JP5080621B2 - 熱音響装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、熱音響装置、特に金属膜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課題がある。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課題がある。

Ｈ．Ｄ．Ａｒｎｏｌｄ、Ｉ．Ｂ．Ｃｒａｎｄａｌｌ， "Ｔｈｅ ｔｈｅｒｍｏｐｈｏｎｅ ａｓ ａ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｓｏｕｒｃｅ ｏｆ ｓｏｕｎｄ"， Ｐｈｙｓ． １９１７年、第１０巻， 第２２−３８頁、 Ｋａｉｌｉ Ｊｉａｎｇ、Ｑｕｎｑｉｎｇ Ｌｉ、Ｓｈｏｕｓｈａｎ Ｆａｎ、"Ｓｐｉｎｎｉｎｇ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ ｙａｒｎｓ"、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起因して、音波を発生することができる。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が室外で利用される場合、音が非常に弱いという課題がある。

本発明の熱音響装置は、信号入力装置と、発音素子と、少なくとも二つの電極と、を備えている。前記発音素子は、基板と、複数の突起と、金属膜と、よりなる。前記金属膜は、前記複数の突起によって前記基板の一側に懸架されている。

本発明の熱音響装置の製造方法は、基板及び信号入力装置を提供する第一ステップと、前記基板の一つ表面に、複数の突起を形成する第二ステップと、隣接する前記突起の間の隙間を充填するために、前記基板の前記複数の突起が形成された表面に犠牲層を塗布する第三ステップと、前記犠牲層の表面に金属層を堆積させる第四ステップと、前記犠牲層を除去して発音素子を形成する第五ステップと、前記信号入力装置を前記発音素子に電気的に接続させる第六ステップと、を含む。

従来の技術と比べて、本発明の熱音響装置は次の優れた点がある。第一は、本発明の熱音響装置における金属膜は、複数の突起で支持されているので、前記金属膜に信号を転送して該金属膜を振動させるとき、前記金属膜の損傷を防止することができる。第二に、本発明の熱音響装置における金属膜は、所定の距離で基板と離れるように懸架されるので、音波発生器と周辺の空気と接触する面積が大きくなり、音波発生器により生じた熱が速く拡散されることができる。第三に、本発明の製造方法により、簡単に前記金属膜を懸架させることができる。

本発明の実施例１における熱音響装置の模式図である。 本発明の実施例１における熱音響装置の製造方法のフローチャートである。 本発明の実施例１における熱音響装置の製造方法の分解図である。 本発明の実施例２における熱音響装置の模式図である。

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、本実施例の熱音響装置１０は、信号入力装置１２と、発音素子１４と、少なくとも二つの電極１８と、を含む。前記発音素子１４は、基板１６と、複数の突起１７と、金属膜１５と、を含む。前記複数の突起１７は、前記基板１６の一つ表面１６２に形成されている。前記金属膜１５は、前記複数の突起１７に被覆させている。前記複数の電極１８は、相互に分離して設置され、且つ、それぞれ電気的に前記金属膜１５及び前記信号入力装置１２に接続されている。前記信号入力装置１２は、ＭＰ３再生機又は増幅器である。前記複数の電極１８により、前記信号入力装置１２からの電磁信号を前記発音素子１４に転送する。前記複数の電極１８及び前記信号入力装置１２は、ワイヤ１９によって電気的に接続されることができる。

前記基板１６は、絶縁材料、又は導電性が低い材料からなる。これにより、前記基板１６は前記金属膜１５で生じた熱を吸収することができない。本実施例において、前記基板１６はダイヤモンド、ガラス、石英、プラスチック、樹脂のいずれか一種からなる。前記基板１６の表面１６２に複数の突起を形成して、前記突起１７として利用できる。この場合、前記金属膜１５は、前記基板１６の表面１６２に設置されている。

前記金属膜１５は、Ｆｅ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｃｏ、Ｐｔ、Ａｌのいずれか一種又はその一種の合金からなる。前記金属膜１５は０．７μｍより薄く設けられるので、その単位面積当たりの熱容量は、０（０は含まず）〜２×１０^−４Ｊ／ｃｍ^２・Ｋに達することができる。前記金属膜１５は薄く設けられると、その単位面積当たりの熱容量は小さくなる。しかし、前記金属膜１５に高強度の信号を転送すると、該高強度の信号で生じた強い熱で、前記金属膜１５を熱膨張させるので、前記金属膜１５は損傷する恐れがある。本発明において、前記金属膜１５を前記突起１７に被覆させ、前記突起１７で前記金属膜１５を支持させることにより、前記金属膜１５の損傷を防止することができる。本実施例において、前記金属膜１５と前記突起１７と接触する面積は、０ｍｍ^２（０は含まず）〜１ｍｍ^２以下に設けられている。これにより、前記金属膜１５の大部分（９９％）を懸架させるので、前記金属膜１５と周囲の空気と接触する面積比が大きく、前記金属膜１５の熱伝導率が高くなり、前記熱音響装置１０の発声効果がよくなる。前記複数の突起１７を均一に形成することが好ましい。これによって、前記複数の突起１７で前記金属膜１５の重力を均一に分担できる。

