JP6216885B2 - 電気音響変換フィルムおよびデジタルスピーカ - Google Patents
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Description
このD/A変換を行うためには、入力されるパルスの標本値の全てに対応した音響出力の値を持つことが必要である。具体的には、最大Nビットのパルスを持つ信号系に対してはスピーカとして2N-1までの出力の重み付けが必要となる。例えば、8ビット信号系であれば、最小値20(=1)から最大値27(=128)まで、重み付けした出力変化が必要となる。
『マルチユニット方式』とは、各ビットに対応した重み付けを持ったユニットを計n個用いて空間で音響合成させるものである。他方、『マルチボイスコイル方式』とは、ボイスコイル実行巻線長Ωにおいて重み付けを行うものである。
ところが、『マルチユニット方式』では、ビット数が増えるにしたがい、膨大な数の動電型スピーカが必要になる等の問題が有る。また、『マルチボイスコイル方式』では、ビット数が増えるにしたがい、占積率の低下に伴って磁気エネルギーの損失が大きくなる等の課題がある。
また、非特許文献1には、高分子圧電材料の表面に蒸看された電極面積が中心から外に向って2倍ずつ増えるよう同心円状に7分割してなるデジタルスピーカが示されている。
しかしながら、非特許文献1に記載されるデジタルスピーカで用いている一軸延伸PVDF(ポリフッ化ビニリデン)に代表される高分子圧電材料は、材料自身の損失正接(Tanδ)が約0.02と小さいため、パルス駆動とすると残響が発生し易く、また、各セグメント間でのクロストークも発生し易いためノイズが増大するといった問題があった。なお、各セグメント間とは、言い換えれば、分割された各電極間である。
さらに、一軸延伸PVDFの場合、圧電特性に面内異方性があるため、例えば同心円状にセグメント化したとしても、同心円状に振動することはできないため、やはり良好な音質のデジタルスピーカは得られなかった。
この電気音響変換フィルムは、弾性率に大きな周波数分散を有しており、オーディオ帯域(100Hz〜10kHz)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舞うことが可能である。さらに、この電気音響変換フィルムは、20kHz以下の全ての周波数の振動に対して適度に大きい損失正接を有しており、オーディオ帯域における損失正接は0.09〜0.35と非常に大きいことが特長である。
すなわち、本発明の電気音響変換フィルムは、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と、高分子複合圧電体の両面に設けられる薄膜電極とを有し、
かつ、薄膜電極の少なくとも一方は、面積が等しい複数の領域に分割されており、さらに、各領域は、並列PCMデジタル信号の各ビット桁の重み対応して並列結合されてグループ化されていることを特徴とする電気音響変換フィルムを提供する。
また、複数の領域が一方向に配列されるように、薄膜電極の分割が行われ、配列方向の中心から、順次、配列方向の両外側に向かうように、グループ化が行われるのが好ましい。
また、電極の複数に分割された領域は、中心から放射状に均等な角度で分割された複数の領域であるのが好ましい。
また、電極の分割は、中心を通過する直線によって行われ、中心に対して点対称となる2個の小領域を領域とするのが好ましい。
また、薄膜電極の両面に形成された保護層を有するのが好ましい。
また、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のが好ましい。
また、電気音響変換フィルムの動的粘弾性測定による周波数1Hzでの貯蔵弾性率(E’)が、0℃において10〜30GPa、50℃において1〜10GPaであるのが好ましい。
また、高分子材料の周波数1Hzでのガラス転移温度が0〜50℃であるのが好ましい。
また、高分子材料がシアノエチル基を有するのが好ましい。
さらに、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のが好ましい。
また、本発明の電気音響変換フィルムによれば、フレキシブルなデジタルスピーカが可能であり、しかも、曲げた場合も、曲率や曲げる方向による音質の変化も少ない。
