JP2008141380A - Vibration element using electroactive polymer - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、誘電エラストマーからなる電場応答性高分子( Electroactive Polymer )に関するものであって、さらに詳しくは、電場応答性高分子を用いた振動素子に関するものである。 The present invention relates to an electroactive polymer made of a dielectric elastomer, and more particularly to a vibration element using an electroactive polymer.
過去十数年間、誘電エラストマーからなる電場応答性高分子の研究は、アクチュエータに焦点を当てたものがほとんどであった。この誘電性エラストマーは、強い電場の中に置くと、電場の方向に収縮し、電場と垂直な方向に膨張する。これは、クーロン力によるものである。したがって、誘電エラストマーを帯電した柔軟(compliant)な2枚の電極間に挟むことによって、ゴムのような弾性を持つコンデンサーが構成される。これに電圧をかけると、一方の電極にはプラスの電荷が、反対側の電極にはマイナスの電荷が蓄えられる。その結果、電極間に引力が生じ、この力によって誘電エラストマーが押しつぶされ、面方向に膨張する。この変化をロボット等のアクチュエータとして用いることが注目を集めている(例えば、特許文献1、2)。
ところが、この電場応答性高分子を用いて振動素子を構成することによって、高効率で形状や利用形態の面で自由度の高い振動素子が得られることについては知られておらず、これまで、実用可能な電場応答性高分子を用いた振動素子については、実現されていなかった。 However, it is not known that by configuring a vibration element using this electric field responsive polymer, a vibration element with high efficiency and a high degree of freedom in terms of shape and form of use can be obtained. A vibration element using a practical electric field responsive polymer has not been realized.
そこで、本発明の目的は、電場応答性高分子を用いて、高効率で形状や利用形態の面で自由度の高い振動素子を開発することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to develop a vibration element having a high degree of freedom in terms of shape and use form, using an electric field responsive polymer.
本請求項1に係る発明は、オーディオ信号を振動に変換する電場応答性高分子を用いた振動素子において、正極端子及び負極端子を有する2枚の前記電場応答性高分子を有し、前記電場応答性高分子は、スペーサにより所定の距離を離して平行に設置され、前記2枚の電場応答性高分子は中央で互いに接合され、常に引き合った状態を保つとともに、前記2枚の電場応答性高分子の前記負極端子は、互いに接続され、前記正極端子は、それぞれ独立に設けられた構成を有することによって、上記の課題を解決するものである。
なお、本発明におけるオーディオ信号とは、可聴領域の信号に限られるわけではなく、低周波数域は、1Hz以下の直流領域から、高周波域は60Kzまで広い領域の信号を対象としている。
The invention according to
Note that the audio signal in the present invention is not limited to a signal in the audible region, and the low frequency region covers a signal in a wide region from a direct current region of 1 Hz or less to a high frequency region of 60 Kz.
本請求項2に係る発明は、請求項1に係る発明の構成に加えて、2枚の電場応答性高分子の中央接合部に中央固定軸が垂設され、前記中央固定軸に振動板を接続したことによって上記の課題をさらに解決するものである。
In the invention according to claim 2, in addition to the configuration of the invention according to
ここで、本発明における電場応答性高分子とは、米国のカリフォルニア州に本拠を構えるSRIインターナショナルで開発された新素材であって、アクリル系樹脂やシリコーン系樹脂などからなるゴム状の薄い高分子(誘電体エラストマー)を伸び縮み可能な柔軟な電極で挟んだ構成をしており、EPAM(イーパム:Electroactive Polymer Artificial Muscle)との商品名で市販されているものである。 Here, the electric field responsive polymer in the present invention is a new material developed at SRI International, which is based in California, USA, and is a thin rubbery polymer made of acrylic resin or silicone resin. It has a structure in which (dielectric elastomer) is sandwiched between flexible electrodes that can be expanded and contracted, and is commercially available under the trade name EPAM (Electroactive Polymer Artificial Muscle).
