JP6383882B2 - 電気音響変換器 - Google Patents
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Description
一般に、ノイズキャンセリング装置は、周囲の騒音を検出するマイクロフォンと、マイクロフォンが検出した騒音信号に基づいて、騒音と逆位相となるノイズキャンセル信号を再生するスピーカとを有して構成され、騒音と逆位相の音を再生することで騒音を打ち消す。
このようなノイズキャンセリング装置において、スピーカおよびマイクロフォンとして圧電体素子を用いて小型化することが考えられている。
しかしながら、1枚の振動板の両面に圧電素子を貼り合わせる構成とした場合には、共通部材である振動板を介しての振動結合(クロストーク)が発生する。音響遮断あるいは回路上の工夫等を行って、クロストークの発生を抑制することが考えられるが、十分に抑制することができず、ハウリングが発生しやすいという問題があった。
すなわち、本発明は、以下の構成の電気音響変換器を提供する。
電気音響変換フィルムを2枚以上積層してなり、隣接する電気音響変換フィルム同士の間隙が3cm以下である電気音響変換器。
(2) 隣接する電気音響変換フィルム同士が、互いに接している(1)に記載の電気音響変換器。
(3) 電気音響変換フィルムは、一方の主面側に突出するように少なくとも一部を湾曲して保持されている(1)または(2)に記載の電気音響変換器。
(4) 電気音響変換フィルムは、主面に垂直な一方向の断面、および、一方向と直交する他方向の断面において、少なくとも一部を湾曲して保持されている(3)に記載の電気音響変換器。
(5) 電気音響変換フィルムの少なくとも1枚は、弾性支持体によって、湾曲支持されている(3)または(4)に記載の電気音響変換器。
(6) 弾性支持体が、粘弾性を有する(5)に記載の電気音響変換器。
(7) 電気音響変換フィルムの少なくとも1枚がマイクロフォンとして機能し、他の電気音響変換フィルムの少なくとも1枚がスピーカとして機能する(1)〜(6)のいずれかに記載の電気音響変換器。
(8) 電気音響変換フィルムの少なくとも1枚が周辺の騒音を検出するマイクロフォンとして機能し、他の電気音響変換フィルムの少なくとも1枚が、マイクロフォンで検出された騒音信号に基づいて生成されるノイズキャンセル信号を再生するスピーカとして機能する(1)〜(7)のいずれかに記載の電気音響変換器。
(9) 電気音響変換フィルムの少なくとも1枚が周辺の騒音を検出するマイクロフォンとして機能し、他の電気音響変換フィルムの少なくとも1枚が、マイクロフォンで検出された騒音信号を増幅して再生するスピーカとして機能する(1)〜(7)のいずれかに記載の電気音響変換器。
(10) 積層された2枚以上の電気音響変換フィルムの一方の主面側に外部から押圧力を加えた際に、マイクロフォンとスピーカとの間でハウリングが発生してスピーカの振動を増幅する(9)に記載の電気音響変換器。
(11) 周辺の騒音が400Hz以下の低周波騒音である(9)または(10)に記載の電気音響変換器。
以下に記載する構成要件の説明は、本発明の代表的な実施態様に基づいてなされることがあるが、本発明はそのような実施態様に限定されるものではない。
なお、本明細書において、「〜」を用いて表される数値範囲は、「〜」の前後に記載される数値を下限値および上限値として含む範囲を意味する。
図1Aおよび図1Bに示す電気音響変換器40は、2枚の電気音響変換フィルム10a、10bと、ケース42と、粘弾性支持体46と、押圧部材48とを有する。電気音響変換器40は、電気音響変換フィルム(以下、「変換フィルム」ともいう)10を振動板として用いるものであり、一方の変換フィルム10aをマイクロフォンとして用い、他方の変換フィルム10bをスピーカとして用いる。
なお、変換フィルム10aおよび変換フィルム10bは、配置位置が異なるのみで、構成は同じであるので、以下の説明においては、変換フィルム10aおよび変換フィルム10bを区別する必要がない場合には、両部材をまとめて、変換フィルム10ともいう。
これにより、変換フィルム10に電気信号を入力して電気信号に応じた振動により音を再生したり、音による変換フィルム10の振動を電気信号に変換するために利用されるものである。
ここで、電気音響変換器40に用いられる変換フィルム10は、常温で粘弾性を有する高分子材料からなる粘弾性マトリックス中に圧電体粒子を分散してなる高分子複合圧電体、および、高分子複合圧電体の両面に積層された薄膜電極を有する変換フィルムである。