なお、図1(A)は上面図で、図1(B)は図1(A)のb−b線断面図である。また、変換フィルムの構成を明確に示すために、図1(A)においては上部保護層20を省略し、また、図1(B)においては、一部のハッチングを省略している。
下部薄膜電極14は、圧電体層12の一面に形成され、上部薄膜電極16は、圧電体層12の下部薄膜電極14と逆面に形成される。さらに、下部薄膜電極14の上(表面)には下部保護層18が形成され、上部薄膜電極16の上には上部保護層20が形成される。
さらに、上部電極16は、各領域を並列結合することで、領域をグループ化している。具体的には、領域16dは他の領域と並列結合せずに1個でグループ化し、領域16cおよび領域16eを並列結合することでグループ化し、領域16a、領域16b、領域16fおよび領域16gを並列結合することでグループ化している。この点に関しては、後に詳述する。
なお、下部薄膜電極14および上部薄膜電極16への配線の接続は、薄膜電極に駆動用の配線を接続する公知の方法によればよい。また、駆動用のアンプも、デジタルスピーカに利用されるPCMデジタル信号を再生するための公知のアンプが、各種、利用可能である。
本発明において、圧電体層12すなわち高分子複合圧電体は、図1(b)に示すように、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24中に、圧電体粒子26を分散したものである。また、後述するが、好ましくは、圧電体層12は、分極処理されている。
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。
(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。
圧電体粒子26は、公知の圧電体からなる粒子が、各種、利用可能であるが、ペロブスカイト型あるいはウルツ鉱型の結晶構造を有するセラミックス粒子からなるものが好ましく例示される。
圧電体粒子26を構成するセラミックス粒子としては、具体的には、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)等が好適に例示される。
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。
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の厚さは、10μm〜300μmが好ましく、20〜200μmがより好ましく、特に、30〜100μmが好ましい。
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。
すなわち、変換フィルム10は、圧電体層12を下部薄膜電極14および上部薄膜電極16で挟持し、この積層体を下部保護層18および上部保護層20で挟持してなる構成を有する。
以下、グループ化された領域をセグメントとも言う。また、領域16dのみのグループを第1セグメント、領域16cおよび領域16eのグループを第2セグメント、領域16a、領域16b、領域16fおよび領域16gのグループを第3セグメントとも言う。
従って、第1セグメント、第2セグメントおよび第3セグメントを構成する各領域に、個々に駆動電力を供給することで、対応する領域の圧電体層12を個々に駆動して音声を出力できる。
さらに、圧電体層12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24中に圧電体粒子26を分散してなるものである。そのため、上部電極16の各セグメントはパルス駆動しても残響が少なく、各セグメントの振動が互いに干渉するクロストークも少ない。この点に関しては後に詳述する。
しかしながら、本発明の変換フィルムでは、下部電極14も、上部電極16の各領域もしくは各セグメントに対応して分割されていてもよい。あるいは、下部電極14は、2個のセグメントに共通な電極と、1個のセグメントに対応する電極となどに分割されてもよい。
また、上部電極は円形で下部電極は矩形等、上部電極と下部電極の平面形状は、異なっていてもよい。
以上の点に関しては、後述する図5(A)および図6(A)等に示す各変換フィルムでも、同様である。
本発明の変換フィルム10において、粘弾性マトリックス24と圧電体粒子26とからなる圧電体層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。その反面、圧電体層12は、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、合成や機械的強度を補うために、好ましい態様として、下部保護層18および上部保護層20が設けられる。