本請求項1に係る電場応答性高分子を用いた振動素子は、正極端子及び負極端子を有する2枚の電場応答性高分子を有し、前記電場応答性高分子は、スペーサにより所定の距離を離して平行に設置され、前記2枚の電場応答性高分子は中央で互いに接合され、常に引き合った状態を保つとともに、前記2枚の電場応答性高分子の前記負極端子は、互いに接続され、前記正極端子は、それぞれ独立に設けられた構成としたことによって、オーディオ信号のマイナス側は、互いに接続された共通の前記負極端子に供給され、一方、プラス側は、前記2枚の電場応答性高分子ににそれぞれ独立に設けられた前記正極端子に逆位相として供給することによって、前記オーディオ信号が効率よく前記電場応答性高分子を振動させることができるので、高効率で形状や利用形態の面で自由度が高く、しかもダイナミック・レンジが大きな振動素子を構成することができる。
The vibration element using the electric field responsive polymer according to
本請求項2に係る電場応答性高分子を用いた振動素子によれば、請求項1に係る電場応答性高分子を用いた振動素子が奏する効果に加えて、2枚の電場応答性高分子の中央接合部に中央固定軸が垂設され、前記中央固定軸に振動板を接続したことによって、前記電場応答性高分子の振動をさまざまな利用形態に応じて取り出すことができるので、さらに、高効率で形状や利用形態の面で自由度の高い振動素子を構成することができる。
According to the vibration element using the electric field responsive polymer according to claim 2, in addition to the effect exhibited by the vibration element using the electric field responsive polymer according to
以下、本発明の電場応答性高分子(以下、EPAMと称す)を用いた振動素子の実施形態について、図1乃至図6に基づき説明する。 Hereinafter, embodiments of a vibration element using an electric field responsive polymer (hereinafter referred to as EPAM) of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 6.
図1は、本発明のEPAMを用いた振動素子の一実施形態の外観を示した斜視図である。図2は、図1のII−II線で切断したときの断面図である。図3は、本発明のEPAMを用いた振動素子への供給信号波形の一例である。図4は、本発明のEPAMを用いた振動素子を使用する際のシステム概略図である。図5は、本発明のEPAMを用いた振動素子に適用される信号変換器の一例を示した概略図を示している。図6は、本発明のEPAMを用いた振動素子の使用形態の一例である。 FIG. 1 is a perspective view showing an appearance of an embodiment of a vibration element using the EPAM of the present invention. 2 is a cross-sectional view taken along the line II-II in FIG. FIG. 3 shows an example of a waveform of a signal supplied to a vibration element using the EPAM of the present invention. FIG. 4 is a system schematic diagram when using a vibration element using the EPAM of the present invention. FIG. 5 is a schematic view showing an example of a signal converter applied to a vibration element using the EPAM of the present invention. FIG. 6 is an example of a usage pattern of a vibration element using the EPAM of the present invention.
