JP5086414B2

JP5086414B2 - 熱音響装置

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Authority: JP
Inventors: 開利姜; 亮劉; 辰馮; 力潜; 守善 ▲ハン▼
Original assignee: Hon Hai Precision Industry Co Ltd
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Description

本発明は、熱音響装置に関し、特にカーボンナノチューブを利用した熱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、電気信号を音に変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に分類される。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。

しかし、ダイナミックスピーカーは、重いマグネット及び磁場の作用に依存しているので、ダイナミックスピーカーの構造は複雑である。また、ダイナミックスピーカーのマグネットは、スピーカーの近くに配置された電子装置に、悪い影響を与えるという問題がある。さらに、ダイナミックスピーカーは電気信号の入力の条件により作動するので、電気信号を提供しない場合、ダイナミックスピーカーは作動できないという問題がある。

Ｈ．Ｄ．Ａｒｎｏｌｄ、Ｉ．Ｂ．Ｃｒａｎｄａｌｌ， "Ｔｈｅｔｈｅｒｍｏｐｈｏｎｅａｓａｐｒｅｃｉｓｉｏｎｓｏｕｒｃｅｏｆｓｏｕｎｄ"，Ｐｈｙｓ．１９１７年、第１０巻，第２２−３８頁、ＳｈｏｕｓｈａｎＦａｎｅｔａｌ．， "Ｆｌｅｘｉｂｌｅ，Ｓｔｒｅｔｃｈａｂｌｅ，ＴｒａｎｓｐａｒｅｎｔＣａｒｂｏｎＮａｎｏｔｕｂｅＴｈｉｎＦｉｌｍＬｏｕｄｓｐｅａｋｅｒｓ"、ＮａｎｏＬｅｔｔｅｒｓ、２００８年、第８（１２）巻、ｐ．４５３９−４５４５ＫａｉｌｉＪｉａｎｇ、ＱｕｎｑｉｎｇＬｉ、ＳｈｏｕｓｈａｎＦａｎ、"Ｓｐｉｎｎｉｎｇｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｃａｒｂｏｎｎａｎｏｔｕｂｅｙａｒｎｓ"、Ｎａｔｕｒｅ、２００２年、第４１９巻、ｐ．８０１

非特許文献１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。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。熱音響装置に信号を転送すると、熱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により音波を発生させることができる。ここで、厚さが７×１０^−５ｃｍの白金片が熱音響部品として利用されている。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を室外で利用する場合、音が非常に弱いという課題がある。

前記課題を解決するために、引用文献２に、カーボンナノチューブフィルムを利用した熱音響装置が開示されている。前記カーボンナノチューブフィルムは、大きな比表面積及び低い単位面積当たりの熱容量を有するので、該カーボンナノチューブフィルムを音波発生器として利用する場合、前記熱音響装置は、広い周波数応答範囲で音波を発生することができる。しかし、カーボンナノチューブフィルムは非常に薄く、柔軟であるので、該カーボンナノチューブフィルムを利用した熱音響装置は損傷しやすいという課題がある。

本発明は、前記課題を解決するために、靭性が優れた熱音響装置を提供する。

本発明の熱音響装置は、少なくとも一つの第一電極と、少なくとも一つの第二電極と、前記第一電極及び第二電極に電気的に接続された音波発生器と、前記第一電極及び第二電極に電気的に接続された増幅回路と、該増幅回路に電気的に接続されたコネクターと、を含む。前記音波発生器は、カーボンナノチューブ構造体及び絶縁性増強体を含む。

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からなる自立構造を有するものである。

前記絶縁性増強体の少なくとも一部は、前記カーボンナノチューブ構造体と複合されている

従来の技術と比べて、本発明の熱音響装置に絶縁性増強体を設置することにより、熱音響装置の音波発生器の靭性を高め、熱音響装置の損傷を防止し、熱音響装置の使用時間を長くすることができる。

