DE112020004076T5

DE112020004076T5 - Druckwellenerzeugungselement und verfahren zur herstellung desselben

Info

Publication number: DE112020004076T5
Application number: DE112020004076.3T
Authority: DE
Inventors: Kohei Fukamachi
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2019-08-30
Filing date: 2020-07-15
Publication date: 2022-05-19
Also published as: JP7347514B2; US11968498B2; CN114303394A; WO2021039169A1; CN114303394B; JPWO2021039169A1; US20220174425A1

Abstract

Ein Druckwellenerzeugungselement umfasst einen Träger 10 und eine wärmeerzeugende Schicht 20, die auf dem Träger 10 vorgesehen ist und durch Bestromung Wärme erzeugt, wobei die wärmeerzeugende Schicht 20 eine Faser mit zumindest einer teilweisen Metallbeschichtung auf einer Oberfläche umfasst. Mit einer solchen Konfiguration kann ein Druckwellenerzeugungselement mit verbessertem Schalldruck und geeignetem elektrischen Widerstand realisiert werden.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Druckwellenerzeugungselement, das durch periodisches Erhitzen von Luft eine Druckwelle erzeugt. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Druckwellenerzeugungselements.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Das Druckwellenerzeugungselement wird auch als Thermophon bezeichnet, und als Beispiel ist eine Widerstandsschicht auf einem Träger vorgesehen. Wenn ein Strom durch den Widerstand fließt, erzeugt der Widerstand Wärme, und die mit dem Widerstand in Kontakt stehende Luft dehnt sich thermisch aus, und wenn die Bestromung unterbrochen wird, zieht sich die ausgedehnte Luft wieder zusammen. Eine solche periodische Erwärmung erzeugt Schallwellen. Wenn ein Ansteuersignal auf eine hörbare Frequenz eingestellt ist, kann es als Akustiklautsprecher verwendet werden. Wird ein Ansteuersignal auf eine Ultraschallfrequenz eingestellt, kann es als Ultraschallquelle verwendet werden. Da ein solches Thermophon keinen Resonanzmechanismus verwendet, ist es möglich, eine Schallwelle mit einem breiten Band und einem kurzen Impuls zu erzeugen. Da ein Thermophon eine Schallwelle erzeugt, nachdem es elektrische Energie in Wärmeenergie umgewandelt hat, ist eine Verbesserung der Energieumwandlungseffizienz und des Schalldrucks wünschenswert.
In Patentdokument 1 wird durch die Bereitstellung einer Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Struktur, in der eine Vielzahl von Kohlenstoff-Nanoröhrchen parallel zueinander als Widerstand angeordnet sind, ein mit Luft in Kontakt stehender Oberflächeninhalt vergrößert und eine Wärmekapazität pro Flächeneinheit verringert. In Patentdokument 2 werden die thermischen Isolationseigenschaften verbessert, indem ein Siliziumsubstrat als Wärmeableitungsschicht und poröses Silizium mit geringer Wärmeleitfähigkeit als Wärmeisolationsschicht verwendet werden.
DOKUMENTE AUS DEM STAND DER TECHNIK
PATENTDOKUMENTE

Patentdokument 1: Japanische Patentanmeldung Offenlegungsnummer 2009-296591
Patentdokument 2: Japanische Patentanmeldung Offenlegungsnummer 11-300274
Patentdokument 3: WO2012/020600 A

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Durch die Erfindung zu lösendes Problem
Wenn ein Kohlenstoff-Nanoröhrchen als Widerstand verwendet wird, erhöht sich der elektrische Widerstand des Widerstands. Daher ist eine beträchtlich hohe Ansteuerspannung erforderlich, um die gewünschte Wärmeentwicklung zu erzeugen, und es ist schwierig, die Ansteuerungsschaltung in der Praxis einzusetzen. Darüber hinaus ist das Kohlenstoff-Nanoröhrchen selbst sehr teuer und schwierig zu handhaben.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Druckwellenerzeugungselement mit verbessertem Schalldruck und geeignetem elektrischen Widerstand bereitzustellen. Ferner ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Druckwellenerzeugungselements bereitzustellen.
Mittel zur Lösung des Problems
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist ein Druckwellenerzeugungselement einen Träger und eine wärmeerzeugende Schicht auf, die auf dem Träger vorgesehen ist und durch Bestromung Wärme erzeugt, wobei die wärmeerzeugende Schicht eine Faser mit zumindest einer teilweisen Metallbeschichtung auf einer Oberfläche umfasst.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zur Herstellung eines Druckwellenerzeugungselements einen Schritt der Vorbereitung eines Trägers; einen Schritt der Bildung einer Fasermembran auf dem Träger unter Verwendung einer durch Spinnen erhaltenen Faser; und einen Schritt der Bildung einer wärmeerzeugenden Schicht auf der Fasermembran durch Auftragen einer Metallbeschichtung.
Vorteilhafte Wirkung der Erfindung
In dem Druckwellenerzeugungselement gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst die wärmeerzeugende Schicht die Faser mit einer zumindest teilweisen Metallbeschichtung auf einer Oberfläche, so dass die Oberfläche in Kontakt mit der Luft vergrößert wird und der Schalldruck verbessert wird. Darüber hinaus kann durch die Verwendung eines Metallmaterials der elektrische Widerstand einer Heizelementschicht auf einen geeigneten Wert eingestellt werden.
Darüber hinaus kann gemäß des Verfahrens zur Herstellung eines Druckwellenerzeugungselements der vorliegenden Erfindung eine wärmeerzeugende Schicht mit einem großen Oberflächeninhalt in Kontakt mit Luft und mit einem geeigneten elektrischen Widerstand verwirklicht werden.
Figurenliste

1 ist eine Schnittansicht, die ein Beispiel eines Druckwellenerzeugungselements gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ist eine elektronenmikroskopische Aufnahme, die eine Oberfläche einer wärmeerzeugenden Schicht 20 zeigt.
3 ist eine Schnittansicht, die die Dickenverteilung einer Metallbeschichtung zeigt.
4 ist eine Draufsicht, die ein Beispiel für die Anordnung von Elektroden zeigt.
5 ist ein Schaltplan, der ein Beispiel für eine Auswerteschaltung zeigt.
6 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel für ein Verfahren zur Herstellung eines Druckwellenerzeugungselements zeigt.
7 ist eine elektronenmikroskopische Aufnahme, die ein Beispiel einer Fasermembran zeigt, in der Perlen erzeugt werden.
8 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen einem mittleren Faserdurchmesser von PVDF-Fasern nach der Metallbeschichtung und dem Schalldruckverhältnis pro Leistungseingabeeinheit veranschaulicht.

