JPWO2016121765A1 - 電気音響変換フィルム - Google Patents
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Abstract
Description
フレキシブルディスプレイは、従来のガラス基板を用いたディスプレイと比較して、軽量性、薄さ、可撓性等において優位性を持っており、円柱等の曲面に備えることも可能である。また、丸めて収納することが可能であるため、大画面であっても携帯性を損なうことがなく、広告等の掲示用や、PDA(携帯情報端末)等の表示装置として注目されている。
ここで、従来のスピーカ形状としては、漏斗状のいわゆるコーン型や、球面状のドーム型等が一般的である。しかしながら、これらのスピーカを上述のフレキシブルディスプレイに内蔵しようとすると、フレキシブルディスプレイの長所である軽量性や可撓性を損なう虞れがある。また、スピーカを外付けにした場合、持ち運び等が面倒であり、曲面状の壁に設置することが難しくなり美観を損ねる虞れもある。
例えば、特許文献2には、ポリフッ化ビニリデン(PVDF:Poly VinyliDene Fluoride)の一軸延伸フィルムを高電圧で分極処理した圧電膜(圧電体層)の両面に電極対を積層した圧電フィルム(電気音響変換フィルム)を用いることが記載されている。
すなわち、本発明は、以下の構成の電気音響変換フィルムおよび電気音響変換フィルムの製造方法を提供する。
圧電体層の一方の主面に形成された上部薄膜電極と、
圧電体層の他方の主面に形成された下部薄膜電極と、
上部薄膜電極の上に形成された上部保護層と、
下部薄膜電極の上に形成された下部保護層とを有し、
上部薄膜電極と上部保護層、および、下部薄膜電極と下部保護層の少なくとも一方の、面方向の外周部の少なくとも一部に、薄膜電極と保護層とを貫通する溝部が形成されている電気音響変換フィルム。
(2) 溝部が、圧電体層の一部まで形成されている(1)に記載の電気音響変換フィルム。
(3) 溝部が、上部薄膜電極と上部保護層、および、下部薄膜電極と下部保護層の少なくとも一方の、面方向の外周部の全周に形成されている(1)または(2)に記載の電気音響変換フィルム。
(4) 溝部の幅d2が、圧電体層の厚さd1以上である(1)〜(3)のいずれかに記載の電気音響変換フィルム。
(5) 溝部の幅d2、圧電体層の厚さd1、および、上部薄膜電極と下部薄膜電極との間に印加される電圧Vが、d2>V/3.5−d1を満たす(1)〜(4)のいずれかに記載の電気音響変換フィルム。
(6) 圧電体層の厚さd1が、5〜100μmである(1)〜(5)のいずれかに記載の電気音響変換フィルム。
(7) 溝部に充填された絶縁性の充填部を有する(1)〜(6)のいずれかに記載の電気音響変換フィルム。
(8) 圧電体層が、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である(1)〜(7)のいずれかに記載の電気音響変換フィルム。
(9) 高分子材料の動的粘弾性測定による周波数1Hzでの損失正接Tanδが0.5以上となる極大値が0〜50℃の温度範囲に存在する(8)に記載の電気音響変換フィルム。
(10) 高分子材料が、シアノエチル基を有するものである(8)または(9)に記載の電気音響変換フィルム。
(11) 高分子材料が、シアノエチル化ポリビニルアルコールである(8)〜(10)のいずれかに記載の電気音響変換フィルム。
(12) 電界の状態に応じて伸縮する圧電体層と、圧電体層の一方の主面に形成された上部薄膜電極と、圧電体層の他方の主面に形成された下部薄膜電極と、上部薄膜電極の上に形成された上部保護層と、下部薄膜電極の上に形成された下部保護層とを有する積層体を準備する準備工程と、
積層体の、上部薄膜電極と上部保護層、および、下部薄膜電極と下部保護層の少なくとも一方の、面方向の外周部の少なくとも一部に、薄膜電極と保護層とを貫通する溝部を形成する溝形成工程とを有する電気音響変換フィルムの製造方法。
(13) 溝形成工程の後に、圧電体層を加熱してエージング処理を行う加熱工程を有する(12)に記載の電気音響変換フィルムの製造方法。
(14) 溝形成工程は、刃物による加工またはレーザ加工により溝部を形成する(12)または(13)に記載の電気音響変換フィルムの製造方法。
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1(A)および図1(B)に示す電気音響変換フィルム10(以下、変換フィルム10ともいう)は、基本的に、電界の状態に応じて伸縮する圧電体層12と、圧電体層12の一面に設けられる下部薄膜電極14および他面に設けられる上部薄膜電極16と、下部薄膜電極14の表面に設けられる下部保護層18および上部薄膜電極16の表面に設けられる上部保護層20と、を有して構成される。
