DE112022000331T5

DE112022000331T5 - Druckwellenerzeugungselement und verfahren zur herstellung desselben

Info

Publication number: DE112022000331T5
Application number: DE112022000331.6T
Authority: DE
Inventors: Kohei Fukamachi
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2021-02-19
Filing date: 2022-02-04
Publication date: 2023-09-07
Also published as: WO2022176651A1; CN116965061A; JPWO2022176651A1; US20240048917A1

Abstract

Ein Druckwellenerzeugungselement umfasst einen Träger 10 und eine Faserschicht 20, die auf dem Träger 10 angeordnet ist und Wärme durch Erregung erzeugt. Die Faserschicht 20 umfasst eine Faser mit einer Oberfläche, die zumindest teilweise mit einer Metallbeschichtung versehen ist. Die Faserschicht 20 ist aus einer Fasermembran mit einem durchschnittlichen Porendurchmesser in dem Bereich von 0,1 bis 1,0 µm gebildet. Mit einer solchen Konfiguration wird das Druckwellenerzeugungselement mit verbessertem Schalldruck und angemessenem elektrischen Widerstand erhalten.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Druckwellenerzeugungselement, welches eine Druckwelle durch periodisches Erhitzen von Luft erzeugt. Zudem betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung des Druckwellenerzeugungselements.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Ein Druckwellenerzeugungselement wird als Thermophon bezeichnet, und als Beispiel wird eine Widerstandsschicht auf einem Träger bereitgestellt. Wenn ein Strom durch den Widerstand fließt, erzeugt der Widerstand Wärme, und die Luft, die mit dem Widerstand in Kontakt ist, dehnt sich thermisch aus. Wenn die Stromzufuhr unterbrochen wird, zieht sich die ausgedehnte Luft wieder zusammen. Eine solche periodische Erwärmung erzeugt eine Schallwelle. Wenn ein Steuersignal auf eine hörbare Frequenz eingestellt ist, kann es als akustischer Lautsprecher verwendet werden. Wenn das Steuersignal auf eine Ultraschallfrequenz eingestellt ist, 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 das Thermophon die Schallwelle nach der Umwandlung von elektrischer Energie in thermische Energie erzeugt, besteht ein Bedarf an einer verbesserten Energieumwandlungseffizienz und einem höheren Schalldruck.
In Patentdokument 1 wird durch die Bereitstellung einer Kohlenstoffnanoröhrenstruktur, in der eine Vielzahl von Kohlenstoffnanoröhren parallel zueinander als Widerstand angeordnet sind, die mit Luft in Kontakt stehende Oberfläche vergrößert und die Wärmekapazität pro Flächeneinheit verringert. Im Patentdokument 2 wird ein Siliziumsubstrat als Wärmestrahlungsschicht und poröses Silizium mit geringer Wärmeleitfähigkeit als Wärmeisolierschicht verwendet, um die Isoliereigenschaften zu verbessern.
DOKUMENTE ZUM STAND DER TECHNIK
PATENTDOKUMENTE

Patentdokument 1: Japanische Patentanmeldung Offenlegungsnummer 2009-296591
Patentdokument 2: Japanische Patentanmeldung Offenlegungsnummer H11-300274

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Problem, das durch die Erfindung gelöst werden soll
In Patentdokument 1 wird die Verringerung der Wärmekapazität durch die Verwendung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen als Heizschicht untersucht. Obwohl die Kohlenstoff-Nanoröhrchen in der Praxis eingesetzt werden, ist es wahrscheinlich problematisch, in der praktischen Anwendung wegen ihrer hohen Kosten und Schwierigkeiten bei der Handhabung in der Produktion zu sein. Da der spezifische Widerstand (10^-5 bis 10^-2 Ω cm) der Kohlenstoffnanoröhren höher ist als der eines Metallmaterials (10^-6 Ω cm), muss ein Element mit einer hohen Spannung betrieben werden, um die gleiche elektrische Leistung zu erzeugen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Druckwellenerzeugungselement mit verbessertem Schalldruck und geeignetem elektrischen Widerstand bereitzustellen. Es ist ebenfalls eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Druckwellenerzeugungselements bereitzustellen.
Mittel zur Lösung des Problems
Ein Druckwellenerzeugungselement gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist auf:

einen Träger; und
eine Faserschicht, die auf dem Träger vorgesehen ist und Wärme durch Energiezufuhr erzeugt, wobei
die Faserschicht eine Faser enthält, deren Oberfläche zumindest teilweise mit einer Metallbeschichtung versehen ist, und
die Faserschicht aus einer Fasermembran mit einem durchschnittlichen Porendurchmesser innerhalb des Bereichs von 0,1 bis 1,0 um gebildet ist.

Ferner umfasst ein Druckwellenerzeugungselement gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung:

einen Träger; und
eine Faserschicht, die auf dem Träger vorgesehen ist und Wärme durch Energiezufuhr erzeugt, wobei
die Faserschicht eine Faser aufweist, deren Oberfläche zumindest teilweise mit einer Metallbeschichtung versehen ist, und
die Faserschicht eine Fasermembran mit einer Porosität in einem Bereich von 70 % bis 95 % aufweist.

Ein Verfahren zur Herstellung eines Druckwellenerzeugungselements gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst:

einen Schritt des Bereitstellens eines Trägers;
einen Schritt des Bildens einer Fasermembran auf dem Träger unter Verwendung einer Faser durch Spinnen unter Verwendung eines Elektrospinnverfahrens; und
einen Schritt des Aufbringens einer Metallbeschichtung auf die Fasermembran, um eine Faserschicht zu bilden, wobei
zu dem Zeitpunkt des Spinnens zwei oder mehr Arten von Lösungen mit unterschiedlichen Konzentrationen gleichzeitig gesponnen werden, um eine Fasermembran aus einer Verbundfaser zu bilden.

Das Verfahren zur Herstellung eines Druckwellenerzeugungselements gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst:

den Schritt des Bereitstellens des Trägers;
den Schritt des Bildens der Fasermembran auf dem Träger unter Verwendung der Faser durch Spinnen unter Verwendung des Elektrospinnverfahrens; und
den Schritt des Aufbringens der Metallbeschichtung auf die Fasermembran zur Bildung der Faserschicht, wobei
zu dem Zeitpunkt des Spinnens zwei oder mehr verschiedene Arten von Materialien gleichzeitig gesponnen werden, um eine Fasermembran aus einer Verbundfaser zu bilden.

Ferner umfasst das Druckwellenerzeugungselement gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung:

den Träger; und
die Faserschicht, die auf dem Träger vorgesehen ist und Wärme durch Energiezufuhr erzeugt, wobei
die Faserschicht die Faser enthält, deren Oberfläche zumindest teilweise mit der Metallbeschichtung versehen ist, und
eine Eindringtiefe der Metallbeschichtung in die Faserschicht 1 um oder mehr beträgt.

