JP4388603B2 - 弾性誘電体ポリマフィルム音波アクチュエータ - Google Patents

Description

関連出願に関する相互参照
本発明は、本明細書中に取り込まれた同時係属中の仮特許出願、出願番号６０／０３７４００、出願日１９９７年２月７日に基づく優先権を主張する。
米国政府の権利
本発明は、米国海軍ＮＣＣＯＳＣ／ＲＤＴＥによって付与された契約番号Ｎ６６００１−９７−Ｃ−８６１１の下、政府の援助によってその一部が発明された。
発明の背景
技術分野
本発明は一般的にアコースティック・アクチュエータに関し、特にはフラット・パネル・ラウドスピーカ・システムに関する。
関連技術の説明
ほとんどのアコースティック・アクチュエータ（「ラウドスピーカ」あるいは簡単に「スピーカ」）は、比較的重い。さらに、それらは音を生み出すための点音源として機能する。例えば、アクティブ・ノイズ制御および振動制御といった多くのアプリケーションは、非常に軽く、コンパクトで、ロープロファイル（すなわち、フラット）であり、さらに高空間分解能を備える高アコースティック・パワー放射能力を有するラウドスピーカによって利益を得ている。
ほとんどの既存のラウドスピーカは、電磁アクチュエータによって駆動されるコーンを用いている。これら電磁アクチュエータは重い永久磁石および銅線コイルを有する。高い空間分解能を実現するためには、多くのこれらアクチュエータが必要である。これら多くのアクチュエータの重量は、極めて重く、これらアクチュエータの自動車あるいは航空機応用分野における使用を限定していた。さらに、これらラウドスピーカはロープロファイルではない。圧電磁器または圧電ポリマ（ピエゾ電気セラミックスまたはピエゾ電気ポリマ）によって駆動されるダイアフラムに基づくロープロファイル・アクチュエータは存在するが、ピエゾ電気デバイスに起因してダイアフラムの動きは小さいので高いアコースティック・パワー出力能力を有していない。表面上における気流の制御は、軽量、ロープロファイル、および良い空間分解能を備える大排気量アクチュエータを必要とする他の技術領域である。
既存の静電ラウドスピーカは軽量であり、ロープロファイルである。しかしながら、それらは多くのアプリケーションについていくつかの不都合を有している。静電スピーカは絶縁媒体として空気を使用し、異なる電位で１つまたは２つのプレートを静電気的に引き付けることにより音を放射する単一の大規模連続フラット表面を備えている。これらのスピーカは、大規模領域可動プレートが静的プレートに接触しないように、また、駆動電圧が過度とならないように小さく十分なギャップ間隔を備えるように注意を払って組み立てられなければならないので、コストがかかる。静電スピーカは、通常、数千ボルトのバイアス電圧を用いて操作される。駆動電圧上の制限もまた、アコースティック・パワー出力を制限する。
ポリマの電歪に基づくアコースティック・アクチュエータもまた存在する。この種類のアクチュエータは、種々のポリマフィルムの電歪から動作を生み出す。すなわち、これらアクチュエータは、本質的に電歪効果に基づくポリマフィルム（あるいは、フィルム束）の厚さの変化によって音を生み出す。このデバイスの表面の排気量は、その厚みと比較して小さく、したがって、アコースティック・パワー出力は低い。
発明の概要
本発明は、アコースティック・アクチュエータあるいはラウドスピーカのシステムに関連する。より詳細には、本発明は、音、振動、および流体媒体の表面の形状および粗さの変化を生成可能なデバイスである。最も一般的に、本デバイスが大気中でラウドスピーカとして用いられるであろうことは予測されていた。本発明はまた、アクティブ・ノイズおよび振動制御システムのためのアコースティック・アクチュエータとしての使用に非常に好適である。本発明はまた、航空機、船舶、あるいは他の対象物の表面上における気流および乱流の制御といった非アコースティック・アプリケーションにおいても用いられる。
本発明の１つの実施形態では、極軽量、コンパクトかつロープロファイル（フラット）であり、さらに、高アコースティック・パワー放射能力を有するラウドスピーカ（「スピーカ」）が提供される。このスピーカは、生産が容易であると共に低コストな材料を使用する。このスピーカは柔軟であり、また、本質的にフラットなので、外皮（外板）あるいはカバーであるかのごとく、平面あるいは曲面に上手く適応して装着され得る。例えば、窓に重ね合わせて配置することを許容するような、大きく透明なラウドスピーカを製作することも可能である。
上記特徴は、本スピーカが、大面積放射および軽量さが重要であるノイズ消去および振動制御といったアプリケーションに非常に好適であることを示唆している。したがって、本発明は、電磁またはピエゾ電気アクチュエータを採用する「伝統的」スピーカを超えた改良物である。それらのデバイスは、所定の周波数で同一のパワーを生み出すために、それぞれ本発明のアコースティック・アクチュエータの約５倍および８倍のアクチュエータ質量を要求する。さらに、本発明は多くの小さな構成要素なくして形成されるので、個々の構成要素、あるいは構成要素のグループが改善された空間分解能のために別々に駆動され得る。（精密製造容量性圧力センサまたは加速計、あるいはポリマ自身の容量性測定の使用といった）感覚能力と各構成要素との統合は、自動的にノイズまたは振動を消去する「スマート・スキン」の基礎を形成する。