一例として、各種の樹脂フィルム(プラスチックフィルム)が好適に例示される。中でも、優れた機械的特性および耐熱性を有する等の理由により、ポリエチレンテレフタレート(PET)、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)、および、環状オレフィン系樹脂が好適に利用される。
ここで、下部保護層18および上部保護層20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、下部保護層18および上部保護層20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、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。
下部電極14および上部電極16は、圧電体層12に電界を印加して、上部電極16の各セグメントに対応する領域の圧電体層12を伸縮させて、音声を出力させるために設けられる。
下部電極14および上部電極16の厚さには、特に、限定は無い。また、下部電極14および上部電極16の厚さは、基本的に同じであるが、異なってもよい。
例えば、下部保護層18および上部保護層20がPET(ヤング率:約6.2GPa)で、下部電極14および上部電極16が銅(ヤング率:約130GPa)からなる組み合わせの場合、下部保護層18および上部保護層20の厚さが25μmだとすると、下部電極14および上部電極16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。
また、各領域の間には、必要に応じて、絶縁層を設けても良い。
ここで、上部電極16で分割される領域の数は、並列PCMデジタル信号の最大ビット数Nに応じて2N−1個となり、セグメントの数は最大ビット数Nに応じたN個となる。
また、各セグメントを構成する領域の数は、並列PCMデジタル信号の各ビット桁の重みに対応して、2n倍ずつ、増加する(重み付けされる)。なお、2n倍とは、2のn乗倍であり、nは、1ずつ増加する、0を含む自然数である。
従って、最大のセグメントは、変換フィルムの最大ビット数Nに応じて、最小のセグメントに対して、領域の数を2N-1倍まで増加したセグメントとなる。言い換えれば、最大のセグメントは、変換フィルムの最大ビット数Nに応じて、最小のセグメントに対して、領域の数を2N-1倍まで重み付けを行ったセグメントとなる。
なお、各領域の面積は等しい。従って、並列PCMデジタル信号の各ビット桁の重みに比例した各セグメントの領域の数は、すなわち、並列PCMデジタル信号の各ビット桁の重みに比例した各セグメントの面積比となる。
すなわち、前述のように上部電極16は、面積が等しい領域16a〜領域16gの7個の領域に分割される。その上で、第1セグメントは、他と並列結合されない領域16dの1個(20個)の領域から構成される。また、第2セグメントは、並列結合された領域16cおよび領域16eの2個(21個)の領域から構成される。さらに、第3セグメントは、並列結合された領域16a、領域16b、領域16fおよび領域16gの4個(22個)の領域から構成される。
ここで、前述のように、各領域は、面積が等しいので、1個の領域からなる第1セグメントの面積を1とすると、2個の領域からなる第2セグメントの面積は2、4個の領域からなる第3セグメントの面積は4と、各セグメントの面積は、3ビット桁の並列PCMデジタル信号の各ビット桁の重みに比例した面積となる。
なお、図2(A)〜図2(H)においては、構成を明確に示すために、上部保護層20は省略し、かつ、図面を簡潔にするために、各領域間の間隙も省略する。
また、図2(A)〜図2(H)においては、駆動する領域すなわち駆動するセグメントに網を掛けている。
並列PCMデジタル信号が『1』の場合には、図2(B)に示すように、第1セグメントすなわち領域16dを駆動する(0+0+20=1)。
並列PCMデジタル信号が『2』の場合には、図2(C)に示すように、第2セグメントすなわち領域16cおよび領域16eを駆動する(0+21+0=2)。
並列PCMデジタル信号が『3』の場合には、図2(D)に示すように、第1セグメントすなわち領域16d、ならびに、第2セグメントすなわち領域16cおよび領域16eを駆動する(0+21+20=3)。
