JP5254921B2 - イヤフォン - Google Patents
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Description
本発明は、イヤフォンに関し、特にカーボンナノチューブに基づくイヤフォンに関する。
イヤフォンは、再生装置や受信機から出力された電気信号を、耳に接近したスピーカーを用いて音波（可聴音）に変換する装置である。イヤフォンは、耳介に引っ掛けるインナーイヤー型、外耳道（ｅａｒ ｃａｎａｌ）を指し、耳の穴にインナーイヤー型よりも深く差し込んで使用するヘッドホンカナル型、ヘッドバンドを頭の上に乗せるオーバーヘッド型、クリップを外耳に引っ掛ける耳掛け型などの多種がある。従来のイヤフォンは、筺体（例えば、ハウジングやボックスなど）及び、該筐体の中に設置した音波発生器を含む。前記筐体は木、セラミック、プラスチック、樹脂などの材料からなる。前記音波発生器は、電気信号を音圧に転換するために利用されている。
動作原理により、音波発生器は、ダイナミック音波発生器、マグネティック音波発生器、静電気音波発生器、圧電音波発生器などの多種がある。前記多種の音波発生器は、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、ダイナミック音波発生器が広く利用されている。
図１６を参照すると、従来のイヤフォン１０は、ダイナミック音波発生器１００及び筐体１１０を含む。前記音波発生器１００は前記筐体１１０の中に設置されている。前記音波発生器１００は、ボイスコイル１０２と、マグネット１０４と、コーン１０６と、を含む。前記ボイスコイル１０２は導電部品として、前記マグネット１０４の磁場中に設置されている。前記ボイスコイル１０２へ電流を流す場合、前記ボイスコイル１０２による電磁場及びマグネット１０４による磁場の相互作用により、前記コーン１０６が振動して空気の圧力変動が連続して生じるので、音波を発生することができる。しかし、前記ダイナミック音波発生器１００は、磁場の作用に依存している。
九十年代の初めから、カーボンナノチューブ（非特許文献１を参照する）を代表するナノ材料は独特な結構と性質によって人々の関心を集めている。近年では、カーボンナノチューブ及びナノ材料の更なる研究に伴って、次第に、その応用の可能性が広がっている。例えば、カーボンナノチューブは独特な電磁学と光学と力学と化学などの性能を持っているので、電界放出電子源とセンサと新型光学材料などの分野で応用する研究が数多く報告されている。しかしながら、従来技術では、カーボンナノチューブが音を発するデバイスとして信号を検出する分野には応用されていない。
Ｓｕｍｉｏ Ｉｉｊｉｍａ，"Ｈｅｌｉｃａｌ Ｍｉｃｒｏｔｕｂｕｌｅｓ ｏｆ Ｇｒａｐｈｉｔｉｃ Ｃａｒｂｏｎ"，Ｎａｔｕｒｅ、１９９１年、第３５４巻，ｐ５６
Ｋａｉｌｉ Ｊｉａｎｇ、Ｑｕｎｑｉｎｇ Ｌｉ、Ｓｈｏｕｓｈａｎ Ｆａｎ、"Ｓｐｉｎｎｉｎｇ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ ｙａｒｎｓ"、Ｎａｔｕｒｅ、２００２年、第４１９巻、ｐ．８０１
上記課題を解決するために、本発明は磁場の作用に依存せず、カーボンナノチューブに基づくスピーカーを提供することである。
本発明のスピーカーは、少なくとも一つの筐体と、該筐体の中に設置された、少なくとも一つの音波発生器と、を含む。前記音波発生器は、カーボンナノチューブ構造体を含む。
前記カーボンナノチューブ構造体は自立構造を有する。
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２×１０−４Ｊ／ｃｍ２・Ｋ以下である。
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。
前記カーボンナノチューブ構造体が、少なくとも一枚のカーボンナノチューブフィルムを有する。
単一の前記カーボンナノチューブフィルムが、ドローン構造カーボンナノチューブフィルム、超長構造カーボンナノチューブフィルム、プレシッド構造カーボンナノチューブフィルム、又は綿毛構造カーボンナノチューブフィルムのいずれか一種である。
前記スピーカー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。
前記イヤフォンは無線信号受信素子を含む。
従来の技術と比べて、本発明のイヤフォンは次の優れた点がある。第一は、本発明のイヤフォンはカーボンナノチューブ構造体を含むので、従来のイヤフォンと比べて、構成が簡単であり、軽量化及び小型化が実現できる。第二は、本発明のイヤフォンはカーボンナノチューブ構造体を加熱させて音波を発生するので、マグネットを利用する必要がない。第三は、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、音を良好に発生することができる。第四は、カーボンナノチューブ構造体は薄いので、透明なイヤフォンを製造することができる。
