JP5047404B2 - シリカ多孔体およびこれを用いた光マイクロフォン - Google Patents
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Description
以下本発明によるシリカ多孔体の実施形態を詳細に説明する。
1.実施例1のシリカ多孔体の作製
大きさ10mm×10mm×厚み5mmのシリカ多孔体を、加水分解(S1)、縮重合(S2)、ゲル化(S3)および乾燥(S4)の各工程により作製した。
実施例1と同様の方法により、TMOSのみを出発原料とした比較例1、3、TMOSおよびDIBDMSを出発原料とした比較例2、TMOSと、ジメチルジメトキシシラン(化合物1、下記(化3))、1,5−ジエトキシヘキサメチルシロキサン(化合物2、下記(化4))、ベンゾイルオキシプロピルトリメトキシシラン(化合物3、下記(化5))またはヘキシアデシルトリメトキシシラン(化合物4、下記(化6))を出発原料とした比較例4〜比較例7を作製した。各比較例において用いた出発原料、エタノール、アンモニア水の調合比は表1に示す通りである。
実施例1のシリカ多孔体の構造を検討するため、まず、シリカ多孔体の細孔構造に着目した。図5に、実施例1である密度が約110kg/m3のシリカ多孔体の77Kにおける窒素吸着等温線を示す。「窒素吸着等温線」とは、材料を一定温度(本実験では77K)にし、圧力と吸着量の変化を測定したグラフである。
実施例1および比較例2のシリカ多孔体の13C固体NMR分析を行った。13C固体NMRの測定は、磁場中に置かれた物質中の原子核が、特定の波長の電磁波に共鳴する現象を観測し、分子の構造などを調べる分析方法である。NMR信号の化学シフトは、原子近傍の電子密度分布に左右されるパラメータであり、分子の局所立体構造を反映する。ある分子の構成原子の化学シフトを測定すれば、その分子の立体構造を推定することができる。
作製したシリカ多孔体の音速を測定した。まず、音速測定の方法について説明する。図11は、レーザドプラ振動計(Laser Doppler Vibrometer、以下LDVと略す)を用いた非接触音速測定系の構成図である。図11に示すように、作製したシリカ多孔体5を、音波が入射する面以外の対向する2面において、透光性の透明アクリル板11および鏡面を有する支持体12によって挟み、保持した。透明アクリル板11側に配置したLDV14(Polytec社製:OFV3001)のヘッド13(Polytec社製:OFV353)から出射したレーザ光はシリカ多孔体5を透過し、支持体12の鏡面で反射され、再びシリカ多孔体5を投下してLDVヘッド13へ戻る。LDVヘッド13は、シリカ多孔体の測定点にあわせて、任意に移動させることができる。LDV14から得られる信号をオシロスコープ15(Tektronix社製:TDS744A)によって観測した。
作製した実施例1および比較例1から7のシリカ多孔体の光透過率を測定した。光透過率の導出は、直線透過率ではなく、透過光を積分して求めた。測定には、日立製U−4000形分光光度計を用いた。この分光光度計は、透過光を積分球で受光している。表3に632nmの透過率を示す。また、図17に、実施例1および比較例3の300nmから2000nmの波長範囲における光透過率を示す。図17から分かるように、実施例1のシリカ多孔体のほうが、比較例3のシリカ多孔体に比べ特に1300nm以下の波長領域における光透過率が増大していることが分かった。
作製した実施例1および比較例1から7のシリカ多孔体の密度を測定した。密度は、重さをその体積で割って求めた。重さは、電子天秤(メトラー トレド社製AB204−S)を用いて測定した。また、シリカ多孔体は、大きさ10mm×10mm×厚み5mmになるよう型を用いて作製したが、乾燥工程により若干の収縮が発生するサンプルもあるので、測長顕微鏡を用いて4辺の長さと厚みを測定し、その平均値を用いて体積を計算で求めた。測定結果を表3に示す。
