JP5646694B2 - イヤホーン - Google Patents
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Description
本発明は、イヤホーンに関し、特にシリコン基板を採用するイヤホーンに関するものである。
従来のイヤホーンはケース、音響装置、制御装置、プラグを含む。音響装置は信号入力装置と音波発生素子からなり、信号入力装置によって、信号を音波発生素子に入力して、音波を発生させる。一般的に、音響装置は、信号装置及び音波発生器を含む。信号装置は、信号を音波発生器に伝送する。熱音響装置は、熱音響現象を利用した音響装置の一種であり、導電体に交流電流を流すと熱により音が発生する。該導電体は単位面積当たりの熱容量が少なく、厚さが薄いため、導電体の内部に発生する熱を周辺の媒体へ速く伝送できる。これにより、導電体に交流電流を流すと、熱音響装置に熱が生じ、周辺の媒体へ速く伝播されて、この伝播された熱によって生じた熱膨張及び圧力波によって、音波を発生させる。
非特許文献１を参照すると、熱音響装置では、音波発生器にカーボンナノチューブフィルムが利用されている。このカーボンナノチューブフィルムは、比表面積が大きく、単位面積当たりの熱容量も小さい（２×１０−４Ｊ／ｃｍ２・Ｋより小さい）ため、熱音響装置が発生させた音波は強く、熱音響周波数も広い（１００Ｈｚ〜１００ｋＨｚ）。
しかし、非特許文献１における熱音響装置に使用されるカーボンナノチューブフィルムはナノメートルレベルであり、外力によって破壊され易く、加工しにくいため、イヤホーンに応用することは難しい。また、熱音響装置を駆動する際、熱を発生するために必要な駆動電圧を有する必要がある。しかし、従来のイヤホーンの駆動方式は熱音響装置に適さないため、熱音響装置を応用したイヤホーンは不利であり、産業化及び実用化が難しい。
Ｌｉｎ Ｘｉａｏ ｅｔ ａｌ．，"Ｆｌｅｘｉｂｌｅ，Ｓｔｒｅｔｃｈａｂｌｅ，Ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏｔｕｂｅ Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｌｏｕｄｓｐｅａｋｅｒｓ"，Ｎａｎｏ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．８（１２），ｐ．４５３９−４５４５
前記課題を解決するために、本発明は、生産、小型化及び産業化が実現し易いイヤホーンを提供する。
本発明のイヤホーンは、イヤプラグと、信号装置と、音響信号入力ポートと、電源信号入力ポートと、を含むイヤホーンであって、前記イヤプラグはケース及び熱音響装置を含み、前記熱音響装置は前記ケース内部に設置され、前記信号装置は前記熱音響装置に信号を入力し、前記音響信号入力ポート及び前記電源信号入力ポートは、前記信号装置とそれぞれ接続され、前記信号装置に音響信号及び駆動電圧をそれぞれ提供し、前記電源信号入力ポートはＵＳＢコネクタであり、前記信号装置は前記ＵＳＢコネクタの内部に集積され、前記熱音響装置は基板及び音波発生器を含み、前記基板は、第一表面を有し、前記第一表面は、間隔をあけて平行な複数の凹部を有し、前記音波発生器は、前記基板の第一表面に設置され、前記音波発生器の前記凹部と対応する部分は懸架される。
本発明のイヤホーンは、イヤプラグと、信号装置と、音響信号入力ポートと、エネルギー提供装置と、を含むイヤホーンであって、前記イヤプラグはケース及び熱音響装置を含み、前記熱音響装置は前記ケース内部に設置され、前記信号装置は有線或いは無線の方式によって、前記熱音響装置に信号を入力し、前記音響信号入力ポート及び前記エネルギー提供装置は、前記信号装置とそれぞれ接続され、前記信号装置に音響信号及び駆動電圧をそれぞれ提供し、前記エネルギー提供装置は、イヤプラグの外部に単独で設置され、或いは前記ケースの外表面に設置され、或いは前記ケースの内部に設置され、前記熱音響装置は基板及び音波発生器を含み、前記基板は、第一表面を有し、前記第一表面は、間隔をあけて平行な複数の凹部を有し、前記音波発生器は、前記基板の第一表面に設置され、前記音波発生器の前記凹部と対応する部分は懸架されることを特徴とするイヤホーン。
従来の技術と比べて、本発明のイヤホーンには以下の優れた点がある。第一に、イヤホーンの熱音響装置において、基板の第一表面に複数の凹部を有し、隣接する二つの凹部の間には突起が形成され、該突起はカーボンナノチューブフィルムを支持して、カーボンナノチューブフィルムを懸架することで、カーボンナノチューブフィルムを保護して破壊されにくくする。第二に、音響信号入力ポート及び電源信号入力ポートは、信号装置とそれぞれ接続されるため、熱音響装置に必要な駆動電圧を提供し、駆動に便利であり、且つ技術が容易である。従って、イヤホーンの産業化及び実用化に有利である。
以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。
（実施例１）
図１、図２を参照すると、本実施例のイヤホーン１０は、イヤプラグ１５、信号装置１３、音響信号入力ポート１６、電源信号入力ポート１８、イヤホーンケーブル１７を含む。電源信号入力ポート１８は、イヤホーンケーブル１７によってイヤプラグ１５と連接される。また、音響信号入力ポート１６は、イヤホーンケーブル１７によって電源信号入力ポート１８と連接される。音響信号入力ポート１６が信号装置１３と電気的に接続されることによって、信号装置１３に音響信号を提供し、電源信号入力ポート１８が信号装置１３と電気的に接続されることによって、信号装置１３に駆動電圧を提供する。また、イヤプラグ１５と信号装置１３とが接続されることによって、イヤプラグ１５は信号装置１３からの音響信号を復元する。
