JP5703359B2

JP5703359B2 - 熱音響装置

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Publication number: JP5703359B2
Application number: JP2013215321A
Authority: JP
Inventors: 洋魏; ▲ハン▼　守善; 守善 ▲ハン▼
Original assignee: Hon Hai Precision Industry Co Ltd
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Priority date: 2012-12-28
Filing date: 2013-10-16
Publication date: 2015-04-15
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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素子を含む。信号装置は、信号を音波発生素子に送信する。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。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って、音波を発生させることができる。

非特許文献１には、熱音響装置が掲載されており、熱音響装置の音波発生素子に、カーボンナノチューブフィルムが利用されている。カーボンナノチューブフィルムは、比表面積が非常に大きく、且つ単位面積当たりの熱容量（２×１０^−４Ｊ／ｃｍ^２・Ｋより小さい）も非常に低いため、熱音響装置が発生させた音波は強く、熱音響周波数（１００Ｈｚ〜１００ｋＨｚ）も広い。

しかし、カーボンナノチューブフィルムの厚さは薄いため、損傷し易く、生産に不利であるため、熱音響装置を産業化することは難しい。

特開２００４−１０７１９６号公報特開２００６−１６１５６３号公報

ＬｉｎＸｉａｏｅｔａｌ．，"Ｆｌｅｘｉｂｌｅ，Ｓｔｒｅｔｃｈａｂｌｅ，ＴｒａｎｓｐａｒｅｎｔＣａｒｂｏｎＮａｎｏｔｕｂｅＴｈｉｎＦｉｌｍＬｏｕｄｓｐｅａｋｅｒｓ"，ＮａｎｏＬｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．８（１２），ｐ．４５３９−４５４５

従って、前記課題を解決するために、本発明は生産し易く、且つ産業化を実現することができる熱音響装置を提供する。

本発明の熱音響装置は、第一基板と、複数の音波発生ユニットと、第二基板と、を含む熱音響装置であって、前記第一基板は、第一表面を有し、前記第一表面に複数のユニット格子を定義し、各前記ユニット格子に、間隔をあけて平行する複数の凹部を有し、各前記音波発生ユニットは第一基板の第一表面に相互に絶縁して設置され、且つ各前記ユニット格子と一対一で対応し、各前記音波発生ユニットは、音波発生素子と、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、を含み、前記音波発生素子は、カーボンナノチューブ構造体を含み、前記第一基板の第一表面に設置され、前記少なくとも一つの第一電極及び前記少なくとも一つの第二電極は、間隔をあけて設置され、前記音波発生素子と電気的に接続され、前記カーボンナノチューブ構造体の前記凹部と対応する部分は、懸架して設置され、前記音波発生ユニットは前記第一基板と前記第二基板との間に設置され、つまり、前記音波発生ユニットは、前記第一基板と前記第二基板とに挟まれ、前記第二基板は複数の通孔を有し、前記複数の通孔の少なくとも一部は前記凹部と対応する。

本発明の熱音響装置において、前記第一基板及び第二基板は柔軟な材料からなり、前記凹部の深さは１００μｍ〜２００μｍである。

従来の技術と比べて、本発明の熱音響装置には、以下の優れた点がある。第一に、音波発生ユニットは第一基板と第二基板との間に設置されている。つまり、前記音波発生ユニットは第一基板と第二基板とに挟まれている。これにより、音波発生ユニットは固定されると同時に、層状のカーボンナノチューブ構造体を良好に保護でき、外力によって層状のカーボンナノチューブ構造体が破壊されることを防止する。また、第二基板における複数の通孔によって、音波発生素子が発生した音を外界に伝播することができ、熱音響効果に影響を与えない。第三に、熱音響装置において、隣接する音波発生ユニットが相互に絶縁して設置される。これにより、各音波発生ユニットにおける音波発生素子に異なる信号を入力でき、且つ各音波発生素子は独立して作動することができる。第四に、第一基板の第一表面に複数のユニット格子を定義し、複数のユニット格子に、複数の第一電極及び第二電極を一度に形成して、音波発生素子が一度に設置された後、前記複数のユニット格子によって、音波発生素子を切断して分離できる。これにより、一つの基板に複数の音波発生ユニットを一度に形成することができる。工程が簡単であり、熱音響装置の産業化に有利である。第五に、各音波発生ユニットの一体性を保護できれば、必要な形状及び大小によって、切線で複数の音波発生ユニットを任意に切断することできる。これにより、複数の熱音響装置を得ることができ、熱音響装置の産業化に有利である。

