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TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
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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.
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STAND DER TECHNIK
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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.
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Literaturliste
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Patent-Dokument
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Patentdokument 1: Veröffentlichung der japanischen ungeprüften Patentanmeldung Nr.
2008-167252
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KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Technisches Problem
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Vorrichtung zur Erzeugung von Schallwellen durch thermische Anregung und eines Systems zur Erzeugung von Schallwellen, die die Anzahl der Komponenten verringern und klein sind.
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Lösung des Problems
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Eine Vorrichtung zur Erzeugung von Schallwellen durch thermische Anregung gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst eine erste Schallwellenquelle, die ein erstes Heizelement und ein Substrat umfasst, das eine Hauptoberfläche aufweist, entlang der das erste Heizelement angeordnet ist, eine zweite Schallwellenquelle, die ein zweites Heizelement und einen Gegenkörper umfasst, der eine Hauptoberfläche aufweist, entlang der das zweite Heizelement angeordnet ist, und ein Elektrodenpaar, das mit dem ersten Heizelement und dem zweiten Heizelement verbunden ist. Die erste Schallwellenquelle und die zweite Schallwellenquelle sind so angeordnet, dass das erste Heizelement und das zweite Heizelement voneinander getrennt und einander zugewandt sind. Das Elektrodenpaar ist zwischen der ersten Schallwellenquelle und der zweiten Schallwellenquelle angeordnet.
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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.
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Vorteilhafte Effekte der Erfindung
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Eine Vorrichtung zur Erzeugung von Schallwellen durch thermische Anregung und ein System zur Erzeugung von Schallwellen gemäß der vorliegenden Erfindung können die Anzahl der Komponenten verringern und klein sein.
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Figurenliste
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- 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 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 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.
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BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Bei einer Vorrichtung zur Erzeugung von Schallwellen durch thermische Anregung und einem System zur Erzeugung von Schallwellen gemäß der vorliegenden Erfindung stehen sich zwei Heizelemente gegenüber, die mit gemeinsamen Elektroden verbunden sind, um die Anzahl der Komponenten und deren Größe zu verringern. Vorrichtungen zur Erzeugung von Schallwellen durch thermische Anregung und ein System zur Erzeugung von Schallwellen gemäß gemäß den nachstehend beschriebenen Ausführungsformen, die klein sind, nutzen die Luftsäulenresonanz, um die Effizienz, mit der eine Schallwelle erzeugt wird, zu verbessern. Die Vorrichtungen zur Erzeugung von Schallwellen durch thermische Anregung und das System zur Erzeugung von Schallwellen gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden unter Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
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Es versteht sich von selbst, dass die Ausführungsformen 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 einer ersten Ausführungsform verzichtet und nur Unterschiede beschrieben. Insbesondere werden nicht für jede Ausführungsform die gleichen Wirkungen beschrieben, die durch die gleichen Strukturen erzielt werden.
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(Erste Ausführungsform)
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Aufbau
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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.
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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.
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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 Hauptoberfläche der Wärmedämmschicht 12 gegenüber dem Substrat 11 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.
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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.
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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.
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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.
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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 Lz des Innenraums 40).
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Eine Länge Ly 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 Lz 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 Lz des Innenraumes 40 ist kleiner als die Länge Ly. Zum Beispiel ist Lz kleiner als 1/10 der Länge Ly. Konkret beträgt Lz 1 mm oder weniger. Lz kann 1/100 von Ly betragen. Konkret kann Lz etwa 0,16 mm betragen. Dies schränkt die Diffusion der Druckwelle in der Höhenrichtung ein und erleichtert die Diffusion in der horizontalen Richtung.
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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.
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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.
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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]
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Betrieb
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Die gesamte Funktionsweise eines Schallwellen erzeugenden Systems 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird anhand von 5 bis 8 beschrieben.
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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.
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Die Treibervorrichtung 200 umfasst eine Gleichstromversorgung 201, eine Impulstreiberschaltung 202, einen MOSFET 203, einen Kondensator 204 und einen Widerstand 205.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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)).
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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.
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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)).
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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.
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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.