図１、図２を参照すると、本実施例のイヤホーン１０は、イヤプラグ１５、信号装置１３、音響信号入力ポート１６、電源信号入力ポート１８、イヤホーンケーブル１７を含む。電源信号入力ポート１８は、イヤホーンケーブル１７によってイヤプラグ１５と連接される。また、音響信号入力ポート１６は、イヤホーンケーブル１７によって電源信号入力ポート１８と連接される。音響信号入力ポート１６が信号装置１３と電気的に接続されることによって、信号装置１３に音響信号を提供し、電源信号入力ポート１８が信号装置１３と電気的に接続されることによって、信号装置１３に駆動電圧を提供する。また、イヤプラグ１５と信号装置１３とが接続されることによって、イヤプラグ１５は信号装置１３からの音響信号を復元する。
本実施例のイヤプラグ１５は、ケース１２及び熱音響装置１４を含む。該ケース１２は収容スペースを有し、熱音響装置１４はこの収容スペースに収容される。ケース１２の材料は軽く、特定の強度を有する。例えば、プラスチック、樹脂、合金の中の何れかの一種である。ケース１２のサイズは人の耳のサイズに相当する。また、ケース１２の形状は楕円形であり、この楕円形のサイズは人の外耳道のサイズに相当する。
ケース１２は前カバー１２１及び後カバー１２３を含む。前カバー１２１と後カバー１２３は緊密に結合して、ケース１２を形成する。後カバー１２３はイヤホーンケーブル１７の入口を有する。ケース１２は、イヤプラグ１５の音発生部である開口を有し、熱音響装置１４は該開口と相対して、且つ間隔をあけて設置される。前記開口は前カバー１２１に形成される。また、前カバー１２１は金属ネット１２７を含み、イヤプラグ１５の前記音発生部は、この金属ネット１２７に被覆される。金属ネット１２７によって、熱音響装置１４を保護して塵等を防ぎ、且つ熱音響装置１４が発生させた音をケース１２の外部に伝導する。熱音響装置１４がケース１２内に固定設置され、並びに熱音響装置１４が発生させた音がケース１２の外部に伝導することを保証しさえすれば、その固定位置は制限されない。本実施例において、熱音響装置１４は後カバー１２３に設置される。後カバー１２３には支持素子１２８が収容され、該支持素子１２８によって、熱音響装置１４は後カバー１２３に固定される。支持素子１２８の材料及び形状は制限されない。本実施例において、支持素子１２８はプリント基板であり、後カバー１２３に固定される。熱音響装置１４は接着剤によって支持素子１２８の表面に固定される。更に、支持素子１２８に複数の第三電極１２５を設置しても良い、該第三電極１２５はイヤホーンケーブル１７及び熱音響装置１４の電極に接続される。これにより、熱音響装置１４は信号装置１３と電気的に接続される。
図３を併せて参照すると、電源信号入力ポート１８は、外ケース１８２及び電源入力ポート１８４と、を含む。電源入力ポート１８４は外ケース１８２に被覆される。電源と接続されて電流を得ることができさえすれば、電源入力ポート１８４の形式に制限はない。本実施例において、電源信号入力ポート１８はＵＳＢコネクタであり、電源入力ポート１８４は電源信号入力ポート１８と電源との接続ポートである。電源信号入力ポート１８は、電源入力ポート１８４によって、コンピュータ或いは他の電源設備と電気的に接続されて電源を得る。
信号装置１３は熱音響装置１４に信号を伝送する。該信号を伝送する方式は制限されない。例えば、信号装置１３は、有線或いは無線の方式（例えば、ブルートゥース）によって、熱音響装置１４に信号を伝送する。本実施例において信号装置１３は、イヤホーンケーブル１７によって熱音響装置１４に信号を伝送する。信号装置１３は、電源信号入力ポート１８の外ケース１８２内に集積できる。具体的には、信号装置１３は、電源入力ポート１８４の後端のプリント基板に設置される。電源入力ポート１８４は溶接によって、前記プリント基板に設置された信号装置１３と接続される。本実施例において、信号装置１３は電源信号入力ポート１８内に集積されるため、素子の間における導線の使用を減少させることができる。従って、集積に有利であり、且つコストも低い。また、イヤホーン１０の抵抗及び駆動電圧を減少させる。本実施例において、前記駆動電圧は５Ｖである。
信号装置１３は、その内部に集積回路チップを備えており、且つ音声処理ユニット１３２及び電流処理ユニット１３４を含む。音響信号入力ポート１６が音声処理ユニット１３２と電気的に接続されることによって、信号装置１３に音響信号が提供される。また、電源信号入力ポート１８が電流処理ユニット１３４と電気的に接続されることによって、信号装置１３に駆動電圧が提供される。前記駆動電圧及び音響信号が信号装置１３に処理されると、駆動信号が形成され、該形成された駆動信号は、熱音響装置１４に入力されて音を発生する。音声処理ユニット１３２は、入力された音響信号の仕事率を増大した後、熱音響装置１４に入力する。また、電流処理ユニット１３４によって、電源信号入力ポート１８の電源入力ポート１８４が入力した直流電流をバイアスする。これにより、周波数電気信号の周波数問題を解決し、熱音響装置１４に安定した電流を提供することができ、正常に熱音響装置１４を駆動させることができる。信号装置１３のサイズ及び形状は制限されない。信号装置１３は仕事率増大作用及び直流バイアス作用のみに用いられるため、信号装置１３の面積は１ｃｍ２より小さくすることができ、信号装置１３を電源信号入力ポート１８内に集積し易い。例えば、信号装置１３の面積は、４９ｍｍ２、２５ｍｍ２、９ｍｍ２或いは９ｍｍ２より小さい。また、信号装置１３を独立した素子として、電源信号入力ポート１８の外部に設置しても良い。この場合、信号装置１３は、イヤホーンケーブル１７によって、音響信号入力ポート１６及び電源信号入力ポート１８に電気的に接続される。
音響信号入力ポート１６がイヤホーンケーブル１７によって、電源信号入力ポート１８内の信号装置１３と接続されることによって、前記音響信号が音声処理ユニット１３２に入力される。音響信号入力ポート１６の形式は制限されない。本実施例において、音響信号入力ポート１６は立体的なイヤホーンコネクタであり、例えば、２．５ｍｍのイヤホーンコネクタ、３．５ｍｍのイヤホーンコネクタ等である。本実施例において、音響信号入力ポート１６は、３．５ｍｍの立体的なイヤホーンコネクタである。この３．５ｍｍの立体的なイヤホーンコネクタは、イヤホーンケーブル１７によって、電源信号入力ポート１８内の信号装置１３と接続される。これにより、音響設備が発生した音響信号は、音声処理ユニット１３２に入力されて処理された後、熱音響装置１４に入力され、次いで熱音響装置１４に復元されて音が発生する。