本スピーカの構成要素は、大きなたわみ能力を有し得るので、デバイスは非アコースティック・アプリケーションを同様に有し得る。例えば、小さな構成要素の配列は、表面上における空気あるいは他の流体の流れを制御するために用いられ得る。
本発明は基本的には静電スピーカであるが、既存の静電装置と比較して、大きなパワー出力、低操作電圧および簡素でより多用途な設計を許容するという重要な相違点を有する。伝統的な静電スピーカは、異なる電位で１つまたは２つのプレートあるいはグリッドを静電気的に引き付けることにより音を放射する単一の大規模連続フラット表面を備え、空気を絶縁媒体として使用するのに対して、本発明は弾性誘電体を使用する。本発明は音を放射する１つ以上の離散構成要素あるいは「気泡」から構成されている。これらの相違は、大きなアコースティック・エネルギ出力、低駆動電圧、より幅広い形状の多様性および格別の製造容易性といった、伝統的な静電スピーカに対する明確な利点を本発明に与える。
電極間におけるポリマ誘電体の存在は、ギャップ間隔の正確な制御を不要にする。１マイクロメータ厚の誘電フィルムは、約１００ボルトで作動させるために実験済みである。静電スピーカは、一般的に、数千ボルトのバイアス電圧と共に動作する。放射表面の離散要素への分割は、放射表面の平滑さ維持の必要性を取り払い、本発明が異なる表面形状に適応することを許容する。
静電エネルギはポリマの誘電率（一般的に２〜１０の間）によって乗算されるので、本発明のポリマ誘電体は、所定電圧で（スピーカ表面面積および重量あたりの）大きなパワー出力を許容する。実施に当たっては、ポリマが電極上における微粒子の堆積を阻止するという事実に大きく起因して、ポリマ誘電体は、空気と比較してより大きな降伏電圧を有する。したがって、印加電圧によって発生した電場は、空気ギャップデバイスよりも大きくなり得ると共に、さらに本発明のパワー出力能力を増大させる（パワー出力は電場の２乗に比例する）。
本発明はまた、ポリマフィルムの電歪に基づいて動作すると考えられ得る。しかしながら、本発明は、電歪効果に基づくポリマフィルム（あるいは、フィルム束）の厚さの変化によって本質的に音を生み出す他の電歪デバイスとは異なる。むしろ、我々の発明は、フィルムのダイアフラムの曲げを本質的にもたらすために面内歪み使用して音を生成する。適用力あるいは圧力に対するポリマフィルムの見かけ上の剛性および質量は、他の電歪デバイスにおける固体ポリマの圧縮についてのものよりも１桁小さい。フィルムによって駆動される空気は低質量且つ低剛性である。したがって、本発明は、空気に対してアコースティック的に結合されることが好ましく、これにより、所定の電気入力について大きなアコースティック出力（表面積当たりおよび重量当たり）が得られる。
本発明は一種のポリマ誘電体の電歪に依存している。しかしながら、本発明では、基本的に歪みは、単に内的な分子間力というよりむしろ電子の静電吸引力によって引き起こされる外的な力によってもたらされるので、本発明における動作機構は、動作を生み出すためにポリマの厚さの変化に依存する電歪装置とは異なるものであると確信する。この相違は、誘電物質が、単に所定の場についての電歪応答の大きさではなく、（高エネルギ密度、高電気−機械エネルギ変換効率、大きな歪み、高機械効率および良好な環境耐性という利点をそれぞれ与える）高誘電強度、高体積抵抗率、低弾性率、低ヒステリシスおよび広い温度動作範囲といったプロパティに基づいて選択され得るという利点を本発明に与える。上述のプロパティを備える誘電物質（例えば、シリコーンラバー）は、２５％以上の歪みを生み出している。硬質電極を用いる電歪ポリマアクチュエータを記述している文献は、この大きさの電歪応答を備えるいかなる物質も示していない。さらに、電歪物質は面内方向に関して大きな応答を有する必要はなく、したがって、効率的に動作のダイアフラムのたわみモードを使用することはできない。当該分野で知られている他のデバイスもまた、柔軟な電極がデバイスの動作に重要である旨を教示しない。柔軟な電極は、大きな歪みの発生を許容するので、本発明にとって重要である。
所定の電圧においてより柔軟な物質ほど結果として大きな動作が得られるので、低弾性率のポリマの使用もまた、低駆動電圧において他のデバイスが実現し得る値よりも高い表面積当たりおよび重量当たりのアコースティック出力を可能にする。
本発明においてスピーカを構成する各構成要素は、非常に小さくも大きくもあり得る。小さい場合には、構成要素は精密製造技術を用いて製造され得る。小さな精密製造ダイアフラムの曲げに基づき機能する他のスピーカが存在する。これらデバイスは、シリコーン精密加工ダイアグラムを採用している。このようなデバイスでは、ダイアフラムはピエゾ電気素子によってあるいは静電的に駆動され得る。シリコーンおよびピエゾ電気物質のコストは、本発明で用いられるポリマのコストを遙かに超えており、結果としてこれらデバイスの総評面積は限定される。さらに、ポリマスピーカの重量当たりあるいは表面積当たりの最大エネルギおよびパワー出力は、数千ヘルツの周波数までピエゾ電気素子あるいは静電素子のそれと比較して大きい。この周波数範囲は、音生成並びにノイズおよび振動消去において非常に重要である。
