WO2008029451A1

WO2008029451A1 - Thermal sound generating device

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Description

明細書

熱音響発生装置

技術分野

[0001] 本発明は、例えば固体の温度変調によって音波を発生させる熱音響発生装置の技術分野に関する。

背景技術

[0002] このような熱音響発生装置として、例えば特許文献 1及び特許文献 2には、抵抗発熱体に電圧の印加を繰り返し行うことで、ジュール熱を利用することにより発熱層を温度変調する構成が開示されている。

[0003] 特許文献 1 :特開平 3— 140100号公報

特許文献 2：特開平 11― 300274号公報

特許文献 3 :特開 2005— 150797号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0004] このような温度変調にジュール熱を用いる構成では、温度変調の結果出力される音波信号は、温度変調を制御するために入力される入力信号の二乗のオーダーになつてしまう。このため、入力信号とは異なる音波信号が出力されてしまうという技術的な問題点が生ずる。そこで、特許文献 3に記載されているように、交流信号に直流信号を重畳することで入力信号を生成し、入力信号の周波数と同じ周波数の音波信号成分を出力する技術が提案されてヽる。

[0005] し力しながら、かかる技術では、入力信号と異なる周波数成分 (つまり、歪み成分）を完全に除去することができな、。交流信号に重畳される直流信号を大きくすれば、歪み成分を小さくすることはできるものの、音波の発生効率が大幅に低下してしまう。

[0006] 他方で、特許文献 2には、温度変調にジュール熱を用いる構成に加えて、ペルチェ素子を発熱体薄膜として用いる構成も開示されている。しかしながら、特許文献 2に記載の構成では、ペルチヱ素子力なる発熱体薄膜の下は熱絶縁層が接する構成となっており、この部分に電流を流して駆動するような構成となっていない。この構成では電流が、発熱体薄膜の膜厚方向に直交する方向に (言い換えれば、膜厚方向に対して水平に又は平面的に)流れることから、電流に対する発熱体薄膜の抵抗が大きくなり、結果として、ジュール熱の発生が増加してしまうという技術的な問題点を有している。このため、ペルチェ素子を発熱体として使用しながらも、ジュール熱が大きいことから、上述した各種問題が生じてしまう。更に、発熱体薄膜と信号端子との接点部分が小さ!/、ことから、熱電効果による大きな温度変化を得ることができな、。

[0007] 本発明は、例えば上述した従来の問題点に鑑みなされたものであり、例えばジユール熱の発生を抑制しつつ、効率的に、温度変調によって音波を発生することができる熱音響発生装置を提供することを課題とする。

課題を解決するための手段

[0008] 上記課題を解決するために、請求の範囲第 1項に記載の熱音響発生装置は、固体の温度変調により音波を発生させる熱音響発生装置であって、熱電素子層と、前記熱電素子層の一方の面上に積層される第 1電極層と、前記熱電素子層の前記一方の面とは逆側に位置する他方の面上に積層される第 2電極層とを備える。

[0009] 本発明の作用及び他の利得は次に説明する実施の形態力明らかにされよう。

図面の簡単な説明

[0010] [図 1]本実施例に係る熱音響発生装置の第 1の基本構成を概念的に示す断面図である。

[図 2]本実施例に係る熱音響発生装置の第 2の基本構成を概念的に示す断面図である。

[図 3]本実施例に係る他の熱音響発生装置の第 3の基本構成を概念的に示す断面図である。

[図 4]本実施例に係る他の熱音響発生装置の第 4の基本構成を概念的に示す断面図である。

[図 5]上部電極と雰囲気気体とが接する面積を大きくした熱音響発生装置の構成を概念的に示す断面図である。

[図 6]第 1変形例に係る熱音響発生装置の第 1の基本構成を概念的に示す斜視図である。 [図 7]第 1変形例に係る熱音響発生装置の第 2の構成を概念的に示す斜視図である

[図 8]第 2変形例に係る熱音響発生装置の第 1の基本構成を概念的に示す斜視図である。

[図 9]第 2変形例に係る熱音響発生装置の第 2の構成を概念的に示す斜視図である

[図 10]第 3変形例に係る熱音響発生装置の第 1の基本構成を概念的に示す斜視図である。

[図 11]第 3変形例に係る熱音響発生装置の第 2の基本構成を概念的に示す斜視図である。

[図 12]第 3変形例に係る熱音響発生装置の第 3の構成を概念的に示す斜視図である。

[図 13]第 3変形例に係る熱音響発生装置の第 4の構成を概念的に示す斜視図である。

符号の説明

[0011] 1、 100、 101、 102、 103、 104、 105 熱音響発生装置

10 熱音響発生ユニット

11 上部電極

12 熱電素子

13 下部電極

14 充填材

15 支持基体

発明を実施するための最良の形態

[0012] 以下、発明を実施するための最良の形態として、本発明の熱音響発生装置に係る実施形態の説明を進める。

[0013] 本発明の熱音響発生装置に係る実施形態は、固体の温度変調により音波を発生させる熱音響発生装置であって、熱電素子層と、前記熱電素子層の一方の面上に積層される第 1電極層と、前記熱電素子層の前記一方の面とは逆側に位置する他方の面上に積層される第 2電極層とを備える。

[0014] 本発明の熱音響発生装置に係る実施形態によれば、第 1電極層と第 2電極層とが熱電素子層を挟み込むように、第 1電極層、熱電素子層及び第 2電極層が、この順に積層された構造を有して、る。