図1(A)に示す変換フィルム10では、溝部Mは、上部薄膜電極16と上部保護層20とを貫通し、圧電体層12の一部まで形成されている。また、図1(B)に示すように、溝部Mは、変換フィルム10の外周部の全周に連続して形成されている。
これらの点については後に詳述する。
図1(A)に示す変換フィルム10の圧電体層12は、高分子材料からなるマトリックス24中に、圧電体粒子26を分散した高分子複合圧電体である。
また、好ましくは、圧電体層12は、分極処理されている。
また、圧電体層12中の圧電体粒子26は、粘弾性マトリックス24中に、規則性を持って分散されていても、不規則に分散されていてもよい。
本発明の変換フィルム10は、フレキシブルディスプレイ用のスピーカなど、フレキシブル性を有するスピーカ等に好適に用いられる。ここで、フレキシブル性を有するスピーカに用いられる高分子複合圧電体(圧電体層12)は、次の用件を具備したものであるのが好ましい。従って、以下の要件を具備する材料として、常温で粘弾性を有する高分子材料を用いるのが好ましい。
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。
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、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、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。
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。
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。
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の厚さは5〜100μmが好ましく、5〜50μmがより好ましく、5〜30μmが特に好ましい。
圧電体層12の厚さを、上記範囲とすることにより、剛性の確保と適度な柔軟性との両立等の点で好ましい結果を得ることができる。
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、一軸延伸されたPVDFは、その圧電特性に面内異方性があるのに対し、高分子複合圧電体は面内異方性がないため、PVDFと比較してより好適に伸縮運動を前後運動に変換することができ、十分な音量と音質を得ることができる点で好ましい。
変換フィルム10において、下部保護層18および上部保護層20は、高分子複合圧電体に適度な剛性と機械的強度を付与する役目を担っている。すなわち、本発明の変換フィルム10において、マトリックス24と圧電体粒子26とからなる高分子複合圧電体(圧電体層12)は、ゆっくりとした曲げ変形に対しては、非常に優れた可撓性を示す一方で、用途によっては、剛性や機械的強度が不足する場合がある。変換フィルム10は、それを補うために下部保護層18および上部保護層20が設けられる。
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、保護層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、保護層は、薄いほど有利である。
例えば、圧電体層12の厚さが50μmで下部保護層18および上部保護層20がPETからなる場合、下部保護層18および上部保護層20の厚さはそれぞれ、100μm以下が好ましく、50μm以下がより好ましく、中でも25μm以下とするのが好ましい。
下部薄膜電極14および上部薄膜電極16は、変換フィルム10に電圧を印加するために設けられる。
なお、下部薄膜電極14および上部薄膜電極16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、下部薄膜電極14および上部薄膜電極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。
薄膜電極の厚さには、特に、限定は無い。また、薄膜電極の厚さは、基本的に同じであるが、異なってもよい。
例えば、保護層がPET(ヤング率:約6.2GPa)で、薄膜電極が銅(ヤング率:約130GPa)からなる組み合わせの場合、保護層の厚さが25μmだとすると、薄膜電極の厚さは、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。