表3から分かるように、実施例1のシリカ多孔体は、同じ密度を有する比較例1および比較例6のシリカ多孔体に比べて、小さな音速を有している。密度が小さくなるにつれて、シリカ多孔体における貫通孔の割合が増え、脆くなると考えられるため、実施例1のシリカ多孔体は、比較例1などの従来のシリカ多孔体に比べて、同程度の密度を有しながら、より小さな音速を実現できることが分かる。これはSi−O−Si結合を形成しないイソブチル基がシリカ多孔体のシリカ粒子を構成するシリカのケイ素に結合しているため、シリカ粒子の緻密性が低下し、従来よりも、シリカ多孔体の密度および弾性率が低下し、音速が低下したためと考えられる。
DIBDMSおよびTMOSの好ましい調合比を調べるために、TMOSとDIBDMSを1:0、1:0.1、1:0.4、1:1、1:2.3の割合で調合し、実施例1と同様の方法によってシリカ多孔体を作製し、上述した方法により音速および光透過率を測定した。調合比と光透過率との関係を図18に示す。また、調合比と音速との関係を図19に示す。
実施例1、比較例1および比較例5と同様の方法によって減衰率を測定するためのシリカ多孔体を作製した。それぞれの製造方法において、アルコキシシラン(TMOSやDIBDMSなど)と溶媒であるエタノールとの調合比率を変えることで密度をを異ならせ、種々の音速を有する試料を作製した。
本発明による光マイクロフォンの実施形態を説明する。図23は、光マイクロフォンの実施形態の構成を示す概略図である。図23に示す光マイクロフォンは、受信部120と、検出部121と、換算部110とを備える。
2 くびれ部
5 シリカ多孔体
6 シリカ粒子
7 貫通孔
11 透明アクリル
12 アルミミラーの底板
13 LDVヘッド
14 レーザードップラ振動計
15 オシロスコープ
16 ファンクションジェネレータ
17 送信アンプ
18 ツイータ
19 音波入射中心点
100 レーザ光
102 光音響伝搬媒質部
102a 光音響伝搬媒質部の上面
103 ベース
103a ベースの凹部
103b ベースの凹部の側面
103c ベースの凹部の底面
104 開口部
105 音波伝搬方向
106 音響導波路
107 透明支持板
108 ヘッド
109 演算部
110 換算部
120 受信部
121 検出部
Claims (5)
- シリカ粒子が3次元的につながったシリカ多孔体であって、
空気の平均自由行程より小さい第1細孔と、前記第1細孔より大きい第2細孔とを含む貫通孔を有し、
100kg/m3以上300kg/m3以下の密度を備え、
前記シリカ粒子を構成するシリカのケイ素にイソブチル基が結合している、シリカ多孔体。 - 前記シリカ多孔体は、メトキシを含まない請求項1に記載のシリカ多孔体。
- 請求項1または2に記載のシリカ多孔体によって構成される光音響伝搬媒質部を含む受信部であって、前記受信部の周囲の空間から音波が入射し、前記光音響伝搬媒質部を伝搬する受信部と、
前記シリカ多孔体を透過する波長の光を出射し、前記音波が伝搬している光音響伝搬媒質部を透過することにより、前記音波による変調を受けた光を検出し、検出信号を出力する検出部と、
前記検出信号を音圧に換算し、受信信号を出力する換算部と、
を備えた光マイクロフォン。 - テトラメトキシシランおよびジイソブチルジメトキシシランを溶媒中で混合することによりゾルを得る工程と、
前記ゾルに水を加え、所定の時間保持することによりゲルを得る工程と、
前記ゲルから溶媒を除去し、乾燥させる工程と、
を包含するシリカ多孔体の製造方法。 - 前記ゲルを得る工程において、前記テトラメトキシシランおよび前記ジイソブチルジメトキシシランを1:0.4以上1:1以下の質量比で混合する請求項4に記載のシリカ多孔体の製造方法。
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