JP7429361B2 - 三次元誘電エラストマ構造体、三次元誘電エラストマ構造体を用いたスピーカ、および三次元誘電エラストマ構造体の製造方法 - Google Patents

三次元誘電エラストマ構造体、三次元誘電エラストマ構造体を用いたスピーカ、および三次元誘電エラストマ構造体の製造方法 Download PDF

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特許法第３０条第２項適用 （１）ウェブサイトの掲載アドレス ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｓｃｉｅｎｃｅｄｉｒｅｃｔ．ｃｏｍ／ｓｃｉｅｎｃｅ／ａｒｔｉｃｌｅ／ｐｉｉ／Ｓ０００３６８２Ｘ１８３０４９５Ｘ？ｖｉａ％３Ｄｉｈｕｂ 掲載日 平成３０年１２月３１日 （２）刊行物Ａｐｌｌｉｅｄ Ａｃｏｕｓｔｉｃｓ 第１４８号，２０１９年５月，第２３８～２４５頁，Ｅｌｓｅｖｉｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ 発行日 平成３１年２月２８日 （３）刊行物 芝浦工業大学 新技術説明会 予稿集 発行日 令和１年６月１３日
本開示は、無指向性を含む任意の音響特性を有するスピーカ、これを実現する三次元誘電エラストマ構造体、およびその製造方法に関する。
自然界に存在する音の多くは点音源から発生する無指向性の音である。音の再現性や音質を向上させるため、無指向性のスピーカが要望されている。
一方、普及しているスピーカの多くは、振動板の振動により空気を振動させて音を伝達するものである。振動板は決まった方向にしか振動しないため、振動板を用いたスピーカはその構造上、指向性を有する。
このように指向性を有するスピーカを用いて無指向性を実現する方法として、例えば特許文献１に開示されるように、多面体の各面にスピーカを設けて種々の方向に向けて音を放射する方法がある。
特開２００５－１５５９２６号公報
一般に、高周波数の音と低周波数の音では空気中の伝達特性が異なるため、周波数に依存して指向性が変化することが多い。例えば、高音はスピーカの正面の音圧が高くなりやすく、低音はスピーカの周囲に拡がりやすい。
このような事情から、特許文献１のように指向性を有するスピーカを種々の方向に向けて配置したとしても、無指向性を得ることは困難であった。また、特許文献１に開示された多面体スピーカでは、部品点数が多くなるため、製造コストが多く掛かっていた。
本発明は、このような事情に鑑み、無指向性を含む任意の音響放射特性を有するスピーカを低コストで実現するための三次元誘電エラストマ構造体、三次元誘電エラストマ構造体を用いたスピーカ、および三次元誘電エラストマ構造体の製造方法を提供することを目的とする。
本発明の三次元誘電エラストマ構造体は、エラストマ膜の少なくとも一部が膨張して形成されているエラストマ構造体と、前記エラストマ膜に電圧を印加する電極と、を備え、前記エラストマ構造体は、筒形状の第１部材と、前記第１部材の一端部に接続されており、加圧により膨張して形成されている第２部材と、を有し、前記第２部材は、厚さが５００μｍの平面状のアクリルゴム膜の一部領域を、表面積が３０００％増加するように球状に膨張させて形成されており、前記第２部材は、表面に複数の突起を有する。
本発明のスピーカは、上述の三次元誘電エラストマ構造体を用いている。
本発明の三次元誘電エラストマ構造体の製造方法は、エラストマ膜の一部または全ての領域の両面に電極を形成し、前記領域の一方の面側から管部材の一端部を押し付けることで、前記領域を伸張させて前記管部材の側面に密着させ、前記管部材の他端部側から流体を流入させる、または、前記他端部側へ前記流体を流出させることで前記領域の前記管部材側の面を加圧または減圧し、前記エラストマ膜を膨張させて三次元誘電エラストマ構造体を形成し、前記エラストマ膜が膨張した状態で前記管部材の他端部側を封止し、前記電極の形成は、前記領域の周囲を固定した上で、前記領域に対して前記エラストマ膜の両面のうちの第１面側から加圧して前記第１面とは反対の第２面側に前記エラストマ膜を膨張させ、膨張した前記エラストマ膜の前記第２面側に電極を形成し、前記加圧を解除した後、前記第２面側から加圧して前記第１面側に前記エラストマ膜を膨張させ、膨張した前記エラストマ膜の前記第１面側に電極を形成する、工程を含む。