図４、図５及び図６を参照すると、熱音響装置１４は、基板１００と、少なくとも一つの第一電極１０６と、少なくとも一つの第二電極１１６と、音波発生器１１０と、絶縁層１２０と、を含む。基板１００は、対向する第一表面１０１及び第二表面１０３を有する。音波発生器１１０は、前カバー１２１の金属ネット１２７と間隔をあけて対応して設置される。即ち、基板１００と反対側の音波発生器１１０の表面はケース１２の音発生部と対応する。第一電極１０６と第二電極１１６とは、互いに間隔をあけて設置されて、音波発生器１１０と電気的に接続される。また、第一電極１０６と第二電極１１６とは、前記プリント基板における第三電極１２５と電気的に接続される。これにより、音波発生器１１０は信号装置１３と電気的に接続される。
第一表面１０１には、複数の凹部１０２及び複数の突起１０４が形成される。該複数の凹部１０２及び複数の突起１０４は第一表面１０１に交互に設置される。絶縁層１２０は、基板１００の第一表面１０１に設置されて、複数の凹部１０２及び複数の突起１０４の表面に付着する。従って、音波発生器１１０は、基板１００の第一表面１０１上に設置されて、この絶縁層１２０によって基板１００と絶縁して設置される。音波発生器１１０は、第一区域１１２及び第二区域１１４を有している。第一区域１１２は、凹部１０２の位置と対応する。従って、第一区域１１２の音波発生器１１０は懸架され、凹部１０２の底面と間隔をあけて設置される。第二区域１１４の音波発生器１１０は、突起１０４の表面に設置され、絶縁層１２０によって、基板１００と絶縁して設置される。
基板１００は、平面構造体であり、その形状に制限はない。例えば、円形、方形、矩形或いは他の形状である。基板１００の面積は、２５ｍｍ２〜１００ｍｍ２である。具体的には、基板１００の面積は、３６ｍｍ２、６４ｍｍ２或いは８０ｍｍ２である。基板１００の厚さは０．２ｍｍ〜０．８ｍｍである。基板１００が音波発生器１１０を支持する表面を有することを保証しさえすれば、基板１００は他の構造でも良い。例えば、塊状構造、曲面構造、弧面構造などである。基板１００の材料は、単結晶シリコン、多結晶シリコン或いは他の半導体材料である。基板１００は熱伝導性に優れるため、音波発生器１１０が作動中に発生する熱は、外界に伝播されて、音波発生器１１０の使用寿命を延ばすことができる。本実施例において、基板１００は、正方形の平面構造体であり、一辺の長さは、８ｍｍであり、厚さは０．６ｍｍである。また、基板１００の材料は、単結晶シリコンである。
複数の凹部１０２は、均一な分布方式、特定の規則を有する分布方式、アレイの分布方式或いはランダムな分布方式によって、第一表面１０１に設置される。好ましくは、複数の凹部１０２は、第一表面１０１に均一に分布され、且つ相互に間隔をあけて設置される。複数の凹部１０２は、貫通溝、止まり溝、止まり穴のいずれか一種或いは多種である。凹部１０２は、基板１００の第一表面１０１から基板１００の内部に延伸する方向に、一つの底面と該底面に連接する二つの側面を含む。また、隣接する二つの凹部１０２の間には、突起１０４が形成されている。つまり、隣接する二つの凹部１０２の間の基板１００の表面は、突起１０４の表面である。第一区域１１２は、凹部１０２の位置と対応する。従って、第一区域１１２の音波発生器１１０は懸架され、凹部１０２の底面及び側面には接触しない。
図７及び図８は、凹部１０２の異なる深さによるイヤホーン１０の音の発生の効果を示している。凹部１０２の深度は、必要に応じて及び基板１００の厚さによって選択できる。好ましくは、凹部１０２の深度は、１００μｍ〜２００μｍである。この際、基板１００は、音波発生器１１０を保護すると同時に、基板１００と音波発生器１１０との距離を保証する。該距離は、音波発生器１１０の作動中に生成された熱が基板１００に完全に吸収されることができる。これにより、生成された熱が周辺の媒体へ伝播されないために、音量が低くなることを防止する。また、音波発生器１１０が各音響周波数に優れた音響効果を有することを保証する。凹部１０２が溝である場合、凹部１０２が第一表面１０１で延伸する長さは、基板１００の一辺の長さより短い。凹部１０２が延伸する方向における横断面の形状は、Ｖ字型、長方形、台形、多辺形、円形或いは他の不規則な形状である。凹部１０２の最大の幅（ここで最大の幅とは、横断面の長さの最大値である）は、０．２ｍｍ〜１ｍｍである。
凹部１０２の横断面が逆台形である場合、溝の幅は、溝の深さが深くなるにつれて狭くなる。逆台形の底面と側面との成す角度はαである。該角度αの大小は、基板１００の材料に関係する。具体的には、角度αの大小は、基板１００の単結晶シリコンの結晶面の角度と同じである。好ましくは、複数の凹部１０２は複数の溝であり、該複数の溝は、相互に平行であり、且つ間隔をあけて均一に分布する。隣接する二つの溝の間の距離はｄ１であり、該ｄ１は、２０μｍ〜２００μｍである。前記ｄ１は、２０μｍ〜２００μｍであるから、後続のスクリーン印刷方法によって、基板１００の表面に第一電極１０６及び第二電極１１６を形成する際の、エッチングの精確性を保証し、音響効果を高めることができる。本実施例において、基板１００の第一表面１０１は、複数の相互に平行し、且つ間隔をあけて均一に分布する複数の逆台形の溝を有している。逆台形の溝の第一表面１０１における幅（最大の幅）は０．６ｍｍであり、深度は１５０μｍである。また、隣接する二つの溝の間の距離であるｄ１は１００μｍであり、逆台形の角度αは５４．７°である。
絶縁層１２０は単層構造或いは多層構造である。絶縁層１２０が単層構造である場合、絶縁層１２０は、突起１０４の表面のみに設置される或いは基板１００の第一表面１０１の全てに付着する。ここで、付着とは、絶縁層１２０が凹部１０２の底面及び側面を被覆し、突起１０４の表面を被覆することを意味する。即ち、絶縁層１２０の起伏の傾向は、凹部１０２と突起１０４の起伏の傾向と同じである。従って、どのような場合でも、絶縁層１２０によって、基板１００と音波発生器１１０とは絶縁される。基板１００が絶縁材料の場合、絶縁層１２０を設置する必要はない。