本発明の実施例１における熱音響装置の模式図である。本発明のドローン構造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。本発明のプレシッド構造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。本発明のプレシッド構造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。本発明の非ねじれ状カーボンナノチューブワイヤのＳＥＭ写真である。本発明のねじれ状カーボンナノチューブワイヤのＳＥＭ写真である。本発明の複数のカーボンナノワイヤを含む非ねじれ状カーボンナノチューブケーブルの模式図である。本発明の複数のカーボンナノワイヤを含むねじれ状カーボンナノチューブケーブルの模式図である。本発明の実施例２における熱音響装置の模式図である。本発明の実施例３における熱音響装置の模式図である。

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、本発明の熱音響装置２０は、音波発生器２０２と、少なくとも一つの第一電極２０４と、少なくとも一つの第二電極２０６と、増幅回路２０８と、コネクター２１２と、を含む。前記音波発生器２０２は、カーボンナノチューブ構造体２０２２、及び該カーボンナノチューブ構造体２０２２と複合された絶縁性増強体２０２８を含む。

前記カーボンナノチューブ構造体２０２２は、自立構造の薄膜の形状に形成されている。ここで、自立構造とは、支持体材を利用せず、前記カーボンナノチューブ構造体２０２２を独立して利用することができるという形態のことである。すなわち、前記カーボンナノチューブ構造体２０２２を対向する両側から支持して、前記カーボンナノチューブ構造体２０２２の構造を変化させずに、前記カーボンナノチューブ構造体２０２２を懸架させることができることを意味する。前記カーボンナノチューブ構造体２０２２は大きな比表面積（例えば、１００ｍ^２／ｇ以上）を有する。該カーボンナノチューブ構造体２０２２の単位体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２０２２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体積当たりの熱容量が大きくなる。前記カーボンナノチューブ構造体の単位体積当たりの熱容量が大きくなるほど、前記熱音響装置の音圧が低くなる。

前記カーボンナノチューブ構造体２０２２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互いに接続されている。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置されている。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２０２２は非配向型のカーボンナノチューブ構造体及び配向型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型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置され、又は絡み合っている。配向型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、配向型のカーボンナノチューブ構造体において、配向型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されている。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。

本実施例において、前記カーボンナノチューブ構造体２０２２は平板型であり、その厚さは０．５ｎｍ〜１ｍｍに設けられている。

本発明のカーボンナノチューブ構造体２０２２としては、以下の（一）〜（四）のものが挙げられる。

（一）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２０２２は、図２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（ｄｒａｗｎｃａｒｂｏｎｎａｎｏｔｕｂｅｆｉｌｍ）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３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。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カーボンナノチューブフィルムの表面に平行し、該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。ここで、極少のカーボンナノチューブは、ランダム配列されている。この極少のカーボンナノチューブにより、隣接する平行なカーボンナノチューブを連通させて、前記カーボンナノチューブフィルム１４３ａをネット状構造に形成させることができる。しかし、図３に示されるように、前記極少のカーボンナノチューブは、前記カーボンナノチューブフィルム１４３ａの構造に対して影響を与えない。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。

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（Ｓｕｐｅｒａｌｉｇｎｅｄａｒｒａｙｏｆｃａｒｂｏｎｎａｎｏｔｕｂｅｓ，非特許文献３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、平らなベースを提供し、該ベースはＰ型のシリコンベース、Ｎ型のシリコンベース及び酸化層が形成されたシリコンベースのいずれか一種である。本実施例において、４インチのシリコンベースを選択することが好ましい。ステップ（ｂ）では、前記ベースの表面に、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ベースを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ベースを反応炉に置き、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（Ｓｕｐｅｒａｌｉｇｎｅｄａｒｒａｙｏｆｃａｒｂｏｎｎａｎｏｔｕｂｅｓ，非特許文献３）を生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、ベースに垂直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す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ベースから脱離すると、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。図２及び図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体積当たりの熱容量が小さくなるので、その熱音響効果を高めることができる。