並列PCMデジタル信号が『4』の場合には、図2(E)に示すように、第3セグメントすなわち領域16a、領域16b、領域16fおよび領域16gを駆動する(22+0+0=4)。
並列PCMデジタル信号が『5』の場合には、図2(F)に示すように、第1セグメントすなわち領域16d、ならびに、第3セグメントすなわち領域16a、領域16b、領域16fおよび領域16gを駆動する(22+0+20=5)。
並列PCMデジタル信号が『6』の場合には、図2(G)に示すように、第2セグメントすなわち領域16cおよび領域16e、ならびに、第3セグメントすなわち領域16a、領域16b、領域16fおよび領域16gを駆動する(22+21+0=6)。
さらに、並列PCMデジタル信号が『7』の場合には、図2(H)に示すように、第1セグメントすなわち領域16d、第2セグメントすなわち領域16cおよび領域16e、ならびに、第3セグメントcなわち領域16a、領域16b、領域16fおよび領域16gの全て駆動する(22+21+20=7)。
これにより、3ビットの並列PCMデジタル信号に応じた、0〜7までの8階調の強度のD/A変換した音声出力が可能になる。
前述のように、この変換フィルム10は、弾性率に大きな周波数分散を有しており、常温において、オーディオ帯域(100Hz〜10kHz)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舞う。さらに、この変換フィルム10は、常温において、20kHz以下の全ての周波数の振動に対して適度に大きい損失正接を有しており、オーディオ帯域における損失正接は0.09〜0.35と非常に大きい。
さらに、変換フィルム10は、並列PCMデジタル信号のonに応じて即座に音声出力が立ち上がり、offに応じて直ちに音声出力が止まる。すなわち、変換フィルム10は残響が非常に少ない。
そのため、本発明の変換フィルム10(デジタルスピーカ)によれば、それぞれのセグメントで、好適に並列PCMデジタル信号を再生することができる。
さらに、本発明の変換フィルム10によれば、フレキシブルなデジタルスピーカが可能であり、しかも、曲げた場合も、曲率や曲げる方向による音質の変化も少ない。
マスターカーブとは、一定温度における粘弾性特性の周波数分散を示すものである。一般に、動的粘弾性測定結果における周波数と温度の間には、「時間−温度換算則」に基づく一定の関係がある。例えば、温度の変化を周波数の変化に換算し、一定温度における粘弾性特性の周波数分散を調べることができる。この時に作成されるカーブを、マスターカーブと呼ぶ。実際のオーディオ帯域、例えば1kHzでの粘弾性測定は現実的ではないため、オーディオ帯域における材料の貯蔵弾性率E’や損失正接Tanδを把握する上で、マスターカーブは有効である。
[動的粘弾性試験]
作製した変換フィルムから、1cm×4cmの短冊状試験片を作製した。
この試験片の動的粘弾性(貯蔵弾性率E’(GPa)および損失正接Tanδ)を、動的粘弾性試験機(SIIナノテクノロジー DMS6100粘弾性スペクトロメーター)を使用して測定した。測定条件を以下に示す。
測定温度範囲:−20℃〜100℃
昇温速度:2℃/分
測定周波数:0.1Hz、0.2Hz、0.5Hz、1.0Hz、2.0Hz、5.0Hz、10Hz、20Hz
測定モード:引っ張り測定
この分離領域は、常に、周波数0Hzにおけるレオロジー特性を示す。ここで、図3(B)に示すように、変換フィルム10は、周波数が0Hz近辺では損失正接(損失正接Tanδ)が大きく、また、貯蔵弾性率E’が小さいため音速が小さくなる。そのため、この分離領域において各セグメントからの振動を打ち消すことができ、一方のセグメントの振動が他方のセグメントに伝搬することを防止できる。従って、各セグメントに互いに異なる信号を入力して再生した場合でも、各セグメントの振動が互いに干渉することなく、それぞれの領域で好適に音響信号を再生することができる。
また、電圧の印加によって即座に振動を開始し、かつ、駆動を停止した場合には、振動が即座に停止する。すなわち、残響が少ない。
まず、図4(A)に示すように、下部保護層18の上に下部電極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電極14となる銅薄膜等を形成して作製すればよい。あるいは、シート状物10aは、下部保護層18の上に銅薄膜等が形成された、市販品を利用してもよい。
