JP4569821B2 - 電気音響変換器およびその振動膜成型方法 - Google Patents

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、予め凸形状あるいは凹形状に成型加工された電歪伸縮ポリマーをその前面と裏面の間に気圧差が生じるようにさらに凸形状あるいは凹形状に成型してなるものとすることによって、振動膜の各部の膜厚のバラツキを小さくして、振動膜の各部にかかる電界強度のバラツキを小さくし、振動膜全体から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、振動膜の各部の膜厚のバラツキ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、当該振動膜の各部の膜厚を均一にすることが重要である。振動膜の各部の膜厚のバラツキが大きいときには、振動膜の各部にかかる電界強度のバラツキが大きくなり、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、音声信号を振動膜全体から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、予め凸形状あるいは凹形状に成型加工された電歪伸縮ポリマーを、前面と裏面の間に気圧差が生じるようにさらに凸形状あるいは凹形状に成型してなる
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、予め凸形状あるいは凹形状に成型加工された電歪伸縮ポリマーが、前面と裏面の間に気圧差が生じるようにさらに凸形状あるいは凹形状に成型されてなるものとされる。

この成型時には、予め凸形状あるいは凹形状に成型加工された電歪伸縮ポリマーからなる振動膜がチャンバーの開口部端に取り付けられる。その後に、チャンバーの内部に気体が挿入され、あるいはチャンバーから気体が排出され、振動膜の前面と裏面の間に気圧差が生じるようにさらに凸形状あるいは凹形状に成型される。

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、振動膜は、予め凸形状あるいは凹形状に成型加工された電歪伸縮ポリマーが、前面と裏面の間に気圧差が生じるようにさらに凸形状あるいは凹形状に成型されてなるものであり、振動膜の各部の膜厚のバラツキが小さくなる。そのため、振動膜の各部にかかる電界強度のバラツキが小さくなり、音声信号が振動膜全体から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は、予め凸形状あるいは凹形状に成型加工された電歪伸縮ポリマーをその前面と裏面の間に気圧差が生じるようにさらに凸形状あるいは凹形状に成型してなるものであり、振動膜の各部の膜厚のバラツキを小さくして、振動膜の各部にかかる電界強度のバラツキを小さくでき、音声信号を振動膜全体から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、電歪伸縮ポリマーからなる振動膜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。

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の成型は以下のようにして行われる。

まず、図３に示すような、予め凸形状に成型加工された電歪伸縮ポリマーからなる振動膜１０２′（以下、適宜、「初期状態の振動膜１０２′」という）を、チャンバー１０１の開口部端１０１ａに、上述したように、フレーム押さえ１０３を用いて取り付ける。

この初期状態の振動膜１０２′は、電歪伸縮ポリマーを、圧空成型、真空成型、プレス成形、射出成型等の成型方法により成型することで得られる。この電歪伸縮ポリマーとして、例えば、［株式会社エクシールコーポレーション ハイパーゲルシート 硬度１５］を使用できる。このように成型加工された初期状態の振動膜１０２′には、上述したようにチャンバー１０１の開口部端１０１ａに取り付けられる前に、その前面、裏面に、それぞれ、適合電極層１０４Ｆ，１０４Ｒが塗布形成される（図３参照）。

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。このポート１０５は、開閉装置（コック機構）１０５ａを備えた金属製パイプで構成されている。このポート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、つまり振動膜１０２′の前面と裏面の間の気圧差は０である。

図４、図５は、それぞれ、振動膜１０２′がチャンバー１０１の開口部端１０１ａに取り付けられた初期状態の電気音響変換器１００の斜視図、断面図を示している。なお、図４、図５では開閉装置１０５ａが開位置に設定されているが、上述の図１、図２では開閉装置１０５ａが閉位置に設定されている。

次に、チャンバー１０１の内部に気体を挿入し、振動膜１０２′の前面と裏面の間に気圧差が生じるように、この振動膜１０２′をさらに凸形状に成型して、最終的な振動膜１０２を得る。

すなわち、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、さらに凸形状となっていく。そして、例えば振動膜１０２′の半径が所定値、例えば膨らます前の２倍となるとき、チャンバー１０１の内部への空気の挿入を終了し、最終的に成型された振動膜１０２を得る。なお、この状態でポート１０５の開閉装置１０５ａ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。

上述したように、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１０６が配設されている。この端子板１０６は、導電性ペースト１０７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１０８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１０６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１０６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、チャンバー１０１の開口部端１０１ａに取り付けられた振動膜１０２は、予め凸形状に成型加工された電歪伸縮ポリマーからなる初期状態の振動膜１０２′（図３参照）が、前面と裏面の間に気圧差が生じるようにさらに凸形状に成型されてなるものであり、振動膜１０２の各部の膜厚のバラツキが小さくなる。