（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２０２２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（ｐｒｅｓｓｅｄｃａｒｂｏｎｎａｎｏｔｕｂｅｆｉｌｍ）である。図４及び５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して配列されることができる。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。

図５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ことができる。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。

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）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２０２２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（ｆｌｏｃｃｕｌａｔｅｄｃａｒｂｏｎｎａｎｏｔｕｂｅｆｉｌｍ）である。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、多くの微小な孔が形成されている。ここで、単一の前記微小な孔の直径が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２０２２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ベースから剥離し、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、１０マイクロメートル以上であり、１００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、又は高強度撹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６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−ｐｕｍｐｉｎｇＦｕｎｎｅｌ）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。

（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２０２２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すことにより形成され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が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、又はねじれ状とされることができる。

図９を参照すると、複数の前記カーボンナノチューブワイヤ２０２６を平行して配列して、非ねじれ状カーボンナノチューブケーブル２０２０を形成することができる。前記カーボンナノチューブワイヤ２０２６は、ねじれ状カーボンナノチューブワイヤでも、非ねじれ状カーボンナノチューブワイヤでもよい。図１０を参照すると、前記カーボンナノチューブワイヤ２０２６をねじって、ねじれ状カーボンナノチューブケーブル２０２４を形成することができる。

本実施例の音波発生器２０２のカーボンナノチューブ構造体２０２２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２０２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２０２の増強体２０２８は、ガラス、金属酸化物、樹脂又はセラミックである。前記カーボンナノチューブ構造体２０２２は複数の微孔を有するので、前記増強体２０２８は前記カーボンナノチューブ構造体２０２２と複合させた場合、前記増強体２０２８における粒子は、前記カーボンナノチューブ構造体２０２２の微孔内に嵌り込んでいる。これにより、前記増強体２０２８は、前記カーボンナノチューブ構造体２０２２と緊密に複合されている。前記増強体２０２８における粒子の直径は、１ｎｍ〜５００ｎｍであり、５０ｎｍ〜１００ｎｍであることが好ましい。前記増強体２０２８は、蒸着方法又はスパッタ方法により前記カーボンナノチューブ構造体２０２２に形成することができる。前記増強体２０２８は、前記カーボンナノチューブ構造体２０２２の靭性を増加させることができる。

前記熱音響装置２０に複数の前記第一電極２０４及び第二電極２０６を設置する場合、前記複数の第一電極２０４及び第二電極２０６は、所定の距離で離れて、交互に、並んで配列されている。前記複数の第一電極２０４は、直列に接続されており、前記複数の第二電極２０６は、直列に接続されている。また、直列に接続された前記複数の第一電極２０４及び前記複数の第二電極２０６は、それぞれ信号装置（図示せず）と電気的に接続されている。これにより、前記信号装置からの信号は、前記複数の第一電極２０４及び第二電極２０６により、前記音波発生器２０２へ転送される。前記音波発生器２０２と、前記複数の第一電極２０４及び複数の第二電極２０６とは、三次元空間を形成することができる。即ち、前記音波発生器２０２は、前記複数の第一電極２０４及び複数の第二電極２０６と接触するように、前記複数の第一電極２０４及び複数の第二電極２０６を囲んでいる。前記第一電極２０４及び第二電極２０６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。前記第一電極２０４及び第二電極２０６の高さは、それぞれ１００μｍより大きい。

図１を参照すると、本実施例において、前記熱音響装置２０は、一つの第一電極２０４及び一つの第二電極２０６を含む。前記第一電極２０４及び第二電極２０６は、前記音波発生器２０２の一つの表面に設置されている。前記第一電極２０４及び第二電極２０６は所定の距離で離れるように、それぞれ前記音波発生器２０２に電気的に接続されている。本実施例において、前記第一電極２０４及び第二電極２０６は棒状の金属電極である。前記音波発生器２０２の、前記第一電極２０４及び第二電極２０６と接続する領域に、それぞれ絶縁層（図示せず）を設置することができる。