図2に示すように、変換フィルム10は、圧電性を有するシート状物である圧電体層12と、圧電体層12の一方の面に積層される下部薄膜電極14と、下部薄膜電極14上に積層される下部保護層18と、圧電体層12の他方の面に積層される上部薄膜電極16と、上部薄膜電極16上に積層される上部保護層20とを有する。
図2に概念的に示すように、圧電体層12を形成する高分子複合圧電体は、常温で粘弾性を有する高分子材料を含有する粘弾性マトリックス24中に、圧電体粒子26を分散したものである。なお、本明細書において、「常温」とは、0〜50℃程度の温度域を指す。
また、好ましくは、圧電体層12は、分極処理されている。
(i) 可撓性
例えば、携帯用として新聞や雑誌のように書類感覚で緩く撓めた状態で把持する場合、絶えず外部から、数Hz以下の比較的ゆっくりとした、大きな曲げ変形を受けることになる。この時、高分子複合圧電体が硬いと、その分大きな曲げ応力が発生し、高分子マトリックスと圧電体粒子との界面で亀裂が発生し、やがて破壊に繋がる恐れがある。従って、高分子複合圧電体には適度な柔らかさが求められる。また、歪みエネルギーを熱として外部へ拡散できれば応力を緩和することができる。従って、高分子複合圧電体の損失正接が適度に大きいことが求められる。
(ii) 音質
スピーカは、20Hz〜20kHzのオーディオ帯域の周波数で圧電体粒子を振動させ、その振動エネルギーによって振動板(高分子複合圧電体)全体が一体となって振動することで音が再生される。従って、振動エネルギーの伝達効率を高めるために高分子複合圧電体には適度な硬さが求められる。また、スピーカの周波数特性が平滑であれば、曲率の変化に伴い最低共振周波数f0が変化した際の音質の変化量も小さくなる。従って、高分子複合圧電体の損失正接は適度に大きいことが求められる。
高分子複合圧電体(圧電体層12)において、ガラス転移点が常温にある高分子材料、言い換えると、常温で粘弾性を有する高分子材料をマトリックスに用いることで、20Hz〜20kHzの振動に対しては硬く、数Hz以下の遅い振動に対しては柔らかく振舞う高分子複合圧電体が実現する。特に、この振舞いが好適に発現する等の点で、周波数1Hzでのガラス転移温度が常温、すなわち、0〜50℃にある高分子材料を、高分子複合圧電体のマトリックスに用いるのが好ましい。
これにより、高分子複合圧電体が外力によってゆっくりと曲げられた際に、最大曲げモーメント部における高分子マトリックス/圧電体粒子界面の応力集中が緩和され、高い可撓性が期待できる。
これにより、高分子複合圧電体が外力によってゆっくりと曲げられた際に発生する曲げモーメントが低減できると同時に、20Hz〜20kHzの音響振動に対しては硬く振る舞うことができる。
しかしながら、その反面、良好な耐湿性の確保等を考慮すると、高分子材料は、比誘電率が25℃において10以下であるのも、好適である。
なお、これらの高分子材料は、1種のみを用いてもよく、複数種を併用(混合)して用いてもよい。
すなわち、粘弾性マトリックス24には、誘電特性や機械特性の調整等を目的として、シアノエチル化PVA等の粘弾性材料に加え、必要に応じて、その他の誘電性高分子材料を添加しても良い。
中でも、シアノエチル基を有する高分子材料は、好適に利用される。
また、圧電体層12の粘弾性マトリックス24において、シアノエチル化PVA等の常温で粘弾性を有する材料に加えて添加される誘電性ポリマーは、1種に限定はされず、複数種を添加してもよい。
更に、粘着性を向上する目的で、ロジンエステル、ロジン、テルペン、テルペンフェノール、石油樹脂、等の粘着付与剤を添加しても良い。
これにより、粘弾性マトリックス24における粘弾性緩和機構を損なうことなく、添加する高分子材料の特性を発現できるため、高誘電率化、耐熱性の向上、圧電体粒子26や電極層との密着性向上等の点で好ましい結果を得ることができる。
誘電体粒子は、25℃における比誘電率が80以上の高い比誘電率を持つ粒子からなるものである。
誘電体粒子としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、チタン酸バリウム(BaTiO3)、酸化チタン(TiO2)、チタン酸ストロンチウム(SrTiO3)、チタン酸ジルコン酸ランタン酸鉛(PLZT)、酸化亜鉛(ZnO)、チタン酸バリウムとビスマスフェライト(BiFeO3)との固溶体(BFBT)等が例示される。なかでも、高い比誘電率を有する点で、誘電体粒子としてチタン酸バリウム(BaTiO3)を用いるのが好ましい。
また、粘弾性マトリックスと誘電体粒子との合計体積に対する、誘電体粒子の体積分率は、5〜45%が好ましく、10〜30%がより好ましく、20〜30%が特に好ましい。