Vorteilhafte Wirkung der Erfindung
Da in einem Druckwellenerzeugungselement gemäß der vorliegenden Erfindung eine Faserschicht eine Faser enthält, deren Oberfläche zumindest teilweise mit einer Metallbeschichtung versehen ist, vergrößert sich der Oberflächenbereich, der mit der Luft in Kontakt kommt, so dass der Schalldruck verbessert wird. Zudem kann durch die Verwendung eines Metallmaterials der elektrische Widerstand der Faserschicht auf einen geeigneten Wert eingestellt werden. Die Faserschicht ist aus einer Fasermembran mit einem durchschnittlichen Porendurchmesser in dem Bereich von 0,1 bis 1,0 µm ausgebildet. Alternativ kann die Faserschicht aus einer Fasermembran mit einer Porosität in dem Bereich von 70 % bis 95 % gebildet sein. Dadurch erhöht sich die spezifische Oberfläche der Faserschicht, die akustische Umwandlungseffizienz kann verbessert werden, und der Schalldruck wird erhöht.
Das Verfahren zur Herstellung des Druckwellenerzeugungselements gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Faserschicht mit einer großen Oberfläche bzw. einem großen Flächeninhalt in Kontakt mit Luft und mit einem geeigneten elektrischen Widerstand realisieren. Zudem wird durch die Bildung der Fasermembran aus einer Verbundfaser ein Porendurchmesser und eine Porosität der Faserschicht erhöht, die akustische Umwandlungseffizienz kann verbessert werden, und der Schalldruck wird verbessert.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 ist eine Schnittdarstellung, die ein Beispiel eines Druckwellenerzeugungselements gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ist eine elektronenmikroskopische Aufnahme, die eine Oberfläche einer Faserschicht zeigt.
3 ist eine Schnittdarstellung, die die Dickenverteilung einer Metallbeschichtung zeigt.
4 ist eine Draufsicht, die ein Beispiel für die Anordnung von Elektroden zeigt.
5 ist eine elektronenmikroskopische Aufnahme, die ein Beispiel einer Fasermembran zeigt, in der Kugeln erzeugt werden.
6 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Beispiel für ein Verfahren zur Herstellung des Druckwellenerzeugungselements zeigt.
7 ist eine elektronenmikroskopische Aufnahme, die ein Beispiel für die Längenmessung der Eindringtiefe der Metallbeschichtung in einen Vliesstoff zeigt.

AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG
Ein Druckwellenerzeugungselement gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist auf:

einen Träger; und
eine Faserschicht, die auf dem Träger vorgesehen ist und Wärme durch Energiezufuhr erzeugt, wobei
die Faserschicht eine Faser aufweist, deren Oberfläche zumindest teilweise mit einer Metallbeschichtung versehen ist, und
die Faserschicht aus einer Fasermembran mit einem durchschnittlichen Porendurchmesser innerhalb eines Bereichs von 0,1 bis 1,0 um gebildet ist.

Bei dieser Konfiguration umfasst die Faserschicht eine Faser, auf deren Oberfläche die Metallbeschichtung zumindest teilweise vorgesehen ist. Dadurch vergrößert sich die Oberfläche bzw. der Flächeninhalt, die bzw. der mit der Luft in Kontakt kommt, und der Schalldruck in Bezug auf eine Leistungseinheit wird verbessert. Die Faser kann in Form eines Vlieses, eines Gewebes, eines Gestricks oder einer Mischung davon angeordnet sein, wobei die Hohlräume um die Faser herum miteinander in Verbindung stehen, um die Luftdurchlässigkeit zwischen dem inneren Hohlraum und dem Außenraum sicherzustellen. Daher wird die Kontaktfläche zwischen einer porösen Struktur aus Fasern und Luft im Vergleich zu einer nicht porösen und glatten Oberfläche erheblich vergrößert. Die Effizienz der Wärmeübertragung von der Faserschicht an die Luft wird folglich erhöht, und der Schalldruck kann verbessert werden.
Zudem kann der elektrische Widerstand der Faserschicht durch Aufbringen der Metallbeschichtung auf zumindest einen Teil der Faser leicht auf einen geeigneten Wert entsprechend der Einstellung der Beschichtungsschichtdicke und der Auswahl des Beschichtungsmaterials eingestellt werden. Auf diese Weise wird ein gewünschter elektrischer Widerstand erreicht und eine Ansteuerspannung optimiert.
Wenn zum Beispiel ein Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit als Faser verwendet wird, kann die Wärmeleitung von der Faserschicht zum Träger unterdrückt werden. Daher erhöht sich die Temperaturänderung an der Oberfläche der Faserschicht, und der Schalldruck in Bezug auf eine Leistungseinheit wird verbessert. Da die Faserschicht, die solche Fasern enthält, eine poröse Struktur hat, ist es nicht notwendig, eine wärmeisolierende Schicht für den Schalldruck wie in Patentdokument 2 einzuführen.
Die Faserschicht ist aus einer Fasermembran mit einem durchschnittlichen Porendurchmesser im Bereich von 0,1 bis 1,0 um gebildet. Dadurch vergrößert sich die spezifische Oberfläche der Faserschicht, die akustische Umwandlungseffizienz kann erhöht werden und der Schalldruck wird verbessert.
In der vorliegenden Erfindung enthält die Fasermembran bevorzugt eine Faser mit einem Faserdurchmesser von 1 nm bis 100 nm und einem durchschnittlichen Porendurchmesser von 0,2 um oder mehr. Dadurch erhöht sich die spezifische Oberfläche der Faserschicht, die akustische Umwandlungseffizienz kann verbessert werden, und der Schalldruck wird erhöht.
Ferner umfasst ein Druckwellenerzeugungselement gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung:

einen Träger; und
eine Faserschicht, die auf dem Träger vorgesehen ist und durch Energiezufuhr Wärme erzeugt, wobei
die Faserschicht eine Faser enthält, deren Oberfläche zumindest teilweise mit einer Metallbeschichtung versehen ist, und
die Faserschicht eine Fasermembran mit einer Porosität im Bereich von 70 % bis 95 % aufweist.

Dadurch vergrößert sich die spezifische Oberfläche der Faserschicht, der Wirkungsgrad der Schallwandlung kann erhöht werden und der Schalldruck wird verbessert.
In der vorliegenden Erfindung enthält die Fasermembran bevorzugt eine Faser mit einem Faserdurchmesser von 1 nm bis 100 nm und einer Porosität von 87 % oder mehr. Dadurch erhöht sich die spezifische Oberfläche der Faserschicht, die akustische Umwandlungseffizienz kann verbessert werden, und der Schalldruck wird erhöht.
In der vorliegenden Erfindung umfasst die Faserschicht bevorzugt eine Verbundfaser mit einer ersten Faser mit einem ersten Faserdurchmesser Φ1 und einer zweiten Faser mit einem zweiten Faserdurchmesser Φ2, der größer ist als der erste Faserdurchmesser (Φ1 < Φ2). Dadurch werden der Porendurchmesser und die Porosität der Faserschicht erhöht, der akustische Umwandlungswirkungsgrad kann verbessert werden, und der Schalldruck wird erhöht.
In der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, dass der erste Faserdurchmesser Φ1 in einem Bereich von 1 nm ≤ Φ1 ≤ 100 nm liegt und der zweite Faserdurchmesser Φ2 in einem Bereich von 100 nm ≤ Φ2 ≤ 2000 nm liegt. Dadurch werden der Porendurchmesser und die Porosität der Faserschicht erhöht, die akustische Umwandlungseffizienz kann verbessert werden, und der Schalldruck wird erhöht.
Bei der vorliegenden Erfindung ist es vorteilhaft, dass die Faserschicht eine Kugel (Englisch: „bead“, Deutsch auch „Perle“) enthält und die Kugel zwischen den Fasern eingebettet ist. Dadurch werden der Porendurchmesser und die Porosität der Faserschicht erhöht, der akustische Umwandlungswirkungsgrad kann verbessert werden, und der Schalldruck wird erhöht.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es vorteilhaft, dass die Dicke der Metallbeschichtung mit zunehmendem Abstand zu dem Träger zunimmt.
Bei dieser Konfiguration wird die Wärmeerzeugung auf der Seite des Trägers innerhalb der Faserschicht unterdrückt, während die Wärmeerzeugung auf der dem Träger gegenüberliegenden Seite verstärkt werden kann. Daher wird, während die Wärmeleitung von der Faserschicht zum Träger unterdrückt wird, die Effizienz der Lufterwärmung verbessert und der Schalldruck in Bezug auf eine Einheit Eingangsleistung verbessert.
Bei der vorliegenden Erfindung wird die Faserschicht bevorzugt aus einem Vliesstoff gebildet. Infolgedessen werden die spezifische Oberfläche, der Porendurchmesser, die Porosität und dergleichen der Faserschicht erhöht, so dass die akustische Umwandlungseffizienz erhöht werden kann und der Schalldruck verbessert wird.
Ein Verfahren zur Herstellung eines Druckwellenerzeugungselements gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst:

