JP2012205193A

JP2012205193A - 熱音響装置

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Publication number: JP2012205193A
Application number: JP2011069720A
Authority: JP
Inventors: Katsunori Suzuki; 克典鈴木; Yoshiki Terada; 佳樹寺田; Shingo Sakakibara; 慎吾榊原; Toshihiro Murata; 敏浩邨田
Original assignee: Yamaha Corp
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 2011-03-28
Filing date: 2011-03-28
Publication date: 2012-10-22

Abstract

【課題】発熱体層の熱容量が小さく、かつ、断熱層の断熱性が高いことで、音波の発生能に優れる熱音響装置を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明は、多孔質状の断熱層と、この断熱層の表面に積層され、線状の炭素素材からなる発熱体層と、この発熱体層を通電する一対の電極とを備え、上記炭素素材の平均長さが、断熱層の表面に現れる孔の平均径より大きい熱音響装置である。上記炭素素材がカーボンナノチューブであるとよい。上記炭素素材の少なくとも一部が、断熱層の表面形状に追従して積層されていることが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱音響装置に関する。

音波を発生させる装置としては、磁石とコイルとを備える動電変換装置、コンデンサ変換装置、圧電材料を用いた変換装置等の機械振動を利用した音波発生装置が広く普及している。近年では、これらの音波発生装置とは異なり、機械振動を全く行わない熱音響効果を利用した音波発生装置（熱音響装置）の開発が進められている。

この熱音響装置は、通常、断熱層とこの断熱層表面に設けられた発熱体層とを備える。このような構造を有する熱音響装置においては、電圧を印加すること等により発熱体層が発熱することで発熱体層表面の空気層の温度変化が生じ、この温度変化による空気の疎密により音波が発生するよう構成されている。このような熱音響装置は機械振動を伴わないため、周波数帯域が広い、周囲環境の影響を受けにくい、微細化が比較的容易であるといった利点がある。

従って、この熱音響装置においては、音波の発生効率を高めるため、上記断熱層の断熱性を高めて断熱層側へ発熱体層の熱が流れることを抑え、上述の空気層の温度変化を大きくさせることが重要である。そこで、断熱層が無機ナノ粒子から構成された熱音響装置（特開２００９−２１９０８９号公報参照）や、断熱層が多数の孔を有するナノ結晶シリコンからなる熱音響装置（特許第３８４５０７７号公報参照）が提案されている。

しかしながら、上記材料からなる断熱層の表面に、塗布等により発熱体層を積層させると、断熱層内部に発熱体層成分が浸透するため、発熱体層が厚くなる。このように発熱体層が厚くなると、発熱体層の熱容量が大きくなり、電気信号等に対応した高速な温度変化が困難になること等により、熱音響効果による音波の発生能が低下する。さらには、このような熱音響装置においては、断熱層と発熱体層との接触面積が大きくなっているため、断熱性も十分であるとはいえず、この点からも、音波の発生能が高いとは言えない。

特開２００９−２１９０８９号公報特許第３８４５０７７号公報

本発明は、上述のような事情に基づいてなされたものであり、発熱体層の熱容量が小さく、かつ、断熱層の断熱性が高いことで、音波の発生能に優れる熱音響装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するためになされた発明は、
多孔質状の断熱層と、
この断熱層の表面に積層され、線状の炭素素材からなる発熱体層と、
この発熱体層を通電する一対の電極と
を備え、
上記炭素素材の平均長さが、断熱層の表面に現れる孔の平均径より大きい熱音響装置である。

当該熱音響装置においては、発熱体層が線状の炭素素材から形成されており、この炭素素材の平均長さが断熱層表面に現れる孔の平均径より大きいため、炭素素材が断熱層内部まで入り込みにくい。このため、発熱体層が断熱層の表面に薄膜状に積層され、発熱体層の熱容量が小さくなる。また、この薄膜状の発熱体層が多孔質状の断熱層の表面に積層されるため、発熱体層と断熱層との接触面積が小さく、断熱性に優れる。さらには、発熱体層は、接着剤等を用いず炭素素材のみから構成されていることからも、接着剤の存在による熱容量の上昇及び断熱性の低下が抑えられている。従って、当該熱音響装置は、優れた音波の発生能を有する。