前記複数の電極１８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。単一の前記電極１８の断面は、円形、方形、三角形、等辺四辺形、多角形のいずれか一種である。前記複数の電極１８により、前記信号入力装置１２と前記発音素子１４とを電気的に接続させることができる。前記複数の電極１８は、それぞれ所定の距離で離れて前記金属膜１５の一つ表面に設置されている。前記複数の電極１８は導電性接着剤で前記金属膜１５に接着されていてもよい。本実施例において、該導電性接着剤は、銀ペーストである。単一の前記電極１８の長さは、前記金属膜１５の幅と同じ設けられている。勿論、前記複数の電極１８を設置せず、前記信号入力装置１２を電気的に前記金属膜１５に接続することができる。これにより、前記信号入力装置１２からの電磁信号を直接前記金属膜１５に転送できる。

本実施例において、ワイヤ１９を利用して、前記信号入力装置１２と前記金属膜１５とを電気的に接続させる。前記信号入力装置１２からの電磁気信号は、前記電極１８で前記発音素子１４に転送される。

前記金属膜１５の単位面積当たりの熱容量が小さいので、前記金属膜１５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。前記金属膜１５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金属膜１５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。前記入力信号が電気信号である場合、前記熱音響装置１０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、前記熱音響装置１０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金属膜１５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（環境）の圧力強度が変化するので、検出可能信号を発生させることができる。本実施例における前記熱音響装置１０の音圧レベルは６０ｄＢ以上に達することができる。前記熱音響装置１０に４．５Ｗの電圧を印加する場合、前記熱音響装置１０の周波数応答範囲は、２０Ｈｚ〜１００ＫＨｚである。

図２及び図３を参照すると、前記熱音響装置１０の製造方法は、基板１６及び信号入力装置１２を提供する第一ステップと、前記基板１６の一つ表面１６２に、複数の突起１７を形成する第二ステップと、隣接する前記突起１７の間の隙間を充填するために、前記基板１６の前記複数の突起１７が形成した表面に犠牲層１３を塗布する第三ステップと、前記犠牲層１３の表面に金属層１５を堆積させる第四ステップと、前記犠牲層１３を除去する第五ステップと、前記信号入力装置１２を発音素子１４に電気的に接続させる第六ステップと、を含む。

前記第二ステップにおいて、前記突起１７は、フォトエッチング、イオンビームエッチング、電子線エッチング、サンドブラスティング、プライス印刷又はスクリーン印刷である。

前記第三ステップにおいて、前記犠牲層１３は、有機材料からなる。前記犠牲層１３は、前記有機材料を分解でき、前記金属膜１５が溶けない温度で製造されている。本実施例において、前記犠牲層１３は、４５０℃以下で、アクリル樹脂又は綿火薬で製造されたものである。前記犠牲層１３の厚さは、単一の前記突起１７の高さより小さい。

前記犠牲層１３の製造方法は、所定の比例で、ポリマー、可塑剤、溶剤（又は共溶媒）を混合して有機ポリマー溶液を形成する第一サブステップと、前記基板１６の前記表面１６２に前記有機ポリマー溶液を塗布する第二サブステップと、前記有機ポリマー溶液を固化させて前記犠牲層１３を形成する第三サブステップと、を含む。

前記第一サブステップにおいて、前記ポリマーは、ポリ（メタクリル酸イソブチル）及びアクリル酸Ｂ−７２樹脂を含む。前記可塑剤は、フタル酸ジブチル（ＤＢＰ）である。前記溶剤は、酢酸エチル及び酢酸ブチルである。前記共溶媒は、エタノール及びブタノールである。本実施例において、前記有機ポリマー溶液は次の表１に示されている。

さらに、前記第二ステップにおいて、前記有機ポリマー溶液を塗布する前に、前記基板１６を１分間〜１０分間洗浄することが好ましい。これにより、前記有機ポリマー溶液を容易に前記基板１６の表面１６２に塗布できる。