また、本発明の三次元誘電エラストマ構造体の製造方法は、エラストマ膜の一部または全ての領域の両面に電極を形成し、前記領域の一方の面側から管部材の一端部を押し付けることで、前記領域を伸張させて前記管部材の側面に密着させ、前記管部材の他端部側から流体を流入させる、または、前記他端部側へ前記流体を流出させることで前記領域の前記管部材側の面を加圧または減圧し、前記エラストマ膜を膨張させて三次元誘電エラストマ構造体を形成し、前記エラストマ膜が膨張した状態で前記管部材の他端部側を封止し、前記電極の形成は、前記領域の周囲を固定した上で、前記領域に対して前記エラストマ膜の両面のうちの第１面側から加圧して前記第１面とは反対の第２面側に前記エラストマ膜を膨張させ、膨張した前記エラストマ膜の前記第２面側に電極を形成し、前記加圧を解除した後、前記第２面側から加圧して前記第１面側に前記エラストマ膜を膨張させ、膨張させた前記エラストマ膜によって形成された前記三次元誘電エラストマ構造体の内部に、導電性を有する物質を封入する、工程を含む。
本発明によれば、無指向性を含む任意の音響放射特性を有するスピーカを低コストで実現することができる。
スピーカの斜視図 スピーカの断面図 エラストマ膜を材料として用いてスピーカを製造するための製造装置を説明するための図 エラストマ膜が第１環状プレートおよび第２環状プレートによって挟み込まれて固定された状態を説明するための図 スピーカの製造方法を説明するための図 スピーカの製造方法を説明するための図 スピーカの製造方法を説明するための図 スピーカの製造方法を説明するための図 スピーカの製造方法を説明するための図 スピーカの製造方法を説明するための図 スピーカの製造方法を説明するための図 スピーカの製造方法を説明するための図 スピーカの製造方法を説明するための図 スピーカの製造方法を説明するための図 スピーカの製造方法を説明するための図
以下、本開示の各実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。ただし、必要以上に詳細な説明、例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明等は省略する場合がある。
なお、以下の説明および参照される図面は、当業者が本開示を理解するために提供されるものであって、本開示の請求の範囲を限定するためのものではない。
＜構成の説明＞
図１Ａおよび図１Ｂは、本発明の実施の形態に係るスピーカ１を説明するための図である。図１Ａはスピーカ１の斜視図、図１Ｂはスピーカ１の断面図である。
図１Ａおよび図１Ｂに示すように、スピーカ１は、第１部材１１、第２部材１２、電極１３および１４、管部材１５、導線１６および１７、蓋部材１８、および絶縁テープ１９を備える。
第１部材１１は、アクリルゴム等のエラストマ膜で構成されており、円筒形状を有する。第１部材１１は、その内面が、後述する電極１４を介して、後述する管部材１５の側面に密着するように配置されている。第１部材１１は、一例として、底面の直径が１０ｍｍの円筒形状を有する。
第２部材１２は、第１部材１１の一端部に接続されている。詳細は後述の製造方法にて説明するが、第１部材１１と第２部材１２とは同じエラストマ膜で製造される。このため、第２部材１２は、第１部材１１と同じ材料のエラストマ膜で構成されている。なお、上述した第１部材１１および第２部材１２は、本発明のエラストマ構造体の一例である。
図１Ａおよび図１Ｂに示すように、第２部材１２は、第１部材１１との接続部を除いて球形状を有する。なお、本実施の形態では、第２部材１２の形状の例として球形状を採用するが、本発明はこれに限定されず、第２部材１２は例えば半球形状、円筒形状、円錐形状、円錐台形状、または楕円体形状等を有していてもよい。第２部材１２は、一例として、例えば直径３０ｍｍの球形状を有する。
第２部材１２は、詳細は後述するが、平面状のエラストマ膜の一部領域に対して空気等の流体を用いて加圧し、膨張させることで構成されている。このため、第２部材１２の材料は、流体を通さない材料である必要がある。また、このため、第２部材１２の厚みは、平面状のエラストマ膜と比較して非常に薄くなっている。この際、第２部材１２の厚みの分布は一様でもよいし、不均一でもよい。第２部材１２の好適な一例としては、例えば厚さが５００μｍの平面状のアクリルゴム膜の一部領域を、表面積が３０００％増加するように球状に膨張させたエラストマ薄膜が挙げられる。
このように第２部材１２は非常に薄いため、後述の電極１３および１４により電圧が印加された際に、振動しやすく（換言すれば低エネルギーで振動可能であり）、低電圧で音を発生させることができる。また、第２部材は、その薄さにより、振動した際に破壊されにくい性質を有する。
振動しやすさ、および破壊されにくさを実現させるため、第２部材１２は、軟らかい素材で構成されることが好ましい。第２部材１２および第１部材１１を構成するエラストマ膜の弾性率の例としては、例えば１ｋＰａ～１００ＭＰａの範囲内であることが好ましい。
なお、第１部材１１は、後述するように絶縁テープ１９等によって締め付けられているため、あまり膨張していない。