MODUS ZUM AUSFÜHREN DER ERFINDUNG
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Druckwellenerzeugungselement
einen Träger und
eine wärmeerzeugende Schicht, die auf dem Träger bereitgestellt ist und durch Bestromung Wärme erzeugt, bei der die wärmeerzeugende Schicht eine Faser mit einer zumindest teilweisen Metallbeschichtung auf einer Oberfläche umfasst.
Gemäß dieser Konfiguration umfasst die wärmeerzeugende Schicht eine Faser mit einer zumindest teilweisen Metallbeschichtung auf einer Oberfläche. Dadurch wird der Oberflächeninhalt, der mit der Luft in Berührung kommt, vergrößert, und der Schalldruck in Bezug auf die Eingangsleistungseinheit wird verbessert. Die Fasern können in Form eines Vliesstoffs, eines Gewebes, eines Gestricks oder einer Mischung davon angeordnet sein, wobei Hohlräume um die Fasern herum miteinander in Verbindung stehen, um die Luftdurchlässigkeit zwischen einem inneren Hohlraum und einem äußeren Raum zu gewährleisten. Daher wird die Kontaktfläche zwischen einer porösen Struktur und der Luft im Vergleich zu einer nicht porösen und glatten Oberfläche erheblich vergrößert. Dadurch wird die Effizienz der Wärmeübertragung von der wärmeerzeugenden Schicht an die Luft erhöht, und der Schalldruck kann verbessert werden.
Durch das Auftragen der Metallbeschichtung auf die Faser kann der elektrische Widerstand der wärmeerzeugenden Schicht leicht je nach Einstellung der Schichtdicke und Auswahl eines Beschichtungsmaterials auf einen geeigneten Wert eingestellt werden. Auf diese Weise wird ein gewünschter elektrischer Widerstand erhalten und die Ansteuerspannung optimiert.
Wenn z.B. ein Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit als Faser verwendet wird, kann die Wärmeleitung von der wärmeerzeugenden Schicht zum Träger unterdrückt werden. Daher wird die Temperaturänderung an der Oberfläche der wärmeerzeugenden Schicht erhöht und der Schalldruck in Bezug auf die Eingangsleistungseinheit wird verbessert. Da die wärmeerzeugende Schicht, die solche Fasern enthält, eine poröse Struktur hat, ist es nicht notwendig, eine wärmeisolierende Schicht zur Verbesserung des Schalldrucks wie in Patentdokument 2 einzuführen.
Die Dicke der Metallbeschichtung wird vorzugsweise mit zunehmendem Abstand zum Träger erhöht.
Vorzugsweise hat die Metallbeschichtung eine Dicke T1 an einer Position, die der Trägerseite am nächsten ist, und eine Dicke T2 an einer Position, die am weitesten von der Trägerseite entfernt ist, und T1 < T2 ist erfüllt.
Vorzugsweise sollte die Metallbeschichtung nicht auf der Trägerseite der Faser bereitgestellt sein.
Gemäß diesen Konfigurationen ist es möglich, die Wärmeerzeugung auf der dem Träger gegenüberliegenden Seite zu erhöhen, während die Wärmeerzeugung auf der Trägerseite im Innern der wärmeerzeugenden Schicht unterdrückt wird. Während also die Wärmeleitung von der wärmeerzeugenden Schicht zum Träger unterdrückt wird, wird der Wirkungsgrad der Lufterwärmung verbessert und der Schalldruck in Bezug auf die Eingangsleistungseinheit erhöht.
Die Faser wird vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einer Polymerfaser, einer Glasfaser, einer Kohlenstofffaser, einem Kohlenstoff-Nanoröhrchen, einer Metallfaser und einer Keramikfaser. Beispielsweise sind Verbundfasern, bei denen jedes Material gemischt ist, wie eine Verbundfaser aus einer Polymerfaser und einer Glasfaser, eine Verbundfaser aus einer Polymerfaser und einem Kohlenstoff-Nanoröhrchen oder eine Verbundfaser aus einer Polymerfaser und einer Keramikfaser, ebenfalls bevorzugt.
Gemäß dieser Konfiguration kann die Wärmeleitfähigkeit der wärmeerzeugenden Schicht entsprechend einem zu verwendenden Material eingestellt werden.
Der Träger ist vorzugsweise aus einem flexiblen Material gefertigt.
Da die wärmeerzeugende Schicht aufgrund der Form eines Vliesstoffs oder eines Gewebes flexibel ist, kann ein Druckwellenerzeugungselement mit dieser Flexibilität verwirklicht werden, wenn ein aus einem flexiblen Material gebildeter Träger verwendet wird. Daher wird der Freiheitsgrad der Installationsbedingungen des Druckwellenerzeugungselements erhöht.
Der mittlere Faserdurchmesser (Durchmesser) der mit der Metallbeschichtung versehenen Faser beträgt vorzugsweise 1 nm oder mehr und 2000 nm oder weniger, besonders bevorzugt 1000 nm oder weniger, und noch bevorzugter 15 nm oder mehr und 500 nm oder weniger. Infolgedessen wird der Wärmeaustausch mit der Luft effizient durchgeführt und der Schalldruck in Bezug auf die Eingangsleistungseinheit wird verbessert. Wenn der Durchmesser der Faser größer als 2000 nm ist, wird der Oberflächeninhalt der wärmeerzeugenden Schicht, die mit der Luft in Kontakt ist, verkleinert, und die Wärmeübertragungseffizienz von der wärmeerzeugenden Schicht zur Luft wird verringert.
Vorzugsweise sollten in einem Teil der Fasern Perlen enthalten sein. Dadurch wird der Schalldruck in Bezug auf die Eingangsleistungseinheit verbessert.
Die Perlen sind vorzugsweise zwischen den mit der Metallbeschichtung versehenen Fasern eingebettet. Dadurch wird der Schalldruck in Bezug auf die Eingangsleistungseinheit verbessert.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zur Herstellung eines Druckwellenerzeugungselements
einen Schritt der Vorbereitung eines Trägers;
einen Schritt der Bildung einer Fasermembran auf dem Träger unter Verwendung einer durch Spinnen erhaltenen Faser; und einen Schritt der Bildung einer wärmeerzeugenden Schicht auf der Fasermembran durch Auftragen einer Metallbeschichtung. Der Schritt des Bildens einer Fasermembran kann ein Verfahren zum Bilden einer Fasermembran durch direktes Ablegen einer gesponnenen Membran auf einem Träger sein, oder kann ein Verfahren zum Bilden einer Fasermembran auf einer Folie, einem Film, einem Netz, einem Vliesstoff oder ähnlichem sein, und Abziehen einer Fasermembran von der Folie, dem Film, dem Netz, dem Vliesstoff oder ähnlichem und Ankleben der Fasermembran auf dem Träger.
Gemäß dieser Konfiguration weist die wärmeerzeugende Schicht eine Faser mit einer zumindest teilweisen Metallbeschichtung auf einer Oberfläche auf und fungiert als Heizeinrichtung. Daher wird die Oberfläche, die mit der Luft in Berührung kommt, vergrößert, und der Schalldruck in Bezug auf die Eingangsleistungseinheit wird verbessert. Darüber hinaus kann eine wärmeerzeugende Schicht mit einem zweckmäßigen elektrischen Widerstand leicht realisiert werden.
Beim Schritt zur Bildung einer Fasermembran handelt es sich bevorzugt um Spinnen mithilfe eines Elektrospinnverfahrens.
Gemäß dieser Konfiguration können Fasern mit einem Durchmesser im Bereich von 1 nm bis 2000 nm, z. B. Nanofasern, Submikrometerfasern und dergleichen, mit Hilfe des Elektrospinnverfahrens hergestellt werden.
(Erste Ausführungsform)
1 ist eine Schnittansicht eines Beispiels eines Druckwellenerzeugungselements 1 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Das Druckwellenerzeugungselement 1 umfasst einen Träger 10, eine wärmeerzeugende Schicht 20 und ein Paar Elektroden D1 und D2. Der Träger 10 ist aus einem Halbleiter wie Silizium oder einem elektrischen Isolator wie Glas, Keramik oder einem Polymer gebildet. Eine wärmeisolierende Schicht mit einer geringeren Wärmeleitfähigkeit als die des Trägers 10 kann auf dem Träger 10 vorgesehen werden, so dass die Wärmeabgabe aus der wärmeerzeugenden Schicht 20 an den Träger 10 unterdrückt werden kann. Wie später beschrieben kann dann, wenn die wärmeerzeugende Schicht 20 eine wärmeisolierende Funktion hat, die oben beschriebene wärmeisolierende Schicht entfallen.
Die wärmeerzeugende Schicht 20 ist auf dem Träger 10 bereitgestellt. Die wärmeerzeugende Schicht 20 ist aus einem leitfähigen Material gebildet, wird elektrisch angesteuert, um durch Stromfluss Wärme zu erzeugen, und emittiert aufgrund der periodischen Ausdehnung und Kontraktion der Luft eine Druckwelle. Auf beiden Seiten der wärmeerzeugenden Schicht 20 ist ein Paar Elektroden D1 und D2 vorgesehen. Die Elektroden D1 und D2 haben einen Einschichtaufbau oder einen Mehrschichtaufbau aus einem leitfähigen Material.
Bei der vorliegenden Ausführungsform umfasst die wärmeerzeugende Schicht 20 eine Faser mit einer zumindest teilweisen Metallbeschichtung auf einer Oberfläche. Dadurch wird die Oberfläche, die mit der Luft in Berührung kommt, vergrößert, und der Schalldruck wird verbessert. Durch Auftragen der Metallbeschichtung auf die Faser kann der elektrische Widerstand entsprechend der Anpassung einer Beschichtungsschichtdicke und der Auswahl eines Beschichtungsmaterials der wärmeerzeugenden Schicht 20 auf einen geeigneten Wert eingestellt werden.
Die Fasern können direkt auf dem Träger 10 angeordnet, oder über eine Klebeschicht, z.B. aus einem Polymermaterial, angeordnet sein.
2 ist eine elektronenmikroskopische Aufnahme, die eine Oberfläche der wärmeerzeugenden Schicht 20 zeigt. Nachfolgend wird ein Fall beschrieben, in dem die Fasern die Form eines Vliesstoffs haben, der nicht gewebt ist, sondern durch thermische, mechanische oder chemische Einwirkung zu einem Bahnformgebung gebondet oder verflochten ist. Auf die Oberfläche der Fasern wird eine Metallbeschichtung aufgebracht.
Die wärmeerzeugende Schicht 20 kann als Vliesstoff, als Gewebe mit kombinierten Kett- und Schussfäden, als Gewirke mit eingewirkten Fasern oder als eine Mischung davon vorliegen.
