JP2007028205A - 電気音響変換器およびその振動膜成型方法 - Google Patents

Abstract

【課題】音声信号を効率よく放射させる。
【解決手段】チャンバー１０１の開口部端１０１ａに電歪伸縮ポリマーからなる振動膜１０２を取り付ける。この振動膜１０２の前面、裏面に、夫々、振動膜１０２の形状変動に伴って自体の形状を調整可能な電極層１０４Ｆ，１０４Ｒを形成する。振動膜１０２を、前面と裏面の間の気圧差が最大になる凸形状に成型する。成型時には、チャンバー１０１の内部に気体を挿入していき、チャンバー１０１の内外の気圧差が最大となるとき気体の挿入を終了する。電極層１０４Ｆ，１０４Ｒに、直流バイアス電圧でバイアスされた音声信号電圧を印加する。音声信号に対応して、振動膜１０２の面方向の伸縮、従って振動膜１０２の厚さ方向の振動が発生し、音声信号が放射される。気圧差が最大となる凸形状に振動膜１０２を成型するものであり、再生可能な最大音圧が大きくなり、音声信号を効率よく放射させることができる。
【選択図】 図１

Description

この発明は、電歪伸縮ポリマーからなる振動膜を用いた電気音響変換器およびその振動膜成型方法に関する。詳しくは、この発明は、カップ状のチャンバーの開口部端に取り付けられる電歪伸縮ポリマーからなる振動膜を、その前面と裏面の間の気圧差が最大になる凸形状あるいは凹形状に成型することによって、音声信号を効率よく放射させるようにした電気音響変換器等に係るものである。

従来、振動膜の前面および裏面に、直流バイアス電圧でバイアスされた音声信号電圧を印加するための電極層を有し、かつ前面および裏面の気圧差を利用して振動膜を凸形状あるいは凹形状に成型することで、振動膜の面方向伸縮を振動膜の厚さ方向の振動に変換し、音声信号を放射する電気音響変換器が提案されている。例えば、特許文献１には、圧電高分子であるポリフッ化ビニリデンフィルムを振動膜として利用したものが記載されている。また例えば、特許文献２には、電歪伸縮ポリマーを振動膜として利用したものが記載されている。

特開昭５５−７３１９９号公報 特表２００１−５２４２７８号公報

上述の特許文献１，２には、振動膜形状、あるいは振動膜を成型するための振動膜の前面および裏面の間の気圧差については何等記載されていない。特許文献１，２に記載される振動膜を、音声信号の放射のための高効率の振動膜として用いるためには、当該振動膜の前面および裏面の間の気圧差が非常に重要である。不適切な気圧差で動作させると、音声信号の放射効率が悪くなってしまうといった問題が生じてくる。

この発明の目的は、音声信号を効率よく放射させることにある。

この発明の概念は、
カップ状のチャンバーの開口部端に、電歪伸縮ポリマーからなる振動膜が取り付けられ、
上記振動膜の前面および裏面に、それぞれ、上記振動膜の形状の変動に伴って自体の形状を調整可能とされ、直流バイアス電圧でバイアスされた音声信号電圧を印加するための第１の適合電極層および第２の適合電極層が形成され、
上記振動膜は、前面と裏面の間の気圧差が最大になる凸形状あるいは凹形状に成型される
ことを特徴とする電気音響変換器にある。

この発明においては、カップ状のチャンバーの開口部端に、電歪伸縮ポリマーからなる振動膜が取り付けられる。この振動膜の前面および裏面に、それぞれ、振動膜の形状の変動に伴って自体の形状を調整可能な、第１および第２の適合電極層が形成されている。振動膜は、前面と裏面の間の気圧差が最大になる凸形状あるいは凹形状に成型される。この成型時には、チャンバーの内部に気体を挿入していき、あるいはチャンバーから気体を排出していき、チャンバーの内部と外部の気圧差が最大となるとき気体の挿入、あるいは排出を終了するようになされる。