絶縁層１２０の材料は、シリカ、窒化ケイ素或いはその組み合わせであるが、絶縁層１２０の材料が、基板１００と音波発生器１１０と絶縁することを保証しさえすれば他の絶縁材料であっても良い。絶縁層１２０の厚さは、１０ｎｍ〜２μｍであり、具体的には、５０ｎｍ、９０ｎｍ或いは１μｍである。本実施例において、絶縁層１２０の厚さは１.２μｍである。
更に、図９を参照すると、熱音響装置１４における絶縁層１２０は多層構造である。絶縁層１２０は突起１０４の表面のみに設置されても良い。又は、絶縁層１２０は第一表面１０１のみに設置されても良い。又は、一層の絶縁層１２０は突起１０４の表面のみに設置され、他の数層の絶縁層１２０は第一表面１０１の全てに設置されても良い。本実施例において、絶縁層１２０は第一絶縁層１２２と、第二絶縁層１２４と、第三絶縁層１２６と、を含む。第一絶縁層１２２及び第二絶縁層１２４は非連続の構造であり、突起１０４の表面のみに順次に堆積される。第三絶縁層１２６は連続した層状構造であり、第二絶縁層１２４並びに凹部１０２の底面及び側面に付着する。第一絶縁層１２２及び第三絶縁層１２６の材料はシリカであり、第二絶縁層１２４の材料は窒化ケイ素である。
絶縁層１２０が複数の絶縁材料からなる多層構造である場合、各層の絶縁材料は同じか或いは同じでなくても良い。各層の厚さは１０ｎｍ〜１μｍである。該各層の厚さは、必要に応じた素子によって選択できる。本実施例において、絶縁層１２０は三層構造である。第一絶縁層１２２の材料はシリカであり、厚さは１００ｎｍである。第二絶縁層１２４の材料は窒化ケイ素であり、厚さは９０ｎｍである。第三絶縁層１２６材料はシリカであり、厚さは１μｍである。音波発生器１１０は、絶縁層１２０によって、基板１００と良好に絶縁して設置されるため、シリコン基板１００を製造する過程において、シリコン基板１００の酸化を減少或いは防止することができる。
音波発生器１１０は、基板１００の第一表面１０１に設置される。具体的には、音波発生器１１０は、絶縁層１２０の表面に設置される。即ち、第一区域１１２の音波発生器１１０は、凹部１０２に懸架されて設置され、第二区域１１４の音波発生器１１０は、突起１０４の表面における絶縁層１２０の表面に設置される。音波発生器１１０を基板１００の第一表面１０１に強固に固定するために、突起１０４の表面に接着層或いは接着点を設置する。又は、音波発生器１１０を基板１００の第一表面１０１に強固に固定するために、素子を利用する。この際、音波発生器１１０は該素子の表面に設置される。つまり、音波発生器１１０が設置された素子を、基板１００の第一表面１０１に固定する。この時、音波発生器１１０は基板１００の第一表面１０１と直接接触しない。
音波発生器１１０は単位面積当たりの熱容量が非常に低い。本実施例において、音波発生器１１０はカーボンナノチューブを含み、単位面積当たりの熱容量は２×１０−４Ｊ／ｃｍ２・Ｋより小さい。具体的には、音波発生器１１０は導電構造であり、比表面積が非常に高く、厚さが薄い。これにより、音波発生器１１０は入力されたエネルギーを熱エネルギーに変換することができる。即ち、音波発生器１１０は、入力された信号によって、速く昇温し、熱を周辺の媒体へ伝播させ、この伝播された熱によって生じた熱膨張及び圧力波によって音波を発生させる。
好ましくは、音波発生器１１０は自立構造体である。ここで、自立構造体とは、支持体を利用しなくとも利用できる構造のことである。つまり、音波発生器１１０は、支持体を利用せず、それ自体の特定の形状を保持することを意味する。従って、音波発生器１１０の一部分を懸架して設置でき、周辺の媒体と十分に接触でき、熱を伝播することができる。音波発生器１１０は、フィルム構造、複数の線状構造が平行に形成する層状構造、或いはフィルム構造及び線状構造の組み合わせである。
音波発生器１１０は、層状のカーボンナノチューブ構造体である。該層状の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む。好ましくは、該層状の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のみからなる。該層状のカーボンナノチューブ構造体の厚さは、好ましくは、０．５ｎｍ〜１ｍｍである。カーボンナノチューブ構造体の厚さが薄い場合、例えば１０ｎｍ以下である場合、カーボンナノチューブ構造体の透明度が優れる。カーボンナノチューブ構造体は自立構造を有し、カーボンナノチューブ構造体における複数のカーボンナノチューブは分子間力で相互に引き合い、カーボンナノチューブ構造体は特定の形状を有する。即ち、カーボンナノチューブ構造体の一部分は基板１００に支持され、他の部分は懸架される。カーボンナノチューブ構造体における複数のカーボンナノチューブは同じ方向に延伸し、該延伸する方向と溝が延伸する方向とは角度を成す。該角度は０°〜９０°である（０°は含まず）。
層状のカーボンナノチューブ構造体は、少なくともカーボンナノチューブフィルム、複数の平行に設置されるカーボンナノチューブワイヤ、或いは少なくとも一つのカーボンナノチューブフィルムとカーボンナノチューブワイヤの組み合わせを含む。音波発生器１１０が単層カーボンナノチューブフィルムである場合、該カーボンナノチューブフィルムは基板１００の第一表面１０１に設置される。カーボンナノチューブフィルムの厚さは５０ｎｍであり、光透過率は６７％〜９５％である。カーボンナノチューブフィルムはカーボンナノチューブアレイを直接引き出して得られる。カーボンナノチューブフィルムの厚さは０．５ｎｍ〜１００μｍであり、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は１×１０−６Ｊ／ｃｍ２・Ｋより小さい。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、多層カーボンナノチューブの一種又は多種である。単層カーボンナノチューブの直径は０．５ｎｍ〜５０ｎｍであり、二層カーボンナノチューブの直径は１ｎｍ〜５０ｎｍであり、多層カーボンナノチューブの直径は１．５ｎｍ〜５０ｎｍである。カーボンナノチューブフィルムの長さは制限されず、カーボンナノチューブフィルムの幅はカーボンナノチューブアレイの幅によって選択できる。