[0015] 第 1電極層と第 2電極層との間に電圧を印加することで、熱電素子層には電流が流れる。その結果、第 1電極層と熱電素子層との境界において、熱電効果による発熱又は吸熱が生ずる。同様に、第 2電極層と熱電素子層との境界において、熱電効果による発熱又は吸熱が生ずる。この場合、熱電素子の性質上、第 1電極層と熱電素子層との境界にお、て発熱が生じた場合は、第 2電極層と熱電素子層との境界にお!/ヽて吸熱が生ずる。他方、第 1電極層と熱電素子層との境界において吸熱が生じた場合は、第 2電極層と熱電素子層との境界において発熱が生ずる。これにより、第 1電極層や第 2電極層が加熱又は冷却され、その結果、第 1電極層や第 2電極層と接する雰囲気気体が加熱又は冷却される。このとき、第 1電極層と第 2電極層との間に印加する電圧を制御する（例えば、電圧の大きさや符号等を制御する）、つまり熱電素子層に流れる電流を制御する（例えば、電流の大きさや流れる向き等を制御する）ことで、雰囲気気体の加熱及び冷却を制御することができる。この結果、音波を発生させることができる。

[0016] 特に本実施形態においては、第 1電極層と熱電素子層と第 2電極層とが積層構造を有し、熱電素子層の膜厚方向に電流を流すことで熱音響発生装置を駆動する。このため、電気抵抗が小さくなり、ジュール熱の発生を抑えることができる。更には、第 1電極層及び第 2電極層の夫々が熱電素子層と平面的に接することから、より広い面積において発熱及び吸熱を生じさせることができる。その結果、発熱及び吸熱を効率的に生じさせることができる。つまり、効率的に、温度変調によって音波を発生させることがでさる。

[0017] 更には、本実施形態によれば、後述するように、第 1電極層や第 2電極層の厚み等を調整することで、より効率的に発熱及び吸熱を生じさせることができる。

[0018] 尚、本実施形態においては、第 1電極層における発熱及び吸熱と、第 2電極層における発熱及び吸熱のいずれを利用して音波を発生させてもよい。但し、第 1電極層又は第 2電極層のいずれか一方における発熱及び吸熱を利用して音波を発生させることが好ましい。第 1電極層のみにおける発熱及び吸熱を利用して音波を発生させる場合には、第 2電極層における発熱及び吸熱が第 1電極層における発熱及び吸熱による温度変調に影響を与えないように構成することが好ましい。同様に、第 2電極層のみにおける発熱及び吸熱を利用して音波を発生させる場合には、第 1電極層における発熱及び吸熱が第 2電極層における発熱及び吸熱による温度変調に影響を与えな、ように構成することが好ま、。

[0019] 以下の実施形態では、第 1電極層における発熱及び吸熱を利用して音波を効率的に発生させる構成について説明する。但し、第 2電極層における発熱及び吸熱を利用して音波を効率的に発生させる場合にも、後述する第 1電極層における発熱及び吸熱を利用して音波を効率的に発生させる際の態様を適宜適用してもょ、ことは言うまでもない。

[0020] 本発明の熱音響発生装置に係る実施形態の一の態様は、前記第 1電極層の熱容量は、前記第 2電極層の熱容量よりも小さい。

[0021] この態様によれば、第 1電極層の熱容量が小さくなるために、第 1電極層における発熱及び吸熱による温度変化を大きくすることができる。一方で第 2電極層の熱容量が大きくなるために、第 2電極層における発熱及び吸熱による温度変化が抑制され、第 1電極層の温度変化に与える影響を小さくすることができる。

[0022] 尚、より好ましくは、前記第 1電極層の熱容量は、前記第 2電極層の熱容量の 1Z1

0以下であることが好まし、。

[0023] 上述の如く第 1電極層の熱容量が第 2電極層の熱容量よりも小さい熱音響発生装置の態様では、前記第 1電極層の膜厚は、前記第 2電極層の膜厚よりも薄いように構成してちょい。

[0024] このように構成すれば、第 1電極層及び第 2電極層の夫々の膜厚を適宜調整することで、比較的容易に、第 1電極層の熱容量を、第 2電極層の熱容量よりも小さくすることがでさる。

[0025] 上述の如く第 1電極層の熱容量が第 2電極層の熱容量よりも小さい熱音響発生装置の態様では、前記第 1電極層を構成する材料の比熱容量は、前記第 2電極層を構成する材料の比熱容量よりも小さヽように構成してもよヽ。

[0026] このように構成すれば、第 1電極層を構成する材料及び第 2電極層を構成する材料を夫々適宜調整することで、比較的容易に、第 1電極層の熱容量を、第 2電極層の熱容量よりも/ J、さくすることができる。

[0027] 上述の如く第 1電極層の熱容量が第 2電極層の熱容量よりも小さい熱音響発生装置の態様では、前記第 1電極層には、一又は複数の孔が形成されているように構成してちよい。

[0028] このように構成すれば、一又は複数の孔が形成されている第 1電極層（つまり、多孔質の第 1電極層）を用いることで、比較的容易に、第 1電極層の熱容量を、第 2電極層の熱容量よりも小さくすることができる。

[0029] 尚、本発明における「孔」とは、第 1電極層を貫通している孔ゃ、第 1電極層の表面におけるくぼみや、第 1電極層の内部において形成された閉じた空隙又は空間を含む広い趣旨である。

[0030] 本発明の熱音響発生装置に係る実施形態の他の態様は、前記第 2電極層における前記熱電素子層と接する側の面とは逆の面に、支持基体が備え付けられる。

[0031] この態様によれば、第 1電極層と第 2電極層とを略同一の構成とすることができるため、第 1電極層における電気抵抗と第 2電極層における電気抵抗とを略同一にすることができる。これにより、熱電素子層中を流れる電流の面内分布が均一となり、第 1電極層の温度の面内分布を均一にすることができる。従って、第 1電極層で発生する音圧の面内分布を均一にすることができるという点で、実践上大変有利な構成を実現することができる。

