JP2010141894A - 超音波音響装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、超音波音響装置に関し、特にカーボンナノチューブを利用した超音波音響装置に関するものである。
【解決手段】本発明の装置は、信号装置と、カーボンナノチューブ構造体を含む音波発生器と、を含む。前記カーボンナノチューブ構造体の少なくとも一部は液体媒体と接触する。前記カーボンナノチューブ構造体により、前記信号装置からの信号を熱に転換させる。前記液体媒体の密度を変換させて、超音波を発生させる。前記カーボンナノチューブ構造体の単位面積当たりの熱容量が０（０は含まず）〜２×１０^−４Ｊ／ｃｍ^２・Ｋ以下である。
【選択図】図１

Description

本発明は、超音波音響装置に関し、特にカーボンナノチューブを利用した超音波音響装置に関するものである。

一般的に、音響装置は信号装置及び音波発生器を含む。前記信号装置は、信号を前記音波発生器（例えばスピーカー）に伝送する。スピーカーは電気音響変換器として、電気信号を音に転換することができる。動作原理により、スピーカーは、ダイナミックスピーカー、マグネティックスピーカー、静電気スピーカー、圧電スピーカーなどの多種がある。前記多種のスピーカーは、全て機械的振動によって音波を生じ、即ち、電気―機械力―音の変換を実現する。ここで、ダイナミックスピーカーが広く利用されている。

非特許文献１及び２に、熱音響現象というものが掲載されている。熱音響現象とは、音と熱が関わり合う現象であり、エネルギー変換とエネルギー輸送という２つの側面がある。超音波音響装置に信号を転送すると、超音波音響装置に熱が生じ、周辺の媒体へ伝播される。伝播された熱によって生じた熱膨張及び圧力波が原因で、音波を発生させることができる。

非特許文献３に、熱音響現象によって製造されたサーモホン（ｔｈｅｒｍｏｐｈｏｎｅ）が掲載されている。図１３を参照すると、サーモホン１００は、白金片１０２と、二つのクランプ１０４と、基板１０６と、を含む。前記白金片１０２及び二つのクランプ１０４は、前記基板１０６に設置されている。前記二つのクランプ１０４は所定の距離で分離して、それぞれ前記白金片１０２の両端に固定されている。前記白金片１０２の厚さが７×１０^−５ｃｍである。周波数応答範囲及び音圧は、前記白金片１０２の単位面積当たりの熱容量に関係する。例えば、前記単位面積当たりの熱容量が高くなれば、前記周波数応答範囲が狭くなり、前記音圧が弱くなる。しかし、厚さが７×１０^−５ｃｍの白金片に対して、単位面積当たりの熱容量は２×１０^−４Ｊ／ｃｍ^２・Ｋである。白金片の単位面積当たりの熱容量が非常に高いので、白金片を利用したサーモホンは室外に利用される場合、音が非常に弱いという課題がある。

Ｅｄｗａｒｄ Ｃ． ＷＥＮＴＥ，"Ｔｈｅ Ｔｈｅｒｍｏｐｈｏｎｅ"，Ｐｈｙｓ． １９２２年、第４巻，第３３３−３４５頁、 Ｗｉｌｌｉａｍ Ｈｅｎｒｙ Ｐｒｅｅｃｅ，"Ｏｎ Ｓｏｍｅ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｕｒｒｅｎｔｓ"，Ｐｒｏｃ． Ｒ． Ｓｏｃ． Ｌｏｎｄｏｎ．１８７９−１８８０年、第３０巻，第４０８−４１１頁、 Ｈ．Ｄ．Ａｒｎｏｌｄ、Ｉ．Ｂ．Ｃｒａｎｄａｌｌ， "Ｔｈｅ ｔｈｅｒｍｏｐｈｏｎｅ ａｓ ａ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｓｏｕｒｃｅ ｏｆ ｓｏｕｎｄ"， Ｐｈｙｓ． １９１７年、第１０巻， 第２２−３８頁、 Ｋａｉｌｉ Ｊｉａｎｇ、Ｑｕｎｑｉｎｇ Ｌｉ、Ｓｈｏｕｓｈａｎ Ｆａｎ、"Ｓｐｉｎｎｉｎｇ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ ｙａｒｎｓ"、Ｎａｔｕｒｅ、２００２年、第４１９巻、ｐ．８０１

従来の超音波音響装置は、超音波トランスデューサ及び信号装置を含む。前記超音波トランスデューサは、例えば、振動セル（ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｃｅｌｌ）のような共鳴型トランスデューサである。前記超音波トランスデューサは、電気信号を超音波へ転換できる。一般的に、従来の超音波トランスデューサは、圧電性セラミック、コーン、ホウジング、複数の導電ワイヤを含むので、構造が複雑であるという課題がある。

本発明は、前記課題を解決するために、構造が簡単であり、一つ以上の媒体において超音波を発生できる超音波音響装置を提供する。

本発明の超音波音響装置は、信号装置と、カーボンナノチューブ構造体を含む音波発生器と、を含む。前記カーボンナノチューブ構造体の少なくとも一部は液体媒体と接触する。前記カーボンナノチューブ構造体により、前記信号装置からの信号を熱に転換させる。前記液体媒体の密度を変換させて、超音波を発生させる。