このような本発明の変換フィルム10は、動的粘弾性測定による周波数1Hzでの損失正接(Tanδ)が0.5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、以下の説明では、溝部Mの内側の領域の薄膜電極および保護層を、内側の薄膜電極および保護層といい、溝部Mの外側の領域の薄膜電極および保護層を、外側の薄膜電極および保護層という。また、外側の薄膜電極を、浮遊電極ともいう。
上下の薄膜電極間の距離を長くするために、薄膜電極の大きさを圧電体層よりも小さくすることが考えられる。しかしながら、このような構成では、外周部の強度が低下するおそれがあり、また、圧電体層の材料は人体に有害な場合があるため、端部を絶縁シート等で覆う必要がある。そのため、端部に絶縁シートを貼る工程が必要になり製造効率が悪くなるという問題があった。
また、圧電体層が溝部Mの底部で露出する構成となるので、すなわち、凹状に形成された部位の底面で圧電体層が露出するのみであるので、ユーザーが圧電体層に容易に接触するのを抑制できる。
また、このような溝部Mは、刃物による加工やレーザ加工により容易に形成することができるので、生産性を高くできる。
溝部Mを圧電体層12の一部まで形成する場合の、圧電体層12における溝部Mの深さd4(図2参照)は、変換フィルムの強度確保する観点から、圧電体層12の厚さの80%以下が好ましく、圧電体層12の厚さの50%以下がより好ましい。
図3(A)および図3(B)は、変換フィルムの端部の概略断面図である。
後に詳述するが、薄膜電極は、保護層上に真空蒸着等により形成され、その後、圧電体層12に貼り付けられる。その際、薄膜電極のエッジ部に存在するバリFが圧電体層12に食い込み、上下の薄膜電極同士が電気的に接続されてしまう場合がある(図3(A)参照)。上下の薄膜電極同士が電気的に接続されてしまうと、電流がリークしてしまい、振動(音)と電圧の変換をすることができなくなってしまうおそれがある。
これに対して、本発明の変換フィルムでは、面方向の外周部の少なくとも一部に、薄膜電極と保護層とを貫通して形成された溝部Mを有するので、図3(B)に示すように、エッジに存在するバリFが浮遊電極16bと共に内側の薄膜電極16aと分離されるので、上下の薄膜電極同士が電気的に接続されるのを防止できる。
例えば、保護層の一部を除去して孔部を形成して、この孔部に銀ペースト等の導電材料を挿入して導電材料と薄膜電極とを電気的に導通して、電極引出し部34とすればよい。
この電極引出し部34(導電材料)に配線36等を接続することで、容易に、薄膜電極と外部の装置等を電気的に導通できる。
従って、例えば、保護層の一部を除去して凹部を形成することで、保護層の一部を薄くした部分(以下、薄層部という)を形成して、この薄層部に銀ペースト等の導電材料を挿入し、導電材料を押圧することで保護層を破断して、導電材料と薄膜電極とを電気的に導通して、電極引出し部34を形成するのが好ましい。これにより、薄膜電極は全面的に保護層に覆われているので、酸化等によって薄膜電極が劣化することがなく、保管時の耐久性にも優れる。
薄層部の厚さを、上記範囲とすることにより、薄層部における保護層による薄膜電極の保護効果を確保することができ、薄膜電極の酸化、損傷等を防止できる、導電材料による薄層部の破断を確実に行うことが可能になる等の点で好ましい。
さらに、薄層部の面方向の形状も、特に限定はなく、円形、三角形、四角形などの角形、楕円形、不定形など、各種の形状が利用可能である。
一例として、炭酸ガスレーザによる波長10.6μmのレーザ光などのレーザ光によって焼き飛ばす(アブレーション)ことによって保護層を除去して、薄層部を形成する方法が例示される。例えば、保護層における薄層部の形成位置をレーザ光で走査することにより、保護層の所望の位置に薄層部を形成すればよい。この際においては、レーザ光の強度や走査速度(すなわちレーザ光による処理時間)等を調節することで、所望の厚さの薄層部を形成できる。
また、有機溶剤を用いて保護層を溶解することで、薄層部を形成する方法も利用可能である。例えば、保護層がPETであれば、ヘキサフルオロイソプパノール等を用いて、薄層部を形成できる。溶剤を用いる場合には、フォトリソグラフィ等におけるエッチングと同様に、マスク等を用いることにより、所望の位置に薄層部を形成すればよい。この際においては、処理時間や有機溶剤の濃度を調節することで、所望の厚さの薄層部を形成できる。
さらに、研削による穿孔など、機械的な方法で薄層部を形成してもよい。この際においては、処理強度等を調節することで、所望の厚さの薄層部を形成できる。