圧電体粒子26を構成するセラミックス粒子としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、チタン酸ジルコン酸ランタン酸鉛(PLZT)、チタン酸バリウム(BaTiO3)、酸化亜鉛(ZnO)、および、チタン酸バリウムとビスマスフェライト(BiFe3)との固溶体(BFBT)等が例示される。
なお、これらのセラミックス粒子は、1種のみを用いてもよく、複数種を併用して用いてもよい。
圧電体粒子26の粒径を上記範囲とすることにより、高い圧電特性とフレキシビリティとを両立できる、耐電圧を向上できる等の点で好ましい結果を得ることができる。
すなわち、圧電体層12中の圧電体粒子26は、好ましくは均一に分散されていれば、粘弾性マトリックス24中に不規則に分散されていてもよい。
ここで、本発明者の検討によれば、圧電体層12中における圧電体粒子26の体積分率は、30〜70%が好ましく、特に、50%以上とするのが好ましく、従って、50〜70%とするのが、より好ましい。
粘弾性マトリックス24と圧電体粒子26との量比を上記範囲とすることにより、高い圧電特性とフレキシビリティとを両立できる等の点で好ましい結果を得ることができる。
ここで、本発明者の検討によれば、圧電体層12の厚さを薄くすることで、自重による撓みを軽減し、また、軽くすることで、印加電圧に対する圧電フィルムの追従性を向上させて、音圧や音質を向上できる。また、柔軟性を付与することができる。一方で、圧電体層12の厚さが薄すぎると、剛性が連続して電圧を印加した際や、高電圧を印加した際に、局所的な短絡が発生するおそれがある。また、剛性が低下するおそれがある。
上記観点から、圧電体層12の厚さは、5μm〜100μmが好ましく、8μm〜50μmがより好ましく、特に、10μm〜40μmがさらに好ましく、特に、15μm〜25μmが好ましい。
なお、圧電体層12は、分極処理(ポーリング)されているのが好ましいのは、前述のとおりである。分極処理に関しては、後に詳述する。
なお、変換フィルム10は、これらの層に加えて、例えば、上部薄膜電極16、および、下部薄膜電極14からの電極の引出しを行う電極引出し部や、圧電体層12が露出する領域を覆って、ショート等を防止する絶縁層等を有していてもよい。
なお、各薄膜電極において、電極引出し部は1つには限定されず、2以上の電極引出し部を有していてもよい。特に、保護層の一部を除去して孔部に導電材料を挿入して電極引出し部とする構成の場合には、より確実に通電を確保するために、電極引出し部を3以上有するのが好ましい。
このように、上部薄膜電極16および下部薄膜電極14で挾持された領域は、印加された電圧に応じて駆動される。
なお、下部保護層18および上部保護層20は、配置位置が異なるのみで、構成は同じであるので、以下の説明においては、下部保護層18および上部保護層20を区別する必要がない場合には、両部材をまとめて、保護層ともいう。
中でも、ガラス転移温度Tgが150℃以上で優れた耐熱性を示す等の観点から、ポリアミド、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリカーボネート、トリアセチルセルロースが好適に用いられる。これらより、電圧印加時の発熱による外観損傷を防ぐことができたり、高温下での放置試験ならびに駆動試験に耐えることができる。
ここで、上部保護層20および下部保護層18の剛性が高過ぎると、圧電体層12の伸縮を拘束するばかりか、可撓性も損なわれるため、機械的強度やシート状物としての良好なハンドリング性が要求される場合を除けば、上部保護層20および下部保護層18は、薄いほど有利である。
例えば、圧電体層12の厚さが20μmで上部保護層20および下部保護層18がPETからなる場合、上部保護層20および下部保護層18の厚さは、40μm以下が好ましく、20μm以下がより好ましく、中でも15μm以下とするのが好ましい。
上部電極16および下部電極14は、変換フィルム10(圧電体層12)に電界を印加するために設けられる。
なお、下部電極14および上部電極16は、大きさおよび配置位置が異なるのみで、構成は同じであるので、以下の説明においては、下部電極14および上部電極16を区別する必要がない場合には、両部材をまとめて、薄膜電極ともいう。
上部電極16および下部電極14の厚さには、特に、限定は無い。また、上部電極16および下部電極14の厚さは、基本的に同じであるが、異なってもよい。
