JP2010074593A - 電気音響変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型化・薄型化に適し大振幅の音響振動を得ることが容易な電気音響変換装置を実現する。
【解決手段】電気音響変換装置は、表面を少なくとも２つに区切った状態で液滴を保持する保持手段と、前記液滴を電気信号に基づいてエレクトロウェッティングにより振動的に変形させる駆動手段を具備する。前記保持手段は、前記液滴を支持する支持板(12)と、前記支持板と対向し前記液滴(10)を部分的に穴(142)から露出させた状態で挟持する対向板を(14)有し、前記駆動手段は、前記液滴に接触する１組の電極(12,14)と、前記１組の電極に電気信号を印加する駆動源(16)を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気音響変換装置に関し、特に、エレクトロウェッティングを利用して電気信号を音響信号に変換する装置に関する。

電気音響変換装置の典型としてスピーカがある。スピーカは、動電型のものが広く普及している。動電型のスピーカは、永久磁石の磁界中に配置したボイスコイルに音声電流を流し、磁界中の電流に作用するローレンツ力を利用して、ボイルコイルとそれに結合された振動版を振動させるようになっている（例えば、特許文献１参照）。

動電型ほど普及していないものの、電極間に作用する静電力を利用する静電型のスピーカも存在する。静電型のスピーカは、電極間に音声信号に対応した電圧を印加して電極を振動させるようになっている（例えば、特許文献２参照）。

その他には、圧電素子の電歪効果を利用した圧電型のスピーカもある。圧電型のスピーカは、圧電素子に音声信号に対応した電圧を加えて、伸縮振動を行わせるようになっている（例えば、特許文献３参照）。

電気音響変換装置ではないが、電気信号を機械的な挙動に変換する装置として、エレクトロウェッティング・デバイスが登場している。エレクトロウェッティング・デバイスは、１組の電極に対して液滴を配置し、電極に印加する電圧で固液界面の界面張力を調節することにより接触角を変化させ、液滴の形状を変化させるものである（例えば、特許文献４参照）。
特開２００８−１７７６９２号公報（段落番号００１８、図１，２） 特開２００８−１１８５１３号公報（段落番号００１０−００１３、図１，２） 特開２００８−９２５１８号公報（段落番号００２４−００２５、図１−３） 特開２００５−１８５０９０号公報（段落番号００３３、図１）

動電型のスピーカは、大振幅の音響振動を得るのに適するが、磁気回路やボイスコイル等が不可欠なので、部品数の多い複雑な構造となり、小型化や薄型化には不向きである。
これに対して、静電型のスピーカは小型化・薄型化に適するが、張力をかけて支持した薄膜を振動させる構造なので、製造や使用上の安定性が確保しにくく、また、電極間の静電力は電極間隔の増大とともに急減するので、振動を大振幅化するには極めて高い電圧が必要とされる。

圧電型のスピーカも小型化・薄型化に適するが、圧電素子の伸縮率が小さいので大振幅を得るのは困難であり、また、圧電素子の共振を利用するため音質面でも不利である。
エレクトロウェッティング・デバイスは小型化・薄型化に好適ではあるが、電気信号によって変形する液滴の体積速度は全体として０になるので、液滴サイズに近い波長以外は有効な音響とならない。このため、そのままでは、スピーカとして使用することはできない。

そこで、本発明の目的は、小型化・薄型化に適し大振幅の音響振動を得ることが容易な電気音響変換装置を実現することである。

課題を解決するための手段としての請求項１に係る発明は、表面を少なくとも２つに区切った状態で液滴を保持する保持手段と、前記液滴を電気信号に基づいてエレクトロウェッティングにより振動的に変形させる駆動手段を具備することを特徴とする電気音響変換装置である。