有機溶媒には、特に限定はなく、ジメチルホルムアミド(DMF)、メチルエチルケトン、シクロヘキサノン等の各種の有機溶媒が利用可能である。
シート状物10aを準備し、かつ、前述の塗料を調製したら、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4(B)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10b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、以下の方法も利用可能である。まず、粘弾性材料を加熱溶融して、これに圧電体粒子26を添加/分散してなる溶融物を作製する。この溶融物を、押し出し成形等によって、図4(A)に示すシート状物の上にシート状に押し出し、冷却する。これにより、図4(B)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10b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、前述の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、前述の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50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50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50の数は、1本に限定はされず、複数本のコロナ電極50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、後述する熱圧着工程がスムーズに行える。
このシート状物10cは、例えば、上部保護層20の表面にマスキング等を行って、前述のシート状物10aと同様に真空蒸着などによって銅薄膜等を形成して、各領域に分割した上部電極16とすればよい。あるいは、シート状物10aと同じものを、上部電極16の形成材料に応じて加工することで、各領域に分割した上部電極16としてもよい。あるいは、圧電体層12の表面にスクリーン印刷によって銀ペースト等を形成することにより、各セグメントに分割した上部電極16を作製してもよい。
このシート状物10cを、図4(E)に示すように、上部電極16を圧電体層12に向けて、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、下部保護層18および上部保護層20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を用いて熱圧着して、図1(A)および図1(B)に示すような、本発明の変換フィルム10を完成する。
変換フィルム10は、これ以外にも、各種の領域の組み合わせでセグメントを構成してもよい。すなわち、変換フィルム10は、これ以外にも、各種の領域の組み合わせでグループ化を行ってもよい。
例えば、領域16aを第1セグメントとし、領域16bおよび領域16cを並列結合によってグループ化して第2セグメントとし、領域16d〜領域16gを並列結合によってグループ化して第3セグメントとしてもよい。
しかしながら、図1(B)等に示す変換フィルム10のように、中央から両外方向に向かって、順次、重み付けを行ったセグメントを構成する方が、音の偏在が無く、より自然な音声出力が可能であり、好ましい。
本発明の変換フィルムは、これ以外にも、上部電極(および/または下部電極)を、同じ面積で、かつ、並列PCMデジタル信号の最大ビット数Nに応じた2N−1個の領域に分割できるものでれば、各種の構成が利用可能である。
また、図5(A)等に示す変換フィルム30も、圧電体層12を下部電極14および上部電極32で挟持し、この積層体を下部保護層18および上部保護層20で挟持してなる構成を有するのは、図1(A)および図1(B)に示す変換フィルム10と同じである。さらに、下部電極14は、分割された上部電極32の各領域に共通の共通電極である。
以上の点に関しては、後述する図6(A)〜図6(H)に示す各変換フィルムでも、同様である。
この点に関しても、後述する図6(A)〜図6(H)に示す各変換フィルムでも、同様である。