[0032] 尚、この態様では、第 1電極層の熱容量は、第 2電極層と支持基体とを合わせた熱容量より小さくなつていることが好ましい。

[0033] 本発明の熱音響発生装置に係る実施形態の他の態様は、前記第 1電極層と前記熱電素子層と前記第 2電極層とを夫々備える複数の熱音響発生ユニットを備えており、前記第 1電極層と前記第 2電極層とを介して前記熱電素子層に流れる電流によつて生ずる熱流の方向が前記複数の全ての熱音響発生ユニットで一致するように、前記複数の熱音響発生ユニットの夫々が電気的に接続されている。 [0034] この態様によれば、熱電素子層を流れる電流に対して、 1つあたりの熱音響発生ュニットに生ずる発熱量又は吸熱量力 S小さくとも、複数の熱音響発生ユニットが接続されているため、熱音響発生装置全体として生ずる発熱量又は吸熱量を大きくすることができる。更に、複数の熱音響発生ユニットは、生ずる熱流の方向が複数の全ての熱音響発生ユニットで一致するように配列されている。より具体的には、電気的に接続された複数の熱音響発生ユニットに流される所定方向の電流に対して、例えば第 1電極層の側が発熱するように、複数の熱音響発生ユニットが配列されている。このため、熱音響発生装置は、より好適に音波を発生させることができる。

[0035] 上述の如く複数の熱音響発生ユニットを備える熱音響発生装置の態様では、前記複数の熱音響発生ユニットの夫々が備える前記熱電素子層は、同一の導伝型の熱電素子 (例えば、全て p型の熱電素子又は全て n型の熱電素子)から構成されており、前記複数の熱音響発生ユニットのうちの一の熱音響発生ユニットが備える前記第 1 電極層は、前記複数の熱音響発生ユニットのうちの前記一の熱音響発生ユニットに隣接する他の熱音響発生ユニットが備える前記第 2電極層と接続されているように構成してちょい。

[0036] このように、複数の熱音響発生ユニットを電気的に直列に接続するように構成すれば、比較的容易に、同一の導伝型の熱電素子力なる複数の熱音響発生ユニット全てで、生ずる熱流の方向を一致させることができる。

[0037] 上述の如く複数の熱音響発生ユニットを備える熱音響発生装置の態様では、前記複数の熱音響発生ユニットには、 P型の熱電素子力構成される前記熱電素子層を備える第 1熱音響発生ユニットと、 n型の熱電素子から構成される前記熱電素子層を備える第 2熱音響発生ユニットとが含まれており、前記第 1熱音響発生ユニットと前記第 2熱音響発生ユニットとは、交互に配列されており、前記複数の第 1熱音響発生ュニットのうちの一の第 1熱音響発生ユニットが備える前記第 1電極層は、前記複数の第 2熱音響発生ユニットのうちの前記一の第 1熱音響発生ユニットに隣接する一の第 2熱音響発生ユニットが備える前記第 1電極層と接続されており、前記一の第 2熱音響発生ユニットが備える前記第 2電極層は、前記複数の第 1熱音響発生ユニットのうちの前記一の第 2熱音響発生ユニットに隣接する他の第 1熱音響発生ユニットが備える前記第 2電極層と接続されて!、るように構成してもよ!/、。

[0038] このように、複数の熱音響発生ユニットを電気的に直列に接続するように構成すれば、比較的容易に、異なる導伝型の熱電素子からなる複数の熱音響発生ユニット全てで、生ずる熱流の方向を一致させることができる。

[0039] 上述の如く複数の熱音響発生ユニットを備える熱音響発生装置の態様では、前記複数の熱音響発生ユニットにおける、前記第 1電極層又は前記第 2電極層と略平行な断面が、長辺及び短辺を有しており、前記第 1電極層は、前記長辺と隣接する他の熱音響発生ユニットが備える第 1電極層または第 2電極層と接続されるように構成しても良い。

[0040] このように構成すれば、熱音響発生装置の電気抵抗が低減され、より効率的に、第

1電極層における発熱及び吸熱を利用して音波を発生させることができる。

[0041] 上述の如く複数の熱音響発生ユニットを備える熱音響発生装置の態様では、前記複数の熱音響発生ユニットの夫々の間の少なくとも一部 (例えば、複数の熱音響発生ユニットの間の空間の全体や、複数の熱音響発生ユニットの間の空間のうち第 1電極層の下方に位置する一部の空間等）に、電気絶縁性を有する充填材が充填されているように構成してもよい。

[0042] このように構成すれば、充填材により、隣接した熱音響発生ユニットを電気的に接続する第 1電極層を、空中に浮力せることなく支持することができ、第 1電極層を更に薄くすることが可能となる。これにより、より効率的に第 1電極層における発熱及び吸熱を利用して音波を発生させることができる。そして、充填材が充填されていても、充填材が電気絶縁性を有しているため、複数の熱音響発生ユニットを第 1電極層又は第 2電極層以外で電気的に短絡してしまう不都合を好適に防ぐことができる。

[0043] 上述の如く充填材が充填される熱音響発生装置の態様では、前記充填材は、熱絶縁性を更に有する方が好まし、。

[0044] このように構成すれば、第 1電極層における発熱又は吸熱力第 2電極層に拡散してしまうのを好適に防ぐことができる。

[0045] 本発明の熱音響発生装置の他の態様は、前記第 1電極層における前記熱電素子層と接する側の面とは逆の面は、粗面処理が施されている。 [0046] このように構成すれば、雰囲気気体に接する第 1電極層の表面積を増加させることができる。これにより、雰囲気気体の加熱及び冷却をより効率的に行うことができる。

[0047] 尚、本発明における「粗面処理」とは、第 1電極層の表面に何らかの凹凸を形成する処理であって、第 1電極層の表面に凹凸が全くない場合の第 1電極層の表面積と比較して、表面積を増加させることができる処理であればょ、。

[0048] 本実施形態のこのような作用及び他の利得は次に説明する実施例から更に明らかにされよう。

[0049] 以上説明したように、本発明の熱音響発生装置に係る実施形態によれば、第 1電極層と、熱電素子層と、第 2電極層とを備えている。従って、ジュール熱の発生を抑制しつつ、効率的に、温度変調によって音波を発生させることができる。