Gemäß diesen Verfahren wird die Faserschicht eine Faser aufweisen, die zumindest teilweise mit der Metallbeschichtung auf der Oberfläche versehen ist, und wirkt als Heizung. Daher vergrößert sich die Oberfläche, die mit Luft in Kontakt kommt, und der Schalldruck in Bezug auf eine Leistungseinheit wird verbessert. Zudem kann die Faserschicht mit einem geeigneten elektrischen Widerstand auf einfache Weise realisiert werden.
Zudem können durch die Anwendung des Elektrospinnverfahrens Fasern mit einem Durchmesser im Bereich von 1 nm bis 2000 nm, z.B. Nanofasern, Submikronfasern, Mikronfasern und dergleichen, hergestellt werden.
Zudem kann die Faserschicht mit einer großen Oberfläche in Kontakt mit Luft und mit einem angemessenen elektrischen Widerstand realisiert werden. Durch die Herstellung der Fasermembran aus der Verbundfaser werden der Porendurchmesser und die Porosität der Faserschicht erhöht, die akustische Umwandlungseffizienz kann verbessert werden und der Schalldruck wird erhöht.
Ferner umfasst das Druckwellenerzeugungselement gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung:

den Träger; und
die Faserschicht, die auf dem Träger vorgesehen ist und Wärme durch Energiezufuhr erzeugt, wobei
die Faserschicht die Faser aufweist, deren Oberfläche zumindest teilweise mit der Metallbeschichtung versehen ist, und
eine Eindringtiefe der Metallbeschichtung in die Faserschicht 1 um oder mehr beträgt.