課題を解決するための手段としての請求項２に係る発明は、前記保持手段は、前記液滴を支持する支持板と、前記支持板と対向し前記液滴を部分的に穴から露出させた状態で挟持する対向板を有し、前記駆動手段は、前記液滴に接触する１組の電極と、前記１組の電極に電気信号を印加する駆動源を有することを特徴とする請求項１に記載の電気音響変換装置である。

課題を解決するための手段としての請求項３に係る発明は、前記支持板および前記対向板は、前記１組の電極を兼ねることを特徴とする請求項２に記載の電気音響変換装置である。

課題を解決するための手段としての請求項４に係る発明は、前記支持板は、前記１組の電極のうちの一方の電極を兼ねるとともに、前記液滴と接触する側に一方の電極とは絶縁された他方の電極を有することを特徴とする請求項２に記載の電気音響変換装置である。

課題を解決するための手段としての請求項５に係る発明は、前記支持板および前記対向板は、前記１組の電極のうちの一方の電極および他方の電極をそれぞれ有することを特徴とする請求項２に記載の電気音響変換装置である。

課題を解決するための手段としての請求項６に係る発明は、前記１組の電極は、少なくともいずれか一方が撥水層を介して前記液滴に接触することを特徴とする請求項２に記載の電気音響変換装置である。

課題を解決するための手段としての請求項７に係る発明は、前記１組の電極は、少なくともいずれか一方が絶縁層を介して前記液滴に接触することを特徴とする請求項２に記載の電気音響変換装置である。

課題を解決するための手段としての請求項８に係る発明は、前記支持板、前記対向板および前記１組の電極は平板であることを特徴とする請求項２に記載の電気音響変換装置である。

課題を解決するための手段としての請求項９に係る発明は、前記平板は可撓性である
ことを特徴とする請求項８に記載の電気音響変換装置である。
課題を解決するための手段としての請求項１０に係る発明は、前記支持板、前記対向板および前記１組の電極は非平板であることを特徴とする請求項２に記載の電気音響変換装置である。

課題を解決するための手段としての請求項１１に係る発明は、前記非平板は非可撓性であることを特徴とする請求項１０に記載の電気音響変換装置である。
課題を解決するための手段としての請求項１２に係る発明は、前記液滴、前記支持板、前記対向板および前記１組の電極は透明であることを特徴とする請求項２に記載の電気音響変換装置である。

課題を解決するための手段としての請求項１３に係る発明は、前記電気信号は直流的にバイアスされた交流電圧であることを特徴とする請求項１に記載の電気音響変換装置である。

課題を解決するための手段としての請求項１４に係る発明は、前記直流的なバイアスは前記交流電圧より大きいことを特徴とする請求項１３に記載の電気音響変換装置である。
課題を解決するための手段としての請求項１５に係る発明は、前記交流電圧は音声信号に由来することを特徴とする請求項１３に記載の電気音響変換装置である。

課題を解決するための手段としての請求項１６に係る発明は、前記液滴は水滴である
ことを特徴とする請求項１に記載の電気音響変換装置である。
課題を解決するための手段としての請求項１７に係る発明は、前記液滴は電解液の液滴であることを特徴とする請求項１に記載の電気音響変換装置である。

課題を解決するための手段としての請求項１８に係る発明は、前記液滴はイオン液体の液滴であることを特徴とする請求項１に記載の電気音響変換装置である。
課題を解決するための手段としての請求項１９に係る発明は、前記液滴は独立した複数の液滴であることを特徴とする請求項１に記載の電気音響変換装置である。

課題を解決するための手段としての請求項２０に係る発明は、前記複数の液滴はアレイ状に配置されることを特徴とする請求項１９に記載の電気音響変換装置である。
課題を解決するための手段としての請求項２１に係る発明は、前記アレイは１次元アレイであることを特徴とする請求項２０に記載の電気音響変換装置である。