前記第四ステップにおいて、真空蒸着又はマグネトロンスパッタリングで金属を堆積させることにより、非常に薄い金属膜１５を形成することができる。

前記第五ステップにおいて、前記犠牲層１３を加熱して分解させると、前記犠牲層１３は薄くなるので、前記金属膜１５は自身の重量で降下して、前記複数の突起１７と接触する。前記犠牲層１３の加熱温度は、前記金属膜１５及び前記基板１６の融点より低いので、前記犠牲層１３を完全に分解させた後でも前記金属膜１５及び前記基板１６は溶けない。これにより、前記犠牲層１３を除去した後、前記金属膜１５は、前記基板１６の一側に懸架されているので、前記金属膜１５と周辺の媒介（空気又は液体）と接触する面積が大きくなる。

本実施例において、前記金属膜１５は、自立構造を有した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、前記金属膜１５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、前記金属膜１５を対向する両側から支持して、前記金属膜１５の構造を変化させずに、前記金属膜１５を懸架させることができることを意味する。前記金属膜１５の一部は、前記複数の突起１７で支持され、その他の部分は懸架されている。

さらに、前記金属膜１５と、前記電極１８と、を良好に接続させるために、前記金属膜１５及び前記電極１８の間に導電性を有する接着層（図示せず）を設置することができる。前記接着層と前記金属膜１５と接触する面積は、できるだけ小さくなるように設けられることが好ましい。本実施例において、前記導電性を有する接着層は銀ペーストからなる。

本実施例の製造方法において、前記犠牲層１３を加熱して除去することにより、前記金属膜１５を懸架させることは、簡単であり、前記複数の突起１７で前記金属膜１５を支持することにより、前記金属膜１５の損傷を防止できる。

（実施例２）
図４を参照すると、本実施例の熱音響装置２０は、信号入力装置２２と、発音素子２４と、少なくとも二つの電極２８と、を含む。前記発音素子２４は、基板２６と、複数の粒子２７と、金属膜２５と、を含む。前記複数の粒子２７は、前記基板２６の一つ表面２６２上に分散している。前記金属膜２５は、前記複数の粒子２７を被覆している。前記複数の電極２８は、相互に分離して設置され、且つ、それぞれ電気的に前記金属膜２５及び前記信号入力装置２２に接続されている。

単一の前記粒子２７の直経は１ｍｍ以下である。前記粒子２７は、セラミック、ガラス、石英のような硬い熱絶縁材料からなる。これにより、前記金属膜２５で生じた熱を、前記粒子２７で吸収することを防止することができる。さらに、前記基板２６の表面２６２及び前記粒子２７の間に、接着層を設置することができる。

前記熱音響装置２０の製造方法は、基板２６及び信号入力装置２２を提供する第一ステップと、前記基板２６の一つ表面２６２に、複数の粒子２７を設置する第二ステップと、隣接する前記粒子２７の間の隙間を充填するために、前記基板２６の前記複数の粒子２７が設置された表面に犠牲層を塗布する第三ステップと、前記犠牲層の表面に金属層２５を堆積させる第四ステップと、前記犠牲層を除去する第五ステップと、前記信号入力装置２２を発音素子２４に電気的に接続させる第六ステップと、を含む。

前記第二ステップにおいて、前記複数の粒子２７の設置方法は、前記基板２６の表面２６２に接着層を形成する第一サブステップと、該接着層に前記複数の粒子２７を均一に分散する第二サブステップと、を含む。

１０ 熱音響装置
１２ 信号入力装置
１４ 発音素子
１５ 金属膜
１６ 基板
１６２ 表面
１７ 突起
１８ 電極
２０ 熱音響装置
２２ 信号入力装置
２４ 発音素子
２５ 金属膜
２６ 基板
２６２ 表面
２７ 粒子
２８ 電極

Claims (1)

1. 基板及び信号入力装置を提供する第一ステップと、
   前記基板の一つ表面に、複数の突起を形成する第二ステップと、
   隣接する前記突起の間の隙間を充填するために、前記基板の前記複数の突起が形成された表面に犠牲層を塗布する第三ステップと、
   前記犠牲層の表面に金属層を堆積させる第四ステップと、
   前記犠牲層を除去して前記金属層を自身の重量で降下させ前記複数の突起と接触させることによって発音素子を形成する第五ステップと、
   前記信号入力装置を前記発音素子に電気的に接続させる第六ステップと、を含むことを特徴とする熱音響装置の製造方法。

Images