上記炭素素材がカーボンナノチューブであるとよい。当該熱音響装置によれば、上記炭素素材としてカーボンナノチューブを用いることで、発熱体層の熱容量がより低下し、かつ、表面積が拡大する。従って、当該熱音響装置は、発熱体層の温度変化速度が速く、より優れた音波の発生能を発揮することができる。

上記炭素素材の少なくとも一部が、断熱層の表面形状に追従して積層されていることが好ましい。当該熱音響装置においては、このように炭素素材の少なくとも一部が断熱層の表面形状に追従して積層されていることで、発熱体層と断熱層との密着性がアンカー効果により高まる。従って、当該熱音響装置によれば、接着剤等を用いず、断熱層表面に発熱体層を固着させることができるため、接着剤等の存在による熱容量の上昇及び断熱性の低下を防ぐことができる。

上記断熱層が、電気絶縁性を有するとよい。当該熱音響装置によれば、電気絶縁性を有する断熱層を用いることで、電流が断熱層側へ流れることが防止される。従って、当該熱音響装置は、発熱体層の発熱効率が高まり、より優れた音波の発生能を発揮することができる。

上記断熱層の裏面に積層される放熱層をさらに備えるとよい。当該熱音響装置は、このように放熱層をさらに備えることで、発熱体層の蓄熱が低減される。従って、当該熱音響装置によれば、発熱体層の周辺温度変化の振幅をより大きくすることができ、音波の発生能をさらに高めることができる。

以上説明したように、本発明の熱音響装置は、発熱体層の熱容量が小さく、かつ、断熱層の断熱性が高いため、音波の発生能に優れる。従って、本発明の熱音響装置は、スピーカー、特に超音波スピーカー等として好適に用いることができる。

本発明の第一実施形態に係る熱音響装置の模式的断面図（a）及び模式的平面図（ｂ）である。本発明の第二実施形態に係る熱音響装置の模式的平面図である。実施例の評価に用いた装置を表す模式図である。実施例で得られた熱音響装置の周波数特性を表すグラフである。

以下、本発明の熱音響装置の実施の形態を詳説する。

＜第一実施形態＞
図１の熱音響装置１は、断熱層２、発熱体層３、一対の電極４及び放熱層５を備える。

断熱層２は多孔質状である。断熱層２を形成する素材としては、多孔質状であれば特に限定されず、金属素材や非金属素材等を用いることができるが、電気絶縁性を有する素材を用いることが好ましい。当該熱音響装置１において、電気絶縁性を有する断熱層２を用いることで、電流が断熱層２側へ流れることが防止される。従って、当該熱音響装置１は発熱体層３の発熱効率が高まり、優れた音波の発生能を発揮することができる。

このような素材としては、例えば、ガラス、ゼオライト、アルミナ、シリカ、セラミックス、その他金属酸化物、エンジニアリングプラスチック、炭素材料（カーボン、炭化ケイ素、炭化チタン等）、窒素材料（窒化ケイ素等）や、表面が酸化物などの絶縁材で被覆されたポーラス金属等を挙げることができる。

上記シリカとしては、例えば、オルトケイ酸テトラメチル（ＴＭＯＳ）、アンモニア水及びエタノールの混合反応から得られる水和ゲルを、超臨界乾燥法を用いて乾燥させることで得られるシリカエアロゲルが好ましい。このシリカエアロゲルは、特に優れた断熱性を発揮することができる。

上記エンジニアリングプラスチックとしては、ポリイミド（ＰＩ）、ポリフェニレンスルファイド（ＰＰＳ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、フッ素樹脂等の耐熱温度が１５０℃以上、好ましくは２００℃以上の樹脂が好ましい。