本発明の超音波音響装置は、信号装置と、カーボンナノチューブ構造体を含む音波発生器と、を含む。前記カーボンナノチューブ構造体の少なくとも一部は液体媒体と接触する。前記信号装置は前記カーボンナノチューブ構造体へ転送する時、前記カーボンナノチューブ構造体は超音波を発生する。

本発明の超音波音響装置はカーボンナノチューブ構造体を含む。前記カーボンナノチューブ構造体が液体媒体の中で、熱音響原理により超音波を発生する。

前記カーボンナノチューブ構造体の単位面積当たりの熱容量が０（０は含まず）〜２×１０^−４Ｊ／ｃｍ^２・Ｋ以下である。

前記液体媒体の電気抵抗率が１×１０^−２Ω×Ｍより高い。

前記カーボンナノチューブ構造体は前記液体媒体に浸漬されている。

前記超音波音響装置は少なくとも二つの電極を含む。前記少なくとも二つの電極が所定の距離で分離して、それぞれ前記音波発生器に電気的に接続されている。

従来の技術と比べて、本発明の超音波音響装置は次の優れた点がある。第一は、本発明の超音波音響装置はカーボンナノチューブ構造体を含み、前記カーボンナノチューブ構造体を加熱させて超音波を発生するので、従来の超音波音響装置と比べて、構成が簡単であり、軽型及び小型が実現できる。第二は、カーボンナノチューブ構造体は、単位面積当たりの熱容量が小さく、比表面積が大きく、熱交換の速度が速いので、液体媒体の中で音を良好に発生することができる。第三は、本発明の超音波音響装置に利用したカーボンナノチューブ構造体は、良好な機械性能及び強靭性を有するので、超音波音響装置の使用時間が長くなる。第四は、本発明のカーボンナノチューブ構造体は薄いので、透明な音響装置を製造することができる。第五は、本発明のカーボンナノチューブ構造体は、柔軟性を有し、様々な形状に形成されるので、異なる形状を有する超音波音響装置に利用できる。

本発明の実施例１における超音波音響装置の模式図である。 本発明の実施例１における綿毛構造のカーボンナノチューブフィルムの走査型電子顕微鏡写真である。 本発明の実施例１におけるカーボンナノチューブが同じ方向に沿って配列されたカーボンナノチューブフィルムの走査型電子顕微鏡写真である。 本発明の実施例１におけるカーボンナノチューブが等方的に配列されたカーボンナノチューブフィルムの走査型電子顕微鏡写真である。 本発明の実施例１におけるカーボンナノチューブフィルムのＳＥＭ写真である。 本発明の実施例１におけるカーボンナノチューブセグメントの模式図である。 本発明の実施例１におけるカーボンナノチューブワイヤのＳＥＭ写真である。 本発明の実施例１におけるねじれたカーボンナノチューブワイヤのＳＥＭ写真である。 本発明の実施例１における超音波音響装置の模式図である。 本発明の実施例２における超音波音響装置の模式図である。 本発明の実施例３における超音波音響装置の模式図である。 従来のサーモホンの模式図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。

（実施例１）
図１を参照すると、本発明の超音波音響装置１０は、信号装置１２と、音波発生器１４と、第一電極１４２と、第二電極１４４と、を含む。前記第一電極１４２及び第二電極１４４は所定の距離で離れるように、それぞれ前記音波発生器１４に電気的に接続されている。且つ、前記第一電極１４２及び第二電極１４４は、導電線１４９によりそれぞれ前記信号装置１２に電気的に接続されている。前記第一電極１４２及び第二電極１４４により、前記信号装置１２からの信号を前記音波発生器１４へ転送する。前記音波発生器１４の少なくとも一部は、媒体１８の中に浸漬されている。

前記音波発生器１４はカーボンナノチューブ構造体を含む。前記カーボンナノチューブ構造体は大きな比表面積（例えば、５０ｍ^２／ｇ以上）を有するので、前記カーボンナノチューブ構造体が前記媒体１８と接触する面積が大きい。該カーボンナノチューブ構造体の単位面積当たりの熱容量は、０（０は含まず）〜２×１０−４Ｊ／ｃｍ^２・Ｋであるが、好ましくは、０（０は含まず）〜１．７×１０^−６Ｊ／ｃｍ^２・Ｋであり、本実施例では、１．７×１０^−６Ｊ／ｃｍ^２・Ｋである。前記カーボンナノチューブ構造体には、複数のカーボンナノチューブが均一に分散されている。該複数のカーボンナノチューブは分子間力で接続されている。前記カーボンナノチューブ構造体に、前記複数のカーボンナノチューブが配向し又は配向せずに配列されている。前記複数のカーボンナノチューブの配列方式により、前記カーボンナノチューブ構造体は非配向のカーボンナノチューブ構造体及び配向のカーボンナノチューブ構造体の二種に分類される。本実施例における非配向のカーボンナノチューブ構造体では、カーボンナノチューブが異なる方向に沿って配列され、又は絡み合っている。配向のカーボンナノチューブ構造体では、前記複数のカーボンナノチューブが同じ方向に沿って配列している。又は、配向のカーボンナノチューブ構造体において、配向のカーボンナノチューブ構造体が二つ以上の領域に分割される場合、各々の領域における複数のカーボンナノチューブが同じ方向に沿って配列している。この場合、異なる領域におけるカーボンナノチューブの配列方向は異なる。前記カーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブ、二層カーボンナノチューブ又は多層カーボンナノチューブである。前記カーボンナノチューブが単層カーボンナノチューブである場合、直径は０．５ｎｍ〜５０ｎｍに設定され、前記カーボンナノチューブが二層カーボンナノチューブである場合、直径は１ｎｍ〜５０ｎｍに設定され、前記カーボンナノチューブが多層カーボンナノチューブである場合、直径は１．５ｎｍ〜５０ｎｍに設定される。