電極１３は、図１Ａおよび図１Ｂに示すように、第２部材１２の外周面に形成されている。一方、電極１４は、図１Ｂに示すように、第２部材１２の内周面に形成されている。また、電極１３および１４は、図１Ｂに示すように、第１部材１１の外面および内面の少なくとも一部にも形成されている。第２部材１２の外周面に形成されている電極１３と、第１部材１１の外面に形成されている電極１３とは、電気的に接続されている。同様に、第２部材１２の内周面に形成されている電極１４と、第１部材１１の内面に形成されている電極１４とは、電気的に接続されている。
電極１３および１４は、例えばカーボンブラック等の粉末状の電極材料が、第１部材１１および第２部材１２の外面または内面に付着して形成されている。粉末状の電極材料を構成する多数の粒子のうち、少なくとも一部の粒子同士が互いに接触し、全体として導電性を有する電極１３および１４が形成されている。従って、第１部材１１および第２部材１２の外面または内面に付着される粉末状電極材料の量は、このような導電性を確保できるだけの量である必要がある。このように、電極１３および１４が粉末状の電極材料で形成されていることにより、粒子同士が強固に結合されていないため、柔軟性を有し、第２部材１２の振動を阻害しにくくなっている。
このようにエラストマ膜で構成された第１部材１１および第２部材１２の外面および内面が電極１３および１４により挟まれることで、キャパシタ構造が形成され、電圧の印加によって駆動する。このような構造は誘電エラストマ等と呼ばれ、誘電エラストマを用いた駆動メカニズムは誘電エラストマアクチュエータ（Dielectric Elastomer Actuator：ＤＥＡ）等と呼ばれる。本発明の実施の形態に係るスピーカ１は、このような誘電エラストマアクチュエータを用いた、三次元形状（球形状）を有する構造体で構成されている。本明細書において、このような構造体を三次元誘電エラストマ構造体と称する。このように、誘電エラストマアクチュエータを用いたスピーカ１では、電極１３および１４への電圧の印加によって主に第２部材１２を振動させることで音を発生させることができる。
なお、第１部材１１および第２部材１２の材料であるエラストマ膜には、大きな粘着性を有するものがある。この粘着性により、粉末状の電極材料は、例えば接着剤等を用いずとも、第１部材１１および第２部材１２の表面（外面および内面）に付着する。例えば第１部材１１および第２部材１２の材料にアクリルゴムを採用した場合、第１部材１１および第２部材１２が振動しても電極材料が剥がれ落ちない程度の粘着性を得ることができる。
管部材１５は、円筒形状を有する中空の部材である。図１Ｂに示すように、管部材１５の側面が第１部材１１の内面に電極１４を介して密着するようになっている。また、図１Ｂに示すように、管部材１５の一端部１５Ａを覆うように第１部材１１および第２部材１２が配置されており、他端部１５Ｂは第１部材１１および第２部材１２には覆われていない。管部材１５の他端部１５Ｂは、後述の蓋部材１８によって封止されている。これにより、第２部材１２の内部に、第２部材１２を加圧して三次元形状（球形状）を維持させるための空気等の流体が封入されている。
管部材１５は、上述したように第１部材１１および第２部材１２の支持部であるため、ある程度剛性が高い材料で形成されることが好ましい。管部材１５の材料の例としては、金属、樹脂（塩化ビニル等）が挙げられる。
導線１６および１７は、それぞれ一端部が電極１３および１４と接続されており、他端部が外部の電源装置（図示せず）と接続される。これにより、電極１３および１４と電源装置とが電気的に接続され、電源装置の動作によって電極１３および１４に電圧が印加される。導線１６および１７は導電体で構成される。本発明において、導線１６および１７の両端部以外は被覆されていてもよいし、いなくてもよい。
導線１６および１７は、主に第１部材１１を構成するエラストマ膜の粘着性により、第１部材１１の外面および内面において電極１３および１４と電気的に接続された状態で固定される。また、導線１６および１７は、後述の絶縁テープ１９が管部材１５および第１部材１１の周囲に巻き付けられる際の締め付け力によっても固定される。なお、導線１６および１７は、電極１３および１４と直接接触することで電極１３および１４と電気的に接続されてもよいし、電極１３および１４とは異なる導電部材を介して電極１３および１４と接続されてもよい。
蓋部材１８は、上述したように、管部材１５の他端部１５Ｂを封止する部材である。蓋部材１８の材料は、第２部材１２を加圧するための流体を通さない材料であれば特に限定されない。蓋部材１８は、例えば樹脂や金属等で形成されたキャップ、または樹脂フィルム等である。また、蓋部材１８はバルブとして機能する構造を有していてもよい。