本発明に従い製造されたラウドスピーカは、あたかも外皮（外板）またはカバーであるかのように平面または曲面に適合して装着され得る。この構成は、ラウドスピーカが、改善された音の空間分解能で広い領域を覆うことを許容する。マルチメディアのプレゼンテーションのための家庭用あるいは自動車用オーディオ・スピーカおよびラウドスピーカといった他のオーディオ・アプリケーションもまた、改善された音の空間制御および壁、天井あるいは他の面に目立たぬように（非可視的に）配置され得るロープロファイル・スピーカの利益を享受し得る。多くの消費者アプリケーションもまた、製造が容易であると共に低コスト材料を使用するアクチュエータを必要とする。
本発明のこれらおよび他の利点は、以下の記述並びに図面を検討することにより当業者にとって明らかとなるであろう。
【図面の簡単な説明】
図１ａ、図１ｂおよび図１ｃは、アクティブノイズ消去および消費者オーディオアプリケーションに関する本発明のいくつかのアプリケーションを示す。
図２は、表面上の空気あるいは流体の流れを制御するために本発明が用いられる方法を示す。
図３ａおよび図３ｂは印加電圧に対する弾性ポリマフィルムの応答を示す。
図４ａおよび図４ｂは弾性ポリマフィルムの応答が面外のたわみに変換されることを許容するアクチュエータの構造および動作を示す。
図５ａは本発明の単一「タイル」の１つの実施形態の分解図である。
図５ｂは図５ａのタイルの組立状態である。
図６は精密製造技術による製造に非常に好適なアクチュエータの他の実施形態の断面図である。
図７ａおよび図７ｂは本発明のアコースティック・アクチュエータの他の実施形態に対するソフト・フォーム・バイアス部材の使用法を示す。
図８は多くのアコースティック・アクチュエータ・タイルを広いアコースティック・アクチュエータ・シートへ組み込んだ組立体を示す。
図９は本発明の「プッシュ−プル」実施形態の断面図である。
図１０は本発明の平方根駆動回路のブロック図である。
好適な発明の実施の形態の詳細な説明
本発明は、軽量、ロープロファイル且つ製造容易な構造で非常に高いアコースティック出力を生成するための新規な構成にかかる、弾性ポリマの電歪を利用するラウドスピーカあるいはアコースティック・アクチュエータである。
図１ａは本発明の第１のアプリケーションを示す。電歪ポリマ・アコースティック・アクチュエータのアコースティック・アクチュエータ・シート１０は、各々がノイズ源に対向するマイクロフォン（図示しない）を備えている数多くの「タイル」すなわち構成要素１２から形成されている。これは、アコースティック・アクチュエータ・シートの反対側に「静寂領域」を生み出す。ノイズ消去の目的でマイクロフォン入力に応じてアクチュエータを駆動する電子回路構成は当業者に周知である。アコースティック・アクチュエータ・シートは、例えば、フレームによって支持されてもよく、あるいは、建物または航空機の壁内といったように構造物の壁内に配置されても良い。
図１ｂにおいて、部屋１６の壁１４は、豊かな空間アコースティック環境を提供するためにアコースティック・アクチュエータ・シート１８（「アコースティック壁紙」）で覆われている。ドライバ２２によって増幅された後の各アクチュエータに対する信号強度を決定するために空間イコライザが用いられ得る。この配置は、従来の「点音源」スピーカと比較して、さらなるアコースティック環境を室内に許容する。
図１ｃには、アコースティック・アクチュエータ・シートに関する自動車アプリケーションが示されている。より詳細には、アコースティック・アクチュエータ・シート２４は自動車２８のヘッドライナ２６内に備えられている。これは、ノイズ消去のため、あるいは、例えば、カー・オーディオ・システムからの音を分配するために、あるいは両者の目的のために用いられ得る。繰り返すと、アクチュエータに対して制御信号を提供するために方法および装置は、ノイズ消去の技術分野では当業者にとって周知である。サウンド・システムからの音は、最後には自動車全体に分配され得る。あるいは、自動車内の異なる領域には異なる音（例えば、異なるチャンネル、トラック、あるいは放送局）が提供され得る。
図２は気流制御に対する本発明の使用法を示す。より詳細には、各構成要素すなわち「気泡」３０の高さは、数学的にモデル化され得る要求表面抗力に基づいて規定されている。要求表面抗力のアルゴリズムは、アクチュエータ駆動システムを制御するマイクロコントローラまたはマイクロコンピュータ・システムによって実行され得る。したがって、気泡は表面３２の「粗さ」すなわち構造物３４のテクスチャを変化させるために用いられ得る。マイクロコントローラに対する入力を提供するために圧力センサ３６が構造物の表面上に備えられ得る。
