JP5818852B2

JP5818852B2 - 熱音響装置

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Publication number: JP5818852B2
Application number: JP2013212653A
Authority: JP
Inventors: 洋魏; ▲ハン▼　守善; 守善 ▲ハン▼
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Priority date: 2012-12-29
Filing date: 2013-10-10
Publication date: 2015-11-18
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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。具体的には、熱音響装置に熱が生じて、該熱は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は、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も非常に小さい（２×１０^−４Ｊ／ｃｍ^２・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（１００Ｈｚ〜１００ｋＨｚ）も広い。

従来の製造方法において、熱音響装置はガラス基板に設置される。しかし、技術的な制限により、ガラスは加工及び小型化が容易ではなく、また、他の電子素子と集積しにくい。また、ガラスは、熱伝導性に優れず、長時間作動すると温度が高くなり、熱音響効果に影響する。また、従来のスピーカーは一つの音波発生ユニットのみを有し、スピーカーから出力された音を、一度或いは数回にわたってマイクが拾う事により、原音が二重、またはエコーのように聞こえ、更にハウリングが発生する。

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、本発明は容易に生産でき、且つ小型化及び産業化を実現することができ、また、ハウリングが発生しない熱音響装置を提供する。

本発明の熱音響装置は、シリコン基板と、複数の音波発生ユニットと、複数のスイッチ素子と、駆動集積回路と、走査集積回路と、共通電極と、を含む熱音響装置であって、前記複数の音波発生ユニットは前記シリコン基板の表面に設置され、各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、前記シリコン基板の表面に設置され、且つ前記少なくとも一つの第一電極及び少なくとも一つの第二電極の間に直列に設置され、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、前記複数のスイッチ素子は前記複数の音波発生ユニットと一対一に対応して設置され、各スイッチ素子は各音波発生ユニットの第一電極と電気的に接続され、前記駆動集積回路は複数の駆動電極を含み、前記複数のスイッチ素子は駆動電極と第一電極の間に直列に設置され、駆動電極はスイッチ素子によって、音波発生ユニットに駆動電圧を印加し、前記走査集積回路は複数の走査電極を含み、該走査電極は前記スイッチ素子と電気的に接続され、前記走査電極は前記スイッチ素子によって、前記駆動電極が前記音波発生ユニットに駆動電圧を印加することを制御し、
前記共通電極は前記少なくとも一つの第二電極と電気的に接続される

本発明の本発明の熱音響装置は、シリコン基板の表面に、間隔をあけて平行して位置する複数の凹部を有し、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、シリコン基板の表面に、複数の凹部と複数の突起を有することによって、カーボンナノチューブフィルムを支持し、且つカーボンナノチューブフィルムを保護し、優れた熱音響効果を実現する。また、カーボンナノチューブフィルムは損傷されにくい。第二に、基板はシリコンからなるので、熱音響装置を容易に加工でき、現有の技術を利用することができる。従って、生産し易く、且つ、微小な部品を製造でき、産業化でき、小さいサイズ（例えば、１ｃｍより小さい）の熱音響装置を生産できる。第三に、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熱伝導性を有し、散熱装置を設置する必要がない。第四に、熱音響装置を製造する際、従来の半導体の製造工程を利用でき、他の部品（例えば、ＩＣチップ）と集積し易く、空間を減少させる。従って、小さいサイズの電気部品に適する。第五に、熱音響装置は複数の音波発生ユニットを有するので、複数の音波発生ユニットは独立して制御でき、更に、異なる音を発生できる。これにより、複数の音波発生ユニットが形成する熱音響装置は優れた音響効果を有する。第六に、従来のスピーカーが一つの音波発生ユニットのみを有することに比べ、本願の熱音響装置は複数の微小の音波発生ユニットを有するので、熱音響装置は同じ面積内に複数の音波発生ユニットが設置される。従って、マイクは複数の小さい微小の音波発生ユニットの中のいくつの音波発生ユニットのみが発生する音を拾うことができるので、マイクが拾う音は非常に弱く、ハウリングを発生しない。

本発明の実施例１における熱音響装置の構造図である。本発明の実施例１における熱音響装置の回路図である。本発明の実施例１における音波発生ユニットの構造図である。図３のＩＶ−ＩＶ線に沿った、音波発生ユニットの断面図である。本発明の実施例１における第一電極及び第二電極の写真である。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。本発明の実施例１における熱音響装置の製造方法において、有機溶剤で処理した後のカーボンナノチューブワイヤの光学顕微鏡写真である。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。