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、本実施例はイヤフォン２０を提供する。該イヤフォン２０は、筐体２１０と、少なくとも一つの音波発生器２００と、を含む。前記筐体２１０は、中空の構造を有し、プラスチック又は樹脂などの軽型材料からなる。前記音波発生器２００は前記筐体２１０の中に設置されている。前記イヤフォン２０は、電気信号を伝送するワイヤ２３０を備えている。前記筐体２１０は、少なくとも一つの開口２１２を含む。本実施例において、前記開口２１２は、前記イヤフォンを掛けた場合に、前記イヤフォンの使用者の耳に対向するように設けられている。
図１を参照すると、本実施例はイヤフォン２０を提供する。該イヤフォン２０は、筐体２１０と、少なくとも一つの音波発生器２００と、を含む。前記筐体２１０は、中空の構造を有し、プラスチック又は樹脂などの軽型材料からなる。前記音波発生器２００は前記筐体２１０の中に設置されている。前記イヤフォン２０は、電気信号を伝送するワイヤ２３０を備えている。前記筐体２１０は、少なくとも一つの開口２１２を含む。本実施例において、前記開口２１２は、前記イヤフォンを掛けた場合に、前記イヤフォンの使用者の耳に対向するように設けられている。
図１を参照すると、前記音波発生器２００は、所定の距離で前記開口２１２と分離して設置されることができる。この場合、前記開口２１２により、前記筐体２１０の内部と外部とが音響的に通信することができる。前記音波発生器２００から生じた音は、前記開口２１２から、前記イヤフォン２０の外部まで伝送される。図２を参照すると、前記音波発生器２００を前記開口２１２に被覆させることができる。
前記音波発生器２００はカーボンナノチューブ構造体２０２を含む。前記カーボンナノチューブ構造体２０２は大きな比表面積（例えば、５０ｍ２／ｇ以上）を有する。該カーボンナノチューブ構造体２０２の単位面積当たりの熱容量は、０（０は含まず）〜２×１０−４Ｊ／ｃｍ２・Ｋであるが、好ましくは、０（０は含まず）〜１．７×１０−６Ｊ／ｃｍ２・Ｋであり、本実施例では、１．７×１０−６Ｊ／ｃｍ２・Ｋである。さらに、前記カーボンナノチューブ構造体の表面に、金属層を形成することができる。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は、金属型のカーボンナノチューブを含むことが好ましい。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。
前記カーボンナノチューブ構造体２０２が平板型である場合、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２０２が線型である場合、その直径は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２０２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は、図４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は、超配列カーボンナノチューブアレイ（非特許文献２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３及び図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、図４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は、超配列カーボンナノチューブアレイ（非特許文献２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３及び図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。
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２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２）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する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、連続するカーボンナノチューブフィルムが形成される。