前記音波発生器２０２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２０２を直接前記第一電極２０４及び第二電極２０６に接着させることができる。さらに、前記第一電極２０４及び第二電極２０６は、導電線（図示せず）によってそれぞれ前記信号装置の両端に接続されている。前記第一電極２０４又は第二電極２０６と前記音波発生器２０２とを良好に電気的に接続させるために、前記第一電極２０４又は第二電極２０６と前記音波発生器２０２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２０２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。

前記第一電極２０４及び前記複数の第二電極２０６に電気的に接続された信号装置は、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。前記信号装置から前記音波発生器２０２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。前記信号は前記音波発生器２０２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（空気）の圧力強度が変化するので、検出可能な信号を発生させることができる。前記熱音響装置２０をイヤホンに利用した場合、前記入力信号はＡＣ電気信号又はオーディオ電気信号である。前記熱音響装置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。

前記増幅回路２０８は、それぞれ前記コネクター２１２、前記第一電極２０４及び第二電極２０６に電気的に接続され、前記コネクター２１２から転送されたオーディオ信号を増幅させることができる。前記増幅回路２０８は、集積回路である。前記コネクター２１２は、プラグ、ソケット又は弾性接触子である。本実施例において、前記コネクター２１２は、ソケットである。

前記増幅回路２０８を電源（図示せず）に接続させ、前記コネクター２１２をオーディオ信号装置（図示せず）に接続させると、前記オーディオ信号装置からの信号は、前記コネクター２１２から前記増幅回路２０８に転送され、前記増幅回路２０８で増幅されてから前記音波発生器２０２に転送される。前記音波発生器２０２の前記カーボンナノチューブ構造体２０２２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２０２で生じた温度波により周辺の媒体に圧力振動を発生させることができる。前記音波発生器２０２のカーボンナノチューブ構造体２０２２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２０２２に熱が生じる。温度波の拡散により、周辺の空気が熱膨張されて音が生じる。この音を発生させる原理は、従来のスピーカーにおいて振動板の機械振動によって生じた圧力波により音を発生させる原理と大きく異なる。前記入力信号が電気信号である場合、前記熱音響装置２０は、電気―熱―音の変換方式によって作動するが、前記入力信号は光学信号である場合、前記熱音響装置２０は、光―熱―音の変換方式によって作動する。前記光学信号のエネルギーは前記音波発生器２０２で吸収されて、熱として放射される。熱の放射によって周辺媒体（空気）の圧力強度が変化するので、検出可能な信号が発生することができる。

（実施例２）
図１１を参照すると、本発明の熱音響装置３０は、音波発生器３０２と、一つの第一電極３０４と、一つの第二電極３０６と、増幅回路３０８と、コネクター３１２と、を含む。前記音波発生器３０２は、カーボンナノチューブ構造体３０２２及び絶縁性増強体３０２８を含む。本実施例の熱音響装置３０は、実施例１の熱音響装置２０と比べて次の異なる点がある。本実施例の音波発生器３０２において、前記カーボンナノチューブ構造体３０２２は、前記増強体３０２８の中に埋め込まれている。さらに、前記カーボンナノチューブ構造体３０２２は、前記増強体３０２８で浸透されている。

本実施例において、前記カーボンナノチューブ構造体３０２２、前記第一電極３０４及び第二電極３０６は、全て前記増強体３０２８の中に埋め込まれている。前記増幅回路３０８及びコネクター３１２は、前記増強体３０２８の外部に設置され、又は前記増強体３０２８の中に埋め込まれる。前記コネクター３１２が、前記増強体３０２８の中に埋め込まれている場合、前記コネクター３１２の入力端部（図示せず）が露出することが必要である。前記第一電極３０４及び第二電極３０６は、二本のリードワイヤ（図示せず）により前記増幅回路３０８に接続されている。