例えば、上部保護層20および下部保護層18がPET(ヤング率:約6.2GPa)で、上部電極16および下部電極14が銅(ヤング率:約130GPa)からなる組み合わせの場合、上部保護層20および下部保護層18の厚さが25μmだとすると、上部電極16および下部電極14の厚さは、1.2μm以下が好ましく、0.3μm以下がより好ましく、中でも0.1μm以下とするのが好ましい。
すなわち、薄膜電極の少なくとも一方が、例えば圧電体層12よりも小さく、変換フィルム10の周辺部において、圧電体層12と保護層とが、直接、接触するような構成でもよい。
この場合は、高分子成分として、ポリ(メタ)アクリル、ポリウレタン、ポリエステルポリオレフィン、PVA、ポリスチレンなどの熱可塑性樹脂やフェノール樹脂、メラミン樹脂などの熱硬化性樹脂を使用することができる。なかでも音響性能を向上させるために、誘電性高分子が好ましく用いられる。具体的には前述の高分子などが好ましく使用することができる。また、高分子成分以外にも高誘電体粒子や帯電防止剤、界面活性剤、増粘剤、架橋剤など添加しても構わない。
着色層を有することで、上部薄膜電極16および下部薄膜電極14の錆びが、外部から視認できないようにすることができる。
なお、透過濃度とは、入射光に対する透過光の比率として計測される光学濃度であり、透過濃度0.3のときの透過率は約50%であり、透過濃度0.5のときの透過率は約30%である。
また、着色層は、電気抵抗率が低いのが好ましく、1×10-7Ωm以下であるのが好ましい。
具体的には、着色層の形成材料としては、インジウム、ニッケル、チタン、アルミニウム、金、白金、クロム等の金属、カーボンブラック(CB)、酸化チタン、酸化亜鉛、硫酸バリウム等の無機顔料、キナクリドン系、アゾ系、ベンズイミダゾロン系、フタロシアニン系、アンスラキノン系の有機顔料、内部に空孔を有した光散乱性を有した部材等が例示される。
上述の透過濃度、厚さ、および、電気抵抗率の観点から、着色層の形成材料として金属を用いることが好ましく、中でも、ニッケルがより好ましい。
例えば、着色層の形成材料として、金属を用いる場合には、真空蒸着やスパッタリング等の気相堆積法(真空成膜法)やめっきによる成膜や、上記材料で形成された箔を貼着する方法等が利用可能である。より薄く形成可能な点から真空蒸着により形成するのがより好ましい。
また、着色層の形成材料として、顔料を用いる場合には、塗布法、印刷等が利用可能である。
また、あらかじめ形成された着色層を転写する方法も利用可能である。
このような変換フィルム10は、動的粘弾性測定による周波数1Hzでの損失正接(Tanδ)が0.1以上となる極大値が常温に存在するのが好ましい。
これにより、変換フィルム10が外部から数Hz以下の比較的ゆっくりとした、大きな曲げ変形を受けたとしても、歪みエネルギーを効果的に熱として外部へ拡散できるため、高分子マトリックスと圧電体粒子との界面で亀裂が発生するのを防ぐことができる。
これにより、常温で変換フィルム10が貯蔵弾性率(E’)に大きな周波数分散を有することができる。すなわち、20Hz〜20kHzの振動に対しては硬く、数Hz以下の振動に対しては柔らかく振る舞うことができる。
これにより、変換フィルム10が可撓性および音響特性を損なわない範囲で、適度な剛性と機械的強度を備えることができる。
これにより、変換フィルム10を用いたスピーカの周波数特性が平滑になり、スピーカの曲率の変化に伴い最低共振周波数f0が変化した際の音質の変化量も小さくできる。
なお、電気音響変換器において、ケース42の形状(すなわち電気音響変換器の形状)は、四角筒状に限定はされず、円筒状や底面が長方形の四角筒状等の各種の形状の筐体が利用可能である。
図示例において、粘弾性支持体46は、ケース42の底面とほぼ同等の底面形状を有する四角柱状である。また、粘弾性支持体46の高さは、ケース42の深さよりも大きい。
粘弾性支持体46の比重には、特に限定はなく、粘弾性支持体の種類に応じて、適宜、選択すればよい。一例として、粘弾性支持体としてフェルトを用いた場合には、比重は、50〜500kg/m3が好ましく、100〜300kg/m3がより好ましい。また、粘弾性支持体としてグラスウールを用いた場合には、比重は、10〜100kg/m3が好ましい。
なお、ケース42への押圧部材48の固定方法には、特に限定はなく、ビスやボルトナットを用いる方法、固定用の治具を用いる方法等、公知の方法が、各種、利用可能である。