電歪の用語は、一般的に、誘電体中における有極性分子の相互作用によってもたらされる歪みを意味し、歪みの大きさは印加電場の二乗に比例する。本明細書中に記述される発明は同様なポリマ反応に基づいているが、本発明の歪みは本質的に内的な分子間力によってではなくむしろ電極の静電引力によって引き起こされる外部作用力によってもたらされるので、本発明における駆動機構はこれらデバイスとは異なる。しかしながら、本明細書中においてはこの反応を記述するために電歪の用語を用いることとする。
図３ａは本発明の基本機能要素を示す。薄膜弾性ポリマすなわち層３８が可撓性電極板すなわち層４０、４２の間に挟まれている。層３８、４０および４２の組み合わせを本明細書中では「多層薄膜」と呼ぶものとする。この弾性ポリマフィルムアクチュエータでは、電極の弾性率は一般的にフィルムのそれよりも小さく、フィルムの長さ「ｌ」および幅「ｗ」は厚さ「ｔ」よりも極めて大きい。図３ｂに示されるように、電圧が電極を交差するように印加されると、２つの電極における異極電荷は相互に引き寄せられ、そしてこれらの静電引力がフィルムを厚さ方向に圧縮する。各電極における同極電荷間の斥力はフィルムを平面方向に引き延ばす。アクチュエータのこの静電モデルに対応する有効圧力は、
ｐ＝ｅｅ_oＥ²＝ｅｅ_oＶ²／ｔ² （式１）
である。ここで、ｐは有効圧力、ｅはポリマフィルムの比誘電率、ｅ_oは自由空間の誘電率、Ｅは（フィルム厚さによって除算された印加電圧に等しい）電場をそれぞれ意味する。この有効圧力は静電引力および斥力の双方の効果を含んでいる。
フィルム歪みの結果は、フィルム自身の弾性挙動および外部圧力負荷に依存する。線形歪み応答の仮定のもと生み出される最大歪み（２５％超）および定弾性率は厳密には有効でない。しかしながら、このような仮定は運動方程式を著しく単純化し、また、本発明の動作を説明するために本明細書中で用いられる。空気およびダイアフラム自身の慣性に起因するフィルム上の外部圧力負荷は、フィルムの弾性たわみに起因する内部応力と比較して小さく（低周波数では）、また本発明の動作を説明するために無視される。これらの仮定に基づき、われわれは、線形的な弾性部材としてポリマ・エラストマをモデルとした。厚さ方向の歪みは、
ｓ＝−ｐ／Ｙ＝−ｅｅ_oＥ²／Ｙ （式２）
である。ここで、Ｙはポリマフィルムの弾性率である。
ほとんどの弾性ポリマは、本質的に約０．５のポアソン比を備える非可撓性物質として振る舞う。したがって、式１および式２によって記述される応力および歪みの約半分に等しい、フィルム面内に生成される応力および歪みが存在する。これらの応力および歪みは張力であり、フィルム面積を増大させる。
フィルム内に発生する歪みの大きさは、物質の誘電強度および弾性特性によって制限される。商業的に入手可能なシリコーンラバー化合物（ダウ・コーニング・シルガード・１８２（Dow Corning Sylgard 182）、主としてポリジメチルシロキサン（polydimethylsiloxane））が全ての測定済みエラストマの中で最大の歪みを生み出している。この物質は、２つの直交面内方向に３０％以上の歪みを発生する。この歪みはフィルム面積の６９％以上増大に相当する。
アコースティック・アクチュエータの目標は、ロープロファイル且つ軽量なパッケージの内の大容量の空気を排出することにある。これらの目的は最小の付加構造で面外排気を生成するためにフィルム内に発生する面積（領域）変化を利用することによって達成される。
フィルムの領域がその端部で保持されている場合、面内歪みは座屈効果を生成する。フィルムはその横方向寸法と比較して薄いので、我々は曲げ応力を無視することができる。また、歪みの大きさは、非固定フィルムについて上記式２によって与えられる値に近い。
図４ａおよび図４ｂは上記原理を説明するために用いられる。フィルムの一側上における一定バイアス圧力は、電場によって生じた歪みの大きさを減らすことなく座屈方向およびフィルムのプロファイルを制御する（図４ｂ参照）。他の方法によって同様に座屈方向を制御することも可能である。例えば、上側表面に向かう大きな引っ張り応力が存在するように、ダイアフラムには予備応力がかけられ得る。そして、ダイアフラムは、この付加応力を解放するためにこの上側表面から離間するように座屈する。予備応力は、ダイアフラムが完全に硬化する前に、上側表面から離間するようにダイアフラムをたわませることによっても生成され得る。同様の効果は底面に向かって堅くなる、あるいは底面に堅い電極を有するダイアフラムを生成することによっても達成され得る。
このデバイスは、面外部へ大きく動く単一の大規模領域ではなく、小さな面外排気量を有する小さな曲面フィルム領域（「気泡」）を数多く用いることによって、その排気容量について大幅に妥協することなくロープロファイルを維持する。小規模フィルム領域の使用はまた、高周波数時における高次排気モードの発生を防止する。実際、あるアプリケーションおける気泡領域の上限は、（アクチュエータの放射効率を低下させる）高次モードが出現する最小周波数によって決定される。各々が異なる周波数帯域で駆動される異なる領域の気泡は、高い適合度を維持する所定のアクチュエータ領域についてのパワー出力を最大化するために、単一のアクチュエータ上に組み合わせられる。このようなオーディオ信号のスペクトル分離は周知である。