絶縁テープ１９は、図１Ｂに示すように、管部材１５、導線１７、電極１４、第１部材１１、電極１３、および導線１６を締め付けるように巻き付けられている。絶縁テープ１９は、絶縁性を有する材料で構成されている。絶縁テープ１９の例としては、例えばビニールテープである。絶縁テープ１９により、導線１６の電極１３との接続箇所が絶縁されるとともに、第１部材１１、並びに導線１６および１７が、管部材１５に強固に固定される。なお、第１部材１１、並びに導線１６および１７が、管部材１５に強固に固定されており、かつ導線１６の電極１３との接続箇所が十分に絶縁されている場合、絶縁テープ１９は設けられなくてもよい。
以上、本発明の実施の形態に係るスピーカ１の構成について説明した。次に、スピーカ１の製造装置および製造方法について、図２～図６Ｄを用いて説明する。
＜製造装置の説明＞
図２は、エラストマ膜１００を材料として用いてスピーカ１を製造するための製造装置２を説明するための図である。図２に示すように、製造装置２は、エラストマ膜１００を挟み込んで固定するための第１環状プレート２１および第２環状プレート２２、ガスケット２３、および土台部２４を有する。図２に示す例では、エラストマ膜１００は四辺形形状（正方形等）に形成されているが、本発明はこれに限定されず、例えば円形状や楕円形状等に形成されていてもよい。
第１環状プレート２１、第２環状プレート２２、ガスケット２３、および土台部２４の互いに対応する位置には、ボルト２５を貫通させるための穴２１ｈ、２２ｈ、２３ｈ、２４ｈがそれぞれ設けられている。図２に示す例では、穴２１ｈ、２２ｈ、２３ｈ、２４ｈはそれぞれ４個ずつ設けられているが、本発明はこれに限定されず、穴の数は何個でもよい。
スピーカ１の製造時において、ボルト２５は穴２１ｈ、２２ｈ、２３ｈ、２４ｈに貫通するように挿入され、ボルト２５の端部にナット２６が取り付けられる。これにより、エラストマ膜１００が土台部２４に固定される。このボルト２５およびナット２６により、第１環状プレート２１、第２環状プレート２２、ガスケット２３、および土台部２４は互いに図２の上下方向において密着するように固定されうる。以下の製造方法の説明における上下方向は、図２に示す製造装置２の上下方向に対応するものとする。なお、ボルト２５およびナット２６を用いず、第１環状プレート２１と第２環状プレート２２、第２環状プレート２２とガスケット２３、ガスケット２３と土台部２４がそれぞれ接着されることで、これらの構成が互いに密着するように固定されてもよい。
図２に示す例では、第１環状プレート２１、第２環状プレート２２、およびガスケット２３の上下面は、同じ直径を有する円形状に形成されている。第１環状プレート２１および第２環状プレート２２の中心部には、円形状の開口部２１Ｏおよび２２Ｏが設けられている。この開口部２１Ｏおよび２２Ｏの大きさは、エラストマ膜１００よりも小さくなるように形成されている。
なお、図２に示す例では、第１環状プレート２１、第２環状プレート２２、およびガスケット２３の上下面は、同じ直径を有する円形状に形成されているとしたが、本発明はこれに限定されない。すなわち、第１環状プレート２１、第２環状プレート２２、およびガスケット２３の上下面は、それぞれ異なる直径を有する円形状に形成されていてもよいし、それぞれ異なる形状に形成されていてもよい。また、図２では土台部２４の上面の直径も第１環状プレート２１、第２環状プレート２２、およびガスケット２３の上下面とほぼ同じ直径を有するように図示されているが、本発明はこれにも限定されない。すなわち、土台部２４の上面は、第１環状プレート２１、第２環状プレート２２、およびガスケット２３の上下面とはそれぞれ異なる直径を有する円形状、またはこれらとは異なる形状に形成されていてもよい。
図３は、エラストマ膜１００が第１環状プレート２１および第２環状プレート２２によって挟み込まれて固定された状態を説明するための図である。図３は、エラストマ膜１００を挟み込んだ状態の第１環状プレート２１および第２環状プレート２２を上から見た図であり、エラストマ膜１００の外周部が破線で示されている。
図３に示すように、エラストマ膜１００は、第１環状プレート２１および第２環状プレート２２により、開口部２１Ｏおよび２２Ｏから一部が露出するように挟み込まれている。なお、エラストマ膜１００は、必ず開口部２１Ｏおよび開口部２２Ｏの全体がエラストマ膜１００で覆われるような位置で、第１環状プレート２１および第２環状プレート２２によって挟み込まれる。すなわち、開口部２１Ｏまたは開口部２２Ｏからエラストマ膜１００の外周部が露出することがないように、エラストマ膜１００は第１環状プレート２１および第２環状プレート２２によって挟み込まれる。さらに言えば、開口部２１Ｏまたは２２Ｏから露出するエラストマ膜１００の一部領域Ｒｐ（後述の図４Ａを参照）より外側に、一部領域以外のエラストマ膜１００の領域が必ず存在するようになっている。
ガスケット２３は、第２環状プレート２２と土台部２４との間の気密を確保するための部材である。