Dadurch ist es möglich, ein Druckwellenerzeugungselement zu erhalten, das einen großen Schalldruck in Bezug auf eine Leistungseinheit aufweist.
(Erste Ausführungsform)
1 ist eine Schnittdarstellung, die ein Beispiel für ein Druckwellenerzeugungselement 1 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
Das Druckwellenerzeugungselement 1 umfasst einen Träger 10, eine Faserschicht 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 Polymer gebildet. Auf dem Träger 10 kann eine wärmeisolierende Schicht mit einer geringeren Wärmeleitfähigkeit als die des Trägers 10 vorgesehen werden, so dass die Wärmeabgabe von der Faserschicht 20 an den Träger 10 unterdrückt werden kann. Wie später beschrieben, kann die oben beschriebene Wärmedämmschicht entfallen, wenn die Faserschicht 20 eine Wärmedämmfunktion aufweist.
Die Faserschicht 20 ist auf dem Träger 10 vorgesehen. Die Faserschicht 20 ist aus einem leitfähigen Material gebildet, wird elektrisch angesteuert, um durch Stromfluss Wärme zu erzeugen, und gibt aufgrund der periodischen Ausdehnung und Kontraktion der Luft eine Druckwelle ab. Das Paar Elektroden D1 und D2 ist auf beiden Seiten der Faserschicht 20 vorgesehen. Die Elektroden D1 und D2 haben eine ein- oder mehrschichtige Struktur aus einem leitfähigen Material.
In der vorliegenden Ausführungsform umfasst die Faserschicht 20 eine Faser mit einer Oberfläche, die zumindest teilweise mit einer Metallbeschichtung versehen ist. Dadurch vergrößert sich die Oberfläche, die mit Luft in Kontakt kommt, und der Schalldruck wird verbessert. Durch Aufbringen der Metallbeschichtung auf die Faser kann der elektrische Widerstand der Faserschicht 20 auf einen geeigneten Wert entsprechend der Einstellung der Beschichtungsschichtdicke und der Auswahl des Beschichtungsmaterials eingestellt werden.
Die Faser kann direkt auf dem Träger 10 oder über eine Klebeschicht, z.B. aus einem Polymermaterial, angeordnet sein.
2 ist eine elektronenmikroskopische Aufnahme, die eine Oberfläche der Faserschicht 20 zeigt. Hier ist der Fall dargestellt, in dem die Fasern willkürlich ausgerichtet und durch eine thermische, mechanische oder chemische Einwirkung zu einem Blatt verbunden oder verflochten sind. Auf die Oberfläche der Fasern wird eine Metallbeschichtung aufgebracht.
Die Faserschicht 20 kann in Form eines solchen Vlieses, in Form eines Gewebes, in dem Kett- und Schussfäden kombiniert sind, in Form eines Gewirkes, in dem Fasern eingewirkt sind, oder in Form einer Mischung davon vorliegen.
Die Faser kann aus der Gruppe bestehend aus Polymerfasern, Glasfasern, Kohlenstofffasern, Kohlenstoffnanoröhren, Metallfasern und Keramikfasern ausgewählt werden. Wenn zum Beispiel ein niedrig wärmeleitendes Material wie Polymer, Glas oder Keramik als Faser verwendet wird, hat die Faser selbst eine wärmeisolierende Funktion, so dass die Wärmeleitung von der Faserschicht zum Träger unterdrückt werden kann. Daher erhöht sich die Temperaturänderung an der Oberfläche der Faserschicht, und der Schalldruck in Bezug auf eine Einheitseingangsleistung wird verbessert.
Spezifische Beispiele für das Polymermaterial sind Polyimid, Polyamid, Polyamidimid, Polyethylen, Polypropylen, Acrylharz, Polyvinylchlorid, Polystyrol, Polyvinylacetat, Polytetrafluorethylen, Flüssigkristallpolymer, Polyphenylensulfid, Polyetheretherketon, Polyarylat, Polysulfon, Polyethersulfon, Polyetherimid, Polycarbonat, modifizierter Polyphenylenether, Polybutylenterephthalat, Polyethylenterephthalat, Polyacetal, Polymilchsäure, Polyvinylalkohol, ABS-Harz, Polyvinylidenfluorid, Cellulose, Polyethylenoxid, Polyethylenglykol und Polyurethan.
Die Metallbeschichtung ist bevorzugt aus einem Metallmaterial 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 Metalle enthält. Die Metallbeschichtung kann einschichtig oder mehrschichtig sein und aus einer Vielzahl von Materialien gebildet sein.
(Zweite Ausführungsform)
6 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Beispiel für ein Verfahren zur Herstellung eines Druckwellenerzeugungselements zeigt. Zunächst wird in Schritt S1 der Träger 10 vorbereitet.
Als nächstes wird in Schritt S2 eine Fasermembran auf dem Träger 10 unter Verwendung einer durch Spinnen erhaltenen Faser gebildet. Als Spinnverfahren können ein Schmelzblasverfahren, ein Flash-Spinnverfahren, ein Zentrifugalspinnverfahren, ein Schmelzspinnverfahren oder Ähnliches eingesetzt werden. Ferner kann ein Verfahren angewandt werden, bei dem Zellstoff zerkleinert und zu einem Blatt wie eine Zellulose-Nanofaser verarbeitet wird. Insbesondere, wenn das Elektrospinnverfahren verwendet wird, kann eine Nanofaser, eine Submikronfaser, eine Mikronfaser oder ähnliches hergestellt werden. Die gesponnene Faser kann direkt auf dem Träger 10 in Form eines Vliesstoffs angeordnet werden, oder sie kann auf dem Träger 10 in Form eines Gewebes, das Kett- und Schussfäden kombiniert, oder in Form eines mit der Faser gewirkten Stoffs angeordnet werden.
Anstatt die Faser direkt auf dem Träger 10 zu spinnen, kann die Faser auf einem anderen Träger gesponnen werden, und dann kann die gesponnene Faser abgeschält und auf den Träger 10 geklebt werden.
In Schritt S2 können zum Zeitpunkt des Spinnens zwei oder mehr Arten von Lösungen mit unterschiedlichen Konzentrationen gleichzeitig aus einer Vielzahl von Spinndüsen gesponnen werden, um eine Fasermembran aus Verbundfasern zu bilden. Lösungen mit höherer Konzentration erhöhen den Durchmesser der gesponnenen Faser, während Lösungen mit niedrigerer Konzentration den Durchmesser der gesponnenen Faser verringern. Wenn das Spinnen unter Verwendung von zwei oder mehr Arten von Lösungen mit unterschiedlichen Konzentrationen durchgeführt wird, erhält man daher eine Verbundfaser mit einer Vielzahl von Fasern mit unterschiedlichen Faserdurchmessern. Infolgedessen werden der Porendurchmesser und die Porosität der Faserschicht erhöht, die akustische Umwandlungseffizienz kann verbessert werden und der Schalldruck wird erhöht.
In Schritt S2 können zum Zeitpunkt des Spinnens zwei oder mehr verschiedene Arten von Materialien (zum Beispiel Polyimidfasern, Acrylfasern und dergleichen) gleichzeitig aus einer Vielzahl von Spinndüsen gesponnen werden, um eine Fasermembran aus Verbundfasern zu bilden. Dadurch können verschiedene physikalische Eigenschaften der Fasern, zum Beispiel die spezifische Oberfläche, die Feinheit, das spezifische Gewicht, die mechanischen Eigenschaften, die Abbaubarkeit, die optischen Eigenschaften, die Feuchtigkeitsaufnahme und -quellung, die thermischen Eigenschaften, die Brennbarkeit, die elektrischen Eigenschaften, die Reibungseigenschaften, die Färbbarkeit usw., auf die gewünschten Werte eingestellt werden. Wenn zum Beispiel die spezifische Oberfläche der Faserschicht zunimmt, kann die akustische Umwandlungseffizienz erhöht werden, und der Schalldruck wird verbessert.
Anschließend wird in Schritt S3 eine Metallbeschichtung auf die erhaltene Fasermembran aufgebracht, um eine Faserschicht 20 zu bilden. Als Beschichtungsverfahren können Aufdampfen, Sputtern, elektrolytische Beschichtung, stromlose Beschichtung, Ionenbeschichtung, Atomschichtabscheidung oder ähnliches verwendet werden. Als Metallmaterial können im Allgemeinen die oben beschriebenen Materialien verwendet werden.
Anschließend wird in Schritt S4 ein Paar Elektroden D1 und D2 auf der erhaltenen Faserschicht 20 gebildet. Als Verfahren zur Bildung einer Elektrodenmembran können Aufdampfen, Sputtern, elektrolytische Beschichtung, stromlose Beschichtung, Ionenbeschichtung, Atomlagenabscheidung, Druck, Sprühbeschichtung, Tauchbeschichtung oder dergleichen verwendet werden. Das Elektrodenmaterial ist bevorzugt ein Metallmaterial wie Au, Ag, Cu, Pt, Rh, Pd, Ru, Ni, Ir, Cr, Mo, W, Ti, Al oder Sn oder eine Legierung, die zwei oder mehr dieser Metalle enthält. Die Elektrodenstruktur kann eine Einschichtstruktur oder eine Mehrschichtstruktur aus mehreren Materialien sein.
BEISPIELE
(Beispiel 1)
(Probenvorbereitungsverfahren)
Ein Druckwellenerzeugungselement wurde nach folgendem Verfahren hergestellt (Probe 1 bis 5).
Als Spinnlösung wurde eine mit N,N-Dimethylacetamid (DMAc) als Lösungsmittel hergestellte Polyamidsäurelösung verwendet. Die Konzentration der Lösung wurde auf 22 Gew.-% eingestellt.
Mit dieser Lösung wurden Polyamidsäure-Fasern auf einer Aluminiumfolie gesponnen, die an der Umfangsfläche eines Trommelkollektors befestigt war, und zwar durch ein Elektrospinnverfahren. Der Trommelkollektor hatte einen Durchmesser von 200 mm, und das Spinnen erfolgte bei einer Drehzahl von 100 U/min.
Die Bedingungen für das Elektrospinnen waren eine angelegte Spannung von 23 kV, ein Abstand von 14 cm zwischen einer Düse und einem Kollektor, und die Membranbildungszeit wurde so eingestellt, dass die Dicke der Fasermembran etwa 1 bis 80 um betrug. Die erhaltene Polyamidsäurefaser wurde einer Wärmebehandlung (Imidisierung) bei 300°C für 2 Stunden unterzogen, um eine Polyimidfaser zu erhalten. Der Faserdurchmesser des hergestellten Polyimids betrug 157 nm. Da das Polyimidmaterial hitzebeständig ist, kann ein Wärmebehandlungsverfahren angewendet werden.
Als nächstes wird eine Verbundfaser beschrieben. Die Polyimidfasermembranen mit unterschiedlichen Porositäten und Porendurchmessern wurden durch gleichzeitiges Spinnen einer Polyamidsäurelösung und einer Acrylharzlösung mit einer Mehrfachdüse während des Elektrospinnens hergestellt, wobei nur die Acrylfaser durch Wärmebehandlung thermisch zersetzt wurde.
Die Acrylharzlösung wurde wie folgt hergestellt. Eine Acrylharzlösung, die mit N,N-Dimethylformamid (DMF) als Lösungsmittel hergestellt wurde, diente als Spinnlösung. Die Konzentration der Lösung wurde auf 10 Gew.-% bis 25 Gew.-% eingestellt.