（二）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、又は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５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、第一電極及び第二電極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、前記第一電極及び前記第二電極に電気的に接続される。
（三）超長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超長構造カーボンナノチューブフィルム（ｕｌｔｒａ−ｌｏｎｇ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ ｆｉｌｍ）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は、ほぼ同じ長さを有する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、前記複数のカーボンナノチューブは、同じ方向に沿って、均一に並列されている。単一の前記カーボンナノチューブフィルムの厚さは、１０ｎｍ〜１００μｍである。前記複数のカーボンナノチューブは、それぞれ前記複数のカーボンナノチューブフィルムの表面に平行に配列され、相互に平行に配列されている。隣接する前記カーボンナノチューブは所定の距離で分離して設置される。前記距離は０〜５μｍである。前記距離が０μｍである場合、隣接する前記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フィルムにおける各々の前記カーボンナノチューブの長さは、前記カーボンナノチューブフィルムの長さと同じである。単一の前記カーボンナノチューブの長さは、１ｃｍ以上であり、１ｃｍ〜３０ｃｍであることが好ましい。即ち、カーボンナノチューブの長さが超長である。さらに、各々の前記カーボンナノチューブ１４５に結節がない。本実施形態において、前記カーボンナノチューブフィルムの厚さは１０μｍである。単一の前記カーボンナノチューブ１４５の長さは１０ｃｍである。
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超長構造カーボンナノチューブフィルム（ｕｌｔｒａ−ｌｏｎｇ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ ｆｉｌｍ）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は、ほぼ同じ長さを有する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、前記複数のカーボンナノチューブは、同じ方向に沿って、均一に並列されている。単一の前記カーボンナノチューブフィルムの厚さは、１０ｎｍ〜１００μｍである。前記複数のカーボンナノチューブは、それぞれ前記複数のカーボンナノチューブフィルムの表面に平行に配列され、相互に平行に配列されている。隣接する前記カーボンナノチューブは所定の距離で分離して設置される。前記距離は０〜５μｍである。前記距離が０μｍである場合、隣接する前記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フィルムにおける各々の前記カーボンナノチューブの長さは、前記カーボンナノチューブフィルムの長さと同じである。単一の前記カーボンナノチューブの長さは、１ｃｍ以上であり、１ｃｍ〜３０ｃｍであることが好ましい。即ち、カーボンナノチューブの長さが超長である。さらに、各々の前記カーボンナノチューブ１４５に結節がない。本実施形態において、前記カーボンナノチューブフィルムの厚さは１０μｍである。単一の前記カーボンナノチューブ１４５の長さは１０ｃｍ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、反応容器を備える成長装置を提供する第一ステップと、一つの表面に触媒層を有する第二基板、及び第一基板を前記成長装置の反応容器の中に設置する第二ステップと、カーボンを含むガスを前記成長装置の中に導入して、前記第二基板にカーボンナノチューブを成長させる第三ステップと、前記カーボンを含むガスの導入を止めて、前記カーボンナノチューブの大部分を前記第一基板に付着させる第四ステップと、触媒を有する新たな第二基板を、前記カーボンナノチューブが成長された第二基板に替えて、前記成長装置の中に設置する第五ステップと、を含む。詳しい説明は、特願２００９−７００５号に掲載されている。