前記カーボンナノチューブ構造体は平板型であり、その厚さは０．５ｎｍ〜１ｍｍに設けられている。前記カーボンナノチューブ構造体の比表面積が小さくなるほど、前記カーボンナノチューブ構造体の単位面積当たりの熱容量が高くなる。前記カーボンナノチューブ構造体の単位面積当たりの熱容量が高くなるほど、前記超音波音響装置の音圧を低くすることができる。

本発明のカーボンナノチューブ構造体としては、以下の（一）〜（四）のものが挙げられる。

（一）綿毛構造カーボンナノチューブフィルム
前記カーボンナノチューブ構造体は、少なくとも一枚のカーボンナノチューブフィルムを含む。このカーボンナノチューブフィルムは綿毛構造カーボンナノチューブフィルム（ｆｌｏｃｃｕｌａｔｅｄ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ ｆｉｌｍ）である。図２を参照すると、単一の前記カーボンナノチューブフィルムにおいて、複数のカーボンナノチューブは、絡み合い、等方的に配列されている。前記カーボンナノチューブ構造体においては、前記複数のカーボンナノチューブが均一に分布されている。複数のカーボンナノチューブは配向せずに配置されている。単一の前記カーボンナノチューブの長さは、１００ｎｍ以上であり、１００ｎｍ〜１０ｃｍであることが好ましい。前記カーボンナノチューブ構造体は、自立構造の薄膜の形状に形成されている。ここで、自立構造は、支持体材を利用せず、前記カーボンナノチューブ構造体を独立して利用することができるという形態である。前記複数のカーボンナノチューブは、分子間力で接近して、相互に絡み合って、カーボンナノチューブネット状に形成されている。前記複数のカーボンナノチューブは配向せずに配置されて、多くの微小な穴が形成されている。ここで、単一の前記微小な穴の直径が１０μｍ以下になる。前記カーボンナノチューブ構造体におけるカーボンナノチューブは、相互に絡み合って配置されるので、該カーボンナノチューブ構造体は柔軟性に優れ、任意の形状に湾曲して形成させることができる。用途に応じて、前記カーボンナノチューブ構造体の長さ及び幅を調整することができる。前記カーボンナノチューブ構造体の厚さは、０．５ｎｍ〜１ｍｍである。

前記カーボンナノチューブフィルムの製造方法は、下記のステップを含む。

第一ステップでは、カーボンナノチューブ原料（綿毛構造カーボンナノチューブフィルムの素になるカーボンナノチューブ）を提供する。

ナイフのような工具で前記カーボンナノチューブを前記基材から剥離し、カーボンナノチューブ原料が形成される。前記カーボンナノチューブは、ある程度互いに絡み合っている。前記カーボンナノチューブの原料においては、該カーボンナノチューブの長さは、１００マイクロメートル以上であり、１０マイクロメートル以上であることが好ましい。

第二ステップでは、前記カーボンナノチューブ原料を溶剤に浸漬し、該カーボンナノチューブ原料を処理して、綿毛構造のカーボンナノチューブ構造体を形成する。

前記カーボンナノチューブ原料を前記溶剤に浸漬した後、超音波式分散、高強度攪拌又は振動などの方法により、前記カーボンナノチューブを綿毛構造に形成させる。前記溶剤は水または揮発性有機溶剤である。超音波式分散方法により、カーボンナノチューブを含む溶剤に対して１０〜３０分間処理する。カーボンナノチューブは大きな比表面積を有し、カーボンナノチューブの間に大きな分子間力が生じるので、前記カーボンナノチューブはそれぞれもつれて、綿毛構造に形成されている。

第三ステップでは、前記綿毛構造のカーボンナノチューブ構造体を含む溶液をろ過して、最終的な綿毛構造のカーボンナノチューブ構造体を取り出す。

まず、濾紙が置かれたファネルを提供する。前記綿毛構造のカーボンナノチューブ構造体を含む溶剤を濾紙が置かれたファネルにつぎ、しばらく放置して、乾燥させると、綿毛構造のカーボンナノチューブ構造体が分離される。図２を参照すると、前記綿毛構造のカーボンナノチューブ構造体におけるカーボンナノチューブが互いに絡み合って、不規則的な綿毛構造となる。