実施例

[0050] 以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

[0051] (1)基本構成

初めに、図 1を参照して、本発明の熱音響発生装置に係る実施例について説明する。ここに、図 1は、本実施例に係る熱音響発生装置 1の第 1の基本構成を概念的に示す断面図である。

[0052] 図 1に示すように、本実施例に係る熱音響発生装置 1は、本発明における「第 1電極層」の一具体例を構成する上部電極 11と、本発明における「熱電素子層」の一具体例を構成する熱電素子 12と、本発明における「第 2電極層」の一具体例を構成する下部電極 13とを備える。

[0053] 上部電極 11は、例えば dlの膜厚を有する金属等により構成される電極である。より具体的には、例えば概ね 200nmの膜厚を有する金と、概ね 20nmの膜厚を有するニッケルとが、ニッケルが熱電素子 12に隣接し且つ金が雰囲気気体と接するよう〖こ積層されることで、上部電極 11が構成される。

[0054] 熱電素子 12は、熱電効果 (例えば、ペルチェ効果ゃゼーベック効果等）を有する半導体により構成される。より具体的には、熱電素子 12は、例えば BiSbTeや、 BiSbT eSe等により構成される。例えば p型 Bi Sb Teや、 n型 Bi Sb Te Se

0. 5 1. 5 3 1. 8 0. 2 2. 85 0. 15 により構成される。熱電素子 12を構成する材料はこれに限ったものではなぐ熱電効果の得られる他の半導体や金属、酸ィ匕物等であっても良い。

[0055] 下部電極 13は、例えば d2 (但し、 d2>dl)の膜厚を有する金属等により構成される電極である。より具体的には、例えば概ね 20nmの膜厚を有するニッケルと、概ね 2 OOnmの膜厚を有する金と、概ね 50 mの膜厚を有する銅とが、熱電素子 12に近い方カゝらこの順序で積層されることで、下部電極 13が構成される。上部電極 11、下部電極 13を構成する材料はこれに限ったものではなぐ熱電素子 12とォーミック接触が得られる他の金属であっても良、。

[0056] 本実施例に係る熱音響発生装置 1は、発生させたい音波信号に応じた交流からなる入力電圧を上部電極 11と下部電極 13との間に印加することにより駆動する。

[0057] このような構成を有する熱音響発生装置 1によれば、上部電極 11と下部電極 13との間に入力電圧が印加されることで、熱電素子 12には入力電圧に応じた電流が流れる。その結果、上部電極 11と熱電素子 12との境界において、熱電効果による発熱又は吸熱が生ずる。同様に、下部電極 13と熱電素子 12との境界において、熱電効果による発熱又は吸熱が生ずる。

[0058] これにより、上部電極 11が加熱又は冷却され、その結果、上部電極 11と接する雰囲気気体が加熱又は冷却される。この結果、上部電極 11の加熱及び冷却に応じた（言い換えれば、上部電極 11と下部電極 13の間に印加される入力電圧に応じた)音波を発生させることができる。つまり、上部電極 11と下部電極 13の間に印加される入力電圧に応じて熱電素子 12を温度変調させることにより、音波を発生させることができる。

[0059] ここで、熱電素子 12の性質上、上部電極 11と熱電素子 12との境界において発熱が生じた場合は、下部電極 13と熱電素子 12との境界においては、上部電極 11と熱電素子 12との境界において生ずる発熱とほぼ同量の吸熱が生ずる。他方、上部電極 11と熱電素子 12との境界において吸熱が生じた場合は、下部電極 13と熱電素子 12との境界において、上部電極 11と熱電素子 12との境界において生ずる吸熱とほぼ同量の発熱が生ずる。このため、上部電極 11の加熱及び冷却力下部電極 13の加熱及び冷却によって打ち消されてしまいかねない。その結果、上部電極 11において、入力電圧に応じた音波を好適に発生させることができなくなりかねない。或いは、下部電極 13の温度変化によって生じる音波は、上部電極側とは逆位相になるため、上部電極 11にお、て発生した音波力下部電極 13にお、て発生した逆位相の音波によって打ち消されてしま、かねな!/、。

[0060] このような不都合を防ぐために、本実施例によれば、上部電極 11の膜厚 dlを下部電極 13の膜厚 d2よりも薄くしている。これにより、上部電極 11の熱容量が下部電極 1 3の熱容量よりも小さくなる。ここでは、上部電極 11の熱容量力下部電極 13の熱容量の概ね 1Z10以下になることが好ましい。その結果、上部電極 11の加熱及び冷却の程度 (具体的には、温度上昇量及び温度降下量や、温度上昇速度及び温度降下速度等）に対して、下部電極 13の加熱及び冷却の程度を小さくすることができる。つまり、上部電極 11の温度変化に対して、下部電極 13の温度変化を抑制することができる。これにより、上部電極 11の温度変化が、下部電極 13の温度変化によって打ち消されるという不都合を好適に防ぐことができる。このため、入力電圧に応じた音波を、上部電極 11にお、て好適に発生させることができる。

[0061] カロえて、本実施例においては、上部電極 11と熱電素子 12と下部電極 13とが積層構造を有しているため、熱電素子 12の膜厚方向に沿った方向（具体的には、図 1における上下の方向）に電流が流れる。このため、熱電素子 12における電気抵抗を小さくすることができる。よってジュール損が小さくなるために効率良く音波を発生させることができる。また、入力信号の二乗のオーダーとなるジュール熱の影響を抑えることができるため、入力信号に忠実な音波を好適に発生させることができる。

[0062] 更には、上部電極 11及び下部電極 13の夫々が熱電素子層 12と平面的に広い面積で接することから、より広、面積にぉ、て発熱及び吸熱を生じさせることができる。その結果、熱電効果による発熱及び吸熱を効率的に生じさせることができる。つまり、上部電極 11を効率良く温度変調することができ、音波のより効率的な発生を実現することがでさる。