より詳細には、図４ａにて、ドライバ４４はオーディオ入力および電極４２、４０にそれぞれ結合されている１対の出力４６、４８を有している。図４ｂに示されるように、薄膜４３に加えられたバイアス圧力は、薄膜４３の面外への突出をもたらす。すなわち、凸部、バルジ、すなわち「気泡」５０は、実質的に薄膜４３の面Ｐに対して垂直な薄膜４３上のバイアス力によって形成される。ドライバ４４からの信号はさらに、気泡５０を、例えば、位置５０’へ移動または転形させる。薄膜４３は複数の開口５４を備える支持構造５２によって支持されている。
このデバイスの好適な実施形態が分解図によって図５ａに、組立図によって図５ｂに記載されている。単一厚さのシリコーンラバーの単一フィルム５６は、マトリックス、すなわち円形孔グリッド５８上に配置される。あるいは、孔はスロットまたは正方形といった他の形であっても良い。孔の寸法および形状はアプリケーションによって決定されるが、一般的には、１〜５ミリメートルの寸法範囲にある。可撓性電極として作用するために黒鉛粉がフィルムの各側に塗布されている。銅接続端子６０（１つはフィルムの上面に１つはフィルムの底面に）オフセットされており、また、接続端子の端部における電荷集中に起因する絶縁破壊の可能性を最小化するために、接続端子に直面するフィルム上にはグラファイトは存在しない。他の弾性誘電体ポリマ、例えば、フッ化珪素、フッ化エラストマ、天然ゴム、ポリブタジエン、ニトリルゴム、イソプレン、およびエチレン・プロピレン・ジエンがシリコーンに代えて用いられ得る。
孔グリッドは、例えば、シリコーンラバーよりもより堅いプラスチックのような軽量物質から製造されている。あるいは、作動中のたわみを無視し得るほどポリマ・フィルム・アクチュエータを支持するために十分堅く提供されたエラストマ自身であっても良い。
真空プリナムは、バイアス圧力の付加を許容すると同時に共鳴空洞として作用する。弾性体ガスケット６２、６４は、フェース・プレート６６およびプリナム・プレート６８に対してフィルムおよびグリッド５８をそれぞれ密封する。組立時には、プリナム・プレート６８および薄膜５６によって区画されるプリナム７０は、バイアス圧力を提供するために、真空または負圧源によって排気される。プリナムの内部圧力の極めてわずかな減少が、周囲雰囲気に関して一般的に要求される。
あるいは、当初、ポリマ・フィルム・アクチュエータが（プリナム内部に）気泡状形状を有している場合には、空気がプリナムから大気中へ流出するように一方向弁がプリナム７０と周囲雰囲気とに接続可能である。但し、二方向弁ではない。この実施形態では、ポリマ・フィルムが最初に駆動されると、アクチュエータが自己ポンピングして別の真空源が必要とされないように、ポリマ・フィルムは一方向弁を介して空気をプリナムから大気中へ押し出す。
図５ｂのデバイスは低減気体圧力に起因してプリナム７０に向かって湾曲されたフィルムを有している。しかしながら、このデバイスはまた、図６に示すように、全ての気泡がプリナムから外側へ向かって湾曲するように形成されても良い。この場合には、要求バイアス圧力は周辺大気に対して負圧ではなく正圧でありまた、例えば、真空源でなく正圧源を用いて供給され得る。より詳細には、薄膜７２は、複数の開口７６を有する支持構造体７４に装着されている。支持構造体７６は、気泡８２の裏側にプリナムを形成するためにプリナム・プレート７８に装着されている。
より薄いフィルムは低作動電圧を許容する一方、その脆性は実用アクチュエータによって問題となる。しかしながら、電極によって分離されている多層のフィルム・スタックを用いることにより、薄膜の低電圧動作、厚膜の丈夫さおよび大きなエネルギ出力が組み合わされ得る。導電層８４と誘電層８６とが交互となるこの「サンドイッチ」構造は、図６に詳細を拡大して示されている。
図７ａに示されるように、空気を用いたプリナムの加圧に代わる方法は、ソフト・フォーム８８を用いてバイアス圧力をポリマフィルムに対して適用することである。フォームは、ポリマ・フィルム９４の下側面９２に対して押しつけられている。裏当てプレートすなわちシート９６は、フォームの下側に配置されている。ボルト、リベット９８、ステッチあるいは接着剤が裏当てプレート９６をグリッドに装着し、これによりフォームがポリマ・フィルムに対して押し付けられる。ポリマ・フィルムのシート９６を貫通するリベット９８のための孔１００は図７ｂにおいて見て取れる。孔はリベットが薄膜９４内で電気短絡を形成することを防ぐために備えられている。
リベットはフォーム上に均一圧力を付与するために十分な間隔で配置されており、また、アクティブな気泡の間に配置されている。フォームによって加えられるバイアス圧力の量は、要求初期気泡形状を与えるために選択され、また、フォームの堅さおよびフォーム圧縮量に基づいて選択され得る。気泡形状は長期にわたり大きく変わらないことが望ましいので、シリコーンまたは天然ゴムから製造されたような極めて柔らかく、低クリープなフォームが最適である。
本発明のアコースティック・アクチュエータは、単一のブロック、タイルあるいはパネルとして製造されることが好ましい。図８に示されるように、多くのこれらタイル１０２がシート１０４に結合され得ると共にコンフォーマル（保護）カバーを形成するために表面に適用され得る。タイルの寸法は製造見地によって決定され、非常に小さくも（例えば、１ｃｍ²）あるいは比較的大きくも（１００ｃｍ²）なり得る。したがって、タイルは、関連物理構造中に多くのアコースティック構成要素（例えば、「気泡」）を含み得る。個々のタイルは隣接タイルと電気的に結合され得るか、隣接タイルとは電気的に絶縁され得る。