Die Fasern können ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus Polymerfasern, Glasfasern, Kohlenstofffasern, Kohlenstoff-Nanoröhrchen, Metallfasern und Keramikfasern. Wenn beispielsweise ein Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit, wie etwa ein Polymer, Glas oder Keramik als Faser verwendet wird, hat die Faser selbst eine wärmeisolierende Funktion, so dass die Wärmeleitung von der wärmeerzeugenden Schicht zum Träger unterdrückt werden kann. Daher wird die Temperaturänderung an der Oberfläche der wärmeerzeugenden Schicht erhöht, und der Schalldruck in Bezug auf die Eingangsleistungseinheit wird verbessert.
Die Metallbeschichtung ist vorzugsweise aus einem Metallwerkstoff wie Au, Ag, Cu, Pt, Rh, Pd, Ru, Ni, Ir, Cr, Mo, W, Ti oder Al oder einer Legierung gebildet, die zwei oder mehr dieser Arten von Metallen enthält. Die Metallbeschichtung kann einen Einschicht- oder einen Mehrschichtaufbau haben und aus einer Vielzahl von Materialien gebildet sein.
(Zweite Ausführungsform)
6 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel für ein Verfahren zur Herstellung eines Druckwellenerzeugungselements darstellt. Zunächst wird in Schritt S1 der Träger 10 vorbereitet.
Als nächstes wird in Schritt S2 auf dem Träger 10 eine Fasermembran gebildet, unter Verwendung von durch Spinnen gewonnenen Fasern. Als Spinnverfahren können ein Schmelzblasverfahren, ein Flash-Spinnverfahren, ein Zentrifugalspinnverfahren, ein Schmelzspinnverfahren etc. eingesetzt werden. Ferner kann ein Verfahren angewandt werden, bei dem Zellstoff zerkleinert und zu einem Blatt wie einer Zellulose-Nanofaser verarbeitet wird. Insbesondere wenn das Elektrospinnverfahren verwendet wird, können Nanofasern, Submikrometerfasern, Mikronfasern und dergleichen hergestellt werden. Die gesponnenen Fasern können direkt auf dem Träger 10 in Form eines Vlieses angeordnet werden, oder sie können auf dem Träger 10 in Form eines Gewebes, das Kett- und Schussfäden kombiniert, oder in Form eines Gewirkes, in das Fasern eingewirkt sind, angeordnet werden.
Anschließend wird in Schritt S3 eine Metallbeschichtung auf die erhaltene Fasermembran aufgebracht, um eine wärmeerzeugende Schicht 20 zu bilden. Als Beschichtungsverfahren können Dampfabscheidung , Sputtern, Elektroplattieren, stromloses Plattieren, Ionenplattieren etc. verwendet werden. Als metallische Werkstoffe können im Allgemeinen die oben beschriebenen verwendet werden.
Als nächstes wird in Schritt S4 ein Elektrodenpaar D1 und D2 auf der erhaltenen wärmeerzeugenden Schicht 20 gebildet. Als Verfahren zur Bildung eines Elektrodenfilms können Dampfabscheidung , Sputtern, Elektroplattieren, stromloses Plattieren, Beschichten, Bedrucken und ähnliches eingesetzt werden. Als Elektrodenmaterial können Au, Ag, Cu, Pt, Rh, Pd, Ru, Ni, Ir, Cr, Mo, W, Ti, Al etc. verwendet werden.
BEISPIELE
(Beispiel 1)
(Verfahren zur Probenvorbereitung)
Ein Druckwellenerzeugungselement wurde mittels des folgenden Verfahrens hergestellt (Probe 1).
Als Spinnlösung wurde eine Polyvinylidenfluorid (PVDF)-Lösung verwendet, die mit einem Lösungsmittelgemisch aus N,N-Dimethylformamid (DMF) und Aceton (DMF : Aceton = 6 : 4) hergestellt wurde. Die Lösungskonzentration wurde auf 10 Gew.-% eingestellt.
Mit dieser Lösung wurden PVDF-Fasern durch ein Elektrospinnverfahren auf ein Si-Substrat (675 µm dick) gesponnen, um eine Fasermembran aus einem Vliesstoff zu bilden. Um das Haftvermögen zwischen der Fasermembran und dem Träger zu verbessern, kann eine Klebstoffschicht wie z.B. ein Phenoxyharz in geeigneter Weise in die Grenzfläche zwischen dem Si-Substrat und der Fasermembran eingebracht werden. Auf der Oberfläche des Si-Substrats wurde ein natürlicher Oxidfilm (SiO₂) gebildet.
Die Bedingungen für das Elektrospinnen waren eine angelegte Spannung von 20 kV, ein Abstand von 15 cm zwischen einer Düse und dem Träger, und die Filmbildungszeit wurde so eingestellt, dass die Dicke der Fasermembran etwa 1 bis 80 µm betrug. Der mittlere Faserdurchmesser der Fasern betrug 172 nm.
Au wurde auf der auf dem Träger gebildeten Fasermembran durch ein Dampfabscheideverfahren abgeschieden, um eine wärmeerzeugende Schicht zu bilden. Die Au-Dünnschicht wurde unter den gleichen Bedingungen wie bei der Vergleichsprobe 1 gebildet. Der mittlere Faserdurchmesser der metallbeschichteten Fasern betrug 224 nm. Als Verfahren zum Auftragen eines Metalls auf eine Faser kann ein Verfahren wie ein Sputterverfahren, ein Ionenplattierungsverfahren oder ein stromloses Plattierungsverfahren verwendet werden. Als Metallarten können Au, Ag, Cu, Pt, Rh, Pd, Ru, Ni, Ir, Cr, Mo, W, Ti, Al etc. verwendet werden.
Die Dicke der Metallbeschichtung kann in Umfangsrichtung der Fasern gleichmäßig oder ungleichmäßig sein, z. B. kann die Dicke mit zunehmendem Abstand vom Träger zunehmen. Die Metallbeschichtung hat eine Dicke T1 an einer Position, die der Trägerseite am nächsten liegt, und eine Dicke T2 an einer Position, die am weitesten von der Trägerseite entfernt liegt, wobei T1 < T2 erfüllt sein kann. Bei der in 3 dargestellten Form der Metallbeschichtung auf der Faser kann es beispielsweise einen Bereich geben, in dem eine Metallbeschichtung 22 auf einem unteren Bereich nahe dem Träger 10 auf einer Umfangsfläche einer Faser 21 nicht aufgebracht ist. Dies ermöglicht es, die Wärmeerzeugung auf der dem Träger gegenüberliegenden Seite zu verstärken, während die Wärmeerzeugung auf der Trägerseite innerhalb der wärmeerzeugenden Schicht unterdrückt wird. Ein Beschichtungszustand (Schnittbild) der metallbeschichteten Faser kann wie folgt analysiert werden. Beispielsweise wird eine Probe mit einem Ionenfeinstrahl (FIB) bearbeitet, und der Beschichtungszustand auf der Faser kann durch Beobachtung mit einem Transmissionselektronenmikroskop (JEM-F200, hergestellt von JEOL Ltd.) und Element-Mapping-Analyse durch energiedispersive Röntgenspektroskopie analysiert werden.
Die Bearbeitung erfolgte derart, dass eine Elementgröße 5 mm × 6 mm betrug. Auf beiden Seiten der Probe wurde ein Elektrodenpaar D1 und D2 mit einer Abmessung von 0,8 mm ×4 mm und einem Abstand zwischen den Elektroden von 3,4 mm gebildet (4A). Die Stapelstruktur der Elektrode bestand aus Ti (10 nm dick), Cu (500 nm dick) und Au (100 nm dick) auf der Trägerseite. Die Elektroden D1 und D2 können eine kammförmige Elektrodenstruktur aufweisen, wie in 4B dargestellt, um den Elementwiderstand einzustellen.
(Bewertungsmethode)
Die akustischen Eigenschaften des Druckwellenerzeugungselements wurden mit einem MEMS-Mikrofon (Knowles: SPU0410LR5H) gemessen. Der Abstand zwischen dem Druckwellenerzeugungselement und dem Mikrofon wurde auf 6 cm eingestellt, und die Bewertung erfolgte durch Auslesen einer Ausgangsspannung des Mikrofons unter Verwendung einer Stoßwelle mit einer Frequenz von 60 kHz als Ansteuersignal. Die Eingangsspannung für das Druckwellenerzeugungselement wurde auf 6 bis 16 V eingestellt.
5 ist ein Schaltplan, der ein Beispiel für eine Auswerteschaltung zeigt. Eine Reihenschaltung aus einem Druckwellenerzeugungselement 1 und einem Schaltelement SW (z.B. FET) wurde zwischen einer Gleichstromversorgung PS und einer Masse vorgesehen, und das Schaltelement SW wurde mit einer Pulswelle mit einer Frequenz von 60 kHz unter Verwendung eines Pulsgenerators PG angesteuert. Die angelegte Spannung betrug 6 bis 16 V. Ein Kondensator CA (z.B. 3300 µF) ist mit der Gleichstromversorgung PS parallelgeschaltet.
Das Druckwellenerzeugungselement erzeugt eine Druckwelle durch die Erwärmung der Luft durch die wärmeerzeugende Schicht. Daher ist trotz des gleichen Elements der Schalldruck umso größer, je größer die Eingangsleistung ist. Um festzustellen, ob Schallwellen effizient erzeugt werden können oder nicht, ist es notwendig, die Schalldrücke bei gleicher Leistung zu vergleichen.
Wenn die Eingangsleistung des Thermophons erhöht wird, steigt die Mikrophonleistung linear an. Wenn der Wirkungsgrad der Schallwandlung gut ist, erhöht sich das Verhältnis zwischen dem Anstieg ΔV der Mikrophonleistung und dem Anstieg ΔW der Leistung. ΔV/WΔ wird hier als Index für den Schalldruck verwendet. Als Vergleichsziel wurde das Ergebnis der Vergleichsprobe 2 herangezogen. Als Verfahren zur Messung des Elementwiderstands wurde der elektrische Widerstandswert des erhaltenen Elements mit einem Digitalmultimeter (Agilent 34401 A) gemessen.
Der mittlere Faserdurchmesser der metallbeschichteten Fasern wurde berechnet, indem ein Oberflächenbeobachtungsbild mit einem Rasterelektronenmikroskop (S-4800, Beschleunigungsspannung von 5 kV, 20-tausendfach, hergestellt von Hitachi, Ltd.) aufgenommen und anhand des erhaltenen Bildes der Faserdurchmesser gemessen wurde. Insbesondere wurden 10 Fasern pro Sichtfeld zufällig aus dem erhaltenen Bild extrahiert, die Extraktion wurde für 5 Sichtfelder durchgeführt, um insgesamt 50 Faserdurchmesser zu messen, und es wurde ein mittlerer Faserdurchmesser berechnet.
(Vergleichsprobenvorbereitungsverfahren)
Als Vergleichsproben 1 und 2 werden die Ergebnisse eines Druckwellenerzeugungselements gezeigt, das durch Bilden eines Au-Dünnfilms auf ein Si-Substrat mittels eines Dampfabscheideverfahrens hergestellt wurde. Die Elektrodenstruktur ist die gleiche wie bei Probe 1.
Als Vergleichsprobe 3 werden die Ergebnisse eines Druckwellenerzeugungselements gezeigt, das durch Bildung eines dünnen Au-Films (40 nm dick) auf einem PVDF-Film durch ein Dampfabscheideverfahren hergestellt wurde. Ein PVDF-Film wurde auf einem Si-Substrat durch Schleuderbeschichtung unter Verwendung der gleichen PVDF-Lösung wie in Probe 1 gebildet und bei 60 °C getrocknet, um einen PVDF-Film mit einer Dicke von etwa 1 bis 20 µm zu erhalten. Ein dünner Au-Film (40 nm dick) wurde auf dem PVDF-Film, der auf dem Si-Substrat gebildet wurde, durch ein Dampfabscheideverfahren gebildet, um Vergleichsprobe 3 zu erhalten. Die Elektrodenstruktur ist die gleiche wie die der Probe 1.

