13 und 23 einander gegenüberliegen, kann die Größe der Schallwellen erzeugenden Vorrichtung 100 verringert werden.
Bei den obigen Ausführungen fungieren die Elektroden 30a und 30b als Reflektoren, die die Schallwelle im Innenraum 40 reflektieren. Die Reflektoren müssen sich jedoch nur in der Richtung (Y-Richtung) erstrecken, in der sich die Schallwelle zwischen der ersten Schallwellenquelle 10 und der zweiten Schallwellenquelle 20 ausbreitet. Die Reflektoren können z.B. von den Elektroden 30a und 30b getrennt sein oder teilweise die Elektroden 30a und 30b enthalten. In diesem Fall wird die zweite Schallwellenquelle 20 unter Verwendung der Reflektoren über der ersten Schallwellenquelle 10 gehalten. Die Reflektoren können als Abstandshalter fungieren. Der Innenraum 40 kann durch die erste Schallwellenquelle 10, die zweite Schallwellenquelle 20 und die Reflektoren gebildet werden.
Bei den obigen Ausführungen können auf den einander zugewandten Oberflächen (z.B. der Oberseite des Heizelements 13 und der Unterseite des Heizelements 23) der Heizelemente 13 und 23 Beschichtungsschichten wie z.B. dünne, elektrisch isolierende Wärmeübertragungsschichten gebildet werden.
Industrielle Anwendbarkeit
Die vorliegende Erfindung kann für eine Vorrichtung zur Erzeugung von Schallwellen durch thermische Anregung und ein System zur Erzeugung von Schallwellen, das eine Schallwelle erzeugt, verwendet werden.
Bezugszeichenliste

1: System zur Erzeugung von Schallwellen
10: erste Schallwellenquelle
11: Substrat
12, 22: Wärmedämmschicht
13, 23: Heizelement
20: zweite Schallwellenquelle
21: Gegenkörper
30a, 30b: Elektrode
40: Innenraum
55: Blockkörper
100: Schallwellen erzeugende Vorrichtung
200: Treibervorrichtung

Claims

Vorrichtung zur Erzeugung von Schallwellen durch thermische Anregung, umfassend: ein erstes Heizelement, ein Substrat, das eine Hauptoberfläche aufweist, entlang der das erste Heizelement angeordnet ist, und einen Gegenkörper, der dem Substrat zugewandt ist, wobei sich das erste Heizelement dazwischen befindet, wobei das Substrat und der Gegenkörper einen Weg für eine Schallwelle definieren und wobei eine Länge des Weges nahe an einem ganzzahligen Vielfachen von 1/4 einer Wellenlänge der Schallwelle liegt.
Vorrichtung zur Erzeugung von Schallwellen durch thermische Anregung nach Anspruch 1, wobei beide Enden des Weges offene Enden sind und wobei die Länge des Weges nahe an einem ganzzahligen Vielfachen von 1/2 der Wellenlänge der Schallwelle liegt.
Vorrichtung zur Erzeugung von Schallwellen durch thermische Anregung nach Anspruch 1, wobei ein erstes Ende des Weges ein offenes Ende ist und ein zweites Ende davon ein geschlossenes Ende ist, und wobei die Länge des Weges nahe an einem ungeradzahligen Vielfachen von 1/4 der Wellenlänge der Schallwelle liegt.
Vorrichtung zur Erzeugung von Schallwellen durch thermische Anregung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei ein Trennungsabstand zwischen dem Substrat und dem zugewandten Körper kleiner ist als die Länge des Weges.
Vorrichtung zur Erzeugung von Schallwellen durch thermische Anregung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Oberfläche des Substrats, die dem Gegenkörper zugewandt ist, flach ist und wobei eine Oberfläche des Gegenkörpers, die dem Substrat zugewandt ist, flach ist.
Vorrichtung zur Erzeugung von Schallwellen durch thermische Anregung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei ein Paar von Reflektoren, das die Schallwelle reflektiert, entlang des Weges zwischen dem Substrat und dem Gegenkörper angeordnet ist, und wobei der Weg zwischen dem Substrat und dem Gegenkörper und zwischen dem Paar von Reflektoren definiert ist.
Vorrichtung zur Erzeugung von Schallwellen durch thermische Anregung gemäß Anspruch 6, wobei das Substrat und der Gegenkörper mit dem dazwischen angeordneten Reflektorenpaar gehalten werden.
Vorrichtung zur Erzeugung von Schallwellen durch thermische Anregung nach Anspruch 6 oder 7, wobei das Paar von Reflektoren ein Paar von Elektroden ist, die mit dem ersten Heizelement verbunden sind und das einen elektrischen Strom an das erste Heizelement liefert.
Vorrichtung zur Erzeugung von Schallwellen durch thermische Anregung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei ein zweites Heizelement auf einer Oberfläche des Gegenkörpers angeordnet ist, die dem Substrat zugewandt ist.
Vorrichtung zur Erzeugung von Schallwellen durch thermische Anregung gemäß Anspruch 8, wobei ein zweites Heizelement auf einer Oberfläche des Gegenkörpers angeordnet ist, die dem Substrat zugewandt ist, und wobei das zweite Heizelement mit dem Elektrodenpaar verbunden ist.
Vorrichtung zur Erzeugung von Schallwellen durch thermische Anregung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Weg eine viereckige Prismenform hat.
System zur Erzeugung einer Schallwelle, umfassend: die Vorrichtung zur Erzeugung von Schallwellen durch thermische Anregung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, die die Schallwelle erzeugt, und eine Treibervorrichtung, die ein Treibersignal an die Schallwellen erzeugende Vorrichtung liefert, wobei die Wellenlänge der Schallwelle durch das Treibersignal definiert ist.