分離された前記綿毛構造のカーボンナノチューブ構造体を容器に置き、前記綿毛構造のカーボンナノチューブ構造体を所定の形状に展開し、展開された前記綿毛構造のカーボンナノチューブ構造体に所定の圧力を加え、前記綿毛構造のカーボンナノチューブ構造体に残留した溶剤を加熱するか、或いは、該溶剤が自然に蒸発すると、綿毛構造のカーボンナノチューブフィルムが形成される。

前記綿毛構造のカーボンナノチューブ構造体が展開される面積によって、綿毛構造のカーボンナノチューブフィルムの厚さと面密度を制御できる。即ち、一定の体積を有する前記綿毛構造のカーボンナノチューブ構造体は、展開される面積が大きくなるほど、綿毛構造のカーボンナノチューブフィルムの厚さと面密度が小さくなる。

また、微多孔膜とエアーポンプファネル（Ａｉｒ−ｐｕｍｐｉｎｇ Ｆｕｎｎｅｌ）を利用して綿毛構造のカーボンナノチューブフィルムが形成される。具体的には、微多孔膜とエアーポンプファネルを提供し、前記綿毛構造のカーボンナノチューブ構造体を含む溶剤を、前記微多孔膜を通して前記エアーポンプファネルにつぎ、該エアーポンプファネルに抽気し、乾燥させると、綿毛構造のカーボンナノチューブフィルムが形成される。前記微多孔膜は、平滑な表面を有する。該微多孔膜において、単一の微小孔の直径は、０．２２マイクロメートルにされている。前記微多孔膜は平滑な表面を有するので、前記カーボンナノチューブフィルムは容易に前記微多孔膜から剥落することができる。さらに、前記エアーポンプを利用することにより、前記綿毛構造のカーボンナノチューブフィルムに空気圧をかけるので、均一な綿毛構造のカーボンナノチューブフィルムを形成させることができる。

前記カーボンナノチューブ構造体が、一枚の前記カーボンナノチューブフィルムだけを含む場合、該カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブの両端は、それぞれ、前記少なくとも二つの電極２２０に電気的に接続される。前記カーボンナノチューブ構造体が、少なくとも二枚の積層された複数のカーボンナノチューブフィルムを含む場合、隣接するカーボンナノチューブフィルム間におけるカーボンナノチューブ同士の成す角度αは、０°〜９０°である。少なくとも一枚の前記カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブの両端は、それぞれ、前記少なくとも二つの電極２２０に電気的に接続される。

（二）プレシッド構造カーボンナノチューブフィルム
前記カーボンナノチューブ構造体は、少なくとも一枚のカーボンナノチューブフィルムを含む。このカーボンナノチューブフィルムは、プレシッド構造カーボンナノチューブフィルム（ｐｒｅｓｓｅｄ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ ｆｉｌｍ）である。単一の前記カーボンナノチューブフィルムにおける複数のカーボンナノチューブは、等方的に配列されているか、所定の方向に沿って配列されているか、または、異なる複数の方向に沿って配列されている。前記カーボンナノチューブフィルムは、押し器具を利用することにより、所定の圧力をかけて前記カーボンナノチューブアレイを押し、該カーボンナノチューブアレイを圧力で倒すことにより形成された、シート状の自立構造を有するものである。前記カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブの配列方向は、前記押し器具の形状及び前記カーボンナノチューブアレイを押す方向により決められている。

図４を参照すると、単一の前記カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブが配向せずに配置される。該カーボンナノチューブフィルムは、等方的に配列されている複数のカーボンナノチューブを含む。隣接するカーボンナノチューブが分子間力で相互に引き合い、接続する。該カーボンナノチューブ構造体が平面等方性を有する。該カーボンナノチューブフィルムは、平面を有する押し器具を利用して、カーボンナノチューブアレイが成長された基板に垂直な方向に沿って前記カーボンナノチューブアレイを押すことにより形成される。

図３を参照すると、単一の前記カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブが配向して配列される。該カーボンナノチューブフィルムは、同じ方向に沿って配列された複数のカーボンナノチューブを含む。ローラー形状を有する押し器具を利用して、同じ方向に沿って前記カーボンナノチューブアレイを同時に押す場合、基本的に同じ方向に配列されるカーボンナノチューブを含むカーボンナノチューブフィルムが形成される。また、ローラー形状を有する押し器具を利用して、異なる方向に沿って、前記カーボンナノチューブアレイを同時に押す場合、前記異なる方向に沿って、選択的な方向に配列されるカーボンナノチューブを含むカーボンナノチューブフィルムが形成される。

前記カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブの傾斜の程度は、前記カーボンナノチューブアレイにかけた圧力に関係する。前記カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブと該カーボンナノチューブフィルムの表面とは、角度αを成し、該角度αは０°以上１５°以下である。好ましくは、前記カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブが該カーボンナノチューブフィルムの表面に平行する。前記圧力が大きくなるほど、前記傾斜の程度が大きくなる。前記カーボンナノチューブフィルムの厚さは、前記カーボンナノチューブアレイの高さ及び該カーボンナノチューブアレイにかけた圧力に関係する。即ち、前記カーボンナノチューブアレイの高さが大きくなるほど、また、該カーボンナノチューブアレイにかけた圧力が小さくなるほど、前記カーボンナノチューブフィルムの厚さが大きくなる。これとは逆に、カーボンナノチューブアレイの高さが小さくなるほど、また、該カーボンナノチューブアレイにかけた圧力が大きくなるほど、前記カーボンナノチューブフィルムの厚さが小さくなる。