本発明の実施例１における熱音響装置の構造図である。図１に示す熱音響装置の構造分解図である。本発明の実施例１の熱音響装置における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。熱音響装置に利用された非ねじれ状カーボンナノチューブワイヤの走査型電子顕微鏡写真である。熱音響装置に利用されたねじれ状カーボンナノチューブワイヤの走査型電子顕微鏡写真である。本発明の実施例２における熱音響装置の構造図である。図６に示す熱音響装置の構造分解図である。本発明の実施例３における熱音響装置の構造図である。図８のＩＸ−ＩＸ線に沿った、実施例３における熱音響装置の断面図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施例について説明する。また、以下の各実施例において、同じ部材は同じ符号で標示する。

（実施例１）
図１及び図２を参照すると、本実施例の熱音響装置１０は、第一基板１００と、第二基板１２０と、音波発生ユニットと、を含み、この音波発生ユニットは、音波発生素子１１０と、第一電極１３０と、第二電極１４０と、を含む。第一電極１３０と第二電極１４０とは、相互に間隔をあけて電気的に絶縁して設置され、それぞれ音波発生素子１１０と電気的に接続される。音波発生ユニットは第一基板１００と第二基板１２０との間に設置されている。つまり、音波発生ユニットは第一基板１００と第二基板１２０とに挟まれている。

第一基板１００は、第一表面１０１を有する。第一表面１０１は、複数の凹部１０２及び複数の突起１０４を有し、複数の凹部１０２及び複数の突起１０４は交互に設置されている。音波発生素子１１０は、第一基板１００の第一表面１０１に設置される。凹部１０２の位置と対応する音波発生素子１１０は懸架され、凹部１０２の底面と間隔をあけて設置される。第二基板１２０は、第二表面１２１を有する。第二基板１２０は、音波発生素子１１０が第一基板１００と接触する表面と相対する表面に貼付される。即ち、音波発生素子１１０は、第一基板１００の第一表面１０１と第二基板１２０の第二表面１２１との間に設置される。また、第二基板１２０は複数の通孔１２２を有し、該複数の通孔１２２の少なくとも一部は複数の凹部１０２と対応する。

第一基板１００及び第二基板１２０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、矩形及び他の形状を有するものである。第一基板１００の面積は第二基板１２０の面積と同じである。これにより、第一基板１００と第二基板１２０との間に設置される音波発生ユニットを保護できる。第一基板１００及び第二基板１２０の表面面積は、２５ｍｍ^２〜２００ｃｍ^２である。具体的には、第一基板１００及び第二基板１２０の面積は、４０ｍｍ^２、１００ｍｍ^２、４０ｃｍ^２、或いは１００ｃｍ^２である。第一基板１００及び第二基板１２０の厚さは０．１ｍｍ〜１ｃｍであり、好ましくは０．２ｍｍ〜０．８ｍｍである。第一基板１００及び第二基板１２０が音波発生素子１１０を支持する表面を有することを保証しさえすれば、音波発生ユニット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。また、第一基板１００の材料及び厚さは、第二基板１２０の材料及び厚さと異なっても良い。

第一基板１００及び第二基板１２０の材料は柔軟な材料である。具体的には、第一基板１００及び第二基板１２０の材料は、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリエーテルサルフォン(ＰＥＳ)、ポリ塩化ビニル(ＰＶＣ)、ベンゾシクロブテン(ＢＣＢ)、アクリロニトリルブタジエンスチレン共重合合成樹脂（ＡＢＳ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリカーボネート／アクリロニトリルブタジエンスチレン共重合合成樹脂（ＰＣ／ＡＢＳ）、ポリカーボネート／ポリブチレンテレフタレート（ＰＣ／ＰＢＴ）、ポリカーボネート／ポリエチレンテレフタレート（ＰＣ／ＰＥＴ）、ポリカーボネート／ポリメチルメタクリレート（ＰＣ／ＰＭＭＡ）、ポリアミド（ＰＡ）などの柔軟性材料のいずれか一種である。第一基板１００及び第二基板１２０の材料は、優れた柔軟性を有するので、熱音響装置１０も優れた柔軟性を有する。本実施例において、第一基板１００及び第二基板１２０は正方形の平面構造であり、一辺の長さは１０ｃｍであり、厚さは６００μｍである。また、第一基板１００及び第二基板１２０の材料は、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）である。また、第一基板１００及び第二基板１２０はプリント基板（ＰＣＢ）でも良い。即ち、音波発生素子１１０は前記ＰＣＢに直接設置され、音波発生素子１１０に駆動電圧及び音響信号を入力することにより、音波発生素子１１０は熱によって音波を発生させることができる。これにより、発声の機能がＰＣＢに集積できる。