[0063] 尚、図 1に示す熱音響発生装置 1においては、上部電極 11の熱容量が下部電極 1 3の熱容量の概ね 1Z10以下となっている。し力しながら、上部電極 11の熱容量が下部電極 13の熱容量の概ね 1Z10より大きい場合であっても、上部電極 11と下部電極 13の間に印加される入力電圧に応じた音波を、上部電極 11において好適に発生させることができるという効果を相応に享受することができる。

[0064] また、図 1に示す熱音響発生装置 1においては、上部電極 11の加熱及び又は冷却を利用して音波を発生させている。し力しながら、上部電極 11の加熱及び又は冷却に代えて、下部電極 13の加熱及び又は冷却を利用して音波を発生させてもよい。伹し、この場合、下部電極 13の熱容量を、上部電極 11の熱容量よりも小さくすることが好ましい。例えば、下部電極 13の膜厚 d2を、上部電極 11の膜厚 dlよりも薄くすることが好ましい。

[0065] また、図 1に示す熱音響発生装置 1においては、上部電極 11の膜厚 dlを下部電極 13の膜厚 d2よりも薄くすることで、上部電極 11の熱容量を下部電極 13の熱容量よりも小さくしている。し力しながら、上部電極 11の膜厚 dlを下部電極 13の膜厚 d2よりも薄くすることに加えて又は代えて、図 2及び図 3に示す構成により、上部電極 11の熱容量を下部電極 13の熱容量よりも小さくしてもよい。ここに、図 2は、本実施例に係る熱音響発生装置の第 2の基本構成を概念的に示す断面図であり、図 3は、本実施例に係る熱音響発生装置の第 3の基本構成を概念的に示す断面図であり、図 4は、本実施例に係る熱音響発生装置の第 4の基本構成を概念的に示す断面図である。

[0066] 図 2に示すように、熱音響発生装置 laにおいては、上部電極 11aが多孔質構造を有している。より具体的には、上部電極 11aは、その内部に所定の空隙又は空間が形成されていたり、その表面にくぼみが形成されていたり、或いはその断面を貫通する貫通孔が形成されている。

[0067] これにより、上部電極 11aの熱容量が下部電極 13aの熱容量よりも小さくなる。このため、上部電極 11aの温度変化に対して、下部電極 13aの温度変化を抑制することができる。これにより、上部電極 11aの温度変化力下部電極 13aの温度変化によつて打ち消されるという不都合を好適に防ぐことができる。このため、入力電圧に応じた音波を、上部電極 1 laにお、て好適に発生させることができる。

[0068] 尚、図 1に示す熱音響発生装置 1と図 2に示す熱音響発生装置 laは、いずれも上部電極 11の体積が、下部電極 13の体積よりも小さくなる構成を有している。つまり、図 1及び図 2に示す構成をまとめると、上部電極 11の熱容量を下部電極 13の熱容量よりも小さくするためには、上部電極 11の体積を下部電極 13の体積よりも小さくすることが好ましい。

[0069] 図 3に示すように、熱音響発生装置 lbにおいては、上部電極 l ibを構成する材料の比熱容量 XIが、下部電極 l ibを構成する材料の比熱容量 X2よりも小さい。

[0070] これにより、上部電極 l ibの熱容量が下部電極 13bの熱容量よりも小さくなる。このため、上部電極 l ibの温度変化に対して、下部電極 13bの温度変化を抑制することができる。これにより、上部電極 l ibの温度変化力下部電極 13bの温度変化によつて打ち消されるという不都合を好適に防ぐことができる。このため、入力電圧に応じた音波を、上部電極 1 lbにお、て好適に発生させることができる。

[0071] 図 4に示すように、熱音響発生装置 lcにおいては、下部電極 11cにおける熱電素子 12と接する側の面とは逆側の面に、支持基体 15が積層されている。そして、上部電極 1 lcの熱容量が、下部電極 1 lc及び支持基体 15の全体の熱容量よりも小さヽ。

[0072] これにより、上部電極 11cの温度変化に対して、下部電極 13cの温度変化を抑制することができる。これにより、上部電極 11cの温度変化力下部電極 13cの温度変化によって打ち消されるという不都合を好適に防ぐことができる。このため、入力電圧に応じた音波を、上部電極 11cにおいて好適に発生させることができる。

[0073] カロえて、上部電極 11cと下部電極 13cとを略同一の構成とすることができるため、上部電極 11cにおける電気抵抗と下部電極 13cにおける電気抵抗とを略同一にすることができる。これにより、熱電素子 12cを流れる電流の面内分布が均一となり、上部電極 11cの温度の面内分布を均一にすることができる。従って、上部電極 11cで発生する音圧の面内分布を均一にすることができるという点で、実践上大変有利な構成を実現することができる。

[0074] 尚、図 1から図 4に示す熱音響発生装置 1においては、上部電極 11の加熱及び又は冷却による上部電極 11に接する雰囲気気体の加熱及び又は冷却を利用して音波を発生させている。このため、上部電極 11と雰囲気気体とが接する面積を大きくすれば、上部電極 11と接する雰囲気気体の加熱及び冷却をより促進させることができる。

[0075] 上部電極 11と雰囲気気体とが接する面積を大きくするための一つの例として、例えば図 5に示す構成が挙げられる。ここに、図 5は、上部電極 11と雰囲気気体とが接する面積を大きくした熱音響発生装置の構成を概念的に示す断面図である。 [0076] 図 5に示すように、熱音響発生装置 Idの上部電極 l idの表面には、粗面処理が施されることで凹凸が形成されている。これにより、上部電極 l idの表面積を増加させることができる。従って、上部電極 l idと雰囲気気体とが接する面積を大きくすることができ、その結果、上部電極 l idと接する雰囲気気体の加熱及び冷却をより促進させることができる。このため、入力電圧に応じた音波を、上部電極 l idにおいて効率良くに発生させることがでさる