以下、図面を参照して、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を参照すると、本実施例の熱音響装置１０は、基板１１と、複数の音波発生ユニット１２と、複数のスイッチ素子１３と、走査集積回路１４と、駆動集積回路１５と、共通電極１６と、を含む。各音波発生ユニット１２は、一つのスイッチ素子１３と共通電極１６とに電気的に接続される。各スイッチ素子１３は、走査集積回路１４と駆動集積回路１５とにそれぞれ電気的に接続される。これにより、各スイッチ素子１３は制御信号を受信し、音波発生ユニット１２の作動を制御する。

基板１１は平面構造であり、その形状に制限はない。例えば、円形、方形、矩形及び他の形状である。基板１１の表面面積は、２５ｍｍ^２〜１００ｍｍ^２である。具体的には、基板１１の面積は、３６ｍｍ^２、６４ｍｍ^２或いは８０ｍｍ^２である。基板１１の厚さは０．２ｍｍ〜０．８ｍｍである。基板１１が音波発生ユニット１２を支持する表面を有することを保証しさえすれば、基板１１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１１の材料は、単結晶シリコン或いは多結晶シリコンである。基板１１は熱伝導性に優れているため、音波発生ユニット１２が作動中に生成する熱は、外界に伝播されて、音波発生ユニット１２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１１は正方形の平面構造であり、一辺の長さは１０ｍｍであり、厚さは０．６ｍｍである。また、基板１１の材料は単結晶シリコンである。

図２を併せて参照すると、熱音響装置１０は複数の駆動電極１５１と、複数の走査電極１４１と、共通電極１６と、を含む。複数の駆動電極１５１は相互に平行に位置し、且つ絶縁マット１７によって、複数の走査電極１４１と絶縁され、垂直に交差する。絶縁マット１７の材料は、絶縁セラミック、シリカなどである。各複数の駆動電極１５１の一端は駆動集積回路１５と電気的に接続され、他の一端はスイッチ素子１３と電気的に接続される。各複数の走査電極１４１の一端は走査集積回路１４と電気的に接続され、他の一端はスイッチ素子１３と電気的に接続される。隣接する二つの走査電極１４１と隣接する二つの駆動電極１５１とによって、一つの格子が形成される。各音波発生ユニット１２は一つの格子と対応して該格子内に設置される。共通電極１６は低電位を提供することに用いられる。共通電極１６は駆動電極１５１と平行であり、且つ走査電極１４１と絶縁されて交差する。共通電極１６、駆動電極１５１及び走査電極１４１の設置位置は、共通電極１６、駆動電極１５１及び走査電極１４１が相互に絶縁されることを保証できれば、その設置位置に制限はない。例えば、共通電極１６、駆動電極１５１及び走査電極１４１は回路板の異なる層にそれぞれ形成され、相互に間隔をかけて設置される。本実施例において、共通電極１６は接地される。

複数のスイッチ素子１３は、複数の音波発生ユニット１２と一対一に対応して設置され、且つ対応する音波発生ユニット１２と電気的に接続される。また、複数のスイッチ素子１３は走査集積回路１４と駆動集積回路１５とにそれぞれ電気的に接続される。これにより、音波発生ユニット１２と駆動集積回路１５との間の回路のオン／オフを制御できる。具体的には、走査電極１４１によって、各スイッチ素子１３と走査集積回路１４とは電気的に接続される。スイッチ素子１３は、駆動電極１５１と第一電極１２２との間に直列に設置され、駆動電極１５１はスイッチ素子１３によって、音波発生ユニット１２に駆動電圧を印加する。各走査電極１４１は、スイッチ素子１３を制御することによって、駆動電極１５１が音波発生ユニット１２に駆動電圧を印加することを制御し、音波発生ユニット１２と駆動電極１５１との間の回路のオン／オフを制御する。スイッチ素子１３をオフにすると、駆動電極１５１は音波発生ユニット１２に駆動電圧を提供する。スイッチ素子１３はトランジスタであり、例えば、結晶トランジスタ、電界効果トランジスタ或いは他の制御素子でも良い。本実施例において、スイッチ素子１３は薄膜トランジスタ（ｔｈｉｎｆｉｌｍｔｒａｎｊｉｓｔｏｒ，ＴＦＴ）である。スイッチ素子１３は、ドレイン電極と、ソース電極と、グリッド電極と、を含む。ソース電極は駆動電極１５１と電気的に接続され、ドレイン電極は音波発生ユニット１２と電気的に接続され、グリッド電極は走査電極１４１と電気的に接続される。グリッド電極は走査電極１４１と電気的に接続され、走査電極１４１は走査集積回路１４と電気的に接続される。走査集積回路１４は、グリッド電極の電位を制御することにより、ドレイン電極とグリッド電極との間のオン／オフを制御し、更に音波発生ユニット１２の作動状態を制御する。