そのため、電気音響変換器40では、粘弾性支持体46の周辺部に近くなるほど、粘弾性支持体46が変換フィルム10aによって下方に押圧されて厚さが薄くなった状態で、保持される。すなわち、変換フィルム10aおよび変換フィルム10bそれぞれの主面の少なくとも一部が湾曲した状態で保持される。これにより、変換フィルム10aおよび変換フィルム10bの少なくとも一部に湾曲部が形成される。電気音響変換器40において、この湾曲部が振動部となる。
この際、変換フィルム10の面方向において、粘弾性支持体46の全面を押圧して、全面的に厚さが薄くなるようにするのが好ましい。すなわち、変換フィルム10の全面が粘弾性支持体46により押圧されて支持されるのが好ましい。
また、このように形成された湾曲部は、中心から周辺部に向かって緩やかに曲率が変化しているのが好ましい。これにより、共振周波数を分散させ、より広帯域化できる。
圧電性を有する変換フィルムを用いる電気音響変換器は、一般的に振動板が円形状を有するコーンスピーカに比べて、ユニット全体の大きさに対する振動板の相対的な大きさを大きくし易く、小型化が容易である。
加えて、粘弾性支持体46の厚さにも、特に限定は無いが、押圧される前の厚さが、1mm〜100mm、特に10mm〜50mmであるのが好ましい。
例えば、粘弾性支持体46に代えて、弾性を有する弾性支持体を有する構成としてもよい。
弾性支持体としては、天然ゴムや各種合成ゴムが例示される。
また、変換フィルム10aの湾曲部と変換フィルム10bの湾曲部とは、接するのみで、接着はされておらず、互いに独立して振動可能である。2枚の変換フィルム10aおよび10bのうち、一方の変換フィルム10aはマイクロフォンとして用いられ、他方の変換フィルム10bはスピーカとして用いられる。
しかしながら、1枚の振動板の両面に圧電素子を貼り合わせる構成とした場合には、共通部材である振動板を介しての振動結合(クロストーク)が発生する。音響遮断あるいは回路上の工夫等を行って、クロストークの発生を抑制することが考えられるが、十分に抑制することができず、ハウリングが発生しやすいという問題があった。
ここで、本発明の電気音響変換器は、マイクロフォンとして機能する変換フィルムとスピーカとして機能する変換フィルムとを、クロストーク等の問題を生じずに近接配置することができるので、マイクロフォンで検出された騒音信号に基づいてノイズキャンセル信号を生成する際に、マイクロフォンとスピーカとの相対位置を考慮する必要がないため、演算処理の高速化、装置の小型化が可能になる。
変換フィルム10aと変換フィルム10bとの間に間隙を設けた電気音響変換器の一例を、図3Aおよび図3Bそれぞれに示す。
なお、図3Aに示す電気音響変換器50は、変換フィルム10bの形状を変更した以外は、図1Bに示す電気音響変換器40と同様の構成を有するので、同じ部位には同じ符号を付し、以下の説明は異なる部位を主に行う。
同様に、図3Bに示す電気音響変換器52は、変換フィルム10aと変換フィルム10bとの間にスペーサ54を有する以外は、図1Bに示す電気音響変換器40と同じ構成を有するので、同じ部位には同じ符号を付し、以下の説明は異なる部位を主に行う。
図に示すように、変換フィルム10bの凸部の湾曲量は、粘弾性支持体46側に配置される変換フィルム10aの湾曲量よりも大きい。したがって、変換フィルム10aの湾曲部と変換フィルム10bの湾曲部(凸部)との間には間隙が形成される。ここで、本発明においては、変換フィルム10aと変換フィルム10bとの間隙は、最も大きい箇所での間隙が3cm以下である。
スペーサ54は、押圧部材48と同様の形状で、中央に開口部を有する正四角形状の板状部材である。
ケース42および粘弾性支持体46を覆って配置された変換フィルム10aの辺縁部を押圧するようにスペーサ54を配置し、このスペーサ54の上に変換フィルム10bを配置し、変換フィルム10bの辺縁部を押圧するように押圧部材48を配置し、スペーサ54および押圧部材48をケース42に固定して構成される。
これにより、変換フィルム10aの湾曲部と変換フィルム10bの湾曲部(凸部)との間に間隙が形成される。
すなわち、変換フィルム10を利用する電気音響変換器は、押圧部材48を有さずに、例えばケース42の4箇所の角において、ビスやボルトナット、治具などによって、変換フィルム10をケース42の上面に押圧/固定してなる構成も利用可能である。
また、例えば、変換フィルム10の周縁部全域を押圧部材48で押圧する構成の場合には、変換フィルム10は、その主面に垂直な一方向の断面、および、この一方向と直交する他方向の断面において、少なくとも一部を湾曲して保持されるが、これに限定はされず、少なくとも変換フィルム10の主面に垂直な一方向の断面において、湾曲して保持される構成であればよい。