断熱層２を形成する素材の２５℃下の熱伝導率としては、０．１Ｗ／ｍＫ以下が好ましく、０．０６Ｗ／ｍＫ以下がさらに好ましく、０．０３Ｗ／ｍＫ以下が特に好ましい。なお、熱伝導率は、ＪＩＳ−Ｒ１６１１（２０１０）に記載のフラッシュ法により測定することができる。

断熱層２の空隙率の下限としては、５０体積％が好ましく、８０体積％がより好ましく、９０体積％がさらに好ましい。断熱層２がこのような空隙率を有することで、断熱性能を効果的に発揮することができる。なお、断熱層２の空隙率の上限は、強度の低下を抑えるため、９９体積％が好ましく、９７体積％がより好ましい。なお、空隙率は、アルキメデス法により算出することができる。

断熱層２表面に現れる孔の平均径（Ｒ）の下限としては、５ｎｍが好ましく、１０ｎｍがさらに好ましい。一方、この平均径（Ｒ）の上限としては、１，０００nｍが好ましく、２００ｎｍがさらに好ましい。表面に存在する孔の平均径（Ｒ）を上記範囲とすることで、発熱体層２を形成する線状の炭素素材が、断熱層２の内部まで入り込むことを防ぐことができる。

なお、この表面に現れる孔の平均径は、表面の孔が明確に確認できる倍率で走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）等を用いて写真を撮り、任意の３０個の孔の等価円直径を測定し数平均することで求めることができる。等価円直径は、楕円形状である場合、短径をａ、長径をｂとすると、（ａ×ｂ）^０．５で求めることができる。

また、断熱層２全体の孔の平均径の下限としては、５ｎｍが好ましく、１０ｎｍがさらに好ましい。一方、断熱層２全体の孔の平均径の上限としては、１，０００ｎｍが好ましく、２００ｎｍがさらに好ましい。全体の孔の平均径が５ｎｍ未満の場合は、十分な断熱性が発揮されない場合がある。逆に、全体の孔の平均径が１，０００nｍを超える場合は強度が低下するおそれがある。

なお、断熱層２のサイズ及び平面形状としては特に限定されず、用途等に応じて適宜設定することができるが、例えば一辺の長さが５０ｍｍ〜２００ｍｍ程度の矩形形状とすることができる。このようなサイズの断熱層２を備える熱音響装置は、小型の超音波スピーカー等として好適に用いることができる。

また、断熱層２の平均厚さとしては、例えば０．１ｍｍ以上３ｍｍ以下とすることができる。断熱層２の平均厚さが上記下限未満の場合は、断熱性及び強度が低下するおそれがある。逆に、断熱層２の平均厚さが上記上限を超える場合は、断熱層２の放熱性が低下するおそれがある。

発熱体層３は、断熱層２の表面の略全面に積層されている。また、発熱体層３は、複数の線状の炭素素材６からなる。

線状の炭素素材６の平均長さ（Ｌ）は、断熱層２の表面に現れる孔の平均径（Ｒ）より大きい。このため炭素素材６は、その柔軟性のため、断熱層２の表面形状に追従するが、断熱層２の内部まで入り込みにくい。従って、発熱体層３は断熱層２の表面に薄膜状に積層され、発熱体層３の熱容量が小さくなる。また、この薄膜状の発熱体層３が多孔質状の断熱層２の表面に積層されるため、発熱体層３と断熱層２との接触面積が小さく、断熱性に優れる。さらには、発熱体層３は、接着剤等を用いず炭素素材６のみから構成されていることからも、接着剤の存在による熱容量の上昇及び断熱性の低下が抑えられている。従って、当該熱音響装置１は、優れた音波の発生能を発揮することができる。

炭素素材６は、断熱層２の表面全面にランダム、かつ略均一に配置されている。なお、各炭素素材６は部分的に重なりあっていることで、発熱体層３として導電性を有している。炭素素材６をこのようにランダムにかつ略均一に配置することで、発熱体層３が放熱しやすい形状となっている。