第１および第２の適合電極層には、直流バイアス電圧でバイアスされた音声信号電圧が印加される。これにより、音声信号に対応して、振動膜の面方向の伸縮、従って振動膜の厚さ方向の振動が発生し、この振動膜から音声信号が放射される。この場合、前面と裏面の間の気圧差が最大となる凸形状あるいは凹形状に振動膜が成型されているので、再生可能な最大音圧が大きくなり、音声信号は効率よく放射される。

この発明によれば、カップ状のチャンバーの開口部端に取り付けられる電歪伸縮ポリマーからなる振動膜を、その前面と裏面の間の気圧差が最大になる凸形状あるいは凹形状に成型するものであり、音声信号を効率よく放射させることができる。

以下、図面を参照しながら、この発明の実施の形態について説明する。図１は、実施の形態としての電気音響変換器１００の構成を示す斜視図である。図２は、その電気音響変換器１００の構成を示す断面図である。

この電気音響変換器１００は、カップ状のチャンバー１０１の開口部端１０１ａに、振動膜１０２が取り付けられている。この場合、振動膜１０２の端部が、リング状のフレーム押さえ１０３により、チャンバー１０１の開口部端１０１ａに圧着される。このように、チャンバー１０１の開口部端１０１ａに振動膜１０２が取り付けられることで、チャンバー１０１内に密閉空間が形成される。

ここで、振動膜１０２は、電歪伸縮ポリマーからなっている。この電歪伸縮ポリマーとしては、例えば、［３Ｍ社製 ＶＨＢ4910 アクリル系のエラストマー」を使用できる。なお、フレーム押さえ１０３を用いずに、振動膜１０２の端部をチャンバー１０１の開口部端１０１ａに接着剤を用いて接着するようにしてもよい。チャンバー１０１およびフレーム押さえ１０３は、非導電性部材、例えば合成樹脂で構成されている。

この振動膜１０２の前面および裏面には、それぞれ、適合電極層１０４Ｆおよび適合電極層１０４Ｒが塗布形成されている。これら適合電極層１０４Ｆ，１０４Ｒは、直流バイアス電圧でバイアスされた音声信号電圧を印加するためのものである。これら適合電極層１０４Ｆ，１０４Ｒは、それぞれ、振動膜１０２の形状の変動に伴って自体の形状を調整可能とされている。これら適合電極層１０４Ｆ，１０４Ｒとしては、例えば、「信越化学工業（株）製 導電用シリコーンＲＴＶゴム Ｘ-31-2060」を使用できる。

振動膜１０２は、前面と裏面の間の気圧差が最大になる凸形状に成型されている。このような振動膜１０２の成型は、例えば、以下のようにして行われる。

なお、チャンバー１０１の側面には、チャンバー１０１内に気体を挿入し、あるいはチャンバー１０１内の気体を排出するためのポート１０５が設けられている。また、チャンバー１０１の側面には、チャンバー１０１の内部の気圧を測定するためのポート１０６が設けられている。これらポート１０５，１０６は、それぞれ、開閉装置（コック機構）１０５ａ，１０６ａを備えた金属製パイプで構成されている。

ポート１０６には、開閉装置１０６ａを開位置に設定した状態で、チャンバー１０１の内部の気圧を測定するための図示しない測定装置が取り付けられる。このようにチャンバー１０１の内部の気圧を測定するのは、最終的にはチャンバー１０１の内部と外部の気圧差を得るためである。この測定装置として、例えば周知の水マノメータを取り付けることで、当該気圧差を簡単に得ることができる。

また、ポート１０５には、開閉装置１０５ａを開位置に設定した状態で、チャンバー１０１の内部に気体を挿入するための気体挿入装置、例えば図示しないエアーコンプレッサが取り付けられる。チャンバー１０１の内部に気体を挿入する直前の状態では、チャンバー１０１の内部と外部の気圧差は０であり、振動膜１０２は平坦な初期状態にある。