[Tabelle 1]

	Struktur der Elemente	Schalldruckverhältnis
Vergleichsprobe 1	Au40 nm/SiO2/Si	1,4
Vergleichsprobe 2	Au100 nm/SiO2/Si	1,0
Vergleichsprobe 3	Au40 nm/PVDF-Film/SiO2/Si	3,6
Probe 1	Au-beschichtete PVDF-Faser/SiO2/Si	24,6

Aus den Ergebnissen in Tabelle 1 geht hervor, dass der Schalldruck bei Verwendung der wärmeerzeugenden Schicht, die eine Au-beschichtete PVDF-Faser enthält, im Vergleich zu dem Fall, in dem die Au-Dünnschicht auf dem Si-Substrat durch das Dampfabscheideverfahren gebildet wird, verbessert wird.
Da der Metallfilm wie oben beschrieben mit Hilfe der Faser als Formwerkzeug geformt wird, kann die spezifische Oberfläche der wärmeerzeugenden Schicht vergrößert und der Schalldruck in Bezug auf die Eingangsleistung erhöht werden.
Wenn als Faser ein Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit, wie z.B. ein Polymer, verwendet wird, ergibt sich außerdem eine wärmeisolierende Wirkung in einer Stützrichtung. Daher wird die Temperaturänderung an der Oberfläche der wärmeerzeugenden Schicht erhöht, und der Schalldruck in Bezug auf die Eingangsleistungseinheit wird verbessert.
Die Wärmeleitfähigkeit von PVDF beträgt etwa 0,18 W/m · K und die Wärmeleitfähigkeit von SiO₂ etwa 1,3 W/m · K. Daher hat PVDF eine geringere Wärmeleitfähigkeit, eine höhere wärmeisolierende Wirkung auf der Trägerseite und eine höhere akustische Umwandlungseffizienz. Darüber hinaus wird davon ausgegangen, dass durch die Zerfaserung von PVDF eine wärmeerzeugende Schicht gebildet wird, die Fasern als Formwerkzeug verwendet, und die spezifische Oberfläche der wärmeerzeugenden Schicht wird vergrößert, so dass die akustische Umwandlungseffizienz erhöht wird.
(Beispiel 2)
(Verfahren zur Probenvorbereitung)
Ein Druckwellenerzeugungselement wurde nach dem folgenden Verfahren hergestellt (Beispiel 2).
Eine Polyimid (PI)-Lösung, die mit N,N-Dimethylacetamid (DMAc) als Lösungsmittel hergestellt wurde, diente als Spinnlösung. Die Lösungskonzentration wurde auf 20 Gew.-% eingestellt.
Mit dieser Lösung wurden PI-Fasern durch ein Elektrospinnverfahren auf ein Si-Substrat (675 µm dick) gesponnen, um eine Fasermembran aus einem Vliesstoff zu bilden. Um die Haftung zwischen der Fasermembran und dem Träger zu verbessern, kann eine Klebstoffschicht, z.B. ein Phenoxyharz, in geeigneter Weise in die Grenzfläche zwischen dem Si-Substrat und der Fasermembran eingebracht werden.
Die Bedingungen für das Elektrospinnen waren eine angelegte Spannung von 23 kV, ein Abstand von 15 cm zwischen einer Düse und dem Träger, und die Filmbildungszeit wurde so eingestellt, dass die Dicke der Fasermembran etwa 1 bis 80 µm betrug. Der mittlere Faserdurchmesser der Fasern betrug 378 nm.
Auf die auf dem Träger gebildete Fasermembran wurde durch ein Sputterverfahren Au abgeschieden, um eine wärmeerzeugende Schicht zu bilden. Der mittlere Faserdurchmesser der metallbeschichteten Fasern betrug 488 nm. Als Verfahren zum Auftragen eines Metalls auf eine Faser kann ein Verfahren wie ein Dampfabscheideverfahren, ein Ionenplattierungsverfahren oder ein stromloses Plattierungsverfahren verwendet werden. Als Metallarten können Au, Ag, Cu, Pt, Rh, Pd, Ru, Ni, Ir, Cr, Mo, W, Ti, Al etc. verwendet werden.
Die Form der Metallbeschichtung (3), die Elementgröße, die Elektrodenstruktur (4A und 4B) und die Auswertungsmethode sind die gleichen wie in (Beispiel 1) beschrieben.
(Verfahren zur Vergleichsprobenvorbereitung)
Als Vergleichsprobe 4 wurde ein Element mit CNTs (Kohlenstoff-Nanoröhrchen) hergestellt bzw. vorbereitet. Nachfolgend wird ein Verfahren zur Herstellung eines Elements beschrieben.
Unter Verwendung einer von Meijo Nano Carbon hergestellten Mehrfachschicht-CNT-Tinte (MW-I) wurde auf einem Si-Substrat durch Schleuderbeschichtung ein Film mit einer Dicke von etwa 500 nm bis 1000 nm gebildet. Die Schleuderbeschichtung wurde bei einer Rotationsgeschwindigkeit von 5000 UpM für 15 Sekunden durchgeführt und bei 120 C° getrocknet.
Um ein in einer Lösung enthaltenes Dispergiermittel zu zersetzen, wurde das Element 2 Stunden lang bei 400°C gehalten, und es wurde eine Wärmebehandlung durchgeführt, um ein CNT-Dünnschicht zu erhalten. Auf beiden Seiten der Probe wurde ein Elektrodenpaar mit einer Abmessung von 0,8 mm ×4 mm und einem Abstand zwischen den Elektroden von 3,4 mm gebildet. Die Stapelstruktur der Elektrode bestand aus Ti (10 nm dick), Cu (500 nm dick) und Au (100 nm dick) auf der Trägerseite.
[Tabelle 2]