尚、上部電極 l idの表面が凹凸のない滑らかな面であると仮定した場合の表面積と比較して、上部電極 l idの表面積 (より具体的には、上部電極 l idと雰囲気気体とが接する面積)を増加させることができれば、図 5に示す凹凸以外の構造を上部電極 11cの表面に形成するように構成してもよい。例えば、上部電極 l idを多孔質構造にすることによつても、同様な効果を得ることができる。

[0077] (2)第 1変形例

続いて、図 6及び図 7を参照して、本実施例に係る熱音響発生装置の第 1変形例について説明を進める。ここに、図 6は、第 1変形例に係る熱音響発生装置の第 1の基本構成を概念的に示す斜視図であり、図 7は、第 1変形例に係る熱音響発生装置の第 2の構成を概念的に示す斜視図である。

[0078] 図 5に示すように、第 1変形例に係る熱音響発生装置 100は、複数の熱音響発生ユニット 10を備えている。熱音響発生ユニット 10の夫々は、図 1から図 4に示した熱音響発生装置 1と概ね同様の構造を有しており、上部電極 11と、熱電素子 12と、下部電極 13とを備えている。

[0079] 第 1変形例に係る熱音響発生装置 100においては特に、熱電素子 12として、 p型熱電素子 12— 1と n型熱電素子 12— 2とを用いている。そして、 p型熱電素子 12— 1 を備える熱音響発生ユニット 10 (以降、適宜" p型熱音響発生ユニット 10— 1"と称する）と、 n型熱電素子 12— 2を備える熱音響発生ユニット 10 (以降、適宜" n型熱音響発生ユニット 10— 2"と称する）とが、入力電圧の印加に対して複数の熱音響発生ュニット 10の夫々における発熱及び吸熱の方向が一致するように配列される。より具体的には、 p型熱音響発生ユニット 10— 1の上部電極 11が加熱される場合には、 n型熱音響発生ユニット 10— 2の上部電極 11も加熱されるように複数の熱音響発生ュ- ット 10が配列される。同様に、 p型熱音響発生ユニット 10— 1の上部電極 11が冷却される場合には、 n型熱音響発生ユニット 10— 2の上部電極 11も冷却されるように複数の熱音響発生ユニット 10が配列される。

[0080] ここで、 p型熱音響発生ユニット 10— 1が備える上部電極 11と、隣接する n型熱音響発生ユニット 10— 2が備える上部電極 11とが一体ィ匕されている。同様に、 p型熱音響発生ユニット 10— 1が備える下部電極 13と、隣接する他の n型熱音響発生ユニット 10— 2が備える下部電極 13とが一体ィ匕されている。つまり、複数の p型熱音響発生ユニット 10— 1と複数の n型熱音響発生ユニット 10— 2が、交互に、電気的に直列に接続される。

[0081] ここで、ペルチェ係数が π である上部電極 11及び下部電極 13と、ペルチェ係数が π である ρ型熱電素子 12—1とから構成される ρ型熱音響発生ユニット 10— 1は、

Ρ

電流 Iが上部電極 11から下部電極 13に向力つて注入されたときに、 Q = ( π - π )

P P m

X Iの吸熱量が生ずる。同様に、電流 Iが下部電極 13から上部電極 11に向力つて注入されたときに、 Q = ( π — π ) X Iの

p p m 発熱量が生ずる。他方、ペルチェ係数が π

m である上部電極 11及び下部電極 13と、ペルチェ係数が π である η型熱電素子 12 — 2とから構成される η型熱音響発生ユニット 10— 2は、電流 Iが下部電極 13から上部電極 11に向かって注入されたときに、 Q = ( π + π ) X Iの吸熱量が生ずる。同

n n m

様に、電流 Iが上部電極 11から下部電極 13に向力つて注入されたときに、 Q = ( π + π ) X Iの発熱量が生ずる。

[0082] 従って、一対の p型熱音響発生ユニット 10— 1と n型熱音響発生ユニット 10— 2による吸発熱量は、 Q = Q +Q = ( π + π ) X Iとなる。このため、 m (但し、 mは 1以上

P n P n

の整数)対の P型熱音響発生ユニット 10— 1と n型熱音響発生ユニット 10— 2とを接続した場合には、熱音響発生装置 100全体として吸発熱量は、 Q =m X Q=mX (

total

π + π ) X Iとなる。

P n

[0083] このように、複数の熱音響発生ユニット 10を直列に接続することにより、熱音響発生装置 100全体として生ずる発熱の量又は吸熱の量を増カロさせることができる。このため、熱音響発生装置 100は、より好適に入力信号に忠実な音波を発生させることができる。 [0084] 尚、図 6に示す例では、上部電極 11は、その一部においては何の支持も受けることなく P型熱電素子 12—1と n型熱電素子 12— 2とを接続している。つまり、上部電極 1 1は、その始端部と終端部は p型熱電素子 12—1と n型熱電素子 12— 2によって指示されているものの、その中間部においては何の支持も受けていない。この場合には図 1等において述べたような上部電極 11の薄膜ィ匕が困難となってしまう。

[0085] このため、図 7に示す熱音響発生装置 101のように、 p型熱電素子 12— 1と n型熱電素子 12— 2との間の空間であって且つ上部電極 11の下側に位置する空間に、電気絶縁性を有する充填材 14を充填することが好ましい。

[0086] これにより、上部電極 11の膜厚を薄くした場合においても、これを好適に支持することができる。そして、充填材 14が充填されていても、充填材 14が電気絶縁性を有しているため、 p型熱音響発生ユニット 10— 1と n型熱音響発生ユニット 10— 2とが上部電極 11又は下部電極 13以外で電気的に短絡してしまう不都合を好適に防ぐことができる。