本実施例において、前記増強体３０２８は平板型であり、その厚さは１０ｎｍ〜２００μｍであり、５０ｎｍ〜２００ｎｍであることが好ましい。前記増強体３０２８のシート抵抗は、１０００〜２０００（Ω／□）である。前記増強体３０２８は融点が１００℃以上の耐高温樹脂からなる。

本実施例において、前記カーボンナノチューブ構造体３０２２は、厚さが３０ｎｍのドローン構造カーボンナノチューブフィルムである。前記第一電極３０４及び第二電極３０６は、厚さが２０ｎｍのパラジウムフィルムである。前記増強体３０２８は厚さが１００ｎｍのエポキシ樹脂層である。

前記増強体３０２８の製造方法は次の二種がある。第一種は、一つの前記カーボンナノチューブ構造体３０２２を二つのエポキシ樹脂フィルムの間に挟ませて、該二つのエポキシ樹脂フィルムをホットプレスすることである。第二種は、前記カーボンナノチューブ構造体３０２２を液体のエポキシ樹脂の中に浸漬させて、前記エポキシ樹脂を固化させることである。

（実施例３）
図１２を参照すると、本発明の熱音響装置４０は、音波発生器４０２と、第一電極４０４と、第二電極４０６と、増幅回路４０８と、コネクター４１２と、を含む。前記音波発生器４０２は、カーボンナノチューブ構造体４０２２及び絶縁性増強体４０２８を含む。本実施例の熱音響装置４０は、実施例２の熱音響装置３０と比べて次の異なる点がある。本実施例の音波発生器４０２において、前記増強体４０２８は、複数の孔４１４を有する。前記増強体４０２８の複数の孔４１４は、ブラインドホール又はスルーホールである。前記複数の孔４１４がブラインドホールである場合、前記孔４１４は、前記増強体４０２８の一つ表面から前記カーボンナノチューブ構造体４０２２の一つ表面まで貫通する。前記複数の孔４１４がスルーホールである場合、前記孔４１４は、前記増強体４０２８の一つ表面から前記増強体４０２８の前記表面とは反対側の表面まで貫通する。前記孔４１４の直径は１０μｍ〜１ｃｍである。前記複数の孔４１４を形成することにより、前記カーボンナノチューブ構造体４０２２の一部を露出させるので、前記カーボンナノチューブ構造体４０２２に生じた熱の一部は前記孔４１４から周辺の空気に伝送され、前記熱音響装置４０の放熱性が高くなる。前記孔４１４は所定の深さを有するので、前記カーボンナノチューブ構造体４０２２の損傷を防止することができる。

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
２０、３０、４０熱音響装置
２０２、３０２、４０２音波発生器
２０２０非ねじれ状カーボンナノチューブケーブル
２０２２カーボンナノチューブ構造体
２０２４ねじれ状カーボンナノチューブケーブル
２０２６カーボンナノチューブワイヤ
２０２８、３０２８、４０２８絶縁性増強体
２０４、３０４、４０４第一電極
２０６、３０６、４０６第二電極
２０８、３０８、４０８増幅回路
２１２、３１２、４１２コネクター

Claims

少なくとも一つの第一電極と、
少なくとも一つの第二電極と、
前記第一電極及び第二電極に電気的に接続された音波発生器と、
前記第一電極及び第二電極に電気的に接続された増幅回路と、
該増幅回路に電気的に接続されたコネクターと、
を含み、
前記音波発生器は、カーボンナノチューブ構造体及び絶縁性増強体を含み、
前記カーボンナノチューブ構造体が、前記絶縁性増強体の中に埋め込まれており、
前記絶縁性増強体が、該絶縁性増強体の一つ表面から前記カーボンナノチューブ構造体の一つ表面まで貫通する複数の孔を有することを特徴とする熱音響装置。
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からなる自立構造を有するものであることを特徴とする、請求項１に記載の熱音響装置。
前記絶縁性増強体の少なくとも一部は、前記カーボンナノチューブ構造体と複合されていることを特徴とする、請求項１に記載の熱音響装置。