Elementstruktur Widerstand des Elements (Ω) Schalldruckverhältnis

Vergleichsprobe 4 MW-CNT/SiO2/Si 140,1 5,7

Probe 2 Au-beschichtete PI-Faser/SiO2/Si 2,9 13,6
Aus den Ergebnissen in Tabelle 2 geht hervor, dass bei Verwendung einer wärmeerzeugenden Schicht, die mit Au beschichtete PI-Fasern enthält, der Elementwiderstand gesenkt und der Schalldruck verbessert wird, verglichen mit dem Fall, bei dem auf einem Si-Substrat eine einfache CNT-Substanz abgeschieden wird.
Durch die Verwendung der metallbeschichteten Faser als wärmeerzeugende Schicht kann der Elementwiderstand niedrig sein, und der Schalldruck in Bezug auf die Eingangsleistung kann erhöht werden. Da der Elementwiderstand gesenkt wird, ist außerdem eine Ansteuerung mit niedriger Spannung möglich.
(Beispiel 3)
(Verfahren zur Probenvorbereitung)
Ein Druckwellenerzeugungselement wurde mit dem folgenden Verfahren hergestellt (Proben 3, 4, 5).
Eine mit Wasser als Lösungsmittel hergestellte Polyvinylalkohollösung (PVA) wurde als Spinnlösung verwendet. Die Lösungskonzentration wurde auf 8,5 Gew.-% eingestellt.
Mit dieser Lösung wurden PVA-Fasern durch ein Elektrospinnverfahren auf ein Si-Substrat (675 µm dick) gesponnen, um eine Fasermembran aus einem Vliesstoff zu bilden. Um die Haftung zwischen der Fasermembran und dem Träger zu verbessern, kann eine Klebstoffschicht, z. B. ein Phenoxyharz, in geeigneter Weise in die Grenzfläche zwischen dem Si-Substrat und der Fasermembran eingebracht werden.
Die Bedingungen für das Elektrospinnen waren eine angelegte Spannung von 30 kV, ein Abstand von 15 cm zwischen einer Düse und einem Substrat und eine Filmbildungszeit, die so eingestellt wurde, dass die Dicke der Fasermembran etwa 1 bis 80 µm betrug. Der mittlere Faserdurchmesser der Fasern betrug 188 nm.
Auf die auf dem Träger gebildete Fasermembran wurde durch Dampfabscheidung Au abgeschieden, um eine wärmeerzeugende Schicht zu bilden. Die Dicke der Au-Schicht wurde durch die Aufdampfungszeit gesteuert. Als Verfahren zur Beschichtung eines Metalls auf einer Faser kann ein Verfahren wie ein Sputter-Verfahren, ein Ionenplattierungsverfahren oder ein stromloses Plattierungsverfahren verwendet werden. Als Metallarten können Au, Ag, Cu, Pt, Rh, Pd, Ru, Ni, Ir, Cr, Mo, W, Ti, Al o.ä. verwendet werden.
Die Form der Metallbeschichtung (3), die Elementgröße, die Elektrodenstruktur (4A und 4B) und die Auswertungsmethode sind die gleichen wie in (Beispiel 1) beschrieben.

[Tabelle 3]

	Struktur der Elemente	Mittlerer Durchmesser der metallbeschichteten Fasern	Widerstand des Elements (Ω)	Schalldruckverhältnis
Probe 3	Au-beschichtete PVA-Faser/SiO2/Si	228 nm	811,1	48,3
Probe 4	Au-beschichtete PVA-Faser/SiO2/Si	265 nm	12,7	20,3
Probe 5	Au-beschichtete PVA-Faser/SiO2/Si	422 nm	2,8	9,4