炭素素材６の平均長さ（Ｌ）は、断熱層２の表面に現れる孔の平均径（Ｒ）より大きいが、この平均長さ（Ｌ）は孔の平均径（Ｒ）の２倍以上であることが好ましく、５倍以上であることがさらに好ましい。なお、孔の平均径（Ｒ）に対するこの平均長さ（Ｌ）の上限としては特に制限されないが、例えば１，０００倍程度である。炭素素材６の具体的平均長さ（Ｌ）としては、例えば０．０１ｍｍ以上１０ｍｍ以下程度であり、０．１ｍｍ以上５ｍｍ以下が好ましいる。

炭素素材６の直径としては、断熱層２の表面に現れる孔の平均径（Ｒ）より小さいことが好ましい。この場合、炭素素材６の少なくとも一部が、断熱層２の表面に現れる孔に浸入することができ、アンカー効果により、発熱体層３の固着性を高めることができる。炭素素材６の直径としては、具体的には、１．５ｎｍ以上１００ｎｍ以下が好ましい。

この炭素素材６の具体的材質としては、線状である限り特に限定されず、例えば炭素繊維、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）等を挙げることができるが、特にＣＮＴが好ましい。炭素素材６としてＣＮＴを用いることで、発熱体層３の熱容量がより低下し、かつ、表面積が拡大する。従って、当該熱音響装置１は、発熱体層３の温度変化速度が速く、より優れた音波の発生能を発揮することができる。

上記ＣＮＴとしては、単層のシングルウォールナノチューブ（ＳＷＮＴ）や、多層のマルチウォールナノチューブ（ＭＷＮＴ）のいずれも用いることができる。但し、ＳＷＮＴは導体と半導体が混在するものが多く、導電性の点から、ＭＷＮＴが好ましく、直径１．５ｎｍ以上１００ｎｍ以下のＭＷＮＴがさらに好ましい。

なお、ＣＮＴは個々の分子が独立した、紡がれていない状態のものを用いるとよい。このようなＣＮＴを用いることで、発熱体層３の均一性が高まると共に、表面積が拡がるため、発熱体層３の温度変化速度が速く、音波の発生能をより高めることができる。

上記ＣＮＴは、公知の方法で製造することができ、例えば、ＣＶＤ法、アーク法、レーザーアブレーション法、ＤＩＰＳ法、ＣｏＭｏＣＡＴ法等により製造することができる。これらの中でも、ＭＷＮＴであり、かつ所望するサイズのＣＮＴを効率的に得ることができる点から、鉄やニッケルなどの金属触媒とし、エチレンガスを用いたＣＶＤ法により製造することが好ましい。

上記炭素素材６の少なくとも一部が、断熱層２の表面形状に追従して積層されていることが好ましい。具体的には、図１（ａ）の炭素素材６ａのように、炭素素材６の少なくとも一部、が断熱層２表面の孔内に潜り込んだ状態で固着されていることが好ましい。当該熱音響装置１においては、このように炭素素材６の少なくとも一部が断熱層２の表面形状に追従して積層されていることで、発熱体層３と断熱層２との密着性がアンカー効果により高まる。従って、当該熱音響装置１によれば、接着剤等を用いず、断熱層２表面に発熱体層３を固着させることができるため、接着剤等の存在による熱容量の上昇及び断熱性の低下を防ぐことができる。

上記発熱体層３の平均厚さとしては、５０ｎｍ以上１，０００ｎｍ以下が好ましく、１００ｎｍ以上５００ｎｍ以下がさらに好ましい。発熱体層３の平均厚さが上記下限未満の場合は、著しく抵抗が上昇し、発熱しにくくなる場合がある。逆に、この平均厚さが上記上限を超える場合は、発熱体層３内部で熱が蓄積し、音波に変換されにくくなる。

上記発熱体層３のインピーダンスの下限としては、１Ωが好ましく、５Ωがさらに好ましい。一方、このインピーダンスの上限としては１，０００Ωが好ましく、１００Ωがさらに好ましい。発熱体層３のインピーダンスが上記下限未満の場合は、電流が流れやすく発火して燃えてしまうおそれがある。一方、このインピーダンスが上記上限を超えると、電流が流れにくくなり発熱しにくく発音せず、電流を流そうとする場合には高電圧が必要となる。