変換フィルム30においても、各領域は、並列結合によって、3ビット(8階調)の出力に対応して、3ビット桁の並列PCMデジタル信号の各ビット桁の重みに比例した数の領域からなるセグメントとされる。すなわち、変換フィルム30においても、各領域は、並列結合によって、3ビットの出力に対応して、3ビット桁の並列PCMデジタル信号の各ビット桁の重みに比例した数にグループ化される。
具体的には、領域32aは他の領域とは並列結合されずに1個で第1セグメントとされる。領域32dおよび領域32fが、並列結合されて第2セグメントとされる。さらに、領域32b、領域32c、領域32eおよび領域32gが、並列結合されて第3セグメントとされる。すなわち、第1セグメントは1個の領域(20)で構成され、第2セグメントは2個の領域(21)で構成され、第3セグメントは4個の領域(22)で構成される。
従って、各ビット桁に対応するセグメントを、3ビットの並列PCMデジタル信号に応じた8つの駆動パターンで駆動することにより、正しくD/A変換された8階調の再生音を出力できる。
並列PCMデジタル信号が『1』の場合には、図5(B)に示すように、第1セグメントすなわち領域32aのみを駆動する(0+0+20=1)。
並列PCMデジタル信号が『2』の場合には、図5(C)に示すように、第2セグメントすなわち領域32dおよび領域32fを駆動する(0+21+0=2)。
並列PCMデジタル信号が『3』の場合には、図5(D)に示すように、第1セグメントすなわち領域32a、ならびに、第2セグメントすなわち領域32dおよび領域32fを駆動する(0+21+20=3)。
並列PCMデジタル信号が『4』の場合には、図5(E)に示すように、第3セグメントすなわち領域32b、領域32c、領域32eおよび領域32gを駆動する(22+0+0=4)。
並列PCMデジタル信号が『5』の場合には、図5(F)に示すように、第1セグメントすなわち領域32a、ならびに、第3セグメントすなわち領域32b、領域32c、領域32eおよび領域32gを駆動する(22+0+20=5)。
並列PCMデジタル信号が『6』の場合には、図5(G)に示すように、第2セグメントすなわち領域32dおよび領域32f、ならびに、第3セグメントすなわち領域32b、領域32c、領域32eおよび領域32gを駆動する(22+21+0=6)。
さらに、並列PCMデジタル信号が『7』の場合には、図5(H)に示すように、第1セグメントすなわち領域32a、第2セグメントすなわち領域32dおよび領域32f、ならびに、第3セグメントすなわち領域32b、領域32c、領域32eおよび領域32gを全て駆動する(22+21+20=7)。
これにより、3ビットの並列PCMデジタル信号に応じた、0〜7までの8階調の強度のD/A変換した音声出力が可能になる。
具体的には、領域38aは他の領域とは並列結合されずに1個で第1セグメントとされる。領域38cおよび領域38fが、並列結合によって第2セグメントとされる。さらに、領域38b、領域38d、領域38eおよび領域38gが、並列結合によって第3セグメントとされる。すなわち、第1セグメントは1個の領域(20)で構成され、第2セグメントは2個の領域(21)で構成され、第3セグメントは4個の領域(22)で構成される。
従って、各ビット桁に対応するセグメントを、3ビットの並列PCMデジタル信号に応じた8つの駆動パターンで駆動することにより、正しくD/A変換された8階調の再生音を出力できる。
並列PCMデジタル信号が『1』の場合には、図6(B)に示すように、第1セグメントすなわち領域38aのみを駆動する(0+0+20=1)。
並列PCMデジタル信号が『2』の場合には、図6(C)に示すように、第2セグメントすなわち領域38cおよび領域38fを駆動する(0+21+0=2)。
並列PCMデジタル信号が『3』の場合には、図6(D)に示すように、第1セグメントすなわち領域38a、ならびに、第2セグメントすなわち領域38cおよび領域38fを駆動する(0+21+20=3)。
並列PCMデジタル信号が『4』の場合には、図6(E)に示すように、第3セグメントすなわち領域38b、領域38d、領域38eおよび領域38gを駆動する(22+0+0=4)。
並列PCMデジタル信号が『5』の場合には、図6(F)に示すように、第1セグメントすなわち領域38a、ならびに、第3セグメントすなわち領域38b、領域38d、領域38eおよび領域38gを駆動する(22+0+20=5)。
並列PCMデジタル信号が『6』の場合には、図6(G)に示すように、第2セグメントすなわち領域38cおよび領域38f、ならびに、第3セグメントすなわち領域38b、領域38d、領域38eおよび領域38gを駆動する(22+21+0=6)。