課題を解決するための手段としての請求項２２に係る発明は、前記アレイは２次元アレイであることを特徴とする請求項２０に記載の電気音響変換装置である。

請求項１に係る発明によれば、電気音響変換装置は、表面を少なくとも２つに区切った状態で液滴を保持する保持手段と、前記液滴を電気信号に基づいてエレクトロウェッティングにより振動的に変形させる駆動手段を具備するので、小型化・薄型化に適し大振幅の音響振動を得ることが容易な電気音響変換装置を実現することができる。

請求項２に係る発明によれば、前記保持手段は、前記液滴を支持する支持板と、前記支持板と対向し前記液滴を部分的に穴から露出させた状態で挟持する対向板を有し、前記駆動手段は、前記液滴に接触する１組の電極と、前記１組の電極に電気信号を印加する駆動源を有するので、小型化・薄型化に適し大振幅の音響振動を得ることが容易な電気音響変換装置を実現することができる。

請求項３に係る発明によれば、前記支持板および前記対向板は、前記１組の電極を兼ねるので、電気音響変換装置構成用の部品を少なくすることができる。
請求項４に係る発明によれば、前記支持板は、前記１組の電極のうちの一方の電極を兼ねるとともに、前記液滴と接触する側に一方の電極とは絶縁された他方の電極を有するので、電極を支持板側に集中させることができる。

請求項５に係る発明によれば、前記支持板および前記対向板は、前記１組の電極のうちの一方の電極および他方の電極をそれぞれ有するので、液滴の支持と駆動を適宜に分担することができる。

請求項６に係る発明によれば、前記１組の電極は、少なくともいずれか一方が撥水層を介して前記液滴に接触するので、エレクトロウェッティングを適切に行うことができる。
請求項７に係る発明によれば、前記１組の電極は、少なくともいずれか一方が絶縁層を介して前記液滴に接触するので、液滴の電気分解を防止することができ、エレクトロウェッティングを安定に行うことができる。

請求項８に係る発明によれば、前記支持板、前記対向板および前記１組の電極は平板であるので、平板状の電気音響変換装置を得ることができる。
請求項９に係る発明によれば、前記平板は可撓性であるので、面形状の多様化が容易である。

請求項１０に係る発明によれば、前記支持板、前記対向板および前記１組の電極は非平板であるので、非平板状の電気音響変換装置を得ることができる。
請求項１１に係る発明によれば、前記非平板は非可撓性であるので、面形状の保持が容易である。

請求項１２に係る発明によれば、前記液滴、前記支持板、前記対向板および前記１組の電極は透明であるので、透明な電気音響変換装置を得ることができる。
請求項１３に係る発明によれば、前記電気信号は直流的にバイアスされた交流電圧であるので、交流電圧の周波数と同じ周波数の音響振動を得ることができる。

請求項１４に係る発明によれば、前記直流的なバイアスは前記交流電圧より大きいので、 第２高調波成分の比率を小さくすることができる。
請求項１５に係る発明によれば、前記交流電圧は音声信号に由来するので、音声振動を得ることができる。

請求項１６に係る発明によれば、前記液滴は水滴であるので、調達が容易である。
請求項１７に係る発明によれば、前記液滴は電解液の液滴であるので、液滴の性状を容易に調整することができる。

請求項１８に係る発明によれば、前記液滴はイオン液体の液滴であるので、不揮発の液滴を得ることができる。
請求項１９に係る発明によれば、前記液滴は独立した複数の液滴であるので、音響発生源を複数化することができる。

請求項２０に係る発明によれば、前記複数の液滴はアレイ状に配置されるので、出力合成により音響を増大することができる。
請求項２１に係る発明によれば、前記アレイは１次元アレイであるので、音響出力合成を１次元的に行うことができる。

請求項２２に係る発明によれば、前記アレイは２次元アレイであるので、音響出力合成を２次元的に行うことができる。

以下、図面を参照して発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。なお、本発明は、発明を実施するための最良の形態に限定されない。
図１に、電気音響変換装置１の構成を模式的に示す。電気音響変換装置１は、発明を実施するための最良の形態の一例である。本装置の構成によって、電気音響変換装置に関する発明を実施するための最良の形態の一例が示される。