図３、図４を参照し、各音波発生ユニット１２は、音波発生素子１２１と、複数の第一電極１２２と、複数の第二電極１２４と、を含む。音波発生素子１２１は、少なくとも一つの第一電極１２２及び少なくとも一つの第二電極１２４の間に直列に設置される。音波発生素子１２１は基板１１と絶縁されて設置される。具体的には、音波発生素子１２１は、絶縁層１２３によって基板１１と絶縁されて設置される。基板１１の各音波発生ユニット１２と対応する表面は、複数の凹部１２６及び複数の突起１２８を有し、該複数の凹部１２６及び複数の突起１２８は交互に位置する。絶縁層１２３は基板１１の表面上に設置され、複数の凹部１２６及び複数の突起１２８の表面に付着する。音波発生素子１２１は基板１１の表面上に設置され、絶縁層１２３によって、基板１１と絶縁されて設置される。音波発生素子１２１は、第一区域１２１２と第二区域１２１４を含む。第一区域１２１２は、凹部１２６の位置と対応する。従って、第一区域１２１２の音波発生素子１２１は懸架され、凹部１２６の底面と間隔をあけて設置される。第二区域１２１４の音波発生素子１２１は、突起１２８の位置と対応する。第二区域１２１４の音波発生素子１２１は、突起１２８の表面に設置され、絶縁層１２３によって、基板１１と絶縁されて設置される。第一電極１２２と第二電極１２６とは、相互に間隔をあけて電気的に絶縁されて設置され、それぞれ音波発生素子１２１と電気的に接続される。

基板１１の表面において、複数の凹部１２６は均一に分布され、特定の規則に従って分布され、或いはアレイ形式で分布され、或いはランダムに分布される。好ましくは、複数の凹部１２６は、基板１１の表面に均一に分布され、且つ相互に突起１２８によって間隔をあけて設置される。即ち、隣接する二つの凹部１２６の間には、突起１２８が形成される。つまり、隣接する二つの凹部１２６の間の基板１１の表面は、突起１２８の表面である。複数の凹部１２６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１２６は、基板１１の表面から基板１１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。音波発生素子１２１の第一区域１２１２は、凹部１２６の位置と対応する。従って、第一区域１２１２の音波発生素子１２１は凹部１２６上に懸架され、凹部１２６の底面及び側面には接触しない。

凹部１２６の深度は、必要に応じて及び基板１１の厚さによって選択できる。凹部１２６の深度は、好ましくは、１００μｍ〜２００μｍである。この際、基板１１は、音波発生素子１２１を保護すると同時に、基板１１と音波発生素子１２１との距離を保証する。前記距離により、音波発生素子１２１が作動して発生した熱は、基板１１に完全に吸収されなく、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１２１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１２６が溝である場合、凹部１２６が基板１１の表面に延伸する長さは、基板１１の一辺の長さより短い。凹部１２６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。本実施例において、凹部１２６の横断面は逆台形である。即ち、溝の幅は、溝が深くなるにつれて狭くなる。逆台形の底面と側面を形成する角度はαであり、該角度αの大小は基板１１の材料に関係する。具体的には、角度αの大小は、基板１１の単結晶シリコンの結晶面の角度と同じである。凹部１２６の最大の幅（ここで、前記最大の幅とは、横断面の幅の最大値である）は、０．２ｍｍ〜１ｍｍである。この最大の幅は、音波発生素子１２１が作動中に破裂することを防止する或いは音波発生素子１２１の駆動電圧を下げることができる。また、駆動電圧は１２Ｖより小さいが、好ましくは、５Ｖ以下である。

絶縁層１２３は単層構造或いは多層構造である。絶縁層１２３が単層構造である場合、絶縁層１２３は、突起１２８の表面のみに設置される或いは基板１１の表面の全てに付着する。ここで、基板１１の表面の全てに付着するとは、絶縁層１２３が凹部１２６の底面及び側面を被覆し、且つ突起１２８の表面を被覆することを意味する。即ち、絶縁層１２３の起伏の傾向は、凹部１２６と突起１２８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１２３によって、基板１１と音波発生素子１２１とは絶縁される。本実施例において、絶縁層１２３は、連続した単層構造であり、基板１１の表面の全てを被覆する。絶縁層１２３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１２３によって、基板１１と音波発生素子１２１とを絶縁でき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１２３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１２３の厚さは１.２μｍである。