複数の凹部１０２は第一表面１０１から第一基板１００の内部に凹む構造である。第一基板１００の第一表面１０１において、複数の凹部１０２は均一に分布されるか、或いは特定の規則で分布されるか、或いはアレイ形式で分布されるか、或いはランダムに分布される。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、且つ突起１０４によって相互に間隔をあけて設置される。即ち、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間の第一基板１００の表面は、突起１０４の表面である。複数の凹部１０２は、貫通溝、止まり溝、貫通穴、止まり穴のいずれか一種或いは多種である。複数の凹部１０２が貫通穴である場合、音波発生素子１１０が発生する音は、複数の凹部１０２によって外界に伝播できる。凹部１０２は、第一基板１００の第一表面１０１から第一基板１００の内部に凹んだ部位に、一つの底面と該底面に連接する二つの側面を含む。突起１０４の表面が支持されているので、音波発生素子１１０における音波発生素子１１０の凹部１０２と対応する部分は懸架され、且つ凹部１０２の底面及び側面には接触しない。

凹部１０２の深度は、必要に応じて及び第一基板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、第一基板１００は、音波発生素子１１０を保護すると同時に、第一基板１００と音波発生素子１１０との距離を保証する。前記距離により、音波発生素子１１０が作動して発生した熱は、第一基板１００に完全に吸収されず、周辺の媒体へ良く伝播されることができる。これにより、音量が低くなることを防止し、音波発生素子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に延伸する長さは、第一基板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、横断面の幅の最大値のことである）は、０．２ｍｍ〜１ｍｍである。第一基板１００は前記のようなサイズの最大の幅を有する凹部１０２が形成されていることにより、音波発生素子１１０が作動中に破裂することを防止する。または、音波発生素子１１０の駆動電圧を下げる。駆動電圧は１２Ｖより小さいが、好ましくは５Ｖ以下である。

複数の凹部１０２は好ましくは複数の溝であり、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、第一基板１００の表面に、スクリーン印刷方法によって第一電極１３０及び第二電極１４０を形成する際の、エッチングの精確性を保証して、音響効果を高めることができる。本実施例において、第一基板１００の第一表面１０１には、相互に平行であり、且つ間隔をあけて均一に分布するストリップ状の複数の溝が設置されている。該ストリップ状の溝の第一表面１０１における最大幅は０．６ｍｍであり、深度は１５０μｍであり、前記ｄ１は１００μｍである。

音波発生素子１１０は、第一基板１００の第一表面１０１に設置される。具体的には、音波発生素子１１０は、第一区域１１２と第二区域１１４に区分されることができる。第一区域１１２は、凹部１０２の位置と対応する一部である。従って、第一区域１１２の音波発生素子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の音波発生素子１１０は、突起１０４の位置と対応する一部である。第二区域１１４の音波発生素子１１０は、突起１０４の表面に設置される。また、音波発生素子１１０を第一基板１００に強固に固定するために、突起１０４の表面に接着剤層或いは接着剤点を設けることができる。

音波発生素子１１０は、単位面積当たりの熱容量が非常に低い。音波発生素子１１０の材料は制限されず、例えば、カーボンナノチューブのみからなる純カーボンナノチューブ構造体、カーボンナノチューブ複合構造体或いは他の非カーボンナノチューブの熱音波発生材料である。本実施例において、音波発生素子１１０はカーボンナノチューブのみからなる純カーボンナノチューブ構造体である。該純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は２×１０^−４Ｊ／ｃｍ^２・Ｋより小さい。具体的には、音波発生素子１１０は導電構造体であり、比表面積は非常に大きく、その厚さは薄い。これにより、音波発生素子１１０は入力された電流の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、音波発生素子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。