さらに、並列PCMデジタル信号が『7』の場合には、図6(H)に示すように、第1セグメントすなわち領域38a、第2セグメントすなわち領域38cおよび領域38f、ならびに、第3セグメントすなわち領域38b、領域38d、領域38eおよび領域38gを全て駆動する(22+21+20=7)。
これにより、3ビットの並列PCMデジタル信号に応じた、0〜7までの8階調の強度のD/A変換した音声出力が可能になる。
これに対し、図6(A)等に示す変換フィルム36は、上部電極38の各領域が、中心に対して点対称な2個の小領域で形成されるので、音の偏在が無く、より自然な音声出力が可能である。
例えば、8ビットであれば、上部電極を255個(28−1個)の領域に分割し、数が2n個ずつ、増加するように領域を並列結合してグループ化し、8個のセグメントを形成すれば、8ビット桁の併設PCMデジタル信号を再現できる。
従って、この場合、領域の数が最大のセグメントは、領域の数が最小のセグメントに対して、領域の数が28-1倍の数となる。言い換えると、この場合、領域の数が最大のセグメントは、並列PCMデジタル信号1を表現するセグメントに対して、領域の数が28-1倍の数となる。
すなわち、各領域毎の駆動電圧にも重み付けを行うことで、面積による重み付けを補完、あるいは、拡張することで、限られた領域数でも高階調の音声出力が可能である。
すなわち、上部電極および/または下部電極を、同面積の複数の領域に分割して、並列PCMデジタル信号に応じてD/A変換した音声出力を行う本発明の変換フィルムでは、並列PCMデジタル信号の各ビット桁の重みに比例する重み付けを、領域の数すなわち各セグメントの面積で行ってもよく、各領域すなわち各セグメントに供給する電圧で行ってもよい。
例えば、図1(A)および図1(B)に示す変換フィルム10であれば、上部電極16は、領域16a〜領域16gの7つの領域に分割されているので、7ビットの並列PCMデジタル信号に応じた、0〜127までの128階調の強度のD/A変換した音声出力が可能になる。
一例として、領域16aを1ビット桁として1V(20)の電圧を、領域16bを2ビット桁として2V(21)の電圧を、領域16cを3ビット桁として4V(22)の電圧を、領域16dを4ビット桁として8V(23)の電圧を、……領域16gを7ビット桁として64V(26)の電圧を、それぞれ供給するように設定する。
その上で、例えば、並列PCMデジタル信号が『5』の場合には領域16aと領域16dとを駆動し、並列PCMデジタル信号が『10』の場合には領域16bと領域16dとを駆動し、並列PCMデジタル信号が『65』の場合には領域16aと領域16gを駆動することにより、7ビットの並列PCMデジタル信号に対応する、128階調のD/A変換した音声出力を行ってもよい。
図4(A)〜図4(E)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。
シート状物10aおよびシート状物10cの大きさは、スピーカに組み込んだ際の振動面の大きさが、210×300mm(A4サイズ)となる大きさとした。
また、領域16aは他の領域と並列結合せずに第1セグメントとし、領域16cおよび領域16eを並列結合して第2セグメントとし、領域16a、領域16b、領域16fおよび領域16gを並列結合して第3セグメントとした。
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の上に銅製の下部電極14を有し、その上に、厚さが40μmの圧電体層12を形成してなる積層体46bを作製した。
次いで、積層体46bとシート状物46c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と下部電極14および上部電極16とを接着して、変換フィルム10を作製した。
変換フィルム10の粘弾性支持体として、ケース56に、組立前の高さ25mm、密度32kg/m3のグラスウール58を収容した。
変換フィルム10をケース82の開口部を覆うように配置して周辺を枠体60で固定し、粘弾性支持体84により変換フィルム10に適度な張力と曲率を付与して、図8に示すようなスピーカを作製した。
作製したスピーカの第1セグメントa、第2セグメントbおよび第3セグメントcに、3ビットの並列PCMデジタル信号を入力し、官能評価によって音質を評価した。