図１に示すように、電気音響変換装置１は、液滴１０を一対の電極１２，１４で挟持し、駆動部１６から電極１２，１４に電気信号を印加する構成となっている。電極１２，１４の対向間隔は固定である。駆動部１６から電極１２，１４に印加される電気信号は、電圧である。

電極１２は、絶縁層１２２を介して液滴１０に接触し、電極１４は、貫通孔１４２から液滴１０の一部を露出させた状態で液滴１０に接触する。これによって、液滴１０の表面は、貫通孔１４２から露出する部分と、電極１２，１４間に挟まれた部分とに区切られる。

絶縁層１２２の表面は撥水性を有する。撥水性の付与は、表面の撥水処理ないし表面への撥水層形成等によって行われる。これによって、絶縁層１２２は撥水層ともなる。
電極１２，１４も撥水性を有する。電極１４は、電極１２と同様に絶縁層（撥水層）を介して液滴１０に接触させても良い。あるいは、電極１２を、絶縁層１２２を介さずに直接液滴１０に接触させてもよい。

電気音響変換装置１の構成は、基本的には、既存のエレクトロウェッティング・デバイスと共通するが、電極１４に貫通孔１４２を設け、それを通じて液滴１０の一部を外部に露出させるように構成したところが、既存のものと相違する。

液滴１０は、本発明における液滴の一例である。液滴１０を形成する液体としては、例えば水が利用される。水は調達が容易な点で好ましい。液体は電解液であってもよい。電解液は、電解質の選択により液滴の性状が調整可能な点で好ましい。電解液としては、例えば、NaCl溶液やKCl溶液等が用いられる。

液体は、また、常温溶融塩すなわちイオン液体であってよい。イオン液体は不揮発性である点で好ましい。イオン液体としては、例えば、ピリジン系、脂環族アミン系、脂肪族アミン系の陽イオンあるいはフッ素系の陰イオンが用いられる。

電極１２，１４は、本発明における支持手段の一例である。この支持手段は、電極と兼用である。電極１２は、本発明における支持板の一例である。電極１４は、本発明における対向板の一例である。貫通孔１４２は、本発明における穴の一例である。

電極１２，１４および駆動部１６は、本発明における駆動手段の一例である。電極１２，１４は、また、本発明における１組の電極の一例である。電極１２は、本発明における一方の電極の一例である。電極１４は、本発明における他方の電極の一例である。駆動部１６は、本発明における駆動源の一例である。

図１においては、駆動部１６から電極１２，１４に印加される電圧は０となっている。このため、電極１２，１４の固液界面における液滴１０の界面張力が最大であり、それによって、液滴１０は、上側の表面が電極１４の貫通孔１４２から外側に張り出し、電極１２，１４間に挟まれた部分が水平方向に張り出した状態となっている。

以下、液滴１０の、貫通孔１４２から露出する表面を上面といい、電極１２，１４間に挟まれた表面を側面という。また、駆動部１６から電極１２，１４への電圧の印加を単に電圧の印加といい、電極１２，１４の固液界面における液滴１０の界面張力を単に界面張力という。

図２に、電極１２，１４に電圧を印加したときの状態を示す。図２に示すように、印加電圧に対応した界面張力（並びに接触角）の減少により、液滴１０は、電極１２，１４間で水平方向に広がる。このとき、液滴１０の体積は不変なので、水平方向に広がった分だけ液滴１０の上面が沈下する。

印加電圧を交互に切り替えることにより、液滴１０は、図１の状態および図２の状態に交互に切り替わる。これによって、液滴１０は、上面が上下方向に往復的に移動し、側面が水平方向に往復的に移動する。すなわち、液滴１０の上面は上下方向に振動し、側面は水平方向に振動する。