Aus den Ergebnissen in Tabelle 3 geht hervor, dass sich der Schalldruck mit abnehmendem Durchmesser der metallbeschichteten Fasern weiter verbessert, wenn eine wärmeerzeugende Schicht mit einer Au-beschichteten PVA-Faser verwendet wird.
(Beispiel 4)
(Verfahren zur Probenvorbereitung)
Ein Druckwellenerzeugungselement wurde nach dem folgenden Verfahren hergestellt (Probe 6).
Als Spinnlösung wurde eine Polyvinylidenfluorid (PVDF)-Lösung verwendet, die mit einem Lösungsmittelgemisch aus N,N-Dimethylformamid (DMF) und Aceton (DMF : Aceton = 6 : 4) als Lösungsmittel hergestellt wurde. Die Lösungskonzentration wurde auf 10 Gew.-% eingestellt.
Mithilfe dieser Lösung wurden PVDF-Fasern durch ein Elektrospinnverfahren auf eine 20 µm dicke PET-Folie gesponnen, um eine Fasermembran aus einem Vliesstoff zu bilden. Um Das Haftvermögen zwischen der Fasermembran und dem Träger zu verbessern, kann eine Klebstoffschicht, wie z.B. ein Phenoxyharz in geeigneter Weise in die Grenzfläche zwischen der PET-Folie und der Fasermembran eingebracht werden.
Die Bedingungen für das Elektrospinnen waren eine angelegte Spannung von 20 kV, ein Abstand von 15 cm zwischen einer Düse und dem Träger, und die Filmbildungszeit wurde so eingestellt, dass die Dicke der Fasermembran etwa 1 bis 80 µm betrug.
Au wurde auf der auf dem Träger gebildeten Fasermembran durch ein Dampfabscheideverfahren abgeschieden, um eine wärmeerzeugende Schicht zu bilden. Als Verfahren zur Beschichtung eines Metalls auf einer Faser kann ein Verfahren wie ein Sputter-Verfahren, ein Ionenplattierungsverfahren oder ein stromloses Plattierungsverfahren verwendet werden. Als Metallarten können Au, Ag, Cu, Pt, Rh, Pd, Ru, Ni, Ir, Cr, Mo, W, Ti, Al etc. verwendet werden.
Die Form der Metallbeschichtung (3), die Elementgröße, die Elektrodenstruktur (4A und 4B) sowie die Auswertungsmethode und der Durchmesser der metallbeschichteten Fasern sind die gleichen wie in (Beispiel 1) beschrieben.
Wie oben beschrieben, kann in Beispiel 6, da sowohl der Träger als auch die wärmeerzeugende Schicht flexibel sind, ein Druckwellenerzeugungselement mit dieser Flexibilität verwirklicht werden. Daher wird der Freiheitsgrad der Installationsbedingung des Druckwellenerzeugungselements erhöht, und das Druckwellenerzeugungselement kann zum Beispiel verwendet werden, indem es an einer gekrümmten Basis befestigt wird.
(Beispiel 5)
(Verfahren zur Probenvorbereitung)
Ein Druckwellenerzeugungselement wurde nach dem folgenden Verfahren hergestellt (Proben 7 bis 19).
Eine Polyvinylidenfluorid (PVDF)-Lösung, die mit einem Lösungsmittelgemisch aus N,N-Dimethylformamid (DMF) und Aceton (DMF : Aceton = 6 : 4) hergestellt wurde, diente als Spinnlösung. Die Lösungskonzentration wurde auf 3 Gew.-% bis 20 Gew.-% eingestellt. Der durch Elektrospinnen erhaltene Faserdurchmesser kann durch Einstellung der Lösungskonzentration kontrolliert werden.
Kugelförmige oder sphäroidische Perlen, wie in 7 dargestellt, können in der Faser durch Verringerung der Konzentration und Viskosität der Lösung gebildet werden, aber die Perlen können in der Fasermembran enthalten sein, die für das Druckwellenerzeugungselement verwendet wird (Proben 11, 14, 17, 18 und 19). Die Größe der Perlen beträgt 0,5 bis 3,0 µm im kurzen Durchmesser. Außerdem können die Perlen eine hohle Kugelform oder eine lange Kugelform haben. Um andererseits Fasern zu erhalten, bei denen die Bildung von Perlen in einer Lösung mit niedriger Konzentration unterdrückt wurde, wurde der Lösung Lithiumchlorid in einer Menge von 1,0 Gew.-%, bezogen auf das Polymergewicht zugesetzt (Proben 12, 13, 15 und 16). Darüber hinaus können Tetrabutylammoniumchlorid, Kaliumtrifluormethansulfonat etc. als Additiv verwendet werden.
Unter Verwendung dieser Lösungen wurden PVDF-Fasern durch ein Elektrospinnverfahren auf ein Si-Substrat (675 µm dick) gesponnen, um eine Fasermembran aus einem Vliesstoff zu bilden. Um die Haftfähigkeit zwischen der Fasermembran und dem Substrat zu verbessern, kann eine Klebstoffschicht in die Grenzfläche zwischen dem Si-Substrat und der Fasermembran eingebracht werden.
Die Bedingungen für das Elektrospinnen waren eine angelegte Spannung von 20 kV, ein Abstand von 15 cm zwischen einer Düse und einem Substrat, und die Filmbildungszeit wurde so eingestellt, dass die Dicke der Fasermembran etwa 1 bis 80 µm betrug.
Au wurde in einer Dicke von 1 bis 40 nm auf der auf dem Substrat gebildeten Fasermembran durch ein Sputter-Verfahren abgeschieden, um eine wärmeerzeugende Schicht zu bilden. Als Verfahren zum Auftragen eines Metalls auf einer Faser kann ein Verfahren wie ein Dampfabscheidungsverfahren, ein Ionenplattierungsverfahren oder ein stromloses Plattierungsverfahren verwendet werden. Als Metallarten können Au, Ag, Cu, Pt, Rh, Pd, Ru, Ni, Ir, Cr, Mo, W, Ti, Al etc. verwendet werden.
Die Form der Metallbeschichtung (3), die Elementgröße, die Elektrodenstruktur (4A und 4B) und die Auswertungsmethode sind die gleichen wie in (Beispiel 1) beschrieben.
Der Durchmesser der metallbeschichteten Faser wurde wie folgt gemessen.
Der mittlere Faserdurchmesser der metallbeschichteten Fasern wurde berechnet, indem ein REM-Bild mit einem Rasterelektronenmikroskop (S-4800, Beschleunigungsspannung von 5 kV, 3-tausendfach bis 120-tausendfach, hergestellt von Hitachi, Ltd.) aufgenommen und der Faserdurchmesser anhand des erhaltenen Bildes gemessen wurde. Insbesondere wurden 10 Fasern pro Gesichtsfeld nach dem Zufallsprinzip aus dem erhaltenen Bild extrahiert, die Extraktion wurde für 5 Gesichtsfelder durchgeführt, um insgesamt 50 Faserdurchmesser zu messen, und ein mittlerer Faserdurchmesser wurde berechnet. Für die Fasermembran, in der sich Wülste gebildet hatten, wurde der mittlere Faserdurchmesser durch Messung des Durchmessers der Faserform an einer Stelle berechnet, an der sich keine Wülste gebildet hatten.
Tabelle 4 zeigt eine Beziehung zwischen dem mittleren Faserdurchmesser der PVDF-Fasern nach der Metallbeschichtung und dem Schalldruckverhältnis pro Leistungseinheit für die Proben 7 bis 19. 8 ist ein Diagramm, das diese Beziehung veranschaulicht.

[Tabelle 4]

	Lösungskonzentration Gew.-%	Mittlerer Durchmesser der metallbeschichteten Fasern nm	Schalldruckverhältnis
Probe 7	20	1711	6,7
Probe 8	16	1012	8,2
Probe 9	15	949	8, 7
Probe 10	11	476	13,1
Probe 11	7	109	34,8
Probe 12	7	106	21,5
Probe 13	6	77	25,8
Probe 14	6	73	36,1
Probe 15	5	67	27.7
Probe 16	4	55	31,5
Probe 17	5	43	47,7
Probe 18	4	40	50,7
Probe 19	3	18	76,9