図１０を参照すると、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によって形成された自立構造であり、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。複数のカーボンナノチューブの延伸する方向は、カーボンナノチューブフィルムの表面と基本的に平行である。また、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。具体的には、複数のカーボンナノチューブにおける各カーボンナノチューブは、延伸する方向における隣接するカーボンナノチューブと、分子間力で端と端とが接続されている。また、カーボンナノチューブフィルムには、少数のランダムなカーボンナノチューブが含まれている。しかし、大部分のカーボンナノチューブは同じ方向に沿って配列されているため、このランダムなカーボンナノチューブの延伸方向は、大部分のカーボンナノチューブの延伸方向には影響しない。
前記カーボンナノチューブフィルムは自立構造を有する。ここで、自立構造とは、支持体材を利用せず、カーボンナノチューブフィルムを独立して利用することができる形態のことである。即ち、カーボンナノチューブフィルムを対向する両側から支持して、カーボンナノチューブフィルムの構造を変化させずに、カーボンナノチューブフィルムを懸架させることができることを意味する。
具体的には、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、絶対的に直線状ではなく、やや湾曲しても良い。又は、延伸する方向に完全に配列せず、少しずれても良い。従って、同じ方向に沿って配列されている複数のカーボンナノチューブの中において、隣同士のカーボンナノチューブが部分的に接触する可能性がある。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、基板１００の第一表面１０１にほぼ平行である。カーボンナノチューブフィルムの幅が小さい場合、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フィルムを含み、該複数のカーボンナノチューブフィルムは同一面上で基板１００の第一表面１０１に並べて配置される。さらに、カーボンナノチューブ構造体は、相互に重なった多層のカーボンナノチューブフィルムを含んでもよく、この場合、隣接する二層の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交差して角度βを成し、該角度βは０°〜９０°である。
カーボンナノチューブフィルムは強い接着性を有するため、突起１０４における絶縁層１２０の表面に該カーボンナノチューブフィルムを直接付着できる。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同じ方向に沿って配列されている。該複数のカーボンナノチューブの延伸する方向と凹部１０２の延伸する方向とは角度を成す。複数のカーボンナノチューブの延伸する方向は、好ましくは、凹部１０２の延伸する方向と垂直である。更に、カーボンナノチューブフィルムを突起１０４における絶縁層１２０の表面に付着させた後、有機溶剤によって、基板１００に付着したカーボンナノチューブフィルムを処理する。
具体的には、試験管を利用して、有機溶剤をカーボンナノチューブフィルムが浸るまで垂らす。該有機溶剤は揮発性の有機溶剤であり、例えば、エタノール、メタノール、アセトン、ジクロロエタン或いはクロロホルムである。本実施例において、有機溶剤はエタノールである。微視的には、揮発性の有機溶剤が揮発すると、表面張力の作用によって、カーボンナノチューブフィルムにおける一部の隣接するカーボンナノチューブは収縮して束になるため、カーボンナノチューブフィルムと基板１００との接触面積を増大させ、突起１０４における絶縁層１２０の表面に緊密に付着できる。また、一部の隣接するカーボンナノチューブは収縮して束になるため、カーボンナノチューブフィルムの機械強度及び強靭度は増強し、カーボンナノチューブフィルムの表面積は減少し、接着性は小さくなる。巨視的には、カーボンナノチューブフィルムは均一なフィルム構造体になる。
本実施例において、音波発生器１１０は複数の平行に設置されたカーボンナノチューブワイヤを含む。複数のカーボンナノチューブワイヤは間隔をあけて平行して、層状のカーボンナノチューブ構造体を形成する。カーボンナノチューブワイヤの延伸方向は凹部１０２の延伸方向と一定の角度を成す。カーボンナノチューブワイヤにおけるカーボンナノチューブの延伸方向は、カーボンナノチューブワイヤの延伸方向と平行である。凹部１０２の位置において、層状のカーボンナノチューブ構造体は、間隔をあけて平行する複数のカーボンナノチューブワイヤを含み、且つ該複数のカーボンナノチューブワイヤは凹部１０２と対応する位置に懸架して設置される。好ましくは、カーボンナノチューブワイヤの延伸方向は凹部１０２の延伸方向と垂直である。隣接するカーボンナノチューブワイヤの距離は１μｍ〜２００μｍである。好ましくは、５０μｍ〜１５０μｍである。本実施例において、隣接するカーボンナノチューブワイヤの距離は１２０μｍであり、カーボンナノチューブワイヤの直径は１μｍである。