プリナムが、板状金属あるいは板状プラスチックのように比較的柔軟であり、グリッドが対応する柔軟な物質から製造されている場合には、単一大型タイル１０２は、円筒面のような単純曲面をコンフォーマルに覆うために用いられ得る。さらに、グリッドおよびプリナムの双方が伸長され得る場合には（例えば、弾性物質の場合）、比較的広い領域のコンフォーマル被覆は、球のような複雑な曲面であっても実現され得る。
本発明の実施形態は、本質的に二次元層から構成されており、したがって、スピンコーティングおよびフォトリソグラフといった電子工業で通常用いられている製造技術に非常に適している。例えば、シリコーンラバー・エラストマの層は、プラスチックまたは金属ディスクあるいは捨て層上に展開される。エラストマの上側層は、導電ポリマのような可撓性電極物質で覆われている。導電ポリマには、ヨウ化カリウムのような無機塩が付加されている水性エマルジョンから生成されたポリマと共に、第四級アンモニア塩の付加によって導電性が生じたポリウレタンおよび他の熱可塑性プラスチックといった物質が含まれる。必要な場合には、いくつかのエラストマ層が堆積され得る。電極は、（導電電極層が反対側の端部に向かって伸び、フィルムの中央用域だけで重なるように各エラストマ層の最上部に交差指型方法で堆積される。ポリイミドのフォトレジスト層は電極物質の最終層上で展開される。丸形または角形孔が、フォトリソグラフィを用いてフォトレジストにパターン化される。パターン化されたポリイミド層は堅い孔マトリックスを備える。エラストマはアルコールを使用してディスクから外される。新規に解放されたエラストマの表面は可撓性電極物質で覆われる。電気的接触が重なり領域の外側の電極と形成される。
この方法で製造されたアクチュエータは非常にフラットである。この方法で製造され得る非常に小さなダイアグラム領域もまた高次モード形状が気泡内に出現する最低周波数を引き上げる。透明ポリマあるいは他の物質が電極および誘電体として用いられる場合には、アクチュエータは本質的に透明になり得る。多くの導電性ポリマはほぼ透明である。
電子ドライバは電極に接続されている。他の電歪デバイスとして、アクチュエータは一般的に印加電圧をＤＣバイアス電圧に関して変調することにより電気的に駆動される。バイアス電圧に関する変調は、感度の改善および印加電圧に対するアクチュエータの線形性を許容する。フィルムの排気量は概むね印加電圧の２乗に比例するので、要求入力波形に対する応答の線形性は、入力の平方根またはたの線形関数を生成するディジタルまたはアナログ回路を追加することによりさらに改善され得る。平方根関数を実現するための回路は図１０を参照して後述する。線形化のための他の方法は当業者にとって周知である。駆動信号に対する入力はアプリケーションに依存する。消費者向けオーディオでは、入力はおそらく記録済み媒体またはマイクロフォンからのものである。アクティブ・ノイズおよび振動制御アプリケーションでは、信号はアクチュエータ上または近傍の種々の場所に配置されたマイクロフォン（すなわち加速度計）に基づき合成される。
ドライバは、周知の方法による電力増幅および電圧変換を含み得る。空間分解能の制御が要求される場合には、別のドライバが個々のアクチュエータ・タイル、タイル群またはアクチュエータの部分に装着され得る。
製造上の重大な問題は、均一厚さの薄い誘電フィルムの製造にある。印加電圧を最小化するために、薄膜は、一般的に１００マイクロメータ厚未満であることが要求される。
薄膜はいくつかの方法で製造され得る。例えば、ペースト状の軟度でしばしば入手される商業シリコーンラバーは、注げるような液体まで粘度を下げるためにナフサ中で分散放置され得る。その液体はフラットキャスティング、ディッピング、またはスピニングのいずれかによってフィルムに形を変える。
可撓性電極は、いくつかの方法によってフィルム上に堆積され得る。黒鉛または他の形態の炭素が塗布、噴霧、または気相蒸着され得る。電極はステンシルまたはシャドウ・マスクを用いてパターン化され得る。塩を含む水性ゴムエマルジョンあるいは塩を含む溶媒性（溶剤性）熱可塑性プラスチックといった導電性ポリマがポリマ誘電体上に塗布、噴霧あるいは展開され得る。これら電極の厚さは弾性ポリマフィルムの厚さと比較して極めて薄い。