Wie in Tabelle 4 und 8 angegeben, kann ein Druckwellenerzeugungselement mit einem hohen Schalldruck pro Eingangsleistungseinheit erhalten werden, wenn der Faserdurchmesser 1000 nm oder weniger beträgt. Insbesondere wenn der Faserdurchmesser 500 nm oder weniger beträgt, wird der Schalldruck pro Eingangsleistungseinheit drastisch verbessert.
Probe 11 und Probe 12 hatten den gleichen Faserdurchmesser, aber Probe 11, die Perlen in der Fasermembran enthielt, zeigte einen hohen Schalldruck pro Eingangsleistungseinheit. Es wird vermutet, dass dieses Phänomen darauf zurückzuführen ist, dass bei der Bildung von Perlen in der Fasermembran zwischen mit einer Metallbeschichtung versehenen Fasern die Perlen als Abstandshalter dienten, die Porengröße im Film vergrößert wurde und die Wärmeerzeugung nicht nur in der oberflächennahen Schicht, sondern auch in der Schicht nahe dem Substrat effizient in eine akustische Leistung umgewandelt wurde.
Durch die Verringerung des Faserdurchmessers auf diese Weise kann die spezifische Oberfläche der wärmeerzeugenden Schicht vergrößert und der Schalldruck in Bezug auf die Eingangsleistungseinheit erhöht werden. Darüber hinaus kann durch die Bildung von Perlen in der Faser der Schalldruck in Bezug auf die Eingangsleistungseinheit erhöht werden.
(Beispiel 6)
(Verfahren zur Probenvorbereitung)
Ein Druckwellenerzeugungselement wurde nach dem folgenden Verfahren hergestellt (Beispiel 20).
Als Spinnlösung wurde eine Nylon 6-Lösung verwendet, die mit einem Lösungsmittelgemisch aus Ameisensäure und Tetrahydrofuran (THF) (Ameisensäure : THF = 7,5 : 2,5) hergestellt wurde. Die Lösungskonzentration wurde auf 12,5 Gew.-% eingestellt.
Mit dieser Lösung wurden Nylon 6-Fasern durch ein Elektrospinnverfahren auf ein Si-Substrat (675 µm dick) gesponnen, um eine Fasermembran aus einem Vliesstoff zu bilden. Um die Haftung zwischen der Fasermembran und dem Substrat zu verbessern, kann eine Klebstoffschicht an der Schnittstelle zwischen dem Si-Substrat und der Fasermembran angebracht werden.
Die Bedingungen für das Elektrospinnen waren eine angelegte Spannung von 29 kV, ein Abstand von 13 cm zwischen einer Düse und einem Substrat, und die Filmbildungszeit wurde so eingestellt, dass die Dicke der Fasermembran etwa 1 bis 80 µm betrug. Der mittlere Faserdurchmesser der Fasern betrug 71 nm.
Auf die auf dem Substrat gebildete Fasermembran wurde durch ein Sputterverfahren Au aufgebracht. Der mittlere Faserdurchmesser der metallbeschichteten Fasern betrug 84 nm. Als Verfahren zum Auftragen eines Metalls auf eine Faser können ein Verfahren wie ein Dampfabscheideverfahren, ein Ionenplattierungsverfahren oder ein stromloses Plattierungsverfahren verwendet werden. Als Metallarten können Au, Ag, Cu, Pt, Rh, Pd, Ru, Ni, Ir, Cr, Mo, W, Ti, Al etc. verwendet werden.
Die Form der Metallbeschichtung (3), die Elementgröße, die Elektrodenstruktur (4A und 4B) und die Auswertungsmethode sind die gleichen wie in (Beispiel 1) beschrieben.
Der Durchmesser der metallbeschichteten Faser wurde wie folgt gemessen.
Der mittlere Faserdurchmesser der metallbeschichteten Fasern wurde berechnet, indem ein REM-Bild mit einem Rasterelektronenmikroskop (S-4800, Beschleunigungsspannung von 5 kV, 30-tausendfach, hergestellt von Hitachi, Ltd.) aufgenommen und der Faserdurchmesser anhand des erhaltenen Bildes gemessen wurde. Konkret wurden 10 Fasern pro Gesichtsfeld zufällig aus dem erhaltenen Bild extrahiert, die Extraktion wurde für 5 Gesichtsfelder durchgeführt, um insgesamt 50 Faserdurchmesser zu messen, und ein mittlerer Faserdurchmesser wurde berechnet. Für die Fasermembran, in der sich Wülste gebildet hatten, wurde der mittlere Faserdurchmesser durch Messung des Durchmessers der Faserform an einer Stelle berechnet, an der sich keine Wülste gebildet hatten.
Tabelle 5 zeigt die Beziehung zwischen einem mittleren Faserdurchmesser der Nylon 6-Fasern nach der Metallbeschichtung und dem Schalldruckverhältnis pro Leistungseinheit für Probe 20.
[Tabelle 5]

Mittlerer Durchmesser der metallbeschichteten Fasern nm Schalldruckverhältnis

Probe 20 84 27,3
Da der Metallfilm unter Verwendung der Faser als Matrize wie oben beschrieben gebildet wird, kann die spezifische Oberfläche der wärmeerzeugenden Schicht vergrößert und der Schalldruck in Bezug auf die Eingangsleistungseinheit erhöht werden. Da als Faserschicht ein schwach wärmeleitfähiges Material wie ein Polymer verwendet wird, kann außerdem eine wärmeisolierende Wirkung in Richtung des Substrats erzielt werden. Daher wird die Temperaturänderung an der Oberfläche des Heizelements erhöht, und der Schalldruck in Bezug auf die Eingangsleistungseinheit kann erhöht werden.
(Beispiel 7)
(Verfahren zur Probenvorbereitung)
Ein Druckwellenerzeugungselement wurde nach dem folgenden Verfahren hergestellt (Beispiel 21).
Als Spinnlösung wurde eine Epoxidharzlösung (Typ Bisphenol A) verwendet, die mit N,N-Dimethylacetamid (DMAc) als Lösungsmittel hergestellt wurde. Die Lösungskonzentration wurde auf 30 Gew.-% eingestellt. Zu diesem Zeitpunkt können Zusatzstoffe wie Imidazole in geeigneter Weise verwendet werden.
Mit dieser Lösung wurden Epoxidharzfasern durch ein Elektrospinnverfahren auf ein Si-Substrat (675 µm dick) gesponnen, um eine Fasermembran aus einem Vliesstoff zu bilden. Um die Haftung zwischen der Fasermembran und dem Substrat zu verbessern, kann an der Schnittstelle zwischen dem Si-Substrat und der Fasermembran eine Klebstoffschicht angebracht werden.
Die Bedingungen für das Elektrospinnen waren eine angelegte Spannung von 23 kV, ein Abstand von 15 cm zwischen einer Düse und einem Substrat, und die Filmbildungszeit wurde so eingestellt, dass die Dicke der Fasermembran etwa 1 bis 80 µm betrug. Der mittlere Faserdurchmesser der Fasern betrug 235 nm.
Auf die auf dem Substrat gebildete Fasermembran wurde durch ein Sputterverfahren Au aufgebracht. Der mittlere Faserdurchmesser der metallbeschichteten Fasern betrug 248 nm. Als Verfahren zum Auftragen eines Metalls auf eine Faser kann ein Verfahren wie ein Dampfabscheideverfahren, ein Ionenplattierungsverfahren oder ein stromloses Plattierungsverfahren verwendet werden. Als Metallarten können Au, Ag, Cu, Pt, Rh, Pd, Ru, Ni, Ir, Cr, Mo, W, Ti, Al etc. verwendet werden.
Die Form der Metallbeschichtung (3), die Elementgröße, die Elektrodenstruktur (4A und 4B) und die Auswertungsmethode sind die gleichen wie in (Beispiel 1) beschrieben.
Der Durchmesser der metallbeschichteten Faser wurde wie folgt gemessen.
Der mittlere Faserdurchmesser der metallbeschichteten Fasern wurde berechnet, indem ein REM-Bild mit einem Rasterelektronenmikroskop (S-4800, Beschleunigungsspannung von 5 kV, 20-tausendfach, hergestellt von Hitachi, Ltd.) aufgenommen und der Faserdurchmesser anhand des erhaltenen Bildes gemessen wurde. Insbesondere wurden 10 Fasern pro Gesichtsfeld zufällig aus dem erhaltenen Bild extrahiert, die Extraktion wurde für 5 Gesichtsfelder durchgeführt, um insgesamt 50 Faserdurchmesser zu messen, und ein mittlerer Faserdurchmesser wurde berechnet. Für die Fasermembran, in der sich Perlen gebildet hatten, wurde der mittlere Faserdurchmesser durch Messung des Durchmessers der Faserform an einer Stelle berechnet, an der sich keine Wülste gebildet hatten.
Tabelle 6 zeigt die Beziehung zwischen dem mittleren Faserdurchmesser der Epoxidharzfasern nach der Metallbeschichtung und dem Schalldruckverhältnis pro Leistungseinheit für Probe 21.
[Tabelle 6]