まず、本発明のEPAMを用いた振動素子の一構成例について、図1及び図2に基づき説明する。図1は、EPAMを用いた振動素子100の一構成例を示した斜視図であり、図2は、図1のII−II線で切断したときの断面図である。第1のEPAM膜121及び第2のEPAM膜131は、図2に示すように、それぞれ、フレーム122とフレーム123及びフレーム132とフレーム133によって挟まれて保持されていると共に、それぞれ、正極端子124及び正極端子134並びに負極端子125及び負極端子135がフレームから外部に取り出されて、第1のEPAMユニット120及び第2のEPAMユニット130を構成している。
First, a configuration example of a vibration element using the EPAM of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a perspective view showing a configuration example of a
そして、第1のEPAMユニット120と第2のEPAMユニット130は、スペーサ150を挟んで所定の距離を離して平行に設置され、第1のEPAM膜121及び第2のEPAM膜131の中央に設けられた中央接合部126、136で第1のEPAM膜121及び第2のEPAM膜131が互いに接合されることによって、常に引き合った状態が保たれるように構成されている。この中央接合部126、136には、中央固定軸140が垂設されている。
The
また、第1のEPAMユニット120の負極端子125と第2のEPAMユニット130の負極端子135は、互いに接続されて負極共通端子160を構成している。一方、第1のEPAMユニット120の正極端子124と第2のEPAMユニット130の正極端子134は、それぞれ独立して設けられている。
Further, the
そして、図5に示したようにオーディオ信号320は、1次側が2端子で2次側が3端子であるオーディオ用トランスからなる信号昇圧部210を介して、EPAM振動素子100の第1のEPAMユニット120及び第2のEPAMユニット130の負極側(負極共通端子160)に、共通で供給される。一方、正極側は、第1のEPAMユニット120及び第2のEPAMユニット130にそれぞれ、別個に供給される。それぞれのEPAMユニット120、130は、供給された信号の電位差に応じて張力が変化する。これにより、供給された信号に応じて、それぞれのEPAMユニット120、130が変位し、振動として出力される。なお、本実施例では、信号昇圧部210をオーディオ用トランスを用いて構成しているが、トランスを用いることなくトランジスタやFETなどの半導体により構成することも可能である。
As shown in FIG. 5, the audio signal 320 is sent to the first EPAM unit of the
そして、第1のEPAMユニット120の正極端子124及び第2のEPAMユニット130の正極端子134に供給される信号は、信号昇圧部210の二次側中央端子220とEPAM振動素子100の負極共通端子160の間に設けられたバイアス部230によって、図3に示すように、バイアス電圧に重畳され印加される。そして、第1のEPAMユニット120と第2のEPAMユニット130に供給される正極側の信号は、振幅は同じであるが、逆位相の信号が供給される。その結果、第1のEPAMユニット120のEPAM膜121が緊張する時に、第2のEPAMユニット130のEPAM膜131が弛緩し、逆に、第2のEPAMユニット130のEPAM膜131が緊張する時に、第1のEPAMユニット120のEPAM膜121が弛緩するため、その相乗効果によってダイナミック・レンジが大きな振動素子が得られる。
The signals supplied to the
図4は、実際に音源300に本発明のEPAM振動素子100を接続するシステム概略図である。音源300から出力されたオーディオ信号310は、オーディオ増幅器400で増幅されて、オーディオ信号320として、信号昇圧部210及びその二次側中央端子220並びにバイアス部230を有する信号変換器200を介してEPAM振動素子100に供給される。なお、本実施例においては、好適な実施例として、音源300としてCDやラジオなどのオーディオ機器を用いて、EPAM振動素子100をスピーカとして用いることを想定しているが、例えば、音源300として振動を検知するピックアップや騒音などを拾うマイクを用いて、その振動や騒音などの逆位相の出力をEPAM振動素子100が出すことによって、消音装置や制振装置として用いることも可能である。
FIG. 4 is a system schematic diagram in which the
次に、EPAMを用いた振動素子の別の実施形態について、図6に基づき説明する。振動素子そのものの形態、動作原理などについては、実施例1と同じなので、参照符号の3桁目を6として、下2桁を実施例1と同じにするとともに、詳しい説明は省略する。 Next, another embodiment of a vibration element using EPAM will be described with reference to FIG. Since the form, operation principle, and the like of the vibration element itself are the same as those in the first embodiment, the third digit of the reference symbol is set to 6, the lower two digits are the same as those in the first embodiment, and detailed description is omitted.