図３、図５を参照すると、複数の第一電極１２２と複数の第二電極１２４とは交互に設置され、隣接する第一電極１２２と第二電極１２４とは間隔をあけて設置されている。具体的には、複数の第一電極１２２は、第一連続部１２２１によって電気的に接続されて第一櫛歯電極を形成する。複数の第二電極１２４は、第二連続部１２４１によって、電気的に接続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。第一連続部１２２１と第二連続部１２４１とは、基板１１の表面の対向する両辺縁にそれぞれ設置され、第一連続部１２１１及び第二連続部１２４１は、電気的に接続するために用いられる。その設置される位置は、音波発生素子１２１の音の発生に影響しない。第一電極１２２及び第二電極１２４は導電材料からなり、形状及び構造に制限はない。具体的には、第一電極１２２及び第二電極１２４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。

第一連続部１２２１はスイッチ素子１３のドレイン電極と電気的に接続される。これにより、全ての複数の第一電極１２２は、スイッチ素子１３のドレイン電極と電気的に接続される。第二連続部１２４１は共通電極１６と電気的に接続される。これにより、全ての複数の第二電極１２４は共通電極１６と電気的に接続される。スイッチ素子１３のドレイン電極に電圧を入力すると、スイッチ素子１３のドレイン電極と共通電極１６との間に、駆動電圧が形成される。第一電極１２２及び第二電極１２４によって形成された駆動電圧を、音波発生素子１２１に印加して、音波発生素子１２１から音波を発生させる。

熱音響装置１０が作動すると、駆動集積回路１５は直流駆動電圧を出力し、複数の駆動電極１５１が一つずつ走査される。同時に、走査集積回路１４は直流走査電圧を出力し、複数の走査電極１４１が一つずつ走査される。走査の過程において、走査された駆動電極１５１から伝送された駆動電圧を、スイッチ素子１３のソース電極に印加する。走査された走査電極１４１から伝送された駆動電圧を、スイッチ素子１３のグリッド電極に印加することによって、スイッチ素子１３のドレイン電極とソース電極とは接続され、スイッチ素子１３のソース電極に印加された駆動電圧を、スイッチ素子１３のドレイン電極に印加させる。更に、スイッチ素子１３のドレイン電極は第一電極１２２と電気的に接続されるので、スイッチ素子１３のドレイン電極に印加された駆動電圧は音波発生素子１２１に印加され、第一電極１２２と第二電極１２４の間に駆動電圧が形成され、音波発生素子１２１を駆動させて音波を発生させることができる。

音波発生素子１２１は、単位面積当たりの熱容量が非常に低い。音波発生素子１２１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響材料である。本実施例において、音波発生素子１２１はカーボンナノチューブのみからなり、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１２１は導電構造であり、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１２１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、音波発生素子１２１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１２１は、好ましくは自立構造である。ここで、自立構造とは、支持体材を利用せず、音波発生素子１２１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１２１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、熱を伝播する。音波発生素子１２１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１２１は、層状のカーボンナノチューブ構造体であることができる。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基板１１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、少なくとも一つの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と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６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からなる自立構造体であり、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。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は、少数のランダムなカーボンナノチューブを含む。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ので、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。

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。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、分子間力で端と端とが互いに接続されているので、自立構造体を実現する。

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、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的に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、前記複数のカーボンナノチューブは基板１１の表面にほぼ平行して位置する。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、同一面上で基板１１の表面に設置される。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得て、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１２８における絶縁層１２３の表面に直接付着できる。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している。該複数のカーボンナノチューブの延伸する方向は、凹部１２６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１２６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１２８における絶縁層１２３の表面に付着させた後、有機溶剤によって、基板１１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基板１１との接触面積を増大させる。これにより、突起１２８における絶縁層１２３の表面に緊密に付着できる。また、前記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ことで、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を減少し、接着性は弱くなる。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。

本実施例において、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。図７を参照すると、カーボンナノチューブワイヤの延伸方向は凹部１２６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１２６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１２６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１２６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８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する複数のカーボンナノチューブが分子間力によって互いに緊密に結合して、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。この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、且つ接着性も弱い。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１２６位置に懸架する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９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、接着性が小さい一方、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。