（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／ｃｍ２・Ｋであり、５×１０−５Ｊ／ｃｍ２・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／ｃｍ２・Ｋであり、５×１０−５Ｊ／ｃｍ２・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２０２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、又はねじれていることができる。図９に複数のカーボンナノチューブワイヤ１４６からなる織物が示されている。該織物の対向する両端に、それぞれ第一電極２０２及び第二電極２０２を設置する。前記第一電極２０２及び第二電極２０２は前記カーボンナノチューブワイヤ１４６と電気的に接続されている。
図１を参照すると、本実施例において、前記音波発生器２００におけるカーボンナノチューブ構造体２０２は、ドローン構造カーボンナノチューブフィルムを含む。前記カーボンナノチューブ構造体２０２の長さは５ｍｍ、その幅は３ｍｍ、その厚さは５０ｎｍである。前記カーボンナノチューブ構造体２０２は極めて薄いので、前記音波発生器２００の透明度が高くなる。
前記イヤフォン２０は複数の音波発生器２００を含むことができる。この場合、少なくとも一つの前記音波発生器２００は前記カーボンナノチューブ構造体２０２を含み、他の前記音波発生器２００は、例えばダイナミック音波発生器、マグネティック音波発生器を含むことができる。
さらに、前記音波発生器２００は、複数の電極２０４を含むことができる。前記複数の電極２０４は、それぞれ所定の距離で分離して、前記カーボンナノチューブ構造体２０２の表面に設置されている。各々の電極２０４は一本のワイヤ２３０に接続して、前記ワイヤ２３０からの電気信号を前記カーボンナノチューブ構造体２０２に転送する。前記複数の電極２０４と前記カーボンナノチューブ構造体２０２とを良好に電気的に接続させるために、前記複数の電極２０４と前記カーボンナノチューブ構造体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、前記カーボンナノチューブ構造体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。
前記カーボンナノチューブ構造体２０２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する場合、一本のカーボンナノチューブの両端に、それぞれ一つの前記電極２０４が接続されている。即ち、前記カーボンナノチューブは、一つの電極２０４からもう一つの電極２０４までの方向に平行して配列されている。前記電極２０４に電圧を印加すると、前記カーボンナノチューブ構造体２０２は電気を熱に変換する。該熱による温度波は、前記カーボンナノチューブ構造体２０２の周りの空気密度を変化させ音波を発生させる。
図１０を参照すると、前記カーボンナノチューブ構造体２０２が正方形である場合、前記電極２０４の長さは、前記カーボンナノチューブ構造体２０２の一側の長さと同じ、又はそれよりも長い。前記カーボンナノチューブ構造体２０２がドローン構造カーボンナノチューブフィルムを含む場合、前記カーボンナノチューブ構造体２０２におけるカーボンナノチューブの両端が、それぞれ異なる電極２０４に接続されている。
図１１を参照すると、前記カーボンナノチューブ構造体２０２が円形である場合、一つの電極２０４は前記カーボンナノチューブ構造体２０２の縁部に沿って設置されるが、もう一つの電極２０４は前記カーボンナノチューブ構造体２０２の中心に設置される。前記カーボンナノチューブ構造体２０２におけるカーボンナノチューブは、前記カーボンナノチューブ構造体２０２の中心から縁部までの方向に沿って、放射状に配列されている。前記電極２０４は、金属、導電接着剤、カーボンナノチューブ、ＩＴＯのいずれか一種からなる。
前記電極２０４が金属棒である場合、前記カーボンナノチューブ構造体２０２を支持することができる。前記カーボンナノチューブ構造体２０２は接着性を有するので、前記カーボンナノチューブ構造体２０２を直接前記電極２０４に接着させることができる。さらに、前記電極２０４は、導電線（図示せず）によってそれぞれ信号入力装置の二つの端部に接続されて増幅した信号を受信する。
前記カーボンナノチューブ構造体２０２及び前記電極２０４を良好に接続させるために、前記カーボンナノチューブ構造体２０２及び前記電極２０４の間に導電接着層（図示せず）を設置することができる。前記接着層は、前記カーボンナノチューブ構造体２０２の表面に設置されることができる。本実施例において、前記導電接着層は銀ペーストからなる。