あるいは、目的とする薄層部の厚さと同じ厚さのシート状物を用意して、このシート状物に、薄層部となる貫通孔を有するシート状物を積層して接着することで、薄層部を有する保護層を作製する方法も、利用可能である。
例えば、図4(A)に示すように、矩形状であってもよく、あるいは、図4(B)に示すように、矩形状と深さ方向の先端が細くなる三角形状とを組み合わせた形状であってもよい。
なお、溝部Mの断面形状は、SEM(走査型電子顕微鏡)により断面写真を撮影して、観察することができる。
具体的には、例えば、一方の対向する1組の端辺側には、上部薄膜電極16と上部保護層20側に、これらの端辺に平行な方向に延在する溝部Mを設け、他方の対向する1組の端辺側には、下部薄膜電極14と下部保護層18側に、これらの端辺に平行な方向に延在する溝部Mを設ける構成としてもよい。すなわち、図1(B)のように変換フィルム10を上面から見た際に、左右の端辺側には、上部薄膜電極16と上部保護層20側に溝部Mを設けて、上下の端辺側には、下部薄膜電極14と下部保護層18側に溝部Mを設ける構成としてもよい。
図5(A)に、本発明の電気音響変換フィルムの他の一例の概略上面図を示し、図5(B)に、図5(A)のB−B線断面図を示す。
図5(A)および図5(B)に示す変換フィルム100は、上部薄膜電極16および上部保護層20の図5(A)中の上下方向の長さが、圧電体層12の長さよりも短く形成されている。従って、図5(B)に示すように、圧電体層12と上部薄膜電極16とで段差となるように積層されて、上部薄膜電極16の端部が圧電体層12の側面よりも内側に配置される。
なお、図示は省略するが、圧電体層12と上部薄膜電極16との段差部分、すなわち、圧電体層12の露出した部分は、絶縁シート等で覆われるのが好ましい。
また、上部薄膜電極16および上部保護層20の図5(A)中左右方向の両端辺側に各端辺に平行な方向に延在する溝部Mが設けられている。
図6に、本発明の電気音響変換フィルムの他の一例の概略断面図を示す。
図6に示す変換フィルム110は、溝部M内に充填部22を有する以外は、図1(A)に示す変換フィルム10と同じ構成を有するので、同じ部位には同じ符号を付し、以下の説明では異なる部位を主に行う。
充填部22は、絶縁性を有する材料からなり、内側の上部薄膜電極16aと浮遊電極16bとが電気的に接続されるのを防止する。
このような充填部22を有することにより、外周部の強度低下を抑制することができる。また、圧電体層12が露出するのを防止して安全性がより高くなる。
具体的には、ポリエチレン(PE)、ポリエチルテレフタレート(PET)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリプロピレン(PP)、ポリスチレン(PS)、ポリカーボネート(PC)、ポリフェニレンサルファイト(PPS)、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、ポリエーテルイミド(PEI)、ポリイミド(PI)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、トリアセチルセルロース(TAC)、ポリアミド(PA、アラミド)等が挙げられる。
本発明の電気音響変換フィルムの製造方法は、
電界の状態に応じて伸縮する圧電体層と、圧電体層の一方の主面に形成された上部薄膜電極と、圧電体層の他方の主面に形成された下部薄膜電極と、上部薄膜電極の上に形成された上部保護層と、下部薄膜電極の上に形成された下部保護層とを有する積層体を準備する準備工程と、
積層体の、上部薄膜電極と上部保護層、および、下部薄膜電極と下部保護層の少なくとも一方の、面方向の外周部の少なくとも一部に、薄膜電極と保護層とを貫通する溝部を形成する溝形成工程とを有する、製造方法である。
まず、図7(A)に示すように、下部保護層18の上に下部薄膜電極14が形成されたシート状物10aを準備する。
このシート状物10aは、下部保護層18の表面に、真空蒸着、スパッタリング、めっき等によって下部薄膜電極14として銅薄膜等を形成して、作製すればよい。
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25〜100μm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10aとして利用してもよい。
なお、有機溶媒としては特に限定はなく、各種の有機溶媒が利用可能である。