一対の電極４は、発熱体層３の表面の、対向する二辺上にそれぞれ帯状に設けられている。この電極４の材質としては、導電性を有する限り特に限定されず、例えば銀粒子を含有する導電性接着剤等を用いることができる。一対の電極４は、発熱体層３を通電し、発熱させる。

放熱層５は、断熱層２の裏面に積層されている。当該熱音響装置１は、このように放熱層５をさらに備えることで、発熱体層３の蓄熱が低減される。従って、当該熱音響装置１によれば、発熱体層３の温度変化をより大きくすることができ、音波の発生能をさらに高めることができる。

この放熱層５の材質としては特に限定されず、例えば金属、金属酸化物、金属窒化物、これらの粉末が混合された樹脂材料等が挙げられるが、銅、アルミニウム等の熱伝導率が高い金属が好ましい。放熱層５の厚さとしては、特に限定されず、例えば１００ｎｍ以上１ｍｍ以下程度である。なお、表面積を広げ、放熱性を高めるために、放熱層５の裏面（断熱層２と接しない側の面）に凹凸形状等が形成されていてもよい。

当該熱音響装置１においては、一対の電極４に交流の信号電圧を印加することで、発熱体層３が発熱する。この発熱により、発熱体層３の表面の空気層の温度変化が生じ、この温度変化による空気の疎密により音波が発生する。当該熱音響装置１は、上述の構成を有するため、発熱体層３の熱容量が小さく、かつ、断熱層２の断熱性が高い。従って、当該熱音響装置１によれば、発熱体層３の温度変化、及びこれに伴うこの表面の空気層の温度変化が大きく、音波の発生能に優れる。従って、当該熱音響装置１は発生する音波の音圧が大きく、スピーカー、特に超音波スピーカー等として好適に用いることができる。

（製造方法）
当該熱音響装置１は、例えば以下の方法で好適に製造することができる。

まず、線状の炭素素材６を溶媒に分散させた分散液を調製する。この溶媒としては、特に限定されないが、例えば水に界面活性剤（例えばドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム，ＳＤＢＳ）を添加したものやイソプロピルアルコール等のアルコール類、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（Ｎ−ｍｅｔｈｙｌｐｙｒｒｏｌｉｄｏｎｅ，ＮＭＰ）などの極性溶媒を用いることができる。

この分散液を断熱層２の表面に塗布する。この塗布の方法としては特に限定されず、例えばスピンコートや、スプレー塗布により行うことができる。

塗布後、加熱により乾燥させることにより、炭素素材からなる発熱体層３を形成する。この加熱の際の温度としては、溶媒の沸点等により調整されるが、例えば１００〜５００℃である。なお、断熱層２がエンジニアリングプラスチックなど、軟化点が比較的低いものである場合は、断熱層２の変形を防止するため、軟化点以下の加熱温度とすることが好ましい。

形成された発熱体層３の両端辺に、導電性接着剤の塗布等により電極４を形成する。断熱層２の裏面に放熱層５を貼り合わせることで、熱音響装置１を得ることができる。放熱層５の貼り合わせは、発熱体層３の積層前でも後でもよい。

なお、上記とは異なる製造方法としては、断熱層の表面に、線状の炭素素材からなる発熱体薄膜（例えば、線状の炭素素材からなる不織布等）を単に積層させることで発熱体層を形成する方法も挙げられる。なお、発熱体薄膜の積層後、発熱体薄膜の表面を加圧したり、擦り合わせたりすることにより、発熱体層の少なくとも一部が、断熱層の表面形状に追従した状態を形成することができる。

＜第二実施形態＞
図２の熱音響装置１１は、断熱層２、発熱体層１３、一対の電極４及び放熱層（図示しない）を備える。発熱体層１３以外は、図１の熱音響装置１で説明したものと同様なので、説明を省略する。