Unter Verwendung einer 22-gewichtsprozentigen Polyamidsäurelösung und einer 10- bis 22-gewichtsprozentigen Acrylharzlösung wurden Polyamidsäurefasern und Acrylfasern gleichzeitig auf eine Aluminiumfolie gesponnen, die an einer Umfangsfläche eines Trommelkollektors durch ein Elektrospinnverfahren mit einer Mehrfachdüse befestigt war. Zu diesem Zeitpunkt betrug die Austrittsmenge der Lösung 1: 1. Die Austrittsmenge kann durch die Austrittsgeschwindigkeit und die Anzahl der Düsen eingestellt werden. Der Trommelkollektor hatte einen Durchmesser von 200 mm, und das Spinnen wurde bei einer Drehzahl von 100 U/min durchgeführt.
Die Bedingungen für das Elektrospinnen waren eine angelegte Spannung von 23 kV, ein Abstand von 14 cm zwischen einer Düse und einem Kollektor, und die Membranbildungszeit wurde so eingestellt, dass die Dicke der Fasermembran etwa 1 bis 80 um betrug. Zu diesem Zeitpunkt betrug der Faserdurchmesser des hergestellten Acrylharzes 210 nm bei einer Lösungskonzentration von 10 Gew.-%, 615 nm bei 15 Gew.-%, 873 nm bei 20 Gew.-% und 1025 nm bei 22 Gew.-%. Die erhaltene Fasermembran, in der die Polyamidsäurefaser und die Acrylfaser gemischt waren, wurde 2 Stunden lang bei 300°C wärmebehandelt, um die Acrylfaser thermisch zu zersetzen und die Polyamidsäure zu imidisieren, wodurch die Polyimidfaser erhalten wurde. Im Falle eines Polymermaterials mit einer niedrigen thermischen Zersetzungstemperatur oder einem niedrigen Schmelzpunkt kann eine Fasermembran nicht erhalten werden, wenn ein Wärmebehandlungsverfahren angewendet wird. Da ein Polyimidmaterial hitzebeständig ist, kann ein Wärmebehandlungsverfahren angewandt werden.
Jede der vorbereiteten Fasermembranen wurde von der Aluminiumfolie abgezogen und auf ein Si-Substrat (Träger) geklebt. Das Aufkleben auf das Substrat kann durch vorheriges Auftragen eines Klebstoffs wie Epoxid oder durch Verwendung eines doppelseitigen Klebebands oder Ähnlichem erfolgen. Als Substrat kann ein keramisches Substrat wie Glas, Aluminiumoxid, Zirkoniumdioxid, Magnesiumoxid, Aluminiumnitrid, Bornitrid oder Siliziumnitrid oder ein flexibles Substrat wie eine PET-Folie oder eine Polyimidfolie verwendet werden.
Auf die auf dem Substrat gebildete Fasermembran wurde durch ein Sputter-Verfahren Au in einer Dicke von 1 bis 40 nm aufgebracht. Als Verfahren zur Beschichtung einer Faser mit Metall kann ein Verfahren wie ein Dampfabscheidungsverfahren, ein Ionenplattierungsverfahren, ein Atomschichtabscheidungsverfahren oder ein stromloses Plattierungsverfahren verwendet werden. Als Metallarten können Au, Ag, Cu, Pt, Rh, Pd, Ru, Ni, Ir, Cr, Mo, W, Ti, Al oder dergleichen verwendet werden.
Die Dicke der Metallbeschichtung kann in der Umfangsrichtung der Faser gleichmäßig oder ungleichmäßig sein. Zum Beispiel 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 ist, wobei T1 < T2 erfüllt sein kann. Bei der in 3 dargestellten Form der Metallbeschichtung auf der Faser kann es zum Beispiel einen Bereich geben, in dem die Metallbeschichtung 22 nicht auf einem unteren Bereich nahe dem Träger 10 auf der Umfangsfläche der Faser 21 aufgebracht ist. Auf diese Weise kann die Wärmeerzeugung auf der dem Träger gegenüberliegenden Seite verstärkt und die Wärmeerzeugung auf der Trägerseite innerhalb der Faserschicht unterdrückt werden.
Der Beschichtungszustand der metallbeschichteten Faser (Schnittbild) kann wie folgt analysiert werden. Zum Beispiel wird eine Probe mit einem fokussierten Ionenstrahl (FIB) bearbeitet, und der Zustand der Beschichtung auf den Fasern kann durch Beobachtung mit einem Transmissionselektronenmikroskop (JEM-F200 von JEOL Ltd.) und Element-Mapping-Analyse durch energiedispersive Röntgenspektroskopie analysiert werden.
Das vorbereitete Element wurde derart bearbeitet, dass es eine Größe von 5 mm × 6 mm hatte. Auf beiden Seiten der Probe wurde ein Elektrodenpaar D1 und D2 mit einer Abmessung von 4 mm × 0,8 mm und einem Abstand zwischen den Elektroden von 3,4 mm gebildet ( . Die laminierte Struktur 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 Widerstand eines Elements einzustellen.
Als Verfahren zur Bildung eines Elektrodenfilms können Aufdampfen, Sputtern, Ionenplattierungsverfahren, Atomschichtabscheidungsverfahren, elektrolytische Beschichtung, stromlose Beschichtung, Sprühbeschichtung, Tauchbeschichtung, Druckverfahren und dergleichen verwendet werden. Als Elektrodenmaterial können Au, Ag, Cu, Pt, Rh, Pd, Ru, Ni, Ir, Cr, Mo, W, Ti, Al oder ähnliche Materialien verwendet werden.
(Bewertungsverfahren)
1) Akustische Eigenschaften (Schalldruck)
Die akustischen Eigenschaften des Druckwellenerzeugungselements wurden mit einem MEMS-Mikrofon (SPU0410LR5H, hergestellt von Knowles) gemessen. Der Abstand zwischen dem Druckwellenerzeugungselement und dem Mikrofon wurde auf 6 cm eingestellt, und die Bewertung erfolgte durch Ablesen der Ausgangsspannung des Mikrofons, wenn die Frequenz des Treibersignals 60 kHz betrug. Die Eingangsspannung für das Druckwellenerzeugungselement wurde auf 6 bis 16 V eingestellt.
Das Druckwellenerzeugungselement erzeugt eine Druckwelle durch Lufterwärmung mittels eines Heizelements. Je größer die Eingangsleistung ist, desto größer ist daher der Schalldruck im gleichen Element. Um festzustellen, ob eine Schallwelle effizient erzeugt werden kann (akustischer Wirkungsgrad), muss man die Schalldrücke bei gleicher Leistung vergleichen. Mit zunehmender Leistung steigt auch die Leistung linear an, und bei einem guten Schallwandlungswirkungsgrad nimmt zum Beispiel das Verhältnis zwischen dem Anstieg ΔV der Mikrofonleistung und dem Anstieg ΔW der Leistung zu. Hier wird die Steigung ΔV/ΔW als Index für den Schalldruck verwendet. Als Vergleichsziel für den Index wurde das Ergebnis der Vergleichsprobe 1 verwendet.
2) Faserdurchmesser
Die Faserdurchmesser der Polyimidfaser und der Acrylfaser wurden wie folgt gemessen. Die Fasermembran wurde mit einem Rasterelektronenmikroskop (S-4800 von Hitachi, Ltd., Beschleunigungsspannung 5 kV, 3 k bis 120 k mal) beobachtet, um ein REM-Bild zu erhalten, und der Faserdurchmesser wurde anhand des erhaltenen Bildes gemessen, um den durchschnittlichen Faserdurchmesser zu berechnen. Aus einer Vielzahl von Fasern, die in dem erhaltenen Bild enthalten waren, wurden nach dem Zufallsprinzip 10 Fasern pro Gesichtsfeld extrahiert, mit Ausnahme abnormaler Fasern, und die Extraktion wurde für 5 Gesichtsfelder durchgeführt, um insgesamt 50 Fasern zu erfassen. Die Durchmesser dieser Fasern wurden gemessen, und der durchschnittliche Faserdurchmesser wurde berechnet.
3) Porosität
Die Porosität der Polyimidfasermembran wurde anhand der folgenden Formel berechnet. $Porosit \ddot{a} t (%) = {1 - (Sch \ddot{u} ttdichte \div wahre Dichte)} \times 100$
Als weiteres Verfahren zur Berechnung der Porosität kann die Porosität durch ein Verfahren der wiederholten Schnittbearbeitung mit FIB- und SEM-Beobachtung berechnet werden, um ein dreidimensionales stereoskopisches Bild zu erhalten. Konkret wird die FIB-Bearbeitung mit dem HELIOS NANORAB 660i von FEI durchgeführt, und es wird ein REM-Bild betrachtet. Anschließend wird die FIB-Bearbeitung mit 10 nm in der Tiefenrichtung wiederholt und das REM-Bild betrachtet. Durch Wiederholung der FIB-Bearbeitung und der REM-Beobachtung auf diese Weise wurden REM-Bilder mit einer Tiefe von 400 nm (insgesamt 41 Blätter) erhalten. Aus diesen 41 REM-Bildern lässt sich ein stereoskopisches 3D-Bild der Faserschicht erstellen und die Porosität berechnen.
4) Durchschnittlicher Porendurchmesser
Der durchschnittliche Porendurchmesser (Durchgangslochdurchmesser) der Polyimidfasermembran wurde mit einem Perm-Porometer (CFP-1200 AEL von POROUS MATERIALS INC.) berechnet. Der durchschnittliche Durchmesser der Durchgangslöcher wurde nach der Halbtrockenmethode (ASTM E1294-89) gemessen. Galwick (von POROUS MATERIALS INC., Oberflächenspannung 15,9 mN/m) wurde als Flüssigkeit zur Imprägnierung der Probe verwendet. Der durchschnittliche Porendurchmesser nach der Metallbeschichtung kann anhand der Dicke des auf der Faser gebildeten Films geschätzt werden. Wenn zum Beispiel ein Metall mit einer Dicke Y (µm) um eine Faser mit einem durchschnittlichen Porendurchmesser X (µm) des Polyimid-Vliesstoffs beschichtet wird, kann X - 2Y als der durchschnittliche Porendurchmesser der metallbeschichteten Faser berechnet werden.
5) Eindringtiefe der Metallbeschichtung in den Vliesstoff
Wie in 7 gezeigt, wurde die Eindringtiefe der Metallbeschichtung in den Vliesstoff gemessen, indem der Querschnitt des Elements mit einem Rasterelektronenmikroskop (S-4800 von Hitachi, Ltd., Beschleunigungsspannung 15 kV, 1 k bis 20 k mal) beobachtet wurde, wobei ein Bild durch ein reflektiertes Elektronenbild oder eine Elementabbildungsanalyse durch energiedispersive Röntgenspektroskopie gewonnen wurde. Anhand des erhaltenen Bildes wurde die Eindringtiefe der Metallbeschichtung von der Oberfläche des metallbeschichteten Vliesstoffs in den Vliesstoff gemessen. Die zu untersuchende Probe wurde mit einem Harz verfestigt, und der Querschnitt der Probe wurde poliert, so dass die Faserschicht freigelegt wurde. Wenn die Probe auf diese Weise vorbehandelt wird, erhält man ein Schnittbild eines mit Metall beschichteten Teils, und ein Bereich, in dem der Kontrast zum Harz visuell erkennbar ist, wird als Eindringtiefe der Metallbeschichtung definiert. Die maximale Eindringtiefe der Metallbeschichtung in den Vliesstoff wird als Eindringtiefe definiert, da die Faserschicht eine poröse Struktur und Unebenheiten aufweist.
(Herstellungsverfahren der Vergleichsprobe 1)