カーボンナノチューブワイヤは、非ねじれ状カーボンナノチューブワイヤ又はねじれ状カーボンナノチューブワイヤであることができる。非ねじれ状カーボンナノチューブワイヤ及びねじれ状カーボンナノチューブワイヤは自立構造体である。図１１を参照すると、カーボンナノチューブワイヤが、非ねじれ状カーボンナノチューブワイヤである場合、分子間力で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。さらに、各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。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。カーボンナノチューブセグメントの長さ、厚さ、均一性及び形状は制限されない。一本の非ねじれ状カーボンナノチューブワイヤの長さは制限されず、その直径は、０．５ｎｍ〜１００μｍである。有機溶剤によって、カーボンナノチューブフィルムを処理して、非ねじれ状カーボンナノチューブワイヤを得る。具体的には、有機溶剤によって、カーボンナノチューブフィルムの全ての表面を浸す。その後、揮発性の有機溶剤が揮発すると、表面張力の作用によって、カーボンナノチューブフィルムにおける相互に平行である複数のカーボンナノチューブが分子間力によって緊密に結合して、カーボンナノチューブフィルムが収縮して非ねじれ状カーボンナノチューブワイヤを形成する。該有機溶剤は、エタノール、メタノール、アセトン、ジクロロエタン或いはクロロホルムである。有機溶剤によって処理されないカーボンナノチューブフィルムと比較して、有機溶剤によって、処理された非ねじれ状カーボンナノチューブワイヤは、比表面積が減少し、接着性も小さい。また、カーボンナノチューブワイヤの機械強度及び強靭度を増強し、外力によってカーボンナノチューブワイヤが破壊される可能性が低くなる。作動中において、凹部１０２位置に懸架されたカーボンナノチューブワイヤは変形しないため、優れた熱音響効果を保持できる。
図１２を参照すると、カーボンナノチューブフィルムの長手方向に沿う対向する両端に相反する力を加えることにより、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。このねじれ状カーボンナノチューブワイヤは、好ましくは、分子間力で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。さらに、各カーボンナノチューブセグメントには、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。カーボンナノチューブセグメントの長さ、厚さ、均一性及び形状は制限されない。一本のねじれ状カーボンナノチューブワイヤの長さは制限されず、その直径は、０．５ｎｍ〜１００μｍである。更に、有機溶剤によって、ねじれ状カーボンナノチューブワイヤを処理する。有機溶剤によって処理されたねじれ状カーボンナノチューブワイヤは、比表面積が減少し、接着性も小さい一方、カーボンナノチューブワイヤの機械強度及び強靭度が増強する。カーボンナノチューブワイヤの製造方法は、特許文献１及び特許文献２に掲載されている。
少なくとも一つの第一電極１０６及び少なくとも一つの第二電極１１６は、音波発生器１１０とそれぞれ電気的に接続される。また、該少なくとも一つの第一電極１０６及び少なくとも一つの第二電極１１６によって、音波発生器１１０に周波数電気信号を入力する。本実施例において、熱音響装置１４は、複数の第一電極１０６及び複数の第二電極１１６を含み、複数の第一電極１０６及び複数の第二電極１１６は、突起１０４に対応する絶縁層１２０の表面に交互に設置される。図６を参照すると、複数の第一電極１０６は、電気的に連接されて、第一櫛歯電極（図示せず）を形成し、該第一櫛歯電極は第三電極１２５と電気的に接続される。複数の第二電極１１６は電気的に連接されて、第二櫛歯電極（図示せず）を形成し、該第二櫛歯電極は第三電極１２５と電気的に接続される。第一櫛歯電極の歯部及び第二櫛歯電極の歯部は交互に設置される。第一電極１０６及び第二電極１１６は、導電材料からなり、その形状と構造は制限されない。具体的には、第一電極１０６及び第二電極１１６は、細長いストリップ状、棒状或いは他の形状でも良く、その材料は、金属、導電ポリマー、導電性接着剤、導電ペースト、金属性のカーボンナノチューブ、ＩＴＯ等の導電性材料である。また、第一電極１０６及び第二電極１１６は、音波発生器１１０の基板１００と反対側の表面に設置しても良く、これによって、音波発生器１１０を基板１００上に固定することができる。
カーボンナノチューブは、その軸方向に沿って優れた導電性を有するため、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同じ方向に沿って配列されている場合、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、好ましくは、第一電極１０６から第二電極１１６までの方向に沿って延伸する。好ましくは、第一電極１０６及び第二電極１１６との間の距離は基本的に同じである。これにより、第一電極１０６及び第二電極１１６との間におけるカーボンナノチューブは、基本的に同じ抵抗値を有する。好ましくは、第一電極１０６及び第二電極１１６の長さは、カーボンナノチューブ構造体の幅と同じかそれ以上である。これにより、カーボンナノチューブ構造体全体を平均的に利用できる。本実施例において、音波発生器１１０におけるカーボンナノチューブは、第一電極１０６及び第二電極１１６の長手方向に垂直な方向に配列する。第一電極１０６と第二電極１１６とは平行に設置される。第一電極１０６及び第二電極１１６によって、周波数電気信号をカーボンナノチューブ構造体に入力する。
音波発生器１１０が音波を発生する原理は、電気‐熱‐音の変換であるため、音波発生器１１０は、音波を発生すると同時に一定の熱を発生する。本実施例において、溝構造体は音波発生器１１０の散熱に有利である。更に、熱音響装置１４は散熱装置（図示せず）を含み、該散熱装置は、基板１００の音波発生器１１０と反対側の表面に設置される。
更に、信号装置１３はイヤプラグ１５のケース１２に集積できる。例えば、信号装置１３を基板１００の第二表面１０３に設置して、或いは第一表面１０１に設置して、ケース１２に収容する。信号装置１３を基板１００の第二表面１０３に設置する時、基板１００の第二表面１０３に少なくとも一つの溝（図示せず）を形成し、信号装置１３は該溝に嵌められる。他の例として、信号装置１３を支持素子１２８の表面に集積して、ケース１２に収容することもできる。