（三）ドローン構造カーボンナノチューブフィルム
前記カーボンナノチューブ構造体は、図５に示す、少なくとも一枚のカーボンナノチューブフィルム１４３ａを含む。このカーボンナノチューブフィルムはドローン構造カーボンナノチューブフィルム（ｄｒａｗｎ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ ｆｉｌｍ）である。前記カーボンナノチューブフィルム１４３ａは、超配列カーボンナノチューブアレイ（非特許文献４を参照）から引き出して得られたものである。単一の前記カーボンナノチューブフィルムにおいて、複数のカーボンナノチューブが同じ方向に沿って、端と端が接続されている。即ち、単一の前記カーボンナノチューブフィルム１４３ａは、分子間力で長さ方向端部同士が接続された複数のカーボンナノチューブを含む。図５及び図６を参照すると、単一の前記カーボンナノチューブフィルム１４３ａは、複数のカーボンナノチューブセグメント１４３ｂを含む。前記複数のカーボンナノチューブセグメント１４３ｂは、長さ方向に沿って分子間力で端と端が接続されている。それぞれのカーボンナノチューブセグメント１４３ｂは、相互に平行に、分子間力で結合された複数のカーボンナノチューブ１４５を含む。単一の前記カーボンナノチューブセグメント１４３ｂにおいて、前記複数のカーボンナノチューブ１４５の長さが同じである。前記カーボンナノチューブフィルム１４３ａを有機溶剤に浸漬させることにより、前記カーボンナノチューブフィルム１４３ａの強靭性及び機械強度を高めることができる。有機溶剤に浸漬された前記カーボンナノチューブフィルムの単位面積当たりの熱容量が低くなるので、その熱音響効果を高めることができる。前記カーボンナノチューブフィルム１４３ａの幅は１００μｍ〜１０ｃｍに設けられ、厚さは０．５ｎｍ〜１００μｍに設けられる。

前記カーボンナノチューブ構造体は、積層された複数の前記カーボンナノチューブフィルムを含むことができる。この場合、隣接する前記カーボンナノチューブフィルムは、分子間力で結合されている。隣接する前記カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブは、それぞれ０°〜９０°の角度で交差している。隣接する前記カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブが０°以上の角度で交差する場合、前記カーボンナノチューブ構造体に複数の微孔が形成される。又は、前記複数のカーボンナノチューブフィルムは、隙間なく並列されることもできる。複数の微孔が形成された前記カーボンナノチューブ構造体を液体媒体に浸漬させてから、前記カーボンナノチューブ構造体を乾燥させる場合、前記媒体１８の表面張力が原因で、前記カーボンナノチューブ構造体を収縮させることが難しい。

前記カーボンナノチューブ構造体は、十六枚の前記カーボンナノチューブフィルムを積層させてなる場合、前記音波発生器１４の光透過性が高いので、前記音波発生器１４を透明な超音波音響装置２０に利用できる。

前記カーボンナノチューブフィルムの製造方法は次のステップを含む。

第一ステップでは、カーボンナノチューブアレイを提供する。該カーボンナノチューブアレイは、超配列カーボンナノチューブアレイ（Ｓｕｐｅｒａｌｉｇｎｅｄ ａｒｒａｙ ｏｆ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅｓ，非特許文献４を参照）であり、該超配列カーボンナノチューブアレイの製造方法は、化学気相堆積法を採用する。該製造方法は、次のステップを含む。ステップ（ａ）では、平らな基材を提供し、該基材はＰ型のシリコン基材、Ｎ型のシリコン基材及び酸化層が形成されたシリコン基材のいずれか一種である。本実施例において、４インチのシリコン基材を選択することが好ましい。ステップ（ｂ）では、前記基材の表面に、均一的に触媒層を形成する。該触媒層の材料は鉄、コバルト、ニッケル及びその２種以上の合金のいずれか一種である。ステップ（ｃ）では、前記触媒層が形成された基材を７００℃〜９００℃の空気で３０分〜９０分間アニーリングする。ステップ（ｄ）では、アニーリングされた基材を反応炉に置き、保護ガスで５００℃〜７４０℃の温度で加熱した後で、カーボンを含むガスを導入して、５分〜３０分間反応を行って、超配列カーボンナノチューブアレイ（Ｓｕｐｅｒａｌｉｇｎｅｄ ａｒｒａｙ ｏｆ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅｓ，非特許文献４）を成長させることができる。該カーボンナノチューブアレイの高さは１００マイクロメートル以上である。該カーボンナノチューブアレイは、互いに平行し、基材に垂直するように生長する複数のカーボンナノチューブからなる。該カーボンナノチューブは、長さが長いため、部分的にカーボンナノチューブが互いに絡み合っている。生長の条件を制御することによって、前記カーボンナノチューブアレイは、例えば、アモルファスカーボン及び残存する触媒である金属粒子などの不純物を含まなくなる。