Als Vergleichsprobe 1 wurde ein dünner Au-Film (20 nm dick) auf einem Polyimidfilm (PI) mit einer Dicke von 100 um durch ein Sputter-Verfahren gebildet. Die PI-Folie hatte eine wesentliche Porosität von 0 %, und ihre Eigenschaften wurden mit denen der Proben 1 bis 5 verglichen. Die Elementgröße und die Elektrodenstruktur sind denen der Probe 1 ähnlich. [Tabelle 1]

	DURCHSCHNITTLICHER POREN-DURCHMESSER (µm)	DURCHSCHNITTLICHER PORENDURCHMESSER NACH METALLBESCH-ICHTUNG (µm)	POROSITÄT (%)	Durchdringungstiefe der Metallbbeschichtung (µm)	SCHALL-DRUCKPEGEL
BEISPIEL 1	0,58	0,54	94,8	7,5	11,7
BEISPIEL 2	0,57	0,53	89,9	3,7	4,5
BEISPIEL 3	0,56	0,52	84,6	3,3	3,1
BEISPIEL 4	0,49	0,45	80,3	2,0	2,2
BEISPIEL 5	0,43	0,39	73,6	1,3	1,6
VERGLEICHSBEISPIEL 1	0	-	0	-	1

Aus den Ergebnissen in Tabelle 1 geht hervor, dass mit zunehmender Porengröße und Porosität des Vliesstoffs, aus dem die Faserschicht gebildet ist, die spezifische Oberfläche der Faserschicht zunimmt, wodurch die akustische Umwandlungseffizienz erhöht und der Schalldruck verbessert werden kann.
Da als Faser ein Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit, wie zum Beispiel ein Polymer, verwendet wird, ergibt sich ferner eine wärmeisolierende Wirkung in Richtung des Substrats, und die Temperaturänderung an der Oberfläche des Heizelements nimmt zu, so dass der Schalldruck in Bezug auf eine Leistungseinheit erhöht werden kann. Ein Beispiel: Die Wärmeleitfähigkeit des Polyimids beträgt etwa 0,28 W/m - K, die Wärmeleitfähigkeit von SiO₂ (einer Oxidschicht auf der Oberfläche des Si-Substrats) beträgt etwa 1,3 W/m - K, und die Wärmeleitfähigkeit des Polyimids ist geringer und die wärmeisolierende Wirkung auf der Substratseite ist höher, so dass der Schalldruck steigt.
(Beispiel 2)
(Verfahren zur Probenvorbereitung)
Ein Druckwellenerzeugungselement wurde nach folgendem Verfahren hergestellt (Vergleichsprobe 2, Proben 6, 7, 8).
(Verfahren zur Herstellung der Fasermembran von Vergleichsprobe 2)
Eine mit N,N-Dimethylformamid (DMF) als Lösungsmittel hergestellte Polyimid (PI)-Lösung wurde als Spinnlösung verwendet. Die Konzentration der Lösung wurde auf 6,5 Gew.-% eingestellt, und 0,05 Gew.-% Lithiumchlorid wurden der Lösung zugesetzt. Zudem können Tetrabutylammoniumchlorid, Kaliumtrifluormethansulfonat oder Ähnliches als Zusatzstoff verwendet werden.
Mit dieser Lösung wurden Polyamidsäure-Fasern auf einer Aluminiumfolie gesponnen, die an einer Umfangsfläche eines Trommelkollektors angebracht war. Der Trommelkollektor hatte einen Durchmesser von 200 mm, und das Spinnen erfolgte bei einer Drehzahl von 100 U/min.
Die Bedingungen für das Elektrospinnen waren eine angelegte Spannung von 29 kV, ein Düsen- und ein Kollektorabstand von 14 cm, und die Membranbildungszeit wurde so eingestellt, dass die Dicke der Fasermembran etwa 1 bis 80 um betrug. Der durchschnittliche Faserdurchmesser des hergestellten Polyimids betrug 46 nm.
(Verfahren zur Herstellung der Fasermembran der Proben 6, 7 und 8)
Beim Spinnen nach der Elektrospinnmethode wurden zwei Arten von Polyimidlösungen mit unterschiedlichen Konzentrationen gleichzeitig mit einer Mehrfachdüse gesponnen, um eine Fasermembran herzustellen. Hier wurden die 6,5 Gew.-%ige Polyimid (PI)-Lösung, die in Vergleichsprobe 2 verwendet wurde, und eine 10 Gew.-%ige Polyimid (PI)-Lösung, die mit N,N-Dimethylformamid (DMF) als Lösungsmittel hergestellt wurde, als Spinnlösungen verwendet.
Diese beiden Arten von Polyimidlösungen wurden gleichzeitig auf eine Aluminiumfolie gesponnen, die an einer Umfangsfläche eines Trommelkollektors angebracht war, und zwar durch ein Elektrospinnverfahren mit einer Mehrfachdüse. Zu diesem Zeitpunkt betrugen die Entladungsmengen der 6,5 Gew.-%igen Polyimid (PI)-Lösung und der 10 Gew.-%igen Polyimid (PI)-Lösung 2 : 1 (Probe 6), 1 : 1 (Probe 7) und 1 : 2 (Probe 8). Die Ausstoßmenge kann über die Ausstoßgeschwindigkeit und die Anzahl der Düsen eingestellt werden. Der Trommelsammler hatte einen Durchmesser von 200 mm, und das Schleudern erfolgte bei einer Drehzahl von 100 U/min.
Die Bedingungen für das Elektrospinnen waren eine angelegte Spannung von 29 kV, ein Düsen- und ein Kollektorabstand von 14 cm, und die Membranbildungszeit wurde so eingestellt, dass die Dicke der Fasermembran etwa 1 bis 80 um betrug. Der durchschnittliche Faserdurchmesser der mit der 10 Gew.-%igen Polyimidlösung hergestellten Fasermembran betrug 126 nm. Auf diese Weise wird eine zusammengesetzte Fasermembran mit durchschnittlichen Faserdurchmessern von 126 nm und 46 nm erhalten.
Die hergestellte Fasermembran wurde von der Aluminiumfolie abgezogen und auf ein Si-Substrat (Träger) geklebt. Das Aufkleben auf das Substrat kann durch vorheriges Auftragen eines Klebstoffs wie Epoxid auf das Substrat oder durch Verwendung eines doppelseitigen Klebebands oder Ähnlichem erfolgen. Als Substrat kann ein keramisches Substrat wie Glas, Aluminiumoxid, Zirkoniumdioxid, Magnesiumoxid, Aluminiumnitrid, Bornitrid oder Siliziumnitrid oder ein flexibles Substrat wie eine PET-Folie oder eine Polyimidfolie verwendet werden.
Auf die auf dem Substrat gebildete Fasermembran wurde durch ein Sputtering-Verfahren Au in einer Dicke von 1 bis 40 nm aufgebracht. Als Verfahren zur Beschichtung einer Faser mit Metall kann ein Verfahren wie ein Dampfabscheidungsverfahren, ein Ionenplattierungsverfahren, ein Atomschichtabscheidungsverfahren oder ein stromloses Plattierungsverfahren verwendet werden. Als Metallarten können Au, Ag, Cu, Pt, Rh, Pd, Ru, Ni, Ir, Cr, Mo, W, Ti, Al oder ähnliche verwendet werden.
Die Dicke der Metallbeschichtung kann in Umfangsrichtung der Faser gleichmäßig oder ungleichmäßig sein. Zum Beispiel 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 ist, wobei T1 < T2 erfüllt sein kann. Bei der in 3 dargestellten Form der Metallbeschichtung auf der Faser kann es zum Beispiel einen Bereich geben, in dem die Metallbeschichtung 22 nicht auf einem unteren Bereich nahe dem Träger 10 auf der Umfangsfläche der Faser 21 aufgebracht ist. Auf diese Weise kann die Wärmeerzeugung auf der dem Träger gegenüberliegenden Seite verstärkt und die Wärmeerzeugung auf der Trägerseite innerhalb der Faserschicht unterdrückt werden.
Der Beschichtungszustand der metallbeschichteten Faser (Schnittbild) kann wie folgt analysiert werden. Zum Beispiel wird eine Probe mit einem fokussierten Ionenstrahl (FIB) bearbeitet, und der Zustand der Beschichtung auf den Fasern kann durch Beobachtung mit einem Transmissionselektronenmikroskop (JEM-F200 von JEOL Ltd.) und eine Elementzuordnungsanalyse durch energiedispersive Röntgenspektroskopie analysiert werden.
Das vorbereitete Element wurde so bearbeitet, dass es eine Größe von 5 mm × 6 mm hatte. Auf beiden Seiten der Probe wurde ein Elektrodenpaar D1 und D2 mit einer Abmessung von 4 mm × 0,8 mm und einem Abstand zwischen den Elektroden von 3,4 mm gebildet ( . Die laminierte Struktur 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 Widerstand eines Elements einzustellen.
Als Verfahren zur Bildung eines Elektrodenfilms können Aufdampfen, Sputtern, Ionenplattierungsverfahren, Atomschichtabscheidungsverfahren, elektrolytische Beschichtung, stromlose Beschichtung, Sprühbeschichtung, Tauchbeschichtung, Druckverfahren und ähnliches verwendet werden. Als Elektrodenmaterial können Au, Ag, Cu, Pt, Rh, Pd, Ru, Ni, Ir, Cr, Mo, W, Ti, Al oder ähnliche Materialien verwendet werden.