例えば、電歪伸縮ポリマーとして、上述した［株式会社エクシールコーポレーション ハイパーゲルシート 硬度１５］で厚さ１ｍｍのものを使用し、半径５０ｍｍとなるようにブレス成型（温度１２０℃）をして、初期状態の振動膜１０２′を得たところ、最大厚さ１ｍｍ、最小厚さ０．８ｍｍとなった。そして、この振動膜１０２′をチャンバー１０１の開口部端１０１ａ（口径１００ｍｍ）に取り付け、このチャンバー１０１内に空気を挿入して膨らませて、半径１００ｍｍの凸形状に成型した振動膜１０２を得たところ、この振動膜１０２の膜厚分布は、図８に示すようになり、最大膜厚と最小膜厚の比は、０．５／０．７＝０．７１４であり、振動膜１０２の各部の膜厚のバラツキは小さかった。

これに対して、図９、図１０に示すように、チャンバー１０１の開口端部１０１ａに、凸状に成型加工されていない、平坦な振動膜１０２″（上述した［株式会社エクシールコーポレーション ハイバーゲルシート 硬度１５］で厚さ１ｍｍのもの）を取り付け、このチャンバー１０１内に空気を挿入して膨らませて、半径１００ｍｍの凸形状に成型した振動膜１０２（図１、図２参照）を得た場合、この振動膜１０２の膜厚分布は、図１１に示すようになり、最大膜厚と最小膜厚の比は、０．０１３／０．１７＝０．０７６となり、振動膜１０２の各部の膜厚のバラツキが大きかった。なお、図９、図１０において、図４、図５と対応する部分には同一符号を付し、その詳細説明は省略する。

このように、図１、図２に示す電気音響変換器１００によれば、振動膜１０２の各部の膜厚のバラツキが小さく、そのため振動膜１０２の各部にかかる電界強度のバラツキが小さくなり、この振動膜１０２の全体から音声信号を効率よく放射させることができる。

なお、上述実施の形態では、振動膜１０２は予め凸形状に成型加工された電歪伸縮ポリマーを、前面と裏面の間に気圧差が生じるようにさらに凸形状に成型してなるものであるが、逆に振動膜１０２は予め凹形状に成型加工された電歪伸縮ポリマーを、前面と裏面の間に気圧差が生じるようにさらに凹形状に成型してなるものであってもよい。

この場合、予め凹形状に成型加工された電歪伸縮ポリマーをチャンバー１０１に取り付け、その後にポート１０５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は凹んでいき、さらに凹形状に成型された振動膜を得ることができる。

このように振動膜を凹形状に成型する場合にあっても、振動膜の各部の膜厚のバラツキを小さくでき、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に開閉装置（コック機構）１０５ａを設けたものであるが、ポート１０５に開閉装置１０５ａを設けない構成とすることもできる。その場合には、チャンバー１０１の内部に空気を挿入して、振動膜１０２をその前面と裏面の間に気圧差が生じるように成型した状態で、ポート１０５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。

この発明は、音声信号を振動膜全体から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。 初期状態の振動膜の構成を示す断面図である。 振動膜を最終成型する前の初期状態の電気音響変換器を示す斜視図である。 振動膜を最終成型する前の初期状態の電気音響変換器を示す断面図である。 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。 振動膜の膜厚分布例を示す図である。 比較例を説明するための電気音響変換器（初期状態）を示す斜視図である。 比較例を説明するための電気音響変換器（初期状態）を示す断面図である。 振動膜の膜厚分布例（比較例）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、１０２，１０２′・・・振動膜、１０３・・・リング状のフレーム押さえ、１０４Ｆ，１０４Ｒ・・・適合電極層、１０５・・・ポート、１０５ａ・・・開閉装置（コック機構）、１０６・・・端子板、１０７，１０８・・・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、予め凸形状あるいは凹形状に成型加工された電歪伸縮ポリマーを、前面と裏面の間に気圧差が生じるようにさらに凸形状あるいは凹形状に成型してなる
   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、
   予め凸形状あるいは凹形状に成型加工された電歪伸縮ポリマーからなる振動膜を上記チャンバーの開口部端に取り付ける振動膜取り付け工程と、
   上記チャンバーの内部に気体を挿入し、あるいは上記チャンバーから気体を排出し、上記振動膜の前面と裏面の間に気圧差が生じるように該振動膜をさらに凸形状あるいは凹形状に成型する成型工程と
   を有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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