前述のシート状物10aを準備し、かつ、塗料を調製したら、この塗料をシート状物10a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7(B)に示すように、下部保護層18の上に下部薄膜電極14を有し、下部薄膜電極14の上に圧電体層12を形成してなる積層体10bを作製する。
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。
下部保護層18の上に下部薄膜電極14を有し、下部薄膜電極14の上に圧電体層12を形成してなる積層体10b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10b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10bを移動させる移動機構を設け、この積層体10bを移動させて分極処理をしてもよい。この積層体10b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、上部薄膜電極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、後述する熱圧着工程がスムーズに行える。
次いで、図7(E)に示すように、上部薄膜電極16を圧電体層12に向けて、シート状物10cを、圧電体層12の分極処理を終了した積層体10bに積層する。
さらに、この積層体10bとシート状物10c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、図8(A)に示すような積層体10dを作製する。この積層体10dが準備工程で準備する積層体である。
図8(A)に示すような、準備工程で準備した積層体10dに対して、上部薄膜電極16と上部保護層20、および、下部薄膜電極14と下部保護層18の少なくとも一方の、面方向の外周部の少なくとも一部の所定の位置に、薄膜電極と保護層とを貫通する溝部Mを形成することで、図8(B)に示すような本発明の変換フィルム10を作製する。
例えば、保護層における溝部Mの形成位置をレーザ光で走査することにより、保護層および薄膜電極の所望の位置に溝部Mを形成すればよい。この際においては、レーザ光の強度や走査速度(すなわちレーザ光による処理時間)等を調節することで、所望の深さ、幅の溝部Mを形成できる。
また、機械加工で溝部Mを形成する場合には、刃物の形状や大きさ、処理強度等を調節することで、所望の深さ、幅の溝部Mを形成できる。
加熱工程は、本発明の製造方法において、好ましい態様として含まれる工程である。
加熱工程は、溝形成工程の後に、前記圧電体層を加熱して、圧電体層のマトリックス24を流動させることで、溝部Mの圧電体層の厚さを均一化するものである。本発明において、圧電体層のマトリックス24を流動させて、厚さを均一化することをエージング処理という。
これに対して、溝形成工程の後に、加熱工程を行い、圧電体層のエージング処理を行うことで、溝形成工程で除去された部分にマトリックス24が流動して、溝部Mにおける圧電体層12を補修することができる。従って、図8(C)に示すように、溝部Mにおける圧電体層12の厚さを他の部分と同等に、あるいは、少なくとも、溝形成工程後の厚さよりも厚くすることができる。
これにより、外周部における強度低下を抑制することができる。
また、加熱温度にも特に限定はなく、圧電体層12の材料、保護層や薄膜電極の耐熱性、溝形成工程で形成される溝部Mの幅、深さ等に応じて適宜設定すればよく、30〜160℃が好ましく、50〜140℃が好ましい。
図9(B)は、本発明の変換フィルムを用いる電気音響変換器の一例を示す上面図であり、図9(A)は、図9(B)のa−a線断面図である。
図9(A)および図9(B)に示す電気音響変換器40は、前述の本発明の変換フィルム10を電気信号を振動エネルギーに変換するスピーカ用振動板として用いる、平板型の圧電スピーカである。
なお、圧電スピーカ40は、マイクロフォンやセンサーとして使用することも可能である。
ケース42は、プラスチック等で形成される、一面が開放する薄い正四角筒状の筐体である。なお、本発明の変換フィルムを利用する圧電スピーカにおいて、ケース42(すなわち圧電スピーカ)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。
また、枠体48は、中央に開口部を有する、ケース42の上端面(開放面側)と同様の形状を有する板材である。
さらに、粘弾性支持体46は、適度な粘性と弾性を有し、変換フィルム10を支持すると共に、変換フィルムのどの場所でも一定の機械的バイアスを与えることによって、変換フィルムの伸縮運動を無駄なく前後運動(フィルムの面に垂直な方向の運動)に変換させるためのものである。一例として、羊毛のフェルト、レーヨンやPETを含んだ羊毛のフェルトなどの不織布、グラスウール、或いはポリウレタンなどの発泡材料(発泡プラスチック)、紙を複数枚重ねたもの、塗料等が例示される。