音波発生素子１１０は、好ましくは自立構造体である。ここで、自立構造体とは、支持体材を利用せず、音波発生素子１１０が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、音波発生素子１１０は、その一部分が懸架して設置され、周辺の媒体と十分に接触して熱を伝播する。音波発生素子１１０は、フィルム構造、複数の線状構造が平行に形成された層状構造、或いはフィルム構造及び線状構造の組み合わせである。

音波発生素子１１０は、層状のカーボンナノチューブ構造体である。好ましくは、該層状のカーボンナノチューブ構造体の厚さは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は優れる。カーボンナノチューブ構造体は自立構造であり、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は第一基板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）。

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た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／ｃｍ^２・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または多種である。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。

図３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が形成された自立構造体であり、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。多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、多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。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が、これは、多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とに影響しない。

カーボンナノチューブフィルムは自立構造体である。ここで、自立構造体とは、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。すなわち、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多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いる。または、カーボンナノチューブフィルムにおける多数のカーボンナノチューブは、延伸する方向に完全に配列せず、少しずれている場合もある。従って、同じ方向に沿って配列されている多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接触する可能性がある。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第一基板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、同一面上で第一基板１００の第一表面１０１に設置される。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み、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、交差する角度βを有し、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の表面に直接貼着できる。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は、凹部１０２の延伸する方向と角度を成す。好ましくは、複数のカーボンナノチューブの延伸する方向は凹部１０２の延伸する方向と垂直になる。更に、カーボンナノチューブフィルムを突起１０４の表面に貼着させた後、有機溶剤によって、第一基板１００に貼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漬するまで滴らせる。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、塩化エチレ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際、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り、カーボンナノチューブフィルムと第一基板１００との接触面積を増大させ、突起１０４の表面に緊密に貼着できる。また、一部の隣接するカーボンナノチューブが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さを増強させ、カーボンナノチューブフィルムの表面面積は減少し、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になる。

一方、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できる。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０．１μｍ〜２００μｍであるが、好ましくは、５０μｍ〜１３０μｍ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もねじれ状カーボンナノチューブワイヤも自立構造である。図４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。揮発性の有機溶剤が揮発する際、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する複数のカーボンナノチューブは、分子間力で緊密に結合して、カーボンナノチューブフィルムを収縮して非ねじれ状カーボンナノチューブワイヤを得る。前記有機溶剤はエタノール、メタノール、アセトン、塩化エチレ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の比表面積は減少し、且つ接着性も小さい。また、カーボンナノチューブワイヤの機械強度及び強靭さを増強させ、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を低くする。作動中において、凹部１０２の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５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印加することにより、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。好ましくは、ねじれ状カーボンナノチューブワイヤは、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では、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、接着性が小さい。また、カーボンナノチューブワイヤの機械強度及び強靭さを増強させ、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。

本実施例において、音波発生素子１１０は、複数の非ねじれ状カーボンナノチューブワイヤが間隔をあけて平行して形成された層状のカーボンナノチューブ構造体である。有機溶剤によって単層のカーボンナノチューブフィルムを非ねじれ状カーボンナノチューブワイヤに形成する。該複数の非ねじれ状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。

第一電極１３０及び第二電極１４０は、それぞれ音波発生素子１１０と電気的に接続される。これにより、周波数電気信号を音波発生素子１１０に入力することができる。具体的には、第一電極１３０及び第二電極１４０は、第一表面１０１に直接、間隔をあけて設置しても良い。或いは音波発生素子１１０の第一基板１００と接触する表面と相対する表面に、間隔をあけて設置しても良い。更に、熱音響装置１０は第三電極及び第四電極を有することができる。第一電極１３０及び第二電極１４０が、第一表面１０１に直接設置される場合、第三電極及び第四電極は第一基板１００の内部に第一基板１００と絶縁して設置され、且つ第一電極１３０及び第二電極１４０に電気的に接続される。第一電極１３０及び第二電極１４０が、音波発生素子１１０の第一基板１００と接触する表面と相対する表面に設置される場合、第三電極及び第四電極は第二基板１２０の内部に第二基板１２０と絶縁して設置され、且つ第一電極１３０及び第二電極１４０に電気的に接続される。

第一電極１３０及び第二電極１４０は導電材料からなり、その形状及び構造に制限はない。具体的には、第一電極１３０及び第二電極１４０は、細長いストリップ状、棒状或いは他の形状でも良い。その材料は、金属、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などの導電性材料のいずれか一種である。