[0087] また、熱音響発生装置 100全体の機械的強度を高めるために、全ての熱電素子間を電気絶縁性を有する充填材 14で充填しても良ヽ。

[0088] 尚、充填材 14は、電気絶縁性にカ卩えて熱絶縁性を備えている方がより好ましい。これにより、上部電極 11における発熱又は吸熱力下部電極 13に拡散してしまうのを好適に防ぐことができる。

[0089] (3)第 2変形例

続いて、図 8及び図 9を参照して、本実施例に係る熱音響発生装置の第 2変形例について説明を進める。ここに、図 8は、第 2変形例に係る熱音響発生装置の第 1の基本構成を概念的に示す斜視図であり、図 9は、第 2変形例に係る熱音響発生装置の第 2の構成を概念的に示す斜視図である。

[0090] 図 8に示すように、第 2変形例に係る熱音響発生装置 102は、第 1変形例に係る熱音響発生装置 100と同様に、複数の熱音響発生ユニット 10を備えている。

[0091] 第 2変形例に係る熱音響発生装置 102においては、熱電素子 12として、 p型熱電素子 12— 1のみを用いている。そして、複数の p型熱音響発生ユニット 10が、電流注入によって生じる熱流の方向が一致するように、電気的に直列に接続されている。具体的には、図 8のように複数の p型熱音響発生ユニット 10がマトリックス状に配列され、 p型熱音響発生ユニット 10— 1が備える上部電極 11は、隣接する p型熱音響発生ユニット 10— 1が備える下部電極 13と接続されている。

[0092] これにより、第 2変形例に係る熱音響発生装置 102においても、第 1変形例に係る熱音響発生装置 100が享受する効果と同様の効果を享受することができる。より具体的には、複数の p型熱音響発生ユニット 10—1を直列に接続することにより、熱音響発生装置 102全体として生ずる発熱の量及び吸熱の量を増加させることができる。このため、熱音響発生装置 102は、より好適に入力信号に忠実な音波を発生させることがでさる。

[0093] 尚、図 8では、複数の p型熱音響発生ユニット 10— 1が電気的に直列に接続された例について説明したが、複数の p型熱音響発生ユニット 10— 1に代えて、複数の n型熱音響発生ユニット 10— 2を用いてもょ、ことは言うまでもな!/、。

[0094] 力!]えて、第 2変形例においても、図 9に示す熱音響発生装置 103のように、複数の p 型熱電素子 12— 1のうちの隣接する 2つの p型熱電素子 12— 1の間の空間であって且つ上部電極 11の下側に位置する空間に、電気絶縁性を有する充填材 14を充填することが好ましい。

[0095] (4)第 3変形例

続いて、図 10から図 13を参照して、本実施例に係る熱音響発生装置の第 3変形例について説明を進める。ここに、図 10は、第 3変形例に係る熱音響発生装置の第 1の基本構成を概念的に示す斜視図であり、図 11は、第 3変形例に係る熱音響発生装置の第 2の基本構成を概念的に示す斜視図であり、図 12は、第 3変形例に係る熱音響発生装置の第 3の基本構成を概念的に示す斜視図であり、図 13は、第 3変形例に係る熱音響発生装置の第 4の構成を概念的に示す斜視図である。

[0096] 図 10に示すように、第 3変形例に係る熱音響発生装置 104では、第 1変形例に係る熱音響発生装置 100と同様に、 p型熱音響発生ユニット 10— 1と n型熱音響発生ュニット 10— 2とが、電流注入によって生じる、複数の熱音響発生ユニット 10の夫々における熱流の方向が一致するように配列されている。

[0097] 第 3変形例に係る熱音響発生装置 104では特に、熱電素子 12における上部電極 1 1又は下部電極 13と略平行な断面の形状が、長辺と短辺を有する矩形となっている。そして、全ての上部電極 11は、長辺において隣接する p型熱電素子 12— 1と n型熱電素子 12— 2とを接続している。そして、短辺において隣接する p型熱電素子 12 - 1と n型熱電素子 12— 2との電気的接続は、下部電極 13により行う。

[0098] これにより、第 3変形例に係る熱音響発生装置 104においても、第 1変形例に係る熱音響発生装置 100が享受する効果と同様の効果を享受することができる。より具体的には、複数の熱音響発生ユニット 10を直列に接続することにより、熱音響発生装置 104全体として生ずる発熱の量及び吸熱の量を増加させることができる。このため、熱音響発生装置 104は、より好適に入力信号に忠実な音波を発生させることができる。

[0099] 更に、上部電極 11や下部電極 13におけるジュール損の発生をより抑えることができる。カロえて、夫々の熱電素子 12内を流れる電流の分布を相対的に小さくすることができるため、上部電極 11にお、て発生する音波の面内分布の均一化を図ることができる。

[0100] 図 11に示すように、第 3変形例に係る熱音響発生装置 105では、第 2変形例に係る熱音響発生装置 102と同様に、 p型熱音響発生ユニット 10— 1が、電流注入によつて生じる、複数の熱音響発生ユニット 10の夫々における熱流の方向が一致するように配列されている。

[0101] 第 3変形例に係る熱音響発生装置 105では特に、熱音響発生装置 104と同様に、熱電素子 12における上部電極 11又は下部電極 13と略平行な断面の形状力長辺と短辺を有する矩形となっている。そして、図のように長辺において隣接する p型熱音響発生ユニット 10— 1の電気的接続を、一方の上部電極 11と他方の下部電極 13を接続することにより行ヽ、全ての p型熱音響発生ユニット 10— 1が電気的に直列になるように接続している。