発熱体層１３は、線状の炭素素材６からなり、断熱層２の表面に積層されている。発熱体層１３は、一対の電極４の対向方向を長手方向とするストライプ状に積層されている。発熱体層１３をこのようにストライプ状に形成することで、発熱体層１３の表面積を広げることができる。従って、熱音響装置１１は、発熱体層１３に熱が溜まることがさらに低減され、音波の発生能が高い。

このストライプ状の各発熱体層１３の幅及び間隔としては、特に限定されず、例えば、０．０１ｍｍ以上２ｍｍ以下程度である。

このようなストライプ状の発熱体層１３は、例えば、スクライブ塗布や、ストライプ状にマスキングした上に上述した分散液を塗布すること、あるいはスクリーン印刷等により形成することができる。

＜その他の実施形態＞
本発明の熱音響装置は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、放熱層は無くても可能であり、本発明の熱音響装置を構成することができる。また、線状の炭素素材をランダムな配置ではなく、一対の電極の対向方向に配置させることもできる。さらには、線状の炭素素材としてＣＮＴを用いた場合、各ＣＮＴ分子を一対の電極の対向方向に、かつ、各ＣＮＴ分子の両端がいずれかの電極上に位置するように配置することもできる。このようにＣＮＴ分子を配置させた発熱体層によれば、分子間力によるＣＮＴ間の接続点がないため、この接続点から生じる熱容量の上昇を抑えることができる。

以下、実施例によって本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

［実施例１］
断熱層として、縦及び横６０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍの多孔質状シリカ板を用意した。この断熱層の表面に現れる孔の平均径は３６ｎｍであり、空隙率は９５体積％であった。

線状の炭素素材として、平均長さ１．４ｍｍ、平均径２５ｎｍのＭＷＮＴを用いた。このＭＷＮＴを水に界面活性剤ＳＤＢＳを１質量％添加した溶液に分散させて分散液を調整した。この分散液を断熱層の表面に塗布し、乾燥させて、発熱体層を形成した。この発熱体層の両端辺に銀粒子を含む導電性接着剤を積層し、幅２ｍｍの一対の電極を形成し、実施例１の熱音響装置を得た。

発熱体層の厚みをＳＥＭにより測定したところ、約１００ｎｍであった。また、電極間の抵抗を測定したところ、約１５Ωであった。

［実施例２］
分散液の塗布量を変えたこと以外は、実施例１と同様の操作をして、発熱体層の厚みが５，０００ｎｍである実施例２の熱音響装置を得た。電極間の抵抗を測定したところ、０．７Ωであった。

［評価］
図３の装置を組み、周波数特性の評価を行った。入力信号は、Ｖｄｃ＝１０Ｖ、Ｖｐ−ｐ＝１０Ｖとした。また、周波数は、１００Ｈｚ〜１００ｋＨｚの範囲のサイン波を用い、サンプリング周波数は１９２ｋＨｚとした。得られた結果を図４に示す。

実施例１及び実施例２の熱音響装置も十分な音圧の音波を発生することができる。特に、発熱体層が薄い実施例１の熱音響装置は、発生する音波の音圧が大きく、音波発生能に優れていることがわかる。

本発明の熱音響装置は、スピーカー、特に超音波スピーカー等として好適に利用することができる。

１、１１熱音響装置
２断熱層
３、１３発熱体層
４電極
５放熱層
６、６ａ炭素素材

Claims

多孔質状の断熱層と、
この断熱層の表面に積層され、線状の炭素素材からなる発熱体層と、
この発熱体層を通電する一対の電極と
を備え、
上記炭素素材の平均長さが、断熱層の表面に現れる孔の平均径より大きい熱音響装置。
上記炭素素材がカーボンナノチューブである請求項１に記載の熱音響装置。
上記炭素素材の少なくとも一部が、断熱層の表面形状に追従して積層されている請求項１又は請求項２に記載の熱音響装置。
上記断熱層が、電気絶縁性を有する請求項１、請求項２又は請求項３に記載の熱音響装置。
上記断熱層の裏面に積層される放熱層をさらに備える請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の熱音響装置。