本実施例において、音波発生素子１１０に対向する両辺縁における突起１０４の表面に、第一電極１３０及び第二電極１４０がそれぞれ設置され、この第一電極１３０及び第二電極１４０は、凹部１０２の延伸する方向と平行に位置する。音波発生素子１１０の第一区域１１２及び第二区域１１４は、第一電極１３０と第二電極１４０との間に位置している。第一電極１３０及び第二電極１４０は金属糸からなる。また、音波発生素子１１０の第一基板１００と反対側の表面に、第一電極１３０及び第二電極１４０をそれぞれ設置しても良い。この際、音波発生素子１１０は、第一基板１００の表面に緊密に固定される。

第二基板１２０は複数の通孔１２２を有し、音波発生素子１１０に貼付して設置される。該複数の通孔１２２は複数の凹部１０２の一つ一つに対応する。即ち、音波発生素子１１０の第一区域１１２は、第二基板１２０の通孔１２２及び第一基板１００の複数の凹部１０２と対応する。これにより、音波発生素子１１０の第一区域１１２は懸架される状態を保持する。第二基板１２０は音波発生素子１１０を保護すると同時に、外力によって音波発生素子１１０が破壊されることを防止できる。第二基板１２０の通孔１２２によって、音波発生素子１１０が発生した音を外界に伝播することができ、熱音響効果に影響を与えない。通孔１２２が第二基板１２０において延伸する方向は、凹部１０２が延伸する方向と同じである。通孔１２２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。通孔１２２が延伸する方向における横断面の形状及び面積は、凹部１０２が延伸する方向における横断面の形状及び面積と同じである。本実施例において、通孔１２２が延伸する方向における横断面の形状は長方形である。

カーボンナノチューブはその軸方向に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１３０から第二電極１４０までの方向に沿って延伸する。また、第一電極１３０及び第二電極１４０との間の距離は好ましくは基本的に同じである。これにより、第一電極１３０及び第二電極１４０との間におけるカーボンナノチューブの抵抗値は基本的に同じである。第一電極１３０及び第二電極１４０の長さは、好ましくは、カーボンナノチューブ構造体の幅より長い。この際、カーボンナノチューブ構造体を十分に利用することができる。本実施例において、音波発生素子１１０におけるカーボンナノチューブは、第一電極１３０及び第二電極１４０の長手方向に垂直な方向に配列する。第一電極１３０と第二電極１４０とは平行に設置される。第一電極１３０及び第二電極１４０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。

音波発生素子１１０が音波を発生する原理は、電気−熱−音の変換であり、音波発生素子１１０が音波を発生する際熱が生じる。熱音響装置１０が作動する際、第一電極１３０及び第二電極１４０により外部回路と電気的に接続され、外部信号を転送して、音波を発生させることができる。熱音響装置１０はカーボンナノチューブ構造体を含み、該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及び散熱の表面は小さいので、信号を入力した後、カーボンナノチューブ構造体は速く昇温し、温度が周期的に変化して、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。

熱音響装置１０には以下の優れた点がある。第一に、音波発生ユニットは第一基板と第二基板との間に設置されている。つまり、第一基板と第二基板とにより挟まれている。これにより、音波発生ユニットを固定すると同時に、層状のカーボンナノチューブ構造体を良好に保護でき、外力によって層状のカーボンナノチューブ構造体が破壊されることを防止する。また、第二基板における複数の通孔によって、音波発生素子が発生した音を外界に伝播することができ、熱音響効果に影響を与えない。第二に、第一基板及び第二基板は柔軟な材料からなるので、熱音響装置１０も柔軟性に優れる。第三に、柔軟な材料は安価であり、また加工し易いので、熱音響装置１０も加工し易い。従って、従来技術によって、小さいサイズの構造体及び部品を製造し易く、且つコストも低いため産業化に有利である。

（実施例２）
図６、図７を参照すると、本発明の実施例２は熱音響装置２０を提供する。本実施例の熱音響装置２０は、第一基板１００と、第二基板１２０と、音波発生ユニットと、を含み、該音波発生ユニットは、音波発生素子１１０と、複数の第一電極１３０と、複数の第二電極１４０と、を含む。複数の第一電極１３０と複数の第二電極１４０とは、相互に間隔をあけて設置され、音波発生素子１１０と電気的に接続される。音波発生ユニットは第一基板１００と第二基板１２０との間に設置されている。つまり、第一基板１００と第二基板１２０とに挟まれている。