評価は、20人による官能評価で行い、音の明瞭性や階調性が良いと評価した人数が18人以上の場合を評価Aとし、16人以上、18人未満の場合を評価Bとし、16未満の場合を評価Cとした。
評価はAであった。
下記の組成比で、ポリ酢酸ビニル(アルドリッチ社製)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・・・・・・・・・・・200質量部
・ポリ酢酸ビニル・・・・・・・20質量部
・DMF・・・・・・・・・・・・・・80質量部
PZT粒子は、実施例1と同様に作製した。
この塗料を用いて圧電体層12を形成した以外は、実施例1と同様にして、変換フィルム10を作製した。
実施例1と同様のスピーカを作製して、実施例1と同様の評価を行った。その結果、評価はBであった。
市販の厚さ50μmのPVDFをスピーカ用振動板として用いて、上部電極、下部電極をそれぞれ、真空蒸着にて実施例1と同様の位置に形成し、変換フィルムを作製した。
実施例1と同様のスピーカを作製して、実施例1と同様の評価を行った。その結果、評価はCであった。
また、圧電体層12を形成する高分子材料として、シアノエチル化PVAに変えてポリ酢酸ビニルを用いた実施例2は、高分子材料の室温(25℃)における比誘電率が実施例1よりも低いため、エネルギー変換効率が低く、音量は劣るものの、音の明瞭性や階調性は、比較例よりも優れている。なお、高分子材料の室温における比誘電率は、実施例1は約20、実施例2は約3である。
一方、PVDFをスピーカ用振動板として用いた比較例1の変換フィルムは、並列PCMデジタル信号を入力すると、残響やクロストークが発生して、高品位に並列PCMデジタル信号を再生することができなかった。
以上の結果より、本発明の効果は、明らかである。
12 圧電体層体
14 下部(薄膜)電極
16,32,38,42 上部(薄膜)電極
16a〜16g,32a〜32g,38a〜38g 領域
16s 間隙
50 コロナ電極
52 直流電源
56 ケース
58 グラスウール
60 枠体
Claims (12)
- 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と、前記高分子複合圧電体の両面に設けられる薄膜電極とを有し、
かつ、前記薄膜電極の少なくとも一方は、面積が等しい複数の領域に分割されており、さらに、各領域は、並列PCMデジタル信号の各ビット桁の重み対応して並列結合されてグループ化されており、
さらに、0〜50℃における100Hz〜10kHzでの損失正接(Tanδ)が0.09〜0.35であることを特徴とする電気音響変換フィルム。 - 前記グループ化は、並列PCMデジタル信号のビット桁の重み対応して、領域の数が2n個(nは、1ずつ増加する、0を含む自然数)ずつ増加するように行われる請求項1に記載の電気音響変換フィルム。
- 前記複数の領域が一方向に配列されるように、前記薄膜電極の分割が行われ、前記配列方向の中心から、順次、前記配列方向の両外側に向かうように、前記グループ化が行われる請求項1または2に記載の電気音響変換フィルム。
- 前記電極の複数に分割された領域は、中心から放射状に均等な角度で分割された複数の領域である請求項1または2に記載の電気音響変換フィルム。
- 前記電極の分割は、前記中心を通過する直線によって行われ、前記中心に対して点対称となる2個の小領域を前記領域とする請求項4に記載の電気音響変換フィルム。
- 前記薄膜電極の両面に形成された保護層を有する請求項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。
- 前記電気音響変換フィルムの動的粘弾性測定による周波数1Hzでの貯蔵弾性率(E’)が、0℃において10〜30GPa、50℃において1〜10GPa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。
- 前記高分子材料の周波数1Hzでのガラス転移温度が0〜50℃である請求項1〜8のいずれか1項に記載の電気音響変換フィルム。
- 前記高分子材料がシアノエチル基を有する請求項1〜9のいずれか1項に記載の電気音響変換フィルム。
- 前記高分子材料がシアノエチル化ポリビニルアルコールである請求項10に記載の電気音響変換フィルム。
- 請求項1〜11のいずれか1項に記載の電気音響変換フィルムを用いるデジタルスピーカ。
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