液滴１０の上面および側面は、電極１４で仕切られた別々な気相にそれぞれ接しているので、それぞれの気相に対して、それぞれ有意の体積速度を持つ。したがって、液滴１０の上面と側面からそれぞれ音響を発生することができる。音響の周波数と振幅は、液滴サイズに無関係に、印加電圧の周波数と振幅によって決まる。

エレクトロウェッティングの接触角は、下記のようなYoung-Lippmann式で表される。

ここで、
θ：接触角
γ：界面張力（s,l,gそれぞれ固相、液相、気相）
ε₀：真空の誘電率
ε_r：比誘電率
Ｖ：電圧
d：絶縁層の厚さ（絶縁層なしの電極では電気二重層の厚さ）
である。

上式により、接触角θは電圧Ｖの２乗で決まるので、電圧Ｖを交流電圧にすると、音響振動の周波数は、電圧Ｖの周波数の２倍になる。そこで、電圧Ｖの周波数と同じ周波数の音響振動を得るために、電圧Ｖを、直流的にバイアスされた交流電圧とする。その際、直流バイアスを交流電圧の振幅より大きくして、２倍周波数（第２高調波）成分の比率が小さくなるようにする。

交流電圧を音声由来の信号にすれば、音声に対応した音響振動が得られる。これによって、電気音響変換装置１はスピーカとなる。このスピーカは、液体そのものが音響発生源となるので、振動版を振動させたときのような共振が発生する余地はなく、良好な音質を得ることができる。

また、液滴の振動の振幅は、固体による動作の制限が存在しないので、旧来のスピーカに比べて、小さいサイズであっても大振幅の振動を容易に得ることができる。また、機構的部分が液滴と１組の電極で構成されるので、スピーカの小型化・薄型化がきわめて容易である。

液滴１０の上面から発生する音響と側面から発生する音響は互いに逆位相となるので、いずれか一方の音響のみが利用される。例えば、液滴１０の上面から発生する音響のみを利用するときは、図３に示すように、遮音ないし吸音用の部材１８を電極１２，１４の間に設け、液滴１０の側面から発生する音響を遮音ないし吸音する。

あるいは、電極１２，１４の水平方向への広がりを使用帯域の音響の波長の１／２より大きくして、液滴１０の側面から発生する音響効果を減殺するようにしても良い。以下、同様である。

電極１４は、図４に示すように、電極１２と同じ側に設けるようにしても良い。ただし、電極１４は、電極１２とは絶縁して設けられる。このとき、貫通孔１４２を有する板部材１４０は、電極としてではなく、電極１２との間に液滴１０を挟持する対向板として機能する。板部材１４０は、本発明における対向板の一例である。

電極１２，１４は、図５に示すように、支持板１２０および対向板１４０にそれぞれ設けるようにしても良い。このようにすることにより、電極１２，１４を液滴駆動に特化した構成とすることができ、支持板１２０と対向板１４０を液滴挟持に特化した構造とすることができる。

スピーカ用の音響発生部は、図１から図５に示した構造を単位構造とし、複数単位の集合体とすることができる。これによって音量が増大し、十分な音量のスピーカを得ることができる。集合体内では、複数の液滴は個々に独立である。電極は、集合体全体に共通または１単位ないし複数単位ごとに別々であってよい。

単位構造の集合体は、必要に応じて、一次元アレイまたは２次元アレイとすることができる。その際、電極や支持板等を可撓性の材料で構成すれば、多様な形状に容易に適合可能なスピーカを得ることができる。なお、多様な形状のスピーカは、予め成形した非可撓性の材料で構成しても良い。電極や支持板等並びに液滴を透明材料で構成すれば、透明なスピーカを得ることができる。