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Gemäß der vorliegenden Ausführungsform erfüllt die Frequenz fs der Schallwelle, die von der Schallwellen erzeugenden Vorrichtung 100 erzeugt wird, die Bedingung fs = 1/Ts. Die Pulsfrequenz fp der Pulse der Burstwelle Wb des Impulssignals Sp erfüllt fp = 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 fs der Schallwelle wird in Abhängigkeit von der Impulsfrequenz fp bestimmt. Das heißt, die Wellenlänge λ der Schallwelle in Formel (1) wird durch die Pulsfrequenz fp des Impulssignals Sp bestimmt.
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Gemäß der vorliegenden Ausführungsform werden die Pulsfrequenz fp der Burstwelle Wb des Impulssignals Sp und die Länge Ly des Innenraumes 40 zwischen den Öffnungen 41a und 41b in Abhängigkeit von der Frequenz fs der auszugebenden Schallwelle bestimmt.
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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]
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Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird die Luftsäulenresonanz verwendet. Dementsprechend wird die Impulsfrequenz fp der Burstwelle Wb des Impulssignals Sp so bestimmt, dass die Frequenz fs der Schallwelle, die von der Schallwellen erzeugenden Vorrichtung 100 ausgegeben wird, gleich oder nahe der Eigenfrequenz fr der Luftsäule im Innenraum 40 ist. In obiger Formel (2) beträgt die Eigenfrequenz fr der Luftsäule, wenn zum Beispiel Ly = 4 mm und c = 346,5 m/sec ist, 43 kHz. In diesem Fall wird die Impulsfrequenz fp der Burstwelle Wb des Impulssignals Sp so bestimmt, dass die Frequenz fs der Schallwelle z.B. 43 kHz (fs = fr) beträgt.
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7 zeigt das Ergebnis einer Simulation einer Schalldruckamplitude, wenn Ly = 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 fr1, 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.
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8 veranschaulicht den Messwert des Ausgangs eines MEMS-Mikrofons, wenn die Impulsfrequenz fp 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 Ly von 4 mm angeordnet ist. In 8 stellt die horizontale Achse die Pulsfrequenz fp (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 fr2, bei der ein Spitzenwert des Mikrofonausgangssignals erreicht wird, nahe bei 30 kHz. Bei der Messung in 8 beträgt die Halbwertsbreite 21 kHz.
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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 fr1 (34 kHz) und fr2 (30 kHz), bei denen die Wirkung der Luftsäulenresonanz maximiert ist, nicht unbedingt mit der Eigenfrequenz fr (43 kHz) überein, die theoretisch mit Hilfe der Formel (2) berechnet wird, sondern liegen nahe der Eigenfrequenz fr. Dementsprechend kann die Impulsfrequenz fp unter Berücksichtigung einer Differenz zwischen der Impulsfrequenz fp des Impulssignals Sp und der Eigenfrequenz fr, die mit Hilfe von Formel (2) berechnet wird, bestimmt werden.
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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 fs der Schallwelle im Bereich (z.B. ± 20 % von fr) eines Wertes nahe der Eigenfrequenz fr der Luftsäule liegt. Dementsprechend kann im System zur Erzeugung der Schallwelle 1 die Impulsfrequenz fp 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 fs der auszugebenden Schallwelle wird so bestimmt, dass die Frequenz fs der Schallwelle fs = (1 ± a) fr (z.B. 0 ≤ a ≤ 0,2) in Bezug auf die Eigenfrequenz fr der Luftsäule erfüllt. In dem Fall, dass die Frequenz fs der Schallwelle mit α ≅ 0,2 bestimmt wird, hat die Länge Ly des Weges einen Fehlerspielraum, der zwischen etwa ± 20 % des n/2-fachen der Wellenlänge liegt, die der Eigenfrequenz fr der Luftsäule entspricht.