図３は、振動膜１０２が初期状態にある、電気音響変換器１００の斜視図を示している。図４は、振動膜１０２が初期状態にある、電気音響変換器１００の断面図を示している。なお、図３、図４では、開閉装置１０５ａ，１０６ａが開位置に設定されている状態を示している。これに対して、図１、図２では、開閉装置１０５ａ，１０６ａが閉位置に設定されている状態を示している。

初期状態から、例えばエアーコンプレッサによりチャンバー１０１の内部に気体、例えば空気を挿入していく。この場合、チャンバー１０１の内部の気圧が上昇していき、それに伴って振動膜１０２は膨らんでいき、凸形状となっていく。チャンバー１０１の内部と外部の気圧差が最大となるとき、チャンバー１０１の内部への空気の挿入を終了する。これにより、振動膜１０２は、前面と裏面の間の気圧差が最大になる凸形状に成型される。

なお、このように振動膜１０２の前面と裏面の間の気圧差が最大になった状態で、ポート１０５，１０６の開閉装置１０５ａ，１０６ａは開位置から閉位置とされ（図１、図２参照）、振動膜１０２の成型状態が保持される。

図５は、チャンバー１０１の内部に空気を挿入していったときの、気圧差の測定例を示している。なお、この測定例では、振動膜１０２として、厚さが１ｍｍである、上述の［３Ｍ社製 ＶＨＢ4910 アクリル系のエラストマー」を用いた。この図５において、縦軸は気圧差［ｈＰａ］を示し、横軸は、チャンバー１０１の口径Ｄと振動膜１０２の高さＨの比を示している（図２参照）。

この測定例から明らかなように、気圧差は、初期状態から振動膜１０２を膨らませるに従って大きくなり、ある点で最大となり、その後は減少していく。この測定例では、口径Ｄと高さＨの比が０．５のとき、気圧差は２０ｈＰａとなり最大となっている。

上述したように、この振動膜１０２の前面および裏面にそれぞれ形成された適合電極層１０４Ｆおよび適合電極層１０４Ｒの間には、直流バイアス電圧でバイアスされた音声信号電圧が印加される。

フレーム押さえ１０３の一部には、音声信号電圧を印加するための端子となる金属製の端子板１０７が配設されている。この端子板１０７は、導電性ペースト１０８によって、振動膜１０２の前面に形成された適合電極層１０４Ｆに電気的に接続されている。また、ポート１０５は導電性ペースト１０９によって振動膜１０２の裏面に形成された適合電極層１０４Ｒに電気的に接続され、当該ポート１０５は音声信号電圧を印加するための端子として使用される。

上述した直流バイアス電圧でバイアスされた音声信号電圧は、端子板１０７とポート１０５との間に印加され、これにより当該音声信号電圧は適合電極層１０４Ｆおよび適合電極層１０４Ｒの間に印加される。

図６は、電気音響変換器１００の駆動回路を示している。音声信号源１１１からの音声信号Ｓａは昇圧用トランス１１２の１次側コイル１１２ａに供給される。これにより、昇圧用トランス１１２の２次側コイル１１２ｂには、昇圧された音声信号Ｓａ′が得られる。この昇圧用トランス１１２の２次側コイル１１２ｂの一端は、直接、接地された適合電極層１０４Ｒに接続され、その他端は直流カット用のコンデンサ１１３を介して、適合電極層１０４Ｆに接続される。

また、高圧発生回路１１４は高圧の直流バイアス電圧ＶＢを発生する。この高圧発生回路１１４の負側は適合電極層１０４Ｒに接続され、その正側は適合電極層１０４Ｆに接続される。これにより、適合電極層１０４Ｆおよび適合電極層１０４Ｒの間には、直流バイアス電圧ＶＢでバイアスされた音声信号Ｓａ′が印加される。