図示例において、粘弾性支持体46は、ケース42の底面よりも、若干、大きい底面形状を有する四角柱状である。
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への枠体の固定方法には、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、圧電スピーカ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10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10の主面が湾曲した状態で保持される。
また、この際においては、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。
圧電スピーカ40に組み込んだ変換フィルム10の高低差、図示例では、枠体48の底面に対して最も近い所と最も遠い所との距離にも、特に限定はないが、薄型の平面スピーカが得られる、変換フィルム10の十分な上下運動が可能になる等の点で、1〜50mm、特に5〜20mm程度とするのが好ましい。
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、1〜100mm、特に10〜50mmであるのが好ましい。
逆に、圧電体層12への電圧印加によって、変換フィルム10が面内方向に収縮すると、この収縮分を吸収するために、変換フィルム10は、下方(ケース42側)に移動する。
圧電スピーカ40は、この変換フィルム10の伸縮の繰り返しによる振動によって、音を発生する。
すなわち、本発明の変換フィルム10を利用する電気音響変換器は、枠体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、ケース42と変換フィルム10との間には、Oリング等を介在させてもよい。このような構成を有することにより、ダンパ効果を持たせることができ、変換フィルム10の振動がケース42に伝達されることを防止して、より優れた音響特性を得ることができる。
すなわち、剛性を有する支持板の上に粘弾性支持体46を載置し、粘弾性支持体46を覆って変換フィルム10を載せ、先と同様の枠体48を変換フィルム10の周辺部に載置して、ビス等によって枠体48を支持板に固定することにより、枠体48と一緒に変換フィルム10で粘弾性支持体46を押圧して、変換フィルム10を湾曲させる構成も、利用可能である。
また、このようなケース42を有さない構成でも、枠体48を用いずに、ビス等によって粘弾性支持体46を押圧して薄くした状態として、変換フィルム10を保持してもよい。
なお、支持板の材質として、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、変換フィルム10の振動を更に増幅する構成としてもよい。
あるいは、変換フィルム10に樹脂フィルムを貼り付けて張力を付与する(保持する)構成としてもよい。樹脂フィルムで保持する構成とし、湾曲させた状態で保持できるようにすることでフレキシブルなスピーカとすることができる。
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。
例えば、ケースとして、ケース42と同様の形状で気密性を有する物を用い、ケースの開放端を変換フィルム10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10に圧力を掛けて、凸状に膨らました状態で、保持する構成としてもよい。
また、ケース内に充填するのは気体以外でも良く、磁性流体や塗料でも適度な粘性を付与できれば使用可能である。
また、粘弾性支持体を利用する構成と内部に圧力をかける構成とを組み合わせてもよい。
このような構成により、変換フィルムの意匠性や娯楽性を向上できる。また、スピーカとしての変換フィルムと、スクリーンやディスプレイとを一体化することにより、画像が表示される方向から音を再生することができ、臨場感を向上させることができる。
また、プロジェクター用スクリーンは、フレキシブルであるので曲率を持たせることができる。画像表示面に曲率を持たせることで、観察者から画面までの距離を、画面の中央と端部とで略一様にすることができ、臨場感を向上させることができる。