勿論、前記電極２０４を利用せず、前記カーボンナノチューブ構造体２０２を直接信号入力装置に接続することもできる。
図１２を参照すると、前記音波発生器２００はさらに支持体２２２を含むことができる。前記支持体は前記筐体２１０の中に設けられている。前記支持体は前記筐体２１０と一体化されることもできる。前記音波発生器２２２が前記筐体２１０の中に設置された場合、前記筐体２１０と所定の距離で分離している。本実施例において、前記支持体２２２は枠形であり、又は二つの棒体に形成されている。前記音波発生器２００は全て前記支持体２２２により支持され、又はその一部が懸架されている。これにより、前記音波発生器２００と空気とを良好に接触させることができる。
前記音波発生器２００に利用したカーボンナノチューブ構造体２０２は複数のカーボンナノチューブを含み、単位面積あたりの熱容量が小さいので、前記カーボンナノチューブ構造体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２００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音波発生器２００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。この点において、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従来のスピーカーの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、前記音波発生器２００は、電気―熱―音の変換方式によって作動するが、前記入力信号が光学信号である場合、前記音波発生器２００は、光―熱―音の変換方式によって作動する。
図１３は本発明の実施例１における前記イヤフォン２０の周波数応答曲線である。前記イヤフォン２０の音波発生器２００は、一枚のドローンカーボンナノチューブフィルム（長さ及び幅は３０ｍｍ）を含む前記カーボンナノチューブ構造体２０２を含む。この場合、５０Ｖの交流電気信号を前記イヤフォン２０に提供する。前記イヤフォン２０の性能を検出するために、前記イヤフォン２０と５ｃｍの距離で分離して、前記イヤフォン２０の一側に対向してマイクロホンを設置する。図１３から、前記イヤフォン２０の周波数応答範囲が広く、音圧レベルが高いことが理解できる。前記イヤフォン２０の音圧レベルは５０ｄＢ〜１０５ｄＢである。前記イヤフォン２０に４．５Ｗの電圧を印加する場合、前記イヤフォン２０の周波数応答範囲は、１Ｈｚ〜１００ＫＨｚである。前記イヤフォン２０の高調波歪みは非常に小さく、例えば、５００Ｈｚ〜４０ＫＨｚの範囲においてわずか３％未満である。
例として、前記カーボンナノチューブ構造体２０２は五本のカーボンナノチューブワイヤ構造体を含み、各々の前記カーボンナノチューブワイヤ構造体は一本のカーボンナノチューブワイヤを含む。隣接する前記カーボンナノチューブワイヤ構造体の間の距離は、１ｃｍであり、単一の前記カーボンナノチューブワイヤ構造体の直径は５０μｍである。この場合、５０Ｖの交流電気信号を前記イヤフォン２０に提供する。前記イヤフォン２０の音圧レベルは５０ｄＢ〜９５ｄＢである。前記イヤフォン２０に４．５Ｗの電圧を印加する場合、前記カーボンナノチューブ構造体２０２の周波数応答範囲は、１００Ｈｚ〜１００ＫＨｚである。
（実施例２）
図１４を参照すると、本実施例はオーバーヘッド型のヘッドフォン３０を提供する。該ヘッドフォン３０は、二つの筐体３１０と、ヘッドバンド３２０と、少なくとも二つの音波発生器３００と、を含む。前記ヘッドバンド３２０は湾曲でき、使用者の頭に掛ける構造を有する。前記ヘッドバンド３２０の両方の端部に、それぞれ一つの筐体３１０が設置されている。前記ヘッドバンド３２０を使用者の頭に掛けた場合、前記二つの筐体３１０はそれぞれ使用者の耳に近接している。
図１４を参照すると、本実施例はオーバーヘッド型のヘッドフォン３０を提供する。該ヘッドフォン３０は、二つの筐体３１０と、ヘッドバンド３２０と、少なくとも二つの音波発生器３００と、を含む。前記ヘッドバンド３２０は湾曲でき、使用者の頭に掛ける構造を有する。前記ヘッドバンド３２０の両方の端部に、それぞれ一つの筐体３１０が設置されている。前記ヘッドバンド３２０を使用者の頭に掛けた場合、前記二つの筐体３１０はそれぞれ使用者の耳に近接している。
前記筐体３１０の内部の構造は、実施例１と同じである。各々の前記筐体３１０の中には少なくとも一つの音波発生器３００が設置されている。前記音波発生器３００はカーボンナノチューブ構造体３０２を含む。前記音波発生器３００はそれぞれ異なるワイヤに接続され、異なる電気信号を受信することができる。