本実施例において、前記カーボンを含むガスとしては例えば、アセチレン、エチレン、メタンなどの活性な炭化水素が選択され、エチレンを選択することが好ましい。保護ガスは窒素ガスまたは不活性ガスであり、アルゴンガスが好ましい。

本実施例から提供されたカーボンナノチューブアレイは、前記の製造方法により製造されることに制限されず、アーク放電法またはレーザー蒸発法で製造してもよい。

第二ステップでは、前記カーボンナノチューブアレイから、少なくとも、一枚のカーボンナノチューブフィルムを引き伸ばす。まず、ピンセットなどの工具を利用して複数のカーボンナノチューブの端部を持つ。例えば、一定の幅を有するテープを利用して複数のカーボンナノチューブの端部を持つ。次に、所定の速度で前記複数のカーボンナノチューブを引き出し、複数のカーボンナノチューブセグメントからなる連続のカーボンナノチューブフィルムを形成する。

前記複数のカーボンナノチューブを引き出す工程において、前記複数のカーボンナノチューブがそれぞれ前記基材から脱離すると、分子間力で前記カーボンナノチューブセグメントが端と端で接合され、連続のカーボンナノチューブフィルムが形成される。

（四）カーボンナノチューブワイヤ
前記カーボンナノチューブ構造体は少なくとも一本のカーボンナノチューブワイヤを含む。一本の前記カーボンナノチューブワイヤの熱容量は、０（０は含まず）〜２×１０^−４Ｊ／ｃｍ^２・Ｋであり、５×１０^−５Ｊ／ｃｍ^２・Ｋであることが好ましい。一本の前記カーボンナノチューブワイヤの直径は４．５ｎｍ〜１ｃｍである。図７を参照すると、前記カーボンナノチューブワイヤは、分子間力で接続された複数のカーボンナノチューブからなる。この場合、一本のカーボンナノチューブワイヤ（非ねじれ状カーボンナノチューブワイヤ）は、端と端とが接続された複数のカーボンナノチューブセグメント（図示せず）を含む。前記カーボンナノチューブセグメントは、同じ長さ及び幅を有する。さらに、各々の前記カーボンナノチューブセグメントに、同じ長さの複数のカーボンナノチューブが平行に配列されている。前記複数のカーボンナノチューブはカーボンナノチューブワイヤの中心軸に平行に配列されている。この場合、一本の前記カーボンナノチューブワイヤの直径は、１μｍ〜１ｃｍである。図８を参照すると、前記カーボンナノチューブワイヤをねじり、ねじれ状カーボンナノチューブワイヤを形成することができる。ここで、前記複数のカーボンナノチューブは前記カーボンナノチューブワイヤの中心軸を軸に、螺旋状に配列されている。この場合、一本の前記カーボンナノチューブワイヤの直径は、１μｍ〜１ｃｍである。前記カーボンナノチューブ構造体は、前記非ねじれ状カーボンナノチューブワイヤ、ねじれ状カーボンナノチューブワイヤ又はそれらの組み合わせのいずれか一種からなる。

前記カーボンナノチューブワイヤを形成する方法は、カーボンナノチューブアレイから引き出してなるカーボンナノチューブフィルムを利用する。前記カーボンナノチューブワイヤを形成する方法は、次の三種がある。第一種では、前記カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブの長手方向に沿って、前記カーボンナノチューブフィルムを所定の幅で切断し、カーボンナノチューブワイヤを形成する。第二種では、前記カーボンナノチューブフィルムを有機溶剤に浸漬させて、前記カーボンナノチューブフィルムを収縮させてカーボンナノチューブワイヤを形成することができる。第三種では、前記カーボンナノチューブフィルムを機械加工（例えば、紡糸工程）してねじれたカーボンナノチューブワイヤを形成する。詳しく説明すれば、まず、前記カーボンナノチューブフィルムを紡糸装置に固定させる。次に、前記紡糸装置を動作させて前記カーボンナノチューブフィルムを回転させ、ねじれたカーボンナノチューブワイヤを形成する。

前記カーボンナノチューブ構造体は複数のカーボンナノチューブワイヤを含む場合、前記複数のカーボンナノチューブワイヤは平行に並列され、又は交叉して織られ、又はねじれていることができる。

図１に示されるように、本実施例の音波発生器１４はカーボンナノチューブ構造体を含む。前記カーボンナノチューブ構造体はカーボンナノチューブフィルムを含む。該カーボンナノチューブフィルムにおいて、カーボンナノチューブが同じ方向に沿って配列されている。前記音波発生器１４の長さは３ｃｍであり、その幅は３ｃｍであり、その厚さは５０ｎｍである。前記音波発生器１４が薄く（厚さが１０μｍ以下）設けられる場合、該音波発生器１４は優れた透明性を有する。従って、前記透明な音波発生器１４を利用することにより、透明な超音波音響装置を製造することができる。前記透明な音波発生器１４を利用することにより、超音波音響装置は小型及び軽型であるという優れた点がある。