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Das Schallwellen erzeugende System 1 bestimmt also die Pulsfrequenz fp des Impulssignals Sp und die Länge Ly zwischen den beiden Enden des Innenraumes 40 (d.h. des Weges) in Ausbreitungsrichtung der Schallwelle so, dass die Luftsäulenresonanz auftritt, basierend auf der Frequenz fs der auszugebenden Schallwelle. Unter der Voraussetzung, dass das Schallwellen erzeugende System 1 die Wirkung der Luftsäulenresonanz nutzen kann, kann die Länge Ly des Innenraumes 40 zwischen den Öffnungen 41a und 41b in Abhängigkeit von der Pulsfrequenz fp des Impulssignals Sp bestimmt werden. Zum Beispiel kann die Länge Ly 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 fp des Impulssignals Sp kann in Abhängigkeit von der Länge Ly des Innenraumes 40 zwischen den Öffnungen 41a und 41b bestimmt werden.
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Zusammenfassung
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Die Vorrichtung 100 zur Erzeugung von Schallwellen durch thermische Anregung gemäß der vorliegenden Ausführungsform umfasst die erste Schallwellenquelle 10, die das Heizelement 13 (das erste Heizelement) und das Substrat 11 umfasst, das eine Hauptoberfläche aufweist, entlang der das Heizelement 13 angeordnet ist, die zweite Schallwellenquelle 20, die das Heizelement 23 (das zweite Heizelement) und den Gegenkörper 21 umfasst, der eine Hauptoberfläche aufweist, entlang der das Heizelement 23 angeordnet ist, und das Elektrodenpaar 30a und 30b, das mit den Heizelementen 13 und 23 verbunden ist. Die erste Schallwellenquelle 10 und die zweite Schallwellenquelle 20 sind so angeordnet, dass das Heizelement 13 und das Heizelement 23 voneinander getrennt und einander zugewandt sind. Das Elektrodenpaar 30a und 30b ist zwischen der ersten Schallwellenquelle und der zweiten Schallwellenquelle angeordnet.
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Da die Heizelemente 13 und 23 einander gegenüberliegen, kann die Größe der Schallwellen erzeugenden Vorrichtung 100 verringert werden. Da die Heizelemente 13 und 23 an die gemeinsamen Elektroden 30a und 30b angeschlossen sind, kann die Anzahl der Schaltungskomponenten verringert werden.
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Die erste Schallwellenquelle 10 und die zweite Schallwellenquelle 20 werden mit dem dazwischen liegenden Elektrodenpaar 30a und 30b gehalten. 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.
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Die Hauptoberfläche des Substrats 11 und die Hauptoberfläche des Gegenkörpers 21 sind flach. Dadurch wird das Auftreten von Diffusion in eine unerwünschte Richtung verhindert.
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Die erste Schallwellenquelle 10, die zweite Schallwellenquelle 20 und das Elektrodenpaar 30a und 30b definieren den Weg für die Schallwelle. Der Trennungsabstand (d.h. die Höhe des Innenraumes 40) Lz zwischen der ersten Schallwellenquelle 10 und der zweiten Schallwellenquelle 20 ist kleiner als die Länge Ly des Weges (des Innenraums 40 in Ausbreitungsrichtung der Schallwelle). Dies schränkt die Diffusion der Druckwelle in der Höhenrichtung auf dem Weg ein und erleichtert ihre Ausbreitung in horizontaler Richtung.
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Der Weg hat die Form eines viereckigen Prismas. Dies verhindert Turbulenzen auf dem Weg.
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Beide Enden des Weges sind die offenen Enden. Die Länge Ly des Pfades ist nahe einem ganzzahligen Vielfachen von 1/2 der Wellenlänge der Schallwelle. Ein Wert „nahe einem ganzzahligen Vielfachen von 1/2 der Wellenlänge der Schallwelle“ bedeutet einen Wert, der die Nutzung der Luftsäulenresonanz auf dem Weg ermöglicht und der innerhalb eines vorgegebenen Bereichs liegt, wenn ein Standardwert das n/2-fache der Wellenlänge λ beträgt. Der Bereich der Nähe umfasst ein ganzzahliges Vielfaches von 1/2 der Wellenlänge der Schallwelle bei der Frequenz fs, die fs = (1 ± a) fr (z.B. mit 0 < a ≤ 0,2) erfüllt, wenn man von der Eigenfrequenz fr 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.
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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.