図6には、EPAM振動素子600の概略断面図を示している。図6に示したように、第1のEPAM膜621及び第2のEPAM膜631は、それぞれ、フレーム622とフレーム623及びフレーム632とフレーム633によって挟まれて保持されていると共に、それぞれ、正極端子624及び正極端子634並びに負極端子625及び負極端子635がフレームから外部に取り出されて、第1のEPAMユニット620及び第2のEPAMユニット630を構成している。
FIG. 6 shows a schematic cross-sectional view of the
そして、第1のEPAMユニット620と第2のEPAMユニット630は、スペーサ650を挟んで所定の距離を離して設置され、第1のEPAM膜621及び第2のEPAM膜631の中央に設けられた中央接合部626、636で第1のEPAM膜621及び第2のEPAM膜631が互いに接合されることによって、常に引き合った状態が保たれるように構成されている。さらに、中央接合部626、636には、中央固定軸640が垂設されている。
The
本振動素子は、それ単独でも使用可能であるが、さらに、この中央固定軸640の一端に、振動板700を固設することによって、EPAM振動素子600の効率を上げることができる。この振動板は、壁や天井・窓などのインテリアやエクステリアを利用したり、各種機器の筐体を使用することも可能である。
Although this vibration element can be used alone, the efficiency of the
本発明の電場応答性高分子を用いた振動素子は、簡単な構成で、柔軟な高分子膜から構成されているため、使用に際する自由度がきわめて高く、例えば、オーディオ機器や携帯電話などの電気・電子機器用フラットスピーカとして用いたり、壁・天井・窓などを振動板とした構造物スピーカを構成したり、騒音や振動などを検出して逆位相の振動を出力することにより騒音や振動などを抑圧して車内の静粛性を向上させたり、イヤホンやヘッドホンの外部騒音の影響を低減する位相反転式消音装置や、医療用のバイブレータや、振動を検知して、逆位相で振動させることにより、振動を軽減させる振動軽減装置など、その産業上の利用可能性は、きわめて高い。 Since the vibration element using the electric field responsive polymer of the present invention has a simple configuration and is composed of a flexible polymer film, the degree of freedom in use is extremely high. For example, an audio device, a mobile phone, etc. It can be used as a flat speaker for electrical and electronic equipment, and it can be used to construct a structural speaker that uses walls, ceilings, windows, etc. as a vibration plate. Suppress vibration and improve quietness in the car, reduce the influence of external noise of earphones and headphones, phase reversal silencer, medical vibrator, detect vibration and vibrate in reverse phase Therefore, the industrial applicability of the vibration reducing device for reducing vibration is extremely high.
100、600 ・・・ EPAM振動素子
120、620 ・・・ 第1のEPAMユニット
121、621 ・・・ 第1のEPAM膜
122、123、622、623 ・・・ フレーム
124、134、624、634 ・・・ 正極端子
125、135、625、635 ・・・ 負極端子
126、136、626、636 ・・・ 中央接合部
130、630 ・・・ 第2のEPAMユニット
131、631 ・・・ 第2のEPAM膜
132、133、632、633 ・・・ フレーム
140、640 ・・・ 中央固定軸
150、650 ・・・ スペーサ
160 ・・・ 負極共通端子
700 ・・・ 振動板
100, 600 ...
Claims (2)
正極端子及び負極端子を有する2枚の電場応答性高分子を有し、前記電場応答性高分子は、スペーサにより所定の距離を離して平行に設置され、前記2枚の電場応答性高分子は中央で互いに接合され、常に引き合った状態を保つとともに、前記2枚の電場応答性高分子の前記負極端子は、互いに接続され、前記正極端子は、それぞれ独立に設けられた構成を有することを特徴とする電場応答性高分子を用いた振動素子。 In a vibration element that converts audio signals into vibration,
There are two electric field responsive polymers having a positive electrode terminal and a negative electrode terminal, and the electric field responsive polymers are arranged in parallel at a predetermined distance by a spacer, and the two electric field responsive polymers are It is joined to each other in the center and keeps attracted to each other, and the negative terminals of the two electric field responsive polymers are connected to each other, and the positive terminals are provided independently. A vibration element using an electric field responsive polymer.
2. The electric field responsive polymer according to claim 1, wherein a central fixed shaft is vertically provided at a central joint of the two electric field responsive polymers, and a diaphragm is connected to the central fixed shaft. The vibrating element.
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