本実施例において、前記第一電極１４２及び第二電極１４４は金属、導電接着剤、カーボンナノチューブ、ＩＴＯのいずれかの導電材料からなる。本実施例において、前記第一電極１４２及び第二電極１４４は棒状の金属電極である。前記音波発生器１４はそれぞれ前記第一電極１４２及び第二電極１４４に電気的に接続されている。前記第一電極１４２及び第二電極１４４により、前記音波発生器１４を支持することができる。導電ワイヤを利用して、前記第一電極１４２及び第二電極１４４を前記信号装置１２の両端に電気的接続させて、信号ループを形成させる。なお、前記信号装置１２が電磁波又は光を放出する場合、前記第一電極１４２及び第二電極１４４を利用せず、信号を前記信号装置１２から前記音波発生器１４へ直接的に伝送することができる。前記音波発生器１４に利用したカーボンナノチューブ構造体は接着性を有するので、前記音波発生器１４を直接前記第一電極１４２及び第二電極１４４に接着させることができる。

前記第一電極１４２又は第二電極１４４と前記音波発生器１４とを良好に電気的に接続させるために、前記第一電極１４２又は第二電極１４４と前記音波発生器１４との間に導電性接着層（図示せず）を設置することもできる。前記導電性接着層は、前記音波発生器１４の表面に設置されることができる。前記導電性接着層は銀ペーストからなる。

前記信号装置１２は、電気信号装置、直流電流パルス信号装置、交流電流装置、電磁波信号装置（例えば、光学信号装置、レーザー）のいずれかの一種である。前記信号装置１２から前記音波発生器１４へ転送された信号は、例えば、電磁波（例えば、光学信号）、電気信号（例えば、交流電流、直流電流パルス信号、オーディオ電気信号）又はそれらの混合信号である。前記信号はカーボンナノチューブ構造体に受信されて熱として放射される。熱の放射によって周辺媒体（環境）の圧力強度が変化するので、検出可能信号を発生することができる。前記超音波音響装置２０を光音響スペクトルデバイスに利用した場合、前記入力信号は光学信号である。本実施例において、前記信号装置１２は光音響スペクトルデバイスであり、入力信号は光学信号である。

異なるタイプの前記信号装置１２に対して、前記第一電極１４２及び第二電極１４４の設置は選択的である。例えば、前記信号装置１２からの信号が電磁波又は光である場合、前記信号装置１２は前記第一電極１４２及び第二電極１４４を利用せず、信号を前記音波発生器１４に直接的に転送することができる。

前記音波発生器１４は、媒体１８の中で作動することができる。信号（例えば、電気信号）が、前記信号装置１２の音波発生器１４におけるカーボンナノチューブ構造体に伝送された場合、前記音波発生器１４におけるカーボンナノチューブ構造体は熱が生じる。前記信号装置１２において、前記音波発生器１４の前記カーボンナノチューブ構造体は複数のカーボンナノチューブを含み、単位面積の熱容量が小さいので、前記音波発生器１４で生じた温度波が速やかに前記媒体１８へ拡散される。前記音波発生器１４のカーボンナノチューブ構造体に信号（例えば、電気信号）を転送すると、信号強度及び／又は信号によって前記カーボンナノチューブ構造体に熱が生じる。前記音波発生器１４に生じた熱が原因で、前記媒体１８が熱膨張され、その密度が変化されることになる。従って、前記音波発生器１４で生じた温度波の拡散により、超音波が生じる。

前記音波発生器１４の電―熱転換率を保持するために、前記媒体１８の電気抵抗率を、前記音波発生器１４の抵抗率より高く（例えば、１×１０^−２Ω×Ｍより高い）設定することが好ましい。前記媒体１８は、非電解質溶液、純水、海水、有機溶剤又はそれらの混合物である。前記媒体１８は電気抵抗率が１．５×１０^７Ω×Ｍの純水である場合、純水の比熱容量が高いので、前記音波発生器１４によって生じた熱が速やかに前記媒体１８に拡散される。

前記超音波音響装置１０の周波数応答は、２０ＫＨｚより高い場合、前記超音波音響装置１０は、良好な音が発生される。

（実施例２）
図９を参照すると、本実施例の超音波音響装置２０は、信号装置２２と、音波発生器２４と、第一電極２４２と、第二電極２４４と、を含む。本実施例の超音波音響装置２０の構成、特性、機能は、実施例１の超音波音響装置２０と同じである。本実施例と実施例１との異なる点は、本実施例の超音波音響装置２０は支持体２６を含むことである。前記音波発生器２４は前記支持体２６の表面に設置される。前記音波発生器２４の形状により、前記支持体２６の形状を設ける。前記支持体２６は平面又は／及び湾曲面である。前記支持体２６は、スクリーン、壁、机、ディスプレイのいずれか一種である。前記音波発生器２４は前記支持体２６と接触することができる。

前記支持体２６は、ダイヤモンド、ガラス、石英のような固い材料、又はプラスチック、樹脂、織物のような柔軟な材料からなる。前記支持体２６は熱絶縁性を有し、前記音波発生器２４で生じた熱を吸収しない。さらに、前記支持体２６と前記音波発生器２４と接触する表面は粗く設けられることが好ましい。これにより、前記音波発生器２４と周辺の液体媒体とが接触する面積を増加させることができる。前記カーボンナノチューブ構造体は比表面積が大きいので、前記音波発生器２４は直接前記支持体２６に接着できる。