例えば、剛性を有する支持板の上に粘弾性支持体を載置し、粘弾性支持体を覆って変換フィルム10aおよび10bを載せ、先と同様の押圧部材を周辺部に載置する。次いで、ビス等によって押圧部材を支持板に固定することにより、押圧部材と一緒に粘弾性支持体を押圧した構成も、利用可能である。
なお、支持板の大きさとしては粘弾性支持体よりも大きくても良く、更に支持板の材質としては、ポリスチレンや発泡PET、或いはカーボンファイバーなどの各種振動板を用いることで、電気音響変換器の振動を更に増幅する効果も期待できる。
例えば、図4Aに示すように、スペーサ54を介して、凸部が成型された2枚の変換フィルム10aおよび10bを積層し、それぞれを押圧部材48でスペーサ54に固定する構成としてもよい。
あるいは、変換フィルム10を湾曲したフレームに張り上げた構成としてもよい。すなわち、図4Aに示すような電気音響変換器60において、スペーサ54および押圧部材48が所定の曲率で湾曲したものを用いて変換フィルム10を湾曲させる構成としてもよい。
あるいは、気密性を有するケースを用い、ケースの開放端を変換フィルムで覆って閉塞し、ケース内に気体を導入して変換フィルムに圧力を掛けて、凸状に膨らませた状態で、あるいは、ケース内を負圧にして凹状にへこませた状態で、保持する構成としてもよい。
例えば、図4Bに示す電気音響変換器70のように、凸部が成型された変換フィルム10を3枚用い、変換フィルム10aと変換フィルム10bとをスペーサ54を介して積層し、さらに、変換フィルム10bの変換フィルム10aとは反対側の面にスペーサ54bを介して変換フィルム10cを積層して、変換フィルム10a側と変換フィルム10c側から2つの押圧部材48で挟持、固定して3層構成としてもよい。
その際、変換フィルム10aと変換フィルム10bとの間隙の距離と、変換フィルム10bと変換フィルム10cとの間隙の距離とは、同じであっても互いに異なってもよい。また、少なくとも1組の隣接する変換フィルム同士の間隙の距離が3cm以下であれば、隣接する変換フィルム同士の間隙の距離が3cm超となるものがあってもよい。
下部保護層18が非常に薄く、ハンドリング性が悪い時などは、必要に応じて、セパレータ(仮支持体)付きの下部保護層18を用いても良い。尚、セパレータとしては、厚さ25μm〜100μmのPET等を用いることができる。なお、セパレータは、薄膜電極および保護層の熱圧着後、側面絶縁層や、第2の保護層等を形成する直前に、取り除けばよい。
あるいは、下部保護層18の上に銅薄膜等が形成された、市販品をシート状物11aとして利用してもよい。
前述のシート状物11aを準備し、かつ、塗料を調製したら、この塗料をシート状物にキャスティング(塗布)して、有機溶媒を蒸発して乾燥する。これにより、図5Bに示すように、下部保護層18の上に下部電極14を有し、下部電極14の上に圧電体層12を形成してなる積層体11bを作製する。
あるいは、粘弾性材料がシアノエチル化PVAのように加熱溶融可能な物であれば、粘弾性材料を加熱溶融して、これに添加高分子材料および圧電体粒子26を添加/分散してなる溶融物を作製し、押し出し成型等によって、図5Aに示すシート状物11aの上にシート状に押し出し、冷却することにより、図5Bに示すような、下部保護層18の上に下部電極14を有し、下部電極14の上に圧電体層12を形成してなる積層体11bを作製してもよい。
粘弾性マトリックス24に、これらの高分子圧電材料を添加する際には、上記塗料に添加する高分子圧電材料を溶解すればよい。あるいは、上記加熱溶融した粘弾性材料に、添加する高分子圧電材料を添加して加熱溶融すればよい。
下部保護層18の上に下部電極14を有し、下部電極14の上に圧電体層12を形成してなる積層体11bを作製したら、好ましくは、圧電体層12の分極処理(ポーリング)を行う。
さらに、積層体11bを加熱保持する加熱手段、例えば、ホットプレートを用意する。
また、コロナポーリング処理では、コロナ電極30を移動する方法にも、限定はされない。すなわち、コロナ電極30を固定し、積層体11bを移動させる移動機構を設け、この積層体11bを移動させて分極処理をしてもよい。この積層体11bの移動も、公知のシート状物の移動手段を用いればよい。
さらに、コロナ電極30の数は、1本に限定はされず、複数本のコロナ電極30を用いて、コロナポーリング処理を行ってもよい。
また、分極処理は、コロナポーリング処理に限定はされず、分極処理を行う対象に、直接、直流電界を印加する、通常の電界ポーリングも利用可能である。但し、この通常の電界ポーリングを行う場合には、分極処理の前に、上部電極16を形成する必要が有る。