なお、このように画像表示面に曲率を持たせた場合には、投射した画像に歪みが生じる。従って、画像表示面の曲率に合わせて歪みを低減するように、投射する画像のデータに画像処理を施すのが好ましい。
そのため、本発明の変換フィルム10は、これを利用して、マイクロフォンや楽器用センサー(ピックアップ)にも、好適に利用可能である。例えば、本発明の変換フィルム10は可撓性を有するので、複雑な曲面を有する、人の咽喉部に貼り付けることが可能であり、声帯付近に貼り付けるだけで、声帯マイクロフォンとして作用する。
前述の図7(A)〜図7(E)および図8(A)〜図8(B)に示す方法によって、図1(A)および図1(B)に示す本発明の変換フィルム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 信越化学工業株式会社製)をジメチルホルムアミド(DMF)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・・・・・・・・・・・300質量部
・シアノエチル化PVA・・・・・・・30質量部
・DMF・・・・・・・・・・・・・・70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10aの上に塗料を塗布した物を、120℃のホットプレート上で加熱乾燥することでDMFを蒸発させた。これにより、PET製の下部保護層18の上に銅製の下部薄膜電極14を有し、その上に、厚さd1が40μmの圧電体層12(圧電層)を形成してなる積層体10bを作製した。
次いで、積層体10bとシート状物10c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と下部薄膜電極14および上部薄膜電極16とを接着して、積層体10dを作製した。
溝部Mの形成方法は、グラフテック社製カッティングプロッターFC4200-60を用い、カッターによるカット加工とした。
また、溝部Mの幅d2は20μmとし、端辺から溝部Mまでの距離d3は5mmとし、圧電体層12における溝部Mの深さd4は5μmとした。
電極引出し部34は、保護層の一部を除去して薄層部を形成し、この薄層部に導電材料として銀ペーストを挿入し、押圧することで保護層を破断して、導電材料と薄膜電極とを電気的に導通して、形成した。
圧電体層12の厚さd1および溝部Mの幅d2を下記表1に示す条件にそれぞれ変更した以外は、実施例1と同様にして変換フィルム10を作製した。なお、実施例21〜25に関しては端辺から溝部Mまでの距離D3は5mmとし、圧電体層12における溝部Mの深さd4は3μmとした。
圧電体層の厚さd1を下記表1に示す条件にそれぞれ変更し、溝部Mを形成しない以外は、実施例1と同様にして変換フィルム10を作製した。
溝部Mに充填された充填部22を有する構成とした以外は、実施例2と同様にして、変換フィルムを作製した。
なお、充填部22の材料はポリエチレンとし、溝部Mにポリエチレンを充填し、サンプル表面温度が110℃となるようにオーブン内にて30分間加熱して充填部22を形成した。
圧電体層として、圧電体粒子を含まないPVDFを用いた以外は、実施例2と同様にして変換フィルム10を作製した。
なお、PVDFからなる圧電体層の塗料として、下記の組成比のPVDFとMEKを含む塗料を調製した以外は、実施例1と同様の方法で圧電体層を形成した。
・PVDF・・・・・・・・・・・・・100質量部
・MEK・・・・・・・・・・・・・・300質量部
溝部Mを形成しない以外は、実施例14と同様にして変換フィルム10を作製した。
〔動作確認〕
作製した変換フィルムで音が鳴るか否かを評価した。
まず、作製した変換フィルムから、φ150mmの円形試験片を作製した。この試験片を、内径138mm、深さ9mmのプラスチック製の丸形のケースの開口面を覆うように固定して、ケース内部の圧力を、1.02気圧に維持した。これにより、変換フィルムをコンタクトレンズのように凸型に撓ませて圧電スピーカとした。
このような圧電スピーカを各10個作製し、各圧電スピーカに1kHz、実効電圧5.0Vの正弦波交流電圧を印加して、音が鳴るか否かを評価した。
音が鳴ったものが9個以上の場合をAとし、8個以下の場合をBとした。
音が鳴らなかった変換フィルムは、薄膜電極のエッジ部に存在するバリFが圧電体層12に食い込み、上下の薄膜電極同士が電気的に接続されてしまったものと考えられる。
上記動作確認で音が鳴ることを確認された圧電スピーカを用いて、変換フィルムの絶縁破壊電圧を測定した。
圧電スピーカに組み込んだ変換フィルムの上部薄膜電極16および下部薄膜電極14に交流電圧を印加していき、音が鳴らなくなった時点の電圧(ピークピーク値)を絶縁破壊電圧として測定した。周波数は1kHzとした。