前記音波発生器２４及び前記支持体２６を良好に接続させるために、前記音波発生器２４及び前記支持体２６の間に接着層（図示せず）を設置することができる。前記接着層は、前記音波発生器２４の表面に設置されることができる。本実施例において、前記導電な接着層は銀ペーストからなる。

前記第一電極２４２及び第二電極２４４は、前記音波発生器２４の同じ表面に設置され、又はそれぞれ前記音波発生器２４の対向する表面に設置されている。前記二つの電極に制限されず、前記超音波音響装置２０に複数の電極を設置することができる。前記信号装置２２は導電線２４９によって前記音波発生器２４に接続されている。

（実施例３）
図１０を参照すると、本実施例の超音波音響装置２０の構成、特性、機能は、実施例２の超音波音響装置２０と同じである。本実施例と実施例２との異なる点は、前記音波発生器２４の一部を前記支持体２６に設置することにより、前記音波発生器２４及び前記支持体２６から音収集のスペースを形成することである。前記スペースは、閉鎖的な空間又は開放的な空間である。前記支持体２６はＶ形、Ｕ形又はＬ形である。前記超音波音響装置２０は二つ以上の前記支持体２６を含むことができる。前記支持体２６は、木、プラスチック、金属、ガラスのいずれか一種である。図１０を参照すると、本実施例において、前記支持体２６はＬ形であり、前記音波発生器２４は前記支持体２６の第一端から前記第二端に延伸するので、前記音波発生器２４及び前記支持体２６から音収集のスペースを形成することができる。前記第一電極２４２及び第二電極２４４は前記音波発生器２４の表面に設置され、且つ前記信号装置２２に電気的に接続されている。これにより、前記音波発生器２４が生じた音は、前記支持体２６の内壁で反射されるので、前記超音波音響装置２０の音響機能を高めることができる。

（実施例４）
図１１を参照すると、本実施例の超音波音響装置３０は、信号装置３２と、音波発生器３４と、第一電極３４２と、第二電極３４４と、第三電極３４６と、第四電極３４８と、を含む。本実施例の超音波音響装置３０の構成、特性、機能は、実施例１の超音波音響装置１０と同じである。本実施例と実施例１との異なる点は、本実施例の超音波音響装置３０は四つの電極（第一電極２４２、第二電極２４４、第三電極３４６、第四電極３４８）を含むことである。前記四つの電極は棒状であり、それぞれ所定の距離で分離して設置されている。前記音波発生器３４は前記四つの電極を囲むように、前記四つの電極に電気的に接続されている。さらに、前記第二電極３４４及び第四電極３４８は第一導電線３４９で前記信号装置３２の一つの端部に電気的に並列接続されている。勿論、前記第一電極３４２及び第三電極３４６は第二導電線（図示せず）で前記信号装置３２のもう一つの端部に電気的に並列接続されている。前記電極を前記信号装置３２に並列接続させるので、前記超音波音響装置３０に印加される電圧が低い。

前記四つの電極は同じ平面に設置されることができる。この場合、前記四つの電気に制限されず、前記超音波音響装置３０に複数の電極を設置することができる。

１００ サーモホン
１０２ 白金片
１０４ クランプ
１４３ａ カーボンナノチューブフィルム
１４３ｂ カーボンナノチューブセグメント
１４５ カーボンナノチューブ
１０ 超音波音響装置
１２ 信号装置
１４２ 第一電極
１４４ 第二電極
１４ 音波発生器
１４９ 導電線
２０ 超音波音響装置
２２ 信号装置
２４２ 第一電極
２４４ 第二電極
２４ 音波発生器
２６ 支持体
２８ 液体媒体
２４９ 導電線
３０ 超音波音響装置
３２ 信号装置
３４２ 第一電極
３４４ 第二電極
３４６ 第三電極
３４８ 第四電極
３４ 音波発生器
３６ 支持体
３８ 液体媒体
３４９ 第一導電線

Claims (6)

1. 信号装置と、カーボンナノチューブ構造体を含む音波発生器と、を含み、
   前記カーボンナノチューブ構造体の少なくとも一部は液体媒体と接触し、
   前記カーボンナノチューブ構造体により、前記信号装置からの信号を熱に転換させ、
   前記液体媒体の密度を変換させて、超音波を発生させることを特徴とする超音波音響装置。
2. カーボンナノチューブ構造体を含み、
   前記カーボンナノチューブ構造体が液体媒体の中で、熱音響原理により超音波を発生することを特徴とする超音波音響装置。
3. 前記カーボンナノチューブ構造体の単位面積当たりの熱容量が０（０は含まず）〜２×１０^−４Ｊ／ｃｍ^２・Ｋ以下であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の超音波音響装置。
4. 前記液体媒体の電気抵抗率が１×１０^−２Ω×Ｍより高いことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の超音波音響装置。
5. 前記カーボンナノチューブ構造体は前記液体媒体に浸漬されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の超音波音響装置。
6. 前記装置は少なくとも二つの電極を含み、
   前記少なくとも二つの電極が所定の距離で分離して、それぞれ前記音波発生器に電気的に接続されていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の超音波音響装置。