土台部２４は、図２に示すようにフランジ形状を有し、フランジ部２４ｆにガスケット２３を介して第２環状プレート２２が固定されるようになっている。土台部２４のフランジ部２４ｆ以外の部位である管状部２４ｔは、中空に形成されている。
ガスケット２３および土台部２４にも、それぞれ開口部２１Ｏおよび２２Ｏと同じ大きさの開口部２３Ｏおよび２４Ｏが形成されている。
管状部２４ｔの下端側には、図示しないポンプが接続されており、管状部２４ｔの内部に向けて空気等の流体を流入させる、または管状部２４ｔの内部から流体を流出させることができるようになっている。
＜製造方法の説明＞
このような製造装置２を用いて、スピーカ１を製造する方法について、図４Ａ～図７Ｂを用いて説明する。図４Ａおよび図４Ｂはエラストマ膜１００の一方の面に電極を形成する工程を示している。図５Ａ～図５Ｃはエラストマ膜１００の他方の面に電極を形成する工程をを示している。図６Ａ～図６Ｄは管部材１５にエラストマ膜１００を転写する工程をを示している。図７Ａおよび図７Ｂはエラストマ膜１００を膨張させて第１部材１１および第２部材１２を形成する行程を示している。なお、図４Ａ～図７Ｂでは、製造装置２の中心を通る、上下方向に沿った断面が示されている。また、図４Ａ～図７Ｂでは、図示される各構成の厚みおよび横幅は厳密なものではなく、それぞれ模式的に示されている。
まず、図４Ａには、図３に示すようにエラストマ膜１００が第１環状プレート２１および第２環状プレート２２に挟み込まれた状態で、ボルト２５およびナット２６により、土台部２４に固定された状態が示されている。この状態では、エラストマ膜１００の一部領域Ｒｐが、開口部２１Ｏ、２２Ｏ、および２４Ｏにより露出している。なお、図４Ａでは、第２環状プレート２２と土台部２４との間に配置されるガスケット２３については図示を省略している（以降の図においても同様）。
この状態で、土台部２４の管状部２４ｔの下端側から、空気等の流体が流し込まれると、この流体によりエラストマ膜１００の一部領域Ｒｐの下面側が加圧される。なお、以下の説明において、図４Ａにおけるエラストマ膜１００の下面を第１面１００ｓ１、上面を第２面１００ｓ２と記載する。
流体により第１面１００ｓ１側が加圧されることにより、エラストマ膜１００の一部領域Ｒｐは、開口部２１Ｏを介して、第２面１００ｓ２側に向かって風船のように膨張する。膨張したエラストマ膜１００の第２面１００ｓ２に粉末状の電極材料を付着させることで、エラストマ膜１００の第２面１００ｓ２側に電極１４が形成される。図４Ｂは、エラストマ膜１００の第２面１００ｓ２側に電極１４が形成された状態を示す図である。
エラストマ膜１００の第２面１００ｓ２側に電極１４が形成されると、流体による加圧が解除される。これにより、膨張していたエラストマ膜１００は収縮し、エラストマ膜１００は平たい状態に戻る。この際、収縮によりエラストマ膜１００の表面積が減少するが、電極１４は元々粉末状であるため、エラストマ膜１００が収縮しても剥がれ落ちたりしわになったりする事態は生じにくい。
次に、図５Ａに示すように、第１環状プレート２１および第２環状プレート２２の土台部２４への固定が解除され、エラストマ膜１００が上下に反転される。なお、エラストマ膜１００が上下に反転される際にも、エラストマ膜１００は第１環状プレート２１および第２環状プレート２２に挟み込まれた状態のままである。
エラストマ膜１００が上下に反転されると、図５Ｂに示すように、ボルト２５およびナット２６により、再度第１環状プレート２１および第２環状プレート２２が土台部２４へ固定される。図５Ｂに示す状態では、電極１４が形成されたエラストマ膜１００の第２面１００ｓ２が下側、第１面１００ｓ１が上側になっている。
この状態で、土台部２４の管状部２４ｔの下端側から空気等の流体が流し込まれ、エラストマ膜１００の一部領域Ｒｐが、開口部２２Ｏを介して、第１面１００ｓ１側に向かって風船のように膨張する。膨張したエラストマ膜１００の第１面１００ｓ１に粉末状の電極材料を付着させることで、エラストマ膜１００の第１面１００ｓ１側に電極１３が形成される。図５Ｃは、エラストマ膜１００の第１面１００ｓ１側に電極１３が形成された状態を示す図である。
エラストマ膜１００の第１面１００ｓ１側に電極１４が形成されると、流体による加圧が解除される。これにより、膨張していたエラストマ膜１００は収縮し、エラストマ膜１００は平たい状態に戻る。
このようにしてエラストマ膜１００の一部領域Ｒｐの両面に電極１３および１４が形成される。
次に、図６Ａに示すように、エラストマ膜１００が第１環状プレート２１および第２環状プレート２２に挟み込まれたままの状態で、第１環状プレート２１および第２環状プレート２２の土台部２４への固定が解除される。なお、図６Ａでは、エラストマ膜１００の上側の面が第１面１００ｓ１、下側の面が第２面１００ｓ２である。