図７は、直流バイアス電圧ＶＢと昇圧音声信号Ｓａ′とのレベル関係を示しており、直流バイアス電圧ＶＢは音声信号Ｓａ′のピーク・ツー・ピーク値Ｖp-pの１／２以上に設定される。例えば、音声信号Ｓａ′のピーク・ツー・ピーク値が４ｋＶであるとき、直流バイアス電圧ＶＢは２ｋＶに設定される。

図１、図２に示す電気音響変換器１００の動作を説明する。直流バイアス電圧ＶＢでバイアスされた昇圧音声信号Ｓａ′が、端子板１０７およびポート１０５を介して、振動膜１０２の前面および裏面にそれぞれ形成された適合電極層１０４Ｆおよび適合電極層１０４Ｒの間に印加される。

振動膜１０２は上述したように電歪伸縮ポリマーからなっている。適合電極層１０４Ｆおよび適合電極層１０４Ｒの間に電圧が印加されると、これら適合電極層１０４Ｆおよび適合電極層１０４Ｒの間に引力（クーロン力）が発生し、振動膜１０２の厚さが減少し、面積が拡大する。

上述したように適合電極層１０４Ｆおよび適合電極層１０４Ｒの間に直流バイアス電圧ＶＢでバイアスされた昇圧音声信号Ｓａ′が印加される場合、直流バイアス電圧ＶＢで振動膜１０２の面積が予め拡大されているため、振動膜１０２の面積は音声信号Ｓａ′のレベル変化に応じて拡大縮小する。

このとき、上述したように振動膜１０２は、その前面および裏面に気圧差を生じさせて凸形状に成型されているので、上述した振動膜１０２の面積の拡大縮小、つまり面方向の伸縮により、チャンバー１０１と振動膜１０２により構成される密閉空間の体積が気圧差により変化する。これにより、振動膜１０２は音声信号Ｓａ′のレベル変化に応じて膜厚方向に振動し、音声信号Ｓａ′の電気的エネルギーが音響的エネルギーに変換され、振動膜１０２から音声信号が放射される。

上述した図１、図２に示す電気音響変換器１００によれば、振動膜１０２はその前面と裏面の間の気圧差が最大になる凸形状に成型されているので、再生可能な最大音圧が大きくなり、音声信号を効率よく放射させることができる。これは、再生可能な最大音圧はチャンバー１０１の内部と外部の気圧差に比例するからである。

ここで、全方向に音声信号が放射されたと仮定すると、音源から１ｍでの再生可能な最大音圧ＳＰＬmaxは、以下の（１）式で表される。これは、振動膜１０２が音声信号と直流バイアス電圧により最大伸長して気圧差が０になった場合の音圧に相当する。

ＳＰＬmax＝２０log₁₀（気圧差／√２／４π／０．００００２） ・・・（１）
この（１）式では、気圧差を√２で割ることで気圧差の実行値を得、さらにこの気圧差の実行値を半径１ｍの球の面積４π１²で割ることで単位面積当たりの圧力を得、この単位面積当たりの圧力を基準圧力である０．００００２（サウンドプレッシャーレベルの０ｄＢにあたる）で割ることで基準圧力に対する倍率を得、その倍率を用いて最大音圧ＳＰＬmaxを得ている。因みに、上述した図５の測定例のように、気圧差が２０ｈＰａである場合には、ＳＰＬmax＝１３５ｄＢとなる。

なお、上述実施の形態では、振動膜１０２は、前面と裏面の間の気圧差が最大になる凸形状に成型されたものであるが、逆に前面と裏面の間の気圧差が最大になる凹形状に成型されてもよい。

この場合、初期状態（図３、図４の状態）から、ポート５を通じて、チャンバー１０１の内部の空気を排出していく。この場合、チャンバー１０１の内部の気圧が下降していき、それに伴って振動膜１０２は凹んでいき、凹形状となっていく。チャンバー１０１の内部と外部の気圧差が最大となるとき、チャンバー１０１の内部からの空気の排出を終了する。