基板１００の材料はシリコンであるので、信号装置１３は基板１００に直接に形成できる。即ち、従来のマイクロ電子技術（例えば、研磨技術、酸化技術、拡散技術、エッチング技術、エピタキシー技術等）によって、基板に、トランジスタ、ダイオード、抵抗、キャパシタ等の素子を製造して、信号装置１３が形成される。信号装置１３における回路、マイクロ電子素子等は、基板１００の第二表面１０３の溝に直接に形成できる。基板１００は電子回路及びマイクロ電子素子の担体であり、信号装置１３と一体構造を形成する。これにより、熱音響装置１４の体積を減少し、熱音響装置１４の小型化及び集積化を有利にする。また、基板１００は優れた散熱性を有するので、信号装置１３及び音波発生器１１０が発生した熱は外部に伝送され、音響効果を保証することができる。
更に、信号装置１３は、第三電極（図示せず）及び第四電極（図示せず）を含み、第三電極は、第一電極１０６と電気的に接続され、第四電極は第二電極１１６と電気的に接続される。これにより、音波発生器１１０に信号を入力する。また、第三電極及び第四電極は、基板１００の内部に設置されても良い。第三電極及び第四電極の表面が絶縁層で被覆されるので、第三電極及び第四電極は基板１００と絶縁する。
更に、イヤホーン１０は、イヤホーン制御装置（図示せず）を含んでも良い。イヤホーン制御装置は、イヤホーンケーブル１７によって、イヤプラグ１５と電気的に接続される。前記イヤホーン制御装置は、出力音量を制御できる。信号装置１３はイヤホーン制御装置に集積でき、音響信号入力ポート１６及び電源信号入力ポート１８は信号装置１３とそれぞれ電気的に接続される。
本発明のイヤホーンは以下の優れた点がある。第一に、カーボンナノチューブ構造体は、単位面積が小さい熱容量と大きい散熱表面を有するので、信号が入力されると、カーボンナノチューブ構造体は速く昇温し、周期的に温度変化して、周辺の媒体と熱を交換する。従って、周辺の媒体の密度は周期的に変化して音を発生することができる。第二に、熱音響装置１４にはシリコンの基板１００を採用するので、従来のシリコン半導体の技術を利用して、熱音響装置を加工でき、生産し易く、且つ微小な部品を製造でき、産業化でき、小型の熱音響装置を生産できる。第三に、シリコン基板は優れた熱伝導性を有するので、熱音響装置も優れた散熱性を有し、別に散熱素子を設置する必要がない。第四に、熱音響装置は従来の半導体の製造方法における他の素子（例えば、チップ）と集積し易く、空間の占有率を減少させることができるため、小型の電子部品に適用することができる。
（実施例２）
図１３を参照すると、本発明の実施例２は、イヤホーン２０を提供する。本実施例のイヤホーン２０は、イヤプラグ１５と、信号装置１３と、電源信号入力ポート１８と、イヤホーンケーブル１７と、を含む。イヤプラグ１５と電源信号入力ポート１８とは、イヤホーンケーブル１７によって、連接される。イヤプラグ１５は、ケース１２及び熱音響装置１４を含む。ケース１２は収容スペースを有し、熱音響装置１４はこの収容スペースに収容される。
図１３を参照すると、本発明の実施例２は、イヤホーン２０を提供する。本実施例のイヤホーン２０は、イヤプラグ１５と、信号装置１３と、電源信号入力ポート１８と、イヤホーンケーブル１７と、を含む。イヤプラグ１５と電源信号入力ポート１８とは、イヤホーンケーブル１７によって、連接される。イヤプラグ１５は、ケース１２及び熱音響装置１４を含む。ケース１２は収容スペースを有し、熱音響装置１４はこの収容スペースに収容される。
本実施例２のイヤホーン２０の構造と、実施例１のイヤホーン１０の構造と比較すると、次の異なる点がある。電源信号入力ポート１８が信号装置１３に駆動電圧を提供すると同時に、音響信号入力ポートとして、信号装置１３に音響信号を提供し、この信号装置１３の処理によって、外部からの音響信号は駆動信号となり、該駆動信号はイヤホーンケーブル１７によって、イヤプラグ１５に入力される。具体的には、電源信号入力ポート１８は電流入力回路と、音響信号入力回路と、を含む。電源信号入力ポート１８は、音響信号が出力される設備と接続されると、電流入力回路が信号装置１３の電流処理ユニット１３４と電気的に接続されることによって、イヤホーン２０に作動電流を提供し、音響信号入力回路が信号装置１３の音声処理ユニット１３２と電気的に接続されることによって、信号装置１３に音響信号を提供する。イヤホーン２０において、単独で音響信号入力ポート及び音響信号入力ポートと信号装置１３との間のイヤホーンケーブルを設置する必要がないので、イヤホーンケーブルが生成する抵抗を減少させることができ、且つコストも低くなる。
（実施例３）
図１４を参照すると、本発明の実施例３は、イヤホーン３０を提供する。本実施例のイヤホーン３０は、イヤプラグ１５と、信号装置１３と、音響信号入力ポート１６と、エネルギー提供装置１１と、イヤホーンケーブル１７と、を含む。イヤホーンケーブル１７によって、イヤプラグ１５と信号装置１３とは接続され、音響信号入力ポート１６及びエネルギー提供装置１１は信号装置１３と接続される。イヤプラグ１５は、ケース１２及び熱音響装置１４を含む。ケース１２は収容スペースを有し、熱音響装置１４はこの収容スペースに収容される。
図１４を参照すると、本発明の実施例３は、イヤホーン３０を提供する。本実施例のイヤホーン３０は、イヤプラグ１５と、信号装置１３と、音響信号入力ポート１６と、エネルギー提供装置１１と、イヤホーンケーブル１７と、を含む。イヤホーンケーブル１７によって、イヤプラグ１５と信号装置１３とは接続され、音響信号入力ポート１６及びエネルギー提供装置１１は信号装置１３と接続される。イヤプラグ１５は、ケース１２及び熱音響装置１４を含む。ケース１２は収容スペースを有し、熱音響装置１４はこの収容スペースに収容される。
本実施例３のイヤホーン３０の構造と、実施例１のイヤホーン１０の構造と比較すると、次の異なる点がある。イヤホーン３０がエネルギー提供装置１１を含み、該エネルギー提供装置１１が信号装置１３の電流処理ユニット１３４と電気的に接続されることによって、イヤホーン３０に作動電流を提供する。