Mittlerer Durchmesser der metallbeschichteten Fasern nm Schalldruckverhältnis

Probe 21 248 20,3
Da der Metallfilm unter Verwendung der Faser als Matrize wie oben beschrieben gebildet wird, kann die spezifische Oberfläche der wärmeerzeugenden Schicht vergrößert und der Schalldruck in Bezug auf die Eingangsleistungseinheit erhöht werden. Da als Faserschicht ein schwach wärmeleitfähiges Material wie ein Polymer verwendet wird, kann außerdem eine wärmeisolierende Wirkung in Richtung des Substrats erzielt werden. Daher wird die Temperaturänderung an der Oberfläche des Heizelements erhöht, und der Schalldruck in Bezug auf die Eingangsleistungseinheit kann erhöht werden.
(Beispiel 8)
(Verfahren zur Probenvorbereitung)
Ein Druckwellenerzeugungselement wurde nach dem folgenden Verfahren hergestellt (Probe 22 und 23).
Eine mit N,N-Dimethylacetamid (DMAc) als Lösungsmittel hergestellte Polyamidsäurelösung wurde als Spinnlösung verwendet. Die Lösungskonzentration wurde auf 23 Gew.-% eingestellt. Bei der Herstellung von Probe 22 wurden der Lösung 5,0 Gew.-% Kaliumtrifluormethansulfonat, bezogen auf das Polymergewicht, zugesetzt. Bei der Herstellung von Probe 23 hingegen werden der Lösung keine Additive zugesetzt. Als Additive zur Lösung können Tetrabutylammoniumchlorid, Lithiumchlorid und dergleichen verwendet werden. Durch deren Zugabe können Fasern erhalten werden, bei denen die Bildung von Perlen unterdrückt wird.
Unter Verwendung dieser Lösungen wurden Polyamidsäureharzfasern durch ein Elektrospinnverfahren auf ein Si-Substrat (675 µm dick) gesponnen, um eine Fasermembran aus einem Vliesstoff zu bilden. Um eine Fasermembran zu erhalten, die für das Druckwellenerzeugungselement verwendet wird, können Perlen in der Fasermembran enthalten sein. Um die Adhäsion zwischen der Fasermembran und dem Substrat zu verbessern, kann eine Klebstoffschicht in die Grenzfläche zwischen dem Si-Substrat und der Fasermembran eingebracht werden.
Die Elektrospinnbedingungen waren eine angelegte Spannung von 23 kV, ein Abstand von 14 cm zwischen einer Düse und einem Substrat, und die Filmbildungszeit wurde so eingestellt, dass die Dicke der Fasermembran etwa 1 bis 80 µm betrug. Die erhaltenen Polyamidsäurefasern wurden einer Wärmebehandlung (Imidisierung) bei 300 °C für 1 Stunde unterzogen, um eine Polyimidfaser zu erhalten. Der mittlere Faserdurchmesser der Polyimidfasern betrug 76 nm für Probe 22 und 66 nm für Probe 23.
Auf die auf dem Substrat gebildete Fasermembran wurde durch ein Sputterverfahren Au abgeschieden. Die mittleren Faserdurchmesser der metallbeschichteten Fasern betrugen 87 nm bzw. 78 nm. Als Verfahren zum Auftragen eines Metalls auf eine Faser kann ein Verfahren wie ein Dampfabscheideverfahren, ein Ionenplattierungsverfahren oder ein stromloses Plattierungsverfahren verwendet werden. Als Metallarten können Au, Ag, Cu, Pt, Rh, Pd, Ru, Ni, Ir, Cr, Mo, W, Ti, Al etc. verwendet werden.
Die Form der Metallbeschichtung (3), die Elementgröße, die Elektrodenstruktur (4A und 4B) und die Auswertungsmethode sind die gleichen wie in (Beispiel 1) beschrieben.
Der Durchmesser der metallbeschichteten Faser wurde wie folgt gemessen.
Der mittlere Faserdurchmesser der metallbeschichteten Fasern wurde berechnet, indem ein REM-Bild mit einem Rasterelektronenmikroskop (S-4800, Beschleunigungsspannung von 5 kV, 50-tausenfache Vergrößerung, hergestellt von Hitachi, Ltd.) aufgenommen und der Faserdurchmesser anhand des erhaltenen Bildes gemessen wurde. Konkret wurden 10 Fasern pro Gesichtsfeld zufällig aus dem erhaltenen Bild extrahiert, die Extraktion wurde für 5 Gesichtsfelder durchgeführt, um insgesamt 50 Faserdurchmesser zu messen, und es wurde ein mittlerer Faserdurchmesser berechnet. Für die Fasermembran, in der sich Wülste gebildet hatten, wurde der mittlere Faserdurchmesser durch Messung des Durchmessers der Faserform an einer Stelle berechnet, an der sich keine Wülste gebildet hatten.
Tabelle 7 zeigt die Beziehung zwischen dem mittleren Faserdurchmesser der Polyimidfasern nach der Metallbeschichtung und dem Schalldruckverhältnis pro Leistungseinheit für die Proben 22 und 23.
[Tabelle 7]

Mittlerer Durchmesser der metallbeschichteten Fasern nm Schalldruckverhältnis

Probe 22 87 23, 0

Probe 23 78 31,2
Da der Metallfilm unter Verwendung der Faser als Matrize wie oben beschrieben gebildet wird, kann die spezifische Oberfläche der wärmeerzeugenden Schicht vergrößert und der Schalldruck in Bezug auf die Eingangsleistungseinheit erhöht werden. Da als Faserschicht ein schwach wärmeleitfähiges Material wie ein Polymer verwendet wird, kann außerdem eine wärmeisolierende Wirkung in Richtung des Substrats erzielt werden. Daher wird die Temperaturänderung an der Oberfläche des Heizelements erhöht, und der Schalldruck in Bezug auf die Eingangsleistungseinheit kann erhöht werden. Darüber hinaus kann durch die Bildung von Perlen in der Faser der Schalldruck in Bezug auf die Eingangsleistungseinheit erhöht werden.
Obwohl die vorliegende Erfindung in Zusammenschau mit bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen vollständig beschrieben wurde, werden sich einem Fachmann verschiedene Änderungen und Modifikationen erschließen. Derartige Variationen und Modifikationen sollten dahingehend verstanden werden, dass sie innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung gemäß den beigefügten Ansprüchen liegen, solange sie nicht davon abweichen.
INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
Die vorliegende Erfindung ist industriell sehr nützlich, da ein Druckwellenerzeugungselement mit verbessertem Schalldruck und angemessenem elektrischen Widerstand realisiert werden kann.
Bezugszeichenliste

1: Druckwellenerzeugungselement
10: Träger
20: wärmeerzeugende Schicht
21: Faser
22: Metallbeschichtung
D1, D2: Elektrode

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2009296591 [0003]
JP 11300274 [0003]
WO 2012/020600 A [0003]

Claims

Druckwellenerzeugungselement, aufweisend: einen Träger; und eine wärmeerzeugende Schicht, die auf dem Träger bereitgestellt ist und durch Bestromung Wärme erzeugt, wobei die wärmeerzeugende Schicht eine Faser mit zumindest einer teilweisen Metallbeschichtung auf einer Oberfläche aufweist.
Druckwellenerzeugungselement nach Anspruch 1, wobei die Dicke der Metallbeschichtung mit zunehmendem Abstand von dem Träger zunimmt.
Druckwellenerzeugungselement nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Metallbeschichtung an einer Position, die der Trägerseite am nächsten liegt, eine Dicke T1 hat, und an einer Position, die am weitesten von der Trägerseite entfernt ist, eine Dicke T2 hat, und T1 < T2 erfüllt ist.
Druckwellenerzeugungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Metallbeschichtung nicht auf der Trägerseite der Faser vorgesehen ist.
Druckwellenerzeugungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Faser aus einer Polymerfaser besteht.
Druckwellenerzeugungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der mittlere Faserdurchmesser der mit der Metallbeschichtung versehenen Fasern 1 nm oder mehr und 1000 nm oder weniger beträgt.
Druckwellenerzeugungselement nach Anspruch 6, wobei der mittlere Faserdurchmesser der mit der Metallbeschichtung versehenen Fasern 15 nm oder mehr und 500 nm oder weniger beträgt.
Druckwellenerzeugungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei Perlen in einem Teil der Fasern enthalten sind.
Druckwellenerzeugungselement nach Anspruch 8, wobei die Perlen sandwichartig zwischen mit der Metallbeschichtung versehenen Fasern eingezwängt sind.
Druckwellenerzeugungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Träger aus einem flexiblen Material gebildet ist.
Verfahren zur Herstellung eines Druckwellenerzeugungselements, wobei das Verfahren umfasst: einen Schritt der Herstellung eines Trägers; einen Schritt der Bildung einer Fasermembran auf dem Träger mittels einer durch Spinnen erhaltenen Faser; und einen Schritt der Bildung einer wärmeerzeugenden Schicht auf der Fasermembran durch Auftragen einer Metallbeschichtung.
Verfahren zur Herstellung eines Druckwellenerzeugungselements nach Anspruch 11, wobei der Schritt der Bildung einer Fasermembran das Spinnen unter Verwendung eines Elektrospinnverfahrens umfasst.