次に、図６Ｂに示すように、開口部２１Ｏまたは２２Ｏを介して、管部材１５の一端部１５Ａがエラストマ膜１００の一部領域Ｒｐに押し付けられる。なお、以降の説明では、エラストマ膜１００の第２面１００ｓ２側から管部材１５が押し付けられる場合について説明するが、本発明はこれに限定されず、第１面１００ｓ１側から管部材１５が押し付けられてもよい。
管部材１５の一端部１５Ａがエラストマ膜１００に押し付けられることにより、エラストマ膜１００の一部領域Ｒｐが伸張し、図６Ｃに示すように、管部材１５に沿った形状となる。なお、管部材１５に沿った形状とは、円筒形状の管部材１５の側面に沿った形状、および、管部材１５の上端面に沿った形状を意味する。管部材１５の上端面には、管を形成するための開口が設けられているが、エラストマ膜１００には張力が掛かっているため、管部材１５の開口の内部にまでは入り込まない。この際、電極１３および１４もエラストマ膜１００に合わせて伸張する。
この状態で、管部材１５に沿った形状を有する部分のみを残して、それ以外のエラストマ膜１００が切除される。そして、図６Ｄに示すように、電極１３および１４と電気的に接続された導線１６および１７が設けられ、その周囲に絶縁テープ１９が巻かれる。なお、導線１６および１７を設ける方法およびタイミングについては、本発明では特に限定しない。
そして、図７Ａに示すように、管部材１５の下端側から図示しないポンプ等により空気等の流体が流し込まれ、エラストマ膜１００が上側（第１面１００ｓ１側）に向かって膨張する。これにより、球形状を有する第２部材１２が形成される。エラストマ膜１００の、絶縁テープ１９により固定されている部分はほぼ膨張せず、管部材１５の側面に電極１４を介して密着した状態の第１部材１１となる。
最後に、図７Ｂに示すように、流体によりエラストマ膜１００に膨張した状態で、管部材１５の下端部が蓋部材１８により封止される。
このようにして、図１等に図示されるスピーカ１が製造される。
＜使用方法＞
スピーカ１を使用する場合、導線１６および１７を介して所望の音に対応した信号を入力させる。入力された信号に従って、膨張したエラストマ膜１００で構成される第２部材１２が振動し、所望の音を再生させることができる。
＜作用・効果＞
本発明の実施の形態に係るスピーカ１は、エラストマ膜１００の少なくとも一部が加圧により膨張して形成されているエラストマ構造体（第１部材１１および第２部材１２）と、エラストマ膜１００の両面に形成され、エラストマ膜１００に電圧を印加する電極１３および１４と、を備える三次元誘電エラストマ構造体で構成されている。
このように、本発明の実施の形態に係るスピーカ１は、音を発生させる部位（第２部材１２）が膨張したエラストマ膜１００で構成されている。このため、第２部材１２は薄く、単位面積あたりの質量が小さいため、低電圧で低周波数帯域から超音波領域まで大きな振動を得ることができる。また、膨張により表面積が拡大された第２部材１２全体の振動により音が発生するため、第２部材１２を支持する第１部材１１がある方向を除いて、下方向を含む全方向に向かって音波が放射される。このため、高い無指向性を得ることができる。
本発明の実施の形態に係るスピーカ１では、第２部材１２を構成するエラストマ膜１００は、柔軟性を有し、空気等の流体の内圧によって膨張した状態で維持されている。このため、第２部材１２に対して、内圧よりも大きな外圧が加えられた場合、第２部材１２はその外圧によって柔軟に変形（３次元変形）しうる。従来の硬い材料で作られているスピーカは、外圧により部材に塑性変形してしまうと、所望の音を発生することができなくなる。しかし、本発明の実施の形態に係るスピーカ１は、柔軟なエラストマ膜１００で構成されているため、外圧により一時変形しても外圧が解除されれば元の形に戻ることができる。そのため、本発明の実施の形態に係るスピーカ１は、風の強い屋外等、砂や砂利が舞い、スピーカ１に衝突するような状況（固い材料で作られた従来のスピーカが破壊される、または故障してしまうような状況）でも、使用することができる。また、本発明の実施の形態に係るスピーカ１は、３次元変形を許容するため、設置スペースが狭い、または入り組んだ形状のスペースにも設置できる。
また、本発明の実施の形態に係るスピーカ１では、第２部材１２が球形、半球形、円筒形、円錐形、円錐台形、または楕円体形を有する。特に球形状の場合、スピーカ１は、高い無指向性を得ることができる。
本発明の実施の形態に係るスピーカ１は、エラストマ膜１００の一部領域Ｒｐの両面に電極１３および１４を形成し、一部領域Ｒｐの一方の面側から管部材１５の一端部１５Ａを押し付けることで、一部領域Ｒｐを伸張させて管部材１５の側面に密着させ、管部材１５の他端部１５Ｂ側から流体を流入させることで一部領域Ｒｐの管部材１５側の面を加圧し、エラストマ膜１００を膨張させて三次元誘電エラストマ構造体（第１部材１１および第２部材１２）を形成し、エラストマ膜１００が膨張した状態で管部材１５の他端部１５Ｂ側を封止することにより製造される。