エネルギー提供装置１１は、物理電池（例えば、太陽電池、圧電電池、光感作電池（ｐｈｏｔｏｓｅｎｓｉｔｉｚｅｒ ｂａｔｔｅｒｙ）、熱感作電池（ｔｈｅｒｍｏｓｅｎｓｉｔｉｖｅ ｂｔｔｅｒｙ）など）、化学電池（例えば、鉛蓄電池、ニッケルカドミウム電池、Ｚｎ−ＭｎＯ２電池（ｚｉｎｃ−ｍａｎｇａｎｅｓｅ ｂａｔｔｅｒｙ）、リチウム電池等）の中の何れか一種である。エネルギー提供装置１１はイヤホーン３０に駆動電圧を提供し、熱音響装置１４を駆動して作動させる。エネルギー提供装置１１の形式は制限されず、必要に応じて選択できる。エネルギー提供装置１１がリチウム電池である場合、リチウム電池はイヤホーン３０のケース１２内に集積できる。好ましくは、エネルギー提供装置１１は太陽電池である。太陽電池は、平面構造或いは特定の柔軟性を有するので、ケース１２の表面に直接付着できる。太陽光を吸収でき、且つイヤホーン３０の音の発生に影響しないことを保証しさえすれば、太陽電池の位置は制限されない。好ましくは、太陽電池はケース１２の後カバー１２３の外表面に直接付着する。これにより、イヤホーン３０の音の発生に影響を与えないため、イヤホーン３０を耳に装着する際快適である。並びに太陽電池が多量の太陽光を吸収することを保証する。また、太陽電池は、イヤホーン３０のケース１２内に固定されても良い。この場合、太陽電池の一部は露出され、該露出された太陽電池の一部は太陽光を吸収する。次いで吸収された太陽光は電気エネルギーに変換されて、イヤホーン３０に電気エネルギーを提供する。さらに、イヤホーン３０は、イヤホーン制御装置を備えても良く、太陽電池はイヤホーン制御装置の外表面に付着しても良い。
本実施例において、エネルギー提供装置１１とケース１２とを集積するため、イヤホーン３０に対して、別に固定電源を設置する必要はない。従って、いつでもイヤホーン３０を駆動できるため、イヤホーン３０の応用に有利である。
更に、信号装置１３は熱音響装置１４に集積できる。具体的には、信号装置１３は支持素子１２８の音響装置１４と反対側の表面に集積しても良い。或いは、熱音響装置１４の基板１００の中に集積しても良い。これにより、信号装置１３とイヤプラグ１５との間にイヤホーンケーブルを設置する必要がなくなり、イヤホーン３０の入力電圧が低くなり、イヤホーン３０の体積を減少させる。従って、イヤホーン３０の携帯に便利であり、容易に使用できる。
１０、２０、３０ イヤホーン
１１ エネルギー提供装置
１２ ケース
１３ 信号装置
１４ 熱音響装置
１５ イヤプラグ
１６ 音響信号入力ポート
１７ イヤホーンケーブル
１８ 電源信号入力ポート
１００ 基板
１０１ 第一表面
１０２ 凹部
１０３ 第二表面
１０４ 突起
１０６ 第一電極
１１０ 音波発生器
１１２ 第一区域
１１４ 第二区域
１１６ 第二電極
１２０ 絶縁層
１２１ 前カバー
１２２ 第一絶縁層
１２３ 後カバー
１２４ 第二絶縁層
１２５ 第三電極
１２６ 第三絶縁層
１２７ 金属ネット
１２８ 支持素子
１３２ 音声処理ユニット
１３４ 電流処理ユニット
１８２ 外ケース
１８４ 電源入力ポート
１１ エネルギー提供装置
１２ ケース
１３ 信号装置
１４ 熱音響装置
１５ イヤプラグ
１６ 音響信号入力ポート
１７ イヤホーンケーブル
１８ 電源信号入力ポート
１００ 基板
１０１ 第一表面
１０２ 凹部
１０３ 第二表面
１０４ 突起
１０６ 第一電極
１１０ 音波発生器
１１２ 第一区域
１１４ 第二区域
１１６ 第二電極
１２０ 絶縁層
１２１ 前カバー
１２２ 第一絶縁層
１２３ 後カバー
１２４ 第二絶縁層
１２５ 第三電極
１２６ 第三絶縁層
１２７ 金属ネット
１２８ 支持素子
１３２ 音声処理ユニット
１３４ 電流処理ユニット
１８２ 外ケース
１８４ 電源入力ポート
Claims (2)
- イヤプラグと、信号装置と、音響信号入力ポートと、電源信号入力ポートと、を含むイヤホーンであって、
前記イヤプラグはケース及び熱音響装置を含み、
前記熱音響装置は前記ケース内部に設置され、
前記信号装置は前記熱音響装置に信号を入力し、
前記音響信号入力ポート及び前記電源信号入力ポートは、前記信号装置とそれぞれ接続され、前記信号装置に音響信号及び駆動電圧をそれぞれ提供し、
前記電源信号入力ポートはＵＳＢコネクタであり、
前記信号装置は前記ＵＳＢコネクタの内部に集積され、
前記熱音響装置は基板、音波発生器、複数の第一電極、及び複数の第二電極を含み、
前記基板は、第一表面を有し、前記第一表面は、間隔をあけて平行な複数の凹部、及び隣接する二つの前記凹部の間に位置する突起を有し、
前記複数の第一電極及び複数の第二電極は、前記突起に対応する位置に交互に設置されて、前記音波発生器と電気的に接続されており、
前記音波発生器は、前記基板の第一表面に設置され、前記音波発生器の前記凹部と対応する部分は懸架されることを特徴とするイヤホーン。 - イヤプラグと、信号装置と、音響信号入力ポートと、エネルギー提供装置と、を含むイヤホーンであって、
前記イヤプラグはケース及び熱音響装置を含み、
前記熱音響装置は前記ケース内部に設置され、
前記信号装置は有線或いは無線の方式によって、前記熱音響装置に信号を入力し、
前記音響信号入力ポート及び前記エネルギー提供装置は、前記信号装置とそれぞれ接続され、前記信号装置に音響信号及び駆動電圧をそれぞれ提供し、
前記エネルギー提供装置は、イヤプラグの外部に単独で設置され、或いは前記ケースの外表面に設置され、或いは前記ケースの内部に設置され、
前記熱音響装置は基板、音波発生器、複数の第一電極、及び複数の第二電極を含み、
前記基板は、第一表面を有し、前記第一表面は、間隔をあけて平行な複数の凹部、及び隣接する二つの前記凹部の間に位置する突起を有し、
前記複数の第一電極及び複数の第二電極は、前記突起に対応する位置に交互に設置されて、前記音波発生器と電気的に接続されており、
前記音波発生器は、前記基板の第一表面に設置され、前記音波発生器の前記凹部と対応する部分は懸架されることを特徴とするイヤホーン。
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