JP2004015261A

JP2004015261A - 電気音響変換器用振動板

Info

Publication number: JP2004015261A
Application number: JP2002163738A
Authority: JP
Inventors: Shuichi Ichikawa; 市川　秀一; Kenta Sukejima; 祐嶋　健太
Original assignee: Foster Electric Co Ltd
Current assignee: Foster Electric Co Ltd
Priority date: 2002-06-05
Filing date: 2002-06-05
Publication date: 2004-01-15
Anticipated expiration: 2022-06-05
Also published as: JP3848899B2

Abstract

【課題】高弾性率炭素繊維とは構造が相違する高弾性率、高熱伝導率を有するカーボンナノチューブを、軽金属又はその合金の強化材として用いることで、高剛性、高熱伝導を有し、かつ複雑な形状を容易に作製することが可能で加工性の良好な電気音響変換器用振動板を提供することにある。
【解決手段】この発明は振動板を、アルミニウム、マグネシウム等の軽金属またはその合金をカーボンナノチューブで強化した複合材料を成形したことを特徴とする。カーボンナノチューブを含有するこの複合材料は、高剛性であり、また、加工性も良く熱伝導性等に優れている。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、カーボンナノチューブでアルミニウム、マグネシウム等の軽金属又はその合金を強化した金属複合材料で電気音響変換器用振動板を作製し、軽量で高剛性、高熱伝導等の優れたスピーカや、マイクロホン等に用いられる電気音響変換器用の振動板に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、高弾性率を有する金属振動板には、密度が低く、弾性率の高い振動板としてアルミニウムやチタンが使用されている。
【０００３】
また、アルミニウムやチタンよりも比弾性率の大きな振動板としては、特公昭５９−２６１６０に示されるように、マグネシウム−リチウム合金が提案されている。しかし、このマグネシウム並びにマグネシウム−リチウム合金は大気中において、錆が発生する、という問題がある。
【０００４】
そこで、特公昭６２−２０７５７に示されるように、振動板基体表面に化成皮膜処理を施し、かつ合成樹脂皮膜を形成した電気音響変換器用振動板が提案されている。
【０００５】
また、特開昭６０−１２５０９９においては、軽金属からなるスピーカ用振動板基板にイオンプレーティグ法でチタンの炭化物や窒化物等の高弾性率物質を表面に形成したスピーカ用振動板が提案されている。
【０００６】
さらに、特開昭６２−９１０９８に示されるように、チタニウム、アルミニウム、マグネシウム等の軽金属振動板基体に酸化ケイ素、酸化アルミニウム等のセラミックス皮膜を設けることにより、高剛性で耐食性等の良い電気音響変換器用振動板も提案され、使用されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような振動板は防錆処理のため、比弾性率が低下し、音響特性上好ましくはない。
【０００８】
また、軽金属にセラミック層を形成する方法はセラミック層が薄いため、振動板の音響特性は向上していなかった。
【０００９】
そこで振動板の物性を向上させるため下記のような振動板が提案され使用されている。
【００１０】
特開昭５９−１３１２９４、特開昭６０−５７７９９では、セラミックス結晶粒子のグリーンシートを作製後、振動板形状に金型で加熱加圧成形し、空気中で１４００〜１６００℃で３時間焼成した多結晶アルミナ等のセラミックス焼結振動板が提案され使用されている。
【００１１】
一方、ＣＶＤ法で全結晶質ダイヤモンド振動板も提案され、使用されている。
【００１２】
しかし、上記のセラミックスと樹脂とを混合してグリーンシートを作製後、セラミックス化して振動板を得る方法は、複雑な形状の振動板を作製することが困難であった。
【００１３】
また、ＣＶＤ法による振動板の作製には高価な薄膜作製装置が必要であり、大量の振動板を一度に処理できないため、製造コストが上昇するという問題がある。
【００１４】
また、金属振動板を強化する方法として、繊維強化振動板が提案されており、高弾性率炭素繊維でアルミニウムを強化する複合材料とし、これを用いることが試みられているが、この複合材料は非酸化性雰囲気下で、かつ５００℃以下であれば強度の低下は認められないが、５５０℃以上になると炭素繊維とマトリックス界面で反応が起こり、Ａｌ_４Ｃ_３が形成され、強度が低下してしまう、という問題がある。
【００１５】
それ故に、炭素繊維強化アルミニウムの複合材料では炭素繊維表面に金属メッキやセラミックスをコーティングすることが試みられているが、工程が煩雑となる等の問題がある。
【００１６】
この問題を改善するために特公昭５６−６７５４では、高温でも安定なシリコンカーバイト繊維とアルミニウム等の無機物質を複合化したスピーカ用振動板が提案されている。
【００１７】
しかし、このシリコンカーバイト繊維は密度が２５５０ｋｇ／ｍ^３、弾性率１７６ＧＰａ、音速８３００ｍ／ｓであるため、十分な複合効果が得られないという問題があった。
【００１８】
本発明は上記のことを鑑み提案されたもので、その目的とするところは、高弾性率炭素繊維とは構造が相違する高弾性率、高熱伝導率を有するカーボンナノチューブを軽金属又はその合金の強化材として用いることで、高剛性、高熱伝導を有し、かつ複雑な形状を容易に作製することが可能で加工性の良好な電気音響変換器用振動板を提供することにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
この発明は、アルミニウム、マグネシウム等の軽金属又はその合金をカーボンナノチューブで強化した複合材料により成形する構成とし、上記目的を達成している。
【００２０】
また、この場合、強化材となるカーボンナノチューブの添加量を５〜４０容量％添加したことを特徴とする。
【００２１】
また、振動板の熱伝導率がマトリックス金属よりも大きいことを特徴とする。
【００２２】
また、振動板表面をアルマイト処理や塗装等で防錆処理をしたことを特徴とする。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明にかかる電気音響変換器用振動板の具体的な実施の形態について説明する。
【００２４】
本発明に用いた軽金属はアルミニウム又はその合金、マグネシウム又はその合金等である。マトリックス金属の強化材としては、表１に示したように、高弾性率炭素繊維よりも軽量で高弾性率と高熱伝導性を有し、かつｎｍ単位の大きさを有するカーボンナノチューブを用いた。
【００２５】
このカーボンナノチューブは軽金属又はその合金に、固相法または液相法で均一に分散させることができる。
【００２６】
カーボンナノチューブは、例えば、アーク放電法、炭化水素触媒分解法等で製造することができ、炭素原子の六角網面のシートの継目のない同軸円筒をなし、ナノメータの大きさで機械的強度が優れている。
【００２７】
そして、その特異な構造から一種のひげ結晶とみなされるが、強加工を施すと座屈を伴う特異な様式の塑性変形を起こすので、複雑な成形が可能となる。
【００２８】
また、熱伝導が良く、熱処理を行ってもマトリックス金属との反応相の生成はないので、従来からの高弾性率炭素繊維とは相違する。
【００２９】
表１に各材料の物性値を示す。
【００３０】
【表１】