評価の結果を表1に示す。
また、比較例1〜6では、動作確認において、音が鳴らない場合があることがわかった。これは、薄膜電極のエッジ部に存在するバリが圧電体層に食い込み、上下の薄膜電極同士が電気的に接続されてしまったものと考えられる。これに対して実施例1〜28はいずれも確実に動作した。これは、薄膜電極のエッジ部にバリが存在しても、溝部Mを形成することにより、上下の薄膜電極同士が電気的に接続されるのを防止できるためである。
また、実施例1と実施例2〜5との対比、実施例6と実施例7〜10との対比、実施例11と実施例12〜16との対比、実施例17と実施例18〜20との対比、実施例21と実施例22〜25との対比から、溝部Mの幅d2は、圧電体層12の厚さd1以上であるのが好ましく、d1の2倍以上であるのがより好ましく、100μm以上が特に好ましいことがわかる。
また、実施例28および比較例6から、本発明は、圧電体層12がPVDFからなる場合でも有効であることがわかる。
以上の結果より、本発明の効果は、明らかである。
12 圧電体層
14 下部薄膜電極
16 上部薄膜電極
16a 内側の上部薄膜電極
16b 外側の上部薄膜電極(浮遊電極)
18 下部保護層
20 上部保護層
24 マトリックス
26 圧電体粒子
30 コロナ電極
32 直流電源
34 電極引出し部
36 配線
40 圧電スピーカ
42 ケース
46 粘弾性支持体
48 枠体
M 溝部
Claims (14)
- 電界の状態に応じて伸縮する圧電体層と、
前記圧電体層の一方の主面に形成された上部薄膜電極と、
前記圧電体層の他方の主面に形成された下部薄膜電極と、
前記上部薄膜電極の上に形成された上部保護層と、
前記下部薄膜電極の上に形成された下部保護層とを有し、
前記上部薄膜電極と前記上部保護層、および、前記下部薄膜電極と前記下部保護層の少なくとも一方の、面方向の外周部の少なくとも一部に、前記薄膜電極と前記保護層とを貫通する溝部が形成されていることを特徴とする電気音響変換フィルム。 - 前記溝部が、前記圧電体層の一部まで形成されている請求項1に記載の電気音響変換フィルム。
- 前記溝部が、前記上部薄膜電極と前記上部保護層、および、前記下部薄膜電極と前記下部保護層の少なくとも一方の、面方向の外周部の全周に形成されている請求項1または2に記載の電気音響変換フィルム。
- 前記溝部の幅d2が、前記圧電体層の厚さd1以上である請求項1〜3のいずれか1項に記載の電気音響変換フィルム。
- 前記溝部の幅d2、前記圧電体層の厚さd1、および、前記上部薄膜電極と前記下部薄膜電極との間に印加される電圧Vが、d2>V/3.5−d1を満たす請求項1〜4のいずれか1項に記載の電気音響変換フィルム。
- 前記圧電体層の厚さd1が、5〜100μmである請求項1〜5のいずれか1項に記載の電気音響変換フィルム。
- 前記溝部に充填された絶縁性の充填部を有する請求項1〜6のいずれか1項に記載の電気音響変換フィルム。
- 前記圧電体層が、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である請求項1〜7のいずれか1項に記載の電気音響変換フィルム。
- 前記高分子材料の動的粘弾性測定による周波数1Hzでの損失正接Tanδが0.5以上となる極大値が0〜50℃の温度範囲に存在する請求項8に記載の電気音響変換フィルム。
- 前記高分子材料が、シアノエチル基を有するものである請求項8または9に記載の電気音響変換フィルム。
- 前記高分子材料が、シアノエチル化ポリビニルアルコールである請求項8〜10のいずれか1項に記載の電気音響変換フィルム。
- 電界の状態に応じて伸縮する圧電体層と、前記圧電体層の一方の主面に形成された上部薄膜電極と、前記圧電体層の他方の主面に形成された下部薄膜電極と、前記上部薄膜電極の上に形成された上部保護層と、前記下部薄膜電極の上に形成された下部保護層とを有する積層体を準備する準備工程と、
前記積層体の、上部薄膜電極と前記上部保護層、および、前記下部薄膜電極と前記下部保護層の少なくとも一方の、面方向の外周部の少なくとも一部に、前記薄膜電極と前記保護層とを貫通する溝部を形成する溝形成工程とを有することを特徴とする電気音響変換フィルムの製造方法。 - 前記溝形成工程の後に、前記圧電体層を加熱してエージング処理を行う加熱工程を有する請求項12に記載の電気音響変換フィルムの製造方法。
- 前記溝形成工程は、刃物による加工またはレーザ加工により溝部を形成する請求項12または13に記載の電気音響変換フィルムの製造方法。
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