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１２２から第二電極１２４までの方向に沿って延伸する。また、各第一電極１２２及び第二電極１２４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１２２及び第二電極１２４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。好ましくは、第一電極１２２及び第二電極１２４の長さはカーボンナノチューブ構造体の幅より大きい。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１２１におけるカーボンナノチューブは、第一電極１２２及び第二電極１２４の長手方向に垂直な方向に配列する。第一電極１２２と第二電極１２４とは平行に設置される。第一電極１２２及び第二電極１２４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１２１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１２１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１２２及び第二電極１２４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。更に、熱音響装置１０は散熱装置（図示せず）を含み、該散熱装置は、基板１１の音波発生素子１２１と反対側の表面に設置される。

熱音響装置１０には以下の優れた点がある。第一に、シリコン基板の表面に、複数の凹部と複数の突起を有することによって、カーボンナノチューブフィルムを支持し、且つカーボンナノチューブフィルムを保護し、優れた熱音響効果を実現する。また、カーボンナノチューブフィルムは損傷されにくい。第二に、基板１１はシリコンからなるので、熱音響装置１０を容易に加工でき、現有の技術を利用することができる。従って、生産し易く、且つ、微小な部品を製造でき、産業化でき、小さいサイズ（例えば、１ｃｍより小さい）の熱音響装置を生産できる。第三に、基板１１は優れた熱伝導性を有するので、熱音響装置１０も優れた熱伝導性を有し、散熱装置を設置する必要がない。第四に、熱音響装置１０を製造する際、従来の半導体の製造工程を利用でき、他の部品（例えば、ＩＣチップ）と集積し易く、空間を減少させる。従って、小さいサイズの電気部品に適する。第五に、熱音響装置１０は複数の音波発生ユニット１２を有するので、複数の音波発生ユニット１２は独立して制御でき、更に、異なる音を発生できる。これにより、複数の音波発生ユニット１２が形成する熱音響装置は優れた音響効果を有する。第六に、従来のスピーカーが一つの音波発生ユニットのみを有することに比べ、本願の熱音響装置１０は複数の微小の音波発生ユニットを有するので、熱音響装置は同じ面積内に複数の音波発生ユニットが設置される。従って、マイクは複数の小さい微小の音波発生ユニットの中のいくつの音波発生ユニットのみが発生する音を拾うことができるので、マイクが拾う音は非常に弱く、ハウリングを発生しない。

１０熱音響装置
１１基板
１２音波発生ユニット
１３スイッチ素子
１４走査集積回路
１５駆動集積回路
１６共通電極
１７絶縁マット
１２１音波発生素子
１２１２第一区域
１２１４第二区域
１２２第一電極
１２３絶縁層
１２４第二電極
１２２１第一連続部
１２４１第二連続部
１２６凹部
１２８突起
１４１走査電極
１５１駆動電極

Claims

シリコン基板と、複数の音波発生ユニットと、複数のスイッチ素子と、駆動集積回路と、走査集積回路と、共通電極と、を含む熱音響装置であって、
前記複数の音波発生ユニットは前記シリコン基板の表面に設置され、各音波発生ユニットは音波発生素子と、複数の第一電極と、複数の第二電極と、を含み、
前記シリコン基板の表面に、複数の突起及び複数の凹部が形成され、前記複数の突起及び前記複数の凹部が交互に設置され、
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、前記シリコン基板の表面に設置され、且つ前記複数の第一電極及び複数の第二電極の間に直列に設置され、前記複数の第一電極及び前記複数の第二電極は、前記突起に対応する位置に交互にそれぞれ設置されて、前記音波発生素子と電気的に接続され、
前記複数のスイッチ素子は前記複数の音波発生ユニットと一対一に対応して設置され、各スイッチ素子は各音波発生ユニットの第一電極と電気的に接続され、
前記駆動集積回路は複数の駆動電極を含み、前記複数のスイッチ素子は駆動電極と第一電極の間に直列に設置され、駆動電極はスイッチ素子によって、音波発生ユニットに駆動電圧を印加し、
前記走査集積回路は複数の走査電極を含み、該走査電極は前記スイッチ素子と電気的に接続され、前記走査電極は前記スイッチ素子によって、前記駆動電極が前記音波発生ユニットに駆動電圧を印加することを制御し、
前記共通電極は前記複数の第二電極と電気的に接続され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の前記凹部と対応する部分は、懸架して設置され、
前記凹部の深さは１００μｍ〜２００μｍであることを特徴とする請求項１に記載の熱音響装置。