本実施例２の熱音響装置２０の構造と、実施例１の熱音響装置１０の構造とは基本的に同じであるが、異なる点がある。その異なる点を以下に示す。本実施例２の音波発生ユニットは、複数の第一電極１３０と複数の第二電極１４０を含み、複数の第一電極１３０と複数の第二電極１４０とは間隔をあけて交互に設置され、任意の隣接する第一電極１３０と第二電極１４０との間に、少なくとも一つの凹部１０２を有し、複数の第一電極１３０と複数の第二電極１４０とは、突起１０４の表面に設置され、複数の第一電極１３０は相互に電気的に接続され、複数の第一電極１４０も相互に電気的に接続される。

更に、複数の第一電極１３０と複数の第二電極１４０とは交互に設置され、隣接する第一電極１３０と第二電極１４０とは間隔をあけて設置される。具体的には、複数の第一電極１３０は、第一連接部１５０によって電気的に相互に連接されて第一櫛歯電極を形成する。複数の第二電極１４０は、第二連接部１６０によって電気的に相互に連接されて第二櫛歯電極を形成する。第一櫛歯電極と第二櫛歯電極とが対向して設置されることによって、第一櫛歯電極の歯部と第二櫛歯電極の歯部とは間隔をあけて互いに平行に、且つ交互に設置される。第一連接部１５０と第二連接部１６０の設置される位置は、音波発生素子１１０の音の発生に影響しない。本実施例において、第一連接部１５０と第二連接部１６０とは、第一基板１００の第一表面１０１の対向する両辺縁にそれぞれ設置される。

第一櫛歯電極の歯部と第二櫛歯電極の歯部とは交互に設置されている。この連接方式によって、隣接する第一電極１３０及び第二電極１４０は一つの熱音響ユニットを形成する。従って、音波発生素子１１０は複数の熱音響ユニットを備える。また、該複数の熱音響ユニットは並列であり、音波発生素子１１０の駆動電圧を低くする。

（実施例３）
図８、図９を参照すると、本発明の実施例３は熱音響装置３０を提供する。本実施例の熱音響装置３０は、第一基板１００と、第二基板１２０と、複数の音波発生ユニットと、を含む。各音波発生ユニットは、音波発生素子１１０と、複数の第一電極１３０と、複数の第二電極１４０と、を含む。複数の音波発生ユニットは、第一基板１００の第一表面１０１に相互に独立して設置され、第一基板１００と第二基板１２０との間に設置されている。つまり、この複数の音波発生ユニットは第一基板１００と第二基板１２０とに挟まれている。各音波発生ユニットにおいて、複数の第一電極１３０と複数の第二電極１４０とは、相互に間隔をあけて電気的に絶縁して設置され、それぞれ音波発生素子１１０と電気的に接続される。第一基板１００の第一表面１０１は、複数の凹部１０２を有し、第二基板１２０は複数の通孔１２２を有し、該複数の通孔１２２の少なくとも一部は複数の凹部１０２と対応する。

隣接する音波発生ユニットは相互に独立して設置される。ここで、相互に独立して設置されるとは、隣接する音波発生ユニットにおける音波発生素子１１０が相互に絶縁されていて、音波発生素子１１０に異なる信号を入力することによって、独立して作動することである。具体的には、切線１０８によって、隣接する音波発生ユニットは相互に独立して設置される。切線１０８は、第一基板１００の第一表面１０１に設置される。第一基板１００の面積或いは音波発生ユニットの数量によって、複数の切線１０８の位置を選択することができる。本実施例において、複数の切線１０８は、第一基板１００の第一表面１０１に設置され、該複数の切線１０８は、相互に平行であり或いは相互に垂直である。複数の切線１０８は、貫通溝、貫通穴、止まり溝、止まり穴の一種或いは多種である。本実施例において、複数の切線１０８は止まり溝である。これにより、複数の音波発生ユニットは同じ基板を用いることになる。

本実施例３の熱音響装置３０の構造と、実施例２の熱音響装置２０の構造とは基本的に同じであるが、異なる点がある。該異なる点を以下に示す。本実施例３の複数の音波発生ユニットは第一基板１００の第一表面１０１に相互に独立して設置され、第一基板１００と第二基板１２０との間に設置されている。つまり、第一基板１００と第二基板１２０とにより挟まれている。