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(Zweite Ausführungsform)
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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.
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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.
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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]
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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]
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Die Treibervorrichtung 200 bestimmt die Impulsfrequenz fp (= 1/Tp) der Burstwelle Wb des Impulssignals Sp so, dass die Frequenz fs der Schallwelle fs = (1 a) fr (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.
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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 Ly 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 ± a) fr (z.B. mit 0 ≤ a ≤ 0,2) in Bezug auf die Eigenfrequenz fr 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.
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(Weitere Ausführungsformen)
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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. Die Schallwellen erzeugende Vorrichtung 100 kann die Resonanz auch mit einem anderen Aufbau nutzen. Dieser andere Aufbau der Schallwellen erzeugenden Vorrichtung 100 wird nun anhand der 11 bis 16 beschrieben.
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Die 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 Ly 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 Ly des Innenraumes (des Weges) 40 einer Länge entlang der Außenkanten der zweiten Schallwellenquelle 20 im Innenraum 40 in der vertieften Form.
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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.
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16 zeigt eine weitere Modifikation der Schallwellen erzeugenden Vorrichtung 100. Gemäß den obigen Ausführungsformen werden die Öffnungen 41a und 41 b zwischen der ersten Schallwellenquelle 10 und der zweiten Schallwellenquelle 20 gebildet. Bei dem Beispiel von 16 sind die Öffnungen 41a und 41b jedoch Durchgangslöcher, die in der zweiten Schallwellenquelle 20 gebildet sind. Die Schallwellen erzeugende Vorrichtung 100 umfasst Abstandshalter 51a und 51b, die sich zwischen dem Heizelement 13 und dem Heizelement 23 in der Richtung (X-Richtung) zwischen den Elektroden 30a und 30b erstrecken. Der Innenraum 40 wird von den Heizelementen 13 und 23, den Abstandshaltern 51a und 51b und den Elektroden 30a und 30b gebildet. Auch in diesem Fall ist der Abstand Ly zwischen den Öffnungen 41a und 41b so ausgelegt, dass er Formel (1) genügt. Die Öffnungen 41a und 41b können Durchgangslöcher sein, die in der ersten Schallwellenquelle 10 gebildet sind. 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.
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Bei den obigen Ausführungsformen 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 Ly des Innenraumes (des Weges) 40 erforderlich, um Formel (1) zu genügen. Im Falle der geschlossenen Röhrenstruktur ist nur die Länge Ly des Innenraums (des Weges) 40 erforderlich, um Formel (3) zu erfüllen.
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In einem Beispiel, das entsprechend den obigen Darstellungen beschrieben wird, hat die Vorrichtung 100 zur Erzeugung von Schallwellen durch thermische Anregung eine Struktur, die die Luftsäulenresonanz nutzt. Die Schallwellen erzeugende Vorrichtung 100 muss jedoch die Luftsäulenresonanz nicht nutzen. In diesem Fall darf die Länge Ly des Innenraumes (des Weges) 40 nicht nahe einem ganzzahligen Vielfachen von 1/2 der Wellenlänge der Schallwelle oder nicht nahe einem ungeradzahligen Vielfachen von 1/4 der Wellenlänge der Schallwelle liegen. Die Frequenz fs der Schallwelle, die von der Schallwellen erzeugenden Vorrichtung 100 ausgegeben wird, darf nicht gleich oder nahe der Eigenfrequenz fr der Luftsäule im Innenraum 40 sein. Unter der Voraussetzung, dass die einander zugewandten Heizelemente 13 und 23 mit den gemeinsamen Elektroden 30a und 30b verbunden sind, kann die Vorrichtung zur Erzeugung der Schallwelle klein sein und die Anzahl der Komponenten verringern.
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Gemäß den obigen Ausführungsformen können auf den einander zugewandten Oberflächen (z.B. der Oberseite des Heizelements 13 und der Unterseite des Heizelements 23) der Heizelemente 13 und 23 Abdeckschichten wie z.B. dünne, elektrisch isolierende Wärmeübertragungsschichten gebildet sein.
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Industrielle Anwendbarkeit
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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.
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Bezugszeichenliste
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- 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
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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