これにより、振動膜１０２は、前面と裏面の間の気圧差が最大になる凹形状に成型される。このように振動膜１０２を凹形状に成型する場合であっても、上述したように振動膜１０２を凸形状に生成する場合と同様の効果を得ることができる。

また、上述実施の形態では、ポート１０５，１０６にそれぞれ開閉装置（コック機構）１０５ａ，１０６ａを設けたものであるが、これらポート１０５，１０６に開閉装置１０５ａ，１０６ａを設けない構成とすることもできる。その場合には、振動膜１０２をその前面と裏面の間の気圧差が最大になった状態で、ポート１０５，１０６の開口部を封止部材で封止し、あるいは開口部を潰して閉状態とすることで、その状態を保持できる。

また、上述実施の形態では、チャンバー１０１に、内部の気圧を測定するためのポート１０６を設け、例えばこのポートに水マノメータを取り付けて、チャンバー１０１の内部と外部の気圧差を測定して、その気圧差が最大となる凸形状あるいは凹形状に振動膜１０２を成型するものを示した。しかし、予め、気圧差が最大になる凸形状あるいは凹形状を求めておき、振動膜１０２がその形状となるように成型してもよい。この場合には、チャンバー１０１にポート１０６は不要となる。

この発明は、音声信号を効率よく放射させることができるものであり、単体のスピーカあるいは音響機器に付加されるスピーカとして利用できる。

実施の形態としての電気音響変換器の構成を示す斜視図である。 実施の形態としての電気音響変換器の構成を示す断面図である。 振動膜を成型する前の初期状態の電気音響変換器の状態を示す斜視図である。 振動膜を成型する前の初期状態の電気音響変換器の状態を示す断面図である。 チャンバー内に空気を挿入していったときの、振動膜の前面と裏面の間の気圧差の測定例を示す図である。 電気音響変換器の駆動回路を示す回路図である。 駆動回路における直流バイアス電圧ＶＢと昇圧音声信号Ｓａ′とのレベル関係を示す図である。

符号の説明

１００・・・電気音響変換器、１０１・・・カップ状のチャンバー、１０１ａ・・・開口部端、１０２・・・振動膜、１０３・・・リング状のフレーム押さえ、１０４Ｆ，１０４Ｒ・・・適合電極層、１０５，１０６・・・ポート、１０５ａ，１０６ａ・・・開閉装置（コック機構）、１０７・・・端子板、１０８，１０９・・・導電性ペースト、１１１・・・音声信号源、１１２・・・昇圧用トランス、１１３・・・直流カット用のコンデンサ、１１４・・・高圧発生回路

Claims (2)

1. カップ状のチャンバーの開口部端に、電歪伸縮ポリマーからなる振動膜が取り付けられ、
   上記振動膜の前面および裏面に、それぞれ、上記振動膜の形状の変動に伴って自体の形状を調整可能とされ、直流バイアス電圧でバイアスされた音声信号電圧を印加するための第１の適合電極層および第２の適合電極層が形成され、
   上記振動膜は、前面と裏面の間の気圧差が最大になる凸形状あるいは凹形状に成型される
   ことを特徴とする電気音響変換器。
2. カップ状のチャンバーの開口部端に、電歪伸縮ポリマーからなる振動膜が取り付けられ、
   上記振動膜の前面および裏面に、それぞれ、上記振動膜の形状の変動に伴って自体の形状を調整可能とされ、直流バイアス電圧でバイアスされた音声信号電圧を印加するための第１の適合電極層および第２の適合電極層が形成された電気音響変換器の振動膜成型方法であって、
   上記チャンバーの内部に気体を挿入していき、あるいは上記チャンバーから気体を排出していき、上記チャンバーの内部と外部の気圧差が最大となるとき上記気体の挿入、あるいは上記気体の排出を終了する
   ことを特徴とする電気音響変換器の振動膜成型方法。
   

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