【００３１】
用いるカーボンナノチューブとしては、１本当りの直径が５〜６０ｎｍ程度で、長さが０．５〜５μｍ程度のものが好ましく、複数本束になっていても利用可能である。
【００３２】
カーボンナノチューブは、前記マトリックスに対してカーボンナノチューブが５〜４０容量％の範囲で複合していることを特徴としているが、強化材の範囲を限定している理由は次のとおりである。
【００３３】
５％以下では強化に寄与するカーボンナノチューブが少ないため、カーボンナノチューブとマトリックス界面の相互作用の影響が小さく、複合効果がマトリックスの性質に支配されるためである。
【００３４】
４０％以上では強化材の凝集が起り、カーボンナノチューブとマトリックス界面を形成しない部分が発生し、物性値の低下とバラツキが大きくなるためである。
【００３５】
カーボンナノチューブの熱伝導率はアルミニウム合金やマグネシウム合金と比較すると１０倍以上大きいため、ボイスコイル等から発生する熱を空気中に放出しやすくなるので、スピーカへの電気入力を向上させることができる。
【００３６】
また、マグネシウムやアルミニウム等は、大気中であっても錆が発生しやすいので、用途に対応した防錆処理を施す必要があるが、振動板基体をカーボンナノチューブで強化したので、防錆処理による物性の低下は未強化金属振動体より少ない。
【００３７】
なお、防錆処理にあたっては、振動板表面にアルマイト処理や塗装等を行えば良い。防錆処理を行っても比弾性率が低下することが少なく、音響特性が低下することがない。
【００３８】
【実施例】
本実施例で使用したカーボンナノチューブは、アーク放電法により作製したもので、使用したカーボンナノチューブには不純物として、粒状グラファイト、非晶質カーボンが含まれている。
【００３９】
カーボンナノチューブで強化したアルミニウム合金（２０２４）は、ＰＭ法、溶湯鍛造法等で作製することができるが、本実施例ではＰＭ法で作製した場合について説明する。
【００４０】
物性測定のための試験片は、電気音響変換器用振動板を作製する場合と同様な方法で作製した。
【００４１】
試験片はアルミニウム合金粉末（材質名２０２４，粒径０．１μｍ）にカーボンナノチューブ粉末（直径５〜６０ｎｍ程度、長さ０．５〜５μｍ程度）を５〜５０容量％変化させた混合粉を圧縮成形後、固相線温度よりも高い温度でホットプレスを行い、その後に約５００℃で圧延した。
【００４２】
図１に上記工程のブロック図を示す。この工程で振動板形状を成形し得る。あるいは圧延後、それを振動板基材とし、公知の金属箔成形加工工程により振動板を作製し得る。
【００４３】
なお、複合材料製造時に圧縮押し出等の塑性加工を行ったがカーボンナノチューブは塑性変形するため、容易に破断することはなかったので、種々の塑性加工が容易であることが確認された。
【００４４】
このことは、従来からの繊維強化材である高弾性率繊維（炭素繊維、アルミナ繊維、シリコンカーバイト繊維並びにそれらのウイスカー等）とは相違している。
【００４５】
一方、カーボンナノチューブの添加量が４０容量％以上になると、カーボンナノチューブの分散が不均一となり物性値のバラツキが大きくなった。
【００４６】
アルミニウム合金にカーボンナノチューブを添加した場合の密度を振動リード法で測定したヤング率と音速を表２に示した。
【００４７】
【表２】