本発明の好適な実施形態では、アクチュエータは、面積が１０〜１００平方センチメートルの単一タイルである。タイルは薄いポリイミドシートから生成された柔軟な裏当てを備えている。約０．５ｃｍ厚さのソフト密閉セルのラバー・フォーム層が裏当てに接合されている。電極化された弾性ポリマ物質の層はこのフォームの最上部に配置されている。弾性ポリマは、ジェネラル・エレクトリックのＲＴＶ１２またはダウ・コーニング・シルガード・１８２といったソフトシリコーンラバーである。このポリマ・フィルムは２０〜５０ミクロン厚であり、アクリルディスク上にスピン・コーティングすることによって製造される。このフィルムはイソプロピル・アルコールを用いてディスクから外される。電極はポリマ上にソフト綿で塗布された黒鉛粉である。ステンシルは黒鉛が覆う領域を区画する。被電極化領域の小円は、フィルムの表面全域にわたって等しく間隔が開けられている。ラテックスに付加されている約１０重量％のヨウ化カリウム塩を含む水性ラバー・ラテックスの薄層は、黒鉛上に展開されそして乾燥される。銅帯はポリマの各側上の電極と接続されている。プラスチックの穿孔シートが弾性ポリマ上に置かれる。この穿孔シートは、その表面上に等間隔かつ密接に集中する直径約１ｍｍの孔を有している。孔はダイ・カッタあるいはレーザ切断装置によって穿孔される。孔は直径約１ｍｍであり、タイルの表面上に等間隔且つ密接に集中されている。小さなリベット、あるいは小さなファスナはこの組立を通じて被電極化領域と同時に配置されると共に気泡間に間隔をあける。これらファスナはフォームを圧縮すると共に弾性ポリマ・フィルムを音生成器として機能する「気泡」を形成する穿孔の外側にわずかに膨らませる。多くのこのようなタイルは１〜５平方メートルの共通裏当てシートに固定される。各タイルの電極は並列に接続されている。
これらの電極は直流７５０〜２０００Ｖのバイアス電圧に加えて２００〜１０００Ｖまでのピーク・トゥー・ピーク信号によって駆動されることが好ましい。正確な電圧はアプリケーションの仕様に依存する。信号は、正確な電圧範囲に増幅および変換済みのステレオ・プレーヤまたはマイクロフォンからの信号であり得る。しかしながら、実際の駆動電圧はアプリケーションのパラメータに基づくことは理解される。より高い電圧はより高い増幅をもたらすが、いっそうの歪みを伴う。したがって、実際の駆動電圧は、要求出力パワーと受容可能な歪みレベルとの中間にある。
図９には、「プッシュ」および「プル」気泡の垂直列の集積アレイすなわち音波アクチュエータ１０６が示されている。この配置は、既述のように、全ての気泡が同一方向に配置された場合に音波アクチュエータに出現する第二高調波歪みを低減する。「プッシュ」および「プル」気泡は、電子回路構成においてプッシュ−プルトランジスタ増幅器が第二高調波歪みを消去する方法に類似する方法で第２高調波歪みを消去する。以下の例示は気泡が１つおきに対向方向を向いている、このことは要求取消を達成するために厳格に要求されるものでないことに留意すべきである。すなわち、本発明のいくつかの実施の形態では、より多くの気泡が一方向または他方向へ突出し、あるいは気泡のクラスタが一方向または他方向へ突出する。
より詳細には、図９の構造１０６はラバー膜１０８、後方支持板１１０および前方支持板１１２を含む。ここで、ラバー膜１０８のある部分は「プッシュ」気泡１１４を形成し、ラバー膜１０８の他の部分は「プル」気泡１１６を形成する。音出力Ｓは図示のごとく右へ進行する。
構造１０６はまた、後方支持板１１０に装着されていると集積プリナム１１８，１２０を有している。プッシュ気泡１１４に関連するプリナム１１８には正圧の圧力がかけられており、プル気泡１１６に関連するプリナム１１８には弱い真空圧力（すなわち、１psig（６．８９４７６ｋＰａ）未満）がかけられている。全てのプッシュ気泡１１４は、１２２で図示するように電気的に結合されていると共に、バイアスにオーディオ信号を付加したもので駆動される。プル電極もまた１２４で図示されるように電気的に結合されていると共にバイアスからオーディオ信号を差し引いたもので駆動される。
従来のラウドスピーカでは、各気泡の裏（プリナム）側で生成された音を消去するための方策が存在しなければならなかった。一つの方法は、プリナムをファイバグラス１２６のようなアコースティック吸音材で満たすことを伴う。図９のプッシュ−プル（あるいは、配向によっては上下）音波アクティベータは高水準の忠実度を生成することができる。
「平方根」回路が図１０に図示されている。既述のように、フィルムの排気量は、概ね印加電圧の２乗に比例するので、要求入力波形に対する応答の線形性は、入力の平方根を生成するディジタルまたはアナログ回路構成を追加することによって改良され得る。この回路１２８では、加算器１３０において、低パワー入力信号Ｖ_iにオフセット電圧Ｖ₁が加算される。続いて、平方根発生器１３２において、その総和に対して平方根演算が実行される。次に、得られた信号はハイパス・フィルタ１３４を通過させられる。典型的なオーディオ・アプリケーションでは、フィルタ角周波数は、スピーカによって生成される周波数より低くなるように選択された約１０Ｈｚ〜１ＫＨｚの間である。次に、フィルタをかけられた信号はゲインＡを有するパワー増幅器１３６によって増幅される。この増幅器の出力は、スピーカ１３８を駆動する。バイアス電圧Ｖ_bは他のスピーカ端子に印加される。
Ｖ₁およびＶ_bの値は歪みを最小化するように選択される。典型的なアプリケーションでは、Ｖ₁は次のように選択される。
Ｖ_b＝ＡＣ₁sqrt（Ｖ₁） （式３）
ここで、Ｃ１は平方根回路の出力信号中に出現するＤＣ成分を説明する補正係数（一般的には０．９５〜１．０の間）である。