Die Auswertungsmethode ist die gleiche wie in (Beispiel 1) beschrieben. [Tabelle 2]

	DURCHSCHNITTLICHER PORENDURCHMESSER (µm)	POROSITÄT (%)	Durchdringungstiefe der Metall-beschichtung (µm)	SCHALL-DRUCKPEGEL
VERGLEICHSBEISPIEL 2	0, 18	86, 8	1,5	8,0
BEISPIEL 6	0,21	88,4	2,2	9,5
BEISPIEL 7	0,25	91,0	3,1	11,3
BEISPIEL 8	0,27	91,7	4,5	12,5

Aus den Ergebnissen in Tabelle 2 geht hervor, dass durch die Verwendung von Verbundfasern der Porendurchmesser und die Porosität im Vergleich zu Einzelfasern erhöht werden, die akustische Umwandlungseffizienz verbessert werden kann und der Schalldruck steigt.
Da als Faser ein niedrig wärmeleitendes Material wie zum Beispiel ein Polymer verwendet wird, ergibt sich ferner eine wärmeisolierende Wirkung in Richtung des Substrats, und die Temperaturänderung an der Oberfläche des Heizelements nimmt zu, so dass der Schalldruck in Bezug auf eine Eingangsleistungseinheit erhöht werden kann.
(Beispiel 3)
(Verfahren zur Probenvorbereitung)
Ein Druckwellenerzeugungselement wurde nach der folgenden Methode hergestellt (Probe 9).
Beim Spinnen nach der Elektrospinnmethode wurden zwei Arten von Polyimidlösungen mit unterschiedlichen Konzentrationen gleichzeitig mit einer Mehrfachdüse gesponnen, um eine Fasermembran herzustellen. Hier wurden die 6,5 Gew.-%ige Polyimid (PI)-Lösung, die in Vergleichsprobe 2 verwendet wurde, und eine 3 Gew.-%ige Polyimid (PI)-Lösung, die mit N,N-Dimethylformamid (DMF) als Lösungsmittel hergestellt wurde, als Spinnlösungen verwendet.
Diese beiden Arten von Polyimidlösungen wurden gleichzeitig auf eine Aluminiumfolie geschleudert, die an einer Umfangsfläche eines Trommelkollektors angebracht war. Zu diesem Zeitpunkt betrug die Ausstoßmenge der Lösung 1: 1. Die Ausstoßmenge kann durch die Ausstoßgeschwindigkeit und die Anzahl der Düsen eingestellt werden. Der Trommelkollektor hatte einen Durchmesser von 200 mm, und das Spinnen wurde bei einer Drehzahl von 100 U/min durchgeführt.
Die Bedingungen für das Elektrospinnen waren eine angelegte Spannung von 29 kV, ein Düsen- und ein Kollektorabstand von 14 cm, und die Membranbildungszeit wurde so eingestellt, dass die Dicke der Fasermembran etwa 1 bis 80 um betrug.
Beim Elektrospinnen mit einer 3 Gew.-%igen Polyimidlösung werden aufgrund der geringen Viskosität der Lösung keine Fasern gebildet, sondern kugelförmige oder sphäroidische Kugeln, wie in 5 dargestellt. Die Größe der Kugeln beträgt 0,5 bis 3,0 um im kurzen Durchmesser. Zudem können die Kugeln eine hohle Kugelform, eine lange Kugelform oder eine Form haben, bei der eine Kugelform kollabiert ist.
Das heißt, durch gleichzeitiges Spinnen aus der Mehrfachdüse unter Verwendung der 6,5 Gew.-%igen Polyimidlösung und der 3 Gew.-%igen Polyimidlösung wird eine Fasermembran erhalten, in der Kugeln und Polyimidfasern mit einem durchschnittlichen Faserdurchmesser von 46 nm wie oben beschrieben kombiniert sind (5).
Die hergestellte Fasermembran wurde von der Aluminiumfolie abgezogen und auf ein Si-Substrat (Träger) geklebt. Das Aufkleben auf das Substrat kann durch vorheriges Auftragen eines Klebstoffs wie Epoxid auf das Substrat oder durch Verwendung eines doppelseitigen Klebebands oder Ähnlichem erfolgen. Als Substrat kann ein keramisches Substrat wie Glas, Aluminiumoxid, Zirkoniumdioxid, Magnesiumoxid, Aluminiumnitrid, Bornitrid oder Siliziumnitrid oder ein flexibles Substrat wie eine PET-Folie oder eine Polyimidfolie verwendet werden.
Auf die auf dem Substrat gebildete Fasermembran wurde durch ein Sputtering-Verfahren Au in einer Dicke von 1 bis 40 nm aufgebracht. Als Verfahren zur Beschichtung einer Faser mit Metall kann ein Verfahren wie ein Dampfabscheidungsverfahren, ein Ionenplattierungsverfahren, ein Atomschichtabscheidungsverfahren oder ein stromloses Plattierungsverfahren verwendet werden. Als Metallarten können Au, Ag, Cu, Pt, Rh, Pd, Ru, Ni, Ir, Cr, Mo, W, Ti, Al oder ähnliche verwendet werden.
Die Dicke der Metallbeschichtung kann in Umfangsrichtung der Faser gleichmäßig oder ungleichmäßig sein. Zum Beispiel 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 ist, wobei T1 < T2 erfüllt sein kann. Bei der in 3 dargestellten Form der Metallbeschichtung auf der Faser kann es zum Beispiel einen Bereich geben, in dem die Metallbeschichtung 22 nicht auf einem unteren Bereich nahe dem Träger 10 auf der Umfangsfläche der Faser 21 aufgebracht ist. Auf diese Weise kann die Wärmeerzeugung auf der dem Träger gegenüberliegenden Seite verstärkt und die Wärmeerzeugung auf der Trägerseite innerhalb der Faserschicht unterdrückt werden.
Der Beschichtungszustand der metallbeschichteten Faser (Schnittbild) kann wie folgt analysiert werden. Zum Beispiel wird eine Probe mit einem fokussierten Ionenstrahl (FIB) bearbeitet, und der Zustand der Beschichtung auf den Fasern kann durch Beobachtung mit einem Transmissionselektronenmikroskop (JEM-F200 von JEOL Ltd.) und Element-Mapping-Analyse durch energiedispersive Röntgenspektroskopie analysiert werden.
Das vorbereitete Element wurde so bearbeitet, dass es eine Größe von 5 mm × 6 mm hatte. Auf beiden Seiten der Probe wurde ein Elektrodenpaar D1 und D2 mit einer Abmessung von 4 mm × 0,8 mm und einem Abstand zwischen den Elektroden von 3,4 mm gebildet ( . Die laminierte Struktur 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 Widerstand eines Elements einzustellen.
Als Verfahren zur Bildung eines Elektrodenfilms können Aufdampfen, Sputtern, Ionenplattierungsverfahren, Atomschichtabscheidungsverfahren, elektrolytische Beschichtung, stromlose Beschichtung, Sprühbeschichtung, Tauchbeschichtung, Druckverfahren und ähnliches verwendet werden. Als Elektrodenmaterial können Au, Ag, Cu, Pt, Rh, Pd, Ru, Ni, Ir, Cr, Mo, W, Ti, Al oder ähnliche Materialien verwendet werden.
Die Auswertungsmethode ist die gleiche wie in (Beispiel 1) beschrieben. [Tabelle 3]