なお、この分極処理の前に、圧電体層12の表面を加熱ローラ等を用いて平滑化する、カレンダー処理を施してもよい。このカレンダー処理を施すことで、後述する熱圧着がスムーズに行える。
次いで、図2(E)に示すように、上部電極16を圧電体層12に向けて、シート状物11cを、圧電体層12の分極処理を終了した積層体11bに積層する。
さらに、この積層体11bとシート状物11cとの積層体を、上部保護層20と下部保護層18とを挟持するようにして、加熱プレス装置や加熱ローラ対等で熱圧着して、変換フィルム10を作製する。
周知のように、RtoRとは、長尺な原材料を巻回してなるロールから、原材料を引き出して、長手方向に搬送しつつ、成膜や表面処理等の各種の処理を行い、処理済の原材料を、再度、ロール状に巻回する製造方法である。
「触覚フィードバック」とは、「ハプティクス」とも呼ばれ、力、振動、動き等により、操作者に触感を与える技術である。例えば、タッチパネルのタッチ操作に応じて振動することで、タッチする操作者の指に操作感を抱かせる触覚をフィードバックする。
このような本発明の電気音響変換器において、変換フィルムに外部から押圧力を加えるとハウリングが発生しやすくなる。そこで、外部からの押圧力によりハウリングが発生しやすくなることを利用して、電気音響変換器の変換フィルムを操作者が押している間、ハウリングによる振動を操作者に伝える触覚フィードバック装置として用いることができる。
図6は、触覚フィードバック装置として用いる場合の電気音響変換器の一例を模式的に示す斜視図であり、図7は、図6の電気音響変換器の信号の流れを説明するための概念図である。
なお、図6においては、説明のため、変換フィルム以外の部材(ケースおよび粘弾性支持体等)の図示は省略している。
また、電気音響変換器80は、マイクロフォン10dに接続されるマイクロフォン用のアンプである第1の増幅器82と、スピーカ10eに接続されるスピーカ用のアンプである第2の増幅器84とを有する。
具体的には、マイクロフォン10dは、マイクロフォン用のアンプである第1の増幅器82に接続されており、検出した音を電気信号I1に変換して第1の増幅器82に出力する。第1の増幅器82は、マイクロフォン10dから供給された電気信号I1を増幅し、増幅した電気信号I2をスピーカ用のアンプである第2の増幅器84に出力する。第2の増幅器84は、第1の増幅器82から供給された電気信号I2を増幅し、増幅した電気信号I3をスピーカ10eに供給する。スピーカ10eは供給された電気信号I3に基づいて振動する。
このような装置の場合、ドライバーや複雑な信号処理が必要であり、また、フレキシブル化するのが難しい。
また、本発明の電気音響変換器は、変換フィルムに押圧力が加わっていない場合には、ハウリングが発生しにくいので、第1の増幅器および第2の増幅器の倍率の設定等で振動を制御しやすい。
また、第1の増幅器82および第2の増幅器84それぞれの増幅率は、変換フィルムの仕様、2枚の変換フィルム間の距離、等に応じて、変換フィルムに押圧力が加わっていない場合には、変換フィルムの振動の振幅が5μm未満となり、変換フィルムに押圧力が加わった場合には、変換フィルムの振動の振幅が5μm以上となるように、適宜設定すればよい。
前述の図5A〜図5Eに示す方法によって、図2に示す変換フィルム10を作製した。
まず、下記の組成比で、シアノエチル化PVA(CR−V 信越化学工業社製)をメチルエチルケトン(MEK)に溶解した。その後、この溶液に、PZT粒子を下記の組成比で添加して、プロペラミキサー(回転数2000rpm)で分散させて、圧電体層12を形成するための塗料を調製した。
・PZT粒子・・・・・・・・・・・1000質量部
・シアノエチル化PVA・・・・・・・100質量部
・MEK・・・・・・・・・・・・・・600質量部
なお、PZT粒子は、市販のPZT原料粉を1000〜1200℃で焼結した後、これを平均粒径3.5μmになるように解砕および分級処理したものを用いた。
なお、プロセス中、良好なハンドリングを得るために、PETフィルムには厚さ50μmのセパレータ(仮支持体PET)付きのものを用い、薄膜電極および保護層の熱圧着後に、各保護層のセパレータを取り除いた。
次いで、シート状物11aの上に塗料を塗布した物を、120℃のオーブンで加熱乾燥することでMEKを蒸発させた。これにより、PET製の下部保護層18の上に銅製の下部電極14を有し、その上に、厚さが20μmの圧電体層12(圧電層)を形成してなる積層体11bを作製した。