さらに、各々の前記筐体３１０を覆うように、一つのパッド３３０を設置することができる。前記筐体３１０の前記ヘッドバンド３２０と接続させるように、前記音波発生器３００にマイクロフォン（図示せず）を設置することができる。前記ヘッドフォン３０の筐体３１０の中に無線信号受信素子（図示せず）を設置することができる。前記無線信号受信素子は前記音波発生器３００と電気的に接続されている。
（実施例３）
図１５を参照すると、本実施例は耳介に引っ掛けるインナーイヤー型のイヤフォン４０を提供する。該イヤフォン４０は、二つの筐体４１０と、掛け部４２０と、少なくとも二つの音波発生器４００と、を含む。前記掛け部４２０は前記筐体４１０に接続されている。前記掛け部４２０により使用者の耳を包むことができる。
図１５を参照すると、本実施例は耳介に引っ掛けるインナーイヤー型のイヤフォン４０を提供する。該イヤフォン４０は、二つの筐体４１０と、掛け部４２０と、少なくとも二つの音波発生器４００と、を含む。前記掛け部４２０は前記筐体４１０に接続されている。前記掛け部４２０により使用者の耳を包むことができる。
前記筐体４１０の内部の構造は、実施例１と同じである。各々の前記筐体４１０の中には少なくとも一つの音波発生器４００が設置されている。前記音波発生器４００はカーボンナノチューブ構造体４０２を含む。前記音波発生器４００は、少なくとも二つの、相互に分離して設置された電極４０４を含むことができる。
さらに、各々の前記筐体４１０を覆うように、一つのパッド（図示せず）を設置することができる。前記筐体４１０の前記ヘッドバンドと接続させるように、前記音波発生器４００にマイクロフォン（図示せず）を設置することができる。前記イヤフォン４０の筐体４１０の中に無線信号受信素子（図示せず）を設置することができる。前記無線信号受信素子は前記音波発生器４００と電気的に接続されている。
１０ イヤフォン
１００ 音波発生器
１０４ マグネット
１０６ コーン
１１０ 筐体
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
１４６ カーボンナノチューブワイヤ
２０ イヤフォン
２００ 音波発生器
２０２ カーボンナノチューブ構造体
２０４ 電極
２１０ 筐体
２２２ 支持体
２３０ ワイヤ
３０ イヤフォン
３００ 音波発生器
３０２ カーボンナノチューブ構造体
３０４ 電極
３１０ 筐体
４０ イヤフォン
４００ 音波発生器
４０２ カーボンナノチューブ構造体
４０４ 電極
４１０ 筐体
４２０ 掛け部
１００ 音波発生器
１０４ マグネット
１０６ コーン
１１０ 筐体
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
１４６ カーボンナノチューブワイヤ
２０ イヤフォン
２００ 音波発生器
２０２ カーボンナノチューブ構造体
２０４ 電極
２１０ 筐体
２２２ 支持体
２３０ ワイヤ
３０ イヤフォン
３００ 音波発生器
３０２ カーボンナノチューブ構造体
３０４ 電極
３１０ 筐体
４０ イヤフォン
４００ 音波発生器
４０２ カーボンナノチューブ構造体
４０４ 電極
４１０ 筐体
４２０ 掛け部
Claims (7)
- 少なくとも一つの筐体と、該筐体の中に設置された、熱音響現象に基づいて音波を発生する少なくとも一つの音波発生器と、を含むイヤフォンにおいて、
前記音波発生器は、カーボンナノチューブ構造体を含むことを特徴とするイヤフォン。 - 前記カーボンナノチューブ構造体は自立構造を有することを特徴とする請求項１に記載のイヤフォン。
- 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／ｃｍ２・Ｋ以下であることを特徴とする、請求項１又は２に記載のイヤフォン。
- 前記カーボンナノチューブ構造体が、少なくとも一枚のカーボンナノチューブフィルムを有することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載のイヤフォン。
- 単一の前記カーボンナノチューブフィルムが、ドローン構造カーボンナノチューブフィルム、超長構造カーボンナノチューブフィルム、プレシッド構造カーボンナノチューブフィルム、又は綿毛構造カーボンナノチューブフィルムのいずれか一種であることを特徴とする、請求項４に記載のイヤフォン。
- 前記音波発生器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イヤフォン。 - 前記イヤフォンは無線信号受信素子を含むことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載のイヤフォン。
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