なお、電極１３および１４は、一部領域Ｒｐの周囲を固定した上で、一部領域Ｒｐに対してエラストマ膜１００の両面のうちの第１面１００ｓ１側から加圧して第１面１００ｓ１とは反対の第２面１００ｓ２側にエラストマ膜１００を膨張させ、膨張したエラストマ膜１００の第２面１００ｓ２側に電極１４を形成し、加圧を解除した後、第２面１００ｓ２側から加圧して第１面１００ｓ１側にエラストマ膜１００を膨張させ、膨張したエラストマ膜１００の第１面１００ｓ１側に電極１３を形成することにより形成される。
このように、本発明の実施の形態に係るスピーカ１は、部品点数が少なく単純な構造を有し、簡単な手順で製造することができ、図２に例示したように製造に用いる部品も少なくてすむ。このため、低コストで製造することができる。
＜変形例＞
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変形して実施することが可能である。
上述した実施の形態では、三次元誘電エラストマ構造体を構成する第２部材１２の形状は、球形状、半球形状、円筒形、円錐形、円錐台形、または楕円体形状であるとしたが、本発明はこれに限定されない。第２部材１２は、エラストマ膜１００の膨張によって形成されればよく、その形状の例には、例えば六面体、八面体、十二面体、二十面体等の多面体形状の他、錐形状、筒形状、または不定形状等が含まれうる。第２部材１２は、例えば球形状の表面に複数の突起を有する、金平糖のような形状に形成されていてもよい。また、縁が一部丸くなっている形状も含まれる。本発明の実施の形態に係る球形のスピーカ１では無指向性を持たせることを特徴としていたが、形状によっては、反対に特定の方向への指向性を持たせることもできる。すなわち、本発明のスピーカは、三次元形状を有する誘電エラストマ構造体により、無指向性を含む任意の音響放射特性を得ることができる。
上述した実施の形態では、図５Ｃ等に示すように、土台部２４を介して空気等の流体を流し込むことで、加圧により第２部材１２を膨張させるとしたが、本発明はこれに限定されない。例えば、土台部を介して流体を吸い出し、土台部の内部を減圧させることで、第２部材を膨張させてもよい。この場合、上述した実施の形態とは反対に、土台部の内部に向かって第２部材が膨張することになる。このような方法を用いても、土台部の内径を第１環状プレートおよび第２環状プレートの開口部に対して十分に大きくすることで、第２部材を好適に膨張させることができる。
また、上述した実施の形態では、管部材１５の他端部１５Ｂから第１部材１１および第２部材１２の内部に流し込まれる流体として空気を例示したが、本発明はこれに限定されない。例えば他のガス、または液体であってもよい。
上述した実施の形態では、第２部材１２の両面に電極１３および１４が形成されていたが、本発明はこれに限定されない。第２部材１２の内側に電極１４を形成する代わりに、膨張した第２部材１２の内部に導電性を有する物質（例えば、液体（食塩水等）、気体、プラズマ等）を充填し、この物質と電源とを電気的に接続するようにしてもよい。
上述した実施の形態では、管部材１５が円筒形状を有するとしたが、本発明はこれに限定されない。管部材１５の断面形状は円形状に限定されず、例えば、四角形等の多角形であってもよい。また、上述した実施の形態では、管部材１５の一端部１５Ａを構成する面は、図６Ａ等に示すように、管部材１５の中心軸に対して垂直に形成されていたが、本発明はこれに限定されない。例えば、管部材１５の一端部１５Ａを構成する面が管部材１５の中心軸に対して斜めに形成されていてもよい。
上述した実施の形態では、第１部材１１と第２部材１２とが同じエラストマ膜で製造されるとしたが、本発明はこれに限定されない。例えば、第１部材１１と第２部材１２とを異なる材質のエラストマ膜で製造し、適宜の方法で互いに接続してもよい。また、第１部材１１と第２部材１２とを同じ材質のエラストマ膜で別個に製造し、適宜の方法で互いに接続してもよい。
上述した実施の形態では、スピーカ１を製造する際に、第２部材１２を加圧して膨張させた状態で電極１３および１４を形成した後、再度第２部材１２を加圧して膨張させることでスピーカ１を構成するための三次元形状（球形状）を形成している。本発明において、電極１３および１４を形成する際に第２部材１２に加えられる圧力値と、三次元形状を形成する際に第２部材１２に加えられる圧力値とは、同じであってもよいし、異なってもよい。
さらに、上述した実施の形態では、第１部材１１、第２部材１２、並びに電極１３および１４を有する三次元誘電エラストマ構造体を、スピーカ１に適用した場合について説明したが、本発明はこれに限定されない。本発明の三次元誘電エラストマ構造体は、電圧の印加により膨張したエラストマ膜が振動するという性質を使用して、例えば、アクチュエータまたはモータ等に適用することができる。また、マイク（マイクロフォン）またはジェネレータとして使用することもできる。さらに、振動を検知するセンサとして使用することもできる。