次いで、積層体11bとシート状物11cとの積層体を、ラミネータ装置を用いて120℃で熱圧着することで、圧電体層12と上部電極16および下部電極14とを接着して平坦な変換フィルム10を作製した。
まず、熱プレス装置(アズワン社製AH−2003)を用いて、加熱圧縮成型法により、変換フィルム10に直径90mm、高さ9mmの凸部を形成した。
押圧部材48は、直径90mmの開口部48aを有するアルミニウム製の円形の板状部材を用いた。
スペーサ54は、直径90mmの開口部48aを有する、厚さ3mmのアルミニウム製の円形の板状部材を用いた。
変換フィルム10aと変換フィルム10bとの間の間隔は、3mmであった。
作製した電気音響変換器をノイズキャンセリング装置として利用し、騒音の低減効果を評価した。
作製した電気音響変換器の変換フィルム10の中心の真上(変換フィルム10の主面に垂直な方向)に2cm離れた位置に計測用マイクロフォンを配置し、変換フィルムの面方向に50cm離れた位置に騒音源(市販のダイナミックスピーカ)を配置した。
電気音響変換器を動作させた状態で、騒音源から1kHz、90dBの騒音を発生させて、計測用マイクロフォンに入る音を測定し、周波数と音圧レベルの関係を求めた。グラフを図8Bに示す。図8Bに示すグラフは、縦軸が音圧レベル(dB)で横軸が周波数(Hz)である。
図8Aおよび図8Bの比較から、本発明の電気音響変換器をノイズキャンセリング装置として利用した実施例1では、90dBの騒音を約66dBまで低減している。
この結果から、本発明の電気音響変換器は、マイクロフォンとして機能する変換フィルム10aとスピーカとして機能する変換フィルム10bとを3cm以下の間隙で積層した構成として、ハウリングの発生を抑制して、好適に騒音を低減できることがわかる。
以上の結果より、本発明の効果は、明らかである。
11a、11c シート状物
11b 積層体
12 圧電体層
14 下部薄膜電極
16 上部薄膜電極
18 下部保護層
20 上部保護層
24 粘弾性マトリックス
26 圧電体粒子
30 コロナ電極
32 直流電源
40、50、52、60、70 電気音響変換器
42 ケース
46 粘弾性支持体
48 押圧部材
54、62、72 スペーサ
64 ボルト
66 ナット
80 電気音響変換器
82 第1の増幅器
84 第2の増幅器
Claims (10)
- 常温で粘弾性を示す高分子材料からなる粘弾性マトリックス中に圧電体粒子を分散してなる高分子複合圧電体と、前記高分子複合圧電体の両面それぞれに積層された薄膜電極と、を有する電気音響変換フィルムを有し、
前記電気音響変換フィルムを2枚以上積層してなり、
隣接する前記電気音響変換フィルム同士が、互いに接していることを特徴とする電気音響変換器。 - 前記電気音響変換フィルムは、一方の主面側に突出するように少なくとも一部を湾曲して保持されている請求項1に記載の電気音響変換器。
- 前記電気音響変換フィルムは、主面に垂直な一方向の断面、および、前記一方向と直交する他方向の断面において、少なくとも一部を湾曲して保持されている請求項2に記載の電気音響変換器。
- 前記電気音響変換フィルムの少なくとも1枚は、弾性支持体によって、湾曲支持されている請求項2または3に記載の電気音響変換器。
- 前記弾性支持体が、粘弾性を有する請求項4に記載の電気音響変換器。
- 前記電気音響変換フィルムの少なくとも1枚がマイクロフォンとして機能し、他の前記電気音響変換フィルムの少なくとも1枚がスピーカとして機能する請求項1〜5のいずれか一項に記載の電気音響変換器。
- 前記電気音響変換フィルムの少なくとも1枚が周辺の騒音を検出するマイクロフォンとして機能し、他の前記電気音響変換フィルムの少なくとも1枚が、前記マイクロフォンで検出された騒音信号に基づいて生成されるノイズキャンセル信号を再生するスピーカとして機能する請求項1〜6のいずれか一項に記載の電気音響変換器。
- 前記電気音響変換フィルムの少なくとも1枚が周辺の騒音を検出するマイクロフォンとして機能し、他の前記電気音響変換フィルムの少なくとも1枚が、前記マイクロフォンで検出された騒音信号を増幅して再生するスピーカとして機能する請求項1〜6のいずれか一項に記載の電気音響変換器。
- 積層された2枚以上の前記電気音響変換フィルムの一方の主面側に外部から押圧力を加えた際に、前記マイクロフォンと前記スピーカとの間でハウリングが発生してスピーカの振動を増幅する請求項8に記載の電気音響変換器。
- 前記周辺の騒音が400Hz以下の低周波騒音である請求項8または9に記載の電気音響変換器。
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