実施例３に係る複数の音波発生ユニットの製造方法は、第一基板１００を提供し、該第一基板１００は第一表面１０１を有し、第一表面１０１に複数のユニット格子を定義するステップ（Ｓ１１）と、各ユニット格子に、間隔をあけて平行する複数の凹部１０２を形成し、パターニングされた表面を形成するステップ（Ｓ１２）と、パターニングされた表面に、間隔をあけて複数の第一電極１３０及び複数の第二電極１４０を形成するステップ（Ｓ１３）と、第一表面１０１に音波発生素子１１０を設置し、複数の第一電極１３０及び複数の第二電極１４０と電気的に接続し、該音波発生素子１１０は複数のユニット格子を被覆し、且つ複数のユニット格子と一対一で対応するステップ（Ｓ１４）と、切線１０８によって、音波発生素子１１０を切断して分離し、ユニット格子における隣接する音波発生素子１１０を絶縁するステップ（Ｓ１５）と、を含む。

ステップ（Ｓ１１）では、第一基板１００の第一表面１０１において、複数のユニット格子は相互に独立する。ユニット格子を定義する方法は制限されない。本実施例においては、第一基板１００の第一表面１０１に、複数の切線１０８を形成することによって、複数のユニット格子を形成する。切線１０８を形成する方法は制限されず、例えば、機械的方法、化学的方法などである。本実施例において、ウェットエッチング法によって、第一基板１００に、複数の切線１０８を形成する。

具体的には、切線１０８を形成する方法は、第一基板１００の第一表面１０１にマスク層（図示せず）を設置するステップ（Ｓ１１１）と、第一基板１００をエッチングして、複数の切線１０８を形成するステップ（Ｓ１１２）と、マスク層を除去するステップ（Ｓ１１３）と、含む。

ステップ（Ｓ１２）において、第一基板１００は第一表面１０１を有し、複数の凹部１０２を第一基板１００の第一表面１０１に形成し、隣接する凹部１０２の間に、突起１０４を形成する。ドライエッチング法或いはウェットエッチング法によって、第一基板１００の第一表面１０１に複数の凹部１０２を形成する。本実施例において、ウェットエッチング法によって、基板１００の第一表面１０１に複数の凹部１０２を形成する。

具体的には、各ユニット格子に、間隔をあけて複数の凹部１０２を形成し、パターニングされた表面を形成するステップは、第一基板１００の第一表面１０１に、マスク層（図示せず）を設置するステップ（Ｓ１２１）と、第一基板１００におけるユニット格子をエッチングして、間隔をあけて複数の凹部１０２を形成するステップ（Ｓ１２２）と、マスク層を除去するステップ（Ｓ１２３）と、含む。

ステップ（Ｓ１２１）において、マスク層はパターニングされた構造であり、該パターニングされた構造は複数の貫通穴を有する。各ユニット格子における凹部１０２の位置及び数量によって、マスク層における貫通穴の位置及び数量を確定する。本実施例において、マスク層における貫通穴は矩形であり、且つ同じ方向に沿って延伸するので、複数の凹部１０２も同じ方向に沿って延伸する。また、隣接する各ユニット格子における凹部１０２は通じていないので、各ユニット格子は相互に独立する。凹部１０２の深度は１００μｍ〜２００μｍであり、凹部１０２の最大の広さは０．２ｍｍ〜１ｍｍ。隣接する二つの凹部１０２の距離は２０μｍ〜２００μｍである。

更に、ステップ（Ｓ１１）及びステップ（Ｓ１２）は、一つのステップで完成できる。即ち、一つのマスク層によって、第一基板１００の第一表面１０１に、複数の切線１０８及び複数の凹部１０２を一回で形成する。切線１０８及び凹部１０２の作用は異なる。切線１０８の作用は、第一基板１００の第一表面１０１に複数のユニット格子を定義し、複数の音波発生ユニットを、切線１０８によって、相互に独立させることである。凹部１０２の作用は凹部１０２によって、音波発生素子１１０と第一基板１００の間に特定の距離を形成し、熱音響効果を高めることである。