本発明は、低コストで製造できる、無指向性のスピーカ等に有用である。
１ スピーカ
１１ 第１部材
１２ 第２部材
１３ 電極
１４ 電極
１５ 管部材
１５Ａ 一端部
１５Ｂ 他端部
１６ 導線
１７ 導線
１８ 蓋部材
１９ 絶縁テープ
２ 製造装置
２１ 第１環状プレート
２１Ｏ 開口部
２１ｈ，２２ｈ，２３ｈ，２４ｈ 穴
２２ 第２環状プレート
２２Ｏ 開口部
２３ ガスケット
２３Ｏ 開口部
２４ 土台部
２４Ｏ 開口部
２４ｆ フランジ部
２４ｔ 管状部
２５ ボルト
２６ ナット
１００ エラストマ膜
１００ｓ１ 第１面
１００ｓ２ 第２面
Ｒｐ 一部領域

Claims (8)

  1. エラストマ膜の少なくとも一部が膨張して形成されているエラストマ構造体と、
    前記エラストマ膜に電圧を印加する電極と、
    を備え、
    前記エラストマ構造体は、
    筒形状の第１部材と、
    前記第１部材の一端部に接続されており、加圧により膨張して形成されている第２部材と、
    を有し、
    前記第２部材は、厚さが５００μｍの平面状のアクリルゴム膜の一部領域を、表面積が３０００％増加するように球状に膨張させて形成されており、
    前記第２部材は、表面に複数の突起を有する、
    三次元誘電エラストマ構造体。
  2. 側面が前記第１部材の内面と前記電極を介して密着するように配置されている管部材をさらに備える、
    請求項１に記載の三次元誘電エラストマ構造体。
  3. 前記管部材の両端部のうち、一端部側は前記エラストマ構造体により覆われている一方、他端部側は前記エラストマ構造体により覆われておらず、
    前記管部材の前記他端部側を封止する蓋部材をさらに備える、
    請求項２に記載の三次元誘電エラストマ構造体。
  4. 前記第２部材は、球形、半球形、円筒形、円錐形、円錐台形、または楕円体形を有する、
    請求項１から３のいずれか一項に記載の三次元誘電エラストマ構造体。
  5. 前記電極は、粉末状の電極材料同士が接触することで構成されている、
    請求項１から４のいずれか一項に記載の三次元誘電エラストマ構造体。
  6. 請求項１から５のいずれか一項に記載の三次元誘電エラストマ構造体を用いた、
    スピーカ。
  7. エラストマ膜の一部または全ての領域の両面に電極を形成し、
    前記領域の一方の面側から管部材の一端部を押し付けることで、前記領域を伸張させて前記管部材の側面に密着させ、
    前記管部材の他端部側から流体を流入させる、または、前記他端部側へ前記流体を流出させることで前記領域の前記管部材側の面を加圧または減圧し、前記エラストマ膜を膨張させて三次元誘電エラストマ構造体を形成し、
    前記エラストマ膜が膨張した状態で前記管部材の他端部側を封止し、
    前記電極の形成は、
    前記領域の周囲を固定した上で、前記領域に対して前記エラストマ膜の両面のうちの第１面側から加圧して前記第１面とは反対の第２面側に前記エラストマ膜を膨張させ、
    膨張した前記エラストマ膜の前記第２面側に電極を形成し、
    前記加圧を解除した後、前記第２面側から加圧して前記第１面側に前記エラストマ膜を膨張させ、
    膨張した前記エラストマ膜の前記第１面側に電極を形成する、
    工程を含む、三次元誘電エラストマ構造体の製造方法。
  8. エラストマ膜の一部または全ての領域の両面に電極を形成し、
    前記領域の一方の面側から管部材の一端部を押し付けることで、前記領域を伸張させて前記管部材の側面に密着させ、
    前記管部材の他端部側から流体を流入させる、または、前記他端部側へ前記流体を流出させることで前記領域の前記管部材側の面を加圧または減圧し、前記エラストマ膜を膨張させて三次元誘電エラストマ構造体を形成し、
    前記エラストマ膜が膨張した状態で前記管部材の他端部側を封止し、
    前記電極の形成は、
    前記領域の周囲を固定した上で、前記領域に対して前記エラストマ膜の両面のうちの第１面側から加圧して前記第１面とは反対の第２面側に前記エラストマ膜を膨張させ、
    膨張した前記エラストマ膜の前記第２面側に電極を形成し、
    前記加圧を解除した後、前記第２面側から加圧して前記第１面側に前記エラストマ膜を膨張させ、
    膨張させた前記エラストマ膜によって形成された前記三次元誘電エラストマ構造体の内部に、導電性を有する物質を封入する、
    工程を含む、三次元誘電エラストマ構造体の製造方法。
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