したがって、本発明の音波アクチュエータは、第１表面および第２表面を備える弾性誘電体ポリマ層を有する多層薄膜を含む。第１可撓性電極層は第１表面と接触し、第２可撓性電極層は第２表面と接触する。音波アクチュエータは更に、音波アクチュエータ・フィルムと接触する支持構造を有する。誘電体ポリマは、本質的にシリコーン、フッ化シリコーン、フッ化エラストマ、天然ゴム、ポリブチレン、ニトリルゴム、イソプレン、およびエチレン・プロピレン・ジエンから構成される群から選択されることが好ましい。これに対して可撓性電極は本質的にグラファイト、カーボン、および導電性ポリマから構成される群から選択されることが好ましい。支持構造は、複数の円形または正方形の孔を有するグリッドであることが好ましい。多層薄膜は、少なくともいくつかの孔においてフィルムの一部が膨らむようにバイアスされることが好ましい。膨らみすなわち「気泡」は、アクチュエータの面外に在り、また、全てが一方向を向いており、あるいは、複数の方向に配向され得る。「面外」によって、気泡を囲む物質によって区画される局所面の外部に気泡が突出していることを意味する。フィルムは大気圧よりも高い気圧、または大気圧よりも低い気圧（すなわち、不完全真空圧）によってバイアスされ得る。あるいは、フィルムはソフト・フォーム物質によってバイアスされ得る。フォーム物質は、孔の直径よりも小さな平均セル直径を有する密封セル型フォームであることが好ましい。本発明の一つの実施形態では、気泡はプッシュ−プル配置を提供するために変化し得る。本発明の他の実施形態では、多層薄膜は、数多くの可撓性電極層と交互に重なり合う数多くの弾性誘電体ポリマ層を有するサンドイッチ構造である。
いくつかの好適な実施形態に基づいて本発明を説明したが、当業者は、本発明の趣旨および範囲を逸脱することなく、変換物、置換物、追加物、等価物が本明細書における実施形態に代用され得ることを容易に理解するであろう。したがって、添付の請求の範囲は、このような本発明の趣旨および範囲を逸脱しない変換物、置換物、追加物および等価物の全てを含むように解釈されるべきである。

Claims (9)

1. 音波アクチュエータであって、
   第１表面および第２表面を有する弾性誘電体ポリマ層と、前記第１表面と接触する第１可撓性電極層と、前記第２表面と接触する第２可撓性電極層とを有する音波アクチュエータフィルムと、
   前記音波アクチュエータフィルムに接触し、複数の孔を有するグリッドとを備え、
   前記音波アクチュエータフィルムは、前記複数の孔において一方向へ突出する複数の気泡と、前記一方向と対向する方向である他方向へ突出する複数の気泡と有するようにバイアスされている音波アクチュエータ。
2. 請求項１に記載の音波アクチュエータにおいて、
   前記一方向へ突出する複数の気泡は、前記音波アクチュエータフィルムが大気圧よりも高い気圧でバイアスされることによって形成され、前記他方向へ突出する複数の気泡は大気圧よりも低い気圧でバイアスされることによって形成される音波アクチュエータ。
3. 音波アクチュエータであって、
   複数の貫通孔を有する孔グリッドと、
   弾性誘電体ポリマ層と、前記弾性誘電体ポリマ層の第１の表面と接触する第１可撓性電極と、前記弾性誘電体ポリマ層の第２の表面と接触する第２可撓性電極とを有し、前記孔グリッド上に配置されている音波アクチュエータフィルムと、
   前記複数の貫通孔に対応する開口部を有し、前記多層薄膜が配置されている前記孔グリッドを挟んで両側に配置されている一対のガスケットと、
   前記複数の貫通孔に対応する開口部を有し、前記一対のガスケットの一方のガスケット上に配置されているフェースプレートと、
   バイアス圧力の付加を許容すると共に共鳴空洞として作用するプリナムであって、前記複数の貫通孔に対応する開口部を有し、前記一対のガスケットの他方のガスケット上に配置されているプリナムとを
   備える、音波アクチュエータ。
4. 請求項１または３に記載の音波アクチュエータにおいて、前記誘電体ポリマは、本質的に、シリコーン、フッ化シリコーン、フッ化エラストマ、天然ゴム、ポリブチレン、ニトリルゴム、イソプレンおよびエチレン・プロピレン・ジエンから構成される群から選択される音波アクチュエータ。
5. 請求項１または３に記載の音波アクチュエータにおいて、前記可撓性電極層は、本質的に、グラファイト、カーボン、導電性ポリマおよび金属薄膜から構成される群から選択される音波アクチュエータ。
6. 請求項３に記載の音波アクチュエータにおいて、前記プリナムは空気を大気中へ流出させる一方向弁を備えている音波アクチュエータ。
7. 請求項３に記載の音波アクチュエータにおいて、前記フィルムは大気圧よりも高い気圧によってバイアスされる音波アクチュエータ。
8. 請求項３に記載の音波アクチュエータにおいて、前記孔グリッドは実質的に平板状であり、前記音波アクチュエータフィルムの膨らみ部分は面外たわみを示す音波アクチューエータ。
9. 請求項１または３に記載の音波アクチュエータはさらに、前記第１可撓性電極および前記第２可撓性電極に結合されている平方根ドライバを備えている音波アクチュエータ。

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