ステップ（Ｓ１３）において、各ユニット格子における突起１０４の表面に、複数の第一電極１３０及び複数の第二電極１４０を、間隔をあけて設置する。第一電極１３０及び第二電極１４０の延伸方向は突起１０４の延伸方向と平行である。隣接する第一電極１３０と第二電極１４０の間に、凹部１０２を有する。スクリーン印刷法によって、第一電極１３０及び第二電極１４０を形成する。本実施例において、スクリーン印刷法によって、突起１０４の表面に第一電極１３０及び第二電極１４０を形成する。

ステップ（Ｓ１４）において、音波発生素子１１０（カーボンナノチューブ構造体）は第一表面に設置され、複数のユニット格子を被覆する。各ユニット格子における音波発生素子１１０は、複数の第一電極１３０及び複数の第二電極１４０と電気的に接続される。音波発生素子１１０は第一区域１１２と第二区域１１４を含む。第一区域１１２の音波発生素子１１０は、凹部１０２の位置に懸架して設置し、第二区域１１４の音波発生素子１１０は、突起１０４に設置する。音波発生素子１１０は、複数の第一電極１３０及び複数の第二電極１４０の表面に付着し、且つ複数の第一電極１３０及び複数の第二電極１４０と電気的に接続される。音波発生素子１１０はカーボンナノチューブ構造体を含み、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み、該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、基板の表面とほぼ平行する。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の延伸方向は凹部１０２と角度を成す。該角度は０°〜９０°である（０°は含まず）。

ステップ（Ｓ１５）において、各ユニット格子における隣接する音波発生素子１１０を絶縁することを保証しさえすれば、複数のユニット格子によって、音波発生素子１１０を切断して分離する方法は制限されない。本実施例において、レーザーによって、切線１０８に沿って、カーボンナノチューブ構造体を切断する。

熱音響装置３０には以下の優れる点がある。第一に、熱音響装置３０において、隣接する音波発生ユニットが相互に絶縁して設置される。これにより、各音波発生ユニットにおける音波発生素子１１０に異なる信号を入力でき、且つ各音波発生素子１１０は独立して作動することができる。第二に、第一基板１００の第一表面１０１に複数のユニット格子を定義し、複数のユニット格子に、複数の第一電極１３０及び第二電極１４０を一度に形成して、音波発生素子１１０が一度に設置される。これにより、一つの基板に複数の音波発生ユニットを一度に形成することができ、工程が簡単であり、熱音響装置の産業化に有利である。第三に、各音波発生ユニットの一体性を保護できれば、必要な形状及び大小によって、切線で複数の音波発生ユニットを任意に切断することできる。これにより、複数の熱音響装置を得ることができ、熱音響装置の産業化に有利である。

１０、２０、３０熱音響装置
１００第一基板
１０１第一表面
１０２凹部
１０４突起
１０８切線
１１０音波発生素子
１１２第一区域
１１４第二区域
１２０第二基板
１２１第二表面
１２２通孔
１３０第一電極
１４０第二電極
１５０第一連接部
１６０第二連接部

Claims

第一基板と、複数の音波発生ユニットと、第二基板と、を含む熱音響装置であって、
前記第一基板は、第一表面を有し、前記第一表面に複数のユニット格子を定義し、
各前記ユニット格子に、間隔をあけて平行する複数の凹部を有し、
各前記音波発生ユニットは第一基板の第一表面に相互に絶縁して設置され、且つ各前記ユニット格子と一対一で対応し、
各前記音波発生ユニットは、音波発生素子と、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、を含み、
前記音波発生素子は、カーボンナノチューブ構造体を含み、前記第一基板の第一表面に設置され、
前記少なくとも一つの第一電極及び前記少なくとも一つの第二電極は、間隔をあけて設置され、前記音波発生素子と電気的に接続され、
前記カーボンナノチューブ構造体の前記凹部と対応する部分は、懸架して設置され、
前記音波発生ユニットは前記第一基板と前記第二基板との間に設置され、つまり、前記音波発生ユニットは、前記第一基板と前記第二基板とに挟まれ、
前記第二基板は複数の通孔を有し、前記複数の通孔の少なくとも一部は前記凹部と対応し、
前記凹部の深さは１００μｍ〜２００μｍであることを特徴とする熱音響装置。
前記第一基板及び前記第二基板は、プリント基板（ＰＣＢ）であることを特徴とする請求項１に記載の熱音響装置。