【００４８】
上記表２より明らかなように、アルミニウム合金の音速は５０８０ｍ／ｓであるが、カーボンナノチューブを４０容量％添加した複合材料の音速は約２．１倍の１０，７１０ｍ／ｓとなり、従来から提案されているセラミック系振動板（Ａｌ_２Ｏ_３で１０，４２０ｍ／ｓ、ＳｉＣで１１，０５７ｍ／ｓ）と同程度となった。
【００４９】
熱伝導率はカーボンナノチューブを４０容量％添加したもので３９９ｗ／ｍ・ｋとなり、この値は銅の熱伝導（３９５〜４０３ｗ／ｍ・ｋ）と同等である。
【００５０】
マグネシウム合金の場合、カーボンナノチューブの添加量の限界は、アルミニウム合金と同様に４０容量％であった。
【００５１】
４０容量％時の密度は１，９３０ｋｇ／ｍ^３で音速は９，８７０ｍ／ｓであり、この値はルチル型の酸化チタン（ＴｉＯ_２）の密度３６００ｋｇ／ｍ^３、音速８，６６０ｍ／ｓと比較すると軽量で、音速は速い値となった。
【００５２】
熱伝導はカーボンナノチューブを４０容量％添加したもので、３２１ｗ／ｍ・ｋとなり、金の熱伝導率（３１３〜３２４ｗ／ｍ・ｋ）と同等となった。
【００５３】
以上のように、本発明にかかる電気音響変換器用振動板は従来から使用されているシリコンカーバイト繊維等の繊維強化金属振動板、セラミックス系振動板等と比較して、加工性が良く、軽量で高剛性、高熱伝導性、高音速の物性が得られる。
【００５４】
その理由は、カーボンナノチューブがケージ物質（かご構造）でグラファイトのネットワークを基本としているためである。しかしながら、カーボンナノチューブは、グラファイトとは相違し、縦波１つ、横波２つ、ねじれ１つの音響モードが存在し、この４つの音響モードの音速がｓｐ^２の結合を反映して、通常の材料よりも音速を速くしたり熱伝導率を大きくしている。
【００５５】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものでなく、本発明の精神を逸脱しない範囲で種々の変更は可能である。すなわち、カーボンナノチューブはアーク放電法以外の方法によって作製したものでも良い。また、ＰＭ法以外で振動板基材を作製しても良い。また、振動板形状としてはコーン状、平板状、ドーム状等、任意の形状のものを作製することができる。
【００５６】
【発明の効果】
以上の説明からも明らかなように、本発明によれば、カーボンナノチューブは塑性変形性が良好で加工性が優れているため、複雑な形状の電気音響変換器用振動板を容易に作製できる。
【００５７】
また、密度が小さく、弾性率と熱伝導率が大きいため、高性能の振動板が作製できる。
【００５８】
例えばスピーカにこの振動板を用いれば、高音域までの再生特性とボイスコイルから発生する熱を振動板で放出することができるので、高入力のスピーカを提供することができる。
【００５９】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の基材の製造工程のブロック図を示す。
【符号の説明】
１　振動版
２　カーボンナノチューブ粉末
３　軽金属

Claims

アルミニウム、マグネシウム等の軽金属又はその合金をカーボンナノチューブで強化した複合材料により成形したことを特徴とする電気音響変換器用振動板。
請求項１記載において、強化材となるカーボンナノチューブの添加量が５〜４０容量％添加されることを特徴とする電気音響変換器用振動板。
請求項１記載において、振動板の熱伝導率がマトリックス金属よりも大きいことを特徴とする電気音響変換器用振動板。
請求項１記載において、振動板表面をアルマイト処理や塗装等で防錆処理をしたことを特徴とする電気音響変換器用振動板。