DURCHSCHNITTLICHER PORENDURCHMESSER (µm) POROSITÄT (%) Durchdringungstiefe der Metallbeschichtung (µm) SCHALL-DRUCKPEGEL

BEISPIEL 9 0,24 90,0 2,9 10,2
Aus den Ergebnissen in Tabelle 3 geht hervor, dass durch die Verwendung von Verbundfasern aus Kugeln und Fasern der Porendurchmesser und die Porosität im Vergleich zu Einzelfasern erhöht, die akustische Umwandlungseffizienz verbessert und der Schalldruck erhöht werden kann. Es wird angenommen, dass dieses Phänomen auftritt, weil die Kugel, die in der Fasermembran geformt und zwischen die mit der Metallbeschichtung versehenen Fasern eingefügt wurde, als Abstandshalter fungierte, um die Porengröße in der Membran zu erhöhen, und die Wärmeerzeugung nicht nur der oberflächennahen Schicht, sondern auch der Schicht in der Nähe des Substrats effizient in eine akustische Leistung umgewandelt wurde.
Da als Faser ein niedrig wärmeleitendes Material wie zum Beispiel ein Polymer verwendet wird, ergibt sich ferner eine wärmeisolierende Wirkung in Richtung des Substrats, und die Temperaturänderung an der Oberfläche des Heizelements nimmt zu, so dass der Schalldruck in Bezug auf eine Eingangsleistungseinheit erhöht werden kann.
Da die Faserschicht, wie oben beschrieben, die Faser mit der Metallbeschichtung zumindest teilweise auf ihrer Oberfläche enthält, vergrößert sich die Oberfläche, die mit der Luft in Kontakt kommt, so dass der Schalldruck verbessert wird. Zudem kann durch die Verwendung eines Metallmaterials der elektrische Widerstand der Faserschicht auf einen geeigneten Wert eingestellt werden.
Die Faserschicht ist aus einer Fasermembran mit einem durchschnittlichen Porendurchmesser im Bereich von 0,1 bis 1,0 um gebildet. Dadurch vergrößert sich die spezifische Oberfläche der Faserschicht, die akustische Umwandlungseffizienz kann erhöht werden und der Schalldruck wird verbessert.
Obwohl die vorliegende Erfindung in Verbindung mit bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen vollständig beschrieben wurde, werden dem Fachmann verschiedene Änderungen und Modifikationen einleuchten. Solche Änderungen und Korrekturen sollten so verstanden werden, dass sie in den Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung gemäß den beigefügten Ansprüchen einbezogen werden, 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: Faserschicht
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 H11300274 [0003]

Claims

Druckwellenerzeugungselement, aufweisend: einen Träger; und eine Faserschicht, die auf dem Träger vorgesehen ist und Wärme durch Energiezufuhr erzeugt, wobei die Faserschicht eine Faser aufweist, deren Oberfläche zumindest teilweise mit einer Metallbeschichtung versehen ist, und die Faserschicht aus einer Fasermembran mit einem durchschnittlichen Porendurchmesser innerhalb eines Bereichs von 0,1 bis 1,0 um gebildet ist.
Druckwellenerzeugungselement nach Anspruch 1, wobei die Fasermembran eine Faser mit einem Faserdurchmesser von 1 nm bis 100 nm enthält und einen durchschnittlichen Porendurchmesser von 0,2 µm oder mehr aufweist.
Druckwellenerzeugungselement, aufweisend: einen Träger; und eine Faserschicht, die auf dem Träger vorgesehen ist und Wärme durch Energiezufuhr erzeugt, wobei die Faserschicht eine Faser aufweist, deren Oberfläche zumindest teilweise mit einer Metallbeschichtung versehen ist, und die Faserschicht eine Fasermembran mit einer Porosität in einem Bereich von 70 % bis 95 % aufweist.
Druckwellenerzeugungselement nach Anspruch 3, wobei die Fasermembran eine Faser mit einem Faserdurchmesser von 1 nm bis 100 nm enthält und eine Porosität von 87 % oder mehr aufweist.
Druckwellenerzeugungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Faserschicht eine Verbundfaser mit einer ersten Faser mit einem ersten Faserdurchmesser Φ1 und einer zweiten Faser mit einem zweiten Faserdurchmesser Φ2, der größer ist als der erste Faserdurchmesser (Φ1 < Φ2), aufweist.
Druckwellenerzeugungselement nach Anspruch 5, wobei der erste Faserdurchmesser Φ1 innerhalb eines Bereichs von 1 nm ≤ Φ1 ≤ 100 nm liegt und der zweite Faserdurchmesser Φ2 innerhalb eines Bereichs von 100 nm ≤ Φ2 ≤ 2000 nm liegt.
Druckwellenerzeugungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Faserschicht eine Kugel aufweist und die Kugel sandwichartig zwischen den Fasern angeordnet ist.
Druckwellenerzeugungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Dicke der Metallbeschichtung mit zunehmendem Abstand von dem Träger zunimmt.
Druckwellenerzeugungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Faserschicht aus einem Vliesstoff gebildet ist.
Verfahren zur Herstellung eines Druckwellenerzeugungselements, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellen eines Trägers; Bilden einer Fasermembran auf dem Träger unter Verwendung einer Faser durch Spinnen mittels eines Elektrospinnverfahrens; und Aufbringen einer Metallbeschichtung auf die Fasermembran zur Bildung einer Faserschicht, wobei zum Zeitpunkt des Spinnens zwei oder mehr Arten von Lösungen mit unterschiedlichen Konzentrationen gleichzeitig gesponnen werden, um eine Fasermembran aus einer Verbundfaser zu bilden.
Verfahren zur Herstellung eines Druckwellenerzeugungselements, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellen eines Trägers; Bilden einer Fasermembran auf dem Träger unter Verwendung von Fasern durch Spinnen mittels eines Elektrospinnverfahrens; und Aufbringen der Metallbeschichtung auf die Fasermembran zur Bildung einer Faserschicht, wobei zum Zeitpunkt des Spinnens zwei oder mehr verschiedene Arten von Materialien gleichzeitig gesponnen werden, um eine Fasermembran aus der Verbundfaser zu bilden.
Druckwellenerzeugungselement, aufweisend: einen Träger; und eine Faserschicht, die auf dem Träger vorgesehen ist und Wärme durch Energiezufuhr erzeugt, wobei die Faserschicht eine Faser aufweist, deren Oberfläche zumindest teilweise mit einer Metallbeschichtung versehen ist, und eine Eindringtiefe der Metallbeschichtung in die Faserschicht 1 um oder mehrbeträgt.