[0102] これにより、第 3変形例に係る熱音響発生装置 105においても、第 2変形例に係る熱音響発生装置 102が享受する効果と同様の効果を享受することができる。より具体的には、複数の熱音響発生ユニット 10を直列に接続することにより、熱音響発生装置 105全体として生ずる発熱の量及び吸熱の量を増加させることができる。このため、熱音響発生装置 105は、より好適に入力信号に忠実な音波を発生させることができる。

[0103] 更に、上部電極 11や下部電極 13におけるジュール損の発生をより抑えることができる。カロえて、夫々の熱電素子 12内を流れる電流の分布を相対的に小さくすることができるため、上部電極 11にお、て発生する音波の面内分布の均一化を図ることができる。

[0104] 尚、第 3変形例に係る熱音響発生装置 104においても、図 12に示す熱音響発生装置 106のように、 p型熱電素子 12— 1と n型熱電素子 12— 2との間の空間であって且つ上部電極 11の下側に位置する空間に、電気絶縁性を有する充填材 14を充填することが好ましい。同様に、第 3変形例に係る熱音響発生装置 105においても、図 13に示す熱音響発生装置 107のように、複数の p型熱電素子 12—1のうちの隣接する 2つの p型熱電素子 12—1の間の空間であって且つ上部電極 11の下側に位置する空間に、電気絶縁性を有する充填材 14を充填することが好ましい。

[0105] また、熱音響発生装置 106又は熱音響発生装置 107全体の機械的強度を高めるために、全ての熱電素子間を電気絶縁性を有する充填材 14で充填しても良い。

[0106] また、図 1から図 13を参照して説明した熱音響発生装置 1等は、例えばスピーカに適用することで音楽を再生したり、或いは超音波発生器に適用することで超音波を発生することができる。

[0107] 本発明は、上述した実施例に限られるものではなぐ請求の範囲及び明細書全体力読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴なう熱音響発生装置もまた本発明の技術的範囲に含まれるものである。

Claims

請求の範囲

[1] 固体の温度変調により音波を発生させる熱音響発生装置であって、

熱電素子層と、

前記熱電素子層の一方の面上に積層される第 1電極層と、

前記熱電素子層の前記一方の面とは逆側に位置する他方の面上に積層される第

2電極層と

を備えることを特徴とする熱音響発生装置。

[2] 前記第 1電極層の熱容量は、前記第 2電極層の熱容量よりも小さいことを特徴とする請求の範囲第 1項に記載の熱音響発生装置。

[3] 前記第 1電極層の膜厚は、前記第 2電極層の膜厚よりも薄いことを特徴とする請求の範囲第 2項に記載の熱音響発生装置。

[4] 前記第 1電極層を構成する材料の比熱容量は、前記第 2電極層を構成する材料の比熱容量よりも小さいことを特徴とする請求の範囲第 2項に記載の熱音響発生装置。

[5] 前記第 1電極層には、一又は複数の孔が形成されていることを特徴とする請求の範囲第 2項に記載の熱音響発生装置。

[6] 前記第 2電極層における前記熱電素子層と接する側の面とは逆の面に、支持基体が備え付けられることを特徴とする請求の範囲第 1項に記載の熱音響発生装置。

[7] 前記第 1電極層と前記熱電素子層と前記第 2電極層とを夫々備える複数の熱音響発生ユニットを備えており、

前記第 1電極層と前記第 2電極層とを介して前記熱電素子層に流れる電流によつて生ずる熱流の方向が全ての前記複数の熱音響発生ユニットで一致するように、前記複数の熱音響発生ユニットの夫々が電気的に接続されていることを特徴とする請求の範囲第 1項に記載の熱音響発生装置。

[8] 前記複数の熱音響発生ユニットにおける、前記第 1電極層又は前記第 2電極層と略平行な断面が、長辺及び短辺を有しており、

前記第 1電極層は、前記長辺と隣接する他の熱音響発生ユニットが備える第 1電極層または第 2電極層と接続されていることを特徴とする請求の範囲第 7項に記載の熱音響発生装置。

[9] 前記複数の熱音響発生ユニットの夫々が備える前記熱電素子層は、同一導伝型の熱電素子から構成されており、

前記複数の熱音響発生ユニットのうちの一の熱音響発生ユニットが備える前記第 1 電極層は、前記複数の熱音響発生ユニットのうちの前記一の熱音響発生ユニットに隣接する他の熱音響発生ユニットが備える前記第 2電極層と接続されていることを特徴とする請求の範囲第 7項に記載の熱音響発生装置。

[10] 前記複数の熱音響発生ユニットには、 p型の熱電素子から構成される前記熱電素子層を備える第 1熱音響発生ユニットと、 n型の熱電素子から構成される前記熱電素子層を備える第 2熱音響発生ユニットとが含まれており、

前記第 1熱音響発生ユニットと前記第 2熱音響発生ユニットとは、交互に配列されており、

前記複数の第 1熱音響発生ユニットのうちの一の第 1熱音響発生ユニットが備える前記第 1電極層は、前記複数の第 2熱音響発生ユニットのうちの前記一の第 1熱音響発生ユニットに隣接する一の第 2熱音響発生ユニットが備える前記第 1電極層と接続されており、前記一の第 2熱音響発生ユニットが備える前記第 2電極層は、前記複数の第 1熱音響発生ユニットのうちの前記一の第 2熱音響発生ユニットに隣接する他の第 1熱音響発生ユニットが備える前記第 2電極層と接続されていることを特徴とする請求の範囲第 7項に記載の熱音響発生装置。

[11] 前記複数の熱音響発生ユニットの夫々の間の少なくとも一部には、電気絶縁性を有する充填材が充填されていることを特徴とする請求の範囲第 7項に記載の熱音響発生装置。

[12] 前記充填材は、熱絶縁性を更に有することを特徴とする請求の範囲第 11項に記載の熱音響発生装置。

[13] 前記第 1電極層における前記熱電素子層と接する側の面とは逆の面には、粗面処理が施されていることを特徴とする請求の範囲第 1項に記載の熱音響発生装置。