発明を実施するための最良の形態の一例の電気音響変換装置の模式的構成を示す図である。 発明を実施するための最良の形態の一例の電気音響変換装置の作動状態を示す図である。 発明を実施するための最良の形態の一例の電気音響変換装置の模式的構成を示す図である。 発明を実施するための最良の形態の一例の電気音響変換装置の作動状態を示す図である。 発明を実施するための最良の形態の一例の電気音響変換装置の模式的構成を示す図である。

符号の説明

１ ： 電気音響変換装置
１０ ： 液滴
１２，１４ ： 電極
１６ ： 駆動部
１８ ： 遮音ないし吸音用の部材
１２０ ： 支持板
１２２ ： 絶縁層
１４０ ： 対向板
１４２ ： 貫通孔

Claims (22)

1. 表面を少なくとも２つに区切った状態で液滴を保持する保持手段と、
   前記液滴を電気信号に基づいてエレクトロウェッティングにより振動的に変形させる駆動手段
   を具備することを特徴とする電気音響変換装置。
2. 前記保持手段は、
   前記液滴を支持する支持板と、
   前記支持板と対向し前記液滴を部分的に穴から露出させた状態で挟持する対向板を有し、
   前記駆動手段は、
   前記液滴に接触する１組の電極と、
   前記１組の電極に電気信号を印加する駆動源を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の電気音響変換装置。
3. 前記支持板および前記対向板は、前記１組の電極を兼ねる
   ことを特徴とする請求項２に記載の電気音響変換装置。
4. 前記支持板は、前記１組の電極のうちの一方の電極を兼ねるとともに、前記液滴と接触する側に一方の電極とは絶縁された他方の電極を有する
   ことを特徴とする請求項２に記載の電気音響変換装置。
5. 前記支持板および前記対向板は、前記１組の電極のうちの一方の電極および他方の電極をそれぞれ有する
   ことを特徴とする請求項２に記載の電気音響変換装置。
6. 前記１組の電極は、少なくともいずれか一方が撥水層を介して前記液滴に接触する
   ことを特徴とする請求項２に記載の電気音響変換装置。
7. 前記１組の電極は、少なくともいずれか一方が絶縁層を介して前記液滴に接触する
   ことを特徴とする請求項２に記載の電気音響変換装置。
8. 前記支持板、前記対向板および前記１組の電極は平板である
   ことを特徴とする請求項２に記載の電気音響変換装置。
9. 前記平板は可撓性である
   ことを特徴とする請求項８に記載の電気音響変換装置。
10. 前記支持板、前記対向板および前記１組の電極は非平板である
    ことを特徴とする請求項２に記載の電気音響変換装置。
11. 前記非平板は非可撓性である
    ことを特徴とする請求項１０に記載の電気音響変換装置。
12. 前記液滴、前記支持板、前記対向板および前記１組の電極は透明である
    ことを特徴とする請求項２に記載の電気音響変換装置。
13. 前記電気信号は直流的にバイアスされた交流電圧である
    ことを特徴とする請求項１に記載の電気音響変換装置。
14. 前記直流的なバイアスは前記交流電圧より大きい
    ことを特徴とする請求項１３に記載の電気音響変換装置。
15. 前記交流電圧は音声信号に由来する
    ことを特徴とする請求項１３に記載の電気音響変換装置。
16. 前記液滴は水滴である
    ことを特徴とする請求項１に記載の電気音響変換装置。
17. 前記液滴は電解液の液滴である
    ことを特徴とする請求項１に記載の電気音響変換装置。
18. 前記液滴はイオン液体の液滴である
    ことを特徴とする請求項１に記載の電気音響変換装置。
19. 前記液滴は独立した複数の液滴である
    ことを特徴とする請求項１に記載の電気音響変換装置。
20. 前記複数の液滴はアレイ状に配置される
    ことを特徴とする請求項１９に記載の電気音響変換装置。
21. 前記アレイは１次元アレイである
    ことを特徴とする請求項２０に記載の電気音響変換装置。
22. 前記アレイは２次元アレイである
    ことを特徴とする請求項２０に記載の電気音響変換装置。

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